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厭氧環境下綠色生態種養殖的氮源探討

上海中晨POWEREACH 2021-05-12 | 閱讀：2156

從上海市農業科技重點攻關項目----智能設施裝備科技創新產業工程項目“秸稈全量還田條件下栽培土壤環境改良技術研究”【滬農科攻字(2015)第3-2號】課題開始，每年各項目/課題驗收匯報時，專家往往都會提出這個問題：你們不用化肥、大幅減少了生物制劑的投放，增產所需的氮源從何而來？

1.1【水產養殖案例】
2018-2019年在上海市奉賢區農委支持下，我們與上海市水產研究所（上海市水產技術推廣站）、衍暢環境合作，在上海國秀水產養殖專業合作社所屬魚塘，采用微納氣液界面技術進行南美白對蝦池塘養殖應用效果試驗，第三方報告證實：
1.1.1 試驗塘（1號塘）比對照塘（2-6號塘）產量增加41.9%；
1.1.2 各種生物制劑投放減少成本50%；
1.1.3 養殖尾水循環利用，進來幾類水出去還是幾類水；
1.1.4 氧化還原電位提高，底質底泥大幅改善；
1.1.5 未檢出農藥殘留及抗生素。

1.2【水稻種植案例】
2018-2019年在上海市農科院、青浦區農業技術推廣中心和白鶴鎮政府支持下，我們與上海焱聯農業專業合作社、衍暢環境合作，在白鶴鎮響新村，采用微納氣液界面技術進行水稻和澳洲紅螯螯蝦種養結合應用效果試驗，第三方報告證實：
1.2.1 采用基于納微米氣液界面技術的水稻和紅螯螯蝦種養結合模式的試驗田里種植的水稻，畝產比施用有機肥的增產50%，比施用化肥的對照田也增產16%；
1.2.2 試驗田里的水稻，與施用化肥農藥的對照田的水稻相比，營養指標、品質指標、人體必需氨基酸含量顯著提高，重金屬含量（都在安全線內）明顯下降；
1.2.3 試驗田土壤團粒結構有顯著的改善，土壤活性增加、微生物增加。土壤中鹽分、電導率和pH下降明顯?？紤]到試驗田和對照田在種植水稻以前是施用化肥種植蔬菜，因此說明，采用基于納微米氣液界面技術的水稻和紅螯螯蝦種養結合模式對土壤改善是有效果的；
1.2.4 水稻主莖數、單株分蘗數、分蘗成穗率、每穗實粒數和千粒重明顯增加；水稻根系更發達、白根多，抗病蟲、抗災害、抗倒伏（莖稈直徑增加38.8%、莖稈壁厚增加42.2%）；
1.2.5 澳洲紅螯螯蝦單重超過3兩，經濟價值高；由于澳洲紅螯螯蝦養殖對水質要求極高，因此也側面證實了微納氣液界面技術對水質的改善。

2【氮源】
2.1 氮源：構成生物體的蛋白質、核酸及其他氮素化合物的材料。
2.2 自然界的氮源極其豐富，且不說空氣中氮氣含量高達78%，數十年來散失在水土環境中的氮肥累積量更是驚人（化肥中氮肥利用率僅為25%-40%）。氮源近乎無限，閃電雷陣雨會降氨氮和硝氮，微生物也會參與固氮作用，通過固氮作用成為動植物可利用的優質氮源才是人類的研究方向。
2.3 三氮一般指氨氮、硝氮、亞硝氮，其中亞硝氮對種養植過程的負面影響很大，是首位排除項。三氮之間的轉化與DO 、 pH、泥沙及生物量等有關。
2.4 銨態氮（NH4+）和硝態氮（NO3-）是動植物生長過程中主要的兩種氮源，水稻主要生長在水田中、水產養殖同樣是湖塘池水體環境中，其厭氧環境使氮源主要以NH4+的方式存在。
2.5 硝態氮是陰離子，為氧化態的氮源；銨態氮是陽離子，為還原態的氮源。他們所帶電荷不同，因此在營養上的特點必然有差異。因為肥效的高低與影響吸收利用的很多因素有關。例如，在不同的pH條件下，作物對硝態氮和銨態氮的吸收量有明顯差異，酸性條件下，銨態氮肥肥效明顯降低。
2.6 較小的土粒一般呈負電性，能吸持銨態氮，所以銨態氮施用后在土壤中移動范圍小，連年單一使用銨態氮容易使氮肥集中在上層土壤累積，這也是上層土壤鹽漬化嚴重，下層土壤根系發育不良的原因之一。硝態氮因為呈負電性，土粒難以吸附，在土壤中移動范圍較大，在不同土壤層分布相對均勻，有利于作物不斷伸展的深層根系吸收。
2.7 作物吸入體內的硝態氮可直接被作物葉片等器官儲存，而銨態氮被作物吸入，在作物體內不能存儲，一旦超過作物忍受量，尤其在苗期，會引起葉片的斑點、黃化等氨中毒。
2.8 銨態氮因為呈正電荷形態存在，硝態氮呈負電荷形態存在，而中微量元素離子一般以正電荷形式存在。同性相斥，異性相吸，銨態氮會抑制中微量元素的吸收，硝態氮能促進中微量元素的吸收。
2.9 長期使用硫酸銨等銨態氮為主的生理酸性肥料，特別是南方土壤，嚴重會引起土壤酸化。南方土壤適量施用硝酸鈣等生理堿性氮肥，還能起到改良土壤的作用。
2.10 在水培試驗中，只要營養液中加入硝態氮，沒有銨態氮、尿素態氮，蔬菜正常生長；相反，沒有硝態氮而加入尿素或任何銨態氮，蔬菜就生長不正常，甚至絕收。水稻終生以水為家，銨態氮一度被認為是其最好氮源。但最近的試驗結果表明，這種觀點僅僅是因為在水下厭氧環境中絕大多數氮源以銨態氮形式存在，其實水稻更喜歡硝態氮。

3.1【水稻種植】
3.1.1 植物對銨態氮的吸收機理存在3種不同的理論見解：第一種認為NH4+的吸收機理與K+相似，兩者有相同的吸收載體，因而常表現出競爭效應。第二種認為NH4+是與H+進行交換而被吸收進入植物體的；第三種認為硝態氮是以NH3的形式被吸收。但是不管是哪種機理，其共同特點是釋放等量的H+，使介質中pH值降低。這也是為什么使用銨態氮肥后局部土壤變酸的原因，如前面所說，酸性條件下，銨態氮肥肥效明顯降低，形成惡性循環。
3.1.2 植物吸收硝態氮是一個逆電化學勢梯度、主動吸收的過程，影響其吸收的因素主要有光照、溫度、介質pH、供氧狀況等。硝態氮進入植物體后，其中一部分可進入根細胞的液泡中儲存起來暫時不被同化，而大部分既可以在根系中同化為氨基酸、蛋白質，也可以直接通過木質部運往地上部進行同化。根中合成的氨基酸也可以向地上部運輸，在葉片中再合成為蛋白質。在地上部葉片中，硝態氮同樣可以進入液泡暫時儲存起來，或進一步同化為各種有機態氮。硝酸鹽在液泡中積累對陰陽離子平衡和滲透調節作用具有重大意義。

3.2【水產養殖】
3.2.1 氨氮對水生物起危害作用的主要是游離氨，其毒性比銨鹽大幾十倍，并隨堿性的增強而增大。氨氮毒性與池水溫度有密切關系，一般情況下，水溫愈高，毒性愈強。
3.2.2 水體中過量氨氮的存在會出現富營養化現象（赤潮現象），大量消耗溶解氧，危害魚類等水生生物的生存，同時還會引起水體發臭。

4【氮的轉化】
4.1 硝酸根離子是有機質經“無機化”作用后的產物，氨氮硝化需要氧，氨氮硝化過程式化學反應式如下：
2NH3+3O2→2HNO2+2H2O (1)
2HNO2+O2→2HNO3 (2)
4.2 硝化過程中的耗氧計算公式如下：
NH4++1.5 O2→2H++H2O+ NO2– +58~84千卡
NO2–+0.5O2→NO3– +15.4~20.9千卡
根據反應式，每毫克氨氮轉化為硝酸鹽氮共需耗氧4.57毫克。在反應器內若有“細顆粒態土”這種轉化會加快。
4.3 環境中溶解氧濃度的大小會極大地影響硝化反應的速度及硝化細菌的生長速率，呈現正相關性。
4.4 pH是影響硝化作用的重要因素之一，在pH中性或微堿性下，硝化過程迅速。一般認為，亞硝化菌的最佳pH范圍為8.0-8.4，硝化菌為7.7-8.1。
4.5 水中COD較高時會導致水氣界面上相應膜壓也較大，影響到水氣交換過程。水體中膜壓降低有利于三氮平衡轉化，有必要測定種養殖水中COD值以估算三氮形態的平衡轉換。
4.6 亞硝氮對種養植過程影響較大、在養殖水中亞硝氮的負面作用更明顯。在上海市崇明區、青浦區、奉賢區試驗田中，由于采用了微納氣液界面技術調控，種養殖水體水質極好，亞硝氮含量極低。

5【作用機理探討】
5.1 如前分析，銨態氮（NH4+）對水稻種植和水產養殖不利影響較多，硝態氮（NO3-）對水稻種植和水產養殖有利影響較多；
5.2 一般旱作土壤條件下，銨態氮會很快轉化成硝態氮。但在水下厭氧環境下，銨態氮（NH4+）向硝態氮（NO3-）轉化需要數十小時以上的有氧過程，由于大氣泡幾秒鐘就上升滅失，因此傳統曝氣機作用不大；
5.3 10微米的氣泡在水中上升速度是3mm/分鐘，納米級氣泡可以在水中長期存在數周乃至數月，有利于銨態氮（NH4+）向硝態氮（NO3-）轉化，既有利于水質處理（種養殖尾水循環利用），也解釋了不用化肥微納氣泡水稻種養增產的氮源從何而來。
5.4 微納氣泡向下擴散，附著在稻田土壤中，改善土壤團粒結構和氧化還原電位，提升根系固氮作用；附著在魚塘底泥上，底質底泥改善；
5.5 利用微納氣液界面技術促進固氮作用，提升水下厭氧環境中銨態氮（NH4+）向硝態氮（NO3-）的轉化過程和轉化效率，為種養殖提供優質氮源的同時改良土壤和水質，是綠色生態農業可持續發展的方向，也是值得深入的研究課題。期待理論研究成果能夠更好的量化指導應用實踐。

筆者：陳魯海，畢業于復旦大學化學系，長期從事微納氣液界面技術在農業和水環境中的應用?，F任全國微細氣泡技術標準委員會副秘書長、中國顆粒學會微納氣泡專業委員會副主任委員。

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