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厭氧環(huán)境下綠色生態(tài)種養(yǎng)殖的氮源探討

上海中晨POWEREACH 2021-05-12 | 閱讀：2272

從上海市農(nóng)業(yè)科技重點攻關(guān)項目----智能設(shè)施裝備科技創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)工程項目“秸稈全量還田條件下栽培土壤環(huán)境改良技術(shù)研究”【滬農(nóng)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(chǎn)所需的氮源從何而來？

1.1【水產(chǎn)養(yǎng)殖案例】
2018-2019年在上海市奉賢區(qū)農(nóng)委支持下,，我們與上海市水產(chǎn)研究所（上海市水產(chǎn)技術(shù)推廣站）,、衍暢環(huán)境合作，在上海國秀水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)合作社所屬魚塘,，采用微納氣液界面技術(shù)進行南美白對蝦池塘養(yǎng)殖應(yīng)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(chǎn)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(yǎng)殖尾水循環(huán)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(zhì)底泥大幅改善,；
1.1.5 未檢出農(nóng)藥殘留及抗生素,。

1.2【水稻種植案例】
2018-2019年在上海市農(nóng)科院、青浦區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心和白鶴鎮(zhèn)政府支持下,，我們與上海焱聯(lián)農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社,、衍暢環(huán)境合作，在白鶴鎮(zhèn)響新村,，采用微納氣液界面技術(shù)進行水稻和澳洲紅螯螯蝦種養(yǎng)結(jié)合應(yīng)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(shù)的水稻和紅螯螯蝦種養(yǎng)結(jié)合模式的試驗田里種植的水稻，畝產(chǎn)比施用有機肥的增產(chǎn)50%,，比施用化肥的對照田也增產(chǎn)16%,；
1.2.2 試驗田里的水稻，與施用化肥農(nóng)藥的對照田的水稻相比,，營養(yǎng)指標,、品質(zhì)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(nèi)）明顯下降,；
1.2.3 試驗田土壤團粒結(jié)構(gòu)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,。考慮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(shù)的水稻和紅螯螯蝦種養(yǎng)結(jié)合模式對土壤改善是有效果的；
1.2.4 水稻主莖數(shù),、單株分蘗數(shù),、分蘗成穗率、每穗實粒數(shù)和千粒重明顯增加,；水稻根系更發(fā)達,、白根多，抗病蟲,、抗災(zāi)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(jīng)濟價值高,；由于澳洲紅螯螯蝦養(yǎng)殖對水質(zhì)要求極高，因此也側(cè)面證實了微納氣液界面技術(shù)對水質(zhì)的改善,。

2【氮源】
2.1 氮源：構(gòu)成生物體的蛋白質(zhì),、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(shù)十年來散失在水土環(huán)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(yōu)質(zhì)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(yǎng)植過程的負面影響很大,，是首位排除項。三氮之間的轉(zhuǎn)化與DO ,、 pH,、泥沙及生物量等有關(guān)。
2.4 銨態(tài)氮（NH4+）和硝態(tài)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(chǎn)養(yǎng)殖同樣是湖塘池水體環(huán)境中，其厭氧環(huán)境使氮源主要以NH4+的方式存在,。
2.5 硝態(tài)氮是陰離子,，為氧化態(tài)的氮源；銨態(tài)氮是陽離子,，為還原態(tài)的氮源,。他們所帶電荷不同，因此在營養(yǎng)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(guān),。例如，在不同的pH條件下,，作物對硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的吸收量有明顯差異,，酸性條件下，銨態(tài)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(tài)氮,，所以銨態(tài)氮施用后在土壤中移動范圍小，連年單一使用銨態(tài)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(fā)育不良的原因之一。硝態(tài)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(nèi)的硝態(tài)氮可直接被作物葉片等器官儲存，而銨態(tài)氮被作物吸入,，在作物體內(nèi)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(tài)氮因為呈正電荷形態(tài)存在,，硝態(tài)氮呈負電荷形態(tài)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(tài)氮會抑制中微量元素的吸收，硝態(tài)氮能促進中微量元素的吸收,。
2.9 長期使用硫酸銨等銨態(tài)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(yǎng)液中加入硝態(tài)氮，沒有銨態(tài)氮,、尿素態(tài)氮,，蔬菜正常生長；相反,，沒有硝態(tài)氮而加入尿素或任何銨態(tài)氮,，蔬菜就生長不正常，甚至絕收,。水稻終生以水為家,，銨態(tài)氮一度被認為是其最好氮源,。但最近的試驗結(jié)果表明，這種觀點僅僅是因為在水下厭氧環(huán)境中絕大多數(shù)氮源以銨態(tài)氮形式存在,，其實水稻更喜歡硝態(tài)氮,。

3.1【水稻種植】
3.1.1 植物對銨態(tài)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(xiàn)出競爭效應(yīng),。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(tài)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(zhì)中pH值降低,。這也是為什么使用銨態(tài)氮肥后局部土壤變酸的原因,，如前面所說，酸性條件下,，銨態(tài)氮肥肥效明顯降低,，形成惡性循環(huán)。
3.1.2 植物吸收硝態(tài)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(zhì)pH,、供氧狀況等。硝態(tài)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(zhì),，也可以直接通過木質(zhì)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(zhì),。在地上部葉片中,，硝態(tài)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(tài)氮,。硝酸鹽在液泡中積累對陰陽離子平衡和滲透調(diào)節(jié)作用具有重大意義,。

3.2【水產(chǎn)養(yǎng)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(guān)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(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象（赤潮現(xiàn)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(fā)臭,。

4【氮的轉(zhuǎn)化】
4.1 硝酸根離子是有機質(zhì)經(jīng)“無機化”作用后的產(chǎn)物,，氨氮硝化需要氧，氨氮硝化過程式化學反應(yīng)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(jù)反應(yīng)式,，每毫克氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮共需耗氧4.57毫克,。在反應(yīng)器內(nèi)若有“細顆粒態(tài)土”這種轉(zhuǎn)化會加快。
4.3 環(huán)境中溶解氧濃度的大小會極大地影響硝化反應(yīng)的速度及硝化細菌的生長速率,，呈現(xiàn)正相關(guān)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(yīng)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(zhuǎn)化,，有必要測定種養(yǎng)殖水中COD值以估算三氮形態(tài)的平衡轉(zhuǎn)換。
4.6 亞硝氮對種養(yǎng)植過程影響較大,、在養(yǎng)殖水中亞硝氮的負面作用更明顯,。在上海市崇明區(qū)、青浦區(qū),、奉賢區(qū)試驗田中,，由于采用了微納氣液界面技術(shù)調(diào)控，種養(yǎng)殖水體水質(zhì)極好,，亞硝氮含量極低,。

5【作用機理探討】
5.1 如前分析，銨態(tài)氮（NH4+）對水稻種植和水產(chǎn)養(yǎng)殖不利影響較多,，硝態(tài)氮（NO3-）對水稻種植和水產(chǎn)養(yǎng)殖有利影響較多,；
5.2 一般旱作土壤條件下，銨態(tài)氮會很快轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮,。但在水下厭氧環(huán)境下，銨態(tài)氮（NH4+）向硝態(tài)氮（NO3-）轉(zhuǎn)化需要數(shù)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(tǒng)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(shù)周乃至數(shù)月,，有利于銨態(tài)氮（NH4+）向硝態(tài)氮（NO3-）轉(zhuǎn)化,，既有利于水質(zhì)處理（種養(yǎng)殖尾水循環(huán)利用），也解釋了不用化肥微納氣泡水稻種養(yǎng)增產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(zhì)底泥改善,；
5.5 利用微納氣液界面技術(shù)促進固氮作用,，提升水下厭氧環(huán)境中銨態(tài)氮（NH4+）向硝態(tài)氮（NO3-）的轉(zhuǎn)化過程和轉(zhuǎn)化效率，為種養(yǎng)殖提供優(yōu)質(zhì)氮源的同時改良土壤和水質(zhì),，是綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)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(yīng)用實踐,。

筆者：陳魯海,，畢業(yè)于復(fù)旦大學化學系，長期從事微納氣液界面技術(shù)在農(nóng)業(yè)和水環(huán)境中的應(yīng)用?，F(xiàn)任全國微細氣泡技術(shù)標準委員會副秘書長,、中國顆粒學會微納氣泡專業(yè)委員會副主任委員。

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