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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：2519

從上海市農(nóng)業(yè)科技重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目----智能設(shè)施裝備科技創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)工程項(xiàng)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(hào)】課題開始,，每年各項(xiàng)目/課題驗(yàn)收匯報(bào)時(shí),，專家往往都會(huì)提出這個(gè)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(jìn)行南美白對(duì)蝦池塘養(yǎng)殖應(yīng)用效果試驗(yàn),，第三方報(bào)告證實(shí)：
1.1.1 試驗(yàn)塘（1號(hào)塘）比對(duì)照塘（2-6號(hào)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(jìn)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(jìn)行水稻和澳洲紅螯螯蝦種養(yǎng)結(jié)合應(yīng)用效果試驗(yàn),，第三方報(bào)告證實(shí)：
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(yàn)田里種植的水稻，畝產(chǎn)比施用有機(jī)肥的增產(chǎn)50%,，比施用化肥的對(duì)照田也增產(chǎn)16%；
1.2.2 試驗(yàn)田里的水稻,，與施用化肥農(nóng)藥的對(duì)照田的水稻相比,，營養(yǎng)指標(biāo)、品質(zhì)指標(biāo),、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(yàn)田土壤團(tuán)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(dǎo)率和pH下降明顯,。考慮到試驗(yàn)田和對(duì)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(duì)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(shí)粒數(shù)和千粒重明顯增加；水稻根系更發(fā)達(dá),、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(jì)價(jià)值高,；由于澳洲紅螯螯蝦養(yǎng)殖對(duì)水質(zhì)要求極高，因此也側(cè)面證實(shí)了微納氣液界面技術(shù)對(duì)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?dú)夂扛哌_(dá)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(huì)降氨氮和硝氮,，微生物也會(huì)參與固氮作用，通過固氮作用成為動(dòng)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(duì)種養(yǎng)植過程的負(fù)面影響很大,，是首位排除項(xiàng)。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(dòng)植物生長(zhǎng)過程中主要的兩種氮源，水稻主要生長(zhǎng)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(diǎn)必然有差異。因?yàn)榉市У母叩团c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(duì)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(fù)電性,，能吸持銨態(tài)氮,，所以銨態(tài)氮施用后在土壤中移動(dòng)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(yán)重,，下層土壤根系發(fā)育不良的原因之一。硝態(tài)氮因?yàn)槌守?fù)電性,，土粒難以吸附,，在土壤中移動(dòng)范圍較大，在不同土壤層分布相對(duì)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(chǔ)存，而銨態(tài)氮被作物吸入,，在作物體內(nèi)不能存儲(chǔ),，一旦超過作物忍受量，尤其在苗期,，會(huì)引起葉片的斑點(diǎn),、黃化等氨中毒。
2.8 銨態(tài)氮因?yàn)槌收姾尚螒B(tài)存在,，硝態(tài)氮呈負(fù)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(huì)抑制中微量元素的吸收,，硝態(tài)氮能促進(jìn)中微量元素的吸收,。
2.9 長(zhǎng)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(yán)重會(huì)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(yàn)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(zhǎng),；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(zhǎng)不正常,，甚至絕收。水稻終生以水為家,，銨態(tài)氮一度被認(rèn)為是其最好氮源,。但最近的試驗(yàn)結(jié)果表明，這種觀點(diǎn)僅僅是因?yàn)樵谒聟捬醐h(huán)境中絕大多數(shù)氮源以銨態(tài)氮形式存在,，其實(shí)水稻更喜歡硝態(tài)氮,。

3.1【水稻種植】
3.1.1 植物對(duì)銨態(tài)氮的吸收機(jī)理存在3種不同的理論見解：第一種認(rèn)為NH4+的吸收機(jī)理與K+相似，兩者有相同的吸收載體,，因而常表現(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng),。第二種認(rèn)為NH4+是與H+進(jìn)行交換而被吸收進(jìn)入植物體的；第三種認(rèn)為硝態(tài)氮是以NH3的形式被吸收,。但是不管是哪種機(jī)理,，其共同特點(diǎn)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(gè)逆電化學(xué)勢(shì)梯度,、主動(dòng)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(jìn)入植物體后,，其中一部分可進(jìn)入根細(xì)胞的液泡中儲(chǔ)存起來暫時(shí)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(yùn)往地上部進(jìn)行同化,。根中合成的氨基酸也可以向地上部運(yùn)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(jìn)入液泡暫時(shí)儲(chǔ)存起來,，或進(jìn)一步同化為各種有機(jī)態(tài)氮。硝酸鹽在液泡中積累對(duì)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(duì)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(qiáng)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(qiáng),。
3.2.2 水體中過量氨氮的存在會(huì)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(shí)還會(huì)引起水體發(fā)臭。

4【氮的轉(zhuǎn)化】
4.1 硝酸根離子是有機(jī)質(zhì)經(jīng)“無機(jī)化”作用后的產(chǎn)物,，氨氮硝化需要氧,，氨氮硝化過程式化學(xué)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(jì)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(xì)顆粒態(tài)土”這種轉(zhuǎn)化會(huì)加快,。
4.3 環(huán)境中溶解氧濃度的大小會(huì)極大地影響硝化反應(yīng)的速度及硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)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(rèn)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(shí)會(huì)導(dǎo)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(cè)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(duì)種養(yǎng)植過程影響較大、在養(yǎng)殖水中亞硝氮的負(fù)面作用更明顯,。在上海市崇明區(qū),、青浦區(qū)、奉賢區(qū)試驗(yàn)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(jī)理探討】
5.1 如前分析,，銨態(tài)氮（NH4+）對(duì)水稻種植和水產(chǎn)養(yǎng)殖不利影響較多，硝態(tài)氮（NO3-）對(duì)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(huì)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(shí)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(jī)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(jí)氣泡可以在水中長(zhǎng)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(kuò)散,，附著在稻田土壤中,，改善土壤團(tuán)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(jìn)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(shí)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(dǎo)應(yīng)用實(shí)踐。

筆者：陳魯海,，畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系,，長(zhǎng)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。現(xiàn)任全國微細(xì)氣泡技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)副秘書長(zhǎng),、中國顆粒學(xué)會(huì)微納氣泡專業(yè)委員會(huì)副主任委員,。

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