氮素是生命繁衍、成長和活動的重要元素,。氮素來自于大氣,，自然界中通過固氮菌或者強力的閃電將N₂轉(zhuǎn)化成生物有效的形態(tài)（NH₄⁺，NO₃^-）,，但這種方式效率較低,，只能將生物總數(shù)維持在較低水平，例如每公頃土地只能養(yǎng)活6-7個素食者,，而目前每公頃可承載20-30人,。氮素供應(yīng)成為生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵限制因素。19世紀(jì)初期,，歐洲由于人口的增長迫切需要大量氮肥,，曾嘗試?yán)枚喾N礦物源氮素作為肥料， 例如回收工業(yè)煉焦過程中的焦?fàn)t氣（Coke-oven Gas,，含NH₃0.7%-1.5%）制取硫酸銨（21%N）,，將自然界硝酸鈉（1%-5%N）提純干燥形成“智利硝石”（15%-16%N），用南美島嶼上的天然鳥糞（Gnano,，14%N）,，但這些都是在消耗地球歷史上通過生物固氮形成的有限資源，難以滿足需要,。因此,，1895年歐洲科學(xué)家開始從大氣中直接獲取氮素，例如用電石法生產(chǎn)氰氨化鈣（也稱石灰氮,，22%N）,，以及用電弧法生產(chǎn)硝酸，但這些方法都存在能耗高、規(guī)模難以擴(kuò)大的問題,，20世紀(jì)初期全球氮肥供應(yīng)尚不足100萬噸N,。直到1908年Haber-Bosch合成氨工藝成功發(fā)明，并于1913年正式投產(chǎn),，全球氮肥生產(chǎn)才快速發(fā)展,，并于2009年達(dá)到1 億噸的水平。

第二次世界大戰(zhàn)以后,，隨著全球人口迅速增長,，Haber-Bosch合成氨工業(yè)快速推廣應(yīng)用，氮肥施用也從少數(shù)發(fā)達(dá)國家逐步普及到大多數(shù)國家,，包括非洲撒哈拉地區(qū)的極端貧困地區(qū),。進(jìn)入21世紀(jì)，氮肥（再加上少部分通過化石能源燃燒產(chǎn)生的活性氮）已經(jīng)超過生物固氮和閃電等自然合成的氮素,，成為人類所需氮素的主要來源,。即使考慮部分國家耕地面積擴(kuò)大、自然草場和大量豆科作物生物固氮的貢獻(xiàn),，到2008年全球有48%的人口依賴于化學(xué)氮肥提供蛋白質(zhì),。而對于人多地少、自然草場和豆科作物固氮潛力小的中國等發(fā)展中國家而言,，氮肥的貢獻(xiàn)可能更大,，而對氮肥的依賴也更大。隨著世界人口不斷增長,，預(yù)計到2020年世界氮肥需求量將從目前的1億噸增長到1.35億噸,，到2050年進(jìn)一步增長到2.36億噸。然而氮肥的大量施用很快打破了自然界氮素的平衡,，其負(fù)面影響不斷凸顯,。每年通過生物固氮、化石能源燃燒,、氮肥生產(chǎn)活化近3億噸N,，但通過反硝化以N₂形式回到大氣的只有1億噸，其它活化的氮素以N₂O形式進(jìn)入大氣會導(dǎo)致溫室氣體（增溫潛勢是CO₂的298倍）和大氣質(zhì)量下降,，以NO₃^-的形式進(jìn)入水體導(dǎo)致硝酸鹽超標(biāo),、富營養(yǎng)化、近海赤潮（原因是促進(jìn)了藻類的生長,，降低了水體溶解氧濃度）,，以及以NH₃進(jìn)入森林和草原等自然生態(tài)系統(tǒng)降低生物多樣性。歐洲近期的評估表明,，歐洲活性氮導(dǎo)致的環(huán)境成本已經(jīng)高達(dá)700億至3200億歐元,，而給農(nóng)戶帶來的收益僅250-1300 億。為此，全世界已經(jīng)積極行動起來,，致力于發(fā)揮氮肥的正面作用而減少負(fù)面影響。

然而世界氮肥發(fā)展并不平衡,，歐美國家經(jīng)過上百年的大量生產(chǎn)和施用已經(jīng)進(jìn)入了保護(hù)環(huán)境階段,，中國及印度、巴西等快速發(fā)展中國家不僅要用氮肥解決糧食安全問題也要面臨巨大的環(huán)境壓力,，而非洲等欠發(fā)展國家還在為獲取足夠的氮肥而苦苦掙扎,。中國作為世界上人口最多而經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的國家，仍面臨經(jīng)濟(jì)增長,、城鎮(zhèn)化發(fā)展,、飲食轉(zhuǎn)變帶來的食物需求增長的壓力，而與此同時中國也面臨著巨大的資源環(huán)境壓力,，尤其是近些年與氮相關(guān)的土壤酸化,、水體污染和大氣污染的普遍發(fā)生。因此,，中國須重新審視氮肥的作用并采取正確的發(fā)展戰(zhàn)略,。本文嘗試用世界肥料工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計的氮肥生產(chǎn)、貿(mào)易,、施用數(shù)據(jù),，聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計的人口、耕地,、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù),，結(jié)合研究組開發(fā)的NUFER 模型（nutrient flows in food chains，environment and resources use）以及部分文獻(xiàn)資料,，綜合分析中國氮肥發(fā)展形勢及對陸地生態(tài)系統(tǒng)氮素供應(yīng),、人類蛋白供應(yīng)、國家糧食安全,、土地替代方面的貢獻(xiàn),，并借鑒國際發(fā)展經(jīng)驗，分析中國氮肥發(fā)展思路,。NUFER模型是結(jié)合中國文獻(xiàn)資料,，建立了中國食物鏈中氮、磷兩種元素在農(nóng)田,、畜牧,、家庭消費各個環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)化系數(shù)，本文主要用此模型計算了陸地生態(tài)氮素來源,、氮肥在蛋白消費中的作用,。

發(fā)達(dá)國家于19世紀(jì)初期開始施用氮肥，在20世紀(jì)初期開始大量生產(chǎn)氮肥,，到20世紀(jì)80年代中期以前都主導(dǎo)著全球氮肥生產(chǎn)和施用（圖1）,。相對而言，中國的氮肥發(fā)展起步較晚,，經(jīng)歷了引進(jìn)Haber-Bosch合成氨工藝,、改進(jìn)、國產(chǎn)化三個階段,。中國氮肥生產(chǎn)可從1935年建設(shè)大連化學(xué)廠和永利铔廠算起,，但直到1949年以后才投產(chǎn)，隨后通過引進(jìn)少量小型氮肥裝置,，逐步掌握了硫酸銨和硝酸生產(chǎn)技術(shù),，開啟了中國自行生產(chǎn)氮肥的新紀(jì)元，1961年氮肥生產(chǎn)量48萬噸（純N,，下同）,，占世界生產(chǎn)量的3.5%。但這些技術(shù)需要用焦炭作原料,、而且需要昂貴的不銹鋼和鉛,，規(guī)模不能擴(kuò)大，同時因為重工業(yè)基礎(chǔ)薄弱和西方國家的技術(shù)封鎖,，氮肥生產(chǎn)技術(shù)仍很落后,，遠(yuǎn)不能滿足需求，例如1961年中國氮肥用量達(dá)到88萬噸,，進(jìn)口依存度為45%,。

因此，加快氮肥的生產(chǎn)迫在眉睫,，侯德榜等研發(fā)了碳化法生產(chǎn)碳酸氫銨工藝,，并開始用無煙煤作為燃料，極大地緩解了資金和原料對氮肥生產(chǎn)的限制,，大幅加快了氮肥工業(yè)的發(fā)展,，到1970年共建成中小型氮肥廠1572家。碳酸氫銨是中國自主研發(fā)的獨特產(chǎn)品,，而小氮肥是根據(jù)中國國情發(fā)展氮肥工業(yè),，并促進(jìn)氮肥工業(yè)真正飛躍的關(guān)鍵。但小型企業(yè)生產(chǎn)效率較低,，而發(fā)達(dá)國家已經(jīng)改為使用天然氣發(fā)展大型裝置生產(chǎn)氮肥,。因此，從1973年至20世紀(jì)90年代中國持續(xù)引進(jìn)幾十套大型裝置,，并對小型企業(yè)進(jìn)行改造,，同時大量發(fā)展商品性更好的尿素,，又一次提升了氮肥產(chǎn)量。1991年氮肥產(chǎn)量達(dá)到1510萬噸,，躍居世界第一位,，占世界的21.3%。但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展更快地拉動需求發(fā)展,，1991年中國氮肥消費量達(dá)到1923萬噸,，進(jìn)口量達(dá)到460萬噸，占全球進(jìn)口量的25%,，是最大的進(jìn)口國。為加快氮肥國產(chǎn)化進(jìn)度,，中國政府在上世紀(jì)90 年代后期對化肥生產(chǎn)采取一系列有別于其它產(chǎn)業(yè)的特殊補貼和支持政策,。

隨著對引進(jìn)技術(shù)的轉(zhuǎn)化和吸收，中國逐步掌握了氮肥生產(chǎn)技術(shù),，并能自主開發(fā)生產(chǎn)裝置,，氮肥生產(chǎn)進(jìn)入高速發(fā)展期，2009年中國氮肥生產(chǎn)量達(dá)到3608萬噸,，占全球的比重達(dá)到34%,，而施用量也達(dá)到3360萬噸，占全球的33%,。21世紀(jì)以來中國氮肥生產(chǎn)逐步超過施用量,，不僅滿足了自己需要，而且一躍成為全球主要出口國,，2009年出口占全球的8%,，成為僅次于俄羅斯的第二大出口國?？v觀全球發(fā)展,，發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)80年代中期以后受環(huán)境問題的影響氮肥生產(chǎn)和施用都出現(xiàn)了不同層次的下降；而中國等發(fā)展中國家卻迅猛增長,，極大地拉動了全球氮肥的發(fā)展,，1991-2009年間中國凈增的氮肥生產(chǎn)量和施用量對世界凈增量的貢獻(xiàn)分別達(dá)到61%和52%。因此,，中國氮肥問題成為全球氮肥問題的核心,。

2.1  20世紀(jì)70年代以來氮肥成為中國陸地生態(tài)系統(tǒng)活性氮素的主要來源

除化學(xué)氮肥之外，進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng)的氮素來源還包括通過閃電,、生物固氮（自然草場,、固氮作物、海洋）以及化石能源燃燒過程中產(chǎn)生的活性氮,，這些氮素會以各種形式存在于生物圈和大氣中,，最終對生物活動和環(huán)境產(chǎn)生影響,。關(guān)于中國陸地生態(tài)系統(tǒng)活性氮來源鮮有綜合性研究。本文以中國陸地生態(tài)系統(tǒng)為邊界,，根據(jù)NUFER模型的參數(shù),，綜合分析了1961-2009年進(jìn)入中國陸地生態(tài)系統(tǒng)各種來源的氮素總量。其中考慮了海洋捕撈水產(chǎn)品產(chǎn)量及其氮含量,，天然草場固氮帶入量（包括天然牧草作為飼料的氮素數(shù)量）,，農(nóng)田生物固氮量（包括豆科作物固氮和非豆科作物固氮兩部分），進(jìn)口食物中的氮（主要是動物性食物和植物性食物進(jìn)口量減去其出口量）,。由于受到數(shù)據(jù)限制,，1961-1980年天然草場和農(nóng)田生物固氮量無法計算，但這一時期中國尚未改革開放,，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和種植結(jié)構(gòu)變化不大,，因此假定天然草場和農(nóng)田生物固氮量在1961-1980年間保持不變。

結(jié)果表明,，1961年進(jìn)入中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的氮素總量為538萬噸,，而到2009年總量達(dá)到4694萬噸，雖然20世紀(jì)80年代后期來自于生物固氮,、進(jìn)口食物的氮素不斷增加,，但化學(xué)氮肥增速更快，氮肥所占比例從16%增長到了72%（圖2）,。這一計算中尚沒有考慮閃電和化石能源燃燒形成的氮素,，根據(jù)Schlesinger對全球的估計，閃電產(chǎn)生的活性氮約500萬噸,，按照中國國土面積占全球的7.1%估計,，中國閃電產(chǎn)生的活性氮約36萬噸，可以忽略不計,。1995年左右全球化石能源燃燒產(chǎn)生的活性氮約2500萬噸,，而當(dāng)時中國化石能源燃燒占全球的比重為11%，中國化石能源燃燒排放約275 萬噸,。這些活性氮毫無疑問會進(jìn)入大氣系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng),，但通過閃電和化石能源燃燒產(chǎn)生的活性氮更多的是以NO_x形式存在，其對陸地生態(tài)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)尚不明確,，再加上中國的研究數(shù)據(jù)尚無法給出清楚的判斷,，所以暫不予考慮。

2.2  氮肥成為中國蛋白質(zhì)的主要來源

氮素是蛋白的主要組分,，而中國氮素來源的72%是氮肥,，因此氮肥對蛋白的貢獻(xiàn)直接可以用來反映氮肥對人類營養(yǎng)改善的作用。FAO（Food and Agriculture Organization of United Nations,，聯(lián)合國糧農(nóng)組織）統(tǒng)計了1961-2007年各個國家人均動物蛋白,、植物蛋白和水產(chǎn)蛋白的數(shù)據(jù),，筆者根據(jù)這些數(shù)據(jù)及中國人口總量，計算了中國消費的蛋白質(zhì)總量,，同時扣除非化肥供應(yīng)的蛋白質(zhì)產(chǎn)量（來自于進(jìn)口食品,、陸地農(nóng)田生物固氮和海洋水產(chǎn)品帶入的蛋白質(zhì)，用NUFER模型計算）,，分析了化學(xué)氮肥對中國蛋白質(zhì)供應(yīng)的貢獻(xiàn),。結(jié)果表明（圖3），1961-2007年中國人均蛋白消費量增長了一倍,，達(dá)到了88.9g·d^-1 的水平,。

按照人口總量計算，1961-2007年,，中國蛋白消費總量從1002萬噸增長到了4386萬噸,，扣除增加的進(jìn)口食物中提供的977萬噸和海產(chǎn)品提供的103萬噸，有3306萬噸由陸地生態(tài)系統(tǒng)提供,。陸地生態(tài)系統(tǒng)中，草原生態(tài)系統(tǒng)生物固氮增加了372萬噸N（蛋白質(zhì)含氮量16%）,，天然放牧系統(tǒng)氮素轉(zhuǎn)化率約為10%,，其中轉(zhuǎn)化為人類可食的動物蛋白約為232萬噸。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中生物固氮增加了241萬噸N,，其中30%為可食用的植物氮,，另外70%作為飼料氮，飼料氮素轉(zhuǎn)化率為30%,，由此分析,，轉(zhuǎn)化為人類可食的蛋白為768.2萬噸。綜合分析,，1961-2007年,，中國新增蛋白消費中，氮肥貢獻(xiàn)了56%,。氮肥對蛋白質(zhì)的貢獻(xiàn)低于氮肥在陸地生態(tài)系統(tǒng)氮素總量的比例（72%）,，說明氮肥的蛋白質(zhì)生產(chǎn)效率低于生物固氮，而其主要原因是化學(xué)氮肥過量施用在農(nóng)田中利用率低,，而且大多數(shù)轉(zhuǎn)化為谷物作物蛋白,，而自然生態(tài)系統(tǒng)固氮大部分轉(zhuǎn)入高氮含量的豆科作物。另外,，谷物作物再轉(zhuǎn)化為動物蛋白時效率遠(yuǎn)低于豆類作物,。

3.1  自給自足國策促使氮肥大量施用

與大部分國家不同，中國一直秉承自給自足的國策,，糧食自給率目標(biāo)一直設(shè)置到95%甚至100%,，而且努力生產(chǎn)國民所需的各種食物,。如果以等比例的人口分配等比例的食物作為食物供應(yīng)充足的衡量標(biāo)準(zhǔn)的話，可以看到1961年以來,，中國人口占全球的比例一直高于20%（表1）,，而20世紀(jì)90年代以前所有農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量比例都低于20%，食物供應(yīng)不足的問題比較突出,。而自20世紀(jì)90年代開始,，谷物、纖維,、蔬菜,、禽蛋所占比例才與人口比例一致，1993年人均谷物占有量達(dá)到354kg,，基本解決了溫飽問題,。而到2000年以后，水果,、肉類才與人口比例一致,，甚至蔬菜總產(chǎn)占全球的比重達(dá)到49%，人均蔬菜和水果擁有量分別達(dá)到383kg和85kg,，遠(yuǎn)高于歐盟75kg和55kg水平,。目前僅奶類和油料尚有不足。同步實現(xiàn)多種食物的自給在全球是比較罕見的,，說明中國食物自給自足的國策基本實現(xiàn),。

土、肥,、水是農(nóng)業(yè)發(fā)展的基本資源,，三者之間的耦合是保障糧食安全的關(guān)鍵。在有限的土壤和水資源條件下,，全面實現(xiàn)口糧,、動物食品、蔬菜,、水果,、纖維等多種農(nóng)產(chǎn)品的自給自足加大了對氮肥的依賴。2009年中國氮肥消費量占全球的33%,，超過了人口所占比例（20%）,，遠(yuǎn)高于農(nóng)地所占比例（11%），也超過了大部分農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量所占比例（表1）,。根據(jù)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)2001,、2003、2008,、2009年的氮肥施用調(diào)研資料,，以及中國2009年氮肥生產(chǎn),、消費和貿(mào)易數(shù)據(jù)，筆者分析了2009年中國氮肥分配去向（圖4）,。2009年氮肥總產(chǎn)3608萬噸,，其中出口占5%，工業(yè)使用占10%,，農(nóng)作物占72%,，其余用于林業(yè)、漁業(yè),、牧業(yè)等領(lǐng)域,，說明中國氮肥需求很廣泛，農(nóng)林牧漁整個大農(nóng)業(yè)的發(fā)展都離不開氮肥,。與其他國家不同,，中國水產(chǎn)品產(chǎn)量有一半來自于內(nèi)陸淡水養(yǎng)殖，1961-2009年,，中國淡水養(yǎng)殖產(chǎn)量從88萬噸增長到了2435萬噸,，施用氮肥促進(jìn)水體浮游植物的生長，是主要飼料來源,。同樣,，中國肉蛋奶產(chǎn)量從1961年的679.1萬噸增加到17262.0萬噸，其中耗糧型動物（豬,、雞）占46%，而歐盟和美國僅分別占22%和17%,，因此中國飼料糧消費量從1809萬噸增長到12020萬噸,，除大豆外，97%來自于國內(nèi)種植業(yè)（根據(jù)NUFER模型計算）,。

3.2  施用氮肥增產(chǎn)是緩解耕地資源不足的重要措施

耕地是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)物質(zhì)條件,，耕地總量和人口的匹配決定著一國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。為了獲得足夠的發(fā)展空間,，一方面需要新開墾耕地,，另一方面需要在有限的耕地上盡可能地獲取更多的產(chǎn)出，主要途徑是增加收獲次數(shù)或者提高單位面積產(chǎn)量,，通過這兩種途徑都相當(dāng)于擴(kuò)大了實際占有耕地面積,，筆者稱之為虛擬耕地面積。因此本研究中以1961年為基準(zhǔn)年,，分析了至2009年人均實際占有耕地面積及人均虛擬耕地面積的變化,，由此分析通過氮肥增產(chǎn)對中國耕地替代的特殊意義。結(jié)果表明主要國家新開墾耕地的潛力越來越小,，例如1961-2009年中國耕地總面積僅增長了6%,，而美國和歐盟由于城市化發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需要,，耕地面積減少了9.9%和11.6%。而隨著人口的快速發(fā)展,，人均耕地資源量都出現(xiàn)了大幅度下降,，耕地制約越來越凸顯，例如中國人均耕地面積從1961年的0.15hm²下降到0.08hm²（表2）,，下降了近一半,，歐美的降幅也很大。

各國解決耕地緊缺的方式不同,，中國人均耕地面積太小,，只能一方面采取復(fù)種的措施增加收獲次數(shù)，即通過輪作,、套作,、間作等方式實現(xiàn)了兩年三熟、一年兩熟,、一年三熟,，在1961年中國人均收獲面積就達(dá)到0.23hm²，接近歐洲0.25hm²的水平,，然而農(nóng)民兼業(yè)化導(dǎo)致復(fù)種不斷下降,，到2009年中國人均收獲面積下降到0.14hm²。而隨著20世紀(jì)60年代的綠色革命的開展,，各個國家都大幅度提高了單位面積的產(chǎn)量,，但由于基礎(chǔ)產(chǎn)量不同、種植結(jié)構(gòu)不同,，增幅也不同,。以谷物為例，美國以玉米為主體的谷物平均單產(chǎn)從2.52t·hm^-2增長到了7.24t·hm^-2,，歐洲以麥類為主體的谷物平均單產(chǎn)僅從1.99t·hm^-2增長到了5.05t·hm^-2,，而中國綜合發(fā)展小麥、玉米,、水稻將谷物單產(chǎn)從1.21t·hm^-2增加到5.45t·hm^-2,，超過了歐洲。中國,、歐盟和美國單產(chǎn)的增加相當(dāng)于人均耕地面積提高了0.38hm²,、0.26hm²和0.63hm²。雖然關(guān)于中國氮肥對作物增產(chǎn)貢獻(xiàn)的定量化研究較少,，但一些研究證明肥料的貢獻(xiàn)接近50%,，由于氮肥用量占化肥總用量的60%以上，則氮肥的貢獻(xiàn)應(yīng)該接近30%。

綜合分析可以發(fā)現(xiàn),，雖然中國人均實際耕地面積從1961年的0.15hm²下降到了2009年的0.08hm²,，但通過復(fù)種、提高作物單產(chǎn)增加了0.44hm²的虛擬耕地面積,，因此可獲得食物的虛擬耕地面積總量達(dá)到0.52hm²,，已經(jīng)超過了歐盟人均0.46hm²的水平。單產(chǎn)的提高是緩解耕地面積不足的關(guān)鍵措施,，但在單產(chǎn)提高過程中,，各個國家的方式和效率各不相同，所以每提高一個公頃的虛擬耕地面積所消耗的氮肥是不同的,，例如中國消耗了63.1kg N,，而歐盟和美國只需要46.2kg N和41.2 kg N，換句話說中國增加1kg N 僅相當(dāng)于新增了0.016hm²的耕地,，而歐盟和美國分別達(dá)到0.022hm²和0.024hm²,，中國氮肥增產(chǎn)效率明顯偏低。

4.1  控制施肥,，同步實現(xiàn)增產(chǎn)和環(huán)保

從表1的分析中可以看到,，中國雖然實現(xiàn)了大部分食品自給自足，但奶類和油料仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足,。而且人口仍在繼續(xù)增長,，城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟(jì)在飛速發(fā)展，對動物性食品需求的增長隱含著對氮素需求的增長,，中國是不是要繼續(xù)增加氮肥投入,？這是一個國內(nèi)外普遍關(guān)注的問題。目前中國作物單產(chǎn)水平還略低于部分發(fā)達(dá)國家,，但是氮肥施用強度已經(jīng)達(dá)到發(fā)達(dá)國家的兩倍（表2）,，例如中國華北地區(qū)小麥玉米體系氮投入達(dá)588kg·hm^-2，美國西部玉米大豆體系僅155kg·hm^-2,。尤其重要的是自20世紀(jì)70年代后期中國氮肥投入已經(jīng)明顯超過了作物地上部吸收量，并且不斷加劇,，到2009年每公頃土地上的盈余量就達(dá)到175kg N（圖5）,，換言之，即使不用氮肥,，僅環(huán)境盈余已經(jīng)接近歐洲的限量指標(biāo)（要求每公頃土地有機(jī)肥投入不能超過175kg N）,，而如果再考慮生物固氮以及其他來源的氮素，盈余量更大,。氮素盈余對環(huán)境影響逐步顯現(xiàn),，2010年公布的全國污染源調(diào)查報告表明，全國水體污染物中總氮的57%來自于農(nóng)業(yè)，朱兆良等研究發(fā)現(xiàn)太湖地區(qū)施肥對水環(huán)境中氮負(fù)荷的貢獻(xiàn)達(dá)24%,。Guo 等在Science上發(fā)表文章表明主要農(nóng)田土壤pH下降0.5個單位,，其中60%-90%的貢獻(xiàn)來自于氮肥；Liu等在Nature上報道了全國大氣氮沉降增長了60%,，主要與氮肥有關(guān),；據(jù)Good和Beatty研究，中國如果保持目前的發(fā)展趨勢,，2020年氮肥的環(huán)境成本將達(dá)到50億美元,，2030年達(dá)到143億美元，2050年達(dá)到271億美元,，占全球的58%,。

中國必須選擇合適的戰(zhàn)略盡快轉(zhuǎn)變發(fā)展方式。反觀發(fā)達(dá)國家,，自20世紀(jì)80年代以來在能源和環(huán)境的雙重壓力下已經(jīng)降低氮肥的生產(chǎn)和消費量,，他們通過嚴(yán)格的環(huán)境限量指標(biāo)控制氮肥投入，而且經(jīng)過調(diào)整氮肥產(chǎn)品結(jié)構(gòu),、優(yōu)化農(nóng)學(xué)技術(shù)使氮肥投入量與作物吸收量平,，從而實現(xiàn)了作物產(chǎn)量提高和環(huán)境改善的目標(biāo)。歐美國家在二十多年前所作的這些工作中國才剛剛開始,。大量實驗證明,，通過管理措施實現(xiàn)化肥投入與作物吸收是可能的，但途徑完全不同,。華北平原和太湖地區(qū)的小麥-玉米輪作試驗表明,，養(yǎng)分綜合管理在保證作物產(chǎn)量不減的情況下氮肥用量可以減少30%-60%。而通過土壤-作物體系的綜合管理,，保持目前的農(nóng)戶用肥量可將玉米產(chǎn)量提高92%,。鑒于中國人多地少的國情，增加作物產(chǎn)出仍是必然道路,，因此應(yīng)該根據(jù)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)條件,，改善肥料管理，轉(zhuǎn)變農(nóng)田施用技術(shù)實現(xiàn)化肥投入與作物吸收平衡,。但這僅是第一步,，通過有機(jī)廢棄物管理實現(xiàn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的養(yǎng)分平衡，通過更加精確的管理實現(xiàn)陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣的平衡,，都是二十一世紀(jì)中國需要面臨的問題,。

4.2  工業(yè)升級，助推肥料高效利用

科學(xué)發(fā)展氮肥產(chǎn)品是提高農(nóng)田利用效率,、增產(chǎn)和環(huán)保的有效途徑之一,。世界肥料工業(yè)協(xié)會分析全球研究結(jié)果表明，尿素和碳酸氫銨是各種氮肥中氣體損失率最高的產(chǎn)品，氣體損失率高達(dá)15%-20%,，而硝酸銨以及氨水等產(chǎn)品損失率僅2%-6%,。歐美國家為了實現(xiàn)氮肥增效的目的，發(fā)展了特殊的氮肥產(chǎn)品,。例如,，德國是全球氮肥發(fā)展最早的國家之一，其氮肥產(chǎn)品中硝態(tài)氮肥占30%左右,，而銨態(tài)氮肥占70%左右（表3）,，充分發(fā)揮了硝態(tài)氮肥肥效快、氣體損失少而銨態(tài)氮肥肥效慢,、淋溶損失少的特點,，搭配施用實現(xiàn)了速效與緩效結(jié)合、生產(chǎn)與環(huán)保結(jié)合的目標(biāo),。美國發(fā)展了氮肥注射施用的方法,，其氮肥產(chǎn)品中較多地使用了液氨以及尿素硝銨溶液（氮溶液）等液體肥料，而且通過管道運輸以及液體儲存罐,，降低了產(chǎn)品造粒,、包裝、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的能耗和氮素?fù)p失,，比固體顆粒肥料更容易通過注射施入耕層,，從而降低損失、提高利用效率,。

反觀中國氮肥產(chǎn)品結(jié)構(gòu),，中國為了促進(jìn)供應(yīng)量，不斷引進(jìn)各個國家的生產(chǎn)工藝,，也不斷根據(jù)國內(nèi)的資源和經(jīng)濟(jì)形勢改造,，雖然氮肥產(chǎn)品不斷發(fā)展演變，但出現(xiàn)了單一化的趨勢,。例如20世紀(jì)80年代以前,，中國主要氮肥產(chǎn)品是硫酸銨和碳酸氫銨，而隨著大型裝置的引進(jìn),，尿素所占比例越來越高,，到2009年尿素占66.7%。另外,，中國以固體顆粒肥料為主，與德國等歐洲國家相似,，但忽視了銨態(tài)和硝態(tài)的配合,，硝態(tài)氮肥的比重已經(jīng)下降到0.3%。而且氮肥施用更趨向于復(fù)合化，2009年復(fù)合肥提供的氮素占12.1%,，但I(xiàn)FA統(tǒng)計數(shù)據(jù)僅考慮了用合成氨直接生產(chǎn)的復(fù)合肥,，沒有考慮用尿素、氯化銨及硫酸銨經(jīng)過二次加工生產(chǎn)的復(fù)合肥,，據(jù)李亮科等在全國的調(diào)研表明,，由于越來越多的農(nóng)戶選擇用復(fù)合肥作為基肥一次性施用，實際進(jìn)入農(nóng)田的氮肥有32.1%是由復(fù)合肥提供的,，相對而言,，美國和德國正在增加單質(zhì)氮肥的施用以提高利用率。

只考慮生產(chǎn)工藝和資源形勢,，而忽略肥料與農(nóng)業(yè)發(fā)展的匹配,，是中國氮肥利用率只有27%，而用量不斷增加的原因之一,。當(dāng)前迫切需要加強氮肥工業(yè)與農(nóng)業(yè)的配合,，共同實現(xiàn)氮肥增效環(huán)保的目的。首先要生產(chǎn)出適于中國農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效的氮肥產(chǎn)品,，例如如何對現(xiàn)有的尿素進(jìn)行改性（長效碳銨,、開發(fā)低成本的抑制劑或者包膜肥料）、如何開發(fā)適于機(jī)械深施和灌溉施肥的氮肥,、如何提高硝態(tài)氮肥和銨態(tài)氮肥的配合等,，這些工作目前大多停留在由農(nóng)業(yè)科學(xué)家小規(guī)模試驗的層次，需要氮肥工業(yè)參與快速推進(jìn),。同樣在服務(wù)方式中要突破快速,、有效的氮肥診斷技術(shù)和服務(wù)模式，要前瞻性地解決氮肥施用與土壤酸化,、作物品質(zhì)等問題,。

4.3   加強戰(zhàn)略管理保障可持續(xù)供應(yīng)

全球50多個科學(xué)家分析了21世紀(jì)世界農(nóng)業(yè)面臨的100個問題，與肥料相關(guān)的有多個問題,，包括肥料的供應(yīng)能力和環(huán)境污染問題,。在一些人口快速增長而工業(yè)基礎(chǔ)薄弱的發(fā)展中國家和非洲等欠發(fā)展國家氮肥供應(yīng)本來就不足，將來隨著能源價格高漲和能源供應(yīng)緊張,，化肥供應(yīng)不足的問題會進(jìn)一步加劇,。因此中國在實現(xiàn)了氮肥的充足施用和供應(yīng)之后，正逐步擴(kuò)大出口滿足國際市場的需求,。預(yù)計2010-2014年全球新建合成氨裝置中有35%來自于中國,。然而這種發(fā)展模式將受到資源、環(huán)境和政策的多重制約,。據(jù)中國氮肥工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計,，2009年中國氮肥消耗了全國天然氣總產(chǎn)量的13%,，煤炭總產(chǎn)量的3.2%（消耗了55%的優(yōu)質(zhì)無煙塊煤），全國發(fā)電總量的1.9%,。中國煤炭,、石油、天然氣可供應(yīng)能力都不足50年,，2010年中國15%的天然氣,、62%的石油依靠進(jìn)口，目前以天然氣,、石油以及優(yōu)質(zhì)無煙塊煤為原料的氮肥企業(yè)都面臨著轉(zhuǎn)向資源更加豐富的低質(zhì)煤炭,，未來擴(kuò)大氮肥生產(chǎn)在資源數(shù)量、質(zhì)量和價格上都將面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),。另外,，目前中國化肥工業(yè)補貼已經(jīng)高居世界第二位，僅次于印度,，工業(yè)補貼降低化肥價格是中國農(nóng)民能夠大量施用氮肥的關(guān)鍵原因,，未來隨著能源價格不斷提高和化肥市場化進(jìn)程加快，通過工業(yè)補貼保障化肥價格平穩(wěn)的難度也越來越大,，如何保障化肥價格平穩(wěn),、促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展也是一個問題。為了實現(xiàn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn),、農(nóng)民增收,、環(huán)境友好，最佳途徑是盡快提高氮肥農(nóng)田利用效率,、減少損失,，并且加強有機(jī)資源的儲存和施用。

經(jīng)過半個世紀(jì)的努力,，中國終于實現(xiàn)氮肥的自給,，在保障糧食安全、社會發(fā)展方面做出了巨大的貢獻(xiàn),，而且支撐了全球氮肥生產(chǎn)的發(fā)展,。但進(jìn)入21世紀(jì)，中國氮肥生產(chǎn)量超過消費量,、消費量超過作物地上部吸收量,，氮肥對環(huán)境的負(fù)面影響開始凸顯，而資源和能源形勢的轉(zhuǎn)變也成為氮肥可持續(xù)供應(yīng)能力的潛在威脅,。中國過多依賴于化學(xué)氮肥,，而忽略其他來源的氮素，更多地注重了氮肥的增產(chǎn)作用而忽略了其環(huán)境影響,，21世紀(jì)氮肥管理成為中國可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題,。盡快轉(zhuǎn)變發(fā)展觀念,，充分利用各種氮素來源，實現(xiàn)氮肥投入與作物需求匹配,，轉(zhuǎn)變氮肥工業(yè)格局，生產(chǎn)高效的氮肥產(chǎn)品,，在發(fā)揮氮肥增產(chǎn)作用的同時努力減少其環(huán)境污染是當(dāng)務(wù)之急,。