厌氧环境下绿色生态种养殖的氮源探讨

       从上海市农业科技重点攻关项目----智能设施装备科技创新产业工程项目“秸秆全量还田条件下栽培土壤环境改良技术研究”【沪农科攻字(2015)第3-2号】课题开始，每年各项目/课题验收汇报时，专家往往都会提出这个问题：你们不用化肥、大幅减少了生物制剂的投放，增产所需的氮源从何而来？

1.1【水产养殖案例】
       2018-2019年在上海市奉贤区农委支持下，我们与上海市水产研究所（上海市水产技术推广站）、衍畅环境合作，在上海国秀水产养殖专业合作社所属鱼塘，采用微纳气液界面技术进行南美白对虾池塘养殖应用效果试验，第三方报告证实：
1.1.1  试验塘（1号塘）比对照塘（2-6号塘）产量增加41.9%；
1.1.2  各种生物制剂投放减少成本50%；
1.1.3  养殖尾水循环利用，进来几类水出去还是几类水；
1.1.4  氧化还原电位提高，底质底泥大幅改善；
1.1.5  未检出农药残留及抗生素。

1.2【水稻种植案例】
       2018-2019年在上海市农科院、青浦区农业技术推广中心和白鹤镇政府支持下，我们与上海焱联农业专业合作社、衍畅环境合作，在白鹤镇响新村，采用微纳气液界面技术进行水稻和澳洲红螯螯虾种养结合应用效果试验，第三方报告证实：
1.2.1  采用基于纳微米气液界面技术的水稻和红螯螯虾种养结合模式的试验田里种植的水稻，亩产比施用有机肥的增产50%，比施用化肥的对照田也增产16%；
1.2.2  试验田里的水稻，与施用化肥农药的对照田的水稻相比，营养指标、品质指标、人体必需氨基酸含量显著提高，重金属含量（都在安全线内）明显下降；
1.2.3  试验田土壤团粒结构有显著的改善，土壤活性增加、微生物增加。土壤中盐分、电导率和pH下降明显。考虑到试验田和对照田在种植水稻以前是施用化肥种植蔬菜，因此说明，采用基于纳微米气液界面技术的水稻和红螯螯虾种养结合模式对土壤改善是有效果的；
1.2.4  水稻主茎数、单株分蘖数、分蘖成穗率、每穗实粒数和千粒重明显增加；水稻根系更发达、白根多，抗病虫、抗灾害、抗倒伏（茎秆直径增加38.8%、茎秆壁厚增加42.2%）；
1.2.5  澳洲红螯螯虾单重超过3两，经济价值高；由于澳洲红螯螯虾养殖对水质要求*，因此也侧面证实了微纳气液界面技术对水质的改善。

2【氮源】
2.1  氮源：构成生物体的蛋白质、核酸及其他氮素化合物的材料。
2.2  自然界的氮源极其丰富，且不说空气中氮气含量高达78%，数十年来散失在水土环境中的氮肥累积量更是惊人（化肥中氮肥利用率仅为25%-40%）。氮源近乎无限，闪电雷阵雨会降氨氮和硝氮，微生物也会参与固氮作用，通过固氮作用成为动植物可利用的优质氮源才是人类的研究方向。
2.3  三氮一般指氨氮、硝氮、亚硝氮，其中亚硝氮对种养植过程的负面影响很大，是首要排除项。三氮之间的转化与DO 、 pH、泥沙及生物量等有关。
2.4  铵态氮（NH4+）和硝态氮（NO3-）是动植物生长过程中主要的两种氮源，水稻主要生长在水田中、水产养殖同样是湖塘池水体环境中，其厌氧环境使氮源主要以NH4+的方式存在。
2.5  硝态氮是阴离子，为氧化态的氮源；铵态氮是阳离子，为还原态的氮源。他们所带电荷不同，因此在营养上的特点必然有差异。因为肥效的高低与影响吸收利用的很多因素有关。例如，在不同的pH条件下，作物对硝态氮和铵态氮的吸收量有明显差异，酸性条件下，铵态氮肥肥效明显降低。
2.6  较小的土粒一般呈负电性，能吸持铵态氮，所以铵态氮施用后在土壤中移动范围小，连年单一使用铵态氮容易使氮肥集中在上层土壤累积，这也是上层土壤盐渍化严重，下层土壤根系发育不良的原因之一。硝态氮因为呈负电性，土粒难以吸附，在土壤中移动范围较大，在不同土壤层分布相对均匀，有利于作物不断伸展的深层根系吸收。
2.7  作物吸入体内的硝态氮可直接被作物叶片等器官储存，而铵态氮被作物吸入，在作物体内不能存储，一旦超过作物忍受量，尤其在苗期，会引起叶片的斑点、黄化等氨中毒。
2.8  铵态氮因为呈正电荷形态存在，硝态氮呈负电荷形态存在，而中微量元素离子一般以正电荷形式存在。同性相斥，异性相吸，铵态氮会抑制中微量元素的吸收，硝态氮能促进中微量元素的吸收。
2.9  长期使用硫酸铵等铵态氮为主的生理酸性肥料，特别是南方土壤，严重会引起土壤酸化。南方土壤适量施用硝酸钙等生理碱性氮肥，还能起到改良土壤的作用。
2.10  在水培试验中，只要营养液中加入硝态氮，没有铵态氮、尿素态氮，蔬菜正常生长；相反，没有硝态氮而加入尿素或任何铵态氮，蔬菜就生长不正常，甚至绝收。水稻终生以水为家，铵态氮一度被认为是其最好氮源。但最近的试验结果表明，这种观点仅仅是因为在水下厌氧环境中绝大多数氮源以铵态氮形式存在，其实水稻更喜欢硝态氮。

3.1【水稻种植】
3.1.1  植物对铵态氮的吸收机理存在3种不同的理论见解：第一种认为NH4+的吸收机理与K+相似，两者有相同的吸收载体，因而常表现出竞争效应。第二种认为NH4+是与H+进行交换而被吸收进入植物体的；第三种认为硝态氮是以NH3的形式被吸收。但是不管是哪种机理，其共同特点是释放等量的H+，使介质中pH值降低。这也是为什么使用铵态氮肥后局部土壤变酸的原因，如前面所说，酸性条件下，铵态氮肥肥效明显降低，形成恶性循环。
3.1.2  植物吸收硝态氮是一个逆电化学势梯度、主动吸收的过程，影响其吸收的因素主要有光照、温度、介质pH、供氧状况等。硝态氮进入植物体后，其中一部分可进入根细胞的液泡中储存起来暂时不被同化，而大部分既可以在根系中同化为氨基酸、蛋白质，也可以直接通过木质部运往地上部进行同化。根中合成的氨基酸也可以向地上部运输，在叶片中再合成为蛋白质。在地上部叶片中，硝态氮同样可以进入液泡暂时储存起来，或进一步同化为各种有机态氮。硝酸盐在液泡中积累对阴阳离子平衡和渗透调节作用具有重大意义。

3.2【水产养殖】
3.2.1  氨氮对水生物起危害作用的主要是游离氨，其毒性比铵盐大几十倍，并随碱性的增强而增大。氨氮毒性与池水温度有密切关系，一般情况下，水温愈高，毒性愈强。
3.2.2  水体中过量氨氮的存在会出现富营养化现象（赤潮现象），大量消耗溶解氧，危害鱼类等水生生物的生存，同时还会引起水体发臭。

4【氮的转化】
4.1  硝酸根离子是有机质经“无机化”作用后的产物，氨氮硝化需要氧，氨氮硝化过程式化学反应式如下：
       2NH3+3O2→2HNO2+2H2O    (1)
       2HNO2+O2→2HNO3         (2)
4.2  硝化过程中的耗氧计算公式如下：
      NH4++1.5 O2→2H++H2O+ NO2– +58~84千卡
      NO2–+0.5O2→NO3–  +15.4~20.9千卡          
      根据反应式，每毫克氨氮转化为硝酸盐氮共需耗氧4.57毫克。在反应器内若有“细颗粒态土”这种转化会加快。
4.3  环境中溶解氧浓度的大小会极大地影响硝化反应的速度及硝化细菌的生长速率，呈现正相关性。
4.4  pH是影响硝化作用的重要因素之一，在pH中性或微碱性下，硝化过程迅速。一般认为，亚硝化菌的最佳pH范围为8.0-8.4，硝化菌为7.7-8.1。
4.5  水中COD较高时会导致水气界面上相应膜压也较大，影响到水气交换过程。水体中膜压降低有利于三氮平衡转化，有必要测定种养殖水中COD值以估算三氮形态的平衡转换。
4.6  亚硝氮对种养植过程影响较大、在养殖水中亚硝氮的负面作用更明显。在上海市崇明区、青浦区、奉贤区试验田中，由于采用了微纳气液界面技术调控，种养殖水体水质好，亚硝氮含量极低。 

5【作用机理探讨】
5.1  如前分析，铵态氮（NH4+）对水稻种植和水产养殖不利影响较多，硝态氮（NO3-）对水稻种植和水产养殖有利影响较多；
5.2  一般旱作土壤条件下，铵态氮会很快转化成硝态氮。但在水下厌氧环境下，铵态氮（NH4+）向硝态氮（NO3-）转化需要数十小时以上的有氧过程，由于大气泡几秒钟就上升灭失，因此传统曝气机作用不大；
5.3  10微米的气泡在水中上升速度是3mm/分钟，纳米级气泡可以在水中长期存在数周乃至数月，有利于铵态氮（NH4+）向硝态氮（NO3-）转化，既有利于水质处理（种养殖尾水循环利用），也解释了不用化肥微纳气泡水稻种养增产的氮源从何而来。
5.4  微纳气泡向下扩散，附着在稻田土壤中，改善土壤团粒结构和氧化还原电位，提升根系固氮作用；附着在鱼塘底泥上，底质底泥改善；
5.5  利用微纳气液界面技术促进固氮作用，提升水下厌氧环境中铵态氮（NH4+）向硝态氮（NO3-）的转化过程和转化效率，为种养殖提供优质氮源的同时改良土壤和水质，是绿色生态农业可持续发展的方向，也是值得深入的研究课题。期待理论研究成果能够更好的量化指导应用实践。

笔者：陈鲁海，毕业于复旦大学化学系，长期从事微纳气液界面技术在农业和水环境中的应用。现任全国微细气泡技术标准委员会副秘书长、中国颗粒学会微纳气泡专业委员会副主任委员。​