厭氧環(huán)境下綠色生態(tài)種養(yǎng)殖的氮源探討

       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(kāi)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(wèn)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(lái)？

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(guó)秀水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)合作社所屬魚(yú)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(lái)幾類(lèi)水出去還是幾類(lèi)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(yíng)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(shuō)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(chóng)、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(guò)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*，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(shuō)空氣中氮?dú)夂扛哌_(dá)78%，數(shù)十年來(lái)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(wú)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(guò)固氮作用成為動(dòng)植物可利用的優(yōu)質(zhì)氮源才是人類(lèi)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(guò)程的負(fù)面影響很大，是首要排除項(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(guò)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(yáng)離子，為還原態(tài)的氮源。他們所帶電荷不同，因此在營(yíng)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(guò)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(yíng)養(yǎng)液中加入硝態(tài)氮，沒(méi)有銨態(tài)氮、尿素態(tài)氮，蔬菜正常生長(zhǎng)；相反，沒(méi)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(jiàn)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(shuō)，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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)，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(yáng)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(guò)量氨氮的存在會(huì)出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象（赤潮現(xiàn)象），大量消耗溶解氧，危害魚(yú)類(lèi)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(wú)機(jī)化”作用后的產(chǎn)物，氨氮硝化需要氧，氨氮硝化過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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)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(guò)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(lái)。
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(yú)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(guò)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(guó)微細(xì)氣泡技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)、中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)微納氣泡專業(yè)委員會(huì)副主任委員。?