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(jìn)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(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,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(jī)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(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(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)價值高;由于澳洲紅螯螯蝦養(yǎng)殖對水質(zhì)要求*,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(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(fù)面影響很大,是首要排除項。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(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)氮因為呈負(fù)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(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(rèn)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(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)出競爭效應(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(xué)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(jìn)入植物體后,其中一部分可進(jìn)入根細(xì)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(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)入液泡暫時儲存起來,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(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(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(xì)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(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較高時會導(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(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(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(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)用實踐。
筆者:陳魯海,畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)化學(xué)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(xì)氣泡技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會副秘書長、中國顆粒學(xué)會微納氣泡專業(yè)委員會副主任委員。?
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