2.2 氮素循環
現代農業主要依賴化肥等化石型生產資料補充養分虧損。化肥在農業生產中大量使用，雖然提高了作物產量，但也帶來一系列問題，如養分資源浪費、生產成本上升、產出/投入比低、農產品品質下降、土壤板結、水源污染等（袁新民 等，2000；郭勝利等，2005）。利用有機肥中含有的氮素來平衡土壤中的氮素是生態農田的重要特征。有機肥是指利用動植物殘體、排泄物及生物廢料等，通過堆制腐熟技術消除其中的有害物質（病原菌、病蟲卵害、雜草種子等）后，形成的一種自然肥料（甄珍等，2012）。有機肥富含植物生長所需的各種元素及有機養分，可滿足作物不同生長時期的養分需要（孫寧科和索東讓，2011）。
有機肥料與化學肥料一樣，在生態農田管理中也存在施用量問題。施用量過少，無法滿足作物生長必需的養分需要；施用量過多，不僅造成資源浪費，還易造成土壤氮素過剩，從而影響作物生長（張福鎖和巨曉棠，2002；婁庭等，2010）。因此，農業生產中有機肥的施用量應根據土壤中各種養分及有機質消耗情況確定，做到合理施肥。
本團隊以河南省貞德有機農業公司生態農場的農田生態系統為例，通過估算農業生態系統中的氮素平衡指標，探討了農田土壤的最佳有機肥施用量。貞德生態農場坐落于河南省安陽市湯陰縣，占地 200 公頃，土地肥沃，自然水資源豐富，遠離工礦企業和污染源；該區氣候溫和、四季分明、日照充足，年平均氣溫為 12.7～13.7℃，全年降雨量為 620 毫米，全年無霜期 210 天以上，為典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。此農場采用冬小麥-夏玉米輪作耕種模式，不施化肥，不打農藥，作物秸稈大部分漚制沼氣（1 000 立方米的沼氣池），沼液沼渣還田，采用人工＋機械除草，作物產量實現了 1 000 千克/（畝·年）。在無化肥使用前提下，本團隊提出了有機肥補充氮肥的具體計算依據（甄珍等，2012）。
2.2.1 農田生態系統氮素輸入項
氮素輸入項，除施加有機肥外，還包括大氣干濕沉降（遆超普和顏曉元，2010）、沼液沼渣還田（張昌愛等，2009）、農田雜草還田（侯紅乾 等，2007）。在河南省貞德有機農業公司生態農場每年的氮素輸入量中，大氣干濕沉降的氮量為 3320 千克；1 000 立方米沼渣還田的氮量為4600 千克，沼液還田的氮量約為 280 千克；雜草還田的氮量約為 510 千克（表 2-1）。則除有機肥外，該農田生態系統每年的氮素輸入總量為干沉降的氮量＋濕沉降的氮量＋沼渣還田的氮量＋沼液還田的氮量＋雜草還田的氮量≈8 710（千克）
2.2.2 農田生態系統氦素輸出項
農田生態系統氮素輸出項，包括作物攜出（籽粒和秸稈）（馬國勝等，2007；趙鵬等，2010）和氮的損失，其中氮的損失包括反硝化損失（一氧化碳、氮氧化物、氮氣）（劉紅梅 等，2011）和硝酸鹽氮淋失（巨曉棠和張福鎖，2003）。經計算，在農場每年的氮素輸出量中，小麥和玉米籽粒帶走的氮量約為 71 050千克；小麥和玉米秸稈帶走的氮量約為 25 500 千克；反硝化損失的氮量約為 3 200千克；硝酸鹽氮淋失的氮量（施加有機肥）約為 17 024 千克（表 2-1）。該農田生態系統每年的氮素輸出總量為小麥和玉米籽粒帶走的氮量＋小麥和玉米秸稈帶走的氮量＋反硝化損失的氮量＋硝酸鹽氮淋失的氮量≈116 774（千克）（2-2）
2.2.3 農田生態系統氮素收支
由式（2-1）和式（2-2）可知，該農場每年所需的最低有機肥添加量為每年的氮素輸出總量 - 每年的氮素輸入總量≈108 064（千克） （2-3）按照有機肥（純牛糞堆肥）含氮量為 2.1%計算，該農場每年所需施加有機肥的最佳用量為：108 064 千克 / 2.1%≈5 146 噸。即為了保持農田生態系統的氮素平衡，此農場每年需要施加有機肥約為 5 146噸，即 25.7 噸/公頃。這個用量既可以提高農田中無機氮的利用率，減少氮素的損失，又可以減輕因過量施用化肥導致的氮素盈余及農田污染的問題。
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