在过去的40年中，两季轮作的耕作方式的普遍推广，使得中国粮食产量实现了大幅增长。但是，氮肥的长期过量使用，也导致了对环境的巨大破坏。
中国农业大学教授巨晓棠和张福锁领导的研究团队发现，如果能够优化施氮肥，在维持粮食产量不变的前提下，不仅化肥使用量能够减少三成至六成，同时还可以降低氮肥对环境的污染。这一研究成果，已经在2月17日出版的《美国科学院院报》（PNAS）上正式刊出。
氮素可以促使植物合成蛋白质，促进植物中细胞的分裂和增长，因此，植物的生长需要大量的氮素。在自然的生长环境下，土地中的氮素能够供给植物正常生长的需要；但是，农田中的氮素必须不断补充，才能保证农作物的高产出。
因此，从19世纪起，一些科学家就开始考虑，如何把空气中存在的大量的氮，转化为土地中能够被农作物吸收的氮，以避免由于人口快速增长和粮食产出不足导致的大饥荒。
1913年，德国科学家哈伯的合成氨技术，首次在工业上实现了这一想法；此后，农民们开始在农田中广泛地使用氮肥。但是，在农作物产量增长的同时，由于过量使用氮肥所导致的环境问题也日趋凸显，如环境中过量的硝酸盐、一氧化二氮的排放等问题。目前，氮肥问题已经成为全世界的科学家、环境专家和农业政策制定者共同关心的重要话题之一。
据统计，1977年至2005年期间，中国每年的粮食产量已经从2.83亿吨增加到4.84亿吨，增长了71%；农作物的单位产量也从2348千克/公顷增长到4642千克/公顷，增长了98%。与此同时，氮肥的应用则从707万吨增加到2621万吨，增长了271%，远远超过前两者。
20世纪80年代以后，中国已经逐渐成为全球肥料生产和消费的第一大国，用占世界9%的耕地消费了全世界30%以上的氮肥。
巨晓棠教授说，过量施肥直接导致了氮肥偏生产力的降低。所谓氮肥偏生产力，是指每千克氮肥所对应的农作物产量。1977年，中国的平均氮肥偏生产力是每千克氮肥对应生产55千克农作物；2005年，这一数字则降低到每千克氮肥对应生产20千克农作物。
此外，超出耕地吸收能力的氮肥最终流入到环境中，也导致了水体的富营养化、硝酸盐污染、酸雨和土地酸化、温室气体的产生以及其他形式的空气污染。
所谓硝酸盐污染，是指被氮肥污染的地下水中，因为硝酸盐含量的增高而产生的对人体健康的潜在危害。有研究指出，经常摄取硝酸盐含量过高的饮用水和食物，会对婴幼儿产生严重的危害，这是因为硝盐含量过高会破坏血液中氧气的运输系统，而成年人则会易发胃癌。
为了揭示氮肥进入农田后的损失机理，巨晓棠和张福锁教授领导的研究团队，选取华北平原和太湖地区作为研究对象。巨晓棠教授指出，这两个地区都具有高投入高产出的最典型的特点。
研究结果显示，在大米、南方的小麦、北方的小麦和玉米之间，土壤的氮量与氮恢复能力的关系都有不同之处。但是，对于所有的作物来说，当氮的使用量增加时，氮的损失量也在增加。
在现有农民凭借经验耕作的模式下，北方轮作体系具有非常明显的氮恢复能力，较高的氮保留能力，而且，其氮损失也要比太湖地区的耕作体系更低。
他们还发现，华北乃至北方旱作土壤具有很强的总硝化和总矿化能力，导致土壤极易累积硝态氮，而硝态氮被降雨淋洗流入地下水是氮素的重要损失途径。
通过渗漏计等研究方法，巨晓棠和其研究团队在论文中给出了结果，对于华北平原两季轮作的耕作来说，每公顷286千克的氮肥较为适宜；对于太湖地区单季耕作来说，180千克的氮肥较为适宜。而在中国不少地区，目前的每公顷氮肥用量甚至达到了600千克。
不过，巨晓棠对记者表示，目前他们所做的只是基础研究工作。只有通过农业技术推广，才能让更广大的农民了解到多施氮肥不但浪费资源，而且对环境有害。■
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