2.2 氮素循环
现代农业主要依赖化肥等化石型生产资料补充养分亏损。化肥在农业生产中大量使用，虽然提高了作物产量，但也带来一系列问题，如养分资源浪费、生产成本上升、产出/投入比低、农产品品质下降、土壤板结、水源污染等（袁新民 等，2000；郭胜利等，2005）。利用有机肥中含有的氮素来平衡土壤中的氮素是生态农田的重要特征。有机肥是指利用动植物残体、排泄物及生物废料等，通过堆制腐熟技术消除其中的有害物质（病原菌、病虫卵害、杂草种子等）后，形成的一种自然肥料（甄珍等，2012）。有机肥富含植物生长所需的各种元素及有机养分，可满足作物不同生长时期的养分需要（孙宁科和索东让，2011）。
有机肥料与化学肥料一样，在生态农田管理中也存在施用量问题。施用量过少，无法满足作物生长必需的养分需要；施用量过多，不仅造成资源浪费，还易造成土壤氮素过剩，从而影响作物生长（张福锁和巨晓棠，2002；娄庭等，2010）。因此，农业生产中有机肥的施用量应根据土壤中各种养分及有机质消耗情况确定，做到合理施肥。
本团队以河南省贞德有机农业公司生态农场的农田生态系统为例，通过估算农业生态系统中的氮素平衡指标，探讨了农田土壤的最佳有机肥施用量。贞德生态农场坐落于河南省安阳市汤阴县，占地 200 公顷，土地肥沃，自然水资源丰富，远离工矿企业和污染源；该区气候温和、四季分明、日照充足，年平均气温为 12.7～13.7℃，全年降雨量为 620 毫米，全年无霜期 210 天以上，为典型的暖温带半湿润大陆性季风气候。此农场采用冬小麦-夏玉米轮作耕种模式，不施化肥，不打农药，作物秸秆大部分沤制沼气（1 000 立方米的沼气池），沼液沼渣还田，采用人工＋机械除草，作物产量实现了 1 000 千克/（亩·年）。在无化肥使用前提下，本团队提出了有机肥补充氮肥的具体计算依据（甄珍等，2012）。
2.2.1 农田生态系统氮素输入项
氮素输入项，除施加有机肥外，还包括大气干湿沉降（遆超普和颜晓元，2010）、沼液沼渣还田（张昌爱等，2009）、农田杂草还田（侯红乾 等，2007）。在河南省贞德有机农业公司生态农场每年的氮素输入量中，大气干湿沉降的氮量为 3320 千克；1 000 立方米沼渣还田的氮量为4600 千克，沼液还田的氮量约为 280 千克；杂草还田的氮量约为 510 千克（表 2-1）。则除有机肥外，该农田生态系统每年的氮素输入总量为干沉降的氮量＋湿沉降的氮量＋沼渣还田的氮量＋沼液还田的氮量＋杂草还田的氮量≈8 710（千克）
2.2.2 农田生态系统氦素输出项
农田生态系统氮素输出项，包括作物携出（籽粒和秸秆）（马国胜等，2007；赵鹏等，2010）和氮的损失，其中氮的损失包括反硝化损失（一氧化碳、氮氧化物、氮气）（刘红梅 等，2011）和硝酸盐氮淋失（巨晓棠和张福锁，2003）。经计算，在农场每年的氮素输出量中，小麦和玉米籽粒带走的氮量约为 71 050千克；小麦和玉米秸秆带走的氮量约为 25 500 千克；反硝化损失的氮量约为 3 200千克；硝酸盐氮淋失的氮量（施加有机肥）约为 17 024 千克（表 2-1）。该农田生态系统每年的氮素输出总量为小麦和玉米籽粒带走的氮量＋小麦和玉米秸秆带走的氮量＋反硝化损失的氮量＋硝酸盐氮淋失的氮量≈116 774（千克）（2-2）
2.2.3 农田生态系统氮素收支
由式（2-1）和式（2-2）可知，该农场每年所需的最低有机肥添加量为每年的氮素输出总量 - 每年的氮素输入总量≈108 064（千克） （2-3）按照有机肥（纯牛粪堆肥）含氮量为 2.1%计算，该农场每年所需施加有机肥的最佳用量为：108 064 千克 / 2.1%≈5 146 吨。即为了保持农田生态系统的氮素平衡，此农场每年需要施加有机肥约为 5 146吨，即 25.7 吨/公顷。这个用量既可以提高农田中无机氮的利用率，减少氮素的损失，又可以减轻因过量施用化肥导致的氮素盈余及农田污染的问题。
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