從上海市農(nóng)業(yè)科技重點(diǎn)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(yàn)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(yàn),，第三方報告證實(shí)：
1.1.1  試驗(yàn)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(yàn),，第三方報告證實(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(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?？紤]到試驗(yàn)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(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,、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(shí)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?dú)夂扛哌_(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(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?yàn)槌守?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(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(yàn)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(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(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,，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(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(shí)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。?