農(nóng)田合理施氮量的推薦方法

張亦濤，王洪媛，雷秋良，張繼宗，翟麗梅，任天志，劉宏斌

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農(nóng)田合理施氮量的推薦方法

張亦濤1，王洪媛1，雷秋良1，張繼宗1，翟麗梅1，任天志2，劉宏斌1

（1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所，天津 300191）

為了實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)的同時降低氮素環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，確定農(nóng)田合理施氮量是最有效的方法之一。作者在闡明氮肥合理施用概念及中國氮肥施用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了國內(nèi)外氮肥合理施用量的主要推薦方法，包括：基于土壤測試的推薦方法、基于氮肥施用效應(yīng)函數(shù)的推薦方法、基于氮素輸入輸出平衡的推薦方法以及基于淋溶水硝態(tài)氮超標(biāo)臨界值的推薦方法等4種。前3種方法首先關(guān)注氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)其后評價(jià)環(huán)境效應(yīng)，以獲得較好的農(nóng)學(xué)效益為出發(fā)點(diǎn)，具有一定的科學(xué)性，在實(shí)踐中也證明了其適用性。第4種方法首先考慮氮素環(huán)境效應(yīng)然后評價(jià)其對產(chǎn)量影響，以確保地下水硝態(tài)氮含量不超標(biāo)為直接目標(biāo)，能夠量化氮肥合理施用量的實(shí)際環(huán)境效應(yīng)，但淋溶水硝酸鹽超標(biāo)臨界施氮量的確定由于受多種因素的影響而存在一定的不確定性，其在年際間、區(qū)域間、土壤類型間的變異程度均有待進(jìn)一步研究。

合理施氮量；農(nóng)學(xué)效應(yīng)；環(huán)境效應(yīng)；最高產(chǎn)量施氮量；臨界施氮量

自20世紀(jì)20年代初哈伯-博施工藝（Haber- Bosch）發(fā)明以來，世界人口所需蛋白的近50%依賴于化學(xué)氮肥[1]。據(jù)估算，2020年世界化學(xué)氮肥用量可能將達(dá)到1.35億噸，到2050年將達(dá)到2.36億噸[2]。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥施用逐漸增加，氮肥除被作物吸收外，大量盈余氮素帶來了一系列嚴(yán)重的環(huán)境問題[3]，如地下水硝酸鹽超標(biāo)、地表水富營養(yǎng)化、以氧化亞氮或氨揮發(fā)形式進(jìn)入大氣導(dǎo)致的溫室效應(yīng)和大氣質(zhì)量降低，以及這些活性氮素通過干濕沉降返回陸地，進(jìn)一步導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)多樣性下降等[4]。20世紀(jì)80年代前后，歐洲的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中投入各類氮素總量一度達(dá)到2億噸（其中化學(xué)氮素近0.3億噸），由此引起的水體硝態(tài)氮超標(biāo)、富營養(yǎng)化、溫室氣體排放等威脅到絕大多數(shù)人的飲用水和生存環(huán)境安全[5]。同期，美國由于農(nóng)業(yè)氮素?fù)p失造成的環(huán)境問題亦十分嚴(yán)重，尤其是農(nóng)業(yè)面源污染導(dǎo)致了美國各類水體的惡化[6]。氮肥施用造成的高昂環(huán)境治理成本使得發(fā)達(dá)國家首先開始考慮如何實(shí)現(xiàn)氮肥的合理施用，以便發(fā)揮氮肥的積極作用而減少其負(fù)面影響[7]；并促使了一系列配套環(huán)境保護(hù)政策的出臺和實(shí)施，包括硝酸鹽法案、水框架法案、地下水法案、環(huán)境空氣質(zhì)量法案等[5]。

目前，中國是世界第一大氮肥生產(chǎn)國和使用國，過量施氮和不合理施氮問題十分嚴(yán)重[8-9]，并導(dǎo)致了一系列環(huán)境問題[10-12]。氮肥過量施用造成中國富營養(yǎng)化水體急劇增多，20世紀(jì)90年代以后富營養(yǎng)化水體達(dá)到85%以上；中國北方農(nóng)區(qū)地下水“三氮”污染突出，集約化農(nóng)田地下水硝酸鹽含量普遍較高[13]，相關(guān)研究表明，若以硝態(tài)氮含量20 mg·L-１（地下III類水）為衡量標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)田淺層地下水硝酸鹽超標(biāo)率在33%以上[14-15]；此外，氮肥施用量增加促進(jìn)了氨揮發(fā)和氧化亞氮的排放，農(nóng)業(yè)源氣體排放已經(jīng)成為溫室氣體和大氣污染的重要組成部分[16]。為了減緩農(nóng)業(yè)氮肥施用造成的環(huán)境問題，2015年中國開始實(shí)施“到2020 年化肥使用量零增長行動方案”，旨在實(shí)現(xiàn)主要農(nóng)作物化肥使用量的零增長。然而，隨著人口增長對糧食需求的不斷增加，氮肥的使用不可避免的甚至?xí)郲17]，因此，確定兼顧糧食高產(chǎn)和環(huán)境友好的合理農(nóng)田施氮量迫在眉睫。

為了確定合理施氮量，各國農(nóng)業(yè)科研工作者開展了諸多研究，并因地制宜的提出了一系列氮肥用量確定方法，尤其是英國、美國等發(fā)達(dá)國家均定期發(fā)布作物施氮指導(dǎo)手冊[18-19]，其中詳細(xì)介紹了如何通過測定土壤氮素含量，再根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量確定氮肥用量，同時，氮素平衡點(diǎn)、作物吸氮量、氮素利用率、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境成本等指標(biāo)也均被用于合理施氮量的確定[20-22]。此外，針對平原旱地農(nóng)田氮素流失以淋溶為主的特點(diǎn)，為了最大限度的防止氮淋溶引起的地下水硝酸鹽超標(biāo)，不首先考慮產(chǎn)量高低，只要淋失出作物根區(qū)的硝態(tài)氮含量不超過《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，那么地下水硝酸鹽污染的禍?zhǔn)拙筒荒軞w咎于農(nóng)田氮淋溶，因此，以《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù)計(jì)算出硝態(tài)氮含量不超標(biāo)時的淋失氮量，然后通過施氮量-硝態(tài)氮淋失量響應(yīng)曲線可以確定硝態(tài)氮超標(biāo)臨界施氮量[23]。本文將詳細(xì)介紹現(xiàn)有的以作物生育期氮素需求、氮素施用效應(yīng)曲線、氮素輸入輸出平衡、硝態(tài)氮淋失量等為指標(biāo)的合理施氮量確定方法，并分析其科學(xué)基礎(chǔ)及適用性，為中國從環(huán)境角度考量化肥減量決策提供理論依據(jù)。

1 氮肥合理施用概念及中國施用現(xiàn)狀

1.1 氮肥合理施用的概念

氮肥合理施用的具體內(nèi)容除氮素總量以外，還需要與合理的氮肥類型、施用時期、施用位置等詳細(xì)管理方法的相配套，并共同構(gòu)成現(xiàn)代作物養(yǎng)分管理中常用的“4R”的概念，即正確的肥料品種（right source）、正確的施肥量（right rate）、正確的施用時間（right time）以及正確的施用位置（right place）[24]。

“4R”養(yǎng)分管理直接涉及到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最終的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益，并關(guān)聯(lián)了所有與農(nóng)田養(yǎng)分管理相關(guān)的科學(xué)原理，農(nóng)田實(shí)踐中，作物生長是一個極其復(fù)雜的過程，與氣象條件、土壤狀況、作物品種、播種灌溉、養(yǎng)分投入等多種因素相關(guān)，任一因素的限制都可能阻礙作物正常生長，諸多因素中，其他因素較為固定的情況下，養(yǎng)分管理成為較為靈活機(jī)動的因子，尤其養(yǎng)分投入量往往最受重視。因此，在以往研究過程中，大多假設(shè)氮肥類型、施用時期、施用位置是特定的、已優(yōu)化狀態(tài)，而著重突出施氮量的重要性。實(shí)際上，各類方法所確定的氮肥合理施用量都有一定的前置條件，而這些前置條件都是根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的，所以在合理施氮量的實(shí)際應(yīng)用過程中，詳細(xì)的氮素管理細(xì)則還要根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量、氮肥類型、種植結(jié)構(gòu)、土壤肥力、氣象現(xiàn)狀等因素適當(dāng)調(diào)整?？梢?，“4R”養(yǎng)分管理并不能作為單一措施而獨(dú)立存在，僅靠“4R”養(yǎng)分管理還不能取得最佳經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會效益，一套正確的養(yǎng)分管理措施還需要一整套其他的生產(chǎn)和保護(hù)性管理技術(shù)輔助才能取得成功。

總之，在其他因素基本穩(wěn)定的情況下，“4R”養(yǎng)分管理可以成為農(nóng)田管理的核心技術(shù)，氮肥類型、施氮量、施氮時期和施氮位置要統(tǒng)籌兼顧、不可偏廢。需要強(qiáng)調(diào)的是，確定合理施氮量始終是優(yōu)化養(yǎng)分管理的關(guān)鍵和切入點(diǎn)，并且以往所說的合理施氮狹義上指的就是施氮總量的合理性，或者說合理施氮量已經(jīng)默認(rèn)了氮肥類型、施氮時期和施氮位置的最佳狀態(tài)。

1.2 中國氮肥施用現(xiàn)狀及存在的問題

改革開放以來，隨著中國化肥工業(yè)和肥料進(jìn)出口貿(mào)易的發(fā)展，氮肥施用為中國糧食持續(xù)增產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)。中國糧食產(chǎn)量由1979年的3.32億噸增加到2015年的6.21億噸，單產(chǎn)也從2 237 kg·hm-2增加到3 735 kg·hm-2。2015年，中國氮肥用量2 688萬噸，單位播種面積氮肥（162 kg·hm-2）施用量均遠(yuǎn)高于世界平均用量（74 kg·hm-2）[25]。當(dāng)前中國農(nóng)資市場上傳統(tǒng)的氮肥種類主要有銨態(tài)氮肥、硝態(tài)氮肥和酰胺態(tài)氮肥三大類，銨態(tài)氮肥是含有銨根離子或氨的化合物，硝態(tài)氮肥是含有硝酸根離子的化合物；酰胺態(tài)氮肥主要是尿素，這是固態(tài)氮肥中含氮量最高的優(yōu)質(zhì)肥料，也是肥料市場最主要的氮肥類型。除了傳統(tǒng)氮肥，隨著科技進(jìn)步，可以在土壤中緩慢釋放養(yǎng)分的緩效、緩釋或控釋氮肥逐漸應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中；此外，為實(shí)現(xiàn)平衡施肥、提高肥料利用率，含氮復(fù)合肥生產(chǎn)量和施用量越來越多。隨著畜牧養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展和堆肥工藝的進(jìn)步，成品有機(jī)肥也出現(xiàn)在農(nóng)資市場上，雖然其氮素含量不高，但有利于形成腐殖質(zhì)、改良土壤、抑制病蟲害、提高作物品質(zhì)。

氮肥過量或不合理施用導(dǎo)致中國糧食作物氮肥利用率遠(yuǎn)低于世界平均水平[10]，尤其近30年來，中國氮肥的當(dāng)季利用率明顯下降，農(nóng)業(yè)部公布的中國2015年水稻、玉米、小麥三大糧食作物的當(dāng)季氮肥利用率為33%，進(jìn)入國際上公認(rèn)的適宜范圍，而低于世界糧食作物平均氮肥利用率水平[5,26-28]。已有研究表明，中國每季小麥、玉米和水稻的氮肥推薦量范圍大致為150—250 kg·hm-2，蔬菜大致為150—300 kg·hm-2，果園大致為150—250 kg·hm-2，其他作物大致為50—150 kg·hm-2，然而將這些推薦施氮量范圍應(yīng)用到全國，則過量施氮、合理施氮和施氮不足面積分別占播種面積的20%、70%、10%[29]。并且，氮肥施用存在較大的區(qū)域差異，東部地區(qū)單位平均施氮量高于中西部地區(qū)，東部沿海農(nóng)戶的實(shí)際施氮量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了每種作物的推薦施氮量和全國尺度的平均施氮量[30]，這就導(dǎo)致東部地區(qū)農(nóng)田氮素盈余量較大[31]。

中國人均耕地面積少、土地質(zhì)量不均勻，為保證公平，每家每戶所擁有的土地可能分散在不同地方，但農(nóng)戶在實(shí)際種植過程中通常采取相同或相似的農(nóng)田管理方式，為盡可能的獲得高產(chǎn)，農(nóng)戶過于重視氮肥的施用，因此導(dǎo)致田塊尺度的氮肥總量普遍較高。尤其是當(dāng)前中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，農(nóng)業(yè)種植收入占家庭收入的比例相對較小、農(nóng)資成本在家庭總收入中占比較低，再加上缺乏適當(dāng)?shù)氖┑獧C(jī)械，所以農(nóng)戶更喜歡省時省工的“大水大肥”、“一炮轟”等施氮方式[30]。為了提高作物出苗或促進(jìn)作物吸氮，無論是基肥氮還是追肥氮，農(nóng)戶大都選擇在降雨前施用，或在施用后灌溉，誠然這是一種水肥高效利用的方法，但實(shí)際操作過程中，水肥配合不恰當(dāng)往往導(dǎo)致了水分利用率和養(yǎng)分利用均較低。氮肥過量施用且利用率不高的連帶效應(yīng)就是對環(huán)境的污染風(fēng)險(xiǎn)[32]。朱兆良[33]在總結(jié)國內(nèi)土壤氮素研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，對中國農(nóng)田中化肥氮的去向進(jìn)行了初步估計(jì)，認(rèn)為通過氨揮發(fā)、表觀硝化-反硝化、淋溶、徑流等途徑損失的氮量約52%，雖然其結(jié)論存在很大的不確定性，但總的來看，在中國主要糧食產(chǎn)區(qū)，氮肥利用率較低、損失率較高是無疑的。

1.3 合理施氮量的確定

為了維持作物高產(chǎn)并緩解農(nóng)戶過量施氮造成的環(huán)境問題，確定合理施氮量是最有效的方法之一。最具代表性的是，歐盟為保障地下水水質(zhì)安全而制定了硝酸鹽法案（Nitrate Directive），其中限定了農(nóng)戶施氮量上限（有機(jī)肥氮＜170 kg·hm-2），但此類法案的制定必須有充足的科學(xué)依據(jù)[34-35]，換言之，必須保證所確定的施氮量至少不能導(dǎo)致地下水污染，而目前中國缺乏此類研究。諸多研究已對氮肥的合理施用進(jìn)行了探索[22,36-38]，也找到了很多用于指導(dǎo)施氮的指標(biāo)，如產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益、作物吸氮量、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)對比、氮素平衡點(diǎn)、葉綠素含量等。

實(shí)踐中，最常見的農(nóng)田施氮量確定方法主要有三類[39]：通過作物生育期土壤和作物測試確定各生育階段施氮量的測試類方法、基于作物收獲后的施氮量-產(chǎn)量（或經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益等）效應(yīng)函數(shù)確定合理施氮量的田間試驗(yàn)類方法、根據(jù)作物-土壤系統(tǒng)氮素的輸入與輸出平衡關(guān)系計(jì)算的氮肥施用量[20]。這三類方法所確定的合理施氮量以保障作物正常生長、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、氮素高效利用等農(nóng)學(xué)效應(yīng)為出發(fā)點(diǎn)，例如文獻(xiàn)中最常見的以實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)為目的所確定的最高產(chǎn)量施氮量（即最高產(chǎn)量施氮量，低于這一施氮量，糧食產(chǎn)量降低），雖然這些方法可對不同施氮量的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行對比，但并不能直接用于確定環(huán)境排放或污染的臨界施氮量（高于這一施氮量，恰好產(chǎn)生環(huán)境污染），如施氮量-氨揮發(fā)效應(yīng)曲線呈直線或指數(shù)關(guān)系，雖然眾所周知氨揮發(fā)量越少越好，但卻不能明確導(dǎo)致氨揮發(fā)環(huán)境污染的施氮量突變點(diǎn)。

隨著農(nóng)田氮素?fù)p失帶來的環(huán)境問題及公眾對環(huán)境的關(guān)注，合理施氮量確定方法也從以往首先考慮農(nóng)學(xué)或經(jīng)濟(jì)效益轉(zhuǎn)向首先考慮環(huán)境效益，也就是第四類施氮量確定方法，即根據(jù)環(huán)境效應(yīng)直接確定環(huán)境臨界施氮量。農(nóng)田氮素環(huán)境指標(biāo)包括淋溶氮、徑流氮、氨揮發(fā)、氧化亞氮等，各指標(biāo)之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響，實(shí)際監(jiān)測過程中難以全面兼顧所有指標(biāo)。因此，若想從氮素環(huán)境效應(yīng)角度直接確定施氮量，需要選擇一個合理的氮素環(huán)境指標(biāo)作為切入點(diǎn)。

2 國內(nèi)外常見的氮肥合理施用量推薦方法

2.1 基于土壤測試的推薦施氮方法

基于土壤-作物測試的推薦施氮方法是指在作物關(guān)鍵生育期間，通過測試土壤或植株氮素含量判斷所施用的氮素是否合理，進(jìn)而調(diào)整施氮策略，是當(dāng)前提高氮肥利用率、減少氮素?fù)p失的最先進(jìn)推薦方法[40]。這類方法多從滿足作物全生育期或某一階段養(yǎng)分需求的農(nóng)學(xué)角度指導(dǎo)氮肥實(shí)時施用，而不局限于每年的施氮量必須相同。此類方法可以指導(dǎo)何時施氮，確定經(jīng)驗(yàn)施氮量，可能間接緩解了環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，但并未直接考慮氮肥施用的環(huán)境效應(yīng)[37-38]，其代表性方法包括葉綠素測定儀[41]、土壤-作物系統(tǒng)綜合管理[42]、推薦施肥專家系統(tǒng)[43]等。

農(nóng)業(yè)研究和生產(chǎn)中常用的葉綠素儀是日本生產(chǎn)的手持式土壤、作物分析儀器開發(fā)（Soil and Plant Analyzer Development，SPAD），可以非破壞性地、快速地、較精確地測量葉片葉綠素相對含量，并以此診斷作物氮素營養(yǎng)狀況，在作物關(guān)鍵生育期測定SPAD值，若表現(xiàn)出缺氮特征則指導(dǎo)后期追施氮肥，這一方法應(yīng)用的關(guān)鍵在于確定不同作物、不同生育期、不同管理模式下的SPAD臨界值[44-45]。

土壤-作物系統(tǒng)綜合管理根據(jù)作物不同生育時期土壤供氮能力和目標(biāo)產(chǎn)量需氮量確定不同生育階段作物氮素需求[42]，通過根系氮素實(shí)時調(diào)控實(shí)現(xiàn)作物氮素分期管理，滿足各生育期養(yǎng)分需求（圖1）。該方法確定的施氮量在年際間、田塊間可能顯著差異，這主要是因?yàn)橥寥赖毓?yīng)能力在年際間和田塊間均存在變異性。

圖1 根層土壤氮素實(shí)時調(diào)控管理[11]

推薦施肥系統(tǒng)是農(nóng)田測試結(jié)果與計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的結(jié)合，如Nutrient expert推薦施肥專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)在農(nóng)戶回答一些簡單問題后就能給出基于作物栽培管理措施的推薦施肥套餐，農(nóng)戶所回答的問題包括農(nóng)戶產(chǎn)量、農(nóng)戶管理措施、土壤肥力指標(biāo)、當(dāng)季或上季作物施肥，所推薦的參數(shù)包括目標(biāo)產(chǎn)量、種植密度、各類純養(yǎng)分用量、市場常見化學(xué)用量，同時可以給出作物生長期間推薦施肥時間和次數(shù)[46]，盡管所得結(jié)果客觀上有利于降低氮素施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，但該系統(tǒng)推薦施肥的主要依據(jù)還是作物產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率。

2.2 基于氮肥施用效應(yīng)函數(shù)的推薦施氮方法

氮肥施用的最主要目的就是為了實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)，以田間氮肥用量試驗(yàn)為基礎(chǔ)建立施氮量與產(chǎn)量的效應(yīng)方程（一元二次方程或線性加平臺方程），可以通過產(chǎn)量拐點(diǎn)確定最高產(chǎn)量施氮量（圖2），類似的，通過施氮量與作物吸氮量、經(jīng)濟(jì)效益等指標(biāo)之間的效應(yīng)方程也可以通過曲線拐點(diǎn)確定基于不同指標(biāo)的最佳施氮量。此類方法并未直接考慮氮肥施用的環(huán)境效應(yīng)，其優(yōu)勢是可以通過明顯的拐點(diǎn)或突變點(diǎn)確定合理施氮量[22,36]，但所推薦的施氮量必須以前幾年的試驗(yàn)為基礎(chǔ)，鑒于年際間氣候條件和田間管理等自然因素和人為因素可能存在的差異，其在時間和空間上的適用性可能會受到一定限制，然而，該方法仍然是當(dāng)前推薦施氮量的常用方法。

除氮肥施用的農(nóng)學(xué)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益以外，氮肥施用與氨揮發(fā)、氧化亞氮排放、氮淋溶、氮徑流等氮素環(huán)境指標(biāo)也可以建立效應(yīng)方程（圖3），但該類方程多呈直線或指數(shù)函數(shù)形式[11]，因此，此類函數(shù)僅可用于不同施氮量之間的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)對比，盡管據(jù)此可以確定一個環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)相對較低的施氮量[47-48]，但無法明確環(huán)境污染拐點(diǎn)或突變點(diǎn)（圖3），即無法明確所推薦的施氮量是否直接導(dǎo)致了環(huán)境污染，換言之，以氮素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)為基礎(chǔ)難以直接確定推薦施氮量。因此，隨著氮素?fù)p失所造成的環(huán)境惡化及公眾對環(huán)境的關(guān)注，確定施氮量的方法必須從以往單一考慮產(chǎn)量或經(jīng)濟(jì)效益轉(zhuǎn)向綜合考慮產(chǎn)量和環(huán)境效益，這一理念下，量化氮素環(huán)境效應(yīng)的途徑有間接法和直接法。間接法：將氮素排放的污染物換算為污染治理成本，這就將環(huán)境問題轉(zhuǎn)化成了經(jīng)濟(jì)問題，從而形成施氮量與經(jīng)濟(jì)效益（扣除環(huán)境治理成本）的效應(yīng)關(guān)系[22,49]，進(jìn)而明確施氮量拐點(diǎn)；直接法：若能在氮肥施用的環(huán)境效應(yīng)曲線上劃出一個限值（圖3），其對應(yīng)的施氮量則可認(rèn)為是施氮量突變點(diǎn)。但如何在氮肥環(huán)境效應(yīng)曲線上劃定限值就成為一個難點(diǎn)。

圖2 氮肥施用與產(chǎn)量、吸氮量或經(jīng)濟(jì)效益之間的效應(yīng)曲線

圖3 氮肥施用的產(chǎn)量效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)雙曲線

2.3 基于氮素輸入輸出平衡的推薦施氮方法

一般情況下，氮肥只有施用于土壤中才能被作物吸收，氮素?fù)p失也主要發(fā)生在土壤與空氣或水體的界面上，因此，將作物-土壤看成一個穩(wěn)定的綜合生態(tài)系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)中氮素的輸入輸出保持平衡時對環(huán)境的影響最小。國內(nèi)外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍采用氮素平衡管理的概念來推薦施氮量或評價(jià)氮肥肥效[20]，實(shí)際上，上述兩類方法中也含有氮素平衡施用的理念，如第一類方法中的根層土壤氮素實(shí)時調(diào)控實(shí)現(xiàn)了作物各生育階段的氮素平衡，第二類方法中的施氮量-吸氮量效應(yīng)方程體現(xiàn)了作物生長過程的氮素表觀平衡。區(qū)別在于，第一類以作物生育期間實(shí)時調(diào)控為基礎(chǔ)，第二類以作物生長吸氮經(jīng)驗(yàn)反饋為基礎(chǔ)。

農(nóng)田作物-土壤生態(tài)系統(tǒng)中，氮素輸入項(xiàng)主要有干濕沉降、灌溉攜帶、種子攜帶、種前土壤殘留、生育期土壤供應(yīng)、共生固氮、化肥、有機(jī)肥、秸稈還田等，其中，多數(shù)地區(qū)農(nóng)田氮素來源主要為化肥、有機(jī)肥和秸稈，這三種氮素構(gòu)成農(nóng)田外源氮，其他類氮素可統(tǒng)歸為農(nóng)田本底氮。氮素輸出項(xiàng)包括作物吸收、氨揮發(fā)、硝化-反硝化、根層淋溶、徑流出田、收獲后土壤殘留。理論上，按照物質(zhì)守恒定律，若要維持土壤氮素平衡，則氮素輸入應(yīng)等于氮素輸出，據(jù)此則可確定化肥氮的投入量。然而，氮平衡計(jì)算過程中，某些氮指標(biāo)需要在作物生長過程中測定，某些氮指標(biāo)需要利用前些年的監(jiān)測結(jié)果，并且所涉及到的計(jì)算項(xiàng)目過多，這就導(dǎo)致其自身誤差和不確定性可能較大。

深刻分析作物-土壤系統(tǒng)氮素平衡所涉及的氮素指標(biāo)及其相互關(guān)系，在中國目前的施肥技術(shù)條件下，推薦施氮量也可以約等于作物地上部氮素?cái)y出量（中國專利號：ZL 201010548476. 0），部分田間試驗(yàn)和同位素示蹤試驗(yàn)也證實(shí)了這一方法的合理性和適用性[20]。這種簡化的推薦施氮公式為確定施氮量提供了新思路，然而，中國農(nóng)業(yè)區(qū)域跨度大，氣象條件、土壤供氮能力等均存在差異，因此，如何精確確定某一地塊作物目標(biāo)產(chǎn)量和作物氮素含量從而計(jì)算作物地上部氮素?cái)y出量仍不是單個農(nóng)戶能解決的，并且長期采用該方法對土壤、作物和環(huán)境的實(shí)際影響也有待試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.4 基于淋溶水硝態(tài)氮超標(biāo)臨界值的推薦施氮方法

在中國關(guān)于環(huán)境問題的法律、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)中，尚無直接針對氮肥施用環(huán)境污染的限制性規(guī)定，但也可以從中找到一些與氮素相關(guān)的指標(biāo)，如中國《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 14848—2017）》將硝態(tài)氮含量作為重要的水質(zhì)分類指標(biāo)之一，其中，以人體健康基準(zhǔn)值為依據(jù)（NO3--N濃度≤20 mg·L-1）的III類水，是集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水的最低標(biāo)準(zhǔn)，這與國內(nèi)外相關(guān)的地表水和飲用水標(biāo)準(zhǔn)有所不同。中國《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、美國和世界衛(wèi)生組織都將飲用水硝態(tài)氮含量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為10 mg·L-1，而歐盟規(guī)定飲用水中的硝態(tài)氮不得超過11.6 mg·L-1，但考慮地下水與地表水的不同、以及中國地下水利用現(xiàn)狀，因此，本文選擇20 mg·L-1作為地下水硝態(tài)氮含量是否超標(biāo)的最低標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，在農(nóng)田實(shí)踐中，所采用的硝態(tài)氮含量標(biāo)準(zhǔn)可以根據(jù)特定田塊的土地利用方式進(jìn)行調(diào)整。研究表明，農(nóng)田地下水硝態(tài)氮含量超標(biāo)主要是由氮肥過量施用后的淋失造成的[13,50]，據(jù)此可將農(nóng)田氮肥施用與地下水水質(zhì)關(guān)聯(lián)起來。若以硝態(tài)氮含量20 mg·L-1作為根區(qū)淋失水的氮含量上限，其與水分淋失通量的乘積可作為農(nóng)田允許最大硝態(tài)氮淋失量，即可在氮素淋失效應(yīng)曲線上找到其對應(yīng)施氮量作為地下水硝態(tài)氮超標(biāo)臨界施氮量（圖4），進(jìn)而評價(jià)所確定的臨界施氮量是否存在減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 基于施氮量-氮素淋失效應(yīng)曲線確定淋溶水硝態(tài)氮超標(biāo)臨界施氮量（其中，農(nóng)田允許最大硝態(tài)氮淋失量=水分淋失通量×硝態(tài)氮含量標(biāo)準(zhǔn)）

為了評估多年尺度的、不同氣象條件下的氮肥淋失特征和產(chǎn)量效果，在實(shí)地監(jiān)測的基礎(chǔ)上，氮循環(huán)機(jī)理模型不斷被應(yīng)用于氮肥施用效果評價(jià)，如SWAT、DSSAT、LEACHM、DNDC等，其中DNDC模型參數(shù)更易獲取、操作方便，適用于分析點(diǎn)位和區(qū)域尺度的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)，其農(nóng)田氮素淋失模擬能力較強(qiáng)[51-52]，可模擬、預(yù)測不同氣象、土壤、作物管理?xiàng)l件下的氮素動態(tài)變化（以天為步長），并且經(jīng)過驗(yàn)證的模型可通過情景分析探索兼顧產(chǎn)量效益和環(huán)境效益的優(yōu)化農(nóng)田管理措施[53]。已有研究對華北平原典型農(nóng)田2007—2012年的大型滲漏池監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步分析和方法探索[23]，根據(jù)水分淋失通量和地下III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算了農(nóng)田允許最大硝態(tài)氮淋失量，利用DNDC模型模擬了連續(xù)多年度的硝態(tài)氮淋失通量和作物產(chǎn)量，初步明確農(nóng)田淋溶水硝態(tài)氮超標(biāo)臨界施氮量為240 kg·hm-2，只要施氮量不超過這一限制，就不會造成地下水硝態(tài)氮超標(biāo)；同時，施氮量—產(chǎn)量響應(yīng)曲線顯示，保障最高作物產(chǎn)量的施氮量是180 kg·hm-2，從而構(gòu)成兼顧作物產(chǎn)量和淋溶水水質(zhì)安全的施氮空間（180 kg·hm-2，240 kg·hm-2），因此，現(xiàn)有條件下所確定的農(nóng)田臨界施氮量并不會導(dǎo)致作物減產(chǎn)（圖5）。然而，該研究并不全面，未闡明農(nóng)田允許最大施氮量等于或低于作物最佳產(chǎn)量施氮量的情況，未區(qū)分不同降雨年型對農(nóng)田允許最大施氮量的影響，未明確所得結(jié)果在其他區(qū)域的適用性，也未闡明由于區(qū)域土壤、氣候差異對所得結(jié)果的影響程度，這都需要在以后的研究工作中持續(xù)關(guān)注，也是未來研究的重點(diǎn)。

圖5 施氮量-產(chǎn)量和施氮量-硝態(tài)氮淋失量效應(yīng)雙曲線（每個點(diǎn)均為多年連續(xù)結(jié)果的平均值）

理論上，淋溶水硝態(tài)氮超標(biāo)臨界施氮量對產(chǎn)量的影響可能存在3種形式（圖6）：當(dāng)臨界施氮量等于或高于最高產(chǎn)量施氮量時，則所確定的臨界施氮量無產(chǎn)量風(fēng)險(xiǎn)，但當(dāng)臨界施氮量低于最高產(chǎn)量施氮量時，則所確定的臨界施氮量存在產(chǎn)量風(fēng)險(xiǎn)，必須進(jìn)一步探索相應(yīng)的產(chǎn)量風(fēng)險(xiǎn)解決方案（如降低目標(biāo)產(chǎn)量、調(diào)整土地利用方式等）。然而，此類研究思路往往由于農(nóng)田淋溶監(jiān)測難度、年限和方法的限制，使得水分淋失通量和氮素淋失曲線都難以明確。

確定農(nóng)田淋溶水硝態(tài)氮超標(biāo)臨界施氮量的關(guān)鍵是明確水分淋失通量。滲濾、抽濾等土壤溶液原位采集技術(shù)是農(nóng)田淋失監(jiān)測常用的方法，滲濾池監(jiān)測技術(shù)早在19世紀(jì)初就應(yīng)用到了氮素淋失研究中[54]，此后經(jīng)過上百年的實(shí)踐，目前已經(jīng)形成了土鉆采樣化驗(yàn)、模擬土柱、溶液抽濾、溶液滲濾、離子交換樹脂等多種氮素遷移淋失的監(jiān)測方法[55]。眾多方法中，以承接土壤滲濾溶液為主的大型滲漏池，其監(jiān)測土體之間互不干擾、出水穩(wěn)定、覆蓋面積大，能夠收集監(jiān)測土體內(nèi)全部滲濾液，且適于長期定位監(jiān)測，但安裝技術(shù)要求高、工程量大且費(fèi)用高昂，因而此類監(jiān)測裝置在中國應(yīng)用較少[55-56]。本質(zhì)上，農(nóng)田淋失是土壤與降水或灌溉水相互作用的過程，降雨和灌溉是淋失的主要驅(qū)動力，氮素是隨水流動的溶質(zhì)，然而，并不是每次降雨或灌溉都會導(dǎo)致農(nóng)田淋失。從單次淋失事件來看，灌溉或降雨尤其是強(qiáng)降雨條件下[57]，上層土壤水分飽和時，氮素隨水分向下淋溶，直至淋失出根區(qū)而最終進(jìn)入地下水[58]；而從長年尺度來看，少雨季節(jié)或干旱年份，氮素首先在土壤中大量積累，遇降雨季節(jié)或多雨年份時，土壤累積的氮素才會隨水大量淋失，因此，即使相同施氮條件下，氮素淋失通量也存在較大的年際差異[23]。由于淋失監(jiān)測方法和技術(shù)的限制，目前的研究監(jiān)測年限普遍較短[59-60]，而對長時間尺度的淋失監(jiān)測相對較少，這就難以區(qū)分不同降雨年型的水分和氮素淋失通量變化及其年際差異，進(jìn)而也導(dǎo)致從年際尺度上基于地下水質(zhì)保護(hù)確定的臨界施氮量可能并不適用于所用年份。此外，氮素施用時期和施用方法與氮素淋失發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)和作物產(chǎn)量密切相關(guān)，因而所確定的農(nóng)田臨界施氮總量在作物生育期間如何分配也有待深入研究。

圖6 農(nóng)田硝態(tài)氮超標(biāo)臨界施氮量與最高產(chǎn)量施氮量間的可能關(guān)系

Fig. 6 Probable relationships between critical nitrogen and nitrogen rate of highest yield in farmland

3 結(jié)語

中國人口眾多，而可耕土地面積相對較少，隨著計(jì)劃生育政策的調(diào)整，糧食壓力必將持續(xù)增加，為了滿足日益增長的糧食需求，土地不但面臨著長期復(fù)種不休耕的壓力，大量農(nóng)藥、化肥尤其是氮肥的投入，也將導(dǎo)致土壤質(zhì)量和農(nóng)田環(huán)境質(zhì)量不斷下降。理論上，最佳狀態(tài)是所施用氮素恰好滿足作物生長需求，但100%的氮素利用率是不可能的，因此，找到資源投入、糧食產(chǎn)出與環(huán)境安全之間的平衡點(diǎn)至關(guān)重要，而確定氮肥合理施用量是其中最有效、最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。

現(xiàn)有各類推薦施氮方法雖然切入點(diǎn)不同，但無論是以農(nóng)學(xué)效應(yīng)還是以環(huán)境效應(yīng)為衡量指標(biāo)，都具有充分的理論基礎(chǔ)，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道也屢見不鮮，尤其是產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益、氮素平衡等都是常用的判定指標(biāo)。然而，對大多數(shù)農(nóng)戶來講，產(chǎn)量仍然是確定農(nóng)田施氮量最優(yōu)先的衡量標(biāo)準(zhǔn)，因此，不管何種施氮量推薦方法，無論首先關(guān)注農(nóng)學(xué)效應(yīng)還是首先考慮環(huán)境效應(yīng)，產(chǎn)量都是一個必須考量的指標(biāo)。在當(dāng)前環(huán)境問題尤其是農(nóng)田面源污染日益凸顯的情況下，為了最大限度的防止由農(nóng)田施氮引起的地下水硝酸鹽污染，利用《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》限制農(nóng)田施氮量，為探索臨界施氮量提供了可能。

確定農(nóng)田合理施氮量是以“施氮總量”為切入點(diǎn)、“4R”優(yōu)化再優(yōu)化的動態(tài)過程，還應(yīng)該注意到，氮肥過量施用對氮素氣態(tài)損失的影響也非常大，在當(dāng)前大氣污染以及溫室效應(yīng)愈發(fā)嚴(yán)峻的情況下，為了提高氮肥利用率并盡可能的降低各種形態(tài)的氮素?fù)p失，優(yōu)化或限制農(nóng)田施氮量、實(shí)施國家及區(qū)域氮素調(diào)控等實(shí)質(zhì)性措施勢在必行。

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（責(zé)任編輯 李云霞）

Recommended Methods for Optimal Nitrogen Application Rate

ZHANG YiTao1, WANG HongYuan1, LEI QiuLiang1, ZHANG JiZong1, ZHAI LiMei1, REN TianZhi2, LIU HongBin1

(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/ Key Laboratory of Nonpoint Source Pollution Control, Ministry of Agriculture, Beijing 100081;2Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture, Tianjin 300191)

In order to obtain high crop yield and low environmental nitrogen (N) pollution risk simultaneously, identifying the optimal N application rate is one of the most effective methods. Based on the theory of optimal N application and the present situation of N fertilizer application in China, we summarized the recommended methods for optimal N rate used in current research. The existing recommended methods for optimal N rate were soil nutrient regulation during crop growth, N application effect curve, balance of N input and output, and the critical N rate based on standard nitrate-N of leaching water from farmland. The first three methods, which focused on agronomy effect firstly and then assessed its environmental effect, were for the purpose of obtaining better agronomic benefits. All of these three methods were scientific and reasonable, which had proved their application in practice. The forth method focused on environmental effect firstly and then estimates its effect on yield intending to prevent nitrate pollution of groundwater, which could quantify the actual environmental effect of optimal N application rate. However, the critical N application rate of the forth method has some uncertainty because of many influencing factors, and its variation under different years, different regions and different soil types need be further studied.

optimal N application rate; agronomy effect; environmental effect; N rate for the highest yield; critical N rate based on standard nitrate-N

2017-10-11；

2018-01-15

國家自然科學(xué)基金（31701995, 31572208）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0800101）、國家留學(xué)基金管理委員會創(chuàng)新型人才國際合作培養(yǎng)項(xiàng)目（2015-7169）、牛頓基金（BB/N013484/1）

張亦濤，E-mail：ytzhang1986@163.com。通信作者劉宏斌，E-mail：liuhongbin@caas.cn

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.15.009