氣候-土壤-作物之間氮形態(tài)契合在氮肥管理中的關(guān)鍵作用*

程 誼 張金波 蔡祖聰

（南京師范大學地理科學學院，江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210023）

氮素是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素。施用氮肥是獲得作物高產(chǎn)和高品質(zhì)的關(guān)鍵措施。若無化學氮肥的施用，無法維持全球70億人口的糧食供應(yīng)，也無法解決我國14億人口的糧食問題。隨著全球人口的不斷增加，預(yù)計全球氮肥施用量將持續(xù)增加[1］。但是，過量的氮肥投入造成了嚴重的生態(tài)環(huán)境問題，如地表水體富營養(yǎng)化、地下水硝酸鹽污染、土壤酸化、大氣污染、溫室效應(yīng)等[2-5］。因此，為解決糧食安全與生態(tài)環(huán)境安全之間的矛盾，必須建立“科學、經(jīng)濟、環(huán)?！笔┓蕿閷虻氖┓手贫?。一般而言，首先要確定作物的適宜施氮量，提高氮肥當季利用率；在此基礎(chǔ)上，研發(fā)優(yōu)化的氮肥管理措施進一步發(fā)揮氮肥的增產(chǎn)作用，減少氮肥施用量[6-7］。概括地，主要管理理念是選擇正確的肥料品種、采用正確的肥料用量、在正確的施肥時間施用于正確的位置[8-9］。確實，在全球范圍內(nèi)探索每個地區(qū)不同作物的合理施氮量已獲得足夠的重視，因為其簡便易行并直接關(guān)系到施肥成本，而肥料種類、施肥時期和施肥位置研究卻難受重視，推廣也較困難。雖然人們已經(jīng)意識到提高施肥頻率、降低基肥比例（前氮后移）、肥料深施、施用高效肥料（緩控釋肥、配施硝化抑制劑、配施脲酶抑制劑）、測土配方施肥、輪作制度調(diào)整等氮肥優(yōu)化措施可以增產(chǎn)、減排[7,10-11］，但是，實際生產(chǎn)中，具體的植物養(yǎng)分管理措施還取決于作物氮形態(tài)喜好特性、土壤氮素轉(zhuǎn)化特點以及氣候條件等因素。即使是養(yǎng)分充足的肥沃土壤，在排水不良、干旱和其他因素的限制下作物仍然難以高產(chǎn)[8,12］。這表明優(yōu)化措施的實際效果因作物、土壤和氣候條件不同而出現(xiàn)差異，也意味著將氮肥管理與植物-土壤-氣候系統(tǒng)緊密結(jié)合有望進一步提高氮肥利用率，減少氮損失。

1 氣候與土壤的契合程度

銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是土壤中主要的可利用氮，土壤保持氮的能力主要取決于土壤氮轉(zhuǎn)化特性決定的無機氮主導形態(tài)，及其與土壤性質(zhì)、環(huán)境條件的契合程度。銨態(tài)氮易通過氨揮發(fā)而擴散至大氣中，所以在中性、堿性土壤中易損失，而在酸性土壤中易被土壤吸附固定；而硝態(tài)氮的損失途徑主要是徑流、淋溶和反硝化過程，所以其在濕潤多雨的地方極易損失，而在干旱地區(qū)可保存于土壤中。在干旱地區(qū)，地帶性土壤一般為堿性，自養(yǎng)硝化速率高，土壤無機氮以硝態(tài)氮為主，有利于土壤氮保持[13］。如我國黃土高原地區(qū)，過量施用氮肥，產(chǎn)生的硝態(tài)氮絕大部分積累于土壤剖面[14-15］，需要相當長的時間才能進入地下水體。在濕潤地區(qū)，地帶性土壤一般為酸性，自養(yǎng)硝化作用一般很微弱，土壤無機氮以銨態(tài)氮為主，酸性土壤條件可有效抑制氨揮發(fā)損失，硝態(tài)氮產(chǎn)生少，有效地減少了氮隨水遷移的損失，所以有利于土壤氮保持[13］。由此可見，地帶性土壤氮轉(zhuǎn)化過程、特點與氣候條件契合程度高，表現(xiàn)出較強的無機氮保持能力。非地帶性土壤如果不能與氣候條件高度契合，則不利于土壤無機氮的保持，如紫色土。由于成土年齡小，我國濕潤亞熱帶地區(qū)分布有較大面積的紫色土，繼承了成土母質(zhì)的堿性特點，土壤呈中性或堿性，而不是地帶性土壤的酸性，硝化作用強烈，土壤無機氮以硝態(tài)氮為主，極易損失。因此，硝態(tài)氮是紫色土小流域氮素流失的主要形式[16］。此外，農(nóng)業(yè)利用，特別是氮肥的施用，會明顯促進我國濕潤亞熱帶地帶性土壤的硝化作用[17］，農(nóng)田土壤無機氮由銨態(tài)氮占主導轉(zhuǎn)變成硝態(tài)氮占主導，增加硝態(tài)氮淋溶和徑流損失的風險。例如，對江西12個非農(nóng)業(yè)土壤和10個農(nóng)業(yè)土壤的測定表明，前者銨態(tài)氮占無機氮的比例平均為80%，后者平均僅占17%，硝態(tài)氮占農(nóng)田土壤無機氮的83%，淋溶風險可想而知[18］。由此可見，在濕潤亞熱帶和干旱、半干旱地帶性土壤上大量施用氮肥對環(huán)境影響途徑可能存在差異，對于前者，施用大量氮肥首先破壞土壤保氮機制，然后導致活性氮向環(huán)境的擴散增加；對于后者則主要是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素盈余引發(fā)環(huán)境問題。

2 土壤與植物的契合程度

2.1 確保施入的氮肥形態(tài)與作物氮形態(tài)喜好高度契合

就氮素形態(tài)而言，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮均能被植物吸收。雖然從能量角度而言，植物吸收銨態(tài)氮較吸收硝態(tài)氮消耗的能量要少[19］，但是在長期進化過程中植物與特定環(huán)境條件相適應(yīng)，許多植物對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮這兩種不同形態(tài)氮源的吸收具有偏向選擇性（喜好）。一般而言，大多數(shù)旱地作物，如小麥、玉米、蔬菜、煙草等偏好硝態(tài)氮，而適應(yīng)酸性土壤生長的嫌鈣植物（如茶葉、藍莓）和適應(yīng)低氧化還原勢土壤條件下生長的植物（如水稻）偏好銨態(tài)氮[20-22］。這可能是植物對其原始營養(yǎng)生境（如銨態(tài)氮優(yōu)勢生境或硝態(tài)氮優(yōu)勢生境）長期生理適應(yīng)的結(jié)果，一般而言，植物總是趨于偏好其自然生境中最豐富的氮源形態(tài)[23-25］。酸性或低氧化還原勢生境下硝化作用較弱甚至缺失，銨態(tài)氮占據(jù)主導地位；而旱作生境下硝化較快，硝態(tài)氮占優(yōu)勢地位[26］。因此，理論上在等氮投入情況下，對于喜銨作物施用銨態(tài)氮肥較施用硝態(tài)氮肥增產(chǎn)效果會更突出，同樣地，對于喜硝作物施用硝態(tài)氮肥較施用銨態(tài)氮肥效果可能更好，這也是最大化滿足作物氮需求與氮供應(yīng)同步。大量研究表明，在等氮條件下施銨態(tài)氮或尿素氮肥時喜銨作物的產(chǎn)量確實明顯高于施硝態(tài)氮肥[20,27-29］，施硝態(tài)氮肥時喜硝作物的產(chǎn)量明顯高于施銨態(tài)氮肥[30-32］。可見，只要滿足作物氮形態(tài)喜好與氮肥形態(tài)高度匹配，就可以顯著提高作物產(chǎn)量和氮肥利用率。在實際生產(chǎn)中，就要求針對作物氮形態(tài)喜好選擇契合程度高的氮肥品種。然而，幾十年來，我國乃至全球主要氮肥品種為銨態(tài)氮肥和酰胺態(tài)氮肥（尿素）[11］，在我國，尿素占氮肥總量的比例高達60%，而硝態(tài)氮肥比例則不到5%[33-34］，以致在實際生產(chǎn)中無論對喜銨作物還是喜硝作物一味施用銨態(tài)氮肥或者酰胺態(tài)氮肥。施用非硝態(tài)氮肥對喜硝作物的生產(chǎn)極其不利，此時作物喜好與氮肥形態(tài)契合程度低，作物不能及時有效吸收氮肥，同時，高濃度銨態(tài)氮亦容易對喜硝作物產(chǎn)生毒害[31,35］，必然導致氮肥利用率低以及氮大量損失。因此，這要求化肥工業(yè)不斷優(yōu)化氮肥品種結(jié)構(gòu)，改變當前以尿素等產(chǎn)品為主的氮肥結(jié)構(gòu)，適時增加硝態(tài)氮肥的比例。

2.2 土壤氮轉(zhuǎn)化特性決定無機氮形態(tài)與作物氮喜好的契合程度

然而，即使施入的氮肥形態(tài)與作物氮喜好契合程度高亦未必產(chǎn)生高的氮肥利用率。因為施入農(nóng)田的氮肥形態(tài)并非一直不變。氮肥進入土壤后會迅速發(fā)生一系列的轉(zhuǎn)化過程，如硝化（氨氧化）、微生物同化、反硝化等[36-37］，所以氮肥形態(tài)與作物氮喜好契合程度可能會受土壤氮轉(zhuǎn)化特性的影響。

對于喜銨作物，如果施入的銨態(tài)氮肥在很短時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮或者微生物生物量氮，則施入的氮肥形態(tài)與作物氮形態(tài)喜好的契合程度降低，勢必造成低的氮肥利用率和高的氮損失。最近的研究表明，施銨態(tài)氮肥時喜銨作物甘蔗的氮肥利用率與施硝態(tài)氮肥時相當[38］，這很可能是因為施入的銨態(tài)氮肥在很短時間內(nèi)通過硝化過程轉(zhuǎn)化成了硝態(tài)氮，降低了氮形態(tài)與作物氮形態(tài)喜好的契合程度。Zhang等[20］的研究結(jié)果印證了這一觀點，對于旱作喜銨作物土豆，種植在酸性土壤中施銨態(tài)氮肥較硝態(tài)氮肥具有更高的氮肥利用率，但在偏堿性土壤中兩種形態(tài)氮肥間的氮利用率無明顯差異，主要原因是酸性土壤硝化速率較慢，銨態(tài)氮能夠在土壤中存在更長的時間，而硝化較快的偏堿性土壤中施入的銨態(tài)氮肥在1周甚至更短的時間內(nèi)就轉(zhuǎn)化成了硝態(tài)氮。同樣地，對于喜銨作物水稻，種植在酸性土壤中銨態(tài)氮肥的利用率顯著高于偏堿性土壤，而硝態(tài)氮肥的利用率在酸性和偏堿性土壤中無顯著差異[29］，這也是因為偏堿性土壤高的硝化速率降低了氮形態(tài)與作物氮形態(tài)喜好的契合程度。此外，隨土壤硝化速率的增加，水稻氮肥利用率逐漸降低且氮損失增加[39］。因此，與酸性土壤相比，堿性土壤中要獲得相同的水稻產(chǎn)量需要施用更多的氮肥[29］。這也證實了如果最大化提高土壤氮素轉(zhuǎn)化特點、氮肥形態(tài)以及作物氮喜好的契合程度，完全可以實現(xiàn)減氮增效。

對于喜硝作物，如果施入的氮肥形態(tài)是銨態(tài)氮肥或者尿素，那么這時候作物吸氮量取決于土壤將施入的氮肥轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的能力。例如，Zhang等[20］發(fā)現(xiàn)，無論是酸性還是偏堿性土壤，施銨態(tài)氮肥時喜硝作物黃瓜的氮肥利用率均低于施硝態(tài)氮肥，但是兩者之間的差距隨土壤pH增加而縮小。這表明隨著旱作土壤硝化速率的增加，銨態(tài)氮肥的效果越來越接近硝態(tài)氮肥，當硝化速率快到一定程度時，施銨態(tài)氮肥的效果幾乎等同于施硝態(tài)氮肥。雖然，旱作土壤較強的硝化能力能在一定程度上將銨態(tài)氮肥轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮，保證作物產(chǎn)量，但是硝化過程致酸，導致土壤嚴重酸化[3,40-41］，而且施入的銨態(tài)氮肥很容易通過NH3揮發(fā)發(fā)生大量氮損失，尤其在我國華北平原，NH3揮發(fā)損失占氮肥用量的比例高達23%[42］。

3 氮肥管理措施應(yīng)滿足氣候-土壤-作物之間氮形態(tài)高度契合

總體而言，喜銨作物應(yīng)施銨態(tài)氮肥，并種植在硝化速率較低的土壤中為最佳，比如熱帶-亞熱帶地區(qū)酸性土壤。但是，在硝化速率較高的中性和偏堿性土壤中種植喜銨作物，如水稻并獲得高產(chǎn)也并非不可能，這時候需要施用新型高效肥料（緩控釋肥、配施硝化抑制劑、配施脲酶抑制劑）來抑制硝化作用以及可能的氨揮發(fā)損失[20-21］。當然，許多酸性土壤在長期施肥刺激下，硝化速率并不低，也需要施用高效肥料[43-44］。喜硝作物應(yīng)以施硝態(tài)氮肥為最佳，但是鑒于硝態(tài)氮易損失，在高溫多雨的熱帶和亞熱帶地區(qū)施用，應(yīng)注意降雨驅(qū)動的氮損失；如果以銨態(tài)氮肥或者尿素為氮源，喜硝作物應(yīng)種植在硝化速率較高的土壤中，比如干旱和半干旱地區(qū)中性或堿性土壤，同時采用肥料深施技術(shù)或配施脲酶抑制劑，以降低氨揮發(fā)損失。

然而，在實際研究中，人們普遍施用高效肥料以求增產(chǎn)減排，并未因作物和土壤不同而區(qū)別對待[7,10-11］。比如，包膜肥料能顯著降低水稻種植期間N2O排放、NH3揮發(fā)和N淋溶損失并增產(chǎn)，而對于玉米、小麥、蔬菜等旱作作物，包膜尿素雖然也能降低各種氮損失，但作物產(chǎn)量和氮肥利用率響應(yīng)卻不明顯[11］。施用硝化抑制劑能夠提高水稻產(chǎn)量以及氮肥利用率，但是對玉米、小麥、蔬菜等旱作作物的增產(chǎn)很小甚至可忽略不計[11］。施用脲酶抑制劑能夠顯著降低NH3揮發(fā)損失，但對水稻的增產(chǎn)較旱作作物和草地更明顯[11］。此外，硝化抑制劑雖然能夠顯著降低N2O排放和N淋溶損失，但不可避免會刺激NH3揮發(fā)引起的氮損失。因此，這也要求人們在施用硝化抑制劑的時候須輔以NH3減排措施，如肥料深施、配施脲酶抑制劑等等。但是，實踐證明，施用雙重抑制劑（脲酶抑制劑和硝化抑制劑）并不能提高旱作作物產(chǎn)量和氮肥利用率[11］。一般認為，高效肥料對水稻增產(chǎn)減排優(yōu)于玉米、小麥等旱作作物，其原因是水稻種植期間相對恒定的生物物理環(huán)境，如氣溫和土壤濕度，給高效肥料發(fā)揮功效創(chuàng)造了條件。但是，事實上這三種高效肥料的基本作用是為了延長銨態(tài)氮在土壤中的滯留時間，比如硝化抑制劑抑制銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，脲酶抑制劑抑制NH3揮發(fā)，包膜尿素控制銨態(tài)氮肥緩慢釋放，其最終有利于喜銨作物而不是喜硝作物。因此，高效肥料對水稻增產(chǎn)減排優(yōu)于玉米、小麥等旱作作物的原因很大程度上歸結(jié)于最大化了作物氮喜好與氮肥形態(tài)契合程度。即使對于水稻，高效氮肥的增產(chǎn)效果亦取決于種植土壤的pH。全球尺度上的水稻整合分析研究表明，高效氮肥對酸性土壤（pH≤6.0）無增產(chǎn)效果，而對堿性土壤（pH≥8.0）增產(chǎn)顯著[45］。針對我國水稻的整合分析研究也發(fā)現(xiàn)，在堿性土壤（pH≥7.5）施用高效氮肥增加產(chǎn)量和氮素吸收量的效果優(yōu)于酸性（pH≤6.5）和中性（pH 6.5～7.5）土壤[46］。因此，就地域分布而言，在中國北方施用高效氮肥可取得較南方更好的增產(chǎn)效果，其原因正是北方土壤pH較高，NH3揮發(fā)損失高且硝化速率較快，高效氮肥能夠發(fā)揮減少氮素損失的作用[42］。綜上所述，在某一地區(qū)引進新作物或者實施新施肥措施的時候，必須考慮土壤氮素轉(zhuǎn)化特點、施入的氮肥形態(tài)與作物氮喜好契合程度，從而盡可能提高氮肥利用率，降低氮損失。

然而，即使?jié)M足土壤氮素轉(zhuǎn)化特點、施入的氮肥形態(tài)與作物氮喜好高度契合亦未必產(chǎn)生高的氮肥利用率。在自然生態(tài)系統(tǒng)中，植物的生境由其生存地段的土壤和小氣候等要素組成，它們?yōu)樵撝参镏苯犹峁└鞣N環(huán)境資源和個性化的生活條件。環(huán)境條件的改變必然改變生長在特定環(huán)境下的植物生長狀況。例如，采伐干擾后，N濃度明顯增加可能會導致喜銨的針葉樹種變得難以生存[25］。長期施肥后，茶樹生長的酸性土壤硝化速率顯著增加，必然會引起喜銨的茶樹不能及時有效地吸收氮肥，造成較低的氮肥利用率以及大量的氮損失[43-44］。降雨量大小不僅決定了土壤濕潤程度還控制氮損失強度。最近，Liu等[47］發(fā)現(xiàn)對于相同肥力的土壤，施硝態(tài)氮肥時福建地區(qū)小麥的產(chǎn)量和氮肥利用率顯著低于四川地區(qū)。這很可能是因為福建地區(qū)麥季的降雨量（815 mm）遠高于四川地區(qū)(180 mm)，在高降雨驅(qū)動下硝態(tài)氮損失加劇，因而福建地區(qū)可供小麥吸收的硝態(tài)氮不足。整合分析研究表明，當年平均降雨量超過1 200 mm時，硝化抑制劑對產(chǎn)量和氮肥利用率的正效應(yīng)趨于消失[11］。包膜尿素增產(chǎn)的前提是該地區(qū)年平均溫度和降雨量分別為10～20℃和800～1 200 mm。Abalos 等[48］發(fā)現(xiàn)抑制劑（脲酶抑制劑和硝化抑制劑）在粗質(zhì)地的土壤中增產(chǎn)和提高氮肥利用率效果顯著優(yōu)于細質(zhì)地土壤。與粗質(zhì)地土壤相比，細質(zhì)地土壤較難發(fā)生N淋溶損失，因此抑制劑的減排增產(chǎn)作用無法發(fā)揮。此外，高效肥料在灌溉條件下增產(chǎn)和提高氮肥利用率較雨養(yǎng)條件下更有效[11］?？傮w而言，氮的損失過程、作物吸收過程和土壤微生物過程（轉(zhuǎn)化和同化）是一種相互競爭關(guān)系，它是動態(tài)變化的，如下雨產(chǎn)生徑流和向下淋溶時，才可能產(chǎn)生硝態(tài)氮遷移損失；植物對氮吸收能力增強時，微生物轉(zhuǎn)化和同化則會受到抑制。

筆者所在團隊在福建和四川的大田實驗結(jié)果初步驗證了通過提升“氣候-土壤-作物系統(tǒng)氮形態(tài)契合度”來提高作物氮素利用效率和降低活性氮環(huán)境排放的可行性（圖1）[47］：在濕潤地區(qū)的酸性土壤中，自養(yǎng)硝化速率較低，土壤無機氮以銨態(tài)氮為主，酸性土壤條件可以有效地抑制氨揮發(fā)損失，硝態(tài)氮產(chǎn)生少，有效地減少了氮的隨水遷移損失；此時種植喜銨作物（如水稻），就能較好實現(xiàn)氣候-土壤-作物系統(tǒng)氮形態(tài)的高度契合（圖1）[47］；而在中性或堿性土壤中，硝化作用強烈，土壤無機氮以硝態(tài)氮為主，在降雨量較少的季節(jié)種植喜硝作物（如冬小麥）并施硝態(tài)氮肥（圖1）[47］，這亦是很大程度上提高了特定氣候下氮形態(tài)與作物氮形態(tài)喜好的契合程度。

4 結(jié)語與展望

采用合理的作物養(yǎng)分管理措施對糧食安全保障、土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護至關(guān)重要。最佳的養(yǎng)分管理措施必須考慮作物氮形態(tài)喜好特性、土壤氮轉(zhuǎn)化特點和氣候條件。在實際的氮素管理中，盡可能提高作物氮形態(tài)喜好、氮肥形態(tài)、土壤氮素轉(zhuǎn)化特點以及氣候條件間的契合程度，可以顯著提高氮肥利用率、降低施氮量、減少活性氮向環(huán)境的擴散。氣候-土壤-作物之間氮形態(tài)契合程度也是引進新的作物或者實施新的施肥措施的重要依據(jù)。將來的研究需要建立氣候-土壤-作物-氮肥系統(tǒng)綜合管理技術(shù)，并將農(nóng)田養(yǎng)分管理更加精準化、信息化，從而找到適合特定地區(qū)特定作物的最佳養(yǎng)分管理措施，實現(xiàn)土壤與農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

圖1 氣候-土壤-作物系統(tǒng)氮形態(tài)契合程度對水稻和小麥產(chǎn)量以及氮素損失的影響[47］Fig. 1 Effects of matching degree of crop-specific N preference, soil N transformation and climate conditions on yields and N losses in rice and wheat planted systems[47］