論合理施氮的原則和指標(biāo)*

巨曉棠，張 翀

（1. 海南大學(xué)熱帶作物學(xué)院，?？?570228；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193）

我國(guó)農(nóng)業(yè)每年大約使用3 000 萬t（純氮）氮肥，約占全球農(nóng)業(yè)氮肥使用量的30%[1]。但我國(guó)也用大約9%的世界耕地，生產(chǎn)了25%的世界糧食總產(chǎn)，并為20%的全球人口提供了食物，基本滿足了14 億人口的農(nóng)產(chǎn)品需求[1]。當(dāng)前，我國(guó)是谷物、棉花、水果、蔬菜、肉、家禽、蛋和漁業(yè)產(chǎn)品的最大生產(chǎn)國(guó)[2]，其中，氮肥對(duì)糧食生產(chǎn)的貢獻(xiàn)占45%左右[3]。近二十年來，普遍認(rèn)為我國(guó)化肥使用量過高、增產(chǎn)效果下降、環(huán)境污染加重[4-7]。近幾年來，“減肥”特別是“減氮”的行動(dòng)在我國(guó)廣泛開展，如政府制定了2020年化肥“零增長(zhǎng)”計(jì)劃等[8]。但需要清楚，過量施氮在什么區(qū)域存在？在什么作物上存在？發(fā)生的根本原因是什么？同時(shí)也要認(rèn)識(shí)到，這些“減氮”行動(dòng)，是在什么基礎(chǔ)上減？減多少？“減氮”的原則和指標(biāo)是什么？如果不弄清楚上述問題，矯枉過正，影響了作物生產(chǎn)和土壤肥力，對(duì)滿足農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)是十分不利的。

1 施用氮肥的目的

施用氮肥的主要目的是獲得較高的目標(biāo)產(chǎn)量、相應(yīng)品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益并維持或提高土壤肥力，所引起的環(huán)境污染是附帶的。減施肥料（減肥）不能顧此失彼，需要綜合考慮生產(chǎn)目標(biāo)（產(chǎn)量、品質(zhì)和效益）、環(huán)境影響及土壤肥力（可用土壤有機(jī)碳指示）的協(xié)調(diào)（圖1）。如果實(shí)現(xiàn)合理施肥，環(huán)境效應(yīng)是能夠控制在可接受的范圍的[9-12]。雖然我國(guó)氮肥總使用量較高，但集約化生產(chǎn)水平也高，產(chǎn)量也處于相對(duì)偏高的水平[9，13]。在農(nóng)戶實(shí)際田塊，施氮量千差萬別。依據(jù)農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù)，與田間試驗(yàn)合理施氮量范圍比較，過量施氮田塊占總調(diào)查田塊大約33%[10]。依據(jù)單位播種面積平均施氮量，與作物合理施氮量對(duì)比，全國(guó)過量施氮面積大約占播種面積20%、合理面積占70%、不足面積占10%[10]。總體而言，過量施氮主要發(fā)生在蔬菜和果樹等經(jīng)濟(jì)作物上[10，14]，而且還表現(xiàn)在氮、磷、鉀與中微量元素不平衡施肥上。如果不根據(jù)各個(gè)地區(qū)和作物的實(shí)際情況，片面或一刀切“減肥”，必然會(huì)降低農(nóng)作物產(chǎn)量、品質(zhì)及效益，影響可持續(xù)集約化作物生產(chǎn)目標(biāo)。

近幾年來，我國(guó)過度強(qiáng)調(diào)了施肥的環(huán)境效應(yīng)，而放松了施肥的生產(chǎn)目標(biāo)和土壤培肥的本源需求，使這種無原則的“減氮”現(xiàn)象相當(dāng)普遍。筆者看到，在各種會(huì)議和文獻(xiàn)上，許多資料利用短期田間試驗(yàn)（1～3 季或1～3 年）的結(jié)果得出：在農(nóng)戶常規(guī)（習(xí)慣）施氮的基礎(chǔ)上，“減氮”30%不減產(chǎn)；有的“減氮”50%不減產(chǎn)；有的甚至“減氮”80%不減產(chǎn)；最不可思議的是，不施氮也不減產(chǎn)[15-16]。值得注意的是，這些試驗(yàn)存在下列問題：（1）是在什么樣的土壤肥力基礎(chǔ)上做試驗(yàn)?（2）將農(nóng)戶常規(guī)施氮降低到什么程度？“減氮”的原則和標(biāo)準(zhǔn)是什么？（3）是否在消耗以前過量施氮土壤累積的殘留肥料氮？能持續(xù)多久？（4）“減氮”是否降低了谷類作物的籽粒粗蛋白含量（由籽粒含氮量乘5.7 折算而得）？筆者發(fā)現(xiàn)，上述試驗(yàn)大部分是在原來過量施氮的田塊進(jìn)行，由于殘留肥料氮較高，當(dāng)季少施肥或不施肥未減產(chǎn)，有時(shí)還可能維持1～3 季甚至1～3 年（英文稱“carry over”效應(yīng)[17-18]），但一直在消耗土壤氮；而且大部分試驗(yàn)均降低了籽粒粗蛋白含量[19-21]，有的甚至達(dá)不到品質(zhì)要求。這種“減氮”方式，短期內(nèi)對(duì)作物生產(chǎn)的影響可能顯現(xiàn)不出來；但長(zhǎng)期下去，必然消耗地力，影響農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，是難以持續(xù)的；對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)意義不大，甚至誤導(dǎo)。例如，小麥籽粒粗蛋白含量相比其他谷物（如玉米和水稻）要高，在過度“減氮”的條件下追求高產(chǎn)（“以少產(chǎn)多Producing more with less”），會(huì)降低小麥的籽粒粗蛋白含量，從而影響其食用和加工品質(zhì)[13，22-23]。為此，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種植業(yè)司印發(fā)了關(guān)于《全國(guó)水稻產(chǎn)區(qū)氮肥定額用量（試行）》的函[24]，為不同稻區(qū)氮肥施用量設(shè)置了最低和最高限額（表1，前3 列），相應(yīng)小麥和玉米的限額也于最近發(fā)表[25]。

2 合理施氮的原則

那么，合理施氮的原則是什么？筆者認(rèn)為，針對(duì)特定的氣候-土壤-作物體系，在一定的經(jīng)營(yíng)管理措施下（輪作與耕作、品種、灌溉等），能夠?qū)崿F(xiàn)可獲得的目標(biāo)產(chǎn)量、相應(yīng)品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益并維持或提高土壤肥力，同時(shí)將環(huán)境效應(yīng)降低至可接受的范圍內(nèi)的合理施氮量區(qū)間，即將施氮量控制在一個(gè)目標(biāo)產(chǎn)量、作物品質(zhì)和效益、環(huán)境效應(yīng)與土壤肥力均可接受的范圍內(nèi)（圖2），實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)共贏。這種合理施氮量范圍在文獻(xiàn)中已有清楚描述[10，26-27，29]，但在實(shí)際生產(chǎn)上人們通常忘記或忽略了這些原則和標(biāo)準(zhǔn)，以至于從一個(gè)片面走向另一個(gè)片面。

在一個(gè)給定的作物生產(chǎn)條件下，隨著施氮量的增加，產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益會(huì)相應(yīng)增加（圖2）。用肥料效應(yīng)函數(shù)會(huì)求得兩個(gè)拐點(diǎn)：一是經(jīng)濟(jì)最佳施氮量（Economic Optimum N Rate，EONR），二是最高產(chǎn)量施氮量（Maximum Yield N Rate，MYNR）。谷類作物的籽粒粗蛋白含量也隨施氮量的增加而提高，一般會(huì)在最高產(chǎn)量施氮量后達(dá)到峰值（圖2）。隨著施氮量的增加，相應(yīng)的氮素?fù)p失（氨揮發(fā)、反硝化、氧化亞氮（N2O）排放、淋洗或徑流）也隨之增加，但在施氮方法和時(shí)期、肥料品種均趨于合理的條件下，氮素各種損失在最高產(chǎn)量施氮量前保持較低水平[30-31]，因?yàn)樽魑飳?duì)氮素的高效吸收會(huì)降低相應(yīng)損失；但當(dāng)施氮量超過最高產(chǎn)量施氮量后，氮素各種損失一般會(huì)呈指數(shù)增長(zhǎng)[32-33]。在施氮量-產(chǎn)量和品質(zhì)-凈經(jīng)濟(jì)效益的合理范圍內(nèi)，施氮引起的環(huán)境代價(jià)較??；環(huán)境代價(jià)僅是在效益達(dá)到最大值以后，才開始顯著增加。因此，從產(chǎn)量、品質(zhì)和氮素?fù)p失對(duì)施氮量的效應(yīng)曲線看，合理施氮量范圍就是經(jīng)濟(jì)最佳施氮量和最高產(chǎn)量施氮量的區(qū)間。不合理施氮會(huì)造成三種情況：（1）氮素供應(yīng)不足，產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益均低；（2）過分“減氮”后產(chǎn)量下降不明顯，但達(dá)不到品質(zhì)要求，經(jīng)濟(jì)效益不高，土壤肥力下降；（3）過量施氮，產(chǎn)量不提高甚至下降，籽粒和秸稈含氮量提高，氮素?fù)p失增加，環(huán)境代價(jià)增大，氮素浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)效益下降。在合理施氮范圍，產(chǎn)量、品質(zhì)和效益均高，環(huán)境代價(jià)最低，土壤肥力得以維持或提高。

表1 全國(guó)水稻產(chǎn)區(qū)氮肥定額用量Table 1 Maximum N application rate for rice in China

有些研究試圖將環(huán)境成本考慮在內(nèi)，計(jì)算扣除環(huán)境成本后的施氮量[15，34-37]，其計(jì)算值應(yīng)該是低于最佳經(jīng)濟(jì)施氮量，必然導(dǎo)致作物產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益損失；也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)土壤-作物體系氮素輸入小于氮素輸出[26]，長(zhǎng)期下去，會(huì)造成土壤肥力下降。由于環(huán)境成本是人為賦值，不同研究者的賦值差異，也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的施氮量具有較大變異。從氮肥施用的兩個(gè)主要目標(biāo)考慮（生產(chǎn)目標(biāo)和補(bǔ)充土壤氮素消耗以維持地力），合理施氮量不應(yīng)該把環(huán)境成本考慮進(jìn)去。另一方面，如果考慮環(huán)境成本確定施氮量，達(dá)不到集約化作物生產(chǎn)目標(biāo)，需要擴(kuò)張更多耕地進(jìn)行作物生產(chǎn)，由此造成的溫室氣體排放和生物多樣性喪失，對(duì)地球生態(tài)和環(huán)境將會(huì)造成更大的損失[38]。

值得注意的是，在給定的生產(chǎn)條件下，產(chǎn)量效應(yīng)曲線需要通過在同類地區(qū)的長(zhǎng)期試驗(yàn)（大于或等于5 年）和多點(diǎn)試驗(yàn)獲得。短期試驗(yàn)的肥料效應(yīng)曲線，受前期地塊肥力狀況和施氮水平的影響，對(duì)確定合理施氮量意義不大，甚至引起誤導(dǎo)[15，35，39-40]。因?yàn)?，即使在同一田塊上做試驗(yàn)，同一施氮量水平下重復(fù)之間的產(chǎn)量變異就較大，何況不同田塊或不同年際之間的變異了。由于產(chǎn)量、品質(zhì)和氮素?fù)p失對(duì)施氮量效應(yīng)，在田塊和年際間的變異，導(dǎo)致最佳經(jīng)濟(jì)施氮量或最高產(chǎn)量施氮量不可能是一個(gè)確定的值，而是在這個(gè)值的左右變動(dòng)（圖3）。因此，對(duì)這兩個(gè)拐點(diǎn)，必須接受一定程度的不確定性。在集約化高產(chǎn)田塊，氮肥正負(fù)15 kg·hm-2（以N 計(jì)，下同）的不確定性是可以接受的[26-27]。國(guó)際上許多推薦施氮法的目標(biāo)就是將施氮量控制在一個(gè)較窄的范圍，而不在于給一個(gè)多么準(zhǔn)確的推薦數(shù)值[41-43]。另一方面，合理施氮量的不確定性還來自于對(duì)產(chǎn)量、品質(zhì)和氮素?fù)p失效應(yīng)曲線，選擇什么樣的模型進(jìn)行求解[44-45]，必然得到不同的模擬結(jié)果，因?yàn)橥恍?yīng)曲線可用性質(zhì)不同的函數(shù)來模擬。由于凈收益－施氮量曲線在兩個(gè)拐點(diǎn)附近已相當(dāng)平緩，效應(yīng)曲線在拐點(diǎn)附近的變化一般不是突變的，少量增加或者減少施氮量對(duì)凈收益影響很小。因此，用不同效應(yīng)函數(shù)求解的最佳經(jīng)濟(jì)施氮量或最高產(chǎn)量施氮量也存在較大的差異[44-45]。

圖3 為不同小麥品種在英國(guó)同一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)籽粒產(chǎn)量對(duì)施氮量的效應(yīng)曲線（引自 Roger.Sylvester-Bradley 和Susie Roques，個(gè)人通訊，經(jīng)過允許）。可以看出，即使在同一試驗(yàn)地點(diǎn)同一年份，由于重復(fù)之間的變異，求得的經(jīng)濟(jì)最佳施氮量最低也有50 kg·hm-2左右的誤差，更不用說不同年際之間的差異了。2018 年（圖3 右圖）由于早期夏季干旱，導(dǎo)致產(chǎn)量較2017 年（圖3 左圖）顯著降低。但不可思議的是，2018 年大多數(shù)品種求得的經(jīng)濟(jì)最佳施氮反而較2017 年高（圖3 中的紅線和黑線）。在產(chǎn)量高而推薦施氮量低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致土壤氮的消耗；而在產(chǎn)量低推薦施氮量高，會(huì)加大土壤氮素殘留或損失。因此，這種產(chǎn)量效應(yīng)曲線，在理論上能夠清楚地展示產(chǎn)量對(duì)施氮量的響應(yīng)；但要在實(shí)際生產(chǎn)中用于確定合理施氮量，尚存在著諸多難以解決的問題。

歐美大型農(nóng)場(chǎng)采用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的變量施肥技術(shù)，一般是在地形有起伏、土壤性質(zhì)的變異足以引起施氮量變異的情況下進(jìn)行[10，46]，與我國(guó)許多會(huì)議和文獻(xiàn)上所提的“精準(zhǔn)施肥”是不同的概念。由于氣候和農(nóng)田管理措施的不可預(yù)見性和隨機(jī)性，即使在一個(gè)較均勻的田塊上，施肥也無法“精準(zhǔn)”，也不需要所謂的“精準(zhǔn)”，僅需要將施氮量控制在合理范圍就可以了。如從田間土壤采集到室內(nèi)測(cè)定，再到計(jì)算出施肥量可帶來30 kg·hm-2以上的誤差，該誤差足以掩蓋田塊之間施氮量的差異。另一方面，因?yàn)橥寥缹?duì)氮肥的緩沖和持留能力[47-49]，在長(zhǎng)期合理施氮量范圍內(nèi)，本季施氮量的較小偏差，也不會(huì)顯著影響產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益、氮素?fù)p失和土壤肥力。研究者更應(yīng)該注重培育土壤自身的保氮-供氮能力（Mineralization-immobilization Turnover，MIT），發(fā)揮土壤對(duì)肥料氮和作物吸氮的調(diào)控作用，將施肥的損失降下來，使肥料氮保持在土壤氮庫中，在作物需要時(shí)能充分供應(yīng)[50-51]。

3 確定合理施氮量的方法

確定合理施氮量范圍的方法是氮肥發(fā)明和施用以來的難題，特別是氮肥在作物生產(chǎn)中大量使用以來。其主要方法可歸納為：（1）基于田間試驗(yàn)作物產(chǎn)量對(duì)施氮量響應(yīng)的肥料效應(yīng)函數(shù)法；（2）基于土壤或植株測(cè)試的測(cè)試類方法。但是，這兩類方法在實(shí)際應(yīng)用中均有較大缺陷[26]，實(shí)用性較差?；谖覈?guó)小農(nóng)戶土地分散經(jīng)營(yíng)的特點(diǎn)，朱兆良院士[52]提出了區(qū)域平均適宜施氮量（Regional Mean Optimal N，RMON）的概念和方法，認(rèn)為在一定區(qū)域內(nèi)，氣候-土壤和生產(chǎn)條件、農(nóng)藝管理和產(chǎn)量水平相對(duì)一致，可采用平均施氮量來代替每個(gè)田塊的經(jīng)濟(jì)最佳施氮量。對(duì)于同類區(qū)域，通過平均施氮量獲得的總產(chǎn)量與總施氮量，與通過對(duì)各個(gè)田塊的經(jīng)濟(jì)最佳施氮量獲得的總產(chǎn)量與總施氮量相比，兩者差異較小。區(qū)域平均適宜施氮量，能夠?qū)⒔^大多數(shù)地塊施氮量控制在合理范圍，便于推廣技術(shù)員和農(nóng)戶在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。但也需要在同類地區(qū)的不同田塊，開展多年多點(diǎn)的田間試驗(yàn)，獲得經(jīng)濟(jì)最佳施氮量的平均值；而且田間試驗(yàn)需要在不同生產(chǎn)條件和歷史階段進(jìn)行更新[53]，應(yīng)歸于第一類方法。

為了應(yīng)用已經(jīng)獲得的大量田間試驗(yàn)資料，通過少量容易獲取且相對(duì)可靠和穩(wěn)定參數(shù)，在實(shí)際生產(chǎn)中簡(jiǎn)單快捷地確定出合理施氮量，增強(qiáng)方法的實(shí)用性和合理性?；趯?duì)肥料氮、土壤氮、作物吸氮等物理量之間數(shù)量關(guān)系的詳細(xì)解析，Ju 和Christie[27]?提出了理論施氮量（Theoretical Nitrogen Rate，TNR的概念和方法。在考慮了包括生物固氮、干濕沉降等其他來源氮之后，發(fā)現(xiàn)了“合理施氮量約等于作）物地上部吸氮量”的普遍規(guī)律[26-27]。在引入百千克收獲物需氮量（N100，kg）參數(shù)后，合理施氮量是目標(biāo)產(chǎn)量（Y）的唯一函數(shù)，即理論施氮量Nfert≈Y/100×N100?？梢钥闯觯繕?biāo)產(chǎn)量和百千克收獲物需氮量是該方法的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

筆者應(yīng)用大量文獻(xiàn)報(bào)道的田間試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)理論施氮量和經(jīng)濟(jì)最佳施氮量進(jìn)行了比較，在絕大多數(shù)情況下，兩者非常接近；僅東北的玉米和水稻的理論施氮量遠(yuǎn)高于經(jīng)濟(jì)最佳施氮量。筆者后來發(fā)現(xiàn)，這是由于東北地區(qū)作物的百千克收獲物需氮量遠(yuǎn)低于其他溫帶地區(qū)所造成的。例如：計(jì)算黑龍江寒地水稻理論施氮量時(shí)，如果采用百千克收獲物需氮量2.4 kg 的全國(guó)平均參數(shù)，目標(biāo)產(chǎn)量7 500 kg·hm-2的理論施氮量為180 kg·hm-2。但是，彭顯龍等[28]近20年的試驗(yàn)結(jié)果表明，寒地水稻籽粒的含氮量?jī)H有1%左右，而莖稈的含氮量約為0.55%，均顯著低于全國(guó)平均水平；百千克收獲物需氮量?jī)H1.4 kg 左右，用這一參數(shù)計(jì)算的同樣目標(biāo)產(chǎn)量的理論施氮量為105 kg·hm-2，完全符合東北寒地水稻的田間試驗(yàn)結(jié)果。東北寒地水稻在地上部吸氮量較低的條件下，形成了較高的籽粒產(chǎn)量，氮素的生理利用率顯著高于其他地區(qū)。由此可見，百千克收獲物需氮量在不同區(qū)域的同一作物上差異較大，其值應(yīng)取決于該地區(qū)的氣候-土壤和生產(chǎn)條件，需要根據(jù)全國(guó)不同種植區(qū)的產(chǎn)量和籽粒氮含量等參數(shù)重新率定。表1 右欄是計(jì)算的理論施氮量，黑龍江寒地和吉林、遼寧、內(nèi)蒙古單季稻區(qū)百千克收獲物需氮量采用1.4 kg，其他稻區(qū)采用2.0 kg。可以看出，理論施氮量普遍稍高于氮肥定額用量，但已經(jīng)十分接近。如果用不同種植區(qū)的百千克收獲物需氮量計(jì)算，結(jié)果會(huì)更符合實(shí)際。

由于目標(biāo)產(chǎn)量綜合反映了該地區(qū)的氣候-土壤和生產(chǎn)條件、土壤肥力狀況及農(nóng)藝管理水平；農(nóng)戶對(duì)自己田塊的目標(biāo)產(chǎn)量最為熟悉，成為氮肥推薦最容易獲得和相對(duì)可靠的參數(shù)。因此，通過目標(biāo)產(chǎn)量確定田塊施氮量的方法最簡(jiǎn)便易行。目標(biāo)產(chǎn)量不是憑空想象的，取決于某段時(shí)期給定地區(qū)的生產(chǎn)條件，可根據(jù)過去三年平均產(chǎn)量或當(dāng)?shù)啬軌颢@得的比較高的產(chǎn)量來確定。當(dāng)然，如果要追求進(jìn)一步將產(chǎn)量提高至更高臺(tái)階，就需要改進(jìn)生產(chǎn)條件和栽培管理措施，相應(yīng)的施氮量也應(yīng)根據(jù)新設(shè)定的目標(biāo)產(chǎn)量增加。

在我國(guó)目前的生產(chǎn)技術(shù)水平和農(nóng)村實(shí)際情況下，對(duì)于大田作物，依據(jù)現(xiàn)在相對(duì)較高的目標(biāo)產(chǎn)量，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，每季作物的施氮量如果低于150 kg·hm-2，就會(huì)達(dá)不到目標(biāo)產(chǎn)量或者消耗土壤氮素；如果高于250 kg·hm-2，增產(chǎn)的幅度也很小，氮素?fù)p失會(huì)增加，環(huán)境代價(jià)增大。合理的施氮量范圍大多數(shù)在150～250 kg·hm-2之間，施氮量的調(diào)節(jié)范圍大多在100 kg·hm-2左右，可調(diào)節(jié)的余地不大。在一個(gè)長(zhǎng)期耕作的達(dá)到穩(wěn)態(tài)的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，僅需將每季作物施氮量控制在合理范圍，就可維持土壤-作物體系的氮素平衡。除非生產(chǎn)條件（如灌溉措施、作物品種和農(nóng)藝管理等）發(fā)生大的改變而導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)量發(fā)生顯著變化，施氮量才應(yīng)做相應(yīng)的調(diào)整。理論施氮量從長(zhǎng)期維持高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、土壤氮素平衡和低環(huán)境代價(jià)考慮，推廣技術(shù)員和農(nóng)戶能夠根據(jù)自己地塊的目標(biāo)產(chǎn)量用口算確定出施氮量，提供了一種簡(jiǎn)便實(shí)用的方法[26-27]。

4 合理施氮的評(píng)判指標(biāo)

用什么標(biāo)準(zhǔn)判斷農(nóng)田氮素管理的合理性，即管理水平或優(yōu)劣，是改善氮素管理的關(guān)鍵，其中一個(gè)重要的方面是建立氮素管理指標(biāo)（indicator）。評(píng)判氮素管理的指標(biāo)有氮素利用率（NUE）、氮素盈余（surplus）等（圖1）。NUE 一直被廣泛使用，但該指標(biāo)并不能反映產(chǎn)量水平和氮素?fù)p失量，片面追求較高的氮素利用率還可能造成土壤氮素消耗[6，54]。歐洲國(guó)家一直強(qiáng)調(diào)NUE 必須和其他指標(biāo)，如氮素盈余和作物收獲氮等結(jié)合，來判斷氮素管理水平[55]。氮素盈余指“向土壤-作物體系輸入的氮素與作物收獲輸出氮素的差值”[56]。大量研究表明，氮素盈余是衡量氮素輸入的生產(chǎn)力、環(huán)境影響和土壤肥力變化的最有效指標(biāo)[57]。隨著氮素投入量增加，氮素盈余量從負(fù)值、為零到正值的變化過程中，能夠反映出消耗土壤氮、合理施氮和過量施氮的狀況。當(dāng)?shù)赜嗵幱谪?fù)值時(shí)，盡管氮素?fù)p失很低，但作物供氮不足，作物產(chǎn)量低，還會(huì)消耗土壤氮素；當(dāng)?shù)卮罅坑鄷r(shí)，作物產(chǎn)量和品質(zhì)不會(huì)增加或增加幅度較小，甚至還會(huì)降低，但氮素?fù)p失會(huì)大量增加，引起較大的環(huán)境代價(jià)。因此，優(yōu)良氮素管理應(yīng)該將土壤-作物體系的氮素盈余和氮素利用率控制在指標(biāo)范圍內(nèi)，最大限度降低氮素在環(huán)境中的損失。

基于在我國(guó)不同區(qū)域多年多點(diǎn)的田間試驗(yàn)，筆者建立了13 種作物體系的氮素盈余指標(biāo)，同時(shí)建立了與NUE 和作物收獲氮之間的關(guān)系。一年一熟作物體系的氮素盈余標(biāo)準(zhǔn)為40～100 kg·hm-2·a-1（平均為73 kg·hm-2·a-1），而一年兩熟作物體系的氮素盈余標(biāo)準(zhǔn)為110～190 kg·hm-2·a-1（平均為160 kg·hm-2·a-1），約為一年一熟作物體系的兩倍[56]。最近的研究結(jié)果（玉米、小麥和水稻的氮素盈余標(biāo)準(zhǔn)分別為75、40和70 kg·hm-2），也印證了該標(biāo)準(zhǔn)的合理性[25]。在嚴(yán)格實(shí)施“4R”（合理的施肥量（Right amount）、正確的肥料品種（Right type）、正確的施肥時(shí)期（Right time）和正確的施肥方法（Right place））施肥理念或技術(shù)[58-59]并改進(jìn)其他農(nóng)藝管理措施的條件下，氮素沉降和活性氮的損失可進(jìn)一步降低，氮素盈余標(biāo)準(zhǔn)也可進(jìn)一步降低。上述指標(biāo)可對(duì)現(xiàn)有管理水平和措施進(jìn)行評(píng)判，同時(shí)作為基準(zhǔn)，對(duì)未來改進(jìn)措施設(shè)置目標(biāo)?；谏鲜鲋笜?biāo)，政策制定者、科研人員及農(nóng)戶能夠客觀地評(píng)估和提高不同田塊的氮素管理水平，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)量、高品質(zhì)和低氮素?fù)p失[56]。

5 “減氮”的關(guān)鍵是減少損失

施入農(nóng)田的氮肥主要有三種去向：作物吸收、土壤殘留和損失[17，26-27，47]。如何使施用的氮肥最大限度地被作物吸收利用，殘留肥料氮能夠補(bǔ)償作物對(duì)土壤氮吸收的消耗，而最大限度地降低氮素通過各種途徑的損失，是合理施氮的根本問題。筆者將作物吸收肥料氮、肥料氮在主要根區(qū)內(nèi)的殘留（被微生物、土壤有機(jī)質(zhì)或黏土礦物固定）全部作為有效肥料氮考慮，將通過氣體損失（氨揮發(fā)、反硝化、N2O 排放）或淋洗與徑流等脫離出作物主要根區(qū)的肥料氮，才視為無效[11]。在合理施氮條件下，肥料氮在主要根區(qū)的遷移轉(zhuǎn)化屬于內(nèi)循環(huán)過程，環(huán)境散失量并不會(huì)很高。僅在過量施氮或施氮方法不合理（如在石灰性土壤上撒施銨態(tài)或尿素態(tài)氮肥等）情況下，氮肥的環(huán)境損失量才會(huì)很高[12，60-61]。

除了確定合理的施肥量（Right amount）外，合理施肥還包括其他三個(gè)方面，即正確的肥料品種（Right type）、正確的施肥時(shí)期（Right time）和正確的施肥方法（Right place），國(guó)際上稱為“4R”理念或技術(shù)[58-59]。這四個(gè)方面不是孤立的，而是緊密聯(lián)系的。施肥量首先取決于目標(biāo)產(chǎn)量，但又決定于肥料品種、施肥時(shí)期和方法。如果后三者均合理，則施入農(nóng)田的氮肥能夠被作物充分吸收利用，而不需要加大施氮量以彌補(bǔ)肥料氮損失[10]。如果任一方面被忽視，均會(huì)導(dǎo)致較高的氮素?fù)p失，使確定的合理施氮量無法滿足高產(chǎn)作物需求，這也是為什么農(nóng)戶現(xiàn)有施肥技術(shù)不得不加大施氮量的主要原因。我國(guó)許多農(nóng)戶普遍采用的撒施氮肥，或撒施后灌水，導(dǎo)致肥料氮不能深施，是氮肥大量損失的主要原因[10，62]。如在我國(guó)目前大面積生產(chǎn)中，小麥（產(chǎn)量水平在5.5～7.5 t·hm-2）、玉米（6.5～9.5 t·hm-2）、水稻（6.5～8.5 t·hm-2）的合理施氮量范圍在150～250 kg·hm-2之間[10，63-64]，但許多田塊氮肥施用量達(dá)到了250～350 kg·hm-2，實(shí)際上，在施肥過程已有100 kg·hm-2左右的氮素發(fā)生了損失，起作用的還是150～200 kg·hm-2[10]?？梢钥闯?，由于施肥方法的粗放，導(dǎo)致農(nóng)戶為了使損失后的氮素能夠達(dá)到較高目標(biāo)產(chǎn)量的需求，不得不施入過量的氮肥，打出點(diǎn)“余頭”。筆者稱這種粗放的施肥技術(shù)為“既給作物施肥，又給環(huán)境施肥”。

在當(dāng)前農(nóng)戶常規(guī)氮素管理基礎(chǔ)上“減氮”，實(shí)質(zhì)上是要減少氮素?fù)p失。例如：在華北平原的玉米生產(chǎn)中，對(duì)于目標(biāo)產(chǎn)量為10 t·hm-2的田塊，按照理論施氮量，需要施用230 kg·hm-2的氮肥；如果其他“3R”（氮肥品種、施氮方式和時(shí)期）均處于合理狀況，這時(shí)的氮肥損失率為 22%左右，損失量為50 kg·hm-2[9]；氮肥被作物吸收或補(bǔ)充土壤氮素消耗為180 kg·hm-2，氮肥有效率為78%左右[11]（圖4 右欄）。但在當(dāng)前農(nóng)戶傳統(tǒng)氮素管理下，施氮量普遍在300 kg·hm-2以上[65]；如果需要保持氮肥被作物吸收或補(bǔ)充土壤氮素消耗仍然為180 kg·hm-2，以達(dá)到相同的目標(biāo)產(chǎn)量和維持土壤氮素消耗，其損失量達(dá)到了120 kg·hm-2，氮肥損失率達(dá)40%左右，較上述合理氮素管理多損失70 kg·hm-2，這就是農(nóng)戶傳統(tǒng)施肥的環(huán)境代價(jià)（圖4 左欄）。但在未采取合理施肥技術(shù)減少氮素?fù)p失的情形下，盲目減少施氮量（就像現(xiàn)在的許多“減氮”行動(dòng)），勢(shì)必會(huì)降低作物產(chǎn)量和吸氮量。如上面的例子，將施氮量減少至230 kg·hm-2，如果氮肥損失率還是40%，則損失量為92 kg·hm-2：這時(shí)，用于被作物吸收或補(bǔ)充土壤氮素消耗的氮僅有138 kg·hm-2；按照理論施氮量推算，這樣的供氮量?jī)H能獲得6～7 t·hm-2的產(chǎn)量，或者消耗地力；這樣“減氮”而不“減氮損失”的施肥措施是不可取的（圖4 中欄）。

“減氮”應(yīng)該對(duì)大田作物、蔬菜和果樹體系區(qū)別對(duì)待。目前，我國(guó)大田作物單位播種面積施氮量已基本趨于合理范圍，“減氮”的余地并不大[10]；科學(xué)施肥的主要目標(biāo)是通過改進(jìn)施肥技術(shù)進(jìn)一步減少氮素?fù)p失。在諸多谷類作物“減氮”試驗(yàn)中，如果未采取合理施肥技術(shù)減少損失而一味“減氮”（施氮量低于經(jīng)濟(jì)最佳施氮量），籽粒粗蛋白含量會(huì)降低，或者達(dá)不到品質(zhì)要求[22-23]?，F(xiàn)階段，我國(guó)蔬菜和果樹單位播種面積施氮量遠(yuǎn)高于作物需求量，全國(guó)平均每季作物施氮量分別為388 kg·hm-2和555 kg·hm-2[66]；在一些施氮量較高的農(nóng)戶田塊，每季作物可分別高達(dá)847 kg·hm-2和782 kg·hm-2[67-68]，因此，減氮的空間很大。我國(guó)蔬菜和果樹不合理施肥技術(shù)，如過量灌水造成的氮素淋溶出根區(qū)以下，為了滿足淺根系蔬菜的氮素供應(yīng)強(qiáng)度，農(nóng)戶需要不停地施肥[69]。因此，對(duì)于蔬菜和果樹這種效益較高的經(jīng)濟(jì)作物，施肥需要與供水措施配合，才能實(shí)現(xiàn)“減氮”。諸多試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)粗放水肥管理模式相比，通過水肥一體化或滴灌施肥等技術(shù)，可將施氮量控制在合理范圍內(nèi)，還能夠提高果蔬的品質(zhì)（如可溶性糖、維生素C 含量和糖酸比等）[70-71]，實(shí)現(xiàn)真正意義上的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和環(huán)境保護(hù)。根據(jù)我國(guó)已經(jīng)發(fā)表的大量研究資料[63]，蔬菜每季作物氮肥推薦量范圍大致在150～300 kg·hm-2之間，果樹大致在 150～250 kg·hm-2之間。

除了上述“4R”施肥技術(shù)外，合理施氮還包括與有機(jī)肥和秸稈還田的結(jié)合、與磷鉀肥和中微量元素的平衡施肥以及與其他農(nóng)藝措施（輪作與耕作、品種、灌溉等）的配合與協(xié)調(diào)[72-74]。有機(jī)無機(jī)配合是合理施肥的首要原則，這種措施可提高作物對(duì)氮素的吸收和利用效率，減少氮素?fù)p失[75-76]；可保證持續(xù)高產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn)，提高土壤肥力[10]。過去人們僅注意了有機(jī)肥提供的養(yǎng)分，而對(duì)有機(jī)肥或秸稈提供的碳源在調(diào)節(jié)土壤肥力因子方面的作用重視不夠。有機(jī)無機(jī)配合，為微生物提供了碳源，既可維持土壤相對(duì)較大的有機(jī)碳、氮庫，增加土壤的緩沖性能，又可維持土壤較好的無機(jī)氮供應(yīng)[73-74，77-78]，提高土壤保水保肥性能。當(dāng)土壤維持一個(gè)較大的有機(jī)氮庫時(shí)，在水熱條件較好的作物快速生長(zhǎng)期，土壤有機(jī)氮可通過礦化作用持續(xù)不斷地供應(yīng)作物對(duì)氮素的需求，僅需在關(guān)鍵生育期施用氮肥就可以了。當(dāng)土壤有機(jī)氮庫較小時(shí)，土壤失去了這種保持和供應(yīng)養(yǎng)分的緩沖性能，即使多次施肥，也很難保證對(duì)作物養(yǎng)分的持續(xù)供應(yīng)，因?yàn)楦到佑|土壤氮的幾率較肥料氮大得多，作物對(duì)土壤氮的依賴和吸收始終是主要的[11，17]。

6 結(jié)論與建議

如果全球停止施肥，特別是氮肥，估計(jì)僅能生產(chǎn)目前世界糧食總產(chǎn)量的1/2，也僅能養(yǎng)活目前全球1/2左右的人口[79]。至2050 年，預(yù)計(jì)世界人口將超過90億，且人們的飲食結(jié)構(gòu)逐漸向畜牧產(chǎn)品轉(zhuǎn)變[80-81]，合理施肥仍然在未來可持續(xù)集約化作物生產(chǎn)中發(fā)揮關(guān)鍵作用[3，6]。筆者在此提出進(jìn)一步開展合理施氮的四點(diǎn)建議：（1）將全國(guó)劃分為不同的氣候-土壤區(qū)或亞區(qū)，在這些區(qū)域的代表作物上，同時(shí)開展產(chǎn)量、品質(zhì)、效益以及氨揮發(fā)、硝酸鹽淋洗、N2O 排放和土壤肥力的長(zhǎng)期試驗(yàn)；（2）在設(shè)置田間小區(qū)試驗(yàn)或大面積推廣示范試驗(yàn)時(shí)，優(yōu)化施氮處理應(yīng)該遵循上述原則和指標(biāo)，而不是設(shè)計(jì)成在農(nóng)戶常規(guī)施氮基礎(chǔ)上減少多少，如此缺乏優(yōu)化的依據(jù)；（3）利用上述試驗(yàn)資料，研究給定氣候-土壤-作物體系肥料氮-土壤氮-作物吸氮之間的關(guān)系，應(yīng)用氮素輸入、輸出、盈余、氮素利用率、損失以及土壤有機(jī)碳變化等指標(biāo)，綜合評(píng)判生產(chǎn)目標(biāo)、環(huán)境效應(yīng)和土壤肥力狀況；（4）根據(jù)各區(qū)域的氣候-土壤和生產(chǎn)條件，研究切實(shí)可行的施肥技術(shù)，降低氮素?fù)p失，使施用的氮肥能夠被作物充分吸收利用；形成同類地區(qū)能夠機(jī)械操作的規(guī)范化種植模式與合理施肥措施。

由于“減氮”的含義并不明確，這樣的用詞并不科學(xué)，還可能引起誤導(dǎo)；今后應(yīng)避免再用這樣的概念和詞匯，而應(yīng)該用“合理施氮”的概念。隨著我國(guó)耕地規(guī)?；?jīng)營(yíng)、標(biāo)準(zhǔn)化操作、機(jī)械化施肥的普及應(yīng)用，通過實(shí)施“4R”理念或技術(shù)，施氮的損失會(huì)降低。如果將田塊尺度施氮量控制在合理范圍，全國(guó)總氮肥需求量應(yīng)該在2 100 萬t 左右[10]。由此，我國(guó)在保證農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)的同時(shí)，氮肥引起的環(huán)境問題將會(huì)降低，已經(jīng)污染的大氣和水體將會(huì)逐漸恢復(fù)生機(jī)。