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中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193

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確定合理施氮量是獲得較高目標(biāo)產(chǎn)量、維持土壤氮肥力和降低施氮引起環(huán)境污染的關(guān)鍵。自一個世紀(jì)前氮肥發(fā)明和施用以來，盡管已經(jīng)開展了上百年的研究，但尚未找到令人滿意能夠在田塊尺度上方便的確定合理施氮量方法。本文在前期提出的作物理論施氮量概念和方法基礎(chǔ)上，進一步推導(dǎo)出在考慮其他來源氮素輸入情況下，根據(jù)百千克收獲物需氮量確定理論施氮量的計算式。結(jié)果表明，在確定了百千克收獲物需氮量(N 100 ，kg)后，推薦施氮量(N fert ，N kg hm－ 2 )是目標(biāo)產(chǎn)量(Y，kg hm － 2 )的唯一函數(shù)，即理論施氮量 N fert ≈ Y/100 × N 100 。

綜合各種文獻報道結(jié)果，在當(dāng)前生產(chǎn)條件和產(chǎn)量水平下，小麥、玉米、水稻的百千克收獲物需氮量分別取值為 2. 8、2. 3 和 2. 4 kg。應(yīng)用大量文獻報道的田間試驗結(jié)果，對理論施氮量和經(jīng)濟最佳施氮量進行了比較。在絕大多數(shù)情況下，兩者非常接近。但東北的小麥、玉米和水稻的理論施氮量遠高于區(qū)域氮肥推薦量。主要原因是氮素礦化作用大于固持作用，作物利用了部分土壤礦化氮，土壤有機氮處于消耗狀態(tài)。結(jié)合理論施氮量，本文詳細解析了近年來我國建立的推薦施氮量方法的科學(xué)基礎(chǔ)、推薦結(jié)果及適用性。認為將我國大面積生產(chǎn)中過量和不足施氮調(diào)節(jié)到合理施氮量范圍，是當(dāng)前和今后一段時期的緊迫任務(wù)。理論施氮量從長期維持高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、土壤氮素平衡和低環(huán)境風(fēng)險考慮，即可滿足這種實際需求。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，簡便易行。

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總體而言，國內(nèi)外推薦施氮方法可以歸為三類 :

這三類方法在實際應(yīng)用中均有較大缺陷。前兩者基于“投入-產(chǎn)出”關(guān)系，視土壤為“黑箱”，推薦量來源于前些年的試驗結(jié)果，且不可能每塊地上去做田間試驗，沒有解決“時間和空間變異”問題。后者很難找到可靠的土壤有效氮測試指標(biāo)，如在水田尚未找到滿意的指標(biāo);盡管旱地根層貯存硝態(tài)氮可以反映土壤的供氮能力，但也存在諸多局限性，如硝態(tài)氮易移動、空間和時間變異大，從采樣到分析結(jié)果可引起 N 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;將測試值轉(zhuǎn)換為推薦量需要大量參數(shù)，有時計算的結(jié)果不符合實際。兩類方法的共同局限性還在于，需要花費大量資金和時間進行田間試驗和土壤與植物樣品測試。由于我國田塊小數(shù)量大，測試工作量大;復(fù)種指數(shù)高，茬口緊，測試工作難以做到不誤農(nóng)時;測試設(shè)備不足，技術(shù)人員少;因此即使土壤供氮能力的測試指標(biāo)得以解決，也不可能廣泛采用測試路線 。

基于我國小農(nóng)戶土地分散經(jīng)營的特點，朱兆良提出了區(qū)域平均適宜施氮量(Ｒegional Mean OptimalN，ＲMON)的概念和做法。認為在一定區(qū)域內(nèi)，土壤-氣候條件、生產(chǎn)條件、農(nóng)藝管理和產(chǎn)量水平相對一致，可以采用平均施氮量來代替每個田塊的經(jīng)濟最佳施氮量。對于一個區(qū)域而言，通過平均施氮量獲得的總產(chǎn)量與總施氮量，與通過對各個田塊的經(jīng)濟最佳施氮量獲得的總產(chǎn)量與總施氮量，兩者差異很小。區(qū)域平均適宜施氮量是通過大量田間試驗，獲得的經(jīng)濟最佳施氮量的平均值，便于推廣技術(shù)員和農(nóng)戶在實際生產(chǎn)中應(yīng)用。這種方法能將絕大多數(shù)地塊施氮量控制在合理范圍，但也需要在不同生產(chǎn)條件和階段進行大量的田間試驗，屬于第一類方法。

由于各個農(nóng)戶的生產(chǎn)條件、農(nóng)藝管理水平和土壤肥力等的差異，在同一區(qū)域內(nèi)獲得的實際產(chǎn)量有較大差異。如果某一田塊沒有達到區(qū)域平均產(chǎn)量，采用上述區(qū)域平均適宜施氮量進行施肥，則導(dǎo)致過量施氮;反之，會導(dǎo)致施氮不足或耗竭土壤氮素。筆者認為，合理施氮量決定于目標(biāo)產(chǎn)量和目標(biāo)籽粒蛋白質(zhì)含量。目標(biāo)產(chǎn)量綜合反映了各個田塊的上述差異。在生產(chǎn)條件相對穩(wěn)定的某段時期，農(nóng)戶對自己田塊的目標(biāo)產(chǎn)量最為熟悉，成為氮肥推薦容易獲得和相對可靠的參數(shù)。因此，需要尋找根據(jù)單個田塊目標(biāo)產(chǎn)量確定田塊施氮量的方法。

在前期研究中，筆者發(fā)現(xiàn)在施氮方法和時期均趨于合理的條件下，氮肥損失率并不高，可以控制到 20%以下。施入的氮肥能夠被作物吸收利用，或者補充土壤氮素消耗。Ju 和 Christie 在分析土壤-作物體系中主要氮素通量及其相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了確定作物理論施氮量(Theoretical NＲate，TNＲ)的概念和方法，并被授權(quán)中國發(fā)明專利(ZL 201010548476. 0) 。認為集約化長期耕種農(nóng)田的氮肥投入量應(yīng)該在獲得較高目標(biāo)產(chǎn)量的同時，維持土壤氮素平衡和最低的環(huán)境風(fēng)險。該方法基于作物根區(qū)氮肥、土壤氮和作物吸收氮三者的數(shù)量關(guān)系來確定施氮量，根據(jù)農(nóng)田秸稈還田的生產(chǎn)實際，推導(dǎo)出推薦施氮量約等于作物地上部吸氮量?？梢詫⒆魑铽@得目標(biāo)產(chǎn)量時的地上部吸氮量近似于理論施氮量。通過華北平原冬小麥-夏玉米輪作中大量田間試驗和 15 N 示蹤肥料試驗，證實了推導(dǎo)過程各種關(guān)系的正確性、計算的理論施氮量的可用性。

本文的主要研究目的:

以下為具體研究內(nèi)容

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Ju 和 Christie 在考慮秸稈還田條件下，根據(jù)土壤-作物體系中主要氮素通量推導(dǎo)出理論施氮量的計算式。本文在考慮其他來源氮的情況下，對理論施氮量做進一步推導(dǎo)和解釋。這些其他來源的氮包括:干濕沉降、灌溉水、種子、非共生固氮，推導(dǎo)過程如下。

施入農(nóng)田的氮肥(N fert )主要有三種去向:作物吸收(N fert1 )、土壤殘留(N fert2 )和損失(N fert3 )，理論而言，施氮量應(yīng)該符合下式:

無論怎么施肥，作物整個生長季均在吸收土壤氮和其他來源的氮。理論而言，對于長期耕作、土壤碳氮庫大致穩(wěn)定的農(nóng)田，作物對土壤氮的消耗應(yīng)該通過氮肥殘留、秸稈還田氮和其他來源氮殘留進行補充，以維持土壤氮素平衡，可以用下列算式表示:

從上式可以看出，理論施氮量實質(zhì)相當(dāng)于籽粒移出氮量減去其他來源的氮量，再加上肥料氮的損失。

本研究的理論施氮量計算不主張將其他來源的氮量考慮在內(nèi)，主要原因:

在西歐和北美等氮肥施用技術(shù)較先進的國家或地區(qū)，氮肥的損失量較低，氮肥損失(N fert3 )基本相當(dāng)于其他來源(N others )的氮量。由式(4)可知，氮肥施用量大約相當(dāng)于籽粒移出氮量。以英國小麥籽粒產(chǎn)量 10 t hm－ 2 為例，要求籽粒蛋白質(zhì)含量達到N 2%的水平，籽粒移出氮量為 N 200 kg hm－ 2 左右，在生產(chǎn)上的施氮量也相當(dāng)于這個水平。由于我國的施肥技術(shù)還較粗放，施肥過程和施肥后的氮素損失還比較高，在目前的施肥方法和農(nóng)藝管理的情況下，肥料氮損失量(N fert3 )大致相當(dāng)于秸稈歸還氮量(N straw )和其他來源的氮量(N others )之和，即 Nfert3≌ N straw N others ，將其代入式(4)，即可推導(dǎo)出:

即我國目前施肥技術(shù)條件下，施氮量相當(dāng)于作物地上部氮素攜出量。在未來實行大面積機械化深施氮肥的先進施肥技術(shù)以后，會降低氮肥損失量，氮肥施用量也可以降低為籽粒移出氮量。

本文進一步引進百千克收獲物需氮量(N 100)參數(shù)，推導(dǎo)出根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量確定推薦施氮量的算式:

式中，N fert 為理論推薦施氮量(N kg hm － 2 )，Y 為目標(biāo)產(chǎn)量(kg hm－ 2 )。可以看出，在確定了百千克收獲物需氮量后，推薦施氮量是目標(biāo)產(chǎn)量的唯一函數(shù)。

值得注意的是，此處考慮的是在長期秸稈還田的情況下，秸稈氮對土壤氮素消耗的補充作用。氮肥與秸稈配合施用使殘留肥料氮的持留能力增強，損失減少，增加了土壤有機氮庫，長期能夠維持或提高土壤肥力。但是，秸稈氮對作物有效性是很低的。在短期秸稈還田條件下，由于小麥、玉米、水稻秸稈碳氮比高，由微生物固持作用主導(dǎo)的氮素轉(zhuǎn)化過程，會競爭土壤體系中的有效氮(土壤原有的或者施入肥料的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮)，產(chǎn)生與作物爭氮的現(xiàn)象。當(dāng)某一田塊由秸稈不還田改成秸稈還田措施后，前 3 ～5 年需要適當(dāng)增加氮肥投入，以避免高碳氮比秸稈引起的微生物對有效氮的固持作用而降低對作物的有效氮供給量。當(dāng)連續(xù)進行秸稈還田措施，土壤系統(tǒng)在 3 ～ 5 年達到穩(wěn)定后，由于新系統(tǒng)的土壤供氮(即凈礦化量)能力增強，就可以適當(dāng)減少氮肥投入量。因此，秸稈氮主要對維持和培育土壤有機碳氮庫有利，但對推薦施氮量的影響不大。生產(chǎn)上應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐耐寥?氣候條件、輪作體系和農(nóng)藝管理措施確定出合理的秸稈還田模式，從長遠考慮，達到培肥土壤和實現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)量的目的。

如果某一田塊偶爾有有機肥的氮素投入，則應(yīng)該從推薦施氮量中減去當(dāng)季能夠提供給作物的有效氮量，用這部分有效氮來替代部分化肥氮。如果某些田塊長期有有機肥的氮素投入，則應(yīng)該從推薦施氮量中減去有機肥的總氮素投入量。主要是因為有機肥的當(dāng)季氮素有效性和前幾季投入有機肥的殘效基本相當(dāng)于當(dāng)季投入的總氮量。在生產(chǎn)上，我們提倡有機無機配合施用，這種措施可以保證高產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn)，可以提高土壤肥力。

從上面理論施氮量的算式可以看出，百千克收獲物需氮量是一個關(guān)鍵參數(shù)。盡管該參數(shù)可能隨生產(chǎn)條件、產(chǎn)量水平和品種特性等而發(fā)生變化，但在高產(chǎn)栽培的產(chǎn)量范圍內(nèi)，它是相對穩(wěn)定和容易獲得的參數(shù) 。

教科書上對小麥、玉米和水稻百千克收獲物需氮量的取值一般為 3、2. 57 和 2. 4 kg。于振文主編的《作物栽培學(xué)各論:北方版》總結(jié)的小麥和玉米百千克收獲需氮量分別為2. 39 ～3. 69 kg(產(chǎn)量水平在3. 3 ～9. 8 t hm－ 2 )和1. 97 ～3. 84 kg(產(chǎn)量水平在 6～12 t hm－ 2 )，平均分別為 2. 78 和 2. 37 kg。凌啟鴻等通過大量田間試驗得出，在粳稻產(chǎn)量水平 6 ～ 11 t hm－ 2的情況下，百千克稻谷需氮量為1. 63 ～2. 54 kg;當(dāng)產(chǎn)量在 10 t hm－ 2 左右，絕大多數(shù)試驗在 2. 0 ～ 2. 2 kg 之間，回歸值為 2. 14 kg。因此，將2. 1 kg 作為10 t hm－ 2 左右的百千克稻谷需氮量的參數(shù)值。在同等產(chǎn)量水平下，秈稻百千克稻谷需氮量較粳稻低 0. 2 kg 。

Yue 等通過收集大量的文獻資料，匯總出小麥籽粒產(chǎn)量在 ＜ 4. 5、4. 5 ～ 6. 0、6. 0 ～ 7. 5、7. 5 ～9. 0、9. 0 ～ 10. 5 和 ＞ 10. 5 t hm－ 2 的水平下，百千克收獲物需氮量分別為 2. 71、2. 50、2. 45、2. 38、2. 27和 2. 25 kg。Hou 等匯總的春玉米籽粒產(chǎn)量在＜7. 5、7. 5 ～ 9. 0、9. 0 ～ 10. 5、10. 5 ～ 12. 0、12. 0 ～13. 5 和 ＞13. 5 t hm－ 2 的水平下，百千克收獲物需氮量分別為 1. 98、1. 81、1. 74、1. 71、1. 70 和 1. 69 kg。孟慶峰匯總的夏玉米百千克收獲物需氮量為2. 0 kg。張毅匯總的水稻產(chǎn)量在 ＜7. 0、7. 0 ～9. 0、9. 0 ～10. 5 和 ＞10. 5 t hm－ 2 的水平下，百千克稻谷需氮量分別為1. 86、1. 88、1. 79、1. 74 kg。與其他文獻報道的數(shù)據(jù)相比，上述文獻薈萃分析的結(jié)果普遍偏低。

與 20 世紀(jì) 80 年代前的品種相比，現(xiàn)代品種的百千克收獲物需氮量在降低。就現(xiàn)代品種而言，隨籽粒產(chǎn)量水平的提高，百千克收獲物需氮量也有所下降，說明作物氮素生理利用效率在提高，但籽粒蛋白質(zhì)含量在下降。為了在高產(chǎn)條件下，維持作物較高的供氮強度和吸氮量，保證較高的籽粒蛋白質(zhì)含量，同時簡化實際應(yīng)用中計算過程，在應(yīng)用理論施氮量進行氮肥推薦時，可以不考慮百千克收獲物需氮量隨產(chǎn)量水平的變化。綜合各種文獻報道結(jié)果，在當(dāng)前生產(chǎn)條件下，小麥、玉米、水稻的百千克收獲物需氮量分別取值為 2. 8、2. 3 和 2. 4 kg，或者稱其為施氮系數(shù)。

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凌啟鴻等通過確定斯坦福(Stanford)理論方程中 3 個參數(shù)的穩(wěn)定值，進行高產(chǎn)條件下“水稻精確定量施氮”。本文應(yīng)用該組數(shù)據(jù)同時計算了理論施氮量(表 1)，并與精確定量施氮進行了對比分析?？梢钥闯?，絕大多數(shù)情況下，精確定量施氮較理論施氮量高。

值得注意的是，該精確定量施氮是以取得最高產(chǎn)量為目標(biāo)，所以其施氮量較經(jīng)濟最佳施氮量高，因為該文提出了理論施氮量是以經(jīng)濟最佳施氮量為基礎(chǔ)?？梢钥闯?，用斯坦福方程在減去土壤氮素供應(yīng)量，再除以施用肥料的當(dāng)季利用率后，得到的精確施氮量，與用目標(biāo)產(chǎn)量和百千克收獲物需氮量求得的理論施氮量相差不大。但理論施氮量只需要目標(biāo)產(chǎn)量，而精確定量施氮則需要 3 個基本數(shù)，況且土壤氮素供應(yīng)量和當(dāng)季肥料利用率均是很難獲取的參數(shù)，需要大量的田間試驗才能獲得相對穩(wěn)定的數(shù)值。如果這些參數(shù)的取值不合理，會得到無意義的推薦量。

朱兆良報道了 2003—2004 年在太湖地區(qū)進行的水稻氮肥施用量試驗結(jié)果，并求出了各個田塊的經(jīng)濟最佳施氮量和相應(yīng)的水稻產(chǎn)量。本文應(yīng)用該組數(shù)據(jù)同時計算了理論施氮量(表 2)，并進行了

對比分析。

由表 2 可以看出，大多數(shù)情況下，經(jīng)濟最佳施氮量和理論施氮量相近。差距較大的幾個試驗點，主要是由于經(jīng)濟最佳施氮量盡管很高，但產(chǎn)量沒有相應(yīng)提高，說明這些點的氮肥損失較嚴(yán)重，或者其他農(nóng)藝措施不到位而影響了產(chǎn)量。因此，理論施氮量更加合理，其推薦量主要決定于目標(biāo)產(chǎn)量。由于目標(biāo)產(chǎn)量綜合反映了該地區(qū)的土壤-氣候條件、生產(chǎn)條件、土壤肥力狀況和農(nóng)藝管理水平，依據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量確定施氮量，既不會因為施氮過多而浪費肥料，也不會因為施氮不足而損失應(yīng)有的產(chǎn)量。筆者認為，目標(biāo)產(chǎn)量主要決定于上述條件，而不決定于施肥水平，肥料只是實現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)量的一個物質(zhì)基礎(chǔ)。

武良總結(jié)了 2005—2010 年農(nóng)業(yè)部測土配方施肥項目在全國組織實施的“3414”小麥、玉米和水稻田間試驗。小麥涉及 13 個省(市)的 195 個縣，共收集到了 2000 多個試驗，通過數(shù)據(jù)可用性分析，篩選出 1575 個小麥氮肥效應(yīng)試驗。玉米涉及到 22個省(市)的 181 個縣，共收集到了 2000 多個試驗，篩選出 1726 個玉米氮肥效應(yīng)試驗。水稻涉及到了21 個省(市)的 173 個縣，共收集到了 1500 多個試驗，篩選出 1 177 個水稻氮肥效應(yīng)試驗。該研究以縣為最小分區(qū)單元，依據(jù)氣候和生產(chǎn)布局，將我國小麥主產(chǎn)區(qū)劃分為 5 個大區(qū) 7 個亞區(qū)，玉米劃分為4 個大區(qū) 12 個亞區(qū)，水稻劃分為 4 個大區(qū) 8 個亞區(qū)。通過對同一區(qū)域所有試驗點不同氮肥用量下的凈收益進行平均并建立區(qū)域氮肥用量與凈收益的函數(shù)關(guān)系，求出最大凈收益下的氮肥用量作為區(qū)域氮肥推薦量(Ｒegional N Ｒecommendation Ｒate，ＲNＲＲ)(表 3，表 4，表 5)。該方法的推薦量相當(dāng)于朱兆良的區(qū)域平均適宜施氮量法，本文比較了不同區(qū)域氮肥推薦量與理論施氮量的差異。

從表中可以看出，在絕大多數(shù)情況下，區(qū)域氮肥推薦量和理論施氮量相近。但東北的小麥、玉米和水稻的理論施氮量遠高于區(qū)域氮肥推薦量。主要原因是東北土壤耕作歷史較短，土壤有機碳氮庫還處于分解狀態(tài)，氮素礦化與固持尚未達到穩(wěn)定點。區(qū)域氮肥推薦量應(yīng)用了部分土壤礦化氮量。如黑龍江的寒地水稻，土壤有機質(zhì)在 35 g kg－1左右，產(chǎn)量可以達到 9 ～11 t hm－ 2 ，地上部吸氮量在 N140 ～ 170 kg hm－ 2之間，但施氮量只需要 N 100kg hm－ 2 左右 ，土壤氮素處于消耗狀態(tài)。關(guān)于這些土壤在農(nóng)業(yè)利用以后，土壤碳氮庫消耗到什么程度，不至于引起土壤退化和生產(chǎn)力的降低，是值得研究的科學(xué)問題。

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根據(jù)改進的理論施氮量算式和系數(shù)，以小麥、玉米、水稻的百千克收獲物施氮系數(shù)分別為 2. 8、2. 3 和 2. 4 kg，很容易求出三大糧食作物不同目標(biāo)產(chǎn)量的推薦施氮量(表 6)。以此施氮系數(shù)求得的推薦施氮量略高于田間實際測定的地上部吸氮量。主要是為了維持作物較高的供氮強度和吸氮量，以達到該目標(biāo)產(chǎn)量時的地上部吸氮量。如果基層推廣人員能將這個簡單的算式和系數(shù)告訴農(nóng)戶，農(nóng)戶通過口算就能得知自己田塊的氮肥施用量，因為農(nóng)戶對自己田塊的目標(biāo)產(chǎn)量是相當(dāng)清楚的。表 6 中的氮肥推薦量，與華北平原和長江中下游平原小麥、玉米和水稻大面積產(chǎn)量水平下的平均適宜施氮量分別為 N 150 ～180 kg hm－ 2 、170 ～ 190 kg hm － 2 和190 ～200 kg hm－ 2非常接近。

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國際上普遍采用氮素平衡計算法來確定氮肥推薦量，或評價氮肥的施用效果。根據(jù)不同目的，考慮的輸入和輸出項的明細程度各不相同。為了更深入理解理論施氮量的計算依據(jù)，筆者在這里對詳細的氮素平衡計算做進一步分析。

在氮素輸入項中，應(yīng)該包括化肥氮、有機肥氮和秸稈還田氮，這三部分決定于人為管理，也是農(nóng)田最大的氮素輸入項，稱之為外源投入氮。干濕沉降氮、灌溉水帶入氮、種子帶入氮和非共生固氮不是我們主動投入的氮，歸為其他來源氮(N others )。還有最重要的土壤供氮，即播種前作物根區(qū)的土壤無機氮和生育期有機氮礦化成無機氮的部分。

在氮素輸出項中，應(yīng)包括作物地上部吸收氮，損失的氮素(包括氨揮發(fā)、硝化-反硝化、淋洗和徑流損失)。還應(yīng)包括收獲后土壤的殘留氮，其中有肥料氮通過固持作用進入有機氮的部分，也包括以無機氮殘留的部分。

在理論施氮量推薦中，考慮到集約化長期耕作的田塊，既不能過度消耗土壤無機與有機氮庫，也不能使這兩個氮庫過度累積，希望土壤無機氮和有機氮庫大致維持平衡，即作物播前根區(qū)的土壤無機氮和生育期有機氮礦化成無機氮之和約等于肥料氮通過固持作用進入有機氮的部分和收獲后無機氮殘留的部分。許多研究中，只考慮了生育期有機氮的礦化量，而未考慮無機氮的固持量，對土壤氮素平衡的解釋是不完全的。

可以看出，在維持土壤氮素大致平衡的條件下，按照物質(zhì)守恒定律，氮素輸入應(yīng)約等于氮素輸出，則需要施入的化肥氮(N fert1 )和有機肥氮(N org )量應(yīng)該為:

在考慮了秸稈還田氮與其他氮素輸入大致相當(dāng)于氮素損失的情況下，化肥氮和有機肥氮的投入量應(yīng)約等于地上部氮素攜出量?？梢钥闯?，理論施氮量是符合氮素平衡的基本原理的。

理論施氮量計算中，并未包括土壤有效氮或本底氮供應(yīng) (available N or indigenous N)，主要是考慮在長期耕作田塊，不應(yīng)該消耗土壤本底氮，而應(yīng)該維持土壤氮平衡。對于集約化高產(chǎn)農(nóng)田而言，維持土壤氮平衡對于持續(xù)穩(wěn)定高產(chǎn)是相當(dāng)重要的。如果前季土壤氮庫被過度消耗，后季很難獲得高產(chǎn)，而且后季需要增加肥料氮的投入來彌補消耗的土壤氮庫。由于我們只能在作物關(guān)鍵生育期施肥，施入的肥料氮與土壤氮的轉(zhuǎn)化對作物供氮相當(dāng)重要，因為作物生長過程中接觸土壤氮的機會遠高于肥料氮。在 15 N 標(biāo)記肥料田間試驗中，無論怎么施肥，作物吸收的土壤氮一般會占到地上部總吸氮量的50%以上。實際上，這些土壤氮部分來自于前季肥料氮的殘留，殘留肥料氮是對土壤氮消耗的重要補充。事實上，對于長期合理施氮的土壤，花很大的代價去估計土壤本底氮，對推薦施氮的意義不大。通過估計本底氮(或測定土壤有效氮)來計算氮肥用量只是短暫的，只對那些過去過高或過低施氮土壤有用。

現(xiàn)在許多肥料產(chǎn)品在設(shè)計理念和施肥指導(dǎo)上，追求一種所謂的“作物需要什么就補什么，需要多少就補多少，什么時間需要就在什么時間補充”。完全將土壤作為被動接受肥料的基質(zhì)，忽略了土壤氮庫與肥料氮的相互作用，忽略了土壤對肥料氮的緩沖(Buffer)和持留(Ｒetention)性能 。實質(zhì)上，作物一生在持續(xù)地吸收土壤氮，施肥只是對土壤氮庫的補充，肥料施用量和時期只要能滿足作物關(guān)鍵生育期對氮素需求強度的要求，充分發(fā)揮土壤的保氮和供氮能力，就能達到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的需求。要將土壤看作為“鮮活”的生命體。

一般的土壤測試類推薦施氮方法，總是從作物氮素需求中減去土壤有效氮供應(yīng)，來計算氮肥施用量。但這些方法從來不考慮土壤氮素消耗是怎么補充的。事實上，土壤氮素消耗是殘留肥料氮、秸稈回田氮和其他來源氮補充的。殘留肥料氮是不可避免的，同時也是非常必要的，是土壤氮素轉(zhuǎn)化中補充土壤氮的重要機制。本文清楚地論述了殘留肥料氮的重要意義。改善氮素管理的重要方面，是如何通過施肥方法和作物管理的改進，實質(zhì)性地降低施肥過程和施肥后的氮素損失，而不在于精細的測定和利用土壤有效氮。

現(xiàn)在許多文獻用氮肥偏生產(chǎn)力(PFP N )來衡量氮肥施用的效率，其實掩蓋了土壤氮、肥料氮、作物吸氮的關(guān)系以及實際的氮肥損失，不能正確評價土壤氮素的變化情況。例如，小麥產(chǎn)量為 6 t hm－ 2 的情況下，理論施氮量為 N 168 kg hm－ 2 ，許多推薦方法的施氮量為 N 120 kg hm－ 2 ，兩者的 PFPN 分別為36 kg kg－1N 和 50 kg kg－1N。盡管其他推薦施氮量方法顯著提高了 PFP N ，但實際上消耗了土壤氮。提高 PFP N 還有另一條途徑，就是提高產(chǎn)量。如上面的例子，小麥產(chǎn)量在 6 t hm－ 2 的條件下，理論施氮量為 N 168 kg hm－ 2 ，如果在此施氮量下將產(chǎn)量提高至8 t hm－ 2 ，則 PFPN 可以達到 48 kg kg－1N，但也在消耗土壤氮。因此，PFP N 在反映氮肥實際施用效果方面意義不大，而且造成許多假象。

嚴(yán)格維持土壤氮素平衡是非常困難和沒有必要的，這主要取決于土壤氮肥力的高低。如果由于過去的高量施氮，土壤氮肥力較高，土壤根區(qū)中累積了大量的無機氮，可以將計算的理論施氮量下調(diào) N 20 ～30 kg hm－ 2 ，暫時消耗這部分累積氮來降低環(huán)境風(fēng)險。如果因為過去施氮不足，土壤有效氮庫被大量消耗或者土壤本身氮肥力很低，像非洲大部分地區(qū)那樣，則可以將計算的理論施氮量上調(diào) N 20 ～30 kg hm－ 2 ，用于提高土壤氮肥力和提高產(chǎn)量。不過，這些施肥措施需要與秸稈還田、土壤耕作、農(nóng)藝管理等措施綜合考慮，不然會增加氮素損失。

由于作物生長受諸如土壤-氣候條件和農(nóng)藝管理措施的影響，推薦施氮量不可能非常精確，我們必須接受一定程度的不確定性。在集約化高產(chǎn)田塊，N 15 kg hm－ 2的不確定性應(yīng)該是可以接受的。事實上，國際上許多推薦施氮法的目的就是將施氮量控制在一個較窄的范圍，而不在于給一個多么準(zhǔn)確的推薦數(shù)值。如果確定了氮肥的施用量，則氮肥施用時期和方法就成為這些氮素能否被作物吸收利用的關(guān)鍵，關(guān)于這個問題，請參考文獻。

筆者在評審和閱讀的許多中文文章中，經(jīng)常會看到這樣的論述，“在農(nóng)戶常規(guī)(或傳統(tǒng)或習(xí)慣)施氮量的基礎(chǔ)上，減量施氮 30%或 50%并不會降低產(chǎn)量，而會增加氮肥利用率，降低氮肥損失”。這些試驗并未說明播前和收獲后土壤氮庫的變化情況。如果按照農(nóng)戶的產(chǎn)量水平，在過量的常規(guī)施氮基礎(chǔ)上減量，則是利用了過去高量施氮土壤累積的無機氮和易礦化有機氮(高本底氮土壤)，這些結(jié)果是必然的。如果農(nóng)戶施氮量在該產(chǎn)量水平的合理范圍或低于合理范圍，減量施氮必然引起土壤氮庫的消耗，是不能持續(xù)的。該田塊需要維持或增加施氮量，而不是減量施氮。

Peng 等針對我國水稻生產(chǎn)中過量施氮、降低產(chǎn)量和引起環(huán)境污染的問題，自 1997 年以來，在浙江、廣東、湖南、江蘇、湖北和黑龍江省，試驗和示范實地養(yǎng)分管理技術(shù)(Site-Specific N Management，SSNM)。從 5 個省在 2001—2007 年開展的農(nóng)戶田塊 25 個田間試驗(on-farm field experiments)結(jié)果來看，在不施氮小區(qū)平均產(chǎn)量為 5. 87 t hm－ 2的基礎(chǔ)上，SSNM 和其他施氮量處理分別為 N 120 和161 kghm－ 2 ，相應(yīng)產(chǎn)量為 7. 69 和 7. 45 t hm － 2 。應(yīng)用本研究的理論施氮量，該產(chǎn)量下的相應(yīng)理論施氮量應(yīng)該為 N 185 和 179 kg hm－ 2 ，均高于 SSNM 和其他處理，說明這種推薦施氮方法在消耗土壤本底氮。同樣，在 6 個省 2003—2007 年進行的 107 個農(nóng)戶田塊示范(on-farm demonstrations)結(jié)果看，在不施氮小區(qū)平均產(chǎn)量為 5. 69 t hm－ 2 的基礎(chǔ)上，SSNM 和農(nóng)戶習(xí)慣施氮量分別為 N 133 和195 kg hm－ 2 ，相應(yīng)產(chǎn)量為7. 47 和 7. 08 t hm－ 2 。應(yīng)用本研究的理論施氮量，該產(chǎn)量下的相應(yīng)理論施氮量應(yīng)該為 N179 和 170kg hm－ 2 ?？梢钥闯?，理論施氮量高于 SSNM，但低于農(nóng)戶施氮量，也說明 SSNM 推薦施氮方法在消耗土壤的本底氮。在短期內(nèi)，消耗土壤過高累積氮，有利用降低氮肥用量，減少氮素損失。但這種推薦量低于作物地上部吸氮量的情況能夠持續(xù)多久，是一個值得深入研究的問題。整體而言，該技術(shù)可以在農(nóng)戶傳統(tǒng)施氮量的基礎(chǔ)上，降低施氮量 32%，而增加產(chǎn)量 5%。SSNM 技術(shù)產(chǎn)量增加主要是降低了病蟲害、增加了抗倒伏能力。該研究還發(fā)現(xiàn)，我國水稻氮肥利用率低的主要原因是農(nóng)戶在生育前期施用大量的氮肥。我國稻田的本底氮(indigenous Nsupply)較其他水稻主產(chǎn)國高約 50%，導(dǎo)致施氮的產(chǎn)量效應(yīng)平均大約僅 1. 5 t hm－ 2。

曹寒冰等根據(jù)土壤-作物體系氮素平衡原理，結(jié)合旱地土壤容易累積硝態(tài)氮的特點，推導(dǎo)出旱地冬小麥?zhǔn)┑康乃闶?施氮量 = 目標(biāo)產(chǎn)量需氮量 收獲土壤安全閾值 － 播前土壤有效氮。其中的安全閾值和土壤有效氮均是以 0 ～100 cm 土體的硝態(tài)氮累積量來設(shè)定的?？梢钥闯?，如果播前土壤有效氮接近于收獲后的安全閾值，則施氮量近似等于作物地上部氮素攜出量。由于過去農(nóng)戶的過量施氮，一般會導(dǎo)致播前土壤的硝態(tài)氮高于收獲后的安全閾值，使推薦施氮量能夠減下來。該方法在氮素輸入項中將每季土壤氮素礦化量設(shè)定為 N 50kg hm－ 2 ，但在推導(dǎo)時將該項設(shè)為 0，主要是未將肥料氮殘留對土壤有機氮庫消耗的補充作用考慮在內(nèi)。肥料氮殘留到有機氮庫中的量大致相當(dāng)于礦化氮量。如果說明了這點，將礦化和固持作用(Min-eralization-immobilization Turnover，MIT)的凈效應(yīng)設(shè)為 0 是合理的。應(yīng)用該方法在陜西渭北旱塬冬小麥上大量的田間試驗表明，在平均產(chǎn)量為 5658kg hm－ 2 的情況下，推薦施氮量為 N 128 kg hm － 2;而農(nóng)戶習(xí)慣施氮產(chǎn)量為 5 489 kg hm－ 2 ，施氮量為 N172 kg hm－ 2 ，可以在農(nóng)戶習(xí)慣施氮量基礎(chǔ)上節(jié)氮 N44 kg hm－ 2 。應(yīng)用本研究的理論施氮量，兩種產(chǎn)量水平下的施氮量應(yīng)該為 N 158 kg hm－ 2和 N 154kg hm－ 2 。理論施氮量較該方法施氮量高 N 30kg hm－ 2 ，但較農(nóng)戶的習(xí)慣施氮低 N 18 kg hm － 2 。該施氮量應(yīng)該是消耗了 N 30kg hm－ 2 左右的土壤氮。

Chen 等基于土壤無機氮測試法(SoilN min method)，建立了旱作土壤實時根區(qū)氮素管理法(In Season Ｒoot Zone N Management，IＲNM)。該法按照作物生育時期，將生長季分為2—3個階段，每個階段的施氮量由各階段的氮素供應(yīng)目標(biāo)值減去根區(qū)土壤硝態(tài)氮測定值求得。氮素供應(yīng)目標(biāo)值決定于目標(biāo)產(chǎn)量和該目標(biāo)產(chǎn)量下不同階段地上部和根系氮素吸收量。過去十多年中，他們應(yīng)用該方法在農(nóng)戶田塊進行了大量田間試驗，以確定該方法的相關(guān)參數(shù)。并與農(nóng)戶常規(guī)施氮量進行比較，評價該方法在降低氮肥用量及對產(chǎn)量的影響。這些試驗數(shù)據(jù)為探討氮肥推薦方法積累了豐富資料。整體而言，該方法能將氮肥用量在農(nóng)戶常規(guī)施氮水平上大幅度降低，而不降低甚至增加產(chǎn)量。

值得注意的是，這些試驗絕大多數(shù)是在農(nóng)戶過去多年過量施氮的田塊，這些田塊累積了大量的易礦化氮和無機氮，短期內(nèi)(幾季作物)利用這些高量土壤累積氮，有利用降低氮肥用量，減少氮素損失。在文獻中，我們稱這種效應(yīng)為肥料氮的“carry over effect”(殘效)  。由于該推薦施氮量大部分低于作物地上部移出氮量，大多數(shù)情況下是在消耗土壤累積氮。對于長期施氮不足或施氮合理的田塊，該方法不會將施氮量降下來。關(guān)于這種減氮推薦量能夠持續(xù)多久，然后需要再增加施氮量，以維持土壤氮素平衡和持續(xù)穩(wěn)定高產(chǎn)，也是一個值得研究的科學(xué)問題。根據(jù)筆者做過的田間試驗，這種效應(yīng)可以持續(xù) 1 ～ 4 季作物，隨后的合理施氮量就恢復(fù)到與地上部吸氮量大致相當(dāng)?shù)乃健?/p>

這種就某一田塊在某一作物生長季對根區(qū)硝態(tài)氮進行 2—3 次測定，然后用肥料調(diào)節(jié)到氮素供應(yīng)目標(biāo)值的方法，也無法考慮下階段的土壤氮素礦化量，以及施入的氮肥被土壤的固持量。從整個生育期來看，也只考慮了作物不同階段氮素需求和肥料氮與根區(qū)土壤硝態(tài)氮對這種需求的滿足程度，而未考慮土壤氮庫的變化情況。這種“精細調(diào)節(jié)”，只能在有限的田塊和作物上做到。在我國大面積生產(chǎn)中，就目前普遍粗放施氮的狀況，許多田塊氮肥施用量遠遠超出了合理施氮量范圍(過高或過低)。因此，將大面積生產(chǎn)中氮肥施用量調(diào)節(jié)到合理施氮量范圍，是當(dāng)前和今后一段時期的緊迫任務(wù)。理論施氮量即可滿足這種實際需求。

由于我國過去的高產(chǎn)栽培中不注意肥料投入效率，往往過量投入肥料以保證實現(xiàn)高產(chǎn)，使肥料利用率降低，肥料損失嚴(yán)重，環(huán)境代價加大。近年來，科技界提出了既高產(chǎn)又高效的目標(biāo) 。事實上，如果實現(xiàn)了較高目標(biāo)產(chǎn)量的合理氮肥投入，氮肥的效率自然會提高。這種合理氮肥投入應(yīng)該在保證目標(biāo)產(chǎn)量的同時，維持土壤氮素平衡和低氮素損失。理論而言，即使施氮的效率再高，氮肥回收利用率(Ｒecovery Efficiency)也僅能達到 70% 左右，因為還應(yīng)該有 10% 左右的氮肥損失和 20% 左右的氮肥在土壤中殘留。

Chen 等進一步建立了在高產(chǎn)條件下土壤-作物系統(tǒng)綜合管理技術(shù)(Integrated Soil-crop System Management，ISSM)。并在農(nóng)戶田塊進行了大量的田間試驗，來比較農(nóng)戶習(xí)慣(FP)、IＲNM、追求高產(chǎn)(HY)、ISSM 這些管理措施的產(chǎn)量、施氮量和氮素平衡狀況，本文利用這些數(shù)據(jù)同時計算了理論施氮量(表 7)。當(dāng)實際施氮量高于地上部吸氮量和理論施氮量時，視為高氮累積或損失;當(dāng)實際施氮量低于地上部吸氮量和理論施氮量時，視為消耗土壤氮;當(dāng)實際施氮量在地上部吸氮量和理論施氮量之間時，視為消耗土壤氮的風(fēng)險;當(dāng)實際施氮量接近于理論施氮量時，視為合理范圍。以此為評判標(biāo)準(zhǔn)，對其他氮肥推薦措施的評價結(jié)果見表 7?？梢钥闯?，農(nóng)戶習(xí)慣和高產(chǎn)管理措施下，大多數(shù)情況實際施氮量遠高于理論施氮量和地上部吸氮量，會造成土壤高氮累積或高損失狀況。大多數(shù)情況下，IＲNM和 ISSM 管理體系的氮肥推薦量低于理論施氮量，有時甚至低于地上部吸氮量，短期內(nèi)處于消耗土壤氮的狀態(tài)。從表中還可以看出，理論施氮量較地上部吸氮量稍高，這是由于計算時不考慮百千克收獲物需氮量隨產(chǎn)量水平的變化導(dǎo)致，也是為了在高產(chǎn)條件下，維持作物較高的供氮強度和根系吸氮量，保證較高的籽粒蛋白質(zhì)含量的需要。

已發(fā)表的許多試驗資料均論述到:“在減氮條件下實現(xiàn)了高產(chǎn)，同時提高了產(chǎn)量和氮肥利用率”。應(yīng)該注意到，這種減氮是在農(nóng)戶常規(guī)過量施氮的基礎(chǔ)上減少的。如果與農(nóng)戶管理條件下產(chǎn)量效應(yīng)曲線上經(jīng)濟最佳施氮量(EONＲ)比較，許多高產(chǎn)體系的 EONＲ 還是要提高的。此外，這些試驗大多是在農(nóng)戶高本底氮的土壤上取得的，短期內(nèi)可以利用這些土壤高量累積氮來降低氮肥的施用量，但當(dāng)這些高累積氮被消耗掉后，該施氮量是否能夠?qū)崿F(xiàn)長期持續(xù)穩(wěn)定的高產(chǎn)，也是一個值得研究的科學(xué)問題。

在我國目前的生產(chǎn)技術(shù)水平和農(nóng)村實際情況下，究竟應(yīng)該采用什么樣的方法來確定施氮量? 其實，對于大田作物，依據(jù)現(xiàn)在相對較高的目標(biāo)產(chǎn)量，從長遠看，每季作物的施氮量如果低于 N 150kg hm－ 2 ，就會達不到目標(biāo)產(chǎn)量或者消耗土壤氮素;如果高于 N 250 kg hm－ 2 ，增產(chǎn)的幅度也很小，氮素損失會增加，環(huán)境代價增大。合理的施氮量范圍大多數(shù)在 N 150 ～250 kg hm－ 2 之間。無論是進行田間試驗，或者是土壤植株測試，推薦施氮量的調(diào)節(jié)范圍大多在 N 100 kg hm－ 2 左右。即我們付出的所有努力，落實到合理施氮量上，調(diào)節(jié)的余地絕大多數(shù)情況下在 N 100 kg hm－ 2 范圍內(nèi)。在一個長期耕種的成熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，只需要每季作物供給合理的施氮量，維持土壤-作物體系中氮素的大致平衡就可以了。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)生變化而導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)量發(fā)生顯著的變化，施氮量才應(yīng)做相應(yīng)的調(diào)整。筆者認為，將我國農(nóng)田過量和不足施氮調(diào)節(jié)到較為合適的水平至關(guān)重要，而對每個田塊進行測試，進行精細調(diào)節(jié)，則是次要的事情，況且在生產(chǎn)實際中很難貫徹執(zhí)行。本研究提出的方法是從長期維持產(chǎn)量和土壤氮素平衡考慮，在當(dāng)前生產(chǎn)狀況和技術(shù)水平下，對于將高本底氮下調(diào)后的土壤、長期施氮不足和合理施氮的土壤，均能適用，且簡便易行。

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理論施氮量給出了長期獲得較高目標(biāo)產(chǎn)量和維持土壤氮素平衡的推薦施氮量，不需要估計土壤有效氮供應(yīng)量，避免因為測試土壤有效氮的高低，在某些季給出低的推薦量，其他季給出高的推薦量。由于目標(biāo)產(chǎn)量已反映了目標(biāo)田塊的綜合生產(chǎn)條件和肥力水平，理論施氮量可以給出不同目標(biāo)產(chǎn)量水平下的氮肥推薦量。既不會因為施氮過多而浪費肥料，增加環(huán)境風(fēng)險，也不會因為施氮不足而損失應(yīng)有的產(chǎn)量。我國需要從這種每季作物均要根據(jù)土壤測試值調(diào)節(jié)施氮量的局面中走出來，給出某種土壤-作物體系長期高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的合理施氮量，達到既能持續(xù)高產(chǎn)，又能維持土壤氮素平衡，最大限度降低環(huán)境風(fēng)險的目標(biāo)。事實上，這種測定土壤供氮量用以確定施氮量的方法，只在忽高忽低不合理氮肥施用量條件下，可以調(diào)節(jié)當(dāng)季的施氮量。從長遠看，用理論施氮量確定一個合理施氮量范圍，根據(jù)具體情況再做適當(dāng)微調(diào)。測定土壤無機氮和易礦化氮等土壤有效氮指標(biāo)，主要用于評估土壤肥力的演變、評價土壤培肥措施、診斷土壤障礙因子等目的。筆者非常歡迎讀者在不同土壤-氣候條件和不同生產(chǎn)條件下，用田間試驗來進一步驗證和評價理論施氮量在穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、維持土壤氮素平衡和減少氮素損失方面的效果。