基于長期氮肥示蹤試驗評估氮肥利用率算法的合理性

摘要： 氮肥利用率是衡量氮肥被作物利用的一個指標，常規采用的計算方法為差減法和15N 示蹤法，主要是通過作物吸收的氮量來計算氮肥利用率。由于這兩種方法沒有考慮氮肥在土壤中的殘留和后效，顯著低估了施用氮肥的實際效應。為此，國內外研究者一直在探索更實際的氮肥利用率計算法。不同的改進方法以不同的表現形式包含了氮肥的遺留效應，彌補了差減法和15N 示蹤法在短期試驗中對實際氮肥利用率的嚴重低估，基本接近于實際氮肥利用率，但遠高于常規差減法或15N 示蹤法估算值。在本文中定義的實際氮肥利用率（ANUE） 為：在土壤殘留示蹤氮被完全消耗的條件下，作物地上部吸收肥料氮占施氮量的百分比。法國28 年旱地作物的氮肥疊加利用率為61.3%～65.3%，中國太湖地區17 年的水旱輪作體系示蹤氮肥試驗中氮肥疊加利用率為38.6%～43.0%。本研究采用Origin 2021 的圖形數字化工具，獲取這兩個長期定位試驗數據，包括每季作物吸收15N、土壤殘留15N 數據，分別以耗竭耕層（0—20 cm）、1 m、2 m 土體中的氮素殘留量來計算氮肥利用率。以此為參照標準，評估土壤氮素平衡法和氮肥有效率法計算結果的合理性。基于2 m 土體殘留肥料氮的土壤氮素平衡法和氮肥有效率法，會高估旱地作物的氮肥利用率；而以耕層土壤殘留肥料氮作為估計參數時，則與旱地實際氮肥利用率基本一致（61%～74%）；而氮肥有效率（41%～52%） 可以很好地估算我國太湖地區水旱輪作體系的實際氮肥利用率。因此，跨地塊或作物系統的氮肥利用率比較，應選擇適當的計算方法，以避免由不同方法導致的不可比性而產生誤解。氮肥有效率法（將作物吸收和土壤殘留氮均視為有效部分） 可以通過短期試驗獲得接近實際的氮肥利用率，具有廣泛的應用價值。

關鍵詞： 氮肥利用率； 差減法； 15N 示蹤法； 土壤氮素平衡法； 氮肥有效率

氮肥利用率是反映施入農田的氮肥被作物吸收利用的狀況，是被廣泛采用衡量氮肥被利用的指標之一。由于氮肥利用率存在多種算法和理解，往往是你說蘋果，他說（或理解成） 桔子，在科技交流中存在許多誤解或誤區。更主要的問題是，氮肥利用率是土壤?作物體系中幾個參數計算出來的結果，不能直接反映地上部吸氮量對作物產出的貢獻，也不能反映出氮肥在土壤中殘留及通過各種途徑損失的量，須與其他指標結合起來，才能反映氮肥施用的經濟效率，如歐洲氮專家組提出的最低地上部吸氮量、氮盈余指標等[1]。國內外氮肥利用率最常用的差減法和15N 示蹤法，由于不考慮氮肥在土壤中的殘留和后效[2]，計算結果偏低，不能客觀反映氮肥施用的實際效果。實質上，施用氮肥的主要作用，一是直接被作物吸收（15N 示蹤法利用率），二是殘留在土壤中，補充土壤氮庫的消耗。大量田間試驗表明，當季作物吸氮量中，肥料氮占比不到50%[3]，其余大部分來自于土壤氮，少量來自環境氮（沉降、非生物固氮、灌溉水和種子帶入）。殘留肥料氮正好補充了作物對土壤氮素的消耗，應該計入氮肥施用的效果。基于這些原因，國內外研究者一直在探索更實際的氮肥利用率計算方法，提高計算結果。劉巽浩等[4]于1990 年對氮肥利用率計算方法進行改進，其提出的計算方法實質與后來歐洲氮素專家組提出的氮素平衡法[1]類似，計算結果也相近，但他們是用區域多年數據進行計算，而后者還可以用于田塊尺度。巨曉棠等[5]于2003 年提出，簡單的氮肥利用率很難反映集約化作物生產氮肥的實際利用狀況，應綜合考慮產量水平、氮肥殘留及損失的狀況。不能以差減法氮肥利用率來說明我國氮肥損失量大、對環境的污染嚴重，比國外低多少個百分點[6]。現有的計算方法其實沒有考慮產量水平（地上部吸氮量）、殘留氮對土壤氮庫消耗的補充作用、氮肥損失、其他來源的氮素輸入等。基于此，國內外學者對兩種常規計算方法進行了許多改進。本文首先對這些改進方法進行了評述，然后基于Sebilo 等[7]歷時28 年（一年一季） 和Zhao 等[8]17 年（稻麥輪作，一年兩季，34 季作物） 的氮肥示蹤試驗結果，對一些典型算法進行比較，以論證不同算法的合理性。以便讀者再用自己的試驗數據進行計算時，清楚自己使用哪種方法，能說明什么問題？意義是什么？避免在科技交流和指導生產時產生誤解。

1 氮肥利用率的改進方法

1990 年，劉巽浩等[4] 提出了以大面積多年連續數據計算氮素疊加利用率的方法，其計算為多年產出氮占多年投入氮的百分比。產出氮包括籽粒和秸稈收獲氮，投入氮包括化肥氮、有機肥氮、秸稈氮和自然氮源（包括雨水、閃電和生物固氮等）。該方法主要考慮了前些季節氮肥的遺留效應，不僅包括了氮肥后效，還克服了年際間氣候及其他因素的影響，所得氮素疊加利用率一般在50%～80%，故能較好地反映施用氮肥的實際效果。采用15N 示蹤法測定氮肥疊加利用率比當季利用率（15N 示蹤法或差減法），更能反映實際氮肥施用效果[9]，如用四季作物的疊加利用率為63.3%，而當季利用率僅31.7%。應用長期定位試驗定量氮肥疊加利用率更能反映氮肥施用的實際效果[10]。

2005 年，沈善敏[11] 將土壤有效氮考慮在內提出了估算氮肥利用率比值法。假設土壤氮和肥料氮同等有效，作物吸收土壤氮和肥料氮的比率與兩種氮素有效量成正比，土壤氮素有效量可采用空白對照作物吸氮量表示。其計算公式為作物吸氮量占施氮量與土壤有效氮量之和的比率。該法實際上考慮了土壤氮的有效性，避開了肥料氮對作物吸收土壤氮素的直接影響，以及土壤氮與肥料氮之間交互作用的影響。宇萬太等[12] 于2010 年研究表明，比值法計算的氮肥利用率在一定程度上矯正了常規法（差減法和15N 示蹤法） 計算值較低的問題，能夠反映氮肥施用的實際效應，但在較低施氮水平下的計算結果會偏高[12?14]。

田昌玉等[13] 于2011 年提出了土壤氮素平衡法計算氮肥利用率。其原理是作物吸收氮占作物生長期間在土壤—作物系統中消耗的總氮量（土壤氮+肥料氮+環境氮），消耗的總氮量包括肥料氮、大氣沉降氮、灌水攜入氮和1 m 土體的土壤氮消耗量（作物種植前后土壤氮素消耗為正值，土壤氮素增加為負值）。2020 年，田昌玉等[15] 應用田間長期試驗土壤全氮3 點平滑值，來定量土壤全氮的年際間變化。由于減少了土壤剖面全氮取樣和分析過程中的誤差，計算結果具有較好的穩定性。由于土壤全氮變化需要用相對較長的時期才能反映出來，加之取樣測定過程的誤差，導致這種方法復雜且不能在短期肥料試驗中應用[16]。

王火焰等[17] 于2014 年提出了氮素真實利用率算法，氮素真實利用率為作物氮素吸收量占施氮量與土壤氮素減少量之和的比例。該法也是考慮了作物吸收的氮素既來自于肥料氮，也來自于土壤氮，通過獲得的利用率還可直接計算肥料氮的損失率。但如何定量土壤氮素的減少量，仍是一個難題。不僅常規方法測定的土壤氮素的誤差較大，而且短期試驗很難定量土壤氮素的變化，仍需要借助長期定位試驗來得到較為可靠的結果。

巨曉棠[16] 認為，以上改進方法雖然涉及到氮肥的后效，但沒有觸及肥料氮對土壤氮消耗的補償效應這一核心問題，據此提出了氮肥有效率概念和算法。其核心是殘留肥料氮是對土壤氮消耗的補充，應該被視為氮肥效應的重要部分。肥料氮只要不離開土壤?作物體系，均是有效的。因此，氮肥有效率是指作物吸收肥料氮和主要根區土壤中殘留肥料氮量之和占施入氮肥的百分率。該法基于土壤?作物體系中主要氮素通量，借助15N 示蹤試驗，厘清了肥料氮?土壤氮?作物吸收氮“三氮”之間的關系。按照這一計算方法，我國農戶管理水平的氮肥有效率在50%～60%，田間試驗的氮肥有效率在60%～70%。采用氮肥有效率，無需長期定位試驗，可較為全面客觀反映氮肥施用的實際效果，因而將在確定田塊氮肥用量，預測區域或國家尺度氮肥需求量方面發揮重要作用[10]。

歐洲氮素專家組[1] （2014 年） 提出了基于氮素平衡計算氮素利用率的方法，考慮了土壤?作物系統氮素的總輸入和總輸出的關系，計算式為產品輸出帶出氮與總輸入氮素的比值；氮素總輸入包括肥料氮、土壤非共生固氮、大氣干濕沉降氮、灌水攜入氮和種子攜入氮。該法認為作物吸收氮來自于所有氮素輸入，而且長期耕種農田的土壤氮素應保持穩定，其變化可以不計。與常規差減法和15N 示蹤法相比，該法計算的氮素利用率較高，與劉巽浩等[4]提出的方法有異曲同工之效。該法在評估作物生產中所有氮素輸入的利用和環境效應方面具有較大優勢，特別是在土壤氮素變化與觀測年度氮投入相比很小、甚至可以忽略不計的情況下[18]。

幾種氮肥利用率的計算方法匯總見表1。值得注意的是，無論何種方法，田間短期試驗（≤3 年） 很難反映施用氮肥的實際效應，田間長期試驗（≥5年） 對評價不同氣候?土壤?作物體系、不同管理措施的氮肥效應具體重要價值[18]。由于田間長期試驗需要消耗大量的資源，是否可以用短期試驗的一些改進算法逼近長期試驗實際氮肥利用率？這是一個值得研究的科學問題。

2 基于長期氮肥示蹤試驗重新評估氮肥利用率算法的合理性

2.1 數據來源

根據Sebilo 等[7]歷時28 年（1982—2009 年） 的15N 示蹤試驗結果，采用疊加氮肥利用率算法，計算的氮肥利用率是61.3%～65.3%。該研究基于法國Chalons en Champagne 地區的甜菜、小麥旱作體系，布置兩個滲濾儀（Lysimeters： 2 m×2 m×2 m），分別種植甜菜（Lys S） 和小麥（Lys W）。1982 年甜菜（Lys S）和小麥（Lys W） 分別施以N 150 和120 kg/hm2 的15N示蹤硝酸鉀，隨后甜菜和小麥均按照N 120 kg/hm2施用常規硝酸鉀。每年測定作物吸收示蹤氮、淋洗示蹤氮和殘留于土壤有機質的示蹤氮。該研究是目前進行時間最長的氮肥示蹤試驗，可以推算出殘留于土壤中肥料氮全部消耗完后被作物吸收肥料氮量，從而計算出占施氮量的百分比，來反映實際氮肥利用率。

Zhao 等[8]采用15N 示蹤試驗，在我國稻麥輪作體系中，歷時17 年（2004—2020 年） 追蹤了34 季作物的氮肥去向，其疊加氮肥利用率為38.6%～43.0%。該研究以太湖地區稻麥輪作體系為研究對象，設置了6 個滲濾儀（高1 m，內徑1.14 m） 分為兩組，施氮量分別為N 100 和300 kg/hm2 （N100 和N300），第一年施用15N 示蹤尿素，之后每年按相同施用量施用常規尿素。每季測定作物吸收肥料氮、土壤殘留肥料氮。結合估計17 年1 m 土體的殘留氮和作物吸收，應用同位素質量平衡法計算了累計氮損失。測定的氮損失包括硝酸鹽淋溶、氨揮發，直至測定到自然豐度，硝酸鹽淋溶測至2011 年小麥季（第15 季），氨揮發測至2007 年小麥季（第6 季）。

本研究中，采用Origin 2021 的圖形數字化工具，獲取上述兩篇文獻的測定數據，法國Chalons enChampagne 地區長期試驗作物吸收示蹤氮、土壤殘留有機示蹤氮以及滲漏示蹤氮的數據見表2，中國常熟太湖地區長期試驗每季作物吸收示蹤氮、土壤殘留示蹤氮以及根據測定估算的累計氮損失見表3。

2.2 評估方法

應用以上兩個長期氮肥示蹤試驗獲得實際氮肥利用率[7?8]，以此為參照，來評估能夠應用示蹤試驗計算的土壤氮素平衡法[13， 15]和氮素有效率法[16]的合理性，尋求逼近實際氮肥利用率的改進方法。

實際氮肥利用率為長期試驗結束時疊加氮肥利用率，與此時至土壤殘留氮完全消耗時被作物吸收的土壤殘留氮之和，計算公式為：

ANUE = ARE+CRN （1）

式中：A N U E—實際氮肥利用率（ a c t u a l N u s eefficiency），ARE—長期試驗測定結束時疊加氮肥利用率（accumulative N recovery efficiency），CRN—在長期試驗結束至土壤示蹤殘留氮完全消耗的過程中， 作物吸收的土壤示蹤殘留氮占施氮量比例（residual N uptake by crops）。

依據土壤氮素平衡法的理論[13]，應用示蹤試驗結果計算氮肥利用率的計算公式為：

REB = HN=（FNRN） 100% （2）

式中：REB—土壤氮素平衡法氮肥利用率（recoveryefficiency of N fertilizer by soil N balance method），HN—收獲示蹤氮素（harvest N by crops），FN—示蹤肥料氮素（fertilizer N），RN—土壤示蹤氮素殘留量（residualN in soils）。

依據氮肥有效率概念和算法[16]，應用示蹤試驗結果計算氮肥利用率的計算公式為：

REE = （HN+RN）=FN 100% （3）

式中：REE—氮肥有效率法氮肥有效率（recoveryefficiency of N fertilizer by N fertilizer efficiency method），HN—收獲示蹤氮素（harvest N by crops），RN—土壤示蹤氮素殘留量（residual N in soils），FN—示蹤肥料氮素（fertilizer N）。

2.3 結果與分析

2.3.1 不同方法計算的氮肥利用率

理論上推斷，只有當肥料氮在土壤中完全消耗，總的疊加氮肥利用率才是實際氮肥利用率[7?8]。因此，實際氮肥利用率要比長期試驗截止時疊加的氮肥利用率（61.3%～65.3% 和38.6%～43.0%） 還要高。這表明可以利用殘留氮的利用效率推算實際氮肥利用率，Sebilo 等[7]原文中提到：假定土壤殘留氮的利用效率不變，那么2009 年11.8%～14.9% 的土壤殘留氮將有4%～5%被作物吸收。因此，估算甜菜（Lys S） 和小麥（LysW） 的實際氮肥利用率分別為70% 和66% （表4）。假定Zhao 等[8]最后10 季的表層土壤殘留氮的利用效率不變（N100 為48%，N300 為39%），待土壤殘留氮被完全消耗后，N100 和N300 的實際氮肥利用率分別為47% 和40% （表4）。

土壤氮素平衡法和氮肥有效率法的計算結果均高于當季15N 利用率。由于甜菜（Lys S） 和小麥（Lys W）的土壤殘留氮是2 m 土體的數據，使得計算的氮肥利用率分別比實際值高15.4%～26.1% 和24.3%～35.6%。若按照旱地耕層（0—20 cm） 土壤殘留氮占2 m 土壤的40%～60%[21?23]，甜菜（Lys S） 和小麥（LysW） 基于土壤氮素平衡法計算的氮肥利用率分別為62.8%～67.9% 和61.2%～67.1%；氮肥有效率分別為67.6%～74.1% 和67.0%～74.5%。根據主要根區殘留氮的概念和深層土層淋溶損失風險，估算甜菜（Lys S） 和小麥（Lys W） 1 m 土壤殘留氮占2 m 土壤殘留氮的85%～95%[21?23]，土壤氮素平衡法氮肥利用率分別為75.4%～78.9% 和76.3%～80.8%，氮肥有效率分別為82.2%～85.4% 和83.9%～87.6%。按照耕層（0—20 cm） 和1 m 土壤氮殘留，有效率法計算N100 和N300 的氮肥有效率均與其實際值較為接近，基于土壤氮素平衡法計算的氮肥利用率比實際值小14.8%～30.9%。

2.3.2 利用殘留氮和疊加利用率擬合預測實際氮肥利用率

按照Sebilo 等[7]和Zhao 等[8]衰減模型預測，殘留土壤氮分別可以持續約100 年和50 季。那么，假定試驗第100 年和50 季土壤殘留氮為零，擬合土壤殘留示蹤氮動態，并根據擬合預測土壤殘留氮變化。

將土壤示蹤氮殘留和疊加法氮肥利用率分別進行擬合，得到的曲線作為計算兩種方法實際氮肥利用率的參數（圖1）。疊加法RE 曲線隨時間逐漸上升，土壤氮素平衡法REB 和氮肥有效率法REE 都隨著年份增加逐年降低趨于平緩，三者依次為：氮肥有效率法REE＞土壤氮素平衡法REB＞疊加法RE。3 條曲線隨著時間延續有趨于重合的趨勢：甜菜（LysS） 和小麥（Lys W） 大約到2035 年左右接近72%；持續到第40 季左右，N100 和N300 分別趨近于50%和43% （圖1）。以此計算得到的氮肥有效率法REE和土壤氮素平衡法REB 數值均高于72% 的甜菜（LysS） 和小麥（Lys W） 實際氮肥利用率，但氮肥有效率法REE 分別趨近于稻麥輪作50% 和43% 的實際氮肥利用率（表4，圖1）。

3 討論

當氮肥被作物吸收、氣體揮發、淋洗、徑流等方式從土壤中完全消耗時，作物吸收氮肥量占施用氮肥量的百分比，本文定義為實際氮肥利用率。這個“完全消耗”過程需要幾十年甚至上百年的時間，期間土壤殘留氮不僅存在復雜的生物化學轉化過程[24?28]，還存在向土體下層的縱深移動[28?31]，這些變化都會影響示蹤氮生物有效性，從而影響實際氮肥利用率。土壤殘留氮隨時間向深層移動，生物有效性降低，同時伴隨氮素的淋洗，后季氮肥利用率降低[7?8， 32?33]。本文選取的兩個長期定位試驗的實際氮肥利用率，按照土壤殘留氮肥的利用效率，代表性旱地和水旱輪作的實際氮肥利用率分別為6 6 %～70% 和40%～47%，進一步預測的實際氮肥利用率分別為72% 和43%～50%，其數值大致相同。旱地實際氮肥利用率遠高于水旱輪作，水田當季損失了約一半左右的施氮量[8]，而旱地在施用示蹤氮肥3 年后（1985 年） 也僅有10.1%～12.8% 氮肥損失[7]，與本人前期研究結果一致，即旱地有利于氮素的持留和累積，而水旱輪作的氮素損失較為嚴重[34]。此外，這兩個不同長期試驗結果來自不同的氣候、地理條件。法國的試驗位于高緯度地區，受海洋性氣候和大陸性氣候的雙重影響，使得溫度變化較為穩定且有足夠的降雨[7]，該地區土壤是高鈣白堊土，具備較強的儲水能力[7]，在硝酸鉀作為氮肥投入時，減少了氨揮發途徑的氮損失，土壤殘留氮更為高效的作為作物的氮源。然而，太湖地區的強降雨氣候使得水稻土的尿素投入有較高的氨揮發和未知的氮損失[8]，如反硝化氣體損失[33]。與旱地作物的生長環境不同的是，水稻土的淹水環境會抑制硝化作用，這也可能是導致水田輪作較低氮肥利用效率的原因。

對法國長期1 5N 示蹤試驗結果的分析表明，以2 m 土體殘留氮計算氮肥利用率存在較大的高估。實際上，旱地主要根區（0.6 ～1 m） 的殘留肥料氮才具有較高有效性[16]，大于1 m 的殘留氮一般視為損失。因此，氮肥有效率法計算式的殘留氮一般以小于1 m土體為基準。土壤氮素平衡法將2 m 土壤殘留氮看作有效氮對土壤氮消耗的補充，不作為作物系統的氮素輸入，但實際上，僅氮肥損失部分才應該視為輸入氮肥的流出。因此，該法計算過程中過低的“分母”導致了所得氮肥利用率偏高。水田耕層（0—20 cm）和1 m 土壤殘留氮作參數的計算結果基本一致，可能由于緊密的犁底層限制下移[35]，或可能因為淋溶至深層土壤硝酸鹽通過反硝化過程移出[16]，導致水田深層土壤殘留氮較低，土壤殘留氮在后季的損失率極低[8， 33]。而旱地耕層（0—20 cm） 土壤殘留氮作參數的計算結果更接近實際氮肥利用率，這是因為旱地土壤殘留氮不僅可以遷移至深層，還會在后季不斷擴大氮素損失[7， 31]。當把耕層土壤殘留氮作為兩種計算方法獲得氮肥利用率的參數時，結果更接近實際氮肥利用率。需要注意的是，此時只有數值可以代表實際氮肥利用率，但對土壤氮殘留的定性已經偏離其真正的意義。對我國長期15N 示蹤試驗結果的分析來看，氮肥有效率更為接近其實際利用效率。氮肥有效率更好地代表了示蹤氮肥在水旱輪作的作物回收率和土壤殘留率，遠比僅僅計算氮在作物上的回收率更有意義。

4 結論

整體來看，眾多改進法計算的氮肥利用率，大多基于同時考慮作物吸收量和土壤殘留量，彌補了差減法和15N 示蹤法在短期試驗內對實際氮肥利用率的嚴重低估，基本接近于實際氮肥利用率。

通過與田間長期試驗進行驗證比較，氮肥有效率法既考慮了作物氮的吸收量，又考慮了殘留氮補充土壤氮庫的功能，借助于15N 示蹤技術，可以用短期試驗獲得接近實際的氮肥利用率，具有廣泛的應用價值。

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作者簡介：

巨曉棠，海南大學熱帶農林學院二級教授，博士生導師，海南省C 類高層次引進人才，曾任中國農業大學資源與環境學院領軍教授。長期從事農田生態系統碳氮循環與溫室氣體減排、面源污染防控研究。曾任國際氮素協會東亞中心主任，現任中國土壤學會氮素工作組副組長。先后在加拿大、德國、荷蘭、美國、英國和挪威做訪問學者或合作研究。以第一、通訊或共同作者在Nature、Nature Food、NatureCommunication、PNAS、Global Change Biology、Environmental Scienceamp; Technology、Soil Biology and Biochemistry 等國際頂尖期刊發表S C I 論文1 2 0 多篇， 中文1 6 0 多篇， 8 篇被列入高被引論文。2014—2022 連續9 年進入愛思唯爾中國高被引學者榜單。2017 年獲教育部自然科學二等獎，2018 年獲土壤學會科技一等獎，2020 年獲第五屆土壤學會杰出成就獎。

基金項目：海南省重大科技計劃項目（ZDKJ2021008）；海南大學科研啟動基金項目[KYQD（ZR）-20098]。