巨曉棠谷保靜

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

（2 浙江大學(xué)土地資源管理系，杭州 310058）

氮素管理的指標(biāo)*

巨曉棠1谷保靜2

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

（2 浙江大學(xué)土地資源管理系，杭州 310058）

用什么指標(biāo)（indicators或indexes）來衡量不同尺度或生產(chǎn)體系氮素管理的優(yōu)劣，是提高氮素管理水平的核心問題。近年來，國際上在氮素管理方面提出了許多新概念、方法和指標(biāo)，以客觀評價(jià)和改進(jìn)氮素管理水平，為生產(chǎn)者和政策制定者提供評判標(biāo)準(zhǔn)。本文系統(tǒng)介紹了國際上氮素管理指標(biāo)的概念、含義、計(jì)算方法及對結(jié)果的解析，包括：（1）氮素投入、收益與環(huán)境效應(yīng)的關(guān)系；（2）氮素收支（budget）、氮素平衡（balance）和氮素盈余（surplus）；（3）氮素利用率（Nitrogen Use Efficiency，NUE）；（4）氮素利用率與氮素輸入、輸出及盈余的關(guān)系；（5）旱地作物收獲后土體硝態(tài)氮允許殘留量（Residual nitrate-N）。在此基礎(chǔ)上，匯總了我國在不同尺度、不同土壤-作物體系氮素研究結(jié)果，初步建立了我國典型農(nóng)田的氮素管理指標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的氮素管理提供科學(xué)依據(jù)。

氮素平衡；氮素盈余；氮素利用率；氮素管理；氮素?fù)p失；指標(biāo)

優(yōu)良的氮素管理是獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品、降低氮素環(huán)境污染、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)集約化生產(chǎn)的重要方面。用什么指標(biāo)（indicators或indexes）來衡量不同尺度或生產(chǎn)體系氮素管理的優(yōu)劣，是提高氮素管理水平的核心問題。國內(nèi)外針對評價(jià)水體質(zhì)量，制定了許多關(guān)于地下水硝酸鹽污染、地表水富營養(yǎng)化等指標(biāo)體系［1］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的氮素流失或排放是水體和大氣污染的重要源頭，然而，如何控制氮素的流失或排放，則需要研究和制定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮素的管理指標(biāo)。

由于土壤-氣候條件和國情的差異，西歐和北美關(guān)于耕地培育、施肥及作物生產(chǎn)的理念和措施與我國存在著較大差異。西歐和北美以種養(yǎng)結(jié)合、保護(hù)性耕作、輪作休耕和環(huán)境約束為特征的耕地培育和施肥措施，注重和依靠種植、養(yǎng)殖內(nèi)部的養(yǎng)分循環(huán)，化肥僅是一種養(yǎng)分不足時(shí)的補(bǔ)充措施［2］。我國由于地力基礎(chǔ)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)、管理方式和環(huán)保理念等與歐美國家的差異，在過去三十多年中，主要依靠化肥的大量投入獲得相應(yīng)的產(chǎn)量，相應(yīng)的環(huán)境代價(jià)較大，土壤退化現(xiàn)象嚴(yán)重［3］。這些年的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)告訴我們，必須強(qiáng)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)內(nèi)部的養(yǎng)分循環(huán)，走可持續(xù)集約化發(fā)展道路?！扒f稼一枝花，全靠肥當(dāng)家”，這句諺語中的肥料在過去強(qiáng)調(diào)的實(shí)際上是有機(jī)肥，現(xiàn)在基本上理解為化肥了?！胺柿鲜亲魑锏募Z食”也有理解成化肥的意思，其實(shí)這些概念都應(yīng)該理解為：在強(qiáng)調(diào)種養(yǎng)結(jié)合，養(yǎng)分在農(nóng)村或社區(qū)充分循環(huán)的基礎(chǔ)上，不足的部分以化肥來補(bǔ)充。

西歐和北美與我國在耕地培育與施肥理念上的差異，直接決定了在氮素管理指標(biāo)認(rèn)識上的差異。西歐和北美看重的是所有來源的養(yǎng)分在田塊、區(qū)域或國家的不同尺度和層次是否能夠循環(huán)起來，是否達(dá)到平衡；在不影響目標(biāo)生產(chǎn)力的前提下，向環(huán)境排放了多少養(yǎng)分，環(huán)境是否能夠承受［4-5］。而我國往往僅用氮肥的各種利用率作為指標(biāo)［6］，很難反映不同來源養(yǎng)分在系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間的循環(huán)利用，以及向環(huán)境中排放遷移的情況。近年來，國際上在氮素管理方面提出了許多新概念、方法和指標(biāo)［7］，以客觀評價(jià)氮素管理水平，為生產(chǎn)者和政策制定者提供評判標(biāo)準(zhǔn)。這些概念和方法在我國氮素研究和管理方面有零星應(yīng)用，對概念和方法本身的含義、計(jì)算過程和結(jié)果解析的認(rèn)識還不夠系統(tǒng)深入，更沒有形成我國自己可以指導(dǎo)政策制定和實(shí)際應(yīng)用的指標(biāo)體系，這是我國氮素管理整體上處于比較粗放、氮素環(huán)境污染較為嚴(yán)重的原因之一。

鑒于此，本文將系統(tǒng)介紹國際上氮素管理指標(biāo)的概念、含義、計(jì)算方法及對結(jié)果的解析，包括氮素收支（budget）、氮素平衡（balance）和氮素盈余（surplus），氮素利用率（Nitrogen Use Efficiency，NUE），旱地作物收獲后土體硝態(tài)氮允許殘留量（Residual nitrate-N），以及這些指標(biāo)之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，匯總我國在不同尺度、不同土壤-作物體系氮素研究結(jié)果，嘗試總結(jié)出我國典型作物體系的氮素管理指標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的氮素管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 氮素投入、收益與環(huán)境效應(yīng)的關(guān)系

在田塊尺度上，就簡單的土壤-作物體系而言，在其他生產(chǎn)因素和營養(yǎng)元素不成為限制因子的前提下，氮素效應(yīng)主要包括三個(gè)方面：（1）生產(chǎn)力，如作物產(chǎn)量和品質(zhì)、經(jīng)濟(jì)收益；（2）環(huán)境，如氮素各種損失途徑（氨揮發(fā)、反硝化、N2O排放、淋洗和徑流）引起的代價(jià)；（3）土壤，如土壤性質(zhì)和土壤肥力的改變等。在田塊尺度氮素投入中，以化肥和有機(jī)肥為主，氮素效率通常以各種氮肥利用率作為指標(biāo)，如氮肥回收率、農(nóng)學(xué)利用率、生理利用率、偏生產(chǎn)率等，筆者將這些概念稱為傳統(tǒng)氮肥利用率［6］。與此相關(guān)，從氮肥施用量和產(chǎn)量效應(yīng)關(guān)系曲線上，可以求出經(jīng)濟(jì)最佳施氮量和最高產(chǎn)量施氮量［8］。

圖1 氮素投入、收益及環(huán)境代價(jià)之間的關(guān)系（修改自Townsend等［9］；黑色和綠色向下箭頭分別代表著技術(shù)和管理改善之前和之后的最大公眾健康收益）Fig. 1 Relationships among nitrogen inputs，benefits and environmental costs（modified from Townsend et al［9］. Black and green downward arrow represents the maximum public health benefit before and after the improvement of the technologies and management，respectively）

實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)單元不只是農(nóng)田，還包括動物生產(chǎn)等；涉及不同尺度如具體田塊、農(nóng)場、區(qū)域或國家等。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)開放系統(tǒng)，對于一個(gè)劃定邊界的生產(chǎn)系統(tǒng)，存在著各種氮素輸入、流動和輸出途徑，存在著系統(tǒng)與環(huán)境的氮素交換。圖1表示一個(gè)生產(chǎn)單元各種氮素輸入、所獲得的總體收益（如產(chǎn)量、營養(yǎng)和公眾健康的總和，benefits）和環(huán)境代價(jià)（如大氣和水體污染、生態(tài)系統(tǒng)退化、疾病等的總和）的關(guān)系。當(dāng)一個(gè)生產(chǎn)單元處于現(xiàn)有技術(shù)和管理水平下，在投入-產(chǎn)出-凈收益的合理范圍內(nèi)，氮素引起的環(huán)境代價(jià)很??；環(huán)境代價(jià)只是在收益達(dá)到最大值以后，才開始顯著增加；氮素投入水平應(yīng)該維持在這個(gè)上限以內(nèi)（左邊黑色向下箭頭）。當(dāng)技術(shù)和管理水平改善后，同樣的氮素投入獲得的收益增加（圖1中的深綠線），凈收益相應(yīng)增加（圖1中的亮綠線）；如果維持氮素的環(huán)境效應(yīng)曲線不變，則凈收益最大時(shí)的氮素投入水平相應(yīng)提高（右邊綠色向下箭頭），生產(chǎn)單元的效益會更高。這是經(jīng)濟(jì)學(xué)上投入-產(chǎn)出-收益的普遍規(guī)律。

歐美國家自20世紀(jì)80年代以來，氮素管理水平逐步提高，氮素投入水平接近于凈收益最高點(diǎn)［10］。而我國東部集約化生產(chǎn)體系中，氮素投入大多數(shù)超過了凈收益最高點(diǎn)，有的甚至超過了凈收益零點(diǎn)；如果計(jì)入環(huán)境代價(jià)，凈收益很小或者為負(fù)值［10-16］。因此，需要在目標(biāo)產(chǎn)出情況下，同時(shí)考慮收益和環(huán)境代價(jià)的氮素投入，做到收益和環(huán)境代價(jià)的協(xié)調(diào)。由此可以看出，在全面考慮一個(gè)生產(chǎn)單元氮素投入-產(chǎn)出-凈收益-環(huán)境代價(jià)的情況下，傳統(tǒng)氮肥利用率指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

由以上分析可以看出，氮素管理的目標(biāo)：（1）在收益和環(huán)境曲線不變的條件下，將氮素投入量控制到效益最大點(diǎn)以前；（2）在收益曲線不變的條件下，通過技術(shù)和管理措施改進(jìn)，進(jìn)一步降低環(huán)境代價(jià)，能夠進(jìn)一步增加氮素投入而獲得更大收益；（3）通過技術(shù)和管理水平的改進(jìn)，使等量氮素投入時(shí)的收益曲線增高，在環(huán)境曲線不變或者降低的條件下，通過進(jìn)一步增加氮素投入而獲得更大收益。

2 氮素收支（budget）和氮素平衡（balance）與盈余（surplus）

2.1 氮素平衡的概念和分類

氮素平衡是氮素管理和政策制定的重要指標(biāo)，其定義為一個(gè)給定系統(tǒng)在給定時(shí)間段內(nèi)（一般一季作物或周年）詳細(xì)的氮素輸入（inputs）與輸出（outputs）的關(guān)系。氮素過剩（surplus）或虧缺（deficiency）是基于單位耕地面積上氮素輸入與輸出的差值（difference）而獲得。一個(gè)多世紀(jì)以來，氮素平衡被廣泛用來理解農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的氮素循環(huán)、效率及歸宿。早期的研究主要關(guān)注簡單的土壤-作物系統(tǒng)（例如Allison［17］）。過去三十年，在農(nóng)田、農(nóng)場、區(qū)域（如歐盟ENA［4］）和國家尺度（美國的氮評估［5］）、甚至全球尺度［18-21］，氮素平衡被廣泛用以指示氮素管理水平和環(huán)境影響程度［13，22］。

作物和動物生產(chǎn)系統(tǒng)（包括畜禽養(yǎng)殖和草地畜牧業(yè)）中均存在著氮素的輸入、流動與輸出關(guān)系，也存在著氮素在系統(tǒng)內(nèi)（如土壤中）的累積或消耗（圖2），同時(shí)發(fā)生著系統(tǒng)與環(huán)境之間的氮素交換。氮素輸入是指投入到農(nóng)田、農(nóng)場，區(qū)域或國家尺度各種氮素的總和，如氮肥、有機(jī)肥、綠肥、生物固氮、氮沉降、動物飼料等；氮素輸出是指輸出產(chǎn)品氮素的總和，如作物收獲物、動物產(chǎn)品，其他飼草或物料的移出。根據(jù)實(shí)際情況，各個(gè)系統(tǒng)的輸入和輸出項(xiàng)略有不同。

圖2 給定邊界系統(tǒng)的氮素輸入、輸出、累積或消耗關(guān)系示意圖（引自EU Nitrogen Expert Panel［23］）Fig. 2 Schematic diagram of relationships among nitrogen input，output，and accumulation/depletion（EU Nitrogen Expert Panel［23］）

氮素收支（budget）和氮素平衡（balance）的概念有所不同。氮素收支是詳細(xì)計(jì)算給定系統(tǒng)各種氮素輸入與輸出、損失（losses）及系統(tǒng)氮庫的變化狀況［Σ（Δ）］，其關(guān)系式為

Budget = inputs+Σ（Δ）-outputs（including all losses）≈0

氮素平衡是計(jì)算給定系統(tǒng)重要的氮素輸入與輸出項(xiàng)，其關(guān)系式為

Balance = inputs-tradable outputs≈surplus≈Σ（Δ）+Σ（losses）

作為氮素管理和環(huán)境政策的有效工具和指標(biāo)，建立農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的氮素平衡，可以深刻理解氮素循環(huán)、效率及環(huán)境影響。原則上，可以建立任何尺度農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的氮素平衡。首先需要明確建立氮素平衡的系統(tǒng)邊界；其次需要確定計(jì)算氮流的時(shí)空精度及其數(shù)據(jù)來源。Watson和Atkinson［24］、Oenema等［25］將農(nóng)場尺度的氮素平衡分為三類：即農(nóng)場界面（farm gate），土壤界面（soil surface），土壤系統(tǒng)（soil system）。農(nóng)場界面氮素平衡能夠反映農(nóng)場氮素的輸入與輸出及其環(huán)境影響；土壤界面的氮素平衡可以反映土壤氮素凈負(fù)荷；土壤系統(tǒng)氮素平衡反映一定土體深度氮素輸入、輸出、循環(huán)、損失途徑及土壤氮庫的變化，是更加詳細(xì)的氮素收支情況。由于這三種氮素平衡建立在小尺度上，是針對特定土壤-氣候-作物體系或特定生產(chǎn)單元，需要多年詳細(xì)研究資料的支持，一般用于探尋氮素微觀過程的變化機(jī)理、制定指標(biāo)體系，其結(jié)果可為更大尺度的區(qū)域氮素平衡以及相應(yīng)的社會經(jīng)濟(jì)政策和改善氮素管理提供科學(xué)支撐。

農(nóng)場界面氮素平衡是將農(nóng)場作為一個(gè)黑箱（圖3a），詳細(xì)記錄農(nóng)場界面氮素輸入和輸出數(shù)量，其輸入與輸出差值，反映了氮素在農(nóng)場水平的盈余或虧缺，可以指示氮素?fù)p失和在農(nóng)場水平上的變化。由于西歐以作物-動物生產(chǎn)的綜合農(nóng)場為主（integrated farming system或mixed crop-livestock operation），荷蘭又以奶牛生產(chǎn)的混合農(nóng)場為特色，其農(nóng)場水平的研究資料非常豐富，為農(nóng)業(yè)環(huán)境政策提供了充分的科學(xué)依據(jù)。農(nóng)場界面氮素平衡計(jì)算式為

Surplus=［Purchased（fertilizer + feed+ manure + animal + bedding material）+BNF+ DN］-［Exported（milk + animal + manure + feed）］≈ Σ（Δ）+Σ（losses）

式中，Purchased（fertilizer + feed + manure + animal + bedding material）分別代表農(nóng)場購進(jìn)的化肥、飼料、糞肥、牲畜和墊圈材料，BNF （Biological N Fixation）代表生物固氮，DN代表大氣氮素沉降；Exported（milk + animal + manure + feed）分別代表農(nóng)場向外輸出的奶、牲畜、糞肥和飼料。單位是每年每公頃氮。由于BNF和DN不是從農(nóng)場界面輸入的，許多計(jì)算并不包括這兩項(xiàng)輸入。

土壤界面的氮素平衡是將土壤作為一個(gè)黑箱（圖3b），詳細(xì)記錄氮素輸入土壤界面和輸出土壤界面（被作物吸收）的數(shù)量。由于氮肥和有機(jī)肥的氨揮發(fā)沒有進(jìn)入土壤界面，所以在輸入項(xiàng)中被事先扣除。其輸入與輸出差值，表示氮素的盈余和虧缺，反映了土壤氮素的總損失和土壤氮庫的變化。經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）以此為依據(jù)，來衡量農(nóng)業(yè)的環(huán)境影響［17］。土壤界面的氮素平衡計(jì)算式

Surplus=（FN+MN+BNF+CRN+DN+SeedN+ WN）-Corp uptake N ≈Σ（Δ）+Σ（losses）

式中，F(xiàn)N為化學(xué)氮肥投入量；MN為糞肥投入氮；BNF為農(nóng)田生物固氮；CRN為作物殘茬返回農(nóng)田的氮；DN為沉降到農(nóng)田的氮；SeedN為種子帶到農(nóng)田的氮；WN為灌溉水帶入農(nóng)田的氮；Corp uptake N為作物吸收農(nóng)田的氮。

土壤系統(tǒng)的氮素平衡（實(shí)質(zhì)上是詳細(xì)的氮素收支）是記錄所有氮素輸入與輸出項(xiàng)（圖3c），包括氮素進(jìn)入土壤、從土壤中的損失及土壤氮庫的變化?？梢苑从掣鞣N氮素?fù)p失途徑及土壤氮素盈虧。氮素的盈余（輸入＞輸出）表示土壤氮庫增加，氮素的虧缺（輸入＜輸出）表示土壤氮庫消耗?；蛘弑硎据斎肱c輸出未計(jì)入的部分（unaccounted for）。這種方法通常用于研究層次，目的在于明確氮素?fù)p失途徑。土壤系統(tǒng)的氮素收支計(jì)算式

Budget = ［（FN+MN+BNF+CRN+DN+ SeedN+WN）+Σ（Δ）］-［Corp uptake N + NH3volatilization +Denitrification+ Leaching and runoff］≈0式中，NH3volatilization、Denitrification、Leaching and runoff分別代表輸入農(nóng)田氮素的氨揮發(fā)、反硝化、淋洗與徑流損失。

圖3 農(nóng)場界面（a）、土壤界面（b）和土壤系統(tǒng)（c）氮素平衡示意圖（引自O(shè)enema等［25］）Fig. 3 Schematic diagram of nitrogen budget of farm-gate，soil surface and soil system（Oenema et al［25］）

對于特定作物生產(chǎn)系統(tǒng)，如果農(nóng)場不儲藏產(chǎn)品，農(nóng)場界面和土壤界面氮素平衡差異很小。但對于同時(shí)有作物生產(chǎn)和動物生產(chǎn)的綜合農(nóng)場，兩者的差異很大。迫于畜牧養(yǎng)殖對水體和大氣環(huán)境壓力，荷蘭1992年建立了以奶牛養(yǎng)殖為代表的示范農(nóng)場“De Marke”，以長期研究和示范集約化畜牧養(yǎng)殖氮磷等養(yǎng)分管理與環(huán)境承載力，為政策制定提供依據(jù)和指標(biāo)。Oenema等［25］利用該農(nóng)場1993―1996年的研究資料，詳細(xì)計(jì)算了三種情況的氮素平衡，來說明三者之間的差異。讀者如果想更清楚地理解三種氮素平衡的建立方法、差異及結(jié)果解析，請直接查閱該文獻(xiàn)。

2.2 建立氮素平衡的方法

建立氮素平衡的數(shù)據(jù)往往來源于不同方面，Smaling和Fresco［26］、Smaling和Oenema［27］將數(shù)據(jù)分為：（1）數(shù)據(jù)類型，即原始數(shù)據(jù)、估計(jì)數(shù)據(jù)和假設(shè)（推測）數(shù)據(jù)；（2）數(shù)據(jù)來源，即田間或?qū)嶒?yàn)室測定數(shù)據(jù)、觀察數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；（3）數(shù)據(jù)時(shí)間跨度，即數(shù)據(jù)觀測或收集頻率，即天、月、季或年（Oenema等［25］）。收集數(shù)據(jù)和建立平衡方法取決于研究目的，往往來源于以上三個(gè)方面的結(jié)合。由于氮素輸入與輸出數(shù)據(jù)的可獲得性和質(zhì)量在地區(qū)之間存在很大差異，類似于政府間氣候變化委員會（IPCC）計(jì)算溫室氣體排放清單的方法，國際上推薦采用分層式（A Tiered Approach）方法來計(jì)算從農(nóng)田到國家不同尺度的氮素輸入與輸出［28］。

第一層（TierⅠ）：在缺乏某些地區(qū)某些作物、糞肥的氮素含量和生物固氮量等的情況下，應(yīng)用一系列的全球缺省值查詢表獲得這些數(shù)據(jù)；需要提供簡單的計(jì)算式，用以演示如何將這些缺省值與當(dāng)?shù)氐幕顒用鏀?shù)據(jù)（activity data）結(jié)合，如產(chǎn)量數(shù)據(jù)、肥料或飼料使用量等來估算氮素投入、輸出與盈余。

第二層（TierⅡ）：該地區(qū)農(nóng)田、農(nóng)場和國家尺度的各種含氮量可以獲得當(dāng)?shù)氐臄?shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)更適合該地區(qū)的土壤-氣候-作物體系，可以用這些當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù)代替Tier I的全球缺省值，計(jì)算式不變。

第三層（TierⅢ）：能夠用模型給出氮素輸入和輸出量，而且這些模式是通過調(diào)查或觀測數(shù)據(jù)發(fā)展和驗(yàn)證得來的。模型輸入的是相關(guān)因素，如經(jīng)濟(jì)狀況、貿(mào)易、土壤、氣候、作物狀況、農(nóng)田管理和產(chǎn)出等，他們能夠用來估算不同尺度的氮素投入、輸出、盈余和氮素利用率。

2.3 氮素盈余的參考指標(biāo)

大量研究表明，氮素盈余是衡量氮素投入生產(chǎn)力、環(huán)境影響和土壤肥力變化的最有效指標(biāo)［25］。因?yàn)殡S著氮素投入量的增加，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。維持土壤-作物體系的氮素平衡，既不會消耗土壤氮，也可以獲得較高目標(biāo)產(chǎn)量，還不會引起大量的氮素?fù)p失。當(dāng)?shù)赜嗵幱谪?fù)值時(shí)，盡管氮素?fù)p失很低，但作物供氮缺乏，作物產(chǎn)量低，還會消耗土壤氮素；當(dāng)?shù)卮罅坑鄷r(shí)，作物產(chǎn)量和品質(zhì)不會增加，甚至還會降低，但氮素?fù)p失會大量增加，引起很大的環(huán)境代價(jià)。

氮素盈余的參考指標(biāo)取決于土壤-氣候條件、農(nóng)業(yè)生態(tài)類型及環(huán)境容量，很難制定統(tǒng)一的指標(biāo)。如荷蘭MINAS（Minerals Accounting System）政策，對氮和磷的參考指標(biāo)就綜合考慮了政策、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境狀況。在2003年，對砂壤和黏壤耕地年氮素盈余參考指標(biāo)分別設(shè)為N 60和100 kg hm-2，而對砂壤和黏壤草地年氮素盈余設(shè)為N 140和180 kg hm-2。對磷的年盈余參考指標(biāo)統(tǒng)一設(shè)定為P 8.7 kg hm-2［25］。

由于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境影響在時(shí)間和空間上的復(fù)雜性，涉及一系列原因與結(jié)果的鏈條。盡管驅(qū)動因子-狀態(tài)-響應(yīng)模型給出了評價(jià)養(yǎng)分盈余的清晰框架，但現(xiàn)實(shí)情況是復(fù)雜和容易混淆的。例如氨揮發(fā)主要來自于畜牧業(yè)；硝態(tài)氮向地下水遷移主要受氣候（暴雨）、氮素盈余和土壤類型影響。所以，氮素盈余與損失往往不是固定關(guān)系，氮素盈余是損失的末端指標(biāo)。因此，應(yīng)用氮素盈余作為農(nóng)業(yè)環(huán)境指標(biāo)時(shí)，還需要更深刻地理解這些原因與結(jié)果形成的鏈條。

氮素平衡計(jì)算的準(zhǔn)確度和精確度取決于方法、獲取數(shù)據(jù)策略與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)類型。其不確定性來自于多方面的偏差或誤差，例如對氮素?fù)p失途徑的定量。偏差可能來自于人為、采樣、測定或者數(shù)據(jù)擴(kuò)展等因素；誤差可能來自于采樣和測定，這些均會導(dǎo)致含糊的或錯(cuò)誤的結(jié)論。

定量這些不確定性需要：（1）系統(tǒng)分析和鑒別；（2）分類不確定性；（3）應(yīng)用蒙脫卡羅（Monte Carlo）法區(qū)分各種來源的可能性分布；（4）對輸入、輸出和庫的變化進(jìn)行較長時(shí)期的監(jiān)測。對氮素平衡不確定性進(jìn)行分析，有利于鑒別出農(nóng)業(yè)環(huán)境原因-響應(yīng)關(guān)系鏈條上的薄弱環(huán)節(jié)，從而在這些環(huán)節(jié)上加強(qiáng)研究。例如荷蘭氮素平衡研究表明，反硝化和淋洗的不確定大約在30%左右?？傊?，為了更好地應(yīng)用氮素盈余指標(biāo)來管理氮素和制定政策，計(jì)算氮素平衡需要遵循標(biāo)準(zhǔn)步驟和方法，并進(jìn)行不確定性分析［25］。

3 氮素利用率概念的發(fā)展及意義

在作物和動物生產(chǎn)中，存在著多種途徑的氮素輸入項(xiàng)，為了反映系統(tǒng)對整個(gè)氮素輸入的利用效率，近年來國際上提出用氮素利用率（NUE）來指示氮素在系統(tǒng)中的利用效率。在一個(gè)給定邊界系統(tǒng)中，氮素利用率定義為氮素產(chǎn)品輸出與輸入的比率（output/input或removal/use）即：NUE=氮素產(chǎn)品輸出/氮素輸入［28］。此處的系統(tǒng)是指定義邊界的不同尺度生產(chǎn)單元，可以從田塊、農(nóng)場、區(qū)域到國家。氮素利用率反映的是給定系統(tǒng)邊界進(jìn)入氮素有多少比例以產(chǎn)品的形式輸出系統(tǒng)。它不反映系統(tǒng)內(nèi)部的氮素轉(zhuǎn)化途徑（如氮素固持、礦化或硝化），也不直接定量估算系統(tǒng)的氮素?fù)p失，因?yàn)闆]有被產(chǎn)品移出的氮素可能儲存于土壤（圖2）。但是從長遠(yuǎn)看，對于長期耕作農(nóng)田，相對于氮素輸入和輸出量，土壤氮庫的變化是很小的［8］。所以，多年較低的氮素利用率意味著大量氮素?fù)p失到環(huán)境中。

這種氮素利用率的最大優(yōu)點(diǎn)在于，一般容易獲得不同尺度給定系統(tǒng)邊界的氮素輸入和輸出數(shù)據(jù)。如前所述，可以通過對不同類型、不同來源和不同觀測頻率的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，來獲得這些數(shù)據(jù)。其復(fù)雜性在于：（1）單獨(dú)氮素利用率往往不足以評價(jià)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的可持續(xù)性，需要與其他指標(biāo)結(jié)合來解析；不同作物類型有不同的氮素利用率，區(qū)域或國家氮素利用率反映的是特定區(qū)域作物類型的組合情況。例如玉米的氮素利用率低于小麥，一個(gè)地區(qū)或國家中的小麥多，計(jì)算的氮素利用率較高，但這不代表氮素管理水平高，而是因?yàn)橥寥?氣候條件更利于小麥生長；（2）需要考慮輪作體系，如在同一塊土地上進(jìn)行周年玉米和大豆輪作，計(jì)算NUE需要用兩年輪作周期，以便評估大豆固氮對來年玉米氮素輸入的貢獻(xiàn)；如果存在更長的復(fù)雜輪作體系，則需要考慮整個(gè)輪作周期，而不僅僅是單季作物；（3）需要考慮豆科作物生物固氮，作物總吸氮量中生物固氮份額；（4）在既有作物生產(chǎn)同時(shí)又有動物生產(chǎn)的綜合農(nóng)場中，估算更加復(fù)雜；這種家庭農(nóng)場是歐美典型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，具有相對完整的循環(huán)農(nóng)業(yè)鏈條，許多農(nóng)場還包括有沼氣生產(chǎn)和沼氣發(fā)電；在估算這種農(nóng)場的NUE時(shí)，如果作物產(chǎn)品不全部作為飼料需要輸出到農(nóng)場外，則氮素輸出需要包括這些輸出的作物產(chǎn)品和動物產(chǎn)品（如肉、奶、蛋等），還要包括農(nóng)場內(nèi)部不能消納需要輸入到其他農(nóng)場的糞肥，氮素輸入需要包括肥料、購買的飼料等；（5）這種氮素利用率可以很好地解析農(nóng)場和國家氮素管理水平隨時(shí)間的長期變化趨勢，而不是著眼于單個(gè)年份的情況。盡管如此，這種氮素利用率可以很好地指示是否有足夠氮素供應(yīng)來維持生產(chǎn)力、維持甚至改善土壤肥力。充分循環(huán)利用糞肥、作物殘茬，將豆科作物納入到輪作體系中，均會有利于增加土壤有機(jī)質(zhì)和改善結(jié)構(gòu)、發(fā)揮有機(jī)和無機(jī)肥的協(xié)同效應(yīng)而改善氮素利用率［28］。

類似于上面分層計(jì)算氮素輸入與輸出的方法，可以相應(yīng)計(jì)算出氮素利用率。過高或過低的氮素利用率均非系統(tǒng)氮素管理追求的目標(biāo)。過低氮素利用率往往表示對輸入氮的低效利用和較大環(huán)境代價(jià)；過高氮素利用率往往表示消耗系統(tǒng)的本底氮素（例如作物體系中消耗土壤氮素，mining of soil nitrogen）。合理氮素管理目標(biāo)，就是要提高過低、降低過高的氮素利用率，使氮素利用率保持在一個(gè)合理范圍。提高氮素利用率和降低系統(tǒng)氮素盈余會降低集約化生產(chǎn)中因?yàn)榈剡^量投入而引起的環(huán)境污染。

氮素利用率不同于氮肥利用率，是針對具有邊界系統(tǒng)而言的。氮肥利用率僅指在作物生產(chǎn)體系中，作物對投入氮肥的利用效率。為了反映氮肥對土壤氮庫消耗（因作物吸收土壤氮素）的補(bǔ)償效應(yīng)，國內(nèi)學(xué)者提出了氮肥有效率和氮肥真實(shí)利用率的概念和算法［6，29］。 Yan等［30］用國家尺度的數(shù)據(jù)分析了包括氮肥后效情況下的氮肥利用率，較傳統(tǒng)氮肥回收率高10%～46%。關(guān)于對傳統(tǒng)氮肥利用率理解誤區(qū)和正確解析，筆者在一篇《氮肥有效率的概念和意義——兼論對傳統(tǒng)氮肥利用率的理解誤區(qū)》的綜述文章中做過專門論述［6］，此處不再贅述。

4 氮素利用率與氮素輸入、輸出及盈余的關(guān)系

國際上建議在報(bào)告氮素利用率時(shí)，同時(shí)報(bào)告氮素產(chǎn)出（nitrogen output，N kg hm-2a-1，此處指收獲物帶走氮），氮素盈余量（nitrogen surplus，N kg hm-2a-1），包括對系統(tǒng)的詳細(xì)描述、計(jì)算時(shí)段和方法、系統(tǒng)氮素儲量的可能變化，這些信息是改善氮素管理的重要參考［23］。圖4表示氮素輸入與輸出的二維關(guān)系，表明NUE與氮素產(chǎn)出、盈余的連帶關(guān)系，也顯示出了相應(yīng)的參考指標(biāo)。這些參考指標(biāo)最終必須被政策制定者采納，在實(shí)際中應(yīng)用。研究NUE、氮素產(chǎn)出和盈余隨時(shí)間的變化，可以反映系統(tǒng)氮素管理水平的變化。一個(gè)系統(tǒng)低氮素產(chǎn)出和高氮素盈余意味著氮素?fù)p失嚴(yán)重，環(huán)境代價(jià)增大?？沙掷m(xù)集約化追求的目標(biāo)，在于增加氮素產(chǎn)出，同時(shí)維持NUE在可接受的范圍內(nèi)，即將系統(tǒng)從左下部移至右上部。

圖4 氮素輸入、產(chǎn)出與氮素利用率的關(guān)系（引自EU Nitrogen Expert Panel［23］）Fig. 4 Relationships among nitrogen input，output and nitrogen use efficiency（NUE）（EU Nitrogen Expert Panel［23］）

通過對NUE和氮素產(chǎn)出、盈余連帶關(guān)系的解析，能夠分析氮素管理水平及改善目標(biāo)。當(dāng)NUE = 1，氮素輸出等于氮素輸入；當(dāng)NUE＜1，氮素輸出小于氮素輸入，沒有被移出的氮素或者貯存于土壤，或者進(jìn)入環(huán)境；當(dāng)NUE＞1，移出的氮素大于氮素輸入，表示消耗土壤氮素，最終引起土壤肥力下降。因此，國際上推薦NUE的參考值為0.5～0.9；收獲物帶走氮N 80 kg hm-2a-1，氮素盈余量N 80 kg hm-2a-1。NUE＞0.9指示土壤氮消耗；NUE＜0.5指示氮素低效率。

生物系統(tǒng)，包括作物和動物生產(chǎn)系統(tǒng)氮素效率很少達(dá)到100%。因此追求NUE = 1和盈余量為零的目標(biāo)是不現(xiàn)實(shí)的。我們也很少看到NUE接近于1 的作物體系仍然維持較高生產(chǎn)力。一般而言，動物生產(chǎn)體系氮素利用率低于作物生產(chǎn)體系，因?yàn)閯游锱判垢吆考S尿，對其有效循環(huán)利用是提高整個(gè)系統(tǒng)氮素利用率的關(guān)鍵。當(dāng)NUE＜0.5，存在著很大提升空間，但短期內(nèi)提升難度很大。當(dāng)NUE＞0.9，沒有進(jìn)一步提高空間，相反需要補(bǔ)充土壤氮庫消耗。但這并不表示NUE在0.5與0.9之間是必須接受的，例如當(dāng)NUE為0.7時(shí)，也許在某些地區(qū)的某些作物體系中很好，但在另一些地區(qū)或作物體系中仍可改進(jìn)。再如，圖5中許多國家的NUE 在0.5與0.9之間，但還存在著提高NUE的空間。國家之間的差異很可能反映了作物生長狀況、糞肥施用和豆科作物輪作，及整個(gè)養(yǎng)分管理水平的差異［28］。

圖5 國家尺度谷物氮素產(chǎn)出、盈余與氮素利用率的關(guān)系［28］Fig. 5 NUE for cereals，graphed as the surplus of N（inputs minus outputs）versus removal（output）of N［28］

5 我國不同尺度氮素平衡研究狀況

我國對田塊、小農(nóng)戶、區(qū)域和國家尺度的氮素平衡及氮肥利用率研究均有所涉及，但對它們的概念、原理、方法、評判指標(biāo)、結(jié)果解析及應(yīng)用還缺乏系統(tǒng)認(rèn)識，沒有形成可以指導(dǎo)氮素管理和政策制定的指標(biāo)體系。我國以小農(nóng)戶為主的農(nóng)業(yè)經(jīng)營方式，沒有明顯的農(nóng)場邊界。小農(nóng)戶本身也是一個(gè)復(fù)雜生產(chǎn)單元，對其氮素輸入、流動和輸出研究資料很少，限制了小農(nóng)戶氮素循環(huán)和流動的有效管理?？荛L林［31］通過農(nóng)戶跟蹤記錄方式，在山東惠民縣典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)，研究了6個(gè)典型農(nóng)戶的養(yǎng)分輸入、輸出與流動特征。李冬初［32］應(yīng)用小農(nóng)戶尺度養(yǎng)分監(jiān)測工具NUTMON（NUTrient MONitoring［26］）進(jìn)一步對該地區(qū)62個(gè)典型農(nóng)戶養(yǎng)分循環(huán)進(jìn)行了跟蹤研究，為我國小農(nóng)戶尺度氮素平衡和損失情況提供了有限資料?，F(xiàn)階段實(shí)施的鼓勵土地流轉(zhuǎn)經(jīng)營政策［33］，已經(jīng)形成或正在形成適度的農(nóng)業(yè)規(guī)模經(jīng)營單元，如家庭農(nóng)場、農(nóng)業(yè)公司、集體農(nóng)莊和農(nóng)業(yè)合作社等，未來需要加強(qiáng)這些新興農(nóng)業(yè)經(jīng)營體氮素平衡、氮素利用率及指標(biāo)體系研究，為生產(chǎn)單元氮素管理、政策制定和實(shí)際應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。

在國家和區(qū)域尺度上，我國也開展了一系列氮素平衡研究，從最初簡單的國家總體層面研究，到幾大主要流域的氮平衡，后來逐步發(fā)展到基于子系統(tǒng)的氮平衡模型［34-35］。在子系統(tǒng)劃分上從簡單的3子系統(tǒng)：陸地、水體和大氣，到基于生態(tài)功能的14子系統(tǒng)［36-37］，同時(shí)還出現(xiàn)了基于核心食物養(yǎng)分流動的梯級平衡［38］。細(xì)致的子系統(tǒng)劃分，特別是14子系統(tǒng)的劃分［37］，可以清晰地展示國家和區(qū)域尺度上氮素內(nèi)部流動過程，還可以估算農(nóng)業(yè)每個(gè)環(huán)節(jié)上氮素利用效率和循環(huán)效率，評估這些效率對我國總體環(huán)境污染的貢獻(xiàn)。這些研究展現(xiàn)了我國自1980年以來國家尺度上氮素輸入的急劇增加，特別是工業(yè)氮肥的大量使用，雖然提高了工農(nóng)業(yè)含氮產(chǎn)品產(chǎn)出，但總體的氮污染也呈現(xiàn)出快速增加趨勢。而且我國每年還對國際市場上糧食特別是飼料供給有很大程度依賴。低的氮素利用效率和循環(huán)效率、不斷增加的動物性產(chǎn)品消費(fèi)是驅(qū)動這些變化的關(guān)鍵變量。這些結(jié)果能夠?yàn)閲液暧^尺度氮素管理和環(huán)境影響評價(jià)、政策制定提供科學(xué)依據(jù)。

我國大部分氮素平衡研究均基于田塊尺度，其中以華北平原小麥-玉米輪作體系和長江中下游平原稻麥輪作體系積累了長期豐富的研究資料。表1匯總了這兩個(gè)區(qū)域有代表性的典型氮素平衡資料［12，14，16］，以便作為下文建立我國氮素管理指標(biāo)的基礎(chǔ)。

由表1可以看出，我國農(nóng)田以化肥為主要氮素輸入形式，農(nóng)戶習(xí)慣施肥在大量氮素?fù)p失到環(huán)境的情況下，氮素收支（budget）依然是正值，可以解釋為土壤氮庫累積［30，39］。說明現(xiàn)有農(nóng)田氮素管理的環(huán)境影響較大，具有很大改善空間。依據(jù)已有知識進(jìn)行的優(yōu)化施肥措施，在顯著降低氮素各種途徑損失情況下，基本實(shí)現(xiàn)了氮素輸入與輸出平衡。

我國許多短期田間試驗(yàn)也計(jì)算了氮素平衡［40］，將不施氮肥區(qū)氮素凈礦化量，作為施肥區(qū)氮素凈礦化量計(jì)算到氮素輸入項(xiàng)中，這樣會高估施肥區(qū)氮素總投入量，因?yàn)槭┓蕝^(qū)氮素凈礦化量遠(yuǎn)低于不施肥區(qū)。同時(shí)在輸出項(xiàng)中，未考慮肥料氮的固持作用，即肥料對土壤氮素消耗的補(bǔ)充作用和肥料氮的固持和殘留。實(shí)際上，在長期耕作的農(nóng)田，短期試驗(yàn)的礦化和固持基本上相當(dāng)，可以不考慮到平衡計(jì)算中。

在土壤系統(tǒng)氮素平衡計(jì)算式中，考慮了土壤氮庫變化。土壤氮庫可分為無機(jī)和有機(jī)氮庫，無機(jī)氮庫包括銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和固定態(tài)銨，有機(jī)氮庫包括可溶性有機(jī)氮（DON）、微生物氮和土壤有機(jī)質(zhì)氮庫。一般而言，通過短期試驗(yàn)來定量土壤氮庫變化是不可靠的，需要通過長期試驗(yàn)來定量［20］。許多文獻(xiàn)還將播前無機(jī)氮和收獲后無機(jī)氮分別考慮到輸入與輸出項(xiàng)中，事實(shí)上，在合理施氮范圍內(nèi)，無機(jī)氮庫在一季作物播種前和收獲后的變化不大，只是在施氮量偏低（消耗無機(jī)氮）或偏高（增加無機(jī)氮）的條件下，才有很大變化。將這一易變的不確定性較大的參數(shù)引入氮素平衡計(jì)算中，反而會掩蓋氮素虧缺或盈余的實(shí)質(zhì)。在氮素輸入與輸出平衡計(jì)算中，如果要考慮土壤氮庫的變化，筆者建議采用當(dāng)?shù)亻L期試驗(yàn)土壤全氮的年變化量［14］，而不需要考慮當(dāng)季或周年的無機(jī)氮變化量或土壤氮素礦化量。

在建立氮素平衡過程中，根據(jù)不同目的，考慮輸入和輸出項(xiàng)的明細(xì)程度應(yīng)不相同。例如Vitousek等［13］在比較肯尼亞西北、中國華北平原和美國中西部典型農(nóng)田氮磷平衡狀況時(shí)，輸入項(xiàng)僅考慮了肥料和生物固氮，輸出項(xiàng)僅考慮了收獲物移出，用來說明不同地區(qū)氮素虧缺和盈余狀況。

6 建立我國典型農(nóng)田氮素管理指標(biāo)

6.1 氮素盈余參考指標(biāo)

氮素盈余是氮素管理、評價(jià)與政策干預(yù)的重要指標(biāo)，將氮素盈余控制在允許量以下，損失氮素可以在環(huán)境中消納并重新在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)單位循環(huán)利用，就不會引起大氣、水體和土壤等生態(tài)環(huán)境退化［10］。我國尚未建立起氮素管理指標(biāo)體系，從近三十年來發(fā)表的文獻(xiàn)看，基本沿用傳統(tǒng)氮肥利用率。這種氮肥利用率僅是氮肥投入被作物利用的一個(gè)相對概念，很難反映出氮素環(huán)境影響和土壤肥力變化，更不能反映出給定系統(tǒng)氮素輸入、輸出與盈余關(guān)系［6］。鑒于國際上在衡量氮素生產(chǎn)力、環(huán)境影響和土壤肥力演變指標(biāo)方面的重新考慮和進(jìn)展，筆者認(rèn)為有必要建立我國自己的氮素管理指標(biāo)體系，以更加客觀地評判我國氮肥管理水平和環(huán)境影響，為政策制定和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

表1的優(yōu)化管理措施，華北小麥-玉米輪作年氮素盈余量為N 31 kg hm-2［總輸入（N 396 kg hm-2）-作物吸收（N 365 kg hm-2）］，但氮素收支（budget）為N -41 kg hm-2?？紤]到不可避免的氮素?fù)p失，應(yīng)該將虧缺的部分補(bǔ)償?shù)降剌斎腠?xiàng)中，這樣優(yōu)化管理的氮素盈余量應(yīng)該為N 72 kg hm-2，基本接近于歐洲氮專家組推薦的N 80 kg hm-2a-1［23］。因此，可以將N 80 kg hm-2a-1作為華北平原小麥-玉米輪作現(xiàn)有產(chǎn)量和管理水平下氮素盈余量的參考指標(biāo)。表1中，長江中下游稻麥輪作體系優(yōu)化管理年氮素盈余量為N 108 kg hm-2［總輸入（N 432 kg hm-2）-作物吸收（N 324 kg hm-2）］，這時(shí)的氮素收支（budget）為N-3 kg hm-2，接近于0。考慮到稻麥輪作中不可避免的氮素?fù)p失高于旱作，可以將N 100 kg hm-2作為長江中下游稻麥輪作體系現(xiàn)有產(chǎn)量和管理水平下氮素盈余量參考指標(biāo)。

在以上參考指標(biāo)下，這兩種輪作體系氮素生產(chǎn)力和環(huán)境效應(yīng)如表2。可以看出，將輪作體系周年的氮素盈余量控制在參考指標(biāo)以內(nèi)，小麥-玉米和稻麥輪作體系的氮素利用率分別達(dá)到81%和78%，達(dá)到了歐美國家的先進(jìn)水平；在維持生產(chǎn)力同時(shí)，將環(huán)境影響降低到可承受范圍［1］。以上參考指標(biāo)是以年尺度的輪作周期計(jì)量的，如果分配到我國主要作物如小麥、玉米、水稻上，以單季作物計(jì)量，則氮素盈余量參考指標(biāo)應(yīng)該分別設(shè)定為N 40、40和60 kg hm-2。

根據(jù)巨曉棠［8］研究結(jié)果，小麥、玉米和水稻在產(chǎn)量為4～10、4～15、4～10 t hm-2的范圍，理論施氮量（化肥+糞肥當(dāng)季供氮）分別為N 112～280、92～345、96～240 kg hm-2。在這種推薦量情況下，加上氮素盈余量參考指標(biāo)，那么氮素的總輸入應(yīng)該相當(dāng)于N 152～320、132～385、152～300 kg hm-2。生產(chǎn)上應(yīng)該根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量，將氮素總輸入量控制到相應(yīng)的指標(biāo)以下。在上述盈余量下，如果我們應(yīng)用Chen等［11］建立的氮素盈余量（或輸入量）與各種氮素?fù)p失的統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行估算，氮素各種損失途徑均較低。由于氮素盈余指標(biāo)反映的是輸入與輸出的差值，如果產(chǎn)量提高（作物吸收氮增加），那么輸入氮就需要相應(yīng)增加。讀者可以在不同土壤-氣候條件下，不同作物體系中進(jìn)一步驗(yàn)證這些指標(biāo)的合理性。

表2 允許氮盈余指標(biāo)下的產(chǎn)出和環(huán)境效應(yīng)Table 2 Targeted N uptake and environmental effect under allowable N surplus

此處舉一例來說明氮素盈余指標(biāo)的合理性。我們在北京上莊冬小麥-夏玉米輪作體系上，進(jìn)行了不同碳氮管理措施的長期定位試驗(yàn)（2006年開始），于2010—2013年連續(xù)進(jìn)行了三個(gè)輪作周期的氮素投入、盈余，0～1 m硝態(tài)氮累積，1 m硝態(tài)氮淋洗的監(jiān)測，其間的數(shù)量關(guān)系能夠顯著地以線性和指數(shù)方程回歸［41］。根據(jù)這些回歸方程，我們計(jì)算了氮素盈余量分別為0和N 80 kg hm-2時(shí)，小麥-玉米輪作體系年尺度的氮素產(chǎn)出和淋洗參數(shù)（表3）?？梢钥闯?，在氮素盈余量為N 80 kg hm-2時(shí)，輪作體系總氮素投入量和地上部吸氮量均在合理范圍內(nèi)，淋洗出1 m土體的硝態(tài)氮應(yīng)在環(huán)境容量范圍內(nèi)。關(guān)于0～1 m土體硝態(tài)氮的累積量指標(biāo)，將在下文討論。

張亦濤［42］通過地中滲濾計(jì)（90～120 cm）長期定位田間試驗(yàn)，對華北平原小麥-玉米輪作體系進(jìn)行了五年的水氮、硝態(tài)氮淋洗及產(chǎn)量效應(yīng)監(jiān)測。依據(jù)年度淋洗水量和地下Ⅲ類水硝態(tài)氮含量（＜20 mg L-1）的乘積計(jì)算農(nóng)田允許的最大硝酸鹽淋洗量。五年監(jiān)測結(jié)果表明，有淋洗事件的年份，小麥-玉米輪作年均淋失水量18 mm（11～25 mm），依此計(jì)算的農(nóng)田允許最大硝態(tài)氮淋失量為N 3.65 kg hm-2a-1。這個(gè)指標(biāo)顯然偏低，其原因可能是：（1）未包括非飽和流產(chǎn)生的淋洗；（2）以根層淋洗水的硝態(tài)氮含量作為地下水控制指標(biāo)偏低，因?yàn)榱芟此南鯌B(tài)氮在遷移至地下水的過程中還存在著轉(zhuǎn)化、稀釋等效應(yīng)，最終到達(dá)地下水的硝態(tài)氮濃度會大大降低。未來需要建立地上部氮素輸入或盈余，與淺層地下水硝態(tài)氮濃度變化的直接關(guān)系［43］，才能得到符合實(shí)際情況的控制指標(biāo)。

表3 典型冬小麥-夏玉米輪作體系氮素盈余指標(biāo)下的產(chǎn)出和淋洗Table 3 Crop N uptake and leaching in typical winter wheat-maize rotation under the allowable N surplus index（N kg hm-2a-1）

6.2 北方旱作農(nóng)田收獲后土體硝態(tài)氮允許殘留指標(biāo)

由于中國北方石灰性旱作農(nóng)田土壤普遍具有較強(qiáng)的礦化和硝化能力，盈余的氮素在作物收獲后絕大部分以硝態(tài)氮形式累積于土壤剖面不同層次［39］。通常認(rèn)為累積在根層（一般為0～1 m）的土壤NO3--N具有一定的生物有效性，但根層外（＞1 m）的NO3--N則很難被作物利用。在旱作條件下，播前根層土壤無機(jī)氮（主要是硝態(tài)氮）常被用來作為土壤氮素供應(yīng)的有效指標(biāo)［44］，而作物收獲后根層硝態(tài)氮?dú)埩粲直蛔鳛闈撛诹芟吹暮饬恐笜?biāo)［39］，用來后評估氮素管理的合理程度。

Cui等［44］通過在華北小麥-玉米輪作上大量田間試驗(yàn)總結(jié)出，在優(yōu)化氮素管理?xiàng)l件下，收獲后0～90 cm根層硝態(tài)氮應(yīng)該維持在N 90～100 kg hm-2的臨界范圍內(nèi)，既可以維持較高目標(biāo)產(chǎn)量，又可以維持較低環(huán)境代價(jià)。這個(gè)數(shù)值相當(dāng)于歐洲作物收獲后硝態(tài)氮允許殘留指標(biāo)［45］。為便于在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用，我們推薦華北平原小麥、玉米收獲后0～1 m根層的硝態(tài)氮允許殘留指標(biāo)為N 100 kg hm-2。從表3可以看出，在輪作體系年氮素盈余指標(biāo)N 80 kg hm-2a-1的情況下，兩季作物收獲后0～1 m土體的硝態(tài)氮累積量為N 254 kg hm-2，分配到每季作物，基本在N 100 kg hm-2左右。

通過文獻(xiàn)薈萃分析［39］，我們得到北方小麥、玉米不同施氮量范圍0～1 m土體收獲后的硝態(tài)氮累積量（圖6），可以看出當(dāng)施氮量低于N 100 kg hm-2時(shí)，土壤硝態(tài)氮累積量顯著低于其他施氮情況下的累積，且在不同作物下基本穩(wěn)定。我國目前小麥、玉米的推薦施氮量分別為N 150～250 kg hm-2，已經(jīng)造成了N 150 kg hm-2左右的土壤硝酸鹽累積，可見我國北方旱作土壤極易累積硝態(tài)氮［39］。因此，將作物收獲后殘留硝態(tài)氮控制在一定指標(biāo)以下，對于降低硝態(tài)氮淋洗相當(dāng)重要。

圖6 我國半濕潤區(qū)農(nóng)田0～1 m土體硝酸鹽累積與施肥量之間的關(guān)系［39］Fig. 6 Relationship between nitrate accumulation and fertilizer application in 0～1 m soil in Chinese semi-humid croplands［39］

7 結(jié) 語

本文依據(jù)國際上氮素管理指標(biāo)的研究進(jìn)展，嘗試建立了我國兩個(gè)典型生態(tài)區(qū)小麥、玉米和水稻的氮素盈余指標(biāo)。其他土壤-氣候-作物系統(tǒng)也有一些研究資料，但還需要積累更長周期的詳細(xì)資料，尤其是蔬菜與果樹生產(chǎn)體系，來發(fā)展相應(yīng)的氮素管理指標(biāo)體系。優(yōu)良氮素管理應(yīng)該將系統(tǒng)氮素盈余和氮素利用率控制在指標(biāo)范圍內(nèi)，并且最大可能實(shí)現(xiàn)氮素在系統(tǒng)之間的循環(huán)利用、最大限度降低各個(gè)系統(tǒng)向環(huán)境的氮素?cái)U(kuò)散和逸出。

發(fā)展和應(yīng)用氮素管理指標(biāo)體系，最終目的是評價(jià)和實(shí)現(xiàn)氮素優(yōu)化管理，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)生產(chǎn)力、保護(hù)環(huán)境和提高土壤肥力，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)利用和演替。這些指標(biāo)可以對現(xiàn)有管理水平和措施進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)作為基準(zhǔn)，對未來改進(jìn)措施設(shè)置目標(biāo)。有了這些可以參考的指標(biāo)體系，政府相關(guān)部門可以制定相應(yīng)的政策，在生產(chǎn)實(shí)際中貫徹執(zhí)行。歐洲與氮素管理有關(guān)的政策涉及大氣、水、生物多樣性保護(hù)等多個(gè)方面［46］。符合我國實(shí)際情況的相關(guān)指標(biāo)體系和政策法規(guī)還處于起步和建設(shè)階段。

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（責(zé)任編輯：陳德明）

Indexes of Nitrogen Management

JU Xiaotang1GU Baojing2
（1 College of Resources and Environmental Sciences，China Agricultural University，Beijing 100193，China）
（2 Department of Land Management，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China）

To assess the nitrogen（N）management in different production systems or under different scales，choosing which indicators or indexes is crucial question to be answered for improving the N management. Recently，many new concepts，methods and indicators have been proposed for the N management internationally，to objectively evaluate and improve the N management level，and to provide criteria for producers and policy makers. Although these concepts and methods have been applied to the N studies and management in China in some cases，the understanding of these concepts and methods，and how to make the calculation and interpret the results still lacks systemic knowledge. No indicators thus have been developed to guide the policy making and practical application for the N management in agricultural systems in China. Therefore，this paper introduces the concepts，definitions，calculations and result analysis of international N management. On the basis of this introduction，we attempt to integrate the results from N studies under different scales and in different soil-crop systems，summed up the N management indicators for typical crop systems，and provide a scientific basis for achieving the better N management.This study conducted literature searches on the N management indicators，summarized the concept and calculation methods of main N management indicators，including N budget，N balance，N surplus，and N use efficiency（NUE），and allowable residual nitrate in upland crops soil after harvest，and analyzed the relationship between these metrics. Results show：（1）The environmental cost is low if the N input-output of a production system within a reasonable limit under a certain technical and management level；the environmental cost increases rapidly with the increase of input after the net benefit reaching the maximum level；N inputs should be maintained within this limit.（2）N balance is an important indicator of N management and policy making，which is defined as the relationship between detail N inputs and outputs of a given system at a given time period；the excessive（surplus）or deficit（deficiency）N is calculated as the difference between N input and output on a per area basis；the concepts of N budget and N balance is different，and N budget is to calculate the detailed variations of N input，output，loss and system accumulation；N balance is divided into three categories：farm gate，soil surface，and soil system；A tiered approach is recommended to calculate the N input，output and balance from farm scale to country scale；N surplus indicators should be determined based on soil-climatic conditions，the type of ecological agriculture and environmental capacity.（3）Within a given boundary，N use efficiency（NUE）is defined as the ratio of input and output of N product：NUE = N products output / N input.（4）International community recommended to report N output and surplus simultaneously when reporting the NUE，and the relationship analysis of NUE，N output and N surplus can help to improve the N management and achieve a better goal；when NUE＜1，N output is lower than input，the N that is not removed accumulates in the soil or enters the environment；when NUE＞1，N removal is larger than N input，representing soil N depletion that would result in decline of soil fertility；the recommended NUE internationally is ranged from 0.5 to 0.9；harvested N is around N 80 kg hm-2a-1，and the N surplus is also around N 80 kg hm-2a-1；NUE＞ 0.9 indicates soil N depletion，and NUE ＜0.5 indicates low N use efficiency.（5）Soil inorganic N（mainly nitrate）in the root layer before sowing is often used as an effective indicator of soil N supply under rain-fed conditions，and residual nitrate in the root layer after harvest has been considered as a measure of leaching potential to assess the reasonableness of N management.（6）Most N balance studies are on field scale in China，and N 80 and 100 kg hm-2a-1N surplus could be the reference indexes of current production and management according to long-term accumulation of rich research data for the North China Plain wheat-maize rotation system and the Yangtze River Plain rice-wheat rotation system，respectively；the abovementioned reference index is based on a yearly rotation period，and the N surpluses should be set to N 40，40 and 60 kg hm-2if allocated to the major crops of wheat，corn，and rice in a single crop season；the allowable residual nitrate in the 0～1 m root layer should be lower than N 100 kg hm-2after the harvest of wheat and corn in the North China.The good N management should control the N surplus and NUE within the target range，maximize the N recycling and minimize the diffusion of N to the environment. Developing and applying the index system of N management is aim to evaluate and optimize the N management and achieve the targeted productivity，environmental protection，soil fertility improvement，and sustainable use and succession of the environment. These indicators can measure the existing management and measures，and as a benchmark for future improvements. The policy-makers can use these indicators to formulate corresponding policies，and implement in the practices.

Nitrogen balance；Nitrogen surplus；Nitrogen use efficiency；Nitrogen management；Nitrogen losses；Indicators

S143

A

10.11766/trxb201609150320

* 公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201503106）、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41471190，41201502）和牛頓基金（BB/N013484/1）

資助 Supported by the Special Fund for the Agricultural Public Welfare Profession of China（No. 201503106），the National

Natural Science Foundation of China（Nos. 41471190 and 41201502）and Newton Fund（Grant Ref. BB/N013484/1）

巨曉棠（1965—），男，陜西白水人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)與溫室氣體研究。E-mail：juxt@cau.edu.cn

2016-09-15；收到修改稿：2016-11-22；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2016-11-28