氮素管理的指標*

巨曉棠谷保靜

（1 中國農業大學資源與環境學院，北京 100193）

（2 浙江大學土地資源管理系，杭州 310058）

氮素管理的指標*

巨曉棠1谷保靜2

（1 中國農業大學資源與環境學院，北京 100193）

（2 浙江大學土地資源管理系，杭州 310058）

用什么指標（indicators或indexes）來衡量不同尺度或生產體系氮素管理的優劣，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，以客觀評價和改進氮素管理水平，為生產者和政策制定者提供評判標準。本文系統介紹了國際上氮素管理指標的概念、含義、計算方法及對結果的解析，包括：（1）氮素投入、收益與環境效應的關系；（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、輸出及盈余的關系；（5）旱地作物收獲后土體硝態氮允許殘留量（Residual nitrate-N）。在此基礎上，匯總了我國在不同尺度、不同土壤-作物體系氮素研究結果，初步建立了我國典型農田的氮素管理指標，為實現優良的氮素管理提供科學依據。

氮素平衡；氮素盈余；氮素利用率；氮素管理；氮素損失；指標

優良的氮素管理是獲得高產優質農產品、降低氮素環境污染、實現可持續集約化生產的重要方面。用什么指標（indicators或indexes）來衡量不同尺度或生產體系氮素管理的優劣，是提高氮素管理水平的核心問題。國內外針對評價水體質量，制定了許多關于地下水硝酸鹽污染、地表水富營養化等指標體系［1］。農業生產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業生產中氮素的管理指標。

由于土壤-氣候條件和國情的差異，西歐和北美關于耕地培育、施肥及作物生產的理念和措施與我國存在著較大差異。西歐和北美以種養結合、保護性耕作、輪作休耕和環境約束為特征的耕地培育和施肥措施，注重和依靠種植、養殖內部的養分循環，化肥僅是一種養分不足時的補充措施［2］。我國由于地力基礎、農業生產目標、管理方式和環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的產量，相應的環境代價較大，土壤退化現象嚴重［3］。這些年的經驗和教訓告訴我們，必須強化農業生產內部的養分循環，走可持續集約化發展道路。“莊稼一枝花，全靠肥當家”，這句諺語中的肥料在過去強調的實際上是有機肥，現在基本上理解為化肥了。“肥料是作物的糧食”也有理解成化肥的意思，其實這些概念都應該理解為：在強調種養結合，養分在農村或社區充分循環的基礎上，不足的部分以化肥來補充。

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認識上的差異。西歐和北美看重的是所有來源的養分在田塊、區域或國家的不同尺度和層次是否能夠循環起來，是否達到平衡；在不影響目標生產力的前提下，向環境排放了多少養分，環境是否能夠承受［4-5］。而我國往往僅用氮肥的各種利用率作為指標［6］，很難反映不同來源養分在系統內和系統間的循環利用，以及向環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［7］，以客觀評價氮素管理水平，為生產者和政策制定者提供評判標準。這些概念和方法在我國氮素研究和管理方面有零星應用，對概念和方法本身的含義、計算過程和結果解析的認識還不夠系統深入，更沒有形成我國自己可以指導政策制定和實際應用的指標體系，這是我國氮素管理整體上處于比較粗放、氮素環境污染較為嚴重的原因之一。

鑒于此，本文將系統介紹國際上氮素管理指標的概念、含義、計算方法及對結果的解析，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氮允許殘留量（Residual nitrate-N），以及這些指標之間的關系。在此基礎上，匯總我國在不同尺度、不同土壤-作物體系氮素研究結果，嘗試總結出我國典型作物體系的氮素管理指標，為實現優良的氮素管理提供科學依據。

1 氮素投入、收益與環境效應的關系

在田塊尺度上，就簡單的土壤-作物體系而言，在其他生產因素和營養元素不成為限制因子的前提下，氮素效應主要包括三個方面：（1）生產力，如作物產量和品質、經濟收益；（2）環境，如氮素各種損失途徑（氨揮發、反硝化、N2O排放、淋洗和徑流）引起的代價；（3）土壤，如土壤性質和土壤肥力的改變等。在田塊尺度氮素投入中，以化肥和有機肥為主，氮素效率通常以各種氮肥利用率作為指標，如氮肥回收率、農學利用率、生理利用率、偏生產率等，筆者將這些概念稱為傳統氮肥利用率［6］。與此相關，從氮肥施用量和產量效應關系曲線上，可以求出經濟最佳施氮量和最高產量施氮量［8］。

圖1 氮素投入、收益及環境代價之間的關系（修改自Townsend等［9］；黑色和綠色向下箭頭分別代表著技術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）

實際的農業生產單元不只是農田，還包括動物生產等；涉及不同尺度如具體田塊、農場、區域或國家等。農業生產系統是一個開放系統，對于一個劃定邊界的生產系統，存在著各種氮素輸入、流動和輸出途徑，存在著系統與環境的氮素交換。圖1表示一個生產單元各種氮素輸入、所獲得的總體收益（如產量、營養和公眾健康的總和，benefits）和環境代價（如大氣和水體污染、生態系統退化、疾病等的總和）的關系。當一個生產單元處于現有技術和管理水平下，在投入-產出-凈收益的合理范圍內，氮素引起的環境代價很小；環境代價只是在收益達到最大值以后，才開始顯著增加；氮素投入水平應該維持在這個上限以內（左邊黑色向下箭頭）。當技術和管理水平改善后，同樣的氮素投入獲得的收益增加（圖1中的深綠線），凈收益相應增加（圖1中的亮綠線）；如果維持氮素的環境效應曲線不變，則凈收益最大時的氮素投入水平相應提高（右邊綠色向下箭頭），生產單元的效益會更高。這是經濟學上投入-產出-收益的普遍規律。

歐美國家自20世紀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［10］。而我國東部集約化生產體系中，氮素投入大多數超過了凈收益最高點，有的甚至超過了凈收益零點；如果計入環境代價，凈收益很小或者為負值［10-16］。因此，需要在目標產出情況下，同時考慮收益和環境代價的氮素投入，做到收益和環境代價的協調。由此可以看出，在全面考慮一個生產單元氮素投入-產出-凈收益-環境代價的情況下，傳統氮肥利用率指標遠遠不夠。

由以上分析可以看出，氮素管理的目標：（1）在收益和環境曲線不變的條件下，將氮素投入量控制到效益最大點以前；（2）在收益曲線不變的條件下，通過技術和管理措施改進，進一步降低環境代價，能夠進一步增加氮素投入而獲得更大收益；（3）通過技術和管理水平的改進，使等量氮素投入時的收益曲線增高，在環境曲線不變或者降低的條件下，通過進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，其定義為一個給定系統在給定時間段內（一般一季作物或周年）詳細的氮素輸入（inputs）與輸出（outputs）的關系。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。一個多世紀以來，氮素平衡被廣泛用來理解農業生態系統中的氮素循環、效率及歸宿。早期的研究主要關注簡單的土壤-作物系統（例如Allison［17］）。過去三十年，在農田、農場、區域（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境影響程度［13，22］。

作物和動物生產系統（包括畜禽養殖和草地畜牧業）中均存在著氮素的輸入、流動與輸出關系，也存在著氮素在系統內（如土壤中）的累積或消耗（圖2），同時發生著系統與環境之間的氮素交換。氮素輸入是指投入到農田、農場，區域或國家尺度各種氮素的總和，如氮肥、有機肥、綠肥、生物固氮、氮沉降、動物飼料等；氮素輸出是指輸出產品氮素的總和，如作物收獲物、動物產品，其他飼草或物料的移出。根據實際情況，各個系統的輸入和輸出項略有不同。

圖2 給定邊界系統的氮素輸入、輸出、累積或消耗關系示意圖（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。氮素收支是詳細計算給定系統各種氮素輸入與輸出、損失（losses）及系統氮庫的變化狀況［Σ（Δ）］，其關系式為

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

氮素平衡是計算給定系統重要的氮素輸入與輸出項，其關系式為

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

作為氮素管理和環境政策的有效工具和指標，建立農業生態系統的氮素平衡，可以深刻理解氮素循環、效率及環境影響。原則上，可以建立任何尺度農業系統的氮素平衡。首先需要明確建立氮素平衡的系統邊界；其次需要確定計算氮流的時空精度及其數據來源。Watson和Atkinson［24］、Oenema等［25］將農場尺度的氮素平衡分為三類：即農場界面（farm gate），土壤界面（soil surface），土壤系統（soil system）。農場界面氮素平衡能夠反映農場氮素的輸入與輸出及其環境影響；土壤界面的氮素平衡可以反映土壤氮素凈負荷；土壤系統氮素平衡反映一定土體深度氮素輸入、輸出、循環、損失途徑及土壤氮庫的變化，是更加詳細的氮素收支情況。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單元，需要多年詳細研究資料的支持，一般用于探尋氮素微觀過程的變化機理、制定指標體系，其結果可為更大尺度的區域氮素平衡以及相應的社會經濟政策和改善氮素管理提供科學支撐。

農場界面氮素平衡是將農場作為一個黑箱（圖3a），詳細記錄農場界面氮素輸入和輸出數量，其輸入與輸出差值，反映了氮素在農場水平的盈余或虧缺，可以指示氮素損失和在農場水平上的變化。由于西歐以作物-動物生產的綜合農場為主（integrated farming system或mixed crop-livestock operation），荷蘭又以奶牛生產的混合農場為特色，其農場水平的研究資料非常豐富，為農業環境政策提供了充分的科學依據。農場界面氮素平衡計算式為

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）分別代表農場購進的化肥、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不是從農場界面輸入的，許多計算并不包括這兩項輸入。

土壤界面的氮素平衡是將土壤作為一個黑箱（圖3b），詳細記錄氮素輸入土壤界面和輸出土壤界面（被作物吸收）的數量。由于氮肥和有機肥的氨揮發沒有進入土壤界面，所以在輸入項中被事先扣除。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。經濟合作與發展組織（OECD）以此為依據，來衡量農業的環境影響［17］。土壤界面的氮素平衡計算式

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

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

土壤系統的氮素平衡（實質上是詳細的氮素收支）是記錄所有氮素輸入與輸出項（圖3c），包括氮素進入土壤、從土壤中的損失及土壤氮庫的變化。可以反映各種氮素損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。或者表示輸入與輸出未計入的部分（unaccounted for）。這種方法通常用于研究層次，目的在于明確氮素損失途徑。土壤系統的氮素收支計算式

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分別代表輸入農田氮素的氨揮發、反硝化、淋洗與徑流損失。

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

對于特定作物生產系統，如果農場不儲藏產品，農場界面和土壤界面氮素平衡差異很小。但對于同時有作物生產和動物生產的綜合農場，兩者的差異很大。迫于畜牧養殖對水體和大氣環境壓力，荷蘭1992年建立了以奶牛養殖為代表的示范農場“De Marke”，以長期研究和示范集約化畜牧養殖氮磷等養分管理與環境承載力，為政策制定提供依據和指標。Oenema等［25］利用該農場1993―1996年的研究資料，詳細計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、差異及結果解析，請直接查閱該文獻。

2.2 建立氮素平衡的方法

建立氮素平衡的數據往往來源于不同方面，Smaling和Fresco［26］、Smaling和Oenema［27］將數據分為：（1）數據類型，即原始數據、估計數據和假設（推測）數據；（2）數據來源，即田間或實驗室測定數據、觀察數據和統計數據；（3）數據時間跨度，即數據觀測或收集頻率，即天、月、季或年（Oenema等［25］）。收集數據和建立平衡方法取決于研究目的，往往來源于以上三個方面的結合。由于氮素輸入與輸出數據的可獲得性和質量在地區之間存在很大差異，類似于政府間氣候變化委員會（IPCC）計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）方法來計算從農田到國家不同尺度的氮素輸入與輸出［28］。

第一層（TierⅠ）：在缺乏某些地區某些作物、糞肥的氮素含量和生物固氮量等的情況下，應用一系列的全球缺省值查詢表獲得這些數據；需要提供簡單的計算式，用以演示如何將這些缺省值與當地的活動面數據（activity data）結合，如產量數據、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）：該地區農田、農場和國家尺度的各種含氮量可以獲得當地的數據，這些數據更適合該地區的土壤-氣候-作物體系，可以用這些當地數據代替Tier I的全球缺省值，計算式不變。

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查或觀測數據發展和驗證得來的。模型輸入的是相關因素，如經濟狀況、貿易、土壤、氣候、作物狀況、農田管理和產出等，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

大量研究表明，氮素盈余是衡量氮素投入生產力、環境影響和土壤肥力變化的最有效指標［25］。因為隨著氮素投入量的增加，氮素盈余量從負值、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產量，還不會引起大量的氮素損失。當氮素盈余處于負值時，盡管氮素損失很低，但作物供氮缺乏，作物產量低，還會消耗土壤氮素；當氮素大量盈余時，作物產量和品質不會增加，甚至還會降低，但氮素損失會大量增加，引起很大的環境代價。

氮素盈余的參考指標取決于土壤-氣候條件、農業生態類型及環境容量，很難制定統一的指標。如荷蘭MINAS（Minerals Accounting System）政策，對氮和磷的參考指標就綜合考慮了政策、農業經濟和環境狀況。在2003年，對砂壤和黏壤耕地年氮素盈余參考指標分別設為N 60和100 kg hm-2，而對砂壤和黏壤草地年氮素盈余設為N 140和180 kg hm-2。對磷的年盈余參考指標統一設定為P 8.7 kg hm-2［25］。

由于農業生態系統與環境影響在時間和空間上的復雜性，涉及一系列原因與結果的鏈條。盡管驅動因子-狀態-響應模型給出了評價養分盈余的清晰框架，但現實情況是復雜和容易混淆的。例如氨揮發主要來自于畜牧業；硝態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系，氮素盈余是損失的末端指標。因此，應用氮素盈余作為農業環境指標時，還需要更深刻地理解這些原因與結果形成的鏈條。

氮素平衡計算的準確度和精確度取決于方法、獲取數據策略與農業生態系統類型。其不確定性來自于多方面的偏差或誤差，例如對氮素損失途徑的定量。偏差可能來自于人為、采樣、測定或者數據擴展等因素；誤差可能來自于采樣和測定，這些均會導致含糊的或錯誤的結論。

定量這些不確定性需要：（1）系統分析和鑒別；（2）分類不確定性；（3）應用蒙脫卡羅（Monte Carlo）法區分各種來源的可能性分布；（4）對輸入、輸出和庫的變化進行較長時期的監測。對氮素平衡不確定性進行分析，有利于鑒別出農業環境原因-響應關系鏈條上的薄弱環節，從而在這些環節上加強研究。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。總之，為了更好地應用氮素盈余指標來管理氮素和制定政策，計算氮素平衡需要遵循標準步驟和方法，并進行不確定性分析［25］。

3 氮素利用率概念的發展及意義

在作物和動物生產中，存在著多種途徑的氮素輸入項，為了反映系統對整個氮素輸入的利用效率，近年來國際上提出用氮素利用率（NUE）來指示氮素在系統中的利用效率。在一個給定邊界系統中，氮素利用率定義為氮素產品輸出與輸入的比率（output/input或removal/use）即：NUE=氮素產品輸出/氮素輸入［28］。此處的系統是指定義邊界的不同尺度生產單元，可以從田塊、農場、區域到國家。氮素利用率反映的是給定系統邊界進入氮素有多少比例以產品的形式輸出系統。它不反映系統內部的氮素轉化途徑（如氮素固持、礦化或硝化），也不直接定量估算系統的氮素損失，因為沒有被產品移出的氮素可能儲存于土壤（圖2）。但是從長遠看，對于長期耕作農田，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損失到環境中。

這種氮素利用率的最大優點在于，一般容易獲得不同尺度給定系統邊界的氮素輸入和輸出數據。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據進行整合，來獲得這些數據。其復雜性在于：（1）單獨氮素利用率往往不足以評價農業系統的可持續性，需要與其他指標結合來解析；不同作物類型有不同的氮素利用率，區域或國家氮素利用率反映的是特定區域作物類型的組合情況。例如玉米的氮素利用率低于小麥，一個地區或國家中的小麥多，計算的氮素利用率較高，但這不代表氮素管理水平高，而是因為土壤-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行周年玉米和大豆輪作，計算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；如果存在更長的復雜輪作體系，則需要考慮整個輪作周期，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）在既有作物生產同時又有動物生產的綜合農場中，估算更加復雜；這種家庭農場是歐美典型農業生產方式，具有相對完整的循環農業鏈條，許多農場還包括有沼氣生產和沼氣發電；在估算這種農場的NUE時，如果作物產品不全部作為飼料需要輸出到農場外，則氮素輸出需要包括這些輸出的作物產品和動物產品（如肉、奶、蛋等），還要包括農場內部不能消納需要輸入到其他農場的糞肥，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場和國家氮素管理水平隨時間的長期變化趨勢，而不是著眼于單個年份的情況。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來維持生產力、維持甚至改善土壤肥力。充分循環利用糞肥、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質和改善結構、發揮有機和無機肥的協同效應而改善氮素利用率［28］。

類似于上面分層計算氮素輸入與輸出的方法，可以相應計算出氮素利用率。過高或過低的氮素利用率均非系統氮素管理追求的目標。過低氮素利用率往往表示對輸入氮的低效利用和較大環境代價；過高氮素利用率往往表示消耗系統的本底氮素（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，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合理范圍。提高氮素利用率和降低系統氮素盈余會降低集約化生產中因為氮素過量投入而引起的環境污染。

氮素利用率不同于氮肥利用率，是針對具有邊界系統而言的。氮肥利用率僅指在作物生產體系中，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）的補償效應，國內學者提出了氮肥有效率和氮肥真實利用率的概念和算法［6，29］。 Yan等［30］用國家尺度的數據分析了包括氮肥后效情況下的氮肥利用率，較傳統氮肥回收率高10%～46%。關于對傳統氮肥利用率理解誤區和正確解析，筆者在一篇《氮肥有效率的概念和意義——兼論對傳統氮肥利用率的理解誤區》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、輸出及盈余的關系

國際上建議在報告氮素利用率時，同時報告氮素產出（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），包括對系統的詳細描述、計算時段和方法、系統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系，表明NUE與氮素產出、盈余的連帶關系，也顯示出了相應的參考指標。這些參考指標最終必須被政策制定者采納，在實際中應用。研究NUE、氮素產出和盈余隨時間的變化，可以反映系統氮素管理水平的變化。一個系統低氮素產出和高氮素盈余意味著氮素損失嚴重，環境代價增大。可持續集約化追求的目標，在于增加氮素產出，同時維持NUE在可接受的范圍內，即將系統從左下部移至右上部。

圖4 氮素輸入、產出與氮素利用率的關系（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和氮素產出、盈余連帶關系的解析，能夠分析氮素管理水平及改善目標。當NUE = 1，氮素輸出等于氮素輸入；當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，或者進入環境；當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，包括作物和動物生產系統氮素效率很少達到100%。因此追求NUE = 1和盈余量為零的目標是不現實的。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力。一般而言，動物生產體系氮素利用率低于作物生產體系，因為動物排泄高含氮量糞尿，對其有效循環利用是提高整個系統氮素利用率的關鍵。當NUE＜0.5，存在著很大提升空間，但短期內提升難度很大。當NUE＞0.9，沒有進一步提高空間，相反需要補充土壤氮庫消耗。但這并不表示NUE在0.5與0.9之間是必須接受的，例如當NUE為0.7時，也許在某些地區的某些作物體系中很好，但在另一些地區或作物體系中仍可改進。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，及整個養分管理水平的差異［28］。

圖5 國家尺度谷物氮素產出、盈余與氮素利用率的關系［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、小農戶、區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、結果解析及應用還缺乏系統認識，沒有形成可以指導氮素管理和政策制定的指標體系。我國以小農戶為主的農業經營方式，沒有明顯的農場邊界。小農戶本身也是一個復雜生產單元，對其氮素輸入、流動和輸出研究資料很少，限制了小農戶氮素循環和流動的有效管理。寇長林［31］通過農戶跟蹤記錄方式，在山東惠民縣典型鄉鎮，研究了6個典型農戶的養分輸入、輸出與流動特征。李冬初［32］應用小農戶尺度養分監測工具NUTMON（NUTrient MONitoring［26］）進一步對該地區62個典型農戶養分循環進行了跟蹤研究，為我國小農戶尺度氮素平衡和損失情況提供了有限資料。現階段實施的鼓勵土地流轉經營政策［33］，已經形成或正在形成適度的農業規模經營單元，如家庭農場、農業公司、集體農莊和農業合作社等，未來需要加強這些新興農業經營體氮素平衡、氮素利用率及指標體系研究，為生產單元氮素管理、政策制定和實際應用提供堅實的科學基礎。

在國家和區域尺度上，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，后來逐步發展到基于子系統的氮平衡模型［34-35］。在子系統劃分上從簡單的3子系統：陸地、水體和大氣，到基于生態功能的14子系統［36-37］，同時還出現了基于核心食物養分流動的梯級平衡［38］。細致的子系統劃分，特別是14子系統的劃分［37］，可以清晰地展示國家和區域尺度上氮素內部流動過程，還可以估算農業每個環節上氮素利用效率和循環效率，評估這些效率對我國總體環境污染的貢獻。這些研究展現了我國自1980年以來國家尺度上氮素輸入的急劇增加，特別是工業氮肥的大量使用，雖然提高了工農業含氮產品產出，但總體的氮污染也呈現出快速增加趨勢。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效率、不斷增加的動物性產品消費是驅動這些變化的關鍵變量。這些結果能夠為國家宏觀尺度氮素管理和環境影響評價、政策制定提供科學依據。

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匯總了這兩個區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的基礎。

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

我國許多短期田間試驗也計算了氮素平衡［40］，將不施氮肥區氮素凈礦化量，作為施肥區氮素凈礦化量計算到氮素輸入項中，這樣會高估施肥區氮素總投入量，因為施肥區氮素凈礦化量遠低于不施肥區。同時在輸出項中，未考慮肥料氮的固持作用，即肥料對土壤氮素消耗的補充作用和肥料氮的固持和殘留。實際上，在長期耕作的農田，短期試驗的礦化和固持基本上相當，可以不考慮到平衡計算中。

在土壤系統氮素平衡計算式中，考慮了土壤氮庫變化。土壤氮庫可分為無機和有機氮庫，無機氮庫包括銨態氮、硝態氮和固定態銨，有機氮庫包括可溶性有機氮（DON）、微生物氮和土壤有機質氮庫。一般而言，通過短期試驗來定量土壤氮庫變化是不可靠的，需要通過長期試驗來定量［20］。許多文獻還將播前無機氮和收獲后無機氮分別考慮到輸入與輸出項中，事實上，在合理施氮范圍內，無機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（消耗無機氮）或偏高（增加無機氮）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引入氮素平衡計算中，反而會掩蓋氮素虧缺或盈余的實質。在氮素輸入與輸出平衡計算中，如果要考慮土壤氮庫的變化，筆者建議采用當地長期試驗土壤全氮的年變化量［14］，而不需要考慮當季或周年的無機氮變化量或土壤氮素礦化量。

在建立氮素平衡過程中，根據不同目的，考慮輸入和輸出項的明細程度應不相同。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田氮磷平衡狀況時，輸入項僅考慮了肥料和生物固氮，輸出項僅考慮了收獲物移出，用來說明不同地區氮素虧缺和盈余狀況。

6 建立我國典型農田氮素管理指標

6.1 氮素盈余參考指標

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

表1的優化管理措施，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。考慮到不可避免的氮素損失，應該將虧缺的部分補償到氮素輸入項中，這樣優化管理的氮素盈余量應該為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-玉米輪作現有產量和管理水平下氮素盈余量的參考指標。表1中，長江中下游稻麥輪作體系優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損失高于旱作，可以將N 100 kg hm-2作為長江中下游稻麥輪作體系現有產量和管理水平下氮素盈余量參考指標。

在以上參考指標下，這兩種輪作體系氮素生產力和環境效應如表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以內，小麥-玉米和稻麥輪作體系的氮素利用率分別達到81%和78%，達到了歐美國家的先進水平；在維持生產力同時，將環境影響降低到可承受范圍［1］。以上參考指標是以年尺度的輪作周期計量的，如果分配到我國主要作物如小麥、玉米、水稻上，以單季作物計量，則氮素盈余量參考指標應該分別設定為N 40、40和60 kg hm-2。

根據巨曉棠［8］研究結果，小麥、玉米和水稻在產量為4～10、4～15、4～10 t hm-2的范圍，理論施氮量（化肥+糞肥當季供氮）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，那么氮素的總輸入應該相當于N 152～320、132～385、152～300 kg hm-2。生產上應該根據目標產量，將氮素總輸入量控制到相應的指標以下。在上述盈余量下，如果我們應用Chen等［11］建立的氮素盈余量（或輸入量）與各種氮素損失的統計模型進行估算，氮素各種損失途徑均較低。由于氮素盈余指標反映的是輸入與輸出的差值，如果產量提高（作物吸收氮增加），那么輸入氮就需要相應增加。讀者可以在不同土壤-氣候條件下，不同作物體系中進一步驗證這些指標的合理性。

表2 允許氮盈余指標下的產出和環境效應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的合理性。我們在北京上莊冬小麥-夏玉米輪作體系上，進行了不同碳氮管理措施的長期定位試驗（2006年開始），于2010—2013年連續進行了三個輪作周期的氮素投入、盈余，0～1 m硝態氮累積，1 m硝態氮淋洗的監測，其間的數量關系能夠顯著地以線性和指數方程回歸［41］。根據這些回歸方程，我們計算了氮素盈余量分別為0和N 80 kg hm-2時，小麥-玉米輪作體系年尺度的氮素產出和淋洗參數（表3）。可以看出，在氮素盈余量為N 80 kg hm-2時，輪作體系總氮素投入量和地上部吸氮量均在合理范圍內，淋洗出1 m土體的硝態氮應在環境容量范圍內。關于0～1 m土體硝態氮的累積量指標，將在下文討論。

張亦濤［42］通過地中滲濾計（90～120 cm）長期定位田間試驗，對華北平原小麥-玉米輪作體系進行了五年的水氮、硝態氮淋洗及產量效應監測。依據年度淋洗水量和地下Ⅲ類水硝態氮含量（＜20 mg L-1）的乘積計算農田允許的最大硝酸鹽淋洗量。五年監測結果表明，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），依此計算的農田允許最大硝態氮淋失量為N 3.65 kg hm-2a-1。這個指標顯然偏低，其原因可能是：（1）未包括非飽和流產生的淋洗；（2）以根層淋洗水的硝態氮含量作為地下水控制指標偏低，因為淋洗水的硝態氮在遷移至地下水的過程中還存在著轉化、稀釋等效應，最終到達地下水的硝態氮濃度會大大降低。未來需要建立地上部氮素輸入或盈余，與淺層地下水硝態氮濃度變化的直接關系［43］，才能得到符合實際情況的控制指標。

表3 典型冬小麥-夏玉米輪作體系氮素盈余指標下的產出和淋洗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 北方旱作農田收獲后土體硝態氮允許殘留指標

由于中國北方石灰性旱作農田土壤普遍具有較強的礦化和硝化能力，盈余的氮素在作物收獲后絕大部分以硝態氮形式累積于土壤剖面不同層次［39］。通常認為累積在根層（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，播前根層土壤無機氮（主要是硝態氮）常被用來作為土壤氮素供應的有效指標［44］，而作物收獲后根層硝態氮殘留又被作為潛在淋洗的衡量指標［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總結出，在優化氮素管理條件下，收獲后0～90 cm根層硝態氮應該維持在N 90～100 kg hm-2的臨界范圍內，既可以維持較高目標產量，又可以維持較低環境代價。這個數值相當于歐洲作物收獲后硝態氮允許殘留指標［45］。為便于在我國農業生產實際中應用，我們推薦華北平原小麥、玉米收獲后0～1 m根層的硝態氮允許殘留指標為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土體收獲后的硝態氮累積量（圖6），可以看出當施氮量低于N 100 kg hm-2時，土壤硝態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氮［39］。因此，將作物收獲后殘留硝態氮控制在一定指標以下，對于降低硝態氮淋洗相當重要。

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

7 結 語

本文依據國際上氮素管理指標的研究進展，嘗試建立了我國兩個典型生態區小麥、玉米和水稻的氮素盈余指標。其他土壤-氣候-作物系統也有一些研究資料，但還需要積累更長周期的詳細資料，尤其是蔬菜與果樹生產體系，來發展相應的氮素管理指標體系。優良氮素管理應該將系統氮素盈余和氮素利用率控制在指標范圍內，并且最大可能實現氮素在系統之間的循環利用、最大限度降低各個系統向環境的氮素擴散和逸出。

發展和應用氮素管理指標體系，最終目的是評價和實現氮素優化管理，以實現目標生產力、保護環境和提高土壤肥力，實現生態環境的可持續利用和演替。這些指標可以對現有管理水平和措施進行評價，同時作為基準，對未來改進措施設置目標。有了這些可以參考的指標體系，政府相關部門可以制定相應的政策，在生產實際中貫徹執行。歐洲與氮素管理有關的政策涉及大氣、水、生物多樣性保護等多個方面［46］。符合我國實際情況的相關指標體系和政策法規還處于起步和建設階段。

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（責任編輯：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（農業）科研專項（201503106）、國家自然科學基金項目（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，博士生導師，主要從事農田生態系統氮素循環與溫室氣體研究。E-mail：juxt@cau.edu.cn

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