農田合理施氮量的推薦方法

張亦濤，王洪媛，雷秋良，張繼宗，翟麗梅，任天志，劉宏斌

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農田合理施氮量的推薦方法

張亦濤1，王洪媛1，雷秋良1，張繼宗1，翟麗梅1，任天志2，劉宏斌1

（1中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業部面源污染控制重點實驗室，北京 100081；2農業部環境保護科研監測所，天津 300191）

為了實現作物高產的同時降低氮素環境污染風險，確定農田合理施氮量是最有效的方法之一。作者在闡明氮肥合理施用概念及中國氮肥施用現狀的基礎上，系統分析了國內外氮肥合理施用量的主要推薦方法，包括：基于土壤測試的推薦方法、基于氮肥施用效應函數的推薦方法、基于氮素輸入輸出平衡的推薦方法以及基于淋溶水硝態氮超標臨界值的推薦方法等4種。前3種方法首先關注氮素農學效應其后評價環境效應，以獲得較好的農學效益為出發點，具有一定的科學性，在實踐中也證明了其適用性。第4種方法首先考慮氮素環境效應然后評價其對產量影響，以確保地下水硝態氮含量不超標為直接目標，能夠量化氮肥合理施用量的實際環境效應，但淋溶水硝酸鹽超標臨界施氮量的確定由于受多種因素的影響而存在一定的不確定性，其在年際間、區域間、土壤類型間的變異程度均有待進一步研究。

合理施氮量；農學效應；環境效應；最高產量施氮量；臨界施氮量

自20世紀20年代初哈伯-博施工藝（Haber- Bosch）發明以來，世界人口所需蛋白的近50%依賴于化學氮肥[1]。據估算，2020年世界化學氮肥用量可能將達到1.35億噸，到2050年將達到2.36億噸[2]。隨著農業生產中氮肥施用逐漸增加，氮肥除被作物吸收外，大量盈余氮素帶來了一系列嚴重的環境問題[3]，如地下水硝酸鹽超標、地表水富營養化、以氧化亞氮或氨揮發形式進入大氣導致的溫室效應和大氣質量降低，以及這些活性氮素通過干濕沉降返回陸地，進一步導致的生態系統多樣性下降等[4]。20世紀80年代前后，歐洲的農業生產中投入各類氮素總量一度達到2億噸（其中化學氮素近0.3億噸），由此引起的水體硝態氮超標、富營養化、溫室氣體排放等威脅到絕大多數人的飲用水和生存環境安全[5]。同期，美國由于農業氮素損失造成的環境問題亦十分嚴重，尤其是農業面源污染導致了美國各類水體的惡化[6]。氮肥施用造成的高昂環境治理成本使得發達國家首先開始考慮如何實現氮肥的合理施用，以便發揮氮肥的積極作用而減少其負面影響[7]；并促使了一系列配套環境保護政策的出臺和實施，包括硝酸鹽法案、水框架法案、地下水法案、環境空氣質量法案等[5]。

目前，中國是世界第一大氮肥生產國和使用國，過量施氮和不合理施氮問題十分嚴重[8-9]，并導致了一系列環境問題[10-12]。氮肥過量施用造成中國富營養化水體急劇增多，20世紀90年代以后富營養化水體達到85%以上；中國北方農區地下水“三氮”污染突出，集約化農田地下水硝酸鹽含量普遍較高[13]，相關研究表明，若以硝態氮含量20 mg·L-１（地下III類水）為衡量標準，農田淺層地下水硝酸鹽超標率在33%以上[14-15]；此外，氮肥施用量增加促進了氨揮發和氧化亞氮的排放，農業源氣體排放已經成為溫室氣體和大氣污染的重要組成部分[16]。為了減緩農業氮肥施用造成的環境問題，2015年中國開始實施“到2020 年化肥使用量零增長行動方案”，旨在實現主要農作物化肥使用量的零增長。然而，隨著人口增長對糧食需求的不斷增加，氮肥的使用不可避免的甚至會更多[17]，因此，確定兼顧糧食高產和環境友好的合理農田施氮量迫在眉睫。

為了確定合理施氮量，各國農業科研工作者開展了諸多研究，并因地制宜的提出了一系列氮肥用量確定方法，尤其是英國、美國等發達國家均定期發布作物施氮指導手冊[18-19]，其中詳細介紹了如何通過測定土壤氮素含量，再根據目標產量確定氮肥用量，同時，氮素平衡點、作物吸氮量、氮素利用率、經濟效益、環境成本等指標也均被用于合理施氮量的確定[20-22]。此外，針對平原旱地農田氮素流失以淋溶為主的特點，為了最大限度的防止氮淋溶引起的地下水硝酸鹽超標，不首先考慮產量高低，只要淋失出作物根區的硝態氮含量不超過《地下水質量標準》的規定，那么地下水硝酸鹽污染的禍首就不能歸咎于農田氮淋溶，因此，以《地下水質量標準》為依據計算出硝態氮含量不超標時的淋失氮量，然后通過施氮量-硝態氮淋失量響應曲線可以確定硝態氮超標臨界施氮量[23]。本文將詳細介紹現有的以作物生育期氮素需求、氮素施用效應曲線、氮素輸入輸出平衡、硝態氮淋失量等為指標的合理施氮量確定方法，并分析其科學基礎及適用性，為中國從環境角度考量化肥減量決策提供理論依據。

1 氮肥合理施用概念及中國施用現狀

1.1 氮肥合理施用的概念

氮肥合理施用的具體內容除氮素總量以外，還需要與合理的氮肥類型、施用時期、施用位置等詳細管理方法的相配套，并共同構成現代作物養分管理中常用的“4R”的概念，即正確的肥料品種（right source）、正確的施肥量（right rate）、正確的施用時間（right time）以及正確的施用位置（right place）[24]。

“4R”養分管理直接涉及到農業生產最終的經濟效益、環境效益和社會效益，并關聯了所有與農田養分管理相關的科學原理，農田實踐中，作物生長是一個極其復雜的過程，與氣象條件、土壤狀況、作物品種、播種灌溉、養分投入等多種因素相關，任一因素的限制都可能阻礙作物正常生長，諸多因素中，其他因素較為固定的情況下，養分管理成為較為靈活機動的因子，尤其養分投入量往往最受重視。因此，在以往研究過程中，大多假設氮肥類型、施用時期、施用位置是特定的、已優化狀態，而著重突出施氮量的重要性。實際上，各類方法所確定的氮肥合理施用量都有一定的前置條件，而這些前置條件都是根據已有經驗設定的，所以在合理施氮量的實際應用過程中，詳細的氮素管理細則還要根據目標產量、氮肥類型、種植結構、土壤肥力、氣象現狀等因素適當調整。可見，“4R”養分管理并不能作為單一措施而獨立存在，僅靠“4R”養分管理還不能取得最佳經濟、環境和社會效益，一套正確的養分管理措施還需要一整套其他的生產和保護性管理技術輔助才能取得成功。

總之，在其他因素基本穩定的情況下，“4R”養分管理可以成為農田管理的核心技術，氮肥類型、施氮量、施氮時期和施氮位置要統籌兼顧、不可偏廢。需要強調的是，確定合理施氮量始終是優化養分管理的關鍵和切入點，并且以往所說的合理施氮狹義上指的就是施氮總量的合理性，或者說合理施氮量已經默認了氮肥類型、施氮時期和施氮位置的最佳狀態。

1.2 中國氮肥施用現狀及存在的問題

改革開放以來，隨著中國化肥工業和肥料進出口貿易的發展，氮肥施用為中國糧食持續增產做出了重要貢獻。中國糧食產量由1979年的3.32億噸增加到2015年的6.21億噸，單產也從2 237 kg·hm-2增加到3 735 kg·hm-2。2015年，中國氮肥用量2 688萬噸，單位播種面積氮肥（162 kg·hm-2）施用量均遠高于世界平均用量（74 kg·hm-2）[25]。當前中國農資市場上傳統的氮肥種類主要有銨態氮肥、硝態氮肥和酰胺態氮肥三大類，銨態氮肥是含有銨根離子或氨的化合物，硝態氮肥是含有硝酸根離子的化合物；酰胺態氮肥主要是尿素，這是固態氮肥中含氮量最高的優質肥料，也是肥料市場最主要的氮肥類型。除了傳統氮肥，隨著科技進步，可以在土壤中緩慢釋放養分的緩效、緩釋或控釋氮肥逐漸應用到農業生產中；此外，為實現平衡施肥、提高肥料利用率，含氮復合肥生產量和施用量越來越多。隨著畜牧養殖業的發展和堆肥工藝的進步，成品有機肥也出現在農資市場上，雖然其氮素含量不高，但有利于形成腐殖質、改良土壤、抑制病蟲害、提高作物品質。

氮肥過量或不合理施用導致中國糧食作物氮肥利用率遠低于世界平均水平[10]，尤其近30年來，中國氮肥的當季利用率明顯下降，農業部公布的中國2015年水稻、玉米、小麥三大糧食作物的當季氮肥利用率為33%，進入國際上公認的適宜范圍，而低于世界糧食作物平均氮肥利用率水平[5,26-28]。已有研究表明，中國每季小麥、玉米和水稻的氮肥推薦量范圍大致為150—250 kg·hm-2，蔬菜大致為150—300 kg·hm-2，果園大致為150—250 kg·hm-2，其他作物大致為50—150 kg·hm-2，然而將這些推薦施氮量范圍應用到全國，則過量施氮、合理施氮和施氮不足面積分別占播種面積的20%、70%、10%[29]。并且，氮肥施用存在較大的區域差異，東部地區單位平均施氮量高于中西部地區，東部沿海農戶的實際施氮量遠遠超過了每種作物的推薦施氮量和全國尺度的平均施氮量[30]，這就導致東部地區農田氮素盈余量較大[31]。

中國人均耕地面積少、土地質量不均勻，為保證公平，每家每戶所擁有的土地可能分散在不同地方，但農戶在實際種植過程中通常采取相同或相似的農田管理方式，為盡可能的獲得高產，農戶過于重視氮肥的施用，因此導致田塊尺度的氮肥總量普遍較高。尤其是當前中國城鎮化進程加快，農業種植收入占家庭收入的比例相對較小、農資成本在家庭總收入中占比較低，再加上缺乏適當的施氮機械，所以農戶更喜歡省時省工的“大水大肥”、“一炮轟”等施氮方式[30]。為了提高作物出苗或促進作物吸氮，無論是基肥氮還是追肥氮，農戶大都選擇在降雨前施用，或在施用后灌溉，誠然這是一種水肥高效利用的方法，但實際操作過程中，水肥配合不恰當往往導致了水分利用率和養分利用均較低。氮肥過量施用且利用率不高的連帶效應就是對環境的污染風險[32]。朱兆良[33]在總結國內土壤氮素研究結果的基礎上，對中國農田中化肥氮的去向進行了初步估計，認為通過氨揮發、表觀硝化-反硝化、淋溶、徑流等途徑損失的氮量約52%，雖然其結論存在很大的不確定性，但總的來看，在中國主要糧食產區，氮肥利用率較低、損失率較高是無疑的。

1.3 合理施氮量的確定

為了維持作物高產并緩解農戶過量施氮造成的環境問題，確定合理施氮量是最有效的方法之一。最具代表性的是，歐盟為保障地下水水質安全而制定了硝酸鹽法案（Nitrate Directive），其中限定了農戶施氮量上限（有機肥氮＜170 kg·hm-2），但此類法案的制定必須有充足的科學依據[34-35]，換言之，必須保證所確定的施氮量至少不能導致地下水污染，而目前中國缺乏此類研究。諸多研究已對氮肥的合理施用進行了探索[22,36-38]，也找到了很多用于指導施氮的指標，如產量、經濟效益、作物吸氮量、環境風險對比、氮素平衡點、葉綠素含量等。

實踐中，最常見的農田施氮量確定方法主要有三類[39]：通過作物生育期土壤和作物測試確定各生育階段施氮量的測試類方法、基于作物收獲后的施氮量-產量（或經濟效益、環境效益等）效應函數確定合理施氮量的田間試驗類方法、根據作物-土壤系統氮素的輸入與輸出平衡關系計算的氮肥施用量[20]。這三類方法所確定的合理施氮量以保障作物正常生長、優質高產、氮素高效利用等農學效應為出發點，例如文獻中最常見的以實現作物高產為目的所確定的最高產量施氮量（即最高產量施氮量，低于這一施氮量，糧食產量降低），雖然這些方法可對不同施氮量的環境風險進行對比，但并不能直接用于確定環境排放或污染的臨界施氮量（高于這一施氮量，恰好產生環境污染），如施氮量-氨揮發效應曲線呈直線或指數關系，雖然眾所周知氨揮發量越少越好，但卻不能明確導致氨揮發環境污染的施氮量突變點。

隨著農田氮素損失帶來的環境問題及公眾對環境的關注，合理施氮量確定方法也從以往首先考慮農學或經濟效益轉向首先考慮環境效益，也就是第四類施氮量確定方法，即根據環境效應直接確定環境臨界施氮量。農田氮素環境指標包括淋溶氮、徑流氮、氨揮發、氧化亞氮等，各指標之間相互關聯、相互影響，實際監測過程中難以全面兼顧所有指標。因此，若想從氮素環境效應角度直接確定施氮量，需要選擇一個合理的氮素環境指標作為切入點。

2 國內外常見的氮肥合理施用量推薦方法

2.1 基于土壤測試的推薦施氮方法

基于土壤-作物測試的推薦施氮方法是指在作物關鍵生育期間，通過測試土壤或植株氮素含量判斷所施用的氮素是否合理，進而調整施氮策略，是當前提高氮肥利用率、減少氮素損失的最先進推薦方法[40]。這類方法多從滿足作物全生育期或某一階段養分需求的農學角度指導氮肥實時施用，而不局限于每年的施氮量必須相同。此類方法可以指導何時施氮，確定經驗施氮量，可能間接緩解了環境污染風險，但并未直接考慮氮肥施用的環境效應[37-38]，其代表性方法包括葉綠素測定儀[41]、土壤-作物系統綜合管理[42]、推薦施肥專家系統[43]等。

農業研究和生產中常用的葉綠素儀是日本生產的手持式土壤、作物分析儀器開發（Soil and Plant Analyzer Development，SPAD），可以非破壞性地、快速地、較精確地測量葉片葉綠素相對含量，并以此診斷作物氮素營養狀況，在作物關鍵生育期測定SPAD值，若表現出缺氮特征則指導后期追施氮肥，這一方法應用的關鍵在于確定不同作物、不同生育期、不同管理模式下的SPAD臨界值[44-45]。

土壤-作物系統綜合管理根據作物不同生育時期土壤供氮能力和目標產量需氮量確定不同生育階段作物氮素需求[42]，通過根系氮素實時調控實現作物氮素分期管理，滿足各生育期養分需求（圖1）。該方法確定的施氮量在年際間、田塊間可能顯著差異，這主要是因為土壤氮素供應能力在年際間和田塊間均存在變異性。

圖1 根層土壤氮素實時調控管理[11]

推薦施肥系統是農田測試結果與計算機信息技術的結合，如Nutrient expert推薦施肥專家系統，該系統在農戶回答一些簡單問題后就能給出基于作物栽培管理措施的推薦施肥套餐，農戶所回答的問題包括農戶產量、農戶管理措施、土壤肥力指標、當季或上季作物施肥，所推薦的參數包括目標產量、種植密度、各類純養分用量、市場常見化學用量，同時可以給出作物生長期間推薦施肥時間和次數[46]，盡管所得結果客觀上有利于降低氮素施用環境風險，但該系統推薦施肥的主要依據還是作物產量反應和農學效率。

2.2 基于氮肥施用效應函數的推薦施氮方法

氮肥施用的最主要目的就是為了實現作物高產，以田間氮肥用量試驗為基礎建立施氮量與產量的效應方程（一元二次方程或線性加平臺方程），可以通過產量拐點確定最高產量施氮量（圖2），類似的，通過施氮量與作物吸氮量、經濟效益等指標之間的效應方程也可以通過曲線拐點確定基于不同指標的最佳施氮量。此類方法并未直接考慮氮肥施用的環境效應，其優勢是可以通過明顯的拐點或突變點確定合理施氮量[22,36]，但所推薦的施氮量必須以前幾年的試驗為基礎，鑒于年際間氣候條件和田間管理等自然因素和人為因素可能存在的差異，其在時間和空間上的適用性可能會受到一定限制，然而，該方法仍然是當前推薦施氮量的常用方法。

除氮肥施用的農學效應和經濟效益以外，氮肥施用與氨揮發、氧化亞氮排放、氮淋溶、氮徑流等氮素環境指標也可以建立效應方程（圖3），但該類方程多呈直線或指數函數形式[11]，因此，此類函數僅可用于不同施氮量之間的環境風險對比，盡管據此可以確定一個環境污染風險相對較低的施氮量[47-48]，但無法明確環境污染拐點或突變點（圖3），即無法明確所推薦的施氮量是否直接導致了環境污染，換言之，以氮素環境風險為基礎難以直接確定推薦施氮量。因此，隨著氮素損失所造成的環境惡化及公眾對環境的關注，確定施氮量的方法必須從以往單一考慮產量或經濟效益轉向綜合考慮產量和環境效益，這一理念下，量化氮素環境效應的途徑有間接法和直接法。間接法：將氮素排放的污染物換算為污染治理成本，這就將環境問題轉化成了經濟問題，從而形成施氮量與經濟效益（扣除環境治理成本）的效應關系[22,49]，進而明確施氮量拐點；直接法：若能在氮肥施用的環境效應曲線上劃出一個限值（圖3），其對應的施氮量則可認為是施氮量突變點。但如何在氮肥環境效應曲線上劃定限值就成為一個難點。

圖2 氮肥施用與產量、吸氮量或經濟效益之間的效應曲線

圖3 氮肥施用的產量效應和環境效應雙曲線

2.3 基于氮素輸入輸出平衡的推薦施氮方法

一般情況下，氮肥只有施用于土壤中才能被作物吸收，氮素損失也主要發生在土壤與空氣或水體的界面上，因此，將作物-土壤看成一個穩定的綜合生態系統，當系統中氮素的輸入輸出保持平衡時對環境的影響最小。國內外農業生產中普遍采用氮素平衡管理的概念來推薦施氮量或評價氮肥肥效[20]，實際上，上述兩類方法中也含有氮素平衡施用的理念，如第一類方法中的根層土壤氮素實時調控實現了作物各生育階段的氮素平衡，第二類方法中的施氮量-吸氮量效應方程體現了作物生長過程的氮素表觀平衡。區別在于，第一類以作物生育期間實時調控為基礎，第二類以作物生長吸氮經驗反饋為基礎。

農田作物-土壤生態系統中，氮素輸入項主要有干濕沉降、灌溉攜帶、種子攜帶、種前土壤殘留、生育期土壤供應、共生固氮、化肥、有機肥、秸稈還田等，其中，多數地區農田氮素來源主要為化肥、有機肥和秸稈，這三種氮素構成農田外源氮，其他類氮素可統歸為農田本底氮。氮素輸出項包括作物吸收、氨揮發、硝化-反硝化、根層淋溶、徑流出田、收獲后土壤殘留。理論上，按照物質守恒定律，若要維持土壤氮素平衡，則氮素輸入應等于氮素輸出，據此則可確定化肥氮的投入量。然而，氮平衡計算過程中，某些氮指標需要在作物生長過程中測定，某些氮指標需要利用前些年的監測結果，并且所涉及到的計算項目過多，這就導致其自身誤差和不確定性可能較大。

深刻分析作物-土壤系統氮素平衡所涉及的氮素指標及其相互關系，在中國目前的施肥技術條件下，推薦施氮量也可以約等于作物地上部氮素攜出量（中國專利號：ZL 201010548476. 0），部分田間試驗和同位素示蹤試驗也證實了這一方法的合理性和適用性[20]。這種簡化的推薦施氮公式為確定施氮量提供了新思路，然而，中國農業區域跨度大，氣象條件、土壤供氮能力等均存在差異，因此，如何精確確定某一地塊作物目標產量和作物氮素含量從而計算作物地上部氮素攜出量仍不是單個農戶能解決的，并且長期采用該方法對土壤、作物和環境的實際影響也有待試驗驗證。

2.4 基于淋溶水硝態氮超標臨界值的推薦施氮方法

在中國關于環境問題的法律、法規和標準中，尚無直接針對氮肥施用環境污染的限制性規定，但也可以從中找到一些與氮素相關的指標，如中國《地下水質量標準（GB/T 14848—2017）》將硝態氮含量作為重要的水質分類指標之一，其中，以人體健康基準值為依據（NO3--N濃度≤20 mg·L-1）的III類水，是集中式生活飲用水水源及工農業用水的最低標準，這與國內外相關的地表水和飲用水標準有所不同。中國《地表水質量標準》、美國和世界衛生組織都將飲用水硝態氮含量標準規定為10 mg·L-1，而歐盟規定飲用水中的硝態氮不得超過11.6 mg·L-1，但考慮地下水與地表水的不同、以及中國地下水利用現狀，因此，本文選擇20 mg·L-1作為地下水硝態氮含量是否超標的最低標準。當然，在農田實踐中，所采用的硝態氮含量標準可以根據特定田塊的土地利用方式進行調整。研究表明，農田地下水硝態氮含量超標主要是由氮肥過量施用后的淋失造成的[13,50]，據此可將農田氮肥施用與地下水水質關聯起來。若以硝態氮含量20 mg·L-1作為根區淋失水的氮含量上限，其與水分淋失通量的乘積可作為農田允許最大硝態氮淋失量，即可在氮素淋失效應曲線上找到其對應施氮量作為地下水硝態氮超標臨界施氮量（圖4），進而評價所確定的臨界施氮量是否存在減產風險。

圖4 基于施氮量-氮素淋失效應曲線確定淋溶水硝態氮超標臨界施氮量（其中，農田允許最大硝態氮淋失量=水分淋失通量×硝態氮含量標準）

為了評估多年尺度的、不同氣象條件下的氮肥淋失特征和產量效果，在實地監測的基礎上，氮循環機理模型不斷被應用于氮肥施用效果評價，如SWAT、DSSAT、LEACHM、DNDC等，其中DNDC模型參數更易獲取、操作方便，適用于分析點位和區域尺度的農業生態系統碳氮循環，其農田氮素淋失模擬能力較強[51-52]，可模擬、預測不同氣象、土壤、作物管理條件下的氮素動態變化（以天為步長），并且經過驗證的模型可通過情景分析探索兼顧產量效益和環境效益的優化農田管理措施[53]。已有研究對華北平原典型農田2007—2012年的大型滲漏池監測數據進行了初步分析和方法探索[23]，根據水分淋失通量和地下III類水質標準計算了農田允許最大硝態氮淋失量，利用DNDC模型模擬了連續多年度的硝態氮淋失通量和作物產量，初步明確農田淋溶水硝態氮超標臨界施氮量為240 kg·hm-2，只要施氮量不超過這一限制，就不會造成地下水硝態氮超標；同時，施氮量—產量響應曲線顯示，保障最高作物產量的施氮量是180 kg·hm-2，從而構成兼顧作物產量和淋溶水水質安全的施氮空間（180 kg·hm-2，240 kg·hm-2），因此，現有條件下所確定的農田臨界施氮量并不會導致作物減產（圖5）。然而，該研究并不全面，未闡明農田允許最大施氮量等于或低于作物最佳產量施氮量的情況，未區分不同降雨年型對農田允許最大施氮量的影響，未明確所得結果在其他區域的適用性，也未闡明由于區域土壤、氣候差異對所得結果的影響程度，這都需要在以后的研究工作中持續關注，也是未來研究的重點。

圖5 施氮量-產量和施氮量-硝態氮淋失量效應雙曲線（每個點均為多年連續結果的平均值）

理論上，淋溶水硝態氮超標臨界施氮量對產量的影響可能存在3種形式（圖6）：當臨界施氮量等于或高于最高產量施氮量時，則所確定的臨界施氮量無產量風險，但當臨界施氮量低于最高產量施氮量時，則所確定的臨界施氮量存在產量風險，必須進一步探索相應的產量風險解決方案（如降低目標產量、調整土地利用方式等）。然而，此類研究思路往往由于農田淋溶監測難度、年限和方法的限制，使得水分淋失通量和氮素淋失曲線都難以明確。

確定農田淋溶水硝態氮超標臨界施氮量的關鍵是明確水分淋失通量。滲濾、抽濾等土壤溶液原位采集技術是農田淋失監測常用的方法，滲濾池監測技術早在19世紀初就應用到了氮素淋失研究中[54]，此后經過上百年的實踐，目前已經形成了土鉆采樣化驗、模擬土柱、溶液抽濾、溶液滲濾、離子交換樹脂等多種氮素遷移淋失的監測方法[55]。眾多方法中，以承接土壤滲濾溶液為主的大型滲漏池，其監測土體之間互不干擾、出水穩定、覆蓋面積大，能夠收集監測土體內全部滲濾液，且適于長期定位監測，但安裝技術要求高、工程量大且費用高昂，因而此類監測裝置在中國應用較少[55-56]。本質上，農田淋失是土壤與降水或灌溉水相互作用的過程，降雨和灌溉是淋失的主要驅動力，氮素是隨水流動的溶質，然而，并不是每次降雨或灌溉都會導致農田淋失。從單次淋失事件來看，灌溉或降雨尤其是強降雨條件下[57]，上層土壤水分飽和時，氮素隨水分向下淋溶，直至淋失出根區而最終進入地下水[58]；而從長年尺度來看，少雨季節或干旱年份，氮素首先在土壤中大量積累，遇降雨季節或多雨年份時，土壤累積的氮素才會隨水大量淋失，因此，即使相同施氮條件下，氮素淋失通量也存在較大的年際差異[23]。由于淋失監測方法和技術的限制，目前的研究監測年限普遍較短[59-60]，而對長時間尺度的淋失監測相對較少，這就難以區分不同降雨年型的水分和氮素淋失通量變化及其年際差異，進而也導致從年際尺度上基于地下水質保護確定的臨界施氮量可能并不適用于所用年份。此外，氮素施用時期和施用方法與氮素淋失發生風險和作物產量密切相關，因而所確定的農田臨界施氮總量在作物生育期間如何分配也有待深入研究。

圖6 農田硝態氮超標臨界施氮量與最高產量施氮量間的可能關系

Fig. 6 Probable relationships between critical nitrogen and nitrogen rate of highest yield in farmland

3 結語

中國人口眾多，而可耕土地面積相對較少，隨著計劃生育政策的調整，糧食壓力必將持續增加，為了滿足日益增長的糧食需求，土地不但面臨著長期復種不休耕的壓力，大量農藥、化肥尤其是氮肥的投入，也將導致土壤質量和農田環境質量不斷下降。理論上，最佳狀態是所施用氮素恰好滿足作物生長需求，但100%的氮素利用率是不可能的，因此，找到資源投入、糧食產出與環境安全之間的平衡點至關重要，而確定氮肥合理施用量是其中最有效、最關鍵的環節之一。

現有各類推薦施氮方法雖然切入點不同，但無論是以農學效應還是以環境效應為衡量指標，都具有充分的理論基礎，相關文獻報道也屢見不鮮，尤其是產量、經濟效益、氮素平衡等都是常用的判定指標。然而，對大多數農戶來講，產量仍然是確定農田施氮量最優先的衡量標準，因此，不管何種施氮量推薦方法，無論首先關注農學效應還是首先考慮環境效應，產量都是一個必須考量的指標。在當前環境問題尤其是農田面源污染日益凸顯的情況下，為了最大限度的防止由農田施氮引起的地下水硝酸鹽污染，利用《地下水質量標準》限制農田施氮量，為探索臨界施氮量提供了可能。

確定農田合理施氮量是以“施氮總量”為切入點、“4R”優化再優化的動態過程，還應該注意到，氮肥過量施用對氮素氣態損失的影響也非常大，在當前大氣污染以及溫室效應愈發嚴峻的情況下，為了提高氮肥利用率并盡可能的降低各種形態的氮素損失，優化或限制農田施氮量、實施國家及區域氮素調控等實質性措施勢在必行。

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（責任編輯 李云霞）

Recommended Methods for Optimal Nitrogen Application Rate

ZHANG YiTao1, WANG HongYuan1, LEI QiuLiang1, ZHANG JiZong1, ZHAI LiMei1, REN TianZhi2, LIU HongBin1

(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/ Key Laboratory of Nonpoint Source Pollution Control, Ministry of Agriculture, Beijing 100081;2Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture, Tianjin 300191)

In order to obtain high crop yield and low environmental nitrogen (N) pollution risk simultaneously, identifying the optimal N application rate is one of the most effective methods. Based on the theory of optimal N application and the present situation of N fertilizer application in China, we summarized the recommended methods for optimal N rate used in current research. The existing recommended methods for optimal N rate were soil nutrient regulation during crop growth, N application effect curve, balance of N input and output, and the critical N rate based on standard nitrate-N of leaching water from farmland. The first three methods, which focused on agronomy effect firstly and then assessed its environmental effect, were for the purpose of obtaining better agronomic benefits. All of these three methods were scientific and reasonable, which had proved their application in practice. The forth method focused on environmental effect firstly and then estimates its effect on yield intending to prevent nitrate pollution of groundwater, which could quantify the actual environmental effect of optimal N application rate. However, the critical N application rate of the forth method has some uncertainty because of many influencing factors, and its variation under different years, different regions and different soil types need be further studied.

optimal N application rate; agronomy effect; environmental effect; N rate for the highest yield; critical N rate based on standard nitrate-N

2017-10-11；

2018-01-15

國家自然科學基金（31701995, 31572208）、國家重點研發計劃項目（2016YFD0800101）、國家留學基金管理委員會創新型人才國際合作培養項目（2015-7169）、牛頓基金（BB/N013484/1）

張亦濤，E-mail：ytzhang1986@163.com。通信作者劉宏斌，E-mail：liuhongbin@caas.cn

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.15.009