氣候-土壤-作物之間氮形態契合在氮肥管理中的關鍵作用*

程 誼 張金波 蔡祖聰

（南京師范大學地理科學學院，江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心，南京 210023）

氮素是植物生長發育所必需的營養元素。施用氮肥是獲得作物高產和高品質的關鍵措施。若無化學氮肥的施用，無法維持全球70億人口的糧食供應，也無法解決我國14億人口的糧食問題。隨著全球人口的不斷增加，預計全球氮肥施用量將持續增加[1］。但是，過量的氮肥投入造成了嚴重的生態環境問題，如地表水體富營養化、地下水硝酸鹽污染、土壤酸化、大氣污染、溫室效應等[2-5］。因此，為解決糧食安全與生態環境安全之間的矛盾，必須建立“科學、經濟、環?！笔┓蕿閷虻氖┓手贫?。一般而言，首先要確定作物的適宜施氮量，提高氮肥當季利用率；在此基礎上，研發優化的氮肥管理措施進一步發揮氮肥的增產作用，減少氮肥施用量[6-7］。概括地，主要管理理念是選擇正確的肥料品種、采用正確的肥料用量、在正確的施肥時間施用于正確的位置[8-9］。確實，在全球范圍內探索每個地區不同作物的合理施氮量已獲得足夠的重視，因為其簡便易行并直接關系到施肥成本，而肥料種類、施肥時期和施肥位置研究卻難受重視，推廣也較困難。雖然人們已經意識到提高施肥頻率、降低基肥比例（前氮后移）、肥料深施、施用高效肥料（緩控釋肥、配施硝化抑制劑、配施脲酶抑制劑）、測土配方施肥、輪作制度調整等氮肥優化措施可以增產、減排[7,10-11］，但是，實際生產中，具體的植物養分管理措施還取決于作物氮形態喜好特性、土壤氮素轉化特點以及氣候條件等因素。即使是養分充足的肥沃土壤，在排水不良、干旱和其他因素的限制下作物仍然難以高產[8,12］。這表明優化措施的實際效果因作物、土壤和氣候條件不同而出現差異，也意味著將氮肥管理與植物-土壤-氣候系統緊密結合有望進一步提高氮肥利用率，減少氮損失。

1 氣候與土壤的契合程度

銨態氮和硝態氮是土壤中主要的可利用氮，土壤保持氮的能力主要取決于土壤氮轉化特性決定的無機氮主導形態，及其與土壤性質、環境條件的契合程度。銨態氮易通過氨揮發而擴散至大氣中，所以在中性、堿性土壤中易損失，而在酸性土壤中易被土壤吸附固定；而硝態氮的損失途徑主要是徑流、淋溶和反硝化過程，所以其在濕潤多雨的地方極易損失，而在干旱地區可保存于土壤中。在干旱地區，地帶性土壤一般為堿性，自養硝化速率高，土壤無機氮以硝態氮為主，有利于土壤氮保持[13］。如我國黃土高原地區，過量施用氮肥，產生的硝態氮絕大部分積累于土壤剖面[14-15］，需要相當長的時間才能進入地下水體。在濕潤地區，地帶性土壤一般為酸性，自養硝化作用一般很微弱，土壤無機氮以銨態氮為主，酸性土壤條件可有效抑制氨揮發損失，硝態氮產生少，有效地減少了氮隨水遷移的損失，所以有利于土壤氮保持[13］。由此可見，地帶性土壤氮轉化過程、特點與氣候條件契合程度高，表現出較強的無機氮保持能力。非地帶性土壤如果不能與氣候條件高度契合，則不利于土壤無機氮的保持，如紫色土。由于成土年齡小，我國濕潤亞熱帶地區分布有較大面積的紫色土，繼承了成土母質的堿性特點，土壤呈中性或堿性，而不是地帶性土壤的酸性，硝化作用強烈，土壤無機氮以硝態氮為主，極易損失。因此，硝態氮是紫色土小流域氮素流失的主要形式[16］。此外，農業利用，特別是氮肥的施用，會明顯促進我國濕潤亞熱帶地帶性土壤的硝化作用[17］，農田土壤無機氮由銨態氮占主導轉變成硝態氮占主導，增加硝態氮淋溶和徑流損失的風險。例如，對江西12個非農業土壤和10個農業土壤的測定表明，前者銨態氮占無機氮的比例平均為80%，后者平均僅占17%，硝態氮占農田土壤無機氮的83%，淋溶風險可想而知[18］。由此可見，在濕潤亞熱帶和干旱、半干旱地帶性土壤上大量施用氮肥對環境影響途徑可能存在差異，對于前者，施用大量氮肥首先破壞土壤保氮機制，然后導致活性氮向環境的擴散增加；對于后者則主要是農田生態系統氮素盈余引發環境問題。

2 土壤與植物的契合程度

2.1 確保施入的氮肥形態與作物氮形態喜好高度契合

就氮素形態而言，銨態氮和硝態氮均能被植物吸收。雖然從能量角度而言，植物吸收銨態氮較吸收硝態氮消耗的能量要少[19］，但是在長期進化過程中植物與特定環境條件相適應，許多植物對銨態氮和硝態氮這兩種不同形態氮源的吸收具有偏向選擇性（喜好）。一般而言，大多數旱地作物，如小麥、玉米、蔬菜、煙草等偏好硝態氮，而適應酸性土壤生長的嫌鈣植物（如茶葉、藍莓）和適應低氧化還原勢土壤條件下生長的植物（如水稻）偏好銨態氮[20-22］。這可能是植物對其原始營養生境（如銨態氮優勢生境或硝態氮優勢生境）長期生理適應的結果，一般而言，植物總是趨于偏好其自然生境中最豐富的氮源形態[23-25］。酸性或低氧化還原勢生境下硝化作用較弱甚至缺失，銨態氮占據主導地位；而旱作生境下硝化較快，硝態氮占優勢地位[26］。因此，理論上在等氮投入情況下，對于喜銨作物施用銨態氮肥較施用硝態氮肥增產效果會更突出，同樣地，對于喜硝作物施用硝態氮肥較施用銨態氮肥效果可能更好，這也是最大化滿足作物氮需求與氮供應同步。大量研究表明，在等氮條件下施銨態氮或尿素氮肥時喜銨作物的產量確實明顯高于施硝態氮肥[20,27-29］，施硝態氮肥時喜硝作物的產量明顯高于施銨態氮肥[30-32］?？梢?，只要滿足作物氮形態喜好與氮肥形態高度匹配，就可以顯著提高作物產量和氮肥利用率。在實際生產中，就要求針對作物氮形態喜好選擇契合程度高的氮肥品種。然而，幾十年來，我國乃至全球主要氮肥品種為銨態氮肥和酰胺態氮肥（尿素）[11］，在我國，尿素占氮肥總量的比例高達60%，而硝態氮肥比例則不到5%[33-34］，以致在實際生產中無論對喜銨作物還是喜硝作物一味施用銨態氮肥或者酰胺態氮肥。施用非硝態氮肥對喜硝作物的生產極其不利，此時作物喜好與氮肥形態契合程度低，作物不能及時有效吸收氮肥，同時，高濃度銨態氮亦容易對喜硝作物產生毒害[31,35］，必然導致氮肥利用率低以及氮大量損失。因此，這要求化肥工業不斷優化氮肥品種結構，改變當前以尿素等產品為主的氮肥結構，適時增加硝態氮肥的比例。

2.2 土壤氮轉化特性決定無機氮形態與作物氮喜好的契合程度

然而，即使施入的氮肥形態與作物氮喜好契合程度高亦未必產生高的氮肥利用率。因為施入農田的氮肥形態并非一直不變。氮肥進入土壤后會迅速發生一系列的轉化過程，如硝化（氨氧化）、微生物同化、反硝化等[36-37］，所以氮肥形態與作物氮喜好契合程度可能會受土壤氮轉化特性的影響。

對于喜銨作物，如果施入的銨態氮肥在很短時間內轉化為硝態氮或者微生物生物量氮，則施入的氮肥形態與作物氮形態喜好的契合程度降低，勢必造成低的氮肥利用率和高的氮損失。最近的研究表明，施銨態氮肥時喜銨作物甘蔗的氮肥利用率與施硝態氮肥時相當[38］，這很可能是因為施入的銨態氮肥在很短時間內通過硝化過程轉化成了硝態氮，降低了氮形態與作物氮形態喜好的契合程度。Zhang等[20］的研究結果印證了這一觀點，對于旱作喜銨作物土豆，種植在酸性土壤中施銨態氮肥較硝態氮肥具有更高的氮肥利用率，但在偏堿性土壤中兩種形態氮肥間的氮利用率無明顯差異，主要原因是酸性土壤硝化速率較慢，銨態氮能夠在土壤中存在更長的時間，而硝化較快的偏堿性土壤中施入的銨態氮肥在1周甚至更短的時間內就轉化成了硝態氮。同樣地，對于喜銨作物水稻，種植在酸性土壤中銨態氮肥的利用率顯著高于偏堿性土壤，而硝態氮肥的利用率在酸性和偏堿性土壤中無顯著差異[29］，這也是因為偏堿性土壤高的硝化速率降低了氮形態與作物氮形態喜好的契合程度。此外，隨土壤硝化速率的增加，水稻氮肥利用率逐漸降低且氮損失增加[39］。因此，與酸性土壤相比，堿性土壤中要獲得相同的水稻產量需要施用更多的氮肥[29］。這也證實了如果最大化提高土壤氮素轉化特點、氮肥形態以及作物氮喜好的契合程度，完全可以實現減氮增效。

對于喜硝作物，如果施入的氮肥形態是銨態氮肥或者尿素，那么這時候作物吸氮量取決于土壤將施入的氮肥轉化為硝態氮的能力。例如，Zhang等[20］發現，無論是酸性還是偏堿性土壤，施銨態氮肥時喜硝作物黃瓜的氮肥利用率均低于施硝態氮肥，但是兩者之間的差距隨土壤pH增加而縮小。這表明隨著旱作土壤硝化速率的增加，銨態氮肥的效果越來越接近硝態氮肥，當硝化速率快到一定程度時，施銨態氮肥的效果幾乎等同于施硝態氮肥。雖然，旱作土壤較強的硝化能力能在一定程度上將銨態氮肥轉變為硝態氮，保證作物產量，但是硝化過程致酸，導致土壤嚴重酸化[3,40-41］，而且施入的銨態氮肥很容易通過NH3揮發發生大量氮損失，尤其在我國華北平原，NH3揮發損失占氮肥用量的比例高達23%[42］。

3 氮肥管理措施應滿足氣候-土壤-作物之間氮形態高度契合

總體而言，喜銨作物應施銨態氮肥，并種植在硝化速率較低的土壤中為最佳，比如熱帶-亞熱帶地區酸性土壤。但是，在硝化速率較高的中性和偏堿性土壤中種植喜銨作物，如水稻并獲得高產也并非不可能，這時候需要施用新型高效肥料（緩控釋肥、配施硝化抑制劑、配施脲酶抑制劑）來抑制硝化作用以及可能的氨揮發損失[20-21］。當然，許多酸性土壤在長期施肥刺激下，硝化速率并不低，也需要施用高效肥料[43-44］。喜硝作物應以施硝態氮肥為最佳，但是鑒于硝態氮易損失，在高溫多雨的熱帶和亞熱帶地區施用，應注意降雨驅動的氮損失；如果以銨態氮肥或者尿素為氮源，喜硝作物應種植在硝化速率較高的土壤中，比如干旱和半干旱地區中性或堿性土壤，同時采用肥料深施技術或配施脲酶抑制劑，以降低氨揮發損失。

然而，在實際研究中，人們普遍施用高效肥料以求增產減排，并未因作物和土壤不同而區別對待[7,10-11］。比如，包膜肥料能顯著降低水稻種植期間N2O排放、NH3揮發和N淋溶損失并增產，而對于玉米、小麥、蔬菜等旱作作物，包膜尿素雖然也能降低各種氮損失，但作物產量和氮肥利用率響應卻不明顯[11］。施用硝化抑制劑能夠提高水稻產量以及氮肥利用率，但是對玉米、小麥、蔬菜等旱作作物的增產很小甚至可忽略不計[11］。施用脲酶抑制劑能夠顯著降低NH3揮發損失，但對水稻的增產較旱作作物和草地更明顯[11］。此外，硝化抑制劑雖然能夠顯著降低N2O排放和N淋溶損失，但不可避免會刺激NH3揮發引起的氮損失。因此，這也要求人們在施用硝化抑制劑的時候須輔以NH3減排措施，如肥料深施、配施脲酶抑制劑等等。但是，實踐證明，施用雙重抑制劑（脲酶抑制劑和硝化抑制劑）并不能提高旱作作物產量和氮肥利用率[11］。一般認為，高效肥料對水稻增產減排優于玉米、小麥等旱作作物，其原因是水稻種植期間相對恒定的生物物理環境，如氣溫和土壤濕度，給高效肥料發揮功效創造了條件。但是，事實上這三種高效肥料的基本作用是為了延長銨態氮在土壤中的滯留時間，比如硝化抑制劑抑制銨態氮轉化為硝態氮，脲酶抑制劑抑制NH3揮發，包膜尿素控制銨態氮肥緩慢釋放，其最終有利于喜銨作物而不是喜硝作物。因此，高效肥料對水稻增產減排優于玉米、小麥等旱作作物的原因很大程度上歸結于最大化了作物氮喜好與氮肥形態契合程度。即使對于水稻，高效氮肥的增產效果亦取決于種植土壤的pH。全球尺度上的水稻整合分析研究表明，高效氮肥對酸性土壤（pH≤6.0）無增產效果，而對堿性土壤（pH≥8.0）增產顯著[45］。針對我國水稻的整合分析研究也發現，在堿性土壤（pH≥7.5）施用高效氮肥增加產量和氮素吸收量的效果優于酸性（pH≤6.5）和中性（pH 6.5～7.5）土壤[46］。因此，就地域分布而言，在中國北方施用高效氮肥可取得較南方更好的增產效果，其原因正是北方土壤pH較高，NH3揮發損失高且硝化速率較快，高效氮肥能夠發揮減少氮素損失的作用[42］。綜上所述，在某一地區引進新作物或者實施新施肥措施的時候，必須考慮土壤氮素轉化特點、施入的氮肥形態與作物氮喜好契合程度，從而盡可能提高氮肥利用率，降低氮損失。

然而，即使滿足土壤氮素轉化特點、施入的氮肥形態與作物氮喜好高度契合亦未必產生高的氮肥利用率。在自然生態系統中，植物的生境由其生存地段的土壤和小氣候等要素組成，它們為該植物直接提供各種環境資源和個性化的生活條件。環境條件的改變必然改變生長在特定環境下的植物生長狀況。例如，采伐干擾后，N濃度明顯增加可能會導致喜銨的針葉樹種變得難以生存[25］。長期施肥后，茶樹生長的酸性土壤硝化速率顯著增加，必然會引起喜銨的茶樹不能及時有效地吸收氮肥，造成較低的氮肥利用率以及大量的氮損失[43-44］。降雨量大小不僅決定了土壤濕潤程度還控制氮損失強度。最近，Liu等[47］發現對于相同肥力的土壤，施硝態氮肥時福建地區小麥的產量和氮肥利用率顯著低于四川地區。這很可能是因為福建地區麥季的降雨量（815 mm）遠高于四川地區(180 mm)，在高降雨驅動下硝態氮損失加劇，因而福建地區可供小麥吸收的硝態氮不足。整合分析研究表明，當年平均降雨量超過1 200 mm時，硝化抑制劑對產量和氮肥利用率的正效應趨于消失[11］。包膜尿素增產的前提是該地區年平均溫度和降雨量分別為10～20℃和800～1 200 mm。Abalos 等[48］發現抑制劑（脲酶抑制劑和硝化抑制劑）在粗質地的土壤中增產和提高氮肥利用率效果顯著優于細質地土壤。與粗質地土壤相比，細質地土壤較難發生N淋溶損失，因此抑制劑的減排增產作用無法發揮。此外，高效肥料在灌溉條件下增產和提高氮肥利用率較雨養條件下更有效[11］?？傮w而言，氮的損失過程、作物吸收過程和土壤微生物過程（轉化和同化）是一種相互競爭關系，它是動態變化的，如下雨產生徑流和向下淋溶時，才可能產生硝態氮遷移損失；植物對氮吸收能力增強時，微生物轉化和同化則會受到抑制。

筆者所在團隊在福建和四川的大田實驗結果初步驗證了通過提升“氣候-土壤-作物系統氮形態契合度”來提高作物氮素利用效率和降低活性氮環境排放的可行性（圖1）[47］：在濕潤地區的酸性土壤中，自養硝化速率較低，土壤無機氮以銨態氮為主，酸性土壤條件可以有效地抑制氨揮發損失，硝態氮產生少，有效地減少了氮的隨水遷移損失；此時種植喜銨作物（如水稻），就能較好實現氣候-土壤-作物系統氮形態的高度契合（圖1）[47］；而在中性或堿性土壤中，硝化作用強烈，土壤無機氮以硝態氮為主，在降雨量較少的季節種植喜硝作物（如冬小麥）并施硝態氮肥（圖1）[47］，這亦是很大程度上提高了特定氣候下氮形態與作物氮形態喜好的契合程度。

4 結語與展望

采用合理的作物養分管理措施對糧食安全保障、土壤與農業可持續發展和生態環境保護至關重要。最佳的養分管理措施必須考慮作物氮形態喜好特性、土壤氮轉化特點和氣候條件。在實際的氮素管理中，盡可能提高作物氮形態喜好、氮肥形態、土壤氮素轉化特點以及氣候條件間的契合程度，可以顯著提高氮肥利用率、降低施氮量、減少活性氮向環境的擴散。氣候-土壤-作物之間氮形態契合程度也是引進新的作物或者實施新的施肥措施的重要依據。將來的研究需要建立氣候-土壤-作物-氮肥系統綜合管理技術，并將農田養分管理更加精準化、信息化，從而找到適合特定地區特定作物的最佳養分管理措施，實現土壤與農業的可持續發展。

圖1 氣候-土壤-作物系統氮形態契合程度對水稻和小麥產量以及氮素損失的影響[47］Fig. 1 Effects of matching degree of crop-specific N preference, soil N transformation and climate conditions on yields and N losses in rice and wheat planted systems[47］