基于长期氮肥示踪试验评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个指标，常规采用的计算方法为差减法和15N 示踪法，主要是通过作物吸收的氮量来计算氮肥利用率。由于这两种方法没有考虑氮肥在土壤中的残留和后效，显著低估了施用氮肥的实际效应。为此，国内外研究者一直在探索更实际的氮肥利用率计算法。不同的改进方法以不同的表现形式包含了氮肥的遗留效应，弥补了差减法和15N 示踪法在短期试验中对实际氮肥利用率的严重低估，基本接近于实际氮肥利用率，但远高于常规差减法或15N 示踪法估算值。在本文中定义的实际氮肥利用率（ANUE） 为：在土壤残留示踪氮被完全消耗的条件下，作物地上部吸收肥料氮占施氮量的百分比。法国28 年旱地作物的氮肥叠加利用率为61.3%～65.3%，中国太湖地区17 年的水旱轮作体系示踪氮肥试验中氮肥叠加利用率为38.6%～43.0%。本研究采用Origin 2021 的图形数字化工具，获取这两个长期定位试验数据，包括每季作物吸收15N、土壤残留15N 数据，分别以耗竭耕层（0—20 cm）、1 m、2 m 土体中的氮素残留量来计算氮肥利用率。以此为参照标准，评估土壤氮素平衡法和氮肥有效率法计算结果的合理性。基于2 m 土体残留肥料氮的土壤氮素平衡法和氮肥有效率法，会高估旱地作物的氮肥利用率；而以耕层土壤残留肥料氮作为估计参数时，则与旱地实际氮肥利用率基本一致（61%～74%）；而氮肥有效率（41%～52%） 可以很好地估算我国太湖地区水旱轮作体系的实际氮肥利用率。因此，跨地块或作物系统的氮肥利用率比较，应选择适当的计算方法，以避免由不同方法导致的不可比性而产生误解。氮肥有效率法（将作物吸收和土壤残留氮均视为有效部分） 可以通过短期试验获得接近实际的氮肥利用率，具有广泛的应用价值。

关键词： 氮肥利用率； 差减法； 15N 示踪法； 土壤氮素平衡法； 氮肥有效率

氮肥利用率是反映施入农田的氮肥被作物吸收利用的状况，是被广泛采用衡量氮肥被利用的指标之一。由于氮肥利用率存在多种算法和理解，往往是你说苹果，他说（或理解成） 桔子，在科技交流中存在许多误解或误区。更主要的问题是，氮肥利用率是土壤−作物体系中几个参数计算出来的结果，不能直接反映地上部吸氮量对作物产出的贡献，也不能反映出氮肥在土壤中残留及通过各种途径损失的量，须与其他指标结合起来，才能反映氮肥施用的经济效率，如欧洲氮专家组提出的最低地上部吸氮量、氮盈余指标等[1]。国内外氮肥利用率最常用的差减法和15N 示踪法，由于不考虑氮肥在土壤中的残留和后效[2]，计算结果偏低，不能客观反映氮肥施用的实际效果。实质上，施用氮肥的主要作用，一是直接被作物吸收（15N 示踪法利用率），二是残留在土壤中，补充土壤氮库的消耗。大量田间试验表明，当季作物吸氮量中，肥料氮占比不到50%[3]，其余大部分来自于土壤氮，少量来自环境氮（沉降、非生物固氮、灌溉水和种子带入）。残留肥料氮正好补充了作物对土壤氮素的消耗，应该计入氮肥施用的效果。基于这些原因，国内外研究者一直在探索更实际的氮肥利用率计算方法，提高计算结果。刘巽浩等[4]于1990 年对氮肥利用率计算方法进行改进，其提出的计算方法实质与后来欧洲氮素专家组提出的氮素平衡法[1]类似，计算结果也相近，但他们是用区域多年数据进行计算，而后者还可以用于田块尺度。巨晓棠等[5]于2003 年提出，简单的氮肥利用率很难反映集约化作物生产氮肥的实际利用状况，应综合考虑产量水平、氮肥残留及损失的状况。不能以差减法氮肥利用率来说明我国氮肥损失量大、对环境的污染严重，比国外低多少个百分点[6]。现有的计算方法其实没有考虑产量水平（地上部吸氮量）、残留氮对土壤氮库消耗的补充作用、氮肥损失、其他来源的氮素输入等。基于此，国内外学者对两种常规计算方法进行了许多改进。本文首先对这些改进方法进行了评述，然后基于Sebilo 等[7]历时28 年（一年一季） 和Zhao 等[8]17 年（稻麦轮作，一年两季，34 季作物） 的氮肥示踪试验结果，对一些典型算法进行比较，以论证不同算法的合理性。以便读者再用自己的试验数据进行计算时，清楚自己使用哪种方法，能说明什么问题？意义是什么？避免在科技交流和指导生产时产生误解。

1 氮肥利用率的改进方法

1990 年，刘巽浩等[4] 提出了以大面积多年连续数据计算氮素叠加利用率的方法，其计算为多年产出氮占多年投入氮的百分比。产出氮包括籽粒和秸秆收获氮，投入氮包括化肥氮、有机肥氮、秸秆氮和自然氮源（包括雨水、闪电和生物固氮等）。该方法主要考虑了前些季节氮肥的遗留效应，不仅包括了氮肥后效，还克服了年际间气候及其他因素的影响，所得氮素叠加利用率一般在50%～80%，故能较好地反映施用氮肥的实际效果。采用15N 示踪法测定氮肥叠加利用率比当季利用率（15N 示踪法或差减法），更能反映实际氮肥施用效果[9]，如用四季作物的叠加利用率为63.3%，而当季利用率仅31.7%。应用长期定位试验定量氮肥叠加利用率更能反映氮肥施用的实际效果[10]。

2005 年，沈善敏[11] 将土壤有效氮考虑在内提出了估算氮肥利用率比值法。假设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与两种氮素有效量成正比，土壤氮素有效量可采用空白对照作物吸氮量表示。其计算公式为作物吸氮量占施氮量与土壤有效氮量之和的比率。该法实际上考虑了土壤氮的有效性，避开了肥料氮对作物吸收土壤氮素的直接影响，以及土壤氮与肥料氮之间交互作用的影响。宇万太等[12] 于2010 年研究表明，比值法计算的氮肥利用率在一定程度上矫正了常规法（差减法和15N 示踪法） 计算值较低的问题，能够反映氮肥施用的实际效应，但在较低施氮水平下的计算结果会偏高[12−14]。

田昌玉等[13] 于2011 年提出了土壤氮素平衡法计算氮肥利用率。其原理是作物吸收氮占作物生长期间在土壤—作物系统中消耗的总氮量（土壤氮+肥料氮+环境氮），消耗的总氮量包括肥料氮、大气沉降氮、灌水携入氮和1 m 土体的土壤氮消耗量（作物种植前后土壤氮素消耗为正值，土壤氮素增加为负值）。2020 年，田昌玉等[15] 应用田间长期试验土壤全氮3 点平滑值，来定量土壤全氮的年际间变化。由于减少了土壤剖面全氮取样和分析过程中的误差，计算结果具有较好的稳定性。由于土壤全氮变化需要用相对较长的时期才能反映出来，加之取样测定过程的误差，导致这种方法复杂且不能在短期肥料试验中应用[16]。

王火焰等[17] 于2014 年提出了氮素真实利用率算法，氮素真实利用率为作物氮素吸收量占施氮量与土壤氮素减少量之和的比例。该法也是考虑了作物吸收的氮素既来自于肥料氮，也来自于土壤氮，通过获得的利用率还可直接计算肥料氮的损失率。但如何定量土壤氮素的减少量，仍是一个难题。不仅常规方法测定的土壤氮素的误差较大，而且短期试验很难定量土壤氮素的变化，仍需要借助长期定位试验来得到较为可靠的结果。

巨晓棠[16] 认为，以上改进方法虽然涉及到氮肥的后效，但没有触及肥料氮对土壤氮消耗的补偿效应这一核心问题，据此提出了氮肥有效率概念和算法。其核心是残留肥料氮是对土壤氮消耗的补充，应该被视为氮肥效应的重要部分。肥料氮只要不离开土壤−作物体系，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区土壤中残留肥料氮量之和占施入氮肥的百分率。该法基于土壤−作物体系中主要氮素通量，借助15N 示踪试验，厘清了肥料氮−土壤氮−作物吸收氮“三氮”之间的关系。按照这一计算方法，我国农户管理水平的氮肥有效率在50%～60%，田间试验的氮肥有效率在60%～70%。采用氮肥有效率，无需长期定位试验，可较为全面客观反映氮肥施用的实际效果，因而将在确定田块氮肥用量，预测区域或国家尺度氮肥需求量方面发挥重要作用[10]。

欧洲氮素专家组[1] （2014 年） 提出了基于氮素平衡计算氮素利用率的方法，考虑了土壤−作物系统氮素的总输入和总输出的关系，计算式为产品输出带出氮与总输入氮素的比值；氮素总输入包括肥料氮、土壤非共生固氮、大气干湿沉降氮、灌水携入氮和种子携入氮。该法认为作物吸收氮来自于所有氮素输入，而且长期耕种农田的土壤氮素应保持稳定，其变化可以不计。与常规差减法和15N 示踪法相比，该法计算的氮素利用率较高，与刘巽浩等[4]提出的方法有异曲同工之效。该法在评估作物生产中所有氮素输入的利用和环境效应方面具有较大优势，特别是在土壤氮素变化与观测年度氮投入相比很小、甚至可以忽略不计的情况下[18]。

几种氮肥利用率的计算方法汇总见表1。值得注意的是，无论何种方法，田间短期试验（≤3 年） 很难反映施用氮肥的实际效应，田间长期试验（≥5年） 对评价不同气候−土壤−作物体系、不同管理措施的氮肥效应具体重要价值[18]。由于田间长期试验需要消耗大量的资源，是否可以用短期试验的一些改进算法逼近长期试验实际氮肥利用率？这是一个值得研究的科学问题。

2 基于长期氮肥示踪试验重新评估氮肥利用率算法的合理性

2.1 数据来源

根据Sebilo 等[7]历时28 年（1982—2009 年） 的15N 示踪试验结果，采用叠加氮肥利用率算法，计算的氮肥利用率是61.3%～65.3%。该研究基于法国Châlons en Champagne 地区的甜菜、小麦旱作体系，布置两个渗滤仪（Lysimeters： 2 m×2 m×2 m），分别种植甜菜（Lys S） 和小麦（Lys W）。1982 年甜菜（Lys S）和小麦（Lys W） 分别施以N 150 和120 kg/hm2 的15N示踪硝酸钾，随后甜菜和小麦均按照N 120 kg/hm2施用常规硝酸钾。每年测定作物吸收示踪氮、淋洗示踪氮和残留于土壤有机质的示踪氮。该研究是目前进行时间最长的氮肥示踪试验，可以推算出残留于土壤中肥料氮全部消耗完后被作物吸收肥料氮量，从而计算出占施氮量的百分比，来反映实际氮肥利用率。

Zhao 等[8]采用15N 示踪试验，在我国稻麦轮作体系中，历时17 年（2004—2020 年） 追踪了34 季作物的氮肥去向，其叠加氮肥利用率为38.6%～43.0%。该研究以太湖地区稻麦轮作体系为研究对象，设置了6 个渗滤仪（高1 m，内径1.14 m） 分为两组，施氮量分别为N 100 和300 kg/hm2 （N100 和N300），第一年施用15N 示踪尿素，之后每年按相同施用量施用常规尿素。每季测定作物吸收肥料氮、土壤残留肥料氮。结合估计17 年1 m 土体的残留氮和作物吸收，应用同位素质量平衡法计算了累计氮损失。测定的氮损失包括硝酸盐淋溶、氨挥发，直至测定到自然丰度，硝酸盐淋溶测至2011 年小麦季（第15 季），氨挥发测至2007 年小麦季（第6 季）。

本研究中，采用Origin 2021 的图形数字化工具，获取上述两篇文献的测定数据，法国Châlons enChampagne 地区长期试验作物吸收示踪氮、土壤残留有机示踪氮以及渗漏示踪氮的数据见表2，中国常熟太湖地区长期试验每季作物吸收示踪氮、土壤残留示踪氮以及根据测定估算的累计氮损失见表3。

2.2 评估方法

应用以上两个长期氮肥示踪试验获得实际氮肥利用率[7−8]，以此为参照，来评估能够应用示踪试验计算的土壤氮素平衡法[13， 15]和氮素有效率法[16]的合理性，寻求逼近实际氮肥利用率的改进方法。

实际氮肥利用率为长期试验结束时叠加氮肥利用率，与此时至土壤残留氮完全消耗时被作物吸收的土壤残留氮之和，计算公式为：

ANUE = ARE+CRN （1）

式中：A N U E—实际氮肥利用率（ a c t u a l N u s eefficiency），ARE—长期试验测定结束时叠加氮肥利用率（accumulative N recovery efficiency），CRN—在长期试验结束至土壤示踪残留氮完全消耗的过程中， 作物吸收的土壤示踪残留氮占施氮量比例（residual N uptake by crops）。

依据土壤氮素平衡法的理论[13]，应用示踪试验结果计算氮肥利用率的计算公式为：

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—收获示踪氮素（harvest N by crops），FN—示踪肥料氮素（fertilizer N），RN—土壤示踪氮素残留量（residualN in soils）。

依据氮肥有效率概念和算法[16]，应用示踪试验结果计算氮肥利用率的计算公式为：

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—收获示踪氮素（harvest N by crops），RN—土壤示踪氮素残留量（residual N in soils），FN—示踪肥料氮素（fertilizer N）。

2.3 结果与分析

2.3.1 不同方法计算的氮肥利用率

理论上推断，只有当肥料氮在土壤中完全消耗，总的叠加氮肥利用率才是实际氮肥利用率[7−8]。因此，实际氮肥利用率要比长期试验截止时叠加的氮肥利用率（61.3%～65.3% 和38.6%～43.0%） 还要高。这表明可以利用残留氮的利用效率推算实际氮肥利用率，Sebilo 等[7]原文中提到：假定土壤残留氮的利用效率不变，那么2009 年11.8%～14.9% 的土壤残留氮将有4%～5%被作物吸收。因此，估算甜菜（Lys S） 和小麦（LysW） 的实际氮肥利用率分别为70% 和66% （表4）。假定Zhao 等[8]最后10 季的表层土壤残留氮的利用效率不变（N100 为48%，N300 为39%），待土壤残留氮被完全消耗后，N100 和N300 的实际氮肥利用率分别为47% 和40% （表4）。

土壤氮素平衡法和氮肥有效率法的计算结果均高于当季15N 利用率。由于甜菜（Lys S） 和小麦（Lys W）的土壤残留氮是2 m 土体的数据，使得计算的氮肥利用率分别比实际值高15.4%～26.1% 和24.3%～35.6%。若按照旱地耕层（0—20 cm） 土壤残留氮占2 m 土壤的40%～60%[21−23]，甜菜（Lys S） 和小麦（LysW） 基于土壤氮素平衡法计算的氮肥利用率分别为62.8%～67.9% 和61.2%～67.1%；氮肥有效率分别为67.6%～74.1% 和67.0%～74.5%。根据主要根区残留氮的概念和深层土层淋溶损失风险，估算甜菜（Lys S） 和小麦（Lys W） 1 m 土壤残留氮占2 m 土壤残留氮的85%～95%[21−23]，土壤氮素平衡法氮肥利用率分别为75.4%～78.9% 和76.3%～80.8%，氮肥有效率分别为82.2%～85.4% 和83.9%～87.6%。按照耕层（0—20 cm） 和1 m 土壤氮残留，有效率法计算N100 和N300 的氮肥有效率均与其实际值较为接近，基于土壤氮素平衡法计算的氮肥利用率比实际值小14.8%～30.9%。

2.3.2 利用残留氮和叠加利用率拟合预测实际氮肥利用率

按照Sebilo 等[7]和Zhao 等[8]衰减模型预测，残留土壤氮分别可以持续约100 年和50 季。那么，假定试验第100 年和50 季土壤残留氮为零，拟合土壤残留示踪氮动态，并根据拟合预测土壤残留氮变化。

将土壤示踪氮残留和叠加法氮肥利用率分别进行拟合，得到的曲线作为计算两种方法实际氮肥利用率的参数（图1）。叠加法RE 曲线随时间逐渐上升，土壤氮素平衡法REB 和氮肥有效率法REE 都随着年份增加逐年降低趋于平缓，三者依次为：氮肥有效率法REE＞土壤氮素平衡法REB＞叠加法RE。3 条曲线随着时间延续有趋于重合的趋势：甜菜（LysS） 和小麦（Lys W） 大约到2035 年左右接近72%；持续到第40 季左右，N100 和N300 分别趋近于50%和43% （图1）。以此计算得到的氮肥有效率法REE和土壤氮素平衡法REB 数值均高于72% 的甜菜（LysS） 和小麦（Lys W） 实际氮肥利用率，但氮肥有效率法REE 分别趋近于稻麦轮作50% 和43% 的实际氮肥利用率（表4，图1）。

3 讨论

当氮肥被作物吸收、气体挥发、淋洗、径流等方式从土壤中完全消耗时，作物吸收氮肥量占施用氮肥量的百分比，本文定义为实际氮肥利用率。这个“完全消耗”过程需要几十年甚至上百年的时间，期间土壤残留氮不仅存在复杂的生物化学转化过程[24−28]，还存在向土体下层的纵深移动[28−31]，这些变化都会影响示踪氮生物有效性，从而影响实际氮肥利用率。土壤残留氮随时间向深层移动，生物有效性降低，同时伴随氮素的淋洗，后季氮肥利用率降低[7−8， 32−33]。本文选取的两个长期定位试验的实际氮肥利用率，按照土壤残留氮肥的利用效率，代表性旱地和水旱轮作的实际氮肥利用率分别为6 6 %～70% 和40%～47%，进一步预测的实际氮肥利用率分别为72% 和43%～50%，其数值大致相同。旱地实际氮肥利用率远高于水旱轮作，水田当季损失了约一半左右的施氮量[8]，而旱地在施用示踪氮肥3 年后（1985 年） 也仅有10.1%～12.8% 氮肥损失[7]，与本人前期研究结果一致，即旱地有利于氮素的持留和累积，而水旱轮作的氮素损失较为严重[34]。此外，这两个不同长期试验结果来自不同的气候、地理条件。法国的试验位于高纬度地区，受海洋性气候和大陆性气候的双重影响，使得温度变化较为稳定且有足够的降雨[7]，该地区土壤是高钙白垩土，具备较强的储水能力[7]，在硝酸钾作为氮肥投入时，减少了氨挥发途径的氮损失，土壤残留氮更为高效的作为作物的氮源。然而，太湖地区的强降雨气候使得水稻土的尿素投入有较高的氨挥发和未知的氮损失[8]，如反硝化气体损失[33]。与旱地作物的生长环境不同的是，水稻土的淹水环境会抑制硝化作用，这也可能是导致水田轮作较低氮肥利用效率的原因。

对法国长期1 5N 示踪试验结果的分析表明，以2 m 土体残留氮计算氮肥利用率存在较大的高估。实际上，旱地主要根区（0.6 ～1 m） 的残留肥料氮才具有较高有效性[16]，大于1 m 的残留氮一般视为损失。因此，氮肥有效率法计算式的残留氮一般以小于1 m土体为基准。土壤氮素平衡法将2 m 土壤残留氮看作有效氮对土壤氮消耗的补充，不作为作物系统的氮素输入，但实际上，仅氮肥损失部分才应该视为输入氮肥的流出。因此，该法计算过程中过低的“分母”导致了所得氮肥利用率偏高。水田耕层（0—20 cm）和1 m 土壤残留氮作参数的计算结果基本一致，可能由于紧密的犁底层限制下移[35]，或可能因为淋溶至深层土壤硝酸盐通过反硝化过程移出[16]，导致水田深层土壤残留氮较低，土壤残留氮在后季的损失率极低[8， 33]。而旱地耕层（0—20 cm） 土壤残留氮作参数的计算结果更接近实际氮肥利用率，这是因为旱地土壤残留氮不仅可以迁移至深层，还会在后季不断扩大氮素损失[7， 31]。当把耕层土壤残留氮作为两种计算方法获得氮肥利用率的参数时，结果更接近实际氮肥利用率。需要注意的是，此时只有数值可以代表实际氮肥利用率，但对土壤氮残留的定性已经偏离其真正的意义。对我国长期15N 示踪试验结果的分析来看，氮肥有效率更为接近其实际利用效率。氮肥有效率更好地代表了示踪氮肥在水旱轮作的作物回收率和土壤残留率，远比仅仅计算氮在作物上的回收率更有意义。

4 结论

整体来看，众多改进法计算的氮肥利用率，大多基于同时考虑作物吸收量和土壤残留量，弥补了差减法和15N 示踪法在短期试验内对实际氮肥利用率的严重低估，基本接近于实际氮肥利用率。

通过与田间长期试验进行验证比较，氮肥有效率法既考虑了作物氮的吸收量，又考虑了残留氮补充土壤氮库的功能，借助于15N 示踪技术，可以用短期试验获得接近实际的氮肥利用率，具有广泛的应用价值。

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作者简介：

巨晓棠，海南大学热带农林学院二级教授，博士生导师，海南省C 类高层次引进人才，曾任中国农业大学资源与环境学院领军教授。长期从事农田生态系统碳氮循环与温室气体减排、面源污染防控研究。曾任国际氮素协会东亚中心主任，现任中国土壤学会氮素工作组副组长。先后在加拿大、德国、荷兰、美国、英国和挪威做访问学者或合作研究。以第一、通讯或共同作者在Nature、Nature Food、NatureCommunication、PNAS、Global Change Biology、Environmental Scienceamp; Technology、Soil Biology and Biochemistry 等国际顶尖期刊发表S C I 论文1 2 0 多篇， 中文1 6 0 多篇， 8 篇被列入高被引论文。2014—2022 连续9 年进入爱思唯尔中国高被引学者榜单。2017 年获教育部自然科学二等奖，2018 年获土壤学会科技一等奖，2020 年获第五届土壤学会杰出成就奖。

基金项目：海南省重大科技计划项目（ZDKJ2021008）；海南大学科研启动基金项目[KYQD（ZR）-20098]。