【科学讨论】我国氮肥的实际利用率究竟有多少

2016-07-18 颜晓元 农业环境科学

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农环格格有话说：

7月18日周一大家早安！！

.....对于某一具体年份，作物氮吸收来自于土壤氮和当年输入的氮(化肥氮，干湿沉降氮，生物固氮，回田作物秸秆和有机肥氮).......那么这样看来，有机肥氮只是作物氮吸收的一种而已.........引发的问题是...我国氮肥的实际利用率究竟是多少呢？？这其中又带来了哪些问题呢？？

来自颜晓元老师的文章《我国氮肥的实际利用率究竟有多少》将带大家知晓。全文发表于Environmental Research Letters，2014，doi:10.1088/1748-9326/9/9/095002

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文颜晓元遆超普

中国科学院南京土壤研究所

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摘要：

众多田间试验结果表明我国氮肥回收利用率低，平均只有30%左右，经大众媒体报道后给公众的印象是大部分氮肥浪费了。然而，这30%实际上是氮肥当年或当季被作物吸收利用的比例，还有部分氮可残留于土壤中而被后续作物所利用。虽然学界对这一现象并不陌生，但在大尺度下氮肥的后效究竟有多大尚不清楚。本研究利用试图量化我国氮肥的残留效应，并估算考虑残留效应后的氮肥累积利用率。我们发现，在省级尺度上作物吸氮量和氮肥投入（或总氮投入）之间存在线性关系。在全国尺度上，随着氮肥投入量的增加，氮肥当年利用率逐渐下降；与此同时，残留于土壤而被后续作物利用的氮量却在逐年上升，如果考虑氮肥的残留效应，在1980-2010年间，我国氮肥的实际利用率达40-68%。从1980年以来我国农田土壤含氮逐年增加的趋势以及基于长期和短期实验所得氮肥利用率的巨大差异都证实了氮肥残留效应的存在。

引言

化学氮肥是迄今为止全球最大的人为活性氮来源，使世界粮食产量在过去的四十年里增加了约一倍。氮肥也可通过反硝化、氨挥发、径流和淋溶等途径损失到环境中，因此过量使用氮肥导致或加剧了土壤酸化、水体富营养化、全球变暖和平流层臭氧损耗、空气污染等系列环境问题。

氮肥利用率通常用回收率（REN）来表示，是植物所吸收的肥料氮占施用氮肥总量的百分数，以差减法来求得, 即根据施氮处理与不施氮处理的植物氮素养分吸收量之差占施氮肥量的比例来表征。计算公式如下：

REN=（施氮区作物吸氮量-不施氮区作物吸氮量）/施氮总量

在我国，上世纪90年代氮肥利用率为30-35%，2001-2005年主要谷类作物的氮肥利用率只有26–28%，相对于美国的52%和欧洲的68%，如此低的氮肥利用率，引起了是否可大幅减少氮肥的广泛讨论。事实上，这些数据是由大量的田间试验得到的，而这些大量的田间试验基本是临时的、短期的（1-3年）。这些短期实验的氮肥利用率之所以低的一个重要原因是不施氮的对照处理产量高，而后者又是因为试验前氮肥的残留效果。很多长期实验的氮肥利用率要高得多，因为其不施氮处理的产量很低。所以氮肥的真实、累积利用率应当由长期肥料试验来确定。然而，氮肥的利用率还取决于肥料用量，长期肥料试验的施肥量往往代表的是试验开始时社会普遍水平，因而其结果不能真实地反映当前肥料用量下的氮肥利用率。

虽然残留氮可用¹⁵N同位素技术示踪，但这种方法不能准确量化氮残留量，因为肥料氮施入土壤后会跟土壤氮发生置换作用，导致¹⁵N标记的氮固定在土壤中，从而高估了残留氮量。

我们假定中国这样的持续、大量氮肥投入的地方存在较高的氮残留效应。

本研究目的：

（1）是通过利用长期、大范围的农田氮素收支数据，评估我国作物氮素吸收和氮肥施用量之间的关系；

（2）量化残留氮肥的长期影响；

（3）阐明我国农田氮肥利用率和残留效果的变化趋势。

方法

计算了我国各省1980-2010年各年农田氮素收支情况。各省作物吸氮量数据根据统计年鉴上作物产量数据、不同作物秸秆/籽粒比、秸秆及籽粒含氮量、各省农田总面积等计算。农田氮的投入考虑了化肥氮、生物固氮、干湿沉降氮、还田秸秆和有机肥氮。具体方法和数据来源参加原文。

估算了自第二次全国土壤普查以来我国农田土壤平均含氮量的变化，其中第二次土壤普查的数据来自《中国土种志》系列。2007-2008年间，我们采集了全国各地1400个农田土壤剖面样本，分析了土壤基本性质，其结果可以跟第二次土壤普查的结果对比进行统计分析，以判断是否发生了显著变化。

结果

中国耕地土壤(0-100厘米) 平均氮含量在第二次全国普查期间（1979 -1982年）为0.738 g N/ kg土，2007–2008年期间为0.777 g N/ kg土，在这将近30年里增加了5.1%（p < 0.02）。1980 - 2010年间单位面积农田作物平均吸氮量增加了一倍，而单位面积农田总氮输入量增加了141%，其中氮肥增加了两倍。

对于某一具体年份，作物氮吸收来自于土壤氮和当年输入的氮(化肥氮，干湿沉降氮，生物固氮，回田作物秸秆和有机肥氮)。我们发现，就某一具体年份，各省物氮素吸收总量和化肥氮施用量之间存在显著的线性关系(见图1)，回归线的斜率可视为化肥氮当年被作物吸收利用的比例，回归线的截距视为作物从当年化肥氮之外的来源吸收的氮。随着氮输入增加，被作物吸收的化肥氮的比例下降，约从80年代末的0.5降至2000年代的0.3(图2)。按照定义，回归线的斜率应该与田间试验的差减法算的氮肥利用率类似，2001-2005年的斜率(< 0.30，图2)与报道的中国主要农作物氮肥利用率相符。但是随着年代的推移和氮肥投入量的增加，施肥量和作物吸收之间的相关性(图1中的R²)逐步降低，表明作物氮吸收与氮肥投入之间的变得越来越不密切，氮肥逐步变得不是最主要的限制因子，存在过量施氮现象。

图1. 不同年份我国各省单位面积农田作物吸氮量与化肥氮施用量的关系（上海除外）

图2. 化肥氮当年利用率，土壤氮吸收量及化肥氮累积利用率变化

作物氮源除了化肥中氮外还包括土壤氮、生物固氮、大气氮沉降、作物秸秆和有机肥中的氮。为了区分土壤氮和从其他来源的氮，进行了在不同省份作物氮吸收与农田总氮投入的回归分析（图3），与图1类似，图3中回归线的斜率可视为在某一年农田投入的氮被作物吸收利用的比例，而回归线的截距可被视为作物吸收的来自土壤的氮量（氮投入为零时作物吸氮量）。由图可见，1980到2010间，作物从土壤中吸收的氮量不断增加，从8.0 kg N /ha/yr到46.4 kg N/ ha/yr。这是由于前几年氮输入的残余影响，特别是合成氮肥，占总氮投入比重大。

图3 不同年份我国各省单位面积农田作物吸氮量与总氮输入量的关系（上海除外）

讨论

已有众多研究表明从第二次全国土壤普查以来我国农田土壤有机碳量呈增加趋势，由于土壤C/N相对稳定，由此可以推断我们农田土壤氮量也在增加。我们前述的直接监测结果也证明我国农田土壤平均氮含量从第二次土壤普查至2007-2008年显著增加。从长远来看，对于大规模的农田，如果土壤氮没有净消耗，则作物从土壤中吸收的氮来自氮投入，这包括化肥氮、生物固氮、大气氮沉降、作物秸秆和有机肥中的氮，那么作物总吸收氮和总氮输入的比率就是投入的总氮的平均利用率。1980-2010年，这个值介于0.35-0.50之间，平均值为0.42，高于在田间实验中通过差值法获得的氮素利用率。

然后这是总氮的利用率，与其他氮源相比，化肥氮往往更容易被作物吸收，因此化肥的利用率可能不一样。在此我们用一下公式计算我国化肥氮的累积利用效率，包括当年吸收利用的比例和残留效果：

(RE_N-in-year*F_Nrate+ N_soil*F_Nrate/T_Nrate)/F_Nrate

简化为 RE_N-in-year+ N_soil /T_Nrate

式中RE_N-in-year 表示氮肥当年比作物吸收利用的比例（图1回归直线的斜率），F_Nrate 表示平均化肥氮投入量(kg N/ ha)，T_Nrate 为总氮输入量(kg N/ ha)，N_soil为作物当年从土壤中吸收的氮量（图3中线性的截距；kg N /ha）。1980-2010年间，我国化肥氮的累计利用率估计值介于0.40和0.68之间，平均值为0.51，近年约为0.43(图5中绿线)。由于氮的残留效应，这些估计的累积利用率比相应的当年利用率高出10%-46% (图2中的蓝线)。

一个生长季节结束时，化肥氮可通过如下方式残留于土壤中被后茬作物吸收利用：无机氮，根系、微生物生物量、其他土壤有机氮库。尽管一些¹⁵N同位素实验表明氮肥的残留量很少，其实这种效应取决于氮的输入量的多少。在我国，连年大量氮投入导致了大量土壤氮累积。例如华北平原的269个田间示范试验表明90厘米土壤剖面中，小麦播种前NO₃-N含量平均为191 kg N /ha，玉米播种前为184 kg N/ ha。

长期和短期实验获得的氮肥利用率的巨大差异也证明存在显著的氮肥残留效应。中国土壤肥力和肥料效率长期监测网络的结果表明：对比氮磷钾和磷钾处理，玉米-小麦系统的氮肥利用率为0.56–0.72 (Liu et al 2010)，而小麦-水稻系统为0.40左右（Shen et al 2007, Zhao et al 2010）。而2001-2005年间大量短期田间试验表明水稻氮肥利用率为0.283，小麦为0.282，玉米为0.261（Zhang et al., 2007）。残留效应增加的现象也反映在不施氮肥的空白处理的产量中，例如Fan et al (2013)发现2000年代空白处理的产量要比1980年代高出0.73–1.76 Mg/ ha，这个增产主要是由于土壤肥力提高所致而不是品种改善所致，因为长期试验的对照处理产量并没有显著增加趋势。

1980-2007年间，我国农田土壤0-100cm氮素总量的增加量相当于此期间总氮投入累积量的6.8%。尽管我们的估计仍存在许多不确定性，比如生物固氮量可能不是一个固定值，而是随年代的变化而变化，干沉降氮量缺少直接测定结果验证，但无论如何，化学氮肥是农田氮输入的最大来源，因此可以认为仍然残留于土壤中的化肥氮量也占化肥氮总用量的6.8%。加上被累积利用的51%，二者合计约60%，即化学氮肥的平均损失率约40%。氮肥的损失，诸如径流、氨挥发、反硝化等是物理、化学、生物过程，这些过程与植物对氮的吸收同时发生，只要有底物存在，就难以完全避免。因此我国氮肥单位面积施用量尽管有减少的空间，但不会有舆论认为的减半的可能。

结论：

随着持续大量的氮肥投入，我国农田氮肥的当年利用率逐步降低，有时低于30%，但氮肥的残留效应不断增加，考虑到氮肥当年的吸收利用比例和被后续作物所利用的部分，从1980-2010，我国氮肥的累积利用率为在40-68%之间，近年有所回升，约为43%，此外还有6.8%的氮肥残留于土壤中。因此，中国虽然有望一定程度减少单位面积氮肥使用量，但在确定肥料用量时必须考虑其残留效应。

本文全文发表于Environmental Research Letters，2014，doi:10.1088/1748-9326/9/9/095002

全文链接：http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/9/9/095002/meta;jsessionid=9E2D38BC054483EB1ACD8A64C99FB462.c3.iopscience.cld.iop.org

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