氮肥利用率的計算方法

近年來，無論科技文獻和媒體報道，中國的氮利用率只有30%35%。例如，65%70%的氮肥從水和土壤中逃到水和土壤中，這表明氮對環(huán)境的影響有多嚴重。發(fā)達國家的氮利用率在50%以上，中國的氮利用率低于發(fā)達國家。這一數(shù)據(jù)表明，中國的氮消耗量很大，對環(huán)境造成了嚴重影響。但實際上,氮肥利用率與氮肥損失率是兩碼事,而且理解中還應(yīng)考慮氮肥的殘留率。況且,所用的都是百分數(shù),沒有一個絕對量的概念。一個簡單的氮肥利用率很難反映不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平下對氮肥的利用狀況,因為氮肥利用率實際上要受到土壤—氣候條件、施氮量、施氮方法和時期、作物生長中其他營養(yǎng)元素的供應(yīng)狀況以及光熱水等其他因素滿足情況的深刻影響,對于某一生產(chǎn)體系的氮肥利用狀況應(yīng)該用多種指標衡量,其中包括產(chǎn)量水平和氮肥利用、氮肥殘留、氮肥損失;不僅需要用百分數(shù)表述,還需要有絕對量的概念。有鑒于目前對氮肥利用率有一些模糊的認識,長期下去會對我國氮肥的有效使用產(chǎn)生消極的影響,特撰文對這些問題進行討論。一、化肥當季利用率氮肥利用率的計算方法有兩種:一是差減法,二是15N示蹤法。一般來說,無論是以地上部累積氮或全株累積氮為基礎(chǔ),用示蹤法計算的氮肥利用率比差減法低。顯然,這是由于差減法還包括了作物因施氮肥而多吸收的土壤氮。從農(nóng)學的角度來看,在評價氮肥的效果時,顯然應(yīng)當采用差減法的氮肥利用率。因為它反映了施用氮肥后作物氮素營養(yǎng)的實際提高程度,而不管其中是否產(chǎn)生了表觀的或真實的激發(fā)效應(yīng)。當然在研究化肥氮的轉(zhuǎn)化和去向時,則宜采用示蹤法,以了解化肥氮的利用、殘留及損失的真實情況。一般所說的氮肥利用率是指用差減法計算出來的數(shù)據(jù),因為它比較容易獲得。在田間情況下,只要設(shè)計不同的施氮水平和不施氮肥區(qū),測定不同處理的作物吸氮量,則可以計算出氮肥利用率。氮肥施入農(nóng)田后的去向可分為3個部分:(1)被作物吸收,即氮肥的當季利用率;(2)殘留在土壤中;(3)通過不同機制和途徑損失。氮肥的當季利用率是決定氮肥增產(chǎn)效果的主要因素。提高氮肥當季利用率的潛力則主要在于減少其施入農(nóng)田后的損失。提高氮肥當季利用率的關(guān)鍵是確定一個合理的氮肥用量和有正確的施肥方法。氮肥利用率由于受土壤性質(zhì)、作物種類和生長時期、氮肥及其他肥料的種類和施用技術(shù)以及氣象條件等因素的強烈影響,因而具有很大的變幅。朱兆良先生對我國田間試驗中,以成熟期地上部分累積氮量為基礎(chǔ),用差值法計得的幾種主要作物上氮肥利用率的統(tǒng)計結(jié)果表明,氮肥利用率的變幅在9%~72%之間。就平均值而言,水稻和麥類對幾種氮肥的利用率為30%~41%。我們一般所說的氮肥利用率在30%~35%之間,是對整個大田平均水平而言的,但我們也必須同時考慮它的變異系數(shù)。事實上,我們對國外水稻和麥類作物上進行的大量試驗結(jié)果統(tǒng)計表明,由于受氮肥品種、施肥時期和施肥技術(shù)等條件的影響,不同試驗之間的氮肥利用率變幅也很大,各試驗處理之間的平均值變動范圍在25%~83%(差減法利用率)之間,由此看來,國外的氮肥利用率也不都是在50%以上。所以,我們不能簡單地說我國的氮肥利用率比國外低多少個百分點,而要充分考慮這些數(shù)據(jù)得來的條件及其變異。氮肥利用率受施氮量的深刻影響。一般來說,隨著施氮量的增加,作物產(chǎn)量增加,氮肥利用率顯著降低。在實際生產(chǎn)中,可以通過少施氮肥而提高氮肥利用率,但產(chǎn)量并不一定很高。就我們目前的情況,只能追求保持較高產(chǎn)量水平下合理的氮肥利用率,而不應(yīng)該一味追求高的氮肥利用率而降低產(chǎn)量。例如,在我們的一個田間試驗中,施氮量在75Nkghm-2時,氮肥利用率達到45%,產(chǎn)量僅有4830kghm-2;當施氮量是225Nkghm-2時,盡管氮肥利用率下降到39%,但產(chǎn)量卻達到了6078kghm-2。就我國目前追求的高產(chǎn)體系來講,只能選擇后一種情況。實際上,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥利用率低、損失率高、對環(huán)境壓力大是一個世界性的問題。針對這一問題,一些人少地多的發(fā)達國家,采用了改進施肥技術(shù)和方法,以及降低產(chǎn)量目標以減少氮肥施用量等對策。但是,我國人多地少、糧食生產(chǎn)的壓力大,不可能采取后一種對策,必須從協(xié)調(diào)作物高產(chǎn)與環(huán)境保護的關(guān)系出發(fā),尋找二者的最佳結(jié)合點;必須研究解決既能獲得盡可能高的產(chǎn)量,又能在最大限度上減輕對環(huán)境壓力的氮肥施用與氮素管理的技術(shù)及其理論。例如,歐洲國家近年來每季作物的氮肥施用量普遍降低到120Nkghm-2左右,而我國東部地區(qū)每季作物氮肥使用量普遍超過250Nkghm-2,但我們單位面積的產(chǎn)量相對較高。因此,我們的氮肥利用率比它們低應(yīng)當是情理之中的事。二、化肥殘留情況一般來說,氮肥利用率是不可能無限制提高的,因為施入土壤中的氮肥總有一部分在土壤中殘留,一部分發(fā)生損失。實際上、氮肥殘留是不可避免的。從另一個角度來講,無論怎么施肥,高產(chǎn)作物吸氮量中,吸收的土壤氮一般占50%以上,氮素殘留實際上是對所消耗的土壤氮庫的一種補償,是肥料氮與土壤氮的交換作用。可以用一個田間試驗的例子來說明氮肥利用、殘留與損失的關(guān)系(表1)。由表中可以看出,隨著施氮量的增加,作物吸收的肥料氮增加,氮肥利用率下降;氮肥殘留量增加,殘留率下降;損失量增加,損失率也增加。在該試驗中,后兩個施氮量的產(chǎn)量并不比前一個高,但損失量顯著增加。施氮量為120Nkghm-2時,氮肥的殘留率達到45.3%,損失率只有11.3%。由此可見,如果在合理施氮量范圍內(nèi),采用適宜的氮肥施用技術(shù),其損失量并不大。進一步分析施氮量為120Nkghm-2時,土壤氮、肥料氮和作物吸收氮之間的關(guān)系表明,在148.2Nkghm-2的作物吸氮量中,來自于土壤的占63.5%(94.1Nkghm-2),來自于肥料的占36.5%(54.1Nkghm-2);在施入的120Nkghm-2的氮肥中,有54.3Nkghm-2殘留到土壤中。實際上,在這種不施有機肥和秸稈不還田的條件下,殘留的肥料氮還不如作物吸收的土壤氮多,長此下去,對土壤氮肥力是一個耗竭過程。從上面的例子可以看出,殘留氮不僅是不可避免的,而且是非常必要的。根據(jù)朱兆良先生的統(tǒng)計,一季作物之后殘留氮常占施氮量的15%~30%,旱地小麥土壤殘留氮變幅可以達到7%~74%。據(jù)對國外大量的試驗統(tǒng)計,在土壤中殘留的15N變幅在12%~44%之間。近幾年在華北平原冬小麥/夏玉米輪作體系中的田間試驗表明,隨著施氮量的增加,產(chǎn)量到一定程度不再增加,但殘留量顯著增加。這些殘留氮不一定會立即損失,只要管理得好,還會起到補充土壤氮庫的作用。但土壤中殘留過多的氮素、尤其是NO3-N,會對環(huán)境造成某種程度的威脅。和氮肥利用率與殘留率一樣,氮肥損失率和損失量也有很大的變幅。據(jù)朱兆良先生對國內(nèi)稻田生態(tài)系統(tǒng)中的統(tǒng)計,損失率的變幅可以達到3%~77%;在旱作系統(tǒng)中,變幅可以達到5%~72%。從已取得的大量結(jié)果的中值來看,我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥的損失率可能在30%~50%之間,其中水稻田>玉米地>小麥地,中值約為40%。但是,由于15N田間微區(qū)試驗中沒有徑流損失,因此,大田生產(chǎn)中氮肥的損失率可能還會高一些,可以估計為45%左右。由此可見,我們平常所說的氮肥損失率是45%,只是一個整體概念,是就全國的一個估計值,其實它的變異是相當大的。據(jù)我們對國外大量試驗的統(tǒng)計結(jié)果,肥料氮的損失率在14%~64%之間,其變異也是非常大的?，F(xiàn)在大部分報道掩蓋了這些變異,一談起氮肥,就說損失多么大,對環(huán)境的污染有多么嚴重。上面所舉的例子中,在施氮量為120Nkghm-2時,達到了比較高的產(chǎn)量,氮肥損失率只有10%左右,損失量也只有11.5Nkghm-2。氮肥的3個基本去向包括作物吸收、土壤殘留和損失之間存在著密切的聯(lián)系和競爭,而作物吸收是其中心,若提高作物的吸收能力,則由于降低了土壤中礦質(zhì)氮的濃度從而減少了氮肥在土壤中的殘留量和通過各種途徑的損失量。由上面的分析可知,在合理施氮量范圍內(nèi),只要采取有效的氮肥施用方法,氮肥的損失量并不很大;大量的氮肥損失主要發(fā)生在不合理高量施用氮肥和落后的施肥方法條件下。三、化肥用量的技術(shù)途徑氮肥利用率是可以提高的,但我們不能采取降低氮肥施用量、降低產(chǎn)量、消耗土壤氮肥力的技術(shù)途徑;而應(yīng)追求在合理氮肥用量、高產(chǎn)條件下,通過技術(shù)進步而真正提高氮肥的利用率,減少氮肥的損失和向環(huán)境的擴散。從現(xiàn)有和長遠看,提高氮肥利用率的技術(shù)措施主要有以下幾個方面。1.施氮量與經(jīng)濟最佳施肥量的關(guān)系為了滿足不斷增加的人口對食物的需求,我國未來對氮肥的消費量還可能增加。最根本的問題將是更有效地利用肥料氮。一般來說,隨施氮量的增加,作物產(chǎn)量在不同氮肥力的土壤上會有不同的反應(yīng)。從農(nóng)戶的角度考慮,產(chǎn)量效應(yīng)曲線上應(yīng)該找到經(jīng)濟最佳施肥量。如果施肥量超過經(jīng)濟最佳施肥量,邊際產(chǎn)值將會小于邊際成本,對農(nóng)戶將是不合算的。如果把產(chǎn)量與氮肥通過各種損失隨施氮量的變化繪成一張圖,可以清楚地看出,隨施氮量的增加,氮肥通過各種途徑損失的量也增加,特別是當施氮量超過經(jīng)濟最佳施肥量時。因此,單個田塊的施氮量應(yīng)控制在最佳經(jīng)濟施肥量以內(nèi),特別是不能超過最高產(chǎn)量施肥量。氮肥管理措施應(yīng)同時考慮經(jīng)濟收益和環(huán)境問題。我們在華北地區(qū)多年多點的氮肥試驗表明,氮肥施用量的確定應(yīng)采用宏觀控制與微觀調(diào)節(jié)的方式,即宏觀控制施氮量與土壤—植株測試推薦施氮量相結(jié)合的技術(shù)路線。宏觀控制施氮量是指在特定地區(qū)、一定的種植制度下,施氮量應(yīng)該有一個范圍,這個范圍對目前農(nóng)戶盲目施用過量氮肥具有非常重要的指導(dǎo)意義。例如就華北平原冬小麥/夏玉米輪作體系來說,當施氮量在150~220kgNhm-2時,小麥、玉米可以達到6~8thm-2的產(chǎn)量水平;在冬小麥季可以適當多施,而夏玉米季可以適當少施,玉米季利用小麥季的殘效。據(jù)我們的研究,氮肥在小麥季的損失較低,小麥收獲后殘留氮依然在根區(qū),對后季玉米是有效的;但玉米季應(yīng)嚴格控制氮肥的施用量,因為玉米季正處于高溫、高濕季節(jié),過量施入的氮肥可通過各種途徑發(fā)生損失;在華北地區(qū)冬小麥/夏玉米輪作體系中,冬小麥季大部分農(nóng)戶的氮肥施用量超過300kgNhm-2,夏玉米季的氮肥施用量達到250kgNhm-2。實行宏觀控制施氮量對氮肥用量大面積降低到適宜范圍具有重要的現(xiàn)實意義。我國實行一家一戶的小規(guī)模經(jīng)營模式,各個地塊有機肥和化肥的施用歷史不同,其供氮量具有很大的差異。因此,具體到某一田塊到底該施多少氮肥,則可以通過土壤—植株測試進行推薦施氮,以實現(xiàn)氮肥的精確調(diào)控。2.深施化肥、節(jié)約施肥量氮肥深施是目前已提出的減少氮肥損失、提高氮肥利用率的各項技術(shù)中,效果最大且較穩(wěn)定的一種措施。應(yīng)當承認,由于氮肥品種和施肥技術(shù)的原因,我國作物生產(chǎn)體系中追肥的損失是相當嚴重的。歐洲國家大部分采用硝酸銨作為追肥,而我國的追肥普遍采用尿素或碳酸氫銨。研究表明,表施尿素比表施硝酸銨的氮素損失嚴重得多。再者,在施肥技術(shù)方面,我國農(nóng)戶很難做到氮肥深施或撒施后立即灌水。如在施用基肥時,碳酸氫銨或尿素撒施在地表上后,可能會需要數(shù)小時的時間才能被翻入地下;在進行追肥時,在灌水以前,就有可能使肥料在地表存留數(shù)小時。這些都可能造成氮肥的嚴重損失。根據(jù)我們的研究,在北方通氣良好的旱地土壤上,施入的銨態(tài)氮肥或尿素態(tài)氮肥一般在14天以內(nèi)才能轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮,銨態(tài)氮在沒有轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮以前,在pH較高的北方石灰性土壤上會產(chǎn)生氨氣揮發(fā)出土體。研究表明,表施碳酸氫銨或尿素通過氨揮發(fā)損失可高達50%,但當這些氮肥在深施的條件下,氨揮發(fā)損失率很容易降低到10%以下。在北京地區(qū)進行的研究表明,表施尿素時其損失達施入氮量的45%~73%,施肥結(jié)合灌水時其損失為施入氮量的2%~8%,深施或施肥后覆土其損失量僅為施入量的5%以下。根據(jù)華北的試驗結(jié)果,碳酸氫銨或尿素深施到8~10厘米,可比表施的肥效高1倍左右。因此,深施氮肥是發(fā)揮碳酸氫銨和尿素等氮肥品種肥效的關(guān)鍵技術(shù)。遺憾的是在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下,這一關(guān)鍵技術(shù)在實施中大打折扣,如華北地區(qū)普遍采用的冬小麥/夏玉米輪作中,在種植冬小麥以前,由于要進行翻耕,肥料結(jié)合土壤耕作,尚能做到深施;但在春季追肥時則較難實施深施,大部分田塊依然采取撒施后等雨、或散施后灌水的方法追肥,損失嚴重。在夏玉米上,普遍采用的免耕播種使氮肥的施用不得不采用撒施方式;在三葉期追肥尚能做到開溝條施,但條施的質(zhì)量也難以保證,靠人工條施作業(yè)非常艱苦;在十葉期追肥由于玉米已基本封行,不得不采用雨前撒施或撒施后灌水的方式,氮肥的深施得不到保障,特別是高量施氮條件下的損失嚴重。因此,如何在生產(chǎn)上實現(xiàn)氮肥的深施技術(shù),有賴于耕作、農(nóng)機和施肥專業(yè)的人員聯(lián)合解決,使之在生產(chǎn)上得到切實貫徹。我們2000年在北京市東北旺鄉(xiāng)的調(diào)查表明,在整個冬小麥/夏玉米輪作體系中,農(nóng)戶只有冬小麥播種時實現(xiàn)了氮肥深施,而這次施入的氮肥僅占整個輪作周期總施氮量的28%,大部分氮肥在返青或拔節(jié)期以撒施方式追施,有的農(nóng)戶在撒施后不能及時灌水,大量的氮肥可能以氨揮發(fā)形式損失。在夏玉米季,絕大部分氮肥以追施方式表施,由于夏玉米不進行灌溉,表施后滯留于土壤表面的尿素在高溫、高濕條件下很快轉(zhuǎn)化為NH3而揮發(fā)損失。毫無疑問,由于國外普遍采用機械化氮肥施用裝置,絕大部分可以做到氮肥深施。因此,在施肥技術(shù)上(包括肥料品種、施肥方法和時期、平衡施肥,與其他生產(chǎn)要素配合上)比我國有所改善,在相同施氮量條件下,其氮肥利用率相應(yīng)提高。隨著我國農(nóng)業(yè)技術(shù)的進步,氮肥利用率會進一步提高,我國還可以適當再降低氮肥用量,從而節(jié)約氮肥資源。因此,只要施肥量合理,施肥方法得當,氮肥的3條損失途徑都可以大大降低,并不像有些人想象的65%~70%的氮肥都損失到環(huán)境中去了。3.化肥的用量不高磷、鉀和中微量營養(yǎng)元素的供應(yīng)水平對氮素的有效利用至關(guān)重要。我國肥料發(fā)展的歷史是首先使用氮肥,過去由于磷、鉀肥的不足限制了氮肥作用的發(fā)揮,氮肥利用率也不很高。根據(jù)土壤和作物條件進行氮、磷、