氮肥的科学管理是实现作物高产优质、降低氮素环境污染、实现农业可持续发展的重要方法，合理施用有机肥是氮肥管理的重要措施之一^[1]。作为重要的氮肥来源，有机肥在农业生产系统中经历复杂转换^[2-4]，肥料利用效率是评判有机肥是否高效利用或浪费的重要依据之一，当前通用的氮肥利用率是差减法计算的表观利用率，即同一田块在施氮和不施氮两种情况下，作物吸收的氮素养分量差值占施入氮肥量的百分比，除受施氮量影响外，还受不施肥处理作物吸收养分量的影响。对于短期施用有机肥而言，虽然利用差减法计算的当季氮肥表观利用率并不高，但是相当一部分有机肥氮并没有损失，而是残留在土壤中供后季作物利用；对于长期施用有机肥而言，由于对照处理连年不施肥，基础肥力很低，作物吸收氮素养分更少，这会导致计算的氮肥利用率偏高。因而差减法计算的氮肥利用率不能很好地指示有机肥施用过程中存在的问题，而将损失率作为有机肥施用是否合理的评价指标可以避免上述诸多问题^[5]。

氮素平衡法被广泛用来理解农业生态系统中的氮素循环、效率及归宿^[6-7]，可以用来研究有机肥氮在作物生长中的吸收、残留和损失及其变化规律。土壤系统氮素平衡反映一定土体深度氮素输入、输出、循环、损失及土壤氮库的变化，是详细的氮素收支情况^[5]。在计算土壤系统氮平衡时，氮素挥发、径流、硝化-反硝化的测定研究报道很多^[8]，例如，朱兆良^[9]通过系统估算发现农田化肥氮损失为52%（包括氨挥发、表观硝化-反硝化、淋洗、径流），但这些研究往往是基于一个作物生长期内氮素的挥发损失或径流损失量。由于各种途径氮素损失测定的困难性和不确定性，很少有多种损失途径连续多年监测结果的报道，黄绍敏等^[10]研究了有机肥和化肥不同施肥方式（化肥、有机肥、有机无机配合施肥等）对潮土13年总体的氮平衡和损失的影响，而涉及不同有机肥氮施用量的氮平衡和损失的报道不多，也缺少年际间变化规律的研究。简便准确估算长期施肥每年或若干年氮损失量，探索将氮素损失作为计算氮效率的重要参数，显得尤为重要。

本文以连续10年长期施用有机肥定位试验为平台，通过分析长期不同有机肥氮用量定位试验小麦玉米轮作土壤系统的氮素平衡，计算氮素吸收率、残留率、损失率及其年际间的变化规律，探讨利用氮素平衡法估算氮素损失作为有机肥合理施用的评价指标的可行性。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验在中国农业科学院德州实验站陵县试验基地进行，长期定位试验从2006年10月小麦季开始，种植制度为冬小麦-夏玉米一年两熟制。其中的5个有机肥氮用量处理为冬小麦、夏玉米每季作物有机肥N施用量为0、120、240、360、600kg/hm²，每个处理3次重复，小区面积为5m×5m=25m²，随机区组排列。试验田间日常管理参考当地种植习惯，采用常规栽培模式。

各处理的有机肥用量由施肥前测定的含水量和全氮含量折算，有机肥选用当地养殖场腐熟厩粪，主要养分干基含量为：氮（N）1.10%～2.31%、磷 （P₂O₅）0.74%～3.35%、钾（K₂O）0.67%～3.00%。 2006年10月至2009年6月施用的有机肥为猪粪， 2009年10月以后为牛粪。2014年10月以前有机肥分别于小麦、玉米播种前作基肥施入；2014年10月以后，全年有机肥在小麦播种前一次性施入，小麦和玉米秸秆及地上部残茬在收获时全部移除。

1.2 取样与测定

小麦和玉米收获时，整个小区收割地上部，分别测定籽粒和秸秆产量。凯氏定氮法测定籽粒和秸秆含氮量。玉米收获后，利用不锈钢土钻于各小区内“S”形取样，采集8个点0～20和20～40cm土样分层混匀，经KMnO4-Fe粉还原法消煮后，凯氏定氮法测定包含硝态氮在内的土壤全氮含量。

1.3 氮平衡相关参数及氮损失估算

输入既定土壤系统中的各种氮素经历复杂转换，表观上表现为3个去向，分别为作物吸收、土壤中残留、氮损失。小麦玉米轮作土壤系统的表观氮平衡表现为各种氮素输入、作物地上部吸收氮、土壤氮库变化和各种途径的氮损失之间的平衡关系，即：

氮素总输入=作物吸收氮 + 土壤氮库增量 + 氮素总损失

其中，氮素总输入主要包括肥料投入氮、生物固氮、沉降氮、种子带入氮、灌溉水和作物残茬带入氮。本文中，有机肥氮0、120、240、360、 600kg/hm² 处理每个小麦玉米轮作系统周年的肥料氮投入量分别是0、240、480、720、1200kg/hm²。种子带入的氮按小麦玉米播种量和含氮量计算，多年实测平均值为3.9kg/hm²。以湿沉降氮量32.8kg/hm² 和干沉降氮量32.3kg/hm² 之和66.1kg/hm² 作为当地干湿沉降氮输入量^[11]，土壤非共生固氮按照15.0kg/hm² 计算^[11]。试验小区人工收获时贴近地面收割作物且小麦和玉米秸秆全部移除，作物残茬带入氮忽略不计，灌溉水为深井水，带入的氮忽略不计。

作物吸收氮包括小麦、玉米的籽粒和秸秆吸收氮。数据来源于本试验长期定位监测。

土壤氮库增量数量上等于输入的总氮素在0～40cm土体中的表观残留量，等于小麦玉米轮作周期结束时0～40cm土壤全氮量减去开始时0～40cm土壤全氮量。数据来源于本试验长期定位监测。

氮素总损失主要包括氨挥发、硝化-反硝化损失、淋洗和径流损失以及其他途径的损失，即：

氮素总损失=氮素总输入-作物吸收氮-土壤氮库增量

相应的，氮素平衡法计算的氮效率^[12]为：

氮素利用率（NUE）=作物吸氮量/氮素总输入

氮素残留率（NRR）=氮素残留量/氮素总输入

氮素损失率（NLR）=氮素损失量/氮素总输入

1.4 数据处理

数据采用Excel 2007和SAS V8进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 作物吸氮量

作物吸氮量包括小麦地上部吸氮量和玉米地上部吸氮量。试验结果（表1）表明，不施肥处理的小麦玉米周年吸氮量在107.5～173.2kg/hm² 之间，平均值为132.3kg/hm²，明显低于施氮处理。且随着试验年限增加，不施肥处理的吸氮量较试验开始时明显减少，年际间变异系数为5.2%。

与不施肥相比，施用有机肥可以显著提高吸氮量，且施氮量越多，吸氮量越大，120、240、 360、600kg/hm² 处理的吸氮量10年均值分别为238.3、348.4、376.2、380.4kg/hm²，其中有机肥氮240和360kg/hm² 处理间差异不显著，360和600kg/hm² 处理间吸氮量相近。

同一施氮量处理年际间比较，随着试验年限增加，有机肥氮120kg/hm² 处理吸氮量较试验开始时明显减少，年际间变异系数为5.0%；有机肥氮240、360、600kg/hm² 处理的吸氮量年际间变化相对较小，年际间变异系数均不大于4.0%。总体而言，随着试验年限增加，5个处理间吸氮量差异逐渐增大，年内处理间变异系数由试验初期的20.2%增大到23.4%。

注：数据为平均值 ± 标准差；同列数值后不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。下同。

2.2 氮盈余

氮素输入量与作物吸氮量差值即为氮盈余量。试验结果（表2）表明，不施肥处理的周年氮盈余在-88.2～-22.4kg/hm² 之间，平均值为-47.2kg/hm²，表现为连年亏缺。且随着试验年限增加，不施肥处理的氮亏缺（负盈余量）较试验开始时明显降低，年际间变异系数为5.2%。

与不施肥相比，施用有机肥可以显著提高氮盈余量，且施氮量越多，氮盈余量越大。有机肥氮120、240kg/hm² 处理氮盈余量10年均值分别为72.7和242.6kg/hm²，有机肥氮360、600kg/hm² 处理每年都产生过高的氮盈余，10年均值分别为428.8和904.6kg/hm²，分别占周年有机肥氮总施用量的59.6%和75.4%。

同一施氮量处理年际间比较，随着试验年限增加，有机肥氮120、240kg/hm² 处理氮盈余量较试验开始时明显增加，年际间变异系数均大于5.0%； 有机肥氮360、600kg/hm² 处理的氮盈余量年际间变化相对较小，年际间变异系数均小于4.0%。总体而言，随着试验年限增加，5个处理间氮盈余量差异逐渐变小，年内处理间变异系数由试验初期的76.2%降低到73.8%。

注：氮盈余量=氮素输入量-作物吸氮量。

2.3 土壤氮库变化和氮素表观残留量

输入的总氮素在0～40cm土体中的表观残留量可以用小麦玉米轮作周期土壤氮库增量来表示。结果（表3）表明，不施肥处理的土壤氮库一直处于减少的状态（增量为负值），变化量在-98.4～-19.7kg/hm² 之间，平均值为-48.6kg/hm²。且随着试验年限增加，不施肥处理的氮库减少量较试验开始时有所降低，表现出趋于稳定的趋势，年际间变异系数为6.3%。

与不施肥相比，施肥处理的土壤氮库可以得到及时补充，同时土壤氮库增量随着施氮量的增加而显著增加，且施氮量越多增量越大，有机肥氮120、240、360、600kg/hm² 处理的氮库增量10年均值分别为31.0、85.9、141.1、296.3kg/hm²。

随着试验年限的增加，有机肥氮360和600kg/hm² 处理周年土壤氮库增量显著降低，年际间变异系数分别为9.7%和32.0%，而有机肥氮120和240kg/hm² 处理土壤氮库增量的年际间变化相对较小，变异系数分别为6.1%和2.5%。总体而言，随着试验年限增加，5个处理间氮库增量差异逐渐变小，年内处理间变异系数由试验初期的45.6%降低到12.1%。

2.4 氮损失量估算

通过测定土壤全氮含量来计算土壤氮库变化，利用氮素平衡法估算所有损失途径的氮素损失总量。结果（表4）表明，不施肥处理的周年氮损失量在1.2～10.2kg/hm² 之间，平均值为4.3kg/hm²，显著低于施氮处理。且随着试验年限增加，不施肥处理的氮损失较试验开始时明显降低，年际间变异系数为0.8%。

与不施肥相比，施用有机肥可以显著增加氮损失，且施氮量越多，氮损失量越大。有机肥氮120、240kg/hm² 处理的氮损失量10年均值分别为41.7、156.7kg/hm²，有机肥氮360、600kg/hm² 处理每年都产生高量的氮损失，10年平均值分别为287.8、608.3kg/hm²，分别占每年总施氮量的40.0%、50.1%。

同一施氮量处理年际间比较可见，有机肥氮120kg/hm² 处理氮素损失量较试验初期明显降低，但变化量较小，变异系数为1.5%。有机肥氮240kg/hm² 处理氮素损失量年际间变化相对较小，变异系数为7.1%，试验后期损失量为180kg/hm² 左右（164.2～191.1kg/hm²）；有机肥氮施用量大于360kg/hm² 时，氮素损失量接近或大于300kg/hm²，且施氮量越多损失量越大，试验年限越长氮素损失越大，10个轮作周期后，有机肥氮360kg/hm² 处理的损失量为357.3kg/hm²，数量上达到了周年施氮量的50%；有机肥氮600kg/hm² 处理氮素损失量高达765.9kg/hm²。总体而言，随着试验年限增加，5个处理间氮损失量差异逐渐增大，年内处理间变异系数由试验初期的30.7%增加到63%左右。

2.5 氮素利用率、残留率、损失率

采用氮素平衡法计算小麦玉米轮作土壤系统的氮素利用率、残留率和损失率，结果（表5）表明，氮素利用率随有机肥氮施用量增加而降低。试验初期，有机肥氮120kg/hm² 处理氮素利用率约为90%，之后随着试验年限增加，试验后期基本维持在70%左右（69.4%～74.6%）；有机肥氮240、 360和600kg/hm² 处理的氮素利用率分别维持在60%（56.8%～63.5%）、45%（44.5%～46.3%） 和30%（28.1%～29.9%）左右。氮素利用率年际间变异系数分别为1.6%、0.6%、0.5%、0.2%。

试验开始时，氮素残留率随有机肥用量增加而增加，施氮量越高残留率越大。随着试验年限增加，120kg/hm² 处理残留率比开始时有所增大，360和600kg/hm² 处理氮素残留率逐渐降低，10个轮作周期后，施肥处理的氮素残留率在9.3%～16.0%之间，不同施肥处理间比较，施氮量大的处理氮素残留率较小。

施用有机肥氮越多氮素损失率越大，随着试验年限的增加，有机肥氮120kg/hm² 的氮素损失率有逐年降低的趋势，10个轮作周期后损失率为10%左右（9.4%～11.7%）； 试验后期有机肥氮240kg/hm² 处理氮素损失率约为30%左右（29.1%～33.8%）。360和600kg/hm² 处理的氮素损失率逐年升高，10个轮作周期后，氮素损失率分别处在40%（41.6%～44.4%） 和60%（61.6%～59.6%）左右的水平。

3 讨论

3.1 不同有机肥处理的氮盈余

氮盈余是衡量氮素投入生产力、环境影响和土壤肥力变化的有效指标^[5]，维持土壤-作物体系的氮素平衡就可以在不消耗土壤氮的基础上获得较高的目标产量，还不会引起大量的氮损失。本文利用氮素平衡法计算了长期施用有机肥不同年限、不同施氮量的氮素盈余。有机肥氮120kg/hm² 处理初始的氮素盈余量为28.6kg/hm²，4年后氮素盈余维持在80.9～99.4kg/hm²。240kg/hm² 处理的氮盈余随着试验年限增加而增加，7年后稳定在250kg/hm² （273.8～236.3kg/hm²）左右，这与林治安等^[13]在同一地区长期定位试验结果一致。有机肥氮施用量大于240kg/hm² 的氮盈余大大超过每年施氮量的50%，这将显著增加土壤氮素损失的风险。本研究结果还表明，氮素盈余量与试验年限有关，一般5年以后计算的氮素盈余才比较稳定，试验初期氮素盈余量较后期小，如果采用试验初期结果推荐氮盈余量，会得到偏低的数值。

3.2 土壤氮库变化与氮素残留

测定土壤全氮含量计算得到的土壤氮库增量，等于氮素在土壤中的表观净残留量，土壤氮库可分为无机氮库和有机氮库，无机氮库包括铵态氮、硝态氮和固定态铵，有机氮库包括可溶性有机氮、微生物氮和土壤有机质氮库。利用播前土壤矿质氮和土壤矿化氮量来计算土壤氮素平衡的文献较多^[14]，但是把土壤残留氮仅仅局限于矿质氮有很大局限性。一般而言，通过短期试验来定量土壤氮库变化的准确度和精确度有很大的不确定性，这在一定程度上会导致含糊或错误的结论，而长期定位试验有利于对氮素平衡的不确定性进行分析，从而得出较为准确的结论。

本研究利用长期定位试验计算的氮素土壤残留（土壤氮库增量）为0～40cm土壤全氮在小麦、玉米轮作试验周期结束时的土壤全氮与本周期开始时土壤全氮之差。结果表明，不施肥处理氮素土壤残留量为负值，低有机肥氮处理氮素土壤残留量比较低，而高有机肥氮处理的氮素残留量很高。随着试验年限的增加，不施肥和有机肥氮120kg/hm² 处理土壤氮库每年的变量均增加；有机肥氮240kg/hm² 处理土壤氮库每年的变化量趋于稳定，为80kg/hm² 左右，而有机肥氮360和600kg/hm² 处理土壤氮库每年的变化量显著降低。有机肥氮用量大于240kg/hm² 处理时，土壤氮库趋于稳定，不会因为有机肥料的施用而显著变化。由残留增量的年际变化也可以看出，试验开始时的第1、2年，土壤氮库增量y与有机肥氮施用量x的关系为y=0.9822x-124.66，R ²=0.9889；第5、6年为y=0.5775x-42.623，R ²=0.9877；第9、10年为y=0.2445x-4.3432，R ²=0.8651。试验年限越长，土壤氮库增量y与有机肥氮x线性函数的截距绝对值 （表征不施氮处理的土壤氮库减少量）越小，斜率 （表征施氮处理增加土壤氮库的能力）也越来越小，说明土壤氮库向趋于平衡状态的方向发展。

3.3 氮损失的估算

根据土壤氮素平衡关系和氮素土壤残留量（土壤氮库变化）估算的氮素损失量表明，有机肥氮240kg/hm² 处理，周年氮素损失量在140.1～191.1kg/hm² 之间，损失率在18%～33%之间，这与张刚等^[15]和党廷辉等^[16]的研究结果类似。黄绍敏等^[10]采用实际氮素平衡法计算的小麦和玉米每季施氮量为187.5kg/hm² 时13年平均氮素损失率为56%，此方法计算的氮素盈余量偏大，从而造成损失量估算偏大，如果按照本文氮素平衡法计算，小麦和玉米每季施氮量为187.5kg/hm² 时13年平均损失率为20.8%，与本试验中有机肥氮240kg/hm² 处理的氮素损失率较为接近，这也与应用 ¹⁵N示踪法测定的氮素损失率结果较为一致^[17]。

整个试验期间，有机肥氮600kg/hm² 处理的氮素吸收率一直稳定在30%左右，而氮素残留率由试验初期的40%左右降低到试验中期的25%左右，直到试验后期的10%左右。因而试验初期有机肥氮600kg/hm² 处理的氮损失率为30%，中期氮损失率为45%左右，10年后氮损失率高达60%（表5），这是多年长期施用有机肥的累加效应在当年的具体表现。氮肥投入超过了作物和土壤微生物对氮的需求时，大量盈余的氮素很容易通过径流、淋溶、氨挥发和反硝化等途径损失^[18]。

大量研究表明，长期施用有机肥能显著提高土壤氮素初级矿化-同化周转速率^[19]，初级矿化速率大小由土壤有机碳和有机氮含量决定^[20]。本长期定位试验开始时0～20cm土壤有机质和全氮含量分别为0.85%和0.06%。7年后，120kg/hm² 处理的土壤有机质和全氮含量增加幅度相对不高， 240、360、600kg/hm² 处理的有机质含量分别处在2.0%、2.5%、3.5%的水平；三者的土壤全氮分别处在0.15%、0.20%和0.25%左右的水平^[21]，可以推测长期高量施用有机肥的土壤矿化速率和矿化量一定比常量施肥高的多。此外，长期施有机肥对自养硝化作用的刺激作用明显高于化学氮肥，会导致土壤中硝态氮的积累，进一步增加氮损失的风险^[18]。Masaka等^[22]研究表明有机肥施用量超过15t/hm² 时，40cm深度淋溶液中硝态氮浓度就超过饮用水标准（10mg/L）15%以上。而基于本试验的另一项研究表明，试验开始2年后有机肥氮600kg/hm² 处理0～200cm土体硝态氮累积量高达350kg/hm²，显著地增加了土体中的硝态氮累积和淋失风险^[6]。Maeda等^[23]研究表明有机肥处理100cm深土壤水中的硝态氮浓度只在前3年保持不变，随后则达到化学氮肥处理相同水平，这说明虽然有机肥在短期内可以减少硝态氮淋溶损失，长期施用也会与化学氮肥一样导致大量硝态氮淋溶损失。在山东禹城开始于1986年的长期定位试验表明^[24]，小麦、玉米每季作物施用有机肥氮（牛粪） 450kg/hm²，30年后周年氨挥发为N 4.0kg/hm² 左右，周年氧化亚氮排放为N 1.3kg/hm² 左右，两者之和占投入有机肥氮量的比例不足1%。此外，动物粪肥作为有机肥本身就含有大量的营养物质，如一系列易降解的有机碳、氮和无机氮化合物，过量施用极易增加其他途径的氮损失^[25]。

3.4 氮素平衡法计算的氮效率作为有机肥合理施用评价指标的可行性

我国现有的氮素管理体系中，一直使用氮素利用率这一指标。但是，一方面，该指标很难反映不同来源氮素在系统内和系统间的循环利用，以及向环境中排放、迁移的情况，并且也不能反映氮素损失的绝对量及评估氮素的环境效应。常规氮肥利用率计算方法存在着计算当季或短期氮肥利用率偏低等一些需要进一步讨论的问题。另一方面，片面追求高的氮素利用率不一定能够实现目标产量和低的氮素损失。由此可以看出，传统氮肥利用率指标存在诸多不足。本文采用氮素平衡法来计算氮素利用率、残留率和损失率，结果表明，低量的有机肥氮 （120kg/hm²）处理，氮素利用率在90%以上，但是这种施肥量消耗土壤氮库不利于维持土壤肥力。施氮量大于240kg/hm²，不仅氮素利用率低，而且氮盈余较多，损失率也高，对环境产生严重的影响。而有机肥氮240kg/hm² 处理氮素利用率保持在60%左右，既能维持土壤肥力也能满足高产需求，而且损失也不多。可见，利用氮素平衡法估算氮素损失可以作为评价有机肥合理施用的指标，能够更好地反映施肥的土壤和环境效应，而如何综合评估长期施肥下不同种类肥料及其比例对环境的综合影响是值得进一步探讨的问题。

值得注意的是，本研究仅考虑了0～40cm土体的氮素平衡状况，此土层以下的土体所含氮素均被归为损失。而小麦、玉米根系普遍存在于0～100cm的土体内，40cm土层以下的土壤氮同样具有一定的生物有效性。在相同试验上的研究表明，有机肥氮240kg/hm² 处理0～100cm土体硝态氮累积量为110kg/hm²，100～200cm土体硝态氮累积量为40kg/hm²，有机肥氮施用量大于240kg/hm²，将大大增加土体中的硝态氮累积和淋失风险^[6]。Cui等^[7]通过在华北小麦-玉米轮作上大量田间试验总结出，在优化氮素管理条件下，每季作物收获后0～90cm根层硝态氮应该维持在90～100kg/hm² 的临界范围内（折算为一个轮作周期180～200kg/hm²），既可以维持较高目标产量，又可以获得较低环境代价。因此，推荐施肥时需要同时考虑作物根层硝态氮含量。

4 结论

华北地区小麦、玉米一年两熟条件下，长期施用有机肥10年后土壤系统趋于稳定。每季作物施用有机肥氮低于240kg/hm²，虽然氮素利用率高，氮损失也少，但是土壤氮处于亏缺状态，不能实现可持续生产；有机肥氮施用量高于240kg/hm²，氮素利用率低，产生大量氮盈余，氮损失量大，会对环境产生负面影响。每季作物施用有机肥氮240kg/hm²，周年氮盈余为250kg/hm² 左右，氮素土壤残留量为80kg/hm² 左右，氮素损失量为180kg/hm² 左右，利用氮素平衡法计算的氮素利用率、残留率、损失率分别为60%、10%和30%左右，是适宜的有机肥推荐施用量。利用氮素平衡法计算氮效率能够更好地反映施肥的土壤和环境效应，可以作为评价有机肥是否合理施用的指标。

参考文献