沈阳生态所在作物氮利用效率量化方法方面取得进展

作物氮利用效率(NUE，Nitrogen Use Efficiency)是指肥料中氮元素被作物吸收利用的比例，是评价农田氮投入资源利用效率和环境影响一个重要指标，被科研人员、政府决策者、肥料企业和农户等广泛使用。然而，NUE虽然定义简单，但却并不容易直接量化。不同的人员往往根据自身不同需要和便利条件采用不同的量化方法，得到的结果差异较大。例如，我国粮食作物NUE平均水平被普遍认为在30%左右，而最近的研究显示NUE却达60%以上。不同量化方法间的差异导致不同研究间缺乏可比性，不利于农田氮循环的理解、田间氮肥的管理和政府决策的制定。

为了解决这一问题，中国科学院沈阳应用生态研究所稳定同位素生态学研究团队与美国马里兰大学环境科学研究中心阿巴拉契亚实验室合作，系统梳理了三种常用的NUE量化方法的科学内涵、差异原因和潜在联系(图1，2)。首先，该研究给出了差减法(NUEdiff)、15N同位素示踪法(简称示踪法，NUE15N)和生态系统氮收支平衡法(简称平衡法，NUEbala)三种量化方法的概念、内在假设和应用尺度。差减法根据施氮和不施氮两个处理的作物氮吸收量差异来量化作物氮利用效率，计算公式为：NUEdiff = (施氮处理作物氮吸收量 - 不施氮处理作物氮吸收量) / 肥料氮投入量 × 100%。示踪法根据15N标记氮在作物收获部分的回收比例来量化作物氮利用效率，计算公式为：NUE15N = (作物氮吸收量 × 作物吸收来自标记氮的比例) / 肥料氮投入量 × 100%。平衡法是指作物氮吸收量占总氮投入量的比例，计算公式为：NUEbala = 作物氮吸收量 / 总氮投入量 × 100%。该研究进一步指出导致三种NUE量化结果差异的原因：一是对氮投入的定义不同，其中差减法和示踪法仅针对肥料氮投入，平衡法针对所有氮投入，包括来自大气沉降的氮输入;二是对氮投入“土壤残留效应”(即残留在土壤的肥料氮对后季作物氮吸收的贡献)的涵盖范围不同，差减法和示踪法不涉及或较少涉及土壤残留效应，而平衡法则主要涉及了土壤残留效应。之后，该研究以全国尺度的农户调研数据和田间试验数据为依托，采用差减法、示踪法和平衡法量化了我国粮食作物的氮利用效率，结果分别为32%、30%和52%，并以此为例演示了三种方法之间的差异和联系(图2)。最后，该研究总结了不同NUE量化方法的优缺点，建议相关人员根据不同需要和目的选用恰当的量化方法，在比较时需采用统一标准以增加可比性。

2021年4月21日，该研究以“Different quantification approaches for nitrogen use efficiency lead to divergent estimates with varying advantages”为题发表在Nature Food上。沈阳生态所助理研究员全智为该文第一作者，马里兰大学Zhang Xin助理教授和沈阳生态所方运霆研究员为通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金的资助。

图1. 三种作物氮利用效率量化方法概念。

FN和NFN分别指肥料氮投入和非肥料氮投入;HNT和HNC分别指施氮处理和不施氮处理的作物收获氮;Ndff和%Ndff分别指施氮处理作物氮吸收来自肥料的量和比例(通常指当季)。

图2. 以我国粮食作物为例演示三种作物氮利用效率量化方法间的差异和联系。

图中括号内数字为中国粮食作物系统的平均值。其中，肥料氮投入量(FN，208 kg N ha-1 season-1)、其他氮投入量(NFN，59 kg N ha-1 season-1)以及作物氮收获量(HNT，138 kg N ha-1 season-1)来自全国尺度的调查数据;而作物氮吸收中来自当季氮肥的比例(%Ndff，63/138 = 46%)和不施氮对照作物氮吸收量占施氮处理的比例(HNC/HNT，71/138 = 51%)则来自全国尺度的田间试验数据。经计算，中国粮食作物系统的NUEdiff，NUE15N，NUEbala分别为30%，32%和52%。