全 文 ：收稿日期：!""#$"%$!& 接受日期：!""#$’!$"#
基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目（()*+!$,-.&!&$!）；国家重点基础研究发展计划（!""/01’!’’"!）资助。
作者简介：党廷辉（’23&—），男，陕西户县人，博士，研究员，主要从事土壤与作物营养和施肥研究。4.5678：96:;<=>5?@ 7?-*@ 6*@ *:@
旱地土壤硝态氮与氮素平衡、氮肥利用的关系
党廷辉，戚龙海，郭胜利，郝明德
（西北农林科技大学，中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨陵 A’!’""）
摘要：利用长期肥料试验资料研究了土壤氮素平衡、氮肥利用率和土壤硝态氮之间的相互关系。结果表明，小麦不
同施肥处理的氮肥利用率（BC4）为 %"D2E! 3/D#E，平均 /%D3E；土壤硝态氮累积率为 !D%E! &&D’E，平均
’%D!E；氮素表观损失率 !/D"E!&!DAE，平均 %%D!E。一般情况下，氮素盈余值与氮肥用量呈正相关，与磷肥用
量呈负相关；土壤中硝态氮的数量与氮素盈余值呈正比，与氮肥利用率呈反比。黄土旱塬地区，小麦在经济合理施
氮条件下，氮素盈余值为 ’%DA2 (; F =5!，硝态氮累积量为 !%D"" (; F =5!，说明过量施用一定数量的氮肥对保持作物生
产力和土壤氮素营养是必要的。
关键词：土壤硝态氮；土壤氮素平衡；氮肥利用率；旱地
中图分类号：G’&AD! 文献标识码：H 文章编号：’""#$/"/I（!""2）"%$"/A%$"/
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5,)%.$0%：16?RU P: <=R 8P:;.
持续利用的前提。现行农业生产中，土壤养分平衡
的决定因素是肥料的投入水平。一般情况下，增加
氮肥投入，有利于作物吸收同化更多的氮素，增加产
量，也有利于粮食作物品质的改善［’$!］。但是，作物
氮素的吸收同化量并不与施氮量同步变化。通常施
氮量的增加，氮素的表观利用率下降［%$&］，土壤残留
增加，并以硝态氮的形式累积在土壤中，为环境安全
留下隐患［/$3］。因此，优化的氮肥施用制度，不仅应
该满足作物所需的氮素营养、获得较高的氮素利用
效率，而且必须使土壤无机氮、特别是硝态氮残留量
控制在一定范围内，并确保土壤生态系统的氮素平
衡。然而，土壤硝态氮与氮素平衡值、氮肥利用率的
数量关系，土壤硝态氮、土壤氮素平衡参数的合理
范围等基本未见报道。为此，本研究利用长期肥料
试验的资料，试图回答上述问题。
植物营养与肥料学报 !""2，’/（%）：/A%$/AA
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
[86:< BL
试验设在中国科学院长武黄土高原农业生态试
验站，位于北纬 !"#$%&，东经 $’(#)’&，海拔 $%%’ *。
试验于 $+,)年布设，主要以氮、磷为供试因子进行
配比，-、.（.%/"）上限为 $,’ 01 2 3*%，下限为 ’，将氮、
磷用量等间距地划分为 " 个水平，共设 $( 个处理，
重复 !次。小区面积 "4" * 5 ) *。氮磷组合方式见
表 $。试验土壤为粘盖黄黑垆土，试验前 ’—%’ 6*
耕层土壤有机质含量 $’4) 1 2 01，全氮 ’47% 1 2 01，碱
解氮 !(4’ *1 2 01，速效磷 !4’ *1 2 01，速效钾 $%+
*1 2 01，89 ,4!。
作物为冬小麦，连作种植，一年一熟。每年 +月
中下旬播种，次年 7月下旬收获。播种前用农药处
理土壤，防治地下病虫。生长期间管理方式同大田。
品种选用当地主栽品种。氮肥用尿素，磷肥用过磷
酸钙（$%: .%/"）或重过磷酸钙（)7: .%/"）。全部
肥料均于播种前作基肥一次施入耕层，机翻入土。
试验第 $" 年小麦收获后，采集各处理 ’—%’’
或 ’—)’’ 6*的分层（%’ 6*一层）土壤样品，在保持
新鲜状态下，用 $ *;< 2 = >?< 室温下浸提硝态氮
（-/@! A-，液土比 " B $），并用流动注射分析仪测定。
同时用烘干法测定土壤水分含量。
表 ! 长武站氮磷配比定位试验方案
"#$%& ! ’&()*+ ,- ./& %,+*0.&12 -&1.)%)3#.),+ .1)#% )+ 4/#+*56 7.#.),+
处理
CDEFG*EHG $ % ! ) " 7 ( , + $’ $$ $% $! $) $" $7 $(
-（01 2 3*%） ’ ’ ’ )" )" )" +’ +’ +’ +’ +’ $!" $!" $!" $,’ $,’ $,’
.%/"（01 2 3*%） ’ +’ $,’ )" +’ $!" ’ )" +’ $!" $,’ )" +’ $!" ’ +’ $,’
以氮磷配比定位试验前 $"年资料为基础，根据
肥料、植物、种子、降雨样品测定资料，计算各处理每
年平均氮素输入、输出量和氮肥利用率。进一步结
合第 $"年土壤硝态氮测定与计算结果，分析相关参
数的关系。几个关系式如下：
$）种子含氮量（01 2 3*%）I播种量（01 2 3*%）5种
子含氮量（:）；
%）降雨输入氮（01 2 3*%）I降雨量（**）5 $’@ !
5面积（$’) 5 *%）5 水比重（$’! 5 01 2 *!）5 含氮量
（*1 2 01）5 $’@ 7 I降雨量（**）5含氮量（*1 2 01）5
$’ @ %；
!）施氮量为表 $ 中不同处理的施氮量
（01 2 3*%）；
)）作物携出氮（01 2 3*%）I子粒产量（01 2 3*%）5
子粒含氮量（:）J秸秆产量（01 2 3*%）5秸秆含氮量
（:）；
"）氮肥利用率（:）I（作物携出氮 @对照处理
作物携出氮）2施氮量 5 $’’；
7）某处理硝态氮累积总量（01 2 3*%）I［某处理
硝态氮含量（*1 2 01）@对照硝态氮含量（*1 2 01）］5
$’ @ 7 5土层厚度（*）5面积（$’) 5 *%）5容重（$’! 5
01 2 *!）I［某处理硝态氮含量（*1 2 01）@对照硝态氮
含量（*1 2 01）］5土层厚度（*）5容重（01 2 *!）5 $’；
(）硝态氮累积率（:）I 硝态氮累积总量
（01 2 3*%）2总施氮量（01 2 3*%）5 $’’；
,）氮素表观损失率（:）I $’’@硝态氮累积率
（:）@氮肥利用率（:）；
+）盈余值（01 2 3*%）I输入项总量（01 2 3*%）@输
出项总量（01 2 3*%）；
$’）盈余率（:）I盈余值 2氮素输入量 5 $’’。
8 结果与讨论
89! 旱作小麦不同氮、磷水平下氮肥利用、土壤硝
态氮累积与土壤氮素损失
不同施肥条件下，作物产量、氮肥利用率、硝态
氮的累积量及累积率、表观损失率有较大差异。长
期试验结果（表 %）表明，不同施肥处理的氮肥利用
率（-KL）为 !’4+:!7"4,:，平均 "!47:。由于施
肥对土壤铵态氮影响不大，施肥（铵态氮 $4)$!
!4)$*1 2 01，平均 %4"7 *1 2 01）与不施肥（铵态氮 $4"7
@!4$+ *1 2 01，平均 %4!! *1 2 01）处理差异不大，因此
施肥对土壤氮素的影响仅用硝态氮数据表示。不同
施氮处理硝态氮的累积率为 %4!:!))4$:，平均
$!4%:。根据土壤硝态氮累积率和氮肥利用率，估
算出旱地麦田氮素的表观损失率为 %"4’:!
)%4(:，平均 !!4%:。
)(" 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 $"卷
表 ! 不同处理作物产量、氮肥利用与土壤硝态氮累积
"#$%& ! ’()* +,&%-，.,/()0&. 12& #.- .,/(#/& #33141%#/,). ,. 2),% 1.-&( -,55&(&./ /(&#/4&./2
处理号
!"#$%&#’%
()*
平均产量
+,#-.
（/0 1 2&3）
作物年携出氮
4")5 ( 65%$/#
［/0 1（2&3·$）］
氮肥利用率
(78
（9）
:—; &土层硝态氮 (,%"$%# )< =),- 表观损失率
>55$"#’% -)== "$%#
（9）
累积量［/0 1（2&3·$）］
>??6&6-$%#. $&)6’%
累积率（9）
>??6&6-$%#. "$%#
@ @3A3BC 3DBE $ — — — —
3 @3AFB3 3DBA $ — — — —
E @E::BC 3DBA $ — — — —
; 33EEB@ ;ABG H ;GBA . EB; ABF ?. ;3BA <
D 3;G;BE DDB@ ? FDBC 02 3BF DBC $H 3CBD $H
F 3D:GBC D;B@ ? FEBF 0 @BD EBE $H? EEB3 ?
A 3ED@BC F;BG . ;EBC H 3DB; 3CB3 0 3CB: $H
C E:@:BA C:B3 # F:BC < ;BA DB3 $H? E;B: ?.
G E:;DB@ C:BD # F@B@ <0 3B@ 3BE $ EFBF ?.#
@: E:GGBF AGB@ # DGBF <0 FBD AB3 ?. EEB@ ?
@@ E@AEBD CEB; #< F;BE 02 DBG FBF H?. 3GB@ H
@3 E@C;B: CFB; < ;DB@ H 3ABG 3:BA < E;B3 ?.
@E EED;B3 @:@B: 0 DDBG # 3@BC @FB@ # 3ABG $H
@; E3F;B@ GFBA 0 D3BA . @EB@ GBA . EABD .#
@D 3D@EB; C@B3 #< E:BG $ AGB; ;;B@ 2 3DB: $
@F E;GDB; @:CBC 2 ;FBE H? E@BD @ABD # EFB3 ?.#
@A EA3CBC @@AB; , D@B: . @CB: @:B: . ECBG #
注（()%#）：同列数据后不同字母表示差异达 D9 显著水平，下同。I$-6#= <)--)J#. HK .,<<#"#’% -#%%#"= J,%2,’ $ ?)-6&’ $"# =,0’,<,?$’% $% D9 -#L#- *
!2# =$&# H#-)J*
施用氮肥能明显提高作物产量，但在相同磷肥
用量下，氮肥利用率随着氮肥用量的增加而降低；土
壤硝态氮在土壤剖面中的累积量、累积率则随着氮
肥用量的增加而增加。在相同磷肥施用条件下，投
入氮肥越多，即氮磷比越高，氮肥利用率越低，硝态
氮的累积越严重。土壤剖面硝态氮累积最多的处理
为连续每年施 ( @C:/0 1 2&3，对应的硝态氮年均累积
量、累积率分别为 AGB; /0 1 2&3 和 ;;B@9，其氮肥利
用率仅 E:BG9。
同样，不同磷肥基础上，随氮肥用量的增加土壤
氮素平衡状况明显不同。氮素的回收率，指硝态氮
累积率与氮肥利用率之和，变化幅度在 DABE9!
ADB:9之间。不同氮、磷配合方式引起硝态氮累积
率变幅很大（3BE9!;;B@9），因此，降低硝态氮累
积率应是提高氮肥利用率优先考虑的途径。从施用
磷肥对氮素的影响看出，同一氮肥条件下，施用磷肥
不但减少了硝态氮的累积率，而且提高了氮肥利用
率。配施磷肥，减少硝态氮的累积，是提高旱地氮肥
利用率的重要措施之一。磷肥对氮素表观损失率影
响没有明显规律性。
!6! 旱作小麦不同氮、磷水平下土壤氮素输入与携
出量估算
旱作小麦生产系统中，土壤氮素输入项主要包
括肥料、种子和降雨三部分。长武氮磷配比定位试
验中，每年肥料输入的数量不同处理有很大差异。
氮素投入水平范围 :!@C: /0 1 2&3；小麦播种量 @D:
/0 1 2&3，按多年试验子粒的含氮量 @BC;9计算，相当
于每年投入 ( 3BAF /0 1 2&3；降雨的含氮量多年多次
实测，平均含 ( 3BE3 &0 1 /0，当地平均年降雨 DC;
&&，相当于每年投入 ( @EBDD /0 1 2&3（表 E）。
土壤中的氮素输出项包括作物地上部分子粒和
秸秆带走氮素、通过氨挥发和反硝化损失的氮素、淋
溶损失三部分。旱地因降雨不多，土层深厚，氮素在
土壤中的残留部分基本在小麦根系分布范围内，淋
溶损失可忽略不计，但硝态氮淋溶累积成为氮素作
物当季利用率低的重要原因。多年测定结果（表 E）
表明，肥料试验不同施肥处理小麦子粒平均含氮量
@BEC9!3BE;9，秸秆平均含氮量 :B;D9!:BAG9，
根据平均产量和含氮量计算，每年小麦地上部分携
出 ( 3DBE@!@@ABEF /0 1 2&3。根据表观损失率（表
3）估算，各处理每年其他损失量为 ( @3BC!A:B:
/0 1 2&3。本试验条件下，土壤氮素的盈余值为
M GB::!A:B@E /0 1 2&3。不合理的氮、磷投入比例是
导致盈余或亏缺的主要原因。
DADE期 党廷辉，等：旱地土壤硝态氮与氮素平衡、氮肥利用的关系
表 ! 不同处理土壤氮素输入、输出与平衡
"#$%& ! ’()*+,&- (-./)，+/)./) #-0 $#%#-1& (- 2+(% +3 )4& )*&#)5&-)2
处理号
!"#$% &
’(&
输入项 )*+,%
［-. /（012·$）］
输出项 3,%+,%
［-. /（012·$）］
盈余
4$5$*6#
氮肥
7#"%8589#"
种子
:##;<
降雨
=$8*
小计
:,>%(%$5
作物吸收
?"(+ ,<#
其他损失
3%0#" 5(<<
小计
:,>%(%$5 ［-. /（01
2·$）］ （@）
A B 2CDE AFCGG AECFA 2GCFA B 2GCFA H ICBB $ —
2 B 2CDE AFCGG AECFA 2GCEG B 2GCEG H ICFJ $ —
F B 2CDE AFCGG AECFA 2GCEG B 2GCEG H ICFJ $ —
J JG 2CDE AFCGG EACFA JDCKE AIC2 EDCBK H GCDD $>6 H A2CK >
G JG 2CDE AFCGG EACFA GGCBI A2CK EDCI2 H ECEA $>6 H AJCD $>
E JG 2CDE AFCGG EACFA GJCAA AJCI EICBG H DCDJ $> H ADC2 $
D IB 2CDE AFCGG ABECFA EJCIB 2GC2 IBCAB AEC2A 0 AKCB 0
K IB 2CDE AFCGG ABECFA KBC2F FBCE AABCKF H JCG2 >6; H GCB 6;
I IB 2CDE AFCGG ABECFA KBCGB F2CI AAFCJJ H DCAF $> H DCI 6
AB IB 2CDE AFCGG ABECFA DICAJ 2ICK ABKCIF H 2CE2 ; H 2CI ;
AA IB 2CDE AFCGG ABECFA KFCFD 2EC2 ABICGE H FC2G 6; H FCE ;
A2 AFG 2CDE AFCGG AGACFA KECJB JEC2 AF2CGD AKCDJ 0 AFCI .
AF AFG 2CDE AFCGG AGACFA ABBCIE FDCD AFKCEF A2CEI . ICJ L
AJ AFG 2CDE AFCGG AGACFA IECDA GBCE AJDCFJ FCIK # 2CI #
AG AKB 2CDE AFCGG AIECFA KACAK JGCB A2ECAK DBCAF M FICB 8
AE AKB 2CDE AFCGG AIECFA ABKCKJ EGC2 ADJCBB 22CFA 8 A2CJ L.
AD AKB 2CDE AFCGG AIECFA AADCFE DBCB AKDCFK KCIF L GCB #
注（’(%#）：表中产量为 AG年平均值。!0# N8#5; 8< $O#"$.# (L AG N#$"<&
67! 土壤氮素平衡、土壤硝态氮累积量、肥料用量
间的相互关系
土壤氮素盈余值是反映土壤氮素平衡的指标之
一［D］。本试验中，不同施肥处理土壤氮素盈余值随
氮、磷肥的投入水平而变化。通常情况下，同一磷肥
水平上，氮素盈余值与氮肥用量呈正相关；同一氮
肥水平上，其与磷肥用量呈负相关。经过对土壤氮
素盈余值与氮、磷用量的线性回归，得出：
’盈余值 P H FCIEA Q BC2F2’ H BCAFAR
（* P AD，" P BCK2D!!）
式中，’为氮肥用量（’ -. / 012），R为磷肥用量（R23G
-. / 012）。
由公式可以推断出不同磷肥基础上，保持土壤
氮素平衡需要投入的氮肥用量。该关系式，既反映
了氮素平衡与氮、磷肥的相关关系，也反映了他们之
间的数量关系。对保持黄土高原南部高原沟壑区旱
地土壤养分平衡，评价施肥制度的合理性有重要的
参考价值。
在氮素投入过量的情况下，多余的氮素主要以
硝态氮的形式在土壤剖面中累积，导致肥料资源的
浪费，甚至存在潜在的环境问题。根据试验结果，土
壤硝态氮（:）与氮、磷数量关系的线性数学表达式为
: P GC2JK Q BC2F2’ H BCAFAR（* P AD，" P BCK2E!!）。
由此可以清楚地看出，土壤中硝态氮的数量与氮肥
用量呈正比。
氮素盈余值与土壤硝态氮的线性数学表达式为
: P ICAK2D Q ACBBBF S ’盈余值（* P AD，" P ACBBB!!）
（图 A），二者呈极显著的直线正相关关系。氮素盈
余值越大，土壤中硝态氮累积越多。
图 8 土壤氮素平衡与土壤硝态氮的关系
9(,:8 ;&%#)(+- +3 ’ $#%#-1& #-0 -()*#)&
#11/5/%#)(+- (- 2+(%
EDG 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 AG卷
!"# 最高产量施肥量与经济最佳施肥量下土壤硝
态氮累积和土壤氮素平衡
由多年平均产量与氮肥、磷肥用量进行非线性
回归，得出旱地小麦肥料效应方程为：
! " ##$$%$& ’ (#%)* + , -%-&&#) +( ’ )%&*. / ,
-%-(0)1 /( ’ -%-**-1 +/（2 " #$，3 " -%0$0!!），相关
性达到 #4的极显著水平，表明该方程可以反映因
子间的数量关系，并可进行预测。
当边际产量 5! 6 5+ " -，5! 6 5/ " -时，得出最高
产量施肥量： + " #$#%- 78 6 9:(，/(;) " #0$%(
78 6 9:(；当 5! 6 5+ " /+ 6 /!，5! 6 5/ " // 6 /!（/+ 氮
肥单价 *%1 元 6 78，// 磷肥单价 .%- 元 6 78，/! 产量
单价 #%(元 6 78）时，得出经济最佳施肥量：+ " #.)%$
78 6 9:(，/(;) " #((%& 78 6 9:(。
在最高产量施肥量下，土壤氮素盈余值为
#(%-& 78 6 9:(，土壤硝态氮累积量为 (#%($ 78 6 9:(；
在经济最佳施肥量下，土壤氮素盈余值为 #*%&0
78 6 9:(，土壤硝态氮累积量为 (*%-- 78 6 9:(。表明
旱地硝态氮的累积不完全是坏事，甚至土壤中存在
一定数量的硝态氮对保持土壤生产力和养分平衡是
必要的。根据结果，确定土壤氮素盈余值合理范围
在 #* 78 6 9:(左右，在此基础上，土壤硝态氮累积量
为 (#!(* 78 6 9:(，可取得较好的经济效益。
$ 结论
保持土壤养分平衡是保持土地生产力的前提。
但土壤氮素平衡状态下，并不能取得理想的作物产
量和经济效益。本研究结果表明，土壤中硝态氮的
数量与氮肥用量、氮素盈余值呈正比。黄土旱塬地
区，小麦在经济合理施氮条件下，氮素盈余值为
#*%&0 78 6 9:(，土壤硝态氮累积量为 (*%-- 78 6 9:(，
说明过量施用一定数量的氮肥对保持土壤生产力和
氮素平衡是必要的；产生土壤剖面一定数量的硝态
氮累计也是不可避免的，甚至是必须的。生产实际
中，控制土壤中硝态氮的过多累积，才是我们应该解
决的现实问题。
从土壤氮素平衡来看，施氮量越大，氮素利用率
越低；配施磷肥越多，氮肥利用率越高。为了防止
硝态氮的严重积累及其对环境的潜在威胁，在生产
上切实可行的措施就是氮、磷肥合理配施。
参 考 文 献：
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产量构成因素的影响［=］< 西北植物学报，(--)，()（1）：##&$,
##$*%
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XOM < XO3KFP?Q;LL?5< A?2，(--)，()（1）：##&$,##$*%
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Y9FO E =，G@K ! C，G@ > G< IJJKLMN OJ M9K PKZKP F25 R3ORO3M?O2 OJ
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M?O2 O2 L9F28KN OJ NF25U NO?P JK3M?P?MU F25 2?M3FMK FLL@:@PFM?O2 F25 5?NQ
M3?‘@M?O2［=］< \9?2< =< AO?P AL? <，#001，(&（)）：(#1,(#$%
［)］ ;VK2N > X，I5VF35N ^ a< D3O@25 VFMK3 2?M3FMK PKZKPN @25K3 JK3M?P?SK5
83FNN F25 83FNNQPK8@:K RFNM@3KN［=］< = < I2Z?3O2< _@FP <，#00.，(*：
&)(,&)$%
［1］ a?P‘@32 /，H?L9F35N = I，DF3MPKU \ !" #$ % +?M3FMK PKFL9?28 J3O: NUNQ
MK:FM?LFPPU M?PK5 ROMFMO J?KP5N ?2 +KV X3@2NV?L7［=］< \F2< =< I2Z?3O2<
_@FP <，#00-，#0：..$,.).%
［&］ 李建民，李世娟，曾长立，周殿玺 < 冬小麦限水灌溉条件下土
壤硝态氮变化与氮素平衡［=］< 华北农学报，(--*，#$（(）：)#,
))%
>? = a，>? A =，YK28 \ >，Y9O@ b G< AM@5?KN O2 M9K NO?P 2?M3FMK LO2Q
MK2M F25 2?M3O8K2 ‘FPF2LK ?2 V?2MK3 V9KFM RPF2MN @25K3 P?:?MK5 ?33?8FM?O2
LO25?M?O2［=］< WLMF W83?L< XO3 < A?2<，(--*，#$（(）：)#,))%
&&)*期 党廷辉，等：旱地土壤硝态氮与氮素平衡、氮肥利用的关系