不合理施用氮肥會導致兩種結果: 一是氮肥投入量低于經濟最佳施氮量或最高產量施氮量，導致產量較低，沒有發揮品種、灌溉等其他農藝措施的增產效果;二是氮肥投入量超過了經濟最佳施氮量或最高產量施氮量，導致產量不再增加或有所下降( 倒伏或病蟲害增加) ，但氮肥在土壤中殘留量或損失到環境( 指大氣和水體) 中的量會顯著增加，污染環境。
對某個地區的某種作物( 區域尺度) 或具體農戶田塊( 田塊尺度) 來說，合理施用氮肥主要應包括施肥量、施肥時期、施肥方法和肥料品種，也應包括與有機肥和秸稈還田措施的配合，還應包括與灌溉、耕作、品種等其他農藝措施的配合。
合理施肥措施主要受區域內土壤狀況、氣候條件、作物特征( 包括不同作物和同一作物不同品種) 和其他生產條件( 如灌溉等) 的影響。根據區域內施肥田塊變異程度或者說相似程度，合理施肥措施可以在同一地區同一作物上大約一致( 或者說一個很窄的范圍) ，如區域平均適宜施氮量的概念和做法。
或者根據田塊之間和田塊內的土壤變異，確定微域尺度上氮肥用量，如北美的精準施肥或變量施肥概念和措施。
這些看似簡單的道理，或者說在理論、科研層次上已基本解決的問題，在我國生產實踐中卻成為一個持久的、重大的和難以解決的實際問題，并且直接影響到我國農產品生產和環境保護等重大問題。
對于什么是合理施氮? 如何合理施氮? 在農戶、推廣部門、甚至科技工作者層面都有不同認識，導致在生產實踐中盲目施氮現象相當普遍。
目前生產上的具體問題是如何確定某一地區、某種作物獲得較高目標產量和品質指標的合理施氮量，如何在生產實踐中實現合理施氮方法和施氮時期。
我們認為，現階段我國盲目施肥或不合理施肥當然存在一些技術方面的問題，但更重要的是一個廣泛的社會經濟問題，其中涉及到土地經營規模、肥料和農產品價格及補貼體系、勞動力市場和價格、農業推廣服務體系、農戶傳統施肥理念等問題。
如果不澄清這些問題，將會對我國未來農產品生產和環境保護帶來影響。本文就我國氮肥施用現狀、存在問題和原因及未來發展趨勢提出了以下看法。
1、何謂合理施用氮肥
合理施用氮肥主要包括四個方面，即施肥量、施肥時期、施肥方法和肥料品種( 國際上稱為“4Ｒ”技術，即（right amount，right time，right place，righttype) 。這四個方面不是孤立的，而是相互聯系和影響的。
如施肥量首先決定于目標產量，但又決定于施肥方法、時期和肥料品種。如果后三者不合理，導致施肥過程和施肥后大量氮素損失，氮素沒有充分被作物吸收利用，為了獲得較高目標產量，農戶就要加大施氮量，以保證作物吸收足夠氮素。
如果后三者都趨于合理，那么施入的氮肥能夠被作物充分吸收利用，就不需要增加額外氮肥去“滿足損失”。
1.1 確定合理施氮量
確定合理施氮量是施肥的關鍵。我們認為，合理施氮量始終決定于目標產量和目標籽粒蛋白質含量。在我國主要取決于目標產量，在西方國家小麥生產中，還要求一定的籽粒蛋白質含量，主要是出于烘烤面包需要，這時施氮量要稍高，應該在經濟最佳施氮量之上，但一般不會超過最高產量施氮量。
目標產量不是憑空想象的，取決于某一時期某一地區的生產條件，主要包括土壤條件、氣候條件，農藝管理措施如品種、灌溉、耕作等。在某個地區某種作物上，可以根據過去三年平均產量或當地能夠獲得的比較高的產量來確定。
當然，如果要追求進一步把產量提高到更高臺階，那就需要改進生產條件和栽培管理措施，相應的施氮量也應該根據新設定的目標產量確定。
西方發達國家一般把目標產量定義到經濟最佳施氮量能夠達到的水平上，從經濟學角度，這時肥料的投入產出比最高，獲得的經濟效益也最大。
我國因對農產品需求量大，一般將目標產量定義到最高產量施氮量能達到的水平上，最高產量施氮量比經濟最佳施氮量要高，引起的氮肥損失會稍大，但環境代價還不是太大。如果超過了最高產量施氮量，不但對增產沒有好處，氮肥損失卻會顯著增加。
如何確定田塊尺度的合理施氮量? 傳統方法是利用田間肥料試驗或土壤與植株測試，這兩類方法在實際應用中都有較大缺陷。
前者以田間試驗及生物統計理論為基礎，基于“投入－ 產出”關系，視土壤為“黑箱”，推薦量來源于前些年的試驗結果，且不可能每塊地上去做田間試驗，沒有解決“空間變異”問題。
后者以土壤和植株測試為基礎，其一是很難找到可靠的土壤有效氮測試指標，如在水田還沒有找到滿意的指標; 盡管旱地根層貯存硝態氮可以反映土壤的供氮能力，但也存在諸多局限性，如硝態氮易移動、空間和時間變異大，從采樣到分析結果可引起N 30 kg /hm2 以上的誤差，該誤差足以掩蓋田塊之間施氮量的差異; 其二是將測試值轉換為推薦量需要大量參數，有時計算的結果不如有經驗的人“拍腦袋”。
兩類方法的共同局限性還在于，需要花費大量資金和時間進行田間試驗和土壤與植物樣品測試。
由于我國田塊小、數量大，測試工作量大; 復種指數高、茬口緊，測試工作難以做到不誤農時; 測試設備不足，技術人員少; 因此，即使土壤供氮能力的測試指標得以解決，也不能廣泛采用測試路線。
在目前我國以小農戶土地分散經營為主的情況下，我們首先推薦朱兆良提出的區域平均適宜施氮量概念和做法，因為該方法能將絕大多數地塊施氮量控制在合理范圍。
在目前產量水平下，華北平原和長江中下游平原水稻、小麥和玉米的平均適宜施氮量大約為N 190 ～ 200 kg /hm2、150 ～ 180kg /hm2 和170 ～ 190 kg /hm ～ 2。對上述三大糧食作物，以上考慮就可以在獲得較高目標產量的同時，把環境污染降到最低限度。
在蔬菜、果樹、棉花、茶樹、煙草等經濟作物生產中，除要求有較高目標產量外，還對產品的品質有一定要求。合理施氮量確定必須達到所要求的品質指標，才能獲得較好經濟效益。
但一般來說，這些經濟作物合理施氮量也在最高產量施氮量范圍內，對品質指標的要求，往往使施氮量低于最高產量施氮量。
在以上分析中，沒有考慮經過一季作物種植后，土壤氮素的變化情況。我們認為，在長期耕作田塊，應該維持土壤氮素基本平衡。
如果施氮不足導致土壤氮肥力下降，則后季需要補充土壤消耗氮素，而且很難實現持續穩定和較高的目標產量。
如果施氮過量，則會導致土壤氮素累積和隨后大量損失。因此，在長期耕作田塊，合理施氮量應該是獲得目標產量的同時，維持土壤氮素平衡。
根據我們對肥料氮、土壤氮、作物吸氮三者關系的大量研究結果，在秸稈還田條件下，禾谷類作物的合理施氮量大致相當于作物地上部的氮素攜出量。
可以根據這個規律和以往本地區試驗參數，很方便確定出獲得一定目標產量時的合理施氮量。該方法花費最少、簡便易行，值得大面積推廣。
另外，化學氮肥合理施用還決定于有機肥施用和秸稈還田狀況，以維持土壤作物體系中氮素投入和輸出大致平衡。
所以在決定化學氮肥施用量的同時，也應考慮有機肥和秸稈帶入氮量，從總需氮量中扣除有機肥供氮量。這就是世界上普遍采用的平衡計算法確定作物氮肥施用量的基本原理。
目前，果樹和蔬菜過量施用氮肥的原因就是沒有考慮有機肥的供氮量。例如，在蔬菜生產中，有機肥帶入的氮量可以達到每季N 500 ～ 1000 kg /hm2，相當于化肥氮施用量，但農戶在確定化肥氮施用量時，往往忽略了這部分氮素。
1. 2 施肥方法和時期
根據目標產量和維持土壤氮素平衡確定了合理施氮量后，施肥方法和施肥時期就成為這些氮肥是否能被作物吸收利用的關鍵。
關于施肥方法和施肥時期的問題，在科學上已經有較清楚認識，如深施氮肥可以顯著降低氨揮發損失，氮素應在作物營養生長旺盛期、營養生長與生殖生長轉換期得到合理供應，也就是作物生理上的“最大效率期”和“生理敏感期”。
我國許多農戶普遍采用的撒施氮肥，或撒施后灌水，導致肥料氮不能入土的施肥方式，是氮肥大量損失的主要原因。
如在我國目前大面積生產中，小麥( 產量水平在5. 5 ～ 7. 5 t /hm2 ) 、玉米( 6. 5 ～ 9. 5 t /hm2 ) 、水稻( 6. 5 ～ 8. 5t /hm2 ) 的合理施氮量最大范圍在N 150 ～ 250kg /hm2 之間，但我國許多田塊氮肥施用量達到了N 250 ～ 350 kg /hm2 ，實際上，在施肥過程和施肥后，已經有N 100 kg /hm2 左右的氮素發生了損失，起作用的還是N 150 ～ 200 kg /hm2。
可以看出，由于施肥方法的粗放，導致農戶為了使損失后的氮肥能夠達到滿足較高目標產量的氮素需求，不得不施入過量的氮肥，打出點“余頭”。
隨著耕地規模化經營、規范化生產和機械化施肥的普及應用，施肥方法導致的損失會降低，就可以把這部分氮肥從傳統施氮量中減下來。
根據我們撒施肥料的經驗，人工表面撒施肥料不僅會造成嚴重的氨揮發損失，而且在施氮量上難以控制，經常撒多，況且也很難撒勻。這是我國目前肥料施用過量、損失嚴重的直接原因。
如本文所考慮的幾個關鍵施氮量點N 150、225、250 和300kg /hm2，相當于在整個一季作物的數次施肥中，每畝地施用一袋50 公斤尿素的44%、65%、72% 和87%。如果人工撒施尿素，很容易在一畝地上一次就將半袋尿素撒完，不知不覺就過量了。
所以要控制施氮量，減少氮肥損失，機械化均勻施肥是必由之路。機械化施肥既可以做到氮肥深施，也可以很好的控制施用量。在目前土地分散經營的情況下，應該推廣小型簡單的機械實施氮肥深施。
1.3 氮肥施用的主要問題
由于我國科學普及水平較低，這一看似簡單的問題，在生產實踐中變得極其復雜。手工撒施氮肥或撒施后灌水仍是我國小農戶土地分散經營的主要施肥方式，“一炮轟”施肥也相當普遍，導致大量的氮素損失。
這些看似施肥技術方面的問題，實際背后隱藏著復雜的社會經濟問題，如單個農戶土地分散經營、土地規模小，農戶不計較肥料投入成本和糧食收入; 農業生產比較經濟效益低，農業收入在家庭收入中不如外出務工高; 省時省工，不愿意投入勞力; 缺乏適當的施肥機械，擔心追肥成本高等。
未來土地規模化經營有望解決上述主要問題。當今西方發達國家在每個田塊上未必都實現了合理施氮，但對氮肥用量控制是嚴格的，主要出于對環境問題的考慮。
由于施肥方法和施肥時期的合理性，如大面積機械化施肥或精準變量施肥，使施肥過程和施肥后的氮素損失降到很低，環境污染控制到最低限度，這得益于有關施肥技術在生產實踐中的普及應用。
綜上所述，我國作物生產中氮肥施用的主要問題是損失嚴重，這既是經濟損失，又是環境污染。降低氮肥施用過程和施用后的氮素損失，成為田塊、區域和國家尺度控制氮肥用量、提高氮肥有效率和降低環境污染的關鍵。
2、我國氮肥施用現狀及趨勢
我國自上世紀八十年代以來，氮肥總使用量上升很快。要判斷氮肥施用量是否合理，我們認為，需要從三個尺度上進行分析，即農戶田塊、區域和國家尺度。
2. 1 農戶田塊尺度
在田塊尺度，可以應用田塊實際作物產量、田間試驗合理施氮量，農戶實際施氮量判斷農戶的施氮屬于什么水平，分析農戶施氮是否過量及原因。
過去三十多年間，我國做了大量田間肥料試驗和農戶施肥量調查，為這種判斷提供了豐富資料。不同于下發問卷調查或訪問農戶的形式，我們于2005 年在山東惠民采用定點農戶跟蹤記錄方式，對農戶實際施肥情況進行了跟蹤研究。跟蹤記錄的47 塊冬小麥－ 夏玉米輪作田塊，56 塊日光溫室蔬菜田塊， 34 塊蘋果園的化肥氮施用量分別為N553、1358 和661 kg /( hm2·a) ; 有機肥氮施用量分別為N 50、1881、181 kg /( hm2·a) ，兩者之和分別為N 603、3239 和842 kg /( hm2·a) ，農戶實際施氮量遠遠超過了每種作物的推薦施氮量，導致大量氮素盈余和地下水硝酸鹽污染。
這種跟蹤記錄，雖費時多、花費大，但準確度高，可以獲得農戶田塊可靠的實際施氮量，但跟蹤記錄的農戶數量很有限。
通過大樣本問卷調查和走訪農戶方式，可以得到大量農戶田塊施氮量數據。Zhang 等對全國27個省2346 個村進行了調查，在調查的4218 塊水稻、4554 塊小麥、4522 塊玉米、6863 個果園和3889 塊蔬菜田塊中，氮肥施用量分別為( 平均值± 標準差)N 209 ± 140、197 ± 134、231 ± 142、550 ± 381、383± 263 kg /hm2。
應該注意，這是基于每季作物的統計結果，我國集約化糧食作物種植區大部分是一年兩季( 也有一年1 季、一年3 季的情況) ，蔬菜是一年2 ～ 4 季，果樹是一年1 季。
調查的相應作物產量分別為7. 2 ± 1. 8、4. 9 ± 2. 0、7. 4 ± 2. 7、36. 7 ±19. 7、36. 0 ± 36. 1 t /hm2。
可以看出，農戶田塊每季作物施氮量存在相當大的變異。就小麥、玉米和水稻三大糧食作物目前產量水平，若設置小于N 150kg /hm2 為不足，N 150 ～ 250 kg /hm2 為合理，大于N250 kg /hm2 為過量，則不足、合理和過量田塊占總調查田塊分別約1 /3。
如果以每季蔬菜、果樹推薦施氮量分別為N 150 ～ 300 kg /hm2、150 ～ 250kg /hm2，蔬菜、果樹等經濟作物上氮肥過量施用現象更加普遍和嚴重。樊兆博通過收集文獻，計算出我國部分設施蔬菜種植區每季蔬菜的氮肥、有機肥氮施用量分別為N 775 ± 288 kg /hm2、266 ± 195kg /hm2，高于以上大樣本農戶調查施氮量。
其他關于農戶田塊尺度上施氮過量的報道，在中外文獻上不計其數，這里不再贅述。從農戶調查結果看，我國集約化種植區氮肥過量施用現象相當普遍。
2. 2 區域尺度
以上是采取自下而上農戶調查方法，根據調查田塊數，每個田塊施氮量，從文獻資料上獲得依據田間試驗確定的推薦施氮量范圍，進行對比分析，求出低于、合理或高于推薦施氮量范圍的樣本數占總調查樣本數的比率，以評價農戶施氮量處于什么水平。但這種抽樣調查方法很難判斷區域尺度的施氮狀況。
英國倫敦帝國大學的David Norse 教授曾經問過筆者一個問題，即“中國過量施氮的面積有多少?”，引起了筆者長時間思考。
對于這個區域尺度的問題，我們認為應該采用從上到下的方法，目前只能依據國家統計資料、國際糧農組織( FAO) 和國際肥料工業協會( IFA) 的數據庫。我們定義的過量施氮面積是指“over-fertilized area”，該播種面積的實際平均施氮量超過了平均推薦施氮量，其計算公式如下:
其中，As是一個地區的總播種面積; As，i是第i 種農作物的播種面積; Ni是第i 種農作物的推薦施氮量范圍; Nt是一個地區的總施氮量。
基于這一判斷，可以用省級或縣級統計資料，計算出某一地區單位播種面積的平均施氮量( Nt /As) 。由于在省或縣級尺度上有多種作物，每個作物都有平均推薦施氮量范圍( Ni) ，可以根據主要作物的平均推薦施氮量和相應播種面積的權重，進行加權平均，計算出該區域所有作物的平均推薦施氮量。
如果該播種面積的實際平均施氮量小于、等于或大于平均推薦施氮量，則認為是不足、合理、過量氮肥施用面積。
根據我國已經發表的大量研究資料，小麥、玉米和水稻每季作物氮肥推薦量范圍大致在N 150～ 250 kg /hm2 之間，蔬菜大致在N 150 ～ 300 kg /hm2之間，果樹大致在N 150 ～ 250 kg /hm2 之間，其他作物大致在N 50 ～ 150 kg /hm2 之間。
將這些推薦施氮量范圍應用到全國，則全國過量施氮面積占播種面積20%，合理面積占70%，不足面積占10%，其空間分布如圖1。
由于我國各地復種指數不同，單位農田面積和單位播種面積的施氮量差異很大。我們認為，前者是每年施氮量，或者稱為施氮強度，可以反映向某個地區投入肥料氮的強度，如果投入氮強度過高，就會使下季作物利用上季殘留肥料氮的機會減小，導致氮素嚴重損失，引起區域內大氣和水環境的氮濃度增高，作為區域內環境污染風險評價指標; 后者反映每季作物的施氮量，可以作為區域內是否合理施氮的評判指標。
由圖1 可以看出，我國單位農田面積施氮量高于N 350 kg /hm2 的地區主要分布在中東部和東南部地區，包括北京、河南、江蘇、湖北、福建、廣東等地。這些地區單位農田面積肥料氮投入強度大，環境污染嚴重。
我國單位播種面積大于N 250kg /hm2的地區也主要分布在上述地區，而大于N225 kg /hm2 的地區更加廣泛的分布于中東部和東南部的絕大部分地區。
這種自上而下用區域平均推薦施氮量來評判大面積氮肥施用狀況的方法，只是一個統計意義上的結果，可能掩蓋實際過量施氮、環境污染的熱點( hotspots) 。
如云南省，單位農田面積或播種面積的氮肥施用量并不高，全省氮肥過量施用似乎不是一個嚴重問題。但云南是一個氣候、地形、農業環境變異較大的省份，作物生產集中在平地和較肥沃的土壤上，這些熱點地區的年平均施氮( N) 量高達400 ± 100 kg /( hm2·a) ，玉米上可高達730 ± 330kg /hm2，嚴重超過了全省年平均施氮量150kg /( hm2·a) 左右。
同樣，在陜西的糧食、蔬菜和果樹上，大于60% 的田塊超過了推薦施氮量。由于各種氮素損失量與施氮量一般呈指數增長關系，鑒別這些熱點對評判高環境污染風險具有重要意義。
如硝態氮淋洗量通常在單位播種面積施氮量超過N 150 ～ 180 kg /hm2后顯著增長，水體富營養化和地下水硝酸鹽污染風險顯著增加。
同樣，N2O 排放量在施氮量超過N 180 kg /hm2后，呈指數增長趨勢。氨揮發也表現為同樣的趨勢。由于我國以分散經營的小農戶模式為主，農戶數量達2 億多，有限的技術服務應首先在這些高施氮量的熱點地區得到應用，以減少環境壓力。
2. 3 國家尺度氮肥施用現狀及預測
我國需要多少氮肥，既能保證農產品生產需求，又不引起環境污染，一直是大家關心的重要問題。
要判斷全國氮肥使用量處于什么水平，需要用合理方法。理論上講，國家氮肥需求量，應該等于各個田塊合理施氮量之和，但這是很難估算出來的。我們在這里提出一種估算國家尺度氮肥需求量的方法，
即根據某種作物的播種面積和這種作物的推薦施氮量范圍，獲得該種作物的需氮量，將全國不同作物需氮量相加，即可大致估算出全國的合理需氮量范圍，稱之為氮肥需求量估算法。
其中，Nd是總合理需氮范圍; As，i是第i 種農作物的播種面積; Ni是第i 種農作物的推薦施氮量范圍。
根據我國已經發表的大量研究資料，我國小麥、玉米和水稻每季作物氮肥推薦量范圍大致在N 150 ～250 kg /hm2 之間，蔬菜大致在N 150 ～ 300 kg /hm2之間，果樹大致在N 150 ～ 250 kg /hm2 之間，其他作物大致在N 50 ～ 150 kg /hm2 之間。
將不同作物推薦施氮量下限和上限與相應作物的播種面積相乘，再分別相加，即可獲得全國尺度農田的合理使用量下限和上限。
根據我們的研究，田塊尺度上作物合理施氮量基本上相當于作物地上部( 籽粒和秸稈) 氮素攜出量。
如果能夠求出全國尺度上所有作物的地上部氮素攜出量，則可粗略的認為是全國的合理需氮總量。
實際上，西方發達國家田塊尺度上氮肥施用量相當于籽粒移走的氮量，因為秸稈一般能夠全部還田，人畜禽糞尿也能大部分回到農田補充部分土壤氮素消耗，國家尺度上總的氮肥需求量大致相當于全國籽粒攜出總氮量。
由于我國氮肥損失較為嚴重，損失的氮素大致相當于秸稈還田的氮量，加之我國人畜禽糞尿的循環利用率較低，為了彌補這部分損失，我們推算的田塊尺度氮肥施用量相當于作物地上部分氮素攜出量( 籽粒和秸稈) 。
國家尺度的氮肥需求量相當于全國作物地上部氮素攜出總量，以此作為我國氮肥需求量的最低下限。
為了驗證以上兩種方法估算全國氮肥需求量的準確性，我們首先與全國1980 ～ 2010 年間的實際氮肥使用量進行比較，其次再與實際氮肥使用量減少30%的情景相比( 圖2) ，為預測我國未來的氮肥需求量尋找方法。
之所以設置減少30% 的情形，我們認為，由于我國氮肥施用量、施用方法和時期的粗放，導致某些地區氮肥過量、加上不應有的氮肥損失，如果將這些部分減下來，降低30% 氮肥使用量，應該是較合理的氮肥需求量。
由圖2 可以看出，大約在1990 年以前，我國實際氮肥使用量低于合理使用量的下限，與此同時，作物氮素總攜出量高于減少30% 的情景，說明全國氮肥使用量不足，處于消耗土壤氮素的狀態。
1990 年以后，實際氮肥使用量迅速上升，超過了合理使用量的下限; 至2010 年，居于合理使用量范圍的中部，但遠高于減少30% 的情景和作物氮素總攜出量。
非常有意思的是，在2005 年以后，合理使用量的下限與減少30%的情景非常接近。我們認為，如果能夠通過改善施肥技術而降低氮肥損失量，合理使用量下限應該是保證我國糧食安全和環境保護的總氮肥需求量。
如果有機肥循環利用率能夠從現在約40%提高到80% ( 見下文) ，加上有機肥提供的氮素，應該保證全國的氮素需求。而作物總氮素攜出量應該是總氮肥使用量的最低下限( 底線) 。
由此看來，在改善施肥技術基礎上( 即最優模式) ，我國2006 ～ 2010 年間5 年氮肥平均使用量應該為N19. 6 × 左右; 如仍然依照現在的粗放施肥習慣，應該為現在的實際氮肥總使用量，5年平均為N27. 9 × 左右，正好處于合理施氮量范圍的中線。
為了預測我國未來氮肥總需求量，我們采用了以下五種方法。
首先，我國2001 ～ 2010 十年間氮肥總使用量基本呈穩定增加趨勢，我們假設未來40 年( 自2011 年起) 氮肥基本保持2001 ～ 2010 的年均增長量( 約N 0. 5 × ) ，作為照常經營模式( BAU) 。
其次，在以上基礎上，減少30% 的氮肥施用量。
第三，假設2010 年以后每年糧食進口量保持在61. 2 百萬噸( 2010 年的進口量) 不變，根據人口及人均消費來估算糧食需求量，然后根據1980～ 2010 年糧食總產量與氮肥總使用量的數學關系，預測氮肥需求量: ，其中y 為氮肥總使用量( N，× ) ，x 為糧食總產量( × ），a =，b = 2. 3。
第四，結合復種指數變化( 假設從2010 年的1. 32 線性增長到2050 年的1. 5) 推算作物播種面積變化( 總耕地面積除以復種指數，并假設各種作物的播種面積比例保持在2010 年的數值不變) ，然后根據不同作物合理施氮量范圍推算合理氮肥使用量范圍;
第五，作物攜出氮量根據1980 ～ 2010 糧食產量與作物地上部攜出量來計算:y = a + bx，其中，y 為作物攜出氮量( N ，× ) ，x 為糧食總產量( × ）
，a = － 7. 1，b = 0. 05。
由圖3 可以看出，如果全國氮肥使用量以2001至2010 年均增長量繼續增長，預測的2011 ～ 2050年間氮肥使用量將會從合理使用量范圍的中線逐漸超出合理使用量的上限，且沒有與未來糧食需求量掛鉤。
如果在照常經營模式基礎上減少30% 的氮肥，則全國氮肥使用量從合理使用量范圍的下限逐漸上升到中線，也沒有反映糧食需求的變化。
以糧食需求預測的氮肥需求量，在前期趨于合理使用量范圍的上限，后期則趨于合理施氮量范圍的中下部，且接近于減少30% 的情景。作物氮素總攜出量始終低于合理施氮量下限。
綜合考慮各種預測方法，如果改善施肥技術，我國2020、2030 和2050 年合理氮肥需求量應該是合理氮肥使用量的下限，分別為。
如施肥技術得不到實質上的改善，依然粗放施氮，則
根據作物合理推薦施氮量估算我國農田對氮肥需求量范圍具有重要意義。政府主管部門可以依此來安排氮肥生產，避免過量生產氮肥，因為生產氮肥需要消耗大量的化石能，化肥企業產能過剩必然影響到全國能源消費結構，生產過程也會造成一定程度的環境污染和溫室氣體排放。
根據本文提出的氮肥需求量估算方法，可以估算出各省和全國的合理氮肥使用量范圍，對省和全國尺度氮肥總使用量進行宏觀調節和控制，可以在保證農產品生產的條件下，避免盲目使用氮肥而引起的環境污染問題。
遺憾的是，我國仍然缺乏在省級和全國尺度上控制氮肥總使用量的相關政策。
2. 4 與美國和西歐施氮狀況的比較
我國以9% 的耕地，養活了20% 的世界人口，但也使用了世界30%左右的氮肥，這其中還包括有機肥回田的氮素大約N 12 × ( 見下文) 。
為了判斷我國氮肥使用與糧食生產情況居于什么水平，我們比較了中國、美國和西歐2006 ～ 2010 年期間5年平均的有關指標( 表1) 。
可以看出，我國的單位農田面積和單位播種面積施氮量都遠高于美國和西歐，我國在復種指數約1. 4 的條件下，單位農田面積的產量卻低于后兩者。
我們認為，其中的主要原因有:
1) 美國和西歐的糧食生產區位于土壤－ 氣候( 水熱) 條件較好地區，土壤肥力較高，而我國糧食生產壓力大，有些糧食生產區的土壤－ 氣候條件較差，全國平均起來，單位農田面積的糧食產量較低;
2) 我國農田土壤有機碳氮含量低，供氮量低，復種指數高，需要通過化肥提供的氮素比例高;
3) 美國和西歐的有機肥循環利用率較高，有機肥補充的氮素替代了相當的化肥氮投入;
4) 我國化肥氮的有效率較低，損失嚴重。
從這3 個國家或地區與全球的氮肥使用與糧食產出歷史變化來看( 圖4) ，美國和西歐的氮肥總使用量在八十年代達到最高后，基本平穩或者有下降的趨勢，而中國的氮肥使用量自八十年代以來一直在快速上升，直接拉動了全球氮肥的增長。
從單位播種面積施氮量來看，西歐自八十年代以來顯著下降，美國基本平穩或略有增加，而中國迅速增加，2005 年以后已經超過了西歐。
從糧食總產量看，西歐基本不變，美國有所增長，中國播種面積大，糧食總產也遠遠高于美國和西歐，與全球糧食增長同步。從糧食單產來看，西歐最高，中國和美國在持續上升，但1995 年以后，美國持續上升，中國增長緩慢，特別是2005 年以后，在復種指數約1. 4 的條件下，單位農田面積的糧食產量低于美國，而且差距有拉大的趨勢。
以上情況都說明，我國氮肥投入的效率在持續下降。
從以上分析可以得出一個基本判斷，我國用比較高的氮肥投入，獲得了糧食、蔬菜、水果和肉奶蛋的基本自給，但氮肥的損失量很高。
如果現在的粗放施肥方式得不到實質性改善，那么再增加農產品，還需要增加氮肥投入，不僅已經污染的環境得不到恢復，而且還會不斷加重。
因此，我們更應該考慮在不大量增加氮肥總使用量的情況下，將氮肥在區域間進行合理調配，使田塊尺度的施氮量更趨合理，減少氮素損失，恢復生態環境。
3、關于有機肥和碳投入
按照李書田和金繼運根據我國2008 年畜牧業和作物生產的估算，有機肥資源量約為49. 5 ×，其中人畜禽糞尿40. 2 × ，占81. 2%; 秸稈8. 1 ×
，占16. 4%; 餅肥26. 3 × ，占0. 5%；綠肥93. 4 × ，占1. 9%。有機肥資源每年可提供N 30. 5 ×，比每年氮肥總使用量還高。
但是，我國有機肥還田率只有39%，不到資源量的一半。值得注意的是，上述全國糧食、蔬菜、水果的總產出中，包括了這部分有機肥提供的氮量。眾所周知，有機肥施用對土壤培肥至關重要，有機無機配合是獲得持續高產和穩產的重要農藝措施。
在當今我國以化肥當家的現實狀況下，有些田塊長期得不到有機肥施用，對土壤的碳源補充不足，土壤碳氮比下降，土壤有機碳氮庫變小; 土壤物理、化學和生物性狀變差，土壤水、肥、氣、熱四大肥力因子失調;土壤對短期干旱或養分缺乏的緩沖能力變弱，迫使農戶不得不頻繁地大量灌水和多次施肥以維持產量，使水分和養分的利用率降低，農田管理成本增大。
過去我們只注意了有機肥提供的養分，而對有機肥或秸稈提供的碳源重視不夠，事實上，這些碳源在調節土壤肥力因子中起著重要作用。
Drinkwater 和Snapp認為，現在養分管理策略只注重向作物提供可溶性的無機養分，而忽略了碳氮磷循環在時間和空間上的匹配，使農田生態系統處于一個滲漏的無機營養飽和狀態。
改進的管理措施應注重無機庫和有機庫的協調，使無機養分能夠較長時間地持留在有機庫中，作物通過微生物或植物介導的過程獲取養分，而不是僅注意可溶性無機養分庫。發揮生物學過程使碳氮配合，將養分持留在土壤中，將會極大地降低對高無機養分投入的需求。
可見，培育土壤有機碳氮庫對改善土壤肥力、增產和降低環境污染的重要作用。我們的研究表明，單純施用無機氮肥，土壤會有一個相對大的無機氮庫，而相對小的有機碳氮庫，減小了土壤的緩沖能力，增加了環境污染風險( 圖5) 。
有機無機配合，為微生物提供了碳源，既可以維持土壤相對較大的有機碳氮庫，增加土壤的緩沖性能，又可以維持土壤較好的無機氮供應能力，提高土壤保水保肥性能。
當土壤維持一個較大的有機氮庫時，在水熱條件較好的作物快速生長期，土壤有機氮可以通過礦化作用持續不斷地供應作物對氮素的需求，只需要在關鍵生育期施用氮肥。這些氮肥除了被作物吸收外，還可轉化成微生物氮和土壤有機氮暫時保存，降低了損失風險。
當土壤有機氮庫較小時，土壤失去了這種保持和供應養分的緩沖性能，即使多次施肥，也很難保證對作物養分的持續供應，因為根系接觸的土壤氮比肥料氮的幾率大得多，作物對土壤氮的吸收始終是主要的。如果施入的肥料氮不能及時被土壤有機碳固定，就容易流失。
在生產實踐中農戶經常抱怨“化肥越施地越饞”，就是有機肥和碳投入量不足，土壤有機碳氮庫變小的原因。我國在有機肥利用方面存在很多問題，大量有機肥資源沒有充分利用，而是變成了環境污染物的來源。
對人畜禽糞尿的堆放和處理不當是我國有機肥管理中的突出問題，有機肥不能耕翻進土壤或施肥時期不當導致氨揮發、淋洗損失和N2O 排放增加。
農戶和集約化養殖場對畜禽糞便的不當處理是這些問題的開始，尤其是有大約600 百萬噸( 鮮重) 露天堆積在土地或水道上，成為重要的點源污染，占排放到地表水中的90% 的COD，38% 的氮和56% 的磷，是湖泊、河流和入海口水體富營養化化的主要來源。
我們認為，這不是一個簡單的技術問題，而主要原因還是社會經濟問題。例如，在上世紀八十年代化肥沒有普遍大量使用以前，我國農戶非常重視農家肥的收集和利用。
但到了近十幾年，由于化肥很容易購買和相對較低的價格，運輸施用方便; 勞動力價格上升使農戶認為收集和施用有機肥費時費工不衛生等，導致有機肥的回田率下降，占養分的比例下降，直接影響到全國土壤肥力演變和農產品生產能力與穩定性。
如果能將有機肥的回田率從現在的大約40%提高到國外的大約80%，還可以向農田再增加約N 12 × 有機氮投入，就可以替代相當的化肥氮投入量，而且對提升土壤肥力具有極其重要的作用。
如何培育土壤有機碳氮庫是我國提升土壤肥力的關鍵問題。對于Kong 等提出“高氮才能固碳”的觀點，筆者和國外的研究都證實，長期合理氮肥投入加上秸稈還田能夠顯著增加土壤有機碳氮含量，氮肥與有機肥和秸稈配合效果更，單純大量施用氮肥不僅沒有好處，有時還加速了土壤原有有機碳氮的分解，還會引起嚴重的氮素損失。
事實上，對于冬小麥和夏玉米一年兩季作物來說，黃淮海平原年平均施氮量N 430 kg /( hm2·a) 基本相當于本文論述的合理施氮量上限，加之該地區普遍采用的撒施肥料，氮肥的損失在30% 以上，實際上發揮作用的氮肥投入量在本文的合理施氮量范圍，而不是Kong 等論述的“投入無機肥越高、產量越高、有機質就會越高”。
另外，文章最后提出的該地區提高肥料利用率和降低損失的措施，如精準農業、土壤測試、微量元素和葉面施肥更不是解決問題的關鍵。
在上世紀八十年代以前，我國化肥使用量不高，科技工作者提出以“無機促有機“的觀點，即通過增施無機肥，獲得較高的籽粒產量和秸稈產量，秸稈可以作為牲畜飼料生產更多有機肥，再回到農田供應作物養分。
過去三十年大量的化肥投入，人糞尿、牲畜糞便和秸稈等有機肥資源迅速增加，但還田率在下降，因有機肥造成的水體和大氣污染在加重，但通過有機肥回到農田的總養分量還是增加的。
讀者會擔心，在某些過量施氮地區如果減少了化肥氮的施用，會不會降低有機肥的產出量。我們認為，通過合理施氮減少氮肥施用量，并不會引起作物籽粒和秸稈產量的降低，甚至會增加產量，有機肥的產出量也不會減少。
如果能提高有機肥的回田率，通過有機肥供應的作物養分量還會增加。我們的研究還表明，過量施氮會引起作物秸稈碳氮比下降，還田后不利于增加土壤有機質，而合理施氮可以提高作物秸稈的碳氮比，回田后有利于土壤有機質的累積。
4、值得商榷的幾個問題
4. 1 氮肥是否過量
蔡祖聰等提出了“我國只有實施以高墾殖率、高復種指數和大量施用化肥為特征的高強度農業，才有可能保證糧食安全”，但沒有界定這種大量施用化肥到什么程度。
如果在設定了目標產量后，在施肥方法和時期都合理的情況下，這種“高投入”是最高產量施氮量或經濟最佳施氮量，這不算是“高投入”，應該是合理投入。
如果是粗放施肥的大量損失條件下，要獲得同樣的目標產量，為了滿足給作物的供氮，需要在合理施氮量再加上氮肥的損失量，就如同現在大多數農戶的習慣施肥那樣，這樣的“高投入”并不會增加產量，而只是“保證了高量的氮素損失”，很難降低氮素污染。
正如本文的研究結果，如果仍然依照現在的粗放施肥習慣，我國現在的實際氮肥使用量應該沒有過量，但氮肥損失是嚴重的，損失率應該在40% ～ 50% 之間; 如果能夠通過改進施肥技術將過量地區的氮肥用量和損失降下來，對氮肥在地區間進行合理調配，則可以降低30%的氮肥使用量。
4. 2 未來氮肥需求量
蔡祖聰等根據他們提出的判斷氮肥“過量施用”的三個指標，認為“在全國尺度上，隨著人口的增加以及經濟發展水平的提高，對糧食的需求量將繼續增加，因而必須施用更多的氮肥”。
根據本文的預測結果，如果改進施肥技術，未來氮肥需求盡管有增加的趨勢，但總量比現在還可以降低; 如果依然粗放施肥，則需要在現在實際氮肥使用量上繼續增加，但增加的幅度并不大。
從1961 ～ 2010 年間我國氮肥使用量與糧食總產量的關系( 圖6) 來看，和田塊尺度上單位面積施氮量與產量的效應曲線相似，也呈拋物線增長關系，也呈報酬遞減規律，而非直線關系。
盡管現階段沒有達到糧食總產的最高點，但總產的增幅隨氮肥使用量的增加在下降。通過解方程求得，當全國氮肥總使用量達到N 33 × 的時候，糧食總產達到最高，理論值為634 × 。
可以看出，通過增加氮肥總使用量來增加糧食總產量的潛力是有限的。
在國家尺度上，當氮肥使用量低時，氮素成為產量限制因子; 但在施氮量達到一定程度后，其他生產因素成為限制因子，再施氮不會再增產。
另一方面，“要增加糧食，就要增加氮肥投入”，這種情況也只發生在氮肥利用率和損失率不變的條件下，如果提高了氮肥利用率，降低了氮肥損失率，則可以在獲得同樣產量的條件下，降低氮肥用量。
還有，在氮肥使用量達到較高水平后，氮肥究竟在糧食增產中起了多大作用? 如果仔細分析我國歷年來糧食總產量與氮肥總使用量在不同階段的變化( 數據略) ，就可以看出，在1998 ～ 2003 年，盡管氮肥投入在增加，但糧食產量在下降，主要是政策忽視糧食生產; 2004 ～2013 的糧食十連增，并不只是取決于氮肥的增加，而取決于政策重新注重糧食生產，實行種糧補貼和糧食價格調整等因素。所以這樣的分析把決定糧食增產的因素混到了一起。
我國未來需要多少氮肥，首先取決于中國未來需要生產多少糧食、蔬菜、水果和肉奶蛋。其次決定于將施氮過程和施氮后的氮素損失程度降低到什么程度，我們需要逐步從粗放的施肥方式中走出來。
盡管未來的農產品需求會增長，但如果將現在的粗放施氮損失降低30%，中國將來的氮肥需求增長量并不大，這是值得進一步研究的重要問題。
4. 3 降低氮污染
蔡祖聰等進一步提出了“必須加強高投入條件下解決氮污染問題的研究，建立相應的理論體系，政策措施和技術方法”。
根據本文的分析，如果這種高投入是建立在高損失的條件下，其造成的氮污染是難以解決的。我們知道，氮肥的損失途徑包括氨揮發、淋洗和徑流以及反硝化損失，損失的這些活性氮都有強烈的生態環境效應，即使反硝化損失以氮氣為主，也會引起很高的經濟和能量損失。
我們認為，氮污染的控制應該遵循“源頭控制的原則”，“末端治理”會付出更大的環境和經濟代價。
問題的焦點還是如何界定這種“高投入”，如果這種高氮投入是在合理施氮量范圍內，這種“理論體系和技術措施”業已存在，只是在具體生產實踐中落實不到位的問題; 如果這種“高投入”是為了維持那種不高的產量，而放任施氮過程和施氮后的大量損失，那么這種“解決氮污染”的方法很難找到，也許根本就不存在。
從本文的分析看，未來降低氮污染的關鍵是通過施肥技術和政策法規實質性地從源頭降低氮肥大量損失。要進一步提高我國的農產品產出量，主要依賴于將氮肥在區域間的合理調配。在過量施氮地區，通過增加氮肥投入不僅不會增產，還會加重污染，進一步增產依賴于對整個作物生產過程優化農藝措施的落實; 在投入不足地區，依賴于進一步改善生產條件和土壤肥力，發揮增施氮肥的增產作用。
作者單位：巨曉棠 （中國農業大學資源與環境學院 ）、谷保靜( 浙江大學政策仿真實驗室)
中國鄉村發現網轉自：植物營養與肥料學報（2014年第4期）
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