氮素进入土壤后，可被作物吸收、残留于土壤中或者通过各种途径而损失。农田中氮素的去向不仅制约着氮素的当季增产效果，还关系到水体和大气环境质量。因此土壤氮素管理与环境质量的关系已成为世界农业可持续发展和环境土壤学研究中的一项重要内容。氮素的去向是氮在土壤中转化和移动的综合结果，它受到作物种类、生长情况、土壤性质、气候条件以及耕作管理技术等因素的影响。

(一)土壤中氮的损失与去向

农田生态系统中，无机氮肥的损失途径主要包括氨挥发、硝化-反硝化、淋洗、径流、侧渗以及通过作物地上部分直接损失。一般随着土壤pH的升高，无机氮肥损失率增大而利用率降低；朱兆良等(1992)用15N田间微区试验中测得的无机氮损失的结果表明，在种水稻的条件下，氮肥的植物回收率变动于17％～75％之间，土壤中残留率为5％～68％，损失率为30％～70％。在淹水种稻条件下，硝态氮肥利用率很低，经反硝化作用造成的氮素损失严重；在水稻生长旺盛期施用氮肥，利用率远远高于生长早期表施作基肥或分蘖肥的处理，而残留率和损失率则低得多。就不同施肥方法而言，表施时的利用率为最低、损失率为最高；采用混施或深施的方法水稻氮的利用率略有提高，氮损失率有一定降低，但并不都是如此。在现有各种施肥技术中，粒施和深施是提高无机氮肥利用率、减少损失率的较好方法。

在我国农业生产中，无论是种植水稻还是旱地作物，无机氮肥的损失都比较多，尤其以水稻田最为严重。与无机氮肥不同的是，有机氮肥损失很大程度取决于它本身的化学组成和C/N比。研究结果表明，除畜尿外，各种有机肥料氮在土壤中的残留率都显著高于无机氮肥，而其氮素利用率和损失率则大都低于无机氮肥，这种增高或减低的程度则与其含氮量、C/N比以及化学组成有密切关系。化学氮肥与有机肥料配合施用可能是较为科学而合理的措施。

(二)土壤中氮损失对环境的影响

农田中肥料氮的损失对环境的影响可概括为三个方面：一是径流和淋洗损失对地表水和地下水水质的影响，二是气态损失对大气的污染，三是硝酸盐累积对农产品品质的影响。

1．土壤氮损失对水环境的影响

土壤氮损失对水环境的影响包括地表水的富营养化和地下水中硝酸盐氮的污染两个方面。

(1)土壤氮损失与水体富营养化

土壤氮主要通过农田排水和上壤地表径流两个途径进入水体，一般说来，封闭性湖泊和水库水中含氮量超过0.2 mg/L、时就可能引起富营养化发生。所谓水体富营养化通常指湖泊、水库和海湾等封闭性或半封闭性的水体中氮、磷等营养元素的富集，导致一些特征性藻类(主要是蓝藻和绿藻)的异常繁殖，致使水体透明度下降，水生生物随之大批死亡的现象。近年来我国的近海和湖泊藻华(Algae Blooms)现象频繁发生，水体富营养化已成为一个严重的环境问题。氮是引起水体富营养化的关键元素之一，随着点源污染治理水平的提高，面源氮素化肥流失对水体富营养化的贡献率呈增加的趋势，因为农田渗漏排出土壤中的氮和地表径流损失的氮主要来源于土壤氮和肥料氮。土壤侵蚀和径流是引起氮素损失的重要途径，氮素从土壤侵蚀中流出会导致水域氮素负荷的增加，从而可加速水体发生富营养化的进程。

(2)土壤中氮的淋失对地下水的污染

淋溶损失是土壤氮损失的基本途径之一。在一般情况下，土壤氮素的淋溶损失主要以NO₃^-的形式进行，NO₃^-是地下水的重要污染物。对滇池周边地区农田土壤硝酸盐迁移累积特征的研究表明(曹娜等2007)，流域内农田排水中氮污染负荷高、氮肥投入过量及灌水频繁是造成研究区内土壤硝酸盐淋洗污染地下水的主要原因。土壤中硝态氮累积量与氮肥施用量在生菜的苗期、结球期呈极显著、显著正相关。在生菜整个生育期里，硝态氮沿土壤剖面垂直迁移至土壤深层，导致下层土壤的硝态氮含量高于上层土壤。生菜在苗期硝态氮淋失量较大，对地下水污染的风险高。

土壤氮的淋溶损失受氮肥种类、施用量、上层厚度和渗透性、温度、降雨量和地表覆盖度与作物种类等因素的影响。在湿润和半湿润地区，NO₃^-通常在心土层中累积，进而逐渐淋溶下移到地下水；在降水少又无灌溉条件的地区，残留NO₃^-通常累积在根区被下一季作物吸收。氮素淋溶损失污染地下水主要发生在平原农业区，我国许多地区化学氮肥使用量与地下水中硝酸盐含量密切相关，如北京郊区10年间氮肥使用量增加了一倍(N:100 kg/hm²至200kg/hm²)，地下水中硝酸盐含量增加近两倍(20 mg/L，至54 mg/L)，虽然地下水中硝酸盐含量增加还有其他原因，但是氮肥使用作出的贡献可能是主要原因之一。

通常，由于淋溶引起的氮素损失约占施肥量的5％～15％(Adams et al. 1985)。我国对农田土壤中NO₃-淋溶对地下水的污染问题已开始引起重视，已有试验表明土壤0.5～1m深处渗漏水的NO₃-N含量与氮肥施用量呈显著正相关。从表观的角度来看(即未扣除淋失的土壤氮量)，淋溶损失的氮量约相当于农田全年施氮量的2.5％～6.1％，其中NO₃^--N
约占70％。一般土壤氮素淋溶损失主要发生在雨季，在降雨量小的地区尽管氮淋失率并不高，但施氮区渗漏水中NO₃^--N的含量却大多高于对照区。

2．土壤中氮的损失与氧化亚氮的释放

氮的气态氧化物主要是氧化亚氮、氧化氮和二氧化氮，后两种总称为NOx。其中，N₂O是一种温室气体，对臭氧层有破坏作用，因而其产生的机理、释放的通量以及影响因素等都受到了广泛的重视。至于NOx，它不是温室气体，但可通过参与大气中的化学反应而影响到其他温室气体的浓度，并能促进臭氧层的破坏，因而也是影响大气环境的一个重要的气态氮氧化物。土壤释放到大气中的N₂O主要来源于土壤的硝化和反硝化作用，土壤N₂O的排放数量取决于土壤硝化作用和反硝化作用的反应速率，N₂O在反应产物中的比例及N₂O排向大气前在土壤中扩散和被还原的程度(Davidson 1991)。根据Bouwman (1990)的估计，全球N₂O的排放总量(N)为14 Tg/a(Tg=10¹² g)，自然土壤和施肥土壤的排放总量(N)分别为6 Tg/a和1.5 Tg/a，占全球排放总量的43％和11％。土壤中氮氧化物的产生与氮素的微生物转化过程密切相关，硝化作用和反硝化作用都可产生N₂O。

影响农田土壤N₂O排放数量的因素很多，所有影响硝化及反硝化作用的土壤物理、化学和生物因素都将影响土壤N₂O的排放量，这些因素包括：土壤通气性、土壤水分含量、土壤氮素有效性、氮肥使用、土壤pH、土壤有机质、土壤质地、作物种类及土壤温度等，这些影响都相当复杂。作为例证，本节对土壤通气性和土壤水分含量的影响作简要的讨论。

(1)土壤通气性

土壤通气性由土壤水分含量、O₂在土体中的扩散状况和微生物与植物根系对O₂的消耗程度所决定。由于土壤的不均匀性，往往厌氧微域和好氧微域同时存在。反硝化作用需要厌氧条件，所以土壤反硝化速率与O₂成反比关系，然而反硝化的产物中N₂O/N₂的比例随着土壤O2浓度的增加而增加。一般认为，在土壤和大气间气体交换严重受阻时，N₂可成为反硝化作用的主要或唯一产物。硝化作用需要好氧条件，随着土壤O₂供给的增加，上壤的硝化速率提高，硝化产物中N₂O/NO₃^-比例增加。显然，在硝化和反硝化两个相反的过程中，适中的O₂浓度有利于N₂O的生成，当土壤处于好氧和厌氧区域共存或好氧、厌氧交替发生时，N₂O产生和排放较大。

(2)土壤水分

土壤中N₂O的排放量随着水分含量的降低而减少，这是由于微生物的活性较低而氧供应充足，从而导致反硝化作用的速率较低而硝化作用进行较为彻底的缘故，硝化产物中N₂O/NO₃^-比例极低。随着土壤水分含量的增加，土壤有机氮矿化速率和硝化速率增加，硝化产物中N₂O比例提高，反硝化也由于O₂ 扩散的受阻而开始进行，N₂O排放量大。随着土壤水分含量的进一步增加，硝化过程受到限制，反硝化过程以生成N₂为主，N₂O在土壤中的扩散也受到严重阻碍，排放量减少。由此，如果土壤水分含量同时适宜于硝化和反硝化过程，土壤中N₂O的排放量可能最大，而这一水分含量一般在45％～75％ WFPS(土壤孔隙含水量)之间，接近于田间持水量。在旱作条件下，一般说来旱作季节土壤N₂O排放量与水分含量成正相关。

3．土壤氮与农产品中硝酸盐的累积

粮食作物对硝酸盐的累积量较少，危害相对较轻。硝酸盐在蔬菜作物中的积累是硝酸盐累积造成污染的突出问题，而供氮量增加是蔬菜硝酸盐大量积累的主要原因口1973年世界卫生组织和联合国粮农组织(WHO/FAO)规定人体硝酸盐的日允许摄入量(ADD为3.6 mg/kg，我国蔬菜中硝酸盐的限量标准为(GB 19338-2003，以NO₃^-计，mg/kg鲜重)：茄果类、瓜类和豆类≤440；茎菜类≤1200；根菜类≤2700；叶菜类≤3000蔬菜中硝酸盐累积主要受以下5个因素的影响：

(1)蔬菜种类

硝酸盐对人体的危害与人们对农产品可食部分的选择有关，在作物各器官中，对硝酸盐的累积量一般是根＞茎叶＞果实。在农产品的可食部分，大量累积硝酸盐的作物主要属于十字花科和葫芦科。同一种蔬菜、不同品种对硝酸盐的累积差异也较大。

(2)肥料品种

农作物体内硝酸盐含量与化学氮肥的用量呈显著正相关，而有机氮肥可明显减少蔬菜中硝酸盐含量。化学氮肥施用过程中铵态氮和硝态氮的比值是决定硝酸盐含量的重要因素，根据不同氮肥品种对芹菜中硝酸盐含量试验结果(表3-4)，施硝酸铵处理芹菜中的硝酸盐含量显著高于施硫酸铵、尿素、碳酸氢铵的处理，说明硝酸铵较其他氮肥品种更易增加芹菜中硝酸盐的累积量。一般说来，当铵态氮多时，农作物的硝酸盐含量就低；而土壤中磷供应不足会抑制农作物生长，间接地促进农作物硝酸盐的积累，相反，磷肥充足可限制硝酸盐的累积；钾对农作物硝酸盐的积累起间接作用，它能促进氮转变成蛋白质，当氮与钾肥共施，则农作物蛋白质氮含量就增加，而硝态氮含量就降低。一些微肥也会影响到硝酸盐在农作物体内的累积，如钼、钴、硼和锰等，这些微量元素能提高硝酸还原酶的活性，促进农作物对硝酸盐的同化作用。

表3-4 不同氮肥品种处理芹菜中硝酸盐含量的差异性(LSD 0.05)

(3)氮肥用量及时间

在施肥因素中施肥量对硝酸盐含量的影响最大。作物中硝酸盐含量随施肥量的增加而增加，呈显著正相关。施氮适量可使植株蛋白质含量随施氮增长而逐渐增加，硝酸盐含量增加缓慢；当施氮量达到一定限量，则蛋白质含量下降，硝酸盐含量激增；当施氮量超过100 kg/hm²时，蔬菜体内蛋白质下降，硝酸盐从0.11％～0.19％猛增至0.78％～1.43％，增加近10倍。从食品品质角度考虑，在施氮时应重基肥而轻追肥，这样可控制农作物后期硝酸盐的累积量，提高农产品品质；当然，这与提高氮肥利用率是矛盾的，因此如何统筹兼顾仍是一个需要研究的课题。

(4)收获时间

有研究证明，随收获期的推迟，蔬菜中硝酸盐含量逐渐降低，其原因可能是蔬菜在生长前期根系活力高，吸收硝酸盐的能力强，而后期根系活力降低，吸收硝酸盐的能力减弱，此外还与后期蔬菜生长个体增大，硝酸盐在一定程度上得到稀释有关。

(5)环境因素

对蔬菜中硝酸盐累积影响最大的环境因素有水分、温度和光照。水分通过影响作物生长而影响硝酸盐在蔬菜作物体内的含量，在多雨的年份蔬菜硝酸盐含量比正常年份大约高2倍，在干燥与多雨的交替季节会使饲料作物中硝酸盐含量增加，在收获前几天进行灌溉会使农产品中硝酸盐含量降低。温度通过影响硝酸还原酶的活性影响到硝酸盐的积累，气温越高，蔬菜生理活动越旺盛，有利于植株体内硝酸盐的同化，在一定范围内蔬菜硝酸盐含量与气温之间呈负相关。光照影响蔬菜中硝酸还原酶活性的变化，光照强度最大时硝酸还原酶活性最强，蔬菜体内硝酸盐含量最低。因此在大棚、温室等光照不足的条件下．农产品中硝酸盐含量会相应增加。

对于氮素损失的影响与控制措施的研究，有着重要的理论和实际意义．亦是国际上的热点课题。我国有关氮肥的利用率和减少氮素损失的研究方面历来十分重视(朱兆良等1992，2002，朱兆良2008，俞巧钢等2008，李香兰等2008。冯涛等2005，汪华等2006，左海军等2009)，不断地研究、实践、总结与提高，其中最为重要的措施是适量施肥，然而这种“适量”的确定却是一个非常困难的工作。根据我国农村田块小而多、测试工作量大以及测试条件差等实际情况，提出了不需要进行土壤测试的“区域总量控制与田块适当调整相结合”的推荐方法，其有助于高产高氮地区在当前栽培水平下，在大面积生产中避免盲目过量施氮，以达到节本、保产和减轻污染的目的。

为了降低氨挥发损失，可应用含钙、镁和钾的氯化物或硝酸盐、脲酶和藻类抑制剂、改性尿素与缓释肥及深施氮肥；为了降低反硝化损失，可使用硝化抑制剂、缓释肥、含高多酚高蛋白的植物残体及深施氮肥；为了降低渗漏损失，可增加水分利用率、使用缓释肥和硝化抑制剂、黏闭土壤层、种植地表覆盖作物、利用作物原地截流。氮肥深施、稻田无水层混施以及旱作上表施氮肥(特别是尿素)后随即适量灌水等措施，可显著降低旱作上的氨挥发，在稻田中同时还可降低硝化一反硝化损失。另外在作物种植上使用促进植物生长的微生物，通过促进植物的吸收减少施氮量，是降低氮素对环境污染的有效策略。