氮是地球上最丰富的元素之一。在碳、氢和氧之后，氮是生物体所需最多的元素。地球表面的大气中有78%是氮气，地球表面每平方英尺的大气中有大约有6,000磅的氮存在于大气中（每平方米的大气中约有 29,294.57 公斤 氮）。不过，地球上大部分的氮（98%）都存在于岩石、沉积物和土壤中。岩石中的氮含量是大气中氮含量的约50倍，而大气中的氮含量又比土壤中的氮含量高出约5,000倍（Stevenson, 1982）。生物对氮的固定作用以及大气中的氮沉降，是氮进入土壤的主要途径。所谓“氮的固定”，指的是将化学性质不活泼的氮气转化为可被生物利用的氮的形式。与氧、氢等其他元素一起，氮也可以轻易发生化学反应。每年，大气向土壤中贡献约11.4磅的氮元素/英亩（Stevenson, 1982）。其中8.2磅的氮来自生物固氮作用。生物固氮作用可分为共生固氮和非共生固氮两种方式：共生固氮是由根瘤菌等固氮细菌与豆科植物共同完成的；而非共生固氮则是由光合细菌、蓝绿藻以及自由生活的固氮菌等微生物来实现的。剩下的3.2磅氮则来自降水带来的铵离子(NH+)、硝酸盐(NO3-)和亚硝酸盐(NO2-)等物质。由于大气沉降作用而每年增加的氮素量，会因气候条件以及与工业源的距离不同而有很大差异。不过，总体来说，这种增加的氮素量太少，不足以对农作物产量产生显著影响。土壤中氮的存在形式
以大气中的氮气形式存在于土壤孔隙中之外，氮在土壤中还以有机和无机两种形态存在。
多种有机化合物（即含碳的化合物）构成了土壤中氮的有机部分。这些化合物包括腐殖质、黄腐质、氨基酸、氨基糖以及各种蛋白质等。土壤中的有机物质，其实质上是正在分解中的植物和动物残体，或是那些难以被分解的化合物经过分解后形成的稳定产物，再就是腐殖质本身。在土壤的形成过程中，氮元素逐渐积累在了这些不同的有机成分中。
有机物的形成与稳定性在很大程度上取决于长期的湿度与温度变化趋势。当平均气温升高时，土壤中的有机物含量会减少；而当湿度增加时，土壤有机物含量则会上升。较高的温度会加速有机物的分解过程，使其转化为可溶于水的物质，这些物质随后会从土壤中流失。湿度的增加有利于植物生长，从而产生更多的有机残留物。中西部和大平原地区土壤中湿度、温度及有机物含量的变化趋势如图1所示。
经过数千年的发展，中西部地区的土壤中积累了大量的有机物质。然而，由于对原始土壤的持续耕作，土壤中的有机物质含量有所下降。这样一来，有机物质的氧化程度增加，而通过农作物吸收导致的土壤中有机氮的含量也减少了（见图2）。原本含有4%到5%有机物质的土壤，在经过50年的耕作后，其有机物质含量可能只有1%到2%。不过，由于广泛使用了商业肥料，中西部地区经过耕作的土壤已经达到了新的有机物质平衡状态。如果采用少耕技术、轮种豆科植物并合理使用肥料，那么随着时间的推移，土壤中的有机物质含量有望再次上升。图2，长期耕作对美国中西部地区土壤中有机氮含量的影响（引自W.J. Hase等人，1957年的研究；《耕作方式与土壤处理对大平原地区土壤中氮和碳含量的影响》，美国农业部技术报告第1167号，华盛顿特区）。氮循环
在土壤中，铵态氮和硝态氮是最主要的无机氮形态。铵态氮既有可交换的形式，也有不可交换的形式。而亚硝酸盐和一氧化二氮在土壤中的含量则相对较少。植物通常只能利用铵态氮和硝态氮。实际上，亚硝酸盐对植物是有毒的。氮循环过程（见图3）展示了各种无机氮化合物在土壤中的转化过程。氮循环始于最稳定的氮形态——氮气，随后经历固定、矿化、硝化、淋溶、植物吸收、氨气挥发、反硝化等过程，最终再次以某种形式被固定下来。图3 氮循环示意图氮的固定
如前所述，固氮作用是指将氮气转化为化学活性较高的形式的过程——在这种过程中，氮与氧、氢、碳等元素结合在一起。要将氮气转化为氨或其他形式的固定氮，需要消耗能量。闪电可以使氮转化为各种氧化物，而这些氧化物随后通过降雨或降雪沉积下来。通常情况下，每英亩土地上每年沉积的氮总量不到10磅。细菌可以通过固氮作用将氮转化为有机物质。固氮作用既可以由独立生活的生物来完成，也可以通过与豆科植物的共生关系来实现。氮也可以通过多种工业工艺来固定，这些工艺以化石燃料作为能源。氮的矿化作用
一旦氮被固定下来，它就会经历多种化学反应，从而转化为不同的有机或无机形态。在土壤中，微生物会将有机氮转化为无机氮。这一过程的第一步被称为“氨化作用”，在此过程中，微生物（主要是异养微生物）将复杂的蛋白质分解为较简单的氨基酸、酰胺和胺类物质。异养微生物需要以预先存在的有机化合物作为碳源和能量来源。而自养微生物则可以通过氧化铁、硫、铵、亚硝酸盐等无机元素或化合物来获取能量；它们的碳源则是二氧化碳。例如，尿素是一种酰胺类物质，它可以通过动物尿液或商业肥料的形式直接添加到土壤中。氨化作用是矿化过程的第二个阶段，在这一阶段中，氨基（NH3）被转化为铵离子。同样，这一过程也是由微生物（主要是自养微生物）来完成的。硝化作用
微生物活动也是硝化作用分为两个阶段的原因。亚硝化单胞菌这种专性自养细菌能够将铵转化为亚硝酸盐。而像硝基吡啶（N-Serve°）或二氰二胺（DCD）这样的硝化抑制剂，则会干扰这些细菌的机能，从而阻止铵向可溶性硝酸盐的转化。硝化作用的第二个阶段则由硝化杆菌来完成，它们将亚硝酸盐进一步转化为硝酸盐。这一过程通常在铵被转化为亚硝酸盐之后很快发生，因此土壤中的亚硝酸盐浓度通常较低。硝化作用方程2和3矿化作用和硝化作用都受到各种环境因素的影响，这些因素会影响到生物体的活性，比如温度、湿度、氧气供应情况以及pH值。例如，在低温环境下，硝化作用进行得非常缓慢；而当温度降至冰点以下时，硝化作用就会停止（见图4）。随着温度的升高，硝化作用的速率也会增加，但当温度达到约95°F到100°F时，细菌的存活能力会下降，此时硝化作用的速度又会开始下降。无论是矿化作用还是硝化作用，微生物的活动都需要有足够的湿度才能进行。如果湿度过高，会导致氧气供应不足，从而降低矿化和硝化作用的速率，进而可能使土壤处于厌氧状态。在pH值为7左右时，矿化和硝化作用的速率最高；而当土壤的酸碱度过高或过低时，这两种作用的速率都会下降。图4 温度对硝化作用的影响：随着温度的升高，硝化作用程度降低。反硝化作用
反硝化作用是指硝酸盐被转化为各种气态氮化合物的过程，这些气态氮化合物随后可以释放到大气中（如一氧化氮、一氧化二氮、氮气等）。这一过程发生在氧气供应不足的条件下，此时厌氧细菌会在有有机物等碳源存在的情况下，利用硝酸盐进行呼吸作用。在灌溉季节，那些长时间被水淹没的田地低洼处，常常会出现因反硝化作用而导致氮元素流失的情况，从而引发氮素不足的问题。饱和土壤中的反硝化作用所导致的氮损失量会随着温度以及土壤中可利用的碳元素（即有机物质）含量的不同而有所变化。表1展示了时间和温度对反硝化作用导致的氮损失量的影响。氨的挥发
氨气（NH3）向大气的释放过程被称为氨挥发。严格来说，氨挥发与施用的无水氨的气体损失不同，因为无水氨不会留在土壤中。而氨挥发是指土壤中的铵离子由于pH值的影响而转化为氨气，进而以气体形式逸散到空气中。通常情况下，只有在使用含有尿素的肥料时，才会出现氨挥发的问题，比如尿素或尿素硝酸铵混合肥。土壤中的尿素会在脲酶的作用下被分解成铵离子。方程6氨的挥发。当农民在土壤表面直接施用含有尿素的肥料时，氨的损失可能会非常严重。尤其是在土壤中有大量残渣存在，且天气又潮湿温暖的情况下（见图5）。由于氨的挥发而导致的尿素中所含氮元素的损失幅度很大，可能从没有损失到所施氮量的50%或更多不等。例如，在春季将尿素施用于粘壤土中，如果施用后至少一周内没有降雨，那么大约有10%到20%的氮元素会因氨挥发而损失掉。影响氨挥发程度的因素包括土壤湿度、温度、土壤pH值、土壤的缓冲能力、脲酶活性、土壤表面的残渣覆盖情况、降水量、风速等。当土壤潮湿温暖，且表面有大量残渣时，尿素就很容易挥发掉。此时，只要能有5英寸（约12.7厘米）或更多的降水或灌溉，就能让尿素充分渗入土壤中，从而减少氨的挥发损失。图5：玉米残秸杆上的尿素颗粒。图6 氮肥施用与灌溉对非饱和带硝酸盐含量的影响（上大蓝自然资源区——内布拉斯加中部水质监测项目），紫色为草地/牧场，蓝色为玉米地氮淋溶
发生氮素的淋溶现象时，氮必须以水溶性强、易于移动的形式存在，并且其含量要足够高，这样才能确保氮素能够被输送到土壤的各个部位。虽然尿素和亚硝酸盐都易于移动，但它们在土壤中的浓度并不高。硝酸盐是最容易发生淋溶损失的氮素形态。当硝酸盐渗移到大多数农作物根系所在深度（4到6英尺即120-180.厘米）以下时，它就会继续向下渗透，直到到达饱和带，也就是含水层或隔水层。对于那些根系较深的作物来说，比如苜蓿，它们还能吸收到4到6英尺深处渗出的硝酸盐；但对于其他作物而言，这些硝酸盐则很难被重新吸收。硝酸盐向下渗透的速度受多种因素影响，包括土壤质地、降水量和灌溉量、作物对水和硝酸盐的吸收能力等等。在那些由粗粒结构构成的非饱和带和浅层含水层覆盖的地区，比如中央普拉特河谷，硝酸盐从沙质土壤中渗出并进入含水层的过程可能只需几个月时间；而而在那些由粉壤土构成的高地地区，如果含水层位于地表下100英尺或更深处，那么硝酸盐渗入含水层则需要25到30年的时间。图6显示了在连续灌溉了35年的玉米田与天然草牧场中，非饱和带内的硝酸盐含量。以苏厄德县为例：在80英尺（约为24.4米）的深度范围内，天然草牧场中的硝酸盐氮含量为每英亩307磅(22.9公斤/亩）；而同一深度下，连续灌溉的玉米田中的硝酸盐氮含量则高达每英亩1,224磅（91.4公斤N/亩）。氮固定/ immobilization
无机氮被土壤中的微生物分解植物残体时被暂时固定下来，这一过程其实是一种循环利用机制。被固定的氮在一段时间内无法被植物利用，但随着植物残体的不断分解以及微生物数量的减少，这些氮最终又会重新变得可供植物利用（见图7）。为了减少肥料中氮的固定现象，可以将肥料置于作物残体之下，而不是将其与残体一起混入土壤中。生产者可以通过将无水氨或相关溶液直接注入土壤来实现这一目的。图7植物可利用的氮含量取决于微生物的分解作用。在植物处于静止状态时，硝酸盐还原作用所持续的时间，取决于诸如湿度、温度等环境因素，以及残体中的碳氮比。土壤中的有机物质通常含有约50%的碳和5%的氮。这一比例（10:1）对各种有机物质来说都是相对恒定的。而植物残体的碳氮比则有所不同：对于年轻的豆科植物组织来说，其碳氮比为10:1；而对于某些谷物的秸秆而言，这一比例可高达200:1。氮含量较低的植物组织通常更难被分解，因此需要更长的时间才能让其中的氮元素重新被植物利用。图8，固定化尿素的早期示例（尿素与作物残体混合处出现褪绿区域），旁边是注氨田（呈深绿色区域）当含碳氮比较高的植物残体被掺入土壤中后，微生物就开始对它们进行分解。此时，微生物的数量会迅速增加，这一过程伴随着二氧化碳的释放。微生物从土壤中吸收氮元素以用于自身的生长代谢。因此，在一段时间内，土壤中的无机氮含量会下降，从而可能无法满足植物的生长需求。随着植物残体的不断分解，其碳氮比会逐渐降低。当碳氮比降至约17:1时，氮元素就变得可以被植物利用了。分解过程会持续进行，直到碳氮比达到约10:1到15:1为止。植物同化作用
植物主要以硝酸盐或铵态氮的形式来吸收氮元素。如果在生长过程中存在某种偏好的话，通常是在生长初期优先利用铵态氮，而在生长后期则更倾向于使用硝酸盐氮。研究表明，当氨态氮和硝酸盐氮混合使用时，植物的生长效果最佳。其中，铵态氮被优先用于氨基酸和蛋白质的合成。有些植物可以直接利用尿素作为氮源（Harper, 1984），不过在大多数情况下，尿素中的氮元素在被植物吸收之前会先转化为铵态氮。为了能够吸收硝酸盐氮，植物需要让氮元素随水一起输送到根部——这一过程被称为“质量流动”。因此，当土壤表层变干时，那些已经渗透到根系下方区域的硝酸盐氮又有可能重新回到根系所在区域。相反，即使土壤中含有的氮元素足够，但如果水分不足，导致氮元素的质量流动受阻，植物仍可能出现缺氮症状。氮肥管理
正如前文所讨论的，氮是一种很容易通过多种途径从土壤中流失的营养元素。因此，如果能在作物吸收氮元素的时期之前将氮肥施用到土壤中，那么植物就能更有效地利用这些氮素。理想情况下，可以在一个生长季节内多次施用氮肥。使用中心支轴灌溉系统进行施肥，或是使用高架喷施装置，都是实现多次施肥的有效方法。利用中心支轴灌溉系统进行施肥时，还可以利用叶绿素测定仪来检测植物的氮素缺乏情况，从而根据作物的需求来决定施肥量。侧施氮肥也是一种有效的施肥方式，因为这样可以将氮肥施用在玉米和高粱对氮素需求最大的时期。对于玉米和谷物高粱等行栽作物来说，在播种前或播种时施用氮肥仍然比在秋季施用更为有效。不过，在某些土壤条件下，秋季施肥也是一种可行的选择。在这种情况下，生产者应在秋季施用无水氨肥（因为其不易被土壤中的水分冲走），前提是土壤质地较细，且土壤温度平均在50华氏度以上，并且这种状态能持续一周或更长时间。无论是秋季还是春季的播前施肥，使用像N-Serve或DCD这样的硝化抑制剂，都能有效减少氮素的流失。对于冬小麦来说，晚冬或早春时进行追肥，可以让生产者先了解土壤的湿度状况和作物的生长情况，从而确定合适的施肥量。当氮肥被施用于土壤表面之下时，农作物能够更有效地利用这些氮素。而将氮肥直接施在土壤表面的话，由于氨气的挥发或径流作用，会有部分氮素白白流失。这就是其中一个原因。图9和图10氮肥的施用时间：播种前施肥（上图），以及播种时施肥（下图）。图11与图12氮肥的施用方式：侧施（上图）和撒施（下图）。为什么需要通过注入方式施用的无水氨，有时会比那些可以直接施用于土壤表面的尿素或脲醛酸溶液更适合作为氮肥来源呢？一般来说，只要氮肥的施用方法得当，各种氮肥在农业应用效果上都是相当的。如果农民必须将氮肥施于土壤表面，那么采用条施的方式可以提高效率——这种方式能使肥料更加集中，从而减少土壤与肥料之间的接触面积。此外，喷灌也是一种有效的施肥方式，只要施用量不过量即可。在内布拉斯加州，常用的氮肥主要有无水氨（含氮量82%）、尿素（含氮量44%至46%）、UAN溶液（含氮量28%至32%）、硝酸铵（含氮量33%至35%）以及硫酸铵（含氮量21%）。其他肥料中也含有相当量的氮元素，但它们主要被用作除氮以外的其他营养元素的来源。只要使用得当，上述所有肥料都能发挥良好的施肥效果。从历史上看，无水氨是最便宜的氮肥，但其施用方式需要将氨直接注入土壤中，这种方式的成本高于撒播或表面施肥的方式。在施肥后进行耕作、灌溉或降雨处理，可以有效减少尿素肥料中氮素的损失。最近，人们开始使用一种名为Agrotain的尿素酶抑制剂来改善尿素的施用效果。这种抑制剂含有N-(正丁基)硫代磷酸三酰胺这一活性成分，它能抑制尿素酶的活性，从而延缓尿素分解为铵盐和氨的过程。根据温度的不同，这种抑制作用可以持续数周之久。这样一来，尿素就能更有效地留在土壤中，避免因雨水或耕作而造成的氮素损失。使用尿素酶抑制剂有助于降低施肥风险。在少耕、残茬较多的种植条件下，尿素肥料容易从土壤表面流失，从而造成氮素的损失。与硝化抑制剂类似，脲酶抑制剂也不能确保每年都能提高产量，但它们能在气候条件不利于氮素保留的年份里，有效防止产量的下降。氮肥统计与核算相关事项
要高效利用氮肥，生产者必须在确定合适的氮肥施用量之前，先准确了解除化肥之外其他氮源的贡献。常见的氮源包括土壤中的硝酸盐含量（通过深层土壤采样测定）、粪肥和有机物质（通过分析样本来确定其含氮量）、豆科植物带来的氮素（根据前作作物来判断）、以及灌溉水中的氮含量（通过灌溉水取样检测得出）。这些来源所提供的氮素量可能有很大差异，但在很多情况下，一旦将这些氮素量考虑进去，所需的氮肥施用量就能大幅减少。关于氮素核算的更多信息，请参阅本章末尾列出的参考资料。作物轮作
在条件允许的情况下，种植者应尽量让玉米和高粱等作物与大豆、苜蓿和三叶草等需氮量较高的作物轮作。轮作不仅可以减少对化肥氮的需求，还能有效降低病虫害的发生率以及病害带来的危害。大豆种植后种植玉米时，土壤中的氮含量会增加，这不仅是因为大豆残渣中含有大量的氮元素，还因为大豆残渣的碳氮比较低，从而使得土壤中的氮元素更易于释放出来，供下一季作物使用。在种植玉米之前，如果先种植苜蓿或三叶草等豆科植物，那么随着这些植物残渣的腐烂分解，土壤中的可用氮含量也会增加。豆科植物能够有效吸收土壤中的硝酸盐，从而显著降低玉米种植后土壤中的硝酸盐含量。图13展示了每年轮作玉米和大豆对非饱和带中硝酸盐含量的影响。该数据来自1992年内布拉斯加大学南中心研究与推广中心农场进行的长期耕作试验所取得的土壤样本，显示了1984年开始实行玉米-大豆轮作后的效果。图13 每年轮作玉米/大豆对非饱和带中硝酸盐含量的影响（A. Katupitiya，1995年；长期耕作方式对根区及中间非饱和带中硝酸盐的积累、迁移及反硝化过程的影响；内布拉斯加大学博士论文）。监测作物是否缺氮
植物缺氮的症状相当容易识别，因为其表现出的特征十分明显：首先是下部叶片变黄，而叶尖和叶缘则最先受到影响。不过，当这些缺氮症状显现出来时，作物产量可能已经受到了影响，具体程度则取决于作物的生长阶段。用于监测氮素状况的传感器是一种较为新的技术手段，它们能够在缺氮现象出现之前就检测出来，从而避免产量因缺氮而大幅下降。此外，还有其他方法可以检测植物的氮素胁迫情况，比如测定茎秆中的硝酸盐含量（这种方法可以在生长季结束后判断作物是否得到了足够的氮素供应）、使用叶绿素仪进行检测，或者利用遥感技术来监测植物的氮素状况。通过这些方法，种植者能够及时发现植物的氮素不足问题，并在生长季内采取相应措施加以补救，比如使用高喷头进行施肥，或通过中心支轴灌溉系统进行追肥。图4和图15玉米出现氮素缺乏的症状。在内布拉斯加州，氮通常是制约谷物作物生长的最关键养分。氮在土壤中会经历多种转化过程。其中一些转化过程有助于将氮转化为植物能够利用的形式。而另一些转化或迁移过程则会使氮以植物无法利用的形式存在，或者使氮从根系所在区域流失。诸如氮肥来源的选择、施肥方式、灌溉管理、耕作方式以及残渣处理等方式，都会影响作物对氮的利用效率。本文章节选自《内布拉斯加州农作物养分管理》 作者：蒂姆·M·谢弗 内布拉斯加大学林肯分校农学系助理教授 修订自： 理查德·B·弗格森，内布拉斯加大学农学教授
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