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，是評價農田氮投入資源利用效率和環境影響一個重要指標，被科研人員、政府決策者、肥料企業和農戶等廣泛使用。然而，NUE雖然定義簡單，但卻并不容易直接量化。不同的人員往往根據自身不同需要和便利條件采用不同的量化方法，得到的結果差異較大。例如，我國糧食作物NUE平均水平被普遍認為在30%左右，而最近的研究顯示NUE卻達60%以上。不同量化方法間的差異導致不同研究間缺乏可比性，不利于農田氮循環的理解、田間氮肥的管理和政府決策的制定。

為了解決這一問題，中國科學院沈陽應用生態研究所穩定同位素生態學研究團隊與美國馬里蘭大學環境科學研究中心阿巴拉契亞實驗室合作，系統梳理了三種常用的NUE量化方法的科學內涵、差異原因和潛在聯系(圖1，2)。首先，該研究給出了差減法(NUEdiff)、15N同位素示蹤法(簡稱示蹤法，NUE15N)和生態系統氮收支平衡法(簡稱平衡法，NUEbala)三種量化方法的概念、內在假設和應用尺度。差減法根據施氮和不施氮兩個處理的作物氮吸收量差異來量化作物氮利用效率，計算公式為：NUEdiff = (施氮處理作物氮吸收量 - 不施氮處理作物氮吸收量) / 肥料氮投入量 × 100%。示蹤法根據15N標記氮在作物收獲部分的回收比例來量化作物氮利用效率，計算公式為：NUE15N = (作物氮吸收量 × 作物吸收來自標記氮的比例) / 肥料氮投入量 × 100%。平衡法是指作物氮吸收量占總氮投入量的比例，計算公式為：NUEbala = 作物氮吸收量 / 總氮投入量 × 100%。該研究進一步指出導致三種NUE量化結果差異的原因：一是對氮投入的定義不同，其中差減法和示蹤法僅針對肥料氮投入，平衡法針對所有氮投入，包括來自大氣沉降的氮輸入;二是對氮投入“土壤殘留效應”(即殘留在土壤的肥料氮對后季作物氮吸收的貢獻)的涵蓋范圍不同，差減法和示蹤法不涉及或較少涉及土壤殘留效應，而平衡法則主要涉及了土壤殘留效應。之后，該研究以全國尺度的農戶調研數據和田間試驗數據為依托，采用差減法、示蹤法和平衡法量化了我國糧食作物的氮利用效率，結果分別為32%、30%和52%，并以此為例演示了三種方法之間的差異和聯系(圖2)。最后，該研究總結了不同NUE量化方法的優缺點，建議相關人員根據不同需要和目的選用恰當的量化方法，在比較時需采用統一標準以增加可比性。

2021年4月21日，該研究以“Different quantification approaches for nitrogen use efficiency lead to divergent estimates with varying advantages”為題發表在Nature Food上。沈陽生態所助理研究員全智為該文第一作者，馬里蘭大學Zhang Xin助理教授和沈陽生態所方運霆研究員為通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃項目和國家自然科學基金的資助。

圖1. 三種作物氮利用效率量化方法概念。

FN和NFN分別指肥料氮投入和非肥料氮投入;HNT和HNC分別指施氮處理和不施氮處理的作物收獲氮;Ndff和%Ndff分別指施氮處理作物氮吸收來自肥料的量和比例(通常指當季)。

圖2. 以我國糧食作物為例演示三種作物氮利用效率量化方法間的差異和聯系。

圖中括號內數字為中國糧食作物系統的平均值。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)以及作物氮收獲量(HNT，138 kg N ha-1 season-1)來自全國尺度的調查數據;而作物氮吸收中來自當季氮肥的比例(%Ndff，63/138 = 46%)和不施氮對照作物氮吸收量占施氮處理的比例(HNC/HNT，71/138 = 51%)則來自全國尺度的田間試驗數據。經計算，中國糧食作物系統的NUEdiff，NUE15N，NUEbala分別為30%，32%和52%。