那ㄟ安捏？美國農地氮肥需求愈來愈高
你知道什麼是「經濟最佳氮肥施用量」（EONR）嗎？
在美國，農業機構如美國農業部（USDA）、愛荷華州立大學（Iowa State University）、伊利諾伊大學（University of Illinois）等，每年都會提供「經濟最佳氮肥施用量」 （EONR）建議，並透過各種管道傳遞給農民。如愛荷華州立大學的「玉米氮率計算機（Corn Nitrogen Rate Calculator, CNRC）」、伊利諾伊大學 & 明尼蘇達大學等機構的「年度氮肥指南」。
另外，各州農業機構還會透過「農業擴展服務（Extension Services）」與農民互動：
它們會派出農業顧問親自拜訪農場，幫助農民調整氮肥施用策略；另外也會提供免費或低成本的土壤測試服務，協助農民判斷是否需要調整氮肥施用量。而當地農業合作社（Cooperatives）與農化公司（Fertilizer Dealers）也會根據最新的 EONR 數據，向農民推薦適當的氮肥施用量，並提供施肥產品與服務。
最後，隨著「精準農業（Precision Agriculture）」的發展，許多農民開始使用遙感技術與機器學習來計算自己的 EONR。例如，農民可以透過 GPS 感測器、無人機、衛星影像，來測量自己農田的土壤氮含量，然後使用演算法計算最適合的氮肥施用量，而不是單純依賴大學發布的平均 EONR 數值。這種技術可以根據不同地塊的土壤條件來微調施肥量，提高氮肥利用效率（NUE）。
為什麼要每年更新EONR 呢？因為它會受到氮肥價格、玉米市場價格、當年氣候條件以及土壤氮含量的影響。
如果肥料變貴，最佳施用量可能會下降；當玉米價錢好的時候，農民當然會比較願意多施氮肥來追求更高產量；雨量、氣溫會影響氮肥的流失與利用；最後，某些地區可能因前一年的施肥遺留較多氮，導致今年的施肥需求降低。因此，EONR是一定要每年更新的。
然而，並非所有農民都嚴格按照 EONR 施肥，仍有許多農民會基於風險考量而「超量施肥」，導致施肥量高於理論最佳值。不過，既然EONR是每年都會釋出的數值，所以它也成了一個很好的紀錄，可以用來反映農地對氮肥的需求。
除了 EONR（經濟最佳氮肥施用量），與肥料施用相關的數值還有AONR（農藝最佳氮肥施用量）與 EnvONR（環境最佳氮肥施用量）。不過，AONR與EnvONR並不像EONR每年都會有機構定期更新與發布，而是每隔幾年才會更新一次。
為什麼呢？AONR 是一個「理論上最大產量所需的氮肥量」，但實際農業管理不會使用這個數值。AONR 的變化主要取決於玉米品種改良、氣候變化、土壤氮供應等，但是這些變化不如市場價格（影響 EONR）那麼快，因此 AONR 通常只會在長期研究報告或特定學術論文中才會更新，而不會每年發布。
會計算 AONR的機構，包括美國農業部（USDA）、美國各州立大學（如愛荷華州立大學、伊利諾伊大學等）以及農業試驗站（Agricultural Experiment Stations）。但是AONR主要是用於學術研究、政策分析，而非農民實際施肥參考。
另外，還有基於「氮肥的環境成本」（如硝酸鹽污染、氧化亞氮排放的社會成本）來計算的EnvONR。由於EnvONR是基於環境成本而非農業生產需求，加上EnvONR 會導致作物產量下降（研究顯示 3–14%），所以農民通常不會自願使用這個標準來施肥，除非有額外補助或法律規範。
而目前對環境成本的估算仍存在爭議，這使得不同研究可能會給出不同的計算方法，因此， EnvONR 的標準不如 EONR 那麼明確。再者，環境成本的變化速度較慢，不像氮肥價格或玉米價格那樣波動劇烈，因此也不需要每年更新。
一般發布EnvONR的是政策機構、環保機構或長期農業研究計畫，如美國環境保護署（EPA）、美國農業部（USDA）、美國各州大學的農業與環境研究中心以及國際農業與環境研究機構。而且，這些機構通常在 制定農業環境政策、碳排放交易機制、氮污染管制法規時，才會發布相關數據，但不會像 EONR 一樣每年提供給農民。
政府什麼時候會使用 EnvONR 來制定施肥限制呢？像在地下水硝酸鹽污染嚴重的地區，政府可能會規定施肥量不得超過 EnvONR。另外，在碳排放交易（Carbon Credit System）中，政府可能會宣導，如果農民減少施肥至 EnvONR 之下，會獲得碳信用額度補助。
不過，儘管不是每年更新，但是AONR與EnvONR還是可以用來做參考，與EONR配合著看，可對土地的變化有更大的認識。
最近有研究團隊，彙整了這些數據從1991至2021年間的變化趨勢，並探討影響EONR變動的因素。此外，他們還利用作物模擬模型（APSIM）來評估玉米系統中的氮素動態，並模擬氮損失的影響。
結果他們發現，從1991至2021年，EONR逐年增加，平均每年增加 2.7 kg N ha⁻¹（年增1.2%）。AONR與EnvONR也有所增加，AONR每年增加 2.6 kg N ha⁻¹，EnvONR每年增加 2.0 kg N ha⁻¹，也就是說，它們增加的速度比EONR慢。
仔細分析還可以看到，在2000年時，EONR比AONR少14 kg N ha⁻¹，但到2020年僅少3 kg N ha⁻¹；而2000年時EONR比EnvONR高46 kg N ha⁻¹，但是到了2020年卻擴大到70 kg N ha⁻¹。由於這三個數值最高的是AONR，其次是EONR，最後才是EnvONR；所以這三者數值差距的變化顯示，EONR增加得很快。
由於EONR是施肥量主要的參照數據，因此EONR的增加，也就意味著施肥量愈來愈多。為什麼EONR會增加的這麼快呢？
研究團隊認為，隨著育種技術改進和農業管理的最佳化，單位面積玉米產量持續提高，導致對氮肥需求上升。數據也顯示，玉米的產量平均每年增加1.2%。
現代玉米品種的光合效率提高、抗逆性增強（如耐旱、耐病蟲害）、碳分配效率最佳化，使得每株玉米能夠生產更多。不過，現代高產玉米的籽粒氮含量（即蛋白質含量）相對下降，這意味著單位產量的氮需求降低，有助於維持較高的產量。
現代玉米蛋白質含量下降的現象（稱為氮稀釋效應（Nitrogen Dilution Effect）），讓我想到之前曾經提到的《我們吃的蔬菜水果越來越不營養？》。根據研究，現代玉米的蛋白質含量比50年前低約10-20%，這對飼料與食品營養有潛在影響。不過，在美國種植的玉米，約有35.6%是做為生產生質酒精之用。用來生產生質酒精的玉米，並不需要高氮含量，所以也不需要過度擔心。
再者，目前科學家正在育種「高蛋白玉米」（High-Protein Maize, QPM），這些品系的蛋白質含量較高，且富含必需胺基酸（如離胺酸、色胺酸）。這類品系可以提供更高的營養價值，特別適合用於飼料與人類主食。
另外，近年來的降雨模式改變（春季降雨增加），導致硝酸鹽淋溶和氧化亞氮排放加劇，造成氮損失增加（每年增加0.37~0.72 kg N ha⁻¹），也使得農民需要補充更多氮肥以維持產量。
至於土壤是否有發生什麼變化呢？研究團隊分析了土壤淨礦化速率（指的是土壤中有機氮轉化為無機氮（NH₄⁺、NO₃⁻）的速率），發現變化並不大，每年的變化介於-0.49~+0.23%之間。這顯示了土壤提供的氮源穩定，EONR的增加主要來自外部肥料補充。
不過需要擔心的部分是，玉米-大豆輪作區的EONR增加速率，比連作玉米系統快22%，導致兩者之間的施肥差距縮小（2000年的差距是 44 kg N ha⁻¹，而2020年這個差距縮小至 32 kg N ha⁻¹）。
照理說，輪作系統比連作系統更能提高氮肥利用效率，因為大豆殘渣可促進土壤氮礦化，減少玉米對肥料氮的依賴。差距縮小是否意味著，因為暖化也影響到了根瘤菌的工作？或者是，新品系的玉米對氮的需求提高，所以必需補充更多氮肥？
綜合這些資料，研究團隊認為，未來氮肥需求勢必會持續上升。依據當前趨勢，未來20年EONR可能再增加 44~56 kg N ha⁻¹，總計美國中西部需額外增加 1.01億 kg N 的氮肥投入。
用越多氮肥，就意味著環境負擔增加；但是，若施肥量未增加，可能會導致美國玉米產量下降0.7~3.1百萬公噸，對全球糧食市場發生重大的影響。畢竟，美國可是全球第一大玉米生產國啊！
因此，研究團隊建議，可考慮透過分次施肥、精準施肥技術（如遙感監測）、改善作物遺傳與管理策略，如此可提高氮肥利用率，減少浪費。若能提高氮肥利用效率，則可在不顯著增加氮肥施用量的前提下，支撐玉米產量成長。
總而言之，研究團隊發現美國中西部玉米的最佳經濟氮肥施用量（EONR）正在增加，其主因為玉米產量的提升與氮損失的增加。雖然減少施肥可降低氮損失，但其對產量的影響遠大於對環境的正面作用。因此，未來應著重於提升氮肥利用效率，而非單純降低施肥量，以平衡糧食安全與環境永續的需求。
參考文獻：
Mitchell E. Baum, John E. Sawyer, Emerson D. Nafziger, Michael J. Castellano, Marshall D. McDaniel, Mark A. Licht, Dermot J. Hayes, Matthew J. Helmers, Sotirios V. Archontoulis. The optimum nitrogen fertilizer rate for maize in the US Midwest is increasing. Nature Communications, 2025; 16 (1) DOI: 10.1038/s41467-024-55314-7
