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在土壤系统的运行中,如果把土壤养分向环境的净输出再通过养分的形式归还土壤,则土壤养分可保持输入输出平衡.从施肥到作物收获这一过程,土壤系统运行中的氮素输入(IN)包括肥料氮(FN)、土壤初始氮(SN1)和自然输入氮(INN),氮素输出(ON)包括作物摄取氮(CN)、土壤期末氮(SN2)和自然输出氮(ONN),其中自然输入氮与自然输出氮指的是在不施肥的自然土壤中同样发生的土壤与环境间的氮素交换,自然输入包括大气沉降、灌溉、种子带入、非生物固氮等,自然输出包括侵蚀、径流、渗漏或淋洗、挥发、硝化-反硝化损失等.现假设：自然状态下,土壤与环境的氮素交换为平衡,即ONN=INN.根据物质守恒定律：IN=ON,则在自然土壤中,由于没有肥料投入和作物收获,FN=0,CN =0；根据假设必然有SN1=SN2,土壤氮素保持平衡.在施肥的农业土壤中,肥料的投入势必会打破自然土壤与环境间的氮素交换平衡,使施肥后土壤氮向环境的输出大于环境氮向土壤的输入,其增量为△ONN=ONN-INN.因此,在农业土壤中,由于土壤的氮素输出发生了增量△ONN,则有：ON=CN+ SN2 +)NN+△ONN,IN=FN+ SN1 +INN,为保持土壤与环境间的氮素交换平衡(既IN=ON)和土壤初始氮与期末氮平衡(即SN1=SN2),必须使下式成立：FN=CN+△ONN……(1)由(1)式：CN/FN=1-△ONN/F……(2)定义：农业生产中投入土壤的肥料氮与作物收获后移出土壤的氮的比值称为"氮素归还指数(NRI)".即：氮素归还指数(NRI)=FN/CN,则有：NRI=1/(1-△oNN/FN)……(3)NRI的大小取决于△ONN/FN,其中△ONN实际为氮素净损失量,△ONN/FN即氮素净损失占施氮量的百分比(氮素净损失率).地形、气候和氮肥施用技术对氮的绝对损失量影响较大,但在一定农业区域,土壤、气候、作物以及肥料施用技术变异较小,氮素净损失率相对稳定,称之为区域氮素净损失率,由此计算出的氮素归还指数称为区域氮素归还指数RNRI,其值相对恒定.如果一个合理的氮肥施用量,使氮素净损失率等于区域氮素净损失率,则可使氮素归还指数与区域氮素归还指数保持一致,即NRI=RNRI,可保持土壤氮素收支平衡.不合理施肥条件下,氮素净损失率超过区域氮素净损失率,基于土壤氮素收支平衡,根据公式(3),NRI＞ RNRI,必须增加氮肥施用量.通过改进施肥技术,使氮素净损失率低于区域氮素净损失率,基于土壤氮素收支平衡,根据公式(3),NRI＜ RNRI,可以减少氮肥施用量.针对某一区域、某种作物的氮肥推荐可按以下步骤进行：第一步：收集、查阅该区域内该作物在常规栽培技术下的土壤氮素平衡数据资料(2年以上的资料),根据1.1.1中的方法,计算适合该区域气候、土壤类型和作物的区域氮素归还指数RNRI.或以多年田间试验为基础,在常规栽培技术条件下以施氮处理与不施氮处理的氮素损失之差为增量△ONN,计算RNRI.第二步：根据该作物的目标产量(Yg)和百公斤经济产量所移出的氮素养分量(N100),直接由定义计算基于土壤氮素平衡和目标产量的推荐施氮量(RNAR-NRI-Yg),称之为氮素归还目标产量法(M-NRI-Yg).RNAR-NRI-Yg=Yg×N100×ANRI/100……(4)或根据该作物在该区域的肥料效应试验,建立施氮量与NRI之间的函数方程并做显著性检验；将RNRI代入函数方程,求得基于土壤氮素平衡和函数方程的推荐施氮量(RNAR-NRI-F),称之为氮素归还函数法(M-NRI-F).为了比较氮素归还法(M-NRI)和肥料效应函数法(M-FEF)实施氮肥推荐的区别和效果,在位于江苏省里下河平原的姜堰市选择土壤肥力不同的12个试验田块,于2005～2007年进行8个施氮水平的水稻氮肥单因素试验,施氮量分别为0、112.5、150、187.5、225、262.5、300、337.5kgN·hm-2.结果表明,M-NRI推荐的水稻氮肥施用量在209.1 kgN·hm-2 ～ 286.5 kgN·hm-2之间,平均为246.2 kgN·hm-2 ～ 249.5 kgN·hm-2,变异系数6.5％～9.6％； M-FEF推荐的水稻氮肥施用量有2～4个明显异常(超过400 kgN·hm-2),剩余的8～10个氮肥推荐施用量在227.9 kgN·hm-2～ 389.3 kgN·hm-2之间,平均为293.9 kgN·hm-2～305.0 kgN·hm-2,变异系数为15.5％～ 19.6％.因此,以M-NRI方法得到的水稻推荐施氮量比M-FEF方法降低15.1％～ 19.3％,且具有更高的试验成功率和变异更小的推荐施氮量,可能更适于对特定农业区域进行氮肥投入的总量控制.