基于GIS的吉林省水稻种植区施氮效果及减排潜力分析

焉莉，冯国忠，兰唱，高强



基于GIS的吉林省水稻种植区施氮效果及减排潜力分析

焉莉，冯国忠，兰唱，高强

（吉林农业大学资源与环境学院/吉林省商品粮基地土壤资源可持续利用重点实验室，长春130118）

【目的】研究不同水稻种植区施氮效果差异，旨在加强氮肥精准养分管理，提高作物产量和肥料效率，从而减少农田氮排放。【方法】通过对2005—2013年吉林省测土配方施肥田间试验中不施氮肥处理（N0P2K2）及3个氮梯度（0.5N2P2K2）、（N2P2K2）、（1.5N2P2K2）处理进行分析，研究不同水稻种植区的产量、氮肥施用效果及氮肥农学利用率，探讨各区域施氮效果及减排潜力。【结果】吉林省各地区水稻产量差异显著，西部地区最高，东部地区最低。在不施氮肥条件下西部地区平均产量可达7.6 t·hm-2，其与中部地区和东部地区的平均产量差可达到2.1和2.2 t·hm-2。施用氮肥后，中部和东部地区最低增产率29.8%（最高59.5%）显著高于西部地区12.6%（最高29.4%）。中部和东部的氮肥利用效率分别为12.2—19.7和12.5—19.5 kg·kg-1，远高于西部地区的8.8—13.1 kg·kg-1。采用最大经济收益法MRTN方法建立氮肥用量与净收益间的函数关系，从而计算各地区最佳施氮量。西部地区、中部地区和东部地区的最佳施氮量分别为114.9、128.9和134.1 kg·hm-2，与推荐施肥相比可减少25.6、18.3和5.3 kg·hm-2。在产量没有显著差异的条件下，各地区均可减少氮肥施用量，尤其是西部和中部地区。通过节氮成本和粮食收入核算发现，各地区均可增加经济效益，其中中部地区农民增收显著。在保证产量条件下，采用最佳施肥量，吉林省西部、中部和东部每年可减少氮投入量分别为4 378、7 064 和604 t；减少氮排放98.2、158.6和13.6 t。【结论】吉林省西部地区应控制氮肥施用；中部地区为全省减排重点区域；东部地区目前施肥量适中，可以配合其他管理模式消减自然因素的限制，从而提高水稻产量。

地理信息系统；水稻；产量；施氮量；吉林省

0 引言

【研究意义】化肥是农业持续发展的物质保证，是粮食增产的基础[1]。从20世纪80年代开始中国化肥使用量以每年4%的速度增长，目前已接近世界总使用量的1/3，成为世界最大化肥消费国[2]。但化肥的当季利用率却比发达国家低10%[3]。2015年中国农田施用氮肥约2 361.6×104t[4]，以平均损失45%计算[5]，每年的氮素损失量就达1 063×104t。氮肥的过量施用导致温室效应加剧，水体富营养化污染及土壤退化等一系列问题[6-8]。因此根据土壤养分状况，最大限度地发挥氮肥效率，对保证最大经济收益条件下实现高产高效与环境友好意义十分重大。这样的施氮技术是目前科研人员关注的热点[9]。【前人研究进展】吴良泉等[10]提出了在全国范围内大尺度的中国三大粮食作物的“大配方、小调整”的区域施肥技术。张智等[11]对四川省不同区域的水稻氮素吸收特征和氮肥利用率数据进行分析，发现不同区域间由于地形、气候、土壤肥力等差异较大，水稻对氮素吸收利用存在一定差异，应根据区域差异合理调整氮肥用量。王寅等[12]研究了吉林省不同生态区玉米的氮肥施用效果现状，发现其玉米施氮效果存在差异，建议根据区域气候环境条件和施氮响应特征对氮肥进行合理配置。前人的研究均表明只有根据区域差异建立精准施肥体系，实现氮素的科学管理，才能充分发挥氮素的施用效果。【本研究切入点】水稻生产在中国农业中占有极其重要的战略地位[13]，是吉林省第二大粮食作物[4]。根据吉林省的气候因子、土壤类型、水稻产量及品质将吉林省水稻分为三大种植区，即：西部超高产区（western super-high yield area，WSHY）、中部高产优质兼顾区（middle high yield and high quality area，MHYQ）和东部优质稻区（eastern high quality area，EHQ）。目前各种植区的施氮效果及差异还不清楚。【拟解决的关键问题】本研究在分析吉林省“国家测土配方施肥”项目多年田间试验数据的基础上，比较基于省级区域尺度的水稻产量及施氮效果差异，计算区域最佳施氮量，并估算各区域减氮和减排潜力，为实现不同水稻种植区精准施肥提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

吉林省位于东经121°38′—131°19′，北纬40°52′—46°18′，地形地貌差异显著[14]。吉林省包括8个地级市（白城、松原、长春、辽源、吉林、四平、通化、白山）和1个自治州（延边朝鲜族自治州），根据目前灌区分布及水稻的产量及品质等差异将吉林省分为三大水稻种植区，即西部超高产区、中部高产优质兼顾区及东部优质稻区（图1）。西部超高产区位于吉林省西部盐碱地，包括松原和白城地区，因水资源严重短缺，为解决农业灌溉缺水问题，修建了松原灌区、大安灌区、前郭灌区、扶余灌区等，效果显著，成为著名的水稻超高产区。中部高产优质兼顾区位于吉林省中部，包括长春、吉林、四平和辽源地区，拥有相对丰富的地表水资源如饮马河、星星哨水库等，采用地表水自流灌溉，形成了以万昌为代表的产量高且品质好的水稻种植区。东部优质稻区主要包括位于山区、半山区的延边朝鲜族自治州和通化地区，因其得天独厚的自然条件，无污染、纯天然绿色品质而被列为吉林省优质水稻种植区。

图1 吉林省不同水稻种植区

本研究选取2005—2013年国家测土配方施肥项目在吉林省布设的346个水稻田间试验点，各水稻种植区的土壤基础理化性质见图2。吉林省地区种植水稻的土壤类型主要是水稻土。从图2可知，吉林省从西向东，土壤从碱性慢慢过渡到酸性，有机质、有效磷含量逐渐升高，尤其是东部地区有机质含量丰富；中西部地区速效钾含量相对较高，但东部地区有效钾含量相对较低。供试水稻品种均为各种植区主栽品种，包括吉粳系列，农大系列及长白系列等。

图2 吉林省不同水稻种植区土壤养分状况

1.2 试验设计

本研究选取“3414”田间试验中的不施氮只施磷钾肥（N0P2K2）、推荐施用氮磷钾肥（N2P2K2）、施用0.5倍推荐氮肥（0.5N2P2K2）和施用1.5倍推荐氮肥（1.5N2P2K2）4个处理。推荐施肥量是由当地农业技术人员根据土壤测试结果及目标产量（过去5年农户平均产量的1.1倍）确定的。不同地块推荐施肥量不同。不同水稻种植区推荐施用氮磷钾肥料量如表1所示。其中各地区平均推荐施肥量存在显著差异。东部地区施钾量相对较多，达到90 kg·hm-2以上；平均施磷量为67.6 kg·hm-2，明显高于西部和中部地区。中部地区的氮肥施用用量较高，平均值达到147.2 kg·hm-2，比西部和东部地区高出4.8%和5.6%。各试验点的N0P2K2处理、0.5N2P2K2处理和1.5 N2P2K2处理的磷钾施用量保持一致。氮磷钾肥料分别为尿素（N 46%）、磷酸二铵（P2O546%）和氯化钾（K2O 60%）。在水稻移栽前，结合整地将氮肥的40%、钾肥的50%、磷肥的全部与耕层土壤混合均匀。氮肥总量的60%作追肥，其中分蘖肥、穗肥和粒肥分别占总氮肥量的30%、20%和10%；钾肥的50%在孕穗初期施入。分蘖肥、穗肥和粒肥施用时间分别为6月中上旬、7月上旬和8月初。

表1 吉林省不同水稻种植区氮磷钾肥料施用量

数据后不同字母表示不同地区在5%水平上差异显著

Different alphabets mean remarkable differences of different regions at＜0.05

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤样品测试及产量测定

在水稻移栽前取0—20 cm土层土样，按《土壤农化分析》[15]中的方法测定pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾。

水稻成熟后，小区去边垄后测产，测定籽粒产量和秸秆产量。

1.3.2 相关计算方法

肥料利用效率AEN（kg·kg-1）=（施肥区籽粒产量-不施肥区籽粒产量）/施肥量；

肥料偏生产力PFPN（kg·kg-1）=施肥区籽粒产量/施肥量；

氨挥发量（kg N·hm-2）=2.97+0.16x （x：氮肥施入量）[16]；

氮淋溶量（kg N·hm-2）=6.03e0.0048x（x：氮肥施入量-地上部氮吸收量）[16]；

氮径流量（kg N·hm-2）=8.69e0.0077x（x：氮肥施入量-地上部氮吸收量）[16]；

氧化亚氮（N2O）排放量（kg N·hm-2）=0.74e0.011x（x：氮肥施入量-地上部氮吸收量）[16]；

地上部氮吸收量（kgN·hm-2）=0.3225x+100.82 （x：氮肥施入量）[17]。

1.4 数据处理与分析

采用最大经济收益法MRTN方法建立氮肥用量与净收益间的函数关系，从而计算各试验点最佳施氮量[18]；采用Arcgis 10.0软件Kriging插值法分析各采样点中数据，并绘制吉林省土壤各养分指标空间分布图及水稻种植区产量分布图；采用Microsoft Excel 2007及SPSS 20.2软件统计分析数据，用Duncan’s检验差异显著性。

2 结果

2.1 施肥对吉林省不同水稻种植区产量的影响

吉林省不同水稻种植区在不施氮（N0P2K2）、推荐施用氮磷钾肥（N2P2K2）、施用0.5倍推荐氮肥（0.5N2P2K2）和施用1.5倍推荐氮肥（1.5N2P2K2）4个处理产量均有显著差异（图3）。在三大种植区，无论何种施肥方式均表现出显著差异，西部地区产量最高，中部地区较高，东部地区最低。在不施氮肥条件下的水稻产量代表该地区的基础氮地力，可见西部地区的供氮能力较强，平均产量可达7.6 t·hm-2，其与中部地区和东部地区的平均产量差可达到2.1 t·hm-2和2.2 t·hm-2。当施用氮肥时，各种植区产量均有增加。施用0.5倍推荐氮肥时，西部、中部和东部种植区平均产量分别可达到8.4、6.9和6.8 t·hm-2；当施用推荐氮肥量时，西部、中部和东部种植区平均产量分别可达到9.4、8.1和7.8 t·hm-2；当施用1.5倍推荐氮肥时，西部、中部和东部种植区平均产量分别可达到9.4、8.1和8.1 t·hm-2。可见，当过量施用氮肥时，西部和中部地区的产量没有变化，只有东部地区产量略有增加。

图3 吉林省水稻不同种植区N0P2K2（A）、0.5N2P2K2（B）、N2P2K2（C）及1.5N2P2K2（D）产量差异

2.2 吉林省不同水稻种植区施肥增产效果

吉林省不同水稻种植区施肥增产效果差异显著（表2）。在不同施氮水平条件下，与不施氮肥处理相比，各地区均表现为施氮量越高增产量越大。当施用0.5倍（0.5N2P2K2）、1倍（N2P2K2）和1.5倍（1.5N2P2K2）推荐氮肥时，西部地区增产量分别为0.8、1.8和1.8 t·hm-2，中部地区增产量分别为1.4、2.6和2.6 t·hm-2，而东部地区增产量分别为1.4、2.4和2.6 t·hm-2，可见中部和西部地区施氮肥超过推荐施氮量时增产量并未提高，而东部地区增加氮肥仍有增产效果。从增产率角度看，中部和东部水稻种植区不同施氮水平的增产率基本均高于30%；而西部水稻种植区施氮肥的增产率均低于30%，可见中东部地区施氮效果显著，西部地区施氮效果不明显。从图3中可看出，采用推荐施肥量时，中部地区增产效果最好，其中吉林地区最高增产率可达到60.4%；其次是东部地区如延边州增产率为50.5%；西部增产效果最差，松原地区增产率仅为23.3%。当过量施用氮肥时，西部和中部地区增产率仅提高2.4%和1.9%；东部地区可提高7.8%。

2.3 吉林省不同水稻种植区氮肥利用率及最佳氮肥施用量

吉林省三大水稻种植区的氮肥利用率存在显著差异（表3）。当施用推荐氮肥量时，西部、中部和东部的氮肥农学利用率分别为13.1、17.2和17.2 kg·kg-1；偏生产力分别为67.3、56.7和57.6 kg·kg-1。可见西部地区氮肥农学利用率明显低于中部和东部地区；但因该地区产量高导致氮肥偏生产力为全省最高。当施用0.5倍和1.5倍推荐氮肥量时，三大种植区存在相似规律。施用0.5倍推荐氮肥量时，氮肥的偏生产力最高；当施用1.5倍推荐氮肥量时，氮肥的农学利用率最低。

表2 吉林省水稻不同种植区增产效果

数据后不同字母表示不同地区在5%水平上差异显著。下同

Different alphabets mean remarkable differences of different regions at＜0.05. The same as below

表3 吉林省不同水稻种植区氮肥利用率及最佳施氮量

采用最大经济收益法MRTN方法建立氮肥用量与净收益间的函数关系，从而计算各试验点最佳施氮量（表4）。结果表明西部地区、中部地区和东部地区的最佳施氮量分别为114.9、128.9和134.1 kg·hm-2，与推荐施肥相比可减少25.6、18.3和5.3 kg·hm-2。在产量没有显著差异的条件下，各地区均可减少氮肥施用量，尤其是西部和中部地区。通过节氮成本和粮食收入核算发现，各地区均可增加经济效益，其中中部地区农民增收显著。

2.4 吉林省不同水稻种植区减肥及减排潜力

根据计算可知吉林省不同水稻种植区均有减肥潜力（表4），参照吉林省年鉴中记载的各县市水稻种植面积[4]，西部、中部和东部水稻种植面积分别为17.1×104、38.6×104和11.4×104hm2，其每年总共节氮可分别达4 378、7 064和604 t。依据张福锁团队在《Nature》上发表的中国水稻温室气体系数[16]及侯云鹏等[17]研究得出的东北地区水稻氮吸收规律估算出与推荐量相比（表5），最佳施氮量条件下吉林省不同区域氨挥发可减少0.84—4.10 kgN·hm-2；氮淋溶减少0.10—0.47 kgN·hm-2；氮径流和氧化亚氮排放分别减少0.22—1.04和0.03—0.13 kgN·hm-2。结合各区域种植面积，西部、中部和东部每年可减少氮排放分别为98.2、158.6和13.6 t，减排效果明显。

表4 吉林省不同水稻种植区最佳施氮量及经济效益分析

按尿素（N46%）为氮肥主要施用种类，价格为2000元/吨，水稻价格为2300元/吨计算经济效益

The economic benefit is calculated according to the price of rice and urea at 2300 yuan/t and 2000 yuan/t, respectively, with urea as main nitrogen fertilizer

表5 吉林省不同水稻种植区减排潜力

不同字母表示推荐施肥和最佳施肥模式在5%水平上差异显著

Different alphabets mean remarkable differences between recommended fertilization rate and optimal fertilization rate at＜0.05

3 讨论

精准农业是21世纪农业科学研究与应用的热点领域[19]。分散经营目前是中国种植业的主要生产模式，分区策略成为农业精准管理的技术核心[20]。因此了解不同地区间土壤养分，作物产量水平及肥料响应规律的差异，是实现区域精准管理的基础[12]。本研究结果表明，吉林省不同水稻种植区在土壤养分含量、产量水平及肥料施用效果方面差异显著，应根据其特点制定相应的农业管理及施肥策略，从而提高其管理效果及肥料利用率，达到保产、绿色、减肥、减排的目的。

吉林省西部是世界三大苏打盐碱地分布区之一，曾经是严重退化的盐碱地生态环境，现在成为国家重要的商品粮基地[21]。本文研究发现西部地区土壤有机质和碱解氮水平相对较低，但在不施肥条件下水稻产量却很高，其可能是现代化农业管理模式、品种及气象因子共同作用的结果。大型灌区的建立成功解决了苏打盐碱地的种稻洗碱问题，“浅-深-浅-湿”的合理灌溉控水模式、机械化播种收获等管理措施都为西部超高产创造了条件；吉粳88等适合该地的高产品种研发及推广，使其产量增加20%[21]；同时气象因子如西部积温和总日照时数要明显高于中部和东部[22]，也是水稻高产形成的关键因子。Dobermann[23]研究发现土壤肥力状况并不是影响水稻产量的主要因素，温度和日照对水稻影响明显[24]。张文香等[25]研究结果表明，在吉林省气候条件下，水稻产量随积温的增高而显著增加。中部地区自然条件较好，光照、积温等气象因子均有利于水稻的生长，且因中部地区开垦时间较长，土壤中的速效养分如碱解氮、有效磷、速效钾等含量均较高。同时由于采用地表水作为灌溉，水中含有多种微量元素，从而产生了以万昌为代表的高产优质水稻种植区。东部地区以山地丘陵为主，靠近长白山脉，气候原因导致作物产量不高。邱译萱等[26]提出吉林省东部地区因积温较低，水稻播种/移栽时间适当提前可增加水稻产量，同时由于气候变暖导致积温增加，可适当扩大中晚熟品种面积比例，缩小中早熟比例，利于增产。

作物单位面积施氮量、氮磷施肥比例及其种植密度是影响氮肥利用率大小的主要因素，而施氮量是影响作物氮肥利用率的重要因素[27]。本研究中当施用推荐氮肥量时，吉林省的水稻氮肥偏生产力为56.7—67.3 kg·kg-1，明显高于南方的浙江省、江苏省、湖南省和广东省的水稻偏生产力[28]；但与日本的水稻氮肥偏生产力75 kg·kg-1[29-30]相比仍略有差距。吉林省水稻的氮肥农学利用率为13.1—17.2 kg·kg-1，与全国水稻平均氮肥农学利用率10.4 kg·kg-1[31-32]相比明显提高。测土配方施肥项目所采用的推荐施肥量是养分平衡法计算得到的，即根据过去5年农户平均产量的1.1倍确定目标产量，以土壤养分测定值计算土壤供肥量，从而得到肥料需求量。该方法充分考虑作物、土壤、肥料体系的相互联系，对于快速确定大区域施肥阈值，控制区域过量施肥效果显著，增产节本的同时，肥料利用率可提高5%—-10%[33]。但该方法中的目标产量、作物养分吸收量常难以准确估计，因此会造成一定的偏差。肥料效应函数法则可以很好的揭示作物产量与肥料用量的关系，根据效应方程和施肥效益边际分析法计算最佳施肥量[34]。本研究发现在保证产量不变的条件下，根据肥料效应函数计算的最佳施肥量与比测土配方施肥推荐量可减少3.8%—19.2%。但建立肥效函数的田间试验周期长、工作量大，适合于进行精准施肥的小区域使用。

在从区域施肥效果角度看，区域间变异很大，西部地区的氮肥利用率相对较低。无论从产量增长率还是氮肥农学利用率分析都明显低于中部和东部地区。西部地区土壤的有机质和碱解氮的含量相对较低，整体施氮量也与其他地区无明显差异，但基础地力氮的贡献率可以达到80.5%，说明外源氮肥不是该地区主要的控制因素，应该适当降低氮肥投入量。

从减排潜力结果中也可看出，东部地区的施肥量较低，氮肥农学利用率高，减排潜力也最小，最佳施氮量是推荐量的96.2%。西部地区产量高，但该地区的单位面积的减排潜力却是最大的，每公顷减氮量占推荐量的18.2%。中部地区是吉林省的主要水稻种植区，其氮肥利用率最高，但因其种植面积大却成为全省最主要的减氮区，减氮量占吉林省总减氮量的68.7%。

Good等[35]提出通过农业技术的革新和改进，如精准农业管理、轮作制度、绿肥、最佳养分管理等手段可以在不增加氮肥投入情况下，进一步实现作物增产。本文根据大量氮梯度试验数据分析在最大经济收益条件下，水稻产量不减产前提下，实现氮肥施用量减少，氮肥利用率进一步提高，氮排放明显降低。

4 结论

氮肥是保障吉林省水稻高产的重要因素，但不同水稻种植区产量和肥料利用率对氮肥的响应存在显著差异，以西部地区产量最高，其次是中部地区和东部地区；当施用当地推荐施氮量时，其平均产量分别可达到9.4、8.1和7.8 t·hm-2；而氮肥农学利用率则中部和东部地区较高，可达17.2 kg·kg-1, 西部较低为13.1 kg·kg-1。西部地区因基础地力氮贡献率较高，单位面积减肥减排潜力最大，为25.6 kg·hm-2；而中部地区因种植面积大成为全省减排重点区域；东部地区目前施肥量适中，可以配合早播及根据气候变化优选水稻品种等管理模式消减自然因素的限制，从而提高水稻产量。在保证产量条件下，采用最佳施肥量，吉林省西部、中部和东部可减少每年减少氮投入量分别为4378、7064 和604 t；减少氮排放98.2、158.6和13.6 t。

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（责任编辑 李云霞）

Nitrogen effect and Emission Reduction Potential of Rice Planting in Jilin Province by GIS

YAN Li, FENG GuoZhong, LAN Chang, GAO Qiang

(College of Resource and Environmental Science, Jilin Agricultural University / Key Laboratory of Sustainable Utilization of Soil Resources in the Commodity Grain Bases of Jilin Province, Changchun 130118)

【Objective】The differences of nitrogen fertilizer effect in rice planting regions were studied to strengthen precision nitrogen management, to increase crop yield and fertilizer use efficiency, and to reduce nitrogen emission from farmland.【Method】Rice yield and effect of applied nitrogen fertilizer in different rice planting regions in Jilin Province were studied to explore the differences of nitrogen effect and emission reduction potential in different regions with no nitrogen fertilizer treatment (N0P2K2) as the control, three levels of nitrogen fertilizer application treatments including (0.5N2P2K2), (N2P2K2), (1.5N2P2K2) were designed in “soil testing and formulated fertilization” field experiment carried out in 2005-2013 in Jilin Province. 【Result】The results showed that rice yields in different regions in Jilin Province were variant significantly, the highest was in the western region, and the lowest was in the eastern region. The yield in western region averaged 7.6 t·hm-2with no nitrogen fertilizer application, yield differences of which reached 2.1 t·hm-2and 2.2 t·hm-2on an average, respectively, compared to that in the central and eastern regions. With nitrogen fertilizer application, minimum increasing yield rate in the central and eastern regions was 29.8% (the maximum was 59.5%), which was significantly higher than 12.6% in the western region (the maximum was 29.4%). Agronomic utilization ratios of nitrogen fertilizer in the central and eastern region were 12.2-19.7 kg·kg-1and 12.5-19.5 kg·kg-1, far higher than 8.8-13.1 kg·kg-1in the western region. Function relation between the nitrogen fertilizer rate and net income was established by maximum economic income(MRTN) method to calculate the best nitrogen application rate. The optimal nitrogen rate in the western region, central region and eastern region was 114.9, 128.9, and 134.1 kg·hm-2, respectively, which reduced by 25.6, 18.3, and 5.3 kg·hm-2, respectively, compared with the recommended fertilizer rate. With no significant differences in rice yield, nitrogen fertilizer rate decreased in three regions, especially in western and central regions. By calculating nitrogen reduction cost and yield income, economic benefit was increased in all regions, especially in the western region. Yearly nitrogen input reduction in western, central and eastern regions in Jilin Province was 4 378, 7 064 and 604 t respectively; nitrogen emission reduction was 98.2, 158.6, and 13.6 t, respectively, by optimal fertilizer amount input with no obvious yield differences. 【Conclusion】Measures should be made to control the nitrogen fertilization rate in western region; total emission reduction potentials in central region is the largest because of the planting areas; fertilizer application rate in the eastern region is moderate presently, rice yield can be improved by cooperating with other management measures to reduce the limitation of natural factors.

geographic information system(GIS); rice; yield; nitrogen fertilizer rate; Jilin Province

2017-01-22；接受日期：2017-03-09

“十三五”国家重点研发计划（2016YFD0200403）、国家级大学生创业创新项目（201610193013）

焉莉，E-mail：yanli02002@hotmail.com。通信作者高强，E-mail：gaoqinglunwen@163.com