基于高效、可持续与环境友好型的“ESE”施肥技术体系的建立

付春红 张庆贺 李嘉鑫 吕艳超 张婷婷 黄健

摘要：吉林省自大规模推广配方施肥技术以来，产生了许多配方施肥方法，其共同特点都是仅仅考虑施肥对作物的养分平衡和施肥的效益，均未关注施肥对土壤中养分消耗的补偿作用或者土壤养分的归还作用。本文在总结前人提出的施肥方法和建议下，提出以作物一土壤一环境“三位一体”的土壤表观平衡为基础，以调节和改善氮肥对环境损失率为技术关键的高效可持续和环境友好（EsE）的现代“4R”施肥技术模型。

关键词：配方施肥;施肥模型;技术体系

中图分类号：F323 文献标识码：A DOI编号：10.14025/i.cnki.jlny.2019.15.041

吉林省粮食总产水平稳定在350亿公斤的阶段性水平，其中化肥的作用功不可没。大量研究结果表明，化肥在粮食增产中的贡献率可以高达40%～50%，但也存在施肥不合理、化肥超量施用的现象。例如，吉林省中部粮食主产区合理施肥面积只占30.2%。因此，迫切需要对单纯追求产量和效益的施肥理念和方法进行梳理和修正，建立既能满足增产增收，又可以创造良好农田生态环境和耕地可持续利用的现代施肥技术体系。

1 ESE施肥技术的理论基础与施肥模型的建立

ESE施肥技术理论基础是作物一土壤一环境“三位一体”的土壤氮素的“表观平衡”，并通过改进施肥方法改善和调节这种“平衡”，形成施肥技术体系，实现作物高产高效、土壤肥力稳定提高、农田环境友好的种植施肥多赢目的。为便于了解施肥模型建立的推演过程，用图1和关系式1说明这种“表观平衡”，并且其过程是作物从种植到收获土壤氮素流通总量的“表观平衡”，因此模型的计算结果是氮肥施用总量，而基肥与追肥的分配仍需根据作物对氮肥的需肥规律确定。对于磷钾肥仍然采用“土壤养分丰缺法”，每隔2～3年测土监测矫正施肥。

以上匡图的数学关系式可以表达为：

Wl+W2+W3+W4=W5+W6+W7+W8+W9…（1）

其中：s（包括W6+W7+W8）可以看作土壤氮素养分肥力相对稳定的库容，它是土壤养分肥力水平的数量指标，也是保持这种水平的能力指标;W2+W3是当季作物可以吸收的土壤氮素养分量;W4为环境提供给土壤氮素养分量。按照李比希施肥养分归还学说和保持土壤肥力可持续要求，作物播种前与收获后土壤养分的变化（SA）应当为零，即：SA=W6+W7+W8+W4-W2-W3=0…（2），而W3=W6+W7…（3），将（3）式代入（2）式，则W8=W2-W4…（4），分别再将（3）式和（4）式代入（1）式，则：Wl=W5+W9-2W4…（5）

设R为施肥损失到环境中的氮素损失率（%），即损失到环境中的氮素（W9）占施肥量（W1）的（%），包括肥料的挥发、淋溶和径流等，则（5）式变为：Wl=（W5-2W4）/（1-R）…（6），即：

氮肥施用量=作物吸收养分量-2^*来自环境的氮门一施肥氮素环境损失率（%）。

2 ESE施肥模型的参数确定与评价

2.1 ESE施肥模型的参数确定

式（5）中共有W5，W4和R三个变量参数，将相关参数获得的方法分析如下：

W5是作物氮素养分的吸收量，由作物目标产量和百公斤籽粒需肥量构成。可以根据地块的地力水平确定目标产量，一般为前三年的平均产量增加15%～20%;相关资料可以查询到春玉米各类品种作物百公斤籽粒需氮量，吉林省春玉米平均为1.98kg/100kg，目标单产水平越高其值越低。

W4是来自环境氮素的投入量，主要包括大氣沉降和生物固氮。研究表明，大气氮素沉降量全国平均值为20～50Kg/hm²，其中，东北地区最低。据研究估算.吉林省平均大气氮素沉降量为14.8kg/hm²，比全国平均水平20.2kg/hm²低;大田地非共生固氮，一般为15kg/hm²。这两项环境氮素投入量在省级尺度应当变化不大，可以认定吉林省环境投入氮素量平均在30kg/hm²。

施肥损失到环境中的氮素损失率R值是一个变化值，它与区域特征、土壤条件和栽培技术等有很大关系。同一农业生态区域、土壤条件、栽培技术水平下，会保持其相对稳定性和一致性，因此，要因地分类，建立不同农业生态区域、土壤条件、栽培技术水平下的施肥环境氮素损失率（R）体系，以满足地块尺度施肥指导精度。具体可以选择某一区域、不同土壤条件下的代表性地块，通过田间回归试验获得最佳施肥量和最高产量，再采用式（6）求得R值。以吉林省梨树县试验为例，以降水量划分出三个不同的农业生态区（可以代表吉林省中部黑土区），如表1，利用试验得出的最佳施肥量和最高产量，计算氮肥环境损失率。

其中，450～5000ram区的R值计算如下：242=（11220^*2.0/100-2*30）/（1-R），R=32.1%（其中，春玉米白公斤籽粒吸氮量为2.0kq/100 kq）。

研究表明，全国施肥氮素环境损失率（R值）平均30%～50%，其中氨气挥发损失11%，硝化一反硝化损失34%，淋溶损失2%，径流损失5%，但吉林省黑土区降雨较小，蒸发相对较大，地形多为缓坡但坡长（30～50），水蚀较为严重，且以种植玉米的旱田为主，施肥中的氮素损失以氨挥发和径流为主，硝化一反硝化损尖和淋溶损失率不高。如果硝化一反硝化损失和淋溶损失率按全国平均值的30%～50%计，其他两项氨挥发和径流损失率不变，依此粗略估算，吉林省施肥氮素环境损失率（R值）在25%～35%，低于全国平均水平，与以上计算结果大致相当。

2.2 ESE施肥模型的评价

一是高效性。模型的物理性解释为：在指定的农业生态区域内，保证作物高产高效的前提下，采用当地土壤培肥和栽培措施，有效控制施肥对环境影响而达到的最佳施肥量。实现高产高效和环境友好的施肥目地;二是土壤培肥性。施肥先肥土，施肥不仅要提供作物充分的营养条件，也是土壤培肥过程。EsE施肥模型符合“归还学说”理论，保证了作物播前和收获后土壤养分不变，保持地力水平的稳定;三是施肥对环境影响的调控性。ESE施肥模型中的三个参数中只有施肥氮素损失率（R值）为变量，概念清晰，改善措施明确，为有效地制定施肥技术体系提供了靶向依据。比如，可以通过秸秆还田、施用有机肥、化肥深施和深松深翻等措施，提高土壤持水保肥能力，降低化肥用量，降低化肥损失对环境的影响。

3 ESE施肥技术体系的构建

ESE施肥技术体系应包括选择适宜的施肥量、施肥方法（位置、时期）、肥料的品种，甚至栽培技术、耕作方式、土壤培肥措施以及作物品种等“4R”施肥技术，核心是调节和改善施肥环境的损失率，降低施肥总量（可以从关系式（6）中看出），同时要保证作物高产和土壤养分的平衡。可通过增施有机肥或秸秆还田增加土壤养分库容和保肥能力;通过深施和分次施肥以及控释肥技术等，保证作物在需肥关键时期和最大效率期的养分供应，减少肥料的挥发、淋溶和径流等;通过机械深松深翻，增加土壤蓄水保墒，提高作物养分有效吸收和“无机氮土壤中的残留”保持能力。

3.1建立施肥氮素养分环境损失率体系。确定适宜的施肥量

计算施肥量的ESE施肥模型中，施肥环境损失率R值是决定化肥用量的唯一关键参数，它由区域特征、土壤条件和栽培技术水平等决定。分区、分类通过田间试验计算不同R值，建立全省不同农业生态区域、不同土壤肥力水平的施肥氮素养分环境损失率体系，指导农民施肥。

3.2根据肥料特性。确定合理施肥的方法

氮肥分次、分层深施，磷肥分层施，钾肥分次深施，基肥、种肥和追肥相结合。春玉米追施氮肥垄沟深施比垄上表施可以提高氮肥利用率2.7%～19.9%。一般情况下，吉林省玉米施氮肥的20%，磷肥与钾肥的80%～100%及其他肥料可全部作基肥深施，施肥深度应在种子下的8～10cm以上;通常情况下，氮肥的5%磷肥与钾肥的20%做种肥，施肥深度应在种子侧下方3～5cm，做到种肥隔离。氮肥施肥量的80%做追肥，一般春玉米在大喇叭口期深施追肥，深度应达到8～10cm，覆好土，防止化肥挥发。

3.3实施秸秆还田，增施有机肥

降低施肥环境损失的最好办法是提高土壤养分库容，即土壤保肥能力。增施有机肥和秸秆还田可以提高土壤有机质，改善土壤团粒结构，不但可以满足当季作物所需要的养分，还可以增加土壤有机态有效养分和固持态有效养分等这些土壤缓效性养分。吉林省土壤有机质的年矿化率为2.5%～3.0%，每年矿化有机质达1500kg/hm²左右，需要秸秆还田或增施有机肥补充土壤有机质。增施有机肥既要数量充足，还要质量有保障。研究表明，东北黑土区施用的有机肥质量和数量“阈值”要达到有机质含量>70%（烘干基），施用量在6000±1500kg/hm²以上，连续施用3年才会出现成效。

3.4创造良好耕层结构。提高土壤养分协调供应和保持能力

土壤培肥是现代施肥技术的重要内容。陈恩凤曾提出，土壤肥力（土壤水、肥、气、热的协调供应能力）决定于土壤的“体质”和“体型”。“体质”是指以土壤养分为代表的土壤肥力物质供应水平;“体型”是指土壤耕层的剖面构型，是土壤肥力的协调能力。因此，土壤培肥包括有机培肥、无机培肥和耕作培肥，而后者在现代农业生产中显得愈加重要。通过深松等耕作措施可以改善土壤耕层结构，不但增加土壤蓄水保墒能力，而且扩大了“土壤无机氮残留”的库容能力，减少化肥淋溶和径流。采用玉米宽窄行种植、高留茬、行间深松的新耕作技术，可以创造苗带紧，行間松的虚实结合耕层结构，增加土壤蓄水能力;同时还可以通过秸秆还田，增加土壤有机质，控制风蚀和水蚀。黄健等连续3年试验证明，吉林省中部黑土区采用此法，0～50cm土层可以平均提高水分1.9-4个百分点;0-20cm土层可以平均提高土壤有机质0.19个百分点。