基于最佳经济效益的冬小麦-夏玉米轮作体系有机肥氮替代率的长期演变

田昌玉，林治安，唐继伟，徐久凯，孙文彦，程明芳，赵秉强

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081）

我国是有机物料生产大国，年生产总量达49.5亿t，每年可提供N 0.31亿t、P2O50.14亿t、K2O 0.30亿t，是全国化肥总投入量的1.06、0.93、3.42倍[1]。合理有效利用有机废弃物养分，可以大大降低化肥的施用量。反之，有机物料的不恰当处置会造成严重的资源浪费和环境污染问题。耕地是有机物料的主要消纳场所，肥料化利用是其资源化利用的重点发展方向之一[2-3]。从保护环境、提高土壤肥力、资源充分利用等各方面考虑，有机无机配施是实现土壤可持续利用的科学施肥方式[4-5]。

有机无机肥配施具有培肥土壤、防止土壤酸化和盐渍化、提高产量、消纳有机排泄物、保护环境和节约资源等诸多积极作用[6-13]。人畜粪类有机物料或由其加工的商品有机肥料是肥料的主要形式，占全国有机肥资源量的81.2%，可提供氮磷钾养分4.90 ×107t，其中 N 2.10 × 107t、P2O51.12 × 107t、K2O 1.68 ×107t[1]。孟琳等[7]研究的最佳有机无机配施比例，氮用量为180 kg/hm2且有机肥氮的替代率在15%～30%时，能显著提高水稻产量。林治安等[8]通过长期定位试验研究表明，在总养分投入量一定的条件下，牛粪与化肥氮比例为1∶1 时，可以达到既能培肥土壤又能使当季作物增产效果最好的双重目的，但是牛粪的增产效果在8～10年后才能与等量化肥的产量效果一样。Yadav等[9]分析长期定位试验数据表明，有机无机肥配施对作物的增产效果显著高于NPK化肥处理。Manna等[10]试验发现，不平衡的施用N、NP会导致作物产量降低，而NPK配施有机肥的产量则不断提高。单施有机氮或无机氮均不能维持生产力的持续性，而有机氮和无机氮配施可维持高强度的生产系统稳定[11-13]。但基于长期定位试验的不同有机肥料氮和无机氮配比对作物产量和有机肥料氮的经济替代比例的影响还缺少系统性的研究分析。本文利用2007年布置的有机无机配合长期定位试验，采用小麦玉米周年产量，分析了在保证最佳经济效益的前提下，不同试验年限有机肥料氮可替代化肥氮的比例变化，以针对性地推荐有机肥料的应用比例，为有机肥料资源的可持续利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

定位试验于2007年10月开始，试验实施前土壤基本理化性状[14]见表1。

试验为冬小麦-夏玉米轮作体系，2007年10月到2009年10月小麦品种为烟农19、玉米品种为浚单20。2010年10月到2017年10月小麦品种为济麦22、玉米品种为郑单958。试验在中国农业科学院德州站陵县试验基地进行。供试肥料为尿素、过磷酸钙、硫酸钾和牛粪。

试验期间供试肥料平均价格：过磷酸钙 (P2O512%) 800元/t。尿素 (N 46%) 1800元/t。硫酸钾 (K2O 50%) 3200 元/t。

10年有机肥 (鲜牛粪) 平均购买价100元/m3，含干物质 312 kg/m3、N 2.80 kg/m3、P2O52.80 kg/m3、K2O 3.81 kg/m3。如果所含氮、磷、钾养分都按化肥价格计算，每立方米有机肥含有的氮、磷、钾肥料价值是54.11元。

1.2 试验设计

每季作物设4个有机肥料 (鲜牛粪) 氮投入水平按纯氮计分别为0、45、120、240 kg/hm2；6个化肥氮 (尿素) 水平，对应纯氮为0、45、90、120、180、240 kg/hm2，共计24 个处理，随机区组排列，3次重复，共72个小区，小区面积100 m2(9 m ×11.11 m)。

化肥氮50%用作基肥、50%在小麦拔节或玉米大口期做追肥。有机肥每年施用一次，是将冬小麦、夏玉米两季的有机肥在冬小麦播种前一次性施用；有机肥年施用二次，是在冬小麦、夏玉米上，有机肥分别作基肥施用。各施肥处理的磷钾肥用量按足量且等量的原则设计 (冬小麦和夏玉米每季作物P2O5和K2O的用量分别按150 kg/hm2投入)。全年的磷、钾肥在小麦播种前一次性施用。具体牛粪养分含量见表2。小麦和玉米收获后秸秆移出农田。

1.3 产量测定

小麦产量测定：收获期每个小区选择两个取样点测产，选取10 m2收割，晒干，脱粒、扬净后称重，计算籽粒产量。

玉米产量测定：收获期每个小区选三个取样点测产，选取20 m2收取玉米穗，晒干，脱粒、扬净后称重，计算玉米籽粒产量。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2003进行数据预处理，采用SAS软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 有机肥料氮和化肥氮对小麦和玉米10年平均产量的影响

表3显示，从2008—2017年小麦和玉米平均周年产量看，不施有机肥条件下，随着无机氮用量从0增加到180 kg/hm2，小麦和玉米周年产量显著增加，之后增产不显著。施用有机氮45和120 kg/hm2水平下，0、45、90、120 kg/hm2无机氮四个用量间小麦和玉米周年产量差异显著；施有机氮240 kg/hm2水平下，仅在无机氮0、45、90 kg/hm2用量间小麦和玉米周年产量差异显著。随着有机氮量增加，达到相同产量水平需要配施的无机氮量减少。

在无机氮施用量0、45、90 kg/hm2条件下，有机氮量0、45 kg/hm2之间和120、240 kg/hm2之间小麦和玉米周年产量差异显著。施用无机氮120 kg/hm2条件下，有机氮量120、240 kg/hm2之间小麦和玉米周年产量差异不显著，但均高于有机氮45 kg/hm2处理的小麦、玉米周年产量。无机氮为180、240 kg/hm2条件下，4个有机氮量处理之间小麦、玉米周年产量没有显著差异 (表3)。

以上结果表明，虽然有机氮和无机氮都能供应作物必需的氮素养分，但是两种肥料的增产效果不同。等养分量下，有机氮需要更大的施用量。比如单施无机氮240 kg/hm2的小麦和玉米周年产量显著高于单施有机氮240 kg/hm2，再增施有机氮，没有增产效果，而有机氮240 kg/hm2配施无机氮45～90 kg/hm2，仍然有显著增产效果。

表1 定位试验开始时0-40 cm土壤理化特性Table 1 Basic physicochemical properties in 0-40 cm soil at the beginning of the long-term experiment

表2 试验所用牛粪的养分含量、单施有机肥处理鲜牛粪用量及施用次数Table 2 N, P, K contents, application rate and frequency of cattle manures used in each treatment of the experiment

表3 不同肥料处理对小麦-玉米周年平均产量的影响 (kg/hm2)Table 3 Effects of different N input types and rates on wheat and maize grain yield

2.2 小麦和玉米对有机肥氮和化肥氮年际效应变异

2.2.1 小麦产量对有机肥氮和化肥氮的响应 从10年变化结果看 (图1)，单施化肥时，无机氮量在240 kg/hm2和180 kg/hm2水平产量比较平稳，年际间波动小。不施氮肥和施氮量不足120 kg/hm2，随着时间的推移产量逐年下降，施氮量越小产量下降速度越快，不施氮肥处理第5年基本降到最低水平。

随着时间推移，相对于单施化肥，施有机肥产量变化趋势呈逐年升高。施低量有机氮时，年际间产量波动变化比较大，但在施高量有机肥时，不同化肥氮用量产量趋于稳定。过量施化肥氮并没有带来小麦产量的持续增加，配合施用有机肥料氮能实现小麦持续稳产。

图1 不同有机肥氮水平下各化肥氮处理历年小麦产量Fig. 1 Winter wheat grain yield under different organic and chemical N combination treatments[注（Note）：OMN—有机肥氮 Organic N; CN—化肥氮 Chemical N.]

图2 不同有机肥氮水平下各化肥氮处理历年玉米产量Fig. 2 Summer maize grain yield under different organic N and chemical N combination treatments[注（Note）：OMN—有机肥氮 Organic N; CN—化肥氮 Chemical N.]

2.2.2 玉米产量对有机肥料氮和化肥氮的响应 图2表明，2010年和2013年，化肥氮处理的玉米年际产量降低明显，主要是由于在这两年8月份强降雨和强风造成玉米倒伏减产。有机肥料氮从0 kg/hm2增加至240 kg/hm2，化肥氮处理的玉米产量差异越来越小，表明随着有机肥氮增加，化肥氮的增产效果逐渐减小。当施用高量有机肥氮 (240 kg/hm2) 时，配施化肥氮已经不能显著增产；有机肥氮120 kg/hm2时，配施45 kg/hm2、90 kg/hm2化肥氮能获到增产效果；有机肥氮45 kg/hm2下，配施化肥氮45 kg/hm2、90 kg/hm2、120 kg/hm2能获得增产效果。不施有机肥氮处理，随着时间推移，6个化肥氮处理之间产量差异逐年增大；随着配施有机肥氮的增加，6个化肥氮处理的产量差异逐渐减少，配合施用有机肥氮能保证玉米持续稳产。这说明增加有机肥氮能培肥土壤，降低粮食高产对化肥的依赖。

2.2.3 小麦和玉米产值对有机肥氮和化肥氮的响应有机肥氮和化肥氮的最优配比主要决定因素之一是小麦玉米周年产量或周年产值，2.2.1和2.2.2中的结果均不能定量地获得有机肥氮与化肥氮最优配比。通过建立小麦和玉米周年产值与有机肥氮、化肥氮的函数方程，用方程求解极值可以得出最大产值的优化配比，求解方程的边际效益可以得出最佳优化配比。

因为小麦与玉米的价格不同，所以把小麦、玉米的产量转化为产值，小麦按照平均市场价格2.4元/kg、玉米按照平均市场价格1.6元/kg，分别求出各个年份的周年产值，然后配制周年产值与有机肥氮、化肥氮的二元二次函数式，利用逐步回归法得出各个年份的函数式为：

式中，Y表示小麦和玉米周年产值 (元/hm2)；Xor表示有机肥氮用量 (kg/hm2)；Xch表示化肥氮用量(kg/hm2)；K1、K2、K3、K4、K5和 K0分别是函数式的系数。

表4 为2008—2017年10年间，每年小麦和玉米收获产值 (Y) 与有机肥料氮 (Xor)、化肥氮 (Xch) 的函数方程式。

从表4 发现如下规律：1) 每年产值的效益方程中的常数项逐年降低，从2008年每公顷收入23870元，降低到2017年12107元，表示不施肥处理的年产值逐年下降，10年间下降了50%；2) 化肥氮 (Xch) 在产值效益函数式中的一次项系数大于有机肥氮，但有机肥料氮 (Xor) 逐年增加的速度大于化肥氮 (Xch)；3) 函数式中二次项系数化肥氮 (Xch) 呈先增后减趋势，有机肥氮系数较小，但逐年增加，说明随着施肥的增加和时间推移，有机肥氮的肥效回报率减少得快。

2.3 小麦和玉米最大、最佳产值的有机肥料氮和化肥氮配施比

根据表4中函数式计算不同年份的最大、最佳产值的有机肥料氮和化肥氮配比，能更细致准确地反映有机肥料氮和化肥氮的优化配比。图3是最大产值和最佳产值的有机肥料氮和化肥氮的不同年度施氮肥量，其中最佳施肥量是按照边际产投比为5∶1计算，有机肥料氮和化肥氮都按每公斤3.91元计算。

图3 和表5表明，1）计算最大产值的有机肥料氮和化肥氮都分别比最佳有机肥料氮和化肥氮的值大，有机肥料氮用量大于化肥氮，有机肥料氮和化肥氮最大产值目标下，10年来有机肥料氮的比例从60%左右下降到50%，有机肥料氮和化肥氮的配比接近于1∶1; 2）最佳施肥量的有机肥料氮基本上都低于化肥氮，在2012年以后，有机肥料氮和化肥氮的比例接近1∶1; 3）最佳产值随着有机肥料氮的增加和年份推移而逐年增大，从2008年不施有机肥料氮的30481元/hm2，上升到2017年的34230元/hm2。其中2010年和2013年玉米倒伏减产，产值明显偏低，最佳和最大产量的施肥量都比正常年份低。

表4 有机肥氮、无机氮与小麦、玉米产值函数的年变化 (yuan/hm2)Table 4 The annual change of functions between organic and inorganic N and wheat and maize benefits

图3 最大和最佳效益的有机肥氮及化肥氮用量Fig. 3 The rates of organic and chemical fertilizer N for maximum and optimum benefits

有机肥料的氮磷钾含量如果按化肥价格计算，价格约为54元/m3，如果鲜牛粪购买价格100元/m3，有机肥料氮的实际价格接近化肥氮价格的2倍，按此价格，计算出最佳产值、最佳产值施氮量及有机肥料氮的比例 (表6)。

长期定位试验10年后，若按本试验的实际有机肥价格，最佳产值有机肥料氮的比例稳定在30%左右 (表6)；若按有机肥料氮价格与化肥氮价格等价计算，最佳产值有机肥料氮比例能稳定在50%上下(表5)。因此，有机肥料氮对化肥氮的最佳替代率与实际有机肥种类、养分含量及价格紧密相关。

3 讨论

3.1 最大施氮量、最佳施氮量和最佳产值 (产量)随时间的变化

产值或产量与施氮肥量的关系是决定施肥量的重要参考，最佳和最大施肥量计算的依据就是产值(产量) 与氮肥施用量的关系函数，这个关系函数随时间的推移在不断变化。当试验3年以后，最佳和最大产量的施氮量随时间推移缓慢增加，最佳产值逐年增加，从长期试验结果看最佳施肥量和最大施肥量均出现在有机肥氮和化肥氮配施处理。这个结果与朱兆良等[15]在太湖地区的研究结果类似，通过两个时期氮肥与产量函数曲线关系可看出随着土壤肥力提高，最大产量增加，最大产量的施肥量也增加。本文通过同一个试验设计，利用产量与有机肥氮和化肥氮函数关系详细展示了其逐年变化过程。类似的报道多是从多年平均产量阐述有机无机结合能够逐年提高作物产量[16-23]，但都没有通过效应函数分析最佳和最大产量施肥量的逐年变化规律，也很少建立有机肥氮和化肥氮两个变量对产值的效应函数。

表5 最大、最佳产值有机肥料氮占总氮比例Table 5 The percentage of organic N in total N for maximum and optimum benefits

表6 最佳产值时有机肥氮占总氮比例Table 6 The percentage of organic N in total N for optimum benefit

3.2 最佳和最大产量下有机肥氮和化肥氮的比例随时间的变化

有机肥氮比例 (有机肥氮替代率) 在试验开始时较小，然后逐渐增大，最终趋于一个稳定的常数，若有机肥料氮与化肥氮的价格相同，有机肥料氮的替代率能稳定在50%上下，若有机肥料氮价格2倍于化肥氮，有机肥料氮的替代率能稳定在30%上下。孟琳等[7]在水稻上有机肥料氮替代率的研究结果显示，不同施氮量处理替代率不一样，基本上氮用量为 180 kg/hm2、有机肥料氮的替代率在 15%～30%或氮用量为 240 kg/hm2、有机肥料氮的替代率在10%～20%时，能够显著提高水稻产量，但此试验为短期试验，其替代率只代表短期效应。本文试验结果表明，试验初始时的有机肥料氮替代率比较低，随着时间推移逐年增加，6年以后趋于一个比较稳定的替代率。谢军等[22]通过长期定位试验也证明，有机肥料氮替代率在50%能够获得高产、培肥土壤，但试验设计仅有两个有机肥料氮处理。本试验通过一系列有机肥料氮和化肥氮配比试验设计，采用回归函数精准计算的最佳有机肥料氮的替代率更具有科学性和说服力。

3.3 有机废弃物作为肥料利用的技术研究有待深入

由于社会、经济、政策、技术及推广等多方面原因，相当数量的有机废弃物没有得到充分利用, 还有进一步合理利用的空间。有机肥料资源收集、贮存和加工过程中养分损失严重，不仅导致其利用率低，也成为农业源环境污染的根源[1,24]。畜禽粪尿养分资源的利用率在一些地区也仅仅为50%左右，有待于进一步利用[25-30]，废弃物利用最大的问题是使用过程中的成本问题，优质鲜牛粪在养牛场价格是每立方米30元，运到田间每立方米100多元，商品化有机肥制作成本和集约化处理废弃物将是重要技术，正如朱兆良提出“依靠科技进步高效利用肥料资源、按照增产潜力做好施肥区域布局等技术政策，建议针对肥料科学技术的发展形成稳定的政策支持和保障[4]”。增加有机废弃物农用，降低化肥用量 (降低化肥施用强度)，能够提高作物产量 (提高化肥环境安全阀值)，改变目前实际氮肥施用强度超过氮肥环境安全阀值的状况[31]。

4 结论

就小麦和玉米周年平均产量而言，有机肥氮与化肥氮配施处理高于单施化肥氮和单施有机肥料氮处理。单施化肥氮低于180 kg/hm2时，小麦和玉米产量随着时间的推移逐年下降，高于180 kg/hm2时，产量基本能够保持相对稳定；随着时间推移，有机肥氮与化肥氮配合施用，小麦和玉米产量逐年升高。有机肥氮和化肥氮最大产值目标下，10年后有机肥料氮的比例从60%左右下降到50%，有机肥料氮和化肥氮的配比接近于1∶1；在最佳经济效益目标下 (边际产投比5∶1)，有机肥料氮和化肥氮等价格，最佳有机肥料氮从前2年比例0%上升到2017年的50%左右；实际上有机肥料氮价格是化肥氮的2倍，按这种实际肥料价格计算，前3年最佳有机肥氮比例0%，以后最佳有机肥氮比例逐年上升，到2017年提高到30%左右。