我国茶园氮肥利用和损失现状分析

邹振浩，沈 晨，李 鑫，张丽平，张 兰，韩文炎，颜 鹏

（中国农业科学院茶叶研究所/农业农村部茶叶质量安全控制重点实验室，浙江杭州 310008）

茶树是多年生叶用植物，对氮需求量大，氮肥可以促进茶叶生长，增加茶叶数量和质量，因此生产中施用氮肥是提高茶叶产量和品质的重要措施[1]。但是生产中为了追求高产，存在过量施用氮肥的问题[2]，造成氮肥利用率低[3]，2019年中国农业科学院茶叶研究所倪康等[4]对我国各产茶省市氮肥施用状况进行了报道，全国茶园氮肥平均用量为444 kg/hm2，有超过一半茶园化肥氮用量超过450 kg/hm2。同时过量氮肥以淋洗、氨挥发和N2O排放等形式损失进入环境，造成环境危害[5]。研究显示，茶园氮肥的当季利用率仅为25%～30%，其中未被利用的部分大量以含氮化合物的形式进入大气和土壤，不仅导致生态坏境污染，还导致茶叶品质的下降[6-7]。在国家大力推行减肥减药，提高化肥利用效率，降低损失，减轻环境危害的背景下，明确当前茶园氮肥利用和损失情况，有利于优化氮肥管理、提高氮肥利用效率，以及为后期相关政策制定提供理论依据。

我国早在20世纪60年代就有关于茶树氮肥利用率的报道。1964年，俞永明等[8]报道选择合适的氮肥种类和氮肥用量可以提高氮肥利用率，当施氮肥150 kg/hm2时，经济效益是 9.17 kg/kg N，而氮肥增加到300和600 kg/hm2时，经济效益降低到7.18和4.19 kg/kg N。1980 年，刘继尧[9]指出茶园氮肥的利用率不高，一些高产茶园的氮肥利用率约在20%～40%。因此合理施肥，提高氮肥利用率是当前茶叶生产中的一个重要问题。1991年，杨钟鸣[10]提出提高氮肥利用率的措施有重施有机肥、定行定性施肥和定行定量施肥等。中国农业科学院茶叶研究所王新超等[11]在2005年利用15N标记研究茶树氮肥利用率差异，茶树一年内吸氮量占全年总施氮量的30%～37%，不同品种的茶树氮肥利用率差异在20%左右。但是目前尚缺乏对全国范围内茶园氮肥利用情况的研究报道。大量的氮肥以无机氮淋洗、氨挥发和N2O排放等形式进入环境，是造成氮肥利用率低的一个重要原因。安徽省农业科学院茶叶研究所苏有健[12]在2008年研究得出，全世界进入土壤的氮肥有10%～40%经淋溶损失，1%～47%通过氨挥发损失。王峰等[13]研究表明，施入氮素的1.2%～1.4%以N2O的形式释放。

当前关于茶园氮肥利用方面的研究大都是针对于一个点的报道，相对零散。无法代表整个区域甚至是全国茶园氮肥利用状况。因此，通过对收集到的文献数据进行处理，总结全国茶园氮肥利用率，明确我国茶园氮肥利用状况。另外，氮肥损失方面，无机氮淋洗、氨挥发和N2O排放是茶园氮损失的主要途径，并且损失率方面也有报道，但是尚不清楚上述3个氮损失途径所占比例分别是多少，如何受氮肥施用的调控。因此，明确当前我国茶园氮肥利用率，无机氮淋洗、氨挥发和N2O排放等损失量各占氮肥用量的比例，以期为茶园氮肥科学施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

截止到2016年，在中国知网和Web of Science共收集到符合条件的茶园氮肥利用方面的文献72篇，其中2000年前的32篇，2000年后的40篇，涵盖了安徽、福建、浙江、湖南、云南、河南、广西、陕西8个茶叶种植省区。氮肥损失方面的文献22篇，其中N2O排放损失方面12篇，淋洗损失方面7篇，氨挥发方面3篇，文献中采用15N来示踪茶树对氮素的吸收和利用。将文献中产量、氮肥施用量等数据筛选出来，以此作为分析的数据集，应用 Excel 2019 和 Origin 2018，完成我国茶园氮肥利用和损失情况的分析。

1.2 数据处理

为了分析茶园氮肥利用率，将各文献数据结果均转化为氮肥的利用效率。具体的转换方法如下：

相对产量=施氮区产量/不施氮区产量

施氮增产率 (%) = (施氮区产量-不施氮区产量) /不施氮区产量 × 100

氮肥农学效率 (kg/kg) = (施氮区产量-不施氮区产量)/施氮量

氮肥偏生产力 (kg/kg) = 施氮区产量/施氮量

采用 Excel 2019 和 Origin 2018 软件进行数据分析和图表制作。

2 结果与分析

2.1 茶园产量和氮肥利用效率

表1显示，我国茶园产量 (鲜叶产量) 在158～20100 kg/hm2，平均值为 6893 kg/hm2；施氮量在0～863 kg/hm2，平均值为 286 kg/hm2。茶园施氮增产率在2.8%～163.6%，平均值为41.7%；氮肥农学效率在 0.7～35.8 kg/kg，平均值为 8.1 kg/kg；氮肥偏生产力在 0.3～191.5 kg/kg，平均值为 31.4 kg/kg。

进一步比较，2000年前的产量平均值为8893 kg/hm2，2000 年后的产量平均值为 5112 kg/hm2，相比于2000年以前产量下降42.6%。但是，2000年后的平均施氮量达到310 kg/hm2，较2000年前的267 kg/hm2增加了16.1%。与2000年前相比，2000年后茶园施氮增产率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力的平均值均呈现下降趋势 (表1)。2000年前，施用氮肥处理茶园施氮增产率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力的平均值分别为49.5%、11.6 kg/kg和41.8 kg/kg。2000年后相对应的这些指标值分别下降到32.1%、3.6 kg/kg 和 18.6 kg/kg，与 2000 年前相比，分别下降了35.2%、69.0%和55.5%。

表1 我国茶园茶叶产量和氮素效率以及2000年前后变化Table 1 Yield and nitrogen efficiency of tea in China and their changes before and after 2000

2.2 茶园氮肥施用量对氮肥效率的影响

对氮肥农学效率与氮肥投入量进行相关性分析，发现两者存在负相关性，线性拟合的斜率是–0.021，决定系数R2为0.244 (图1)，表明氮肥农学效率随着氮肥投入量的增加而降低。将2000年前和2000年后的数据分别进行回归分析，其线性拟合的斜率分别是–0.026 和－0.006，表明2000年以前氮肥投入量对氮肥农学效率的影响程度高于2000年后。

氮肥偏生产力与氮肥投入量也存在负线性相关，线性拟合的斜率是–0.106，决定系数R2为0.364(图1)。分别将2000年前和2000年后的数据进行回归分析，其线性拟合的斜率分别为–0.117 和–0.072，表明氮肥偏生产力随着氮肥投入量的增加而降低。对比2000年前和2000年后，前者的氮肥投入量对氮肥偏生产力的影响程度高于后者。

图1 茶园氮肥投入量对氮肥农学效率和偏生产力的影响Fig. 1 Effects of nitrogen input on nitrogen agronomy efficiency and partial productivity in tea garden

2.3 茶园氮肥损失途径

茶园氮肥损失方面的文献22篇，其中反硝化(N2O排放) 损失方面12篇，淋洗损失方面7篇，氨挥发方面3篇 (表2)。通过对氮肥损失途径的研究表明，淋洗和氨挥发作用为主要的氮素损失途径，N2O排放损失量较小。其中淋洗的氮肥损失量为186.8 kg/hm2，占到氮肥施用量的33.9%；氨挥发的氮肥损失量为48.8 kg/hm2，占氮肥施用量的15.1%，反硝化 (N2O 排放) 损失量为 16.7 kg/hm2，占氮肥施用量的3.6%。

表2 茶园氮肥损失途径Table 2 Nitrogen loss pathway in tea garden

2.4 氮肥损失与氮肥施用量的关系

氮肥淋洗与氮肥投入量之间存在正相关，线性拟合的斜率是0.290，决定系数R2为0.298 (图2)，茶园氮素反硝化 (N2O排放) 损失量与氮肥施用量也存在正相关，线性拟合的斜率是0.034，决定系数R2为0.322 (图2)。说明随着氮肥投入量的增加，氮肥的淋洗和反硝化 (N2O排放) 损失量均加大，但是影响程度不明显。

3 讨论

目前茶园生产中，施用氮肥是提高茶叶产量和品质的一项重要农业措施。茶树作为采叶类作物，对氮素营养的需求量大，吴志丹等[14]研究结果表明，茶叶产量随着施氮量的增加而提高；马立锋等[15]研究表明，每年施入300～450 kg/hm2纯氮，才能保证茶树对氮素营养的需求。通过文献分析，我国茶叶主产区氮肥施用量平均为286 kg/hm2，2000年前平均用量为 267 kg/hm2，2000 年后平均用量为 310 kg/hm2(表1)，茶叶氮肥用量呈现上升的趋势，但是茶叶产量却呈现出下降的趋势。2000年前的产量平均值为8893 kg/hm2，2000 年后的产量平均值为 5112 kg/hm2，相比于2000年以前产量下降42.6%。氮肥增产率也随氮肥用量的增加而降低，我国茶叶2000前和2000年后施氮增产率的平均值分别为49.5%和32.1%。相较2000年前，2000年后的氮肥增产率降低了17.4个百分点。游小妹等[16]的研究也表明，当氮肥投入量增加到一定程度后进一步提高时，茶叶的产量不升反降，导致肥料利用率下降。另外，随着我国茶园面积的不断增加，茶叶产能出现过剩的情况[17]。同时，采茶工等劳动力出现短缺的情况，导致目前很多茶园无法实现茶叶应采尽采，从而限制了茶叶产量和肥料利用效率[18]。

氮肥用量直接影响着氮肥的效率，一般来讲，氮肥用量越高，氮肥效率越低。最新统计数据表明，我国茶园普遍存在高氮栽培现象，全国纯氮平均施用量为 491 kg/ (hm2·年)，其中湖北、湖南、江西3省的化肥氮用量超过600 kg/hm2[4,19]，但是茶园氮肥的利用率很低，仅为25%～30%[6-7,20]。氮肥偏生产力和氮肥农学效率是评价农田氮肥利用率的主要指标[14]。有报道指出不同氮肥施用量下氮肥偏生产力为49.0～76.2 kg/kg[21]，但是我们研究结果发现，茶园氮肥偏生产力在0.3～191.5 kg/kg，平均值为31.4 kg/kg，造成这一差异的原因可能是氮肥投入量过高以及损失量较大，导致氮肥利用率降低。从图1可以看出，随着氮肥施用量的增加，氮肥的农学效率和偏生产力持续下降，说明氮肥施用量的增加，导致单位氮肥对茶叶的增产效果降低，这符合“报酬递减律”。

Pan等[22]研究表明，在保证产量的情况下减少氮肥投入量，可以有效地提高氮肥偏生产力；同时能改善土壤理化条件，促进植物根系和地上部分的生长，使根系吸收、运输更多的养分，促进茎、叶干物质积累，提高氮肥偏生产力。本研究发现，氮肥偏生产力随着氮肥投入量的增加而降低，与以上结果一致。对比2000年前和2000年后，前者的氮肥偏生产力平均值高于后者，可能是由于2000年后氮肥施用量远高于2000年前，但是整体产量却出现大幅度下降 (表 1)。

农业生产中，无机氮淋洗、反硝化 (N2O排放)和氨挥发是氮肥损失的主要途径[23-25]。Wang等[26]、Cui等[27]在2013和2014年报道土壤无机氮淋洗、反硝化 (N2O排放) 与土壤施氮量呈指数关系。在施氮量较低的水平下其损失量很小，但是超过一定施氮量后其损失量显著增加，这可能是导致土壤施氮量在增加的同时土壤氮含量却出现下降的原因。本研究结果显示，无机氮淋洗是茶园氮肥损失的主要途径，损失量为186.8 kg/hm2，损失占氮肥施用量的33.9%。其次是氨挥发损失，损失量为48.8 kg/hm2，损失占氮肥施用量的15.1%；反硝化 (N2O排放) 损失较少，损失量为16.7 kg/hm2，占氮肥施用量的3.6% (表 2 )。

氮肥损失主要与氮肥用量、肥料种类、施肥方式 (时间和位置) 等因素有关。其中氮肥用量是影响无机氮淋洗、氨挥发和反硝化 (N2O排放) 的一个重要因素[28]。Wang等[26]和Cui等[27]分别建立了华北平原小麦和玉米生产中氮肥用量以及氮肥盈余量与土壤无机氮淋洗、反硝化 (N2O排放) 之间的关系模型，发现其存在指数关系，即在低氮肥用量或者氮盈余较低的条件下土壤无机氮淋洗和反硝化损失量很低，但是超过一定范围后随氮肥用量或者氮盈余的增加其损失量显著增加。而氨挥发随着氮肥用量的增加而增加，呈简单的线性关系。本研究数据显示，土壤无机氮淋洗、反硝化 (N2O排放) 与施氮量之间存在一定的线性相关，淋洗损失和反硝化 (N2O排放) 与施氮量线性相关的决定系数较为接近，分别为0.298和0.322。随着氮肥投入量的增加氮损失量也越来越大 (图2)。这可能与目前茶园这方面数据量相对较少有关系。

氮肥种类也是影响氮肥损失的一个主要因素。硝酸钾类化肥由于是硝态氮肥，容易发生淋洗和反硝化 (N2O排放) 损失，而铵态氮肥在氨挥发方面损失量较大[29-30]。缓控释氮肥具有氮素释放慢、肥效周期长、节省追肥所需劳动力投入等优点，与传统氮肥相比，缓控释肥能减少养分挥发和淋溶损失，提高肥料利用率，减轻施肥对环境的污染，改善作物生长发育状况而显著提高产量[31]。此外，适量施用有机肥也可以改善土壤质量，降低土壤无机氮淋洗等损失，促进作物对氮素的吸收[32-33]。

氮肥施用时期也是影响作物氮素吸收和氮肥损失的重要因素。作物不同发育时期对氮素的需求不同，在氮素资源管理中，既要满足作物对氮肥的需求，又要避免造成氮肥的损失，因此要充分考虑不同作物生长发育规律、品质形成规律和对氮营养元素的需求规律，以实现氮素需求与供应的同步[34-35]。但是传统的施肥方法过于注重基肥，导致虽然氮肥用量很高，但与作物的需氮规律及其不吻合，从而限制作物产量和肥料利用效率的提高[36]。因此，根据作物需肥规律，实现氮肥供应与作物需求相符合，才能保证作物高产，同时减少肥料损失，提高肥料利用效率[37-38]。此外，氮肥施用方式也是影响其各损失途径的重要因素。生产中受到劳动力等因素的制约，氮肥多表面撒施，导致氮肥暴露在空气中，一方面与根系存在一定的距离而增加了根系吸收的难度，另一方面氨挥发和N2O等排放损失加大[39]。沟施覆土等深施方式由于增加了氮肥与土壤的接触，有利于减少氨挥发和N2O的排放[40-41]。因此，根据作物需肥规律，从氮肥种类、用量、施用时期和施用方式等方面进行优化管理，实现土壤养分供应与作物养分需求在时间上同步、数量上一致、空间上匹配，是在提高茶叶产量和品质的同时提高养分利用效率的关键[42]。

4 结论

我国茶园的氮肥利用程度较低，而且有不断下降的趋势；氮素损失效率也较为严重，茶园氮素损失以无机氮 (铵态氮和硝态氮) 淋洗和氨挥发为主，分别占到氮肥施用量的33.9%和15.1%，而且随着施氮量的增加不断上升。2000年之后，由于氮肥施用量的增加，氮肥的各种效率较2000年之前更低。因此，为实现我国茶园长期绿色可持续发展，必须优化氮肥管理，降低氮肥损失，以提高氮肥利用率。