氮肥减量施用对我国三大粮食作物产量的影响

杜文婷，雷肖肖，卢慧宇，王云凤，徐佳星，罗彩霞，张树兰

氮肥减量施用对我国三大粮食作物产量的影响

杜文婷，雷肖肖，卢慧宇，王云凤，徐佳星，罗彩霞，张树兰

西北农林科技大学资源环境学院/农业农村部西北植物营养与环境重点实验室，陕西杨凌 712100

探讨氮肥减施对我国三大粮食作物产量的影响及其与土壤性质和管理措施的关系，明确氮肥减施的可行性。收集2010—2021年公开发表的90篇论文，按照氮肥减施的比例、种植体系及其在不同条件下（肥料类型、土壤有机质含量、全氮含量、土壤酸碱度以及水分管理等）的作物产量效应进行分析。在常规施肥的基础上，氮肥减施0—40%没有显著降低水稻产量，氮肥减施0—30%没有显著影响小麦和玉米产量，但是减氮30%—40%显著降低了小麦和玉米产量，减产分别为6.1%和5.4%。不施氮肥区产量水平没有显著影响3种作物氮肥减施的产量效应。土壤全氮含量＞2 g·kg-1时，氮肥减施水稻产量（6.5 t·hm-2）显著高于常规施氮产量（6.3 t·hm-2）；土壤全氮含量＞1 g·kg-1时，氮肥减施小麦产量（6.9 t·hm-2）显著低于常规施氮产量（7.4 t·hm-2）；土壤全氮含量＞1.5 g·kg-1时，氮肥减施玉米产量（8.8 t·hm-2）显著低于常规施氮产量（9.1 t·hm-2）。土壤有机质含量＞30 g·kg-1时，氮肥减施的水稻产量（6.9 t·hm-2）显著高于常规施氮产量（6.7 t·hm-2）；在土壤有机质含量为10—20 g·kg-1以及＞20 g·kg-1时，氮肥减施小麦产量（6.6 t·hm-2）显著低于常规施氮产量（6.9 t·hm-2）；一年两熟制氮肥减施玉米产量（8.9 t·hm-2）显著低于常规施氮产量（9.1 t·hm-2）。在普通肥料的基础上，氮肥减施小麦产量（6.8 t·hm-2）显著低于常规施氮产量（7.1 t·hm-2）。在旱作条件下，氮肥减施的小麦产量（5.9 t·hm-2）显著低于常规施氮产量（6.6 t·hm-2）。在常规施氮量的基础上减少30%氮肥施用量可以维持我国三大作物的产量；不同的土壤性质和管理措施，减氮后作物的产量存在一定的变异性。因此，氮肥减施需要根据土壤肥力状况的管理措施进行调整，从而实现高产高效。

小麦；玉米；水稻；减氮施肥；管理措施；土壤性质

0 引言

【研究意义】水稻、小麦和玉米是我国三大粮食作物，种植面积达9 785 万hm2，约占粮食作物总种植面积的84%，其总产量约占粮食总产量的92%[1]，三大作物高产稳产对保证国家粮食安全具有重大意义。氮素是植物生长必不可少的元素，由于多数土壤中的氮素难以满足作物生长所需[2]，因此氮肥的施用是保障作物高产的常规措施。目前农民普遍施用大量肥料来保证高产[3]，所以过量施肥的现象很严重。如太湖地区水稻平均施氮量为303 kg×hm-2，有74%的农户过量施用氮肥[4]；汾渭平原农户小麦平均施氮量为272.6 kg×hm-2，过量施肥的比例达到64%[5]；陕西关中平原农户玉米施氮量为288 kg×hm-2，施氮量偏高和很高比例达78%[6]。氮肥的过量施用导致土壤中硝态氮的积累，在降雨和灌溉充足的条件下，土壤中的硝酸盐向下淋洗污染地下水[7]，同时部分氮素以NH3+、NXO等形式排放到环境中，导致环境中的N2O排放量增加了20%[8-9]，加剧温室效应、酸雨、臭氧层空洞等环境问题。2015年农业部制定了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，为推动化肥零增长，由科技部和农业部启动了国家十三五计划农业项目“化学肥料减施增效综合技术研发”专项。因此，十分必要评估氮肥减施对三大粮食作物产量的影响，明确合理的减氮水平对于保证粮食安全和生态安全具有重要意义。【前人研究进展】前人针对氮肥减施对作物产量的影响开展了大量研究，如XUE等[10]报道在常规施氮基础上减少约24%的氮肥使用量，没有降低小麦和水稻的籽粒产量；LIU等[11]研究发现陕西省小麦-玉米轮作体系中施氮量为120、240 kg·hm-2的产量无显著差异。此外，土壤肥力和田间管理措施也会影响氮肥减施产量效应。如王道中等[12]报道在中高肥力的土壤上，施氮量减少40%时水稻产量会显著降低；而在中低肥力的土壤上，施氮量减少20%—40%均会显著减少水稻的产量。尹彩侠等[13]研究表明，相较于常规施肥量，控释氮肥减施25%和40%均不会显著影响春玉米产量。DING等[14]通过整合中国缓/控释肥减施的试验数据，发现缓/控释氮肥减施32%左右能维持水稻产量。【本研究切入点】尽管许多研究基于田间试验已经分析了氮肥减施对三大粮食作物产量的影响，目前还缺乏国家尺度氮肥减施对三大粮食作物产量效应的一个综合分析。因此，本研究收集了我国近10年氮肥减量的田间试验数据，系统分析氮肥减施对我国三大粮食作物产量的影响，解析不同土壤性质以及管理措施下氮肥减施的产量变化原因。【拟解决的关键问题】本研究综合评价氮肥减施的产量效应，旨在为我国合理氮肥减施提供依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源及获取

通过中国知网（CNKI）利用关键词“化肥减量”“氮肥减施”“氮肥”“产量”等进行文献检索。按照以下标准对文献进行筛选：（1）试验地点位于中国大陆；（2）试验是室外大田试验，不包括盆栽试验和温室试验；（3）试验对象是小麦、玉米或水稻；（4）试验必须包含常规施肥或农户习惯施肥处理和化肥氮减施处理，磷钾肥与常规施肥保持一致；（5）论文中必须包含作物产量以及施氮量。

获取论文中氮磷钾化肥的施用量、试验地点、试验开展的时间、作物的产量、初始土壤有机质含量、土壤pH、土壤全氮含量、作物的种植制度、水分管理（灌溉、旱作）以及肥料的类型。论文中的文字或者表格展示的数据信息直接获取，图形展示的数据通过GetData软件获取，最终收集90篇文献，其中水稻产量的数据共145组，小麦产量的数据共83组，玉米产量的数据共120组。试验地点分布在黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、山东、北京、河北、河南、陕西、甘肃、宁夏、安徽、江苏、浙江、上海、湖南、湖北等17个省市。

1.2 数据分类

考虑到作物的产量受多种因素的影响，用施用肥料类型（控释/缓释氮肥、普通氮肥）、土壤有机质含量、土壤全氮含量、土壤酸碱度、是否灌溉、不施氮肥区产量、作物的种植制度进行分组考量氮肥减施的产量效应。具体分组信息见表1。

表1 试验相关数据分类

FP为常规施肥，N10、N20、N30、N40分别表示氮肥减量比例为0—10%、10%—20%、20%—30%、 30%—40%。一年两熟是指一年收获两季作物，不一定是同种作物。下同

FP means conventional fertilization; N10, N20, N30, and N40 mean 0-10%, 10%-20%, 20%-30% and 30%-40% of the reduction ratio of nitrogen fertilizer over FP, respectively. Double cropping means two crops per year, but they are not necessarily the same crop. The same as below

1.3 计算方法

氮肥减施比例（%）=（常规氮肥施用量-处理的施氮量）/常规氮肥施用量×100。

1.4 统计分析

所有数据均采用成对样本T 检验进行分析，显著性为＜0.05。数据采用SPSS18.0进行统计分析。

2 结果

2.1 水稻、小麦和玉米的常规施氮量

我国水稻常规施氮量的范围是135—363 kg·hm-2（图1），平均施肥量为225 kg·hm-2。小麦常规施氮量的范围是162—315 kg·hm-2，平均施肥量为249 kg·hm-2。玉米常规施氮量的范围是173—400 kg·hm-2，平均施肥量为250 kg·hm-2。

2.2 氮肥减施对作物产量的影响

氮肥减施比例在0—10%时，水稻产量的变化范围是6.2—10.5 t·hm-2，平均产量是8.9 t·hm-2，对应的常规施肥水稻产量的变化范围是6.4—10.2 t·hm-2，平均产量是8.7 t·hm-2（图2）。氮肥减施比例在10%—20%时，水稻产量的变化范围是3.9—12.5 t·hm-2，平均产量是8.5 t·hm-2，对应的常规施肥水稻产量的变化范围是3.7—12.7 t·hm-2，平均产量是8.5 t·hm-2。氮肥减施比例在20%—30%时，水稻产量的变化范围是3.9— 11.4 t·hm-2，平均产量是6.2 t·hm-2，对应的常规施肥水稻产量的变化范围是3.7—10.7 t·hm-2，平均产量是 5.9 t·hm-2。氮肥减施比例在30%—40%时，水稻产量的变化范围是7.6—12.1 t·hm-2，平均产量是9.1 t·hm-2，对应的常规施肥水稻产量的变化范围是6.4—12.5 t·hm-2，平均产量是9.2 t·hm-2。当氮肥减施比例为0—10%和20%—30%时较常规施肥显著提高了水稻的产量，减施比例为10%—20%和30%—40%时，没有显著影响水稻的产量。图3显示，当考虑常规施氮水平时，发现常规施氮量小于200 kg·hm-2时，氮肥减施10%—20%时显著提高水稻产量，氮肥减施在30%—40%时显著降低水稻产量。而常规施氮水平在200—250 kg·hm-2时，氮肥减施10%—20%情况下也显著降低水稻产量，施氮量高于250 kg·hm-2，任何氮肥减施比例均未影响水稻产量。

最上方和最下方的线段分别表示数据的最大值和最小值，其中箱形图的上方和下方的线段分别表示数据中25%和75%的数值，箱图中的线段表示数据的中位数，箱图里面的圆圈表示数据的平均数，实心圆点表示施氮量的分布。下同

氮肥减施比例在0—10%时，小麦产量的变化范围是2.2—9.6 t·hm-2，平均产量是5.9 t·hm-2，对应的常规施肥小麦产量的变化范围是2.3—9.6 t·hm-2，平均产量是6.0 t·hm-2（图4）。氮肥减施比例在10%—20%时，小麦产量的变化范围是3.7—9.2 t·hm-2，平均产量是7.6 t·hm-2，对应的常规施肥小麦产量的变化范围是3.7—10.0 t·hm-2，平均产量是7.6 t·hm-2。氮肥减施比例在20%—30%时，小麦产量的变化范围是3.1—8.9 t·hm-2，平均产量是6.9 t·hm-2，对应的常规施肥小麦产量的变化范围是3.7—9.6 t·hm-2，平均产量是7.1 t·hm-2。氮肥减施比例在30%—40%时，小麦产量的变化范围是3.3—8.7 t·hm-2，平均产量是6.7 t·hm-2，对应的常规施肥小麦产量的变化范围是3.7—8.4 t·hm-2，平均产量是7.1 t·hm-2。当氮肥减施比例为0—30%时，没有显著降低小麦产量，但当氮肥减施的比例高达30%—40%时，产量显著降低。在常规不同施氮水平下，发现在200—250 kg·hm-2用量下氮肥减施20%—30%显著降低小麦产量（图3），其他施氮水平下，氮肥减施均没有显著影响小麦产量。

n表示该处理的观测数。下同 n mean the number of observations. The same as below

氮肥减施比例在0—10%时，玉米产量的变化范围是6.2—13.9 t·hm-2，平均产量是9.1 t·hm-2，对应的常规施肥玉米产量的变化范围是6.4—11.7 t·hm-2，平均产量是8.9 t·hm-2（图5）。氮肥减施比例在10%—20%时，玉米产量的变化范围是6.1—13.9 t·hm-2，平均产量是10.0 t·hm-2，对应的常规施肥玉米产量的变化范围是5.7—13.0 t·hm-2，平均产量是10.1 t·hm-2。氮肥减施比例在20%—30%时，玉米产量的变化范围是4.1—12.8 t·hm-2，平均产量是9.3 t·hm-2，对应的常规施肥玉米产量的变化范围是3.4—13.0 t·hm-2，平均产量是9.3 t·hm-2。氮肥减施比例在30%—40%时，玉米产量的变化范围是7.3—12.1 t·hm-2，平均产量是9.7 t·hm-2，对应的常规施肥玉米产量的变化范围是7.2—15.7 t·hm-2，平均产量是10.3 t·hm-2。当氮肥减施为0—30%时，不会显著降低玉米产量，但当氮肥减施达30%—40%时，产量会显著低于常规施肥处理。在常规不同施氮水平下氮肥减施的产量效应中发现，0—40%氮肥减施比例均没有显著影响玉米产量（图3）。

柱上数字表示该处理的观测数。图6—12同The number mean the number of observations. The same as Fig.6-Fig.12

图4 不同氮肥减施比例下的小麦产量

图5 不同氮肥减施比例下的玉米产量

2.3 不同土壤性质以及管理措施下氮肥减施对作物产量的影响

2.3.1 不施氮肥区产量 当不施氮肥区的产量＜5 t·hm-2、5—7.5 t·hm-2、＞7.5 t·hm-2时，氮肥减施下的水稻平均产量分别为7.0、8.6、9.9 t·hm-2（图6），小麦平均产量分别为4.5、8.5、8.3 t·hm-2，玉米平均产量为6.4、10.0、11.0 t·hm-2。3种作物均呈现随着不施氮肥区产量的增加，实际作物产量增加的趋势，但是在不同不施氮肥区产量水平下，氮肥减施均没有显著影响三大作物的产量。

2.3.2 土壤全氮 当土壤全氮含量＜1.5 g·kg-1、1.5—2 g·kg-1和＞2 g·kg-1时，氮肥减施下水稻平均产量分别为9.2、9.3、6.5 t·hm-2（图7）；在土壤全氮含量＞2 g·kg-1，氮肥减施较常规施氮显著提高了水稻产量。当土壤全氮含量＜0.75 g·kg-1、0.75—1 g·kg-1、＞1 g·kg-1时，氮肥减施下小麦平均产量为8.4、6.3、6.9 t·hm-2，在土壤全氮含量＞1 g·kg-1时，氮肥减施较常规施氮显著降低了小麦产量。在土壤全氮含量＜1 g·kg-1、1—1.5 g·kg-1、＞1.5 g·kg-1时，氮肥减施下玉米平均产量为10.2、9.2、8.8 t·hm-2，在土壤全氮含量＞1.5 g·kg-1时，氮肥减施较常规施氮显著降低玉米产量（图7）。

FP：常规施氮；RNF：氮肥减施0—40%的所有处理。下同 FP means conventional N rate; RNF means reduced 0-40% N rate. The same as below

图7 土壤全氮含量对氮肥减施后作物产量的影响

2.3.3 土壤有机质 当土壤有机质含量为10—20 g·kg-1、20—30 g·kg-1、＞30 g·kg-1时，氮肥减施下的水稻平均产量分别为9.2、8.9、6.9 t·hm-2（图8），当土壤有机质含量＞30 g·kg-1，氮肥减施较常规施氮显著提高了水稻产量。当土壤有机质含量为0—10 g·kg-1、10—20 g·kg-1、＞20 g·kg-1时，氮肥减施下的小麦平均产量为7.3、7.5、4.1 t·hm-2，当土壤有机质含量为10— 20 g·kg-1和＞20 g·kg-1，氮肥减施较常规施氮显著降低了小麦产量。当土壤有机质含量为0—10 g·kg-1、10— 20 g·kg-1、＞20 g·kg-1时，氮肥减施下的玉米平均产量为9.4、9.5、10.4 t·hm-2，氮肥减施和常规施肥之间的产量无显著差异。

2.3.4 土壤酸碱度 当土壤pH＜6.5时，氮肥减施下的水稻产量为6.6 t·hm-2，当土壤pH≥6.5时，水稻的产量为9.4 t·hm-2（图9）。在pH＜6.5的土壤上，氮肥减施较常规施氮显著提高了水稻的产量。当pH＜7时，氮肥减施下小麦和玉米的产量分别为6.1 t·hm-2和9.5 t·hm-2；当pH≥7时，氮肥减施下小麦和玉米的产量分别为7.4和9.7 t·hm-2（图9）。小麦、玉米在不同pH条件下，常规施氮和氮肥减施之间的产量无差异。

图8 土壤有机质的含量对氮肥减施后作物产量的影响

图9 土壤酸碱度对氮肥减施后作物产量的影响

2.3.5 种植制度 当作物种植制度为一年一熟制时，水稻、小麦、玉米在氮肥减施下的产量分别为9.7、6.5、10.1 t·hm-2（图10），当种植制度为一年两熟制时，3种作物的产量分别为9.7、7.1、8.9 t·hm-2。在一年一熟的条件下，氮肥减施较常规施肥显著降低了小麦产量；一年两熟制的条件下，氮肥减施较常规施肥显著降低了玉米产量。

图10 种植制度对氮肥减施后作物产量的影响

2.3.6 肥料种类 普通肥料氮肥减施后水稻、小麦和玉米的产量分别为7.7、6.8、9.4 t·hm-2，施用控释或缓释肥料时，水稻、小麦和玉米氮肥减施后的产量分别为8.6、7.2、10.2 t·hm-2。当施用普通肥料时，氮肥减施较常规施肥显著降低了小麦产量，但均未显著影响水稻和小麦的产量（图11）。

2.3.7 水分管理 灌溉条件下氮肥减施，小麦和玉米的产量分别为8.2、10.3 t·hm-2；雨养条件下氮肥减施，小麦和玉米产量分别为5.9、8.9 t·hm-2。雨养条件下，氮肥减施较常规施肥显著降低了小麦产量（图12）。

3 讨论

3.1 氮肥减施对作物产量的总体影响

本研究发现在常规施氮量的基础上，氮肥减施比例在0—40%范围内并没有显著降低水稻产量，氮肥减施的比例在0—30%时，没有显著降低小麦和玉米的产量，而且氮肥减施的产量效应与农户施氮水平没有明显的关系。说明我国主要粮食种植区农户氮肥施用过量现象严重，这与前人报道的结果一致[6,14-15]。如我国太湖地区和东北黑土区水稻最佳施氮量分别为209、170 kg×hm-2[16-17]，而对农户调研显示，太湖地区和陕南秦巴山区水稻平均施氮量分别为303、158 kg×hm-2，分别有74%和22.6%的农户过量施用氮肥[4,18]。另外，太湖地区、华北地区和陕西关中平原的小麦最佳氮肥施用量为169、119和138 kg×hm-2[19-21]；而汾渭平原农户小麦平均施氮量为272.6 kg×hm-2，过量施肥的比例达到64%[5]。青海省小麦平均施氮量为159 kg×hm-2，过量施肥的比例达到40%[22]。在我国华北平原、河南洛阳地区和陕西关中平原玉米的最佳施氮量为129、139、和193 kg×hm-2[20-21,23]；而陕西关中平原玉米农户施氮量为288 kg×hm-2，施氮量偏高和很高比例达78%[6]，东北地区农户玉米平均施氮量为207 kg×hm-2，过量施氮的比例也达30%[24]。氮肥的过量施用造成作物株高较高、群体密度大、生物量大、内部透光性差、易引发病虫害、导致作物产量降低[25-26]，或者导致作物生育后期贪青晚熟，易发生倒伏也导致产量降低[27]。此外，传统施肥不仅用量高，而且基肥用量占整个生育期施氮量的一半及以上[6]，但由于作物苗期根系不发达，对肥料需求较小，不能高效利用，导致氮损失较多[28]。如氮肥过量施用使得我国北方农田硝态氮大量残留[7]，南方稻田气态氮损失严重[29]。加之，我国大气氮沉降数量也较高，如陕西关中平原总氮沉降为25.8— 31.9 kg×hm-2[30]。另外，氮肥减施配合施用增效剂[31-33]或采用控释氮肥[14,33]或普通氮肥结合深施[34]，这些措施均有利于减少氮素损失，提高氮肥利用效率[35]。因此，氮肥减施0—30%没有显著降低三大作物产量，在减施20%—30%时还显著提高了水稻产量。

图11 不同肥料种类对氮肥减施后作物产量的影响

图12 灌溉和雨养管理对氮肥减施后作物产量的影响

3.2 不同土壤条件下氮肥减施对作物产量的影响

不施氮肥区产量反映了土壤基础肥力，也包含土壤的无机氮含量状况[36-37]。本研究发现不施氮肥区产量水平对氮肥减施的产量效应没有显著影响。这可能是因为土壤中残留的无机氮水平较高，氮肥减施不会导致氮素供应不足。如ZHANG等[21]报道陕西关中平原许多地点在磷钾供应充分的情况下施氮对小麦、玉米产量的影响不明显，与土壤剖面残留大量的无机氮有关。LIU等[38]也报道在不施氮肥区产量较低或较高时，施氮对产量均无显著影响，表明在试验施氮量范围内氮素均可满足作物生长。

在不同的土壤全氮含量下，氮肥减施的产量效应并不一致（图7），如水稻在土壤全氮含量＞2 g·kg-1时，氮肥减施显著提高水稻产量。土壤全氮较高意味着土壤有机质含量也较高，有机质含量高能改善土壤的物理性质，同时有机质矿化释放的氮素是作物营养的重要氮源之一[39]，因此，氮肥减施避免氮过量的负面影响，进而显著提升产量。小麦在土壤全氮含量＞1 g·kg-1，玉米在土壤全氮含量＞1.5 g·kg-1时，氮肥减施却显著降低产量。这可能是由于土壤中供氮能力主要与可矿化态氮相关[40]，而可矿化氮与全氮之间没有稳定的比例[41]，因此全氮含量高的土壤可矿化态氮含量不一定高，加之在旱作条件下常常存在水分胁迫，影响有机质矿化释放氮素，影响作物根系生长以及养分的迁移，在土壤无机氮残留量较低时，氮肥减施后出现产量显著降低的情况。

不同土壤有机质含量下氮肥减施对作物产量的影响也不相同。在有机质含量＞30 g·kg-1的土壤上，氮肥减施的水稻产量显著高于常规产量，原因与土壤全氮较高时相同。而有机质含量＞20 g·kg-1的土壤，氮肥减施显著降低小麦产量，没有显著影响玉米产量。如上所述小麦、玉米包含旱作和灌溉情况，特别是旱作冬小麦低温时间长，加之常常存在水分胁迫，进而影响土壤有机质的矿化释放有效氮，如果土壤无机氮残留较少的情况下，减氮可能会引起小麦的氮素缺乏，最终降低产量。

在pH＜6.5的土壤上氮肥减施较常规显著提高水稻产量。这可能是因为长期过量施氮导致了严重的土壤酸化，氮肥减施可能会减轻低pH的负面影响，如根系生长[42-43]、作物养分吸收[44-45]。然而小麦、玉米在pH＜7的土壤上氮肥减施没有显著影响产量。这可能与小麦和玉米主要种植在北方，pH＜6.5的样本数较少有关。

3.3 不同管理措施下氮肥减施对作物产量的影响

本研究发现一年一熟制氮肥减施会降低小麦产量，而一年两熟制氮肥减施会降低玉米产量。这可能因为一年一熟制一般是旱作小麦，旱作小麦常常遭遇水分胁迫，因此影响根系生长、养分迁移，进而影响养分吸收（如氮素）[46]，在减量施氮情况下可能存在养分胁迫的情况，因此减产。有研究报道即使小麦开花后遭遇水分胁迫，提高氮素水平，不仅提高花前同化产物向籽粒转移的比例，延缓功能叶片的衰老，还能延长籽粒灌浆时间，提高小麦产量[47]。一年两熟制氮肥减施降低玉米产量，可能是因为一年两熟的玉米多为小麦/玉米轮作中灌溉夏玉米，玉米生育期间，温度高、降雨量大，容易导致氮肥的气态挥发、淋溶等损失，引起氮素供应强度不足造成减产，具体机理还需要进一步研究。但是水稻在两种种植制度下氮肥减量的产量效应没有差异，其中一年一熟的水稻大多来自我国东北地区，该地区土壤肥力高、土壤供肥能力强，减肥对产量影响小，而一年两熟制的水稻常规施氮量（300 kg×hm-2）[14]远高于推荐量（209 kg×hm-2）[16]，因此减少氮肥也不会影响作物产量。

普通肥料施用情况下氮肥减施显著降低了小麦产量，没有影响水稻和玉米产量；而控释肥料减施后均未影响3种作物的产量。这可能是因为控释氮肥能根据作物的生育期，调节氮供应速度和氮供应量[48-50]，在作物生长早期适量供应氮肥，生长中期大量供氮，生长晚期少量或者不供应氮[51]；还有控释氮肥的使用能显著减少氮的损失，LIU等[52]研究指出相较于普通氮肥的使用，控释氮肥的使用后氮的径流和淋溶损失以及氨挥发损失减少了20%—50%和17%—32%，保证作物全生育期氮素供给。不同肥料类型下，氮肥减施均没有影响玉米和水稻的产量可能与这两种作物生育期短、水分需求大、土壤湿度高，影响缓控释氮肥或抑制剂的效果有关，如脲酶抑制剂尿素的分解受到土壤温度、湿度的影响效果不稳定[53]，硫包膜氮肥容易发生包膜损坏[54]，具体原因需要进一步研究。

水分条件不同氮肥减施的作物产量效应有所不同；在旱作条件下，氮肥减施显著降低了小麦产量，但是没有影响玉米产量；而灌溉条件下氮肥减施均未影响小麦和玉米的产量，这可能与土壤水分含量不同有关。我国北方小麦生育期与雨季错位，干旱条件下小麦次生根数量减少，根系活性降低[55]，加之水分不足也影响氮素的迁移，因此最终影响小麦吸收氮素，引起减产。有研究报道在轻度干旱条件下追施氮肥能够缓解水分胁迫对小麦造成的不良影响[47,56]。而玉米生育期与雨季重合，不存在水分不足影响氮素吸收的问题。

4 结论

综合全国近10年来文献资料分析表明，在常规施氮量基础上氮肥减施0—40%并未显著影响水稻产量，减施0—30%对小麦和玉米产量均无显著影响。说明目前我国三大粮食作物氮肥过量施用严重，氮肥减施是切实可行的。氮肥减施的作物产量效应因土壤性质以及管理措施有所不同，综合考虑我国三大作物现阶段氮肥减施30%较为合理。至于氮肥减施的持续性将取决于土壤残留氮的多少，未来需要根据土壤测试进一步调整。

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Effects of Reducing Nitrogen Application Rate on the Yields of Three Major Cereals in China

DU WenTing, LEI XiaoXiao, LU HuiYu, WANG YunFeng, XU JiaXing, LUO CaiXia, ZHANG ShuLan

College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University/Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agro-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yangling 712100, Shaanxi

The present study investigated the effects of reducing nitrogen application rate on the yields of three major cereals in China and its relationship with soil and other factors, so as to clarify the feasibility of reducing nitrogen application.90 published papers from 2010 to 2021 were collected and analyzed the effects of different nitrogen fertilizer reduction ratios on yield, and its relationship with planting systems and different conditions (fertilizer type, soil organic matter content, total nitrogen, soil pH, and water management).Compared with conventional fertilization rate, 0-40% nitrogen reduction did not significantly reduce the yield of rice, 0-30% nitrogen reduction did not significantly affect the yields of wheat and maize, when the nitrogen reduction was 30%-40%, the yield of wheat and maize significantly reduced by 6.1% and 5.4%, respectively. The yield level without nitrogen input area did not significantly affect crop yield of the three cereals following reduction of nitrogen rate. When soil total nitrogen was more than 2 g·kg-1, rice yield with reduced nitrogen application (6.5 t·hm-2) was significantly higher than that with conventional nitrogen application (6.3 t·hm-2); when total nitrogen was more than 1 g·kg-1, wheat yield with reduced nitrogen application (6.9 t·hm-2) was significantly lower than that with conventional nitrogen application (7.4 t·hm-2); when total nitrogen was more than 1.5 g·kg-1, maize yield with reduced nitrogen application (8.8 t·hm-2) was significantly lower than that with conventional nitrogen application (9.1 t·hm-2). When soil organic matter content was more than 30 g·kg-1, rice yield with reduced nitrogen application (6.9 t·hm-2) was significantly higher than that with conventional nitrogen application (6.7 t·hm-2), but soil organic matter content were 10-20 g·kg-1and more than 20 g·kg-1, the reducing nitrogen application significantly reduced wheat yield. When soil pH was lower than 6.5, rice yield with reduced nitrogen application (6.6 t·hm-2) was significantly higher than that with conventional nitrogen application (6.4 t·hm-2). Wheat yield (6.6 t·hm-2) with reducing nitrogen application under single cropping was significantly higher than that with conventional nitrogen application (5.9 t·hm-2); maize yield (8.9 t·hm-2) with reducing nitrogen application under double cropping was significantly lower than that with conventional nitrogen application (9.1 t·hm-2). Based on common fertilizer, wheat yield with reducing nitrogen application (6.8 t·hm-2) was significantly lower than that with conventional nitrogen application (7.1 t·hm-2). Under rainfed, wheat yield with reducing nitrogen application (5.9 t·hm-2) was significantly lower than that with conventional nitrogen application (6.6 t·hm-2).The yield of three major cereals in China can be maintained by reducing conventional nitrogen application rate by 30% although crop yield varied to certain extent with soil properties and management measures. Therefore, the reduced application of nitrogen fertilizer needed to be adjusted according to soil properties and management practices to achieve high yield and high nitrogen efficiency.

wheat; maize; rice; reducing nitrogen application rate; management practices; soil properties

2021-10-22；

2022-01-17

国家重点研发计划（2016YFD0800105）

杜文婷，E-mail：duwentinga@163.com。通信作者张树兰，E-mail：zhangshulan@nwafu.edu.cn

（责任编辑 李云霞）