基于产量和环境友好的黄土高原半干旱区玉米氮肥投入阈值研究

唐文雪，马忠明，王景才

（1.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，兰州 730070；2.甘肃省农业科学院，兰州 730070；3.甘肃省定西市农业科学研究院，甘肃 定西 741100）

氮是植物生长发育所必需的元素之一，氮肥对粮食增产具有十分重要的作用。中国耕地面积占世界耕地的比例不足1/10，但人口占世界的比例高达1/5，因而粮食高产至关重要。长期以来人类为了追求高产而大量使用化肥，但氮肥的过量投入及低利用率使我国氮素年损失量高达990 万t，相当于2 160 万t 尿素，不仅造成巨大的经济损失，还带来温室气体排放、生物多样性衰减、土地和淡水资源退化等[1-2]环境问题。针对这一世界性问题，一些人少地多的发达国家采用降低产量目标以减少氮肥施用量的对策，但我国必须从协调作物高产与环境保护的关系出发，研究既能获得高产又能减轻氮肥投入对环境压力的理论及技术[3]。而确定适宜施氮量是平衡氮肥施用产量效应和环境效应的有效手段，但合理确定施氮量并没有统一的标准和方法。

各国科研工作者在这方面已开展了大量工作。WANG 等[4]通过文献综述和试验研究提出，华北平原小麦98%最大产量相对应的氮肥施用量可作为适宜的区域性氮肥施用阈值。罗付香等[5]研究氮肥用量对紫色丘陵区坡耕地雨季土壤氮素流失及玉米产量的影响，提出了兼顾产量与环境因素的氮素投入阈值为186.73～393.6 kg·hm-2。连彩云等[6]研究施氮量对春玉米的产量、矿质氮累积及氮素平衡的影响，提出我国北方平原区春玉米化学氮肥投入阈值为270～337 kg·hm-2。张君等[7]研究认为土壤氮素盈余率与玉米产量、土壤氮残留和氮素回收率有关，并提出了内蒙古河套灌区施氮量193～291 kg·hm-2是保证玉米产量和环境友好的合理施氮阈值。崔玉亭等[8]根据环境经济学和农业技术经济学的原理，提出太湖流域稻田氮肥适宜施用量为221～261 kg·hm-2。就全国来说，一般粮食作物氮素用量在150～180 kg·hm-2较适宜[9]。以上研究为合理施用氮肥控制面源污染提供了重要的参考依据。

用什么指标来衡量不同尺度或生产体系氮素管理的优劣，是提高氮素管理水平的核心问题[10]。作为政府和农民最关心的指标，产量对满足人类生活需求非常重要，因而是确定适宜施氮量的最常用指标[11]。研究表明，基于高产的施氮量可作为氮素投入阈值[4-7]。氮素平衡是衡量氮素投入生产力、环境影响和土壤肥力变化的最有效指标[12]。减少土壤氮素盈余是目前最常用的确定适宜施氮量的方法。由于我国北方旱作农田土壤普遍具有较强的矿化和硝化能力，盈余的氮素在作物收获后主要以硝态氮形式累积于土壤剖面，而作物收获后根层硝态氮残留又被作为潜在淋洗的衡量指标[13]，用来评估氮素管理的合理程度。以上指标都有其自身的理论依据，是确定最佳施氮量的常用且有效的指标[11]。

黄土高原半干旱区作为一个特定生态类型区，在我国旱作农业生产中占有重要地位。该区自然降水少且与农作物需水供需错位，粮食产量低而不稳[14-15]。近年来，全膜双垄沟播旱作技术的广泛应用，使玉米种植面积迅速扩大。但农民盲目施肥、过量施肥现象普遍[16]。目前，该区域合理施氮研究主要集中在氮肥施用的农学效应方面[16-17]，有关环境效应及兼顾产量的环境效应的研究鲜见报道。本研究通过3 年定位试验，系统研究不同施氮水平对玉米产量、土壤矿质氮累积以及土壤氮素平衡的影响，以产量、氮素平衡值、矿质氮残留为约束指标，确定适宜施氮阈值，以期为黄土高原半干旱区玉米合理施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2011—2013 年在定西市农业科学研究院综合试验站进行。试验区属黄土高原干旱半干旱区，为典型雨养农业区，作物一年一熟。年均气温6.4 ℃，年平均降水390.9 mm，年蒸发量1 531 mm。降水量462.5、390.8、341.3、283.1 mm 的保证率分别为20%、50%、75%、95%。2011年试验区玉米生长季降雨量仅为146.0 mm，并且降雨主要集中在7—9 月。2012 年和2013 年生育期降雨量389.4 mm 和430.7 mm，降雨与作物需求基本同步。试验期间各年降水量分布如图1所示。试验土壤为黄绵土，基本理化性质见表1。

表1 供试土壤的基本理化性质Table 1 Physiochemical characteristics of the tested soil

图1 2011—2013年玉米生长季降水量Figure 1 The precipitation during maize growing period in 2011—2013

1.2 试验设计

试验采用随机区组排列，设6 个处理：①不施氮，②优化施氮量75%，③优化施氮量100%，④优化施氮量125%，⑤优化施氮量150%，⑥优化施氮量200%，分别记为N0、N1、N2、N3、N4、N5。氮肥优化量（以纯N 计）为180 kg·hm-2，磷肥（P2O5）用量为120 kg·hm-2。各处理磷肥全量及氮肥的2/3 作基肥，剩余1/3 氮肥在拔节期追施。3次重复，小区面积33 m2。

玉米采用全膜双垄沟播模式，沟内种植。带幅1.1 m，大垄70 cm，小垄40 cm，株距35 cm，播种密度53 500株·hm-2。2011—2013年5月上旬播种，10月上旬收获。

指示玉米品种为中玉9 号。供试肥料为尿素和过磷酸钙。

1.3 测定项目与方法

试验开始前和每年秋季玉米收获后，以对角线法确定测点位置。每小区在垄沟及大小垄上各测定2个点。用土钻采集0～200 cm 土壤样品，每20 cm 为一层，共10 层。相同土层6 个点土样混合后迅速放入-4 ℃冰柜中保存，用于测定土壤含水量、铵态氮及硝态氮含量。土壤水分用烘干法测定，土壤铵态氮、硝态氮用1 mol·L-1NaCl 浸提，采用靛酚蓝比色法及紫外分光光度计法测定。

收获时各小区单独收获测产并随机取样3株，测定秸秆、籽粒干物质质量，然后粉碎并过2 mm筛备用。植株样品全氮采用H2SO4-H2O2消煮后凯氏定氮法测定。

1.4 数据处理与分析方法

试验数据采用Excel 2003 和SPSS 16.0 软件进行统计分析，不同处理的比较按照随机区组试验设计法进行。各指标采用的计算方法[18-19]如下：

土壤硝态氮累积量（kg·hm-2）=土壤容重（g·cm-3）×土层厚度（cm）×土壤硝态氮含量（mg·kg-1）/10

土壤铵态氮累积量（kg·hm-2）=土壤容重（g·cm-3）×土层厚度（cm）×土壤铵态氮含量（mg·kg-1）/10

土壤矿质氮累积量（kg·hm-2）=土壤硝态氮累积量（kg·hm-2）+土壤铵态氮累积量（kg·hm-2）

N 素表观平衡值（kg·hm-2）=施N 量（kg·hm-2）-植株N素吸收量（kg·hm-2）

2 结果与分析

2.1 施氮量对玉米产量的影响

施氮量对玉米产量的影响结果（图2）表明，2011、2013年N2处理产量显著高于对照N0及低氮处理N1和高氮处理N5，N2、N3、N4处理间差异不显著。2012 年施氮处理产量显著高于N0 处理，但相互间差异不显著。N2 处理平均产量最高，显著高于N0、N1及N5 处理，与N3、N4 处理间差异不显著。并且2011、2012 年和2013 年施用氮肥较不施氮肥分别增产25.19%～66.54%、37.60%～42.69%、85.95%～92.44%，平均增产51.22%～62.52%，增产效果显著。

图2 施氮量对玉米产量的影响Figure 2 Effects of N application rate on maize yield

2.2 施氮量对土壤矿质氮含量的影响

矿质氮在土壤剖面中的含量及其空间分布特征是表征矿质氮淋失风险的重要指标。图3 显示了不同年份及施氮水平下0～200 cm 土壤矿质氮剖面变化特征。2011—2013 年0～20 cm 土层矿质氮含量最高，随着土层深度增加，矿质氮呈下降趋势。在0～100 cm 各处理含量差异较大，在100～180 cm 各处理差异逐渐减小，在180 cm 以下趋于一致。随施氮量的增加，200 cm 土壤矿质氮含量呈增加趋势，表现为N5>N4>N3>N2>N1>N0，并且矿质氮含量差异显著；随着种植年限的增加，在不同土层处理间矿质氮含量差异增大。N0 处理矿质氮含量显著低于基础水平，N1 处理与基础水平一致，N2、N3 处理比基础水平高，但没有造成矿质氮的富集现象，而N4、N5 处理土壤中矿质氮富集现象明显，属于氮肥过量。氮肥的过量施用造成土壤内矿质氮大量累积，大量矿质氮在强降雨和过量灌水条件下向下淋溶，从而污染地下水。

图3 不同施氮量下土壤剖面矿质氮含量变化特征Figure 3 Effects of different N application rates on mineral N content

2.3 施氮量对土壤氮表观平衡值的影响

土壤氮表观平衡结果（表2）表明，随着氮肥用量的增加，氮表观平衡值从负值经零到正值不断变化。3 年平均结果表明，施氮量少于180 kg·hm-2的条件下，氮表观平衡值小于-27.63 kg·hm-2，表示土壤中的氮处于亏缺状态，随着种植年限延长，土壤氮库被不断消耗，最终影响土壤肥力。施氮量在180～225 kg·hm-2条件下，氮表观平衡值为-27.63～14.72 kg·hm-2，土壤氮收支基本平衡。该施氮水平既可获得较高目标产量，也不会消耗土壤氮，不会引起氮素的大量损失。而在施氮量超过270 kg·hm-2时，氮素盈余超过65.13 kg·hm-2，导致氮素大量盈余，而土壤持续较高的氮盈余最终提高了土壤氮素的累积量，矿质氮累积量比试验前土壤增加202.54 kg·hm-2以上，使环境风险增加。

表2 施氮量对土壤氮表观平衡值的影响（kg·hm-2）Table 2 Effects of N application rate on soil N surplus rate（kg·hm-2）

2.4 施氮量对玉米产量及环境指标的影响

考虑到氮肥的后效作用及年际的影响，3 年平均投入和平均产出更能反映氮肥的施肥效应。本试验结果为玉米产量与施氮量呈极显著的二次曲线相关（图4），效应方程为y=-0.052x2+25.347x+5 050.8（R2=0.980 8）。施氮量为243.72 kg·hm-2时，玉米产量最高（8 139.65 kg·hm-2），最高产量的97%（7 895.46 kg·hm-2）与最高产量差异不显著，对应的施氮量为175.16 kg·hm-2。最高产量的95%（7 732.67 kg·hm-2）显著低于最高产量。因此，97%最高产量至最高产量（7 895.46～8 139.65 kg·hm-2）对应的施氮量175.16～243.72 kg·hm-2是玉米获得高产的施氮阈值。200 cm土层矿质氮累积量与施氮量呈极显著指数相关，效应方程为y=218.71e0.0035x（R2=0.916 6）。施氮量为180、225 kg·hm-2时，矿质氮累积量为410.88、480.97 kg·hm-2，两者差异不显著，施氮量为270 kg·hm-2时矿质氮累积量为563.01 kg·hm-2，显著高于N2、N3 处理。因此氮素投入量的环境安全上限应低于270 kg·hm-2。氮素表观平衡值与施氮量呈显著线性正相关，效应方程为y=0.765 4x-137.39（R2=0.921 6），氮素平衡值为0，表示土壤氮收支平衡，该点对应施氮量为179.50 kg·hm-2。该施氮条件下，玉米产量较高，与最高产量差异不显著，并且矿质氮累积量显著低于270 kg·hm-2处理，与180、225 kg·hm-2处理差异不显著。对以上效应方程联立并采用内插法计算分析，确定玉米高产及土壤氮素低盈余的施氮量为179.50～243.72 kg·hm-2。

图4 2011—2013年施氮量与产量、矿质氮累积量、氮表观平衡值关系Figure 4 The relationship between nitrogen application rate and yield，mineral nitrogen accumulation and nitrogen surplus rate from 2011 to 2013

3 讨论

研究表明，当施氮量较低时，作物产量随施氮量的增加而增加，但施氮量达到一定水平时，产量增加不明显甚至减产[20-24]。这可能是由于过量施氮使作物冠层内透光率较低，降低了后期的光合性能，影响了作物产量[25]。根据朱兆良等[26]田间试验的统计，施氮量为150～180 kg·hm-2时，大田作物可达到较高的产量，因此将该施氮量定为控制大面积氮肥用量的“平均适宜施氮量”。本研究结果表明，由于2011 年极端干旱，玉米产量显著低于2012年和2013年，但施氮处理间仍呈相似的规律。统计分析结果表明，N2、N3、N4处理产量最高，再增施氮导致产量下降。分析玉米产量与施氮量的效应方程，在施氮量为243.72 kg·hm-2时，玉米产量达到最高，97%最高产量的施氮量为175.16 kg·hm-2，因此，玉米高产的施氮阈值为175.16～243.72 kg·hm-2。

氮素表观平衡值是反映施氮量与植株吸氮量关系的重要指标。氮素盈余和氨损失之间存在极其显著的正相关关系[32]。在荷兰，国家尺度上氮素盈余量减少1 kg·hm-2，淋失到地下水和地表水中的硝酸盐含量平均可以减少0.08 kg·hm-2和0.12 kg·hm-2[33]。本研究条件下，氮肥用量与土壤氮素盈余呈线性正相关关系（R2=0.921 6），施氮量每减少100 kg·hm-2，氮素盈余可降低76.54 kg·hm-2，当施氮量为179.50 kg·hm-2时，氮素盈余为0，氮收支可达到平衡。

土壤氮肥投入阈值的确定要研究供氮量、植株吸氮量和土壤氮库三者间的平衡关系。本研究结果表明，在施氮量179.50～243.72 kg·hm-2时，玉米产量为7 925.14～8 139.65 kg·hm-2，200 cm 土壤矿质氮累积量较试验前土壤增加29.19～132.88 kg·hm-2，氮表观平衡值为0～49.15 kg·hm-2。施氮量低于179.50 kg·hm-2时，氮素盈余为负值，长期持续会造成土壤肥力下降。施氮量超过243.72 kg·hm-2时，产量不升反降，并且200 cm 土壤矿质氮累积量大幅提升，对地下水环境造成威胁。为此，依据3 年平均产量、矿质氮累积量及土壤氮素盈余，确定适宜施氮量为179.50～243.72 kg·hm-2，此为既保证玉米产量又实现土壤氮素盈余量较小的氮肥投入阈值。该阈值与2007 年和2010 年国家生态县和生态乡镇化肥施用强度标准（<250 kg·hm-2）[34-35]一致。

4 结论

对于黄土高原半干旱区降雨量为283.1～462.5 mm 的区域，基于产量及环境安全的玉米氮肥投入阈值为179.50～243.72 kg·hm-2。该施氮量下，玉米产量达到最高，土壤氮素收支平衡，并且未造成土壤矿质氮富集。