优化氮肥管理提高滨海盐渍土春玉米产量、氮肥利用率及经济效益研究

吴帅兵，苗 琪*，王红叶，王韵弘，李俊超，宋华峰，刘玉明，王卫东，崔振岭

（1 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2 农业农村部耕地质量监测保护中心，北京 100125；3 农业农村部农业机械化总站，北京 100122；4 东营市垦利区农业农村局，山东东营 257500；5 滨州市惠民县农业农村局，山东滨州 251700）

盐碱地的开发与利用是我国农业发展面临的巨大挑战之一[1]。我国盐碱地总面积达9913 万hm2，具有农业开发利用潜力的近1000 万hm2，占我国耕地总面积的10%以上[2]。其中滨海盐碱地约占我国盐碱地总面积的7%[2]，主要分布在黄海及环渤海地区，是我国中低产田的主要分布区域，粮食增产潜力巨大。盐碱地生态系统脆弱、环境承载力低，其独特的土壤理化性质不仅造成农业土地资源的浪费，还会影响生态系统功能的有效发挥，最终损失大量的环境效益和经济效益。有研究表明，通过种植耐盐作物并进行适当的灌溉和施肥管理可复垦盐碱地，以保障我国粮食安全、促进农业可持续发展、改善生态环境以及推动区域经济社会协调发展[3-5]。

玉米是世界上种植范围最广泛的作物，也是仅次于小麦和水稻的第三大粮食作物，亦是最具生命力、最具发展潜力的前景作物[6]，其产量对保障农民收益及国家粮食安全具有重要意义。据估计，2050年粮食产量较2005 年必须增加60%～110%，才能满足人们日益增长的需求[7]，那么作为三大粮食作物之一的玉米，产量也必然需要增加。玉米属于C4植物，对盐中度敏感，耐盐能力较低，导致容易遭受盐分胁迫而减产，使得盐分成为限制玉米生产力的重要非生物因子之一[8-9]。氮素是植物生长发育所必需的大量营养元素，因此施用氮肥是当前农业生产系统中保证玉米高产的重要管理措施。研究发现，通过应用根层氮素实时调控技术确定的氮肥施用量，既能保证作物氮需求与土壤氮供应的同步性，也能获得高产高效、保护环境的效果[10]。目前，由于滨海盐渍土区域农民长期施用尿素导致土壤碱度上升，从而使得作物生长环境受到破坏，致使作物产量降低[11]。并且由于该区域农民对春玉米高产氮素需求规律认识的欠缺与对施肥管理技术掌握的不足，导致氮肥施用量、施用时期以及氮肥形态的不合理选择问题凸显，进而产生氮肥资源浪费以及环境污染等问题[12]。因此，探索滨海盐渍土区域合理的施肥管理措施，对提升该区域生态系统质量和农民的经济收益具有重要意义。

土壤氮素供给与作物氮素需求之间的同步性是氮素管理的主要目标。由于土壤氮素的时空变异大，使得作物氮素吸收与根层土壤氮素供应难以同步，而采用IRNM (in-season root nitrogen management)技术能够实现这一点。Cui 等[10]多年田间试验结果表明，应用IRNM 技术能够实现高产作物氮需求与根层氮素供应在时空上相匹配，并以较低的施肥量维持了作物产量，降低了氮素向环境中的损失。Yan等[13]应用IRNM 技术获得玉米的最佳施氮量为149 kg/hm2，并将其分为3 叶期(V3)、6 叶期(V6)和10叶期(V10) 3 个阶段进行施用，结果表明玉米的最大籽粒产量均在优化施氮处理下获得。因此，IRNM 技术为可持续农业生产提供了一条实现作物高产、高效、环保的关键途径。但是，IRNM 技术只关注优化氮肥用量和施用时间，而氮肥种类对作物产量、氮肥利用率(NUE)、经济效益和氮素表观平衡的影响在很大程度上仍然是未知的。不同种类氮肥性质差异很大，在不同区域选择合适的氮肥形态是亟待加强关注的问题，其主要取决于作物类型、土壤状况和轮作制度等多种因素。目前，盐碱地条件下最佳氮肥种类的意见还未达成一致。Hessini 等[14]在研究盐分与氮肥种类对玉米生长的影响时，发现在盐碱条件下NH4+比N O3-更利于玉米生长，并且可以通过积累无机溶质提高植物渗透调节盐度的能力。Khalifa等[15]研究表明，在盐水条件下，高浓度的NH4+降低了玉米的干物质产量，而NO3-比相同浓度的NH4+更能提高植株组织全氮含量。也有研究表明，在干旱或缺水的条件下，NO3-可能并不总是对作物的生长有益，主要是由于它可在植物叶片的液泡中进行累积，而不会直接促进生物量形成以及产量增加[16]。有多项研究表明，NH4+-N 和NO3--N 的混合形式比单独施用任何一种形态氮肥都能更好地促进植物生长，并且都能提高玉米产量和农学氮肥利用率[14,17-18]。由于不同区域土壤质地类型、作物的栽培管理措施、气候变化等因素的差异，导致不同地区所适用的肥料形态不同。滨海地区由于干旱季节的海水倒灌、潮汐作用等原因导致该区域盐渍化频繁出现，生态环境极其脆弱，土壤含盐量高、pH 高，有机质含量低[19]，从而使得该区域农业生产受到一定的威胁。

因此，为探究滨海盐渍土区域春玉米种植的最佳施氮量和氮肥种类，本研究以根层氮素实时调控技术为基础，探索不同施氮量及氮肥种类对滨海盐渍土春玉米农学与经济学指标的影响，并通过模型模拟产量与各种氮肥施用量之间的关系，为滨海盐渍土玉米生产提供适宜的氮肥综合管理策略。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验区域位于山东省东营市垦利区(37°42′01′′N，118°47′28′′E)，始于2016 年，并一直持续至今。2016—2019 年为冬小麦-夏玉米一年两熟轮作种植体系，2020—2022 年为春玉米一年一作种植体系，本研究所使用数据为2020—2022 年春玉米体系结果。该区域属大陆性季风气候，四季分明，无霜期213 天左右，年均日照时间2764.7 h，0℃以上年均积温4708.4℃，年均降水量560 mm，多集中在夏季。2020、2021 和2022 年春玉米生育期日均温和降水量如图1 所示，3 年春玉米生育期平均温度分别为24.6、25.8 和25.2℃，总降水量分别为117、316 和708 mm。

图1 2020—2022 年春玉米生育期日均气温与降水量Fig.1 Average daily temperature and precipitation during entire growth period of spring maize from 2020 to 2022

本研究中供试玉米品种为‘郑单958’，播种密度为75000 株/hm2，株距为20 cm，行距为60 cm，全生育期无灌溉。供试土壤为滨海轻度盐化草甸土，0—30 cm 土层的土壤基本理化性质：pH 7.71、有机碳 6.55 g/kg、全氮 0.83 g/kg、无机氮 68 mg/kg、有效磷 7.48 mg/kg、速效钾 89 mg/kg、电导率 886µs/cm、含盐量 2.18 g/kg、水溶性Ca2+198 mg/kg、水溶性Na+372 mg/kg。

1.2 试验设计

试验为双因素裂区设计，主处理共设置5 个施氮水平：不施氮肥(CK)、基于IRNM 的优化施氮(Opt)、优化施氮下调30% (Opt70%)、优化施氮上调30% (Opt130%)、农民传统施氮(FNP)。基于对当地农户调研情况，春玉米施氮总量为N 280 kg/hm2，其中180 kg/hm2在播种期基施，100 kg/hm2在玉米六叶期追施。优化施氮量处理(Opt) 是在播种时基施N 45 kg/hm2；在V6 (六叶期)和VT (抽雄期)时应用IRNM 确定施氮量[18]，即用目标氮值减去根区(V6和VT 期分别为0—60 cm 和0—90 cm)土壤硝态氮含量测定值，其差值为玉米V6 和VT 期的施氮量。2020—2022 年春玉米季不同时期氮肥用量见表1。

表1 2020—2022 年主处理各时期施氮量(kg/hm2)Table 1 Periodical N application rates in the main treatments from 2020 to 2022

副处理设置3 个氮肥种类，分别为硫酸铵(AS，N 21.2%)、硝酸铵钙(CAN，N 15.5%)、尿素(Urea，N 46.0%)。每个处理4 次重复，完全随机区组排列。主处理小区面积为270 m2(长18 m×宽15 m)，副处理裂区面积为90 m2(长15 m×宽6 m)。春玉米播种前，将P2O545 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2和ZnSO4·7H2O 30 kg/hm2作为基肥撒施并旋耕入0—20 cm 土层中，其中磷肥为过磷酸钙，钾肥为硫酸钾。氮肥施用时期及施用量则按照表1 进行。六叶期和抽雄期开沟追施氮肥(约5～7 cm)。生育期内无严重病虫害和杂草发生。2020 年春玉米于5 月3 日播种，9 月15 日收获测产，全生育期136 天；2021 年春玉米于5 月14 日播种，9 月10 日收获测产，全生育期120 天；2022 年春玉米于5 月5 日播种，9 月12 日收获测产，全生育期131 天。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 0—90 cm 土层土壤样品采集与理化性状测定试验开始前，在试验区内随机采集5 钻土样，均匀混合并挑拣出未分解的根系、秸秆等。取一部分新鲜土样过5 mm 筛，称取12.0 g 土壤样品，加入100 mL 0.01 mol/L CaCl2溶液，以180 r/min 振荡60 min 并过滤，将浸提液通过连续流动分析仪测定无机氮浓度，并采用1.4 中的公式3)换算为土壤无机氮含量。另取一部分处理后的新鲜土样放在阴凉处风干，将风干土样过2 mm 筛，水土比2.5∶1 浸提，利用pH 计测定pH；水土比5∶1 浸提，用电导率仪测定电导率；0.5 mol/L NaHCO3浸提，用钼锑抗比色法测定土壤中的有效磷；1.0 mol/L NH4OAc浸提，用火焰光度计测定土壤中的速效钾；5∶1 水土比浸提，采用电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-OES)测定水溶性Ca 和Na 含量。再取一部分风干土样过0.25 mm 筛，用碳氮元素分析仪测定土壤中的有机碳和全氮。

1.3.2 土壤硝酸盐速测样品的采集与分析 施肥前在每个优化试验小区内随机取3 钻土样，并将3 钻土均匀混合。不同生育期土壤样品采集土层不同，春玉米六叶期和抽雄期采集的土壤样品深度分别为0—60 和0—90 cm。将采集的新鲜土样混匀后储存于自封袋中，迅速带回实验室进行分析，按照1∶1的水土比进行浸提，振荡30 min 后过滤，取其上清液使用硝酸盐速测仪测定土壤硝酸盐含量，并确定各生育期最佳施氮量。

1.3.3 春玉米地上部生物量采集与测定 在春玉米V6、VT 和成熟期(R6)生育期进行地上部植株样品采集，每个小区中心位置相邻3 行取6 株长势均匀且具有代表性的植株样品，将采集的植株样品105℃杀青30 min，并于70℃的烘箱中烘至恒重，记录植株干重。

1.3.4 春玉米测产 玉米收获时，在每个小区随机选取12 m2(2.4 m×5 m)的样方，进行测产。称取测产样方内所有有效穗鲜重，并同时选择6 个具有代表性的玉米穗作为测产小样，称量鲜重并进行考种。将6 穗小样脱粒烘至恒重，称量干重并记录，最终折算成含水率为15.5%的产量。

1.3.5 植株与籽粒氮含量测定 将处理后的样品粉碎过0.05 mm 筛，采用H2SO4-H2O2法进行消煮，使用凯氏定氮仪测定植株和籽粒样品氮素含量。

1.4 数据处理与分析

1)氮肥偏生产力[20](partial factor productivity of N fertilizer，PFPN，kg/kg)=籽粒产量/施氮量

2)氮肥农学利用率[20](agronomy efficiency of N fertilizer，AEN，kg/kg)=(成熟期施氮处理籽粒产量-成熟期不施氮处理籽粒产量)/施氮量

3) 各土层无机氮积累量[21](mineral N，Nmin，kg/hm2)=土层厚度×土壤容重×(土壤硝态氮含量+土壤铵态氮含量)

4)土壤氮素表观矿化量[22](kg/hm2)=不施氮区作物地上部氮积累量+不施氮肥区土壤残留Nmin-不施氮肥区土壤起始Nmin

5)氮素表观损失量[22](kg/hm2)=施氮量+土壤起始Nmin+表观氮矿化量-作物收获氮移走量-土壤残留Nmin

6)总氮输入[22](kg/hm2)=施氮量+土壤起始Nmin+土壤氮素净矿化量

7)氮盈余[22](kg/hm2)=土壤残留Nmin+氮素表观损失量

8)净收益[21]的计算公式如下：

总施肥投入=肥料成本+劳动力投入

总的产量收益=籽粒产量×籽粒价格

施肥效益=施肥小区产量收益-总的成本投入-不施肥小区产量收益

上述公式所有数据基于样品干重计算，其中尿素、硫酸铵和硝酸铵钙的价格分别为4.05、3.31、11.00 元/kg；单次施肥劳动力的人工成本为290 元/hm2；玉米价格为1.69 元/kg，此价格为2020—2022 年的市场玉米平均价格。

试验数据用Microsoft Excel 2021 进行处理与统计分析，使用SPSS 25.0 统计软件进行双因素方差分析和差异显著性检验，最小显著极差法(LSD 法)进行多重比较，P＜0.05 为差异显著，并使用Excel 2021 软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量与氮肥种类对产量的影响

由图2 可知，当施氮量从CK 增加到Opt 时，3 年春玉米平均产量均随着施氮量的增加而增加。但当施氮量再继续从Opt 增加到FNP 时，2020 年春玉米产量呈现出显著下降的趋势 (P＜0.05)，2021、2022 年春玉米产量差异并未达显著水平。在不同施氮处理下，2020 年Opt 处理下的春玉米平均产量较CK、Opt70%、Opt130%处理分别显著增加27.7%、8.5%、3.8% (P＜0.05)；2021 年Opt 处理下春玉米平均产量较CK、Opt70% 处理分别显著增加69.3%、4.1% (P＜0.05)；2022 年Opt 处理下的春玉米平均产量较CK、Opt70%处理分别显著增加120%、12.7%(P＜0.05)。

图2 2020—2022 年施氮量与氮肥种类对春玉米产量的影响Fig.2 Maize grain yield as affected by N rates and sources from 2020 to 2022

2020 年，Opt70%处理中施用AS 与CAN 籽粒产量较Urea 分别显著增加11.01%、10.62% (P＜0.05)；而2021、2022 年Opt70%、Opt、Opt130%处理中施用AS 与CAN 较Urea 均提高了籽粒产量。2020—2022 年，Opt 处理施用CAN 和AS 的年平均产量 (9.18、9.39 t/hm2)较Urea (9.14 t/ hm2)分别增加了2.6%、0.4%。FNP 处理，2020、2021、2022 年施用CAN 均获得了最大值，较施用AS 和Urea 分别显著增加10.5% 和13.9%、9.9% 和3.7%、9.8% 和9.6% (P＜0.05)。

2.2 施氮量与氮肥种类对春玉米不同生育期地上部生物量积累的影响

从表2 可知，春玉米地上部干物质积累量随着生育期的推进逐渐增加。在V6 阶段，随着施氮量的增加，2020、2021 年平均地上部生物量的变化并无明显规律，而2022 年呈现显著增加的趋势。在VT阶段，当施氮量从CK 增加到Opt 时，3 年中平均地上部生物量随着施氮量的增加而增加；但当施氮量从Opt 增加到FNP 时，2021、2022 年平均地上部生物量增长不明显，而2020 年平均地上部生物量呈现显著降低趋势。在R6 阶段，随着施氮量的增加，3 年中平均地上部生物量呈现先增加后停滞甚至出现显著降低的趋势。Opt 处理下的VT 和R6 阶段3 年平均地上部生物量分别为7.3、16.3 kg/hm2，分别较CK 处理显著提高30.2%、46.8% (P＜0.05)。3 年Opt 处理以分别低于FNP 46.4%、30.7%、39.3%的施肥量，维持了与FNP 处理相一致甚至略高的地上部生物量。

表2 2020—2022 年不同施氮量与氮肥种类下春玉米地上部阶段生物积累量(t/hm2)Table 2 Peoridecal aboveground biomass accumulation of spring maize as affected by N rates and sources from 2020 to 2022

2020 年，六叶期、抽雄期FNP 中施用CAN 的地上部生物量显著高于施用Urea 处理，分别显著提升了27.5%、43.45% (P＜0.05)；成熟期Opt 中施用CAN 的地上部生物量较施用AS 处理显著增加6.1%(P＜0.05)，与施用Urea 间差异不显著。2021 年，抽雄期Opt130%中施用CAN 的地上部生物量较AS 显著增加17.61% (P＜0.05)，较Urea 增加16.05%；成熟期Opt130%、FNP 中施用CAN 较AS、Urea 增加4.8%～14.7%。2022 年，抽雄期Opt、Opt130%中施用CAN 的地上部生物量较Urea 分别显著增加16.5%、10.9% (P＜0.05)；成熟期FNP 中施用CAN 的地上部生物量较AS、Urea 分别显著提高了14.2%、9.7%(P＜0.05)。

2.3 不同施氮量与氮肥种类对氮肥偏生产力和氮肥农学利用率的影响

从表3 中可以看出，2020—2022 年，在同种氮肥中不同施氮量处理下的PFPN和AEN均呈现出Opt70%≥Opt≥Opt130%≥FNP 的趋势。2020、2021、2022 年Opt 处理下的PFPN较FNP 处理分别显著增加90.6%～115.0%、38.9%～49.8%、52.4%～60.7%，较Opt130%分别显著增加33.3%～50.9%、2.6%～21.4%、15.1%～23.2% (P＜0.05)。2020、2021、2022 年Opt 处理下的AEN较FNP 处理分别显著增加154%～522%、32.0%～58.6%、43.5%～62.1% (P＜0.05)。2020 年Opt 处理下的AEN较Opt130%处理显著增加36.2%～108% (P＜0.05)，而在2021 和2022 年两处理间差异不显著。

表3 2020—2022 年施氮量与氮肥种类对氮肥偏生产力和氮肥农学利用率的影响(kg/kg)Table 3 Partial factor productivity (PFP) and agronomic efficiency (AE) of N fertilizer as affected by N rates and N sources from 2020 to 2022

同一施氮量处理下，2020 年在Opt 和Opt70%中施用CAN 的PFPN较Urea 处理显著增加14.3%～17.2% (P＜0.05)，与AS 处理差异不显著；2021 年在Opt130%、FNP 中施用CAN 的PFPN较AS 处理分别显著增加21.4%、10.7%，Opt70%中施用CAN 的AEN较Urea 显著增加6.5% (P＜0.05)；2022 年，在Opt、Opt130% 中，施用CAN 的PFPN、AEN较AS 处理分别显著增加9.8%～14.6%、8.9%～18.9%(P＜0.05)，较Urea 处理分别显著增加9.4%～21.5%、17.1%～27.7% (P＜0.05)，而Opt70% 中Urea 与AS 处理下的PFPN、AEN间差异不显著。

2.4 不同施氮量与氮肥种类对土壤—作物系统表观氮素平衡的影响

为了反映优化施氮与农户施氮下春玉米种植体系中的土壤表观氮平衡的累加效果，采用2022 年的数据进行分析。2022 年优化施氮与农户施氮下土壤-作物系统表观氮素平衡结果如表4 所示。氮素输入量包括施氮量、播前0—90 cm 土层Nmin含量和表观氮矿化三项，其中施氮量和播前土壤Nmin(上年土壤残留Nmin)是氮素输入的重要组成部分，分别占总氮输入量的40.4%～43.9%、33.8%～46.3%，FNP、Opt、CK 处理氮素总输入量分别为669、405、158 kg/hm2。Opt、FNP 处理播前0—90 cm 土层Nmin含量与表观氮矿化量之和为234～389 kg/hm2，土壤本身的供氮能力远高于当季春玉米的吸氮量 (161 kg/hm2)。

表4 2022 年优化施氮与农户施氮处理0—90 cm 土层表观氮素平衡Table 4 Apparent N balance in 0-90 cm soil depth under the optimized and farmers’ N application rates in 2022

氮素输出项包括作物吸氮量、土壤残留Nmin和表观氮损失。在施氮量增加到一定程度时，作物吸氮量呈现增加的趋势，但当超过这一施氮量时，作物吸氮量就不再增加甚至会减少。Opt 处理春玉米吸氮量是CK 的2.7 倍，但与FNP 处理相当。同一施氮量下，施用CAN 的作物吸氮量高于AS 与Urea 处理，分别增加19.7%～21.3%、13.1%～16.6%，这可能是CAN 在产量方面表现优异的一个重要原因。由于作物吸氮量并未随着施氮量的增加而增加，导致土壤残留Nmin、表观氮损失量随着施氮量的增加而急剧增加。FNP 处理下的平均土壤残留无机氮是Opt处理下的2.1 倍，这可能是由于FNP 处理播前Nmin背景值高和施氮量高而作物携出量少所导致的。各施氮量下，施用CAN 的土壤残留Nmin低于AS 与Urea 处理。氮素输出中的表观氮损失与土壤Nmin呈现一致的趋势，Opt 处理中施用CAN 表观氮损失较AS、Urea 分别降低10.3%、11.0%；FNP 处理中CAN 表观氮损失较AS、Urea 分别降低12.1%、17.1%。FNP 处理下的平均表观氮素损失是Opt 处理下的2.0 倍，可见在施氮量从171 kg/hm2增加至280kg/hm2时，作物吸氮量并未明显增加而表观氮损失随着施氮量的增加而增加。氮素盈余由土壤残留Nmin和表观氮损失组成，其变化规律与土壤残留Nmin及表观氮损失表现相似。

2.5 不同氮肥种类下春玉米籽粒产量与施氮量间的关系

通过线性、线性+平台、抛物线模型模拟春玉米的3 年产量与各氮肥种类施用量之间的关系，得出线性+平台模拟下的拟合度最优。从图3 可以得出，该区域春玉米在AS、CAN 和Urea 处理下获得的平台产量分别为9.0、9.6 和9.1 t/hm2，对应平台施氮量分别为134.6、156.5 和165.1 kg/hm2，与3 年平均优化施氮量171.7 kg/hm2相接近。通过对比产量响应曲线获得的平台产量及平台施氮量，得出CAN 处理以低于Urea 处理5.5%的施氮量，获得了高于Urea 处理5.3%的产量。虽然产量响应曲线显示AS 处理与Urea 处理下的产量相一致，但AS 的氮施用量较Urea 氮施用量降低了18.6 kg/hm2。因此，该区域应用IRNM 施用CAN 和AS 获得的产量效益高于Urea处理。

图3 2020—2022 年施用不同氮肥春玉米籽粒产量与施氮量间的关系Fig.3 Relationship between grain yields and N application rates as affected by nitrogen fertilizers from 2020 to 2022

2.6 不同施氮策略对施氮效益的影响

试验设计中设置Opt70%与Opt130%的原因是需要验证Opt 的效果是否为最佳，综合产量(图2)、生物量(表2)和氮肥利用率(表3)，可以得出Opt 处理效果优于Opt70%、Opt130%处理的结论，因此只将CK、Opt、FNP 处理的施氮效益进行对比与分析。从表5 可知，无论是Opt 还是FNP 处理，3 种氮肥的产量收益均为CAN＞AS＞Urea，总收益与施氮效益则为AS＞Urea＞CAN。Opt 处理在播前、六叶期、抽雄期进行3 次施肥，而FNP 处理在播前、六叶期进行两次施肥，因此Opt 处理施肥劳动力成本较FNP 高出290 元/hm2。Opt 处理中，虽然施用CAN 的产量收益较AS、Urea 分别增加了2.3%、4.1%，但总收益分别降低了6.3%、3.9%，施氮效益分别降低了18.5%、12.2%；FNP 处理中，施用CAN的产量收益较AS、Urea 分别增加了7.1%、7.7%，总收益分别降低了7.9%、5.9%，施氮效益分别降低了26.2%、20.4%。从平均施氮效益看，Opt 处理平均施氮效益和总收益分别为4514、14004 元/hm2，FNP处理施氮效益和总收益分别为3675、13165 元/hm2，Opt 处理下平均施氮效益和总收益较FNP 分别增加了22.8%、6.4%。综合来看，由于受到肥料价格的影响，在产量收益较高的CAN 处理中，其总收益、施氮效益在Opt、FNP 处理中均低于AS、Urea 处理。

表5 优化施氮及农户施氮量下施用不同氮肥的平均效益 (元/hm2)Table 5 Average profits (yuan/hm2) of N application as affected by nitrogen fertilizers under the optimized and farmers’ N application rates

3 讨论

作物地上部生物量积累是籽粒产量提升的物质基础[23]，随着生育期的推进(尤其是六叶期以后)，春玉米地上部生物量增加的速率越来越快，说明玉米中后期需氮较多，在六叶期后增施氮肥可以满足作物高产的需求。在农田实际生产中，作物产量随着施氮量的增加呈现出先增加后停滞甚至递减趋势[23-25]。这与我们研究结果相一致，春玉米地上部生物量与籽粒产量均随着施氮量的增加(CK-Opt、Opt-FNP)呈现出先增加后停滞甚至下降的趋势，这一方面可能是过量施氮使前期营养生长阶段植株旺盛，导致后期生殖生长阶段干物质从营养器官到生殖器官的转运能力下降，造成作物的奢侈吸收而未产生更多的籽粒产量[26]；另一方面也可能是过量施氮导致作物冠层内透光率相对较低，降低了后期作物的光合性能，进而影响了玉米产量和生物量[27]。虽然不同区域施氮量对产量的影响效果相同，但是高产玉米体系中的适宜施氮量并不相同。朱建国等[28]研究发现在呼和浩特地区玉米生产中，当施氮量为270～350 kg/hm2时可获得较高的春玉米产量。熊伟仡等[29]研究发现漬江试验农场在施氮量为139～180 kg/hm2时可以实现该区域春玉米高产高效的目标。由此可见，不同区域玉米的适宜施氮量之间差异较大，其原因可能是由于不同的土壤理化性质、作物品种、气候条件、栽培措施等因素所造成的[28-29]。因此，为了满足滨海盐渍土区域春玉米吸氮与土壤供氮相同步的需求，本研究的优化施氮量依据Cui等[20]和Yan 等[30]研究中的氮目标值进行估算。2020、2021 和2022 年Opt 处理下春玉米生育期总施肥量分别为150、194 和171 kg/hm2，分别以低于FNP 46.4%、30.7%和39.3%的施肥量，得到了与FNP 处理相近的产量与生物量，此施氮量与朱兆良等[31]推荐的150～180 kg/hm2施氮量相一致。楚光红等[32]在研究施氮量对玉米生长的影响中，发现随施氮量的增加，氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力均明显降低。这与本研究结果一致，随着施氮量的增加，PFPN和AEN均逐渐降低，呈现出Opt70%＞Opt≥Opt130%＞FNP 的趋势。即使Opt70%能够获得较高的PFPN和AEN，但该处理下的生物量和产量显著低于Opt 处理。因此，为了协调作物产量和氮肥利用率之间的矛盾，应需在保证作物产量达到平台的前提下尽可能提高氮肥利用率，避免过度施氮导致作物的奢侈吸收[33]。本研究结果中Opt 处理的PFPN和AEN显著高于FNP 处理，并且也高于我国玉米两值的平均水平(51.6 和9.8 kg/kg)[34]，其原因可能是：1)基于IRNM 技术的优化施氮处理施氮量低于农户平均施氮水平，获得的产量却与农户施氮持平，进而使得PFPN和AEN两值较高；2)该区域属于中低产田的分布区，土壤质量差，产量水平相对较低，产量提升空间相对较大。

由于不同肥料性质不同，使得在同一区域施用不同形态氮肥的效果也有所差异。Amanullah 等[35]研究表明，在半干旱气候条件下，施用AS 和CAN 对玉米产量和产量构成因素的增益效果显著优于Urea(AS＞CAN＞Urea)。Abbasi 等[36]研究表明在干旱山地生态系统中，施用CAN 能改善玉米的生长特性，提高秸秆产量和籽粒产量，其效果优于AS 与Urea。这与我们的研究结果并不完全一致，2020 年Opt 处理Urea 获得春玉米产量最大值，可能是由于2020年温度高和降水量低(图1)，导致土壤中脲酶活性降低[37]，减缓Urea 分解速率，从而满足中后期作物的氮需求，提高作物的产量。在2021 年正常雨水和2022 年多雨条件下，Opt 处理施用CAN 获得春玉米产量和生物量显著高于Urea，并且PFPN和AEN分别高于Urea 9.4%～21.5%、17.1%～27.7%，这与高华鑫等[38]施用CAN 的研究结果一致，其原因可能是：1) CAN 处理下的作物吸氮量高(表4)，CAN 含有NH4+-N 和NO3--N 两种形态氮素，施入土壤后能够充分发挥各种形态氮素的优势，在生长早期可以直接向植物提供NO3-，在生长后期可向作物提供NH4+，使氮肥有效时间长于AS 与Urea，进而增强作物吸收氮素[35-36]；2) CAN 结构中还含有Ca2+，能够补充作物生长所必需的元素Ca，也能够置换土壤中的Na+，使Na+淋出玉米根层，改善盐渍土土壤结构，提供给作物良好的生长环境，使得产量高于其他氮肥种类[39]。因此，在高温少雨年份下，施用Urea 的产量效果优于其他氮肥种类，而在正常雨水或多雨年份下，施用CAN 和AS 的增益效果较为突出。Amanullah 等[35]在巴基斯坦研究施氮量和氮源对玉米的产量和经济效益的影响时，发现AS、CAN、Urea 的经济最佳施氮量分别50～100、100～150、150～200 kg/hm2。因此，为探索在滨海盐渍土区域产量最佳时各种氮肥的最佳施氮量，采用线性加平台模型探索春玉米3 年产量与各种氮肥施用量之间的关系，获得的不同氮肥种类(AS、CAN 和Urea)平台施氮量(134.6、156.5 和165.1 kg/hm2)与Opt 施氮量171.7 kg/hm2相接近，此施氮量既能维持作物产量也能提高氮肥利用率，说明Opt 处理能够以较低的施肥量优化农学指标。

土壤-作物体系氮素表观平衡是反映施氮量与植株吸氮量关系的一项重要指标[40]。上茬作物土壤残留Nmin(播前土壤Nmin)可以为下茬作物的生长发育提供氮源。为了探索施氮量与氮肥种类对土壤-作物体系0—90 cm 土层表观氮素平衡的累积影响，我们使用了2022 年春玉米季数据进行验证和分析。基于本研究施氮量对产量、生物量、氮肥利用率的影响，3 年均验证了Opt 最优的处理效果，因此决定采用CK、Opt、FNP 3 个处理的土壤-作物体系氮素表观平衡结果进行分析。崔振岭等[41]发现，小麦/玉米轮作体系中0—90 cm 土层土壤Nmin残留量控制在65～151 kg/hm2范围内，可以实现高产、高效、环保的目标。本研究中，播前0—90 cm 土层Nmin含量与表观氮矿化量之和为158～397 kg/hm2，而玉米的吸氮量为58～182 kg/hm2，可见土壤本身的供氮能力高于当季春玉米全生育期的吸氮量，再增施氮肥将会造成过高的氮素盈余。多项研究表明过量施氮不仅不会增加作物产量，反而会造成土壤硝态氮逐年累积和氮素损失[40,42-43]。本研究中，Opt 处理施氮量下，土壤氮素输入量就已达到406 kg/hm2，而当施氮量继续增至FNP 处理时，土壤氮输入量达到更高的669 kg/hm2，已远超作物整个生长发育期的需氮量，致使氮素表观损失和氮盈余过高。因此，氮肥用量阈值的确定需要综合考虑施氮量、植株吸氮量和土壤氮库三者间的平衡关系[44]。也有相关研究综合考虑土壤Nmin残留量，表明玉米季施氮量为179.5～243.7 kg/hm2时，作物不但能获得相对较高的产量和氮肥利用率，并且也能在作物收获前后稳定0—100 cm土壤Nmin含量[40,43]，这与本研究中Opt 处理下的结果相一致。基于IRNM 技术Opt 处理的作物吸氮量与FNP 处理基本一致，且Opt 处理播前土壤Nmin背景值低和施氮量低，从而获得了比FNP 处理低50%左右的土壤Nmin残留量和表观氮素损失。CAN 处理下的土壤残留Nmin、表观氮损失、土壤氮素盈余量略低于AS 与Urea 处理，这可能是因为：1)在施氮量和表观氮矿化相同的情况下，虽然CAN 播前Nmin含量高，但由于其吸氮量较高，使得土壤残留无机氮、表观氮损失、土壤氮素盈余量略低于AS 和Urea；2)CAN 是含钙物质，其施用改良了盐渍土土壤结构，促进作物根系吸收氮素，使得土壤残留Nmin较少。因此，IRNM 技术条件下施用CAN 的氮素表观平衡优于其他两种氮肥，综合环境效益来说，可以推荐CAN 作为在滨海盐渍土区域高产、高效、环保的一种氮肥。

Opt 处理下的3 年平均施氮效益较FNP 处理增加了839 元/hm2，这主要是由于FNP 处理施氮量较高，导致在肥料费用方面高于Opt 处理，最终施氮效益低于Opt 处理。尽管CAN 处理能够获得较高的籽粒产量、氮肥偏生产力、氮肥农学利用率以及较低的土壤残留Nmin和氮素表观损失，但是由于其肥料单价是AS 与Urea 的3 倍，从而导致其施氮效益较低。综合3 年平均施氮效益可以看出，无论是在Opt 处理还是FNP 处理，施氮效益较高的均为AS 处理。Chien 等[45]研究表明，与AN (硝酸铵)和Urea 相比，AS 是一种为植物同时提供N 和S 元素的生理酸性氮源，其具有潜在的农艺效益和环境效益，在盐渍土中施用AS 可以促进多孔土壤团聚体的形成以改善盐渍土土壤结构，从而降低NaCl 对植物生长的负效应；并且AS 的单价较低，亦是更经济的氮源。本研究中虽然CAN 在农学指标中表现出优势，但一般与AS 的效果差异不明显。因此，从经济效益来说，可以推荐AS 作为滨海盐渍土区域的适宜肥料类型。

综上所述，在滨海盐渍土区域春玉米种植体系中，应用基于目标产量10 t/hm2的IRNM 技术，可使氮肥施用、土壤供氮与作物需求在时空上相同步，以施用150～194 kg/hm2的氮肥用量实现高产、高效、环保的效果。Opt 处理以0—90 cm 土壤硝态氮含量为确定施氮量的重要依据，并在V6 和VT 两个阶段进行氮肥调控以紧密结合作物关键生育期的氮素需求，以较低的施氮量获得了比FNP 处理更高的产量、地上部生物量以及氮肥利用率、氮素表观平衡、经济效益，进而为实现该区域节肥增产增效提供理论与技术基础。但是由于不同种类氮肥对土壤条件、管理措施、作物品种以及气候条件等因素的响应并不相同，因此需要进行长期定位试验以获取更多的参数指标，进一步探索不同种类氮肥在滨海盐渍土区域节肥增产增效的机理，为实现该区域农业绿色发展提供科学指导。

4 结论

基于根层氮素实时调控技术，在玉米需氮量大的六叶期和抽雄期进行精准施肥的优化氮肥管理，可以在减少氮肥施用量的同时维持作物产量和生物量，提高氮肥利用率，降低土壤残留无机氮含量和表观氮素损失，获得高于农户习惯施氮量的施氮效益。在滨海盐渍土区域目标产量为10 t/hm2时，采用根层氮素实时调控技术，施用150～194 kg/hm2的硫酸铵，可以实现春玉米产量、氮肥利用率和经济效益的协同提高。