化肥減量替代對華北平原小麥-玉米輪作產量及氮流失影響

秦雪超，潘君廷，郭樹芳，翟麗梅*，王洪媛，武淑霞，劉宏斌

（1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業農村部面源污染控制重點實驗室，北京100081;2.云南省農業科學院農業環境資源研究所，昆明650201）

化肥對促進作物生長，保證作物高產、穩產具有重要作用[1]。中國是世界上最大的化肥生產和消費國，在2013年，我國農用化肥消耗量達到了5 911.9萬t，超過世界化肥消耗總量的1/3。2014 年，我國耕地化肥施用量為447.2 kg·hm-2，遠超過僅為125.5 kg·hm-2的世界平均化肥施用量[2]。我國每年氮肥施用量為3 360 萬t，占全球的33%，導致農田氮盈余量已達到175 kg·hm-2[3]。大量化肥投入造成土壤氮盈余，這不僅污染大氣和水體，也造成資源浪費。

在我國華北平原小麥-玉米輪作體系中，每年氮肥投入量為588 kg·hm-2，遠高于其他國家氮肥施用量[4]。有研究指出，對高化肥投入量的農田，適量的減施化肥不會影響作物產量[5]，且能顯著減少土壤氮盈余[6]。趙亞南等[6]研究指出，在氮肥用量從180 kg·hm-2減為96 kg·hm-2時，小麥產量并未減產，且提高了肥料利用率。另外，畜禽糞便中含有豐富的氮資源。據統計，我國2015 年畜禽糞尿中氮產生量為1 229 萬t[7]。與單施化肥相比，有機肥能提高土壤微生物多樣性，提高微生物和酶活性，降低土壤容重，改善土壤結構，活化土壤養分等[8-9]。畜禽糞便經厭氧發酵后產生的沼氣可作為能源物質，沼液可作為一種液體有機肥還田再利用。有研究表明單施化肥與50%的沼液替代相比對玉米產量并無顯著差異[10]，而王桂良等[11]研究指出小麥產量在50%的沼液替代時產量最高。沼液和化肥合理配施能提高作物產量，增加土壤有機質和土壤氮、磷、鉀等速效養分含量[11-13]。目前的研究大多只是單獨研究化肥減量或者有機無機配施，而化肥減量與沼液配施相結合對于大田作物生長和環境影響特征的研究相對較少。

華北平原屬于暖溫帶季風氣候，冬季干燥寒冷，夏季高溫多雨，年降水量為500～900 mm，但區域間差異大，如在河北省中南部降雨量＜500 mm。施肥和降水是影響農田氮流失的主要因素。農田地下淋溶和地表徑流是氮素進入水體的主要方式。在旱地作物中，氮淋溶流失量要高于徑流流失量。段然等[5]研究指出，土壤氮素徑流流失量低于0.70 kg?hm-2，而氮素淋失量卻遠高于此[14-15]。有研究表明大量施用氮肥必將導致土壤中硝態氮大量淋失[16]。與單施化肥相比，有機無機配施能降低農田總氮、硝態氮和銨態氮淋失量[17-18]。有機肥能夠改善土壤理化性質，增加土壤孔隙度，增強滲透性，提高土壤容納雨水能力，減少氮素流失[19]。

本研究為了保證華北平原小麥、玉米產量的可持續性，探討了在減施化肥條件下，單施化肥和部分有機替代對于作物產量和氮流失的影響，以期為化肥合理減施提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗地位于河北省正定縣新安鎮（38°14.29′N，114°34.52′E），土壤類型為黃褐土，質地為中壤。平均海拔為78 m，年平均氣溫為13.1 ℃，年平均降雨量為489 mm，屬于黃淮海半濕潤平原，種植模式為冬小麥-夏玉米輪作。冬小麥生育期為每年10 月初到次年6 月初，夏玉米生育期為每年6 月中旬到10 月初。試驗開始時土壤（0～20 cm）基礎理化性質為：土壤容重1.24 g·cm-3，pH 7.5，有機質21.5 g·kg-1，總氮0.91 g·kg-1，總磷0.75 g·kg-1，有效磷24.1 mg·kg-1，硝態氮12.9 mg·kg-1，銨態氮0.74 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗始于2014 年，設置3 個處理：（1）CON，常規施肥；（2）RF，化肥減量；（3）RFM，化肥減量替代（10%沼液+90%化肥減量）。沼液取自試驗田附近養殖場，年投入量為22.5 t·hm-2。各處理具體施肥量見表1。氮肥50%作基肥，50%作追肥施入農田，磷、鉀肥和沼液于每年的10 月初玉米收獲后和小麥種植前一次性施入土壤。每個處理設3 個重復，小區面積為36 m2（8 m×4.5 m）。根據小麥和玉米生長狀況進行灌溉，2015 年和2016 年小麥生育期灌溉2 次，分別在返青拔節期和灌漿乳熟期；玉米生長期灌溉1 次，在出苗時期。2017 年小麥生育期灌溉3 次，分別在苗期、返青拔節期和灌漿乳熟期；玉米生長期灌溉2 次，分別在出苗期和乳熟期。灌溉方式為溝灌，每次灌溉量均為125 mm。小麥、玉米品種分別為衡4399 和星碩F1。在小區地下90 cm 處安裝淋溶液收集桶，用于收集每次降雨或灌溉產流后的滲濾液。田間徑流水收集池長4.5 m、寬1.0 m、深1.5 m，用于收集每次徑流產流水樣（圖1）。

表1 不同處理具體施肥量Table 1 Amount of fertilizer application under different treatments

圖1 田間淋溶水（a）和徑流水（b）收集裝置Figure 1 The collection devices of leaching（a）and runoff（b）in cropland

1.3 樣品采集與測定

每年在玉米收獲后，用直徑5 cm 的土鉆在每個小區多點隨機采集0～100 cm 土樣，每20 cm 為一層，混勻并裝在密封的塑料袋中，用于進一步分析。每年6 月和10 月小麥、玉米收獲時采集一定面積植株樣，風干、脫粒，計算籽粒和秸稈干物質量。在每次灌溉或降雨產流后測量滲濾液和徑流水體積，并取100 mL 水樣放置于-20 ℃冰箱中冷凍保存，用于進一步分析。及時清空剩余的滲濾液和徑流水，避免干擾下一次采樣。

水樣中的總氮用紫外分光光度計測定，可溶性總氮、硝態氮和銨態氮濃度用連續流動分析儀（AA3）分析。土壤含水率采用烘干法，土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法，土壤全氮采用凱氏定氮法，土壤全磷采用H2SO4-HClO4消煮，有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3溶液浸提-鉬銻抗比色法，硝態氮采用0.01 mol·L-1CaCl2溶液浸提，連續流動分析儀（AA3）測定。作物收獲后，用H2SO4-H2O2消煮，凱氏定氮法測定小麥、玉米籽粒和秸稈中全氮含量[20]。

氮盈余（kg·hm-2）=施氮量+降雨氮輸入量+灌溉氮輸入量-（作物吸氮量+氮淋溶淋失量+氮徑流流失量）

氮表觀流失率（%）=氮淋失量（徑流流失量）/施氮量×100%

水體氮損失排放強度（kg N·Mg-1）=（氮淋失量+氮徑流流失量）/作物產量

氮淋失量計算公式：

式中：NL為總氮、可溶性總氮、硝態氮或銨態氮淋失總量，kg·hm-2；n為淋溶發生次數；NLCi為總氮、可溶性總氮、硝態氮或銨態氮淋失濃度，mg·L-1；Vi為每次淋溶發生時淋溶水體積，L；1.2為淋溶收集面積，m2。

氮徑流流失量計算公式：

式中：NR為總氮、可溶性總氮、硝態氮或銨態氮徑流流失總量，kg·hm-2；n為徑流發生次數；NRCi為總氮、可溶性總氮、硝態氮或銨態氮流失濃度，mg·L-1；Vi為每次徑流發生時徑流水體積，L；4.5為徑流池面積，m2。

1.4 數據處理與分析

運用Microsoft Excel 2016 進行數據分析、處理和繪圖，運用SPSS 22 單因素方差分析進行顯著性檢驗，LSD法進行均值比較。

2 結果與分析

2.1 作物產量

根據3 a的試驗結果，CON與RF、RFM 處理相比，小麥和玉米產量差異均不顯著（P＞0.05）（圖2），CON、RF、RFM 3 個處理小麥年均產量分別為9 234、9 068、9 022 kg·hm-2，玉米年均產量為9 701、9 555、9 822 kg·hm-2。適當減施化肥不會顯著降低作物產量，且配施沼液能提高玉米產量。

2.2 農田氮素淋失濃度和淋失量變化

研究區域灌溉和降雨多發生在4—10 月，該時段是淋溶發生的主要時期。在此期間，CON、RF和RFM處理的氮素流失濃度隨月份增長而先增加后降低，其中7 月和8 月是最高時期。CON、RF 和RFM 處理的總氮濃度變化范圍為2.00～109.64、3.35～70.55 mg·L-1和4.30～53.10 mg·L-1，平均值為33.70、23.10 mg·L-1和20.00 mg·L-1（圖3）。與CON處理相比，RF和RFM處理平均總氮淋失濃度分別降低了31.45%和40.65%。總氮淋溶濃度峰值出現在施肥后發生灌溉或連續降雨的時期。CON 處理淋溶水中總氮淋失濃度顯著高于RF和RFM處理（P＜0.05），其中，RFM處理降低氮淋溶效果最佳。

圖2 不同年份各施肥處理小麥和玉米籽粒產量Figure 2 Grain yield of wheat and maize under different treatments in different years

不同處理總氮、可溶性總氮和NO-3-N 淋失濃度變化趨向一致（圖3）。全年間淋溶水總氮、可溶性總氮和NO-N呈現先增加后降低的趨勢。7月和8月是氮素淋溶濃度最高的時期，且氮素濃度波動較大。7月，CON 處理總氮、可溶性總氮和NO-N 平均濃度分別為68.47、60.12 mg·L-1和52.37 mg·L-1，均顯著高于RF和RFM處理（P＜0.05）。根據地下水質量標準（GB/T 14848—2017），僅有CON 處理7 月淋溶水NO-N 平均濃度超過30.00 mg·L-1，達到了Ⅴ類水標準，由此可見，化肥減量和化肥減量替代能夠有效降低土壤NO-N淋失風險。

CON 處理總氮淋失量為22.01 kg·hm-2，顯著高于RF 和RFM 處理（P＜0.05）（圖4），和CON 相比，RF 和RFM 處理總氮淋失量減少了30.58% 和43.39%。CON 處理的可溶性總氮和NO-N 淋失量均顯著高于RF 和RFM 處理，而RF 和RFM 處理間無顯著差異。和CON 處理相比，RF 和RFM 處理可溶性總氮淋失量分別降低了30.70%和42.46%，NO-N 淋失量分別降低了34.46%和45.95%。各處理NH-N 淋失量一直維持在一個較低的水平，且無顯著差異。常規施肥極大增加了氮素淋失量，相較于化肥減量，化肥減量替代能更有效地降低氮素淋失量。

圖3 不同月份淋溶水總氮、可溶性總氮和硝態氮濃度變化Figure 3 Dynamics of total nitrogen（TN），total dissolved nitrogen（TDN）and NO-N concentration in leachate water during the different months

2.3 農田氮素徑流濃度和流失量變化

圖4 總氮、可溶性總氮、硝態氮和銨態氮年均淋失量Figure 4 Average annual leaching of total nitrogen（TN），total dissolved nitrogen（TDN），NO-N and NH-N

3年研究期間地表徑流產流次數僅為2次。在產流前兩周內分別有3 次和4 次降雨，多次的降雨導致土壤水處于飽和狀態，促使徑流產生。在第一次產流時，CON 處理總氮濃度顯著高于RF 和RFM 處理（P＜0.05）。而在第二次產流時，由于降雨量較小，且遠離施肥期，各處理徑流水中總氮濃度無顯著差異。

全年僅有7 月產生了徑流，且氮素濃度波動較大（圖5）。7月，CON 處理總氮、可溶性總氮和NO-3-N平均濃度分別為23.03、19.99 mg·L-1和17.60 mg·L-1，均高于RF 和RFM 處理。與CON 處理相比，RF 和RFM處理總氮、可溶性總氮和NO-3-N 平均濃度分別降低了32.90% 和45.50%、30.10% 和44.80%、30.50% 和47.00 %。

CON、RF 和RFM 處理總氮徑流損失量分別為0.10、0.07 kg·hm-2和0.05 kg·hm-2（圖6），化肥減量替代降低了總氮流失量。其中可溶性總氮、NO-3-N 和NH+4-N 分別占總氮流失量的86.60%、73.30% 和5.01%。NO-3-N是徑流水中氮素流失的主要形態。

2.4 農田不同施氮處理淋溶、徑流氮損失的比例和氮素平衡

圖5 不同月份徑流水中總氮、可溶性總氮、硝態氮濃度變化Figure 5 Dynamics of total nitrogen（TN），total dissolved nitrogen（TDN）and NO-N concentration in runoff water during the different months

CON、RF 和RFM 處理氮淋溶表觀流失率分別為4.19%、4.07%和3.32%（圖7），氮徑流表觀流失率分別為0.02%、0.02%和0.01%，化肥減量替代降低了氮素流失。氮淋溶和徑流表觀流失率分別為3.86%和0.02%，與徑流相比，淋溶是氮素流失的主要途徑。CON、RF 和RFM 處理水體氮排放強度分別為1.17、0.82 kg N·Mg-1和0.66 kg N·Mg-1（圖7）。化肥減量和化肥減量替代顯著降低了水體氮排放強度，其中以化肥減量替代效果最為顯著，降低了43.59%。

圖6 土壤總氮、可溶性總氮、硝態氮和銨態氮年均徑流損失量Figure 6 Average annual runoff loss of total nitrogen（TN），total dissolved nitrogen（TDN），NO-N and NO-N in soil

圖7 不同處理淋溶、徑流氮表觀流失率和水體氮排放強度Figure 7 Apparent nitrogen loss ratio of leaching and runoff，and nitrogen emission intensity via（leaching and runoff）water of different treatments

化肥是農田氮素輸入的主要來源，灌溉和降雨分別占農田氮輸入的5.69%～12.74%和0.65%～7.46%（圖8）。作物吸氮量為296～396 kg·hm-2，是農田氮素輸出的主要形式，占總氮輸入的54.95%～83.63%。氮淋溶占總氮輸出的1.21%～9.88%，而氮徑流流失最高占比僅為0.04%。作物攜出是農田氮素主要輸出方式，但各處理間并無顯著差異。CON、RF和RFM處理年平均氮盈余量分別為218.06、72.56 kg·hm-2和96.20 kg·hm-2，CON 處理顯著增加了土壤氮盈余量。與CON 處理相比，RF和RFM 處理土壤氮盈余分別降低了66.72%和55.88%（P＜0.05）（圖8）。相較于RF和RFM，CON處理呈現出更高的氮淋溶和徑流流失風險。

3 討論

3.1 化肥減量配施沼液對作物產量的影響

本研究中常規施肥處理與減量施肥處理相比，小麥和玉米產量并沒有顯著變化，但前者盈余量遠高于后者。這一結果表明，區域施肥不合理條件下，適當降低肥料投入可以保證作物產量，降低氮盈余量[6，21]。化肥的施用量遠超作物需求量，不僅對作物產量增加無益處，還會大幅增加土壤中氮的盈余，造成氮資源浪費[22]。本研究發現，與單施化肥相比，沼液與化肥配施增加了玉米產量，但效果并不顯著，這與有機肥的替代比例有關[23]。王桂良等[11]研究指出，用沼液替代30%的化肥氮未能顯著提高小麥產量，且隨著沼液替代量的增加，小麥產量呈現先增加后降低的趨勢。也有研究表明[24]沼液替代50%化肥并未顯著增加作物產量。合適的有機肥替代量應取決于土壤肥力，肥力較貧瘠的土壤，應采用較低的有機替代比例，以滿足作物對養分的即時需求，減少微生物生長繁殖所消耗的養分；肥力較高的土壤，可采用較高的有機肥替代比例，以提高土壤微生物活性，活化土壤養分，同步提高作物產量和土壤肥力[25]。

圖8 不同年份農田氮素輸入和輸出量變化Figure 8 Changes of nitrogen input and output in cropland in different years

3.2 化肥減量配施沼液對土壤氮素流失和氮平衡的影響

地表徑流和地下淋溶是農田氮素流失的兩個主要途徑。灌溉和降雨是促使土壤產生淋溶和徑流的主要驅動力，連續強降雨更易增加淋溶水中氮素濃度，加大氮素流失[26-28]。肥料氮是氮素流失的物質基礎，施肥量的高低是造成氮素流失量大小的重要因素[29-32]。例如，王立剛等[33]在山東桓臺的研究結果指出，當氮肥投入量高于300 kg·hm-2時作物產量不再增加，但氮淋失量卻急劇升高。高施肥量引起氮素流失量增加主要是由于氮肥大量投入到農田后，未被植物吸收利用的氮素殘留在土壤中，在干旱地區經過硝化作用，使得殘留在土壤中的無機氮多以NO-3-N 的形式存在，極易隨土壤水向下遷移[16]。本研究在目前華北平原常規施氮量基礎上，小麥和玉米季氮肥分別減施75 kg·hm-2下，實現了總氮淋失量降低30.58%，淋溶液和徑流水中的總氮濃度也分別顯著降低了31.45%和32.92%。本研究各處理間淋溶水量并無顯著差異，進一步表明合理的施肥管理措施是降低氮淋失的主要途徑。

雖然地下淋溶和地表徑流是氮隨水流失的兩個主要途徑，但是由于本研究所處華北平原，研究區內僅有2017 年作物生育期年降雨量超過了450 mm，且單次降雨強度較弱，因此區域內地表徑流發生幾率較低[34-35]。研究期間，試驗區3 年僅產生了2 次徑流，與徑流相比，淋溶是該地區氮素流失的主要途徑。常規施肥處理氮年均淋失量為22.01 kg·hm-2，表觀淋失率為4.19%，顯著高于徑流損失。Ju 等[36]的研究也得出了相似的結論，其指出華北平原小麥季氮素在1 m 土層中的淋失率約為2.7%，玉米季約為12.1%。

相較于化肥減量，化肥減量替代能進一步有效降低總氮流失量[37-40]。已有研究表明，商品有機肥配施能顯著降低土壤總氮和硝態氮的淋失，且隨著有機肥配施比例的增加，土壤氮淋失量明顯下降[40]。這可能是由于有機肥中含有的微生物等在作物生長初期可以固定施入土壤中的盈余氮素，并在作物生長中后期通過礦化作用再將氮釋放，從而減少了硝態氮向深層土壤的淋失[41]。本研究使用的是沼肥，替代比例為10%，在此替代比例下，沼肥替代處理仍較等量化肥處理總氮淋失量減少了18.49%，表觀流失率降低了18.43%。沼肥施入土壤后，其所帶入的水分、銨態氮和總氮主要集中于0～5 cm 表層土壤，在深層土壤中并無顯著差異[42]，且沼肥施入提高了生育期土壤固氮菌的數量，有助于減少氮流失[43]。Du 等[15]研究表明，沼液中含有大量的銨態氮和可以礦化為銨態氮的有機氮復合化合物，因此沼液替代化肥可減少土壤氮素淋失率，但不同的替代比例效果不同。由于沼液中氮的形態主要是銨態氮，沼液替代化肥施入農田后，在降低氮淋溶的同時可能會提高農田氨揮發的排放量[10]，且沼液配施增加了土壤水分含量，可能對氮的反硝化有促進作用[44]。如黃紅英等[45]研究指出，沼液全量替代提高了農田N2O 排放量。此外還需注意沼液大量還田所帶入的抗生素以及重金屬污染等問題[46]。

4 結論

（1）淋溶是華北平原氮素流失的主要途徑。氮素流失的主要形態是硝態氮，分別占淋溶和徑流總氮流失量的66.31%和73.33%。

（2）根據作物氮素需求適當降低化肥氮投入可以在保證作物產量的同時顯著降低氮素流失的環境風險。

（3）在一些養殖集中區域，在減施化肥的基礎上適當進行化肥替代，可進一步降低氮素流失造成的環境風險。而合理的沼液替代比例是保證作物產量和管控環境風險的關鍵，也是未來進一步探究的重點。