2005—2020年山東省小麥玉米氮肥利用率分析

劉玉敏，馬榮輝，徐鈺，楊巖，石璟，王梅，李妮，郭躍升，江麗華

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，山東 濟(jì)南 250100；2.山東省土壤肥料總站，山東 濟(jì)南 250100）

山東省是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，其中小麥和玉米的產(chǎn)量分別約占全國總產(chǎn)量的20%和10%，而且小麥和玉米單產(chǎn)相較于1980年增加了2～3倍［1］。氮肥的應(yīng)用對作物產(chǎn)量的增加、保障糧食安全發(fā)揮了重要作用。研究表明，世界作物產(chǎn)量的增加有30%～50%來自于氮肥的貢獻(xiàn)，這可以多養(yǎng)活全球近一半的人口［2］。所以農(nóng)民為了獲得更高的作物產(chǎn)量，往往會施入大量氮肥。但是，作物僅利用了其中30% ～40%的氮素，一半以上的氮肥通過各種途徑損失到環(huán)境中［3］，隨之衍生許多環(huán)境問題，如：土壤酸化、水體富營養(yǎng)化、增加溫室氣體排放等［4］。因此，如何優(yōu)化氮肥施用，在保證作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)上提高氮肥利用率是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題。而新型肥料的研發(fā)以及施肥新技術(shù)的應(yīng)用在我國的糧食生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。如自2005年起推行的測土配方施肥技術(shù)以及以緩控釋肥料為代表的新型肥料應(yīng)用均影響作物的氮肥利用率［5-7］。在此背景下，研究近15年來山東省小麥、玉米氮肥利用率的變化趨勢及影響因素對于未來農(nóng)業(yè)的氮肥管理十分重要。為此，本研究利用已發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)和在全省各地區(qū)布置的田間試驗(yàn)，探究山東省小麥、玉米氮肥利用率的時空變異，分析有助于提高氮肥利用率的生產(chǎn)管理措施，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供重要技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究中，文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來自中國知網(wǎng)（CNKI）、Web of science等中英文數(shù)據(jù)庫中已發(fā)表的文獻(xiàn)。在數(shù)據(jù)庫中以“氮肥利用率（nitrogen utilization efficiency）”“山東省（Shandong Province）”“小麥（wheat）或玉米（maize）”為檢索詞，收集2005年1月至今關(guān)于山東省小麥和玉米氮肥利用率的研究論文。文獻(xiàn)的收集標(biāo)準(zhǔn)為：（1）試驗(yàn)地點(diǎn)為山東省；（2）氮肥利用率數(shù)據(jù)必須為大田試驗(yàn)獲得；（3）采用差值法測定小麥和玉米的氮肥利用率，即施氮區(qū)和不施氮區(qū)地上部作物吸氮量之差除以施氮量［8］；（4）論文中同時要有相應(yīng)的產(chǎn)量和氮肥用量數(shù)據(jù)。經(jīng)以上標(biāo)準(zhǔn)篩選，獲得符合條件的小麥相關(guān)文獻(xiàn)共33篇，試驗(yàn)觀測數(shù)289個；玉米相關(guān)文獻(xiàn)45篇，試驗(yàn)觀測數(shù)374個。

1.2 田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)氮肥利用率的數(shù)據(jù)來自于2018—2020年山東省土壤肥料總站在全省布置的78個小麥田間氮肥效試驗(yàn)和46個玉米氮肥效田間試驗(yàn)。每個田間試驗(yàn)都包括兩個處理：對照處理（不施氮肥，只施磷鉀肥）和氮肥施用處理。施氮處理的氮磷鉀肥用量參考當(dāng)?shù)厥┓柿?xí)慣的調(diào)研數(shù)據(jù)，其中氮肥（N）用量為90～282 kg/hm2，磷肥（P2O5）用量為45～180 kg/hm2，鉀肥（K2O）用量為37.5～180 kg/hm2。對照除不施氮肥外，其他條件與施氮處理完全相同。

1.3 數(shù)據(jù)整理與計算

本研究數(shù)據(jù)庫以氮肥利用率數(shù)據(jù)為主，還包括文獻(xiàn)信息、試驗(yàn)?zāi)攴荨⒌乩砦恢谩⑼寥阑A(chǔ)性質(zhì)、基礎(chǔ)產(chǎn)量、產(chǎn)量、氮肥施用量、氮肥種類等信息。為了研究氮肥利用率在不同年代和區(qū)域間的變化情況，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)攴莺偷攸c(diǎn)對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分組：（1）在時間尺度上，按照試驗(yàn)?zāi)攴菹群箜樞騽澐譃?個年代段：2005—2010、2011—2015、2016—2020。（2）在區(qū)域尺度上，參考山東省耕地質(zhì)量提升圖將山東省分為魯西北平原區(qū)、魯東低山丘陵區(qū)、魯中山地丘陵區(qū)、魯東北鹽漬化區(qū)、魯中北部平原區(qū)、魯中南部平原區(qū)6個大區(qū)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分類。

氮肥利用率的計算公式：

NUE（%）=（UN-U0）/F×100。

其中：NUE為氮肥利用率（%），反映作物對當(dāng)季施入土壤中氮素利用的效率；UN和U0分別為施氮處理和不施氮處理作物成熟期地上部的總吸氮量（kg/hm2）；F為化肥氮素（折純）投入量（kg/hm2）。

各組數(shù)據(jù)之間的差異通過SPSS 25.0軟件進(jìn)行單因素分析，采用最小顯著性差異法（LSD法）進(jìn)行多重比較（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 山東省小麥和玉米的氮肥利用率

根據(jù)2005—2020年間的相關(guān)文獻(xiàn)和田間試驗(yàn)，本研究總共獲得367個小麥樣本數(shù)據(jù)和420個玉米樣本數(shù)據(jù)，其中魯中山地丘陵區(qū)的樣本量最多，分別占到山東省小麥和玉米全部樣本量的40.3%和43.6%（表1）。

山東省小麥平均基礎(chǔ)產(chǎn)量、產(chǎn)量、氮肥用量和氮肥利用率分別為5 710、7 584、208 kg/hm2和37.8%（表1）。其中魯中北部平原區(qū)的小麥氮肥利用率最高，為42.4%，魯東低山丘陵區(qū)的氮肥利用率最低，僅為33.0%。

山東省玉米平均基礎(chǔ)產(chǎn)量、產(chǎn)量、氮肥用量和氮肥利用率分別為7 574、9 547、237 kg/hm2和34.4%（表1）。除魯東北鹽漬化區(qū)的玉米氮肥利用率為48.3%外，其他各區(qū)玉米氮肥利用率均在40%以下。其中，魯西北平原區(qū)、魯東低山丘陵區(qū)、魯中山地丘陵區(qū)的氮肥利用率較低，分別為31.1%、31.5%、31.5%。

2005—2020年，小麥產(chǎn)量表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢，施肥平均產(chǎn)量從7 230 kg/hm2增至7 942 kg/hm2，增產(chǎn)9.8%。玉米產(chǎn)量在2011—2015年段最高，比2005—2010年高7.0%。小麥氮肥施用量年際變化不大，玉米氮肥用量表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢，2016—2020年相較于2005—2010年降低17.0%。小麥氮肥利用率隨年份表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢，從33.1%增至40.6%；玉米氮肥利用率2011—2015年表現(xiàn)最低，為31.8%，2016—2020年表現(xiàn)最高，為38.2%（圖1）。

表1 近15年山東省小麥、玉米氮肥利用率

圖1 山東省小麥、玉米不同階段施氮量、產(chǎn)量及氮肥利用率

2.2 氮肥用量以及氮肥類型對小麥、玉米氮肥利用率的影響

對小麥、玉米在不同氮肥施用量下的氮肥利用率分別進(jìn)行統(tǒng)計，兩作物的氮肥利用率隨氮肥用量增加均表現(xiàn)為逐漸降低趨勢（圖2）。其中小麥和玉米的平均氮肥利用率在氮肥用量為＞240 kg/hm2時分別為28.1%和27.9%，均顯著低于其他3個氮肥分組水平。小麥氮肥用量為＜120 kg/hm2、120～180 kg/hm2、180～240 kg/hm2下的平均氮肥利用率分別為42.7%、41.6%和38.4%，各分組之間沒有顯著差異。玉米的平均氮肥利用率在氮肥用量為＜120 kg/hm2、120～180 kg/hm2條件下分別為43.6%和41.7%，顯著高于180～240 kg/hm2分組。

施用不同類型氮肥的小麥和玉米氮肥利用率如圖3所示。常規(guī)氮肥（CF）、緩控釋肥（CRF）、常規(guī)氮肥和緩控釋肥配施（CF+CRF）分組下的小麥氮肥利用率分別為34.6%、44.7%、51.5%；玉米分別為32.3%、38.3%、40.0%。緩控釋肥單獨(dú)施用以及與常規(guī)氮肥配施的小麥和玉米的氮肥利用率均顯著高于常規(guī)氮肥組。

圖2 不同氮肥用量對山東省小麥和玉米氮肥利用率的影響

圖3 不同氮肥類型對山東省小麥和玉米氮肥利用率的影響

2.3 氮肥用量與作物產(chǎn)量和氮肥利用率的關(guān)系

利用氮肥效應(yīng)方程分別對小麥、玉米的氮肥施用量與作物產(chǎn)量和氮肥利用率進(jìn)行擬合看出，小麥、玉米的產(chǎn)量與氮肥用量呈現(xiàn)線性-平臺的關(guān)系（圖4）。小麥、玉米產(chǎn)量先隨氮肥用量的增加而線性增加，在氮肥用量分別為151 kg/hm2和155 kg/hm2時到達(dá)平臺。小麥和玉米氮肥利用率與氮肥用量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.001；P＜0.001），氮肥利用率隨氮肥用量不斷降低。

圖4 氮肥用量與小麥和玉米產(chǎn)量、氮肥利用率的關(guān)系

3 討論與結(jié)論

張福鎖等［9］研究表明，2001—2005年中國小麥和玉米的氮肥利用率分別為28.2%和26.1%。本研究中，2005—2020年，山東省小麥和玉米的平均氮肥利用率分別為37.8%和34.4%（表1），相較于之前的結(jié)果分別提高9.6個百分點(diǎn)和8.3個百分點(diǎn)。與此同時，山東省小麥、玉米的氮肥利用率在2005—2020年整體上也呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，這與劉緒森［10］研究的我國主要作物氮肥利用率的變化趨勢一致。而近15年作物氮肥利用率顯著提高的原因可以歸因于以下幾個方面：（1）測土配方技術(shù)的廣泛推廣。據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計，山東省測土施肥技術(shù)應(yīng)用面積已經(jīng)達(dá)到938×104hm2，占到山東省農(nóng)作物種植面積的8.6%，測土配方技術(shù)的實(shí)施優(yōu)化了肥料施用，提高了作物的氮肥利用率［6，7］。（2）土壤肥力的提升提高了作物的氮肥利用率。山東省土壤肥力逐漸提高：如李九五［11］的研究表明，山東省3種主要土壤（棕壤、褐土、潮土）的有機(jī)質(zhì)含量相較于20年前提高35%，全氮含量增加14%，有效磷含量增加40%，有效鉀含量增加24%。土壤肥力提高促進(jìn)作物生長，增加作物對肥料的吸收和利用［12，13］。（3）新型肥料產(chǎn)品的應(yīng)用。如緩控釋肥、氮肥增效劑肥料可以通過控制氮肥在土壤中的釋放時期或形態(tài)以適應(yīng)作物的生長需求，提高作物氮肥利用效率［5，14，15］。我們的研究也表明施用緩控釋肥的小麥和玉米的氮肥利用率均在40%以上，顯著高于施用常規(guī)氮肥處理，也印證了新型肥料對于作物氮肥利用率的提升作用。

氮肥的施用增加作物產(chǎn)量，但過量時產(chǎn)量不再增加［16，17］，與本研究結(jié)果一致；與作物產(chǎn)量對氮肥的響應(yīng)規(guī)律不同，氮肥利用率同氮肥用量呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這也和之前的研究一致［18］。所以氮肥用量的選擇既要增加作物產(chǎn)量，同時又能維持較高的氮肥利用率。吳良泉［19，20］依據(jù)2005—2010年在全國開展的1 575個小麥氮肥效試驗(yàn)和1 752個玉米氮肥效試驗(yàn)表明：全國小麥和玉米的氮肥推薦用量分別為169 kg/hm2和181 kg/hm2。本研究中，小麥和玉米分別在氮肥用量為151 kg/hm2和155 kg/hm2時到達(dá)產(chǎn)量平臺。同時該施肥量所在的氮肥分組（120～180 kg/hm2）的氮肥利用率，相較于＜120 kg/hm2分組沒有顯著差異。因此，150～180 kg/hm2的氮肥用量可作為山東省小麥、玉米的適宜氮肥用量范圍，這和全國的氮肥推薦量一致。文獻(xiàn)分析與田間試驗(yàn)相結(jié)合的研究表明，山東省小麥和玉米產(chǎn)量在穩(wěn)定增產(chǎn)的同時，氮肥用量進(jìn)一步降低，作物的氮肥利用率逐步提高，這說明山東省糧食作物上氮肥的施用更趨于合理。