東北雨養玉米氮肥優化管理綜合評價

鐘 華，郭 旋，李 鵬，張成軍，趙同科

（北京市農林科學院植物營養與資源環境研究所/中國–新西蘭水環境研究聯合實驗室，北京 100097）

中央農村工作會議指出，促進農業農村發展由過度依賴資源消耗、主要滿足“量”的需求，向追求綠色生態可持續、更加注重滿足“質”的需求轉變，實現“保供給、保收入、保生態”，表明我國農業從以“增產為核心”的單一目標向“可持續發展的高產高效、環境友好”多重目標轉變[1]。因此，農業管理技術措施評價也需向多目標的綜合評價方法轉變，兼顧產量、經濟效益、氮肥效率、環境等方面的綜合評價。

目前，氮肥優化管理的評價，通常進行氮肥施用量對玉米產量、氮肥利用效率、土壤氮素累積量等單因素回歸分析，從養分資源效率最大化目標確定適宜的施氮量[2–11]。這種方法適用于指標較少的情景下，不適用于多指標判定。本研究擬采用層次分析法和熵權法組合確定指標的權重值，應用綜合評價法以評價不同氮肥水平的綜合效應。數據基于東北雨養區玉米田兩年定位試驗結果，選取產量、邊際效益、氮肥利用效率、土壤氮素含量等作為評價指標，利用綜合評價法判定適宜的氮肥施用量，以期為確立雨養區春玉米合理的氮素管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區位于東經 123°36′47″、北緯 42°20′48″的遼寧省鐵嶺市鐵嶺縣蔡牛鎮，屬于遼河沖積平原，地勢平坦。土壤質地為壤土。氣候類型屬于溫帶大陸性季風氣候區，多年平均降水量668.5 mm，多年平均氣溫8.2℃，1月平均氣溫–11.9℃，7月平均氣溫24.3℃，多年平均蒸發量1626 mm，多年平均凍土深度120 cm、最大凍土深度166 cm。據監測，該地區降水分布不均，主要集中在5—9月份，降水總量占全年的83.44%～96.52%。降水量最大月份為8月和9月。2018年玉米生育期降雨量為389.8 mm，2019年玉米生育期降雨量為665.8 mm。

試驗田種植作物為春玉米，土壤類型為棕壤，0—20 cm土層土壤基本理化性狀為：容重1.32 g/cm3、pH 5.62、有機質 16.40 g/kg、全氮 1.24 g/kg、硝態氮4.70 mg/kg、銨態氮 18.4 mg/kg、有效磷 16.6 mg/kg、速效鉀 101 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗設5個氮水平處理，施氮量分別為N 0、75、150、225、300 kg/hm2。氮肥為大顆粒尿素 (含 N 46 %)，所有處理磷用量為P2O575 kg/hm2，磷肥均為過磷酸鈣 (含 P2O516 %) ；鉀用量為 K2O 90 kg/hm2，鉀肥均為氯化鉀 (含 K2O 62 %) 。氮磷鉀肥播種前一次性施入。小區面積為60 m2，各處理隨機排列，3次重復。供試玉米品種為‘鐵研58’，種植密度64500株/hm2。試驗于2018、2019年連續進行，試驗布置一致。試驗先后于2018和2019年4月底播種，當年9月末收獲。收獲后玉米秸稈除取樣外其余全部粉碎旋耕還田。

1.3 測定項目與方法

收獲時各小區單獨收獲測產，并隨機取樣3株，分別測定莖葉、籽粒干物重。各部分混勻后粉碎，過2 mm篩備用。凱氏定氮法測定植株樣品全氮。

當年試驗收獲后，分別于2018年10月、2019年10月分小區取0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm的土壤(每個小區取3鉆，等層混合)，在實驗室采用連續流動分析儀測定土壤銨態氮、硝態氮含量。

各指標計算方法[12–13]：

根據測定的每層土壤硝態氮含量和土壤容重計算每一土層的硝態氮殘留量。

式中，R表示每一土層的硝態氮殘留量(kg/hm2)；C表示該土層土壤硝態氮含量(mg/kg)；D表示土層土壤容重(kg/m3)；H表示每層土壤厚度(m)。各個土層的硝態氮殘留量相加為一定深度土壤剖面硝態氮殘留總量，用同樣方法可計算銨態氮殘留量。

氮素表觀平衡值=施氮量–玉米氮素吸收量；

氮素回收率(%)=(施氮區吸氮量–不施氮區吸氮量)/施氮量×100；

氮素農學效率(kg/kg)=(施氮區產量–不施氮區產量)/施氮量；

氮肥偏生產力(kg/kg)= 產量/施氮量；

氮素生理利用率(kg/kg)=(施氮區產量–不施氮區產量)/(施氮區吸氮量–不施氮區吸氮量)；

邊際收益=[(施氮區玉米產量–不施氮區玉米產量)×玉米價格 ] /(施氮量×氮肥價格)。

不同施氮水平的綜合評價值[14]計算公式：

式中，n表示所有要素數目；Yi和Wi分別表示為第i個指標的值和權重。

試驗采用 Excel 2007和 IBM SPSS Statistics 22數據統計軟件進行數據處理與分析，用Origin 2019軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同施氮水平對玉米產量、邊際效益的影響

表1顯示，施用氮肥處理兩年平均產量均顯著高于不施氮處理(P< 0.05)，除N225和N300處理之間無顯著差異(P> 0.05)外，其余各處理的玉米產量均有顯著差異(P< 0.05)。N225處理產量最高，達到12712.6 kg/hm2，N300處理的玉米產量較N225略有下降，表明施氮量超過225 kg/hm2時，繼續增施氮肥，產量未增反降。2018和2019年的玉米產量有顯著差異 (P< 0.05)。2019年 N0、N75、N150、N225、N300施氮水平的產量分別比2018年增加9.5%、9.4%、19.4%、20.0%和18.8%。生育期降水多的2019年氮肥增產效果更加顯著。

經當年市場調查，大顆粒尿素(含N 46%)價格為2000元/t，折合純氮的價格為4348元/t，結合2018和2019年，玉米平均價格為1700元/t，計算出邊際效益(表1）。兩年平均邊際效益隨著氮肥施用量的增加而減少，邊際效益最大值出現在N75處理，N150和N225之間無顯著差異，其余處理間均差異顯著(P< 0.05)。兩年邊際效益，均存在顯著差異 (P< 0.05)，2018年邊際效益表現為 N75>N150≈N225>N300，2019年表現為N75>N150=N225>N300。

表1 施氮水平對玉米產量和邊際效益的影響Table 1 Effects of nitrogen application level on yield and marginal benefit of maize

2.2 不同施氮水平對土壤硝態氮和銨態氮累積的影響

由0—100 cm土壤硝態氮和銨態氮累積量(圖1)可以看出，2018年土壤硝態氮累積量N0與N75處理 、N150與N225處理兩兩之間差異不顯著，其余均有顯著差異 (P< 0.05)；2019年 N0、N75和N150之間差異不顯著，其余處理均有顯著差異(P< 0.05)。

圖1 不同施氮量下玉米收獲期0—100 cm土層土壤氮素累積量Fig. 1 Soil nitrogen accumulation in 0-100 cm soil layer during maize harvest under different N application levels

土壤銨態氮累積量2018年N75、N150與N225處理之間差異不顯著，其余均有顯著差異(P<0.05)；2019年N0和N75之間無顯著差異，其余均有顯著差異(P< 0.05)。土壤中銨態氮和硝態氮累積量與施氮量呈正相關關系。

2018年土壤無機氮(銨態氮+硝態氮)累積量遠高于2019年，二者差異顯著(P< 0.05)。2018年土壤銨態氮累積量遠高于硝態氮，二者差異顯著(P<0.05)；而2019年銨態氮累積量低于硝態氮，二者差異也顯著(P< 0.05)。土壤硝態氮累積量年際間無顯著差異；銨態氮累積量年際間差異顯著(P< 0.05)。

2.3 不同施氮水平對氮素利用及氮素平衡的影響

2.3.1 不同施氮水平對氮肥利用的影響由表2可知，兩年平均氮素回收率、氮肥農學效率、氮肥偏生產力和氮素生理利用率分別為43.57 %、33.00 kg/kg、67.37 kg/kg、79.15 kg/kg，變化幅度分別為36.70%～50.07%、24.76～38.62 kg/kg、41.26～104.61 kg/kg、67.46～90.28 kg/kg。氮素回收率隨施氮量增加呈降低趨勢，N75、N150、N300處理氮素回收率差異顯著(P< 0.05)。氮肥農學效率隨著施氮量的增加而降低， N150和N225處理間無顯著差異，但分別與N300處理差異顯著(P< 0.05)。不同施氮水平下氮肥偏生產力差異顯著(P< 0.05)，隨著氮肥施用量的增加，氮肥偏生產力逐漸降低。2018、2019年際間相同處理氮素生理利用率變化差異較大，在雨水較少的2018年N75、N150、N225與N300處理之間差異均不顯著，在雨水較多的2019年總體上氮素生理利用率隨施氮量增加呈現降低的趨勢。

表2 玉米不同施氮水平下氮肥利用情況表Table 2 Nitrogen utilization efficiency of maize under different nitrogen application levels

2.3.2 不同施氮水平對氮素平衡的影響表3表明，兩年N0、N75處理氮素表觀平衡平均值均為負值，表明玉米籽粒吸收帶走的氮素多于氮肥投入量，消耗了土壤本身的氮素；N150、N225、N300處理均為正值，說明玉米籽粒收獲攜帶的氮素量低于氮肥投入量，施入的氮肥部分殘留在土壤中。2018和2019年5個處理間均差異顯著(P< 0.05)，不同施氮量下氮素表觀平衡規律與兩年平均值基本一致。

表3 不同處理0—100 cm土壤剖面氮素表觀平衡Table 3 Nitrogen apparent balance in 0–100 cm soil profile of different treatments

2.4 不同施氮水平與玉米生產效率和氮素利用效率的關聯

兩年試驗結果(表4)表明，施氮量與玉米產量呈顯著二次項式相關模型(P< 0.05)；施氮量與氮肥偏生產力、氮素表觀平衡和土壤無機氮累積量呈極顯著相關(P< 0.01)；施氮量與邊際效益、氮素回收率、氮肥農學效率、氮素生理利用率相關性不顯著(P> 0.05)。

表4 玉米產量、邊際效益、土壤無機氮累積、氮素利用及平衡與施氮量的回歸分析模型Table 4 Regression models between maize yield, marginal benefit, soil inorganic nitrogen accumulation,nitrogen utilization, balance and nitrogen rate

2.5 不同施氮水平的評價過程與方法

2.5.1 權重確定本研究采用層次分析法和熵權法組合賦權[15–16]。層次分析法可將多目標決策問題化為多層次單目標問題，其核心部分是構建層次結構模型，將高產高效、農田環境友好型施氮方案作為目標層，然后繼續將目標層分解為準則層和要素層，對準則層以及同一準則層下的各要素采用1～9標度法分別進行兩兩對比構建判斷矩陣，計算出準則層和同一準則層各要素間的權重，最后進行一致性檢驗；熵權法是通過計算各要素的波動情況得到權重，將二者權重加權即可得到各要素的權重(表5)。

表5 綜合評價體系的分層及各層權重系數Table 5 Layering and the weight coefficient of each layer in the comprehensive evaluation system

2.5.2 不同施氮水平的綜合評價法—定量評價產量、邊際效益、氮肥利用效率和對環境影響衡量標準各不相同，無法直接比較。本研究為消除量綱不同所造成的影響，先將各指標值歸一化處理，其中，產量、邊際效益、氮素回收率、氮肥農學效率、氮肥偏生產力和氮素生理利用率是正向指標，值越大越好；氮素表觀平衡、土壤硝態氮累積量這兩個指標較為復雜，氮素表觀平衡的臨界值為80 kg/(hm2·年)[17–18]，超過臨界值及負值均賦值為 0，其余賦值為1；土壤氮素累積量的臨界值為N 80 kg/hm2[19]，小于等于臨界值賦值為1，大于臨界值賦值為0，而后根據綜合評價值計算公式得出不同施氮水平的綜合評價值。

由表6可知，N75、N300和N0處理2018和2019年的得分基本一致，氮肥過量、低量對綜合得分基本無影響，而N150和N225處理2019年的綜合得分明顯高于2018年，且2019年N150處理得分接近于2018年N225處理得分。綜合得分高于0.8的施氮量為推薦施氮量。將表4中2018年玉米產量、邊際效益、氮素回收率、氮肥農學效率、氮肥偏生產力、氮素生理利用率、氮素表觀平衡和土壤無機氮累積量的回歸方程帶入綜合評價公式中，計算CI值大于0.8的氮肥用量作為推薦施氮量，值為N225 kg/hm2。2019年依此計算得到推薦施氮量為N186～225 kg/hm2。因此，按照綜合得分優選雨養區玉米田適宜氮肥施用量，2018年適宜氮肥施用量為N225 kg/hm2，2019年適宜施氮量為 N186～225 kg/hm2。

表6 不同處理的綜合得分及排名Table 6 Comprehensive scores and ranking of different treatments

3 討論

隨著施氮量及施氮年限的增加，土壤中的氮素含量一般呈增加趨勢[20–21]。本研究結果表明，2018—2019年土壤中氮素累積量與施氮量呈正相關性，與以往研究結果一致，但2019年土壤無機氮累積量低于2018年，差異明顯，其中硝態氮累積量兩年間無明顯差異，銨態氮累積量2019年較2018年下降明顯。其原因可能是：1)試驗地位于東北季節性凍融區，本課題組對該地的凍融情況和土壤氮素原位監測表明，11月進入凍融期，直到第二年3月份結束，凍融深度可達1 m，經過一個凍融期0—100 cm土壤的硝態氮含量增加了13.20%～112.18%，銨態氮含量減少了20.63%～77.56%，這是由于凍融交替改變土壤水分狀況，影響土壤理化性質，導致土壤氮含量變化。土壤凍結時，土壤水分由液態變成固態，產生膨脹力，土壤大團聚體結構成為微團聚體，導致土壤比表面積增大，促進銨態氮和硝態氮的解吸[22]；在凍融過程中，硝化過程強于反硝化過程，造成硝態氮增加，銨態氮減少。2)試驗地玉米生育期與雨季同步，降雨過程導致氮素的徑流流失和淋溶流失，硝態氮是氮素流失的主要形態[23–24]。

有研究對2004—2014年我國氮肥效應相關數據進行了統計分析，我國玉米平均氮肥表觀利用率為29.1%、氮肥農學效率11.1 kg/kg、氮肥偏生產力54.5 kg/kg、氮肥生理利用率 40.5 kg/kg[25]。對比2018和2019年試驗數據，本研究各項指標均高于我國玉米氮肥效應平均水平。于飛等[25]調研了2004—2014年間相關文獻，綜合考慮糧食作物的產量要求和氮肥利用率，認為180～240 kg/hm2施氮量是我國玉米較適宜的施氮量范圍。吳得峰等[26]發現，在渭北雨養農業區，春玉米在常規施氮2 0 0 kg/hm2的基礎上減量25%，不僅能維持玉米產量，還能有效降低硝態氮的殘留。陳治嘉等[27]研究發現，在吉林省黑土區適當減少氮肥用量不會顯著影響玉米產量，還可提高氮肥利用效率，減少土壤無機氮積累。張君等[28]研究表明，在河套灌區施氮量193～291 kg/hm2是一個合理施氮閾值，既保證玉米產量又使土壤氮素盈余減少，土壤–玉米系統總回收較高。高洪軍等[29]在哈拉海試驗站開展了玉米田間定位試驗，綜合考慮玉米產量、氮素利用效率，考慮土壤無機氮殘留量和氮素表觀損失帶來的環境風險，確定玉米合理施氮量范圍為150～203 kg/hm2。本研究結果表明，適宜施氮量為186～225 kg/hm2，與已有相關的研究結論基本一致。

降水是雨養區玉米生長主要限制因素[30–31]。劉朋召等[32]發現，旱地玉米受降水影響較大，在干旱年，玉米生育期降水不足導致生長受限，氮素吸收量降低，氮素土壤殘留較高，降水適宜則玉米生長正常，氮素吸收較多。寧芳等[33]對渭北旱塬雨養玉米種植區進行研究，發現生長季降水量及其分布顯著影響玉米產量。張冬梅等[34]認為，底墑和生育期降水共同影響施肥的增產作用，底墑較好的偏旱年或底墑很差的豐水年，施肥沒有明顯的增產作用。本研究的試驗地多年平均降水量668.5 mm，2018年玉米生育期降水量為389.8 mm，2019年玉米生育期降水量為665.8 mm，兩年降水量差異明顯，2019年比2018年增產9.5%～20.0%，且2019年氮肥利用效率高于2018年，也證實了生育期降水影響施肥的增產效果與氮肥利用效率。本研究采用的是當地農民的習慣施肥方式—一次性施肥，此方法省工，但易造成施肥量大、氮肥利用效率低及氮素流失等問題，因此，東北雨養區在玉米種植過程中提倡“因雨施氮”[32]，多次施肥，玉米生育期降水充足年份可較干旱年份減少施氮量，保證穩產、提高肥料利用效率、降低氮素流失風險。

4 結論

1)施氮量和降雨量均顯著影響著玉米產量、氮素效率和土壤氮素平衡。土壤中銨態氮和硝態氮累積量與施氮量呈正相關關系。2018年與2019年相比，施氮量相同，但降水量較低，2018年土壤無機氮累積量明顯高于2019年。

2)從產量、經濟效率、氮肥效益和環境4個方面選取了8個指標，構建了高產高效、農田環境友好的氮肥評價體系，用于玉米氮肥優化管理評價。

3)依據試驗數據計算的施氮量處理的綜合得分由高到低為 N225 (0.81～0.92)、N150 (0.67～0.78)、N75 (0.67)、N300 (0.53～0.55)、N0 (0.15)。選取綜合得分高于0.8的施氮量作為推薦量，計算得出2018年適宜氮肥施用量為N225 kg/hm2，2019年為N186～225 kg/hm2，既滿足玉米對氮素需求，保證玉米獲得高產優質，提高氮素利用率，又降低氮素淋失對環境污染的風險。