基于生態和社會效益優化黑土區高產玉米氮肥施用量

鄭春雨，沙珊伊，朱琳，王少杰，馮國忠，高強，王寅

基于生態和社會效益優化黑土區高產玉米氮肥施用量

鄭春雨，沙珊伊，朱琳，王少杰，馮國忠，高強，王寅

吉林農業大學資源與環境學院/秸稈綜合利用與黑土地保護教育部重點實驗室/吉林省商品糧基地土壤資源可持續利用重點實驗室，長春 130118

【目的】在農學和經濟效益基礎上，基于生態和社會效益進一步探索優化玉米氮肥施用量，促進黑土區玉米生產的可持續綠色發展，協同實現作物高產、資源高效、環境保護和人類健康等多重目標?！痉椒ā?017—2020年在吉林省典型黑土區兩個地點（三棵樹村和泉眼溝村，簡寫為SKS和QYG）開展田間定位試驗，研究氮肥（尿素）用量（0、50、100、150、200、250、300 kg N·hm-2）對玉米產量、氮素吸收和利用的影響。采用生命周期評價和綜合效益分析方法評估不同施氮水平下玉米的農學、經濟、生態和社會效益（分別為施氮引起的直接產值增量、除去氮肥成本的利潤增量、除去活性氮損失和溫室氣體排放等環境污染成本的生態效益、除去環境污染引發人類健康危害成本的社會效益），并分別計算農學最佳施氮量（agronomically optimal N rate，AOR）、經濟最佳施氮量（privately optimal N rate，POR），生態最佳施氮量（ecologically optimal N rate，EOR）和社會效益最佳施氮量（socially optimal N rate，SOR），最終綜合多重效益優化黑土區玉米的氮肥施用量。【結果】黑土區玉米施用氮肥具有顯著增產效果，兩個試驗點產量隨施氮量增加而持續上升，均在200 kg N·hm-2達到產量平臺，SKS和QYG 4年平均產量分別為10.3和11.1 t·hm-2。玉米植株氮素吸收量也隨施氮量增加而持續提高，SKS和QYG均在300 kg N·hm-2達到最高（分別為151.9和161.8 kg N·hm-2），而氮肥表觀回收率均在施氮量100 kg N·hm-2時最高（分別為70.3%和72.2%），而后則隨施氮量增加呈下降趨勢。基于4年試驗結果進行綜合效益分析發現，氮肥投入導致的生態和社會成本均隨施氮量增加呈指數增長趨勢，玉米施氮后的產值增量、利潤增量、生態效益及社會效益均隨施氮量增加呈現先增加后降低的一元二次曲線趨勢。基于曲線擬合計算，SKS點的AOR、POR、EOR、SOR分別為236、225、215、211 kg N·hm-2，而QYG點分別為245、235、225、221 kg N·hm-2。AOR條件下，SKS和QYG點的玉米產量分別為10.6和11.4 t·hm-2，活性氮損失分別為44.4和46.8 kg N·hm-2，生態效益分別為8 786和10 271元/hm2，社會效益分別為8 351和9 822元/hm2。兩個試驗點在EOR條件下相比AOR條件分別減施氮肥8.8%和7.9%，提高氮肥偏生產力9.1%和8.1%，減少活性氮損失11.7%和11.0%。兩個試驗點的SOR在EOR基礎上進一步減少氮投入，SOR相比AOR分別減施氮肥10.6%和9.6%，減少活性氮損失14.0%和13.1%，增加社會效益124和119元/hm2。【結論】基于生態和社會效益評估，本研究條件下玉米在10.5—12.0 t·hm-2產量水平的適宜施氮量為210—220 kg N·hm-2，建議黑土區玉米養分管理應以最佳生態或社會效益為目標推薦施氮量，以實現減氮增效、生態高產和人類健康等多重目標。

黑土區；玉米；最佳施氮量；生態效益；社會效益；生命周期評價

0 引言

【研究意義】玉米是中國乃至全球最主要的糧食和飼料作物，在農業生產、糧食安全和食物供給中占有重要地位[1-2]。多數地區農民為了追求玉米高產，在生產中投入大量氮肥[3]。過量施用氮肥不僅不會繼續提高作物產量，反而會提高成本甚至導致作物減產[4]。同時，大量施用氮肥造成的氮盈余還會引發各種各樣的環境問題，如通過NH3揮發和N2O排放進入到大氣中增加溫室氣體排放[5-6]，通過淋溶或徑流方式進入水體導致土壤酸化[7]和地下水富營養化[8]。由于不合理施肥而造成的環境污染還會對人類健康造成負面影響，已經成為廣受關注的社會問題[9-10]。因此，作物生產中應在綜合考慮農學、經濟、生態和社會等多重效益的基礎上進行養分管理，以實現作物高產、經濟增收以及良好的生態和社會效益，更好地應對糧食安全、社會發展和環境可持續性的多重挑戰[11]。【前人研究進展】基于農學或經濟效益，利用肥料效應方程計算最高產量、氮素利用率或經濟收益對應的施肥量，是確定作物推薦施肥量的常用方法[12-15]。吳良泉等基于2005—2010年全國測土配方施肥項目分析了1 752組氮肥肥效試驗，以凈收入為指標計算確定東北和華北地區玉米的最佳施氮量分別為150和178 kg N·hm-2，可獲得產量8.85和8.13 t·hm-2，凈收入分別為5 067和3 025元/hm2[16]。馮國忠等基于2004—2014年吉林省1 110組試驗，提出玉米產量超過10 t·hm-2時需施氮225 kg N·hm-2[17]。ZHANG等通過2011—2013年華北平原夏玉米試驗發現，以最高產量為目標的推薦施氮量（AOR）為208 kg N·hm-2，產量和經濟效益分別為7 955 kg·hm-2和13 766元/hm2，而以最佳經濟效益為目標的推薦施氮量（POR）為191 kg N·hm-2，產量和經濟效益分別為7 941 kg·hm-2和13 797元/hm2，POR相比AOR可減施氮肥8.2%，產量和經濟效益則無顯著差異[18]。近年來，隨著農業源污染持續增加，肥料管理的生態和社會影響越來越受到關注。在產量和經濟效益基礎上，通過核算氮肥在生產、運輸與施用過程中產生的環境污染及人類健康危害，可評估基于生態和社會效益的適宜施氮量（EOR、SOR）[19-20]?；谌A北地區91個夏玉米田間試驗，WANG等發現EOR為171 kg N·hm-2可獲得產量8.2 t·hm-2，與AOR（237 kg N·hm-2）的產量水平（8.5 t·hm-2）無顯著差異，但可以節氮28%，且氮損失和環境成本分別減少33%和31%[21]。而華北地區156個小麥試驗也顯示，SOR相比AOR在減氮47%條件下產量和經濟效益分別僅下降4.9%和6%，生態和社會效益分別增加25%和101%[20]。可見，通過考慮生態和社會效益可進一步優化玉米推薦施氮量而獲得更好的綜合效益。【本研究切入點】東北黑土區作為我國重要的商品糧生產基地，在國家糧食安全中發揮舉足輕重的作用[22]。但是，目前黑土區玉米的適宜施氮量仍以產量和經濟效益最大化為目標而確定，尚缺乏考慮生態和社會效益的適宜施氮量研究，因此需探索基于多重效益進一步優化黑土區玉米適宜施氮量?！緮M解決的關鍵問題】通過在吉林省中部典型黑土區選取兩個代表性田塊開展連續田間定位試驗，研究施氮量對玉米產量、氮肥表觀回收率、施肥利潤、活性氮損失、溫室氣體排放及人類健康的影響，從農學、經濟、生態和社會4個方面對施氮效益進行綜合評估并優化適宜施氮量，探索多重效益評價方法在東北黑土區的可行性，以期為該區域玉米綠色可持續生產提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

田間定位試驗于2017—2020年在吉林省梨樹縣三棵樹村和泉眼溝村進行，兩個試驗點相距約25 km，氣象條件基本一致。試驗區域均屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候，雨熱同期，多年年均降雨量在580 mm左右，主要集中在7—8月。圖1為試驗開展期間玉米生育期的氣象條件，相比多年平均狀況，2017年和2018年降雨量整體偏少（457和361 mm），特別是2018年出現春季干旱，5—6月總降雨量僅61 mm。兩個試驗點土壤類型均為黑土，基礎理化性質如表1所示。

1.2 試驗設計

試驗設置7個氮肥施用量：0、50、100、150、200、250和300 kg N·hm-2（用N0、N50、N100、N150、N200、N250和N300表示）。氮肥采用分次施肥方式，基肥和拔節期追肥的比例為3﹕7。各處理的磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）施用量保持一致，均為90 kg·hm-2，磷肥全部作基肥施用一次性施入，鉀肥以基肥和拔節期追肥1﹕1比例施入。其中，氮肥為尿素（N 46%），磷肥為重過磷酸鈣（P2O545%），鉀肥為氯化鉀（K2O 60%）。

試驗各處理均設置3次重復，共21個小區，隨機區組排列。兩試驗點種植的玉米品種均為良玉99，于5月上旬播種，種植密度均為6.5萬株/hm2。6月下旬拔節期前，采用溝施覆土方法追肥，于10月初收獲。生育期內未進行灌溉，除施肥措施外其余田間管理均按照當地最佳方法進行。

表1 試驗點耕層（0—20 cm）土壤的基礎理化性狀

圖1 2017—2020年試驗地區玉米生育期內氣溫和降水情況

1.3 測定項目與方法

玉米成熟后，在每個試驗小區中部選取20 m2進行測產并測定籽粒含水量，最終折算為每公頃籽粒產量（14%含水量）。同時，每個小區選取長勢均勻具有代表性植株5株，風干后分秸稈和籽粒兩部分稱取干重，粉碎后采用 H2SO4-H2O2消煮，用凱氏定氮儀測定氮含量[23]，計算氮素吸收量及利用效率。

氮素吸收量（kg N·hm-2）= 成熟期籽粒干物質量×籽粒氮素含量+成熟期莖葉干物質量×莖葉氮素含量 （1）

氮肥表觀回收率（%） = （施氮區植株吸氮量-不施氮區植株吸氮量）/ 施氮量×100 （2）

氮肥偏生產力（kg·kg-1）= 施氮處理玉米產量/ 施氮量 （3）

1.4 氮肥投入的成本和效益計算

氮肥投入的直接成本（Ncost）、環境效益成本（Ecost）和社會效益成本（Scost）采用以下公式計算[20]：

式中，N為施氮量（kg N·hm-2），肥料N的單價（Nprice）為4元/kg。Cgw、Ceu、Cacid和Chealth是溫室氣體對空氣資源損害的成本、富營養化破壞水資源的成本、土壤酸化對土壤資源損害的成本[15]和氮肥施用過程中活性氮損失所造成的人類健康成本[9]。Total N2O-N為N2O排放總量，N2O-N的全球變暖成本為71.68元/kg[24]；NO3-N和NH3-N分別為硝酸鹽淋失和氨揮發，兩者的水體富營養化成本分別為7.17和1.54元/kg[25]；氮肥使用過程中NH3-N的土壤酸化成本為11.97元/kg[15,25]；氮肥生產過程中導致的全球變暖、水體富營養化和土壤酸化的成本分別為1.28、0.012和0.134元/kg[26-28]；NO3-N、NH3-N和Total N2O-N對人體健康影響的成本分別為1.28、21.12和1.92元/kg[9,29]。

N2O排放總量包括直接排放（N2O-N direct）和間接排放（N2O-N indirect）。其中，間接N2O排放參考IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）的國家溫室氣體清單指南[30]，通過氨（NH3-N）揮發和硝酸鹽（NO3-N）淋失進行估算，兩者的間接排放因子分別為1%和1.1%[31]。N2O直接排放、NH3揮發和硝酸鹽淋失參考CUI等基于春玉米的研究結果[32]確定，采用以下公式計算：

N2O-N indirect =1%×NH3-N+1.1%×NO3-N leaching （7）

NO3-N leaching = 3.63e0.0080×N rate（8）

NH3-N=2.69+0.069×N rate （9）

N2O-N direct = 0.50e0.0032×N rate（10）

1.5 估算農學、經濟、生態和社會效益及其適宜氮肥用量

施用氮肥后，玉米的產量增量（YN，kg·hm-2）、產值增量（BY，元/hm2）、利潤增量（BP，元/hm2）、生態效益（BE，元/hm2）和社會效益（BS，元/hm2）采用以下公式計算[20]：

YN= Y-Y0（11）

BY= YN×Mprice（12）

BP= BY-Ncost（13）

BE= BY-Ecost（14）

BS= BY-Scost（15）

式中，以產量（Y）和不施氮產量（Y0）為基礎，YN表示玉米產量增量。Mprice是玉米價格，為1.5元/kg。生態效益是使用氮肥增加的產值增量減去氮肥肥料成本，氮肥在生產運輸和施用過程中所導致的全球變暖、水體富營養化和土壤酸化的成本。社會效益是在生態效益的基礎上減去氮肥在施用過程中對人類健康造成的成本?？紤]到4年間玉米和尿素價格的波動，其價格均采用平均值計算。

通過擬合產值增量、利潤增量、生態效益和社會效益與施氮量的一元二次函數，計算曲線一階導數分別確定AOR、POR、EOR和SOR[20]。

BY= βN+αN2NAOR=-β/2α （16）

BP= BY-Ncost=bN+aN2NPOR=-b/2a （17）

BE= BP-Ncost=BN+AN2NEOR=-B/2A（18）

BS= BP-Ncost=dN+cN2NSOR=-d/2c （19）

式中，α、β、a、b、A、B、c和d為回歸系數。

1.6 數據分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2016軟件進行計算、作圖和作表，用IBM SPSS Statistics 22軟件進行方差分析，采用LSD法比較處理間=0.05和=0.01水平上的差異顯著性。

2 結果

2.1 氮肥用量對玉米產量的影響

兩個試驗點的玉米產量水平在4年間存在明顯差異（圖2）。相比三棵樹試驗點，2017和2018年泉眼溝試驗點各施氮處理的產量整體略高，2020年則略低。不施氮條件下，三棵樹和泉眼溝4年的平均產量分別為3 541和3 252 kg·hm-2。隨施氮量增加，兩個試驗點玉米產量呈現一致升高趨勢，并均在施氮200 kg N·hm-2時達到產量平臺，分別為10 300 和11 064 kg·hm-2，較N0處理分別提高191%和240%。施氮200—300 kg N·hm-2范圍內，兩個試驗點的產量水平均保持穩定。

相同年份圖柱上不同的小寫字母表示處理間達到顯著差異（P＜0.05）。下同

2.2 氮肥用量對玉米植株氮素吸收量和氮肥回收利用效率的影響

2017—2020年，兩個試驗點不同施氮水平下植株氮素吸收量的表現趨勢與籽粒產量相似（圖3）。4年平均來看，三棵樹和泉眼溝N0處理的氮素吸收量分別為38.4和33.4 kg N·hm-2，隨施氮量增加氮素吸收量均呈顯著提高趨勢，三棵樹試驗點在施氮超過200 kg N·hm-2后無顯著差異，氮素吸收量達到145.9 kg N·hm-2，而泉眼溝試驗點在施氮300 kg N·hm-2時吸收量達到最高，為161.8 kg N·hm-2。

兩個試驗點的氮肥表觀回收率在4年中存在差異，2017—2019年以泉眼溝整體略高，而2020年以三棵樹較高（圖4）。不同施氮水平間，兩個試驗點在4年中氮肥表觀回收率均在100 kg N·hm-2達到最高，三棵樹和泉眼溝平均分別為70.3%和72.2%，而后隨施氮量增加呈下降趨勢，均在300 kg N·hm-2時降至最低的37.8%和42.8%。

圖3 2017—2020年不同施氮量對兩個試驗點玉米氮素吸收量的影響

圖4 2017—2020年不同施氮量對兩個試驗點玉米氮肥表觀回收率的影響

2.3 不同氮肥用量條件下玉米生產的成本和效益

施用氮肥后，三棵樹和泉眼溝玉米的平均增產量分別為2 367—6 801和2 643—7 891 kg·hm-2，相同施氮量下以泉眼溝的增產量高于三棵樹（表2）。三棵樹在施氮量為250 kg N·hm-2時增產量和產值增量最高，分別為6 801 kg·hm-2和1 0201元/hm2，泉眼溝則在施氮300 kg N·hm-2時最高，分別為7 891 kg·hm-2和11 836元/hm2。

兩個試驗地點的氮肥、生態和社會成本隨施氮量增加均呈增加趨勢，與氮肥投入的直接經濟成本隨施氮量增加呈線性增長趨勢不同，氮肥投入導致的生態和社會成本隨施氮量增加呈指數增長趨勢（圖5-A），兩者的關系式分別為=208.15e0.0093x（2＝0.8579）和=299.75e0.0086x（2＝0.8778）。計算發現，兩個試驗點玉米施氮的利潤增量、生態效益和社會效益隨施氮量增加均呈現先增加后降低趨勢，均在施氮200 kg N·hm-2時達到最高。三棵樹和泉眼溝的利潤增量分別為9 338和10 919元/hm2，生態效益分別為8 607和10 188元/hm2，社會效益分別為8 233和9 814元/hm2。

表2 不同施氮量對兩個試驗點玉米產量、各級成本和效益的影響

A為玉米生產中氮肥成本、生態成本、社會成本與施氮量的關系。B和C為兩個試驗點施氮后產值增量、利潤增量、生態效益和社會效益與施氮量的關系

A: Relationships between N fertilizer costs, ecological costs, social costs and N rates in maize production. B and C: Relationships between N-derived gross, private benefits, ecological benefits and social benefits induced by N fertilizer input and N rates at two experimental sites

圖5 兩個試驗點施氮后各級成本及各項效益與施氮量的關系

Fig. 5 Relationships between the various costs and benefits induced by N fertilizer input and N rates at two experimental sites

2.4 基于農學、經濟、生態和社會效益評估玉米適宜施氮量

兩個試驗點玉米施氮后的產值增量、利潤增量、生態效益及社會效益均隨施氮量增加呈先增加后降低的趨勢，利用一元二次函數對其關系進行擬合（圖5-B，5-C），三棵樹的關系式分別為：=-0.19062+89.904（2=0.9878），=-0.19062+85.904（2=0.9851），=-0.1912+82.188（2=0.9821）和=-0.18962+79.972（2=0.9801），而泉眼溝分別為：=-0.20322+ 99.413（2=0.9915），=-0.20322+95.413（2= 0.9898），=-0.20362+91.696（2=0.9879），=-0.20222+89.48（2=0.9867）?；跀M合關系式計算確定，三棵樹的AOR、POR、EOR和SOR分別為236、225、215、211 kg N·hm-2，而泉眼溝分別為245、235、225、221 kg N·hm-2（圖5，表3）。

評估不同推薦施氮量條件下的農學、經濟、生態和社會效益發現（表3和表4），AOR條件下三棵樹和泉眼溝的玉米產量分別為10 609和11 358 kg·hm-2，氮肥偏生產力分別為45.0和46.4 kg·kg-1，活性氮損失分別為44.4和46.8 kg N·hm-2，生態效益分別為8 786和10 271元/hm2，社會效益分別為8 351和9 822元/hm2；相比AOR，兩個試驗點EOR條件下產量僅減少不足1%，但分別減施氮肥8.8%和7.9%，提高氮肥偏生產力9.1%和8.1%，減少活性氮損失11.7%和11.0%，增加生態效益85和82元/hm2；而SOR在EOR基礎上進一步減少施氮量，兩個試驗點SOR相比AOR分別減施氮肥10.6%和9.6%，提高氮肥偏生產力11.0%和9.8%，減少活性氮損失14.0%和13.1%，增加生態效益82和79元/hm2，增加社會效益124和119元/hm2。

表3 基于不同效益目標確定的最佳施氮量及相應的玉米產量、氮肥偏生產力和活性氮損失

AOR：農學最佳施氮量Agronomically optimal N rate; POR：經濟最佳施氮量Privately optimal N rate; EOR：生態最佳施氮量Ecologically optimal N rate; SOR：社會效益最佳施氮量Socially optimal N rate. 下同 The same as below

表4 基于不同效益目標確定的最佳施氮量及相應的產值增量、利潤增量、生態效益和社會效益

3 討論

3.1 基于農學和經濟效益的最佳推薦施氮量

合理使用氮肥對于提高玉米生產的產量和經濟效益至關重要，當前的氮管理策略大多以實現產量或利潤最大化為目標。前期大量研究發現[33-35]，東北黑土區玉米在10—12 t·hm-2產量水平范圍內農學最佳施氮量（AOR）為184—268 kg N·hm-2，平均為223 kg N·hm-2，而經濟最佳施氮量（POR）為173—245 kg N·hm-2，平均為209 kg N·hm-2。本研究中，典型黑土區兩個試驗點玉米產量范圍在10.5—12.0 t·hm-2范圍AOR分別為236和245 kg N·hm-2，而POR分別為225和235 kg N·hm-2，均處在前期研究范圍內。本研究所采用的玉米品種持綠性較好，產量水平也高于大多數前期研究，因此氮素需求也相對較高，所計算的AOR和POR均略高于前期研究的平均施氮量。另外，與前期研究一致，POR相比AOR普遍可減少5%左右的氮肥投入，但可獲得接近的產量水平和更高的經濟效益。

3.2 基于生態和社會效益的最佳推薦施氮量

目前我國集約化玉米系統中，為實現糧食高產而過度使用氮肥的現象仍普遍存在，也造成溫室效應、富營養化和土壤酸化等環境風險大幅增加[6-8]。施氮后造成的活性氮損失和溫室氣體排放已成為優化氮肥管理的重要指標，通過將環境污染和人類健康危害成本轉化為經濟效益計算，可以統一量化氮肥的綜合效益而進一步優化適宜的施氮量[36]。WANG等利用大樣本田間試驗數據，建立了夏玉米產量和環境成本與施氮量之間的響應曲線，確定生態最佳施氮量（EOR）為171 kg N·hm-2，較AOR（289 kg N·hm-2）降低40.8%，從而減少45.5%的環境污染成本[21]。XIA等研究顯示，以EOR（205 kg N·hm-2）作為太湖地區小麥的推薦施氮量，相比POR（258 kg N·hm-2）減少施氮21%，降低28%活性氮損失[26]。而對于太湖地區水稻，其EOR（202 kg N·hm-2）相比POR（263 kg N·hm-2）減氮23%，活性氮損失也相應減少29%[15]。YING等對華北小麥的研究發現，SOR（148 kg N·hm-2）較AOR（279 kg N·hm-2）減少47%氮肥投入，產量和經濟效益僅分別下降4.9%和6%，而生態和社會效益分別增加25%和101%[20]。前期研究中發現，作物和氮肥價格的波動對于POR、EOR、SOR的確定均有一定影響，但后兩者相比POR對價格波動的敏感性遠遠較低，在大幅變化情況下更為穩定[20]。本研究為探索黑土區玉米基于生態和社會效益確定推薦施氮量，一方面選取了兩個典型地力水平的田塊，另一方面為減少年際氣候條件或價格因素的變異影響，采用4年定位試驗的平均產量和氮素利用結果進行生態和社會效益分析，發現三棵樹和泉眼溝的EOR分別為215和225 kg N·hm-2，SOR分別為211和221 kg N·hm-2，EOR較AOR分別降低8.8%和7.9%的施氮量，在未顯著降低產量和經濟效益基礎上大幅減少活性氮損失（11.7%和10.9%）和生態環境成本（9.2%和8.4%）。相比AOR，兩個試驗點的SOR分別減少施氮10.6%和9.6%，增加社會效益124和119元/hm2。本研究結果表明，通過增加對生態和社會效益的考慮，東北黑土區玉米目前的適宜施氮量還有進一步下調的空間，因此未來該區域玉米的氮肥推薦施用量及相關管理測量還需進一步研究和優化。

3.3 基于多重效益分析的推薦施肥建議

相比其他研究，本研究中兩個試驗點玉米的EOR、SOR相比AOR及POR實現的減氮幅度相對較小，推測其原因可能主要是試驗設計的氮肥用量上限及作物在不同施氮量條件下的產量趨勢不同所導致。前期在華北地區夏玉米、小麥和太湖地區水稻、小麥的研究中[15,20-21,26]，施氮量上限均設置在400—500 kg N·hm-2，過量氮肥投入導致作物產量出現下降趨勢，但肥料成本持續增加，同時導致更大幅度的生態環境和人類健康成本，其生態和社會效益曲線的弧度更大，因此不同效益目標計算所得的最佳施氮量差異也較大。如華北地區小麥研究中，其AOR、POR、EOR和SOR分別為279、230、175和148 kg N·hm-2，EOR和SOR相比AOR減少了37%—47%[20]。而本研究中玉米的施氮量上限較低，為300 kg N·hm-2，而且施氮超過200 kg N·hm-2后產量維持平臺趨勢，導致生態和社會效益隨施氮量變化的曲線較為平緩，特別是高施氮量條件下與農學、經濟效益曲線的差異較小，因此最終計算所得的最佳施氮量差異也相對較小。另一方面，也可能是由于黑土區土壤肥力相對較高，加之相對較低溫度和適中降雨量降低了氮肥損失，因此相對較低的施氮量即可同時實現較高的作物產量和較好的生態及社會效益。根據《東北黑土地保護規劃綱要（2017—2030年）》顯示，目前東北典型黑土區耕地面積約1 853.33萬公頃，其中約一半以上種植玉米。若生產中采用SOR作為推薦施氮量，相比AOR總計可減少24萬噸氮肥投入，相應減少19.5億元的生態環境成本，增加12.1億元的社會效益。因此，盡管黑土區玉米采用EOR或SOR實現的玉米單位面積減氮量相對較低，但考慮到該區域玉米生產的規模效應，大面積應用的整體效益將非?？捎^，是促進玉米可持續綠色發展的重要技術路徑。

4 結論

在兼顧農學和經濟效益的基礎上，從生態和社會效益角度進一步優化玉米氮肥施用量，可以在保證玉米產量的基礎上減少對環境的影響，促進黑土區玉米生產的可持續綠色發展。本研究不僅可以量化氮肥對玉米產量和經濟效益的影響，還可以量化氮肥對環境和人類健康的影響。結果表明，基于生態和社會效益最佳為目標使得黑土區玉米施氮量降低了7.9%—10.6%，減少活性氮損失11%—14%，提高氮肥偏生產力8%—11%。基于生態和社會效益，確定黑土區玉米在10.5—12.0 t·hm-2產量條件下的適宜施氮量為210—220 kg N·hm-2。

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Optimizing Nitrogen Fertilizer Rate for High-Yield Maize in Black Soil Region Based on Ecological and Social Benefits

ZHENG ChunYu, SHA ShanYi, ZHU Lin, WANG ShaoJie, FENG GuoZhong, GAO Qiang, WANG Yin

College of Resources and Environmental Sciences, Jilin Agricultural University/Key Laboratory of Straw Comprehensive Utilization and Black Soil Conservation, Ministry of Education/Key Laboratory of Sustainable Utilization of Soil Resources in the Commodity Grain Bases in Jilin Province, Changchun 130118

【Objective】Optimizing nitrogen (N) fertilizer rate for maize, by considering ecological and social benefits in combination with agricultural and economic benefits, was studied to promote the sustainable and green maize production in black soil region, and further to realize the multiple goals including higher yield, higher resource use efficiency, improved environment and human health.【Method】Two field experiments were conducted at San-ke-shu (SKS) and Quan-yan-gou (QYG) in typical black soil region from 2017 to 2020, to study the effects of different N fertilizer (urea) rates (0, 50, 100, 150, 200, 250, and 300 kg N·hm-2) on maize yield, N uptake and N recovery efficiency (NUE), and further to evaluate the agronomic, economic, ecological and social benefits (N-derived gross caused by N application, private benefits of removed the N fertilizer cost, ecological benefits of removed environmental pollution cost such as active nitrogen loss and greenhouse gas emission, and social benefit of removed human health harm cost caused by environmental pollution, respectively) in different N rates by using life cycle assessment and comprehensive benefits analysis. The agronomically optimal N rate (AOR), privately optimal N rate (POR), ecologically optimal N rate (EOR) and socially optimal N rate (SOR) were calculated to evaluate the integrated benefits and determine the optimal N fertilizer rate for maize in black soil region. 【Result】Maize grain yields were significantly affected by N rates, which increased continuously with increasing N input and reached the yield plateau under 200 kg N·hm-2treatment at both two experimental sites. Under this N rate, the average yields were 10.3 and 11.1 t·hm-2at SKS and QYG across four experimental years, respectively. The N uptake of maize plants also showed increased trends with increasing N rates, and the highest value in 200 kg N·hm-2treatment at SKS and QYG (151.9, 161.8 kg N·hm-2, respectively). The NUE of maize showed the highest values in 100 kg N·hm-2treatment at both two experimental sites, the averages were 70.3% and 72.2%, respectively; and then, decreased with increasing N rates. Based on 4-year results, the ecological and social costs caused by N fertilizer input increased exponentially with the increase of N application rate. The N-derived gross, private benefits, ecological benefits and social benefits of maize increased firstly and then decreased with the increase of N application rate. Based on the curve fitting calculation, the AOR, POR, EOR and SOR were estimated as 236, 225, 215 and 211 kg N·hm-2at SKS, respectively, and which were 245, 235, 225 and 221 kg N·hm-2at QYG, respectively. Under AOR condition, maize yields of 10.6 and 11.4 t·hm-2, the Nr losses of 44.4 and 46.8 kg N·hm-2were obtained at SKS and QYG, respectively, while their ecological benefits were 8 786 and 10 271 yuan/hm2, and social benefits were 8 351 and 9 822 yuan/hm2, respectively.Compared with AOR, by reducing N inputs by 8.8% and 7.9% at SKS and QYG, respectively, EOR increased partial factor productivity from applied N by 9.1% and 8.1%, respectively, while reducingNr losses by 11.7% and 11.0%, respectively. Compared with EOR, SOR further reduced N inputs by 10.6% and 9.6% at SKS and QYG, respectively, thus reduced Nr losses by 14.0% and 13.1%, respectively, while increasing social benefits by 124 and 119 yuan/hm2, respectively. 【Conclusion】Based on the comprehensive consideration with ecological and social benefits, the optimal N fertilizer rate was determined as 210-220 kg N·hm-2for maize with yield of 10.5-12.0 t·hm-2, it was suggested that the optimal application of ecological or social benefits should be recommended for maize nutrient management in black soil area, which could synergistically achieve the multiple goals for higher yields and NUE, improved ecological environment and human health.

black soil region; maize; optimal N rate; ecological benefit; social benefit; life cycle assessment

2022-04-27；

2022-06-04

吉林省自然科學基金面上項目（20190201117JC）、國家重點研發計劃項目（2016YFD0200101）

鄭春雨，E-mail：zcy18744492676@163.com。通信作者王寅，E-mail：wy1986410@163.com

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.11.008

（責任編輯 李云霞）