基于GIS的吉林省水稻種植區(qū)施氮效果及減排潛力分析

焉莉，馮國忠，蘭唱，高強

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基于GIS的吉林省水稻種植區(qū)施氮效果及減排潛力分析

焉莉，馮國忠，蘭唱，高強

（吉林農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院/吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點實驗室，長春130118）

【目的】研究不同水稻種植區(qū)施氮效果差異，旨在加強氮肥精準養(yǎng)分管理，提高作物產(chǎn)量和肥料效率，從而減少農(nóng)田氮排放?！痉椒ā客ㄟ^對2005—2013年吉林省測土配方施肥田間試驗中不施氮肥處理（N0P2K2）及3個氮梯度（0.5N2P2K2）、（N2P2K2）、（1.5N2P2K2）處理進行分析，研究不同水稻種植區(qū)的產(chǎn)量、氮肥施用效果及氮肥農(nóng)學利用率，探討各區(qū)域施氮效果及減排潛力?！窘Y果】吉林省各地區(qū)水稻產(chǎn)量差異顯著，西部地區(qū)最高，東部地區(qū)最低。在不施氮肥條件下西部地區(qū)平均產(chǎn)量可達7.6 t·hm-2，其與中部地區(qū)和東部地區(qū)的平均產(chǎn)量差可達到2.1和2.2 t·hm-2。施用氮肥后，中部和東部地區(qū)最低增產(chǎn)率29.8%（最高59.5%）顯著高于西部地區(qū)12.6%（最高29.4%）。中部和東部的氮肥利用效率分別為12.2—19.7和12.5—19.5 kg·kg-1，遠高于西部地區(qū)的8.8—13.1 kg·kg-1。采用最大經(jīng)濟收益法MRTN方法建立氮肥用量與凈收益間的函數(shù)關系，從而計算各地區(qū)最佳施氮量。西部地區(qū)、中部地區(qū)和東部地區(qū)的最佳施氮量分別為114.9、128.9和134.1 kg·hm-2，與推薦施肥相比可減少25.6、18.3和5.3 kg·hm-2。在產(chǎn)量沒有顯著差異的條件下，各地區(qū)均可減少氮肥施用量，尤其是西部和中部地區(qū)。通過節(jié)氮成本和糧食收入核算發(fā)現(xiàn)，各地區(qū)均可增加經(jīng)濟效益，其中中部地區(qū)農(nóng)民增收顯著。在保證產(chǎn)量條件下，采用最佳施肥量，吉林省西部、中部和東部每年可減少氮投入量分別為4 378、7 064 和604 t；減少氮排放98.2、158.6和13.6 t?！窘Y論】吉林省西部地區(qū)應控制氮肥施用；中部地區(qū)為全省減排重點區(qū)域；東部地區(qū)目前施肥量適中，可以配合其他管理模式消減自然因素的限制，從而提高水稻產(chǎn)量。

地理信息系統(tǒng)；水稻；產(chǎn)量；施氮量；吉林省

0 引言

【研究意義】化肥是農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的物質保證，是糧食增產(chǎn)的基礎[1]。從20世紀80年代開始中國化肥使用量以每年4%的速度增長，目前已接近世界總使用量的1/3，成為世界最大化肥消費國[2]。但化肥的當季利用率卻比發(fā)達國家低10%[3]。2015年中國農(nóng)田施用氮肥約2 361.6×104t[4]，以平均損失45%計算[5]，每年的氮素損失量就達1 063×104t。氮肥的過量施用導致溫室效應加劇，水體富營養(yǎng)化污染及土壤退化等一系列問題[6-8]。因此根據(jù)土壤養(yǎng)分狀況，最大限度地發(fā)揮氮肥效率，對保證最大經(jīng)濟收益條件下實現(xiàn)高產(chǎn)高效與環(huán)境友好意義十分重大。這樣的施氮技術是目前科研人員關注的熱點[9]?！厩叭搜芯窟M展】吳良泉等[10]提出了在全國范圍內大尺度的中國三大糧食作物的“大配方、小調整”的區(qū)域施肥技術。張智等[11]對四川省不同區(qū)域的水稻氮素吸收特征和氮肥利用率數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域間由于地形、氣候、土壤肥力等差異較大，水稻對氮素吸收利用存在一定差異，應根據(jù)區(qū)域差異合理調整氮肥用量。王寅等[12]研究了吉林省不同生態(tài)區(qū)玉米的氮肥施用效果現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)其玉米施氮效果存在差異，建議根據(jù)區(qū)域氣候環(huán)境條件和施氮響應特征對氮肥進行合理配置。前人的研究均表明只有根據(jù)區(qū)域差異建立精準施肥體系，實現(xiàn)氮素的科學管理，才能充分發(fā)揮氮素的施用效果?！颈狙芯壳腥朦c】水稻生產(chǎn)在中國農(nóng)業(yè)中占有極其重要的戰(zhàn)略地位[13]，是吉林省第二大糧食作物[4]。根據(jù)吉林省的氣候因子、土壤類型、水稻產(chǎn)量及品質將吉林省水稻分為三大種植區(qū)，即：西部超高產(chǎn)區(qū)（western super-high yield area，WSHY）、中部高產(chǎn)優(yōu)質兼顧區(qū)（middle high yield and high quality area，MHYQ）和東部優(yōu)質稻區(qū)（eastern high quality area，EHQ）。目前各種植區(qū)的施氮效果及差異還不清楚?！緮M解決的關鍵問題】本研究在分析吉林省“國家測土配方施肥”項目多年田間試驗數(shù)據(jù)的基礎上，比較基于省級區(qū)域尺度的水稻產(chǎn)量及施氮效果差異，計算區(qū)域最佳施氮量，并估算各區(qū)域減氮和減排潛力，為實現(xiàn)不同水稻種植區(qū)精準施肥提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

吉林省位于東經(jīng)121°38′—131°19′，北緯40°52′—46°18′，地形地貌差異顯著[14]。吉林省包括8個地級市（白城、松原、長春、遼源、吉林、四平、通化、白山）和1個自治州（延邊朝鮮族自治州），根據(jù)目前灌區(qū)分布及水稻的產(chǎn)量及品質等差異將吉林省分為三大水稻種植區(qū)，即西部超高產(chǎn)區(qū)、中部高產(chǎn)優(yōu)質兼顧區(qū)及東部優(yōu)質稻區(qū)（圖1）。西部超高產(chǎn)區(qū)位于吉林省西部鹽堿地，包括松原和白城地區(qū)，因水資源嚴重短缺，為解決農(nóng)業(yè)灌溉缺水問題，修建了松原灌區(qū)、大安灌區(qū)、前郭灌區(qū)、扶余灌區(qū)等，效果顯著，成為著名的水稻超高產(chǎn)區(qū)。中部高產(chǎn)優(yōu)質兼顧區(qū)位于吉林省中部，包括長春、吉林、四平和遼源地區(qū)，擁有相對豐富的地表水資源如飲馬河、星星哨水庫等，采用地表水自流灌溉，形成了以萬昌為代表的產(chǎn)量高且品質好的水稻種植區(qū)。東部優(yōu)質稻區(qū)主要包括位于山區(qū)、半山區(qū)的延邊朝鮮族自治州和通化地區(qū)，因其得天獨厚的自然條件，無污染、純天然綠色品質而被列為吉林省優(yōu)質水稻種植區(qū)。

圖1 吉林省不同水稻種植區(qū)

本研究選取2005—2013年國家測土配方施肥項目在吉林省布設的346個水稻田間試驗點，各水稻種植區(qū)的土壤基礎理化性質見圖2。吉林省地區(qū)種植水稻的土壤類型主要是水稻土。從圖2可知，吉林省從西向東，土壤從堿性慢慢過渡到酸性，有機質、有效磷含量逐漸升高，尤其是東部地區(qū)有機質含量豐富；中西部地區(qū)速效鉀含量相對較高，但東部地區(qū)有效鉀含量相對較低。供試水稻品種均為各種植區(qū)主栽品種，包括吉粳系列，農(nóng)大系列及長白系列等。

圖2 吉林省不同水稻種植區(qū)土壤養(yǎng)分狀況

1.2 試驗設計

本研究選取“3414”田間試驗中的不施氮只施磷鉀肥（N0P2K2）、推薦施用氮磷鉀肥（N2P2K2）、施用0.5倍推薦氮肥（0.5N2P2K2）和施用1.5倍推薦氮肥（1.5N2P2K2）4個處理。推薦施肥量是由當?shù)剞r(nóng)業(yè)技術人員根據(jù)土壤測試結果及目標產(chǎn)量（過去5年農(nóng)戶平均產(chǎn)量的1.1倍）確定的。不同地塊推薦施肥量不同。不同水稻種植區(qū)推薦施用氮磷鉀肥料量如表1所示。其中各地區(qū)平均推薦施肥量存在顯著差異。東部地區(qū)施鉀量相對較多，達到90 kg·hm-2以上；平均施磷量為67.6 kg·hm-2，明顯高于西部和中部地區(qū)。中部地區(qū)的氮肥施用用量較高，平均值達到147.2 kg·hm-2，比西部和東部地區(qū)高出4.8%和5.6%。各試驗點的N0P2K2處理、0.5N2P2K2處理和1.5 N2P2K2處理的磷鉀施用量保持一致。氮磷鉀肥料分別為尿素（N 46%）、磷酸二銨（P2O546%）和氯化鉀（K2O 60%）。在水稻移栽前，結合整地將氮肥的40%、鉀肥的50%、磷肥的全部與耕層土壤混合均勻。氮肥總量的60%作追肥，其中分蘗肥、穗肥和粒肥分別占總氮肥量的30%、20%和10%；鉀肥的50%在孕穗初期施入。分蘗肥、穗肥和粒肥施用時間分別為6月中上旬、7月上旬和8月初。

表1 吉林省不同水稻種植區(qū)氮磷鉀肥料施用量

數(shù)據(jù)后不同字母表示不同地區(qū)在5%水平上差異顯著

Different alphabets mean remarkable differences of different regions at＜0.05

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤樣品測試及產(chǎn)量測定

在水稻移栽前取0—20 cm土層土樣，按《土壤農(nóng)化分析》[15]中的方法測定pH、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀。

水稻成熟后，小區(qū)去邊壟后測產(chǎn)，測定籽粒產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量。

1.3.2 相關計算方法

肥料利用效率AEN（kg·kg-1）=（施肥區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施肥區(qū)籽粒產(chǎn)量）/施肥量；

肥料偏生產(chǎn)力PFPN（kg·kg-1）=施肥區(qū)籽粒產(chǎn)量/施肥量；

氨揮發(fā)量（kg N·hm-2）=2.97+0.16x （x：氮肥施入量）[16]；

氮淋溶量（kg N·hm-2）=6.03e0.0048x（x：氮肥施入量-地上部氮吸收量）[16]；

氮徑流量（kg N·hm-2）=8.69e0.0077x（x：氮肥施入量-地上部氮吸收量）[16]；

氧化亞氮（N2O）排放量（kg N·hm-2）=0.74e0.011x（x：氮肥施入量-地上部氮吸收量）[16]；

地上部氮吸收量（kgN·hm-2）=0.3225x+100.82 （x：氮肥施入量）[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用最大經(jīng)濟收益法MRTN方法建立氮肥用量與凈收益間的函數(shù)關系，從而計算各試驗點最佳施氮量[18]；采用Arcgis 10.0軟件Kriging插值法分析各采樣點中數(shù)據(jù)，并繪制吉林省土壤各養(yǎng)分指標空間分布圖及水稻種植區(qū)產(chǎn)量分布圖；采用Microsoft Excel 2007及SPSS 20.2軟件統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，用Duncan’s檢驗差異顯著性。

2 結果

2.1 施肥對吉林省不同水稻種植區(qū)產(chǎn)量的影響

吉林省不同水稻種植區(qū)在不施氮（N0P2K2）、推薦施用氮磷鉀肥（N2P2K2）、施用0.5倍推薦氮肥（0.5N2P2K2）和施用1.5倍推薦氮肥（1.5N2P2K2）4個處理產(chǎn)量均有顯著差異（圖3）。在三大種植區(qū)，無論何種施肥方式均表現(xiàn)出顯著差異，西部地區(qū)產(chǎn)量最高，中部地區(qū)較高，東部地區(qū)最低。在不施氮肥條件下的水稻產(chǎn)量代表該地區(qū)的基礎氮地力，可見西部地區(qū)的供氮能力較強，平均產(chǎn)量可達7.6 t·hm-2，其與中部地區(qū)和東部地區(qū)的平均產(chǎn)量差可達到2.1 t·hm-2和2.2 t·hm-2。當施用氮肥時，各種植區(qū)產(chǎn)量均有增加。施用0.5倍推薦氮肥時，西部、中部和東部種植區(qū)平均產(chǎn)量分別可達到8.4、6.9和6.8 t·hm-2；當施用推薦氮肥量時，西部、中部和東部種植區(qū)平均產(chǎn)量分別可達到9.4、8.1和7.8 t·hm-2；當施用1.5倍推薦氮肥時，西部、中部和東部種植區(qū)平均產(chǎn)量分別可達到9.4、8.1和8.1 t·hm-2?？梢姡斶^量施用氮肥時，西部和中部地區(qū)的產(chǎn)量沒有變化，只有東部地區(qū)產(chǎn)量略有增加。

圖3 吉林省水稻不同種植區(qū)N0P2K2（A）、0.5N2P2K2（B）、N2P2K2（C）及1.5N2P2K2（D）產(chǎn)量差異

2.2 吉林省不同水稻種植區(qū)施肥增產(chǎn)效果

吉林省不同水稻種植區(qū)施肥增產(chǎn)效果差異顯著（表2）。在不同施氮水平條件下，與不施氮肥處理相比，各地區(qū)均表現(xiàn)為施氮量越高增產(chǎn)量越大。當施用0.5倍（0.5N2P2K2）、1倍（N2P2K2）和1.5倍（1.5N2P2K2）推薦氮肥時，西部地區(qū)增產(chǎn)量分別為0.8、1.8和1.8 t·hm-2，中部地區(qū)增產(chǎn)量分別為1.4、2.6和2.6 t·hm-2，而東部地區(qū)增產(chǎn)量分別為1.4、2.4和2.6 t·hm-2，可見中部和西部地區(qū)施氮肥超過推薦施氮量時增產(chǎn)量并未提高，而東部地區(qū)增加氮肥仍有增產(chǎn)效果。從增產(chǎn)率角度看，中部和東部水稻種植區(qū)不同施氮水平的增產(chǎn)率基本均高于30%；而西部水稻種植區(qū)施氮肥的增產(chǎn)率均低于30%，可見中東部地區(qū)施氮效果顯著，西部地區(qū)施氮效果不明顯。從圖3中可看出，采用推薦施肥量時，中部地區(qū)增產(chǎn)效果最好，其中吉林地區(qū)最高增產(chǎn)率可達到60.4%；其次是東部地區(qū)如延邊州增產(chǎn)率為50.5%；西部增產(chǎn)效果最差，松原地區(qū)增產(chǎn)率僅為23.3%。當過量施用氮肥時，西部和中部地區(qū)增產(chǎn)率僅提高2.4%和1.9%；東部地區(qū)可提高7.8%。

2.3 吉林省不同水稻種植區(qū)氮肥利用率及最佳氮肥施用量

吉林省三大水稻種植區(qū)的氮肥利用率存在顯著差異（表3）。當施用推薦氮肥量時，西部、中部和東部的氮肥農(nóng)學利用率分別為13.1、17.2和17.2 kg·kg-1；偏生產(chǎn)力分別為67.3、56.7和57.6 kg·kg-1?？梢娢鞑康貐^(qū)氮肥農(nóng)學利用率明顯低于中部和東部地區(qū)；但因該地區(qū)產(chǎn)量高導致氮肥偏生產(chǎn)力為全省最高。當施用0.5倍和1.5倍推薦氮肥量時，三大種植區(qū)存在相似規(guī)律。施用0.5倍推薦氮肥量時，氮肥的偏生產(chǎn)力最高；當施用1.5倍推薦氮肥量時，氮肥的農(nóng)學利用率最低。

表2 吉林省水稻不同種植區(qū)增產(chǎn)效果

數(shù)據(jù)后不同字母表示不同地區(qū)在5%水平上差異顯著。下同

Different alphabets mean remarkable differences of different regions at＜0.05. The same as below

表3 吉林省不同水稻種植區(qū)氮肥利用率及最佳施氮量

采用最大經(jīng)濟收益法MRTN方法建立氮肥用量與凈收益間的函數(shù)關系，從而計算各試驗點最佳施氮量（表4）。結果表明西部地區(qū)、中部地區(qū)和東部地區(qū)的最佳施氮量分別為114.9、128.9和134.1 kg·hm-2，與推薦施肥相比可減少25.6、18.3和5.3 kg·hm-2。在產(chǎn)量沒有顯著差異的條件下，各地區(qū)均可減少氮肥施用量，尤其是西部和中部地區(qū)。通過節(jié)氮成本和糧食收入核算發(fā)現(xiàn)，各地區(qū)均可增加經(jīng)濟效益，其中中部地區(qū)農(nóng)民增收顯著。

2.4 吉林省不同水稻種植區(qū)減肥及減排潛力

根據(jù)計算可知吉林省不同水稻種植區(qū)均有減肥潛力（表4），參照吉林省年鑒中記載的各縣市水稻種植面積[4]，西部、中部和東部水稻種植面積分別為17.1×104、38.6×104和11.4×104hm2，其每年總共節(jié)氮可分別達4 378、7 064和604 t。依據(jù)張福鎖團隊在《Nature》上發(fā)表的中國水稻溫室氣體系數(shù)[16]及侯云鵬等[17]研究得出的東北地區(qū)水稻氮吸收規(guī)律估算出與推薦量相比（表5），最佳施氮量條件下吉林省不同區(qū)域氨揮發(fā)可減少0.84—4.10 kgN·hm-2；氮淋溶減少0.10—0.47 kgN·hm-2；氮徑流和氧化亞氮排放分別減少0.22—1.04和0.03—0.13 kgN·hm-2。結合各區(qū)域種植面積，西部、中部和東部每年可減少氮排放分別為98.2、158.6和13.6 t，減排效果明顯。

表4 吉林省不同水稻種植區(qū)最佳施氮量及經(jīng)濟效益分析

按尿素（N46%）為氮肥主要施用種類，價格為2000元/噸，水稻價格為2300元/噸計算經(jīng)濟效益

The economic benefit is calculated according to the price of rice and urea at 2300 yuan/t and 2000 yuan/t, respectively, with urea as main nitrogen fertilizer

表5 吉林省不同水稻種植區(qū)減排潛力

不同字母表示推薦施肥和最佳施肥模式在5%水平上差異顯著

Different alphabets mean remarkable differences between recommended fertilization rate and optimal fertilization rate at＜0.05

3 討論

精準農(nóng)業(yè)是21世紀農(nóng)業(yè)科學研究與應用的熱點領域[19]。分散經(jīng)營目前是中國種植業(yè)的主要生產(chǎn)模式，分區(qū)策略成為農(nóng)業(yè)精準管理的技術核心[20]。因此了解不同地區(qū)間土壤養(yǎng)分，作物產(chǎn)量水平及肥料響應規(guī)律的差異，是實現(xiàn)區(qū)域精準管理的基礎[12]。本研究結果表明，吉林省不同水稻種植區(qū)在土壤養(yǎng)分含量、產(chǎn)量水平及肥料施用效果方面差異顯著，應根據(jù)其特點制定相應的農(nóng)業(yè)管理及施肥策略，從而提高其管理效果及肥料利用率，達到保產(chǎn)、綠色、減肥、減排的目的。

吉林省西部是世界三大蘇打鹽堿地分布區(qū)之一，曾經(jīng)是嚴重退化的鹽堿地生態(tài)環(huán)境，現(xiàn)在成為國家重要的商品糧基地[21]。本文研究發(fā)現(xiàn)西部地區(qū)土壤有機質和堿解氮水平相對較低，但在不施肥條件下水稻產(chǎn)量卻很高，其可能是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)管理模式、品種及氣象因子共同作用的結果。大型灌區(qū)的建立成功解決了蘇打鹽堿地的種稻洗堿問題，“淺-深-淺-濕”的合理灌溉控水模式、機械化播種收獲等管理措施都為西部超高產(chǎn)創(chuàng)造了條件；吉粳88等適合該地的高產(chǎn)品種研發(fā)及推廣，使其產(chǎn)量增加20%[21]；同時氣象因子如西部積溫和總日照時數(shù)要明顯高于中部和東部[22]，也是水稻高產(chǎn)形成的關鍵因子。Dobermann[23]研究發(fā)現(xiàn)土壤肥力狀況并不是影響水稻產(chǎn)量的主要因素，溫度和日照對水稻影響明顯[24]。張文香等[25]研究結果表明，在吉林省氣候條件下，水稻產(chǎn)量隨積溫的增高而顯著增加。中部地區(qū)自然條件較好，光照、積溫等氣象因子均有利于水稻的生長，且因中部地區(qū)開墾時間較長，土壤中的速效養(yǎng)分如堿解氮、有效磷、速效鉀等含量均較高。同時由于采用地表水作為灌溉，水中含有多種微量元素，從而產(chǎn)生了以萬昌為代表的高產(chǎn)優(yōu)質水稻種植區(qū)。東部地區(qū)以山地丘陵為主，靠近長白山脈，氣候原因導致作物產(chǎn)量不高。邱譯萱等[26]提出吉林省東部地區(qū)因積溫較低，水稻播種/移栽時間適當提前可增加水稻產(chǎn)量，同時由于氣候變暖導致積溫增加，可適當擴大中晚熟品種面積比例，縮小中早熟比例，利于增產(chǎn)。

作物單位面積施氮量、氮磷施肥比例及其種植密度是影響氮肥利用率大小的主要因素，而施氮量是影響作物氮肥利用率的重要因素[27]。本研究中當施用推薦氮肥量時，吉林省的水稻氮肥偏生產(chǎn)力為56.7—67.3 kg·kg-1，明顯高于南方的浙江省、江蘇省、湖南省和廣東省的水稻偏生產(chǎn)力[28]；但與日本的水稻氮肥偏生產(chǎn)力75 kg·kg-1[29-30]相比仍略有差距。吉林省水稻的氮肥農(nóng)學利用率為13.1—17.2 kg·kg-1，與全國水稻平均氮肥農(nóng)學利用率10.4 kg·kg-1[31-32]相比明顯提高。測土配方施肥項目所采用的推薦施肥量是養(yǎng)分平衡法計算得到的，即根據(jù)過去5年農(nóng)戶平均產(chǎn)量的1.1倍確定目標產(chǎn)量，以土壤養(yǎng)分測定值計算土壤供肥量，從而得到肥料需求量。該方法充分考慮作物、土壤、肥料體系的相互聯(lián)系，對于快速確定大區(qū)域施肥閾值，控制區(qū)域過量施肥效果顯著，增產(chǎn)節(jié)本的同時，肥料利用率可提高5%—-10%[33]。但該方法中的目標產(chǎn)量、作物養(yǎng)分吸收量常難以準確估計，因此會造成一定的偏差。肥料效應函數(shù)法則可以很好的揭示作物產(chǎn)量與肥料用量的關系，根據(jù)效應方程和施肥效益邊際分析法計算最佳施肥量[34]。本研究發(fā)現(xiàn)在保證產(chǎn)量不變的條件下，根據(jù)肥料效應函數(shù)計算的最佳施肥量與比測土配方施肥推薦量可減少3.8%—19.2%。但建立肥效函數(shù)的田間試驗周期長、工作量大，適合于進行精準施肥的小區(qū)域使用。

在從區(qū)域施肥效果角度看，區(qū)域間變異很大，西部地區(qū)的氮肥利用率相對較低。無論從產(chǎn)量增長率還是氮肥農(nóng)學利用率分析都明顯低于中部和東部地區(qū)。西部地區(qū)土壤的有機質和堿解氮的含量相對較低，整體施氮量也與其他地區(qū)無明顯差異，但基礎地力氮的貢獻率可以達到80.5%，說明外源氮肥不是該地區(qū)主要的控制因素，應該適當降低氮肥投入量。

從減排潛力結果中也可看出，東部地區(qū)的施肥量較低，氮肥農(nóng)學利用率高，減排潛力也最小，最佳施氮量是推薦量的96.2%。西部地區(qū)產(chǎn)量高，但該地區(qū)的單位面積的減排潛力卻是最大的，每公頃減氮量占推薦量的18.2%。中部地區(qū)是吉林省的主要水稻種植區(qū)，其氮肥利用率最高，但因其種植面積大卻成為全省最主要的減氮區(qū)，減氮量占吉林省總減氮量的68.7%。

Good等[35]提出通過農(nóng)業(yè)技術的革新和改進，如精準農(nóng)業(yè)管理、輪作制度、綠肥、最佳養(yǎng)分管理等手段可以在不增加氮肥投入情況下，進一步實現(xiàn)作物增產(chǎn)。本文根據(jù)大量氮梯度試驗數(shù)據(jù)分析在最大經(jīng)濟收益條件下，水稻產(chǎn)量不減產(chǎn)前提下，實現(xiàn)氮肥施用量減少，氮肥利用率進一步提高，氮排放明顯降低。

4 結論

氮肥是保障吉林省水稻高產(chǎn)的重要因素，但不同水稻種植區(qū)產(chǎn)量和肥料利用率對氮肥的響應存在顯著差異，以西部地區(qū)產(chǎn)量最高，其次是中部地區(qū)和東部地區(qū)；當施用當?shù)赝扑]施氮量時，其平均產(chǎn)量分別可達到9.4、8.1和7.8 t·hm-2；而氮肥農(nóng)學利用率則中部和東部地區(qū)較高，可達17.2 kg·kg-1, 西部較低為13.1 kg·kg-1。西部地區(qū)因基礎地力氮貢獻率較高，單位面積減肥減排潛力最大，為25.6 kg·hm-2；而中部地區(qū)因種植面積大成為全省減排重點區(qū)域；東部地區(qū)目前施肥量適中，可以配合早播及根據(jù)氣候變化優(yōu)選水稻品種等管理模式消減自然因素的限制，從而提高水稻產(chǎn)量。在保證產(chǎn)量條件下，采用最佳施肥量，吉林省西部、中部和東部可減少每年減少氮投入量分別為4378、7064 和604 t；減少氮排放98.2、158.6和13.6 t。

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（責任編輯 李云霞）

Nitrogen effect and Emission Reduction Potential of Rice Planting in Jilin Province by GIS

YAN Li, FENG GuoZhong, LAN Chang, GAO Qiang

(College of Resource and Environmental Science, Jilin Agricultural University / Key Laboratory of Sustainable Utilization of Soil Resources in the Commodity Grain Bases of Jilin Province, Changchun 130118)

【Objective】The differences of nitrogen fertilizer effect in rice planting regions were studied to strengthen precision nitrogen management, to increase crop yield and fertilizer use efficiency, and to reduce nitrogen emission from farmland.【Method】Rice yield and effect of applied nitrogen fertilizer in different rice planting regions in Jilin Province were studied to explore the differences of nitrogen effect and emission reduction potential in different regions with no nitrogen fertilizer treatment (N0P2K2) as the control, three levels of nitrogen fertilizer application treatments including (0.5N2P2K2), (N2P2K2), (1.5N2P2K2) were designed in “soil testing and formulated fertilization” field experiment carried out in 2005-2013 in Jilin Province. 【Result】The results showed that rice yields in different regions in Jilin Province were variant significantly, the highest was in the western region, and the lowest was in the eastern region. The yield in western region averaged 7.6 t·hm-2with no nitrogen fertilizer application, yield differences of which reached 2.1 t·hm-2and 2.2 t·hm-2on an average, respectively, compared to that in the central and eastern regions. With nitrogen fertilizer application, minimum increasing yield rate in the central and eastern regions was 29.8% (the maximum was 59.5%), which was significantly higher than 12.6% in the western region (the maximum was 29.4%). Agronomic utilization ratios of nitrogen fertilizer in the central and eastern region were 12.2-19.7 kg·kg-1and 12.5-19.5 kg·kg-1, far higher than 8.8-13.1 kg·kg-1in the western region. Function relation between the nitrogen fertilizer rate and net income was established by maximum economic income(MRTN) method to calculate the best nitrogen application rate. The optimal nitrogen rate in the western region, central region and eastern region was 114.9, 128.9, and 134.1 kg·hm-2, respectively, which reduced by 25.6, 18.3, and 5.3 kg·hm-2, respectively, compared with the recommended fertilizer rate. With no significant differences in rice yield, nitrogen fertilizer rate decreased in three regions, especially in western and central regions. By calculating nitrogen reduction cost and yield income, economic benefit was increased in all regions, especially in the western region. Yearly nitrogen input reduction in western, central and eastern regions in Jilin Province was 4 378, 7 064 and 604 t respectively; nitrogen emission reduction was 98.2, 158.6, and 13.6 t, respectively, by optimal fertilizer amount input with no obvious yield differences. 【Conclusion】Measures should be made to control the nitrogen fertilization rate in western region; total emission reduction potentials in central region is the largest because of the planting areas; fertilizer application rate in the eastern region is moderate presently, rice yield can be improved by cooperating with other management measures to reduce the limitation of natural factors.

geographic information system(GIS); rice; yield; nitrogen fertilizer rate; Jilin Province

2017-01-22；接受日期：2017-03-09

“十三五”國家重點研發(fā)計劃（2016YFD0200403）、國家級大學生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新項目（201610193013）

焉莉，E-mail：yanli02002@hotmail.com。通信作者高強，E-mail：gaoqinglunwen@163.com