土壤學(xué)

理論施氮量的改進(jìn)及驗(yàn)證——兼論確定作物氮肥推薦量的方法

巨曉棠

摘要：目的：確定合理施氮量是獲得較高目標(biāo)產(chǎn)量、維持土壤氮肥力和降低施氮引起環(huán)境污染的關(guān)鍵。自一個(gè)世紀(jì)前氮肥發(fā)明和施用以來(lái)，盡管已經(jīng)開(kāi)展了上百年研究，但尚未找到令人滿意能夠在田塊尺度上方便的確定合理施氮量方法。由于目標(biāo)產(chǎn)量綜合反映了土壤-氣候條件、土壤肥力水平、農(nóng)戶的生產(chǎn)條件和農(nóng)藝管理水平。在生產(chǎn)條件相對(duì)穩(wěn)定的某段時(shí)期，農(nóng)戶對(duì)自己田塊目標(biāo)產(chǎn)量最為了解，成為氮肥推薦容易獲得和相對(duì)可靠的參數(shù)。目標(biāo)產(chǎn)量和目標(biāo)籽粒蛋白質(zhì)含量決定了作物地上部吸氮量，進(jìn)而決定了通過(guò)肥料和土壤應(yīng)該供給多少氮素來(lái)滿足作物對(duì)氮素的需求。因此，尋找根據(jù)單個(gè)田塊目標(biāo)產(chǎn)量確定田塊施氮量的方法具有重要的實(shí)際意義。方法：本文在前期提出的作物理論施氮量概念和方法基礎(chǔ)上，在考慮其他來(lái)源氮素輸入（干濕沉降、灌溉水、種子、非共生固氮）情況下，深入分析了土壤-作物體系中主要氮素通量及其相互關(guān)系，基于作物根區(qū)氮肥（包括有機(jī)肥當(dāng)季供氮量）、土壤氮和作物吸氮三者的數(shù)量關(guān)系，對(duì)理論施氮量做了進(jìn)一步推導(dǎo)和解析。結(jié)果：理論施氮量（Nfert）實(shí)質(zhì)相當(dāng)于籽粒移出氮量（Nfert）減去其他來(lái)源的氮量（Nothers），加上肥料氮的損失量（Nfert3），即Nfert＝Ngrain-Nothers+Nfert3。在西歐和北美等氮肥施用技術(shù)較先進(jìn)的國(guó)家或地區(qū)，氮肥損失量較低，氮肥損失（Nfert3）基本相當(dāng)于其他來(lái)源（Nothers）氮量，氮肥施用量大約相當(dāng)于籽粒移出氮量。由于我國(guó)施肥技術(shù)還較粗放，施肥過(guò)程和施肥后的氮素?fù)p失還比較高，在目前施肥方法和農(nóng)藝管理?xiàng)l件下，肥料氮損失量（Nfert3）大致相當(dāng)于秸稈歸還氮量（Nstraw）和其他來(lái)源的氮量（Nothers）之和，即Nfert3≌Nstraw+Nothers，將此式代入上式，即可推導(dǎo)出：Nfert≌Nuptake。即我國(guó)目前施肥技術(shù)條件下，施氮量相當(dāng)于作物地上部氮素?cái)y出量。本文進(jìn)一步引進(jìn)百千克收獲物需氮量（N100）參數(shù)，推導(dǎo)出根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量確定推薦施氮量的算式：Nfert≈Y/100×N100；式中，Nfert為理論施氮量（N·kg·hm－2），Y為目標(biāo)產(chǎn)量（kg·hm－2）?？梢钥闯?，在確定了百千克收獲物需氮量后，推薦施氮量是目標(biāo)產(chǎn)量的唯一函數(shù)。綜合各種文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果，在當(dāng)前生產(chǎn)條件和產(chǎn)量水平下，小麥、玉米、水稻的百千克收獲物需氮量分別取值為2.8、2.3和2.4 kg，或稱其為施氮系數(shù)。根據(jù)改進(jìn)的理論施氮量算式和施氮系數(shù)，很容易求出三大糧食作物不同目標(biāo)產(chǎn)量的推薦施氮量。以此系數(shù)求得的推薦施氮量略高于田間實(shí)際測(cè)定的地上部吸氮量，主要是為了維持作物較高的供氮強(qiáng)度和吸氮量，以達(dá)到該目標(biāo)產(chǎn)量時(shí)的地上部吸氮量。應(yīng)用大量文獻(xiàn)報(bào)道田間試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)理論施氮量和經(jīng)濟(jì)最佳施氮量進(jìn)行了比較，在絕大多數(shù)情況下，兩者非常接近。但東北的小麥、玉米和水稻的理論施氮量遠(yuǎn)高于區(qū)域氮肥推薦量。主要原因是氮素礦化作用大于固持作用，作物利用了部分土壤礦化氮，土壤有機(jī)氮處于消耗狀態(tài)。結(jié)合理論施氮量，本文詳細(xì)解析了近年來(lái)我國(guó)建立的推薦施氮量方法的科學(xué)基礎(chǔ)、推薦結(jié)果及適用性。認(rèn)為將我國(guó)大面積生產(chǎn)中過(guò)量和不足的施氮調(diào)節(jié)到合理施氮量范圍，是當(dāng)前和今后一段時(shí)期的緊迫任務(wù)。理論施氮量從長(zhǎng)期維持高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、土壤氮素平衡和低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)考慮，即可滿足這種實(shí)際需求。推廣技術(shù)員和農(nóng)戶能夠根據(jù)自己田塊的目標(biāo)產(chǎn)量用口算確定出施氮量，簡(jiǎn)便易行。結(jié)論：理論施氮量不需要估計(jì)土壤有效氮供應(yīng)量，避免因?yàn)闇y(cè)試土壤有效氮的高低，在某些季給出低的推薦量，其他季給出高的推薦量。在理論施氮量推導(dǎo)中，考慮到集約化長(zhǎng)期耕作田塊，既不能過(guò)度消耗土壤無(wú)機(jī)與有機(jī)氮庫(kù)，也不能使這兩個(gè)氮庫(kù)過(guò)度累積，需要維持土壤無(wú)機(jī)氮和有機(jī)氮庫(kù)大致平衡，即作物播前根區(qū)的土壤無(wú)機(jī)氮和生育期有機(jī)氮礦化成無(wú)機(jī)氮之和約等于肥料氮通過(guò)固持作用進(jìn)入有機(jī)氮的部分和收獲后無(wú)機(jī)氮?dú)埩舻牟糠帧ＵJ(rèn)為施氮（化肥氮+有機(jī)肥當(dāng)季供應(yīng)氮）的主要作用：一是被作物吸收；二是作為殘留氮補(bǔ)充土壤氮的消耗。殘留肥料氮既是不可避免的，又是必要的。由于目標(biāo)產(chǎn)量已反映了目標(biāo)田塊的綜合生產(chǎn)條件和肥力水平，理論施氮量可以給出不同目標(biāo)產(chǎn)量水平下的氮肥推薦量，既不會(huì)因?yàn)槭┑^(guò)多而浪費(fèi)肥料，增加環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)；也不會(huì)因?yàn)槭┑蛔愣鴵p失應(yīng)有的產(chǎn)量。我國(guó)需要從每季作物均要根據(jù)土壤測(cè)試值調(diào)節(jié)施氮量的局面中走出來(lái)，給出某種土壤-作物體系長(zhǎng)期高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的合理施氮量，達(dá)到既能持續(xù)高產(chǎn)，又能維持土壤氮素平衡，最大限度降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的目標(biāo)。

來(lái)源出版物：土壤學(xué)報(bào), 2015, 52(2): 249-261

入選年份：2015