基于高效、可持續(xù)與環(huán)境友好型的“ESE”施肥技術(shù)體系的建立

付春紅 張慶賀 李嘉鑫 呂艷超 張婷婷 黃健

摘要：吉林省自大規(guī)模推廣配方施肥技術(shù)以來，產(chǎn)生了許多配方施肥方法，其共同特點都是僅僅考慮施肥對作物的養(yǎng)分平衡和施肥的效益，均未關(guān)注施肥對土壤中養(yǎng)分消耗的補償作用或者土壤養(yǎng)分的歸還作用。本文在總結(jié)前人提出的施肥方法和建議下，提出以作物一土壤一環(huán)境“三位一體”的土壤表觀平衡為基礎(chǔ)，以調(diào)節(jié)和改善氮肥對環(huán)境損失率為技術(shù)關(guān)鍵的高效可持續(xù)和環(huán)境友好（EsE）的現(xiàn)代“4R”施肥技術(shù)模型。

關(guān)鍵詞：配方施肥;施肥模型;技術(shù)體系

中圖分類號：F323 文獻標識碼：A DOI編號：10.14025/i.cnki.jlny.2019.15.041

吉林省糧食總產(chǎn)水平穩(wěn)定在350億公斤的階段性水平，其中化肥的作用功不可沒。大量研究結(jié)果表明，化肥在糧食增產(chǎn)中的貢獻率可以高達40%～50%，但也存在施肥不合理、化肥超量施用的現(xiàn)象。例如，吉林省中部糧食主產(chǎn)區(qū)合理施肥面積只占30.2%。因此，迫切需要對單純追求產(chǎn)量和效益的施肥理念和方法進行梳理和修正，建立既能滿足增產(chǎn)增收，又可以創(chuàng)造良好農(nóng)田生態(tài)環(huán)境和耕地可持續(xù)利用的現(xiàn)代施肥技術(shù)體系。

1 ESE施肥技術(shù)的理論基礎(chǔ)與施肥模型的建立

ESE施肥技術(shù)理論基礎(chǔ)是作物一土壤一環(huán)境“三位一體”的土壤氮素的“表觀平衡”，并通過改進施肥方法改善和調(diào)節(jié)這種“平衡”，形成施肥技術(shù)體系，實現(xiàn)作物高產(chǎn)高效、土壤肥力穩(wěn)定提高、農(nóng)田環(huán)境友好的種植施肥多贏目的。為便于了解施肥模型建立的推演過程，用圖1和關(guān)系式1說明這種“表觀平衡”，并且其過程是作物從種植到收獲土壤氮素流通總量的“表觀平衡”，因此模型的計算結(jié)果是氮肥施用總量，而基肥與追肥的分配仍需根據(jù)作物對氮肥的需肥規(guī)律確定。對于磷鉀肥仍然采用“土壤養(yǎng)分豐缺法”，每隔2～3年測土監(jiān)測矯正施肥。

以上匡圖的數(shù)學(xué)關(guān)系式可以表達為：

Wl+W2+W3+W4=W5+W6+W7+W8+W9…（1）

其中：s（包括W6+W7+W8）可以看作土壤氮素養(yǎng)分肥力相對穩(wěn)定的庫容，它是土壤養(yǎng)分肥力水平的數(shù)量指標，也是保持這種水平的能力指標;W2+W3是當季作物可以吸收的土壤氮素養(yǎng)分量;W4為環(huán)境提供給土壤氮素養(yǎng)分量。按照李比希施肥養(yǎng)分歸還學(xué)說和保持土壤肥力可持續(xù)要求，作物播種前與收獲后土壤養(yǎng)分的變化（SA）應(yīng)當為零，即：SA=W6+W7+W8+W4-W2-W3=0…（2），而W3=W6+W7…（3），將（3）式代入（2）式，則W8=W2-W4…（4），分別再將（3）式和（4）式代入（1）式，則：Wl=W5+W9-2W4…（5）

設(shè)R為施肥損失到環(huán)境中的氮素損失率（%），即損失到環(huán)境中的氮素（W9）占施肥量（W1）的（%），包括肥料的揮發(fā)、淋溶和徑流等，則（5）式變?yōu)椋篧l=（W5-2W4）/（1-R）…（6），即：

氮肥施用量=作物吸收養(yǎng)分量-2^*來自環(huán)境的氮門一施肥氮素環(huán)境損失率（%）。

2 ESE施肥模型的參數(shù)確定與評價

2.1 ESE施肥模型的參數(shù)確定

式（5）中共有W5，W4和R三個變量參數(shù)，將相關(guān)參數(shù)獲得的方法分析如下：

W5是作物氮素養(yǎng)分的吸收量，由作物目標產(chǎn)量和百公斤籽粒需肥量構(gòu)成?？梢愿鶕?jù)地塊的地力水平確定目標產(chǎn)量，一般為前三年的平均產(chǎn)量增加15%～20%;相關(guān)資料可以查詢到春玉米各類品種作物百公斤籽粒需氮量，吉林省春玉米平均為1.98kg/100kg，目標單產(chǎn)水平越高其值越低。

W4是來自環(huán)境氮素的投入量，主要包括大氣沉降和生物固氮。研究表明，大氣氮素沉降量全國平均值為20～50Kg/hm²，其中，東北地區(qū)最低。據(jù)研究估算.吉林省平均大氣氮素沉降量為14.8kg/hm²，比全國平均水平20.2kg/hm²低;大田地非共生固氮，一般為15kg/hm²。這兩項環(huán)境氮素投入量在省級尺度應(yīng)當變化不大，可以認定吉林省環(huán)境投入氮素量平均在30kg/hm²。

施肥損失到環(huán)境中的氮素損失率R值是一個變化值，它與區(qū)域特征、土壤條件和栽培技術(shù)等有很大關(guān)系。同一農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域、土壤條件、栽培技術(shù)水平下，會保持其相對穩(wěn)定性和一致性，因此，要因地分類，建立不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域、土壤條件、栽培技術(shù)水平下的施肥環(huán)境氮素損失率（R）體系，以滿足地塊尺度施肥指導(dǎo)精度。具體可以選擇某一區(qū)域、不同土壤條件下的代表性地塊，通過田間回歸試驗獲得最佳施肥量和最高產(chǎn)量，再采用式（6）求得R值。以吉林省梨樹縣試驗為例，以降水量劃分出三個不同的農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)（可以代表吉林省中部黑土區(qū)），如表1，利用試驗得出的最佳施肥量和最高產(chǎn)量，計算氮肥環(huán)境損失率。

其中，450～5000ram區(qū)的R值計算如下：242=（11220^*2.0/100-2*30）/（1-R），R=32.1%（其中，春玉米白公斤籽粒吸氮量為2.0kq/100 kq）。

研究表明，全國施肥氮素環(huán)境損失率（R值）平均30%～50%，其中氨氣揮發(fā)損失11%，硝化一反硝化損失34%，淋溶損失2%，徑流損失5%，但吉林省黑土區(qū)降雨較小，蒸發(fā)相對較大，地形多為緩坡但坡長（30～50），水蝕較為嚴重，且以種植玉米的旱田為主，施肥中的氮素損失以氨揮發(fā)和徑流為主，硝化一反硝化損尖和淋溶損失率不高。如果硝化一反硝化損失和淋溶損失率按全國平均值的30%～50%計，其他兩項氨揮發(fā)和徑流損失率不變，依此粗略估算，吉林省施肥氮素環(huán)境損失率（R值）在25%～35%，低于全國平均水平，與以上計算結(jié)果大致相當。

2.2 ESE施肥模型的評價

一是高效性。模型的物理性解釋為：在指定的農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域內(nèi)，保證作物高產(chǎn)高效的前提下，采用當?shù)赝寥琅喾屎驮耘啻胧?，有效控制施肥對環(huán)境影響而達到的最佳施肥量。實現(xiàn)高產(chǎn)高效和環(huán)境友好的施肥目地;二是土壤培肥性。施肥先肥土，施肥不僅要提供作物充分的營養(yǎng)條件，也是土壤培肥過程。EsE施肥模型符合“歸還學(xué)說”理論，保證了作物播前和收獲后土壤養(yǎng)分不變，保持地力水平的穩(wěn)定;三是施肥對環(huán)境影響的調(diào)控性。ESE施肥模型中的三個參數(shù)中只有施肥氮素損失率（R值）為變量，概念清晰，改善措施明確，為有效地制定施肥技術(shù)體系提供了靶向依據(jù)。比如，可以通過秸稈還田、施用有機肥、化肥深施和深松深翻等措施，提高土壤持水保肥能力，降低化肥用量，降低化肥損失對環(huán)境的影響。

3 ESE施肥技術(shù)體系的構(gòu)建

ESE施肥技術(shù)體系應(yīng)包括選擇適宜的施肥量、施肥方法（位置、時期）、肥料的品種，甚至栽培技術(shù)、耕作方式、土壤培肥措施以及作物品種等“4R”施肥技術(shù)，核心是調(diào)節(jié)和改善施肥環(huán)境的損失率，降低施肥總量（可以從關(guān)系式（6）中看出），同時要保證作物高產(chǎn)和土壤養(yǎng)分的平衡。可通過增施有機肥或秸稈還田增加土壤養(yǎng)分庫容和保肥能力;通過深施和分次施肥以及控釋肥技術(shù)等，保證作物在需肥關(guān)鍵時期和最大效率期的養(yǎng)分供應(yīng)，減少肥料的揮發(fā)、淋溶和徑流等;通過機械深松深翻，增加土壤蓄水保墑，提高作物養(yǎng)分有效吸收和“無機氮土壤中的殘留”保持能力。

3.1建立施肥氮素養(yǎng)分環(huán)境損失率體系。確定適宜的施肥量

計算施肥量的ESE施肥模型中，施肥環(huán)境損失率R值是決定化肥用量的唯一關(guān)鍵參數(shù)，它由區(qū)域特征、土壤條件和栽培技術(shù)水平等決定。分區(qū)、分類通過田間試驗計算不同R值，建立全省不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域、不同土壤肥力水平的施肥氮素養(yǎng)分環(huán)境損失率體系，指導(dǎo)農(nóng)民施肥。

3.2根據(jù)肥料特性。確定合理施肥的方法

氮肥分次、分層深施，磷肥分層施，鉀肥分次深施，基肥、種肥和追肥相結(jié)合。春玉米追施氮肥壟溝深施比壟上表施可以提高氮肥利用率2.7%～19.9%。一般情況下，吉林省玉米施氮肥的20%，磷肥與鉀肥的80%～100%及其他肥料可全部作基肥深施，施肥深度應(yīng)在種子下的8～10cm以上;通常情況下，氮肥的5%磷肥與鉀肥的20%做種肥，施肥深度應(yīng)在種子側(cè)下方3～5cm，做到種肥隔離。氮肥施肥量的80%做追肥，一般春玉米在大喇叭口期深施追肥，深度應(yīng)達到8～10cm，覆好土，防止化肥揮發(fā)。

3.3實施秸稈還田，增施有機肥

降低施肥環(huán)境損失的最好辦法是提高土壤養(yǎng)分庫容，即土壤保肥能力。增施有機肥和秸稈還田可以提高土壤有機質(zhì)，改善土壤團粒結(jié)構(gòu)，不但可以滿足當季作物所需要的養(yǎng)分，還可以增加土壤有機態(tài)有效養(yǎng)分和固持態(tài)有效養(yǎng)分等這些土壤緩效性養(yǎng)分。吉林省土壤有機質(zhì)的年礦化率為2.5%～3.0%，每年礦化有機質(zhì)達1500kg/hm²左右，需要秸稈還田或增施有機肥補充土壤有機質(zhì)。增施有機肥既要數(shù)量充足，還要質(zhì)量有保障。研究表明，東北黑土區(qū)施用的有機肥質(zhì)量和數(shù)量“閾值”要達到有機質(zhì)含量>70%（烘干基），施用量在6000±1500kg/hm²以上，連續(xù)施用3年才會出現(xiàn)成效。

3.4創(chuàng)造良好耕層結(jié)構(gòu)。提高土壤養(yǎng)分協(xié)調(diào)供應(yīng)和保持能力

土壤培肥是現(xiàn)代施肥技術(shù)的重要內(nèi)容。陳恩鳳曾提出，土壤肥力（土壤水、肥、氣、熱的協(xié)調(diào)供應(yīng)能力）決定于土壤的“體質(zhì)”和“體型”。“體質(zhì)”是指以土壤養(yǎng)分為代表的土壤肥力物質(zhì)供應(yīng)水平;“體型”是指土壤耕層的剖面構(gòu)型，是土壤肥力的協(xié)調(diào)能力。因此，土壤培肥包括有機培肥、無機培肥和耕作培肥，而后者在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中顯得愈加重要。通過深松等耕作措施可以改善土壤耕層結(jié)構(gòu)，不但增加土壤蓄水保墑能力，而且擴大了“土壤無機氮殘留”的庫容能力，減少化肥淋溶和徑流。采用玉米寬窄行種植、高留茬、行間深松的新耕作技術(shù)，可以創(chuàng)造苗帶緊，行間松的虛實結(jié)合耕層結(jié)構(gòu)，增加土壤蓄水能力;同時還可以通過秸稈還田，增加土壤有機質(zhì)，控制風(fēng)蝕和水蝕。黃健等連續(xù)3年試驗證明，吉林省中部黑土區(qū)采用此法，0～50cm土層可以平均提高水分1.9-4個百分點;0-20cm土層可以平均提高土壤有機質(zhì)0.19個百分點。