我國茶園氮肥利用和損失現(xiàn)狀分析

鄒振浩，沈 晨，李 鑫，張麗平，張 蘭，韓文炎，顏 鵬

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部茶葉質(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310008）

茶樹是多年生葉用植物，對氮需求量大，氮肥可以促進(jìn)茶葉生長，增加茶葉數(shù)量和質(zhì)量，因此生產(chǎn)中施用氮肥是提高茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)的重要措施[1]。但是生產(chǎn)中為了追求高產(chǎn)，存在過量施用氮肥的問題[2]，造成氮肥利用率低[3]，2019年中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所倪康等[4]對我國各產(chǎn)茶省市氮肥施用狀況進(jìn)行了報(bào)道，全國茶園氮肥平均用量為444 kg/hm2，有超過一半茶園化肥氮用量超過450 kg/hm2。同時(shí)過量氮肥以淋洗、氨揮發(fā)和N2O排放等形式損失進(jìn)入環(huán)境，造成環(huán)境危害[5]。研究顯示，茶園氮肥的當(dāng)季利用率僅為25%～30%，其中未被利用的部分大量以含氮化合物的形式進(jìn)入大氣和土壤，不僅導(dǎo)致生態(tài)壞境污染，還導(dǎo)致茶葉品質(zhì)的下降[6-7]。在國家大力推行減肥減藥，提高化肥利用效率，降低損失，減輕環(huán)境危害的背景下，明確當(dāng)前茶園氮肥利用和損失情況，有利于優(yōu)化氮肥管理、提高氮肥利用效率，以及為后期相關(guān)政策制定提供理論依據(jù)。

我國早在20世紀(jì)60年代就有關(guān)于茶樹氮肥利用率的報(bào)道。1964年，俞永明等[8]報(bào)道選擇合適的氮肥種類和氮肥用量可以提高氮肥利用率，當(dāng)施氮肥150 kg/hm2時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益是 9.17 kg/kg N，而氮肥增加到300和600 kg/hm2時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益降低到7.18和4.19 kg/kg N。1980 年，劉繼堯[9]指出茶園氮肥的利用率不高，一些高產(chǎn)茶園的氮肥利用率約在20%～40%。因此合理施肥，提高氮肥利用率是當(dāng)前茶葉生產(chǎn)中的一個(gè)重要問題。1991年，楊鐘鳴[10]提出提高氮肥利用率的措施有重施有機(jī)肥、定行定性施肥和定行定量施肥等。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所王新超等[11]在2005年利用15N標(biāo)記研究茶樹氮肥利用率差異，茶樹一年內(nèi)吸氮量占全年總施氮量的30%～37%，不同品種的茶樹氮肥利用率差異在20%左右。但是目前尚缺乏對全國范圍內(nèi)茶園氮肥利用情況的研究報(bào)道。大量的氮肥以無機(jī)氮淋洗、氨揮發(fā)和N2O排放等形式進(jìn)入環(huán)境，是造成氮肥利用率低的一個(gè)重要原因。安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所蘇有健[12]在2008年研究得出，全世界進(jìn)入土壤的氮肥有10%～40%經(jīng)淋溶損失，1%～47%通過氨揮發(fā)損失。王峰等[13]研究表明，施入氮素的1.2%～1.4%以N2O的形式釋放。

當(dāng)前關(guān)于茶園氮肥利用方面的研究大都是針對于一個(gè)點(diǎn)的報(bào)道，相對零散。無法代表整個(gè)區(qū)域甚至是全國茶園氮肥利用狀況。因此，通過對收集到的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，總結(jié)全國茶園氮肥利用率，明確我國茶園氮肥利用狀況。另外，氮肥損失方面，無機(jī)氮淋洗、氨揮發(fā)和N2O排放是茶園氮損失的主要途徑，并且損失率方面也有報(bào)道，但是尚不清楚上述3個(gè)氮損失途徑所占比例分別是多少，如何受氮肥施用的調(diào)控。因此，明確當(dāng)前我國茶園氮肥利用率，無機(jī)氮淋洗、氨揮發(fā)和N2O排放等損失量各占氮肥用量的比例，以期為茶園氮肥科學(xué)施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

截止到2016年，在中國知網(wǎng)和Web of Science共收集到符合條件的茶園氮肥利用方面的文獻(xiàn)72篇，其中2000年前的32篇，2000年后的40篇，涵蓋了安徽、福建、浙江、湖南、云南、河南、廣西、陜西8個(gè)茶葉種植省區(qū)。氮肥損失方面的文獻(xiàn)22篇，其中N2O排放損失方面12篇，淋洗損失方面7篇，氨揮發(fā)方面3篇，文獻(xiàn)中采用15N來示蹤茶樹對氮素的吸收和利用。將文獻(xiàn)中產(chǎn)量、氮肥施用量等數(shù)據(jù)篩選出來，以此作為分析的數(shù)據(jù)集，應(yīng)用 Excel 2019 和 Origin 2018，完成我國茶園氮肥利用和損失情況的分析。

1.2 數(shù)據(jù)處理

為了分析茶園氮肥利用率，將各文獻(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)果均轉(zhuǎn)化為氮肥的利用效率。具體的轉(zhuǎn)換方法如下：

相對產(chǎn)量=施氮區(qū)產(chǎn)量/不施氮區(qū)產(chǎn)量

施氮增產(chǎn)率 (%) = (施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量) /不施氮區(qū)產(chǎn)量 × 100

氮肥農(nóng)學(xué)效率 (kg/kg) = (施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量

氮肥偏生產(chǎn)力 (kg/kg) = 施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量

采用 Excel 2019 和 Origin 2018 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶園產(chǎn)量和氮肥利用效率

表1顯示，我國茶園產(chǎn)量 (鮮葉產(chǎn)量) 在158～20100 kg/hm2，平均值為 6893 kg/hm2；施氮量在0～863 kg/hm2，平均值為 286 kg/hm2。茶園施氮增產(chǎn)率在2.8%～163.6%，平均值為41.7%；氮肥農(nóng)學(xué)效率在 0.7～35.8 kg/kg，平均值為 8.1 kg/kg；氮肥偏生產(chǎn)力在 0.3～191.5 kg/kg，平均值為 31.4 kg/kg。

進(jìn)一步比較，2000年前的產(chǎn)量平均值為8893 kg/hm2，2000 年后的產(chǎn)量平均值為 5112 kg/hm2，相比于2000年以前產(chǎn)量下降42.6%。但是，2000年后的平均施氮量達(dá)到310 kg/hm2，較2000年前的267 kg/hm2增加了16.1%。與2000年前相比，2000年后茶園施氮增產(chǎn)率、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥偏生產(chǎn)力的平均值均呈現(xiàn)下降趨勢 (表1)。2000年前，施用氮肥處理茶園施氮增產(chǎn)率、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥偏生產(chǎn)力的平均值分別為49.5%、11.6 kg/kg和41.8 kg/kg。2000年后相對應(yīng)的這些指標(biāo)值分別下降到32.1%、3.6 kg/kg 和 18.6 kg/kg，與 2000 年前相比，分別下降了35.2%、69.0%和55.5%。

表1 我國茶園茶葉產(chǎn)量和氮素效率以及2000年前后變化Table 1 Yield and nitrogen efficiency of tea in China and their changes before and after 2000

2.2 茶園氮肥施用量對氮肥效率的影響

對氮肥農(nóng)學(xué)效率與氮肥投入量進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)兩者存在負(fù)相關(guān)性，線性擬合的斜率是–0.021，決定系數(shù)R2為0.244 (圖1)，表明氮肥農(nóng)學(xué)效率隨著氮肥投入量的增加而降低。將2000年前和2000年后的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行回歸分析，其線性擬合的斜率分別是–0.026 和－0.006，表明2000年以前氮肥投入量對氮肥農(nóng)學(xué)效率的影響程度高于2000年后。

氮肥偏生產(chǎn)力與氮肥投入量也存在負(fù)線性相關(guān)，線性擬合的斜率是–0.106，決定系數(shù)R2為0.364(圖1)。分別將2000年前和2000年后的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，其線性擬合的斜率分別為–0.117 和–0.072，表明氮肥偏生產(chǎn)力隨著氮肥投入量的增加而降低。對比2000年前和2000年后，前者的氮肥投入量對氮肥偏生產(chǎn)力的影響程度高于后者。

圖1 茶園氮肥投入量對氮肥農(nóng)學(xué)效率和偏生產(chǎn)力的影響Fig. 1 Effects of nitrogen input on nitrogen agronomy efficiency and partial productivity in tea garden

2.3 茶園氮肥損失途徑

茶園氮肥損失方面的文獻(xiàn)22篇，其中反硝化(N2O排放) 損失方面12篇，淋洗損失方面7篇，氨揮發(fā)方面3篇 (表2)。通過對氮肥損失途徑的研究表明，淋洗和氨揮發(fā)作用為主要的氮素?fù)p失途徑，N2O排放損失量較小。其中淋洗的氮肥損失量為186.8 kg/hm2，占到氮肥施用量的33.9%；氨揮發(fā)的氮肥損失量為48.8 kg/hm2，占氮肥施用量的15.1%，反硝化 (N2O 排放) 損失量為 16.7 kg/hm2，占氮肥施用量的3.6%。

表2 茶園氮肥損失途徑Table 2 Nitrogen loss pathway in tea garden

2.4 氮肥損失與氮肥施用量的關(guān)系

氮肥淋洗與氮肥投入量之間存在正相關(guān)，線性擬合的斜率是0.290，決定系數(shù)R2為0.298 (圖2)，茶園氮素反硝化 (N2O排放) 損失量與氮肥施用量也存在正相關(guān)，線性擬合的斜率是0.034，決定系數(shù)R2為0.322 (圖2)。說明隨著氮肥投入量的增加，氮肥的淋洗和反硝化 (N2O排放) 損失量均加大，但是影響程度不明顯。

3 討論

目前茶園生產(chǎn)中，施用氮肥是提高茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)的一項(xiàng)重要農(nóng)業(yè)措施。茶樹作為采葉類作物，對氮素營養(yǎng)的需求量大，吳志丹等[14]研究結(jié)果表明，茶葉產(chǎn)量隨著施氮量的增加而提高；馬立鋒等[15]研究表明，每年施入300～450 kg/hm2純氮，才能保證茶樹對氮素營養(yǎng)的需求。通過文獻(xiàn)分析，我國茶葉主產(chǎn)區(qū)氮肥施用量平均為286 kg/hm2，2000年前平均用量為 267 kg/hm2，2000 年后平均用量為 310 kg/hm2(表1)，茶葉氮肥用量呈現(xiàn)上升的趨勢，但是茶葉產(chǎn)量卻呈現(xiàn)出下降的趨勢。2000年前的產(chǎn)量平均值為8893 kg/hm2，2000 年后的產(chǎn)量平均值為 5112 kg/hm2，相比于2000年以前產(chǎn)量下降42.6%。氮肥增產(chǎn)率也隨氮肥用量的增加而降低，我國茶葉2000前和2000年后施氮增產(chǎn)率的平均值分別為49.5%和32.1%。相較2000年前，2000年后的氮肥增產(chǎn)率降低了17.4個(gè)百分點(diǎn)。游小妹等[16]的研究也表明，當(dāng)?shù)释度肓吭黾拥揭欢ǔ潭群筮M(jìn)一步提高時(shí)，茶葉的產(chǎn)量不升反降，導(dǎo)致肥料利用率下降。另外，隨著我國茶園面積的不斷增加，茶葉產(chǎn)能出現(xiàn)過剩的情況[17]。同時(shí)，采茶工等勞動(dòng)力出現(xiàn)短缺的情況，導(dǎo)致目前很多茶園無法實(shí)現(xiàn)茶葉應(yīng)采盡采，從而限制了茶葉產(chǎn)量和肥料利用效率[18]。

氮肥用量直接影響著氮肥的效率，一般來講，氮肥用量越高，氮肥效率越低。最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，我國茶園普遍存在高氮栽培現(xiàn)象，全國純氮平均施用量為 491 kg/ (hm2·年)，其中湖北、湖南、江西3省的化肥氮用量超過600 kg/hm2[4,19]，但是茶園氮肥的利用率很低，僅為25%～30%[6-7,20]。氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)效率是評價(jià)農(nóng)田氮肥利用率的主要指標(biāo)[14]。有報(bào)道指出不同氮肥施用量下氮肥偏生產(chǎn)力為49.0～76.2 kg/kg[21]，但是我們研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，茶園氮肥偏生產(chǎn)力在0.3～191.5 kg/kg，平均值為31.4 kg/kg，造成這一差異的原因可能是氮肥投入量過高以及損失量較大，導(dǎo)致氮肥利用率降低。從圖1可以看出，隨著氮肥施用量的增加，氮肥的農(nóng)學(xué)效率和偏生產(chǎn)力持續(xù)下降，說明氮肥施用量的增加，導(dǎo)致單位氮肥對茶葉的增產(chǎn)效果降低，這符合“報(bào)酬遞減律”。

Pan等[22]研究表明，在保證產(chǎn)量的情況下減少氮肥投入量，可以有效地提高氮肥偏生產(chǎn)力；同時(shí)能改善土壤理化條件，促進(jìn)植物根系和地上部分的生長，使根系吸收、運(yùn)輸更多的養(yǎng)分，促進(jìn)莖、葉干物質(zhì)積累，提高氮肥偏生產(chǎn)力。本研究發(fā)現(xiàn)，氮肥偏生產(chǎn)力隨著氮肥投入量的增加而降低，與以上結(jié)果一致。對比2000年前和2000年后，前者的氮肥偏生產(chǎn)力平均值高于后者，可能是由于2000年后氮肥施用量遠(yuǎn)高于2000年前，但是整體產(chǎn)量卻出現(xiàn)大幅度下降 (表 1)。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，無機(jī)氮淋洗、反硝化 (N2O排放)和氨揮發(fā)是氮肥損失的主要途徑[23-25]。Wang等[26]、Cui等[27]在2013和2014年報(bào)道土壤無機(jī)氮淋洗、反硝化 (N2O排放) 與土壤施氮量呈指數(shù)關(guān)系。在施氮量較低的水平下其損失量很小，但是超過一定施氮量后其損失量顯著增加，這可能是導(dǎo)致土壤施氮量在增加的同時(shí)土壤氮含量卻出現(xiàn)下降的原因。本研究結(jié)果顯示，無機(jī)氮淋洗是茶園氮肥損失的主要途徑，損失量為186.8 kg/hm2，損失占氮肥施用量的33.9%。其次是氨揮發(fā)損失，損失量為48.8 kg/hm2，損失占氮肥施用量的15.1%；反硝化 (N2O排放) 損失較少，損失量為16.7 kg/hm2，占氮肥施用量的3.6% (表 2 )。

氮肥損失主要與氮肥用量、肥料種類、施肥方式 (時(shí)間和位置) 等因素有關(guān)。其中氮肥用量是影響無機(jī)氮淋洗、氨揮發(fā)和反硝化 (N2O排放) 的一個(gè)重要因素[28]。Wang等[26]和Cui等[27]分別建立了華北平原小麥和玉米生產(chǎn)中氮肥用量以及氮肥盈余量與土壤無機(jī)氮淋洗、反硝化 (N2O排放) 之間的關(guān)系模型，發(fā)現(xiàn)其存在指數(shù)關(guān)系，即在低氮肥用量或者氮盈余較低的條件下土壤無機(jī)氮淋洗和反硝化損失量很低，但是超過一定范圍后隨氮肥用量或者氮盈余的增加其損失量顯著增加。而氨揮發(fā)隨著氮肥用量的增加而增加，呈簡單的線性關(guān)系。本研究數(shù)據(jù)顯示，土壤無機(jī)氮淋洗、反硝化 (N2O排放) 與施氮量之間存在一定的線性相關(guān)，淋洗損失和反硝化 (N2O排放) 與施氮量線性相關(guān)的決定系數(shù)較為接近，分別為0.298和0.322。隨著氮肥投入量的增加氮損失量也越來越大 (圖2)。這可能與目前茶園這方面數(shù)據(jù)量相對較少有關(guān)系。

氮肥種類也是影響氮肥損失的一個(gè)主要因素。硝酸鉀類化肥由于是硝態(tài)氮肥，容易發(fā)生淋洗和反硝化 (N2O排放) 損失，而銨態(tài)氮肥在氨揮發(fā)方面損失量較大[29-30]。緩控釋氮肥具有氮素釋放慢、肥效周期長、節(jié)省追肥所需勞動(dòng)力投入等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)氮肥相比，緩控釋肥能減少養(yǎng)分揮發(fā)和淋溶損失，提高肥料利用率，減輕施肥對環(huán)境的污染，改善作物生長發(fā)育狀況而顯著提高產(chǎn)量[31]。此外，適量施用有機(jī)肥也可以改善土壤質(zhì)量，降低土壤無機(jī)氮淋洗等損失，促進(jìn)作物對氮素的吸收[32-33]。

氮肥施用時(shí)期也是影響作物氮素吸收和氮肥損失的重要因素。作物不同發(fā)育時(shí)期對氮素的需求不同，在氮素資源管理中，既要滿足作物對氮肥的需求，又要避免造成氮肥的損失，因此要充分考慮不同作物生長發(fā)育規(guī)律、品質(zhì)形成規(guī)律和對氮營養(yǎng)元素的需求規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)氮素需求與供應(yīng)的同步[34-35]。但是傳統(tǒng)的施肥方法過于注重基肥，導(dǎo)致雖然氮肥用量很高，但與作物的需氮規(guī)律及其不吻合，從而限制作物產(chǎn)量和肥料利用效率的提高[36]。因此，根據(jù)作物需肥規(guī)律，實(shí)現(xiàn)氮肥供應(yīng)與作物需求相符合，才能保證作物高產(chǎn)，同時(shí)減少肥料損失，提高肥料利用效率[37-38]。此外，氮肥施用方式也是影響其各損失途徑的重要因素。生產(chǎn)中受到勞動(dòng)力等因素的制約，氮肥多表面撒施，導(dǎo)致氮肥暴露在空氣中，一方面與根系存在一定的距離而增加了根系吸收的難度，另一方面氨揮發(fā)和N2O等排放損失加大[39]。溝施覆土等深施方式由于增加了氮肥與土壤的接觸，有利于減少氨揮發(fā)和N2O的排放[40-41]。因此，根據(jù)作物需肥規(guī)律，從氮肥種類、用量、施用時(shí)期和施用方式等方面進(jìn)行優(yōu)化管理，實(shí)現(xiàn)土壤養(yǎng)分供應(yīng)與作物養(yǎng)分需求在時(shí)間上同步、數(shù)量上一致、空間上匹配，是在提高茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)的同時(shí)提高養(yǎng)分利用效率的關(guān)鍵[42]。

4 結(jié)論

我國茶園的氮肥利用程度較低，而且有不斷下降的趨勢；氮素?fù)p失效率也較為嚴(yán)重，茶園氮素?fù)p失以無機(jī)氮 (銨態(tài)氮和硝態(tài)氮) 淋洗和氨揮發(fā)為主，分別占到氮肥施用量的33.9%和15.1%，而且隨著施氮量的增加不斷上升。2000年之后，由于氮肥施用量的增加，氮肥的各種效率較2000年之前更低。因此，為實(shí)現(xiàn)我國茶園長期綠色可持續(xù)發(fā)展，必須優(yōu)化氮肥管理，降低氮肥損失，以提高氮肥利用率。