黑龍江省黑土區(qū)玉米田氮肥減施效應(yīng)及碳足跡估算

郝小雨，孫 磊，馬星竹，王 爽，周寶庫(kù)，匡恩俊，李偉群,2

（1. 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與環(huán)境資源研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2. 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第十師農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，新疆 北屯 836007）

肥料在提高糧食產(chǎn)量、保障我國(guó)糧食安全上起到了不可替代的支撐作用［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，氮肥對(duì)于糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)達(dá)到30%～50%［2］。正因?yàn)榈实脑霎a(chǎn)效果顯著，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過(guò)量施用氮肥的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。研究指出，我國(guó)小麥、玉米和水稻種植過(guò)程中部分田塊氮肥（N）施用量達(dá)到了250 ～350 kg/hm2［3］。在東北平原玉米產(chǎn)區(qū)一些農(nóng)戶的施氮量（N）已高達(dá)300 kg/hm2［4］。王緣怡等［5］對(duì)吉林省44 個(gè)縣市的玉米施肥調(diào)查顯示，吉林省中部地區(qū)施氮量最高，平均為263.9 kg/hm2，集中分布在240 ～280 kg/hm2。在黑龍江省許多地區(qū)農(nóng)民施肥也存在盲目性，長(zhǎng)期投入高量化學(xué)肥料，造成土壤養(yǎng)分不平衡［6］。在玉米種植過(guò)程中，實(shí)際上并不需要大量的氮肥投入。據(jù)測(cè)算，在我國(guó)玉米種植（目標(biāo)產(chǎn)量6.5 ～9.5 t/hm2）的合理施氮量范圍在150 ～250 kg/hm2之間［7］。徐新朋等［8］利用玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)對(duì)東北地區(qū)進(jìn)行玉米推薦施肥，實(shí)現(xiàn)12 t/hm2玉米產(chǎn)量的氮投入量在 153 ～178 kg/hm2之間。在吉林省梨樹(shù)縣12 ～14 t/hm2玉米生產(chǎn)水平下，玉米施氮量在180 ～240 kg/hm2之間［9］。可以看出，在東北春玉米不同的產(chǎn)量水平下氮肥均已過(guò)量施用，過(guò)量投入的氮素不僅增加成本、浪費(fèi)資源，而且這些盈余的氮素部分通過(guò)N2O 排放、氨揮發(fā)、氮素淋溶和徑流等途徑污染大氣、土壤和水體環(huán)境，增加了環(huán)境負(fù)擔(dān)［10-11］。因此，東北地區(qū)玉米減施氮肥勢(shì)在必行。

農(nóng)業(yè)是溫室氣體N2O 的主要排放源，其排放量占到了人為N2O 總排放量的60% 以上［12］。減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的N2O 排放，對(duì)于發(fā)展低碳清潔生產(chǎn)至關(guān)重要。利用碳足跡方法可明晰農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生溫室氣體的情況，以便采取針對(duì)性的措施來(lái)改善生產(chǎn)行為［13］。碳足跡（Carbon footprint）是指一定的時(shí)間和空間邊界內(nèi)，某種活動(dòng)引起的（或某種產(chǎn)品生命周期內(nèi)積累的）直接或間接的CO2排放量的度量，可用來(lái)評(píng)估農(nóng)田系統(tǒng)或某項(xiàng)農(nóng)業(yè)措施的優(yōu)劣［14-15］，有利于制定更有效的減排措施。史磊剛等［16］發(fā)現(xiàn)，華北平原冬小麥—夏玉米種植模式碳足跡與氮肥的施用量呈正相關(guān)。柴如山等［17］的研究結(jié)果為，化學(xué)氮肥每減施10 kg/hm2，我國(guó)農(nóng)田主要糧食作物生產(chǎn)的溫室氣體排放量每年將減少810 萬(wàn)噸 CO2當(dāng)量。

近年來(lái)，國(guó)家和黑龍江省陸續(xù)出臺(tái)了《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》《東北黑土地保護(hù)規(guī)劃綱要（2017—2030 年）》《黑龍江省黑土地保護(hù)利用條例》等系列政策，黑龍江省肥料減施增效成效顯著，但黑龍江省不同區(qū)域玉米田氮肥減施的比例及碳足跡變化尚不明確。因此，本研究基于黑龍江省黑土區(qū)3 個(gè)玉米肥料田間試驗(yàn)，分析不同氮肥減施比例對(duì)玉米產(chǎn)量、氮素吸收利用及損失的影響，利用生命周期法（Life cycle assessment）估算農(nóng)資投入和田間操作引起的直接或間接碳排放量，以期為黑龍江省黑土區(qū)玉米田低碳減排、制定區(qū)域“碳達(dá)峰與碳中和”行動(dòng)方案和保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2017 年田間試驗(yàn)分別設(shè)置在黑龍江省趙光農(nóng)場(chǎng)（126°45′36.55″E，48°02′39.85″N）、青 岡 縣 中 和鎮(zhèn)（125°42′38.41″E，46°51′57.03″N）、雙 城 區(qū) 水泉 鄉(xiāng) 旭 光 村（126°07′55.62″E，45°26′5.32″N），土壤類型均為黑土。試驗(yàn)區(qū)均屬中溫帶，特點(diǎn)是春季風(fēng)多、少雨干旱，夏季高溫多雨，秋季涼爽早霜，冬季嚴(yán)寒少雪。氣候條件、土壤理化性狀及作物品種見(jiàn)表1。供試作物為春玉米，一年一作，無(wú)灌溉。

表1 試驗(yàn)區(qū)域基本信息Table 1 Basic information of the field experiment

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)5 個(gè)處理：1）不施氮（CK）；2）農(nóng)民習(xí)慣施肥（CF）；3）減施氮肥10%，即在習(xí)慣施肥基礎(chǔ)上減氮10%（N90）；4）減施氮肥20%，即在習(xí)慣施肥基礎(chǔ)上減氮20%（N80）；5）減施氮肥30%，即在習(xí)慣施肥基礎(chǔ)上減氮30%（N70）。每個(gè)處理3 次重復(fù)，隨機(jī)排列。氮肥習(xí)慣施肥量是在各地區(qū)走訪農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上取平均值：在試驗(yàn)點(diǎn)周邊調(diào)查10 個(gè)村屯，每個(gè)村屯隨機(jī)調(diào)查5 戶，記錄施肥措施、產(chǎn)量水平、種植方式等其他管理方法。各試驗(yàn)點(diǎn)施肥量見(jiàn)表2，氮肥分2 次施入，其中50%為基肥，剩余50%在大喇叭口期施入；磷肥、鉀肥全部基施。所用肥料為尿素（N 46%），重過(guò)磷酸鈣（P2O5，46%），氯化鉀（K2O 60%）。試驗(yàn)小區(qū)面積為130 m2（寬6.5 m × 長(zhǎng)20 m）。4 月底、5 月初施底肥、播種，6 月中下旬追肥，9 月底收獲。趙光、青岡和雙城玉米播種量分別為27、22.5 和24 kg/hm2，保苗8.25 ～9 萬(wàn)株/hm2、6.75 ～7.5 萬(wàn)株/hm2和6 ～6.75 萬(wàn)株/hm2。

表2 各處理施肥量Table 2 Nitrogen fertilizer rate for different treatments

1.3 樣品采集與測(cè)定

秋季全區(qū)收獲，考種折算產(chǎn)量。各小區(qū)取代表性植株10 株，樣品在105 ℃烘箱殺青30 min，65 ℃烘干稱重，計(jì)算谷草比。烘干后的樣品粉碎，采用凱氏定氮法測(cè)定秸稈及子粒中氮含量。

1.4 計(jì)算方法

1.4.1 碳足跡及氮素?fù)p失 基于生命周期評(píng)價(jià)法，建立系統(tǒng)邊界：（1）農(nóng)資投入（化肥、農(nóng)藥、種子、柴油等）；（2）田間管理（耕作、施肥、播種、收獲等）；（3）土壤N2O 排放（旱地土壤CH4排放/吸收量較低，故本研究未考慮農(nóng)田CH4排放/吸收）：包括N2O 直接排放（當(dāng)季氮輸入引起的排放）和N2O 間接排放（氨揮發(fā)和氮素淋溶引起的排放）。本研究未監(jiān)測(cè)田間N2O 直接排放和間接排放，故參考相近黑土區(qū)（吉林公主嶺）春玉米田相關(guān)研究的計(jì)算方法［18］：

式中，N2OTotal為當(dāng)季農(nóng)田土壤N2O 排放量，kg/hm2；N2Odirect和N2Oindirect分別表示N2O 直接排放量和N2O 間接排放量（kg/hm2）；Nrate表示當(dāng)季農(nóng)田施氮量（kg/hm2）；NH3和Nleaching分別表示氨揮發(fā)量和氮素淋溶量（kg/hm2）；1%和1.1%分別表示氨揮發(fā)和氮素淋溶轉(zhuǎn)化為N2O 的排放系數(shù)。

農(nóng)資或農(nóng)作活動(dòng)的碳排放系數(shù)為（CO2當(dāng)量）：氮肥、磷肥和鉀肥生產(chǎn)分別為1.53、1.63 和0.65 kg/kg［19］；玉米種子為1.05 kg/kg［20］，除草劑生產(chǎn)和殺蟲(chóng)劑生產(chǎn)分別為10.15 和16.61 kg/kg［19］，柴油0.89 kg/L［19］。在 100 年時(shí)間尺度下，N2O 的全球增溫潛勢(shì)為CO2的298 倍［12］，N2O 排放量需乘以298 折算成 CO2當(dāng)量。碳足跡計(jì)算公式為［21］：

式中：fC為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳足跡（CO2當(dāng)量）(kg/hm2)；n為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中消耗的n種物質(zhì)(能源或生產(chǎn)資料等)；fci為第i 種物質(zhì)的碳足跡；mi為第i種物質(zhì)的消耗量；βi為第i種物質(zhì)的碳排放系數(shù)。

式中：Q為單位產(chǎn)量碳足跡（kg/kg）；Y為玉米籽粒產(chǎn)量（kg/hm2)。

1.4.2 氮肥利用效率

式中，NRE 和NAE 分別代表氮肥回收率(%)和氮肥農(nóng)學(xué)效率（kg/kg）；UN和U0為施氮處理或CK 地上部生物量(籽粒+秸稈)氮素累積量（kg/hm2）；YN和Y0為施氮或CK 處理的籽粒產(chǎn)量kg/hm2）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖。利用SPSS19.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，LSD 法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果分析

2.1 玉米產(chǎn)量效應(yīng)

由圖1 可知，施用氮肥顯著增加了玉米產(chǎn)量，趙光農(nóng)場(chǎng)、青岡縣和雙城區(qū)增產(chǎn)率分別在17.8% ～35.5%、13.7% ～22.0% 和28.3% ～53.5%之間，平均分別為28.5%、19.7%和46.5%，說(shuō)明僅依靠土壤本底的氮素供應(yīng)，不能滿足玉米生育期氮素需求。在常規(guī)施肥的基礎(chǔ)上，減施氮肥10%、20%和30%時(shí)，各地區(qū)玉米產(chǎn)量反應(yīng)不盡一致。在趙光農(nóng)場(chǎng)，減施氮肥10%（N90）較農(nóng)民習(xí)慣施肥（CF）玉米產(chǎn)量并未明顯下降（P>0.05），實(shí)現(xiàn)了節(jié)肥不減產(chǎn)；減施氮肥20%（N80）和30%（N70），CF 處理玉米產(chǎn)量顯著下降（P＜0.05），分別減產(chǎn)7.1%和13.0%，說(shuō)明較低的氮素供應(yīng)不能滿足玉米生長(zhǎng)所需養(yǎng)分。在青岡縣和雙城區(qū)，減施氮肥10%（N90）和20%（N80）較CF 處理玉米產(chǎn)量并未明顯下降（P>0.05）；減施氮肥30%（N70），玉米產(chǎn)量較CF 處理顯著下降（P＜0.05），分別減產(chǎn)6.4%和15.9%。

圖1 減施氮肥玉米產(chǎn)量變化Fig.1 Changes of maize yield under nitrogen reduction

2.2 氮素吸收利用特征

施用氮肥顯著促進(jìn)了玉米籽粒和植株的氮素吸收：與CK 相比，趙光農(nóng)場(chǎng)、青岡縣和雙城區(qū)玉米籽粒氮素吸收量分別增加了31.8% ～65.6%、50.1% ～85.1% 和68.8% ～127.6% 之 間， 平 均分 別 為51.8%、75.7% 和110.8%； 趙 光 農(nóng) 場(chǎng)、青岡縣和雙城區(qū)玉米植株氮素吸收量較CK 分別 增 加 了38.8% ～71.0%、65.9% ～94.0% 和68.2%～127.3%之間，平均分別為57.8%、85.4%和110.4%；與此同時(shí)，玉米氮素總吸收量較CK分 別 增 加 了34.7% ～67.9%、56.8% ～88.4% 和68.5%～125.4%之間，平均分別為54.3%、79.8%和110.6%。與習(xí)慣施肥處理相比，合理減施氮肥不會(huì)降低玉米氮素吸收量。趙光農(nóng)場(chǎng)減施氮肥10%較CF 處理玉米氮素吸收量無(wú)顯著變化（P>0.05），青岡縣和雙城區(qū)減施氮肥10%、20%時(shí)玉米氮素吸收量無(wú)顯著變化（P>0.05），說(shuō)明過(guò)量施氮不會(huì)增加玉米氮素吸收量。隨著施氮量的減少，玉米氮素吸收量隨之降低，趙光農(nóng)場(chǎng)、青岡縣和雙城區(qū)減施氮肥30%時(shí)，玉米氮素吸收量均顯著降低（P＜0.05），說(shuō)明過(guò)度減施氮肥不足以保證玉米氮素供應(yīng)和吸收。

從氮肥利用效率來(lái)看，趙光農(nóng)場(chǎng)減施氮肥10% 較CF 處理氮肥回收率和農(nóng)學(xué)效率均顯著上升（P＜0.05）， 為44.7% 和18.2 kg/kg， 分 別 增加9.5%和9.9%。青岡縣和雙城區(qū)減施氮肥10%、20%時(shí)較CF 處理氮肥回收率和農(nóng)學(xué)效率均顯著上升（P＜0.05），特別是減施氮肥20% 效果最佳。青岡縣和雙城區(qū)N80 處理回收率和農(nóng)學(xué)效率分別為42.9%、40.7% 和12.7、21.1 kg/kg，較CF 處 理 分別增加25.7%、22.3%和28.2%、22.5%。

表3 氮肥減施對(duì)玉米氮素吸收利用的影響Table 3 Effects of nitrogen reduction on nitrogen uptake and utilization of maize

2.3 氮素?fù)p失估算

由圖2 可知，施用氮肥顯著增加了玉米田氮素?fù)p失（N2O 排放、氨揮發(fā)和氮素淋溶），趙光農(nóng)場(chǎng)、青岡縣和雙城區(qū)4 個(gè)施氮肥處理氮素?fù)p失量平均分別為21.3、24.2 和35.4 kg/hm2，較CK 處理分別增加了3.1、3.6 和5.2 倍。隨著施氮量的減少，各地區(qū)玉米田氮素?fù)p失量也隨之降低。從玉米田氮素?fù)p失構(gòu)成來(lái)看，氨揮發(fā)和氮素淋溶是主要的損失途徑，其中氨揮發(fā)量占到施氮量的8.8%～9.6%（趙光）、8.5% ～9.2%（青岡）和8.1% ～8.5%（雙城），平均分別為9.2%、8.9%和8.3%；氮素淋溶量占到施氮量的7.9%～8.1%（趙光）、7.9%～8.2%（青岡）和8.2%～10.1%（雙城），平均分別為8.0%、8.0%和9.3%。與氨揮發(fā)和氮素淋溶相比，N2O 排放量相對(duì)較低，占施氮量的比例在0.5%～0.7%之間。

圖2 減施氮肥對(duì)玉米田氮素?fù)p失的影響Fig. 2 Effects of nitrogen reduction on nitrogen loss in maize field

2.4 碳足跡核算

由表4 可看出，趙光農(nóng)場(chǎng)、青岡縣和雙城區(qū)CF處理玉米田碳足跡最高，分別達(dá)到1 078.1、1 166.0和1 471.8 kg/hm2，顯著高于其它3 個(gè)減施氮肥處理（P＜0.05），原因是CF 處理施氮量較高，導(dǎo)致土壤N2O 排放量也較高。隨著氮肥減施比例的增加，各地區(qū)玉米田碳足跡隨之降低。

表4 氮肥減施對(duì)玉米碳足跡的影響Table 4 Effects of nitrogen reduction on carbon footprint of maize kg/hm2

從趙光農(nóng)場(chǎng)、青岡縣和雙城區(qū)農(nóng)田碳足跡 構(gòu) 成 來(lái) 看（ 圖3）， 施 氮 肥 的4 個(gè) 處 理 土壤N2O 排放對(duì)農(nóng)田碳足跡的貢獻(xiàn)最大，占比分 別 為43.5% ～44.9%、43.6% ～45.4% 和44.4% ～47.7%， 平 均 分 別 為44.2%、44.5%和46.0%； 其 次 為 氮 肥 生 產(chǎn)16.2% ～20.1%、17.6% ～21.5% 和21.0% ～24.2%， 平 均 為18.2%、19.6% 和22.7%；之后依次為農(nóng)藥生產(chǎn)、磷肥生產(chǎn)、田間耕作、鉀肥生產(chǎn)和種子生產(chǎn)。土壤N2O 排放、氮肥生產(chǎn)、磷肥生產(chǎn)和田間耕作的碳足跡之和占農(nóng)田碳足跡總量的90%左右，是最主要的碳足跡貢獻(xiàn)因子。

圖3 玉米田碳足跡構(gòu)成Fig.3 Composition of carbon footprint of maize field

比較趙光農(nóng)場(chǎng)、青岡縣和雙城區(qū)玉米田單位產(chǎn)量碳足跡（圖4），施用氮肥顯著增加了單位產(chǎn)量碳足跡（P＜0.05），分別增加18.5% ～23.7%、16.8% ～30.3% 和13.6% ～29.7%， 平 均 為21.8%、22.4%和22.1%。4 個(gè)施氮肥處理之間，趙光農(nóng)場(chǎng)N90處理的玉米田單位產(chǎn)量碳足跡最低，為0.116 kg/kg，較CF 處理降低4.2%（P＜0.05）；青岡縣和雙城區(qū)N80處理的玉米田單位產(chǎn)量碳足跡最低，分別為0.114 和0.111 kg/kg，較CF 處理分別降低10.4%和12.4%（P＜0.05）。

圖4 單位產(chǎn)量碳足跡變化Fig.4 Carbon footprint per unit of maize yield under different treatments

2.5 玉米經(jīng)濟(jì)收益

經(jīng)濟(jì)效益分析結(jié)果顯示（表5），合理減施氮肥在降低肥料成本的同時(shí)可提高玉米的經(jīng)濟(jì)效益，過(guò)量減施氮肥導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)收益下降，原因是玉米減產(chǎn)導(dǎo)致收益降低。趙光農(nóng)場(chǎng)N90處理純收益最高，達(dá)到4 499.63 元/hm2，較CF 處理增收22.18 元/hm2；N80和N70處理較CF 處理經(jīng)濟(jì)收益分別減少了832.08 和1 557.00 元/hm2。青 岡 縣N80處 理 純 收益最高，達(dá)到4 748.25 元/hm2，較CF 處理增收205.26 元/hm2；其次為N90處理，較CF 處理增收93.28 元/hm2；N70處理較CF 處理經(jīng)濟(jì)收益減少了672.56 元/hm2。雙城區(qū)N90處理純收益最高，達(dá)到7 885.51 元/hm2，較CF 處 理 增 收206.85 元/hm2；其次為N80處理，較CF 處理增收80.70 元/hm2；N70處理較CF 處理經(jīng)濟(jì)收益減少了2 472.96 元/hm2。

表5 不同處理玉米的經(jīng)濟(jì)收益Table 5 Economic benefits of different treatments of maize 元/hm2

3 討論

施用氮肥的主要目的是作物獲得較高的目標(biāo)產(chǎn)量、相應(yīng)品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益并維持或提高土壤肥力，只有合理施用氮肥，農(nóng)作物產(chǎn)量、品質(zhì)和效益均高，環(huán)境代價(jià)最低［7］。氮肥的合理施用即根據(jù)區(qū)域作物、土壤和氣候特點(diǎn)解決施用量、施用時(shí)期及不同時(shí)期的分配比例等問(wèn)題，核心在于施肥量的控制［22］。陳治嘉等［23］的研究表明，吉林省黑土玉米種植區(qū)氮肥減施20%～30%（施氮量在180 ～206 kg/hm2之間）不會(huì)顯著影響玉米產(chǎn)量，同時(shí)會(huì)提高氮肥利用效率，減少玉米收獲后耕層無(wú)機(jī)氮的積累。在吉林省中部地區(qū)，在秸稈連續(xù)多年還田條件下，氮肥減施2/9（施氮量210 kg/hm2）不影響玉米產(chǎn)量和生物量，可顯著提高玉米收獲指數(shù)［24］。陳妮娜等［25］指出，適量減氮（施氮量240 kg/hm2）可增加遼寧春玉米果穗長(zhǎng)、果穗粗、百粒重、理論產(chǎn)量、籽粒含水量和淀粉含量。Chen 等［26］在黑龍江省寶清縣春玉米田的研究結(jié)果為，氮肥減施20%（施氮量160 kg/hm2）不影響玉米產(chǎn)量，并可提高氮肥利用率、減少N2O 排放。本研究中，趙光農(nóng)場(chǎng)減施氮肥10%（施氮量127.2 kg/hm2）、青岡縣和雙城區(qū)減施氮肥20%（施氮量130.9、186.5 kg/hm2）不影響玉米產(chǎn)量及氮素吸收，并可提高氮肥利用效率、減少土壤N2O 排放、氨揮發(fā)和氮素淋溶損失，進(jìn)一步減施氮肥會(huì)導(dǎo)致玉米減產(chǎn)。綜合上述研究結(jié)果可以看出，由于土壤肥力狀況和土壤供氮能力不同，東北地區(qū)減施氮肥的比例也不一致，但總的目標(biāo)是要穩(wěn)產(chǎn)提質(zhì)、節(jié)本增效、維持或提高土壤肥力及環(huán)境友好，即將施氮量控制在一個(gè)目標(biāo)產(chǎn)量、作物品質(zhì)和效益、環(huán)境效應(yīng)與土壤肥力均可接受的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)共贏［7］。

前人研究指出，基于作物產(chǎn)量的推薦施肥方法主要有肥料效應(yīng)函數(shù)法、葉綠素儀、葉色卡、硝酸鹽反射儀、冠層反射儀、植株癥狀診斷等［27］。還有學(xué)者提出了基于土壤氮素測(cè)試的黑土玉米推薦施肥方法［28］。近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者提出了理論施氮量（Theoretical Nitrogen Rate，TNR）［29］和 養(yǎng) 分 專家系統(tǒng)（Nutrient expert for hybrid maize，NE）［8］的推薦施肥方法。巨曉棠［30］指出，合理施氮量約等于作物地上部吸氮量，即理論施氮量N ≈目標(biāo)產(chǎn)量/100×百千克收獲物需氮量。養(yǎng)分專家系統(tǒng)的原理是基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率進(jìn)行推薦施肥，采用地上部產(chǎn)量反應(yīng)來(lái)表征土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)能力和作物生產(chǎn)能力，將土壤養(yǎng)分供應(yīng)看作一個(gè)“黑箱”，采用不施該養(yǎng)分地上部的產(chǎn)量或養(yǎng)分吸收來(lái)表征，計(jì)算方法為氮肥推薦量=N 產(chǎn)量反應(yīng)/N 肥農(nóng)學(xué)效率［27,31］。上述推薦施肥方法有的需要測(cè)定土壤和植株養(yǎng)分，有的需要田間試驗(yàn)來(lái)獲得產(chǎn)量效應(yīng)，操作還有一定局限性，在實(shí)際應(yīng)用中還未大范圍推廣。2020 年，黑龍江省農(nóng)業(yè)主管部門適時(shí)提出了黑龍江省玉米施肥方法，該方法根據(jù)黑龍江省積溫區(qū)域和生產(chǎn)布局，將玉米施肥劃分為6 個(gè)區(qū)，確定不同區(qū)域推薦玉米施肥方法和技術(shù)，對(duì)于黑龍江省玉米減施增效起到了較好的指導(dǎo)作用［32］。

研究表明，隨著施氮量的增加，氮素?fù)p失如N2O 排放、氨揮發(fā)、氮素淋溶和徑流量也隨之增加［33-34］，當(dāng)作物施氮量超過(guò)最高產(chǎn)量施氮量后，氮素?fù)p失量呈指數(shù)增長(zhǎng)［35］，與此同時(shí)碳排放量也成比例增加［36］。本研究中，農(nóng)民習(xí)慣施肥處理玉米田碳足跡最高，原因是高施氮量導(dǎo)致直接排放（土壤N2O 排放）和間接排放也較高。隨著氮肥減施比例的增加，各地區(qū)玉米田碳足跡隨之降低。這也與俞祥群等［37］和劉松等［38］的研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果顯示，土壤N2O 排放、氮肥生產(chǎn)、磷肥生產(chǎn)和田間耕作的碳足跡之和占農(nóng)田碳足跡總量的90%左右，為最主要的碳足跡貢獻(xiàn)因子。下一步，在保證玉米產(chǎn)量、品質(zhì)的基礎(chǔ)上，采用“4R”施肥技術(shù)——合理的用量（Right rate）、正確的施肥時(shí)間（Right time）、合適的肥料（Right fertilizer）和合理的施肥位置（Right placement）來(lái)提高肥料利用率、減少土壤N2O 直接和間接排放［39］；此外，未來(lái)還需發(fā)展低碳清潔的肥料生產(chǎn)工藝和高效低能耗的農(nóng)田機(jī)械，最終降低玉米生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放。

4 結(jié)論

在黑龍江省趙光農(nóng)場(chǎng)減施氮肥10%（施氮量127.2 kg/hm2）、青岡縣和雙城區(qū)減施氮肥20%（施氮量130.9、186.5 kg/hm2）不影響玉米產(chǎn)量及氮素吸收，可提高氮肥回收率和農(nóng)學(xué)效率，增加經(jīng)濟(jì)收益，減少土壤N2O 排放、氨揮發(fā)和氮素淋溶損失，過(guò)量減施氮肥會(huì)導(dǎo)致玉米減產(chǎn)降效減收。減施氮肥大幅度降低玉米田碳足跡。土壤N2O 排放、氮肥生產(chǎn)、磷肥生產(chǎn)和田間耕作為黑土區(qū)玉米田最主要的碳足跡貢獻(xiàn)因子，合理減施氮肥可降低單位產(chǎn)量碳足跡。