東北雨養(yǎng)玉米氮肥優(yōu)化管理綜合評價

鐘 華，郭 旋，李 鵬，張成軍，趙同科

（北京市農(nóng)林科學院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所/中國–新西蘭水環(huán)境研究聯(lián)合實驗室，北京 100097）

中央農(nóng)村工作會議指出，促進農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展由過度依賴資源消耗、主要滿足“量”的需求，向追求綠色生態(tài)可持續(xù)、更加注重滿足“質(zhì)”的需求轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)“保供給、保收入、保生態(tài)”，表明我國農(nóng)業(yè)從以“增產(chǎn)為核心”的單一目標向“可持續(xù)發(fā)展的高產(chǎn)高效、環(huán)境友好”多重目標轉(zhuǎn)變[1]。因此，農(nóng)業(yè)管理技術措施評價也需向多目標的綜合評價方法轉(zhuǎn)變，兼顧產(chǎn)量、經(jīng)濟效益、氮肥效率、環(huán)境等方面的綜合評價。

目前，氮肥優(yōu)化管理的評價，通常進行氮肥施用量對玉米產(chǎn)量、氮肥利用效率、土壤氮素累積量等單因素回歸分析，從養(yǎng)分資源效率最大化目標確定適宜的施氮量[2–11]。這種方法適用于指標較少的情景下，不適用于多指標判定。本研究擬采用層次分析法和熵權(quán)法組合確定指標的權(quán)重值，應用綜合評價法以評價不同氮肥水平的綜合效應。數(shù)據(jù)基于東北雨養(yǎng)區(qū)玉米田兩年定位試驗結(jié)果，選取產(chǎn)量、邊際效益、氮肥利用效率、土壤氮素含量等作為評價指標，利用綜合評價法判定適宜的氮肥施用量，以期為確立雨養(yǎng)區(qū)春玉米合理的氮素管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)位于東經(jīng) 123°36′47″、北緯 42°20′48″的遼寧省鐵嶺市鐵嶺縣蔡牛鎮(zhèn)，屬于遼河沖積平原，地勢平坦。土壤質(zhì)地為壤土。氣候類型屬于溫帶大陸性季風氣候區(qū)，多年平均降水量668.5 mm，多年平均氣溫8.2℃，1月平均氣溫–11.9℃，7月平均氣溫24.3℃，多年平均蒸發(fā)量1626 mm，多年平均凍土深度120 cm、最大凍土深度166 cm。據(jù)監(jiān)測，該地區(qū)降水分布不均，主要集中在5—9月份，降水總量占全年的83.44%～96.52%。降水量最大月份為8月和9月。2018年玉米生育期降雨量為389.8 mm，2019年玉米生育期降雨量為665.8 mm。

試驗田種植作物為春玉米，土壤類型為棕壤，0—20 cm土層土壤基本理化性狀為：容重1.32 g/cm3、pH 5.62、有機質(zhì) 16.40 g/kg、全氮 1.24 g/kg、硝態(tài)氮4.70 mg/kg、銨態(tài)氮 18.4 mg/kg、有效磷 16.6 mg/kg、速效鉀 101 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗設5個氮水平處理，施氮量分別為N 0、75、150、225、300 kg/hm2。氮肥為大顆粒尿素 (含 N 46 %)，所有處理磷用量為P2O575 kg/hm2，磷肥均為過磷酸鈣 (含 P2O516 %) ；鉀用量為 K2O 90 kg/hm2，鉀肥均為氯化鉀 (含 K2O 62 %) 。氮磷鉀肥播種前一次性施入。小區(qū)面積為60 m2，各處理隨機排列，3次重復。供試玉米品種為‘鐵研58’，種植密度64500株/hm2。試驗于2018、2019年連續(xù)進行，試驗布置一致。試驗先后于2018和2019年4月底播種，當年9月末收獲。收獲后玉米秸稈除取樣外其余全部粉碎旋耕還田。

1.3 測定項目與方法

收獲時各小區(qū)單獨收獲測產(chǎn)，并隨機取樣3株，分別測定莖葉、籽粒干物重。各部分混勻后粉碎，過2 mm篩備用。凱氏定氮法測定植株樣品全氮。

當年試驗收獲后，分別于2018年10月、2019年10月分小區(qū)取0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm的土壤(每個小區(qū)取3鉆，等層混合)，在實驗室采用連續(xù)流動分析儀測定土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量。

各指標計算方法[12–13]：

根據(jù)測定的每層土壤硝態(tài)氮含量和土壤容重計算每一土層的硝態(tài)氮殘留量。

式中，R表示每一土層的硝態(tài)氮殘留量(kg/hm2)；C表示該土層土壤硝態(tài)氮含量(mg/kg)；D表示土層土壤容重(kg/m3)；H表示每層土壤厚度(m)。各個土層的硝態(tài)氮殘留量相加為一定深度土壤剖面硝態(tài)氮殘留總量，用同樣方法可計算銨態(tài)氮殘留量。

氮素表觀平衡值=施氮量–玉米氮素吸收量；

氮素回收率(%)=(施氮區(qū)吸氮量–不施氮區(qū)吸氮量)/施氮量×100；

氮素農(nóng)學效率(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)= 產(chǎn)量/施氮量；

氮素生理利用率(kg/kg)=(施氮區(qū)產(chǎn)量–不施氮區(qū)產(chǎn)量)/(施氮區(qū)吸氮量–不施氮區(qū)吸氮量)；

邊際收益=[(施氮區(qū)玉米產(chǎn)量–不施氮區(qū)玉米產(chǎn)量)×玉米價格 ] /(施氮量×氮肥價格)。

不同施氮水平的綜合評價值[14]計算公式：

式中，n表示所有要素數(shù)目；Yi和Wi分別表示為第i個指標的值和權(quán)重。

試驗采用 Excel 2007和 IBM SPSS Statistics 22數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析，用Origin 2019軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮水平對玉米產(chǎn)量、邊際效益的影響

表1顯示，施用氮肥處理兩年平均產(chǎn)量均顯著高于不施氮處理(P< 0.05)，除N225和N300處理之間無顯著差異(P> 0.05)外，其余各處理的玉米產(chǎn)量均有顯著差異(P< 0.05)。N225處理產(chǎn)量最高，達到12712.6 kg/hm2，N300處理的玉米產(chǎn)量較N225略有下降，表明施氮量超過225 kg/hm2時，繼續(xù)增施氮肥，產(chǎn)量未增反降。2018和2019年的玉米產(chǎn)量有顯著差異 (P< 0.05)。2019年 N0、N75、N150、N225、N300施氮水平的產(chǎn)量分別比2018年增加9.5%、9.4%、19.4%、20.0%和18.8%。生育期降水多的2019年氮肥增產(chǎn)效果更加顯著。

經(jīng)當年市場調(diào)查，大顆粒尿素(含N 46%)價格為2000元/t，折合純氮的價格為4348元/t，結(jié)合2018和2019年，玉米平均價格為1700元/t，計算出邊際效益(表1）。兩年平均邊際效益隨著氮肥施用量的增加而減少，邊際效益最大值出現(xiàn)在N75處理，N150和N225之間無顯著差異，其余處理間均差異顯著(P< 0.05)。兩年邊際效益，均存在顯著差異 (P< 0.05)，2018年邊際效益表現(xiàn)為 N75>N150≈N225>N300，2019年表現(xiàn)為N75>N150=N225>N300。

表1 施氮水平對玉米產(chǎn)量和邊際效益的影響Table 1 Effects of nitrogen application level on yield and marginal benefit of maize

2.2 不同施氮水平對土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮累積的影響

由0—100 cm土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮累積量(圖1)可以看出，2018年土壤硝態(tài)氮累積量N0與N75處理 、N150與N225處理兩兩之間差異不顯著，其余均有顯著差異 (P< 0.05)；2019年 N0、N75和N150之間差異不顯著，其余處理均有顯著差異(P< 0.05)。

圖1 不同施氮量下玉米收獲期0—100 cm土層土壤氮素累積量Fig. 1 Soil nitrogen accumulation in 0-100 cm soil layer during maize harvest under different N application levels

土壤銨態(tài)氮累積量2018年N75、N150與N225處理之間差異不顯著，其余均有顯著差異(P<0.05)；2019年N0和N75之間無顯著差異，其余均有顯著差異(P< 0.05)。土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮累積量與施氮量呈正相關關系。

2018年土壤無機氮(銨態(tài)氮+硝態(tài)氮)累積量遠高于2019年，二者差異顯著(P< 0.05)。2018年土壤銨態(tài)氮累積量遠高于硝態(tài)氮，二者差異顯著(P<0.05)；而2019年銨態(tài)氮累積量低于硝態(tài)氮，二者差異也顯著(P< 0.05)。土壤硝態(tài)氮累積量年際間無顯著差異；銨態(tài)氮累積量年際間差異顯著(P< 0.05)。

2.3 不同施氮水平對氮素利用及氮素平衡的影響

2.3.1 不同施氮水平對氮肥利用的影響由表2可知，兩年平均氮素回收率、氮肥農(nóng)學效率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮素生理利用率分別為43.57 %、33.00 kg/kg、67.37 kg/kg、79.15 kg/kg，變化幅度分別為36.70%～50.07%、24.76～38.62 kg/kg、41.26～104.61 kg/kg、67.46～90.28 kg/kg。氮素回收率隨施氮量增加呈降低趨勢，N75、N150、N300處理氮素回收率差異顯著(P< 0.05)。氮肥農(nóng)學效率隨著施氮量的增加而降低， N150和N225處理間無顯著差異，但分別與N300處理差異顯著(P< 0.05)。不同施氮水平下氮肥偏生產(chǎn)力差異顯著(P< 0.05)，隨著氮肥施用量的增加，氮肥偏生產(chǎn)力逐漸降低。2018、2019年際間相同處理氮素生理利用率變化差異較大，在雨水較少的2018年N75、N150、N225與N300處理之間差異均不顯著，在雨水較多的2019年總體上氮素生理利用率隨施氮量增加呈現(xiàn)降低的趨勢。

表2 玉米不同施氮水平下氮肥利用情況表Table 2 Nitrogen utilization efficiency of maize under different nitrogen application levels

2.3.2 不同施氮水平對氮素平衡的影響表3表明，兩年N0、N75處理氮素表觀平衡平均值均為負值，表明玉米籽粒吸收帶走的氮素多于氮肥投入量，消耗了土壤本身的氮素；N150、N225、N300處理均為正值，說明玉米籽粒收獲攜帶的氮素量低于氮肥投入量，施入的氮肥部分殘留在土壤中。2018和2019年5個處理間均差異顯著(P< 0.05)，不同施氮量下氮素表觀平衡規(guī)律與兩年平均值基本一致。

表3 不同處理0—100 cm土壤剖面氮素表觀平衡Table 3 Nitrogen apparent balance in 0–100 cm soil profile of different treatments

2.4 不同施氮水平與玉米生產(chǎn)效率和氮素利用效率的關聯(lián)

兩年試驗結(jié)果(表4)表明，施氮量與玉米產(chǎn)量呈顯著二次項式相關模型(P< 0.05)；施氮量與氮肥偏生產(chǎn)力、氮素表觀平衡和土壤無機氮累積量呈極顯著相關(P< 0.01)；施氮量與邊際效益、氮素回收率、氮肥農(nóng)學效率、氮素生理利用率相關性不顯著(P> 0.05)。

表4 玉米產(chǎn)量、邊際效益、土壤無機氮累積、氮素利用及平衡與施氮量的回歸分析模型Table 4 Regression models between maize yield, marginal benefit, soil inorganic nitrogen accumulation,nitrogen utilization, balance and nitrogen rate

2.5 不同施氮水平的評價過程與方法

2.5.1 權(quán)重確定本研究采用層次分析法和熵權(quán)法組合賦權(quán)[15–16]。層次分析法可將多目標決策問題化為多層次單目標問題，其核心部分是構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型，將高產(chǎn)高效、農(nóng)田環(huán)境友好型施氮方案作為目標層，然后繼續(xù)將目標層分解為準則層和要素層，對準則層以及同一準則層下的各要素采用1～9標度法分別進行兩兩對比構(gòu)建判斷矩陣，計算出準則層和同一準則層各要素間的權(quán)重，最后進行一致性檢驗；熵權(quán)法是通過計算各要素的波動情況得到權(quán)重，將二者權(quán)重加權(quán)即可得到各要素的權(quán)重(表5)。

表5 綜合評價體系的分層及各層權(quán)重系數(shù)Table 5 Layering and the weight coefficient of each layer in the comprehensive evaluation system

2.5.2 不同施氮水平的綜合評價法—定量評價產(chǎn)量、邊際效益、氮肥利用效率和對環(huán)境影響衡量標準各不相同，無法直接比較。本研究為消除量綱不同所造成的影響，先將各指標值歸一化處理，其中，產(chǎn)量、邊際效益、氮素回收率、氮肥農(nóng)學效率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮素生理利用率是正向指標，值越大越好；氮素表觀平衡、土壤硝態(tài)氮累積量這兩個指標較為復雜，氮素表觀平衡的臨界值為80 kg/(hm2·年)[17–18]，超過臨界值及負值均賦值為 0，其余賦值為1；土壤氮素累積量的臨界值為N 80 kg/hm2[19]，小于等于臨界值賦值為1，大于臨界值賦值為0，而后根據(jù)綜合評價值計算公式得出不同施氮水平的綜合評價值。

由表6可知，N75、N300和N0處理2018和2019年的得分基本一致，氮肥過量、低量對綜合得分基本無影響，而N150和N225處理2019年的綜合得分明顯高于2018年，且2019年N150處理得分接近于2018年N225處理得分。綜合得分高于0.8的施氮量為推薦施氮量。將表4中2018年玉米產(chǎn)量、邊際效益、氮素回收率、氮肥農(nóng)學效率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素生理利用率、氮素表觀平衡和土壤無機氮累積量的回歸方程帶入綜合評價公式中，計算CI值大于0.8的氮肥用量作為推薦施氮量，值為N225 kg/hm2。2019年依此計算得到推薦施氮量為N186～225 kg/hm2。因此，按照綜合得分優(yōu)選雨養(yǎng)區(qū)玉米田適宜氮肥施用量，2018年適宜氮肥施用量為N225 kg/hm2，2019年適宜施氮量為 N186～225 kg/hm2。

表6 不同處理的綜合得分及排名Table 6 Comprehensive scores and ranking of different treatments

3 討論

隨著施氮量及施氮年限的增加，土壤中的氮素含量一般呈增加趨勢[20–21]。本研究結(jié)果表明，2018—2019年土壤中氮素累積量與施氮量呈正相關性，與以往研究結(jié)果一致，但2019年土壤無機氮累積量低于2018年，差異明顯，其中硝態(tài)氮累積量兩年間無明顯差異，銨態(tài)氮累積量2019年較2018年下降明顯。其原因可能是：1)試驗地位于東北季節(jié)性凍融區(qū)，本課題組對該地的凍融情況和土壤氮素原位監(jiān)測表明，11月進入凍融期，直到第二年3月份結(jié)束，凍融深度可達1 m，經(jīng)過一個凍融期0—100 cm土壤的硝態(tài)氮含量增加了13.20%～112.18%，銨態(tài)氮含量減少了20.63%～77.56%，這是由于凍融交替改變土壤水分狀況，影響土壤理化性質(zhì)，導致土壤氮含量變化。土壤凍結(jié)時，土壤水分由液態(tài)變成固態(tài)，產(chǎn)生膨脹力，土壤大團聚體結(jié)構(gòu)成為微團聚體，導致土壤比表面積增大，促進銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的解吸[22]；在凍融過程中，硝化過程強于反硝化過程，造成硝態(tài)氮增加，銨態(tài)氮減少。2)試驗地玉米生育期與雨季同步，降雨過程導致氮素的徑流流失和淋溶流失，硝態(tài)氮是氮素流失的主要形態(tài)[23–24]。

有研究對2004—2014年我國氮肥效應相關數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，我國玉米平均氮肥表觀利用率為29.1%、氮肥農(nóng)學效率11.1 kg/kg、氮肥偏生產(chǎn)力54.5 kg/kg、氮肥生理利用率 40.5 kg/kg[25]。對比2018和2019年試驗數(shù)據(jù)，本研究各項指標均高于我國玉米氮肥效應平均水平。于飛等[25]調(diào)研了2004—2014年間相關文獻，綜合考慮糧食作物的產(chǎn)量要求和氮肥利用率，認為180～240 kg/hm2施氮量是我國玉米較適宜的施氮量范圍。吳得峰等[26]發(fā)現(xiàn)，在渭北雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，春玉米在常規(guī)施氮2 0 0 kg/hm2的基礎上減量25%，不僅能維持玉米產(chǎn)量，還能有效降低硝態(tài)氮的殘留。陳治嘉等[27]研究發(fā)現(xiàn)，在吉林省黑土區(qū)適當減少氮肥用量不會顯著影響玉米產(chǎn)量，還可提高氮肥利用效率，減少土壤無機氮積累。張君等[28]研究表明，在河套灌區(qū)施氮量193～291 kg/hm2是一個合理施氮閾值，既保證玉米產(chǎn)量又使土壤氮素盈余減少，土壤–玉米系統(tǒng)總回收較高。高洪軍等[29]在哈拉海試驗站開展了玉米田間定位試驗，綜合考慮玉米產(chǎn)量、氮素利用效率，考慮土壤無機氮殘留量和氮素表觀損失帶來的環(huán)境風險，確定玉米合理施氮量范圍為150～203 kg/hm2。本研究結(jié)果表明，適宜施氮量為186～225 kg/hm2，與已有相關的研究結(jié)論基本一致。

降水是雨養(yǎng)區(qū)玉米生長主要限制因素[30–31]。劉朋召等[32]發(fā)現(xiàn)，旱地玉米受降水影響較大，在干旱年，玉米生育期降水不足導致生長受限，氮素吸收量降低，氮素土壤殘留較高，降水適宜則玉米生長正常，氮素吸收較多。寧芳等[33]對渭北旱塬雨養(yǎng)玉米種植區(qū)進行研究，發(fā)現(xiàn)生長季降水量及其分布顯著影響玉米產(chǎn)量。張冬梅等[34]認為，底墑和生育期降水共同影響施肥的增產(chǎn)作用，底墑較好的偏旱年或底墑很差的豐水年，施肥沒有明顯的增產(chǎn)作用。本研究的試驗地多年平均降水量668.5 mm，2018年玉米生育期降水量為389.8 mm，2019年玉米生育期降水量為665.8 mm，兩年降水量差異明顯，2019年比2018年增產(chǎn)9.5%～20.0%，且2019年氮肥利用效率高于2018年，也證實了生育期降水影響施肥的增產(chǎn)效果與氮肥利用效率。本研究采用的是當?shù)剞r(nóng)民的習慣施肥方式—一次性施肥，此方法省工，但易造成施肥量大、氮肥利用效率低及氮素流失等問題，因此，東北雨養(yǎng)區(qū)在玉米種植過程中提倡“因雨施氮”[32]，多次施肥，玉米生育期降水充足年份可較干旱年份減少施氮量，保證穩(wěn)產(chǎn)、提高肥料利用效率、降低氮素流失風險。

4 結(jié)論

1)施氮量和降雨量均顯著影響著玉米產(chǎn)量、氮素效率和土壤氮素平衡。土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮累積量與施氮量呈正相關關系。2018年與2019年相比，施氮量相同，但降水量較低，2018年土壤無機氮累積量明顯高于2019年。

2)從產(chǎn)量、經(jīng)濟效率、氮肥效益和環(huán)境4個方面選取了8個指標，構(gòu)建了高產(chǎn)高效、農(nóng)田環(huán)境友好的氮肥評價體系，用于玉米氮肥優(yōu)化管理評價。

3)依據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算的施氮量處理的綜合得分由高到低為 N225 (0.81～0.92)、N150 (0.67～0.78)、N75 (0.67)、N300 (0.53～0.55)、N0 (0.15)。選取綜合得分高于0.8的施氮量作為推薦量，計算得出2018年適宜氮肥施用量為N225 kg/hm2，2019年為N186～225 kg/hm2，既滿足玉米對氮素需求，保證玉米獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，提高氮素利用率，又降低氮素淋失對環(huán)境污染的風險。