基于生態(tài)和社會效益優(yōu)化黑土區(qū)高產(chǎn)玉米氮肥施用量

鄭春雨，沙珊伊，朱琳，王少杰，馮國忠，高強，王寅

基于生態(tài)和社會效益優(yōu)化黑土區(qū)高產(chǎn)玉米氮肥施用量

鄭春雨，沙珊伊，朱琳，王少杰，馮國忠，高強，王寅

吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/秸稈綜合利用與黑土地保護教育部重點實驗室/吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點實驗室，長春 130118

【目的】在農(nóng)學(xué)和經(jīng)濟效益基礎(chǔ)上，基于生態(tài)和社會效益進一步探索優(yōu)化玉米氮肥施用量，促進黑土區(qū)玉米生產(chǎn)的可持續(xù)綠色發(fā)展，協(xié)同實現(xiàn)作物高產(chǎn)、資源高效、環(huán)境保護和人類健康等多重目標(biāo)?！痉椒ā?017—2020年在吉林省典型黑土區(qū)兩個地點（三棵樹村和泉眼溝村，簡寫為SKS和QYG）開展田間定位試驗，研究氮肥（尿素）用量（0、50、100、150、200、250、300 kg N·hm-2）對玉米產(chǎn)量、氮素吸收和利用的影響。采用生命周期評價和綜合效益分析方法評估不同施氮水平下玉米的農(nóng)學(xué)、經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益（分別為施氮引起的直接產(chǎn)值增量、除去氮肥成本的利潤增量、除去活性氮損失和溫室氣體排放等環(huán)境污染成本的生態(tài)效益、除去環(huán)境污染引發(fā)人類健康危害成本的社會效益），并分別計算農(nóng)學(xué)最佳施氮量（agronomically optimal N rate，AOR）、經(jīng)濟最佳施氮量（privately optimal N rate，POR），生態(tài)最佳施氮量（ecologically optimal N rate，EOR）和社會效益最佳施氮量（socially optimal N rate，SOR），最終綜合多重效益優(yōu)化黑土區(qū)玉米的氮肥施用量。【結(jié)果】黑土區(qū)玉米施用氮肥具有顯著增產(chǎn)效果，兩個試驗點產(chǎn)量隨施氮量增加而持續(xù)上升，均在200 kg N·hm-2達到產(chǎn)量平臺，SKS和QYG 4年平均產(chǎn)量分別為10.3和11.1 t·hm-2。玉米植株氮素吸收量也隨施氮量增加而持續(xù)提高，SKS和QYG均在300 kg N·hm-2達到最高（分別為151.9和161.8 kg N·hm-2），而氮肥表觀回收率均在施氮量100 kg N·hm-2時最高（分別為70.3%和72.2%），而后則隨施氮量增加呈下降趨勢。基于4年試驗結(jié)果進行綜合效益分析發(fā)現(xiàn)，氮肥投入導(dǎo)致的生態(tài)和社會成本均隨施氮量增加呈指數(shù)增長趨勢，玉米施氮后的產(chǎn)值增量、利潤增量、生態(tài)效益及社會效益均隨施氮量增加呈現(xiàn)先增加后降低的一元二次曲線趨勢?；谇€擬合計算，SKS點的AOR、POR、EOR、SOR分別為236、225、215、211 kg N·hm-2，而QYG點分別為245、235、225、221 kg N·hm-2。AOR條件下，SKS和QYG點的玉米產(chǎn)量分別為10.6和11.4 t·hm-2，活性氮損失分別為44.4和46.8 kg N·hm-2，生態(tài)效益分別為8 786和10 271元/hm2，社會效益分別為8 351和9 822元/hm2。兩個試驗點在EOR條件下相比AOR條件分別減施氮肥8.8%和7.9%，提高氮肥偏生產(chǎn)力9.1%和8.1%，減少活性氮損失11.7%和11.0%。兩個試驗點的SOR在EOR基礎(chǔ)上進一步減少氮投入，SOR相比AOR分別減施氮肥10.6%和9.6%，減少活性氮損失14.0%和13.1%，增加社會效益124和119元/hm2。【結(jié)論】基于生態(tài)和社會效益評估，本研究條件下玉米在10.5—12.0 t·hm-2產(chǎn)量水平的適宜施氮量為210—220 kg N·hm-2，建議黑土區(qū)玉米養(yǎng)分管理應(yīng)以最佳生態(tài)或社會效益為目標(biāo)推薦施氮量，以實現(xiàn)減氮增效、生態(tài)高產(chǎn)和人類健康等多重目標(biāo)。

黑土區(qū)；玉米；最佳施氮量；生態(tài)效益；社會效益；生命周期評價

0 引言

【研究意義】玉米是中國乃至全球最主要的糧食和飼料作物，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、糧食安全和食物供給中占有重要地位[1-2]。多數(shù)地區(qū)農(nóng)民為了追求玉米高產(chǎn)，在生產(chǎn)中投入大量氮肥[3]。過量施用氮肥不僅不會繼續(xù)提高作物產(chǎn)量，反而會提高成本甚至導(dǎo)致作物減產(chǎn)[4]。同時，大量施用氮肥造成的氮盈余還會引發(fā)各種各樣的環(huán)境問題，如通過NH3揮發(fā)和N2O排放進入到大氣中增加溫室氣體排放[5-6]，通過淋溶或徑流方式進入水體導(dǎo)致土壤酸化[7]和地下水富營養(yǎng)化[8]。由于不合理施肥而造成的環(huán)境污染還會對人類健康造成負面影響，已經(jīng)成為廣受關(guān)注的社會問題[9-10]。因此，作物生產(chǎn)中應(yīng)在綜合考慮農(nóng)學(xué)、經(jīng)濟、生態(tài)和社會等多重效益的基礎(chǔ)上進行養(yǎng)分管理，以實現(xiàn)作物高產(chǎn)、經(jīng)濟增收以及良好的生態(tài)和社會效益，更好地應(yīng)對糧食安全、社會發(fā)展和環(huán)境可持續(xù)性的多重挑戰(zhàn)[11]?！厩叭搜芯窟M展】基于農(nóng)學(xué)或經(jīng)濟效益，利用肥料效應(yīng)方程計算最高產(chǎn)量、氮素利用率或經(jīng)濟收益對應(yīng)的施肥量，是確定作物推薦施肥量的常用方法[12-15]。吳良泉等基于2005—2010年全國測土配方施肥項目分析了1 752組氮肥肥效試驗，以凈收入為指標(biāo)計算確定東北和華北地區(qū)玉米的最佳施氮量分別為150和178 kg N·hm-2，可獲得產(chǎn)量8.85和8.13 t·hm-2，凈收入分別為5 067和3 025元/hm2[16]。馮國忠等基于2004—2014年吉林省1 110組試驗，提出玉米產(chǎn)量超過10 t·hm-2時需施氮225 kg N·hm-2[17]。ZHANG等通過2011—2013年華北平原夏玉米試驗發(fā)現(xiàn)，以最高產(chǎn)量為目標(biāo)的推薦施氮量（AOR）為208 kg N·hm-2，產(chǎn)量和經(jīng)濟效益分別為7 955 kg·hm-2和13 766元/hm2，而以最佳經(jīng)濟效益為目標(biāo)的推薦施氮量（POR）為191 kg N·hm-2，產(chǎn)量和經(jīng)濟效益分別為7 941 kg·hm-2和13 797元/hm2，POR相比AOR可減施氮肥8.2%，產(chǎn)量和經(jīng)濟效益則無顯著差異[18]。近年來，隨著農(nóng)業(yè)源污染持續(xù)增加，肥料管理的生態(tài)和社會影響越來越受到關(guān)注。在產(chǎn)量和經(jīng)濟效益基礎(chǔ)上，通過核算氮肥在生產(chǎn)、運輸與施用過程中產(chǎn)生的環(huán)境污染及人類健康危害，可評估基于生態(tài)和社會效益的適宜施氮量（EOR、SOR）[19-20]?；谌A北地區(qū)91個夏玉米田間試驗，WANG等發(fā)現(xiàn)EOR為171 kg N·hm-2可獲得產(chǎn)量8.2 t·hm-2，與AOR（237 kg N·hm-2）的產(chǎn)量水平（8.5 t·hm-2）無顯著差異，但可以節(jié)氮28%，且氮損失和環(huán)境成本分別減少33%和31%[21]。而華北地區(qū)156個小麥試驗也顯示，SOR相比AOR在減氮47%條件下產(chǎn)量和經(jīng)濟效益分別僅下降4.9%和6%，生態(tài)和社會效益分別增加25%和101%[20]?？梢?，通過考慮生態(tài)和社會效益可進一步優(yōu)化玉米推薦施氮量而獲得更好的綜合效益。【本研究切入點】東北黑土區(qū)作為我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，在國家糧食安全中發(fā)揮舉足輕重的作用[22]。但是，目前黑土區(qū)玉米的適宜施氮量仍以產(chǎn)量和經(jīng)濟效益最大化為目標(biāo)而確定，尚缺乏考慮生態(tài)和社會效益的適宜施氮量研究，因此需探索基于多重效益進一步優(yōu)化黑土區(qū)玉米適宜施氮量。【擬解決的關(guān)鍵問題】通過在吉林省中部典型黑土區(qū)選取兩個代表性田塊開展連續(xù)田間定位試驗，研究施氮量對玉米產(chǎn)量、氮肥表觀回收率、施肥利潤、活性氮損失、溫室氣體排放及人類健康的影響，從農(nóng)學(xué)、經(jīng)濟、生態(tài)和社會4個方面對施氮效益進行綜合評估并優(yōu)化適宜施氮量，探索多重效益評價方法在東北黑土區(qū)的可行性，以期為該區(qū)域玉米綠色可持續(xù)生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

田間定位試驗于2017—2020年在吉林省梨樹縣三棵樹村和泉眼溝村進行，兩個試驗點相距約25 km，氣象條件基本一致。試驗區(qū)域均屬溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同期，多年年均降雨量在580 mm左右，主要集中在7—8月。圖1為試驗開展期間玉米生育期的氣象條件，相比多年平均狀況，2017年和2018年降雨量整體偏少（457和361 mm），特別是2018年出現(xiàn)春季干旱，5—6月總降雨量僅61 mm。兩個試驗點土壤類型均為黑土，基礎(chǔ)理化性質(zhì)如表1所示。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置7個氮肥施用量：0、50、100、150、200、250和300 kg N·hm-2（用N0、N50、N100、N150、N200、N250和N300表示）。氮肥采用分次施肥方式，基肥和拔節(jié)期追肥的比例為3﹕7。各處理的磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）施用量保持一致，均為90 kg·hm-2，磷肥全部作基肥施用一次性施入，鉀肥以基肥和拔節(jié)期追肥1﹕1比例施入。其中，氮肥為尿素（N 46%），磷肥為重過磷酸鈣（P2O545%），鉀肥為氯化鉀（K2O 60%）。

試驗各處理均設(shè)置3次重復(fù)，共21個小區(qū)，隨機區(qū)組排列。兩試驗點種植的玉米品種均為良玉99，于5月上旬播種，種植密度均為6.5萬株/hm2。6月下旬拔節(jié)期前，采用溝施覆土方法追肥，于10月初收獲。生育期內(nèi)未進行灌溉，除施肥措施外其余田間管理均按照當(dāng)?shù)刈罴逊椒ㄟM行。

表1 試驗點耕層（0—20 cm）土壤的基礎(chǔ)理化性狀

圖1 2017—2020年試驗地區(qū)玉米生育期內(nèi)氣溫和降水情況

1.3 測定項目與方法

玉米成熟后，在每個試驗小區(qū)中部選取20 m2進行測產(chǎn)并測定籽粒含水量，最終折算為每公頃籽粒產(chǎn)量（14%含水量）。同時，每個小區(qū)選取長勢均勻具有代表性植株5株，風(fēng)干后分秸稈和籽粒兩部分稱取干重，粉碎后采用 H2SO4-H2O2消煮，用凱氏定氮儀測定氮含量[23]，計算氮素吸收量及利用效率。

氮素吸收量（kg N·hm-2）= 成熟期籽粒干物質(zhì)量×籽粒氮素含量+成熟期莖葉干物質(zhì)量×莖葉氮素含量 （1）

氮肥表觀回收率（%） = （施氮區(qū)植株吸氮量-不施氮區(qū)植株吸氮量）/ 施氮量×100 （2）

氮肥偏生產(chǎn)力（kg·kg-1）= 施氮處理玉米產(chǎn)量/ 施氮量 （3）

1.4 氮肥投入的成本和效益計算

氮肥投入的直接成本（Ncost）、環(huán)境效益成本（Ecost）和社會效益成本（Scost）采用以下公式計算[20]：

式中，N為施氮量（kg N·hm-2），肥料N的單價（Nprice）為4元/kg。Cgw、Ceu、Cacid和Chealth是溫室氣體對空氣資源損害的成本、富營養(yǎng)化破壞水資源的成本、土壤酸化對土壤資源損害的成本[15]和氮肥施用過程中活性氮損失所造成的人類健康成本[9]。Total N2O-N為N2O排放總量，N2O-N的全球變暖成本為71.68元/kg[24]；NO3-N和NH3-N分別為硝酸鹽淋失和氨揮發(fā)，兩者的水體富營養(yǎng)化成本分別為7.17和1.54元/kg[25]；氮肥使用過程中NH3-N的土壤酸化成本為11.97元/kg[15,25]；氮肥生產(chǎn)過程中導(dǎo)致的全球變暖、水體富營養(yǎng)化和土壤酸化的成本分別為1.28、0.012和0.134元/kg[26-28]；NO3-N、NH3-N和Total N2O-N對人體健康影響的成本分別為1.28、21.12和1.92元/kg[9,29]。

N2O排放總量包括直接排放（N2O-N direct）和間接排放（N2O-N indirect）。其中，間接N2O排放參考IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）的國家溫室氣體清單指南[30]，通過氨（NH3-N）揮發(fā)和硝酸鹽（NO3-N）淋失進行估算，兩者的間接排放因子分別為1%和1.1%[31]。N2O直接排放、NH3揮發(fā)和硝酸鹽淋失參考CUI等基于春玉米的研究結(jié)果[32]確定，采用以下公式計算：

N2O-N indirect =1%×NH3-N+1.1%×NO3-N leaching （7）

NO3-N leaching = 3.63e0.0080×N rate（8）

NH3-N=2.69+0.069×N rate （9）

N2O-N direct = 0.50e0.0032×N rate（10）

1.5 估算農(nóng)學(xué)、經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益及其適宜氮肥用量

施用氮肥后，玉米的產(chǎn)量增量（YN，kg·hm-2）、產(chǎn)值增量（BY，元/hm2）、利潤增量（BP，元/hm2）、生態(tài)效益（BE，元/hm2）和社會效益（BS，元/hm2）采用以下公式計算[20]：

YN= Y-Y0（11）

BY= YN×Mprice（12）

BP= BY-Ncost（13）

BE= BY-Ecost（14）

BS= BY-Scost（15）

式中，以產(chǎn)量（Y）和不施氮產(chǎn)量（Y0）為基礎(chǔ)，YN表示玉米產(chǎn)量增量。Mprice是玉米價格，為1.5元/kg。生態(tài)效益是使用氮肥增加的產(chǎn)值增量減去氮肥肥料成本，氮肥在生產(chǎn)運輸和施用過程中所導(dǎo)致的全球變暖、水體富營養(yǎng)化和土壤酸化的成本。社會效益是在生態(tài)效益的基礎(chǔ)上減去氮肥在施用過程中對人類健康造成的成本?？紤]到4年間玉米和尿素價格的波動，其價格均采用平均值計算。

通過擬合產(chǎn)值增量、利潤增量、生態(tài)效益和社會效益與施氮量的一元二次函數(shù)，計算曲線一階導(dǎo)數(shù)分別確定AOR、POR、EOR和SOR[20]。

BY= βN+αN2NAOR=-β/2α （16）

BP= BY-Ncost=bN+aN2NPOR=-b/2a （17）

BE= BP-Ncost=BN+AN2NEOR=-B/2A（18）

BS= BP-Ncost=dN+cN2NSOR=-d/2c （19）

式中，α、β、a、b、A、B、c和d為回歸系數(shù)。

1.6 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016軟件進行計算、作圖和作表，用IBM SPSS Statistics 22軟件進行方差分析，采用LSD法比較處理間=0.05和=0.01水平上的差異顯著性。

2 結(jié)果

2.1 氮肥用量對玉米產(chǎn)量的影響

兩個試驗點的玉米產(chǎn)量水平在4年間存在明顯差異（圖2）。相比三棵樹試驗點，2017和2018年泉眼溝試驗點各施氮處理的產(chǎn)量整體略高，2020年則略低。不施氮條件下，三棵樹和泉眼溝4年的平均產(chǎn)量分別為3 541和3 252 kg·hm-2。隨施氮量增加，兩個試驗點玉米產(chǎn)量呈現(xiàn)一致升高趨勢，并均在施氮200 kg N·hm-2時達到產(chǎn)量平臺，分別為10 300 和11 064 kg·hm-2，較N0處理分別提高191%和240%。施氮200—300 kg N·hm-2范圍內(nèi)，兩個試驗點的產(chǎn)量水平均保持穩(wěn)定。

相同年份圖柱上不同的小寫字母表示處理間達到顯著差異（P＜0.05）。下同

2.2 氮肥用量對玉米植株氮素吸收量和氮肥回收利用效率的影響

2017—2020年，兩個試驗點不同施氮水平下植株氮素吸收量的表現(xiàn)趨勢與籽粒產(chǎn)量相似（圖3）。4年平均來看，三棵樹和泉眼溝N0處理的氮素吸收量分別為38.4和33.4 kg N·hm-2，隨施氮量增加氮素吸收量均呈顯著提高趨勢，三棵樹試驗點在施氮超過200 kg N·hm-2后無顯著差異，氮素吸收量達到145.9 kg N·hm-2，而泉眼溝試驗點在施氮300 kg N·hm-2時吸收量達到最高，為161.8 kg N·hm-2。

兩個試驗點的氮肥表觀回收率在4年中存在差異，2017—2019年以泉眼溝整體略高，而2020年以三棵樹較高（圖4）。不同施氮水平間，兩個試驗點在4年中氮肥表觀回收率均在100 kg N·hm-2達到最高，三棵樹和泉眼溝平均分別為70.3%和72.2%，而后隨施氮量增加呈下降趨勢，均在300 kg N·hm-2時降至最低的37.8%和42.8%。

圖3 2017—2020年不同施氮量對兩個試驗點玉米氮素吸收量的影響

圖4 2017—2020年不同施氮量對兩個試驗點玉米氮肥表觀回收率的影響

2.3 不同氮肥用量條件下玉米生產(chǎn)的成本和效益

施用氮肥后，三棵樹和泉眼溝玉米的平均增產(chǎn)量分別為2 367—6 801和2 643—7 891 kg·hm-2，相同施氮量下以泉眼溝的增產(chǎn)量高于三棵樹（表2）。三棵樹在施氮量為250 kg N·hm-2時增產(chǎn)量和產(chǎn)值增量最高，分別為6 801 kg·hm-2和1 0201元/hm2，泉眼溝則在施氮300 kg N·hm-2時最高，分別為7 891 kg·hm-2和11 836元/hm2。

兩個試驗地點的氮肥、生態(tài)和社會成本隨施氮量增加均呈增加趨勢，與氮肥投入的直接經(jīng)濟成本隨施氮量增加呈線性增長趨勢不同，氮肥投入導(dǎo)致的生態(tài)和社會成本隨施氮量增加呈指數(shù)增長趨勢（圖5-A），兩者的關(guān)系式分別為=208.15e0.0093x（2＝0.8579）和=299.75e0.0086x（2＝0.8778）。計算發(fā)現(xiàn)，兩個試驗點玉米施氮的利潤增量、生態(tài)效益和社會效益隨施氮量增加均呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，均在施氮200 kg N·hm-2時達到最高。三棵樹和泉眼溝的利潤增量分別為9 338和10 919元/hm2，生態(tài)效益分別為8 607和10 188元/hm2，社會效益分別為8 233和9 814元/hm2。

表2 不同施氮量對兩個試驗點玉米產(chǎn)量、各級成本和效益的影響

A為玉米生產(chǎn)中氮肥成本、生態(tài)成本、社會成本與施氮量的關(guān)系。B和C為兩個試驗點施氮后產(chǎn)值增量、利潤增量、生態(tài)效益和社會效益與施氮量的關(guān)系

A: Relationships between N fertilizer costs, ecological costs, social costs and N rates in maize production. B and C: Relationships between N-derived gross, private benefits, ecological benefits and social benefits induced by N fertilizer input and N rates at two experimental sites

圖5 兩個試驗點施氮后各級成本及各項效益與施氮量的關(guān)系

Fig. 5 Relationships between the various costs and benefits induced by N fertilizer input and N rates at two experimental sites

2.4 基于農(nóng)學(xué)、經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益評估玉米適宜施氮量

兩個試驗點玉米施氮后的產(chǎn)值增量、利潤增量、生態(tài)效益及社會效益均隨施氮量增加呈先增加后降低的趨勢，利用一元二次函數(shù)對其關(guān)系進行擬合（圖5-B，5-C），三棵樹的關(guān)系式分別為：=-0.19062+89.904（2=0.9878），=-0.19062+85.904（2=0.9851），=-0.1912+82.188（2=0.9821）和=-0.18962+79.972（2=0.9801），而泉眼溝分別為：=-0.20322+ 99.413（2=0.9915），=-0.20322+95.413（2= 0.9898），=-0.20362+91.696（2=0.9879），=-0.20222+89.48（2=0.9867）。基于擬合關(guān)系式計算確定，三棵樹的AOR、POR、EOR和SOR分別為236、225、215、211 kg N·hm-2，而泉眼溝分別為245、235、225、221 kg N·hm-2（圖5，表3）。

評估不同推薦施氮量條件下的農(nóng)學(xué)、經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益發(fā)現(xiàn)（表3和表4），AOR條件下三棵樹和泉眼溝的玉米產(chǎn)量分別為10 609和11 358 kg·hm-2，氮肥偏生產(chǎn)力分別為45.0和46.4 kg·kg-1，活性氮損失分別為44.4和46.8 kg N·hm-2，生態(tài)效益分別為8 786和10 271元/hm2，社會效益分別為8 351和9 822元/hm2；相比AOR，兩個試驗點EOR條件下產(chǎn)量僅減少不足1%，但分別減施氮肥8.8%和7.9%，提高氮肥偏生產(chǎn)力9.1%和8.1%，減少活性氮損失11.7%和11.0%，增加生態(tài)效益85和82元/hm2；而SOR在EOR基礎(chǔ)上進一步減少施氮量，兩個試驗點SOR相比AOR分別減施氮肥10.6%和9.6%，提高氮肥偏生產(chǎn)力11.0%和9.8%，減少活性氮損失14.0%和13.1%，增加生態(tài)效益82和79元/hm2，增加社會效益124和119元/hm2。

表3 基于不同效益目標(biāo)確定的最佳施氮量及相應(yīng)的玉米產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力和活性氮損失

AOR：農(nóng)學(xué)最佳施氮量Agronomically optimal N rate; POR：經(jīng)濟最佳施氮量Privately optimal N rate; EOR：生態(tài)最佳施氮量Ecologically optimal N rate; SOR：社會效益最佳施氮量Socially optimal N rate. 下同 The same as below

表4 基于不同效益目標(biāo)確定的最佳施氮量及相應(yīng)的產(chǎn)值增量、利潤增量、生態(tài)效益和社會效益

3 討論

3.1 基于農(nóng)學(xué)和經(jīng)濟效益的最佳推薦施氮量

合理使用氮肥對于提高玉米生產(chǎn)的產(chǎn)量和經(jīng)濟效益至關(guān)重要，當(dāng)前的氮管理策略大多以實現(xiàn)產(chǎn)量或利潤最大化為目標(biāo)。前期大量研究發(fā)現(xiàn)[33-35]，東北黑土區(qū)玉米在10—12 t·hm-2產(chǎn)量水平范圍內(nèi)農(nóng)學(xué)最佳施氮量（AOR）為184—268 kg N·hm-2，平均為223 kg N·hm-2，而經(jīng)濟最佳施氮量（POR）為173—245 kg N·hm-2，平均為209 kg N·hm-2。本研究中，典型黑土區(qū)兩個試驗點玉米產(chǎn)量范圍在10.5—12.0 t·hm-2范圍AOR分別為236和245 kg N·hm-2，而POR分別為225和235 kg N·hm-2，均處在前期研究范圍內(nèi)。本研究所采用的玉米品種持綠性較好，產(chǎn)量水平也高于大多數(shù)前期研究，因此氮素需求也相對較高，所計算的AOR和POR均略高于前期研究的平均施氮量。另外，與前期研究一致，POR相比AOR普遍可減少5%左右的氮肥投入，但可獲得接近的產(chǎn)量水平和更高的經(jīng)濟效益。

3.2 基于生態(tài)和社會效益的最佳推薦施氮量

目前我國集約化玉米系統(tǒng)中，為實現(xiàn)糧食高產(chǎn)而過度使用氮肥的現(xiàn)象仍普遍存在，也造成溫室效應(yīng)、富營養(yǎng)化和土壤酸化等環(huán)境風(fēng)險大幅增加[6-8]。施氮后造成的活性氮損失和溫室氣體排放已成為優(yōu)化氮肥管理的重要指標(biāo)，通過將環(huán)境污染和人類健康危害成本轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟效益計算，可以統(tǒng)一量化氮肥的綜合效益而進一步優(yōu)化適宜的施氮量[36]。WANG等利用大樣本田間試驗數(shù)據(jù)，建立了夏玉米產(chǎn)量和環(huán)境成本與施氮量之間的響應(yīng)曲線，確定生態(tài)最佳施氮量（EOR）為171 kg N·hm-2，較AOR（289 kg N·hm-2）降低40.8%，從而減少45.5%的環(huán)境污染成本[21]。XIA等研究顯示，以EOR（205 kg N·hm-2）作為太湖地區(qū)小麥的推薦施氮量，相比POR（258 kg N·hm-2）減少施氮21%，降低28%活性氮損失[26]。而對于太湖地區(qū)水稻，其EOR（202 kg N·hm-2）相比POR（263 kg N·hm-2）減氮23%，活性氮損失也相應(yīng)減少29%[15]。YING等對華北小麥的研究發(fā)現(xiàn)，SOR（148 kg N·hm-2）較AOR（279 kg N·hm-2）減少47%氮肥投入，產(chǎn)量和經(jīng)濟效益僅分別下降4.9%和6%，而生態(tài)和社會效益分別增加25%和101%[20]。前期研究中發(fā)現(xiàn)，作物和氮肥價格的波動對于POR、EOR、SOR的確定均有一定影響，但后兩者相比POR對價格波動的敏感性遠遠較低，在大幅變化情況下更為穩(wěn)定[20]。本研究為探索黑土區(qū)玉米基于生態(tài)和社會效益確定推薦施氮量，一方面選取了兩個典型地力水平的田塊，另一方面為減少年際氣候條件或價格因素的變異影響，采用4年定位試驗的平均產(chǎn)量和氮素利用結(jié)果進行生態(tài)和社會效益分析，發(fā)現(xiàn)三棵樹和泉眼溝的EOR分別為215和225 kg N·hm-2，SOR分別為211和221 kg N·hm-2，EOR較AOR分別降低8.8%和7.9%的施氮量，在未顯著降低產(chǎn)量和經(jīng)濟效益基礎(chǔ)上大幅減少活性氮損失（11.7%和10.9%）和生態(tài)環(huán)境成本（9.2%和8.4%）。相比AOR，兩個試驗點的SOR分別減少施氮10.6%和9.6%，增加社會效益124和119元/hm2。本研究結(jié)果表明，通過增加對生態(tài)和社會效益的考慮，東北黑土區(qū)玉米目前的適宜施氮量還有進一步下調(diào)的空間，因此未來該區(qū)域玉米的氮肥推薦施用量及相關(guān)管理測量還需進一步研究和優(yōu)化。

3.3 基于多重效益分析的推薦施肥建議

相比其他研究，本研究中兩個試驗點玉米的EOR、SOR相比AOR及POR實現(xiàn)的減氮幅度相對較小，推測其原因可能主要是試驗設(shè)計的氮肥用量上限及作物在不同施氮量條件下的產(chǎn)量趨勢不同所導(dǎo)致。前期在華北地區(qū)夏玉米、小麥和太湖地區(qū)水稻、小麥的研究中[15,20-21,26]，施氮量上限均設(shè)置在400—500 kg N·hm-2，過量氮肥投入導(dǎo)致作物產(chǎn)量出現(xiàn)下降趨勢，但肥料成本持續(xù)增加，同時導(dǎo)致更大幅度的生態(tài)環(huán)境和人類健康成本，其生態(tài)和社會效益曲線的弧度更大，因此不同效益目標(biāo)計算所得的最佳施氮量差異也較大。如華北地區(qū)小麥研究中，其AOR、POR、EOR和SOR分別為279、230、175和148 kg N·hm-2，EOR和SOR相比AOR減少了37%—47%[20]。而本研究中玉米的施氮量上限較低，為300 kg N·hm-2，而且施氮超過200 kg N·hm-2后產(chǎn)量維持平臺趨勢，導(dǎo)致生態(tài)和社會效益隨施氮量變化的曲線較為平緩，特別是高施氮量條件下與農(nóng)學(xué)、經(jīng)濟效益曲線的差異較小，因此最終計算所得的最佳施氮量差異也相對較小。另一方面，也可能是由于黑土區(qū)土壤肥力相對較高，加之相對較低溫度和適中降雨量降低了氮肥損失，因此相對較低的施氮量即可同時實現(xiàn)較高的作物產(chǎn)量和較好的生態(tài)及社會效益。根據(jù)《東北黑土地保護規(guī)劃綱要（2017—2030年）》顯示，目前東北典型黑土區(qū)耕地面積約1 853.33萬公頃，其中約一半以上種植玉米。若生產(chǎn)中采用SOR作為推薦施氮量，相比AOR總計可減少24萬噸氮肥投入，相應(yīng)減少19.5億元的生態(tài)環(huán)境成本，增加12.1億元的社會效益。因此，盡管黑土區(qū)玉米采用EOR或SOR實現(xiàn)的玉米單位面積減氮量相對較低，但考慮到該區(qū)域玉米生產(chǎn)的規(guī)模效應(yīng)，大面積應(yīng)用的整體效益將非?？捎^，是促進玉米可持續(xù)綠色發(fā)展的重要技術(shù)路徑。

4 結(jié)論

在兼顧農(nóng)學(xué)和經(jīng)濟效益的基礎(chǔ)上，從生態(tài)和社會效益角度進一步優(yōu)化玉米氮肥施用量，可以在保證玉米產(chǎn)量的基礎(chǔ)上減少對環(huán)境的影響，促進黑土區(qū)玉米生產(chǎn)的可持續(xù)綠色發(fā)展。本研究不僅可以量化氮肥對玉米產(chǎn)量和經(jīng)濟效益的影響，還可以量化氮肥對環(huán)境和人類健康的影響。結(jié)果表明，基于生態(tài)和社會效益最佳為目標(biāo)使得黑土區(qū)玉米施氮量降低了7.9%—10.6%，減少活性氮損失11%—14%，提高氮肥偏生產(chǎn)力8%—11%。基于生態(tài)和社會效益，確定黑土區(qū)玉米在10.5—12.0 t·hm-2產(chǎn)量條件下的適宜施氮量為210—220 kg N·hm-2。

[1] CHEN X P, CUI Z L, VITOUSEK P M, CASSMAN K G, MATSON P A, BAI J S, MENG Q F, HOU P, YUE S C, R?MHELD V, ZHANG F S. Integrated soil–crop system management for food security. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2011, 108(16): 6399-6404.

[2] 喬遠, 楊歡, 雒金麟, 汪思嫻, 梁藍月, 陳新平, 張務(wù)帥. 西北地區(qū)玉米生產(chǎn)投入及生態(tài)環(huán)境風(fēng)險評價. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2022, 55(5): 962-976. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2022.05.010.

QIAO Y, YANG H, LUO J L, WANG S X, LIANG L Y, CHEN X P, ZHANG W S. Inputs and ecological environment risks assessment of maize production in northwest China. Scientia Agricultura Sinica, 2022, 55(5): 962-976. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2022.05.010. (in Chinese)

[3] 王緣怡, 李曉宇, 王寅, 張馨月, 馮國忠, 焉莉, 李翠蘭, 高強. 吉林省農(nóng)戶玉米種植與施肥現(xiàn)狀調(diào)查. 中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃, 2021, 42(9): 262-271.

WANG Y Y, LI X Y, WANG Y, ZHANG X Y, FENG G Z, YAN L, LI C L, GAO Q. Smallholder investigation on current maize cultivation and fertilization in Jilin Province. Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning, 2021, 42(9): 262-271. (in Chinese)

[4] CUI Z L, CHEN X P, ZHANG F S. Current nitrogen management status and measures to improve the intensive wheat-maize system in China. Ambio, 2010, 39(5/6): 376-384.

[5] ZHU Z, CHEN D. Nitrogen fertilizer use in China–Contributions to food production, impacts on the environment and best management strategies. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2002, 63: 117-127.

[6] TONG L I, SAMINATHAN R, CHANG C W. Uncertainty assessment of non-normal emission estimates using non-parametric bootstrap confidence intervals. Journal of Environmental Informatics, 2017, 28(1): 61-70. doi: 10.3808/jei.201500322.

[7] GUO J H, LIU X J, ZHANG Y, SHEN J L, HAN W X, ZHANG W F, CHRISTIE P, GOULDING K W T, VITOUSEK P M, ZHANG F S. Significant acidification in major Chinese croplands. Science, 2010, 327(5968): 1008-1010.

[8] JU X T, XING G X, CHEN X P, ZHANG S L, ZHANG L J, LIU X J, CUI Z L, YIN B, CHRISTIE P, ZHU Z L, ZHANG F S. Reducing environmental risk by improving N management in intensive Chinese agricultural systems. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2009, 106(9): 3041-3046.

[9] GU B J, GE Y, REN Y, XU B, LUO W D, JIANG H, GU B H, CHANG J. Atmospheric reactive nitrogen in China: Sources, recent trends, and damage costs. Environmental Science & Technology, 2012, 46(17): 9420-9427.

[10] LIU X J, ZHANG Y, HAN W X, TANG A H, SHEN J L, CUI Z L, VITOUSEK P, ERISMAN J W, GOULDING K, CHRISTIE P, FANGMEIER A, ZHANG F S. Enhanced nitrogen deposition over China. Nature, 2013, 494(7438): 459-462.

[11] ZHANG X, DAVIDSON E A, MAUZERALL D L, SEARCHINGER T D, DUMAS P, SHEN Y. Managing nitrogen for sustainable development. Nature, 2015, 528(7580): 51-59.

[12] WANG Z, LI J S, LI Y F. Effects of drip system uniformity and nitrogen application rate on yield and nitrogen balance of spring maize in the North China Plain. Field Crops Research, 2014, 159: 10-20.

[13] WANG W N, LU J W, REN T, LI X K, SU W, LU M X. Evaluating regional mean optimal nitrogen rates in combination with indigenous nitrogen supply for rice production. Field Crops Research, 2012, 137: 37-48.

[14] CUI Z L, CHEN X P, ZHANG F S. Development of regional nitrogen rate guidelines for intensive cropping systems in China. Agronomy Journal, 2013, 105(5): 1411-1416.

[15] XIA Y Q, YAN X Y. Ecologically optimal nitrogen application rates for rice cropping in the Taihu Lake region of China. Sustainability Science, 2012, 7(1): 33-44.

[16] 吳良泉, 武良, 崔振嶺, 陳新平, 張福鎖. 中國玉米區(qū)域氮磷鉀肥推薦用量及肥料配方研究. 土壤學(xué)報, 2015, 52(4): 802-817.

WU L Q, WU L, CUI Z L, CHEN X P, ZHANG F S. Basic NPK fertilizer recommendation and fertilizer formula for maize production regions in China. Acta Pedologica Sinica, 2015, 52(4): 802-817. (in Chinese)

[17] 馮國忠, 焉莉, 王寅, 王少杰, 李金昊, 陳新平, 崔振嶺, 樊小林, 高強. 吉林省玉米推薦施肥指標(biāo)體系的建立. 玉米科學(xué), 2017, 25(6): 142-147.

FENG G Z, YAN L, WANG Y, WANG S J, LI J H, CHEN X P, CUI Z L, FAN X L, GAO Q. Establishment of index system of fertilizer recommendation for spring maize in Jilin. Journal of Maize Sciences, 2017, 25(6): 142-147. (in Chinese)

[18] ZHANG Y T, WANG H Y, LEI Q L, LUO J F, LINDSEY S, ZHANG J Z, ZHAI L M, WU S X, ZHANG J S, LIU X X, REN T Z, LIU H B. Optimizing the nitrogen application rate for maize and wheat based on yield and environment on the Northern China Plain. Science of the Total Environment, 2018, 618: 1173-1183.

[19] VAN GRINSVEN H J M, HOLLAND M, JACOBSEN B H, KLIMONT Z, SUTTON M A, JAAP WILLEMS W. Costs and benefits of nitrogen for Europe and implications for mitigation. Environmental Science & Technology, 2013, 47(8): 3571-3579.

[20] YING H, YE Y L, CUI Z L, CHEN X P. Managing nitrogen for sustainable wheat production. Journal of Cleaner Production, 2017, 162: 1308-1316.

[21] WANG G L, YE Y L, CHEN X P, CUI Z L. Determining the optimal nitrogen rate for summer maize in China by integrating agronomic, economic, and environmental aspects. Biogeosciences, 2014, 11(11): 3031-3041.

[22] 辛景樹, 汪景寬, 薛彥東. 東北黑土區(qū)耕地質(zhì)量評價. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2017.

XIN J S, WANG J K, XUE Y D. Evaluation of Cultivated Land Quality in Black Soil Area of Northeast China. Beijing: China Agricultural Press, 2017. (in Chinese)

[23] 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析. 3版. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2000: 34-109.

BAO S D. Soil and Agricultural Chemistry Analysis. 3rd ed. Beijing: China Agriculture Press, 2000: 34-109. (in Chinese)

[24] SCHIERMEIER Q. Prices plummet on carbon market. Nature, 2009, 457: 365.

[25] XIANG P G, ZHOU Y, JIANG J A, ZHENG H, YAN H M, HUANG H. External costs and optimum use of nitrogen fertilizer based on the balance of economic and ecological benefits in the paddy field system of the Dongting Lake area, China. Agricultural Sciences in China, 2007, 6(3): 347-354.

[26] XIA Y Q, YAN X Y. Comparison of statistical models for predicting cost effective nitrogen rate at rice-wheat cropping systems. Soil Science and Plant Nutrition, 2011, 57(2): 320-330.

[27] ZHANG W F, DOU Z X, HE P, JU X T, POWLSON D, CHADWICK D, NORSE D, LU Y L, ZHANG Y, WU L, CHEN X P, CASSMAN K G, ZHANG F S. New technologies reduce greenhouse gas emissions from nitrogenous fertilizer in China. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2013, 110(21): 8375-8380.

[28] 岳善超. 小麥玉米高產(chǎn)體系的氮肥優(yōu)化管理[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)大學(xué), 2013.

YUE S C. Optimal nitrogen management for high-yielding wheat and maize cropping system[D]. Beijing: China Agricultural University, 2013. (in Chinese)

[29] XIA L L, TI C P, LI B L, XIA Y Q, YAN X Y. Greenhouse gas emissions and reactive nitrogen releases during the life-cycles of staple food production in China and their mitigation potential. Science of the Total Environment, 2016, 556: 116-125.

[30] GITARSKIY M L. The refinement to the 2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories. Fundamental and Applied Climatology, 2019, 2: 5-13.

[31] WANG X Z, LIU B, WU G, SUN Y X, GUO X S, JIN G Q, JIN Z H, ZOU C Q, CHADWICK D, CHEN X P. Cutting carbon footprints of vegetable production with integrated soil - crop system management: A case study of greenhouse pepper production. Journal of Cleaner Production, 2020, 254: 120158.

[32] CUI Z L, ZHANG H Y, CHEN X P, ZHANG C C, MA W Q, HUANG C D, ZHANG W F, MI G H, MIAO Y X, LI X L, GAO Q, YANG J C, WANG Z H, YE Y L, GUO S W, LU J W, HUANG J L, LV S H, SUN Y X, LIU Y Y, PENG X L, REN J, LI S Q, DENG X P, SHI X J, ZHANG Q, YANG Z P, TANG L, WEI C Z, JIA L L, ZHANG J W, HE M R, TONG Y N, TANG Q Y, ZHONG X H, LIU Z H, CAO N, KOU C L, YING H, YIN Y L, JIAO X Q, ZHANG Q S, FAN M S, JIANG R F, ZHANG F S, DOU Z X. Pursuing sustainable productivity with millions of smallholder farmers. Nature, 2018, 555(7696): 363-366.

[33] 侯云鵬, 孔麗麗, 李前, 尹彩俠, 秦裕波, 楊建, 于雷, 張磊, 謝佳貴. 不同施氮水平對春玉米氮素吸收、轉(zhuǎn)運及產(chǎn)量的影響. 玉米科學(xué), 2015, 23(3): 136-142.

HOU Y P, KONG L L, LI Q, YIN C X, QIN Y B, YANG J, YU L, ZHANG L, XIE J G. Effect of different nitrogen rates on nitrogen absorption, translocation and yield of spring maize. Journal of Maize Sciences, 2015, 23(3): 136-142. (in Chinese)

[34] 崔金虎. 春玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)品種篩選及配套栽培技術(shù)研究[D]. 哈爾濱: 東北農(nóng)業(yè)大學(xué), 2010.

CUI J H. Study on screening of spring maize varieties with high and stable yield and its supporting cultivation techniques[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2010. (in Chinese)

[35] 葉東靖, 高強, 何文天, 何萍. 施氮對春玉米氮素利用及農(nóng)田氮素平衡的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2010, 16(3): 552-558.

YE D J, GAO Q, HE W T, HE P. Effect of N application on N utilization and N balance in spring maize. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2010, 16(3): 552-558. (in Chinese)

[36] LIANG X Q, LI H, HE M M, CHEN Y X, TIAN G M, XU S Y. The ecologically optimum application of nitrogen in wheat season of rice–wheat cropping system. Agronomy Journal, 2008, 100(1): 67-72.

Optimizing Nitrogen Fertilizer Rate for High-Yield Maize in Black Soil Region Based on Ecological and Social Benefits

ZHENG ChunYu, SHA ShanYi, ZHU Lin, WANG ShaoJie, FENG GuoZhong, GAO Qiang, WANG Yin

College of Resources and Environmental Sciences, Jilin Agricultural University/Key Laboratory of Straw Comprehensive Utilization and Black Soil Conservation, Ministry of Education/Key Laboratory of Sustainable Utilization of Soil Resources in the Commodity Grain Bases in Jilin Province, Changchun 130118

【Objective】Optimizing nitrogen (N) fertilizer rate for maize, by considering ecological and social benefits in combination with agricultural and economic benefits, was studied to promote the sustainable and green maize production in black soil region, and further to realize the multiple goals including higher yield, higher resource use efficiency, improved environment and human health.【Method】Two field experiments were conducted at San-ke-shu (SKS) and Quan-yan-gou (QYG) in typical black soil region from 2017 to 2020, to study the effects of different N fertilizer (urea) rates (0, 50, 100, 150, 200, 250, and 300 kg N·hm-2) on maize yield, N uptake and N recovery efficiency (NUE), and further to evaluate the agronomic, economic, ecological and social benefits (N-derived gross caused by N application, private benefits of removed the N fertilizer cost, ecological benefits of removed environmental pollution cost such as active nitrogen loss and greenhouse gas emission, and social benefit of removed human health harm cost caused by environmental pollution, respectively) in different N rates by using life cycle assessment and comprehensive benefits analysis. The agronomically optimal N rate (AOR), privately optimal N rate (POR), ecologically optimal N rate (EOR) and socially optimal N rate (SOR) were calculated to evaluate the integrated benefits and determine the optimal N fertilizer rate for maize in black soil region. 【Result】Maize grain yields were significantly affected by N rates, which increased continuously with increasing N input and reached the yield plateau under 200 kg N·hm-2treatment at both two experimental sites. Under this N rate, the average yields were 10.3 and 11.1 t·hm-2at SKS and QYG across four experimental years, respectively. The N uptake of maize plants also showed increased trends with increasing N rates, and the highest value in 200 kg N·hm-2treatment at SKS and QYG (151.9, 161.8 kg N·hm-2, respectively). The NUE of maize showed the highest values in 100 kg N·hm-2treatment at both two experimental sites, the averages were 70.3% and 72.2%, respectively; and then, decreased with increasing N rates. Based on 4-year results, the ecological and social costs caused by N fertilizer input increased exponentially with the increase of N application rate. The N-derived gross, private benefits, ecological benefits and social benefits of maize increased firstly and then decreased with the increase of N application rate. Based on the curve fitting calculation, the AOR, POR, EOR and SOR were estimated as 236, 225, 215 and 211 kg N·hm-2at SKS, respectively, and which were 245, 235, 225 and 221 kg N·hm-2at QYG, respectively. Under AOR condition, maize yields of 10.6 and 11.4 t·hm-2, the Nr losses of 44.4 and 46.8 kg N·hm-2were obtained at SKS and QYG, respectively, while their ecological benefits were 8 786 and 10 271 yuan/hm2, and social benefits were 8 351 and 9 822 yuan/hm2, respectively.Compared with AOR, by reducing N inputs by 8.8% and 7.9% at SKS and QYG, respectively, EOR increased partial factor productivity from applied N by 9.1% and 8.1%, respectively, while reducingNr losses by 11.7% and 11.0%, respectively. Compared with EOR, SOR further reduced N inputs by 10.6% and 9.6% at SKS and QYG, respectively, thus reduced Nr losses by 14.0% and 13.1%, respectively, while increasing social benefits by 124 and 119 yuan/hm2, respectively. 【Conclusion】Based on the comprehensive consideration with ecological and social benefits, the optimal N fertilizer rate was determined as 210-220 kg N·hm-2for maize with yield of 10.5-12.0 t·hm-2, it was suggested that the optimal application of ecological or social benefits should be recommended for maize nutrient management in black soil area, which could synergistically achieve the multiple goals for higher yields and NUE, improved ecological environment and human health.

black soil region; maize; optimal N rate; ecological benefit; social benefit; life cycle assessment

2022-04-27；

2022-06-04

吉林省自然科學(xué)基金面上項目（20190201117JC）、國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFD0200101）

鄭春雨，E-mail：zcy18744492676@163.com。通信作者王寅，E-mail：wy1986410@163.com

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.11.008

（責(zé)任編輯 李云霞）