土壤学

理论施氮量的改进及验证——兼论确定作物氮肥推荐量的方法

巨晓棠

摘要：目的：确定合理施氮量是获得较高目标产量、维持土壤氮肥力和降低施氮引起环境污染的关键。自一个世纪前氮肥发明和施用以来，尽管已经开展了上百年研究，但尚未找到令人满意能够在田块尺度上方便的确定合理施氮量方法。由于目标产量综合反映了土壤-气候条件、土壤肥力水平、农户的生产条件和农艺管理水平。在生产条件相对稳定的某段时期，农户对自己田块目标产量最为了解，成为氮肥推荐容易获得和相对可靠的参数。目标产量和目标籽粒蛋白质含量决定了作物地上部吸氮量，进而决定了通过肥料和土壤应该供给多少氮素来满足作物对氮素的需求。因此，寻找根据单个田块目标产量确定田块施氮量的方法具有重要的实际意义。方法：本文在前期提出的作物理论施氮量概念和方法基础上，在考虑其他来源氮素输入（干湿沉降、灌溉水、种子、非共生固氮）情况下，深入分析了土壤-作物体系中主要氮素通量及其相互关系，基于作物根区氮肥（包括有机肥当季供氮量）、土壤氮和作物吸氮三者的数量关系，对理论施氮量做了进一步推导和解析。结果：理论施氮量（Nfert）实质相当于籽粒移出氮量（Nfert）减去其他来源的氮量（Nothers），加上肥料氮的损失量（Nfert3），即Nfert＝Ngrain-Nothers+Nfert3。在西欧和北美等氮肥施用技术较先进的国家或地区，氮肥损失量较低，氮肥损失（Nfert3）基本相当于其他来源（Nothers）氮量，氮肥施用量大约相当于籽粒移出氮量。由于我国施肥技术还较粗放，施肥过程和施肥后的氮素损失还比较高，在目前施肥方法和农艺管理条件下，肥料氮损失量（Nfert3）大致相当于秸秆归还氮量（Nstraw）和其他来源的氮量（Nothers）之和，即Nfert3≌Nstraw+Nothers，将此式代入上式，即可推导出：Nfert≌Nuptake。即我国目前施肥技术条件下，施氮量相当于作物地上部氮素携出量。本文进一步引进百千克收获物需氮量（N100）参数，推导出根据目标产量确定推荐施氮量的算式：Nfert≈Y/100×N100；式中，Nfert为理论施氮量（N·kg·hm－2），Y为目标产量（kg·hm－2）。可以看出，在确定了百千克收获物需氮量后，推荐施氮量是目标产量的唯一函数。综合各种文献报道结果，在当前生产条件和产量水平下，小麦、玉米、水稻的百千克收获物需氮量分别取值为2.8、2.3和2.4 kg，或称其为施氮系数。根据改进的理论施氮量算式和施氮系数，很容易求出三大粮食作物不同目标产量的推荐施氮量。以此系数求得的推荐施氮量略高于田间实际测定的地上部吸氮量，主要是为了维持作物较高的供氮强度和吸氮量，以达到该目标产量时的地上部吸氮量。应用大量文献报道田间试验结果，对理论施氮量和经济最佳施氮量进行了比较，在绝大多数情况下，两者非常接近。但东北的小麦、玉米和水稻的理论施氮量远高于区域氮肥推荐量。主要原因是氮素矿化作用大于固持作用，作物利用了部分土壤矿化氮，土壤有机氮处于消耗状态。结合理论施氮量，本文详细解析了近年来我国建立的推荐施氮量方法的科学基础、推荐结果及适用性。认为将我国大面积生产中过量和不足的施氮调节到合理施氮量范围，是当前和今后一段时期的紧迫任务。理论施氮量从长期维持高产稳产、土壤氮素平衡和低环境风险考虑，即可满足这种实际需求。推广技术员和农户能够根据自己田块的目标产量用口算确定出施氮量，简便易行。结论：理论施氮量不需要估计土壤有效氮供应量，避免因为测试土壤有效氮的高低，在某些季给出低的推荐量，其他季给出高的推荐量。在理论施氮量推导中，考虑到集约化长期耕作田块，既不能过度消耗土壤无机与有机氮库，也不能使这两个氮库过度累积，需要维持土壤无机氮和有机氮库大致平衡，即作物播前根区的土壤无机氮和生育期有机氮矿化成无机氮之和约等于肥料氮通过固持作用进入有机氮的部分和收获后无机氮残留的部分。认为施氮（化肥氮+有机肥当季供应氮）的主要作用：一是被作物吸收；二是作为残留氮补充土壤氮的消耗。残留肥料氮既是不可避免的，又是必要的。由于目标产量已反映了目标田块的综合生产条件和肥力水平，理论施氮量可以给出不同目标产量水平下的氮肥推荐量，既不会因为施氮过多而浪费肥料，增加环境风险；也不会因为施氮不足而损失应有的产量。我国需要从每季作物均要根据土壤测试值调节施氮量的局面中走出来，给出某种土壤-作物体系长期高产稳产的合理施氮量，达到既能持续高产，又能维持土壤氮素平衡，最大限度降低环境风险的目标。

来源出版物：土壤学报, 2015, 52(2): 249-261

入选年份：2015