长期应用养分专家管理模式提高小麦玉米轮作氮肥利用率及土壤有机碳固存

黄少辉，杨军芳，杨云马，姜 蓉，何 萍，贾良良

(1.中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2.河北省农林科学院 农业资源环境研究所，河北省肥料技术创新中心，河北 石家庄 050051)

小麦玉米轮作是华北地区主要轮作体系，对保障我国粮食安全具有重要作用，在此轮作体系中存在化肥用量不合理(尤其是氮肥)、氮肥利用率低、土壤肥力低等诸多问题[1]。有研究指出，该轮作体系农户年氮肥用量可达550～600 kg/hm2，远高于作物氮素需求量，氮肥利用率不足30%，过高的氮肥施用和较低的氮肥利用率已引起水体富营养化、活性氮排放等一系列环境问题[1-4]。土壤有机碳(Soil organic carbon, SOC)是表征土壤肥力的重要指标，其保护和固存对提升农田土壤肥力、维持作物生产力有重要作用[5]。合理施肥和优化管理可提高农田碳投入，增加有机碳固存效率，提升土壤有机质含量水平[6]。秸秆还田与根系残留是农田碳投入的主要来源，可经过一系列物理、化学和生物过程，最终转化为土壤有机碳，提高土壤肥力[5,7]。优化作物养分管理，在提高氮肥利用率的同时增加有机碳固存是当前麦玉轮作体系急需解决的关键问题。

养分专家(Nutrient Expert, NE)是基于作物养分需求的管理系统[8]，该系统以4R养分管理策略来推荐施肥和管理养分，可以在维持或增加作物产量的同时降低施肥对环境的影响，已在玉米、小麦和水稻生产中广泛应用[9-11]。NE养分管理系统除了对农田养分的管理模式进行适当调整，还提倡与其他农艺措施相结合，形成综合管理模式，如使用改进的作物品种、增加作物种植密度等，从而以最小的资源环境代价生产足够的粮食，并获得足够的经济效益[4,12]。以NE为基础的农田综合管理模式已有报道[3,13]，但在小麦玉米轮作系统中对氮肥利用和碳固存的长期效应研究较少，尤其是其对土壤碳固存的效果鲜有报道。本研究以养分专家管理长期定位试验为基础，研究不同管理模式下作物产量、氮肥利用率和有机碳固存差异，评价养分专家管理在小麦玉米轮作系统中的适应性，为提高小麦玉米轮作体系氮肥利用率、增加土壤有机碳含量水平、实现农业可持续发展提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验设计

河北省小麦玉米轮作养分专家管理长期定位试验位于河北省石家庄市鹿泉区大河试验站(东经114°29′，北纬38°07′)，该地区土壤类型以潮土为主，属半湿润大陆性季风气候，年均降雨量300～600 mm，年平均气温14.3 ℃，无霜期约为198 d。一年两熟，主要种植模式为小麦玉米轮作。试验开始于2009年，初始0～20 cm土层土壤有机碳含量9.51 g/kg，全氮1.14 g/kg，硝态氮27.9 mg/kg，有效磷13.6 mg/kg，速效钾96.6 mg/kg，pH 值7.1。

试验采用裂区设计，主处理为2种不同的管理模式，即养分专家管理(NE)和农民习惯管理(Famers′ Practices，FP)，副处理为施用氮肥和不施氮肥(0N)，共4个处理分别为NE-0N、FP-0N、NE和FP，每个处理重复4次，共计16个小区，每小区面积45 m2，随机区组排列。其中FP管理根据当地农户的施肥习惯进行养分管理，具体施肥量如表1所示。玉米季，磷、钾肥全部用作基肥，氮肥基追肥比为1∶1，基肥在播种时施入，追肥在大喇叭期追施。玉米品种为郑单958，密度为60 000株/hm2；小麦季，磷、钾肥全部基施，氮肥基追比为1∶1，基肥在播种前随整地施入，追肥在拔节期施用，小麦品种为邢麦6号。NE管理养分管理根据养分专家管理系统推荐进行管理，肥料用量如表1所示，除小麦氮肥基追比调为1∶2外，其余养分管理方式与FP相同。NE管理在2013-2018年选用产量潜力更大的玉米品种先玉335[14]，并使种植密度增加为75 000株/hm2，即NE管理使用养分专家系统进行养分管理，同时选用产量潜力更高的品种，并提高了种植密度，形成了一个优化的综合管理模式。NE和FP管理的小麦和玉米秸秆全部还田。NE-0N与FP-0N处理除不施用氮肥外，其余管理措施与各自管理模式相同。

表1 2009-2018年养分专家管理与农民习惯管理肥料施用量Tab.1 Fertilizer application rates in NE and FP managements from 2009 to 2018

1.2 测定指标及方法

试验收获时各小区单独测产，玉米收获时每个小区取2行样品，带回实验室烘干后测定玉米籽粒产量(含水量14%)。小麦收获时在每个小区随机选取长势均匀的3个面积为1 m2样方，将穗部带回实验室，烘干后脱粒，测定小麦籽粒产量(折算籽粒含水量13%)。同时，在测产时，每个小区玉米随机取5棵植株，小麦取1 m双行植物样品，带回试验室烘干后粉碎，测定养分含量及籽秸比，再根据产量计算秸秆生物量和养分吸收量。2009，2018年玉米收获后(10月初)在各小区按之字形采集0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm土壤样品，各个小区每层土壤取10个点组成一个混合样，带回试验室。样品于室内风干、磨碎、过0.25 mm筛，进行测定土壤有机碳含量。

1.2.1 氮肥利用率 氮素累积回收率、氮素农学效率和氮素偏生产力计算公式如下：

AREN= (Nuptake-n-Nuptake-0) /Nrate×100%

①

AEN= (Yg-n-Yg-0) /Nrate

②

PFPN=Yg-n/Nrate

③

式中：AREN、AEN、PFPN分别为氮素累积回收率(Accumulated recovery efficiency of N，%)、氮素农学效率(Agronomic efficiency of N，kg/kg)和氮素偏生产力(Partial factor productivity of N，kg/kg)；Nuptake-n和Nuptake-0分别为施氮和无氮处理的地上部氮素吸收量(kg/hm2)；Nrate为施氮量(kg/hm2)；Yg-n和Yg-0分别为施氮和无氮处理的籽粒产量(kg/hm2)。

1.2.2 有机碳储量、固碳速率和固碳效率 土壤有机碳储量、有机碳的固碳速率和固碳效率计算如下[15-16]：

SOCstock=(SOCi×BD×Hi)× 0.1

④

ΔSOCstock=SOCstock-n-SOCstock-0

⑤

SOCSR=ΔSOCstock/n

⑥

SOCSE=ΔSOCstock/(Cinput-n-Cinput-0)

⑦

式中：SOCstock为特定深度的土壤有机碳储量(t/hm2)；SOCi为第i层土壤的有机碳含量(g/kg)；BD为第i层土壤容重(g/cm3)；Hi为第i层土壤厚度(cm)，0.1为单位转化系数；SOCstock-n、SOCstock-0和ΔSOC分别为施氮处理有机碳储量、无氮处理有机碳储量和有机碳储量的增加量(t/hm2)；Cinput-n和Cinput-0分别为施氮和无氮有机碳输入量(t/hm2)；n为有机碳投入的累积年份(a)；SOCSR和SOCSE分别代表土壤固碳速率(t/(hm2·a))和固碳效率(%)。

1.2.3 累积碳投入量 本试验外源碳输入主要来自作物根系与秸秆还田。有机碳投入计算公式如下：

Cinput=((Yg+Ys)×R×Dr+Ys)×Ccrop/1 000

⑧

其中，Yg为作物籽粒干质量(kg/hm2)，Ys是秸秆干质量(kg/hm2)。R为作物根系碳占地上部碳的比例，根据文献小麦与玉米的R分别为30%，26%[17]；Dr为作物根系生物量平均分布在0～20 cm土层的比例，本研究中所用的小麦和玉米Dr分别为75.3%，85.0%[18]。Ccrop为小麦或玉米地上部分含碳量(g/kg)，小麦和玉米平均烘干基有机碳含量分别为399，427 g/kg[19]。

1.3 数据处理与分析

采用Excel和SPSS软件进行结果统计与分析。不同管理模式间(NE-0N对比FP-0N，NE对比FP)采用最小显著差数法(LSD)进行差异显性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 产量

不同处理间产量如图1所示，不同管理模式间玉米、小麦籽粒产量差异均不显著，2个管理模式中施氮处理籽粒产量均高于不施氮处理。NE处理玉米籽粒产量平均为7.42 t/hm2(6.01～8.62 t/hm2)，NE-0N处理玉米籽粒产量平均为5.82 t/hm2(3.88～7.38 t/hm2)，FP处理玉米籽粒产量平均为7.09 t/hm2(6.01～8.46 t/hm2)，FP-0N处理籽粒产量平均为5.64 t/hm2(3.95～6.51 t/hm2)，NE处理和FP处理产量差异不显著，NE-0N和FP-0N处理产量差异也不显著。0N处理玉米产量随不施肥年限的增长籽粒产量减幅不大。NE处理和FP处理平均小麦籽粒产量分别为6.98 (6.22～7.88 t/hm2)，7.11 t/hm2(5.81～8.10 t/hm2)，NE-0N和FP-0N处理平均小麦籽粒产量分别为4.40(2.75～5.76 t/hm2)，4.51 t/hm2(3.38～5.86 t/hm2)，NE处理与FP处理、NE-0N与FP-0N处理之间的差异均不显著，且0N处理小麦产量随不施肥年限的延长逐渐降低。与FP处理相比，NE处理玉米籽粒产量增加4.7%，小麦籽粒产量降低1.8%，但差异均不显著。NE管理模式可维持小麦玉米轮作系统生产力。

2.2 氮肥利用率

不同管理模式下玉米小麦氮素利用率如表2，3所示，氮素累积回收率随年份增加而增高，玉米NE处理平均为36.1%，FP处理平均为28.7%，NE处理氮素累积回收率较FP处理增加7.4百分点；小麦NE处理平均为37.8%，FP处理为29.8%，NE处理氮素累积回收率较FP处理增加8.0百分点，且NE和FP差异显著。氮素农学效率中，玉米NE处理平均为8.8 kg/kg，FP处理为6.3 kg/kg，NE处理较FP处理的氮素农学效率提高39.7%；小麦NE处理和FP处理平均分别为14.7，11.4 kg/kg，NE较FP增长28.9%。氮素偏生产力中，玉米NE处理和FP处理分别为40.7，31.7 kg/kg，小麦分别为40.9，30.8 kg/kg，与FP相比，NE处理玉米和小麦氮素偏生产力分别增长28.4%，32.8%，差异均显著。NE优化管理可显著提高小麦玉米轮作体系氮肥利用效率。

表2 2009-2018年不同管理模式下玉米氮素利用率Tab.2 Nitrogen use efficiencies of maize under different managements in 2009-2018

表3 2009-2018年不同管理模式下小麦氮素利用率Tab.3 Nitrogen use efficiencies of wheat under different managements in 2009-2018

2.3 土壤有机碳含量

随生长年份的增加，各处理土壤有机碳含量均有所增长(表4)。从0～20 cm土层有机碳含量来看，2009年各处理之间相差不大，0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm土层NE处理与FP处理差异不显著(分别相差-2.5%，-1.9%，1.3%)。2018年各土层有机碳含量中，0～5 cm，5～10 cm土层NE和FP处理、NE-0N和FP-0N处理间的差异均不显著，10～20 cm土层NE-0N和FP-0N处理间差异不显著，NE和FP处理间差异显著。有机质含量年增长速率在0.03～0.34 g/(kg·a) ，NE处理5～10 cm，10～20 cm土层的增长速率显著高于PE处理，较FP处理，分别高68.8%，126.7%，而0～5 cm土层两者间差异不显著(NE处理仅高7.7%)。可见，长期NE管理可提高表层土壤有机碳含量。

表4 0～20 cm土层土壤有机碳含量与有机碳年增长速率Tab.4 SOC contents and annual increase rates in 0-20 cm soil layer

2.4 有机碳储量与固碳速率

0～20 cm土层土壤有机碳储量如图2所示，2009年各处理有机碳储量在23.8～26.2 t/hm2，处理间差异不显著，2018年各处理土壤有机碳储量在29.6～34.3 t/hm2(表5)，NE处理的有机碳储量最高。在3个不同土层中，各处理10～20 cm土层有机碳储量增长最快，其中NE处理增加最多，为5.3 t/hm2，占0～20 cm土层总有机碳储量的15.4%。

2009-2018年0～20 cm土层累积碳投入量在53.3～78.1 t/hm2，施氮处理高于0N处理，对应的年均碳投入量在5.9～8.7 t/(hm2·a)，NE处理和FP处理较各自不施氮处理分别增加45.0%，44.1%，NE处理和FP处理年均碳投入无显著差异(仅相差2.3%)。土壤有机碳储量增量在5.2～12.2 t/hm2，其中NE处理最高，较FP处理高100%，2个处理间差异显著，各处理相应的固碳速率在0.64～1.35 t/(hm2·a)，NE处理显著高于FP处理。长期NE管理可显著提高土壤有机碳储量，增加固碳速率。

表5 0～20 cm土层碳投入量与固碳速率Tab.5 Carbon input and SOC sequestration rate in 0-20 cm soil layer

2.5 固碳效率

投入单位碳时，土壤有机碳储量的变化量即为土壤固碳效率。如图3所示，随累积碳投入量变化量的增加，土壤有机碳储量的变化量也逐渐增加，NE管理模式中累积碳投入量与有机碳储量的变化量之间呈显著正相关关系，符合线性方程y=0.186x+0.102，该方程斜率为NE管理模式下土壤对碳投入的固碳效率，为18.6%。同理，FP管理下的固碳效率为0.4%，且2个变化量间的线性关系不显著。NE管理可提高土壤的固碳效率。

3 讨论与结论

3.1 长期养分专家管理能够提高氮肥利用率

氮肥回收率、农学效率、偏生产力可有效反应氮肥利用率[1]。本研究中，与FP相比，NE管理可提高氮肥累积回收率7.4～8.0百分点，提高农学效率28.9%～39.7%，提高偏生产力28.4%～32.8%，NE管理氮肥利用率明显提高。NE养分管理模式是根据土壤基础养分供应、作物产量反应和作物养分平衡来进行养分管理，并采用4R养分管理理念(采用合适的肥料品种、合适的肥料用量、合适的时间、施用在合适的位置)和最佳栽培管理措施等综合方案。NE处理降低了氮肥施用23%，提高了养分间的协同效应，养分供应和作物养分需求更同步[8]。苏瑞光等[20]、贾良良等[21]在小麦玉米轮作体系中的研究也指出，采用NE系统管理养分可提高氮素利用率20%以上。除养分管理措施外，本研究采用的NE管理综合了品种、密度等农艺措施形成了综合管理模式，可以获得更高的农学环境效益。Chen等[4]也报道了一种综合土壤作物系统管理(ISSM)，其将最佳作物管理措施(播种日期、品种和密度)与土壤管理措施相结合，可大幅提高产量和养分效率。本研究进一步证实，长期综合NE管理可提高氮肥利用效率。

3.2 长期养分专家管理可以提高土壤固碳效率

秸秆还田直接增加了碳投入，其可转化为有机碳，提高农田有机碳库储量，改善土壤质量[5,22]。合理的养分管理可加速还田的秸秆碳向有机碳转换，提高土壤固碳速率和效率[16,23]。本研究中的NE管理模式固碳速率和固碳效率分别为1.35 t/(hm2·a)和18.6%，显著高于FP处理的0.68 t/(hm2·a)和0.4%。NE管理在养分投入配比的合理性，更有利于有机碳固持，高伟等[24]对32 a华北潮土定位试验的研究也表明，平衡施用化肥可增加有机碳29.0%。FP管理与NE管理相比，氮肥投入量较高，过高的氮肥投入可引起激发效应，微生物活性升高，呼吸作用增强引起碳的过多消耗[25]，从而可能减少碳固存。此外，NE管理玉米种植密度高于FP管理，根茬碳投入较高，根茬碳固存效率高于地上部秸秆。有研究指出新形成的SOC源于根系碳的比例高于源于秸秆碳30%左右[26]。本研究中，NE管理秸秆碳投入为78.1 t/hm2，固碳效率为18.6%，魏猛等[27]的研究也指出在累积碳投入小于83 t/hm2时，土壤固碳效率为18.3%，与本研究结果相近。本试验结果表明，长期NE管理有助于土壤有机碳的固存。

3.3 养分专家管理在小麦玉米轮作体系中应用前景较为广阔

从2015年开始，我国实施“到2020年化肥零增长”战略，在不减少产量的情况下，逐渐降低化肥用量，提高肥料利用率。实现这一目标需要提升养分管理水平，同时将更多优化的农艺措施综合应用，提高土壤有机质含量，培肥土壤。养分专家管理(NE)在降低氮肥23%的情况下，维持了作物产量不降低，提高氮肥利用率20%以上，同时可有效增加土壤有机碳固存。在小麦玉米轮作系统中应用养分专家管理模式是实现化肥零增长目标的有效技术途径，可助力农业绿色发展。