东北雨养玉米氮肥优化管理综合评价

钟 华，郭 旋，李 鹏，张成军，赵同科

（北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所/中国–新西兰水环境研究联合实验室，北京 100097）

中央农村工作会议指出，促进农业农村发展由过度依赖资源消耗、主要满足“量”的需求，向追求绿色生态可持续、更加注重满足“质”的需求转变，实现“保供给、保收入、保生态”，表明我国农业从以“增产为核心”的单一目标向“可持续发展的高产高效、环境友好”多重目标转变[1]。因此，农业管理技术措施评价也需向多目标的综合评价方法转变，兼顾产量、经济效益、氮肥效率、环境等方面的综合评价。

目前，氮肥优化管理的评价，通常进行氮肥施用量对玉米产量、氮肥利用效率、土壤氮素累积量等单因素回归分析，从养分资源效率最大化目标确定适宜的施氮量[2–11]。这种方法适用于指标较少的情景下，不适用于多指标判定。本研究拟采用层次分析法和熵权法组合确定指标的权重值，应用综合评价法以评价不同氮肥水平的综合效应。数据基于东北雨养区玉米田两年定位试验结果，选取产量、边际效益、氮肥利用效率、土壤氮素含量等作为评价指标，利用综合评价法判定适宜的氮肥施用量，以期为确立雨养区春玉米合理的氮素管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区位于东经 123°36′47″、北纬 42°20′48″的辽宁省铁岭市铁岭县蔡牛镇，属于辽河冲积平原，地势平坦。土壤质地为壤土。气候类型属于温带大陆性季风气候区，多年平均降水量668.5 mm，多年平均气温8.2℃，1月平均气温–11.9℃，7月平均气温24.3℃，多年平均蒸发量1626 mm，多年平均冻土深度120 cm、最大冻土深度166 cm。据监测，该地区降水分布不均，主要集中在5—9月份，降水总量占全年的83.44%～96.52%。降水量最大月份为8月和9月。2018年玉米生育期降雨量为389.8 mm，2019年玉米生育期降雨量为665.8 mm。

试验田种植作物为春玉米，土壤类型为棕壤，0—20 cm土层土壤基本理化性状为：容重1.32 g/cm3、pH 5.62、有机质 16.40 g/kg、全氮 1.24 g/kg、硝态氮4.70 mg/kg、铵态氮 18.4 mg/kg、有效磷 16.6 mg/kg、速效钾 101 mg/kg。

1.2 试验设计

试验设5个氮水平处理，施氮量分别为N 0、75、150、225、300 kg/hm2。氮肥为大颗粒尿素 (含 N 46 %)，所有处理磷用量为P2O575 kg/hm2，磷肥均为过磷酸钙 (含 P2O516 %) ；钾用量为 K2O 90 kg/hm2，钾肥均为氯化钾 (含 K2O 62 %) 。氮磷钾肥播种前一次性施入。小区面积为60 m2，各处理随机排列，3次重复。供试玉米品种为‘铁研58’，种植密度64500株/hm2。试验于2018、2019年连续进行，试验布置一致。试验先后于2018和2019年4月底播种，当年9月末收获。收获后玉米秸秆除取样外其余全部粉碎旋耕还田。

1.3 测定项目与方法

收获时各小区单独收获测产，并随机取样3株，分别测定茎叶、籽粒干物重。各部分混匀后粉碎，过2 mm筛备用。凯氏定氮法测定植株样品全氮。

当年试验收获后，分别于2018年10月、2019年10月分小区取0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm的土壤(每个小区取3钻，等层混合)，在实验室采用连续流动分析仪测定土壤铵态氮、硝态氮含量。

各指标计算方法[12–13]：

根据测定的每层土壤硝态氮含量和土壤容重计算每一土层的硝态氮残留量。

式中，R表示每一土层的硝态氮残留量(kg/hm2)；C表示该土层土壤硝态氮含量(mg/kg)；D表示土层土壤容重(kg/m3)；H表示每层土壤厚度(m)。各个土层的硝态氮残留量相加为一定深度土壤剖面硝态氮残留总量，用同样方法可计算铵态氮残留量。

氮素表观平衡值=施氮量–玉米氮素吸收量；

氮素回收率(%)=(施氮区吸氮量–不施氮区吸氮量)/施氮量×100；

氮素农学效率(kg/kg)=(施氮区产量–不施氮区产量)/施氮量；

氮肥偏生产力(kg/kg)= 产量/施氮量；

氮素生理利用率(kg/kg)=(施氮区产量–不施氮区产量)/(施氮区吸氮量–不施氮区吸氮量)；

边际收益=[(施氮区玉米产量–不施氮区玉米产量)×玉米价格 ] /(施氮量×氮肥价格)。

不同施氮水平的综合评价值[14]计算公式：

式中，n表示所有要素数目；Yi和Wi分别表示为第i个指标的值和权重。

试验采用 Excel 2007和 IBM SPSS Statistics 22数据统计软件进行数据处理与分析，用Origin 2019软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同施氮水平对玉米产量、边际效益的影响

表1显示，施用氮肥处理两年平均产量均显著高于不施氮处理(P< 0.05)，除N225和N300处理之间无显著差异(P> 0.05)外，其余各处理的玉米产量均有显著差异(P< 0.05)。N225处理产量最高，达到12712.6 kg/hm2，N300处理的玉米产量较N225略有下降，表明施氮量超过225 kg/hm2时，继续增施氮肥，产量未增反降。2018和2019年的玉米产量有显著差异 (P< 0.05)。2019年 N0、N75、N150、N225、N300施氮水平的产量分别比2018年增加9.5%、9.4%、19.4%、20.0%和18.8%。生育期降水多的2019年氮肥增产效果更加显著。

经当年市场调查，大颗粒尿素(含N 46%)价格为2000元/t，折合纯氮的价格为4348元/t，结合2018和2019年，玉米平均价格为1700元/t，计算出边际效益(表1）。两年平均边际效益随着氮肥施用量的增加而减少，边际效益最大值出现在N75处理，N150和N225之间无显著差异，其余处理间均差异显著(P< 0.05)。两年边际效益，均存在显著差异 (P< 0.05)，2018年边际效益表现为 N75>N150≈N225>N300，2019年表现为N75>N150=N225>N300。

表1 施氮水平对玉米产量和边际效益的影响Table 1 Effects of nitrogen application level on yield and marginal benefit of maize

2.2 不同施氮水平对土壤硝态氮和铵态氮累积的影响

由0—100 cm土壤硝态氮和铵态氮累积量(图1)可以看出，2018年土壤硝态氮累积量N0与N75处理 、N150与N225处理两两之间差异不显著，其余均有显著差异 (P< 0.05)；2019年 N0、N75和N150之间差异不显著，其余处理均有显著差异(P< 0.05)。

图1 不同施氮量下玉米收获期0—100 cm土层土壤氮素累积量Fig. 1 Soil nitrogen accumulation in 0-100 cm soil layer during maize harvest under different N application levels

土壤铵态氮累积量2018年N75、N150与N225处理之间差异不显著，其余均有显著差异(P<0.05)；2019年N0和N75之间无显著差异，其余均有显著差异(P< 0.05)。土壤中铵态氮和硝态氮累积量与施氮量呈正相关关系。

2018年土壤无机氮(铵态氮+硝态氮)累积量远高于2019年，二者差异显著(P< 0.05)。2018年土壤铵态氮累积量远高于硝态氮，二者差异显著(P<0.05)；而2019年铵态氮累积量低于硝态氮，二者差异也显著(P< 0.05)。土壤硝态氮累积量年际间无显著差异；铵态氮累积量年际间差异显著(P< 0.05)。

2.3 不同施氮水平对氮素利用及氮素平衡的影响

2.3.1 不同施氮水平对氮肥利用的影响由表2可知，两年平均氮素回收率、氮肥农学效率、氮肥偏生产力和氮素生理利用率分别为43.57 %、33.00 kg/kg、67.37 kg/kg、79.15 kg/kg，变化幅度分别为36.70%～50.07%、24.76～38.62 kg/kg、41.26～104.61 kg/kg、67.46～90.28 kg/kg。氮素回收率随施氮量增加呈降低趋势，N75、N150、N300处理氮素回收率差异显著(P< 0.05)。氮肥农学效率随着施氮量的增加而降低， N150和N225处理间无显著差异，但分别与N300处理差异显著(P< 0.05)。不同施氮水平下氮肥偏生产力差异显著(P< 0.05)，随着氮肥施用量的增加，氮肥偏生产力逐渐降低。2018、2019年际间相同处理氮素生理利用率变化差异较大，在雨水较少的2018年N75、N150、N225与N300处理之间差异均不显著，在雨水较多的2019年总体上氮素生理利用率随施氮量增加呈现降低的趋势。

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

2.3.2 不同施氮水平对氮素平衡的影响表3表明，两年N0、N75处理氮素表观平衡平均值均为负值，表明玉米籽粒吸收带走的氮素多于氮肥投入量，消耗了土壤本身的氮素；N150、N225、N300处理均为正值，说明玉米籽粒收获携带的氮素量低于氮肥投入量，施入的氮肥部分残留在土壤中。2018和2019年5个处理间均差异显著(P< 0.05)，不同施氮量下氮素表观平衡规律与两年平均值基本一致。

表3 不同处理0—100 cm土壤剖面氮素表观平衡Table 3 Nitrogen apparent balance in 0–100 cm soil profile of different treatments

2.4 不同施氮水平与玉米生产效率和氮素利用效率的关联

两年试验结果(表4)表明，施氮量与玉米产量呈显著二次项式相关模型(P< 0.05)；施氮量与氮肥偏生产力、氮素表观平衡和土壤无机氮累积量呈极显著相关(P< 0.01)；施氮量与边际效益、氮素回收率、氮肥农学效率、氮素生理利用率相关性不显著(P> 0.05)。

表4 玉米产量、边际效益、土壤无机氮累积、氮素利用及平衡与施氮量的回归分析模型Table 4 Regression models between maize yield, marginal benefit, soil inorganic nitrogen accumulation,nitrogen utilization, balance and nitrogen rate

2.5 不同施氮水平的评价过程与方法

2.5.1 权重确定本研究采用层次分析法和熵权法组合赋权[15–16]。层次分析法可将多目标决策问题化为多层次单目标问题，其核心部分是构建层次结构模型，将高产高效、农田环境友好型施氮方案作为目标层，然后继续将目标层分解为准则层和要素层，对准则层以及同一准则层下的各要素采用1～9标度法分别进行两两对比构建判断矩阵，计算出准则层和同一准则层各要素间的权重，最后进行一致性检验；熵权法是通过计算各要素的波动情况得到权重，将二者权重加权即可得到各要素的权重(表5)。

表5 综合评价体系的分层及各层权重系数Table 5 Layering and the weight coefficient of each layer in the comprehensive evaluation system

2.5.2 不同施氮水平的综合评价法—定量评价产量、边际效益、氮肥利用效率和对环境影响衡量标准各不相同，无法直接比较。本研究为消除量纲不同所造成的影响，先将各指标值归一化处理，其中，产量、边际效益、氮素回收率、氮肥农学效率、氮肥偏生产力和氮素生理利用率是正向指标，值越大越好；氮素表观平衡、土壤硝态氮累积量这两个指标较为复杂，氮素表观平衡的临界值为80 kg/(hm2·年)[17–18]，超过临界值及负值均赋值为 0，其余赋值为1；土壤氮素累积量的临界值为N 80 kg/hm2[19]，小于等于临界值赋值为1，大于临界值赋值为0，而后根据综合评价值计算公式得出不同施氮水平的综合评价值。

由表6可知，N75、N300和N0处理2018和2019年的得分基本一致，氮肥过量、低量对综合得分基本无影响，而N150和N225处理2019年的综合得分明显高于2018年，且2019年N150处理得分接近于2018年N225处理得分。综合得分高于0.8的施氮量为推荐施氮量。将表4中2018年玉米产量、边际效益、氮素回收率、氮肥农学效率、氮肥偏生产力、氮素生理利用率、氮素表观平衡和土壤无机氮累积量的回归方程带入综合评价公式中，计算CI值大于0.8的氮肥用量作为推荐施氮量，值为N225 kg/hm2。2019年依此计算得到推荐施氮量为N186～225 kg/hm2。因此，按照综合得分优选雨养区玉米田适宜氮肥施用量，2018年适宜氮肥施用量为N225 kg/hm2，2019年适宜施氮量为 N186～225 kg/hm2。

表6 不同处理的综合得分及排名Table 6 Comprehensive scores and ranking of different treatments

3 讨论

随着施氮量及施氮年限的增加，土壤中的氮素含量一般呈增加趋势[20–21]。本研究结果表明，2018—2019年土壤中氮素累积量与施氮量呈正相关性，与以往研究结果一致，但2019年土壤无机氮累积量低于2018年，差异明显，其中硝态氮累积量两年间无明显差异，铵态氮累积量2019年较2018年下降明显。其原因可能是：1)试验地位于东北季节性冻融区，本课题组对该地的冻融情况和土壤氮素原位监测表明，11月进入冻融期，直到第二年3月份结束，冻融深度可达1 m，经过一个冻融期0—100 cm土壤的硝态氮含量增加了13.20%～112.18%，铵态氮含量减少了20.63%～77.56%，这是由于冻融交替改变土壤水分状况，影响土壤理化性质，导致土壤氮含量变化。土壤冻结时，土壤水分由液态变成固态，产生膨胀力，土壤大团聚体结构成为微团聚体，导致土壤比表面积增大，促进铵态氮和硝态氮的解吸[22]；在冻融过程中，硝化过程强于反硝化过程，造成硝态氮增加，铵态氮减少。2)试验地玉米生育期与雨季同步，降雨过程导致氮素的径流流失和淋溶流失，硝态氮是氮素流失的主要形态[23–24]。

有研究对2004—2014年我国氮肥效应相关数据进行了统计分析，我国玉米平均氮肥表观利用率为29.1%、氮肥农学效率11.1 kg/kg、氮肥偏生产力54.5 kg/kg、氮肥生理利用率 40.5 kg/kg[25]。对比2018和2019年试验数据，本研究各项指标均高于我国玉米氮肥效应平均水平。于飞等[25]调研了2004—2014年间相关文献，综合考虑粮食作物的产量要求和氮肥利用率，认为180～240 kg/hm2施氮量是我国玉米较适宜的施氮量范围。吴得峰等[26]发现，在渭北雨养农业区，春玉米在常规施氮2 0 0 kg/hm2的基础上减量25%，不仅能维持玉米产量，还能有效降低硝态氮的残留。陈治嘉等[27]研究发现，在吉林省黑土区适当减少氮肥用量不会显著影响玉米产量，还可提高氮肥利用效率，减少土壤无机氮积累。张君等[28]研究表明，在河套灌区施氮量193～291 kg/hm2是一个合理施氮阈值，既保证玉米产量又使土壤氮素盈余减少，土壤–玉米系统总回收较高。高洪军等[29]在哈拉海试验站开展了玉米田间定位试验，综合考虑玉米产量、氮素利用效率，考虑土壤无机氮残留量和氮素表观损失带来的环境风险，确定玉米合理施氮量范围为150～203 kg/hm2。本研究结果表明，适宜施氮量为186～225 kg/hm2，与已有相关的研究结论基本一致。

降水是雨养区玉米生长主要限制因素[30–31]。刘朋召等[32]发现，旱地玉米受降水影响较大，在干旱年，玉米生育期降水不足导致生长受限，氮素吸收量降低，氮素土壤残留较高，降水适宜则玉米生长正常，氮素吸收较多。宁芳等[33]对渭北旱塬雨养玉米种植区进行研究，发现生长季降水量及其分布显著影响玉米产量。张冬梅等[34]认为，底墒和生育期降水共同影响施肥的增产作用，底墒较好的偏旱年或底墒很差的丰水年，施肥没有明显的增产作用。本研究的试验地多年平均降水量668.5 mm，2018年玉米生育期降水量为389.8 mm，2019年玉米生育期降水量为665.8 mm，两年降水量差异明显，2019年比2018年增产9.5%～20.0%，且2019年氮肥利用效率高于2018年，也证实了生育期降水影响施肥的增产效果与氮肥利用效率。本研究采用的是当地农民的习惯施肥方式—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问题，因此，东北雨养区在玉米种植过程中提倡“因雨施氮”[32]，多次施肥，玉米生育期降水充足年份可较干旱年份减少施氮量，保证稳产、提高肥料利用效率、降低氮素流失风险。

4 结论

1)施氮量和降雨量均显著影响着玉米产量、氮素效率和土壤氮素平衡。土壤中铵态氮和硝态氮累积量与施氮量呈正相关关系。2018年与2019年相比，施氮量相同，但降水量较低，2018年土壤无机氮累积量明显高于2019年。

2)从产量、经济效率、氮肥效益和环境4个方面选取了8个指标，构建了高产高效、农田环境友好的氮肥评价体系，用于玉米氮肥优化管理评价。

3)依据试验数据计算的施氮量处理的综合得分由高到低为 N225 (0.81～0.92)、N150 (0.67～0.78)、N75 (0.67)、N300 (0.53～0.55)、N0 (0.15)。选取综合得分高于0.8的施氮量作为推荐量，计算得出2018年适宜氮肥施用量为N225 kg/hm2，2019年为N186～225 kg/hm2，既满足玉米对氮素需求，保证玉米获得高产优质，提高氮素利用率，又降低氮素淋失对环境污染的风险。