优化施肥对小麦-玉米轮作体系产量、养分平衡与生态环境效益的影响*

杨慧敏,杨云马,黄少辉,杨文方,邢素丽,杨军方 ,贾良良

(河北省农林科学院农业资源环境研究所 石家庄 050051)

华北平原是我国重要的粮食产区,对保障我国粮食安全具有重要意义。该区耕地面积为2340 万hm2,约占我国耕地总面积的18%[1],生产了全国45%的小麦(Triticum aestivum)和32%的玉米(Zea mays)[2]。冬小麦-夏玉米轮作是华北平原主要种植制度,但农民为了高产往往盲目大量施用化肥,不但增加了农业生产成本,降低了经济效益,还引发一系列环境问题,如农田温室气体排放增加、土壤酸化、水体富营养化等[3-5]。因此,探索优化施肥制度、降低温室气体排放、平衡土壤养分和培肥地力是缓解华北平原农业经济和生态环境问题的重要途径。

优化施肥可以改善作物养分吸收,保障作物生长发育,提高作物产量[6]。大量研究表明,与农户习惯施肥相比,优化施肥可以使小麦增产5.9%～8.8%[7],玉米增产6.5%～9.8%[8]。长期定位试验结果表明,施肥量与产量之间为抛物线关系,玉米产量在中量施肥时显著高于低量施肥和高量施肥[9]。优化施肥有助于稳产高产,在保证作物养分需求供给的同时减少土壤氮素残留,维持土壤养分平衡。优化施肥较农户习惯施肥土壤氮素盈余可以降低24%～44%[10]。化肥的投入会增加农田温室气体的排放,特别是氮肥的投入。研究表明农田温室气体排放中,氮肥的贡献率达50%[11]。Bhandari等[12]研究表明,减施氮肥较农户习惯施肥小麦季N2O 累计排放量显著降低27%。优化施肥是将农民传统大量盲目施肥变为科学合理施肥,通过优化和减少施肥量,减少农田温室气体排放,并进一步减缓温室气体排放对人类身体健康的危害[13]。目前,诸多学者在研究施肥方式对环境效应和经济效益的影响时,主要利用籽粒产值与农业生产成本计算经济效益,忽略了环境修复所花费的成本。因此,本研究基于8 年长期定位试验,综合比较优化施肥与农户习惯施肥对小麦-玉米轮作体系的产量、土壤养分平衡、温室气体排放及经济效益的影响,旨在为华北平原地区小麦-玉米轮作体系稳产增收和绿色发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2013 年10 月至2021 年7 月在河北省石家庄市藁城区马庄良种示范场(115°15′E,37°51′N,海拔51 m)进行。该地区属于暖温带半湿润大陆性季风气候,年均降水量约500 mm,年平均气温12.5 ℃,无霜期约190 d。该区主要种植模式为小麦-玉米一年两熟制。试验地土壤为石灰性褐土,试验初期耕层土壤理化性质为:有机质12.8 g·kg-1,全氮1.1 g·kg-1,有效磷18.5 mg·kg-1,速效钾102.5 mg·kg-1,pH 8.0。

1.2 试验设计

试验设置3 个处理,分别是不施肥(CK)、优化施肥(OPT,依据“大配方小调整”施肥策略[14-15],并参考当地推荐施肥方案制定)和农户习惯施肥(FP,依据当地调查的农民常年施肥量确定),每个处理4 次重复,共计12 个小区,小区面积56 m2,随机区组排列。各处理施肥量如表1 所示,供试肥料为尿素(含N 46%)、重过磷酸钙(含P2O543%)、氯化钾(含K2O 60%)。小麦季,磷钾肥一次性底施,氮肥60%底施,40%于拔节期追施;玉米季,氮磷钾肥均一次性底施。小麦-玉米轮作中两季秸秆均全部还田。小麦于每年10 月中旬播种,次年6 月上旬收获;2013-2015年品种选用‘石新828’,2016-2017 年品种选用‘藁优2018’,2018-2021 年品种选用‘济麦22’,播种量225 kg·hm-2。玉米于每年6 月中旬播种(灭茬免耕播种),当年9 月末10 月初收获,玉米品种选用‘郑单958’,播种密度67 500 株·hm-2(行距60 cm,株距24.7 cm)。在水分管理方面,各处理灌溉措施和灌水量一致,采用漫灌方式。小麦生长季中灌溉2～3 次,分别为苗期(“冻水”,每年11 月中旬进行,视土壤墒情确定灌溉量)、拔节期(追施尿素后灌溉,30～50 mm)和灌浆期(20 mm);玉米季播种后,立即灌溉出苗水75 mm,之后生育期内不灌水。各处理间病虫草害防治等管理措施一致。

表1 不同处理的施肥量Table 1 Fertilization rates of the different treatments kg·hm-2

1.3 样品采集与测定

每年小麦收获时,每小区取2 m2地上部样方,风干、脱粒后测产。同时每小区选取1 m 双行地上部样品,分部位烘干后测定养分含量。玉米收获时,各小区选择长势均匀的10 m2玉米穗并称鲜重,从中随机抽取10 穗带回实验室,风干后测产。同时随机选取3 株完整小麦、玉米植株,分部位烘干后测定养分含量。植株样品用H2SO4-H2O2消解,采用凯氏定氮法测定全氮,钼锑抗比色法测定全磷,火焰光度计法测定全钾[16]。

每年玉米收获后,在各小区采用梅花点法选取5个0～30 cm 土壤样品,混合为一个样品,风干后测定养分含量。土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定,速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定,土壤有机质采用重铬酸钾油浴容量法-外加热法测定[16]。

1.4 数据计算

1.4.1 产量相关指标

SI 越小,则产量稳定性越好;SYI 越大,则产量可持续性越好;偏生产力数值越大,则化肥增产效益越高。

1.4.2 养分平衡

其中,养分投入仅包括化肥施入量和由秸秆还田带入的养分,不考虑降水、灌溉、大气沉降等带入的养分;养分携出仅包括作物因收获而带出的养分。

1.4.3 温室气体排放

式中:Ti为第i种农资产品的投入量,EFi为第i种农资产品的碳排放系数(具体数值如表2 所示),44/28为N 与N2O 的转换系数,298 为N2O 在100 年尺度上的相对全球增温潜势,GHG 表示温室气体排放量,GHGI 表示温室气体排放强度。

表2 投入农业生产资料及氮损失的碳排放系数Table 2 Carbon emission factors of different agricultural materials input and nitrogen loss

1.4.4 经济效益

式中:农业生产成本包括肥料、种子、农药、灌溉、人力和机械燃油的成本之和。根据当地实际情况,小麦和玉米售价分别为2.4 ¥·kg-1和2.0 ¥·kg-1。N、P2O5和K2O 投入分别为3.58 ¥·kg-1、2.76 ¥·kg-1和3.79 ¥·kg-1,小麦和玉米种子投入分别为3.0 ¥·kg-1和6.27 ¥·kg-1,其他投入(灌溉、人力、机械燃油)分别为3851.51 ¥·kg-1和2693.99 ¥·hm-2。每一季作物农药投入为299.72 ¥·kg-1。环境修复成本包括NH3挥发、NO3-淋溶和N2O 排放所造成的污染,修复费用分别为37.41 ¥·kg-1、9.30 ¥·kg-1和83.36 ¥·kg-1[20]。

1.5 统计与分析

数据处理和统计分析分别用Excel 与SPSS 软件,采用LSD 法进行处理间显著性分析(P＜0.05)。文中图表中的数据为平均值±标准误差。

2 结果与分析

2.1 产量和偏生产力

2.1.1 产量及其稳定性

在2013-2021 年的小麦季、玉米季和周年轮作中,OPT 和FP 较CK 产量均增加(表3)。其中在周年轮作中,OPT 和FP 较CK 增产达显著水平(P＜0.05)。不同年份中,OPT 较FP 小麦产量提高55～748 kg·hm-2,增幅为0.5%～12.8%,年均增产349 kg·hm-2,即4.3%。OPT 较FP 玉米产量提高20～1271 kg·hm-2,增幅为0.3%～15.5%,年均增产413 kg·hm-2,即5.3%。OPT较FP 周年轮作产量提高81～1536 kg·hm-2,增幅为0.5%～9.8%,年均增产762 kg·hm-2,即4.8%。8 年平均结果表明,OPT 和FP 较CK 处理SI 指数降低显著(P＜0.05),而SYI 指数增加也达显著水平(P＜0.05);OPT 和FP 的SI 和SYI 指数间差异不明显,SI 均小于0.09,SYI 均大于0.84,说明施肥处理产量呈现稳定性变化且保持可持续发展。

2.1.2 偏生产力

在2013-2021 年的小麦季、玉米季和周年轮作中,OPT 较FP 氮肥偏生产力和磷肥偏生产力均显著提高(P＜0.05),而钾肥偏生产力均显著降低(P＜0.05)(表4)。8 年平均结果表明,在小麦季、玉米季和周年轮作中,OPT 较FP 氮肥偏生产力分别提高10.5 kg·kg-1、10.9 kg·kg-1和10.8 kg·kg-1,增幅分别为39.1%、31.7%和35.9%;磷肥偏生产力分别提高26.2 kg·kg-1、52.2 kg·kg-1和34.9 kg·kg-1,增幅分别为39.1%、40.4%和39.8%;钾肥偏生产力分别降低128.0 kg·kg-1、122.2 kg·kg-1和125.1 kg·kg-1,降幅分别为47.8%、47.3%和47.6%。

2.2 土壤养分平衡

2.2.1 土壤氮磷钾平衡

8 年平均结果表明,CK 处理氮素、磷素和钾素处于亏缺状态,说明养分投入仅有作物秸秆时,土壤无法满足作物对氮磷钾养分的需求(图1)。在小麦季、玉米季和周年轮作中,OPT 和FP 土壤氮素和磷素处于盈余状态,其中OPT 和FP 氮盈余量分别为67 kg·hm-2和121 kg·hm-2、55 kg·hm-2和106 kg·hm-2、122 kg·hm-2和227 kg·hm-2,磷盈余量分别为38 kg·hm-2和69 kg·hm-2、4 kg·hm-2和22 kg·hm-2、42 kg·hm-2和91 kg·hm-2。其中周年轮作中,OPT 较FP 氮盈余值和磷盈余值分别降低46.3%和53.3%,差异均达显著水平(P＜0.05)。在本试验条件下,玉米季OPT 和FP 钾素盈余,小麦季钾素则出现亏缺现象,导致周年轮作中,OPT 处理的土壤钾素年盈余59 kg·hm-2,而FP 土壤钾素亏缺1 kg·hm-2,OPT 较FP 土壤钾素增加显著(P＜0.05)。

图1 不同施肥处理下小麦-玉米轮作体系的土壤养分平衡Fig.1 Soil nutrient balance of wheat-maize rotation system under different fertilizer treatments

2.2.2 土壤养分含量变化

土壤有机质、有效磷和速效钾是表征土壤肥力状况的重要指标。经过8 年小麦-玉米轮作后,土壤有机质、有效磷和速效钾含量变化如图2 所示。2021 年OPT 和FP 的土壤有机质含量分别为15.9 g·kg-1和15.1 g·kg-1,两者间无显著性差异;较试验起始值分别提高24.2%和18.0%,差异达显著水平(P＜0.05)。OPT 和FP 的土壤有效磷含量分别为23.4 mg·kg-1和32.4 mg·kg-1,两者之间无显著差异;较试验起始值分别提高26.4%和74.9%,其中FP 有效磷含量增加显著(P＜0.05)。OPT 和FP 的土壤速效钾含量分别为119.8 mg·kg-1和106.7 mg·kg-1,两者间无显著性差异;较试验起始年分别提高16.8%和4.1%,其中OPT 速效钾含量显著增加(P＜0.05)。

图2 不同施肥处理下小麦-玉米轮作体系的土壤养分含量Fig.2 Soil nutrients contents of wheat-maize rotation system under different fertilizer treatments

2.3 生态环境效益

2.3.1 温室气体排放

在小麦季、玉米季和周年轮作中,8 年平均结果表明,OPT 较FP 温室气体排放量分别降低634 kg(CO2eq)·hm-2、546 kg(CO2eq)·hm-2和1180 kg(CO2eq)·hm-2,降幅分别为21.7%、21.1%和21.4%(图3a)。基于施肥处理的温室气体排放量和产量,计算出对应的温室气体排放强度(图3b)。结果表明,在小麦季、玉米季和周年轮作中,OPT 较FP 温室气体排放强度分别降低94 kg (CO2eq)·t-1、87 kg (CO2eq)·t-1、91 kg (CO2eq)·t-1,降幅分别为27.0%、27.5%和27.3%,差异达极显著水平(P＜0.001)。

图3 不同施肥处理下小麦-玉米轮作体系的温室气体排放量(GHG)及排放强度(GHGI)Fig.3 Greenhouse gas emmisons (GHG) and intensity of greenhouse gas emissions (GHGI) of wheat-maize rotation system under different fertilizer treatments

2.3.2 经济效益

在小麦季、玉米季和周年轮作中,8 年平均结果表明,OPT 较FP 产值分别提高837 ¥·hm-2、826 ¥·hm-2和1664 ¥·hm-2,增幅分别为4.3%、5.3%和4.8%;农业生产成本分别降低238 ¥·hm-2、89 ¥·hm-2和326 ¥·hm-2,降幅分别为3.7%、2.1%和3.1%;环境修复成本分别降低385 ¥·hm-2、303 ¥·hm-2和687 ¥·hm-2,降幅分别为28.4%、17.3%和22.1% (图4a)。基于产值和成本,计算出对应的净收益(图4b)。结果表明,在小麦季、玉米季和周年轮作中,OPT 较FP 净收益分别提高1460 ¥·hm-2、1217 ¥·hm-2和2677 ¥·hm-2,增幅分别为11.2%、11.4%和11.3%,差异达显著水平(P＜0.01)。

图4 不同施肥处理下小麦-玉米轮作体系的经济效益Fig.4 Economic benefits of wheat-maize rotation system under different fertilizer treatments

3 讨论

3.1 不同施肥方式对小麦-玉米轮作体系产量的影响

施肥是保障作物产量和培肥土壤的重要措施,但是长期以来农户受“要高产就得多施肥”的错误观念误导,农户往往过量施肥和不合理施肥。一项9 年的调查数据表明,优化施肥较农户习惯施肥,氮肥和磷肥减施潜力为24～251 kg·hm-2和13～206 kg·hm-2[21]。河南省北部多点试验研究结果也表明,优化施肥较农户习惯施肥减少施氮量16.2%～19.5%,减少施磷量43.3%～48.0%,提高施钾量13.2%～57.9%,最终能够使小麦增产4.7%～9.6%[22]。本研究中,OPT 较FP减施氮肥25%,减施磷肥25%,增施钾肥100% (表1),养分供应均衡,很好地满足了作物高产的需要,小麦增产4.3%,玉米增产5.3% (表3),符合我国华北地区提倡的“减氮控磷增钾”的农田养分管理需求[23]。作物高产稳产和可持续性生产在农业发展中非常重要,作物产量受降水量变化。8 年试验期间,2016 年和2021 年玉米生长季遭受强降水事件,造成玉米倒伏,大幅度降低了玉米产量[24-25]。本研究产量稳定性相关指数分析表明,各施肥处理间数值差异较小,产量稳定性指数为0.01～0.15,产量可持续性指数为0.74～0.98,表明OPT 和FP 均可维持该地区小麦-玉米轮作体系的产量稳定性和持续性(表3),说明本研究提出OPT施肥方案稳定且可持续,氮磷钾肥合理配施会增加作物产量的稳定性[26]。

3.2 不同施肥方式对小麦-玉米轮作体系氮磷钾平衡的影响

农田养分输入和输出保持平衡是农田可持续性发展的基础。合理的施肥量,不仅要补充土壤中的养分,保证作物养分供应,同时要将养分盈余控制在合理范围内,既要让土壤有一定量的盈余、培肥土壤,也要避免因养分盈余过多引起污染[27]。华北平原地区长期监测数据显示,采用农户习惯施肥,当季作物收获后的氮素盈余值和磷素盈余值分别为174 kg·hm-2和72 kg·hm-2[28]。在我国中部地区的调研也发现小麦季和玉米季氮素盈余值分别为122 kg·hm-2和134 kg·hm-2[29],采用土壤-作物综合系统管理模式(integrated soil-crop system management,ISSM),小麦季和玉米季氮素盈余值分别为2 kg·hm-2和8 kg·hm-2[30]。而在本研究中,小麦-玉米轮作体系FP 周年氮素盈余值和磷素盈余值分别为227 kg·hm-2和91 kg·hm-2(图1),OPT 较FP 减施氮磷后,氮盈余值和磷盈余值分别为122 kg·hm-2和42 kg·hm-2,即OPT 较FP 在保证作物养分吸收的基础上,大幅度减少了土壤中氮磷养分盈余,但OPT 氮盈余值和磷盈余值仍然高于保障环境安全的年度参考指标80 kg·hm-2和8.7 kg·hm-2[31]。为了达到安全阈值,OPT 处理的施氮量和施磷量仍有下降空间,应在当前基础上适当减量。根据本研究中小麦季与玉米季的氮素盈余状况(图1),OPT 处理进一步降低施氮量应当以小麦氮肥减施为主。研究表明磷盈余100 kg·hm-2土壤有效磷提高1.94 mg·kg-1[32],钾盈余100 kg·hm-2土壤速效钾提高2.71 mg·kg-1[33]。土壤养分平衡状况能够反映土壤养分含量,保持土壤养分平衡是保持土壤生产力的前提。根据有效磷的农田环境阈值15～30 mg·kg-1[34],OPT 处理的有效磷含量经过8 年连续种植后已达23.4 mg·kg-1,FP 处理已经达32.4 mg·kg-1(图2),OPT处理的磷肥施用应进行适当控制,在保证高产的前提下,施磷量可以按照“恒量监控”原则进行管理[35]。速效钾的适宜范围为122～164 mg·kg-1[36-37],目前还未达标(图2),因此下一轮作物施肥时,OPT 应该提高施钾量,但随着土壤速效钾的累积,需要监控土壤速效钾含量,在满足高产的同时,根据土壤速效钾含量进行适当调整。综上所述,在今后的作物施肥过程中,应该根据施肥量、土壤养分含量和作物吸收量等进一步调整氮磷钾施用量,完善优化施肥方案,进而更好地保护环境和培肥土壤。

3.3 不同施肥方式对小麦-玉米轮作体系温室气体排放的影响

农田是温室气体主要的排放源之一。本研究中,小麦季和玉米季温室气体排放(GHG)达2922～3556 kg(CO2eq)·hm-2(图3a),排放量远高于美国和英国等发达地区[38-39]。究其原因,一方面是碳排放参数选择不同;另一方面是我国农业生产资料投入高,且农资产品生产过程中的能源消耗主要来源于煤炭,导致碳排放增多。农田作物从播种到收获,种子、化肥、农药、灌溉电力、燃油等投入都会产生温室气体,其中氮肥占比最大[40],降低氮肥用量是降低GHG 最直接有效的方式。在本研究中,OPT 较FP处理GHG 降低21.1%～21.7% (图3a)。

寻求GHG 与产量的平衡是农业生产研究的热点问题,为了进一步量化两者的关系,通过GHGI (单位产量的温室气体排放量),可以判断该施肥方式是否满足绿色可持续发展要求[41]。本研究中,OPT 较FP 产量提高(表3),GHG 降低(图3a),进而使得GHGI降低27.0%～27.5% (图3b),说明OPT 较FP 通过减氮减磷增钾的优化施肥方式,不仅提高了作物产量,还降低了GHGI,更满足粮食绿色可持续生产要求。

3.4 不同施肥方式对小麦-玉米轮作体系经济效益的影响

作物产量、生态环境和经济效应协调发展是农业生产所追求的目标。多数研究者在计算经济效益时[42-43],所需成本仅考虑农业成本投入,而忽视了环境修复成本。农田中氮肥施用会造成氮素以N2O 排放、NH3挥发及NO3-淋溶的方式损失,进而引发全球气候变暖、人体健康受损等问题[2],政府则为了治理产生的污染需要投入相应成本。Xia等[44]将农业生产成本和作物产值这些经济效益指标与环境修复成本联系起来,该方法既有利于保护农户经济收入,也有利于政府有效保护生态环境,保障农业的可持续性发展。小麦长期定位试验表明,施氮量会影响农田温室气体排放,N2O 排放量为施氮量的0.1%,NH3挥发为19.4%,NO3-淋溶为2.7%[45]。马红梅等[21]研究发现,优化施肥较农户习惯施肥,N2O 排放量降低11.2%～72.5%,NH3挥发降低20.8%～62.8%,NO3-淋溶降低4.9%～79.6%。这与本研究结果相似,本试验OPT 较FP 减施氮肥后,N2O 排放量降低19.1%～21.3%,NH3挥发降低14.7%～22.1%,NO3-淋溶降低23.7%～45.1% (图3a)。计算经济效益后可知,OPT 较FP 产值提高4.3%～5.3%,农业生产成本降低2.1%～3.7%,环境修复成本降低17.3%～28.4%,净收益提高11.2%～11.4% (图4b),说明OPT 较FP 既能够保证农户经济收入,还可以减少政府对环境修复的经济支出,增加农田种植的净收益。

4 结论

优化施肥较农户习惯施肥不仅可以增产,而且有良好的生态环境效益,更满足粮食绿色可持续生产的要求。在小麦季、玉米季及周年轮作中,优化施肥较农户习惯施肥产量提高4.3%～5.3%,净收益提高11.2%～11.4%,温室气体排放量和温室气体排放强度降低21.1%～27.5%,氮磷肥偏生产力提高31.7%～40.4%。但在周年轮作中,优化施肥和农户习惯施肥氮磷钾平衡不在合理范围内,仍需要进一步优化。因此,小麦-玉米轮作体系施肥过程中需要不断探究更合理的施肥量,为优化施肥方式在华北平原地区的推广应用提供理论依据。

致谢 感谢西北农林科技大学赵护兵副教授在论文撰稿中提出的意见与建议,感谢河北省农林科学院农业资源环境研究所颜秀芳、刘枫、王欣雅和任艺在样品采集与测定中给予的支持与帮助。