海南岛主要作物氮肥定额及区域农田氮素承载力研究

关键词： 海南岛； 产量潜力； 氮素盈余阈值； 氮肥定额； 氮素承载力

海南岛位于中国最南端，占全国热带地区总面积的42.5%。由于优越的地理位置和气候条件，成为我国发展热带特色高效农业的优势产区。统计数据表明，2000—2020 年海南粮食作物的播种面积减少一半，而蔬菜、瓜类播种面积增长80%，总产量从30.40 万t 增加到718.63 万t，增加22.6 倍；园林水果播种面积增长28%，总产量从106.33 万t 增加到349.75 万t，增加2.3 倍；由于经济作物占比不断增加，海南氮肥总投入也急剧上升，增加3 9 % （从22万t 增加到30.6 万t）[1]。此外，从氮肥施用强度来看，海南也高于全国同类作物平均水平，如海南粮食、水果、蔬菜的平均化学氮肥投入分别为226、473、470 kg/hm2，分别高于全国化学氮肥投入22%、20%、48%[ 2 ]。一些热带典型水果作物（香蕉、菠萝） 的氮肥投入更是高达868 kg/hm2，而利用效率却仅有28%，径流淋洗损失严重[3]。目前海南农田氮素盈余已经达到298 kg/hm2，在一些沿海地区，如琼海，甚至高达600 kg/hm2[4]。过量的氮肥投入会引起作物产量和品质下降、土壤酸化、水体富营养化，地下水硝酸盐含量超标等问题[5−7]。农田氮素损失途径多以径流为主，海南农业生产主要分布在沿海的平原，农业集约化种植带来的活性氮排放直接进入近海水体，形成了严峻的生态环境压力。研究发现海南多个沿海市县入海口监测点的水体，总溶解氮浓度超过国家水质Ⅲ类水质标准，甚至达到Ⅳ类水标准[8]。

不合理施肥造成的一系列问题严重限制了海南农业绿色发展和自贸港生态文明建设，因此明确海南农田土壤作物的化肥施用标准和区域养分承载力迫在眉睫。以氮为例，目前确定合理施氮量基本原则已经愈发清楚，即氮肥投入既要保证目标产量的实现、提高或维持土壤肥力，同时又要控制环境影响在可接受的范围，从而实现多目标共赢[9−10]。本研究以海南岛土壤作物为研究对象，根据作物氮素养分吸收规律及养分平衡原理，通过大样本调研和主要作物产品氮素浓度数据库的构建，明确海南岛作物产量潜力及产量潜力下作物氮素需求，通过文献整合研究明确华南地区氮素盈余阈值，测算满足增产和环境安全目标下的氮肥投入上限及区域农田氮素承载力，为海南岛氮素综合管理提供科学依据，同时为其他区域农田养分管理提供具体案例。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

海南岛地处北纬18°10′～20°10′，东经108°37′～111°03′，属热带海洋性季风气候，是我国唯一的热带海岛省份，全年气候适宜，有天然大温室之称。岛内耕地面积为43.6 万hm2，粮食作物主要有水稻、番薯，其播种面积占比为39.1%，蔬菜作物主要有叶菜、菜用瓜、辣椒、豇豆等，其播种面积占比为37.4%。作物复种指数高，一年多熟，主要的种植类型有水稻连作、稻菜轮作。蔬菜、水果类主产品产量分别达到572.8、495.6 万t，成为我国冬季主要的“菜篮子”和“果篮子”[1]。

1.2 海南作物氮肥定额

本研究基于养分平衡原理核算作物的氮肥定额，即作物产量潜力下的氮素收获量与氮素盈余阈值之和，扣除大气沉降和生物固氮等自然系统氮素输入，即为作物单季氮肥投入上限。参考前人研究，以农户调研样本中前5% 产量水平作为产量潜力，即农田可实现的作物最大产量水平[11]。产量潜力下的作物氮素收获量为作物农田最高产量与作物产品氮含量之积[9]。氮素盈余阈值反映了氮素损失的临界阈值，是氮素环境风险评价的重要指标[12]。具体计算公式如下：

式中，Max Ni n p u t 为单季作物单位面积氮素投入定额，Nhar_yield potential 为作物产量潜力即最高产量水平下的氮素收获量，Ncritical surplus 为作物氮素盈余阈值。MaxNf e r 为化肥氮素和有机肥氮素投入，Nd ep 为大气沉降，NBNF 为生物固氮，Ymax 为作物农田可获得最高产量，NC 为作物产品的氮素浓度。海南年均氮素总沉降平均为6.7 kg/hm2 [13]，水稻的生物固氮为30 kg/hm2 [14]，菜豆类作物的生物固氮为70 kg/hm2 [15]，花生的生物固氮为80 kg/hm2 [15]。

1.2.1 作物产量水平 采用随机抽样方法对海南岛18 个市县进行大样本农户问卷调研，共获取有效样本1199 份。其中粮食、水果、蔬菜和其他经济作物调研样本量分别为380、276、265 和278[2]，多年生作物现无产量数据。剔除异常值后，统计分析明确海南作物产量水平分布情况，以农户前5% 产量水平作为作物产量潜力[11]。调研内容和方法参考了相关文献[2]。

1.2.2 作物产品氮素浓度 作物产品氮养分浓度数据主要来源于自测数据、文献数据和统计数据。自测数据主要针对文献和统计数据缺失作物，对本地作物主产品采样分析，用凯氏定氮法测定全氮含量[16]。

统计数据主要来自国际粮农组织数据库[17]。

1.2.3 氮素盈余阈值 氮素盈余为氮素投入与氮素产出之差，其中氮素投入包括化肥投入、有机肥投入、生物固氮、大气沉降，氮素产出指的是作物产品收获氮素[18−20]。氮素盈余阈值在本研究中以农田优化管理条件的氮素盈余水平来反映，通过构建华南地区合理管理实验数据库获取目标信息。

通过中国知网（CNKI）、Web of Science 检索发表于2000～2023 年的文章，检索的主题词包括“氮素管理（nitrogen management）”、“氮素（nitrogen）”、“水稻（rice）”、“玉米（corn）”、“番薯（sweet potato）”、“蔬菜（vegetable）”、“瓜菜（cucurbits）”、“荔枝（litchi）”、“菠萝（pineapple）”、“芒果（mango）”、“香蕉（banana）”、“甘蔗（sugarcane）”等。

所收录的文献应符合以下条件：1） 试验地点位于我国华南地区（海南、广东、广西、福建）；2） 大田试验研究，培养试验不包括在内；3） 研究中的优化处理至少包括肥料优化管理4R （正确的用量、正确的产品、正确的时间和正确的地点） 中的两个要素，同时优化处理下作物无产量损失；4） 提供试验土壤类型、试验地点以及施氮量等信息；5） 处理重复次数不少于3 次。基于该筛选标准，本研究最终收录了133 篇文献。有效指标包括：试验地点、作物类型、土壤理化性质（土壤质地、土壤有机碳、土壤pH）、优化处理内容（4R 处理、地力提升处理）、肥料类型（有机肥、无机肥）、氮肥投入量、其他氮素来源及作物产量、氮素输出等，通过氮素输入输出计算氮素盈余。对于图片信息，采用Getdata 2.26软件进行数据采集。

1.3 区域农田氮素承载力

区域的土壤作物系统氮素承载力是指在满足农业生产的前提下，不造成环境污染，或活性氮排放量在环境容量（环境最大容纳量） 内的农田氮素投入量。区域氮素产出潜力指作物达到产量潜力下的收获氮素量。区域目标氮素盈余为区域氮素最大投入与氮素产出潜力之差。目标氮素利用效率为区域氮素产出潜力与区域氮素最大投入之商[9]。区域农田氮素投入阈值为各作物体系总生产面积氮素投入阈值之和。具体计算公式如下：

式中：Regional Max Ninput_ij 为区域农田氮素承载力，Regional Max Noutput_ij 为区域农田氮素产出潜力总量，Regional target Nsurplus_ij 为区域农田目标氮素盈余总量，Regional target NUE 为区域目标氮素利用效率，Gap 表示区域目标值与区域现状值的差值，Nx 即Ninput_ij、Noutput_ij 和Nsurplus_ij。Aij 为不同作物在海南各市县的种植面积，其中i 表示作物，j 表示海南各市县种植面积，Aij 数据参考《海南统计年鉴2021》。

1.4 数据处理

用Excel 2019 和SPSS 26.0 软件进行数据整理处理和统计，利用Origin 2022 和ArcGIS 10.2 软件作图。

2 结果与分析

2.1 海南主要作物产量分布

海南粮食、蔬菜、水果平均产量水平分别为9.0、33.9 和33.6 t/hm2，最高产量分别为15.8、71.2 和64.0 t/hm2。目前海南粮食作物中水稻产量均值为6.2 t/hm2，主要分布在6～7 t/hm2，最高产量水平为9.1 t/hm2，最低产量水平为1.7 t/hm2 （图1）。水稻和蔬菜作物产量水平分别低于全国产量水平13% 和32%。蔬菜作物中，与全国同类作物相比，产量水平较高的作物有辣椒和菜用瓜，其产量均值分别为23.4、81.0 t/hm2，平均高于全国产量水平8%，最高产量分别为47.5、170.0 t/hm2。叶菜、豇豆和茄子产量均值分别为24.0、18.6 和32.7 t/hm2，平均低于全国产量水平45%，最高产量水平分别为58、33.8 和60 t/hm2。热带水果作物中，与全国同类作物相比，产量水平较高的作物有香蕉、荔枝。香蕉和荔枝的产量均值分别为45.5、15.4 t/hm2，分别高于全国产量水平10% 和25%，最高产量水平分别为71.6 和43.3 t/hm2；芒果、西甜瓜、甘蔗、菠萝产量均值分别为20.2、38.8、60.2 和41.4 t/hm2，最高产量水平分别为41.9、67.5、110.5 和73.2 t/hm2。其他典型热带作物中，槟榔和胡椒产量均值分别为4.1、2.1t/hm2，最高产量水平分别为10.1、3.9 t/hm2。分布检验表明作物产量符合正态分布（Plt;0.05），满足数据分析的必要条件。

2.2 华南主要作物氮素盈余阈值

由图2 可知，华南地区粮食作物在优化管理条件下的氮素盈余量平均为81 kg/hm2，其中水稻为78 kg/hm2，玉米为88 kg/hm2，番薯为101 kg/hm2。蔬菜的合理氮素盈余平均为108 kg/hm2，其中菜用瓜和辣椒的合理氮素盈余较高，分别为243、182 kg/hm2；叶菜、豇豆和花生分别为64、118 和54 kg/hm2。水果作物的合理氮素盈余平均为283 kg/hm2，其中柑桔橙柚的合理氮素盈余最高为494 kg/hm2，其次是香蕉240 kg/hm2；荔枝、菠萝、芒果、甘蔗、西甜瓜和茶的合理氮素盈余分别为103、169、85、101、133 和223 kg/hm2。

2.3 海南主要作物氮肥定额及减量潜力

满足作物增产需求和氮素盈余要求的氮肥定额如表1 所示。海南粮食作物氮肥定额平均为160 kg/hm2，其中水稻和番薯的氮肥定额分别为164 和156 kg/hm2，当前农户氮肥投入量分别为245 和169 kg/hm2，减量潜力分别为33.1% 和8.0%，整体粮食作物氮肥减量潜力平均为21%。蔬菜作物中，辣椒、叶菜、其他蔬菜和豇豆的氮肥定额分别为364、181、181 和307 kg/hm2，与定额相比，当前蔬菜氮肥减量潜力平均为22.1%，其中豇豆减量潜力最大，为39.3%。菜用瓜和茄子的氮肥定额分别为476 和466 kg/hm2，当前用量与定额较为一致。水果作物中，香蕉的氮肥定额最高为689 kg/hm2，其次是菠萝和荔枝分别为515 和415 kg/hm2，其他水果类的氮肥定额在240～329 kg/hm2。与定额相比，当前水果氮肥减量潜力较大，平均为27.6%，其中龙眼减量潜力最大，为60.9%，此外为甘蔗和菠萝，减量潜力分别为53%和44%，荔枝目前的施用强度则低于定额20.5%。其他经济作物中， 槟榔和胡椒氮肥定额分别为286 和236 kg/hm2，与定额相比，当前的减量潜力分别为28.9% 和49.9%。花生、茶叶氮肥定额分别为196和306 kg/hm2，目前的施用强度低于定额161.4% 和38.1%。

2.4 海南农田氮素承载力及管理目标

根据作物氮肥定额和种植结构评估，海南岛土壤作物系统的氮素承载力总量为25.7 万t，目前的总氮输入为34.2 万t，需要减量25%。海南各市县的农田氮素承载力范围在0.35～2.76 万t，最高的是乐东2.76 万t，其次是澄迈、海口，分别为2.24、2.06 万t，五指山、白沙和保亭的氮素承载力较小，分别为0.35、0.35 和0.56 万t （图3a）。海南目前区域农田氮素投入整体高于承载力，其中沿海8 个市县的总氮素输入高于氮素承载力35% 以上，如琼海和万宁高于承载力近45%，主要由于这些市县种植结构中经济作物如龙眼、甘蔗、菠萝占比较高。三亚和东方区域氮素投入与承载力差距较小，但也分别高于目标值22% 和25%；其余的8 个市县高于承载力26%～35%（图3b）。当前海南农田总体氮素投入高于承载力33%。

海南土壤作物系统总氮产出潜力为15.5 万t，当前实际产出低于产出潜力48%。各市县的区域氮素产出潜力在0.19 万～1.73 万t，乐东的作物产出最高1.73 万t，其次是澄迈1.35 万t。中部地区（琼中、保亭、五指山、白沙） 产出潜力较低，其中最低的是白沙0.19 万t，其次是五指山0.20 万t （图3c）。海口、屯昌、琼中、五指山、保亭5 个区域的氮素产出与产出潜力差距较大，平均低于产出潜力53%。沿海3 个市县的氮素产出低于产出潜力43%～45%。其余的10 个市县低于氮素产出潜力46%～50% （图3d）。当前海南农田总体氮素产出低于产出潜力48%。海南土壤作物系统目标氮素盈余为10.3 万t，当前总氮素盈余为26.2 万t，高于目标值1.6 倍。海南各市县的区域目标氮素盈余范围在0.14 万～1.03 万t，最高的是乐东，其次是澄迈和琼海，分别为0.8 万t、0.86 万t；五指山和白沙的目标氮素盈余较低，分别为0.14 万t 和0.15 万t （图3e）。目前区域氮素盈余整体远高于目标氮素盈余，其中沿海5 个市县（儋州、昌江、乐东、陵水、万宁） 目前氮素盈余与目标氮素盈余差距最大，平均高于目标值174%。文昌、澄迈、定安、屯昌、琼中、白沙、东方、三亚8 个市县的氮素盈余稍低，但也高于目标氮素盈余131%～150%。其余5 个市县高于目标值151%～165%（图3f）。当前海南农田总体氮素盈余高于盈余阈值156%。

海南土壤作物系统目标氮素利用效率为60%，当前氮素利用效率为23%，低于目标值37 个百分点。各市县的区域目标氮素利用效率为54%～64%，其中昌江、儋州、乐东3 个市县的目标氮素利用效率超过62%，琼海的目标利用效率最低，为54%（图3g）。目前区域氮素利用效率整体低于目标氮素利用效率，其中澄迈目标氮素利用效率61%，当前氮素利用效率仅为26%，低于目标值35 个百分点。文昌、临高、定安、屯昌、琼海、白沙、琼中、万宁、东方、三亚10 个市县的目标氮素利用效率平均为59%，当前氮素利用效率低于目标值36 个百分点，其余市县的氮素利用效率与目标值差距较大，平均低于目标值38～39 个百分点（图3h）。

3 讨论

3.1 海南作物增产潜力

尽管投入了较高的养分资源，但海南的产量并没有达到高产水平，如粮食和蔬菜作物平均单产总体低于全国其他产区，而水果单产则与全国平均水平一致，说明海南生产效率低、农田产能低[9，22]。对海南作物承载力定量的不确定性主要来自作物产量水平和作物产品氮含量的变异，如茄子、龙眼等经济作物的产量样本不足，此外作物不同品种间的产量和氮含量存在差异。尤其是经济作物品种较多，品种间产量和养分吸收规律差异较大，可针对不同品种制定相应氮肥定额。如菠萝品种繁多，包括巴厘、卡因、皇冠、台农系列等，这些品种间的产量和养分需求差异较大，本研究中的菠萝产量水平是根据‘巴厘’、‘台农16’、‘台农17’、‘金菠萝’这4 个品种的产量水平确定，不适宜其他品种如生物量较大的“台农20”等。

3.2 氮肥定额测算方法优化

目前氮肥定额的测算方法较多，总体可归纳为5 类，包括肥效函数法、环境容量法、理论施氮量、目标效率法、养分平衡法。但一些方法在应用中可行性较差，难以满足我国农业生产现状。如以田间试验产量对施氮量响应为基础的肥效函数法，所需数据量较大，需要多年多点的试验积累，且该方法在早期土壤氮素较为缺乏时应用效果较好，随着农田氮肥投入强度的增加，土壤中氮素不断累积，残留氮素对肥料函数曲线的确定造成了很大的干扰，已无法形成较好的肥料函数，且随着作物品种和管理方式的更迭，以往形成的函数曲线已无法适应当下的种植体系[23−24]。环境容量法是指在确保人类生存发展不受危害、自然生态平衡不受破坏的前提下，某一污染物的环境最大负荷值。在定额中多以活性氮（如硝酸盐淋洗和氨挥发） 的环境容量作为核定基础。该方法需要基于多年多点试验结果构建氮用量与活性氮排放的数学模型，而许多作物并没有此类数据基础，难以以此开展定额估算。目前荷兰学者对部分作物采用了基于硝酸盐淋洗安全容量的氮肥定额方法，我国对该方法还处于研究阶段[9，25]。理论施氮量的概念和方法是基于对肥料氮、土壤氮、作物吸氮等物理量之间数量关系的详细解析，根据长期定位试验数据推导出，在考虑了包括生物固氮、干湿沉降等其他来源氮之后，在土壤肥力和氮库稳定条件下，合理氮肥投入与地上部吸氮量相同。此方法所需参数较少（目标产量、100 kg 籽粒吸氮量），易于操作[26]，但目前仅在粮食作物中验证和应用，其他作物的适宜性还待探索。养分平衡方法是基于养分平衡理论，通过目标产量和合理盈余来确定总的氮素投入。该方法简单易操作，可用于不同地区和作物系统，所需参数较少，目前在多种作物中应用效果较好，国际上在养分管理研究中的应用也较为广泛。养分平衡原理在区域尺度氮肥用量调控更为适宜，区域用量调控是指同一作物，在自然条件（气候、土壤） 和栽培条件相似的生态区中，作物产量潜力相近，作物品种和管理技术较为统一，因而可获得较为一致氮浓度参数和合理氮素盈余水平，为养分平衡法来确定区域理论氮肥用量提供了便利条件。该技术符合当前我国农村田块小而多、缺乏测试条件、季节紧的实际情况，在大面积生产中易于操作[9，12]。

养分平衡方法中合理氮素盈余的确定尤为重要，本研究采用优化管理下获得的氮素盈余即为盈余阈值。目前优化管理下华南地区单季粮食作物氮素盈余阈值为81 kg/hm2，这一数值不仅与我国关于优化管理下单季粮食作物氮素合理盈余的建议范围（40～100 kg/hm2）[20]相吻合，也接近于目前欧盟采用的氮素盈余标准80 kg/hm2[25]。

根据前人研究，华南地区典型蔬菜、水果作物的合理氮素盈余分别178 、222 kg/hm2[27]，而本研究单季蔬菜、水果作物的合理氮素盈余分别为108 和283 kg/hm2。造成这一差异的原因是收集的作物类型和样本量的差异，以及筛选优化管理条件的不同。此外，本研究考虑的单季叶菜的氮素盈余较低，水果作物中柑橘橙柚的氮素盈余偏高。水果、蔬菜经济作物的平均氮素盈余阈值则普遍较高，甚至为粮食作物的2 倍以上。根据单季蔬菜的合理氮素盈余推算氮肥定额在181～476 kg/hm2，超过我国蔬菜单季氮肥推荐量150～300 kg/hm2[28]，水果类及高附加值作物如香蕉、菠萝、茶叶等氮素盈余阈值也较高。这主要由于目前大多数农田试验只考虑“4R”技术中的一到两个优化要素，且大部分都是施肥量和时期的优化，未考虑施肥方法和肥料产品，作物的氮素盈余阈值偏高。“4R”原则并不是孤立的，而是紧密联系，因此未来农田氮肥管理应全面实施“4R”养分管理策略，推动高效肥料产品和施用技术的应用，可进一步降低氮素盈余阈值，并优化氮肥定额的核算[20]。

3.3 氮素管理目标的实现途径

海南岛8 个市县目前区域氮素投入高于氮素承载力35% 以上，而区域氮素产出整体低于区域目标氮素产出43%，区域氮素盈余高于区域目标氮素盈余1 倍以上，氮素可持续管理存在较大压力。在满足目标产出和氮素承载力的情况下，本研究计算得出海南目标氮素利用效率平均为60%，与Zhang等[29]提出的我国可持续氮素利用效率目标值60% 一致。而当前海南的农田系统氮素利用效率仅为23%。对于海南目标氮素利用效率及其他氮素管理目标的实现，本研究提出以下建议：

1） 构建和实施区域氮肥定额标准及制度，并重视科学施肥产品和技术的应用，以实现定额的有效实施。研究表明，4R 氮肥管理要素协同优化可有效提高作物氮素利用效率到60%，并提高作物产量潜力实现率到80%，氮肥用量减少20% 以上，但仅实施一个或两个优化要素无法达到目标效率和产出[30]。

2） 氮肥管理技术应不断创新，在4R 技术的基础上发展4R plus 技术，如4R 与土壤地力提升技术的融合，4R 与绿色智能肥料的融合。海南以高度风化的砖红壤为主，土壤质地黏重、酸性强、养分固持能力差。近30 年来，海南地区的土壤pH 值下降了0.3 个单位，土壤有机碳（SOC） 下降了20%，土壤质量退化严重[3]。因此应提高有机物料的还田，增施有机肥、生物炭等。全球大样本研究表明，有机物料的施用平均增产11%，氮素利用效率提高36%[31]。此外，有机肥还田应采用适宜的替代比例，过高的有机替代比例会导致作物产量的下降[32]。生物炭作为惰性碳可为土壤提供稳定的碳骨架，有效提高碳固定效应，提高土壤有机质，缓解土壤酸化[33−34]。有研究指出，生物炭在热区条件下作用潜力更大，主要是对土壤酸化的矫正效果较好，但也要选择适宜的生物炭材料，并采用科学的施用方法[35]。

3） 进一步挖掘生物固氮潜力，发挥豆科作物在多样化种植中的作用。豆科作物轮作可以通过生物固氮减少人为氮素输入，同时轮作可以有效改善土壤生态，培育健康土壤，提高农田持续生产能力。研究发现，农田系统中豆科作物与其他作物的轮作，产量平均增加19%，氮素利用效率平均增加59%[31]。海南农田复种指数高，为豆科作物参与的多样化种植提供了有利条件，如水稻大豆轮作、水稻−豇豆轮作，或在休闲期种植田菁等填闲作物。

4 结论

得益于热带地区自然资源优势，海南水果作物产量潜力实现率较高，但粮食和蔬菜类作物仍有较大增产空间。华南粮食作物的氮素盈余阈值与全国水平相当，但经济作物的氮素盈余阈值偏高，导致测算的氮肥定额偏高，主要原因在于当前的优化技术未采用多要素协同，未来需进一步优化经济作物的氮肥管理技术并降低氮素盈余阈值，完善经济作物的氮肥定额。海南区域农田氮素投入整体高于氮素承载力33%，其中海口、临高、儋州、万宁等经济作物种植占比较高的市县氮素投入高于承载力近一半，减氮压力较大。海南区域农田氮素利用效率低于目标氮素利用效率37 个百分点，氮素可持续利用面临较大挑战。要实现区域农田氮素承载力和目标氮素利用效率需要推行氮肥定额制度，并大力推动4R 养分管理技术在热区的研究和应用，创新肥料产品和施用技术，增加有机物料还田，并优化种植结构。