华北平原冬小麦季化肥氮去向及土壤氮库盈亏定量化探索

倪玉雪 ，尹兴，刘新宇，巨晓棠，张丽娟 *

1. 河北农业大学资源与环境学院，河北 保定 071000；2. 河北省农田生态环境重点实验室，河北 保定 071000；

3. 中国农业大学资源与环境学院，北京100193；

自20世纪60年代以来，中国农田氮肥施用量逐年增加，增施氮肥使我国的粮食产量得到了显著地提高[1-2]。然而近年来，氮肥用量的快速增加，不仅未能达到增产效果，还使得氮素大量残留在土壤中，带来一系列环境问题[3-5]。进入80年代以后，中国农田土壤氮素由亏缺转为盈余，而且盈余量越来越大[6]，有关专家预测，到2015年我国农田氮素盈余量达到2192×104t，相当于179 kg·hm-2（以N计）[2]。盈余的氮素绝大部分以NO3--N的形式在土壤剖面中累积[7-8]，如不及时被作物吸收利用，在降雨或灌溉发生时，就会向下移动逐渐脱离根区，或淋洗至地下水导致硝酸盐污染[9-11]。华北平原是我国的主要小麦产区，过量施肥现象非常严重，氮肥的利用率仅为10%～20%[12-14]。因此，通过研究华北平原冬小麦季化肥氮的去向以及土壤中氮库的盈亏情况，有助于农业生产中平衡施肥，为农田氮素管理提供理论依据。

关于氮肥的去向前人也进行了大量的研究。巨晓棠等[15]在北京郊区对冬小麦/夏玉米轮作体系的研究结果表明，当施氮量由120 kg·hm-2增加至360 kg·hm-2时，肥料当季利用率从44.5%降为23.8%，损失率由10.2%增加至55.9%。闫湘等[16]对我国20个省165个田间试验分析得出，小麦氮肥利用率平均为28.7%，远远低于发达国家40%～60%的肥料利用率[17-18]。NO3--N是一种有效氮，是作物可吸收利用的形式[19]。因此，肥料尤其是氮肥的去向引起国内外关注。目前，有很多学者对华北平原氮肥去向进行研究，但尚缺乏对肥料氮、土壤氮和作物氮联系到一起的系统性和定量化的计算。因此我们总结前人的研究结果，对其所得数据进行重新加工处理，明确氮肥更细化的定量去向，揭示施肥量与土壤氮库的盈亏关系，为确定华北冬小麦的氮肥科学施用，提高氮肥利用率，减少氮肥损失提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究收集了近年来发表的有关华北平原设置的冬小麦15N示踪田间试验结果，包括：河北保定（李鑫），河北石家庄（潘家荣教授），河北曲周（董娴娴），北京地区（巨晓棠教授，潘家荣教授），山东惠民县（钟茜），山东龙口（石玉，赵俊晔），河南郑州（张翔）。共计收集31条数据记录，收集的每条数据记录均包括如下主要信息：施氮量、产量、籽粒与秸秆吸氮量（区分来自肥料还是土壤）及0～100 cm土层氮素的残留量。

1.2 数据收集与分类方法

本研究收集冬小麦15N田间试验收获后数据，遵循如下思路进行归纳整理。（1）小麦分籽粒和秸秆两部分，分别计算氮素来对土壤和肥料的吸收量；土壤残留的氮素为0～100土层质量分数。（2）设置秸秆还田方式分为秸秆不还田、50%还田和100%还田3种处理方式，对氮肥的3条基本去向进行细化计算，植株吸氮量分为籽粒和秸秆两部分，并且核算来自土壤氮和肥料氮的量，从而明确华北平原不同地区、不同作物品种氮肥的具体去向。（3）比较不同地区理论推荐施氮量和传统施氮量条件下氮肥的去向，探明华北平原传统过量施氮条件下氮肥的主要去向。

1.3 核算项目与计算公式

1.3.1 作物吸收

植株氮素来自肥料氮的百分数（%）=植株中15N原子百分超/肥料中15N原子百分超×100

植株氮素来自肥料氮的量（kg·hm-2）=植物%×植物吸氮量

植株氮素来自土壤氮的量=吸氮量-Ndff

化肥氮回收率（%）=植物Ndff/施氮量×100

氮肥表观利用率（%）=（施氮区地上部的吸氮量-对照区地上部的吸氮量）/施氮量×100

1.3.2 土壤残留

土壤各层氮素来自肥料氮的百分数（%）=土壤各层全氮的15N原子百分超/肥料中15N原子百分超×100

土壤各层来自肥料氮的量（kg·hm-2）=土壤各层%×土壤各层全氮质量分数

化肥氮残留率（%）=土壤Ndff/施氮量×100

1.3.3 氮素损失

当季化肥氮损失量（kg·hm-2）=施氮量-植物Ndff-土壤Ndff

当季化肥氮损失率（%）=当季化肥氮氮素损失量/施氮量×100

1.4 统计方法

所有数据处理分别采用Excel2003、SPSS11.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

表1 化肥氮在冬小麦当季的去向 Table 1 The fate of nitrogen fertilizer in winter wheat season kg·hm-2

华北平原7个地区9个小麦品种在不同施氮量处理条件下，产量并不是随施氮量的升高而增加的，产生最大产量的施氮量范围是N 75～225 kg·hm-2，平均为N 150 kg·hm-2（表1）。在作物吸氮量方面，小麦秸秆的吸氮量明显小于籽粒；随施氮量增加吸收的肥料氮均有升高趋势，而吸收土壤氮则随施氮量升高而降低，说明高施氮量的条件下，小麦主要吸收肥料氮。土壤残留量和损失量也有随施氮量增加而升高的趋势。华北平原各地区氮素去向表现出一定的差异，河北保定、石家庄、曲周和山东惠民地区随施氮量的增加主要表现为残留量要高于吸收量和损失量；北京地区、山东龙口和河南郑州地区，则表现为损失量高于吸收量和残留量。

图1 施氮量与土壤氮库盈亏量的关系 Fig.1 The relationship between N rate and balance of soil N

2.2 不同施氮水平对冬小麦当季土壤氮库盈亏关系的影响

随着施氮量的增加，不但没有提高氮素的利用率，反而在土壤中造成大量的盈余。汇总华北平原数据分析施氮量与土壤氮库盈亏量的关系（图1），可以看出，在秸秆100%还田条件下，土壤氮库盈亏量与施氮量之间呈线性极显著正相关，相关系数r=0.9194（图1-a）。随着施氮量的升高，土壤氮库由亏损转为盈余，当施氮量为N 166 kg·hm-2时，土壤氮库达到平衡状态，即作物带走的土壤氮库的氮素量与肥料残留的氮素量相等。当施氮量高于N 166 kg·hm-2时，土壤氮库处于盈余状态，且盈余量随着施氮量的增加而增加；当施氮量低于N 166 kg·hm-2时，土壤氮库处于亏损状态，亏损量随着施氮量的增加而降低。在农业生产实践中，这个数值可以作为维持土壤氮素平衡时的施肥量。

在秸秆50%还田下（图1-b），土壤氮库盈亏量与施氮量仍然呈线性极显著正相关，相关系数r=0.9067。当施氮量达到N 192 kg·hm-2时，作物带走的土壤氮库的量与土壤残留肥料氮的量相当，即土壤氮库达到平衡状态。与秸秆100%还田相比，平衡点的施氮量有所升高。当施氮量高于N 192 kg·hm-2时，土壤氮库处于盈余状态，且盈余量随着施氮量的增加而增加；当施氮量高于N 192 kg·hm-2时，土壤氮库处于亏损状态，亏损量随着施氮量的增加而降低。

2.3 理论推荐施氮和传统施氮化肥氮去向情景分析

推荐施肥与传统施肥无论在作物（籽粒和秸秆）吸氮量、0～100 cm土壤残留率还是氮素总损失均有很大差异。由此对华北平原各地区推荐施氮与传统施氮的氮去向进行情景分析，如表2所示，两种施肥方式下的3种秸秆还田处理，籽粒吸收量和吸收率、损失量和损失率是不变的；50%和100%秸秆还田处理使土壤残留肥料氮增加，土壤氮库得到补充。两种施肥方式比较，冬小麦对氮肥的吸收利用率推荐施氮远高于传统施氮，可以高出10～16个百分点；0～100 cm土壤残留率，河北地区和山东地区，传统施氮高出推荐施氮量分别12.3和11个百分点；北京地区却降低24.4个百分点；但北京地区传统施氮总损失高于推荐施氮46.5%；保定和山东分别降低了1.6%和4.1%。可见过量施氮不仅不会提高作物产量，还会降低氮肥利用率，增加土壤残留和损失。

2.4 冬小麦季氮去向定量参数

建立氮肥各去向绝对量及比率与施氮量之间的关系（表3）。结果表明，施氮量范围在N 75～375 kg·hm-2之间，3种秸秆处理方式下的氮肥各去向绝对量与施氮量之间均呈显著线性相关关系（一次函数）。秸秆不还田条件下的地上部吸收率、秸秆吸收率和秸秆50%还田下的地上部吸收率及秸秆100%还田下的0～100 cm土壤残留率均与施氮量之间呈显著相关关系（三次函数），其它比率不显著，3种秸秆处理方式，籽粒吸收率不变；损失率也不变。由于秸秆100%或者50%还田，导致0～100 cm土壤残留有所增加。

3 讨论

自氮肥被用于农业生产后，其施用量已经远远超过作物氮素的需求[20]，明确氮肥的去向是加强农田氮素管理的重要途径[21]。本研究对前人的田间N15示踪试验结果进行汇总，得到在华北平原各地区，随施氮量的增加冬小麦对肥料氮的吸收、土壤残留和损失均呈现升高趋势，且籽粒吸氮量高于秸秆吸氮量；但对土壤氮素的吸收量随施氮量的增加反而降低。原因为肥料氮施入土壤后使肥料氮与土壤氮并存，稀释了土壤氮库，使作物从土壤中吸取氮素时减少了对土壤氮的吸收，肥料氮便可替代部分土壤氮被作物吸收[22-23]。在各个地区间，化肥氮的去向随施氮量的变化表现出差异，河北、山东惠民地区随施氮量升高增加残留和损失，主要以残留为主；而北京、山东龙口和河南郑州地区损失趋于第一位。原因主要是河北地区和山东惠民试验地土壤属于中等水平，所以作物吸收的肥料氮较多，土壤固持的肥料氮相对也较多些；而北京、山东龙口的土壤属于中高肥力，对肥料的利用率相对较低，河南地区虽然是中低产田，但是施肥方式是一次性底施，造成大量的损失。

表2 华北平原冬小麦推荐施氮量与传统施氮量情景分析 Table 2 Scence analysis between recommended N rate and traditional N tare of winter wheat in North Plain

表3 冬小麦氮去向定量参数 Table 3 The quantitative parameters of N fate of winter wheat

过多的氮肥投入会造成氮素在土壤中的大量盈余。本研究建立施氮量与土壤氮库盈亏量之间的关系，结果呈线性极显著正相关，在秸秆50%及100%还田条件下，冬小麦季土壤氮库达到平衡时的施氮量分别为192和166 kg·hm-2（以N计），即高于此施氮量，土壤氮库盈余且盈余量随施氮量的增加而升高；反之。Ju等[4]对中国北方3种重要的集约化种植体系的研究表明，氮素大量投入并不会使作物产量相应显著提高，且氮年盈余量与施氮量呈显著正相关关系。巨晓棠等[24]在华北平原北部对冬小麦/夏玉米轮作体系的研究得出，当氮肥施用量超过作物的需要量时，氮素盈余急剧增加。因此，结合作物需求，合理控制氮肥用量才能有效地提高氮肥利用率，降低残留损失。李鑫[25]还研究表明，即使施氮量达到土壤氮库平衡时的量，收获后0～100 cm硝态氮残留比播前均降低。所以在农业生产实践中，在达到土壤氮素平衡的同时，施氮量要稍高些，这样会提高收获后土壤剖面硝态氮的残留量；施氮量偏低，则会降低土壤氮肥力。

本研究基于冬小麦推荐和传统施肥的3种秸秆还田处理做情景分析后发现，传统施氮不仅不会提高作物产量，还会降低氮肥利用率，增加土壤残留和损失，而推荐施肥在达到高产高效的同时明显降低残留损失。其主要原因在于农民传统习惯施肥量大，导致其损失量高，而推荐施肥是结合作物需求与养分供应的最佳施肥方式[26]，既能使作物吸收更多的氮素，还不造成浪费。在生产实践中，应合理降低氮肥用量，结合作物需求并充分利用土壤中的氮素，实现小麦高产、提高肥料利用率和保护环境[24,,27]。

在华北平原，冬小麦当季化肥氮去向的绝对量及比率与施氮量[75～375 kg·hm-2(以N计)]之间的关系可以分别用一次和三次函数来表示。正确运用定量参数之间的关系，可以为指导农业实践、更好的管理农田系统提供一定的理论依据。然而目前就整体而言，由于15N试验的局限性，研究还比较零散，尤其缺少区域性多点网络式综合研究，所以采集的数据比较有限，今后有待进一步开展定量化研究，了解全国各地区乃至全球农业氮肥去向及氮素利用率的情况。

4 结论

（1）华北平原冬小麦当季秸秆吸氮量明显小于籽粒吸氮量；籽粒和秸秆吸收肥料氮的量均有随施氮量的增加而升高的趋势，而吸收土壤氮的量随施氮量的升高而降低。

（2）土壤氮库盈亏量与施氮量之间呈线性极显著正相关，随着施氮量的升高，土壤氮库由亏损转为盈余；在秸秆50%还田和100%还田两种情况下，土壤氮库达到平衡时的施氮量分别是192和166 kg·hm-2(以N计)。

（3）华北平原各地区冬小麦推荐施肥的氮素利用率远高于传统施肥，过量施氮不仅不会提高作物产量，还会降低氮肥利用率，增加土壤残留和损失。

（4）3种秸秆处理方式下，华北平原氮肥各去向绝对量与施氮量(75～375 kg·hm-2)之间均呈显著线性相关关系；秸秆不还田条件下的冬小麦地上部吸收率、秸秆吸收率和秸秆50%还田下的地上部吸收率及秸秆100%还田下的0～100 cm土壤残留率均与施氮量(75～375 kg·hm-2)之间呈显著相关关系。

[1] 张福锁. 我国肥料产业与科学施肥战略研究报告. 北京: 中国农业大学出版社, 2008.

[2] JU X T, CHRISTIE P. Calculation of theoretical nitrogen rate for simple nitrogen recommendations in intensive cropping systems: A case study on the North China Plain[J]. Field Crops Research, 2011, 124: 450-458.

[3] LIU J G, DIAMOND J. Revolutionizing China’s environmental protection[J]. Science, 2008, 319: 37-38.

[4] JU X T, XING G X, CHEN X P, et al. Reducing environmental risk by improving N management in intensive Chinese agricultural systems[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2009,106 (9): 3041-3046.

[5] SUN B, SHEN R P, BOUWMAN A F. Surface N balances in agricultural crop production systems in China for the period 1980-2015[J]. Pedosphere, 2008, 18(3): 304-315.

[6] ZHU Z L, CHEN D L. Nitrogen fertilizer use in China-contributions to food production, impacts on the environment and best management strategies[J]. Nutrient Cyclingin Agroecosystems, 2002, 63: 117-127.

[7] FERGUSON R B, HERGERT G W, SCHEPERS J S, et al. Site-specific nitrogen management of irrigated maize: Yield and soil residual nitrate effects[J]. Soil Science Society America Journal, 2002, 66: 544-553.

[8] JU X T, LIU X J, ZHANG F S, et al. Nitrogen fertilization, soil nitrate accumulation, and policy recommendations in several agricultural regions of China[J]. Ambio, 2004, 33 (6): 330-305.

[9] CAO L K, CHEN G J, LU Y T. Nitrogen leaching in vegetable fields in the suburbs of Shanghai[J]. Pedosphere, 2005, 15 (5): 641-645.

[10] LI X D, MASUDA H, KOBA K, et al. Nitrogen isotope study on nitrate-contaminated groundwater in the Sichuan Basin, China[J]. Water, Air and Soil Pollution, 2007, 178: 145-156.

[11] 钟茜, 巨晓棠, 张福锁. 华北平原冬小麦/夏玉米轮作体系对氮素环境承受力分析[J]. 植物营养与肥料学报, 2006, 12 (3): 285-293.

[12] JU X T, KOU C L, ZHANG F S, et al. Nitrogen balance and groundwater nitrate ontamination: Comparison among three intensive cropping systems on the North China Plain[J]. Environmental Pollution, 2006, 143: 117-125.

[13] 潘家荣, 巨晓棠, 刘学军, 等. 水氮优化条件下在华北平原冬小麦/夏玉米轮作中化肥氮的去向[J]. 核农学报, 2009, 23 (2): 334-340.

[14] 黄玉芳, 李欢欢, 王玲敏, 等. 河南省玉米生产与肥料施用状况[J]. 河南科学, 2009, 27 (8): 955-958.

[15] 巨晓棠, 潘家荣, 刘学军, 等. 北京郊区冬小麦/夏玉米轮作体系中氮肥去向研究[J]. 植物营养与肥料学报, 2003, 9 (3): 264-270.

[16] 闫湘, 金继运, 何萍, 等. 提高肥料利用率技术研究进展[J]. 中国农业科学, 2008, 41(2): 450-459.

[17] DOBERMANN A R. Nitrogen use efficiency state of the Art[J]. Agronomy-Faculty Publications, 2005, 6: 1-16.

[18] AKINTOYEA H A, KLINGA J G, LUCAS E O. N-use efficiency of single, double and synthetic maize lines grown at four N levels in three ecological zones of West Africa[J]. Field Crops Research, 1999, 60: 189-199.

[19] MILLER A J, CRAMER M D. Root nitrogen acquisition and assimilation[J]. Plant and Soil, 2004, 274: 1- 36.

[20] SCHMIED B, ABBASPOUR K, SCHULIN R. Inverse estimation of parameters in a nitrogen model using field data[J]. Soil Science Society of America Journal, 2000, 64: 533-542.

[21] BERGSTROM L, WILLIAM F, RITTER. Nitrogen and Water Quality, in Agricultural Nonpoint Source Pollution[M]. Boca Raton, Florida: The Chemical Rubber Company Press, 2000: 20.

[22] JENKINSON D S, FOX R H, RAYNER J H. Interactions between fertilizer nitrogen and soil nitrogen the so called “prining” effect[J]. Soil Science, 1985, 36: 425- 444.

[23] 宇万太, 周桦, 马强, 等. 氮肥施用对作物吸收土壤氮的影响-兼论作物氮肥利用率[J]. 土壤学报, 2010, 47(1): 90-96.

[24] 巨晓棠, 刘学军, 张福锁. 冬小麦与夏玉米轮作体系中氮肥效应及氮素平衡研究[J]. 中国农业科学, 2002, 35 (11): 1361-1368.

[25] 李鑫. 华北平原冬小麦-夏玉米轮作体系中肥料氮去向及氮素气态损失研究[D]. 河北: 河北农业大学, 2007: 4-88.

[26] 王欢元, 胡克林, 李保国, 等. 不同管理模式下农田水氮利用效率及其环境效应[J]. 中国农业科学, 2011, 44 (13): 2701- 2710.

[27] 左红娟, 白由路, 卢艳丽, 等. 基于高丰度15N华北平原冬小麦肥料氮的去向研究[J]. 中国农业科学, 2012, 45 (15): 3093- 3099.