黑龙江省黑土区玉米田氮肥减施效应及碳足迹估算

郝小雨，孙 磊，马星竹，王 爽，周宝库，匡恩俊，李伟群,2

（1. 黑龙江省农业科学院 土壤肥料与环境资源研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2. 新疆生产建设兵团第十师农业科学研究所，新疆 北屯 836007）

肥料在提高粮食产量、保障我国粮食安全上起到了不可替代的支撑作用［1］。据统计，氮肥对于粮食增产的贡献达到30%～50%［2］。正因为氮肥的增产效果显著，农业生产中过量施用氮肥的现象屡见不鲜。研究指出，我国小麦、玉米和水稻种植过程中部分田块氮肥（N）施用量达到了250 ～350 kg/hm2［3］。在东北平原玉米产区一些农户的施氮量（N）已高达300 kg/hm2［4］。王缘怡等［5］对吉林省44 个县市的玉米施肥调查显示，吉林省中部地区施氮量最高，平均为263.9 kg/hm2，集中分布在240 ～280 kg/hm2。在黑龙江省许多地区农民施肥也存在盲目性，长期投入高量化学肥料，造成土壤养分不平衡［6］。在玉米种植过程中，实际上并不需要大量的氮肥投入。据测算，在我国玉米种植（目标产量6.5 ～9.5 t/hm2）的合理施氮量范围在150 ～250 kg/hm2之间［7］。徐新朋等［8］利用玉米养分专家系统对东北地区进行玉米推荐施肥，实现12 t/hm2玉米产量的氮投入量在 153 ～178 kg/hm2之间。在吉林省梨树县12 ～14 t/hm2玉米生产水平下，玉米施氮量在180 ～240 kg/hm2之间［9］。可以看出，在东北春玉米不同的产量水平下氮肥均已过量施用，过量投入的氮素不仅增加成本、浪费资源，而且这些盈余的氮素部分通过N2O 排放、氨挥发、氮素淋溶和径流等途径污染大气、土壤和水体环境，增加了环境负担［10-11］。因此，东北地区玉米减施氮肥势在必行。

农业是温室气体N2O 的主要排放源，其排放量占到了人为N2O 总排放量的60% 以上［12］。减少农业生产活动中的N2O 排放，对于发展低碳清洁生产至关重要。利用碳足迹方法可明晰农业生产过程中各个环节产生温室气体的情况，以便采取针对性的措施来改善生产行为［13］。碳足迹（Carbon footprint）是指一定的时间和空间边界内，某种活动引起的（或某种产品生命周期内积累的）直接或间接的CO2排放量的度量，可用来评估农田系统或某项农业措施的优劣［14-15］，有利于制定更有效的减排措施。史磊刚等［16］发现，华北平原冬小麦—夏玉米种植模式碳足迹与氮肥的施用量呈正相关。柴如山等［17］的研究结果为，化学氮肥每减施10 kg/hm2，我国农田主要粮食作物生产的温室气体排放量每年将减少810 万吨 CO2当量。

近年来，国家和黑龙江省陆续出台了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》《东北黑土地保护规划纲要（2017—2030 年）》《黑龙江省黑土地保护利用条例》等系列政策，黑龙江省肥料减施增效成效显著，但黑龙江省不同区域玉米田氮肥减施的比例及碳足迹变化尚不明确。因此，本研究基于黑龙江省黑土区3 个玉米肥料田间试验，分析不同氮肥减施比例对玉米产量、氮素吸收利用及损失的影响，利用生命周期法（Life cycle assessment）估算农资投入和田间操作引起的直接或间接碳排放量，以期为黑龙江省黑土区玉米田低碳减排、制定区域“碳达峰与碳中和”行动方案和保障农业可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2017 年田间试验分别设置在黑龙江省赵光农场（126°45′36.55″E，48°02′39.85″N）、青 冈 县 中 和镇（125°42′38.41″E，46°51′57.03″N）、双 城 区 水泉 乡 旭 光 村（126°07′55.62″E，45°26′5.32″N），土壤类型均为黑土。试验区均属中温带，特点是春季风多、少雨干旱，夏季高温多雨，秋季凉爽早霜，冬季严寒少雪。气候条件、土壤理化性状及作物品种见表1。供试作物为春玉米，一年一作，无灌溉。

表1 试验区域基本信息Table 1 Basic information of the field experiment

1.2 试验设计

试验共设5 个处理：1）不施氮（CK）；2）农民习惯施肥（CF）；3）减施氮肥10%，即在习惯施肥基础上减氮10%（N90）；4）减施氮肥20%，即在习惯施肥基础上减氮20%（N80）；5）减施氮肥30%，即在习惯施肥基础上减氮30%（N70）。每个处理3 次重复，随机排列。氮肥习惯施肥量是在各地区走访农户调查数据的基础上取平均值：在试验点周边调查10 个村屯，每个村屯随机调查5 户，记录施肥措施、产量水平、种植方式等其他管理方法。各试验点施肥量见表2，氮肥分2 次施入，其中50%为基肥，剩余50%在大喇叭口期施入；磷肥、钾肥全部基施。所用肥料为尿素（N 46%），重过磷酸钙（P2O5，46%），氯化钾（K2O 60%）。试验小区面积为130 m2（宽6.5 m × 长20 m）。4 月底、5 月初施底肥、播种，6 月中下旬追肥，9 月底收获。赵光、青冈和双城玉米播种量分别为27、22.5 和24 kg/hm2，保苗8.25 ～9 万株/hm2、6.75 ～7.5 万株/hm2和6 ～6.75 万株/hm2。

表2 各处理施肥量Table 2 Nitrogen fertilizer rate for different treatments

1.3 样品采集与测定

秋季全区收获，考种折算产量。各小区取代表性植株10 株，样品在105 ℃烘箱杀青30 min，65 ℃烘干称重，计算谷草比。烘干后的样品粉碎，采用凯氏定氮法测定秸秆及子粒中氮含量。

1.4 计算方法

1.4.1 碳足迹及氮素损失 基于生命周期评价法，建立系统边界：（1）农资投入（化肥、农药、种子、柴油等）；（2）田间管理（耕作、施肥、播种、收获等）；（3）土壤N2O 排放（旱地土壤CH4排放/吸收量较低，故本研究未考虑农田CH4排放/吸收）：包括N2O 直接排放（当季氮输入引起的排放）和N2O 间接排放（氨挥发和氮素淋溶引起的排放）。本研究未监测田间N2O 直接排放和间接排放，故参考相近黑土区（吉林公主岭）春玉米田相关研究的计算方法［18］：

式中，N2OTotal为当季农田土壤N2O 排放量，kg/hm2；N2Odirect和N2Oindirect分别表示N2O 直接排放量和N2O 间接排放量（kg/hm2）；Nrate表示当季农田施氮量（kg/hm2）；NH3和Nleaching分别表示氨挥发量和氮素淋溶量（kg/hm2）；1%和1.1%分别表示氨挥发和氮素淋溶转化为N2O 的排放系数。

农资或农作活动的碳排放系数为（CO2当量）：氮肥、磷肥和钾肥生产分别为1.53、1.63 和0.65 kg/kg［19］；玉米种子为1.05 kg/kg［20］，除草剂生产和杀虫剂生产分别为10.15 和16.61 kg/kg［19］，柴油0.89 kg/L［19］。在 100 年时间尺度下，N2O 的全球增温潜势为CO2的298 倍［12］，N2O 排放量需乘以298 折算成 CO2当量。碳足迹计算公式为［21］：

式中：fC为农业生产碳足迹（CO2当量）(kg/hm2)；n为农业生产过程中消耗的n种物质(能源或生产资料等)；fci为第i 种物质的碳足迹；mi为第i种物质的消耗量；βi为第i种物质的碳排放系数。

式中：Q为单位产量碳足迹（kg/kg）；Y为玉米籽粒产量（kg/hm2)。

1.4.2 氮肥利用效率

式中，NRE 和NAE 分别代表氮肥回收率(%)和氮肥农学效率（kg/kg）；UN和U0为施氮处理或CK 地上部生物量(籽粒+秸秆)氮素累积量（kg/hm2）；YN和Y0为施氮或CK 处理的籽粒产量kg/hm2）。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2016 进行数据整理和作图。利用SPSS19.0 软件进行数据统计，LSD 法进行多重比较。

2 结果分析

2.1 玉米产量效应

由图1 可知，施用氮肥显著增加了玉米产量，赵光农场、青冈县和双城区增产率分别在17.8% ～35.5%、13.7% ～22.0% 和28.3% ～53.5%之间，平均分别为28.5%、19.7%和46.5%，说明仅依靠土壤本底的氮素供应，不能满足玉米生育期氮素需求。在常规施肥的基础上，减施氮肥10%、20%和30%时，各地区玉米产量反应不尽一致。在赵光农场，减施氮肥10%（N90）较农民习惯施肥（CF）玉米产量并未明显下降（P>0.05），实现了节肥不减产；减施氮肥20%（N80）和30%（N70），CF 处理玉米产量显著下降（P＜0.05），分别减产7.1%和13.0%，说明较低的氮素供应不能满足玉米生长所需养分。在青冈县和双城区，减施氮肥10%（N90）和20%（N80）较CF 处理玉米产量并未明显下降（P>0.05）；减施氮肥30%（N70），玉米产量较CF 处理显著下降（P＜0.05），分别减产6.4%和15.9%。

图1 减施氮肥玉米产量变化Fig.1 Changes of maize yield under nitrogen reduction

2.2 氮素吸收利用特征

施用氮肥显著促进了玉米籽粒和植株的氮素吸收：与CK 相比，赵光农场、青冈县和双城区玉米籽粒氮素吸收量分别增加了31.8% ～65.6%、50.1% ～85.1% 和68.8% ～127.6% 之 间， 平 均分 别 为51.8%、75.7% 和110.8%； 赵 光 农 场、青冈县和双城区玉米植株氮素吸收量较CK 分别 增 加 了38.8% ～71.0%、65.9% ～94.0% 和68.2%～127.3%之间，平均分别为57.8%、85.4%和110.4%；与此同时，玉米氮素总吸收量较CK分 别 增 加 了34.7% ～67.9%、56.8% ～88.4% 和68.5%～125.4%之间，平均分别为54.3%、79.8%和110.6%。与习惯施肥处理相比，合理减施氮肥不会降低玉米氮素吸收量。赵光农场减施氮肥10%较CF 处理玉米氮素吸收量无显著变化（P>0.05），青冈县和双城区减施氮肥10%、20%时玉米氮素吸收量无显著变化（P>0.05），说明过量施氮不会增加玉米氮素吸收量。随着施氮量的减少，玉米氮素吸收量随之降低，赵光农场、青冈县和双城区减施氮肥30%时，玉米氮素吸收量均显著降低（P＜0.05），说明过度减施氮肥不足以保证玉米氮素供应和吸收。

从氮肥利用效率来看，赵光农场减施氮肥10% 较CF 处理氮肥回收率和农学效率均显著上升（P＜0.05）， 为44.7% 和18.2 kg/kg， 分 别 增加9.5%和9.9%。青冈县和双城区减施氮肥10%、20%时较CF 处理氮肥回收率和农学效率均显著上升（P＜0.05），特别是减施氮肥20% 效果最佳。青冈县和双城区N80 处理回收率和农学效率分别为42.9%、40.7% 和12.7、21.1 kg/kg，较CF 处 理 分别增加25.7%、22.3%和28.2%、22.5%。

表3 氮肥减施对玉米氮素吸收利用的影响Table 3 Effects of nitrogen reduction on nitrogen uptake and utilization of maize

2.3 氮素损失估算

由图2 可知，施用氮肥显著增加了玉米田氮素损失（N2O 排放、氨挥发和氮素淋溶），赵光农场、青冈县和双城区4 个施氮肥处理氮素损失量平均分别为21.3、24.2 和35.4 kg/hm2，较CK 处理分别增加了3.1、3.6 和5.2 倍。随着施氮量的减少，各地区玉米田氮素损失量也随之降低。从玉米田氮素损失构成来看，氨挥发和氮素淋溶是主要的损失途径，其中氨挥发量占到施氮量的8.8%～9.6%（赵光）、8.5% ～9.2%（青冈）和8.1% ～8.5%（双城），平均分别为9.2%、8.9%和8.3%；氮素淋溶量占到施氮量的7.9%～8.1%（赵光）、7.9%～8.2%（青冈）和8.2%～10.1%（双城），平均分别为8.0%、8.0%和9.3%。与氨挥发和氮素淋溶相比，N2O 排放量相对较低，占施氮量的比例在0.5%～0.7%之间。

图2 减施氮肥对玉米田氮素损失的影响Fig. 2 Effects of nitrogen reduction on nitrogen loss in maize field

2.4 碳足迹核算

由表4 可看出，赵光农场、青冈县和双城区CF处理玉米田碳足迹最高，分别达到1 078.1、1 166.0和1 471.8 kg/hm2，显著高于其它3 个减施氮肥处理（P＜0.05），原因是CF 处理施氮量较高，导致土壤N2O 排放量也较高。随着氮肥减施比例的增加，各地区玉米田碳足迹随之降低。

表4 氮肥减施对玉米碳足迹的影响Table 4 Effects of nitrogen reduction on carbon footprint of maize kg/hm2

从赵光农场、青冈县和双城区农田碳足迹 构 成 来 看（ 图3）， 施 氮 肥 的4 个 处 理 土壤N2O 排放对农田碳足迹的贡献最大，占比分 别 为43.5% ～44.9%、43.6% ～45.4% 和44.4% ～47.7%， 平 均 分 别 为44.2%、44.5%和46.0%； 其 次 为 氮 肥 生 产16.2% ～20.1%、17.6% ～21.5% 和21.0% ～24.2%， 平 均 为18.2%、19.6% 和22.7%；之后依次为农药生产、磷肥生产、田间耕作、钾肥生产和种子生产。土壤N2O 排放、氮肥生产、磷肥生产和田间耕作的碳足迹之和占农田碳足迹总量的90%左右，是最主要的碳足迹贡献因子。

图3 玉米田碳足迹构成Fig.3 Composition of carbon footprint of maize field

比较赵光农场、青冈县和双城区玉米田单位产量碳足迹（图4），施用氮肥显著增加了单位产量碳足迹（P＜0.05），分别增加18.5% ～23.7%、16.8% ～30.3% 和13.6% ～29.7%， 平 均 为21.8%、22.4%和22.1%。4 个施氮肥处理之间，赵光农场N90处理的玉米田单位产量碳足迹最低，为0.116 kg/kg，较CF 处理降低4.2%（P＜0.05）；青冈县和双城区N80处理的玉米田单位产量碳足迹最低，分别为0.114 和0.111 kg/kg，较CF 处理分别降低10.4%和12.4%（P＜0.05）。

图4 单位产量碳足迹变化Fig.4 Carbon footprint per unit of maize yield under different treatments

2.5 玉米经济收益

经济效益分析结果显示（表5），合理减施氮肥在降低肥料成本的同时可提高玉米的经济效益，过量减施氮肥导致经济收益下降，原因是玉米减产导致收益降低。赵光农场N90处理纯收益最高，达到4 499.63 元/hm2，较CF 处理增收22.18 元/hm2；N80和N70处理较CF 处理经济收益分别减少了832.08 和1 557.00 元/hm2。青 冈 县N80处 理 纯 收益最高，达到4 748.25 元/hm2，较CF 处理增收205.26 元/hm2；其次为N90处理，较CF 处理增收93.28 元/hm2；N70处理较CF 处理经济收益减少了672.56 元/hm2。双城区N90处理纯收益最高，达到7 885.51 元/hm2，较CF 处 理 增 收206.85 元/hm2；其次为N80处理，较CF 处理增收80.70 元/hm2；N70处理较CF 处理经济收益减少了2 472.96 元/hm2。

表5 不同处理玉米的经济收益Table 5 Economic benefits of different treatments of maize 元/hm2

3 讨论

施用氮肥的主要目的是作物获得较高的目标产量、相应品质和经济效益并维持或提高土壤肥力，只有合理施用氮肥，农作物产量、品质和效益均高，环境代价最低［7］。氮肥的合理施用即根据区域作物、土壤和气候特点解决施用量、施用时期及不同时期的分配比例等问题，核心在于施肥量的控制［22］。陈治嘉等［23］的研究表明，吉林省黑土玉米种植区氮肥减施20%～30%（施氮量在180 ～206 kg/hm2之间）不会显著影响玉米产量，同时会提高氮肥利用效率，减少玉米收获后耕层无机氮的积累。在吉林省中部地区，在秸秆连续多年还田条件下，氮肥减施2/9（施氮量210 kg/hm2）不影响玉米产量和生物量，可显著提高玉米收获指数［24］。陈妮娜等［25］指出，适量减氮（施氮量240 kg/hm2）可增加辽宁春玉米果穗长、果穗粗、百粒重、理论产量、籽粒含水量和淀粉含量。Chen 等［26］在黑龙江省宝清县春玉米田的研究结果为，氮肥减施20%（施氮量160 kg/hm2）不影响玉米产量，并可提高氮肥利用率、减少N2O 排放。本研究中，赵光农场减施氮肥10%（施氮量127.2 kg/hm2）、青冈县和双城区减施氮肥20%（施氮量130.9、186.5 kg/hm2）不影响玉米产量及氮素吸收，并可提高氮肥利用效率、减少土壤N2O 排放、氨挥发和氮素淋溶损失，进一步减施氮肥会导致玉米减产。综合上述研究结果可以看出，由于土壤肥力状况和土壤供氮能力不同，东北地区减施氮肥的比例也不一致，但总的目标是要稳产提质、节本增效、维持或提高土壤肥力及环境友好，即将施氮量控制在一个目标产量、作物品质和效益、环境效应与土壤肥力均可接受的范围内，实现多目标共赢［7］。

前人研究指出，基于作物产量的推荐施肥方法主要有肥料效应函数法、叶绿素仪、叶色卡、硝酸盐反射仪、冠层反射仪、植株症状诊断等［27］。还有学者提出了基于土壤氮素测试的黑土玉米推荐施肥方法［28］。近年来，相关学者提出了理论施氮量（Theoretical Nitrogen Rate，TNR）［29］和 养 分 专家系统（Nutrient expert for hybrid maize，NE）［8］的推荐施肥方法。巨晓棠［30］指出，合理施氮量约等于作物地上部吸氮量，即理论施氮量N ≈目标产量/100×百千克收获物需氮量。养分专家系统的原理是基于产量反应和农学效率进行推荐施肥，采用地上部产量反应来表征土壤基础养分供应能力和作物生产能力，将土壤养分供应看作一个“黑箱”，采用不施该养分地上部的产量或养分吸收来表征，计算方法为氮肥推荐量=N 产量反应/N 肥农学效率［27,31］。上述推荐施肥方法有的需要测定土壤和植株养分，有的需要田间试验来获得产量效应，操作还有一定局限性，在实际应用中还未大范围推广。2020 年，黑龙江省农业主管部门适时提出了黑龙江省玉米施肥方法，该方法根据黑龙江省积温区域和生产布局，将玉米施肥划分为6 个区，确定不同区域推荐玉米施肥方法和技术，对于黑龙江省玉米减施增效起到了较好的指导作用［32］。

研究表明，随着施氮量的增加，氮素损失如N2O 排放、氨挥发、氮素淋溶和径流量也随之增加［33-34］，当作物施氮量超过最高产量施氮量后，氮素损失量呈指数增长［35］，与此同时碳排放量也成比例增加［36］。本研究中，农民习惯施肥处理玉米田碳足迹最高，原因是高施氮量导致直接排放（土壤N2O 排放）和间接排放也较高。随着氮肥减施比例的增加，各地区玉米田碳足迹随之降低。这也与俞祥群等［37］和刘松等［38］的研究结果一致。本研究结果显示，土壤N2O 排放、氮肥生产、磷肥生产和田间耕作的碳足迹之和占农田碳足迹总量的90%左右，为最主要的碳足迹贡献因子。下一步，在保证玉米产量、品质的基础上，采用“4R”施肥技术——合理的用量（Right rate）、正确的施肥时间（Right time）、合适的肥料（Right fertilizer）和合理的施肥位置（Right placement）来提高肥料利用率、减少土壤N2O 直接和间接排放［39］；此外，未来还需发展低碳清洁的肥料生产工艺和高效低能耗的农田机械，最终降低玉米生产过程中的碳排放。

4 结论

在黑龙江省赵光农场减施氮肥10%（施氮量127.2 kg/hm2）、青冈县和双城区减施氮肥20%（施氮量130.9、186.5 kg/hm2）不影响玉米产量及氮素吸收，可提高氮肥回收率和农学效率，增加经济收益，减少土壤N2O 排放、氨挥发和氮素淋溶损失，过量减施氮肥会导致玉米减产降效减收。减施氮肥大幅度降低玉米田碳足迹。土壤N2O 排放、氮肥生产、磷肥生产和田间耕作为黑土区玉米田最主要的碳足迹贡献因子，合理减施氮肥可降低单位产量碳足迹。