米國華，伍大利，陳延玲,4，夏婷婷，馮國忠，李前,3，石東峰，蘇效坡，高強

（1中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京100193；2吉林農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，長春130118；3吉林省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，長春130033；4青島農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，山東青島266109）

從 2013年以來，國際玉米價格一降再降，2015年已經(jīng)下跌到 1元/kg[1]。受國際玉米價格影響，我國也從2016年起調(diào)整玉米收購價格，導致玉米市場價格急劇下降，對農(nóng)民收入造成極大影響。根據(jù)對東北地區(qū)農(nóng)民玉米生產(chǎn)成本的實際調(diào)查，2016年玉米的生產(chǎn)成本7 365—8 560元/hm2，其中肥料投入的成本為3 000—3 375元/hm2，超過玉米生產(chǎn)總成本的1/3！而另一方面，據(jù)我們在吉林省梨樹縣連續(xù)多年的農(nóng)戶施肥量調(diào)查，目前仍有 54%農(nóng)戶的氮肥（純氮）施用量超過240 kg·hm-2[2]，磷肥（P2O5）施用量則平均達到125 kg·hm-2，按當?shù)剞r(nóng)戶平均產(chǎn)量10 000 kg·hm-2計算，均大大超過適宜施肥量。因此，減肥增效已成為減少玉米種植成本，提高玉米競爭力的重要手段。

雖然很多因素影響肥料用量及其效應，但歸納起來，減肥增效可以通過以下幾個途徑實現(xiàn)（圖1）。（1）養(yǎng)分高效的生物學途徑。采用養(yǎng)分高效高產(chǎn)品種，在同等產(chǎn)量水平上需求養(yǎng)分較少的品種，或者在相同施肥量水平下產(chǎn)量較高的品種，均可以提高肥料的偏生產(chǎn)力。通過根系/根層生物學調(diào)控（比如應用促進根系生長的微生物肥料），促進根系生長或增加根系活力，進而提高養(yǎng)分獲取效率。（2）養(yǎng)分高效施肥技術。利用4R施肥技術，即：（A）合理的用量（Right rate）：這需要了解作物的養(yǎng)分需求特性、土壤的供肥能力、作物產(chǎn)量水平、單位產(chǎn)量的養(yǎng)分需求量等信息，在土壤養(yǎng)分測試或者明確

肥料效應曲線的基礎上，充分考慮環(huán)境來源養(yǎng)分和養(yǎng)分損失的可能性，最終確定總體養(yǎng)分投入量。（B）正確的施肥時間（Right time）：根據(jù)作物全生育期需肥規(guī)律，利用機械化追肥、水肥一體化、基于現(xiàn)代信息和遙感技術的植株營養(yǎng)狀況與土壤養(yǎng)分無損診斷技術等手段，盡量采用分次施肥實現(xiàn)養(yǎng)分供應與作物需求規(guī)律相匹配。（C）合適的肥料（right fertilizer）：根據(jù)土壤特性（如質(zhì)地、pH、鹽堿等）、土壤缺素情況、種植模式（如地膜覆蓋）以及生產(chǎn)條件（如灌溉條件、勞動力條件）的限制，正確使用新型肥料（含硝化抑制劑肥料、含脲酶抑制劑肥料、包膜肥料、水溶性肥料等）、中微量元素肥料、生理酸性肥料、含氯肥料、葉面肥等。充分發(fā)揮養(yǎng)分×養(yǎng)分、養(yǎng)分×土壤的正向交互作用，同時考慮肥料的性價比。（D）肥料位置合理（Right placement）：利用高效施肥機械以及水肥一體化技術，將養(yǎng)分相對集中供應到根系/根際，減少土壤固定、養(yǎng)分揮發(fā)及淋失損失。同時，肥料施用位置要與種子保持一定距離，避免抑制種子萌發(fā)和“燒苗”現(xiàn)象發(fā)生。（3）化肥替代技術。我國具有豐富的有機肥和秸稈資源，其中既含有大量的碳，也含有豐富的礦質(zhì)養(yǎng)分。根據(jù)玉米的養(yǎng)分收獲指數(shù)可知，收獲時秸稈中所含的氮、磷、鉀養(yǎng)分分別約占到玉米植株總養(yǎng)分的 25%—40%、25%—35%、70%—72%[3]。如果能充分采用有機肥和秸稈還田技術，實現(xiàn)循環(huán)農(nóng)業(yè)，不但可以大量減少化肥的投入，還有利于土壤質(zhì)量提升和減少環(huán)境污染。（4）根層土壤調(diào)控技術。土壤板結限制作物根系生長，間接降低植株的養(yǎng)分獲取能力。通過適宜的深松、深翻技術，改善根際土壤緊實度和通氣透水狀況，促進根系生長，是提高養(yǎng)分吸收效率的重要途徑。

本文以東北玉米為主要研究對象，在分析玉米養(yǎng)分需求規(guī)律的基礎上，重點從養(yǎng)分高效品種、4R施肥技術、水肥一體化、精準施肥、秸稈還田等方面探討東北地區(qū)玉米減肥增效的技術途徑，以期為該地區(qū)減肥增效技術應用與發(fā)展提供參考。

圖1 玉米減肥增效的途徑Fig. 1 The ways to reduce fertilizer input and to increase fertilizer efficiency

1 東北玉米養(yǎng)分需求規(guī)律

明確單位玉米籽粒產(chǎn)量的養(yǎng)分需求量，是施肥總量控制的重要基礎。這個指標隨產(chǎn)量水平、品種及環(huán)境條件的變化有所波動。在吉林地區(qū)，侯云鵬等[4]研究結果，在11 400 kg·hm-2玉米產(chǎn)量水平下，每100 kg玉米產(chǎn)量吸氮（N）量僅為1.77 kg。相同產(chǎn)量水平下，劉占軍等[5]的研究結果中，每100 kg玉米產(chǎn)量吸氮量為1.70 kg?？偨Y吉林省2006—2007年的“3414”試驗結果，發(fā)現(xiàn)每生產(chǎn)100 kg玉米籽粒產(chǎn)量的平均植株N、P2O5、K2O吸收量分別為1.89、0.88和1.27 kg（作者未發(fā)表資料）。在黑龍江省，姬景紅等[6]的研究中，每形成100 kg籽粒的N、P2O5、K2O養(yǎng)分吸收量分別平均為1.82、0.67和1.52 kg。而姜海濤和楊克軍[7]的研究表明，每形成100 kg籽粒需N量為1.56 kg（密山地區(qū)）。在通遼地區(qū)11 000 kg·hm-2玉米產(chǎn)量水平下，每100 kg玉米籽粒產(chǎn)量需要吸收的總養(yǎng)分量分別為N 1.7 kg，P2O50.6 kg，K2O 2.3 kg[8]。綜合上述數(shù)據(jù)，東北地區(qū)每生產(chǎn)100 kg玉米籽粒產(chǎn)量的平均N、P2O5、K2O的需求量范圍分別為 1.56—1.89、0.60—0.88和1.27—2.30 kg?？偨Y本小組在吉林梨樹縣多年開展的田間試驗結果以及相鄰地區(qū)發(fā)表的施肥文獻，發(fā)現(xiàn)在8 000、10 000和14 000 kg·hm-2的產(chǎn)量水平下，玉米植株氮積累量平均分別為 160、211、287 kg·hm-2（圖 2）。

從養(yǎng)分吸收規(guī)律看，李梁等[3]的結果表明，吉林北部（公主嶺，乾安）地區(qū)玉米吐絲后吸收氮、磷、鉀的比例分別為 26%—28%，20%—25%和 8%—16%（品種鄭單958和先玉335，產(chǎn)量9 000—12 000 kg·hm-2），但吐絲后氮、磷吸收對籽粒養(yǎng)分的貢獻率分別達到40%和 30%。CHEN等[9]的研究有類似的結果，開花后氮素積累比例為18%—22%，對籽粒氮的貢獻率為27%—31%。在黑龍江省，抽雄后玉米的氮素積累占整個生育期氮素積累總量的 35%—45%[7]，在內(nèi)蒙古中部灌溉玉米地區(qū)，高炳德等[10]的研究表明，在14 000—16 000 kg·hm-2玉米產(chǎn)量水平下，開花后氮、磷、鉀的吸收比例分別為：28%、39%、15.7%。其中鉀在灌漿后期又損失掉植株總量的 18.3%。開花后養(yǎng)分吸收對籽粒養(yǎng)分的貢獻率分別為：氮20%—30%，磷35%—38%?？傮w來看，該地區(qū)玉米吐絲后對氮、磷的需求量分別約為全生育期需求量的20%—30%和20%—40%，對籽粒氮磷的貢獻率分別為 20%—30%和30%—38%。因此，在高產(chǎn)水平下，在一定程度上維持吐絲后土壤氮和磷的持續(xù)供應非常重要。

圖2 不同產(chǎn)量水平下的玉米氮素積累規(guī)律Fig. 2 Dynamic nitrogen accumulation curve in maize under different yield levels

2 東北玉米化肥減施增效技術途徑

2.1 養(yǎng)分高效品種

玉米種子市場上品種繁多，而在相同的施肥和管理水平下，不同品種產(chǎn)量有很大差異，而在相同的產(chǎn)量水平下，不同品種所需的施肥量也有不同。陳范駿等[11]研究表明，在高產(chǎn)栽培條件下，選用高產(chǎn)氮高效品種（包括雙高效型和高氮高效型兩種類型），玉米的增產(chǎn)幅度為8%—10%，相當于節(jié)氮16%—21%，而在低氮投入條件下，耐低氮品種具有增產(chǎn)12%的潛力，相比較而言，在20世紀初期，大面積推廣的高產(chǎn)品種鄭單958和先玉335，同時也是氮高效利用的品種。然而隨著品種的更新?lián)Q代，每年有大量新品種進入市場，急需要對這些品種的氮效率及氮素需求規(guī)律進行比較，一方面有利于農(nóng)戶選擇氮高效品種，另一方面，在了解品種需肥規(guī)律的基礎上，才可以準確地確定最佳養(yǎng)分供應量和供應時間，實現(xiàn)養(yǎng)分供應與品種養(yǎng)分需求的匹配。值得注意的是，在東北地區(qū)，隨著機械化收獲面積的不斷擴大，尤其是對籽粒直收的要求不斷增加，養(yǎng)分高效品種還必需同時滿足機械化籽粒直收的要求。綠熟型品種通常具有較強的氮素吸收能力，因而更可能氮高效。綠熟品種通常在收獲時籽粒含水率較高，達不到籽粒直收的要求。這意味著，在未來需要選擇“適度黃熟”的養(yǎng)分高效的品種，也就是通過提高植株體內(nèi)養(yǎng)分的生理利用效率來實現(xiàn)氮高效。

2.2 4R高效施肥技術

2.2.1 施肥總量控制 明確每季玉米的最佳總養(yǎng)分投入量，控制多余肥料的投入，是實現(xiàn)減肥增效的第一步。由農(nóng)業(yè)部領導、中國農(nóng)業(yè)大學牽頭組織的全國性測土配方施肥工作的開展，明確了東北各地區(qū)土壤養(yǎng)分的現(xiàn)狀，并在此基礎上，提出了氮肥采用“總量控制，分期調(diào)控”原則，磷、鉀肥則采用“恒量監(jiān)控”原則，建立了一套基于土壤養(yǎng)分測試值的推薦施肥技術體系[12]。中國農(nóng)業(yè)科學院建立了基于產(chǎn)量反應和農(nóng)學效率的玉米推薦施肥方法，稱為玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)（nutrient expert for hybrid maize，NE）[13-14]。這些推薦施肥技術的應用，均在東北春玉米生產(chǎn)應用中取得了較好的減肥增效效果。

馮國忠等[15]總結吉林省中部地區(qū)“3414”田間肥料試驗結果、統(tǒng)計農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù)、以及相關文獻，綜合確定出吉林省玉米帶春玉米氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）肥的推薦施用量分別為200、76和68 kg·hm-2。本課題組在梨樹縣開展的氮肥定位試驗表明，在12 000—14 000 kg·hm-2玉米生產(chǎn)水平下，玉米施氮量應為180—240 kg·hm-2[16]。侯云鵬等[4]的研究表明，在玉米11 000—12 000 kg·hm-2產(chǎn)量水平下，最佳施氮量為184 kg·hm-2，并認為吉林省中部黑土區(qū)施氮量應控制在184—210 kg·hm-2。在遼寧省中南部地區(qū)11 000 kg·hm-2產(chǎn)量水平下，玉米最佳推薦施肥量為N 210 kg·hm-2、P2O5135 kg·hm-2、K2O105 kg·hm-2[17]。最近的一項來自遼寧土壤肥料總站的報告指出，遼寧省98 000—12 000 kg·hm-2產(chǎn)量水平的推薦施肥量為N 180—210 kg·hm-2、P2O560—105 kg·hm-2、K2O 45—78 kg·hm-2[18]。與前一個研究相比，氮肥推薦量相似，而磷鉀推薦量較低，說明目前土壤中磷、鉀水平已有所提高。而利用玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)的研究表明，在目前東北土壤養(yǎng)分狀況下，實現(xiàn)12 000 kg·hm-2的玉米養(yǎng)分投入量應為 N 153—178 kg·hm-2、P2O562—66 kg·hm-2、K2O 74—79 kg·hm-2[14]。

養(yǎng)分偏生產(chǎn)力的高低是評估一項“減肥增效”技術效果的一個重要指標，但需要指出的是，并不是某個施肥量下測得的養(yǎng)分偏生產(chǎn)力很高，就說明這個施肥量更合理。理論上分析，如果所施入的養(yǎng)分全部被植株吸收，則一個養(yǎng)分的偏生產(chǎn)力就相當于該養(yǎng)分在植株體內(nèi)的生理利用效率（也就是百公斤籽粒產(chǎn)量養(yǎng)分需求量的倒數(shù)），這相當于養(yǎng)分偏生產(chǎn)力的最大理論值。除非有其他來源的養(yǎng)分投入（比如秸稈還田、有機肥、豆科輪作、大氣沉降等），如果實際測定的偏生產(chǎn)力高于這個理論值，則說明植株在消耗土壤中的養(yǎng)分，使土壤養(yǎng)分平衡趨向于虧缺，長期來講是不可持續(xù)的。依據(jù)HOU等[19]的大數(shù)據(jù)研究結果，在春玉米產(chǎn)量水平分別為＜7 500、7 500—9 000、9 000—10 500、10 500—12 000、12 000—13 500、＞13 500 kg·hm-2的條件下，其籽粒氮素需求量分別為 19.8、18.1、17.4、17.1、17.0 和 16.9 kg·t-1，其相應氮素最大偏生產(chǎn)力（也就是氮素生理利用效率）分別為50.5、55.2、57.5、58.5、58.8、59.1 kg·kg-1。以此作為參考，在徐新朋等[14]的研究中，氮素偏生產(chǎn)力高達 70—79 kg·kg-1，說明該推薦量是基于當前農(nóng)田中較高的氮素殘留現(xiàn)狀，而從長期看，如果缺少其他氮素投入（秸稈、有機肥等），所推薦的施肥量偏低。其實，無論是基于“3414”設計進行施肥量推薦，還是基于 NE施肥專家系統(tǒng)進行施肥量推薦，都要依賴于不施養(yǎng)分小區(qū)的玉米產(chǎn)量結果，也就是受當時土壤供肥能力影響，因而所提出的推薦量只能用于當年或較短年限內(nèi)的施肥量推薦。從保持土壤養(yǎng)分平衡甚至培肥土壤的角度出發(fā)，應該將養(yǎng)分偏生產(chǎn)力的理論最大值作為參考，在沒有其他氮源投入的條件下，實際獲得的養(yǎng)分偏生產(chǎn)力值不應該過度高于該理論最大值，這樣才能保證所推薦的施肥量能夠長期應用，不至于消耗地力，甚至給農(nóng)戶帶來減產(chǎn)。

李偉波等[20]利用15N技術研究表明，在合理施肥的條件下，黑土上肥料氮（尿素）的損失率為16%，未被當季利用的氮素主要殘留于土壤。彭暢等[21]的研究表明，吉林地區(qū)年均濕沉降總氮量為18.3 kg·hm-2。在生產(chǎn)實際中，在缺乏養(yǎng)分測試條件下，也可以以單位產(chǎn)量的植株吸氮量為基準，考慮當季氮肥損失率、環(huán)境氮素來源（雨養(yǎng)玉米只需考慮氮素沉降）、以及其他氮素來源（比如有機肥、秸稈還田等），把當季土壤供氮量與肥料的土壤殘留量視為平衡，進而粗略地計算氮肥推薦量。比如根據(jù)侯云鵬等[14]的研究，在其研究區(qū)域每100 kg玉米吸氮量為1.77 kg，當玉米產(chǎn)量為 10 000 kg·hm-2時，植株總氮需求量為 177 kg·hm-2，根據(jù)“氮肥投入量=植株總氮需求量/(1-氮肥損失率)-氮沉降”的公式，估計的氮肥投入量應為：177/(1-16%) - 18.3 = 187 kg·hm-2。這一數(shù)值與前述的實際推薦量很接近。因此，有必要在不同的生態(tài)區(qū)域開展詳細的研究，明確不同土壤上氮素損失率和環(huán)境來源氮量，為推薦施肥提供支撐。

如前所述，東北地區(qū)玉米開花后對氮、磷的吸收比例可高達 30%，因此，采用基肥+追肥的策略，分次供應肥料（尤其是氮肥）可以有效滿足玉米生長的需求，提高產(chǎn)量的同時，減少肥料損失，達到減肥增效的效果。然而，考慮勞動力成本和機械投入成本等因素，東北農(nóng)民的追肥意愿逐年下降，一次性施肥比例則逐年上升[2]。這不但容易引起“燒苗”現(xiàn)象、增加倒伏風險，而且玉米生長后期可能現(xiàn)出現(xiàn)脫肥。將緩/控釋肥、穩(wěn)定性肥料等新型肥料添加到基肥中，有可能一次施用就能滿足玉米全生育期對養(yǎng)分的需要，并減少養(yǎng)分損失[22]，將緩/控釋氮肥與普通尿素摻混施用，一方面盡量使養(yǎng)分釋放匹配植株養(yǎng)分需求，另一方面降低肥料投入成本。王寅等[23]的研究結果顯示，緩/控釋氮肥最佳摻混比例為30%—35%。

2.2.2 啟動肥技術 在我國東北等地區(qū)，早春季節(jié)低溫，土壤濕冷，玉米根系的生長、對養(yǎng)分的吸收和土壤養(yǎng)分的分解釋放及其移動性都受到限制，導致玉米早期生長暫時性養(yǎng)分缺失的問題。保證早期養(yǎng)分供應強度（尤其是磷的供應強度），對于促進幼苗生長具有重要意義。在美國，農(nóng)民通常采用啟動肥（starter fertilizer）來解決這一問題。啟動肥被定義為在播種時將少量的肥料集中施在距離種子很近區(qū)域的肥料，通常為條施，施用位置通?！? inch + 2 inch”，也就是種子的側下方，距離種子水平和下部垂直距離均為 2英寸（約5 cm）[24]。研究結果表明，啟動肥的施入能夠促進玉米早期生長，提高產(chǎn)量，尤其在免耕或少耕的土壤上施用更為重要[25-27]。

在東北地區(qū)，高達 80%的農(nóng)戶采用“一次性”施肥方式（本小組未發(fā)表的農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù)），也就是將所有肥料作為基肥，或者在整地時施入土壤，或者利用播種、施肥一體化播種機，在播種時將所有肥料施入種子下方或側下方。部分農(nóng)戶有施用種肥的習慣，一般采用磷酸二銨，與種子混合施用，用量 50 kg·hm-2左右。這種一次性的施肥方式不利于提高肥料利用效率，而分期施肥，將較多的肥料用于追肥，一方面減少肥料損失，另一方面能盡可能使肥料的供應與植株養(yǎng)分需求時期相匹配，從而達到增產(chǎn)和提高肥料利用率的目的。為此，很有必要研究適合我國東北地區(qū)的“啟動肥+追肥”的玉米施肥新模式。

我們的研究表明，與“基肥+種肥”模式相比，啟動肥模式處理可以促進幼苗地上部干物質(zhì)積累量和根系生長，而且在玉米八葉期達到顯著效果。施用位置相比較，“5 cm +8 cm”模式（肥料在種子側面5 cm，下方8 cm）的效果，比“5 cm +5 cm”的效果更好[28]。美國常用的啟動肥有磷酸一銨（MAP，10-52-0）、多磷酸銨（10-34-0）等，或者將這些肥料作為原料摻入其他肥料做成專用啟動肥，N-P2O5-K2O比例在1-2-1，1-3-1或1-4-2等。我們分別用磷酸一銨、磷酸二銨、硝酸磷肥、硫酸銨+過磷酸鈣與低氮復合肥混合，作為啟動肥進行比較試驗，結果表明，磷酸二銨和硫酸銨+過磷酸鈣處理均具有顯著的壯苗效果。硫酸銨+過磷酸鈣還能改善玉米的株型[28]。

中微量元素需求量低，加在啟動肥中效果較好。研究表明，吉林西部砂質(zhì)土壤地區(qū)普遍存在缺鋅或潛在缺鋅狀況，施鋅增產(chǎn)效果顯著，增產(chǎn)率可達18.7%—35.0%。吉林中部地區(qū)施硫也具有很好的增產(chǎn)效果，增幅可達10.4%—12.0%[29]。

2.2.3 玉米機械化追肥技術 如前所述，玉米開花后期吸收的氮、磷比例非常高。雖然磷肥可以在播種時一次性施入，但如果氮肥一次性施用，很可能造成不利的影響，一是前期氮素供應強度大，不利于幼苗健壯，二是開花-成熟期氮素供應可能不滿足玉米的生長，不能實現(xiàn)高產(chǎn)。三是氮素損失風險大。因此，分次追施氮肥是實現(xiàn)土壤氮素供應匹配玉米氮素需求的重要手段。在東北地區(qū)，隨著農(nóng)村勞動力的短缺以及土地的日益規(guī)?；?，采用人工進行追肥已不現(xiàn)實，采用機械化追肥是唯一選擇。然而，傳統(tǒng)的中耕追肥機械地隙較低，通常不超過40 cm，有很多農(nóng)戶甚至直接用去除了播種部件的播種施肥一體機代替。由于地隙較低，這些機械只能在玉米V4—V5期追肥，此時玉米還未進入快速生長期，因此遠遠達不到“養(yǎng)分供應匹配養(yǎng)分需求”的效果。同時，這種低地隙追肥機械的作業(yè)窗口期短，在規(guī)模化經(jīng)營的條件下，如果遇到降雨天氣，土壤濕潤導致機械無法操作。等土壤墑情合適時，玉米株高可能已經(jīng)很高，機械無法作業(yè)。為此，發(fā)展高地隙追肥機十分必要。中國農(nóng)業(yè)大學在引進美國Yetter公司的2995型圓盤式開溝施肥器，研制出了2FZ2995-4型高地隙玉米追肥機，地隙提高到了70 cm，最高能對1.2 m的玉米進行追肥，而不造成植株折損，這樣，施肥作業(yè)的時間可以達到拔節(jié)期（V7左右），從而大大延長機械作業(yè)持續(xù)期，并且使“養(yǎng)分供應匹配養(yǎng)分需求”成為可能。采用圓盤式開溝施肥器可以使施肥深度達到7—10 cm，施肥位置精準，對土壤擾動少，通過安裝電動肥盒及轉速耦合裝置，可以實現(xiàn)均勻施肥[30]。

美國液體肥應用比較普遍，在追肥時，農(nóng)民通常使用高地隙施肥機械將液體肥（比如液氨，液體尿素硝銨）直接注射到土壤中。隨著我國液體肥技術及配套設施的發(fā)展，將來這種方法也有望在我國應用。

2.2.4 玉米水肥一體化技術 近20多年來東北地區(qū)降雨量減少趨勢明顯，季節(jié)性干旱頻繁發(fā)生[31]，基于滴灌施肥的“水肥一體化”技術受到重視。2016年農(nóng)業(yè)部制定《水肥一體化實施方案》，提出在“十三五”期間推廣水肥一體化面積500萬公頃，2020年達到1 000萬公頃[32]。滴灌施肥技術是按照作物需水需肥要求，將水肥緩慢、均勻、適量、準確地直接輸送到作物根部附近的土壤表面，浸潤到根系最發(fā)達區(qū)域，使根系活動區(qū)的土壤保持最佳水分、養(yǎng)分供應狀態(tài)，即滿足作物的需水需肥要求，又能最大限度地提高水肥利用效率[33-34]。

滴灌施肥技術為“養(yǎng)分水分供應匹配作物生長需求”提供了技術的可能。高效的滴灌施肥技術需要以不同產(chǎn)量水平下玉米各生長階段的養(yǎng)分、水分需水量為依據(jù)，設計不同生長階段的養(yǎng)分、水分供應量[33]。國外大量研究表明，只要土壤水分管理在可接受的應力范圍內(nèi)，灌溉頻率從每天到每周，對田間玉米產(chǎn)量影響較小[35-37]?；谶@一原則，本課題組在風砂土和黑土上分別進行了4年和2年田間試驗，30%氮肥作為基肥，其余70%氮肥按照玉米全生育期對氮素的吸收規(guī)律，分7次施入。適時記錄降雨量，通過計算各生長階段玉米需水量與降雨量的差額，確定每次滴水量。結果表明，在相同施肥量條件下，滴灌施肥在黑土上可以增產(chǎn) 15%—23%，產(chǎn)量水平可達 15 000—16 000 kg·hm-2；在風砂土上可以增產(chǎn)19%—128%，產(chǎn)量水平可達12 000—13 000 kg·hm-2。正常降雨年份增產(chǎn)效果較小，干旱脅迫重的年份增產(chǎn)效果明顯。水分生產(chǎn)率超過 30 kg·hm-2·mm-1。

采用滴灌施肥時，每年需要重復鋪設和回收毛管，消耗大量人力物力，回收的毛管也損失嚴重，很難再利用，這在一定程度上限制了滴灌施肥技術的應用。通過地下滴灌技術，利用機械將高強度滴灌帶鋪設于地表以下30 cm左右，可以實現(xiàn)一次鋪設，多年使用，而且不影響土壤耕作[38]。在美國Kansas州玉米生產(chǎn)的一項研究表明，地下滴灌管道的使用年限可達到 10年以上。與地表滴灌相比，地下滴灌減少了水分地表蒸發(fā)，增加了深層次根系的生長，提高深層土壤養(yǎng)分有效性，減少硝酸鹽向深層淋失，因而更加增產(chǎn)、節(jié)水、節(jié)肥[39-42]。本課題組的4年定位試驗研究表明，在吉林省中部雨養(yǎng)條件下，與農(nóng)民傳統(tǒng)種植方式相比，地下滴灌技術（滴灌帶埋深30 cm左右）在風砂土上增產(chǎn)26%—122%，在黑土上增產(chǎn)13%—16%。與地表滴灌施肥技術的增產(chǎn)效果基本相同。BAR-YOSEF等[43]的研究表明，采用地下滴灌方式持續(xù)供應磷，比地表滴灌更能增加玉米產(chǎn)量，并有利于控制雜草發(fā)生。

在黑龍江某些地區(qū)（如大慶地區(qū)），早期低溫以及積溫不足限制玉米生長，因而采用地膜栽培模式。這種模式下，采用膜下滴灌施肥是協(xié)調(diào)養(yǎng)分水分供應的較好方式。與雨養(yǎng)種植相比，膜下滴灌施肥增產(chǎn)幅度可達28%—78%[44-45]。最高產(chǎn)量一般為12 000—15 000 kg·hm-2[46-47]。但是與普通滴灌相比，覆膜滴灌增產(chǎn)僅為 11%—13%[48-49]。在吉林中部地區(qū)，本課題組的結果表明，膜下滴灌施肥增產(chǎn)效果為29%—137%（風砂土）和8%—23%（黑土），也是略優(yōu)于地面滴灌施肥的效果。

滴灌施肥的節(jié)肥節(jié)水效果顯著，但其實際應用受到玉米產(chǎn)量水平、玉米價格以及水溶肥價格的影響。比如，通過滴灌在全生育期供應磷可以顯著提高磷肥利用率和玉米產(chǎn)量[43,50]，但含磷的水溶肥價格較高，所以實際生產(chǎn)中，磷肥還是基施為主。從滴灌設施費用分析，按10年周期估算，滴灌設施的投入至少為2 500元/hm2。這意味著，如果每公頃增產(chǎn)所獲得的收入不能超過2 500元，則不適用這項技術。綜合分析，滴灌施肥技術應該主要在風砂土及干旱地區(qū)推廣。膜下滴灌施肥技術的各項人力、物力、機械的投入更高，但效益不高[46]，還帶來地膜污染問題，應該慎重推薦。

2.2.5 基于主動冠層傳感器 Greenseeker的玉米精準氮肥管理 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求實時監(jiān)控作物營養(yǎng)狀況并進行定量化的營養(yǎng)調(diào)控，達到養(yǎng)分供應與植株營養(yǎng)需求相同步，從而提高肥料利用效率，而作物營養(yǎng)診斷是確定植株體內(nèi)養(yǎng)分豐缺狀況的重要途徑，更是進行追肥調(diào)控的重要依據(jù)。利用SPAD儀、植株硝酸鹽測試雖然可以估測植株氮素狀況，但是無法建立推薦施肥模型。土壤測試無機氮含量，比較費時、費力，在大面積上的可操作性不強。隨著遙感技術的發(fā)展，利用植株的光譜特性對植株氮素狀況進行非接觸性無損診斷，然后建立實時養(yǎng)分精準管理方案，不僅快速，而且適合規(guī)?；r(nóng)田，是未來的重要發(fā)展方向。

由美國俄克拉何馬州立大學研制的近地面冠層傳感器GreenSeeker，是目前市售的使用范圍最為廣泛的主動傳感器[51]。該傳感器的工作原理是，由兩個發(fā)光二極管發(fā)射（650±10）nm的紅光和（770±15）nm的近紅外光，這兩種光的一部分被二極管檢測器接受作為原始的入射光，另一部分照射到目標植物反射后被反射光檢測器接受，然后與入射光一起進入二極管多路調(diào)制器，經(jīng)過模數(shù)轉換進入計算機，再通過特定的軟件計算得到歸一化植被指數(shù)（NDVI=(ρNIR- ρRED)/(ρNIR+ρRED)）和比值植被指數(shù)（RVI= ρNIR/ρRED）。TEAL等[52]和INMAN等[53]均證明GreenSeeker植被指數(shù)在估測玉米產(chǎn)量上的潛力。在吉林地區(qū)，XIA等[54]研究表明，在春玉米V5—V10期間，植被指數(shù)NDVI和RVI能夠很好地估測葉面積指數(shù)、地上部生物量以及植株吸氮量，但估測植株氮濃度的精準度不高。在植株生長后期（V9—V10），NDVI出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，RVI不受飽和現(xiàn)象的影響，且RVI估測植株氮營養(yǎng)指標的敏感性較好。不同生長時期植被指數(shù)與植株氮營養(yǎng)狀況指標之間的相關關系差異很大，整體趨勢表現(xiàn)為V5—V6和V7—V8階段的相關性要優(yōu)于 V9—V10時期的相關性。對于東北地區(qū)春玉米而言，GreenSeeker冠層傳感器能在追肥窗口期（V7—V8）很好地診斷其氮素營養(yǎng)狀況。利用該技術可以建立兩種春玉米氮肥精準管理策略，NFOA模型精準調(diào)控（NFOA-PNM）[55]和 NNI模型精準調(diào)控（NNI-PNM），為精準追肥提供指導。其流程為：首先基于區(qū)域優(yōu)化施氮量推薦總施肥量，并按1/3比例做為基肥。在V5—V8期利用GreenSeeker技術進行氮營養(yǎng)診斷，根據(jù)營養(yǎng)診斷調(diào)控追肥量。農(nóng)戶驗證試驗表明，基于 GreenSeeker的氮肥精準管理方案在不影響產(chǎn)量的前提下都能顯著降低氮肥的追施量，提高氮肥的偏生產(chǎn)力達19%—68%。

GreenSeeker技術可能受到土壤、氣象條件（尤其是水分條件）、玉米品種等因素的影響，因此還需要在多種條件下進行更深入的研究，完善各種參數(shù)。未來隨著無人機技術的快速發(fā)展，將 GreenSeeker與無人機技術有機的結合，有望在村級以及更大區(qū)域范圍內(nèi)開展氮肥推薦，實現(xiàn)區(qū)域化氮肥精準管理。

2.3 秸稈還田技術

多項研究表明，季節(jié)性干旱及土壤質(zhì)量下降是目前及未來限制東北地區(qū)玉米生產(chǎn)的兩項重要因素[56-58]。在東北地區(qū)傳統(tǒng)的壟作耕作模式下，農(nóng)戶需要清理出田間秸稈，或者直接在田間焚燒秸稈，然后進行滅茬、施肥、起壟等一系列機械作業(yè)。壟作有利于升高地溫，促進幼苗生長。但是冬春季的大風天氣，常引起地表土壤風蝕和土壤墑情散失，不但損失土壤表層肥沃土壤，又常常影響正常播種與出苗，尤其在干旱年份，不利于玉米生長和產(chǎn)量形成，同時也浪費了秸稈資源。綜合考慮抗旱、黑土地保護以及減肥增效的共同需求，秸稈覆蓋還田的重要性日益突出。

2000年前后，東北地區(qū)主要推廣高留茬寬窄行平作技術，實現(xiàn)部分秸稈還田[59-61]。近5年來，隨著免耕播種機的成功開發(fā)以及玉米機械化收獲技術的不斷完善，采用玉米秸稈覆蓋技術實現(xiàn)秸稈還田已經(jīng)成為可能。秸稈覆蓋免耕技術環(huán)節(jié)簡單，在秋季機械化收獲的同時實施秸稈切段，均勻覆蓋在地表，到春季直接利用免耕播種機進行播種，然后噴灑除草劑，或者在幼苗期噴灑除草劑。免耕播種機具有切草圓盤、撥草輪、圓盤開溝播種和施肥器等，一次完成清理種床秸稈、播種開溝、單粒播種、側深施化肥、覆土、壓實種床、重鎮(zhèn)壓[62]。該技術要求改壟作為平作，等行距或者寬窄行種植模式均可。在吉林省及以南地區(qū)，東北西北沙土區(qū)，玉米生育期積溫較高，而春旱和秋旱是高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要限制因素，在這種情況下，采用秸稈全覆蓋，在不擾動土壤的情況下，利用免耕播種機直接播種和施肥，可以達到很好的效果。

在較為冷涼的黑土地區(qū)，如果春播時期遇到低溫多雨天氣，秸稈覆蓋常導致土壤溫度較低，升溫緩慢，不利于玉米出苗和苗期生長。在玉米產(chǎn)量較高地區(qū)，秸稈覆蓋量大或者覆蓋不均勻，免耕播種機的作業(yè)效果很差，常常導致出苗不齊或幼苗生長較弱[63]。另外，長期免耕還可能造成土壤板結，限制根系生長。這些問題都造成玉米減產(chǎn)，極大地限制了玉米秸稈全覆蓋免耕技術的應用推廣。解決這一問題的途徑是應用秸稈覆蓋條帶耕作技術（strip-till，簡稱條耕）。這也是保護性耕作的一種新形式[64]，據(jù)美國農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計，2010年條耕面積約占美國玉米總播種面積的15%。其基本作業(yè)過程是：前茬作物機械化收獲后適度粉碎秸稈，保持秸稈覆蓋，冬前或春季利用條耕機作業(yè)，整理出無秸稈的苗帶用于播種。苗帶寬度約25 cm，耕作深度15—30 cm。苗帶清理作業(yè)可以結合深松、施基肥。苗帶之間行距通常為76 cm，全生育期保持秸稈覆蓋。條耕機的工作單元主要包括：切盤、撥草輪、開溝施肥刀、攏土盤、碎土器。切盤將作物秸稈切開，同時切入土壤表層，深度8—10 cm。撥草輪工作時高速旋轉，將秸稈殘茬撥向兩側，形成20—25 cm寬度無秸稈帶。開溝施肥刀打破下層土壤結構，深度達到20—25 cm，可同時將肥料施入底部。攏土盤將開溝刀掀起的土壤壟在一起，形成寬30 cm高8—15 cm的耕作條帶。碎土器將耕作條帶的大土塊震碎，使苗帶土壤平整、疏松，有利于播種。每組條耕單元需要20—30馬力的動力牽引，120馬力的拖拉機牽引4組條耕單元。條耕技術基本上保持了秸稈覆蓋還田的全部優(yōu)點。同時避免了秸稈全覆蓋免耕帶來的苗床土壤溫度低、播種質(zhì)量差、缺苗、弱苗等問題[65]。

中國農(nóng)業(yè)大學已于2013年從美國Yetter公司引進2984條耕機組件，并組裝了與中型拖拉機配套的2FQ-2984-4型條耕整地施肥一體機，但尚沒有形成商業(yè)化生產(chǎn)。生產(chǎn)實踐中，根據(jù)條耕作業(yè)的特點，吉林省梨樹縣農(nóng)民研制成一種將秸稈清理成行的機械-秸稈清理機（簡稱清茬機）。在清理出苗帶后，再使用深松機深松，形成清茬機+深松機的兩步條帶耕作模式。從實際應用效果來看，采用條耕技術時，如果采用等行距模式，行距應該在65 cm以上；如果采用寬窄行，則窄行（苗帶）為40 cm，寬行（秸稈覆蓋帶）的行距要達到90 cm。這樣有利于秸稈的堆放，不影響玉米苗的生長。

在熱量條件嚴重不足、必須采取壟作模式以保證玉米高產(chǎn)的地區(qū)，比如黑龍江省冷涼地區(qū)，秸稈覆蓋還田對玉米生長影響較大，宜采用秸稈深翻還田的方式[66]。這種方式的基本程序包括：（1）機械收獲同時實施秸稈粉碎；（2）進行深平翻，扣埋秸稈，耕翻深度控制在30 cm以上；（3）耙地；（4）起壟鎮(zhèn)壓；（5）春季播種。采用這種技術通常需要 180 馬力以上拖拉機、2.8 m 以上翻轉犁、輕耙機和起壟機，操作環(huán)節(jié)多，動力消耗大，適合大農(nóng)場采用。還有一種選擇是秸稈碎混技術，也就是在機械收獲后實施秸稈粉碎，然后進行深松聯(lián)合整地，使秸稈與土壤充分混合，再耙地、起壟鎮(zhèn)壓，待春季播種。這種技術同樣需要大型深松聯(lián)合整地機、重耙機、起壟機等。其中深松整地作業(yè)需要210 馬力以上大拖拉機，作業(yè)深度要達到30 cm 以上[66]。

3 問題與展望

最近10余年來，隨著一系列國家重大研究計劃的實施，作物施肥技術研究取得了長足的發(fā)展。在“維普期刊資源整合平臺”以“玉米施肥”為主題詞檢索，2000年以前玉米施肥文獻每年不足100篇。隨著玉米施肥研究的大范圍開展，從2009年至今，每年的玉米施肥文獻已達到250—300篇。這些工作加深了人們對土壤養(yǎng)分供應規(guī)律、玉米需肥規(guī)律等理論的認識，已產(chǎn)生了大量的施肥技術相關成果、規(guī)程、專利等等，為提高我國玉米高產(chǎn)水平和平均產(chǎn)量水平做出了巨大的貢獻。在減肥增效和全球變化的大背景下，提高肥料利用率已經(jīng)成為國際組織、各國政府、肥料企業(yè)重點關注的領域。我國農(nóng)業(yè)部已開始實施“化肥零增長”行動，提出通過“精”（精準施肥）、“調(diào)”（調(diào)整化肥使用結構）、“改”（改變施肥方法）、“替”（有機替代）等途徑控制化肥投入。國際上相繼提出了4R 施肥技術、最優(yōu)養(yǎng)分管理、精準施肥等先進施肥理念。根系/根層調(diào)控理論逐步在生產(chǎn)上得到應用。為實現(xiàn)養(yǎng)分釋放與作物養(yǎng)分需求規(guī)律相匹配，從 20世紀20年代國外就陸續(xù)研發(fā)各類低成本、高效、環(huán)境友好型緩控釋肥，如BASF公司研發(fā)出高效硝化抑制劑DMPP，并實現(xiàn)商業(yè)化應用。近年來，我國的包膜肥、穩(wěn)定性肥料等新型肥料產(chǎn)品也在快速發(fā)展。此外，生物肥也發(fā)展迅速，為玉米生產(chǎn)提質(zhì)增效提供了新途徑。但如何大面積實現(xiàn)減肥增效，在技術層面仍面臨很大挑戰(zhàn)。比如區(qū)域特異性的玉米養(yǎng)分需求規(guī)律并不明確，玉米新型肥料及生物肥產(chǎn)品/技術應用效果尚存在不穩(wěn)定性。在有機替代方面，我國玉米秸稈還田技術尚需大力發(fā)展，有機肥施用成本較高。水肥一體化雖然得到大力提倡，但技術仍較粗放，其節(jié)肥增產(chǎn)潛力沒有充分發(fā)揮。

就施肥技術研究本身而言，尚存在一些不足。第一，很多研究持續(xù)時間短，依據(jù)一年一點的數(shù)據(jù)就發(fā)表論文，所得的結論受土壤起始地力水平、氣候因素等影響，具有片面性，不僅難以真正用于指導農(nóng)民實踐，而且常常以訛傳訛。施肥研究應該實施多年定位研究，充分理解一個措施的長期效應及其與氣候條件的互作，才能得出有價值的結論。第二，很多施肥研究不考慮土壤特性，所得到的結果只能解釋一種特定土壤的效果，卻常常在應用中被無限放大。土壤特性對養(yǎng)分的轉化及其有效性有深刻的影響，應該提倡研究施肥與土壤的互作，針對某種土壤研究養(yǎng)分特征及高效施肥技術，不斷積累知識，構建土壤特異性高效施肥技術。第三，很多研究沒有與我國多樣化玉米栽培模式/耕作模式相結合，施肥研究低水平重復，形成一些片段化的技術，卻不能構成一個完整的技術體系。我國玉米栽培模式/耕作模式多樣化，栽培模式上包括連作、輪作、間作等，耕作制度上包括壟作、平作、秸稈覆蓋還田、秸稈深翻還田、全膜覆蓋、半膜覆蓋等，灌溉模式上包括雨養(yǎng)、滴灌、噴灌、溝滴等等，這些不同模式及組合下，對玉米施肥技術（包括肥料類型、施肥量、施用方法、施用機械等等）提出了不同的要求，需要有針對性開展施肥技術體系研究，集成創(chuàng)新與主要耕作栽培模式相匹配的減肥增效綜合技術，逐步建立區(qū)域化的高效施肥技術規(guī)程，并不斷完善。第四，很多研究仍停留在小面積試驗田階段，理論上可行，但沒有考慮農(nóng)民經(jīng)濟效益和田間實際可操作性，與減肥增效的要求背道而馳。比如一些技術要求多次施肥、開花期施肥、后期噴施葉面肥、分多個土壤層次施肥等等，這些技術可能理論上有效果，但幾乎沒有推廣價值。

總之，未來減肥增效技術研究要從農(nóng)民實際應用的角度出發(fā)，將技術研究與技術推廣相結合，針對不同的栽培耕作模式，建立農(nóng)民可應用或在不久的將來可應用的技術規(guī)程，實現(xiàn)大面積應用，達到區(qū)域性減肥增效的目標。