包啟平，韓曉日，殷 源，崔志剛，張 慧，劉小虎

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110866）

玉米是我國(guó)種植面積最大的糧食作物，在東北的種植面積約占我國(guó)玉米種植總面積的30%［1-2］，具備食用、飼用、工業(yè)和能源原料等多種用途。據(jù)聯(lián)合國(guó)人口預(yù)測(cè)，到2050年，全世界人口數(shù)量將由72億增長(zhǎng)到90億，全球糧食生產(chǎn)將迎來(lái)一場(chǎng)前所未有的挑戰(zhàn)［3］，這預(yù)計(jì)要求全球主要農(nóng)作物產(chǎn)量在2050增長(zhǎng)至70%［4-5］。然而，農(nóng)民過(guò)分追求糧食高產(chǎn)，導(dǎo)致盲目過(guò)量施肥已經(jīng)成為了一種習(xí)慣［6］，如果農(nóng)民的意識(shí)仍然停留在“肥料越多產(chǎn)量就越高”的錯(cuò)誤觀點(diǎn)上，將會(huì)給生物圈帶來(lái)巨大的威脅［7］。人們的不合理施用氮肥導(dǎo)致了我國(guó)氮肥利用率偏低，造成肥料資源浪費(fèi)和嚴(yán)重的環(huán)境污染等系列問(wèn)題，所以研究氮肥農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力的變異機(jī)制對(duì)于提高氮肥利用效率具有重要的意義。世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的實(shí)踐證明，施用化肥是最快、最有效、最重要的增產(chǎn)措施［8］。研究表明，肥料對(duì)糧食作物單產(chǎn)的貢獻(xiàn)可達(dá)40%～50%［9］，而我國(guó)化肥生產(chǎn)對(duì)糧食的貢獻(xiàn)率只有40.8%［10］。大量研究表明，氮素不僅是一個(gè)生命元素，也是一個(gè)限制因子，其活性組分含量和有效性與土壤肥力和生產(chǎn)力息息相關(guān)［11］，氮肥對(duì)于玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率可達(dá)30%～50%左右，施用氮肥全球多養(yǎng)活了48%的現(xiàn)有人口［12］。國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)氮肥利用效率的指標(biāo)有很多，我國(guó)目前比較通用的是氮肥利用率（Aparent recovery efficiency of applied N，REN），主要是因?yàn)檫^(guò)去我國(guó)化肥資源短缺和土壤肥力普遍較低，肥料的增產(chǎn)效應(yīng)很顯著，REN能夠很好地反映作物對(duì)氮肥的吸收狀況［13］，除肥料利用率之外，國(guó)際上還常用以下3個(gè)參數(shù)來(lái)表征農(nóng)田氮肥的利用效率［14-16］，氮肥偏生產(chǎn)力（Partial factor productivity from applied N，PFPN）、氮肥農(nóng)學(xué)效率（Agronomic efficiency of applied N，AEN）和氮肥生理利用率（Physiological efficiency of applied N，PEN）。目前中國(guó)土壤和環(huán)境養(yǎng)分供應(yīng)量增大，化肥增產(chǎn)效益下降的情況下，偏生產(chǎn)力是現(xiàn)階段評(píng)價(jià)氮肥利用效率的適宜指標(biāo)［17］，而且由于它不需要空白區(qū)產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量的測(cè)定，簡(jiǎn)單明了，易于農(nóng)民掌握，所以國(guó)際農(nóng)學(xué)界也常用PFPN

［18］。AEN則是評(píng)價(jià)肥料增產(chǎn)效應(yīng)較為準(zhǔn)確的指標(biāo)。本文將從肥料偏生產(chǎn)力和肥料利用效率兩個(gè)指標(biāo)來(lái)分析影響東北地區(qū)玉米氮肥利用效率的主要限制因子，為提高我國(guó)氮肥利用效率做出貢獻(xiàn)。隨著我國(guó)施氮量的逐漸增加，氮肥利用效率低是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的主要問(wèn)題，本文構(gòu)建了FN/（1-Y0/YG）和Y0/FN兩個(gè)新的變量來(lái)解釋氮肥農(nóng)學(xué)利用效率（AEN）和氮肥偏生產(chǎn)力（PFPN）的變異機(jī)制，國(guó)內(nèi)外關(guān)于氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和偏生產(chǎn)力的研究有很多，但是大多數(shù)都是對(duì)它們的一些簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)分析，而對(duì)它們變異機(jī)制的研究卻鮮有報(bào)道。研究氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和偏生產(chǎn)力的變異機(jī)制，找出其主要影響因素，為提高我國(guó)東北玉米氮肥利用效率做出貢獻(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

東三省即黑龍江、吉林和遼寧，位于北緯38°43′～ 53°33′，東經(jīng) 118°53′～ 135°05′，地處中高緯度及歐亞大陸東端。屬于寒溫帶、中溫帶，濕潤(rùn)半濕潤(rùn)氣候，熱量資源是全國(guó)熱量資源最少的地區(qū)，夏季平均氣溫為20～25℃，無(wú)霜期為140～170 d，降水量自西北向東南方向?yàn)?50～880 mm，光照資源豐富。區(qū)域面積為79.18萬(wàn)km2，其中耕地面積2.64萬(wàn)km2，約占全國(guó)耕地總面積的16.5%。在地貌上，以東北大平原北半部的松嫩平原為核心，地面起伏平緩，土層深厚，利于大型農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)，為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了良好的條件，是中國(guó)主要耕作基地，是世界三大黑土帶之一，土壤農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力較高。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文的數(shù)據(jù)來(lái)源于2010年以來(lái)的921個(gè)田間試驗(yàn)，基本覆蓋遼寧、吉林和黑龍江。采用多年多點(diǎn)分散試驗(yàn)，肥力涵蓋高、中、低3個(gè)等級(jí)。設(shè)計(jì)方案如表1所示。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)都進(jìn)行“3414”田間試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)采取完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3次重復(fù)。小區(qū)面積為30 m2，共計(jì)14個(gè)處理。玉米試驗(yàn)的“2”水平肥料設(shè)計(jì)量：N 210～270 kg·hm-2；P2O560～90 kg·hm-2；K2O 90～120 kg·hm-2。氮肥選用尿素（N 46%），磷肥選擇過(guò)磷酸鈣（P2O516%），鉀肥選用硫酸鉀（K2O 50%）。肥料的施用方法是將1/3的氮肥作為底肥，2/3的氮肥用做追肥，磷肥和鉀肥作為基肥一次性施入。9月下旬進(jìn)行收獲和計(jì)產(chǎn)；同時(shí)采集植株樣本，測(cè)定氮、磷、鉀養(yǎng)分含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

本試驗(yàn)使用Excel 2016軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算，將產(chǎn)量數(shù)據(jù)存在異?；蛉笔У脑囼?yàn)進(jìn)行剔除，利用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Origin 9.0進(jìn)行圖形的繪制。

1.5 計(jì)算方法

增產(chǎn)量（DY）= YG- Y0，式中，YG指目標(biāo)產(chǎn)量，Y0指基礎(chǔ)產(chǎn)量。

氮肥農(nóng)學(xué)效率（AEN）：表征單位施氮量所增加的作物籽粒產(chǎn)量，即 AEN=（YG-Y0）/FN。式中，F(xiàn)N指施氮量。

氮肥偏生產(chǎn)力（PFPN）：表征單位投入的肥料氮所能生產(chǎn)的作物籽粒產(chǎn)量，即 PFPN= YG/ FN。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥農(nóng)學(xué)效率（AEN）的變異

由相關(guān)數(shù)據(jù)分析和圖1可以得出，隨著推薦施肥量的逐漸增大，AEN總體上呈現(xiàn)一個(gè)下降的趨勢(shì)，決定系數(shù)為0.203，表明了施肥對(duì)氮肥農(nóng)學(xué)利用效率AEN的影響（圖1a）；Y0/YG是土壤肥力水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)，AEN隨著Y0/YG的增大而總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，決定系數(shù)為0.459，表明了土壤氮素供應(yīng)強(qiáng)度對(duì)氮肥農(nóng)學(xué)利用效率的影響（圖1b），土壤供應(yīng)強(qiáng)度越大，表示土壤肥力水平越高，其對(duì)肥料的稀釋作用越強(qiáng)，肥料農(nóng)學(xué)利用率就越小。AEN隨著增產(chǎn)量的增加而逐漸增大，決定系數(shù)為0.596，表明AEN在很大程度上受作物增產(chǎn)量的影響，作物增產(chǎn)量越大，表明肥料對(duì)于作物的增產(chǎn)效果越明顯，從而肥料的農(nóng)學(xué)利用效率越大（圖1c）；單從前幾個(gè)變量都不能很好地解釋氮肥農(nóng)學(xué)利用效率的變異機(jī)制，所以定義一個(gè)新的變量FN/（1-Y0/YG），表示肥料氮供應(yīng)量與土壤氮素供應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系（圖1d），其中NF表示肥料供給，Y0/YG表示土壤氮素供應(yīng)強(qiáng)度，土壤氮素供應(yīng)強(qiáng)度越大，F(xiàn)N/（1-Y0/YG）就越大，氮肥農(nóng)學(xué)利用效率就越小，決定系數(shù)為0.843，能夠很好地解釋氮肥供應(yīng)與土壤氮素供應(yīng)強(qiáng)度對(duì)肥料農(nóng)學(xué)利用效率的影響。

圖1 氮肥的農(nóng)學(xué)利用效率分析

2.2 氮肥農(nóng)學(xué)利用效率變異機(jī)制模型的建立

通過(guò)偏相關(guān)性分析，結(jié)果表明，當(dāng)控制變量FN時(shí)，Y0/YG與氮肥農(nóng)學(xué)利用效率呈極顯著負(fù)線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.854；控制變量Y0/YG時(shí)，F(xiàn)N與氮肥農(nóng)學(xué)利用效率呈極顯著負(fù)線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.765。這一結(jié)果表明，兩者在AEN變異方面既相互獨(dú)立，又相輔相成。所以可以用二元線性模型來(lái)表達(dá)AEN的變異：

式中，X1-Y0/YG，X2-FN（kg·hm-2），Y-AEN（kg·kg-1）。

此模型表明，F(xiàn)N和Y0/YG是氮肥農(nóng)學(xué)利用效率的兩條變異途徑，前者表示氮肥供應(yīng)量，后者表示土壤氮素供應(yīng)強(qiáng)度。X1的標(biāo)準(zhǔn)回歸化系數(shù)為-0.743，X2的標(biāo)準(zhǔn)回歸化系數(shù)為-0.539，說(shuō)明土壤氮素供應(yīng)強(qiáng)度是影響AEN的主要因素。

2.3 氮肥偏生產(chǎn)力（PFPN）的變異

氮肥偏生產(chǎn)力反映了作物吸收肥料氮和土壤氮后所產(chǎn)生的邊際效應(yīng)，它不需要空白區(qū)產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量的測(cè)定，簡(jiǎn)單明了，易于農(nóng)民掌握。也是現(xiàn)階段我國(guó)評(píng)價(jià)氮肥效應(yīng)的適宜指標(biāo)。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析和圖2，研究表明，隨著Y0的增加，PFPN總體上呈上升趨勢(shì)，Y0平均每增加一個(gè)單位PFPN就增加0.002 kg·kg-1，決定系數(shù)為0.123，Y0越大，代表作物養(yǎng)分需求越大，PFPN就越大（圖2a）；隨著施肥量的逐漸增大，PFPN越小，決定系數(shù)為0.704，表明隨著施肥量的逐漸增加，氮肥的增產(chǎn)效應(yīng)越來(lái)越小，PFPN就越來(lái)越?。▓D2b）。PFPN在施肥量不變時(shí)隨著作物基礎(chǔ)產(chǎn)量Y0的逐漸增加而增大，在目標(biāo)產(chǎn)量不變的情況下隨著施肥量的增加而逐漸減小（圖2c）。為了更全面地解釋氮肥的偏生產(chǎn)力變異機(jī)制，筆者定義一個(gè)新的變量Y0/FN，表示作物養(yǎng)分需求和施肥水平對(duì)氮肥偏生產(chǎn)力的影響，其中 Y0表示作物自身養(yǎng)分需求量，F(xiàn)N表示肥料供應(yīng)量，研究發(fā)現(xiàn)PFPN隨著Y0/FN的逐漸增大而增大，每增加一個(gè)單位就增加0.974 kg·kg-1，R2=0.87，當(dāng)Y0越大時(shí)，表明作物的養(yǎng)分需求越大，PFPN越大，而當(dāng)FN越大時(shí)，作物的增產(chǎn)效應(yīng)就會(huì)越低，PFPN就會(huì)越?。▓D2d）。所以同時(shí)從養(yǎng)分需求和施肥兩個(gè)因素對(duì)PFPN變異機(jī)制的解釋程度要比單方面的解釋好很多，所以在實(shí)際糧食生產(chǎn)中，應(yīng)該盡量少施氮肥和加強(qiáng)管理來(lái)提高PFPN。

圖2 氮肥的偏生產(chǎn)力（PFPN）分析

2.4 偏生產(chǎn)力的變異機(jī)制模型的建立

通過(guò)偏相關(guān)性分析，結(jié)果表明，當(dāng)控制變量FN時(shí)，Y0與氮肥偏生產(chǎn)力呈極顯著線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.665**；控制變量Y0時(shí)，F(xiàn)N與氮肥農(nóng)學(xué)利用效率呈極顯著負(fù)線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.899**。這一結(jié)果表明，兩者在PFPN變異方面既相互獨(dú)立，又相輔相成。所以可以用二元線性模型來(lái)表達(dá)PFPN的變異：

式中，X1-Y0（kg·hm-2），X2-FN（kg·hm-2），Y-PFPN（kg·kg-1）。此模型表明，Y0和FN是氮肥偏生產(chǎn)力的兩條變異途徑。前者表示作物自身養(yǎng)分需求，后者表示氮肥供應(yīng)量。X1的標(biāo)準(zhǔn)回歸化系數(shù)為0.417，X2的標(biāo)準(zhǔn)回歸化系數(shù)為-0.847，說(shuō)明肥料氮素供給是影響PFPN的主要因素，科學(xué)合理地施用化肥是提高東北春玉米氮肥偏生產(chǎn)力的當(dāng)務(wù)之急。

3 討論

3.1 施肥對(duì)AEN和PFPN的影響

科學(xué)合理的施用氮肥能夠顯著提高作物產(chǎn)量和氮肥利用效率，張福鎖等［13］認(rèn)為合理地減少施氮量時(shí)，玉米的氮肥利用效率可以達(dá)到40%，而施肥量達(dá)到240 kg·hm-2時(shí)，利用率大幅度下降到14%，孫占祥等［19］研究表明，玉米施氮量高于200 kg·hm-2時(shí)，玉米并不會(huì)增產(chǎn)。徐新朋等［20］研究表明，東北春玉米基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)利用效率的推薦施肥方法的農(nóng)學(xué)利用效率和偏生產(chǎn)力比農(nóng)民習(xí)慣施肥平均分別增加了5.8和16.8 kg·kg-1。蔣靜靜等［21］研究表明，減小施肥量能夠大幅度地增大PFPN，侯云鵬等［22］研究也表明，在農(nóng)民習(xí)慣施肥的基礎(chǔ)上減施25.8%～33.4%的氮肥，氮肥利用效率提高13.7～19.6個(gè)百分點(diǎn)，Chen等［23］在對(duì)5個(gè)省調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，玉米的平均施氮量高達(dá)257 kg·hm-2，而偏生產(chǎn)力卻只有26 kg·kg-1。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著推薦施肥量的逐漸增大，AEN和PFPN呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，表明隨著施肥量的逐漸增加，氮肥的增產(chǎn)效應(yīng)越來(lái)越小，AEN和PFPN就越來(lái)越小。于飛等［17］研究也表明，玉米的氮肥利用效率隨施肥量的增加呈下降趨勢(shì)。所以在保證糧食高產(chǎn)的情況下，適量減少氮肥的施用可以提高氮肥的農(nóng)學(xué)利用效率和偏生產(chǎn)力。

3.2 作物養(yǎng)分需求對(duì)PFPN的影響

氮肥偏生產(chǎn)力表示的是每千克氮肥所能產(chǎn)生的作物籽粒千克數(shù)，反映了作物吸收肥料氮和土壤氮后所產(chǎn)生的邊際效應(yīng)，Cassman等［24］研究認(rèn)為只有當(dāng)作物需求遠(yuǎn)大于土壤原有供應(yīng)時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)高施肥量與高氮肥利用效率。林國(guó)林等［25］則認(rèn)為肥料利用率主要取決于作物的吸收能力和土壤、肥料供應(yīng)養(yǎng)分的能力。本研究表明，隨著Y0的增加，PFPN總體上呈上升趨勢(shì)，Y0平均每增加一個(gè)單位PFPN就增加0.002 kg·kg-1，Y0越大，代表作物養(yǎng)分需求越大，PFPN就越大。提高田間管理水平和選擇優(yōu)良的品種可以提高作物的養(yǎng)分需求，所以在東北春玉米糧食生產(chǎn)中可以通過(guò)提高作物田間管理水平和選擇優(yōu)良的玉米品種來(lái)提高作物的偏生產(chǎn)力。

3.3 土壤氮肥供應(yīng)強(qiáng)度對(duì)AEN的影響

肥料利用效率受多種因素的影響，王偉妮等［26］研究表明：土壤基礎(chǔ)地力與環(huán)境因素影響施肥肥效的發(fā)揮，應(yīng)該在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中加強(qiáng)地力的培肥，王寅等［27］研究表明提高土壤基礎(chǔ)地力可以減少對(duì)外源肥料的依賴。Ladha［28］認(rèn)為土壤供氮對(duì)肥料供氮的影響可以解釋為土壤氮對(duì)肥料氮的稀釋效應(yīng)，高肥力土壤的供氮量高，對(duì)肥料的稀釋作用較強(qiáng)，在施肥量和作物養(yǎng)分需求不變的條件下，氮肥利用率隨土壤供氮量的升高而降低。本文構(gòu)建新的變量NF/（1-Y0/YG），其中NF表示肥料供給，Y0/YG表示土壤氮素供應(yīng)強(qiáng)度。研究氮肥的農(nóng)學(xué)利用效率（AEN）的變異機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)，隨著NF/（1-Y0/YG）的增加AEN逐漸減小，土壤氮素供應(yīng)強(qiáng)度越大，NF/（1-Y0/YG）就越大，氮肥農(nóng)學(xué)利用效率就越小。所以要根據(jù)不同土壤肥力水平，合理地選用不同的施氮量，保證東北地區(qū)春玉米的高產(chǎn)高效生產(chǎn)。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明，F(xiàn)N和Y0/YG是氮肥農(nóng)學(xué)利用效率的兩條變異途徑，其中土壤氮素供應(yīng)強(qiáng)度是影響AEN的主要因素，所以根據(jù)作物的養(yǎng)分需求和科學(xué)合理的施用氮肥能夠顯著提高作物的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率（AEN）；Y0和FN是氮肥偏生產(chǎn)力的兩條變異途徑，其中氮肥供給量是影響PFPN的主要因素，所以科學(xué)合理施肥和有效的作物田間管理模式，能夠顯著提高作物的氮肥偏生產(chǎn)力（PFPN）。