代 娜, 史文嬌, 石曉麗**

(1.河北師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室/河北省環(huán)境變化遙感識(shí)別技術(shù)創(chuàng)新中心 石家莊050024; 2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所/中國(guó)科學(xué)院陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100101;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100049)

糧食安全是全人類(lèi)共同面對(duì)的問(wèn)題之一, 由于耕地面積有限, 提高作物單產(chǎn)成為應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的糧食需求的重要途徑[1]。作為作物生長(zhǎng)所必需的元素, 氮肥的施用使得發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家糧食產(chǎn)量分別增加了40%和55%[2-3], 對(duì)全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。但是, 作物產(chǎn)量并不會(huì)隨氮肥的增加無(wú)限增長(zhǎng)[4], 氮肥利用率也會(huì)隨著施氮量的增加逐漸下降[5-6],過(guò)量的氮肥投入還會(huì)帶來(lái)諸多環(huán)境問(wèn)題[7-9]。因此,有必要將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的氮肥投入最優(yōu)化, 以保障糧食安全的同時(shí)最大限度地降低農(nóng)業(yè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。

關(guān)于最優(yōu)施氮量的衡量指標(biāo), 作物產(chǎn)量最為常用。例如, 馬登科等[10]認(rèn)為黃土高原東南部和西北部冬小麥(Triticum aestivum)高產(chǎn)目標(biāo)下的合理施氮量分別為227 kg?hm?2和212 kg?hm?2。劉建剛等[11]利用DSSAT模型(Decision Support System for Agrotechnology Transfer)分析了河北省吳橋地區(qū)冬小麥不同氮肥管理水平下的產(chǎn)量, 認(rèn)為222 kg?hm?2為該地區(qū)的最優(yōu)施氮量, 此時(shí)最大可獲得產(chǎn)量為7618 kg?hm?2。產(chǎn)量指標(biāo)清晰直觀, 直接關(guān)系到農(nóng)民的切身利益, 在實(shí)際種植過(guò)程中, 農(nóng)民為了追求產(chǎn)量最大化, 通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定氮肥投入量, 缺乏科學(xué)標(biāo)準(zhǔn),容易過(guò)量施氮。此外, 該指標(biāo)沒(méi)有考慮作物對(duì)氮素的吸收和利用情況。當(dāng)作物體內(nèi)氮素吸收達(dá)到飽和后, 繼續(xù)施加則會(huì)造成氮肥流失和環(huán)境污染[12-13]。因此有學(xué)者結(jié)合產(chǎn)量、氮素吸收與氮肥利用指標(biāo)衡量區(qū)域作物最優(yōu)施氮量。例如吳強(qiáng)等[14]通過(guò)田間試驗(yàn)分析, 基于產(chǎn)量、氮肥利用效率和植株吸氮量, 得出河套灌區(qū)小麥最優(yōu)施氮量介于185.5～240.9 kg?hm?2。沙之敏等[15]分析了最佳養(yǎng)分管理對(duì)華北冬小麥產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收和肥料利用的影響。較單一產(chǎn)量指標(biāo)而言,該方法考慮了氮肥的投入、吸收以及產(chǎn)出情況, 指標(biāo)更加多樣化; 同時(shí), 氮肥利用率、植株吸氮量可以分別通過(guò)產(chǎn)量、施氮量計(jì)算和取樣分析來(lái)實(shí)現(xiàn), 操作性強(qiáng)。但是最優(yōu)施氮量的衡量仍基于單一指標(biāo),沒(méi)有考慮指標(biāo)間的耦合效應(yīng)。鑒于此, 有研究基于產(chǎn)量增長(zhǎng)與氮肥損失的權(quán)衡關(guān)系, 尋找兩者達(dá)到平衡時(shí)的最優(yōu)施氮量。例如, 基于APSIM模型(Agricultural Production System Simulator), Bai等[16]認(rèn)為390～420 kg?hm?2是江蘇和安徽水稻(Oryza sativa)-小麥輪作系統(tǒng)平衡產(chǎn)量增長(zhǎng)與氮素?fù)p失的最優(yōu)施氮量。該方法綜合考慮了兩種指標(biāo)耦合作用下的最優(yōu)施氮量, 較單獨(dú)考慮產(chǎn)量、氮素吸收和氮肥利用下的最優(yōu)施氮量更為全面。另外, 指標(biāo)所涉及的氮素?fù)p失除應(yīng)用模型模擬獲得之外, 還可通過(guò)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式根據(jù)施氮量來(lái)計(jì)算, 方便易行。但是, 該方法對(duì)氮肥施用帶來(lái)的環(huán)境影響關(guān)注不多。隨著環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的增加, 施氮所產(chǎn)生的氮排放也應(yīng)成為確定區(qū)域冬小麥最優(yōu)施氮量的重要參考指標(biāo)。此外, 氮排放帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也可以轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)問(wèn)題, 因?yàn)橹卫碛纱藥?lái)的環(huán)境問(wèn)題會(huì)消耗大量資源。但在評(píng)價(jià)區(qū)域最優(yōu)施氮量的問(wèn)題上, 多目標(biāo)耦合且同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)收益與農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的研究還相對(duì)較少。

探討作物最優(yōu)施氮量的方法主要有田間試驗(yàn)法與模型法。田間試驗(yàn)法主要依據(jù)研究目的設(shè)定作物品種和田間管理措施, 根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)施氮量的計(jì)算。例如, 陳天鑫等[17]根據(jù)田間地塊試驗(yàn), 分析了多種施氮條件下冬小麥的光合生理指標(biāo)及產(chǎn)量差異, 確定了冬小麥的最優(yōu)施氮水平。田間試驗(yàn)法可控制特定環(huán)境條件且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確, 但是工作量大, 且現(xiàn)有技術(shù)難以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有的環(huán)境因子,因此在大面積應(yīng)用方面比較困難。借助一些基于過(guò)程的化學(xué)模型如反硝化分解模型(Denitrification-Decomposition, DNDC)和作物模型(如DSSAT、APSIM)來(lái)研究作物最優(yōu)施氮量也是一種較為普遍的方法。例如, Xin等[18]應(yīng)用APSIM模型, 模擬了華北平原冬小麥的最優(yōu)施氮量。劉建超等[19]應(yīng)用CERESWheat模型模擬了不同水氮管理對(duì)關(guān)中地區(qū)冬小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。成林等[20]利用CERES-Wheat模型研究了主要生育期的氣候變化對(duì)河南省冬小麥生長(zhǎng)與產(chǎn)量的影響。相對(duì)而言, 模型法對(duì)詳細(xì)精確的田間管理數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)的獲取較為困難, 但在很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)田間試驗(yàn)方法需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的弊端, 在區(qū)域應(yīng)用方面有較好的表現(xiàn)。CERESWheat模型是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的作物模型DSSAT集成的小麥模型, 能夠很好地為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供決策支持。

華北平原是我國(guó)冬小麥主產(chǎn)區(qū)之一, 長(zhǎng)期以來(lái)該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都存在著較嚴(yán)重的過(guò)度施肥問(wèn)題,當(dāng)?shù)卣贾鲗?dǎo)地位的冬小麥-夏玉米(Zea mays)一年兩熟制的氮肥投入高達(dá)600 kg?hm?2, 氮肥利用效率卻很低[18,21-22]。過(guò)度施肥不僅造成資源浪費(fèi)和種植成本增加, 還引發(fā)了土壤結(jié)構(gòu)破壞和水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問(wèn)題, 阻礙了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)種植的可持續(xù)發(fā)展。綜合各項(xiàng)指標(biāo), 尤其是考慮環(huán)境影響的農(nóng)業(yè)生態(tài)指標(biāo), 合理明確冬小麥種植的最優(yōu)施氮量, 對(duì)保證華北平原糧食生產(chǎn)及保護(hù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境意義重大。目前在探討華北平原冬小麥?zhǔn)┑康难芯恐? 多選取產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益等單一指標(biāo), 對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境考慮不多[11,16-17]。選取兼顧經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的指標(biāo)且通過(guò)多目標(biāo)耦合評(píng)估冬小麥最優(yōu)施氮量的研究還相對(duì)較少。作物最優(yōu)施氮量的確定應(yīng)同時(shí)考慮糧食安全和環(huán)境友好。除此之外, 相對(duì)于單一指標(biāo)而言, 基于指標(biāo)多樣化和多目標(biāo)耦合的研究能為確定區(qū)域最優(yōu)施氮量提供更好的參考。

本研究應(yīng)用CERES-Wheat模型, 選擇了華北平原9個(gè)具有代表性的農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站點(diǎn), 選取5個(gè)具有現(xiàn)實(shí)意義的指標(biāo)(產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素吸收、增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡和環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益), 探討了每個(gè)指標(biāo)和施氮量的關(guān)系曲線; 明確不同目標(biāo)約束下冬小麥最優(yōu)施氮量, 為華北平原冬小麥種植過(guò)程中的氮肥投入提供科學(xué)的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于32°～40°N, 114°～121°E, 面積3×105km2, 行政上主要涵蓋北京、天津、山東、河北和河南大部、安徽和江蘇北部等地區(qū), 地形以平原為主(圖1)。氣候類(lèi)型為暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,雨熱同期。年平均溫度14～15 ℃, 年降水量500～900 mm, 無(wú)霜期約200 d, 熱量資源和光照資源豐富。該地區(qū)以冬小麥-夏玉米一年兩熟的種植模式為主,小麥和玉米的產(chǎn)量分別占全國(guó)總產(chǎn)量的45%和32%[23]。本文從華北平原各區(qū)域選取9個(gè)均勻分布、數(shù)據(jù)記錄完整且具有代表性的農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站(唐山站、黃驊站、欒城站、惠民站、南宮站、贛榆站、商丘站、駐馬店和壽縣站)展開(kāi)研究。

圖1 華北平原典型農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站分布圖Fig.1 Location of the agricultural experimental stations in the North China Plain (NCP)

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

逐日氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/), 選取與9個(gè)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站相對(duì)應(yīng)的氣象站點(diǎn)1981?2017年日最高溫、日最低溫、降水量和日照時(shí)數(shù)等數(shù)據(jù)。其中太陽(yáng)輻射利用埃斯屈朗(Angstron)經(jīng)驗(yàn)公式根據(jù)日照時(shí)數(shù)計(jì)算而得。土壤數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)土壤科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)全國(guó)第2次土壤普查匯總成果(http://vdb3.soil.csdb.cn/), 包括各農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站的土壤名稱(chēng)、顏色、土層深度、有機(jī)碳含量、土壤質(zhì)地、全氮含量、容重和pH等, 其中有機(jī)碳含量通過(guò)土壤有機(jī)質(zhì)乘以0.58換算系數(shù)得到[5]。

冬小麥生育期、產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素等作物數(shù)據(jù)以及冬小麥品種名稱(chēng)、播種、灌溉和施肥等田間管理措施均來(lái)自各農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 模型運(yùn)行與驗(yàn)證

DSSAT模型由美國(guó)農(nóng)業(yè)部組織研究開(kāi)發(fā), 是目前國(guó)際上廣泛使用的作物模型之一。其中的CERESWheat模型是專(zhuān)為小麥類(lèi)作物開(kāi)發(fā)的較為成熟的子模型之一, 對(duì)土壤氮素平衡過(guò)程及其物理機(jī)制考慮較為完整。該模型已被驗(yàn)證能較好地模擬小麥的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成過(guò)程, 同樣也適用于國(guó)內(nèi)小麥生產(chǎn)的評(píng)估[24]。利用CERES-Wheat模型模擬華北平原9個(gè)站點(diǎn)連續(xù)36年(1982?2017年)不同施氮水平下(0～390 kg?hm?2, 每30 kg?hm?2為一間隔梯度)的冬小麥產(chǎn)量和氮肥利用情況以及氮肥投入所造成的環(huán)境影響, 以量化冬小麥種植在產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素吸收、增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡、環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益等約束條件下的最優(yōu)施氮量。

模型所需文件準(zhǔn)備完畢后, 調(diào)試冬小麥各項(xiàng)遺傳品種參數(shù), 并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。CERES-Wheat模型中冬小麥共有33個(gè)作物參數(shù), 包括26個(gè)生態(tài)型參數(shù)和7個(gè)品種型參數(shù)。其中對(duì)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育最敏感的主要是其品種型參數(shù)。因此, 在參數(shù)“本地化”過(guò)程中主要以調(diào)整品種型參數(shù)為主。采用歸一化均方根誤差(NRMSE)評(píng)價(jià)模型模擬值和實(shí)際觀測(cè)值的差異, 并使用一致性指數(shù)(D值)來(lái)對(duì)模型模擬效果進(jìn)行評(píng)估。計(jì)算公式如下:

式中:Si為模型模擬值;Ri為實(shí)際觀測(cè)值;為實(shí)際觀測(cè)值的平均值;n為模擬值的取樣數(shù)量。通常認(rèn)為,NRMSE<10%, 模擬效果極好; 10%30%, 模擬效果較差。D值越接近1說(shuō)明模擬值與實(shí)際觀測(cè)值的一致性越好。

1.3.2 指標(biāo)選取及計(jì)算方法

研究分別設(shè)置產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素吸收、增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡、環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益5個(gè)約束指標(biāo), 分別計(jì)算各指標(biāo)1982?2017年的數(shù)值, 分析不同評(píng)價(jià)指標(biāo)多年均值達(dá)到最優(yōu)時(shí)所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)施氮量, 將各站點(diǎn)的平均最優(yōu)施氮量作為區(qū)域最優(yōu)施氮量參考值。

1)產(chǎn)量: 產(chǎn)量為不受水分、病蟲(chóng)害等因素限制、僅受施氮量影響的產(chǎn)量, 由模型模擬后直接輸出。以作物產(chǎn)量隨施氮量增加而變化的曲線趨于平穩(wěn)時(shí)對(duì)應(yīng)的施氮量作為以產(chǎn)量最大化為目標(biāo)的最優(yōu)施氮量; 產(chǎn)量變化趨勢(shì)不明顯的地區(qū)參考其產(chǎn)量增幅情況來(lái)確定最優(yōu)施氮量。

2)氮肥偏生產(chǎn)力: 氮肥偏生產(chǎn)力指單位氮投入所生產(chǎn)的作物產(chǎn)量, 是適合我國(guó)肥料效應(yīng)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[25], 計(jì)算公式如下:

式中: PFPN為冬小麥氮肥偏生產(chǎn)力[kg?kg?1(N)],Y為冬小麥產(chǎn)量(kg?hm?2),Nrate為氮肥施用量(kg?hm?2)。

3)氮素吸收: 氮素吸收為冬小麥生育期的植株吸氮量, 由模型直接輸出[23]。以氮素吸收隨施氮量增加而變化的曲線趨于平穩(wěn)時(shí)對(duì)應(yīng)的施氮量作為以氮素吸收最大化為目標(biāo)時(shí)的最優(yōu)施氮量; 氮素吸收曲線未出現(xiàn)平穩(wěn)趨勢(shì)的地區(qū)暫不考慮。

4)增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡: 增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡是綜合考慮產(chǎn)量增長(zhǎng)與氮素?fù)p失的最優(yōu)施氮量。以每增施1單位的氮肥而增加的產(chǎn)量表示產(chǎn)量增長(zhǎng), 以每增施1單位的氮肥而增加的氮損失量表示氮素?fù)p失, 氮素?fù)p失主要考慮氮淋溶和反硝化作用。對(duì)兩者分別進(jìn)行離差標(biāo)準(zhǔn)化后, 將兩條曲線的交叉點(diǎn)作為以投入產(chǎn)出相平衡為目標(biāo)的最優(yōu)施氮量[16], 產(chǎn)量與氮素?fù)p失均由模型模擬輸出。

5)環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益: 環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益由作物種植的經(jīng)濟(jì)收入減去氮肥施用成本和氮排放所造成的污染處理成本計(jì)算得到。污染處理成本包括治理各種氮排放對(duì)生態(tài)系統(tǒng)、人類(lèi)健康和氣候變化所造成的破壞的平均成本[26]。氮肥施用的排放物包含氨氣揮發(fā)、氮氧化物、氧化亞氮和氮淋溶(表1), 其中氨氣揮發(fā)的計(jì)算方法參考Chen等[27-28]的方法, 各種氮氧化物、氧化亞氮和氮淋溶由模型運(yùn)行后直接輸出。環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算公式如下:

表1 氮肥施用過(guò)程排放物類(lèi)型與污染處理成本[26-28]Table 1 Types of emissions from the application of nitrogen fertilizer and pollution treatment costs[26-28]

式中:E為環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益(￥?hm?2),Y為冬小麥產(chǎn)量(kg?hm?2),P為冬小麥價(jià)格(￥?kg?1), FF為氮肥施用成本(￥?hm?2),C為污染處理成本(￥?hm?2)。

在特定的施氮量下, 冬小麥的環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益隨施氮量的增加而增加, 但超過(guò)一定的閾值便開(kāi)始下降, 將這個(gè)閾值定義為冬小麥在環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益約束下的最優(yōu)施氮量。

2 結(jié)果與分析

2.1 CERES-Wheat模型模擬結(jié)果驗(yàn)證

CERES-Wheat模型的模擬結(jié)果采用農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站冬小麥生育期和產(chǎn)量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證(圖2)。經(jīng)對(duì)比, 華北平原各站點(diǎn)冬小麥開(kāi)花期、成熟期和產(chǎn)量的模擬值與實(shí)測(cè)值有較好的相關(guān)性, 均勻分布于1∶1直線附近。冬小麥開(kāi)花期、成熟期和產(chǎn)量的歸一化均方根誤差(NRMSE)分別為1.51%、0.95%和14.89%, 一致性指數(shù)(D)分別達(dá)0.98、0.99和0.96, 表明經(jīng)過(guò)參數(shù)校正后的CERES-Wheat模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬華北平原冬小麥的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成過(guò)程。

圖2 冬小麥開(kāi)花期、成熟期和產(chǎn)量的CERES-Wheat模型模擬效果驗(yàn)證Fig.2 Validation of CERES-Wheat model simulation of anthesis, maturity stages and yield of winter wheat

2.2 以冬小麥產(chǎn)量最大化為目標(biāo)的最優(yōu)施氮量

華北平原各站點(diǎn)冬小麥產(chǎn)量隨著施氮量的增加逐漸增長(zhǎng), 但在施氮量達(dá)到一定水平時(shí), 產(chǎn)量變化趨于平穩(wěn)(圖3)。說(shuō)明在一定范圍內(nèi)施用氮肥能夠促進(jìn)冬小麥產(chǎn)量增加, 但由于邊際報(bào)酬遞減規(guī)律的存在, 氮肥投入過(guò)量對(duì)增產(chǎn)作用不大。以冬小麥產(chǎn)量最大化為目標(biāo), 唐山站和惠民站最優(yōu)施氮量相對(duì)較低, 為180 kg?hm?2, 此時(shí)產(chǎn)量分別達(dá)7808 kg?hm?2和7287 kg?hm?2; 贛榆站、駐馬店站和壽縣站的最優(yōu)施氮量略高, 分別約為210 kg?hm?2、240 kg?hm?2和270 kg?hm?2, 能夠分別達(dá)7207 kg?hm?2、5132 kg?hm?2和8105 kg?hm?2的產(chǎn)量; 黃驊站、欒城站和南宮站的最優(yōu)施氮量約為300 kg?hm?2, 此時(shí)3個(gè)站點(diǎn)能達(dá)到的最大產(chǎn)量分別為6341 kg?hm?2、7905 kg?hm?2和10 100 kg?hm?2; 商丘站冬小麥產(chǎn)量變化趨勢(shì)不是特別明顯, 最優(yōu)施氮量為9站點(diǎn)最高(330 kg?hm?2), 此時(shí)其冬小麥產(chǎn)量為7842 kg?hm?2。

圖3 華北平原各站點(diǎn)冬小麥產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力隨施氮量的變化Fig.3 Changes in winter wheat yield and nitrogen partial factor productivity (PFPN) with N application rates in the NCP stations

2.3 以冬小麥氮肥偏生產(chǎn)力最高為目標(biāo)的最優(yōu)施氮量

華北平原各站點(diǎn)氮肥偏生產(chǎn)力隨著施氮量的增加迅速下降, 之后均穩(wěn)定在較低水平(圖3)。當(dāng)?shù)释度霃?0 kg?hm?2增加到390 kg?hm?2時(shí), 全區(qū)平均冬小麥氮肥偏生產(chǎn)力從最高的95 kg?kg?1(N)下降至20 kg?kg?1(N)。以氮肥偏生產(chǎn)力最高為目標(biāo), 各站點(diǎn)的最優(yōu)施氮量均為氮肥施用的最低值(30 kg?hm?2),此時(shí)全區(qū)最高氮肥偏生產(chǎn)力平均值為95 kg?kg?1(N)。在30 kg?hm?2的最優(yōu)施氮量下, 欒城站與壽縣站氮肥偏生產(chǎn)力較高, 分別為131 kg?kg?1(N)和134 kg?kg?1(N)。駐馬店站、黃驊站和商丘站均低于全區(qū)平均水平[95 kg?kg?1(N)], 分別為49 kg?kg?1(N)、63 kg?kg?1(N)和70 kg?kg?1(N)。較低的施氮量雖然能實(shí)現(xiàn)氮肥偏生產(chǎn)力的最大化, 但是氮肥投入過(guò)少難以實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)囟←湹纳a(chǎn)潛力, 因此不能為了追求氮肥偏生產(chǎn)力的增加而一味地減少氮肥投入, 具體生產(chǎn)中應(yīng)權(quán)衡氮肥施用與產(chǎn)量增加之間的關(guān)系。

2.4 以冬小麥氮素吸收最大化為目標(biāo)的最優(yōu)施氮量

華北平原大部分站點(diǎn)冬小麥氮素吸收隨著施氮量的增加而增加, 之后趨于平緩。但部分地區(qū)(欒城站、南宮站、商丘站)冬小麥氮素吸收一直增加, 并未出現(xiàn)下降或平穩(wěn)的趨勢(shì)(圖4), 因此這3個(gè)站點(diǎn)暫時(shí)不考慮以冬小麥氮素吸收最大化為目標(biāo)的最優(yōu)施氮量。以冬小麥氮素吸收最大化為目標(biāo), 各站點(diǎn)最優(yōu)施氮量較高且差異比較小, 除欒城站、南宮站和商丘站之外, 唐山站、黃驊站、惠民站和壽縣站的最優(yōu)施氮量最高, 為360 kg?hm?2; 贛榆站和駐馬店站最優(yōu)施氮量次之(330 kg?hm?2)。以氮素吸收最大化為目標(biāo)的最優(yōu)施氮量高于以最高產(chǎn)量為目標(biāo)的最優(yōu)施氮量, 表明冬小麥對(duì)氮素的吸收可能要大于其生長(zhǎng)所需的氮吸收[12]。由于各站點(diǎn)冬小麥吸氮量都比較高, 因此在冬小麥實(shí)際種植過(guò)程中, 需綜合其他指標(biāo)來(lái)決定氮肥投入, 避免因氮肥施用過(guò)量造成浪費(fèi)和環(huán)境污染。

圖4 華北平原各站點(diǎn)冬小麥氮素吸收隨施氮量的變化Fig.4 Changes in N uptake with N application rates of winter wheat in the NCP stations

2.5 以增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡最佳為目標(biāo)的最優(yōu)施氮量

以增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡最佳為目標(biāo)的最優(yōu)施氮量, 在保證獲得較高產(chǎn)量的同時(shí)有效地節(jié)約氮肥且兼顧了區(qū)域生態(tài)效益, 使增產(chǎn)-節(jié)氮原本對(duì)立的兩個(gè)目標(biāo)達(dá)到平衡。若施氮量超過(guò)最優(yōu)施氮量, 氮損失將隨著施氮量的增長(zhǎng)而大幅增加, 造成大量的氮肥浪費(fèi), 增加成本的同時(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成威脅; 若施氮量小于最優(yōu)施氮量, 雖然在一定程度上節(jié)約了氮肥成本且對(duì)環(huán)境影響較小, 但難以通過(guò)氮肥施加實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)囟←湹漠a(chǎn)量潛力。華北平原各地區(qū)冬小麥產(chǎn)量增幅隨施氮量的增加逐漸下降, 但是氮損失卻迅速上升(圖5)。以增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡最佳為目標(biāo), 唐山站和惠民站最優(yōu)施氮量處于較低水平, 介于120～150 kg?hm?2;欒城站、贛榆站、壽縣站和駐馬店站最優(yōu)施氮量略高, 為150～180 kg?hm?2左右; 黃驊站和商丘站最優(yōu)施氮量為180～210 kg?hm?2; 南宮站的最優(yōu)施氮量最高,為210～240 kg?hm?2。

圖5 華北平原各站點(diǎn)冬小麥氮損失和產(chǎn)量增長(zhǎng)隨施氮量的變化(氮損失、產(chǎn)量增長(zhǎng)分別經(jīng)過(guò)離差標(biāo)準(zhǔn)化)Fig.5 Changes in N loss and yield increase with N application rates of winter wheat in the NCP stations (N loss and yield increase were obtained from deviation normalization)

2.6 以環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益最高為目標(biāo)的最優(yōu)施氮量

華北平原各站點(diǎn)冬小麥環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益隨施氮量的增加呈先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)。施氮量為0時(shí), 全區(qū)冬小麥平均環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益為2399 ￥?hm?2。此時(shí)各站點(diǎn)之間冬小麥環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益有所差別(圖6)。欒城站、南宮站和壽縣站效益相對(duì)較高, 分別為5438 ￥?hm?2、3250 ￥?hm?2和4639 ￥?hm?2; 其余站點(diǎn)效益均低于2000 ￥?hm?2, 其中駐馬店站為全區(qū)效益最低的地區(qū)(533 ￥?hm?2)。以環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益最高為目標(biāo), 南宮站最優(yōu)施氮量最高(300 kg?hm?2), 此時(shí)其環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益為15 751 ￥?hm?2; 唐山站和黃驊站最優(yōu)施氮量略低于南宮站(210 kg?hm?2), 二者的環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益分別為14 448 ￥?hm?2和7129 ￥?hm?2; 贛榆站、商丘站和壽縣站最優(yōu)施氮量為180 kg?hm?2, 其環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益分別為11 394 ￥?hm?2、7273 ￥?hm?2和11 137 ￥?hm?2; 欒城站、惠民站和駐馬店站最優(yōu)施氮量最低(150 kg?hm?2), 此時(shí)其環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益分別為9301 ￥?hm?2、11 033 ￥?hm?2和5285 ￥?hm?2。

圖6 華北平原各站點(diǎn)冬小麥環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益隨施氮量的變化Fig.6 Changes in environmental-economic benefits with N application rates of winter wheat in the NCP stations

2.7 華北平原不同約束條件的綜合最優(yōu)施氮量

基于產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素吸收、增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡和環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益等不同目標(biāo)約束下, 華北平原區(qū)域最優(yōu)施氮量參考值存在空間差異(圖7、圖8)。基于劉巽浩等[29]根據(jù)種植業(yè)中作物類(lèi)型、熟制等進(jìn)行的中國(guó)農(nóng)作制區(qū)劃, 選擇4個(gè)有研究站點(diǎn)分布的亞區(qū)(圖中的Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū))來(lái)闡明華北平原各指標(biāo)約束下最優(yōu)施氮量的空間特征(圖9), 每個(gè)亞區(qū)的最優(yōu)施氮量用區(qū)內(nèi)研究站點(diǎn)的均值表示。Ⅴ區(qū)沒(méi)有研究站點(diǎn), 暫時(shí)不考慮該區(qū)域最優(yōu)施氮量的空間特征。

圖7 華北平原各指標(biāo)約束下冬小麥最優(yōu)施氮量Fig.7 Optimal N application rates under different constraints of winter wheat in the NCP

各約束條件下最優(yōu)施氮量順序?yàn)榈匚?產(chǎn)量>環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益>增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡>氮肥偏生產(chǎn)力(圖7)。以冬小麥氮素吸收最大化為目標(biāo)的最優(yōu)施氮量最高, 全區(qū)平均為363 kg?hm?2。該施氮量下, 產(chǎn)量平均可達(dá)7882 kg?hm?2, 但是氮肥偏生產(chǎn)力、增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡和環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益的表現(xiàn)均比較差(圖8b, d, e)。其次是以產(chǎn)量最大化為目標(biāo), 各站點(diǎn)平均最優(yōu)施氮量為257 kg?hm?2。相比于363 kg?hm?2的氮肥投入,該施氮量下, 產(chǎn)量保持在較高水平的同時(shí), 增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡和環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益有一定的改善, 但氮肥偏生產(chǎn)力仍然處于較低水平(圖8b)。此處需要說(shuō)明的是,以產(chǎn)量最大化為目標(biāo)的最優(yōu)施氮量是取產(chǎn)量隨施氮量變化曲線趨于平穩(wěn)的數(shù)值而并非絕對(duì)峰值, 此時(shí)若繼續(xù)增加氮肥投入產(chǎn)量仍會(huì)有微弱的增加, 故以產(chǎn)量最大化為目標(biāo)時(shí)所得產(chǎn)量的數(shù)值略小于以氮素吸收為目標(biāo)的施氮量所得的產(chǎn)量數(shù)值, 但是二者相差無(wú)幾, 可以將產(chǎn)量趨于平穩(wěn)時(shí)的施氮量認(rèn)為是以產(chǎn)量最大化為目標(biāo)的最優(yōu)施氮量?？紤]環(huán)境成本的增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡目標(biāo)和環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)下所得的最優(yōu)施氮量相近, 全區(qū)平均值分別為173 kg?hm?2和190 kg?hm?2, 此時(shí)可獲得產(chǎn)量分別為6624 kg?hm?2和6848 kg?hm?2(圖8a)。相比以氮素吸收和產(chǎn)量最大化為目標(biāo)的施氮量, 該施氮量下所得產(chǎn)量雖有所下降,但其余指標(biāo)均有不同程度的改善, 尤其是增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡和環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益都能達(dá)到較優(yōu)水平(圖8d-e)。此處值得注意的是, 增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡與其他指標(biāo)略有不同, 它是用來(lái)衡量產(chǎn)量增長(zhǎng)與氮素?fù)p失平衡的一項(xiàng)指標(biāo), 因此越接近于0證明該指標(biāo)表現(xiàn)越好?；诙←湹势a(chǎn)力最高為目標(biāo)時(shí), 最優(yōu)施氮量最低(30 kg?hm?2), 該施氮量下, 其余指標(biāo)的表現(xiàn)均比較差, 尤其是產(chǎn)量、氮素吸收和環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益都處于最低水平(圖8a, c, e)。

綜合而言, 以增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡和環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益為約束條件下的施氮管理, 可保證冬小麥約90%的產(chǎn)量, 但施氮量卻比目前實(shí)際施肥水平減少將近一半,極大地降低了氮肥施用對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。同時(shí), 5項(xiàng)指標(biāo)均可以保持在相對(duì)平衡的狀態(tài)。因此, 本研究認(rèn)為增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡和環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益約束目標(biāo)下所得最優(yōu)施氮量更為合理。該約束條件同時(shí)將經(jīng)濟(jì)和環(huán)境納入決策系統(tǒng), 以最小的生態(tài)環(huán)境影響保障最大的作物收益, 能夠兼顧經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益, 實(shí)現(xiàn)糧食安全和生態(tài)友好的雙重目標(biāo)。

由于氣候、土壤和人為等因素, 各亞區(qū)最優(yōu)施氮量也存在一定的差異。以冬小麥氮素吸收最大化為目標(biāo)時(shí), Ⅰ區(qū)最優(yōu)施氮量最低, 為350 kg?hm?2; Ⅳ區(qū)的最優(yōu)施氮量次之, 為360 kg?hm?2; Ⅲ區(qū)略高, 最優(yōu)施氮量為375 kg?hm?2; Ⅱ區(qū)最優(yōu)施氮量為各亞區(qū)中最高, 為390 kg?hm?2。以產(chǎn)量最大化為目標(biāo)時(shí), Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)最優(yōu)施氮量相對(duì)較低, 分別為230 kg?hm?2和240 kg?hm?2; Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)的最優(yōu)施氮量相對(duì)較高,分別為300 kg?hm?2和280 kg?hm?2。以增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡為目標(biāo)時(shí), 各亞區(qū)最優(yōu)施氮量均介于169～180 kg?hm?2,差異較小。以環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)時(shí), 各亞區(qū)間最優(yōu)施氮量的差異較大。低值主要分布在Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū),分別為150 kg?hm?2和170 kg?hm?2; Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)則相對(duì)較高, 最優(yōu)施氮量分別為200 kg?hm?2和225 kg?hm?2?；诙←湹势a(chǎn)力最高考慮時(shí), 最優(yōu)施氮量為各指標(biāo)最低, 各亞區(qū)均為30 kg?hm?2。

3 討論

本研究利用CERES-Wheat模型, 基于5個(gè)指標(biāo)(產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素吸收、增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡和環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益)和施氮量的關(guān)系曲線得到華北平原冬小麥的最優(yōu)施氮量, 為華北平原冬小麥種植的氮肥管理提供科學(xué)參考。

研究結(jié)果顯示, 冬小麥產(chǎn)量隨氮肥投入量的增加而增加, 超過(guò)一定范圍, 產(chǎn)量將不再增加, 這與前人研究得出的規(guī)律一致[16-18,22,30-31], 主要原因是過(guò)量的氮肥投入破壞了土壤養(yǎng)分平衡, 氮素相關(guān)轉(zhuǎn)化酶活性降低, 阻礙了同化物向籽粒的再分配?；诋a(chǎn)量最大化考慮, 華北平原各站點(diǎn)平均適宜性施氮量為257 kg?hm?2, 該數(shù)值與陳天鑫等[17]的研究結(jié)果(240 kg?hm?2)基本一致。大量研究表明氮肥偏生產(chǎn)力隨著施氮量的增加而降低[4,17,31-33], 與本研究所得規(guī)律基本一致。本研究還顯示, 冬小麥氮素吸收隨施氮量的增加而增長(zhǎng), 之后逐漸放緩, 也存在部分地區(qū)氮素吸收會(huì)一直增長(zhǎng)未出現(xiàn)放緩趨勢(shì)。本研究認(rèn)為363 kg?hm?2是基于冬小麥氮素吸收考慮的最優(yōu)施氮量, 較Khoshnevisan等[13]的研究數(shù)值偏高。原因一方面是選取的冬小麥品種和灌溉模式的不同, 本文所有施氮水平均設(shè)置為充分灌溉, 拔節(jié)-開(kāi)花期灌溉充分有助于氮素的吸收和分配[34]。另一方面, 冬小麥生育期施肥方式、氮磷鉀的配比問(wèn)題、選取的研究站點(diǎn)及研究方法等存在差異?？紤]環(huán)境要素的約束條件下(增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡、環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益), 最優(yōu)施氮量分別為173 kg?hm?2和190 kg?hm?2, 比單純考慮產(chǎn)量時(shí)的最優(yōu)施氮量減少20%～30%。但是在實(shí)際種植過(guò)程中, 由于沒(méi)有政府補(bǔ)貼、農(nóng)戶(hù)認(rèn)知不足和肥料類(lèi)型差異等原因, 農(nóng)民很少會(huì)考慮環(huán)境要素, 長(zhǎng)期以來(lái)都在過(guò)量施用氮肥, 冬小麥種植過(guò)程中投入的氮肥平均高達(dá)300～325 kg?hm?2[23,35]。除氮素吸收外, 其余4個(gè)最優(yōu)施氮量均不同程度地低于當(dāng)前華北平原農(nóng)民實(shí)際施氮水平。以環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益和增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡為約束條件下的最優(yōu)施氮量比當(dāng)前實(shí)際水平分別節(jié)約了42%和47%, 但是產(chǎn)量仍可以保持在較高水平。增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡與環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益約束條件在實(shí)現(xiàn)節(jié)氮最大化的同時(shí)將經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益納入決策系統(tǒng), 可以在一定程度上降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn), 在保證增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡和環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益最大化的同時(shí)較好地兼顧其他指標(biāo), 綜合而言?xún)?yōu)于其他指標(biāo), 采用相應(yīng)的最優(yōu)施氮量有利于農(nóng)業(yè)集約化可持續(xù)發(fā)展。因此,建議在考慮區(qū)域差異以及當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的基礎(chǔ)上,將環(huán)境成本納入決策系統(tǒng), 推薦基于環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益與增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡目標(biāo)約束下的最優(yōu)施氮量作為區(qū)域施肥的主要參考。

區(qū)域最優(yōu)施氮量的確定是一項(xiàng)復(fù)雜的工作, 涉及經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、區(qū)域發(fā)展定位和國(guó)家政策等多方面。本文雖然探討了不同施氮條件下冬小麥產(chǎn)量、氮肥利用等指標(biāo)的變化情況, 但并未涉及氮磷鉀的配比、施肥時(shí)間和次數(shù)的問(wèn)題。同時(shí), 除氮肥管理水平之外其余種植條件均設(shè)為最佳狀態(tài), 而實(shí)際種植中, 氣候、土壤、耕作栽培方式和病蟲(chóng)害等因素都會(huì)影響作物最優(yōu)施氮量, 因此結(jié)果具有一定的局限性。此外, 本研究得出增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡和環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益約束條件下的最優(yōu)施氮量較為合理的結(jié)論僅停留在理論分析階段, 在今后的研究中, 還需在具體考慮區(qū)域農(nóng)業(yè)種植條件差異的基礎(chǔ)上進(jìn)一步解析冬小麥的最優(yōu)施氮量, 并將理論研究所得的最優(yōu)施氮量應(yīng)用到田間試驗(yàn)中進(jìn)行綜合量化與驗(yàn)證?；诙嗄繕?biāo)約束條件, 未來(lái)研究可將不同指標(biāo)耦合為系統(tǒng)的最優(yōu)施氮量評(píng)估模型, 以期在指導(dǎo)區(qū)域小麥氮肥施用中發(fā)揮更大的作用。

4 結(jié)論

1)由于各站點(diǎn)地勢(shì)、氣候和土壤環(huán)境等要素的不同, 華北平原不同約束條件下冬小麥最優(yōu)施氮量具有差異, 其順序?yàn)榈匚?產(chǎn)量>環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益>增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡>氮肥偏生產(chǎn)力。

2)與單純考慮產(chǎn)量最大化相比, 考慮環(huán)境要素指標(biāo)(增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡和環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益)所得的冬小麥最優(yōu)施氮量平均可減少約20%～30%。

3)與當(dāng)前華北平原農(nóng)民實(shí)際平均施氮水平相比,考慮環(huán)境要素指標(biāo)(增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡和環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益)所得的最優(yōu)施氮量分別可減少42%和47%。

4)建議以增產(chǎn)-節(jié)氮權(quán)衡和環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)來(lái)衡量區(qū)域冬小麥種植的氮肥投入, 華北平原最優(yōu)氮肥投入為173～190 kg?hm?2。