氮肥減量施用技術及其對作物產量和生態環境的影響綜述

2023年12月7日發(作者：水果認知)

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氮肥減量施用技術及其對作物產量和生態環境的影響綜述

劉兆輝;薄錄吉;李彥;孫明;仲子文;張英鵬;井永蘋

【摘 要】氮肥對提高農作物的產量具有重要作用，但過量施氮不僅會影響作物產量和品質，還會對生態環境產生負面影響，而適當減量施氮，既能保證作物產量、提高肥料利用率，又能減少對環境的危害，從而實現農業高產、高效、持續健康的發展。本文綜述了氮肥減量施用技術及其對農作物產量和生態環境影響的最新研究進展，提出了減量施肥過程中存在的問題及展望，旨在為保證作物高產和兼顧環境友好的氮肥減量施用技術提供思路和參考。%Nitrogen fertilization plays an

important role in crop yield. However, excessive nitrogen fertilization not

only nega-tively affects crop yield and quality, but also has a detrimental

impact on the environment. Instead, appropriate reductions in nitrogen

fertilization can guarantee crop yields, improve fertilizer u efficiency, and

reduce the harm to the environment, therefore achieving a sustainable

form of high-yield and high-efficiency agriculture. This paper reviewed the

latest rearch on nitrogen fertilizer reduction technology along with its

effects on crop yield and the ecological environment, and propod the is-sues and prospects surrounding this process, so as to provide

comprehensive insights into nitrogen fertilization reduction while

maintaining high yield and environmental friendliness.

【期刊名稱】《中國土壤與肥料》

【年(卷),期】2016(000)004

【總頁數】8頁(P1-8) 【關鍵詞】減量施氮;農作物;產量;生態環境;技術

【作 者】劉兆輝;薄錄吉;李彥;孫明;仲子文;張英鵬;井永蘋

【作者單位】山東省農業科學院，山東 濟南 250100;山東省農業科學院農業資源與環境研究所，農業部黃淮海平原農業環境重點實驗室，山東省農業面源污染防控重點實驗室，山東省新型肥料工程技術研究中心，山東 濟南 250100;山東省農業科學院農業資源與環境研究所，農業部黃淮海平原農業環境重點實驗室，山東省農業面源污染防控重點實驗室，山東省新型肥料工程技術研究中心，山東 濟南

250100;山東省農業科學院農業資源與環境研究所，農業部黃淮海平原農業環境重點實驗室，山東省農業面源污染防控重點實驗室，山東省新型肥料工程技術研究中心，山東 濟南 250100;山東省農業科學院農業資源與環境研究所，農業部黃淮海平原農業環境重點實驗室，山東省農業面源污染防控重點實驗室，山東省新型肥料工程技術研究中心，山東 濟南 250100;山東省農業科學院農業資源與環境研究所，農業部黃淮海平原農業環境重點實驗室，山東省農業面源污染防控重點實驗室，山東省新型肥料工程技術研究中心，山東 濟南 250100;山東省農業科學院農業資源與環境研究所，農業部黃淮海平原農業環境重點實驗室，山東省農業面源污染防控重點實驗室，山東省新型肥料工程技術研究中心，山東 濟南 250100

【正文語種】中 文

【中圖分類】S147.3;X144

我國是世界第一人口大國，耕地面積居世界第4位，然而人均耕地面積不及世界平均水平的三分之一，其中貧瘠化、鹽漬化、酸化和污染等引起的中低產田占了三分之二以上。因此，要解決眾多人口的吃飯問題，就必須在有限的耕地上不斷地提高作物產量，這不僅要靠先進的育種和種植技術，更依靠向農田系統投入大量的肥料。自從20世紀50年代化學肥料引入我國，傳統的通過有機肥維持產量的施肥方式日漸減少，替代的是化學肥料的過量施用[1]。1984年以來，我國化肥用量持續增加，平均用量達400 kg/hm2，農田氮素盈余呈現持續增長趨勢，僅2002年我國農田氮素盈余量達579.4萬t。氮肥的過量施用不僅造成了土壤質量退化，也給環境帶來了嚴重的不良影響。如何解決過量施氮帶來的環境問題，保障我國農業走上優質高產、高效、持續健康發展的道路，已引起社會各界的廣泛關注。

氮肥減量施用技術，是一種意在尋找作物氮養分需求和土壤氮養分供應之間平衡關系的施肥技術，在保證作物產量和品質的同時，提高肥料利用率，實現經濟效益、社會效益和生態效益的最大化，進而實現農業高產、高效、持續健康的發展。氮肥減量施用技術已經被國內外廣泛使用[2-4]，并取得了一系列研究成果。本文綜述了氮肥減量施用技術及其對農作物產量和生態環境影響的最新研究進展，并對減量施氮過程中可能出現的問題進行了探討，以期為今后減量施肥技術的深入研究提供一定參考，從而能夠更好地推動科學施肥技術的發展。

過量施氮不僅造成土壤質量下降，還會加劇環境污染、危害人體健康。在農業生產過程中，如果能適當減少氮肥用量，做到科學合理的施肥，不僅能保證作物產量，還能節省能源、保護環境、減少不必要的經濟支出，具有極大的社會、經濟和生態效益。下面從過量施氮的角度闡述減量施氮的緊迫性和重要性。

(1)土壤質量退化，長期過量施氮會導致農田土壤尤其是設施農田土壤養分失衡、土壤鹽漬化、土壤酸化、土壤生物多樣性下降以及土壤污染等問題，降低土壤生產能力[5]。

(2)水體污染，過量施氮對水體的影響主要包括兩方面，一是水體富營養化，這主要是由于農田土壤中過量的氮通過徑流進入水體的結果；二是地下水污染，這主要是因為土壤中的通過淋溶滲透到地下水，引起地下水中硝酸鹽含量超標[6]。

(3)大氣污染，過量施氮會加劇大氣的污染程度，其原因包括兩方面，一是氮以氨氣的形式揮發進入大氣；二是銨態氮經過硝化和反硝化途徑產生NO和N2O，NO和N2O不僅污染大氣，而且N2O能引起溫室效應[7]。

(4)農產品質量下降，農業生產過程中，農民施肥普遍存在“三重三輕”現象，即重化肥、輕有機肥，重氮、磷肥，輕鉀肥，重大量元素肥、輕中微量元素，這造成土壤養分失衡，導致農產品質量下降[8]。

(5)人體健康危害，過量施氮，不但造成氮素養分的浪費，還會影響植物體內有機化合物的代謝。植物體內可積累過量的硝酸鹽和亞硝酸鹽[9]，過量的硝酸鹽和亞酸鹽一般不會對植物產生毒害，但會對人體健康產生潛在危害[10-11]。

氮肥過量使用往往伴隨著較低的利用率，不僅影響農產品和土壤質量，而且對環境造成嚴重的負面影響。因此，開展氮肥減量施用技術研究具有重大意義。發達國家于20世紀60年代開始減量施氮技術的研究。相比國外而言，我國研究起步較晚，起于80年代的湖泊富營養化調查，之后在滇池、太湖、巢湖等區域開展了肥料減量研究工作。

目前，國外的氮肥減量施用技術研究己經進入了以產量、品質和生態環境為目標的階段，我國科技人員在吸收國外技術的基礎上也開發了適合本國國情的氮肥減量施用技術。當前國內外氮肥減量技術主要有以下幾種：(1)測土配方施肥技術：是以養分歸還學說、最小養分律、同等重要律、不可代替律、肥料效應報酬遞減律和因子綜合作用律等為理論依據，以確定養分的施肥總量和配比為主要內容。包括“測土、配方、配肥、供應、施肥指導”5個核心環節，是現階段建立科學施肥體系的核心技術[12]，在國內外得到了廣泛應用。(2)氮肥運籌優化技術：以土壤養分含量和作物目標產量所需養分含量為依據，在施氮量相等的情況下，根據作物對養分的需求合理調整基、追肥的分配比例[13]。(3)種植制度優化技術：是以用地養地相結合為依據，充分利用時間和空間，提高土地生產力為目的的農田復種制度。如冬季免耕或適當配合豆科綠肥植物可有效保持土壤含氮量，減少了氮肥投入，同時提高了作物產量[14]。(4)緩控釋等新型肥料技術：是根據作物養分需求，控制養分釋放速度和釋放量，使養分釋放曲線與作物需求相一致。此項技術具有提高化肥利用率、減少使用量與施肥次數、降低生產成本、減少環境污染、提高農作物產品品質等優點[15-18]。(5)水肥一體化技術：是將灌溉與施肥融為一體的農業新技術。它利用了水肥兩大因子的協同作用，將水和養分按照作物生長需求，定量、定時直接供給作物，達到省水、省肥、省工、高產、高效生產的目的[19]。(6)土壤改良劑技術：利用改良劑良好的吸附性能、低廉的成本以及良好的生物親和性，控制農田營養釋放。如施加生物質炭等土壤改良劑，增加土壤保水保肥能力，減少-N流失量和氨揮發[20-22]，從而降低肥料用量。

近年來，小麥施肥技術一直在不斷地改進和發展，兼顧產量和環境效應的減量施肥方法得到了一定的推廣和應用。在華北平原地區，小麥季農民習慣施氮量達到了424 kg/hm2，遠超過同期作物氮養分消耗量[23]。因此，很多學者開展了基于農民習慣的氮肥減量優化施用技術研究。如在河北、山東和河南，氮肥減量優化處理的小麥產量比農民習慣施肥處理分別高13.7%、5.08%和1.32%[24]。再如吳光磊研究表明，氮肥減量20%(225 kg/hm2)以內不會對小麥產量產生顯著影響[25]。相比國內而言，國外除少數小麥試驗設置高施氮量外[26-27]，多數試驗氮肥用量保持在150～220 kg/hm2[28-31]，普遍低于國內氮肥使用量，這主要是因為國外在減量施肥方面的研究較早，已經摸索出一條適合各自國家小麥生產的氮肥適宜用量，而當前國外學者更關注的是精準施肥及其對小麥品質的影響研究[32]。

與常規化肥相比，緩釋肥作為一種新型肥料，具有釋放時間延長，有利于提高肥料養分的利用率等特點，在減量施肥中也得到推廣應用。以緩釋氮肥為例，將其減量20%(168 kg/hm2)且隨小麥播種一次性施用，同時與農民習慣施氮(300 kg/hm2)比較，結果表明，減量施氮能夠保證小麥穩產，其氮素回收率和氮偏生產力較農民習慣施氮處理分別提高19.7%和34.3%[33]。此外，由于不同地區土壤肥力不同，減量施氮也不能一概而論，需要根據小麥不同時期對養分的需求量和土壤固持養分能力進行減量施氮，既能保證小麥產量，又能提高氮肥利用率[34-35]。

吉林通化市土肥站自20世紀90年代中期開展了玉米減量施氮研究，取得了明顯的效果，以暗棕壤和沖積土為例，氮肥分別減量13%(150 kg/hm2)和20%(144

kg/hm2)時，分別比高施氮量(180 kg/hm2)增產10%和5.65%[36]。在巴基斯坦的費薩拉巴德，Hammad等研究了半干旱地區玉米產量對氮肥用量的響應，研究發現，與農民習慣施肥(300 kg/hm2)相比，氮肥減量16.7%(250 kg/hm2)不會造成玉米產量下降[37]。可能由于土壤肥力及氣候的關系，在拉沃拉果德和克什米爾地區，當氮肥施用量分別降至150和180 kg/hm2時，玉米仍可達到最佳產量[38-39]。伊朗的學者則持相反的觀點，即高施氮量和高密度種植同樣能促進玉米生長[40]，但是缺乏對后期產量的統計對比，因此，高施氮量和高密度種植模式值得商榷。

以減量施氮為基礎，不少學者又研究了氮肥種類及其后移對作物生長及產量的影響。Vargas等研究了尿素和硝酸銨對玉米產量的影響，即將兩種氮肥分別降至200

kg/hm2時，使用尿素的玉米產量比硝酸銨高出10% ～ 18%[41]。基于尿素的產量效應，鄒曉錦等研究了氮肥減量10%(216 kg/hm2)和20%(192 kg/hm2)及后移施用對玉米產量的影響，與農民習慣施肥(240 kg/hm2)相比，氮肥減量后移處理的玉米產量沒有顯著下降[42]。此外，在氮肥減量的基礎上施加有機肥、生物菌肥和微肥也對玉米有明顯的效果。氮肥施量在高水平(450 kg/hm2)基礎上減量15%，同時配施礦物質有機肥600 kg/hm2，玉米產量增加2.7%[43]；而配施生物菌肥(30 kg/hm2)或微肥(15 kg/hm2)時，不僅能保證與高施肥水平同等的玉米產量，而且品質有一定程度提高[44-46]。可以看出，在玉米季，適當減少氮肥用量并配施有機肥、菌肥及微肥是可行的措施。

農民為追求高產而投入過量的氮肥，加上水稻特殊的生長環境，使得氮積累導致的負面生態效應大于作物的產量增益[47]，因此，亟需減少稻田氮肥用量。傅麗青等進行了不同肥力水平土壤上氮肥減量試驗，結果表明，高肥區氮肥用量減少15%(195 kg/hm2)，與習慣施肥量相比，產量顯著增加；中低肥區氮肥用量減少15%(181 kg/hm2)，略有減產，但差異不顯著[48]。在印度，Dey等將氮肥用量減少15%(181 kg/hm2)，略有減產[49]。在尼日利亞，Bai等研究發現，氮肥用量減至120 kg/hm2仍有較高的產量和投資回報率[50]。而Kumar[51]等和Singh[52]等則進行了氮肥深度減量試驗研究，即氮肥用量降至60 kg/hm2時，水稻可達到高產量并且品質較好。可見，減量施肥要因地制宜，同時適當配施有機肥或者綠肥等有機物料則能達到更好的效果[53]。以印度的長期定位試驗為例，用有機物料替代25%的氮肥不會影響水稻產量，同時還能培肥土壤[54]。

水稻秸稈作為一種農業廢棄物，將其腐熟還田不僅利用了其中的養分，還能替代部分化肥。研究表明，當秸稈還田量為5 250 kg/hm2時，氮肥減少10%(17.2

kg/hm2)，水稻產量增加顯著[55]。對于雙季稻而言，研究結果略有差異，秸稈還田下減量施氮會造成早稻產量和雙季稻總產量下降，而對晚稻產量無顯著影響[56]。另外，不同水稻品種在減氮條件下也呈現出不同的產量效應[57]。除此以外，不同輪作模式下減量施氮也會影響水稻產量。在太湖地區，喬俊等以肥料效應函數法為指導研究了輪作模式及減量施氮對水稻產量的影響，結果表明，在單一輪作模式下，從氮肥減量50%(135 kg/hm2)至常規施氮處理100%(270 kg/hm2)水稻產量差異不顯著[3,58-59]，這可能是因為當地土壤養分供應較強，養分投入不再是增加產量的限制因素[60]。而在3種不同輪作模式下(紫云英+水稻、黑麥草+水稻及冬季休閑+水稻)，減氮施肥對水稻產量有一定的影響，即紫云英+水稻模式下減氮55%(150 kg/hm2)可達到高產目標[58]。

設施農業作為一種現代集約化的生產方式，可以通過人為調節控制環境條件，滿足蔬菜的生長需要[61]。鑒于其強大的市場需求和經濟刺激，設施農業在全球得到了迅速發展[62-64]。但是由于設施農業長期大量使用化肥，土壤理化性狀和生物學性狀發生退化[65-66]，這對土壤環境質量和農產品安全產生了不利影響，嚴重威脅到土壤、作物和水體環境安全，影響了設施農業的可持續發展，設施菜地減量施肥已迫在眉睫。

由于不同地區農民施氮習慣和用量不同，減量施氮的程度也有所不同，以壽光為例，當地部分農民習慣施氮量達到1 000 kg/hm2，將氮肥用量減少50%并結合調節土壤碳氮比和滴灌能顯著增產，達到14 428 kg/hm2[67]。在安徽巢湖地區，當地農戶習慣施氮量為339 kg/hm2，氮肥用量減少15%并配施氨基酸水溶肥料和微肥對番茄有很好的增產效果，增產達22 872 kg/hm2[68]。對于甘藍而言，在該地區將氮肥減量30%(321.8 kg/hm2)的基礎上適當施加微量元素肥料也不會影響甘藍產量[69]。上述研究只考慮了氮肥用量對蔬菜產量的影響，而高產未必保證高質量，這是因為蔬菜中硝酸鹽含量會隨著施氮量的增加而增加[70]，并且過量施氮也會影響蔬菜產量[71]。Vieira等研究表明，將氮肥用量降至200 kg/hm2時，亦可兼顧蔬菜的產量和品質[72]。

如前文所述，稻草還田能增加土壤肥力[73]，當還田量為5 010 kg/hm2時，氮肥施用量減少10%(270 kg/hm2)，馬鈴薯產量無顯著下降[74]。除了稻草和微肥，用有機肥替代化肥或者增施生物菌肥也能達到很好的效果，以大蔥為例，將氮磷鉀總養分控制在300 kg/hm2的基礎上施加有機肥或者噴施葉面肥不會造成大蔥減產[75]。對于其它蔬菜而言，在常規施氮水平下，氮肥減量10% ～ 20%并配施生物菌肥，亦可提高胡蘿卜、花椰菜產量，并改善其品質[76]。

當氮肥的施用量超過作物吸收能力和土壤固持能力后，多余的氮就會隨灌溉水和降水流失進入河流，導致水體富營養化；或淋溶至土壤深層，導致地下水污染；或經氨揮發、反硝化等途徑污染大氣。而適當減量施氮不僅能保證蔬菜和糧食作物的產量，而且也有利于減少過量施氮對生態環境的危害[77]。 在養分淋溶方面，減量施氮可降低硝酸鹽淋失量。在連續減氮的麥田中(180

kg/hm2)，0 ～ 200 cm土層含量與農民習慣處理相比顯著下降[78]，而進一步的研究表明，通過改變麥田耕作模式同樣能降低淋溶[79]。在玉米田中，用沼渣或者畜禽糞便替代氮肥可顯著降低0 ～ 60 cm土層含量[80]，同時采用交替或者隔溝灌溉，可進一步降低淋溶[81]。此外，在減量施氮的基礎上改進施肥技術亦能降低淋失量，如添加微量元素，蔬菜可以更好地吸收土壤養分，此項技術可使土壤淋失量減少65.7%[82]。

在控制養分流失方面，減量施氮效果同樣顯著。李恩堯等研究了洞庭湖紅壤坡地減量施肥對玉米地徑流氮的影響，結果表明，減量施氮可使氮的徑流量減少了12.5% ～ 28.7%[83]，這與段然等的研究結論一致[84]。除此以外，在減量施氮的基礎上配合節水灌溉，氮流失量可降低3.1% ～ 48.0%[85]。與旱地相比，水稻田更容易發生養分流失，而減量施氮也能降低氮流失量。如在稻田氮肥用量減少20%～30%時，氮年度累計流失負荷較常規施肥處理可下降6% ～ 53%[86]，這在長期定位試驗中表現的更為明顯[87]。

減量施肥不僅降低養分流失和淋溶，而且能減少氨揮發和溫室氣體的排放[88-89]。在稻田生態系統中，氮肥減量22% ～ 44%可降低氨揮發損失20% ～ 35%[90]，并且長期保持淹水狀態可顯著降低N2O排放[91]。在小麥-玉米輪作系統中，氮肥減量后移處理N2O排放量比習慣施肥處理減少40%和50%[92]。除減少氮肥用量外，用畜禽糞便替代氮肥也能顯著降低N2O排放[93]。此外，減氮施肥還能影響稻田CH4的釋放，施氮量為200 kg/hm2時，其CH4排放量分別比施氮量為270 kg/hm2處理減少4% ～ 31%[94]。可以看出，減量施氮對控制氨揮發和溫室氣體排放效果顯著。

綜上所述，氮肥減量施用技術雖然在保證作物高產和兼顧環境友好方面取得了一定的進展，但是由于部分地區土壤較高的養分供應水平以及以大氣沉降、灌溉等形式的氮素投入削弱了因氮肥減量造成的產量下降，長期減量施肥條件下，農作物產量是否穩定還需進一步的研究。而長期定位試驗雖然可以得到更可靠的試驗結果，但是，由于常年種植某類作物致使土壤微生物群落結構發生變化，使有害病菌成了優勢群體，導致作物發病，發生連作障礙現象。從前人的結果可以看出，在適當減氮的基礎上配施微肥、有機肥、菌肥及改變水肥管理模式或輪作模式等可降低連作障礙的發生幾率，因此，建議在進行長期減量施肥定位試驗時應當考慮適宜的輪作制度和水肥管理模式，同時探索適合我國國情的農田最佳施肥管理模式。此外，目前的減量施肥技術研究多局限于田塊尺度，缺乏區域層面的研究，而這需要結合地區農業生產發展、自然狀況、經濟和社會條件，綜合分析區域內作物生產的發展變化和結構特征，以便準確評估減量施肥所帶來的經濟、社會和生態價值。

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