氮肥投入已成为现代农业增产必不可少的措施之一^{[1, 2, 3]}。然而，大量研究表明^{[4, 5, 6, 7, 8]}，作物产量并不随氮肥用量的增加而一直增加，当施氮量超过一定范围后，产量不再增加甚至降低，而氮肥各种途径的损失量却显著增加，进而造成资源浪费和氮素环境污染问题。可见，确定一个兼顾作物产量和环境效应的适宜氮肥用量意义重大。目前，围绕农田适宜施氮量的问题国内外已开展了大量的研究^{[9, 10, 11, 12, 13]}。一些地广人稀的西方发达国家可以通过降低氮肥用量，不惜牺牲部分产量来减轻氮肥施用对环境压力。然而，这样的措施对于当下人口与耕地矛盾日益突出的中国早已失去了借鉴意义。为保障我国粮食安全，在未来较长一段时间内将会继续依靠大量化肥投入增加作物产量^{[1, 3, 14]}。关于施氮与作物产量的关系，即氮肥农学效益问题，国内外已经形成了较为统一的认识。普遍认为，作物产量与施氮符合报酬递减律，并尝试利用二次抛物线、线性+平台和二次式+平台等模型^{[9, 15]}模拟作物产量随施氮量的变化趋势。对于氮肥的损失问题，国内外也开展了大量氨挥发^{[16, 17]}、硝化-反硝化N₂O排放^{[18, 19]}和淋溶损失^{[16, 20]}等方面的研究，基本查明了主要农田生态系统中各损失途径的数量、比例及其与氮肥用量的关系^[21]。但这些研究多集中在华北平原小麦/玉米和南方水稻作物上。关中平原是陕西省乃至中国重要的小麦、玉米等粮食作物的生产基地，然而结合本地区气候特征、土壤类型和种植制度等开展的适宜氮肥用量研究偏少，且多为单季试验。鉴于此，本文通过玉米-小麦-玉米连续3季作物试验，阐述了该地区作物产量对不同施氮水平的响应及其环境效应，旨在为当地农民氮肥优化管理提供一定理论依据。

试验于2011年6月—2012年10月在陕西杨凌西北农林科技大学农作三站进行。试验站地处关中平原西部，年均气温13℃，年均蒸发量993 mm，年均降水量550—650 mm，且多集中在7—9月份，无霜期184—216 d，属暖温带半湿润偏旱气候。实行冬小麦-夏玉米轮作的一年两熟制。第1季夏玉米于2011年6月16日播种，2011年10月13日收获。第2季冬小麦于2011年10月16日播种，2012年6月8日收获。第3季夏玉米于2012年6月10日播种，2012年10月12日收获。供试土壤为当地典型土壤类型-塿土。试验开始前测得耕层土壤基础理化性状为：有机质15.0 g/kg，全氮0.91 g/kg，速效磷4.5 mg/kg，速效钾142.7 mg/kg。0—100 cm土体各层次(以20 cm计)的土壤容重分别为1.481、1.589、1.586、1.467和1.511 g/cm³，100 cm土层以下均以1.511 g/cm³计算。0—200 cm矿质氮(硝态氮和铵态氮之和)含量分别为43.2、31.7、23.6、25.3、31.7、30.4、24.9、20.2、22.8和25.4 kg/hm²。

试验选取土壤肥力均一、灌溉便捷、区域代表性较强的田块进行。按不同施氮梯度共设6个处理，3次重复，共计18个小区，小区面积5 m×6 m，田间完全随机排列。各处理依次用代号N0、N1、N2、N3、N4和N5表示。小麦季各处理施氮量(以纯N计)依次为0、113、150、188、225和300 kg/hm²，施磷量(以P₂O₅计)均为120 kg/hm²，不施钾。玉米季施氮量各处理依次为0、135、180、225、270和360 kg/hm²，施磷量和施钾量(以K₂O计)各处理一致，分别为40 kg/hm²和120 kg/hm²。小麦、玉米品种分别为小偃22和郑单958。氮肥用尿素(含N 46%)，磷肥用普通过磷酸钙(含P₂O₅ 12%)，钾肥用氯化钾(含K₂O 60%)。小麦季磷肥和40%氮肥在播前一次性撒施，然后翻耕入土，另60%氮肥于返青后拔节前追施。玉米季磷、钾肥在5叶期施入。氮肥分2次施，50%于5叶期施入，另50%于喇叭口期追施。灌溉、除草等其他田间管理措施参照当地农民习惯进行。

试验开始前在保护行内挖 0—100 cm土壤剖面，采用环刀法测定每20 cm土层的土壤容重，并在试验小区内部按“S”形路线采集混合土样，测定基础养分含量。第1季和第3季玉米收获时，分0—20 cm、20—40 cm、…、180—200 cm共10个层次采集土样。各小区随机采集5个点，按层次混匀，制成混合样，然后立即带回实验室冷冻保藏(-20℃)。一周内测定含水量、NO^-₃-N和NH⁺₄-N。含水量采用常规的烘干法测定。NO^-₃-N和NH⁺₄-N测试当天将土样混匀后过2 mm筛，用0.01 mol/L CaCl₂浸提，然后采用cleverchem200间断化学分析仪测定。

冬小麦收获时，采收一定面积(5 m×3 m)的小麦样品带回，风干、脱粒，分籽粒和秸秆两部分称量其干重，然后以采样面积折算生物量。夏玉米收获时，所有小区分穗和秸秆两部分全部收获，分别称量秸秆和穗鲜重。然后各小区随机取20个玉米穗和部分秸秆带回。风干后脱粒，然后称量干重，以小区总鲜重折算生物量。小麦和玉米植株样品的制备分籽粒和秸秆两部分进行，将小麦和玉米样品烘干、粉碎、混匀，然后用浓H₂SO₄-H₂O₂消解，采用凯氏定氮法测定籽粒和秸秆的氮含量。

试验数据绘图和统计分析分别采用Excel 2007和SAS 9.1软件进行，多重比较采用Duncan法，差异显著性水平P=0.05。分析过程所用的计算公式如下^{[6, 24, 25]}：

累计 氮肥农学效率(kg/kg)=(施氮区累计产量－对照区累计产量)/累计氮肥投入

累计氮肥生理利用率(kg/kg)=(施氮区累计产量－对照区累计产量)/(施氮区累计吸氮量－对照区累计吸氮量)

累计氮肥表观利用率(%)=(施氮区累计吸氮量－对照区累计吸氮量)/累计氮肥投入×100

累计氮肥吸收效率(kg/kg)=施氮区累计吸氮量/累计氮肥投入

累计氮肥偏生产力(kg/kg)=施氮区累计产量/累计氮肥投入

残留N_min(以20 cm分层计算)(kg/hm²)=20×土壤容重×N_min浓度/10

氮素表观矿化量(kg/hm²)=对照区作物吸氮量+对照区收获后残留N_min－对照区播前N_min氮素表观损失量(kg/hm²)=氮素总投入－作物氮素吸收－土壤残留N_min

氮肥表观残留率(%)=(施氮区土壤残留N_min－对照区土壤残留N_min)/施氮量×100

氮肥表观损失率(%)=100－氮肥表观利用率－氮肥表观残留率

不同施氮水平对小麦-玉米轮作体系连续3季作物产量的影响如表 1所示。结果表明，适量施氮 可以显著提高作物产量。随着氮肥用量的增加，不同年份作物产量并不按比例相应增加，而是呈现报酬递减的规律，甚至表现为先增加后降低的趋势。由于2012年玉米种植适当增加了密度，由2011年约3300株/666.7m²(株距34 cm，行距60 cm)增加至约4000株/666.7m²(株距28 cm，行距60 cm)，各处理产量明显高于2011年，但不同年份处理间玉米产量对施氮的响应规律是一致的。结合方差分析可知，小麦施N 150 kg/hm²、玉米施N 180 kg/hm²时(N2)，连续3 .季作物均能获得相对较高的产量(6729 kg/hm²、8518 kg/hm²和8218 kg/hm²)，较对照处理N0的增幅依次为6.3%、28.1%和17.7%(P＜0.05)。施氮量过高或过低在一定程度上都会存在减产的风险。

不同施氮水平对玉米-小麦-玉米连续3季作物累计氮素吸收和利用的影响如表 2所示。结果显示，施氮能显著提高作物地上部氮素吸收量，较对照处理N0的增幅为27.1%—36.2%(P＜0.05)。随着处理氮肥用量的增加，作物累计氮素吸收量呈先增加后降低的趋势，N3最大，为757.8 kg/hm²，显著高于N1(P＜0.05)，其他施氮处理间差异不显著。为了衡量与评价不同施氮水平对作物氮素吸收利用的影响，特选取5个国内外较为常用的评价指标，进行了3季作物的累计计算，公式见1.4。回归分析显示，随着氮肥用量的增加，累计氮肥农学效率和氮肥表观利用率呈显著的线性降低趋势，回归方程依次为：y=－0.0083x＋10.536(R²=0.9365^*)和y=－0.0393x＋55.819(R²=0.9845^*)。但部分处理间差异不显著，这可能与处理氮水平差异设置的大小有关。累计氮肥吸收效率和氮肥偏生产力同样呈显著的线性降低趋势，回归方程依次为：y=－0.0018x＋2.3997(R²=0.9499^*)和y=－0.0572x＋76.607(R²=0.9228^*)，且处理间差异达到了5%的显著性水平。累计氮肥生理利用率变化不明显。

2011年和2012年玉米收获后土壤剖面0—200 cm土层NO^-₃-N的累积与分布如图 1所示。由图可知，随着土层深度的增加，2011年各处理NO^-₃-N累积量均表现为先降低后增加的趋势。0—20 cm土层累积量较高，20—80 cm土层累积量较低，80 cm土层以下累积量又逐渐增加，至180—200 cm土层仍有大量NO^-₃-N累积。同一土层内，NO^-₃-N累积量随施氮量的增加而增加，但施氮处理间差异不显著，100 cm土层以下施氮处理的NO^-₃-N累积量显著高于对照处理(P＜0.05)。经过连续两季作物的种植，2012年玉米收获后，各处理0—200 cm土层NO^-₃-N分布与累积较2011年变化明显。随着剖面深度的增加，NO^-₃-N累积量呈先增加后降低的趋势，施氮处理在80—100 cm土层有一累积峰。与2011年相比，N0和N1处理0—200 cm土层NO^-₃-N累积量分别降低了30.2 kg/hm²(20.0%)和21.3 kg/hm²(9.6%)，而N2、N3、N4和N5处理却依次增加了51.4 kg/hm²(22.0%)、120.5 kg/hm²(49.1%)、168.4 kg/hm²(68.0%)和268.3 kg/hm²(93.1%)。除表层外，同一土层内NO^-₃-N累积量处理间差异明显，处理施氮量越大，相应NO^-₃-N累积量越大。

图 1 不同施氮水平对玉米收获期0—200 cm土层硝态氮分布与累积的影响 Fig. 1 Effect of N fertilizer rate on nitrate distribution and accumulation in the 0—200 cm depth at maize harvest

图选项

土壤-作物系统0—100 cm土层的氮素表观平衡(3季作物)如表 3所示。氮素输入项包括氮肥投入、试验前0—100 cm 土层矿质氮残留和有机氮的表观矿化。氮素输出项包括作物收获携出、试验后0—100 cm 土层矿质氮残留和氮素表观损失。结果表明，3季作物累计氮素吸收量为556—758 kg/hm²，随氮素输入量增加，表现为先增加后降低趋势，而矿质氮残留、表观损失和氮盈余却显著增加(P＜0.05)。当忽略氮肥施用的激发效应时，根据对照处理3季作物的氮素累计吸收量(556 kg/hm²)和作物收获前后0—100 cm 土层矿质氮残留的净变化(-90 kg/hm²)计算得3季作物土壤有机氮的表观矿化量为466 kg/hm²。除肥料氮外，起始N_min和矿化氮总和已高达622 kg/hm²，可占作物氮素吸收量的82.1%—111.8%。各处理氮肥表观利用率的变幅为15.6%—39.3%，随氮素投入量增加而显著降低，氮素残留在低量施氮时(N1、N2)显著增加，在高量施氮时(N3、N4和N5)变化不明显，而氮素表观损失和损失率在低量施氮时变化不明显，在高量施氮时却显著增加(P＜0.05)。

为了寻求协调作物高产和环境保护的适宜氮肥用量，现以3季作物的累计产量作为产量指标，以氮肥表观损失和氮肥累计利用率作为环境指标进行多曲线分析(图 2)。结果表明，施氮处理作物累计产量介于22.3—23.5 t/hm²之间，显著高于对照处理N0(P＜0.05)，增幅为11.5%—17.5%。随着氮肥用量的逐渐增大，作物累计产量表现为先增加后降低的趋势，但施氮处理间差异不显著。低量施氮时，N1和N2处理相比，二者累计产量分别为22.8 t/hm²和23.5 t/hm²，无显著差别。二者氮肥表观损失和表观利用率分别为180 kg/hm²和226 kg/hm²、39.3%和37.3%，亦无显著差别。土壤氮水平方面，N2处理试验前后0—100 cm土层矿质氮累积量变化不明显(156 kg/hm²和160 kg/hm²，表 3)，能维持该土层土壤矿质氮储量的基本稳定。然而，N1处理0—100 cm土层矿质氮累积量却较试验前减少了24.4%，矿质氮储量出现了一定的亏损，试验继续下去可能会存在减产的风险。高量施氮时，与N2处理相比，N3、N4和N5处理氮肥投入量依次增加了25%、50%和100%，而作物累计产量差异均不显著。同时，氮肥表观损失分别增加了33%、83%和179%，氮肥表观利用率降低了15%、33%和58%，0—100 cm土层矿质氮累积量也较试验前明显增加，分别为201 kg/hm²、226 kg/hm²和297 kg/hm²，这无疑增加了其潜在损失量。

图 2 作物累计产量、累计氮肥利用率、氮肥表观损失与施氮量的关系 Fig. 2 Relationships among cumulative crop yield,cumulative N fertilizer use efficiency,apparent N loss,and N fertilizer rate 图中不同标记字母表示三级作物产量的差异达到了5%的显著性水平

图选项

化肥已成为现代农业重要的生产资料，其对粮食增产的贡献率高达50%左右^[2]，其中氮肥又起着举足轻重的作用^[22]。然而，在农田生产中，随着氮肥用量的增加，作物产量并不是成比例增加，而是呈现报酬递减的规律或不增加^{[7, 23, 24, 25, 26]}。本研究结论与此一致，连续3季大田试验初步表明，适量施氮(小麦：150 kg N/hm²，玉米：180 kg N/hm²)时，不同年份作物均可获得相对较高的产量，小麦为6729 kg/hm²，玉米为8368 kg/hm²(两年平均)。当小麦季和玉米季的氮肥用量继续增加时，作物产量不再增加，甚至有降低的趋势。同时，3季作物累计产量随施氮量的增加也表现出相同的规律。可见，单从作物产量方面来看，过量的氮肥投入是无益的。

氮肥利用率是评价氮肥施入土壤后被作物吸收利用效率的常用指标，但它受土壤性质、作物品种、氮肥种类、施氮量、施肥深度、肥料配比和土壤供肥能力等因素的综合影响^{[27, 28]}，变幅较大。考虑到小麦-玉米轮作体系作物对氮素吸收利用的转移和叠加效应，选用5个国内外评价氮肥利用状况的常用指标，计算了3季作物对氮肥的累计利用效率。结果显示，除生理利用率变化不明显外，其他4个指标均随施氮量的增加呈显著的线性降低趋势(P＜0.05)。本研究结果与隽英华等^[24]、石玉和于振文^[7]等的研究结果一致。由此说明，无论从氮素吸收、转运和利用各个角度去衡量(各评价指标的本质含义)，其结论是一致的，即作物对氮肥的利用效率随氮肥用量的增加而降低。

有研究显示，土壤不同层次残留硝态氮的作物有效性随着土层深度增加而显著降低^[29]，小麦和玉米根系可以利用0—100 cm土层的硝态氮，而难以利用100 cm土层以下的硝态氮^[30]。因此，本试验将土壤-作物系统氮素表观平衡定义到0—100 cm土层范围内计算，即作物根系对养分的主要吸收区域。结果表明，随着氮肥用量的增加，低量施氮时(N1、N2)，氮素残留显著增加，表观损失和损失率变化不明显。而在高量施氮时(N3、N4和N5)，残留变化不明显，而表观损失和损失率却显著增加。N3、N4和N5处理的表观损失率分别高达47.1%、54.1%和61.7%，这无疑增大了对环境的压力。

本试验条件下，2012年玉米收获后100—200 cm土层内仍有大量矿质氮累积，施氮处理矿质氮累积量的变幅为83.5—259.2 kg/hm²。回归分析显示，该土层矿质氮累积量和氮肥用量密切相关，随施氮量的增加呈指数形式快速增加(y=53.696e^0.0016x,R²=0.9707^*)。说明施氮量越高，矿质氮在该土层的累积量越大，累积量占施氮量的比例也越大。进一步，相关性分析表明，100—200 cm土层累积的矿质氮和氮肥表观损失也表现出显著的线性相关关系(y=2.8478x－125.56,R²=0.9663^*)，占损失量的比例各处理高达41.2%—55.9%，说明矿质氮在土壤较深层次累积(100—200 cm)是氮肥表观损失的重要途径之一。因此，在一定程度上可将100—200 cm矿质氮残留量作为衡量氮肥表观损失程度的指标。因为这些氮素难以再被作物吸收利用^[30]，其最终结果无疑是被多年的降雨淋洗至更深土层，或通过其他途径损失。

最后需要指出的是，由于本研究作物种植仅经历了玉米-小麦-玉米3季作物，且是单点试验，试验结果的代表性和说服力略显单薄，一个地区农田适宜氮肥用量的确定可能需要多年、甚至多点的田间试验为基础，所以本试验的结果还需后续研究进一步验证和探讨。

在连续3季作物试验结果的基础上，综合考虑不同施氮水平的产量效应和环境效应，小麦季施氮150 kg/hm²、玉米季施氮180 kg/hm²时，作物即能获得相对较高的产量(小麦：6729 kg/hm²，玉米平均：8368 kg/hm²)和累计氮肥利用率(37.3%)，且能维持作物收获前后0—100 cm土层土壤矿质氮库的基本稳定，保证了作物增产的相对可持续性。同时，氮肥表观损失和损失率也可将降至相对较低水平(表观损失量226 kg/hm²，表观损失率44.2%)。因此可初步作为陕西关中平原兼顾作物产量和环境效益的农田氮肥适宜用量。