Effects of optimized fertilization on yield, nutrient balance, and eco-environmental benefits in wheat-maize rotation system
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摘要: 小麦-玉米轮作是华北平原主要的种植模式, 对保障我国粮食安全起着关键作用。本文系统研究了不施肥(CK)、优化施肥(OPT)和农户习惯施肥(FP)方式连续8年对小麦-玉米轮作体系产量、养分平衡、温室气体排放和经济效益的影响。结果表明, 小麦季、玉米季和周年轮作中, OPT较FP产量分别提高4.3%、5.3%和4.8%; 氮肥偏生产力分别提高39.1%、31.7%和35.9%; 磷肥偏生产力分别提高39.1%、40.4%和39.8%; 钾肥偏生产力分别降低47.8%、47.3%和47.6%; 温室气体排放量分别降低21.7%、21.1%和21.4%; 温室气体排放强度分别降低27.0%、27.5%和27.3%; 净收益分别提高11.2%、11.4%和11.3%, 农业生产成本分别降低3.7%、2.1%和3.1%, 环境修复成本分别降低28.4%、17.3%和22.1%。周年轮作中, OPT较FP氮素盈余量降低105 kg·hm−2 (46.3%); 磷素盈余量降低48 kg·hm−2 (53.3%); 钾素从亏缺1 kg·hm−2变为盈余59 kg·hm−2, 满足了作物生长需求。连续8年, OPT较FP土壤有机质含量提高5.3%, 速效钾提高12.3%, 有效磷降低27.8%。综上所述, 与农户习惯施肥(FP)相比, 优化施肥(OPT)具有高产、高收益以及环境友好的优势, 为华北平原小麦-玉米轮作体系高效绿色生产提供了科学依据。Abstract: The wheat-maize rotation system in the North China Plain is the main planting pattern that plays a key role in ensuring food security in China. An 8-year positioning experiment with a randomized block design was performed, comprising three treatments: no-fertilizer application control (CK), optimized fertilizer (OPT), and farmers’ practices (FP). The experiments analyzed the effects of OPT and FP on the yield, nutrient balance, greenhouse gas emissions, and economic benefits of the wheat-maize rotation system. The results showed that the yields of OPT increased by 4.3%, 5.3%, and 4.8% compared to FP in wheat, maize, and year-round rotation, respectively. Accordingly, the partial factor productivity of N increased by 39.1%, 31.7%, and 35.9%, respectively. The partial factor productivity of P increased by 39.1%, 40.4%, and 39.8%, respectively. The partial factor productivity of K was reduced by 47.8%, 47.3%, and 47.6%, respectively. The greenhouse gas emissions were reduced by 21.7%, 21.1%, and 21.4%, respectively. The greenhouse gas emission intensity was reduced by 27.0%, 27.5%, and 27.3%. Net profits increased by 11.2%, 11.4%, and 11.3%, respectively. Agronomy costs were reduced by 3.7%, 2.1%, and 3.1%, respectively. The environmental costs were reduced by 28.4%, 17.3%, and 22.1%, respectively. Compared with the FP treatment, the year-round OPT treatment reduced the surplus of nitrogen by decrement of 105 kg·hm−2, i.e., 46.3%. The surplus phosphorus was reduced by 48 kg·hm−2 i.e., 53.3%. The surplus of K of OPT and FP was 59 kg·hm−2 and −1 kg·hm−2, respectively. OPT met the requirements of crop growth better than FP. At the end of 8 years of wheat-maize rotation, the soil organic matter content in OPT treatment increased by 5.3% compared to that in FP. Compared to that of FP, available K increased and P reduced by 12.3% and 27.8%, respectively. In conclusion, compared with FP treatment, OPT treatment has the advantages of high yield, high profit, and environmental friendliness. Therefore, this study provides a scientific basis for the efficient and green product.
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华北平原是我国重要的粮食产区, 对保障我国粮食安全具有重要意义。该区耕地面积为2340万hm2, 约占我国耕地总面积的18%[1], 生产了全国45%的小麦(Triticum aestivum)和32%的玉米(Zea mays)[2]。冬小麦-夏玉米轮作是华北平原主要种植制度, 但农民为了高产往往盲目大量施用化肥, 不但增加了农业生产成本, 降低了经济效益, 还引发一系列环境问题, 如农田温室气体排放增加、土壤酸化、水体富营养化等[3-5]。因此, 探索优化施肥制度、降低温室气体排放、平衡土壤养分和培肥地力是缓解华北平原农业经济和生态环境问题的重要途径。
优化施肥可以改善作物养分吸收, 保障作物生长发育, 提高作物产量[6]。大量研究表明, 与农户习惯施肥相比, 优化施肥可以使小麦增产5.9%~8.8%[7], 玉米增产6.5%~9.8%[8]。长期定位试验结果表明, 施肥量与产量之间为抛物线关系, 玉米产量在中量施肥时显著高于低量施肥和高量施肥[9]。优化施肥有助于稳产高产, 在保证作物养分需求供给的同时减少土壤氮素残留, 维持土壤养分平衡。优化施肥较农户习惯施肥土壤氮素盈余可以降低24%~44%[10]。化肥的投入会增加农田温室气体的排放, 特别是氮肥的投入。研究表明农田温室气体排放中, 氮肥的贡献率达50%[11]。Bhandari等[12]研究表明, 减施氮肥较农户习惯施肥小麦季N2O累计排放量显著降低27%。优化施肥是将农民传统大量盲目施肥变为科学合理施肥, 通过优化和减少施肥量, 减少农田温室气体排放, 并进一步减缓温室气体排放对人类身体健康的危害[13]。目前, 诸多学者在研究施肥方式对环境效应和经济效益的影响时, 主要利用籽粒产值与农业生产成本计算经济效益, 忽略了环境修复所花费的成本。因此, 本研究基于8年长期定位试验, 综合比较优化施肥与农户习惯施肥对小麦-玉米轮作体系的产量、土壤养分平衡、温室气体排放及经济效益的影响, 旨在为华北平原地区小麦-玉米轮作体系稳产增收和绿色发展提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 试验地概况
本试验于2013年10月至2021年7月在河北省石家庄市藁城区马庄良种示范场(115°15ʹE, 37°51ʹN, 海拔51 m)进行。该地区属于暖温带半湿润大陆性季风气候, 年均降水量约500 mm, 年平均气温12.5 ℃, 无霜期约190 d。该区主要种植模式为小麦-玉米一年两熟制。试验地土壤为石灰性褐土, 试验初期耕层土壤理化性质为: 有机质12.8 g·kg−1, 全氮1.1 g·kg−1, 有效磷18.5 mg·kg−1, 速效钾102.5 mg·kg−1, pH 8.0。
1.2 试验设计
试验设置3个处理, 分别是不施肥(CK)、优化施肥(OPT, 依据“大配方小调整”施肥策略[14-15], 并参考当地推荐施肥方案制定)和农户习惯施肥(FP, 依据当地调查的农民常年施肥量确定), 每个处理4次重复, 共计12个小区, 小区面积56 m2, 随机区组排列。各处理施肥量如表1所示, 供试肥料为尿素(含N 46%)、重过磷酸钙(含P2O5 43%)、氯化钾(含K2O 60%)。小麦季, 磷钾肥一次性底施, 氮肥60%底施, 40%于拔节期追施; 玉米季, 氮磷钾肥均一次性底施。小麦-玉米轮作中两季秸秆均全部还田。小麦于每年10月中旬播种, 次年6月上旬收获; 2013—2015年品种选用‘石新828’, 2016—2017年品种选用‘藁优2018’, 2018—2021年品种选用‘济麦22’, 播种量225 kg·hm−2。玉米于每年6月中旬播种(灭茬免耕播种), 当年9月末10月初收获, 玉米品种选用‘郑单958’, 播种密度67 500株·hm−2 (行距60 cm, 株距24.7 cm)。在水分管理方面, 各处理灌溉措施和灌水量一致, 采用漫灌方式。小麦生长季中灌溉2~3次, 分别为苗期(“冻水”, 每年11月中旬进行, 视土壤墒情确定灌溉量)、拔节期(追施尿素后灌溉, 30~50 mm)和灌浆期(20 mm); 玉米季播种后, 立即灌溉出苗水75 mm, 之后生育期内不灌水。各处理间病虫草害防治等管理措施一致。
表 1 不同处理的施肥量Table 1. Fertilization rates of the different treatments处理
Treatment小麦 Wheat 玉米 Maize N P2O5 K2O N P2O5 K2O kg·hm−2 1.3 样品采集与测定
每年小麦收获时, 每小区取2 m2地上部样方, 风干、脱粒后测产。同时每小区选取1 m双行地上部样品, 分部位烘干后测定养分含量。玉米收获时, 各小区选择长势均匀的10 m2玉米穗并称鲜重, 从中随机抽取10穗带回实验室, 风干后测产。同时随机选取3株完整小麦、玉米植株, 分部位烘干后测定养分含量。植株样品用H2SO4-H2O2消解, 采用凯氏定氮法测定全氮, 钼锑抗比色法测定全磷, 火焰光度计法测定全钾[16]。
每年玉米收获后, 在各小区采用梅花点法选取5个0~30 cm土壤样品, 混合为一个样品, 风干后测定养分含量。土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定, 速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定, 土壤有机质采用重铬酸钾油浴容量法-外加热法测定[16]。
1.4 数据计算
1.4.1 产量相关指标
$$ \begin{split} &\qquad 产量稳定性指数({\rm{stability}}\; {\rm{index}}, {\rm{SI}}) = 产量标准差/\\ &平均产量 \end{split} $$ (1) $$ \begin{split} &\qquad 产量可持续性指数({\rm{sustainable}}\; {\rm{yield}}\; {\rm{index}}, {\rm{SYI}})=\\ &(平均产量-产量标准差)/最高产量 \end{split} $$ (2) $$ 偏生产力({\rm{kg}}\cdot {\rm{kg}}^{-1})=产量/施肥量 $$ (3) SI越小, 则产量稳定性越好; SYI越大, 则产量可持续性越好; 偏生产力数值越大, 则化肥增产效益越高。
1.4.2 养分平衡
$$ \begin{split} &\qquad 氮(磷、钾)平衡({\rm{kg}}\cdot {\rm{hm}}^{-2})=养分投入量-作物\\ & 携出量 \end{split} $$ (4) 其中, 养分投入仅包括化肥施入量和由秸秆还田带入的养分, 不考虑降水、灌溉、大气沉降等带入的养分; 养分携出仅包括作物因收获而带出的养分。
1.4.3 温室气体排放
$$ {\rm{CO}}_{2} [{\rm{kg}} ({\rm{CO}}_{2} \,{\rm{eq}})\cdot {\rm{hm}}^{-2}]=\sum (T_{{{i}}} \times {\rm{EF}}_{{{i}}} ) $$ (5) $$ {\rm{N}}_{2}{\rm{O}} [{\rm{kg}} ({\rm{CO}}_{2} \,{\rm{eq}})\cdot {\rm{hm}}^{-2}]=({\rm{N}}_{2}{\rm{O}}_{直接}+{\rm{N}}_{2}{\rm{O}}_{间接})\times 44/28 $$ (6) $$ {\rm{GHG}}[{\rm{kg}} ({\rm{CO}}_{2} \,{\rm{eq}})\cdot {\rm{hm}}^{-2}]={\rm{CO}}_{2}+{\rm{N}}_{2}{\rm{O}}\times 298 $$ (7) $${\rm{ GHGI}} [{\rm{kg}} ({\rm{CO}}_{2} \,{\rm{eq}})\cdot {\rm{t}}^{-1}]={\rm{GHG}}/产量\times 1000 $$ (8) 式中: Ti为第i种农资产品的投入量, EFi为第i种农资产品的碳排放系数(具体数值如表2所示), 44/28为N与N2O的转换系数, 298为N2O在100年尺度上的相对全球增温潜势, GHG表示温室气体排放量, GHGI表示温室气体排放强度。
表 2 投入农业生产资料及氮损失的碳排放系数Table 2. Carbon emission factors of different agricultural materials input and nitrogen loss项目
Item碳排放系数 Carbon emission factor 数据来源
Data source小麦 Wheat 玉米 Maize 氮肥 Nitrogen fertilizer 4.96 kg(CO2 eq)·kg−1 [17] 磷肥 Phosphorus fertilizer 1.14 kg(CO2 eq)·kg−1 [17] 钾肥 Potassium fertilizer 0.66 kg(CO2 eq)·kg−1 [17] 种子 Seed 1.22 kg(CO2 eq)·kg−1 [17] 农药 Pesticide 6.58 kg(CO2 eq)·kg−1 [17] 柴油 Diesel oil 3.44 kg(CO2 eq)·L−1 [17] 电力 Electricity 0.92 kg(CO2 eq)·kW·h−1 [17] NH3挥发 NH3 volatilization 2.69+0.069×N1) 7.98+0.099×N [18] NO3−淋溶 NO3− leaching 3.63×e0.0080×N 10.7×e0.0060×N [18] N2O直接排放 N2O directly emissions 0.50×e0.0032×N 0.99×e0.0047×N [18] N2O间接排放 N2O indirectly emissions 1%×NH3-N2)+1.1%×NO3−-N3) 1%×NH3-N +1.1%×NO3−-N [19] 1) N: 氮肥施用量; 2) NH3-N: NH3挥发; 3) NO3−-N: NO3−淋溶。1) N: application amount of nitrogen; 2) NH3-N: NH3 volatilization; 3) NO3−-N: NO3− leaching. 1.4.4 经济效益
$$ \begin{split} &\qquad 净收益(\text{¥} \cdot {\rm{hm}}^{-2})\,=\,籽粒产值\,-\,农业生产成本\,-\\ & 环境修复成本 \end{split} $$ (9) 式中: 农业生产成本包括肥料、种子、农药、灌溉、人力和机械燃油的成本之和。根据当地实际情况, 小麦和玉米售价分别为2.4 ¥·kg−1和2.0 ¥·kg−1。N、P2O5和K2O投入分别为3.58 ¥·kg−1、2.76 ¥·kg−1和3.79 ¥·kg−1, 小麦和玉米种子投入分别为3.0 ¥·kg−1和6.27 ¥·kg−1, 其他投入(灌溉、人力、机械燃油)分别为3851.51 ¥·kg−1和2693.99 ¥·hm−2。每一季作物农药投入为299.72 ¥·kg−1。环境修复成本包括NH3挥发、NO3−淋溶和N2O排放所造成的污染, 修复费用分别为37.41 ¥·kg−1、9.30 ¥·kg−1和83.36 ¥·kg−1[20]。
1.5 统计与分析
数据处理和统计分析分别用Excel与SPSS软件, 采用LSD法进行处理间显著性分析(P<0.05)。文中图表中的数据为平均值±标准误差。
2. 结果与分析
2.1 产量和偏生产力
2.1.1 产量及其稳定性
在2013—2021年的小麦季、玉米季和周年轮作中, OPT和FP较CK产量均增加(表3)。其中在周年轮作中, OPT和FP较CK增产达显著水平(P<0.05)。不同年份中, OPT较FP小麦产量提高55~748 kg·hm−2, 增幅为0.5%~12.8%, 年均增产349 kg·hm−2, 即4.3%。OPT较FP玉米产量提高20~1271 kg·hm−2, 增幅为0.3%~15.5%, 年均增产413 kg·hm−2, 即5.3%。OPT较FP周年轮作产量提高81~1536 kg·hm−2, 增幅为0.5%~9.8%, 年均增产762 kg·hm−2, 即4.8%。8年平均结果表明, OPT和FP较CK处理SI指数降低显著(P<0.05), 而SYI指数增加也达显著水平(P<0.05); OPT和FP的SI和SYI指数间差异不明显, SI均小于0.09, SYI均大于0.84, 说明施肥处理产量呈现稳定性变化且保持可持续发展。
表 3 不同施肥处理下小麦-玉米轮作体系的产量及其稳定性Table 3. Yields and yield stability of wheat-maize rotation system under different fertilizer treatments年份
Year处理
Treatment产量 Yield (kg·hm−2) 产量稳定性指数 Yield stability index 产量可持续性指数 Sustainable yield index 小麦
Wheat玉米
Maize周年
Year-round小麦
Wheat玉米
Maize周年
Year-round小麦
Wheat玉米
Maize周年
Year-round2013—2014 CK 7045±496b 6702±835b 13 747±1059b 0.14 0.25 0.15 0.76 0.64 0.74 OPT 8613±163a 8669±320a 17 282±379a 0.04 0.07 0.04 0.92 0.84 0.91 FP 7969±314ab 8073±385ab 16 042±80a 0.08 0.10 0.01 0.87 0.80 0.98 2014—2015 CK 5558±127b 6608±392c 12 165±471c 0.05 0.12 0.08 0.92 0.81 0.86 OPT 7795±296a 9455±299a 17 251±541a 0.08 0.06 0.06 0.84 0.86 0.86 FP 7530±106a 8184±362b 15 714±376b 0.03 0.09 0.05 0.93 0.82 0.91 2015—2016 CK 3301±278b 5690±333b 8992±600b 0.17 0.12 0.13 0.70 0.81 0.81 OPT 10 357±292a 7940±286a 18 297±434a 0.06 0.07 0.05 0.91 0.86 0.91 FP 10 302±285a 7523±377a 17 825±578a 0.06 0.10 0.06 0.89 0.93 0.88 2016—2017 CK 3272±122b 6179±427b 9450±462b 0.07 0.14 0.10 0.86 0.74 0.81 OPT 7729±417a 7631±278a 15 360±632a 0.11 0.07 0.08 0.79 0.84 0.82 FP 7332±241a 7113±353ab 14 446±544a 0.07 0.10 0.08 0.88 0.82 0.89 2017—2018 CK 2981±174c 6724±332a 9705±487b 0.12 0.10 0.10 0.79 0.85 0.85 OPT 6590±122a 7579±246a 14 169±240a 0.04 0.07 0.03 0.94 0.89 0.93 FP 5841±241b 7559±317a 13 401±367a 0.08 0.08 0.05 0.85 0.84 0.88 2018—2019 CK 3005±532b 7188±532a 10 193±522b 0.35 0.15 0.10 0.45 0.70 0.80 OPT 8031±483a 7356±388a 15 388±542a 0.12 0.11 0.07 0.78 0.83 0.84 FP 7663±160a 7195±417a 14 858±390a 0.04 0.12 0.05 0.91 0.79 0.92 2019—2020 CK 3297±438b 8036±433a 11 334±590b 0.27 0.11 0.10 0.55 0.79 0.81 OPT 8541±232a 9024±249a 17 565±468a 0.05 0.06 0.05 0.90 0.88 0.90 FP 8484±101a 9000±224a 17 484±201a 0.02 0.05 0.02 0.96 0.91 0.96 2020—2021 CK 3998±149b 7138±229a 11 137±308b 0.07 0.06 0.06 0.83 0.86 0.90 OPT 9370±326a 7609±188a 16 979±328a 0.07 0.05 0.04 0.86 0.90 0.92 FP 9111±242a 7312±316a 16 424±295a 0.05 0.09 0.04 0.90 0.83 0.92 年均
AverageCK 4057±268b 6783±188b 10 840±325b 0.16±0.03a 0.13±0.03a 0.10±0.01a 0.73±0.06b 0.78±0.03b 0.82±0.02b OPT 8378±214a 8158±159a 16 536±275a 0.07±0.01b 0.07±0.01b 0.05±0.01b 0.87±0.02a 0.86±0.01a 0.89±0.01a FP 8029±232a 7745±152a 15 774±280a 0.05±0.01b 0.09±0.01b 0.05±0.01b 0.90±0.01a 0.84±0.02a 0.92±0.01a 同列不同小写字母表示同一年度不同处理间差异显著(P<0.05)。Different lowercase letters in the same column mean significant differences among treatments for the same year (P<0.05). 2.1.2 偏生产力
在2013—2021年的小麦季、玉米季和周年轮作中, OPT较FP氮肥偏生产力和磷肥偏生产力均显著提高(P<0.05), 而钾肥偏生产力均显著降低(P<0.05)(表4)。8年平均结果表明, 在小麦季、玉米季和周年轮作中, OPT较FP氮肥偏生产力分别提高10.5 kg·kg−1、10.9 kg·kg−1和10.8 kg·kg−1, 增幅分别为39.1%、31.7%和35.9%; 磷肥偏生产力分别提高26.2 kg·kg−1、52.2 kg·kg−1和34.9 kg·kg−1, 增幅分别为39.1%、40.4%和39.8%; 钾肥偏生产力分别降低128.0 kg·kg−1、122.2 kg·kg−1和125.1 kg·kg−1, 降幅分别为47.8%、47.3%和47.6%。
表 4 不同施肥处理下小麦-玉米轮作体系的偏生产力Table 4. Partial factor productivity of wheat-maize rotation system under different fertilizer treatments年份
Year处理
Treatment氮肥偏生产力 Nitrogen partial factor productivity 磷肥偏生产力 Phosphate partial factor productivity 钾肥偏生产力 Potassium partial factor productivity 小麦
WheatP>T 玉米
MaizeP>T 周年
Year-roundP>T 小麦
WheatP>T 玉米
MaizeP>T 周年
Year-roundP>T 小麦
WheatP>T 玉米
MaizeP>T 周年
Year-roundP>T kg·kg−1 P>T为OPT和FP处理的配对法t检验结果。P>T is the probability of a significance of difference between OPT and FP based on paired t-test. 2.2 土壤养分平衡
2.2.1 土壤氮磷钾平衡
8年平均结果表明, CK处理氮素、磷素和钾素处于亏缺状态, 说明养分投入仅有作物秸秆时, 土壤无法满足作物对氮磷钾养分的需求(图1)。在小麦季、玉米季和周年轮作中, OPT和FP土壤氮素和磷素处于盈余状态, 其中OPT和FP氮盈余量分别为67 kg·hm−2和121 kg·hm−2、55 kg·hm−2和106 kg·hm−2、122 kg·hm−2和227 kg·hm−2, 磷盈余量分别为38 kg·hm−2和69 kg·hm−2、4 kg·hm−2和22 kg·hm−2、42 kg·hm−2和91 kg·hm−2。其中周年轮作中, OPT较FP氮盈余值和磷盈余值分别降低46.3%和53.3%, 差异均达显著水平(P<0.05)。在本试验条件下, 玉米季OPT和FP钾素盈余, 小麦季钾素则出现亏缺现象, 导致周年轮作中, OPT处理的土壤钾素年盈余59 kg·hm−2, 而FP土壤钾素亏缺1 kg·hm−2, OPT较FP土壤钾素增加显著(P<0.05)。
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图 1 不同施肥处理下小麦-玉米轮作体系的土壤养分平衡不同小写字母表示处理间周年养分平衡差异显著(P<0.05)。Different lowercase letters mean significant differences in annual nutrient balance among treatments (P<0.05).Figure 1. Soil nutrient balance of wheat-maize rotation system under different fertilizer treatments2.2.2 土壤养分含量变化
土壤有机质、有效磷和速效钾是表征土壤肥力状况的重要指标。经过8年小麦-玉米轮作后, 土壤有机质、有效磷和速效钾含量变化如图2所示。2021年OPT和FP的土壤有机质含量分别为15.9 g·kg−1和15.1 g·kg−1, 两者间无显著性差异; 较试验起始值分别提高24.2%和18.0%, 差异达显著水平(P<0.05)。OPT和FP的土壤有效磷含量分别为23.4 mg·kg−1和32.4 mg·kg−1, 两者之间无显著差异; 较试验起始值分别提高26.4%和74.9%, 其中FP有效磷含量增加显著(P<0.05)。OPT和FP的土壤速效钾含量分别为119.8 mg·kg−1和106.7 mg·kg−1, 两者间无显著性差异; 较试验起始年分别提高16.8%和4.1%, 其中OPT速效钾含量显著增加(P<0.05)。
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图 2 不同施肥处理下小麦-玉米轮作体系的土壤养分含量不同小写字母表示各处理及起始值间差异显著(P<0.05)。CK、OPT和FP为试验结束时不同处理的数值。Different lowercase letters mean significant differences among treatments and experimental initial value (P<0.05). CK, OPT and FP represent the values of treatment CK, OPT and FP at the end of experiment.Figure 2. Soil nutrients contents of wheat-maize rotation system under different fertilizer treatments2.3 生态环境效益
2.3.1 温室气体排放
在小麦季、玉米季和周年轮作中, 8年平均结果表明, OPT较FP温室气体排放量分别降低634 kg(CO2 eq)·hm−2、546 kg(CO2 eq)·hm−2和1180 kg(CO2 eq)·hm−2, 降幅分别为21.7%、21.1%和21.4% (图3a)。基于施肥处理的温室气体排放量和产量, 计算出对应的温室气体排放强度(图3b)。结果表明, 在小麦季、玉米季和周年轮作中, OPT较FP温室气体排放强度分别降低94 kg (CO2 eq)·t−1、87 kg (CO2 eq)·t−1、91 kg (CO2 eq)·t−1, 降幅分别为27.0%、27.5%和27.3%, 差异达极显著水平(P<0.001)。
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图 3 不同施肥处理下小麦-玉米轮作体系的温室气体排放量(GHG)及排放强度(GHGI)***表示在P<0.001水平显著。*** means significant effects at P<0.001 probability level.Figure 3. Greenhouse gas emmisons (GHG) and intensity of greenhouse gas emissions (GHGI) of wheat-maize rotation system under different fertilizer treatments2.3.2 经济效益
在小麦季、玉米季和周年轮作中, 8年平均结果表明, OPT较FP产值分别提高837 ¥·hm−2、826 ¥·hm−2和1664 ¥·hm−2, 增幅分别为4.3%、5.3%和4.8%; 农业生产成本分别降低238 ¥·hm−2、89 ¥·hm−2和326 ¥·hm−2, 降幅分别为3.7%、2.1%和3.1%; 环境修复成本分别降低385 ¥·hm−2、303 ¥·hm−2和687 ¥·hm−2, 降幅分别为28.4%、17.3%和22.1% (图4a)。基于产值和成本, 计算出对应的净收益(图4b)。结果表明, 在小麦季、玉米季和周年轮作中, OPT较FP净收益分别提高1460 ¥·hm−2、1217 ¥·hm−2和2677 ¥·hm−2, 增幅分别为11.2%、11.4%和11.3%, 差异达显著水平(P<0.01)。
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图 4 不同施肥处理下小麦-玉米轮作体系的经济效益**、***分别表示在P<0.01、P<0.001水平显著。** and *** mean significant difference at P<0.01 and P<0.001 probability levels, respectively.Figure 4. Economic benefits of wheat-maize rotation system under different fertilizer treatments3. 讨论
3.1 不同施肥方式对小麦-玉米轮作体系产量的影响
施肥是保障作物产量和培肥土壤的重要措施, 但是长期以来农户受“要高产就得多施肥”的错误观念误导, 农户往往过量施肥和不合理施肥。一项9年的调查数据表明, 优化施肥较农户习惯施肥, 氮肥和磷肥减施潜力为24~251 kg·hm−2和13~206 kg·hm−2 [21]。河南省北部多点试验研究结果也表明, 优化施肥较农户习惯施肥减少施氮量16.2%~19.5%, 减少施磷量43.3%~48.0%, 提高施钾量13.2%~57.9%, 最终能够使小麦增产4.7%~9.6%[22]。本研究中, OPT较FP减施氮肥25%, 减施磷肥25%, 增施钾肥100% (表1), 养分供应均衡, 很好地满足了作物高产的需要, 小麦增产4.3%, 玉米增产5.3% (表3), 符合我国华北地区提倡的“减氮控磷增钾”的农田养分管理需求[23]。作物高产稳产和可持续性生产在农业发展中非常重要, 作物产量受降水量变化。8年试验期间, 2016年和2021年玉米生长季遭受强降水事件, 造成玉米倒伏, 大幅度降低了玉米产量[24-25]。本研究产量稳定性相关指数分析表明, 各施肥处理间数值差异较小, 产量稳定性指数为0.01~0.15, 产量可持续性指数为0.74~0.98, 表明OPT和FP均可维持该地区小麦-玉米轮作体系的产量稳定性和持续性(表3), 说明本研究提出OPT施肥方案稳定且可持续, 氮磷钾肥合理配施会增加作物产量的稳定性[26]。
3.2 不同施肥方式对小麦-玉米轮作体系氮磷钾平衡的影响
农田养分输入和输出保持平衡是农田可持续性发展的基础。合理的施肥量, 不仅要补充土壤中的养分, 保证作物养分供应, 同时要将养分盈余控制在合理范围内, 既要让土壤有一定量的盈余、培肥土壤, 也要避免因养分盈余过多引起污染[27]。华北平原地区长期监测数据显示, 采用农户习惯施肥, 当季作物收获后的氮素盈余值和磷素盈余值分别为174 kg·hm−2和72 kg·hm−2 [28]。在我国中部地区的调研也发现小麦季和玉米季氮素盈余值分别为122 kg·hm−2和134 kg·hm−2 [29], 采用土壤-作物综合系统管理模式(integrated soil-crop system management, ISSM ), 小麦季和玉米季氮素盈余值分别为2 kg·hm−2和8 kg·hm−2 [30]。而在本研究中, 小麦-玉米轮作体系FP周年氮素盈余值和磷素盈余值分别为227 kg·hm−2和91 kg·hm−2 (图1), OPT较FP减施氮磷后, 氮盈余值和磷盈余值分别为122 kg·hm−2和42 kg·hm−2, 即OPT较FP在保证作物养分吸收的基础上, 大幅度减少了土壤中氮磷养分盈余, 但OPT氮盈余值和磷盈余值仍然高于保障环境安全的年度参考指标80 kg·hm−2和8.7 kg·hm−2 [31]。为了达到安全阈值, OPT处理的施氮量和施磷量仍有下降空间, 应在当前基础上适当减量。根据本研究中小麦季与玉米季的氮素盈余状况(图1), OPT处理进一步降低施氮量应当以小麦氮肥减施为主。研究表明磷盈余100 kg·hm−2土壤有效磷提高1.94 mg·kg−1 [32], 钾盈余100 kg·hm−2土壤速效钾提高2.71 mg·kg−1 [33]。土壤养分平衡状况能够反映土壤养分含量, 保持土壤养分平衡是保持土壤生产力的前提。根据有效磷的农田环境阈值15~30 mg·kg−1 [34], OPT处理的有效磷含量经过8年连续种植后已达23.4 mg·kg−1, FP处理已经达32.4 mg·kg−1 (图2), OPT处理的磷肥施用应进行适当控制, 在保证高产的前提下, 施磷量可以按照“恒量监控”原则进行管理[35]。速效钾的适宜范围为122~164 mg·kg−1 [36-37], 目前还未达标(图2), 因此下一轮作物施肥时, OPT应该提高施钾量, 但随着土壤速效钾的累积, 需要监控土壤速效钾含量, 在满足高产的同时, 根据土壤速效钾含量进行适当调整。综上所述, 在今后的作物施肥过程中, 应该根据施肥量、土壤养分含量和作物吸收量等进一步调整氮磷钾施用量, 完善优化施肥方案, 进而更好地保护环境和培肥土壤。
3.3 不同施肥方式对小麦-玉米轮作体系温室气体排放的影响
农田是温室气体主要的排放源之一。本研究中, 小麦季和玉米季温室气体排放(GHG)达2922~3556 kg(CO2 eq)·hm−2 (图3a), 排放量远高于美国和英国等发达地区[38-39]。究其原因, 一方面是碳排放参数选择不同; 另一方面是我国农业生产资料投入高, 且农资产品生产过程中的能源消耗主要来源于煤炭, 导致碳排放增多。农田作物从播种到收获, 种子、化肥、农药、灌溉电力、燃油等投入都会产生温室气体, 其中氮肥占比最大[40], 降低氮肥用量是降低GHG最直接有效的方式。在本研究中, OPT较FP处理GHG降低21.1%~21.7% (图3a)。
寻求GHG与产量的平衡是农业生产研究的热点问题, 为了进一步量化两者的关系, 通过GHGI (单位产量的温室气体排放量), 可以判断该施肥方式是否满足绿色可持续发展要求[41]。本研究中, OPT较FP产量提高(表3), GHG降低(图3a), 进而使得GHGI降低27.0%~27.5% (图3b), 说明OPT较FP通过减氮减磷增钾的优化施肥方式, 不仅提高了作物产量, 还降低了GHGI, 更满足粮食绿色可持续生产要求。
3.4 不同施肥方式对小麦-玉米轮作体系经济效益的影响
作物产量、生态环境和经济效应协调发展是农业生产所追求的目标。多数研究者在计算经济效益时[42-43], 所需成本仅考虑农业成本投入, 而忽视了环境修复成本。农田中氮肥施用会造成氮素以N2O排放、NH3挥发及NO3−淋溶的方式损失, 进而引发全球气候变暖、人体健康受损等问题[2], 政府则为了治理产生的污染需要投入相应成本。Xia等[44]将农业生产成本和作物产值这些经济效益指标与环境修复成本联系起来, 该方法既有利于保护农户经济收入, 也有利于政府有效保护生态环境, 保障农业的可持续性发展。小麦长期定位试验表明, 施氮量会影响农田温室气体排放, N2O排放量为施氮量的0.1%, NH3挥发为19.4%, NO3−淋溶为2.7%[45]。马红梅等[21]研究发现, 优化施肥较农户习惯施肥, N2O排放量降低11.2%~72.5%, NH3挥发降低20.8%~62.8%, NO3−淋溶降低4.9%~79.6%。这与本研究结果相似, 本试验OPT较FP减施氮肥后, N2O排放量降低19.1%~21.3%, NH3挥发降低14.7%~22.1%, NO3−淋溶降低23.7%~45.1% (图3a)。计算经济效益后可知, OPT较FP产值提高4.3%~5.3%, 农业生产成本降低2.1%~3.7%, 环境修复成本降低17.3%~28.4%, 净收益提高11.2%~11.4% (图4b), 说明OPT较FP既能够保证农户经济收入, 还可以减少政府对环境修复的经济支出, 增加农田种植的净收益。
4. 结论
优化施肥较农户习惯施肥不仅可以增产, 而且有良好的生态环境效益, 更满足粮食绿色可持续生产的要求。在小麦季、玉米季及周年轮作中, 优化施肥较农户习惯施肥产量提高4.3%~5.3%, 净收益提高11.2%~11.4%, 温室气体排放量和温室气体排放强度降低21.1%~27.5%, 氮磷肥偏生产力提高31.7%~40.4%。但在周年轮作中, 优化施肥和农户习惯施肥氮磷钾平衡不在合理范围内, 仍需要进一步优化。因此, 小麦-玉米轮作体系施肥过程中需要不断探究更合理的施肥量, 为优化施肥方式在华北平原地区的推广应用提供理论依据。
致谢 感谢西北农林科技大学赵护兵副教授在论文撰稿中提出的意见与建议, 感谢河北省农林科学院农业资源环境研究所颜秀芳、刘枫、王欣雅和任艺在样品采集与测定中给予的支持与帮助。
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图 1 不同施肥处理下小麦-玉米轮作体系的土壤养分平衡
不同小写字母表示处理间周年养分平衡差异显著(P<0.05)。Different lowercase letters mean significant differences in annual nutrient balance among treatments (P<0.05).
Figure 1. Soil nutrient balance of wheat-maize rotation system under different fertilizer treatments
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图 2 不同施肥处理下小麦-玉米轮作体系的土壤养分含量
不同小写字母表示各处理及起始值间差异显著(P<0.05)。CK、OPT和FP为试验结束时不同处理的数值。Different lowercase letters mean significant differences among treatments and experimental initial value (P<0.05). CK, OPT and FP represent the values of treatment CK, OPT and FP at the end of experiment.
Figure 2. Soil nutrients contents of wheat-maize rotation system under different fertilizer treatments
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图 3 不同施肥处理下小麦-玉米轮作体系的温室气体排放量(GHG)及排放强度(GHGI)
***表示在P<0.001水平显著。*** means significant effects at P<0.001 probability level.
Figure 3. Greenhouse gas emmisons (GHG) and intensity of greenhouse gas emissions (GHGI) of wheat-maize rotation system under different fertilizer treatments
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图 4 不同施肥处理下小麦-玉米轮作体系的经济效益
**、***分别表示在P<0.01、P<0.001水平显著。** and *** mean significant difference at P<0.01 and P<0.001 probability levels, respectively.
Figure 4. Economic benefits of wheat-maize rotation system under different fertilizer treatments
表 1 不同处理的施肥量
Table 1 Fertilization rates of the different treatments
处理
Treatment小麦 Wheat 玉米 Maize N P2O5 K2O N P2O5 K2O kg·hm−2 
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表 2 投入农业生产资料及氮损失的碳排放系数
Table 2 Carbon emission factors of different agricultural materials input and nitrogen loss
项目
Item碳排放系数 Carbon emission factor 数据来源
Data source小麦 Wheat 玉米 Maize 氮肥 Nitrogen fertilizer 4.96 kg(CO2 eq)·kg−1 [17] 磷肥 Phosphorus fertilizer 1.14 kg(CO2 eq)·kg−1 [17] 钾肥 Potassium fertilizer 0.66 kg(CO2 eq)·kg−1 [17] 种子 Seed 1.22 kg(CO2 eq)·kg−1 [17] 农药 Pesticide 6.58 kg(CO2 eq)·kg−1 [17] 柴油 Diesel oil 3.44 kg(CO2 eq)·L−1 [17] 电力 Electricity 0.92 kg(CO2 eq)·kW·h−1 [17] NH3挥发 NH3 volatilization 2.69+0.069×N1) 7.98+0.099×N [18] NO3−淋溶 NO3− leaching 3.63×e0.0080×N 10.7×e0.0060×N [18] N2O直接排放 N2O directly emissions 0.50×e0.0032×N 0.99×e0.0047×N [18] N2O间接排放 N2O indirectly emissions 1%×NH3-N2)+1.1%×NO3−-N3) 1%×NH3-N +1.1%×NO3−-N [19] 1) N: 氮肥施用量; 2) NH3-N: NH3挥发; 3) NO3−-N: NO3−淋溶。1) N: application amount of nitrogen; 2) NH3-N: NH3 volatilization; 3) NO3−-N: NO3− leaching.
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表 3 不同施肥处理下小麦-玉米轮作体系的产量及其稳定性
Table 3 Yields and yield stability of wheat-maize rotation system under different fertilizer treatments
年份
Year处理
Treatment产量 Yield (kg·hm−2) 产量稳定性指数 Yield stability index 产量可持续性指数 Sustainable yield index 小麦
Wheat玉米
Maize周年
Year-round小麦
Wheat玉米
Maize周年
Year-round小麦
Wheat玉米
Maize周年
Year-round2013—2014 CK 7045±496b 6702±835b 13 747±1059b 0.14 0.25 0.15 0.76 0.64 0.74 OPT 8613±163a 8669±320a 17 282±379a 0.04 0.07 0.04 0.92 0.84 0.91 FP 7969±314ab 8073±385ab 16 042±80a 0.08 0.10 0.01 0.87 0.80 0.98 2014—2015 CK 5558±127b 6608±392c 12 165±471c 0.05 0.12 0.08 0.92 0.81 0.86 OPT 7795±296a 9455±299a 17 251±541a 0.08 0.06 0.06 0.84 0.86 0.86 FP 7530±106a 8184±362b 15 714±376b 0.03 0.09 0.05 0.93 0.82 0.91 2015—2016 CK 3301±278b 5690±333b 8992±600b 0.17 0.12 0.13 0.70 0.81 0.81 OPT 10 357±292a 7940±286a 18 297±434a 0.06 0.07 0.05 0.91 0.86 0.91 FP 10 302±285a 7523±377a 17 825±578a 0.06 0.10 0.06 0.89 0.93 0.88 2016—2017 CK 3272±122b 6179±427b 9450±462b 0.07 0.14 0.10 0.86 0.74 0.81 OPT 7729±417a 7631±278a 15 360±632a 0.11 0.07 0.08 0.79 0.84 0.82 FP 7332±241a 7113±353ab 14 446±544a 0.07 0.10 0.08 0.88 0.82 0.89 2017—2018 CK 2981±174c 6724±332a 9705±487b 0.12 0.10 0.10 0.79 0.85 0.85 OPT 6590±122a 7579±246a 14 169±240a 0.04 0.07 0.03 0.94 0.89 0.93 FP 5841±241b 7559±317a 13 401±367a 0.08 0.08 0.05 0.85 0.84 0.88 2018—2019 CK 3005±532b 7188±532a 10 193±522b 0.35 0.15 0.10 0.45 0.70 0.80 OPT 8031±483a 7356±388a 15 388±542a 0.12 0.11 0.07 0.78 0.83 0.84 FP 7663±160a 7195±417a 14 858±390a 0.04 0.12 0.05 0.91 0.79 0.92 2019—2020 CK 3297±438b 8036±433a 11 334±590b 0.27 0.11 0.10 0.55 0.79 0.81 OPT 8541±232a 9024±249a 17 565±468a 0.05 0.06 0.05 0.90 0.88 0.90 FP 8484±101a 9000±224a 17 484±201a 0.02 0.05 0.02 0.96 0.91 0.96 2020—2021 CK 3998±149b 7138±229a 11 137±308b 0.07 0.06 0.06 0.83 0.86 0.90 OPT 9370±326a 7609±188a 16 979±328a 0.07 0.05 0.04 0.86 0.90 0.92 FP 9111±242a 7312±316a 16 424±295a 0.05 0.09 0.04 0.90 0.83 0.92 年均
AverageCK 4057±268b 6783±188b 10 840±325b 0.16±0.03a 0.13±0.03a 0.10±0.01a 0.73±0.06b 0.78±0.03b 0.82±0.02b OPT 8378±214a 8158±159a 16 536±275a 0.07±0.01b 0.07±0.01b 0.05±0.01b 0.87±0.02a 0.86±0.01a 0.89±0.01a FP 8029±232a 7745±152a 15 774±280a 0.05±0.01b 0.09±0.01b 0.05±0.01b 0.90±0.01a 0.84±0.02a 0.92±0.01a 同列不同小写字母表示同一年度不同处理间差异显著(P<0.05)。Different lowercase letters in the same column mean significant differences among treatments for the same year (P<0.05).
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表 4 不同施肥处理下小麦-玉米轮作体系的偏生产力
Table 4 Partial factor productivity of wheat-maize rotation system under different fertilizer treatments
年份
Year处理
Treatment氮肥偏生产力 Nitrogen partial factor productivity 磷肥偏生产力 Phosphate partial factor productivity 钾肥偏生产力 Potassium partial factor productivity 小麦
WheatP>T 玉米
MaizeP>T 周年
Year-roundP>T 小麦
WheatP>T 玉米
MaizeP>T 周年
Year-roundP>T 小麦
WheatP>T 玉米
MaizeP>T 周年
Year-roundP>T kg·kg−1 P>T为OPT和FP处理的配对法t检验结果。P>T is the probability of a significance of difference between OPT and FP based on paired t-test.
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