氮肥减量施用技术及其对作物产量和生态环境的影响综述

2023年12月7日发(作者：水果认知)

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氮肥减量施用技术及其对作物产量和生态环境的影响综述

刘兆辉;薄录吉;李彦;孙明;仲子文;张英鹏;井永苹

【摘 要】氮肥对提高农作物的产量具有重要作用，但过量施氮不仅会影响作物产量和品质，还会对生态环境产生负面影响，而适当减量施氮，既能保证作物产量、提高肥料利用率，又能减少对环境的危害，从而实现农业高产、高效、持续健康的发展。本文综述了氮肥减量施用技术及其对农作物产量和生态环境影响的最新研究进展，提出了减量施肥过程中存在的问题及展望，旨在为保证作物高产和兼顾环境友好的氮肥减量施用技术提供思路和参考。%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.

【期刊名称】《中国土壤与肥料》

【年(卷),期】2016(000)004

【总页数】8页(P1-8) 【关键词】减量施氮;农作物;产量;生态环境;技术

【作 者】刘兆辉;薄录吉;李彦;孙明;仲子文;张英鹏;井永苹

【作者单位】山东省农业科学院，山东 济南 250100;山东省农业科学院农业资源与环境研究所，农业部黄淮海平原农业环境重点实验室，山东省农业面源污染防控重点实验室，山东省新型肥料工程技术研究中心，山东 济南 250100;山东省农业科学院农业资源与环境研究所，农业部黄淮海平原农业环境重点实验室，山东省农业面源污染防控重点实验室，山东省新型肥料工程技术研究中心，山东 济南

250100;山东省农业科学院农业资源与环境研究所，农业部黄淮海平原农业环境重点实验室，山东省农业面源污染防控重点实验室，山东省新型肥料工程技术研究中心，山东 济南 250100;山东省农业科学院农业资源与环境研究所，农业部黄淮海平原农业环境重点实验室，山东省农业面源污染防控重点实验室，山东省新型肥料工程技术研究中心，山东 济南 250100;山东省农业科学院农业资源与环境研究所，农业部黄淮海平原农业环境重点实验室，山东省农业面源污染防控重点实验室，山东省新型肥料工程技术研究中心，山东 济南 250100;山东省农业科学院农业资源与环境研究所，农业部黄淮海平原农业环境重点实验室，山东省农业面源污染防控重点实验室，山东省新型肥料工程技术研究中心，山东 济南 250100

【正文语种】中 文

【中图分类】S147.3;X144

我国是世界第一人口大国，耕地面积居世界第4位，然而人均耕地面积不及世界平均水平的三分之一，其中贫瘠化、盐渍化、酸化和污染等引起的中低产田占了三分之二以上。因此，要解决众多人口的吃饭问题，就必须在有限的耕地上不断地提高作物产量，这不仅要靠先进的育种和种植技术，更依靠向农田系统投入大量的肥料。自从20世纪50年代化学肥料引入我国，传统的通过有机肥维持产量的施肥方式日渐减少，替代的是化学肥料的过量施用[1]。1984年以来，我国化肥用量持续增加，平均用量达400 kg/hm2，农田氮素盈余呈现持续增长趋势，仅2002年我国农田氮素盈余量达579.4万t。氮肥的过量施用不仅造成了土壤质量退化，也给环境带来了严重的不良影响。如何解决过量施氮带来的环境问题，保障我国农业走上优质高产、高效、持续健康发展的道路，已引起社会各界的广泛关注。

氮肥减量施用技术，是一种意在寻找作物氮养分需求和土壤氮养分供应之间平衡关系的施肥技术，在保证作物产量和品质的同时，提高肥料利用率，实现经济效益、社会效益和生态效益的最大化，进而实现农业高产、高效、持续健康的发展。氮肥减量施用技术已经被国内外广泛使用[2-4]，并取得了一系列研究成果。本文综述了氮肥减量施用技术及其对农作物产量和生态环境影响的最新研究进展，并对减量施氮过程中可能出现的问题进行了探讨，以期为今后减量施肥技术的深入研究提供一定参考，从而能够更好地推动科学施肥技术的发展。

过量施氮不仅造成土壤质量下降，还会加剧环境污染、危害人体健康。在农业生产过程中，如果能适当减少氮肥用量，做到科学合理的施肥，不仅能保证作物产量，还能节省能源、保护环境、减少不必要的经济支出，具有极大的社会、经济和生态效益。下面从过量施氮的角度阐述减量施氮的紧迫性和重要性。

(1)土壤质量退化，长期过量施氮会导致农田土壤尤其是设施农田土壤养分失衡、土壤盐渍化、土壤酸化、土壤生物多样性下降以及土壤污染等问题，降低土壤生产能力[5]。

(2)水体污染，过量施氮对水体的影响主要包括两方面，一是水体富营养化，这主要是由于农田土壤中过量的氮通过径流进入水体的结果；二是地下水污染，这主要是因为土壤中的通过淋溶渗透到地下水，引起地下水中硝酸盐含量超标[6]。

(3)大气污染，过量施氮会加剧大气的污染程度，其原因包括两方面，一是氮以氨气的形式挥发进入大气；二是铵态氮经过硝化和反硝化途径产生NO和N2O，NO和N2O不仅污染大气，而且N2O能引起温室效应[7]。

(4)农产品质量下降，农业生产过程中，农民施肥普遍存在“三重三轻”现象，即重化肥、轻有机肥，重氮、磷肥，轻钾肥，重大量元素肥、轻中微量元素，这造成土壤养分失衡，导致农产品质量下降[8]。

(5)人体健康危害，过量施氮，不但造成氮素养分的浪费，还会影响植物体内有机化合物的代谢。植物体内可积累过量的硝酸盐和亚硝酸盐[9]，过量的硝酸盐和亚酸盐一般不会对植物产生毒害，但会对人体健康产生潜在危害[10-11]。

氮肥过量使用往往伴随着较低的利用率，不仅影响农产品和土壤质量，而且对环境造成严重的负面影响。因此，开展氮肥减量施用技术研究具有重大意义。发达国家于20世纪60年代开始减量施氮技术的研究。相比国外而言，我国研究起步较晚，起于80年代的湖泊富营养化调查，之后在滇池、太湖、巢湖等区域开展了肥料减量研究工作。

目前，国外的氮肥减量施用技术研究己经进入了以产量、品质和生态环境为目标的阶段，我国科技人员在吸收国外技术的基础上也开发了适合本国国情的氮肥减量施用技术。当前国内外氮肥减量技术主要有以下几种：(1)测土配方施肥技术：是以养分归还学说、最小养分律、同等重要律、不可代替律、肥料效应报酬递减律和因子综合作用律等为理论依据，以确定养分的施肥总量和配比为主要内容。包括“测土、配方、配肥、供应、施肥指导”5个核心环节，是现阶段建立科学施肥体系的核心技术[12]，在国内外得到了广泛应用。(2)氮肥运筹优化技术：以土壤养分含量和作物目标产量所需养分含量为依据，在施氮量相等的情况下，根据作物对养分的需求合理调整基、追肥的分配比例[13]。(3)种植制度优化技术：是以用地养地相结合为依据，充分利用时间和空间，提高土地生产力为目的的农田复种制度。如冬季免耕或适当配合豆科绿肥植物可有效保持土壤含氮量，减少了氮肥投入，同时提高了作物产量[14]。(4)缓控释等新型肥料技术：是根据作物养分需求，控制养分释放速度和释放量，使养分释放曲线与作物需求相一致。此项技术具有提高化肥利用率、减少使用量与施肥次数、降低生产成本、减少环境污染、提高农作物产品品质等优点[15-18]。(5)水肥一体化技术：是将灌溉与施肥融为一体的农业新技术。它利用了水肥两大因子的协同作用，将水和养分按照作物生长需求，定量、定时直接供给作物，达到省水、省肥、省工、高产、高效生产的目的[19]。(6)土壤改良剂技术：利用改良剂良好的吸附性能、低廉的成本以及良好的生物亲和性，控制农田营养释放。如施加生物质炭等土壤改良剂，增加土壤保水保肥能力，减少-N流失量和氨挥发[20-22]，从而降低肥料用量。

近年来，小麦施肥技术一直在不断地改进和发展，兼顾产量和环境效应的减量施肥方法得到了一定的推广和应用。在华北平原地区，小麦季农民习惯施氮量达到了424 kg/hm2，远超过同期作物氮养分消耗量[23]。因此，很多学者开展了基于农民习惯的氮肥减量优化施用技术研究。如在河北、山东和河南，氮肥减量优化处理的小麦产量比农民习惯施肥处理分别高13.7%、5.08%和1.32%[24]。再如吴光磊研究表明，氮肥减量20%(225 kg/hm2)以内不会对小麦产量产生显著影响[25]。相比国内而言，国外除少数小麦试验设置高施氮量外[26-27]，多数试验氮肥用量保持在150～220 kg/hm2[28-31]，普遍低于国内氮肥使用量，这主要是因为国外在减量施肥方面的研究较早，已经摸索出一条适合各自国家小麦生产的氮肥适宜用量，而当前国外学者更关注的是精准施肥及其对小麦品质的影响研究[32]。

与常规化肥相比，缓释肥作为一种新型肥料，具有释放时间延长，有利于提高肥料养分的利用率等特点，在减量施肥中也得到推广应用。以缓释氮肥为例，将其减量20%(168 kg/hm2)且随小麦播种一次性施用，同时与农民习惯施氮(300 kg/hm2)比较，结果表明，减量施氮能够保证小麦稳产，其氮素回收率和氮偏生产力较农民习惯施氮处理分别提高19.7%和34.3%[33]。此外，由于不同地区土壤肥力不同，减量施氮也不能一概而论，需要根据小麦不同时期对养分的需求量和土壤固持养分能力进行减量施氮，既能保证小麦产量，又能提高氮肥利用率[34-35]。

吉林通化市土肥站自20世纪90年代中期开展了玉米减量施氮研究，取得了明显的效果，以暗棕壤和冲积土为例，氮肥分别减量13%(150 kg/hm2)和20%(144

kg/hm2)时，分别比高施氮量(180 kg/hm2)增产10%和5.65%[36]。在巴基斯坦的费萨拉巴德，Hammad等研究了半干旱地区玉米产量对氮肥用量的响应，研究发现，与农民习惯施肥(300 kg/hm2)相比，氮肥减量16.7%(250 kg/hm2)不会造成玉米产量下降[37]。可能由于土壤肥力及气候的关系，在拉沃拉果德和克什米尔地区，当氮肥施用量分别降至150和180 kg/hm2时，玉米仍可达到最佳产量[38-39]。伊朗的学者则持相反的观点，即高施氮量和高密度种植同样能促进玉米生长[40]，但是缺乏对后期产量的统计对比，因此，高施氮量和高密度种植模式值得商榷。

以减量施氮为基础，不少学者又研究了氮肥种类及其后移对作物生长及产量的影响。Vargas等研究了尿素和硝酸铵对玉米产量的影响，即将两种氮肥分别降至200

kg/hm2时，使用尿素的玉米产量比硝酸铵高出10% ～ 18%[41]。基于尿素的产量效应，邹晓锦等研究了氮肥减量10%(216 kg/hm2)和20%(192 kg/hm2)及后移施用对玉米产量的影响，与农民习惯施肥(240 kg/hm2)相比，氮肥减量后移处理的玉米产量没有显著下降[42]。此外，在氮肥减量的基础上施加有机肥、生物菌肥和微肥也对玉米有明显的效果。氮肥施量在高水平(450 kg/hm2)基础上减量15%，同时配施矿物质有机肥600 kg/hm2，玉米产量增加2.7%[43]；而配施生物菌肥(30 kg/hm2)或微肥(15 kg/hm2)时，不仅能保证与高施肥水平同等的玉米产量，而且品质有一定程度提高[44-46]。可以看出，在玉米季，适当减少氮肥用量并配施有机肥、菌肥及微肥是可行的措施。

农民为追求高产而投入过量的氮肥，加上水稻特殊的生长环境，使得氮积累导致的负面生态效应大于作物的产量增益[47]，因此，亟需减少稻田氮肥用量。傅丽青等进行了不同肥力水平土壤上氮肥减量试验，结果表明，高肥区氮肥用量减少15%(195 kg/hm2)，与习惯施肥量相比，产量显著增加；中低肥区氮肥用量减少15%(181 kg/hm2)，略有减产，但差异不显著[48]。在印度，Dey等将氮肥用量减少15%(181 kg/hm2)，略有减产[49]。在尼日利亚，Bai等研究发现，氮肥用量减至120 kg/hm2仍有较高的产量和投资回报率[50]。而Kumar[51]等和Singh[52]等则进行了氮肥深度减量试验研究，即氮肥用量降至60 kg/hm2时，水稻可达到高产量并且品质较好。可见，减量施肥要因地制宜，同时适当配施有机肥或者绿肥等有机物料则能达到更好的效果[53]。以印度的长期定位试验为例，用有机物料替代25%的氮肥不会影响水稻产量，同时还能培肥土壤[54]。

水稻秸秆作为一种农业废弃物，将其腐熟还田不仅利用了其中的养分，还能替代部分化肥。研究表明，当秸秆还田量为5 250 kg/hm2时，氮肥减少10%(17.2

kg/hm2)，水稻产量增加显著[55]。对于双季稻而言，研究结果略有差异，秸秆还田下减量施氮会造成早稻产量和双季稻总产量下降，而对晚稻产量无显著影响[56]。另外，不同水稻品种在减氮条件下也呈现出不同的产量效应[57]。除此以外，不同轮作模式下减量施氮也会影响水稻产量。在太湖地区，乔俊等以肥料效应函数法为指导研究了轮作模式及减量施氮对水稻产量的影响，结果表明，在单一轮作模式下，从氮肥减量50%(135 kg/hm2)至常规施氮处理100%(270 kg/hm2)水稻产量差异不显著[3,58-59]，这可能是因为当地土壤养分供应较强，养分投入不再是增加产量的限制因素[60]。而在3种不同轮作模式下(紫云英+水稻、黑麦草+水稻及冬季休闲+水稻)，减氮施肥对水稻产量有一定的影响，即紫云英+水稻模式下减氮55%(150 kg/hm2)可达到高产目标[58]。

设施农业作为一种现代集约化的生产方式，可以通过人为调节控制环境条件，满足蔬菜的生长需要[61]。鉴于其强大的市场需求和经济刺激，设施农业在全球得到了迅速发展[62-64]。但是由于设施农业长期大量使用化肥，土壤理化性状和生物学性状发生退化[65-66]，这对土壤环境质量和农产品安全产生了不利影响，严重威胁到土壤、作物和水体环境安全，影响了设施农业的可持续发展，设施菜地减量施肥已迫在眉睫。

由于不同地区农民施氮习惯和用量不同，减量施氮的程度也有所不同，以寿光为例，当地部分农民习惯施氮量达到1 000 kg/hm2，将氮肥用量减少50%并结合调节土壤碳氮比和滴灌能显著增产，达到14 428 kg/hm2[67]。在安徽巢湖地区，当地农户习惯施氮量为339 kg/hm2，氮肥用量减少15%并配施氨基酸水溶肥料和微肥对番茄有很好的增产效果，增产达22 872 kg/hm2[68]。对于甘蓝而言，在该地区将氮肥减量30%(321.8 kg/hm2)的基础上适当施加微量元素肥料也不会影响甘蓝产量[69]。上述研究只考虑了氮肥用量对蔬菜产量的影响，而高产未必保证高质量，这是因为蔬菜中硝酸盐含量会随着施氮量的增加而增加[70]，并且过量施氮也会影响蔬菜产量[71]。Vieira等研究表明，将氮肥用量降至200 kg/hm2时，亦可兼顾蔬菜的产量和品质[72]。

如前文所述，稻草还田能增加土壤肥力[73]，当还田量为5 010 kg/hm2时，氮肥施用量减少10%(270 kg/hm2)，马铃薯产量无显著下降[74]。除了稻草和微肥，用有机肥替代化肥或者增施生物菌肥也能达到很好的效果，以大葱为例，将氮磷钾总养分控制在300 kg/hm2的基础上施加有机肥或者喷施叶面肥不会造成大葱减产[75]。对于其它蔬菜而言，在常规施氮水平下，氮肥减量10% ～ 20%并配施生物菌肥，亦可提高胡萝卜、花椰菜产量，并改善其品质[76]。

当氮肥的施用量超过作物吸收能力和土壤固持能力后，多余的氮就会随灌溉水和降水流失进入河流，导致水体富营养化；或淋溶至土壤深层，导致地下水污染；或经氨挥发、反硝化等途径污染大气。而适当减量施氮不仅能保证蔬菜和粮食作物的产量，而且也有利于减少过量施氮对生态环境的危害[77]。 在养分淋溶方面，减量施氮可降低硝酸盐淋失量。在连续减氮的麦田中(180

kg/hm2)，0 ～ 200 cm土层含量与农民习惯处理相比显著下降[78]，而进一步的研究表明，通过改变麦田耕作模式同样能降低淋溶[79]。在玉米田中，用沼渣或者畜禽粪便替代氮肥可显著降低0 ～ 60 cm土层含量[80]，同时采用交替或者隔沟灌溉，可进一步降低淋溶[81]。此外，在减量施氮的基础上改进施肥技术亦能降低淋失量，如添加微量元素，蔬菜可以更好地吸收土壤养分，此项技术可使土壤淋失量减少65.7%[82]。

在控制养分流失方面，减量施氮效果同样显著。李恩尧等研究了洞庭湖红壤坡地减量施肥对玉米地径流氮的影响，结果表明，减量施氮可使氮的径流量减少了12.5% ～ 28.7%[83]，这与段然等的研究结论一致[84]。除此以外，在减量施氮的基础上配合节水灌溉，氮流失量可降低3.1% ～ 48.0%[85]。与旱地相比，水稻田更容易发生养分流失，而减量施氮也能降低氮流失量。如在稻田氮肥用量减少20%～30%时，氮年度累计流失负荷较常规施肥处理可下降6% ～ 53%[86]，这在长期定位试验中表现的更为明显[87]。

减量施肥不仅降低养分流失和淋溶，而且能减少氨挥发和温室气体的排放[88-89]。在稻田生态系统中，氮肥减量22% ～ 44%可降低氨挥发损失20% ～ 35%[90]，并且长期保持淹水状态可显著降低N2O排放[91]。在小麦-玉米轮作系统中，氮肥减量后移处理N2O排放量比习惯施肥处理减少40%和50%[92]。除减少氮肥用量外，用畜禽粪便替代氮肥也能显著降低N2O排放[93]。此外，减氮施肥还能影响稻田CH4的释放，施氮量为200 kg/hm2时，其CH4排放量分别比施氮量为270 kg/hm2处理减少4% ～ 31%[94]。可以看出，减量施氮对控制氨挥发和温室气体排放效果显著。

综上所述，氮肥减量施用技术虽然在保证作物高产和兼顾环境友好方面取得了一定的进展，但是由于部分地区土壤较高的养分供应水平以及以大气沉降、灌溉等形式的氮素投入削弱了因氮肥减量造成的产量下降，长期减量施肥条件下，农作物产量是否稳定还需进一步的研究。而长期定位试验虽然可以得到更可靠的试验结果，但是，由于常年种植某类作物致使土壤微生物群落结构发生变化，使有害病菌成了优势群体，导致作物发病，发生连作障碍现象。从前人的结果可以看出，在适当减氮的基础上配施微肥、有机肥、菌肥及改变水肥管理模式或轮作模式等可降低连作障碍的发生几率，因此，建议在进行长期减量施肥定位试验时应当考虑适宜的轮作制度和水肥管理模式，同时探索适合我国国情的农田最佳施肥管理模式。此外，目前的减量施肥技术研究多局限于田块尺度，缺乏区域层面的研究，而这需要结合地区农业生产发展、自然状况、经济和社会条件，综合分析区域内作物生产的发展变化和结构特征，以便准确评估减量施肥所带来的经济、社会和生态价值。

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