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几种典型方法计算的氮素利用率随有机肥氮水平和时间变化的比较

田昌玉 林治安 徐久凯 赵秉强 唐继伟 李建华

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几种典型方法计算的氮素利用率随有机肥氮水平和时间变化的比较

    作者简介: 田昌玉 E-mail:tianchangyu@caas.cn;
    通讯作者: 唐继伟, E-mail:tangjiwei@caas.cn
  • 基金项目: 现代农业产业技术体系德州综合实验站项目(CARS-03-01E);山东德州长期定位科学观测试验(编号:1610132019032)。

Comparison of nitrogen use efficiency calculated by several typical methods with organic fertilizer nitrogen level and time

    Corresponding author: TANG Ji-wei, E-mail:tangjiwei@caas.cn ;
  • 摘要:   【目的】  氮素利用率计算方法有多种,其计算结果的可靠性影响氮素管理的科学性。本文比较了几种典型氮肥利用率计算方法的结果随有机肥施用水平和试验年限的变异,并从计算公式中各参数含义讨论了计算方法的科学性。  【方法】  以12年长期定位试验为平台,有机肥料氮处理分别为0、120、240、360、600 kg/hm2,种植制度为冬小麦-夏玉米轮作。采用常规差减法、叠加法、比值法、氮素利用率法和氮素平衡法分别计算了不同有机肥料氮处理下不同年份的氮肥利用率。  【结果】  1) 常规差减法和叠加法计算的有机氮肥当年利用率偏低,比值法适中,主要是空白对照作物可能吸收了施肥处理潜层扩散的矿质氮素,使得空白对照处理作物吸收氮素量比较高;叠加法氮肥利用率与常规差减法计算的结果差异不显著。2) 比值法计算的氮肥利用率与国际通用氮素利用率计算的结果很接近,如果能控制空白对照作物吸收的氮素量不受其它高氮肥处理影响,比值法与氮素利用率法的计算结果一致。3) 氮素平衡法考虑到了施肥对土壤氮素库的影响,是代表实际氮肥回收率的方法。计算的氮肥利用率呈现氮素平衡法好于氮素利用率法,氮素利用率法好于比值法。  【结论】  氮库变化影响着比值法的准确性。在长期定位试验空白对照土壤氮素库相对稳定期,比值法是氮素利用率计算的简略方法;当土壤氮素库相对稳定条件下 (施肥处理和对照处理土壤氮素库不变,SN = 0),比值法、氮素利用率法和氮素平衡法计算结果一致;在土壤氮素库逐年增加或降低条件下,平衡法是氮素利用率计算的最合理方法。
  • 图 1  不同有机肥施用水平下几种典型氮素回收率计算结果随试验年限的变化

    Figure 1.  Variation of typical nitrogen recovery rats with years under different levels of organic fertilizer N rate

    表 1  2010—2017年不同有机氮用量下作物地上部氮素吸收量 (kg/hm2)

    Table 1.  Nitrogen absorption of aboveground part of crops under different organic nitrogen inputs during 2010–2017

    有机氮施用量 (kg/hm2)
    Organic N input
    20102011201220132014201520162017
    0145.8 ± 23.5133.3 ± 4.2133.7 ± 24.396.8 ± 9.9111.6 ± 17.9103.3 ± 7.2132.3 ± 5.1119.5 ± 23.9
    120269.4 ± 32.3236.3 ± 8.1271.8 ± 16.8216.4 ± 31.4252.7 ± 21.6198.5 ± 20.7243.3 ± 22.7241.9 ± 8.5
    240340.9 ± 15.9313.6 ± 5.1317.8 ± 15.6289.6 ± 29.1320 ± 18.6262.4 ± 20.4346.0 ± 32.7311.5 ± 11.7
    360368.2 ± 13.6381 ± 3.9370.6 ± 30.0320.8 ± 38.8366.8 ± 43.5309.1 ± 39.5422.4 ± 25.1323.8 ± 9.9
    600382.0 ± 12.8382.2 ± 8.5390.9 ± 15.7353.6 ± 29.9408.5 ± 4.6314.1 ± 37.8420.2 ± 54.1347.5 ± 41.0
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    表 2  不同方法计算的8年平均氮肥利用率 (%)

    Table 2.  Nitrogen utilization results of the eight experimental years calculated by five methods

    有机肥氮 (kg/hm2)
    Organic N input
    常规法
    SNUE
    叠加法
    ANUE
    比值法
    RNUE
    氮素利用率
    NUE
    氮素平衡法
    BNUE
    12050.0 ± 5.3 c51.1 ± 5.1 c67.6 ± 3.5 b80.1 ± 0.3 a88.7 ± 3.5 a
    24039.6 ± 1.8 d39.4 ± 0.9 d52.6 ± 1.4 c57.1 ± 1.5 b71.7 ± 3.2 a
    36032.8 ± 2.9 c32.8 ± 2.9 c43.1 ± 2.5 b45.7 ± 2.6 b56.1 ± 3.9 a
    60020.7 ± 1.5 c19.9 ± 1.4 c28.5 ± 1.4 b29.6 ± 1.4 b40.4 ± 1.3 a
    注(Note):SNUE—Subtraction of nitrogen using efficiency; ANUE—Accumulation of nitrogen using efficiency; RNUE—Ratio of nitrogen using efficiency; NUE—Nitrogen using efficiency; BNUE—Balance of nitrogen using efficiency. 同行数据后不同小写字母表示不同氮肥利用率计算方法计算结果间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lowercase letters in the same row indicate the significant level of 5% in the calculation results of different nitrogen fertilizer utilization met.
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    表 3  不同计算方法氮肥利用率8年间变异系数 (%)

    Table 3.  Variation coefficients of nitrogen fertilizer utilization rate over 8 years

    有机肥氮
    Organic N input
    (kg/hm2)
    常规法
    SNUE
    叠加法
    ANUE
    比值法
    RNUE
    氮素
    利用率
    NUE
    氮素
    平衡法
    BNUE
    12010.6 10.0 5.23.90.4
    2404.52.32.74.52.6
    3608.88.85.87.05.7
    6007.27.04.93.24.7
    注(Note):SNUE—Subtraction of nitrogen using efficiency; ANUE—Accumulation of nitrogen using efficiency; RNUE—Ratio of nitrogen using efficiency; BNUE—Balance of nitrogen using efficiency; NUE—Nitrogen using efficiency.
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  • 收稿日期:  2019-11-25

几种典型方法计算的氮素利用率随有机肥氮水平和时间变化的比较

    作者简介:田昌玉 E-mail:tianchangyu@caas.cn
    通讯作者: 唐继伟, tangjiwei@caas.cn
  • 1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081
  • 2. 德州市陵城区农业农村局,山东德州 253015
  • 基金项目: 现代农业产业技术体系德州综合实验站项目(CARS-03-01E);山东德州长期定位科学观测试验(编号:1610132019032)。
  • 摘要:   【目的】  氮素利用率计算方法有多种,其计算结果的可靠性影响氮素管理的科学性。本文比较了几种典型氮肥利用率计算方法的结果随有机肥施用水平和试验年限的变异,并从计算公式中各参数含义讨论了计算方法的科学性。  【方法】  以12年长期定位试验为平台,有机肥料氮处理分别为0、120、240、360、600 kg/hm2,种植制度为冬小麦-夏玉米轮作。采用常规差减法、叠加法、比值法、氮素利用率法和氮素平衡法分别计算了不同有机肥料氮处理下不同年份的氮肥利用率。  【结果】  1) 常规差减法和叠加法计算的有机氮肥当年利用率偏低,比值法适中,主要是空白对照作物可能吸收了施肥处理潜层扩散的矿质氮素,使得空白对照处理作物吸收氮素量比较高;叠加法氮肥利用率与常规差减法计算的结果差异不显著。2) 比值法计算的氮肥利用率与国际通用氮素利用率计算的结果很接近,如果能控制空白对照作物吸收的氮素量不受其它高氮肥处理影响,比值法与氮素利用率法的计算结果一致。3) 氮素平衡法考虑到了施肥对土壤氮素库的影响,是代表实际氮肥回收率的方法。计算的氮肥利用率呈现氮素平衡法好于氮素利用率法,氮素利用率法好于比值法。  【结论】  氮库变化影响着比值法的准确性。在长期定位试验空白对照土壤氮素库相对稳定期,比值法是氮素利用率计算的简略方法;当土壤氮素库相对稳定条件下 (施肥处理和对照处理土壤氮素库不变,SN = 0),比值法、氮素利用率法和氮素平衡法计算结果一致;在土壤氮素库逐年增加或降低条件下,平衡法是氮素利用率计算的最合理方法。

    English Abstract

    • 科学合理管理氮肥在农业中应用是保证我国粮食安全的重要措施,也是减少能源消耗、保护环境的重要技术[1-3]。氮肥回收率或者氮肥利用率一直作为氮素管理的重要指标,自1990年刘巽浩发表文章“对氮肥利用效率若干传统观念产生质疑”以来[4],氮肥利用率的计算方法得到了广泛地讨论及改进。杨宪龙等[14]总结了农田氮肥利用率计算方法,主要计算方法包括:叠加计算方法[6]、比值法[9]、土壤氮素平衡法[10]、养分真实利用率计算法[11]、氮肥有效率计算方法[12],其中氮肥有效率计算方法适用于15N示踪测定方法,养分真实利用率计算方法与土壤氮素平衡法的差减法计算公式基本相同[14],计算氮肥效率方法目前国际推荐氮素利用率方法[15-16]等。用常规差减法计算的氮肥利用率平均为35%左右[8],但许多研究质疑该结果偏低[4-6]并尝试改进该方法[9-13]。宇万太等[5]认为常规差减法和15N示踪法都不能得到可信的结果,建议用比值法估算氮肥利用率。李世清等[6]认为差减法计算的氮肥利用率仅仅是表观利用率,没有将残留肥料氮后效包括在内,而运用氮肥叠加利用率能够更准确地反映实际氮肥利用率,每年施氮量N 120 kg/hm2下,采用15N示踪法,4季作物叠加氮肥利用率达到64.7%。Mathieu Sebilo等[7]通过30年15N示踪法测定,叠加氮肥利用率为61%~65%,仍然有12%~15%的氮素残留在土壤中 (施氮量每年120 kg/hm2),研究认为15N示踪法测定氮肥利用率只有计算多年叠加的氮肥利用率,才能较好代表氮肥利用率。由于杨宪龙[17]等运用土壤矿质氮为指标,采用比值法、土壤氮素平衡法和叠加法分别计算并比较了氮肥利用率,得出的结论是不同年份间土壤氮素平衡法计算结果没有比值法结果稳定性好。笔者认为,杨宪龙用土壤氮素平衡法计算氮肥利用率应用了土壤矿质氮变化量,实际上土壤氮素平衡法计算氮肥利用率应该采用土壤全氮 (包含矿质氮)[10],因为不同年份间的气候变化,土壤中矿质态氮在年份间变异比全氮大。

      本文基于10年定位试验结果,用常规差减法、叠加法、比值法、氮素平衡法和氮素利用率法的计算氮素利用率结果随时间的变化,比较不同氮肥利用率计算方法的利弊,通过分析不同方法计算的氮肥利用率年际间变化的规律特点,讨论氮肥利用率计算方及测定中存在问题,使现有常规计算方法进一步规范。

      • 长期定位试验在中国农业科学院德州实验站陵县试验基地进行。基地 (37°20′N,东经116°38′E) 位于黄淮海平原中心地带,典型农业区,海拔21.4 m,属暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候区,四季分明,日照时数长,光照强度大。土壤类型为盐化潮土,盐渍化学类型以硫酸盐-氯化物盐土为主,土壤质地为轻壤土。表层0—20 cm土壤有机质含量9.0 g/kg、硝态氮10.2 mg /kg、速效磷16.3 mg/kg、速效钾107 mg/kg、pH 8.38、EC 158.7 µS/cm。

      • 2006年10月小麦季布置定位试验,种植制度为冬小麦-夏玉米一年两熟。有机肥设置5个氮水平为N 0、120、240、360和600 kg/hm2,随机区组设计,三次重复,共计15个小区,小区面积25 m2 (5 m × 5 m)。冬小麦一般于以10上中旬播种,次年6月上中旬收获;夏玉米于冬小麦收获后播种,当年9月下旬至10月上旬收获。

        处理的有机肥使用量根据每年施肥前测定的有机肥含水量、含氮量计算得出,以全氮含量进行折算。有机肥选用当地养殖场腐熟厩粪,干基主要养分含量为N1.10%~2.31%,P2O50.74%~3.35%,K2O0.67%~3.00%,pH 7.82~8.92,EC 7.01~11.83 mS/cm。2006年10月至2009年6月施用的有机肥为猪粪,2009年10月开始施用牛粪 (表1)。2006—2014年有机肥分别于小麦、玉米播种前作基肥施入;从2015年开始,由原来小麦、玉米两季的施用有机肥改为小麦播种前一次性施入。试验的田间日常管理参考当地种植习惯,采用常规栽培模式。

        表 1  2010—2017年不同有机氮用量下作物地上部氮素吸收量 (kg/hm2)

        Table 1.  Nitrogen absorption of aboveground part of crops under different organic nitrogen inputs during 2010–2017

        有机氮施用量 (kg/hm2)
        Organic N input
        20102011201220132014201520162017
        0145.8 ± 23.5133.3 ± 4.2133.7 ± 24.396.8 ± 9.9111.6 ± 17.9103.3 ± 7.2132.3 ± 5.1119.5 ± 23.9
        120269.4 ± 32.3236.3 ± 8.1271.8 ± 16.8216.4 ± 31.4252.7 ± 21.6198.5 ± 20.7243.3 ± 22.7241.9 ± 8.5
        240340.9 ± 15.9313.6 ± 5.1317.8 ± 15.6289.6 ± 29.1320 ± 18.6262.4 ± 20.4346.0 ± 32.7311.5 ± 11.7
        360368.2 ± 13.6381 ± 3.9370.6 ± 30.0320.8 ± 38.8366.8 ± 43.5309.1 ± 39.5422.4 ± 25.1323.8 ± 9.9
        600382.0 ± 12.8382.2 ± 8.5390.9 ± 15.7353.6 ± 29.9408.5 ± 4.6314.1 ± 37.8420.2 ± 54.1347.5 ± 41.0
      • 取样时间为每年的小麦收获后 (6月) 和玉米收获后 (10月)。用不锈钢筒形土钻于各小区内采用“S”形取样点采集0—20、20—40 cm土层8个点的土样并充分混合保存。土样在实验室内自然风干后过2 mm筛。全氮采用凯氏定氮法测定。

        试验2006—2009年有机肥料为风干猪粪,2009年后为发酵牛粪,为保证数据一致性,因此文中数据采用2010以后测定结果。利用Excel2007进行试验数据的预处理,采用SAS软件进行统计分析,用最小二插值法进行差异性分析 (P < 0.05)。

      • $ {\text{氮肥利用率常规法}}{\rm{(SNUE) = (U - U0)/F}} \times 100{\text \%} $

        式中:U为施肥处理作物氮素吸收量;U0为不施肥对照处理作物氮素吸收量;F为施肥量。

        $ {\text{氮肥利用率叠加法}}{\rm{(ANUE) = (CU - CU0)/CF}} \times 100{\text \%} $

        式中:CU为一段时期内施肥处理作物的氮素累计吸收量;CUO为该段时期内不施肥作物的氮素累计吸收量;CF为该时期内肥料氮素累计投入量。

        $ {\text{氮肥利用率比值法}}{\rm{(RNUE) = U/(U0 + F)}} \times 100{\text \%} $

        式中:U为施肥处理作物的氮素吸收量;U0为不施肥处理作物的氮素吸收量;F为肥料氮素投入量。

        $ \begin{split} & {\text{氮素利用率平衡法}}{\rm{(BNUE) =}}\\ & {\rm{U/(F + AN + DN + RN + SDN + SN)}} \times 100{\text \%} \end{split} $

        式中:U为施氮作物的氮素吸收量;F为肥料氮素投入量;AN为土壤非共生固氮量;DN为大气干湿沉降氮量;RN为灌水携入氮量;SDN为种子携入氮;SN为0—40 cm土体土壤氮素库容的降低量。

        $ \begin{split} &{\text{氮素利用率法}}[12]({\rm{NUE}})={\text{产品输出带出氮}}\\ & ({\rm{Tradable}} \;{\rm{outputs}}\; {\rm{N}})/{\text{氮素总输入}}({\rm{Inputs}} \;{\rm{N}}) \times 100{\text \%} \end{split} $

        式中:氮素总输入包括U、F、AN、DN、RD及SDN,与公式 (4) 相同。

      • 土壤系统氮素输入量包括施肥投入氮素、种子带入氮素、大气干/湿沉降氮素量、灌水输入氮和土壤非共生固氮量。

        施肥投入氮素:试验有机肥料施用量设置了5个氮水平N 0、120、240、360、600 kg/hm2,小麦、玉米两季每年肥料氮素投入量分别为:0、240、480、720、1200 kg/hm2

        种子带入氮素:按小麦、玉米播种量与其含氮量乘积计算,小麦、玉米每年播量为187.5 kg/hm2和37.5 kg/hm2,其含氮量平均分别为1.86%和1.17%,则每年小麦和玉米种子带入氮素量为3.92 kg/hm2

        大气干/湿沉降氮素:选用湿沉降年均总氮量32.8 kg/hm2和干沉降总氮量32.3 kg/hm2[18]之和66.1 kg/hm2作为当地大气沉降总量。

        灌水输入氮):深井灌溉,灌水携入氮忽略不计。

        土壤非共生固氮量:参照文献[18]给出试验所在地非共生固氮量15 kg/hm2

        土壤氮素库变化,上一年年终0—40 cm土壤全氮含量与本年年终的全氮之差。

        每年测定作物籽粒产量和秸秆产量,并测定含氮量 (表1)。

      • 表2表明,氮肥利用率均随着施氮量的增加而递减,但4个有机氮施用水平下,5种常用方法计算的有机肥氮利用率大小顺序均呈常规法 < 叠加法 < 比值法 < 氮素利用率 < 氮素平衡法。4个有机肥用量处理,常规法和叠加法计算的氮肥利用率差异均未达显著水平,但均显著低于比值法、氮素利用率法和氮素平衡法的计算结果。比值法计算的有机肥氮利用率在低中施肥水平 (120和240 kg/hm2) 下显著低于氮素利用率法和氮素平衡法的计算结果,高、极高有机肥氮施用水平 (360和600 kg/hm2) 下与氮素利用率法不显著,仍显著低于氮素平衡法。氮素利用率法除在低氮条件下 (120 kg/hm2) 与氮素平衡法氮肥利用率差异不显著,其余均显著低于氮素平衡法。

        表 2  不同方法计算的8年平均氮肥利用率 (%)

        Table 2.  Nitrogen utilization results of the eight experimental years calculated by five methods

        有机肥氮 (kg/hm2)
        Organic N input
        常规法
        SNUE
        叠加法
        ANUE
        比值法
        RNUE
        氮素利用率
        NUE
        氮素平衡法
        BNUE
        12050.0 ± 5.3 c51.1 ± 5.1 c67.6 ± 3.5 b80.1 ± 0.3 a88.7 ± 3.5 a
        24039.6 ± 1.8 d39.4 ± 0.9 d52.6 ± 1.4 c57.1 ± 1.5 b71.7 ± 3.2 a
        36032.8 ± 2.9 c32.8 ± 2.9 c43.1 ± 2.5 b45.7 ± 2.6 b56.1 ± 3.9 a
        60020.7 ± 1.5 c19.9 ± 1.4 c28.5 ± 1.4 b29.6 ± 1.4 b40.4 ± 1.3 a
        注(Note):SNUE—Subtraction of nitrogen using efficiency; ANUE—Accumulation of nitrogen using efficiency; RNUE—Ratio of nitrogen using efficiency; NUE—Nitrogen using efficiency; BNUE—Balance of nitrogen using efficiency. 同行数据后不同小写字母表示不同氮肥利用率计算方法计算结果间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lowercase letters in the same row indicate the significant level of 5% in the calculation results of different nitrogen fertilizer utilization met.

        在低有机肥料氮水平 (120 kg/hm2) 下,常规法和叠加法计算的有机氮肥利用率仅为50.0%和51.1%,而比值法计算结果为67.6%,氮素利用率和氮素平衡法计算的氮肥利用率分别为80.1%和88.7%,比值法的结果与Sebilo等[7]30年示踪试验结果接近。5个氮肥利用率的计算结果,常规法和叠加法偏低,比值法适中,氮素利用率和氮素平衡法偏高。

      • 图1显示,在试验年份中比值法、氮素利用率法和氮素平衡法计算的氮肥利用率大小顺序为氮素平衡法 > 氮素利用率 > 比值法。比值法与氮素利用率法计算的氮肥利用率差异小,而且随着施肥量增加差异逐渐减少,特别是当施氮量240 kg/hm2以上,两者差异在2%左右。氮素平衡法计算氮肥利用率随试验年限变化规律与有机肥料氮施用量有关,在有机肥氮120 kg/hm2处理下,随试验年限增加而逐年缓慢升高;在有机肥氮240 kg/hm2、360和600 kg/hm2处理下,随试验年份推移逐年缓慢下降。

        图  1  不同有机肥施用水平下几种典型氮素回收率计算结果随试验年限的变化

        Figure 1.  Variation of typical nitrogen recovery rats with years under different levels of organic fertilizer N rate

        常规法和叠加法计算的氮肥利用率不同年份间没有变化,但是,其计算结果偏低,仍不能得到令人信服的结果。沈善敏[5]提出了比值法,刘巽浩[4]提出对差减法的质疑,巨晓棠[12]提出氮素有效率方法,田昌玉等[10]提出氮素平衡法。比值法、氮素利用率法和氮素平衡法都能在很大程度上提高氮肥利用率的计算结果。

      • 2010年和2017年比较,有机肥氮施用量为120 kg/hm2时,常规法与叠加法计算的氮素利用率基本保持50.1~51.1%;比值法计算的氮肥利用率分别为69.8%和67.3%,减少了2.1个百分点;氮素利用率法分别为82.9%和74.4%,减少8.5个百分点;氮素平衡法的氮肥利用率分别是85.3%和93.8%,增加了8.5个百分点。有机肥氮施用量为240 kg/hm2时,常规法与叠加法计算的氮素利用率保持在39.6%~39.4%;比值法计算的氮肥利用率分别为54.5%和52.0%,减少了2.5个百分点;氮素利用率法分别为60.3%和55.1%,减少了5.2个百分点;氮素平衡法分别是76.9%和75.9%,减少了1.0个百分点。有机肥氮施用量为360 kg/hm2时,常规法与叠加法计算的氮素利用率保持在32.8%;比值法计算的分别为42.5%和38.6%,减少了3.9个百分点;氮素利用率法分别为46.7%和40.2%,减少了6.5个百分点;氮素平衡法分别为57.7%和47.6%,减少了10.1个百分点。有机肥氮施用量为600 kg/hm2时,常规法与叠加法计算的氮素利用率保持在19.9%~20.7%;比值法计算的氮肥利用率分别为28.4%和26.3%,减少了2.1个百分点;氮素利用率法分别为29.7%和27.0%,减少了2.7个百分点;氮素平衡法的分别是49.9%和30.4%,减少了19.5个百分点。

        综合4个有机肥施用水平,5个方法计算的氮肥利用率都随着施氮量的增加而降低。常规法和叠加法计算的氮肥利用率几乎相同,而且2010年和2017年的结果差异也很小,这两种计算方法的结果具有一致性,不同试验年份也具有稳定性,但是常规法和叠加法计算的氮肥利用率在4个施氮量和2个年份都低于其它3个方法。5个计算方法的结果大小规律是氮素平衡法 > 氮素利用率法 > 比值法 > 叠加法、常规法 (图1)。

      • 表3可知,有机肥料氮120 kg/hm2处理下,氮素平衡法的计算结果变异系数只有0.4%,氮素利用率和比值法结果的变异系数分别为3.9%、5.2%,而常规法和叠加法高达10.6%和10.0%。在有机肥氮高和极高施用水平,常规法和叠加法的变异系数始终高于比值法、氮素利用率法和氮素平衡法。

        表 3  不同计算方法氮肥利用率8年间变异系数 (%)

        Table 3.  Variation coefficients of nitrogen fertilizer utilization rate over 8 years

        有机肥氮
        Organic N input
        (kg/hm2)
        常规法
        SNUE
        叠加法
        ANUE
        比值法
        RNUE
        氮素
        利用率
        NUE
        氮素
        平衡法
        BNUE
        12010.6 10.0 5.23.90.4
        2404.52.32.74.52.6
        3608.88.85.87.05.7
        6007.27.04.93.24.7
        注(Note):SNUE—Subtraction of nitrogen using efficiency; ANUE—Accumulation of nitrogen using efficiency; RNUE—Ratio of nitrogen using efficiency; BNUE—Balance of nitrogen using efficiency; NUE—Nitrogen using efficiency.

        同一方法计算的有机肥氮不同施用水平的氮素利用率来看,常规法与叠加法在中等施用水平结果的变异较小,比值法4个施用水平的结果变异系数较为接近,氮素利用率和氮素平衡法的氮肥利用率变异系数在高施用水平有增加。综合看来,常规法和叠加法计算的氮素利用率变异较大,特别是在低有机肥氮施用水平;而氮素利用率和比值法在有机肥氮不同施用水平和施用年限间的变异水平较为稳定;氮素平衡法变异系数除了氮肥处理600 kg/hm之外,随施氮水平的增加而增加,同时低于其他四个方法结果,尤其在低氮施用水平下,其计算结果非常稳定,显示了良好的可靠性。

      • 已有文献表明常规法计算的氮肥利用率偏低[4-6, 9-15]。田昌玉等[10-19]认为,长期定位试验中,当土壤氮素养分达到相对平衡时 (> 7年),用常规法计算的氮肥利用率能代表实际氮肥利用率。从表2数据看,长期定位试验计算的氮肥利用率也仅仅50%(有机氮施用量为N 120 kg/hm2),远远小于Sebilo等[7]30年的示踪试验用叠加法计算的氮肥利用率 (> 65%)。

        长期定位试验用常规法计算氮肥利用率偏低,原因主要是长期定位试验中氮肥空白对照处理作物吸收的氮素不仅仅来源于大气干湿沉降、非共生固氮、灌水和种子带氮素,还包含了吸收土壤潜层水含有矿质态氮[20]。低施氮量的土壤,因为提供的氮素满足不了作物需求而需要消耗原有土壤氮库 (包括硝态氮),而高有机肥料氮处理 (360、600 kg/hm2) 土壤潜层水含有丰富矿质态氮[21-22],夏季多雨季节期间土壤矿质态氮会从高有机肥料氮处理土壤向低有机肥料氮处理土壤测渗,氮肥对照处理作物能够以这种方式吸收土壤潜层水含有的矿质氮,对照处理作物吸收氮素增多,按方程式 (1) 计算的氮肥利用率就会减少;如果对照处理没有吸收其它高氮处理潜层硝态氮,对照处理吸收的氮素量就会比实际的低,计算的氮肥利用率就会比实际测定的高。

        关于叠加法计算氮肥利用率方法,李世清等[6]阐述的叠加法计算氮肥利用率能显著提高氮肥利用率的值,这篇文章是采用15N标记法用叠加法计算的氮肥利用率,Sebilo等[7]报道的也是用15N标记法用叠加法计算的氮肥利用率,利用标记氮和叠加法计算的氮肥利用率能增加氮肥利用率数值,更好地反映实际氮肥利用率;而采用常规氮素肥料,在潜层水含有硝态氮对空白对照处理影响下,用叠加法计算不一定能提高氮肥利用率的计算值。

      • 沈善敏[9]提出的比值法计算氮肥利用率方法是一个很有用的,而且与国际通用的氮素利用率计算方法很接近。比值法提出10年后,杨宪龙[17]采用比值法详细计算氮肥利用率并给予分析,得出比值法计算的氮肥利用率不仅能更接近实际氮肥利用率而且年际间变异小。为什么比值法提出来10年后才有学者应用?主要原因是没有从计的比值法,只是在原来常规差减法计算公式中3个变量的基础上重新组合的计算式。

        $ {\text{氮肥利用率常规差减法}}{\rm{ = (U - U0)/F}} $

        $ {\text{氮肥利用率比值法}}{\rm{(RNUE) = U/(U0 + F)}} $

        式中:U为施氮作物的氮素吸收量;U0为不施氮作物的氮素吸收量;F为肥料氮素投入量。

        计算氮肥利用率方法从公式 (6) 改进到公式 (7),对照处理的吸收氮素 (U0) 在两个算式中的意义完全不同。U0在算式 (6) 中通常解释为作物吸收来自土壤氮素量,实际上U0随着试验时间延长其测定的值逐年下降,当对照处理土壤氮素接近相对平衡 (年际间土壤氮素基本保持恒定) 时候,对照处理作物吸收U0实际上来源于施肥以外其它途径输入土壤的氮素 (大气干湿沉降、灌水、种子、非共生固氮及土壤浅层扩散矿质氮)[19],也就是说对照处理作物消耗施肥以外的氮素输入量,收获物中吸收的氮量U0,在低氮素输入情况下氮素利用率接近100%(或90%以上)[16],因此基本上代表试验中不含施肥氮量以外其它途径输入到土壤中的氮素量,也就是比值法计算氮肥利用率公式 (7) 中U0的含义,用公式表示为:

        $ \begin{split} & {\rm{U}} \leqq {\rm{0AN + DN + RD + HN}}\;\;\;{\text{或者}}\;\;\;\\ & {\rm{U}}0 \cong {\rm{AN}} + {\rm{DN}} + {\rm{RD}} + {\rm{HN}} \end{split} $

        式中:AN为土壤非共生固氮量;DN为大气干湿沉降氮量;RD为灌水携入氮量;HN为空白对照处理潜层扩散氮。

        因此,氮肥利用率比值法公式 (3) 可以表示公式 (9) 的形式:

        $ \begin{split} & {\text{氮肥利用率比值法}}{\rm{(RNUE) = U/(U0 + F) =}}\\ & {\rm{U/(F + AN + DN + RD + HN)}} \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \end{split} $

        比较氮素利用率公式 (5) 与比值法氮肥利用率公式 (9) 可以看出,长期定位试验10年以后,比值法与氮素利用率计算方法非常接近,计算公式中仅仅相差一个对照处理潜层扩散氮 (HN)。因为HN > 0,所以比值法计算的氮肥利用率小于氮素利用率;如果对照处理土壤下层封闭,阻止潜层矿质氮扩散 (HN=0),那么比值法与氮素利用率计算方法几乎一样,图1中2017年结果也证明了这种推论。

      • 比较氮素平衡法计算式 (4) 与氮素利用率法计算式 (5),两者之差在于土壤氮素库容的降低量 (SN)。有机肥料长期定位试验中,土壤氮素库容实际上逐年增加,所以SN < 0,因此氮素平衡法计算的氮肥利用率大于氮素利用率。表2图1也证实这一判断。施入土壤的有机肥料氮一部分被作物生长所消耗,另一部分存储在土壤氮素库中,存在土壤氮素库中的氮素是没有被吸收利用的有机肥料氮,所以在氮素平衡法计算氮肥利用率公式中,从总氮素输入部分减去土壤氮素库容的增加量 (或加上土壤氮素库容的减少量),这种算法考虑到了肥料对土壤氮素库的影响,是一个更符合实际的计算方法。

        巨晓棠[12]阐述目前氮肥利用率计算方法有三个误区,其中之一是“没有将施氮量、作物产量和土壤氮素变化情况紧密联系起来”,并提出了将施氮量、产量和土壤氮素变化情况紧密联系起来的算法——氮肥有效率算法。

        氮肥有效率 = 100% × (作物吸收肥料氮+主要根区土壤残留肥料氮)/氮肥施用量

        这个氮肥有效率计算方法是用15N标记法测定,其中“主要根区土壤残留肥料氮”存在于土壤库中,还没有在土壤中被利用,计算的氮肥有效率比实际氮素利用率要偏高些,“主要根区土壤残留肥料氮”通过作物进一步吸收利用,转化为下一茬作物吸收肥料氮,土壤残留肥料氮转化为作物吸收肥料氮的转化率不是100%。

        如果肥料氮是化肥氮,或者施肥对土壤氮素库影响不大,根据氮肥利用率公式 (4) 和 (5) 可以判定氮素利用率的计算公式与氮素平衡法计算公式一致 (SN = 0),计算土壤氮素库容的变化量应该采用土壤全氮,而且计算2米土层全氮变化量更合理。

      • 5个计算方法相比,不论施肥量高低,常规差减法 (常规法) 和叠加法计算氮素利用率的结果最低,且在高量有机肥氮水平下变异较大,结果不能反映实际氮素利用率。用比值法和氮素利用率法计算的氮素利用率的结果和变异系数高于常规差减法和叠加法,但低于氮素平衡法,氮素平衡法计算的氮素利用率高且稳定,具有很好的重复性和可靠性。

        氮库变化影响着比值法的准确性。长期定位试验对照处理土壤氮素库相对稳定期,比值法是氮素利用率计算方法的简略形式;当土壤氮库相对稳定条件下 (施肥处理和对照处理土壤氮素库不变:SN = 0),比值法、氮素利用率和氮素平衡法计算结果一致;在土壤氮库逐年增加或降低情况下,氮素平衡法是计算氮素利用率的最合理方法。

    参考文献 (22)
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