基于高效、可持續與環境友好型的“ESE”施肥技術體系的建立

付春紅 張慶賀 李嘉鑫 呂艷超 張婷婷 黃健

摘要：吉林省自大規模推廣配方施肥技術以來，產生了許多配方施肥方法，其共同特點都是僅僅考慮施肥對作物的養分平衡和施肥的效益，均未關注施肥對土壤中養分消耗的補償作用或者土壤養分的歸還作用。本文在總結前人提出的施肥方法和建議下，提出以作物一土壤一環境“三位一體”的土壤表觀平衡為基礎，以調節和改善氮肥對環境損失率為技術關鍵的高效可持續和環境友好（EsE）的現代“4R”施肥技術模型。

關鍵詞：配方施肥;施肥模型;技術體系

中圖分類號：F323 文獻標識碼：A DOI編號：10.14025/i.cnki.jlny.2019.15.041

吉林省糧食總產水平穩定在350億公斤的階段性水平，其中化肥的作用功不可沒。大量研究結果表明，化肥在糧食增產中的貢獻率可以高達40%～50%，但也存在施肥不合理、化肥超量施用的現象。例如，吉林省中部糧食主產區合理施肥面積只占30.2%。因此，迫切需要對單純追求產量和效益的施肥理念和方法進行梳理和修正，建立既能滿足增產增收，又可以創造良好農田生態環境和耕地可持續利用的現代施肥技術體系。

1 ESE施肥技術的理論基礎與施肥模型的建立

ESE施肥技術理論基礎是作物一土壤一環境“三位一體”的土壤氮素的“表觀平衡”，并通過改進施肥方法改善和調節這種“平衡”，形成施肥技術體系，實現作物高產高效、土壤肥力穩定提高、農田環境友好的種植施肥多贏目的。為便于了解施肥模型建立的推演過程，用圖1和關系式1說明這種“表觀平衡”，并且其過程是作物從種植到收獲土壤氮素流通總量的“表觀平衡”，因此模型的計算結果是氮肥施用總量，而基肥與追肥的分配仍需根據作物對氮肥的需肥規律確定。對于磷鉀肥仍然采用“土壤養分豐缺法”，每隔2～3年測土監測矯正施肥。

以上匡圖的數學關系式可以表達為：

Wl+W2+W3+W4=W5+W6+W7+W8+W9…（1）

其中：s（包括W6+W7+W8）可以看作土壤氮素養分肥力相對穩定的庫容，它是土壤養分肥力水平的數量指標，也是保持這種水平的能力指標;W2+W3是當季作物可以吸收的土壤氮素養分量;W4為環境提供給土壤氮素養分量。按照李比希施肥養分歸還學說和保持土壤肥力可持續要求，作物播種前與收獲后土壤養分的變化（SA）應當為零，即：SA=W6+W7+W8+W4-W2-W3=0…（2），而W3=W6+W7…（3），將（3）式代入（2）式，則W8=W2-W4…（4），分別再將（3）式和（4）式代入（1）式，則：Wl=W5+W9-2W4…（5）

設R為施肥損失到環境中的氮素損失率（%），即損失到環境中的氮素（W9）占施肥量（W1）的（%），包括肥料的揮發、淋溶和徑流等，則（5）式變為：Wl=（W5-2W4）/（1-R）…（6），即：

氮肥施用量=作物吸收養分量-2^*來自環境的氮門一施肥氮素環境損失率（%）。

2 ESE施肥模型的參數確定與評價

2.1 ESE施肥模型的參數確定

式（5）中共有W5，W4和R三個變量參數，將相關參數獲得的方法分析如下：

W5是作物氮素養分的吸收量，由作物目標產量和百公斤籽粒需肥量構成?？梢愿鶕貕K的地力水平確定目標產量，一般為前三年的平均產量增加15%～20%;相關資料可以查詢到春玉米各類品種作物百公斤籽粒需氮量，吉林省春玉米平均為1.98kg/100kg，目標單產水平越高其值越低。

W4是來自環境氮素的投入量，主要包括大氣沉降和生物固氮。研究表明，大氣氮素沉降量全國平均值為20～50Kg/hm²，其中，東北地區最低。據研究估算.吉林省平均大氣氮素沉降量為14.8kg/hm²，比全國平均水平20.2kg/hm²低;大田地非共生固氮，一般為15kg/hm²。這兩項環境氮素投入量在省級尺度應當變化不大，可以認定吉林省環境投入氮素量平均在30kg/hm²。

施肥損失到環境中的氮素損失率R值是一個變化值，它與區域特征、土壤條件和栽培技術等有很大關系。同一農業生態區域、土壤條件、栽培技術水平下，會保持其相對穩定性和一致性，因此，要因地分類，建立不同農業生態區域、土壤條件、栽培技術水平下的施肥環境氮素損失率（R）體系，以滿足地塊尺度施肥指導精度。具體可以選擇某一區域、不同土壤條件下的代表性地塊，通過田間回歸試驗獲得最佳施肥量和最高產量，再采用式（6）求得R值。以吉林省梨樹縣試驗為例，以降水量劃分出三個不同的農業生態區（可以代表吉林省中部黑土區），如表1，利用試驗得出的最佳施肥量和最高產量，計算氮肥環境損失率。

其中，450～5000ram區的R值計算如下：242=（11220^*2.0/100-2*30）/（1-R），R=32.1%（其中，春玉米白公斤籽粒吸氮量為2.0kq/100 kq）。

研究表明，全國施肥氮素環境損失率（R值）平均30%～50%，其中氨氣揮發損失11%，硝化一反硝化損失34%，淋溶損失2%，徑流損失5%，但吉林省黑土區降雨較小，蒸發相對較大，地形多為緩坡但坡長（30～50），水蝕較為嚴重，且以種植玉米的旱田為主，施肥中的氮素損失以氨揮發和徑流為主，硝化一反硝化損尖和淋溶損失率不高。如果硝化一反硝化損失和淋溶損失率按全國平均值的30%～50%計，其他兩項氨揮發和徑流損失率不變，依此粗略估算，吉林省施肥氮素環境損失率（R值）在25%～35%，低于全國平均水平，與以上計算結果大致相當。

2.2 ESE施肥模型的評價

一是高效性。模型的物理性解釋為：在指定的農業生態區域內，保證作物高產高效的前提下，采用當地土壤培肥和栽培措施，有效控制施肥對環境影響而達到的最佳施肥量。實現高產高效和環境友好的施肥目地;二是土壤培肥性。施肥先肥土，施肥不僅要提供作物充分的營養條件，也是土壤培肥過程。EsE施肥模型符合“歸還學說”理論，保證了作物播前和收獲后土壤養分不變，保持地力水平的穩定;三是施肥對環境影響的調控性。ESE施肥模型中的三個參數中只有施肥氮素損失率（R值）為變量，概念清晰，改善措施明確，為有效地制定施肥技術體系提供了靶向依據。比如，可以通過秸稈還田、施用有機肥、化肥深施和深松深翻等措施，提高土壤持水保肥能力，降低化肥用量，降低化肥損失對環境的影響。

3 ESE施肥技術體系的構建

ESE施肥技術體系應包括選擇適宜的施肥量、施肥方法（位置、時期）、肥料的品種，甚至栽培技術、耕作方式、土壤培肥措施以及作物品種等“4R”施肥技術，核心是調節和改善施肥環境的損失率，降低施肥總量（可以從關系式（6）中看出），同時要保證作物高產和土壤養分的平衡?？赏ㄟ^增施有機肥或秸稈還田增加土壤養分庫容和保肥能力;通過深施和分次施肥以及控釋肥技術等，保證作物在需肥關鍵時期和最大效率期的養分供應，減少肥料的揮發、淋溶和徑流等;通過機械深松深翻，增加土壤蓄水保墑，提高作物養分有效吸收和“無機氮土壤中的殘留”保持能力。

3.1建立施肥氮素養分環境損失率體系。確定適宜的施肥量

計算施肥量的ESE施肥模型中，施肥環境損失率R值是決定化肥用量的唯一關鍵參數，它由區域特征、土壤條件和栽培技術水平等決定。分區、分類通過田間試驗計算不同R值，建立全省不同農業生態區域、不同土壤肥力水平的施肥氮素養分環境損失率體系，指導農民施肥。

3.2根據肥料特性。確定合理施肥的方法

氮肥分次、分層深施，磷肥分層施，鉀肥分次深施，基肥、種肥和追肥相結合。春玉米追施氮肥壟溝深施比壟上表施可以提高氮肥利用率2.7%～19.9%。一般情況下，吉林省玉米施氮肥的20%，磷肥與鉀肥的80%～100%及其他肥料可全部作基肥深施，施肥深度應在種子下的8～10cm以上;通常情況下，氮肥的5%磷肥與鉀肥的20%做種肥，施肥深度應在種子側下方3～5cm，做到種肥隔離。氮肥施肥量的80%做追肥，一般春玉米在大喇叭口期深施追肥，深度應達到8～10cm，覆好土，防止化肥揮發。

3.3實施秸稈還田，增施有機肥

降低施肥環境損失的最好辦法是提高土壤養分庫容，即土壤保肥能力。增施有機肥和秸稈還田可以提高土壤有機質，改善土壤團粒結構，不但可以滿足當季作物所需要的養分，還可以增加土壤有機態有效養分和固持態有效養分等這些土壤緩效性養分。吉林省土壤有機質的年礦化率為2.5%～3.0%，每年礦化有機質達1500kg/hm²左右，需要秸稈還田或增施有機肥補充土壤有機質。增施有機肥既要數量充足，還要質量有保障。研究表明，東北黑土區施用的有機肥質量和數量“閾值”要達到有機質含量>70%（烘干基），施用量在6000±1500kg/hm²以上，連續施用3年才會出現成效。

3.4創造良好耕層結構。提高土壤養分協調供應和保持能力

土壤培肥是現代施肥技術的重要內容。陳恩鳳曾提出，土壤肥力（土壤水、肥、氣、熱的協調供應能力）決定于土壤的“體質”和“體型”?！绑w質”是指以土壤養分為代表的土壤肥力物質供應水平;“體型”是指土壤耕層的剖面構型，是土壤肥力的協調能力。因此，土壤培肥包括有機培肥、無機培肥和耕作培肥，而后者在現代農業生產中顯得愈加重要。通過深松等耕作措施可以改善土壤耕層結構，不但增加土壤蓄水保墑能力，而且擴大了“土壤無機氮殘留”的庫容能力，減少化肥淋溶和徑流。采用玉米寬窄行種植、高留茬、行間深松的新耕作技術，可以創造苗帶緊，行間松的虛實結合耕層結構，增加土壤蓄水能力;同時還可以通過秸稈還田，增加土壤有機質，控制風蝕和水蝕。黃健等連續3年試驗證明，吉林省中部黑土區采用此法，0～50cm土層可以平均提高水分1.9-4個百分點;0-20cm土層可以平均提高土壤有機質0.19個百分點。