基于生态和社会效益优化黑土区高产玉米氮肥施用量

【目的】在农学和经济效益基础上,基于生态和社会效益进一步探索优化玉米氮肥施用量,促进黑土区玉米生产的可持续绿色发展,协同实现作物高产、资源高效、环境保护和人类健康等多重目标。【方法】2017—2020年在吉林省典型黑土区两个地点(三棵树村和泉眼沟村,简写为SKS和QYG)开展田间定位试验,研究氮肥(尿素)用量(0、50、100、150、200、250、300 kg N·hm^(-2))对玉米产量、氮素吸收和利用的影响。采用生命周期评价和综合效益分析方法评估不同施氮水平下玉米的农学、经济、生态和社会效益(分别为施氮引起的直接产值增量、除去氮肥成本的利润增量、除去活性氮损失和温室气体排放等环境污染成本的生态效益、除去环境污染引发人类健康危害成本的社会效益),并分别计算农学最佳施氮量(agronomically optimal N rate,AOR)、经济最佳施氮量(privately optimal N rate,POR),生态最佳施氮量(ecologically optimal N rate,EOR)和社会效益最佳施氮量(socially optimal N rate,SOR),最终综合多重效益优化黑土区玉米的氮肥施用量。【结果】黑土区玉米施用氮肥具有显著增产效果,两个试验点产量随施氮量增加而持续上升,均在200 kg N·hm^(-2)达到产量平台,SKS和QYG 4年平均产量分别为10.3和11.1 t·hm^(-2)。玉米植株氮素吸收量也随施氮量增加而持续提高,SKS和QYG均在300 kg N·hm^(-2)达到最高(分别为151.9和161.8 kg N·hm^(-2)),而氮肥表观回收率均在施氮量100 kg N·hm^(-2)时最高(分别为70.3%和72.2%),而后则随施氮量增加呈下降趋势。基于4年试验结果进行综合效益分析发现,氮肥投入导致的生态和社会成本均随施氮量增加呈指数增长趋势,玉米施氮后的产值增量、利润增量、生态效益及社会效益均随施氮量增加呈现先增加后降低的一元二次曲线趋势。基于曲线拟合计算,SKS点的AOR、POR、EOR、SOR分别为236、225、215、211 kg N·hm^(-2),而QYG点分别为245、235、225、221 kg N·hm^(-2)。AOR条件下,SKS和QYG点的玉米产量分别为10.6和11.4 t·hm^(-2),活性氮损失分别为44.4和46.8 kg N·hm^(-2),生态效益分别为8 786和10 271元/hm^(2),社会效益分别为8 351和9 822元/hm^(2)。两个试验点在EOR条件下相比AOR条件分别减施氮肥8.8%和7.9%,提高氮肥偏生产力9.1%和8.1%,减少活性氮损失11.7%和11.0%。两个试验点的SOR在EOR基础上进一步减少氮投入,SOR相比AOR分别减施氮肥10.6%和9.6%,减少活性氮损失14.0%和13.1%,增加社会效益124和119元/hm^(2)。【结论】基于生态和社会效益评估,本研究条件下玉米在10.5—12.0 t·hm^(-2)产量水平的适宜施氮量为210—220 kg N·hm^(-2),建议黑土区玉米养分管理应以最佳生态或社会效益为目标推荐施氮量,以实现减氮增效、生态高产和人类健康等多重目标。