中国三大粮食作物农田活性氮损失与氮肥利用率的定量分析

探索协调农学、经济和环境友好的农业可持续发展道路,对保障粮食和资源环境安全具有重要意义。但是当前缺乏对区域尺度农田活性氮损失与氮肥利用率定量化研究。本文在文献数据的收集结合多年多点田间试验结果的基础上,明确我国三大粮食作物区域活性氮损失特征和影响因素,以及建立活性氮损失的估算模型,最后了解区域农田氮肥利用率情况及其影响因素。取得的主要结果如下： 1.全国主要粮食作物农田N淋洗损失最大,N2O排放损失最小。N淋洗(水稻包括径流)损失量和损失率分别为27.2kg N ha-1和12.6%,NH3挥发损失量和损失率分别平均为20.7kg N ha-1和11.2%,N20排放损失量和损失率平均为1.86kg N ha-1和1.0%。 2.活性氮损失区域间差异显著。N2O排放损失途径中：南方冬小麦损失较大,损失量和损失率分别为3.46kg N ha-1和1.92%。N淋洗(水稻包括径流)损失途径中：长江流域单季稻、华北冬小麦和夏玉米的损失较大,损失量分别为16.8、34.1和58.3kg N ha-1,损失率分别为4.5%、15.6%和124.9%。NH3挥发途径损失中：华南晚稻、南方冬小麦和华北夏玉米较大,损失量分别为54.9、13.1和15.0kg N ha-1、损失率分别为35.2%、9.2%和8.5%。 3.小麦和玉米中,N20排放和N淋洗损失随着施氮量和氮盈余的增加都呈现指数上升的趋势,NH3挥发随施氮量增加呈直线上升关系。在估算N20排放和N淋洗过程中,基于施氮量估算的活性氮损失比基于氮盈余估算的结果偏高,特别在产量和效率较高水平下,两者差异更大。因此用氮盈余模型估算N20排放和N淋洗损失,用施氮量估算NH3挥发量较为合理。小麦和玉米中表明,基于根层氮素实时监控的优化施氮措施比农民习惯的施氮量分别低60%和39%,产量分别高5%和6%,氮肥利用率分别高146%和98%,同时分别减少单位籽粒活性氮损失量80%和45%。 4.农学优化施氮量指获得最高产量时的施氮量；经济优化施氮量指获得经济效益最高时的施氮量；生态优化施氮量指综合考虑了经济和环境成本,当净效益最高时的施氮量。河南小麦生态优化施氮量为201kg N ha-1,相对于经济优化施氮量(225kg N ha-1),单位籽粒活性氮损失降低了15%,而产量没有显著性变化。玉米中,比较经济优化施氮量237kg N ha-1,生态优化施氮量平均为185kg N ha-1,单位籽粒活性氮损失降低了27%,产量没有显著性变化。生态优化施氮量随着增产量的增加而增加。 5.近20年来,我国水稻,小麦和玉米氮肥利用率呈现先下降后上升的趋势。1990-1999,2000-2005,2006-2010年段平均氮肥利用率分别为35%,27%和34%。其中水稻3个年代段平均氮肥利用率分别为37%,28%和37%;小麦分别为34%,28%和35%；玉米分别为35%,26%和30%。水稻中以北方单季稻氮肥利用率最高为40%；南方冬小麦最高为38%；玉米以东北春玉米氮肥利用率最高为32%。