2015年，我国提出大力发展我国饲草种植，协调饲草、粮食和经济作物三元结构，和谐稳定健康发展，到2020年将饲草种植面积扩大到633万hm²，其中青贮玉米种植面积占比达到26%。同年，农业农村部开展“粮改饲”试点10个，2016年增至30个，2017年农业农村部将“粮改饲”试点推行至全国各省市，每个省市试点近400个，同时给予大力财政补贴，“粮改饲”任务目标以每年67万hm² 增长，预计2030年，我国青贮玉米种植可突破667万hm^2[1]。

我国农业种植多以小农户经营为主，农田水肥管理粗放，以氮肥为主的化肥投入过多，不仅造成资源的浪费，而且加剧环境恶化。自20世纪80年代以来，我国农田化肥投入量以4%的速度逐年增加，成为全球化肥生产和消费量最高的国家。玉米的氮肥增产效应明显，农民为追求高产而盲目施用氮肥，造成氮肥的损失率高达45%^[2]。据统计，我国农作物集约化种植区，氮肥的投入量达到450～600kg·hm^-2[2]。在我国华北平原玉米种植区，氮肥年用量超过500kg·hm^-2[3]。在国家大力实行“粮改饲”的政策下，青贮玉米种植面积正在逐年迅速扩大，与此同时，青贮玉米的种植依然使用普通玉米使用的肥料和水分管理模式，甚至其远超普通玉米。在这种管理模式含糊不清的情况下，以每年种植面积近百万公顷的增速所带来的氧化亚氮等温室气体的排放和土壤氮磷流失对地下水的污染是不可估量的。我国迫切需要一套成熟的适用于我国青贮玉米种植的管理模式，以应对棘手的环境问题。目前，针对粮用玉米氮肥管理的研究相对成熟^[4-8]，近几年虽然对青贮玉米栽培技术的研究有了可喜的进步，但大多是其饲用价值、种植密度、青贮品种培育以及饲料加工方面的研究^[9-11]，栽培管理大多仍沿用粮用玉米生产模式，水氮优化管理技术在青贮玉米上的应用仍然较少。本文通过不同的养分管理模式，研究了各种模式下青贮玉米产量、经济效益以及环境影响等问题，为内蒙古青贮玉米可持续发展和经济环境双赢提供技术支撑和保障，也为后期如何通过养分管理提高青贮玉米品质等方面的研究奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古自治区中南部乌兰察布市察右前旗瑞田现代农业有限公司园区（112°48′～113°40′ E，40°41′～41°13′ N），此地气候环境恶劣，冬季漫长寒冷，少有降雪，夏季凉爽且短暂，属于典型的大陆性季风气候。年平均降水量为360mm，降水集中在7～8月，夏季平均气温22℃，年平均气温4.5℃，无霜期约为130d，早霜出现在9月中下旬，晚霜出现在4至5月之间，常年风向为西北风。因气候凉爽，昼夜温差大，主要种植农作物为玉米、马铃薯、杂粮、杂豆等。全旗以栗钙土为主，其次为草甸土和沼泽土，黑钙土和盐土也有小面积分布。试验区耕层土壤基本理化性质为有机质19.7g·kg^-1、pH 8.9、碱化度5.06%、硝态氮90.7mg·kg^-1、有效磷10mg·kg^-1、有效钾138.3mg·kg^-1、田间持水量180g·kg^-1、土壤容重1.37g·cm^-3。

1.2 试验材料

本研究以青贮玉米品种先玉1331为试验对象，种植方式采用膜侧精量播种，膜下为滴灌带，株距18cm，平均行距为60cm，种植密度为90000株·hm^-2。

1.3 试验设计

2018年春播前，在瑞田现代农业有限公司园区选择地力均匀、地势平坦的地块开展不同施肥模式对青贮玉米产量及其环境效应的研究。试验采取大区种植，共设3个处理，分别为农户传统施肥区 （CON）、基于土壤测试的氮素营养调控（PAT-1） 和基于光谱卫星的全追肥模式（PAT-2）。CON模式下施肥以氮肥为主，磷钾投入较少，全部肥料作为基肥施入土壤；PAT-1模式下施肥量根据目标需求量与土壤供应量计算得到，其中磷钾肥和少部分氮肥作为基肥，其余氮肥作为追肥分3次施完，追施量依据青贮玉米养分吸收规律，追施前进行氮素调控。PAT-2模式所有肥料均作为追肥水肥一体施用，采用高光谱遥感对玉米长势进行实时监测，并利用高光谱反演技术对氮肥用量进行实时调控。不同模式下养分投入量详见表1。

为了探究基于土壤测试的氮素营养调控 （PAT-1）和基于光谱卫星的全追肥（PAT-2）2种环境友好型施肥模式在实际生产中的应用效果，在充分结合PAT-1和PAT-2模式2018年的试验结果和2种模式各自优缺点的基础上，2019年在瑞田现代农业有限公司进一步开展环境友好型施肥技术模式的探究，并对2018年的试验结果进行验证。 2019年春季播种前采集耕层土壤样品进行监测分析，并根据青贮玉米目标产量、养分吸收规律以及肥料利用效率等计算得出肥料施用量。其中磷钾肥和少部分氮肥作为基肥，在玉米生育期采用高光谱遥感反演技术进行氮素的实时调控，并将剩余的氮肥在青贮玉米生育的小喇叭口期、大喇叭口期和抽雄期分3次完成追施，基追比例为3∶3∶3∶1。该模式称为优化施肥技术模式（OPT）。OPT施肥模式具体的养分投入量详见表1。

1.4 不同施肥模式调控原理

1.4.1 传统施肥模式

通过对试验区当地农户进行调查发现，农户种植青贮玉米大多只施用基肥，不追肥，且基肥以氮肥为重，此模式以下简称CON模式。

1.4.2 基于土壤测试的氮素营养调控模式

首先，春播前采集耕层土壤样品进行监测分析，了解土壤基本养分供应能力；其次，根据瑞田现代农业有限公司提供的往年青贮玉米产量确定目标产量，并根据青贮玉米每吨鲜产的氮磷钾养分吸收量，计算得到目标产量下青贮玉米养分吸收量； 最后，根据施用肥料的肥料利用率计算得出肥料施用总量。此模式按照基肥加追肥的原则，将磷钾肥作为基肥，氮肥减去基肥中带入的少量氮肥之后在关键生育期分3次追施。在每次追肥前3～5d采集土壤样品监测土壤硝态氮，并根据土壤硝态氮含量和玉米长势调整追肥日期及追肥量。此模式以瑞田现代农业有限公司为中心辐射周边1000余hm²。

由于地块面积较大，费时费力，采土测试工作以片区为单位，以下简称PAT-1。

1.4.3 基于光谱卫星的全追肥模式

此模式采用无基肥，所有肥料的投入为少量多次水肥一体膜下滴施。在玉米生长期间采用高光谱遥感技术对玉米长势进行实时监测，并采用高光谱反演技术，利用光谱指数（NDVI）与作物生物量、植株氮浓度等相关性极佳的特点，通过玉米冠层光谱信息推荐施肥量。根据不同生长时期玉米反演得出的NDVI值对玉米植株氮素浓度进行实时监测，并依据不同生育期玉米需水需肥规律进行氮素的实时调控，从而确定整个玉米生长周期的施肥次数和施肥量（图1），以下简称PAT-2。表2为PAT-2施肥日期及施氮量。

1.4.4 优化施肥技术模式

该技术模式充分结合PAT-1和PAT-2施肥模式的氮肥调控方法，此模式采用基肥加高光谱遥感反演氮肥实时调控技术。首先，春季播种前采集耕层土壤样品进行监测分析，并根据青贮玉米目标产量、养分吸收规律以及肥料利用效率等计算得出肥料施用量。其中磷钾肥和少部分氮肥作为基肥，在玉米生育期采用高光谱遥感技术对玉米长势进行实时监测，并通过实时监测玉米冠层光谱信息，采用高光谱反演技术将剩余的氮肥在青贮玉米生育的小喇叭口期、大喇叭口期和抽雄期分3次完成追施，此模式简称OPT模式。

1.5 样品测定与数据采集

1.5.1 样品的测定

茎基部硝酸盐含量：收获之后在各模式的典型地块采集茎基部（青贮玉米收获后留茬部分）若干，风干粉碎后用紫外分光光度计法测定其硝酸盐含量。

土壤硝态氮含量：在青贮玉米生育关键期小喇叭口期、大喇叭口期、抽雄期和收获后采集相应地块0～60cm土壤样品，将采集的土壤样品混合后准确称取50g于振荡瓶中，以0.01mol·L^-1 的CaCl₂ 为浸提剂，量取50mL后倒入振荡瓶，振荡30min后过滤，用RQeasy硝酸盐反射仪测定土壤样品硝态氮含量。

1.5.2 数据的采集与计算

各种模式产量数据来源于秋季青贮玉米收获实际数据，成本与效益数据由瑞田现代农业有限公司财务部提供。

氮肥回收利用率（%）=（模式下总吸氮量－不施氮处理吸氮量）÷ 模式施氮量 ×100；

氮素表观损失（kg·hm^-2）=氮素总输入（kg·hm^-2）－ 作物带走（kg·hm^-2）－土壤残留（kg·hm^-2）；

其中氮素输入途径包括化肥投入、灌溉投入、种子带入、干湿沉降和非共生固氮。化肥投入为氮肥的实际投入量；灌溉投入由灌溉水中氮素含量和灌溉水用量求出；种子带入由播种量及种子中氮素含量求得；干湿沉降及非共生固氮由文献查阅得出。作物带走由青贮玉米产量和玉米中氮素含量求得，土壤残留以收获期0～60cm土层土壤硝态氮计算得出。

1.6 数据分析与整理

将数据录入Excel 2007进行简单计算与整理，用SAS 9.0进行单因素方差分析，用Sigmaplot 12.5进行图表制作。

2 结果与分析

2.1 产量对比

图2 为PAT-1和PAT-2的平均产量水平，与全国平均产量水平和农户平均产量水平对比发现，PAT-2的产量最高，PAT-1次之，PAT-1和PAT-2都高于全国平均水平，农户产量远远低于全国平均产量水平。农户施氮量高，但不注重磷钾肥的施用，产量约49500kg·hm^-2。2016年我国青贮玉米平均产量为62000kg·hm^-2，PAT-1产量为67500kg·hm^-2，PAT-2产量约为73000kg·hm^-2。相比农户，PAT-1和PAT-2分别增产12500和23500kg·hm^-2，增幅分别为25.3%和47.4%。

注：N-AVE为2015～2018年我国青贮玉米平均产量（中华人民共和国农业农村部），不同小写字母表示不同施肥模式下差异达到显著水平（P<0.05）。下同。

2.2 不同时期NDVI值变化

在青贮玉米生育期内共测定7次NDVI，从图3中可看出，其NDVI值随时间延长不断增大，最高值出现在7月18日，而后又呈降低的趋势。在6月10日之前，玉米植株小，生物量低，从6月10日至7月5日这一阶段施氮量不断加大，玉米生长速度急剧增加，NDVI值也相应增大。第5次施氮量最高，施入之后7月18日测定NDVI，其值达到最大。从图3中可知，施氮量与青贮玉米NDVI具有一定相关性，施氮量的增加会提高其NDVI值，后期施氮量减小，NDVI值则会减小。

2.3 茎基部硝酸盐含量

玉米植株内的氮素主要以蛋白质氮、硝态氮、铵态氮和酰胺态氮的形式存在，其中硝态氮对氮素供应反应最为灵敏，所以通常在玉米生长期可以通过测定植株体内硝酸盐含量来判断土壤对玉米的氮素供应状况，在玉米生育前期，植株体内硝酸盐含量与生物量之间为正相关关系，但随着生育的进程生物量不断增加，其体内硝酸盐储量会逐渐降低。图4为不同施肥模式下收获期茎基部硝酸盐浓度，可以看出产量越高其硝酸盐浓度越低。邢惕等^[12]指出，春小麦茎基部硝酸盐浓度随着植株的不断生长呈下降的趋势，此理论也适用于玉米、棉花、甘蓝、马铃薯等作物。玉米的高生物产量不是以植株中高的硝酸盐储存量为前提，若在玉米整个生长期内土壤能够提供适量的氮素，则植株体内不会储存过量硝酸盐^[13-15]。传统施肥模式下产量最低，收获时根茬硝酸盐浓度最高，大量积累在玉米植株内的硝酸盐，在饲料发酵以及被畜禽食用后，通过一系列反应可转化为亚硝酸盐等毒害物质，最终流向人体内，危害人体健康。

2.4 肥料利用率

从表3可以看出，不同施肥模式对氮肥的可利用性有较大的影响。传统施肥模式下氮肥利用率仅为26.5%，远远低于两种PAT模式，PAT-1为52.5%， PAT-2最高，为54.7%。由此可知，少量多次的水肥一体化施肥模式符合作物对氮肥的需求且极大减少了有效根区以外养分流失，提高氮肥利用率。

注：不同小写字母表示不同施肥模式下差异达到显著水平（P<0.05）。下同。

2.5 氮素供应与环境风险

图5 为不同模式不同时期各土层土壤硝态氮含量的变化情况。施入土壤中的氮肥，经过一系列的化学反应生成各种形态的氮化合物，除部分被作物吸收利用外，其余部分形成气体挥发或散逸，或被微生物转化利用或被固定在土壤中，还有一部分以离子形态存在于土壤溶液中，这些存在于土壤溶液中的离子很容易随水的渗透而流失。土壤硝态氮的移动性较强，可以随水的移动而移动，从图中可以看出，农户将氮肥全部作为基肥后，随着一次又一次的过量灌溉，土壤氮素以硝态氮的形式在逐渐地向下层土壤移动。PAT-1基肥加追肥的模式和PAT-2无基肥全追肥模式，在各个阶段均可持续供应作物所需的养分。不能被植物吸收利用的硝态氮随灌水进入地下水中，并最终进入人或动物体内，硝酸盐会转化形成亚硝酸盐，亚硝酸盐与人体内仲胺类物质结合形成亚硝胺类，当亚硝胺类物质超过一定限度之后则会使人体细胞畸变、癌变，严重影响人体健康。

2.6 氮素平衡

土壤环境中的氮素遵循物质守恒的原理。由表4可知，青贮玉米田氮素投入以化肥投入为主，占总投入的70.5%～72.7%。其次是灌溉带入，当地地下水硝酸盐含量平均为65mg·L^-1，传统施肥模式、PAT-1和PAT-2模式下灌溉量约为450、343和343mm，由此求得传统施肥模式、PAT-1、PAT-2模式下由灌溉带入土壤的氮素分别为35、27和27kg·hm^-2。玉米籽粒中也含有一定量的氮素，青贮玉米播种密度一般为90000株·hm^-2，玉米籽粒中含氮量为12～15g·kg^-1，千粒重为350～400g^[16]。由此可知，通过播种带入农田的氮素约为4kg·hm^-2。赵荣芳等^[17]通过总结公开发表的文献，表明我国北方（华北和东北地区）氮沉降每年输入到农田系统中的氮量多数在3～34kg·hm^-2·年^-1 之间，多点平均约为21kg·hm^-2·年^-1。非生物固定氮量国内研究变化很大，一般范围为15～33kg·hm^-2·年^-1[18]。李书田等^[19]和赵荣芳等^[17] 分别在旱田和华北小麦-玉米轮作氮素清单研究中均采用15kg·hm^-2·年^-1，为此，本研究中将非生物固氮定为15kg·hm^-2·年^-1。除被作物吸收外，施入土壤中的氮素以气体形式散逸和随水的渗透流失而损失到环境中。由表4可知，CON模式下氮素总输入量最高，主要表现在化肥投入和灌溉带入。在输出项中，CON模式下作物带走的量明显比两种PAT模式少，农户青贮玉米田中氮素的表观损失为124kg·hm^-2，显著高于PAT-1的27kg·hm^-2 和PAT-2的7kg·hm^-2。

注：表中土壤残留氮素以收获期0～60cm土层土壤硝态氮计。

2.7 经济效益

表5 是CON模式、PAT-1和PAT-2成本与利润。由表5可知，农户产量最低，PAT-1肥料成本最低，为1560元·hm^-2，由于PAT-2肥料全为养分含量较高的水溶性肥料，肥料成本最高，为2190元·hm^-2。净收益为青贮玉米单位收购价乘产量再减去各项成本之和，由表5可看出，CON模式下净收益最低，为5385元·hm^-2，PAT-2最高，为11820元·hm^-2。与农户传统模式相比，PAT-1和PAT-2净增收分别增加103%和119%，成效显著。

注：肥料价格根据2018年实际购买价格及市场价统计，青贮玉米物价为2018年市场成交平均价330元/t，暂不考虑因青贮玉米品质问题带来的物价差异。其他成本包括地膜、滴灌管、农机服务费等，PAT-1、PAT-2中其他成本信息由乌兰察布市瑞田现代农业有限公司财务部提供，农户肥料用量及种类和其他成本信息为调查平均数据。

2.8 环境友好型施肥技术模式效果验证

为了进一步探究基于土壤测试的氮素营养调控 （PAT-1）和基于光谱卫星的全追肥（PAT-2）2种环境友好型施肥模式在实际生产中的应用效果，在充分结合PAT-1和PAT-2施肥技术模式的基础上， 2019年在瑞田现代农业有限公司进一步开展环境友好型施肥技术模式的探究，并对2018年的试验结果进行验证（图6）。结果表明，与CON模式相比，OPT模式下青贮玉米的产量增加了45.1%，氮素的表观损失量降低了92.2%。由此可知，采用合理的施肥模式可以实现青贮玉米生产过程中环境和经济效益的统一。

3 讨论

3.1 环境友好型施肥模式对青贮玉米产量及环境效应的影响

大量试验已经证明，在一定范围内，增施氮肥会提高作物产量，但随着氮肥用量增加，增施单位氮肥所引起的产量增加会越来越小^[20]。同时土壤中的氮素循环是时刻进行的，也就是说氮素的损失是不可避免的，施入到土壤中的氮除了部分可供植物吸收利用，多余的氮素通过各种途径损失到环境中^[21-24]。由此可知，随着氮肥用量的增加，不仅其经济效益会降低，同时增加了氮素的环境风险。而长期以来农户为了追求青贮玉米的高产和稳产，在玉米种植过程中一直存在大水漫灌、大量施肥的现象。传统施肥模式中，氮肥的施用多以尿素为主，且农户将氮、磷、钾肥作为基肥一次性施入土壤中，尿素在土壤中极容易水解形成铵类物质，并通过硝化作用转化为硝态氮^[25]。存在于土壤中的硝态氮除了被作物吸收利用外，在温度和土壤微生物等的作用下能够通过硝化和反硝化过程从土壤表面散逸，也会随水分移动流向土壤深层，这可能会造成在作物生长后期氮素缺乏，从而影响作物产量^[26]。而基于土壤测试的基肥加追肥模式和光谱全追肥模式根据青贮玉米养分需求规律，在适宜的时期进行氮肥的合理施用，保证了整个生育期内玉米的养分需求，从而达到稳产、高产的目的^[27]。不同施肥模式下，不同生育期0～60cm土层硝态氮含量 （图5）也证实了与传统施肥模式相比，基于土壤测试的基肥加追肥模式和基于光谱的全追肥模式能够在青贮玉米整个生育期内持久稳定的提供作物需要的养分。因此，基于土壤测试的基肥加追肥模式和光谱全追肥模式下青贮玉米产量与传统施肥模式相比，分别增加了36.4%和47.4%。同时，不管是基于土壤测试的基肥加追肥模式还是基于光谱的全追肥模式，均充分考虑了青贮玉米整个生育期的养分需求量，控制氮肥的投入，不仅充分满足了玉米生长的养分需求，还有效地避免了氮素的损失。与传统施肥模式相比，2种模式下氮肥投入分别降低了20.0%和13.6%，氮肥的表观损失仅分别为传统模式的21.8%和5.6%，氮肥利用率分别提高了98.1%和106.4%，从而实现了经济、环境效益的统一。

3.2 环境友好型施肥模式存在的问题及未来发展的方向

虽然，PAT-1和PAT-2的产量、经济效益及环境风险都优于传统种植模式，但2种施肥模式仍然存在一定的问题。PAT-1在春播前要全面掌握土壤的肥力水平，其土壤采集面较广，工作量较大。采集后化验分析、数据处理并将结果利用在实际生产指导中所用时间较长。在根据目标产量、土壤养分供应情况下制订追肥计划后，每次追肥之前均要采集土壤样品速测土壤氮素情况，为使监测数据更有代表性和可靠性且具有时效性，必将花费较多人力物力；所以，种植面积较大时，此方法具有一定局限性。PAT-2采用全追肥的施肥模式，选用的肥料全部为水溶性肥料，目前磷酸一铵等水溶性磷肥的溶解度较低，溶解过程耗时长、效率低，磷肥移动性较差，作为追肥少量多次来施用，其利用效率等问题有待考证，而且肥料成本略高；此外，该模式下生育期内追肥次数较多，能否在规定时间内将肥料追入田间受限于种植面积、水井数量等。

综上所述，PAT-1中作物氮素营养诊断方法工作量大且时效性较差，而PAT-2追肥次数多，过程繁琐，2种模式再优化空间巨大。为此，在2019年，结合PAT-1和PAT-2，即采用基肥加追肥的原则，播前采集耕层土壤样品进行监测分析，确定基肥施用量，在玉米生育期采用高光谱遥感反演技术进行氮素的实时调控，以此来解决PAT-1工作量大且时效性较差以及PAT-2追肥次数较多的问题。结果表明，采用优化的施肥模式可以显著地增加青贮玉米的产量（45.1%），并且降低氮素的环境损失（92.2%）（图6）。由此可知，采用合理的施肥模式可以实现青贮玉米生产过程中环境和经济效益的统一。而根据目前作物氮素营养诊断技术的发展情况来看，先进的技术不断被应用到农业生产中，基于光谱卫星的作物冠层氮素营养诊断等技术具有大尺度、无损、便利、快捷等优点，是加快农业现代化的重要途径。所以未来作物养分管理应该是融合先进的养分资源管理理论，在充分摸清土壤供肥能力、作物养分吸收规律等的基础上，结合光谱与土壤养分传感器诊断技术，实现作物生长期内肥料尤其是氮肥施用的实时调控，从而实现农业生产的健康绿色发展。

4 结论

相对而言，农民施肥方式较便捷，但是产量明显较低，肥料的损失较严重，且加剧了环境污染。基于土壤测试的氮素调控模式和基于卫星光谱的无基肥模式在青贮玉米产量、经济效益等方面明显优于传统模式，对农民增收和环境友好具有重要意义。2种优化模式虽在青贮玉米实际生产中的初步探索成效显著，但再优化空间巨大，尤其是在青贮玉米生产过程中如何有效融合2种模式的优点，实现快速、便捷及有效的氮素管理值得进一步研究。

参考文献