基于生态和社会效益优化黑土区高产玉米氮肥施用量

郑春雨，沙珊伊，朱琳，王少杰，冯国忠，高强，王寅

基于生态和社会效益优化黑土区高产玉米氮肥施用量

郑春雨，沙珊伊，朱琳，王少杰，冯国忠，高强，王寅

吉林农业大学资源与环境学院/秸秆综合利用与黑土地保护教育部重点实验室/吉林省商品粮基地土壤资源可持续利用重点实验室，长春 130118

【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/hm2，社会效益分别为8 351和9 822元/hm2。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/hm2。【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。

黑土区；玉米；最佳施氮量；生态效益；社会效益；生命周期评价

0 引言

【研究意义】玉米是中国乃至全球最主要的粮食和饲料作物，在农业生产、粮食安全和食物供给中占有重要地位[1-2]。多数地区农民为了追求玉米高产，在生产中投入大量氮肥[3]。过量施用氮肥不仅不会继续提高作物产量，反而会提高成本甚至导致作物减产[4]。同时，大量施用氮肥造成的氮盈余还会引发各种各样的环境问题，如通过NH3挥发和N2O排放进入到大气中增加温室气体排放[5-6]，通过淋溶或径流方式进入水体导致土壤酸化[7]和地下水富营养化[8]。由于不合理施肥而造成的环境污染还会对人类健康造成负面影响，已经成为广受关注的社会问题[9-10]。因此，作物生产中应在综合考虑农学、经济、生态和社会等多重效益的基础上进行养分管理，以实现作物高产、经济增收以及良好的生态和社会效益，更好地应对粮食安全、社会发展和环境可持续性的多重挑战[11]。【前人研究进展】基于农学或经济效益，利用肥料效应方程计算最高产量、氮素利用率或经济收益对应的施肥量，是确定作物推荐施肥量的常用方法[12-15]。吴良泉等基于2005—2010年全国测土配方施肥项目分析了1 752组氮肥肥效试验，以净收入为指标计算确定东北和华北地区玉米的最佳施氮量分别为150和178 kg N·hm-2，可获得产量8.85和8.13 t·hm-2，净收入分别为5 067和3 025元/hm2[16]。冯国忠等基于2004—2014年吉林省1 110组试验，提出玉米产量超过10 t·hm-2时需施氮225 kg N·hm-2[17]。ZHANG等通过2011—2013年华北平原夏玉米试验发现，以最高产量为目标的推荐施氮量（AOR）为208 kg N·hm-2，产量和经济效益分别为7 955 kg·hm-2和13 766元/hm2，而以最佳经济效益为目标的推荐施氮量（POR）为191 kg N·hm-2，产量和经济效益分别为7 941 kg·hm-2和13 797元/hm2，POR相比AOR可减施氮肥8.2%，产量和经济效益则无显著差异[18]。近年来，随着农业源污染持续增加，肥料管理的生态和社会影响越来越受到关注。在产量和经济效益基础上，通过核算氮肥在生产、运输与施用过程中产生的环境污染及人类健康危害，可评估基于生态和社会效益的适宜施氮量（EOR、SOR）[19-20]。基于华北地区91个夏玉米田间试验，WANG等发现EOR为171 kg N·hm-2可获得产量8.2 t·hm-2，与AOR（237 kg N·hm-2）的产量水平（8.5 t·hm-2）无显著差异，但可以节氮28%，且氮损失和环境成本分别减少33%和31%[21]。而华北地区156个小麦试验也显示，SOR相比AOR在减氮47%条件下产量和经济效益分别仅下降4.9%和6%，生态和社会效益分别增加25%和101%[20]。可见，通过考虑生态和社会效益可进一步优化玉米推荐施氮量而获得更好的综合效益。【本研究切入点】东北黑土区作为我国重要的商品粮生产基地，在国家粮食安全中发挥举足轻重的作用[22]。但是，目前黑土区玉米的适宜施氮量仍以产量和经济效益最大化为目标而确定，尚缺乏考虑生态和社会效益的适宜施氮量研究，因此需探索基于多重效益进一步优化黑土区玉米适宜施氮量。【拟解决的关键问题】通过在吉林省中部典型黑土区选取两个代表性田块开展连续田间定位试验，研究施氮量对玉米产量、氮肥表观回收率、施肥利润、活性氮损失、温室气体排放及人类健康的影响，从农学、经济、生态和社会4个方面对施氮效益进行综合评估并优化适宜施氮量，探索多重效益评价方法在东北黑土区的可行性，以期为该区域玉米绿色可持续生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间定位试验于2017—2020年在吉林省梨树县三棵树村和泉眼沟村进行，两个试验点相距约25 km，气象条件基本一致。试验区域均属温带半湿润大陆性季风气候，雨热同期，多年年均降雨量在580 mm左右，主要集中在7—8月。图1为试验开展期间玉米生育期的气象条件，相比多年平均状况，2017年和2018年降雨量整体偏少（457和361 mm），特别是2018年出现春季干旱，5—6月总降雨量仅61 mm。两个试验点土壤类型均为黑土，基础理化性质如表1所示。

1.2 试验设计

试验设置7个氮肥施用量：0、50、100、150、200、250和300 kg N·hm-2（用N0、N50、N100、N150、N200、N250和N300表示）。氮肥采用分次施肥方式，基肥和拔节期追肥的比例为3﹕7。各处理的磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）施用量保持一致，均为90 kg·hm-2，磷肥全部作基肥施用一次性施入，钾肥以基肥和拔节期追肥1﹕1比例施入。其中，氮肥为尿素（N 46%），磷肥为重过磷酸钙（P2O545%），钾肥为氯化钾（K2O 60%）。

试验各处理均设置3次重复，共21个小区，随机区组排列。两试验点种植的玉米品种均为良玉99，于5月上旬播种，种植密度均为6.5万株/hm2。6月下旬拔节期前，采用沟施覆土方法追肥，于10月初收获。生育期内未进行灌溉，除施肥措施外其余田间管理均按照当地最佳方法进行。

表1 试验点耕层（0—20 cm）土壤的基础理化性状

图1 2017—2020年试验地区玉米生育期内气温和降水情况

1.3 测定项目与方法

玉米成熟后，在每个试验小区中部选取20 m2进行测产并测定籽粒含水量，最终折算为每公顷籽粒产量（14%含水量）。同时，每个小区选取长势均匀具有代表性植株5株，风干后分秸秆和籽粒两部分称取干重，粉碎后采用 H2SO4-H2O2消煮，用凯氏定氮仪测定氮含量[23]，计算氮素吸收量及利用效率。

氮素吸收量（kg N·hm-2）= 成熟期籽粒干物质量×籽粒氮素含量+成熟期茎叶干物质量×茎叶氮素含量 （1）

氮肥表观回收率（%） = （施氮区植株吸氮量-不施氮区植株吸氮量）/ 施氮量×100 （2）

氮肥偏生产力（kg·kg-1）= 施氮处理玉米产量/ 施氮量 （3）

1.4 氮肥投入的成本和效益计算

氮肥投入的直接成本（Ncost）、环境效益成本（Ecost）和社会效益成本（Scost）采用以下公式计算[20]：

式中，N为施氮量（kg N·hm-2），肥料N的单价（Nprice）为4元/kg。Cgw、Ceu、Cacid和Chealth是温室气体对空气资源损害的成本、富营养化破坏水资源的成本、土壤酸化对土壤资源损害的成本[15]和氮肥施用过程中活性氮损失所造成的人类健康成本[9]。Total N2O-N为N2O排放总量，N2O-N的全球变暖成本为71.68元/kg[24]；NO3-N和NH3-N分别为硝酸盐淋失和氨挥发，两者的水体富营养化成本分别为7.17和1.54元/kg[25]；氮肥使用过程中NH3-N的土壤酸化成本为11.97元/kg[15,25]；氮肥生产过程中导致的全球变暖、水体富营养化和土壤酸化的成本分别为1.28、0.012和0.134元/kg[26-28]；NO3-N、NH3-N和Total N2O-N对人体健康影响的成本分别为1.28、21.12和1.92元/kg[9,29]。

N2O排放总量包括直接排放（N2O-N direct）和间接排放（N2O-N indirect）。其中，间接N2O排放参考IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）的国家温室气体清单指南[30]，通过氨（NH3-N）挥发和硝酸盐（NO3-N）淋失进行估算，两者的间接排放因子分别为1%和1.1%[31]。N2O直接排放、NH3挥发和硝酸盐淋失参考CUI等基于春玉米的研究结果[32]确定，采用以下公式计算：

N2O-N indirect =1%×NH3-N+1.1%×NO3-N leaching （7）

NO3-N leaching = 3.63e0.0080×N rate（8）

NH3-N=2.69+0.069×N rate （9）

N2O-N direct = 0.50e0.0032×N rate（10）

1.5 估算农学、经济、生态和社会效益及其适宜氮肥用量

施用氮肥后，玉米的产量增量（YN，kg·hm-2）、产值增量（BY，元/hm2）、利润增量（BP，元/hm2）、生态效益（BE，元/hm2）和社会效益（BS，元/hm2）采用以下公式计算[20]：

YN= Y-Y0（11）

BY= YN×Mprice（12）

BP= BY-Ncost（13）

BE= BY-Ecost（14）

BS= BY-Scost（15）

式中，以产量（Y）和不施氮产量（Y0）为基础，YN表示玉米产量增量。Mprice是玉米价格，为1.5元/kg。生态效益是使用氮肥增加的产值增量减去氮肥肥料成本，氮肥在生产运输和施用过程中所导致的全球变暖、水体富营养化和土壤酸化的成本。社会效益是在生态效益的基础上减去氮肥在施用过程中对人类健康造成的成本。考虑到4年间玉米和尿素价格的波动，其价格均采用平均值计算。

通过拟合产值增量、利润增量、生态效益和社会效益与施氮量的一元二次函数，计算曲线一阶导数分别确定AOR、POR、EOR和SOR[20]。

BY= βN+αN2NAOR=-β/2α （16）

BP= BY-Ncost=bN+aN2NPOR=-b/2a （17）

BE= BP-Ncost=BN+AN2NEOR=-B/2A（18）

BS= BP-Ncost=dN+cN2NSOR=-d/2c （19）

式中，α、β、a、b、A、B、c和d为回归系数。

1.6 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2016软件进行计算、作图和作表，用IBM SPSS Statistics 22软件进行方差分析，采用LSD法比较处理间=0.05和=0.01水平上的差异显著性。

2 结果

2.1 氮肥用量对玉米产量的影响

两个试验点的玉米产量水平在4年间存在明显差异（图2）。相比三棵树试验点，2017和2018年泉眼沟试验点各施氮处理的产量整体略高，2020年则略低。不施氮条件下，三棵树和泉眼沟4年的平均产量分别为3 541和3 252 kg·hm-2。随施氮量增加，两个试验点玉米产量呈现一致升高趋势，并均在施氮200 kg N·hm-2时达到产量平台，分别为10 300 和11 064 kg·hm-2，较N0处理分别提高191%和240%。施氮200—300 kg N·hm-2范围内，两个试验点的产量水平均保持稳定。

相同年份图柱上不同的小写字母表示处理间达到显著差异（P＜0.05）。下同

2.2 氮肥用量对玉米植株氮素吸收量和氮肥回收利用效率的影响

2017—2020年，两个试验点不同施氮水平下植株氮素吸收量的表现趋势与籽粒产量相似（图3）。4年平均来看，三棵树和泉眼沟N0处理的氮素吸收量分别为38.4和33.4 kg N·hm-2，随施氮量增加氮素吸收量均呈显著提高趋势，三棵树试验点在施氮超过200 kg N·hm-2后无显著差异，氮素吸收量达到145.9 kg N·hm-2，而泉眼沟试验点在施氮300 kg N·hm-2时吸收量达到最高，为161.8 kg N·hm-2。

两个试验点的氮肥表观回收率在4年中存在差异，2017—2019年以泉眼沟整体略高，而2020年以三棵树较高（图4）。不同施氮水平间，两个试验点在4年中氮肥表观回收率均在100 kg N·hm-2达到最高，三棵树和泉眼沟平均分别为70.3%和72.2%，而后随施氮量增加呈下降趋势，均在300 kg N·hm-2时降至最低的37.8%和42.8%。

图3 2017—2020年不同施氮量对两个试验点玉米氮素吸收量的影响

图4 2017—2020年不同施氮量对两个试验点玉米氮肥表观回收率的影响

2.3 不同氮肥用量条件下玉米生产的成本和效益

施用氮肥后，三棵树和泉眼沟玉米的平均增产量分别为2 367—6 801和2 643—7 891 kg·hm-2，相同施氮量下以泉眼沟的增产量高于三棵树（表2）。三棵树在施氮量为250 kg N·hm-2时增产量和产值增量最高，分别为6 801 kg·hm-2和1 0201元/hm2，泉眼沟则在施氮300 kg N·hm-2时最高，分别为7 891 kg·hm-2和11 836元/hm2。

两个试验地点的氮肥、生态和社会成本随施氮量增加均呈增加趋势，与氮肥投入的直接经济成本随施氮量增加呈线性增长趋势不同，氮肥投入导致的生态和社会成本随施氮量增加呈指数增长趋势（图5-A），两者的关系式分别为=208.15e0.0093x（2＝0.8579）和=299.75e0.0086x（2＝0.8778）。计算发现，两个试验点玉米施氮的利润增量、生态效益和社会效益随施氮量增加均呈现先增加后降低趋势，均在施氮200 kg N·hm-2时达到最高。三棵树和泉眼沟的利润增量分别为9 338和10 919元/hm2，生态效益分别为8 607和10 188元/hm2，社会效益分别为8 233和9 814元/hm2。

表2 不同施氮量对两个试验点玉米产量、各级成本和效益的影响

A为玉米生产中氮肥成本、生态成本、社会成本与施氮量的关系。B和C为两个试验点施氮后产值增量、利润增量、生态效益和社会效益与施氮量的关系

A: Relationships between N fertilizer costs, ecological costs, social costs and N rates in maize production. B and C: Relationships between N-derived gross, private benefits, ecological benefits and social benefits induced by N fertilizer input and N rates at two experimental sites

图5 两个试验点施氮后各级成本及各项效益与施氮量的关系

Fig. 5 Relationships between the various costs and benefits induced by N fertilizer input and N rates at two experimental sites

2.4 基于农学、经济、生态和社会效益评估玉米适宜施氮量

两个试验点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先增加后降低的趋势，利用一元二次函数对其关系进行拟合（图5-B，5-C），三棵树的关系式分别为：=-0.19062+89.904（2=0.9878），=-0.19062+85.904（2=0.9851），=-0.1912+82.188（2=0.9821）和=-0.18962+79.972（2=0.9801），而泉眼沟分别为：=-0.20322+ 99.413（2=0.9915），=-0.20322+95.413（2= 0.9898），=-0.20362+91.696（2=0.9879），=-0.20222+89.48（2=0.9867）。基于拟合关系式计算确定，三棵树的AOR、POR、EOR和SOR分别为236、225、215、211 kg N·hm-2，而泉眼沟分别为245、235、225、221 kg N·hm-2（图5，表3）。

评估不同推荐施氮量条件下的农学、经济、生态和社会效益发现（表3和表4），AOR条件下三棵树和泉眼沟的玉米产量分别为10 609和11 358 kg·hm-2，氮肥偏生产力分别为45.0和46.4 kg·kg-1，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/hm2，社会效益分别为8 351和9 822元/hm2；相比AOR，两个试验点EOR条件下产量仅减少不足1%，但分别减施氮肥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%，增加生态效益85和82元/hm2；而SOR在EOR基础上进一步减少施氮量，两个试验点SOR相比AOR分别减施氮肥10.6%和9.6%，提高氮肥偏生产力11.0%和9.8%，减少活性氮损失14.0%和13.1%，增加生态效益82和79元/hm2，增加社会效益124和119元/hm2。

表3 基于不同效益目标确定的最佳施氮量及相应的玉米产量、氮肥偏生产力和活性氮损失

AOR：农学最佳施氮量Agronomically optimal N rate; POR：经济最佳施氮量Privately optimal N rate; EOR：生态最佳施氮量Ecologically optimal N rate; SOR：社会效益最佳施氮量Socially optimal N rate. 下同 The same as below

表4 基于不同效益目标确定的最佳施氮量及相应的产值增量、利润增量、生态效益和社会效益

3 讨论

3.1 基于农学和经济效益的最佳推荐施氮量

合理使用氮肥对于提高玉米生产的产量和经济效益至关重要，当前的氮管理策略大多以实现产量或利润最大化为目标。前期大量研究发现[33-35]，东北黑土区玉米在10—12 t·hm-2产量水平范围内农学最佳施氮量（AOR）为184—268 kg N·hm-2，平均为223 kg N·hm-2，而经济最佳施氮量（POR）为173—245 kg N·hm-2，平均为209 kg N·hm-2。本研究中，典型黑土区两个试验点玉米产量范围在10.5—12.0 t·hm-2范围AOR分别为236和245 kg N·hm-2，而POR分别为225和235 kg N·hm-2，均处在前期研究范围内。本研究所采用的玉米品种持绿性较好，产量水平也高于大多数前期研究，因此氮素需求也相对较高，所计算的AOR和POR均略高于前期研究的平均施氮量。另外，与前期研究一致，POR相比AOR普遍可减少5%左右的氮肥投入，但可获得接近的产量水平和更高的经济效益。

3.2 基于生态和社会效益的最佳推荐施氮量

目前我国集约化玉米系统中，为实现粮食高产而过度使用氮肥的现象仍普遍存在，也造成温室效应、富营养化和土壤酸化等环境风险大幅增加[6-8]。施氮后造成的活性氮损失和温室气体排放已成为优化氮肥管理的重要指标，通过将环境污染和人类健康危害成本转化为经济效益计算，可以统一量化氮肥的综合效益而进一步优化适宜的施氮量[36]。WANG等利用大样本田间试验数据，建立了夏玉米产量和环境成本与施氮量之间的响应曲线，确定生态最佳施氮量（EOR）为171 kg N·hm-2，较AOR（289 kg N·hm-2）降低40.8%，从而减少45.5%的环境污染成本[21]。XIA等研究显示，以EOR（205 kg N·hm-2）作为太湖地区小麦的推荐施氮量，相比POR（258 kg N·hm-2）减少施氮21%，降低28%活性氮损失[26]。而对于太湖地区水稻，其EOR（202 kg N·hm-2）相比POR（263 kg N·hm-2）减氮23%，活性氮损失也相应减少29%[15]。YING等对华北小麦的研究发现，SOR（148 kg N·hm-2）较AOR（279 kg N·hm-2）减少47%氮肥投入，产量和经济效益仅分别下降4.9%和6%，而生态和社会效益分别增加25%和101%[20]。前期研究中发现，作物和氮肥价格的波动对于POR、EOR、SOR的确定均有一定影响，但后两者相比POR对价格波动的敏感性远远较低，在大幅变化情况下更为稳定[20]。本研究为探索黑土区玉米基于生态和社会效益确定推荐施氮量，一方面选取了两个典型地力水平的田块，另一方面为减少年际气候条件或价格因素的变异影响，采用4年定位试验的平均产量和氮素利用结果进行生态和社会效益分析，发现三棵树和泉眼沟的EOR分别为215和225 kg N·hm-2，SOR分别为211和221 kg N·hm-2，EOR较AOR分别降低8.8%和7.9%的施氮量，在未显著降低产量和经济效益基础上大幅减少活性氮损失（11.7%和10.9%）和生态环境成本（9.2%和8.4%）。相比AOR，两个试验点的SOR分别减少施氮10.6%和9.6%，增加社会效益124和119元/hm2。本研究结果表明，通过增加对生态和社会效益的考虑，东北黑土区玉米目前的适宜施氮量还有进一步下调的空间，因此未来该区域玉米的氮肥推荐施用量及相关管理测量还需进一步研究和优化。

3.3 基于多重效益分析的推荐施肥建议

相比其他研究，本研究中两个试验点玉米的EOR、SOR相比AOR及POR实现的减氮幅度相对较小，推测其原因可能主要是试验设计的氮肥用量上限及作物在不同施氮量条件下的产量趋势不同所导致。前期在华北地区夏玉米、小麦和太湖地区水稻、小麦的研究中[15,20-21,26]，施氮量上限均设置在400—500 kg N·hm-2，过量氮肥投入导致作物产量出现下降趋势，但肥料成本持续增加，同时导致更大幅度的生态环境和人类健康成本，其生态和社会效益曲线的弧度更大，因此不同效益目标计算所得的最佳施氮量差异也较大。如华北地区小麦研究中，其AOR、POR、EOR和SOR分别为279、230、175和148 kg N·hm-2，EOR和SOR相比AOR减少了37%—47%[20]。而本研究中玉米的施氮量上限较低，为300 kg N·hm-2，而且施氮超过200 kg N·hm-2后产量维持平台趋势，导致生态和社会效益随施氮量变化的曲线较为平缓，特别是高施氮量条件下与农学、经济效益曲线的差异较小，因此最终计算所得的最佳施氮量差异也相对较小。另一方面，也可能是由于黑土区土壤肥力相对较高，加之相对较低温度和适中降雨量降低了氮肥损失，因此相对较低的施氮量即可同时实现较高的作物产量和较好的生态及社会效益。根据《东北黑土地保护规划纲要（2017—2030年）》显示，目前东北典型黑土区耕地面积约1 853.33万公顷，其中约一半以上种植玉米。若生产中采用SOR作为推荐施氮量，相比AOR总计可减少24万吨氮肥投入，相应减少19.5亿元的生态环境成本，增加12.1亿元的社会效益。因此，尽管黑土区玉米采用EOR或SOR实现的玉米单位面积减氮量相对较低，但考虑到该区域玉米生产的规模效应，大面积应用的整体效益将非常可观，是促进玉米可持续绿色发展的重要技术路径。

4 结论

在兼顾农学和经济效益的基础上，从生态和社会效益角度进一步优化玉米氮肥施用量，可以在保证玉米产量的基础上减少对环境的影响，促进黑土区玉米生产的可持续绿色发展。本研究不仅可以量化氮肥对玉米产量和经济效益的影响，还可以量化氮肥对环境和人类健康的影响。结果表明，基于生态和社会效益最佳为目标使得黑土区玉米施氮量降低了7.9%—10.6%，减少活性氮损失11%—14%，提高氮肥偏生产力8%—11%。基于生态和社会效益，确定黑土区玉米在10.5—12.0 t·hm-2产量条件下的适宜施氮量为210—220 kg N·hm-2。

[1] CHEN X P, CUI Z L, VITOUSEK P M, CASSMAN K G, MATSON P A, BAI J S, MENG Q F, HOU P, YUE S C, RÖMHELD V, ZHANG F S. Integrated soil–crop system management for food security. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2011, 108(16): 6399-6404.

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Optimizing Nitrogen Fertilizer Rate for High-Yield Maize in Black Soil Region Based on Ecological and Social Benefits

ZHENG ChunYu, SHA ShanYi, ZHU Lin, WANG ShaoJie, FENG GuoZhong, GAO Qiang, WANG Yin

College of Resources and Environmental Sciences, Jilin Agricultural University/Key Laboratory of Straw Comprehensive Utilization and Black Soil Conservation, Ministry of Education/Key Laboratory of Sustainable Utilization of Soil Resources in the Commodity Grain Bases in Jilin Province, Changchun 130118

【Objective】Optimizing nitrogen (N) fertilizer rate for maize, by considering ecological and social benefits in combination with agricultural and economic benefits, was studied to promote the sustainable and green maize production in black soil region, and further to realize the multiple goals including higher yield, higher resource use efficiency, improved environment and human health.【Method】Two field experiments were conducted at San-ke-shu (SKS) and Quan-yan-gou (QYG) in typical black soil region from 2017 to 2020, to study the effects of different N fertilizer (urea) rates (0, 50, 100, 150, 200, 250, and 300 kg N·hm-2) on maize yield, N uptake and N recovery efficiency (NUE), and further to evaluate the agronomic, economic, ecological and social benefits (N-derived gross caused by N application, private benefits of removed the N fertilizer cost, ecological benefits of removed environmental pollution cost such as active nitrogen loss and greenhouse gas emission, and social benefit of removed human health harm cost caused by environmental pollution, respectively) in different N rates by using life cycle assessment and comprehensive benefits analysis. The agronomically optimal N rate (AOR), privately optimal N rate (POR), ecologically optimal N rate (EOR) and socially optimal N rate (SOR) were calculated to evaluate the integrated benefits and determine the optimal N fertilizer rate for maize in black soil region. 【Result】Maize grain yields were significantly affected by N rates, which increased continuously with increasing N input and reached the yield plateau under 200 kg N·hm-2treatment at both two experimental sites. Under this N rate, the average yields were 10.3 and 11.1 t·hm-2at SKS and QYG across four experimental years, respectively. The N uptake of maize plants also showed increased trends with increasing N rates, and the highest value in 200 kg N·hm-2treatment at SKS and QYG (151.9, 161.8 kg N·hm-2, respectively). The NUE of maize showed the highest values in 100 kg N·hm-2treatment at both two experimental sites, the averages were 70.3% and 72.2%, respectively; and then, decreased with increasing N rates. Based on 4-year results, the ecological and social costs caused by N fertilizer input increased exponentially with the increase of N application rate. The N-derived gross, private benefits, ecological benefits and social benefits of maize increased firstly and then decreased with the increase of N application rate. Based on the curve fitting calculation, the AOR, POR, EOR and SOR were estimated as 236, 225, 215 and 211 kg N·hm-2at SKS, respectively, and which were 245, 235, 225 and 221 kg N·hm-2at QYG, respectively. Under AOR condition, maize yields of 10.6 and 11.4 t·hm-2, the Nr losses of 44.4 and 46.8 kg N·hm-2were obtained at SKS and QYG, respectively, while their ecological benefits were 8 786 and 10 271 yuan/hm2, and social benefits were 8 351 and 9 822 yuan/hm2, respectively.Compared with AOR, by reducing N inputs by 8.8% and 7.9% at SKS and QYG, respectively, EOR increased partial factor productivity from applied N by 9.1% and 8.1%, respectively, while reducingNr losses by 11.7% and 11.0%, respectively. Compared with EOR, SOR further reduced N inputs by 10.6% and 9.6% at SKS and QYG, respectively, thus reduced Nr losses by 14.0% and 13.1%, respectively, while increasing social benefits by 124 and 119 yuan/hm2, respectively. 【Conclusion】Based on the comprehensive consideration with ecological and social benefits, the optimal N fertilizer rate was determined as 210-220 kg N·hm-2for maize with yield of 10.5-12.0 t·hm-2, it was suggested that the optimal application of ecological or social benefits should be recommended for maize nutrient management in black soil area, which could synergistically achieve the multiple goals for higher yields and NUE, improved ecological environment and human health.

black soil region; maize; optimal N rate; ecological benefit; social benefit; life cycle assessment

2022-04-27；

2022-06-04

吉林省自然科学基金面上项目（20190201117JC）、国家重点研发计划项目（2016YFD0200101）

郑春雨，E-mail：zcy18744492676@163.com。通信作者王寅，E-mail：wy1986410@163.com

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.11.008

（责任编辑 李云霞）