氮肥是作物生长所需氮素的重要来源，合理的氮肥施用是作物获得较高目标产量的关键措施。据报道，化肥对我国粮食产量的贡献率为40%左右^[1]。然而在实际生产中过度施用化肥会造成以下的弊端：一是导致作物产量不再增加，甚至出现产量、质量下降现象^[2]；二是部分氮肥会残留在土壤中导致硝酸盐增加，造成土壤污染加重^[3-5]；三是过多的硝酸盐逸散到大气中，造成大气污染及臭氧层破坏^[6]；四是硝酸盐渗入地下对地下水造成污染，使水体富营养化^{[5, 7-8]}。

2015年2月，原农业部制定了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》^[9]，方案明确力争到2020年，在保障粮食安全的前提下实现化肥用量零增长。由于化肥的大量使用，我国氮肥利用率从20世纪80年代的60%降至21世纪初的30%，随后利用率虽呈现缓慢上升^[10]，但仍然低于国际平均水平^[11]。因此提高化肥利用率是实现化肥使用量零增长目标的必由之路，其中利用有机肥代替化肥是重要措施之一。有机肥资源统计结果表明，我国有机肥料产量每年约57亿t^[12]。利用好有机肥资源，对于降低化肥使用、提高养分利用率至关重要。然而，我国对有机肥资源的利用率较低^[13]，研究发现，与单纯施用化肥相比，有机无机配施增产效果不一，从增产128%到减产22%不等^[14]，因此，有机无机合理配施方案的确定成为农业生产中的关键问题。

华北平原是我国重要的商品粮产区，而长期定位试验在研究养分循环对作物产量的作用时比短期试验更具优势，能反映氮素残留对农作物产量与氮素利用率的影响。因此，本研究以华北平原为研究对象，利用长期试验，研究不同施氮量以及施肥模式对作物产量与氮素利用率的影响，为提出合理的有机无机配施方案提供参考依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

选取华北平原7个具有代表性的长期试验点，基本信息见表 1。试验设置CK（对照）、NPK（纯化肥）、NPKM（有机无机配施）、M（纯有机肥）4个处理。部分长期试验中由于土壤不缺钾，只设置NP处理，也将其等同于NPK处理。

1.2 长期试验监测结果统计

对长期试验当季、全年施氮量，小麦、玉米产量以及氮肥利用率进行整理和归纳，如表 2所示。

1.3 数据处理

利用Microsoft Excel 2010对试验数据进行整理分析，利用Origin 9.1进行方差分析、方程拟合以及绘图。

2 结果与分析 2.1 当季施氮量对作物产量的影响

由图 1可知，作物产量与施氮量间呈抛物线趋势。随着施氮量的增加，小麦产量在施肥处理中均符合一元二次方程的先增后降趋势。当有机无机配施氮施入量约为330 kg·hm^-2时，小麦产量达到6800 kg· hm^-2峰值（图 1a）。与小麦产量的变化趋势类似，当有机无机配施氮施入量约为410 kg·hm^-2时，玉米产量达到约8800 kg·hm^-2峰值（图 1b）。

2.2 当季施氮量对作物氮肥利用率的影响

总体而言，小麦与玉米的氮肥利用率均随着施氮量的增加而降低（图 2）。小麦季氮肥利用率最高值出现在NPK处理，氮施入量约为45 kg·hm^-2时，小麦氮肥利用率达到峰值105.6%（图 2a）。与小麦氮肥利用率的变化趋势类似，玉米季氮肥利用率最高值出现在NPKM处理，氮施入量为45 kg·hm^-2时，玉米氮肥利用率达到峰值91.9%（图 2b）。

2.3 不同施肥模式对作物产量及氮肥利用率的影响

不同施肥模式对小麦产量的影响差异显著，其中NPK处理与NPKM处理小麦产量无显著差异，均显著高于M和CK处理，M与CK处理之间无显著差异。M、NPK与NPKM处理玉米产量无显著差异，均显著高于CK处理（图 3a）。作物氮肥利用率对不同施肥模式的响应与产量对施肥模式的响应一致。NPK与NPKM处理小麦氮肥利用率无显著差异，显著高于M处理；该三个处理玉米的氮肥利用率无显著差异（图 3b）。

2.4 年均施氮量对土壤全氮含量及氮固持率的影响

随着施氮量的增加，土壤总氮含量呈渐近线增加趋势，预测最高含量为1.51 g·kg^-1（图 4a）。另外，随着施氮量的增加，土壤氮固持率降低（图 4b）。

2.5 作物产量与当季施氮量及有机肥比例的关系

本研究长期试验的玉米季中设置有机无机配施处理较少，因此仅分析小麦季不同施氮量与有机肥比例对小麦产量的影响。根据施氮量、有机施氮量的比例以及小麦产量数据（表 2），利用非线性拟合方法拟合产量与该两影响因素的关系（R²=0.57），得到公式如下：

(1)

式中：y表示产量；x₁表示施氮量；x₂表示有机肥比例。

图 5为施氮量和有机肥替代率两参数对产量影响的三维图。总体而言，当有机无机的配施比例固定时，产量随着施氮量的增加呈现先增后降的趋势。不同配施比例的产量峰值相同，但随着有机肥替代率的增加，产量峰值对应的施氮量增大。

另根据拟合公式（1），可以得到不同施氮量以及有机肥替代率情境下的产量响应（表 3）。从表 3可知，要达到小麦高产（5100 kg·hm^-2以上），最低需氮量为300 kg·hm^-2，在此水平上，小麦产量随有机肥替代率的升高而略有降低，有机肥替代率50%时，小麦仅减产1.5%。当施氮量高于300 kg·hm^-2，有机无机配施的产量高于施用纯化肥处理。施氮量低于300 kg· hm^-2，如200 kg·hm^-2，有机肥替代率为10%~30%时，小麦减产不显著。

3 讨论 3.1 施肥量对产量与氮肥利用率的影响

本研究发现，作物产量随着施氮量的增加呈先增后降的抛物线趋势，与先前研究结果^[15-16]一致；另外，作物当季氮肥利用率随施氮量增加而降低，与张福锁等^[17]研究结果一致。但是在相同施氮量条件下，本研究的氮肥利用率高于张福锁等^[17]的研究，这可能与研究持续时间有关。本研究使用长期试验数据，长期试验下不施肥处理使土壤养分不断消耗，客观上造成不施肥处理下多年平均产量低于短期试验。而张福锁等^[17]的研究是依据2~4年的田间试验得出的结论，未施肥处理下，土壤养分消耗程度低于长期试验^[17]。因此根据氮肥利用率的计算方法，基于长期试验的研究结果会高于短期试验的结果。

作物产量随施氮量增加呈抛物线变化趋势以及当季氮肥利用率随氮施入量的增加而降低的现象是多方面造成的：

（1）土壤氮素存在饱和现象，不能随着施氮量的增加而无限增加。土壤肥力指标中包括土壤养分（有机质、全氮等）储量指标，土壤中含有过多的有机质或全氮，虽然可以增加土壤对养分的吸收，增加土壤氮素含量，但同时由于大部分氮素是以有机质形式赋存于土壤中，尽管土壤可以通过矿物吸附、土壤团聚体以及生化等途径保护有机质，但保护能力有限，因此有机质在土壤中存在饱和现象^[18-19]。本研究的结果显示，土壤总氮含量随着年均施氮量的增加呈渐近线增加（图 4a），但氮固持率随之降低（图 4b），表现出土壤氮饱和的现象。

（2）作物产量不会随土壤供氮量的增加而持续增加。土壤供氮量过高，导致植物体内可能积累过量的硝酸盐、亚硝酸盐等^[20]，提高病虫害的发生机率并使作物减产，另外也加重作物倒伏发生^[21]；供氮量过高也会导致营养阶段疯长，不利于养分向籽粒的转移^[22]。

（3）土壤中的NO₃-N含量增高，会造成耕地板结、土壤酸化^[23]，增加土传病害，进一步降低作物产量。

3.2 施肥模式对产量与氮肥利用率的影响 3.2.1 单施有机肥对产量与氮肥利用率的影响

本研究单施有机肥的处理为动物粪便或堆肥。使用堆肥后，小麦季施氮量为150、178、206 kg·hm^-2，对应的产量为3730、3176、4803 kg·hm^-2（图 1a），氮肥利用率分别为57%、26%、39%（图 2a），不论产量还是利用率均显著低于化肥处理与有机无机配施处理（图 3）；玉米季施氮量为150、178、206 kg·hm^-2，对应的产量为6574、5985、8133 kg·hm^-2（图 1b），氮肥利用率分别为66%、31%、33%（图 2b）。不论产量还是氮肥利用率都与化肥处理和有机无机配施处理无显著差异（图 3），与郁洁等^[24]、张树清等^[25]的研究结果一致。

3.2.2 有机无机配施对作物产量与氮肥利用率的影响

合理的有机无机配施一方面满足当季作物对养分的需求，另一方面通过提高土壤有机质含量改善土壤理化性质与微生物群落结构，提高土壤肥力^[26-28]。

长期试验的研究结果也表明，有机无机肥的配合施用能稳定提高作物产量与氮肥利用率（图 3）。本研究进一步综合施氮量与有机肥替代率两因素，得到小麦产量对该两因素变化的响应。结果显示，当总施氮量低于300 kg·hm^-2时，有机肥替代率30%情境不会显著降低作物产量，但当替代率超过30%，有机无机配施产量显著低于纯化肥处理。当总施氮量为300 kg·hm^-2时，替代率增至50%也不会导致显著的产量降低。当施氮量高于300 kg·hm^-2后，有机肥替代处理产量高于纯化肥处理（表 3）。因此，在当前常规施氮量的处理下，华北平原地区有机肥替代化肥的潜力可观，但需要满足总施氮量的要求。

4 结论

（1）华北平原小麦、玉米产量与施氮量之间的影响关系呈现抛物线趋势，产量最高值均出现在有机无机肥配施处理。随着当季施氮量增加，小麦、玉米氮肥利用率总体呈现下降的趋势。

（2）有机无机配施在保持华北平原小麦、玉米高产方面具有可行性，且潜力可观，但在提高有机肥替代率时，需满足总施氮量的要求。