从2013年以来,国际玉米价格一降再降,2015年已经下跌到1元/kg[1]。受国际玉米价格影响,我国也从2016年起调整玉米收购价格,导致玉米市场价格急剧下降,对农民收入造成极大影响。根据对东北地区农民玉米生产成本的实际调查,2016年玉米的生产成本7 365—8 560元/hm2,其中肥料投入的成本为3 000—3 375元/hm2,超过玉米生产总成本的1/3！而另一方面,据我们在吉林省梨树县连续多年的农户施肥量调查,目前仍有54%农户的氮肥（纯氮）施用量超过240 kg·hm-2[2],磷肥（P2O5）施用量则平均达到125 kg·hm-2,按当地农户平均产量10 000 kg·hm-2计算,均大大超过适宜施肥量。因此,减肥增效已成为减少玉米种植成本,提高玉米竞争力的重要手段。
虽然很多因素影响肥料用量及其效应,但归纳起来,减肥增效可以通过以下几个途径实现（图1）。（1）养分高效的生物学途径。采用养分高效高产品种,在同等产量水平上需求养分较少的品种,或者在相同施肥量水平下产量较高的品种,均可以提高肥料的偏生产力。通过根系/根层生物学调控（比如应用促进根系生长的微生物肥料）,促进根系生长或增加根系活力,进而提高养分获取效率。（2）养分高效施肥技术。利用4R施肥技术,即：（A）合理的用量（Right rate）：这需要了解作物的养分需求特性、土壤的供肥能力、作物产量水平、单位产量的养分需求量等信息,在土壤养分测试或者明确肥料效应曲线的基础上,充分考虑环境来源养分和养分损失的可能性,最终确定总体养分投入量。（B）正确的施肥时间（Right time）：根据作物全生育期需肥规律,利用机械化追肥、水肥一体化、基于现代信息和遥感技术的植株营养状况与土壤养分无损诊断技术等手段,尽量采用分次施肥实现养分供应与作物需求规律相匹配。（C）合适的肥料（right fertilizer）：根据土壤特性（如质地、pH、盐碱等）、土壤缺素情况、种植模式（如地膜覆盖）以及生产条件（如灌溉条件、劳动力条件）的限制,正确使用新型肥料（含硝化抑制剂肥料、含脲酶抑制剂肥料、包膜肥料、水溶性肥料等）、中微量元素肥料、生理酸性肥料、含氯肥料、叶面肥等。充分发挥养分×养分、养分×土壤的正向交互作用,同时考虑肥料的性价比。（D）肥料位置合理（Right placement）：利用高效施肥机械以及水肥一体化技术,将养分相对集中供应到根系/根际,减少土壤固定、养分挥发及淋失损失。同时,肥料施用位置要与种子保持一定距离,避免抑制种子萌发和“烧苗”现象发生。（3）化肥替代技术。我国具有丰富的有机肥和秸秆资源,其中既含有大量的碳,也含有丰富的矿质养分。根据玉米的养分收获指数可知,收获时秸秆中所含的氮、磷、钾养分分别约占到玉米植株总养分的25%—40%、25%—35%、70%—72%[3]。如果能充分采用有机肥和秸秆还田技术,实现循环农业,不但可以大量减少化肥的投入,还有利于土壤质量提升和减少环境污染。（4）根层土壤调控技术。土壤板结限制作物根系生长,间接降低植株的养分获取能力。通过适宜的深松、深翻技术,改善根际土壤紧实度和通气透水状况,促进根系生长,是提高养分吸收效率的重要途径。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1玉米减肥增效的途径
-->Fig. 1The ways to reduce fertilizer input and to increase fertilizer efficiency
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本文以东北玉米为主要研究对象,在分析玉米养分需求规律的基础上,重点从养分高效品种、4R施肥技术、水肥一体化、精准施肥、秸秆还田等方面探讨东北地区玉米减肥增效的技术途径,以期为该地区减肥增效技术应用与发展提供参考。
1 东北玉米养分需求规律
明确单位玉米籽粒产量的养分需求量,是施肥总量控制的重要基础。这个指标随产量水平、品种及环境条件的变化有所波动。在吉林地区,侯云鹏等[4]研究结果,在11 400 kg·hm-2玉米产量水平下,每100 kg玉米产量吸氮（N）量仅为1.77 kg。相同产量水平下,刘占军等[5]的研究结果中,每100 kg玉米产量吸氮量为1.70 kg。总结吉林省2006—2007年的“3414”试验结果,发现每生产100 kg玉米籽粒产量的平均植株N、P2O5、K2O吸收量分别为1.89、0.88和1.27 kg（作者未发表资料）。在黑龙江省,姬景红等[6]的研究中,每形成100 kg籽粒的N、P2O5、K2O养分吸收量分别平均为1.82、0.67和1.52 kg。而姜海涛和杨克军[7]的研究表明,每形成100 kg籽粒需N量为1.56 kg（密山地区）。在通辽地区11 000 kg·hm-2玉米产量水平下,每100 kg玉米籽粒产量需要吸收的总养分量分别为N 1.7 kg,P2O5 0.6 kg,K2O 2.3 kg[8]。综合上述数据,东北地区每生产100 kg玉米籽粒产量的平均N、P2O5、K2O的需求量范围分别为1.56—1.89、0.60—0.88和1.27—2.30 kg。总结本小组在吉林梨树县多年开展的田间试验结果以及相邻地区发表的施肥文献,发现在8 000、10 000和14 000 kg·hm-2的产量水平下,玉米植株氮积累量平均分别为160、211、287 kg·hm-2（图2）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2不同产量水平下的玉米氮素积累规律
-->Fig. 2Dynamic nitrogen accumulation curve in maize under different yield levels
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从养分吸收规律看,李梁等[3]的结果表明,吉林北部（公主岭,乾安）地区玉米吐丝后吸收氮、磷、钾的比例分别为26%—28%,20%—25%和8%—16%（品种郑单958和先玉335,产量9 000—12 000 kg·hm-2）,但吐丝后氮、磷吸收对籽粒养分的贡献率分别达到40%和30%。CHEN等[9]的研究有类似的结果,开花后氮素积累比例为18%—22%,对籽粒氮的贡献率为27%—31%。在黑龙江省,抽雄后玉米的氮素积累占整个生育期氮素积累总量的35%—45%[7],在内蒙古中部灌溉玉米地区,高炳德等[10]的研究表明,在14 000—16 000 kg·hm-2玉米产量水平下,开花后氮、磷、钾的吸收比例分别为：28%、39%、15.7%。其中钾在灌浆后期又损失掉植株总量的18.3%。开花后养分吸收对籽粒养分的贡献率分别为：氮20%—30%,磷35%—38%。总体来看,该地区玉米吐丝后对氮、磷的需求量分别约为全生育期需求量的20%—30%和20%—40%,对籽粒氮磷的贡献率分别为20%—30%和30%—38%。因此,在高产水平下,在一定程度上维持吐丝后土壤氮和磷的持续供应非常重要。
2 东北玉米化肥减施增效技术途径
2.1 养分高效品种
玉米种子市场上品种繁多,而在相同的施肥和管理水平下,不同品种产量有很大差异,而在相同的产量水平下,不同品种所需的施肥量也有不同。陈范骏等[11]研究表明,在高产栽培条件下,选用高产氮高效品种（包括双高效型和高氮高效型两种类型）,玉米的增产幅度为8%—10%,相当于节氮16%—21%,而在低氮投入条件下,耐低氮品种具有增产12%的潜力,相比较而言,在20世纪初期,大面积推广的高产品种郑单958和先玉335,同时也是氮高效利用的品种。然而随着品种的更新换代,每年有大量新品种进入市场,急需要对这些品种的氮效率及氮素需求规律进行比较,一方面有利于农户选择氮高效品种,另一方面,在了解品种需肥规律的基础上,才可以准确地确定最佳养分供应量和供应时间,实现养分供应与品种养分需求的匹配。值得注意的是,在东北地区,随着机械化收获面积的不断扩大,尤其是对籽粒直收的要求不断增加,养分高效品种还必需同时满足机械化籽粒直收的要求。绿熟型品种通常具有较强的氮素吸收能力,因而更可能氮高效。绿熟品种通常在收获时籽粒含水率较高,达不到籽粒直收的要求。这意味着,在未来需要选择“适度黄熟”的养分高效的品种,也就是通过提高植株体内养分的生理利用效率来实现氮高效。2.2 4R高效施肥技术
2.2.1 施肥总量控制 明确每季玉米的最佳总养分投入量,控制多余肥料的投入,是实现减肥增效的第一步。由农业部领导、中国农业大学牵头组织的全国性测土配方施肥工作的开展,明确了东北各地区土壤养分的现状,并在此基础上,提出了氮肥采用“总量控制,分期调控”原则,磷、钾肥则采用“恒量监控”原则,建立了一套基于土壤养分测试值的推荐施肥技术体系[12]。中国农业科学院建立了基于产量反应和农学效率的玉米推荐施肥方法,称为玉米养分专家系统（nutrient expert for hybrid maize,NE）[13,14]。这些推荐施肥技术的应用,均在东北春玉米生产应用中取得了较好的减肥增效效果。冯国忠等[15]总结吉林省中部地区“3414”田间肥料试验结果、统计农户调查数据、以及相关文献,综合确定出吉林省玉米带春玉米氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）肥的推荐施用量分别为200、76和68 kg·hm-2。本课题组在梨树县开展的氮肥定位试验表明,在12 000—14 000 kg·hm-2玉米生产水平下,玉米施氮量应为180—240 kg·hm-2[16]。侯云鹏等[4]的研究表明,在玉米11 000—12 000 kg·hm-2产量水平下,最佳施氮量为184 kg·hm-2,并认为吉林省中部黑土区施氮量应控制在184—210 kg·hm-2。在辽宁省中南部地区11 000 kg·hm-2产量水平下,玉米最佳推荐施肥量为N 210 kg·hm-2、P2O5 135 kg·hm-2、K2O105 kg·hm-2 [17]。最近的一项来自辽宁土壤肥料总站的报告指出,辽宁省98 000— 12 000 kg·hm-2产量水平的推荐施肥量为N 180—210 kg·hm-2、P2O5 60—105 kg·hm-2、K2O 45—78 kg·hm-2 [18]。与前一个研究相比,氮肥推荐量相似,而磷钾推荐量较低,说明目前土壤中磷、钾水平已有所提高。而利用玉米养分专家系统的研究表明,在目前东北土壤养分状况下,实现12 000 kg·hm-2的玉米养分投入量应为N 153—178 kg·hm-2、P2O5 62—66 kg·hm-2、K2O 74—79 kg·hm-2 [14]。
养分偏生产力的高低是评估一项“减肥增效”技术效果的一个重要指标,但需要指出的是,并不是某个施肥量下测得的养分偏生产力很高,就说明这个施肥量更合理。理论上分析,如果所施入的养分全部被植株吸收,则一个养分的偏生产力就相当于该养分在植株体内的生理利用效率（也就是百公斤籽粒产量养分需求量的倒数）,这相当于养分偏生产力的最大理论值。除非有其他来源的养分投入（比如秸秆还田、有机肥、豆科轮作、大气沉降等）,如果实际测定的偏生产力高于这个理论值,则说明植株在消耗土壤中的养分,使土壤养分平衡趋向于亏缺,长期来讲是不可持续的。依据HOU等[19]的大数据研究结果,在春玉米产量水平分别为<7 500、7 500—9 000、9 000— 10 500、10 500—12 000、12 000—13 500、>13 500 kg·hm-2的条件下,其籽粒氮素需求量分别为19.8、18.1、17.4、17.1、17.0和16.9 kg·t-1,其相应氮素最大偏生产力（也就是氮素生理利用效率）分别为50.5、55.2、57.5、58.5、58.8、59.1 kg·kg-1。以此作为参考,在徐新朋等[14]的研究中,氮素偏生产力高达70—79 kg·kg-1,说明该推荐量是基于当前农田中较高的氮素残留现状,而从长期看,如果缺少其他氮素投入（秸秆、有机肥等）,所推荐的施肥量偏低。其实,无论是基于“3414”设计进行施肥量推荐,还是基于NE施肥专家系统进行施肥量推荐,都要依赖于不施养分小区的玉米产量结果,也就是受当时土壤供肥能力影响,因而所提出的推荐量只能用于当年或较短年限内的施肥量推荐。从保持土壤养分平衡甚至培肥土壤的角度出发,应该将养分偏生产力的理论最大值作为参考,在没有其他氮源投入的条件下,实际获得的养分偏生产力值不应该过度高于该理论最大值,这样才能保证所推荐的施肥量能够长期应用,不至于消耗地力,甚至给农户带来减产。
李伟波等[20]利用15N技术研究表明,在合理施肥的条件下,黑土上肥料氮（尿素）的损失率为16%,未被当季利用的氮素主要残留于土壤。彭畅等[21]的研究表明,吉林地区年均湿沉降总氮量为18.3 kg·hm-2。在生产实际中,在缺乏养分测试条件下,也可以以单位产量的植株吸氮量为基准,考虑当季氮肥损失率、环境氮素来源（雨养玉米只需考虑氮素沉降）、以及其他氮素来源（比如有机肥、秸秆还田等）,把当季土壤供氮量与肥料的土壤残留量视为平衡,进而粗略地计算氮肥推荐量。比如根据侯云鹏等[14]的研究,在其研究区域每100 kg玉米吸氮量为1.77 kg,当玉米产量为10 000 kg·hm-2时,植株总氮需求量为177 kg·hm-2,根据“氮肥投入量=植株总氮需求量/(1-氮肥损失率)-氮沉降”的公式,估计的氮肥投入量应为：177/(1-16%) - 18.3 = 187 kg·hm-2。这一数值与前述的实际推荐量很接近。因此,有必要在不同的生态区域开展详细的研究,明确不同土壤上氮素损失率和环境来源氮量,为推荐施肥提供支撑。
如前所述,东北地区玉米开花后对氮、磷的吸收比例可高达30%,因此,采用基肥+追肥的策略,分次供应肥料（尤其是氮肥）可以有效满足玉米生长的需求,提高产量的同时,减少肥料损失,达到减肥增效的效果。然而,考虑劳动力成本和机械投入成本等因素,东北农民的追肥意愿逐年下降,一次性施肥比例则逐年上升[2]。这不但容易引起“烧苗”现象、增加倒伏风险,而且玉米生长后期可能现出现脱肥。将缓/控释肥、稳定性肥料等新型肥料添加到基肥中,有可能一次施用就能满足玉米全生育期对养分的需要,并减少养分损失[22],将缓/控释氮肥与普通尿素掺混施用,一方面尽量使养分释放匹配植株养分需求,另一方面降低肥料投入成本。王寅等[23]的研究结果显示,缓/控释氮肥最佳掺混比例为30%—35%。
2.2.2 启动肥技术 在我国东北等地区,早春季节低温,土壤湿冷,玉米根系的生长、对养分的吸收和土壤养分的分解释放及其移动性都受到限制,导致玉米早期生长暂时性养分缺失的问题。保证早期养分供应强度（尤其是磷的供应强度）,对于促进幼苗生长具有重要意义。在美国,农民通常采用启动肥（starter fertilizer）来解决这一问题。启动肥被定义为在播种时将少量的肥料集中施在距离种子很近区域的肥料,通常为条施,施用位置通常“2 inch + 2 inch”,也就是种子的侧下方,距离种子水平和下部垂直距离均为2英寸（约5 cm）[24]。研究结果表明,启动肥的施入能够促进玉米早期生长,提高产量,尤其在免耕或少耕的土壤上施用更为重要[25,26,27]。
在东北地区,高达80%的农户采用“一次性”施肥方式（本小组未发表的农户调查数据）,也就是将所有肥料作为基肥,或者在整地时施入土壤,或者利用播种、施肥一体化播种机,在播种时将所有肥料施入种子下方或侧下方。部分农户有施用种肥的习惯,一般采用磷酸二铵,与种子混合施用,用量50 kg·hm-2左右。这种一次性的施肥方式不利于提高肥料利用效率,而分期施肥,将较多的肥料用于追肥,一方面减少肥料损失,另一方面能尽可能使肥料的供应与植株养分需求时期相匹配,从而达到增产和提高肥料利用率的目的。为此,很有必要研究适合我国东北地区的“启动肥+追肥”的玉米施肥新模式。
我们的研究表明,与“基肥+种肥”模式相比,启动肥模式处理可以促进幼苗地上部干物质积累量和根系生长,而且在玉米八叶期达到显著效果。施用位置相比较,“5 cm +8 cm”模式（肥料在种子侧面5 cm,下方8 cm）的效果,比“5 cm +5 cm”的效果更好[28]。美国常用的启动肥有磷酸一铵（MAP,10-52-0）、多磷酸铵（10-34-0）等,或者将这些肥料作为原料掺入其他肥料做成专用启动肥,N-P2O5-K2O比例在1-2-1,1-3-1或1-4-2等。我们分别用磷酸一铵、磷酸二铵、硝酸磷肥、硫酸铵+过磷酸钙与低氮复合肥混合,作为启动肥进行比较试验,结果表明,磷酸二铵和硫酸铵+过磷酸钙处理均具有显著的壮苗效果。硫酸铵+过磷酸钙还能改善玉米的株型[28]。
中微量元素需求量低,加在启动肥中效果较好。研究表明,吉林西部砂质土壤地区普遍存在缺锌或潜在缺锌状况,施锌增产效果显著,增产率可达18.7%— 35.0%。吉林中部地区施硫也具有很好的增产效果,增幅可达10.4%—12.0%[29]。
2.2.3 玉米机械化追肥技术 如前所述,玉米开花后期吸收的氮、磷比例非常高。虽然磷肥可以在播种时一次性施入,但如果氮肥一次性施用,很可能造成不利的影响,一是前期氮素供应强度大,不利于幼苗健壮,二是开花-成熟期氮素供应可能不满足玉米的生长,不能实现高产。三是氮素损失风险大。因此,分次追施氮肥是实现土壤氮素供应匹配玉米氮素需求的重要手段。在东北地区,随着农村劳动力的短缺以及土地的日益规模化,采用人工进行追肥已不现实,采用机械化追肥是唯一选择。然而,传统的中耕追肥机械地隙较低,通常不超过40 cm,有很多农户甚至直接用去除了播种部件的播种施肥一体机代替。由于地隙较低,这些机械只能在玉米V4—V5期追肥,此时玉米还未进入快速生长期,因此远远达不到“养分供应匹配养分需求”的效果。同时,这种低地隙追肥机械的作业窗口期短,在规模化经营的条件下,如果遇到降雨天气,土壤湿润导致机械无法操作。等土壤墒情合适时,玉米株高可能已经很高,机械无法作业。为此,发展高地隙追肥机十分必要。中国农业大学在引进美国Yetter公司的2995型圆盘式开沟施肥器,研制出了2FZ2995-4型高地隙玉米追肥机,地隙提高到了70 cm,最高能对1.2 m的玉米进行追肥,而不造成植株折损,这样,施肥作业的时间可以达到拔节期（V7左右）,从而大大延长机械作业持续期,并且使“养分供应匹配养分需求”成为可能。采用圆盘式开沟施肥器可以使施肥深度达到7—10 cm,施肥位置精准,对土壤扰动少,通过安装电动肥盒及转速耦合装置,可以实现均匀施肥[30]。
美国液体肥应用比较普遍,在追肥时,农民通常使用高地隙施肥机械将液体肥（比如液氨,液体尿素硝铵）直接注射到土壤中。随着我国液体肥技术及配套设施的发展,将来这种方法也有望在我国应用。
2.2.4 玉米水肥一体化技术 近20多年来东北地区降雨量减少趋势明显,季节性干旱频繁发生[31],基于滴灌施肥的“水肥一体化”技术受到重视。2016年农业部制定《水肥一体化实施方案》,提出在“十三五”期间推广水肥一体化面积500万公顷,2020年达到1 000万公顷[32]。滴灌施肥技术是按照作物需水需肥要求,将水肥缓慢、均匀、适量、准确地直接输送到作物根部附近的土壤表面,浸润到根系最发达区域,使根系活动区的土壤保持最佳水分、养分供应状态,即满足作物的需水需肥要求,又能最大限度地提高水肥利用效率[33,34]。
滴灌施肥技术为“养分水分供应匹配作物生长需求”提供了技术的可能。高效的滴灌施肥技术需要以不同产量水平下玉米各生长阶段的养分、水分需水量为依据,设计不同生长阶段的养分、水分供应量[33]。国外大量研究表明,只要土壤水分管理在可接受的应力范围内,灌溉频率从每天到每周,对田间玉米产量影响较小[35,36,37]。基于这一原则,本课题组在风砂土和黑土上分别进行了4年和2年田间试验,30%氮肥作为基肥,其余70%氮肥按照玉米全生育期对氮素的吸收规律,分7次施入。适时记录降雨量,通过计算各生长阶段玉米需水量与降雨量的差额,确定每次滴水量。结果表明,在相同施肥量条件下,滴灌施肥在黑土上可以增产15%—23%,产量水平可达15 000— 16 000 kg·hm-2;在风砂土上可以增产19%—128%,产量水平可达12 000—13 000 kg·hm-2。正常降雨年份增产效果较小,干旱胁迫重的年份增产效果明显。水分生产率超过30 kg·hm-2·mm-1。
采用滴灌施肥时,每年需要重复铺设和回收毛管,消耗大量人力物力,回收的毛管也损失严重,很难再利用,这在一定程度上限制了滴灌施肥技术的应用。通过地下滴灌技术,利用机械将高强度滴灌带铺设于地表以下30 cm左右,可以实现一次铺设,多年使用,而且不影响土壤耕作[38]。在美国Kansas州玉米生产的一项研究表明,地下滴灌管道的使用年限可达到10年以上。与地表滴灌相比,地下滴灌减少了水分地表蒸发,增加了深层次根系的生长,提高深层土壤养分有效性,减少硝酸盐向深层淋失,因而更加增产、节水、节肥[39,40,41,42]。本课题组的4年定位试验研究表明,在吉林省中部雨养条件下,与农民传统种植方式相比,地下滴灌技术（滴灌带埋深30 cm左右）在风砂土上增产26%—122%,在黑土上增产13%—16%。与地表滴灌施肥技术的增产效果基本相同。BAR-YOSEF等[43]的研究表明,采用地下滴灌方式持续供应磷,比地表滴灌更能增加玉米产量,并有利于控制杂草发生。
在黑龙江某些地区（如大庆地区）,早期低温以及积温不足限制玉米生长,因而采用地膜栽培模式。这种模式下,采用膜下滴灌施肥是协调养分水分供应的较好方式。与雨养种植相比,膜下滴灌施肥增产幅度可达28%—78%[44,45]。最高产量一般为12 000— 15 000 kg·hm-2[46,47]。但是与普通滴灌相比,覆膜滴灌增产仅为11%—13%[48,49]。在吉林中部地区,本课题组的结果表明,膜下滴灌施肥增产效果为29%—137%（风砂土）和8%—23%（黑土）,也是略优于地面滴灌施肥的效果。
滴灌施肥的节肥节水效果显著,但其实际应用受到玉米产量水平、玉米价格以及水溶肥价格的影响。比如,通过滴灌在全生育期供应磷可以显著提高磷肥利用率和玉米产量[43, 50],但含磷的水溶肥价格较高,所以实际生产中,磷肥还是基施为主。从滴灌设施费用分析,按10年周期估算,滴灌设施的投入至少为2 500元/hm2。这意味着,如果每公顷增产所获得的收入不能超过2 500元,则不适用这项技术。综合分析,滴灌施肥技术应该主要在风砂土及干旱地区推广。膜下滴灌施肥技术的各项人力、物力、机械的投入更高,但效益不高[46],还带来地膜污染问题,应该慎重推荐。
2.2.5 基于主动冠层传感器Greenseeker的玉米精准氮肥管理 现代农业的发展要求实时监控作物营养状况并进行定量化的营养调控,达到养分供应与植株营养需求相同步,从而提高肥料利用效率,而作物营养诊断是确定植株体内养分丰缺状况的重要途径,更是进行追肥调控的重要依据。利用SPAD仪、植株硝酸盐测试虽然可以估测植株氮素状况,但是无法建立推荐施肥模型。土壤测试无机氮含量,比较费时、费力,在大面积上的可操作性不强。随着遥感技术的发展,利用植株的光谱特性对植株氮素状况进行非接触性无损诊断,然后建立实时养分精准管理方案,不仅快速,而且适合规模化农田,是未来的重要发展方向。
由美国俄克拉何马州立大学研制的近地面冠层传感器GreenSeeker,是目前市售的使用范围最为广泛的主动传感器[51]。该传感器的工作原理是,由两个发光二极管发射（650±10）nm的红光和（770±15）nm的近红外光,这两种光的一部分被二极管检测器接受作为原始的入射光,另一部分照射到目标植物反射后被反射光检测器接受,然后与入射光一起进入二极管多路调制器,经过模数转换进入计算机,再通过特定的软件计算得到归一化植被指数（NDVI=(ρNIR- ρRED)/ (ρNIR+ρRED)）和比值植被指数（RVI= ρNIR/ρRED）。TEAL等[52]和INMAN等[53]均证明GreenSeeker植被指数在估测玉米产量上的潜力。在吉林地区,XIA等[54]研究表明,在春玉米V5—V10期间,植被指数NDVI和RVI能够很好地估测叶面积指数、地上部生物量以及植株吸氮量,但估测植株氮浓度的精准度不高。在植株生长后期（V9—V10）,NDVI出现饱和现象,RVI不受饱和现象的影响,且RVI估测植株氮营养指标的敏感性较好。不同生长时期植被指数与植株氮营养状况指标之间的相关关系差异很大,整体趋势表现为V5—V6和V7—V8阶段的相关性要优于V9—V10时期的相关性。对于东北地区春玉米而言,GreenSeeker冠层传感器能在追肥窗口期（V7—V8）很好地诊断其氮素营养状况。利用该技术可以建立两种春玉米氮肥精准管理策略,NFOA模型精准调控（NFOA-PNM）[55]和NNI模型精准调控（NNI-PNM）,为精准追肥提供指导。其流程为：首先基于区域优化施氮量推荐总施肥量,并按1/3比例做为基肥。在V5—V8期利用GreenSeeker技术进行氮营养诊断,根据营养诊断调控追肥量。农户验证试验表明,基于GreenSeeker的氮肥精准管理方案在不影响产量的前提下都能显著降低氮肥的追施量,提高氮肥的偏生产力达19%—68%。
GreenSeeker技术可能受到土壤、气象条件（尤其是水分条件）、玉米品种等因素的影响,因此还需要在多种条件下进行更深入的研究,完善各种参数。未来随着无人机技术的快速发展,将GreenSeeker与无人机技术有机的结合,有望在村级以及更大区域范围内开展氮肥推荐,实现区域化氮肥精准管理。
2.3 秸秆还田技术
多项研究表明,季节性干旱及土壤质量下降是目前及未来限制东北地区玉米生产的两项重要因素[56,57,58]。在东北地区传统的垄作耕作模式下,农户需要清理出田间秸秆,或者直接在田间焚烧秸秆,然后进行灭茬、施肥、起垄等一系列机械作业。垄作有利于升高地温,促进幼苗生长。但是冬春季的大风天气,常引起地表土壤风蚀和土壤墒情散失,不但损失土壤表层肥沃土壤,又常常影响正常播种与出苗,尤其在干旱年份,不利于玉米生长和产量形成,同时也浪费了秸秆资源。综合考虑抗旱、黑土地保护以及减肥增效的共同需求,秸秆覆盖还田的重要性日益突出。2000年前后,东北地区主要推广高留茬宽窄行平作技术,实现部分秸秆还田[59,60,61]。近5年来,随着免耕播种机的成功开发以及玉米机械化收获技术的不断完善,采用玉米秸秆覆盖技术实现秸秆还田已经成为可能。秸秆覆盖免耕技术环节简单,在秋季机械化收获的同时实施秸秆切段,均匀覆盖在地表,到春季直接利用免耕播种机进行播种,然后喷洒除草剂,或者在幼苗期喷洒除草剂。免耕播种机具有切草圆盘、拨草轮、圆盘开沟播种和施肥器等,一次完成清理种床秸秆、播种开沟、单粒播种、侧深施化肥、覆土、压实种床、重镇压[62]。该技术要求改垄作为平作,等行距或者宽窄行种植模式均可。在吉林省及以南地区,东北西北沙土区,玉米生育期积温较高,而春旱和秋旱是高产稳产的主要限制因素,在这种情况下,采用秸秆全覆盖,在不扰动土壤的情况下,利用免耕播种机直接播种和施肥,可以达到很好的效果。
在较为冷凉的黑土地区,如果春播时期遇到低温多雨天气,秸秆覆盖常导致土壤温度较低,升温缓慢,不利于玉米出苗和苗期生长。在玉米产量较高地区,秸秆覆盖量大或者覆盖不均匀,免耕播种机的作业效果很差,常常导致出苗不齐或幼苗生长较弱[63]。另外,长期免耕还可能造成土壤板结,限制根系生长。这些问题都造成玉米减产,极大地限制了玉米秸秆全覆盖免耕技术的应用推广。解决这一问题的途径是应用秸秆覆盖条带耕作技术（strip-till,简称条耕）。这也是保护性耕作的一种新形式[64],据美国农业部统计,2010年条耕面积约占美国玉米总播种面积的15%。其基本作业过程是：前茬作物机械化收获后适度粉碎秸秆,保持秸秆覆盖,冬前或春季利用条耕机作业,整理出无秸秆的苗带用于播种。苗带宽度约25 cm,耕作深度15—30 cm。苗带清理作业可以结合深松、施基肥。苗带之间行距通常为76 cm,全生育期保持秸秆覆盖。条耕机的工作单元主要包括：切盘、拨草轮、开沟施肥刀、拢土盘、碎土器。切盘将作物秸秆切开,同时切入土壤表层,深度8—10 cm。拨草轮工作时高速旋转,将秸秆残茬拨向两侧,形成20—25 cm宽度无秸秆带。开沟施肥刀打破下层土壤结构,深度达到20—25 cm,可同时将肥料施入底部。拢土盘将开沟刀掀起的土壤垄在一起,形成宽30 cm高8—15 cm的耕作条带。碎土器将耕作条带的大土块震碎,使苗带土壤平整、疏松,有利于播种。每组条耕单元需要20—30马力的动力牵引,120马力的拖拉机牵引4组条耕单元。条耕技术基本上保持了秸秆覆盖还田的全部优点。同时避免了秸秆全覆盖免耕带来的苗床土壤温度低、播种质量差、缺苗、弱苗等问题[65]。
中国农业大学已于2013年从美国Yetter公司引进2984条耕机组件,并组装了与中型拖拉机配套的2FQ-2984-4型条耕整地施肥一体机,但尚没有形成商业化生产。生产实践中,根据条耕作业的特点,吉林省梨树县农民研制成一种将秸秆清理成行的机械-秸秆清理机（简称清茬机）。在清理出苗带后,再使用深松机深松,形成清茬机+深松机的两步条带耕作模式。从实际应用效果来看,采用条耕技术时,如果采用等行距模式,行距应该在65 cm以上;如果采用宽窄行,则窄行（苗带）为40 cm,宽行（秸秆覆盖带）的行距要达到90 cm。这样有利于秸秆的堆放,不影响玉米苗的生长。
在热量条件严重不足、必须采取垄作模式以保证玉米高产的地区,比如黑龙江省冷凉地区,秸秆覆盖还田对玉米生长影响较大,宜采用秸秆深翻还田的方式[66]。这种方式的基本程序包括：（1）机械收获同时实施秸秆粉碎;（2）进行深平翻,扣埋秸秆,耕翻深度控制在30 cm以上;（3）耙地;（4）起垄镇压;（5）春季播种。采用这种技术通常需要180 马力以上拖拉机、2.8 m 以上翻转犁、轻耙机和起垄机,操作环节多,动力消耗大,适合大农场采用。还有一种选择是秸秆碎混技术,也就是在机械收获后实施秸秆粉碎,然后进行深松联合整地,使秸秆与土壤充分混合,再耙地、起垄镇压,待春季播种。这种技术同样需要大型深松联合整地机、重耙机、起垄机等。其中深松整地作业需要210 马力以上大拖拉机,作业深度要达到30 cm 以上[66]。
3 问题与展望
最近10余年来,随着一系列国家重大研究计划的实施,作物施肥技术研究取得了长足的发展。在“维普期刊资源整合平台”以“玉米施肥”为主题词检索,2000年以前玉米施肥文献每年不足100篇。随着玉米施肥研究的大范围开展,从2009年至今,每年的玉米施肥文献已达到250—300篇。这些工作加深了人们对土壤养分供应规律、玉米需肥规律等理论的认识,已产生了大量的施肥技术相关成果、规程、专利等等,为提高我国玉米高产水平和平均产量水平做出了巨大的贡献。在减肥增效和全球变化的大背景下,提高肥料利用率已经成为国际组织、各国政府、肥料企业重点关注的领域。我国农业部已开始实施“化肥零增长”行动,提出通过“精”（精准施肥）、“调”（调整化肥使用结构）、“改”（改变施肥方法）、“替”（有机替代）等途径控制化肥投入。国际上相继提出了4R 施肥技术、最优养分管理、精准施肥等先进施肥理念。根系/根层调控理论逐步在生产上得到应用。为实现养分释放与作物养分需求规律相匹配,从20世纪20年代国外就陆续研发各类低成本、高效、环境友好型缓控释肥,如BASF公司研发出高效硝化抑制剂DMPP,并实现商业化应用。近年来,我国的包膜肥、稳定性肥料等新型肥料产品也在快速发展。此外,生物肥也发展迅速,为玉米生产提质增效提供了新途径。但如何大面积实现减肥增效,在技术层面仍面临很大挑战。比如区域特异性的玉米养分需求规律并不明确,玉米新型肥料及生物肥产品/技术应用效果尚存在不稳定性。在有机替代方面,我国玉米秸秆还田技术尚需大力发展,有机肥施用成本较高。水肥一体化虽然得到大力提倡,但技术仍较粗放,其节肥增产潜力没有充分发挥。就施肥技术研究本身而言,尚存在一些不足。第一,很多研究持续时间短,依据一年一点的数据就发表论文,所得的结论受土壤起始地力水平、气候因素等影响,具有片面性,不仅难以真正用于指导农民实践,而且常常以讹传讹。施肥研究应该实施多年定位研究,充分理解一个措施的长期效应及其与气候条件的互作,才能得出有价值的结论。第二,很多施肥研究不考虑土壤特性,所得到的结果只能解释一种特定土壤的效果,却常常在应用中被无限放大。土壤特性对养分的转化及其有效性有深刻的影响,应该提倡研究施肥与土壤的互作,针对某种土壤研究养分特征及高效施肥技术,不断积累知识,构建土壤特异性高效施肥技术。第三,很多研究没有与我国多样化玉米栽培模式/耕作模式相结合,施肥研究低水平重复,形成一些片段化的技术,却不能构成一个完整的技术体系。我国玉米栽培模式/耕作模式多样化,栽培模式上包括连作、轮作、间作等,耕作制度上包括垄作、平作、秸秆覆盖还田、秸秆深翻还田、全膜覆盖、半膜覆盖等,灌溉模式上包括雨养、滴灌、喷灌、沟滴等等,这些不同模式及组合下,对玉米施肥技术（包括肥料类型、施肥量、施用方法、施用机械等等）提出了不同的要求,需要有针对性开展施肥技术体系研究,集成创新与主要耕作栽培模式相匹配的减肥增效综合技术,逐步建立区域化的高效施肥技术规程,并不断完善。第四,很多研究仍停留在小面积试验田阶段,理论上可行,但没有考虑农民经济效益和田间实际可操作性,与减肥增效的要求背道而驰。比如一些技术要求多次施肥、开花期施肥、后期喷施叶面肥、分多个土壤层次施肥等等,这些技术可能理论上有效果,但几乎没有推广价值。
总之,未来减肥增效技术研究要从农民实际应用的角度出发,将技术研究与技术推广相结合,针对不同的栽培耕作模式,建立农民可应用或在不久的将来可应用的技术规程,实现大面积应用,达到区域性减肥增效的目标。
The authors have declared that no competing interests exist.
