閆 湘，金繼運(yùn)，梁鳴早

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081)

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)和人口大國，中國政府歷來高度重視糧食問題。改革開放以來，中國的糧食生產(chǎn)取得舉世矚目的成績，以占世界 9% 的耕地養(yǎng)活了世界上20% 的人口，創(chuàng)造了在人多地少的國家糧食自給的奇跡。中國人均耕地是世界平均水平的40% 左右，三分之二是中低產(chǎn)田。在巨大的糧食需求壓力下，化肥的大量施用在保障我國糧食安全上發(fā)揮了重要作用。值得注意的是，1980年至今的三十幾年間，我國糧食產(chǎn)量增長了近 85%，但化肥施用量卻增長了4.5倍，化肥施用量的增速遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過糧食產(chǎn)量的增速。當(dāng)化肥施用量達(dá)到一定程度后，其對糧食增產(chǎn)的邊際貢獻(xiàn)率逐漸下降。過量施用化肥導(dǎo)致肥料利用率不高，肥料損失嚴(yán)重，造成巨大的生態(tài)環(huán)境污染，威脅到農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。如何保證糧食產(chǎn)量合理穩(wěn)定增長的同時(shí)，提高肥料利用率，減少化肥過量施用帶來的不良影響，解決社會發(fā)展所面臨的資源與環(huán)境問題，是擺在我們面前的一項(xiàng)重要課題。

近些年來，我國一些學(xué)者開展了部分省區(qū)范圍內(nèi)的糧食作物施肥狀況、增產(chǎn)效應(yīng)和養(yǎng)分效率的研究[1-3]，還有一些學(xué)者對我國較大范圍地區(qū)不同作物的肥料利用率和肥效進(jìn)行了研究，張福鎖等[4]對2001—2005年全國糧食主產(chǎn)區(qū)肥料利用率進(jìn)行了分析研究，結(jié)果顯示水稻、小麥和玉米氮肥利用率分別為28.3%、28.2% 和26.1%，遠(yuǎn)低于國際水平，與20世紀(jì)80年代相比呈下降趨勢。李紅莉等[5]2008年對全國23個(gè)省糧食作物施肥量和化肥效率進(jìn)行了調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)三大糧食作物的化肥效率大小順序?yàn)樗荆拘←湥居衩祝势a(chǎn)力分別為15.7、11.9和11.5 kg/kg。本文通過農(nóng)戶施肥調(diào)查和田間試驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)分析研究了我國主要省(區(qū))水稻、小麥和玉米的化肥施用狀況、增產(chǎn)效應(yīng)和化肥利用效率。

1 材料與方法

1.1 農(nóng)戶施肥調(diào)查

在全國 19個(gè)省(區(qū))開展農(nóng)戶施肥情況調(diào)查，其中北方10省(區(qū))，南方9省(區(qū))，北方分別是山東、河南、河北、吉林、遼寧、黑龍江、山西、寧夏、陜西和天津，南方分別是江蘇、浙江、安徽、湖北、重慶、四川、貴州、湖南和廣西。每個(gè)省(區(qū))選擇5～10個(gè)縣(市)，每個(gè)縣(市)抽取3～5個(gè)鄉(xiāng)。調(diào)查作物為水稻、小麥和玉米，共調(diào)查13 667個(gè)地塊，其中水稻4 608塊，小麥4 831塊，玉米4 228塊。調(diào)查時(shí)間為2002—2005年。

1.2 田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)地點(diǎn)為 IPNI(國際植物營養(yǎng)研究所)設(shè)在全國22個(gè)省(市、自治區(qū))的32個(gè)土壤養(yǎng)分監(jiān)測村。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：①NPK，最佳施肥推薦處理；②PK；③NK；④NP。小區(qū)試驗(yàn)，每處理3次或4次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。氮肥品種為尿素，磷肥品種為過磷酸鈣或重過磷酸鈣，鉀肥品種為氯化鉀。每個(gè)養(yǎng)分監(jiān)測村均采用非定位試驗(yàn)，種植作物為水稻、小麥和玉米，連續(xù)種植4年，作物品種均采用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)上主推的高產(chǎn)品種，栽培管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)相同。水稻、小麥和玉米施肥量見表1～表3。

表1 水稻施肥量(4年平均值)(kg/hm2)Table 1 Average fertilizer rates of rice in 4 years

表2 小麥?zhǔn)┓柿?4年平均值)(kg/hm2)Table 2 Average fertilizer rates of wheat in 4 years

表3 玉米施肥量(4年平均值)(kg/hm2)Table 3 Average fertilizer rates of maize in 4 years

1.3 分析測定方法

水稻、小麥和玉米籽粒和秸稈中氮、磷、鉀分析測定方法如下，全氮：H2SO4-H2O2消煮，蒸餾法測定；全磷：H2SO4-H2O2消煮，釩鉬黃比色法測定；全鉀：H2SO4-H2O2消煮，原子吸收法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和農(nóng)戶施肥技術(shù)水平的差異大，調(diào)查數(shù)據(jù)中存在一定的奇異數(shù)據(jù)。為保證統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，在數(shù)據(jù)處理分析之前應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，研究數(shù)據(jù)分布特征，提前發(fā)現(xiàn)并合理地消除或減弱奇異值的影響。

化肥折純量計(jì)算：除復(fù)混肥以外的化肥根據(jù)其凈養(yǎng)分含量由實(shí)物量折算純養(yǎng)分。復(fù)混肥折純分兩種情況，一是對于調(diào)查標(biāo)識出N、P2O5、K2O含量的，按照農(nóng)戶調(diào)查結(jié)果計(jì)算；二是一些復(fù)混肥調(diào)查只有氮、磷、鉀養(yǎng)分的總含量，沒有分量，這部分采用該省肥料調(diào)查中所有標(biāo)明復(fù)混肥 N-P2O-K2O濃度的加權(quán)平均值作為換算依據(jù)。

有機(jī)肥折純量計(jì)算：調(diào)查發(fā)現(xiàn)農(nóng)民施用的有機(jī)肥種類繁多，包括各種糞肥、廄肥、餅肥、土雜肥、綠肥等。作者收集了目前公開發(fā)表的各種有機(jī)肥料的養(yǎng)分含量[6-10]，作為有機(jī)肥料的折純采用的養(yǎng)分含量標(biāo)準(zhǔn)。

農(nóng)學(xué)效率(agronomic efficiency，AE)指每千克肥料養(yǎng)分生產(chǎn)的籽粒(kg/kg)，是單位施肥量對作物籽粒產(chǎn)量增加的反映[11]。有人也稱之為生產(chǎn)指數(shù)(productivity index，PI)[12]，反映了肥料的生產(chǎn)效率。計(jì)算公式為：AE=(Y-Yc)/Nf，其中Y為施某一養(yǎng)分條件下的籽粒產(chǎn)量(kg)，Yc為不施某一養(yǎng)分條件下的籽粒產(chǎn)量(kg)，Nf為所施肥料中的某一養(yǎng)分量(kg)[13-16]。

生理效率(physiological efficiency，PE)是指作物因施用肥料而增加的產(chǎn)量與從肥料中吸收的養(yǎng)分量的比值，即作物每吸收1 kg養(yǎng)分而增加的產(chǎn)量(kg)。反映了作物對所吸收的肥料在作物體內(nèi)的利用效率。計(jì)算公式為：PE=(Y-Yc)/(Nup-Nc)，其中Y為施肥區(qū)籽粒產(chǎn)量(kg)，Yc為對照產(chǎn)量(kg)，Nup為植物地上部吸收的某一養(yǎng)分量(kg)，Nc為對照的地上部吸收的養(yǎng)分量(kg)[13-16]。

肥料利用率也叫肥料當(dāng)季回收率(fertilizer recovery efficiency, FRE)，指作物吸收來自所施肥料中的養(yǎng)分占所施肥料養(yǎng)分總量的百分?jǐn)?shù)。它的大小可以反映作物對氮肥的利用程度。差減法計(jì)算公式為：FRE=(Nup-Nc)/Nf，其中Nup為施某一養(yǎng)分時(shí)作物地上部吸收的這種養(yǎng)分量(kg)，Nc為不施某一養(yǎng)分條件下作物地上部吸收的這種養(yǎng)分量(kg)，Nf為所施肥料中的某一養(yǎng)分量(kg)[15-18]。

農(nóng)學(xué)效率、生理效率和肥料利用率每季試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別計(jì)算后求平均值。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)19個(gè)省水稻、小麥和玉米肥料施用量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，水稻施肥量最高，為294.8 kg/hm2，小麥和玉米接近，分別為263.6和269.6 kg/hm2。水稻施肥量在 224.5～465.4 kg/hm2之間變化，小麥?zhǔn)┓柿吭?61.3～392.2 kg/hm2之間，玉米施肥量的變幅是174.4～335.9 kg/hm2。

2.1 主要糧食作物施肥量頻率分布

2.1.1 施氮量頻率分布 作物施氮量調(diào)查顯示，水稻施氮量最高，其次是玉米，最低是小麥，分別為193.5、186.8、165.3 kg/hm2。水稻、小麥和玉米都有一個(gè)相對集中的施氮區(qū)間，其中，水稻在150～350 kg/hm2之間的頻率占67%，小麥?zhǔn)┑恐饕植荚?5～325 kg/hm2之間，占84%，玉米分布在100～350 kg/hm2之間的占 71%(圖 1)。

圖1 水稻、小麥、玉米施氮量的頻率分布Fig. 1 Frequency distributions of N fertilizer rates of rice, wheat and maize

圖2 水稻、小麥、玉米施磷量的頻率分布Fig. 2 Frequency distributions of P fertilizer rates of rice, wheat and maize

2.1.2 施磷量頻率分布 施磷量分布與施氮量有很大差異，頻率分布圖基本都呈倒三角型，說明絕大多數(shù)農(nóng)戶施磷量都集中在較低的水平上。隨著施磷量的增加，頻率逐漸減少。水稻、小麥和玉米施磷量集中區(qū)域分別在 25～125、25～225 和 25～175 kg/hm2之間，累積頻率分別為占 94%、96%、95%(圖 2)。施磷量最高的是小麥，平均 76.9 kg/hm2；最低的是玉米，65.5 kg/hm2。2.1.3 施鉀量頻率分布 19個(gè)省水稻平均施鉀量為31 kg/hm2，高于小麥和玉米約10 kg/hm2。作物施鉀量的頻率分布特點(diǎn)與施磷量相似，也呈倒三角型(圖3)，但不同的是，主要集中在不施鉀或低施鉀量水平上，并且隨著作物施鉀量的增加，頻率迅速下降。水稻施鉀量在0～75 kg/hm2范圍的占73%，小麥在0～40 kg/hm2的占76%，玉米0～75 kg/hm2的占92%。說明當(dāng)時(shí)生產(chǎn)條件下絕大多數(shù)農(nóng)戶鉀肥施用水平較低，平衡施肥觀念還沒有深入農(nóng)戶。應(yīng)當(dāng)加大補(bǔ)鉀工程力度，大力推廣平衡施肥技術(shù)。

2.2 主要糧食作物化肥增產(chǎn)效應(yīng)

產(chǎn)量的提高需要一定的養(yǎng)分吸收為基礎(chǔ)。在試驗(yàn)施肥水平下，施用氮磷鉀肥，水稻、小麥和玉米地上部吸氮量＞吸鉀量＞吸磷量，變化范圍分別為133.5 ～219.1、103.7～185.7 和 28.8～54.4 kg/hm2。施用氮磷鉀肥可以顯著提高作物產(chǎn)量，氮磷鉀肥平均增產(chǎn)量分別為2 070.7、865.5和765.1 kg/hm2，增產(chǎn)量的變化范圍分別為 1 352.7～2 324.1、725.1～1 090.3 和 381.2 ～981.0 kg/hm2(表 4～表 6)。

從水稻、小麥和玉米氮肥增產(chǎn)率分布(圖 4)來看，氮肥增產(chǎn)率主要分布在20%～60% 之間，水稻、小麥和玉米之間差異不大。磷肥和鉀肥的增產(chǎn)率明顯低于氮肥，其中，磷肥除南方小麥以外，主要分布在10%～15% 之間；鉀肥除南方玉米外，主要分布 10%～20% 之間。

2.3 水稻、小麥、玉米氮磷鉀肥利用效率

總體來看，氮磷鉀肥利用率變化范圍都非常大，氮肥利用率最低 3.4%，最高 86.1%；磷肥利用率最低0.1%，最高71.2%；鉀肥利用率最低0.8%；最高89.0%(表7～表9)。氮肥利用率在小麥上最高，平均38.2%，在水稻和玉米上接近，均在 30% 左右；磷肥利用率在水稻、小麥和玉米上差異不大，分別是13.0%、16.9%、15.3%；鉀肥利用率均在30% 左右，分別是28.1%、25.6%、30.5%。

圖3 水稻、小麥、玉米施鉀量的頻率分布Fig. 3 Frequency distributions of K fertilizer rates of rice, wheat and maize

表4 水稻、小麥、玉米氮肥用量、產(chǎn)量及增產(chǎn)效應(yīng)Table 4 N fertilizer rates, yields and yield-increasing effects of rice, wheat and maize

表5 水稻、小麥、玉米磷肥用量、產(chǎn)量及增產(chǎn)效應(yīng)Table 5 P fertilizer rates, yields and yield-increasing effects of rice, wheat and maize

表6 水稻、小麥、玉米鉀肥用量、產(chǎn)量及增產(chǎn)效應(yīng)Table 6 K fertilizer rates, yields and yield-increasing effects of rice, wheat and maize

圖4 水稻、小麥、玉米增產(chǎn)率分布圖Fig. 4 Distributions of yield-increasing rates of rice, wheat and maize

表7 水稻、小麥、玉米氮肥利用效率Table 7 Nitrogen fertilizer use efficiencies of rice, wheat and maize

表8 水稻、小麥、玉米磷肥利用效率Table 8 Phosphate fertilizer use efficiencies of rice, wheat and maize

表9 水稻、小麥、玉米鉀肥利用效率Table 9 Potash fertilizer use efficiencies of rice, wheat and maize

生理效率反映了作物所吸收的肥料在體內(nèi)的利用效率。從表7～表9可以看出，3種肥料生理效率大小表現(xiàn)為磷肥＞氮肥＞鉀肥。氮肥生理效率平均值為35.1 kg/kg，變化范圍為0.8～86.2 kg/kg；磷肥生理效率平均值在70 kg/kg左右，變化范圍非常大，最低3.9 kg/kg，最高可達(dá)241.5 kg/kg；鉀肥生理效率平均值多在20～30 kg/kg之間。說明作物對所吸收的磷肥利用效率最高，吸收1 kg磷肥可增加產(chǎn)量70 kg左右；對鉀肥利用效率最低，吸收到體內(nèi)的鉀肥1 kg增產(chǎn) 20～30 kg。

農(nóng)學(xué)效率是單位施肥量對作物產(chǎn)量增加的反映。研究結(jié)果表明，水稻、小麥、玉米的農(nóng)學(xué)效率均表現(xiàn)為氮肥＞磷肥＞鉀肥，1 kg氮肥可分別增產(chǎn)11.3、11.1、10.1 kg的水稻、小麥或玉米，1 kg磷肥可增產(chǎn)7～10 kg，1 kg鉀肥大約可增產(chǎn)5～8 kg。

從圖5來看，氮肥利用率分布范圍比較寬，水稻、小麥、玉米主要分布在 20%～40%、15%～65%、20%～ 50% 之間。磷肥利用率較低且分布范圍較集中，多在 5%～20% 之間；北方水稻磷肥利用率范圍較寬，在10%～40%。水稻、小麥鉀肥利用率主要集中在10%～40% 之間；玉米分布范圍普遍高于前兩者，多分布在20%～60% 之間。

圖5 水稻、小麥、玉米氮磷鉀肥利用率分布圖Fig. 5 Distributions of N, P and K use efficiencies of rice, wheat and maize

3 討論與結(jié)論

化肥利用效率問題一直以來受到學(xué)者們高度關(guān)注。目前，國內(nèi)外評價(jià)作物氮肥利用效率的指標(biāo)有多種，概括起來可分為兩類：氮吸收效率和氮利用效率(或氮生產(chǎn)效率)[19-20]。氮吸收效率是指供應(yīng)單位有效氮植物所能吸收的氮量，如氮肥利用率。氮利用效率是指單位植株地上部吸氮量所產(chǎn)生的生物學(xué)產(chǎn)量或經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量[21]，如氮肥農(nóng)學(xué)效率和生理效率。表10可以看出，我國水稻、小麥、玉米氮肥利用率分別為27.3%、38.2% 和 31.0%，與張福鎖等[4]2001—2005年全國糧食主產(chǎn)區(qū)進(jìn)行的 1 333個(gè)田間試驗(yàn)結(jié)果相比，水稻和玉米氮肥利用率比較接近，分別為28.3%和26.1%，而本文小麥氮肥利用率高于其10個(gè)百分點(diǎn)。由于肥料利用率受施肥量、施肥方式、土壤條件、氣候條件等多種因素影響，因而不同研究存在一定的差異，但總體可以看出本文試驗(yàn)結(jié)果基本反映了當(dāng)時(shí)我國的肥料利用率狀況。

表10 不同國家(地區(qū))氮肥利用效率比較Table 10 Comparison of nitrogen fertilizer use efficiencies in different countries and regions

將本文氮肥利用率的研究結(jié)果與同期世界不同國家或地區(qū)的結(jié)果進(jìn)行比較(表10)，可以發(fā)現(xiàn)，我國谷物氮肥利用率低于同期世界平均水平[22]，水稻、小麥和玉米均低20%～30% 左右，與南亞及東南亞[23]、西非[24]、印度[25]和美國[26-27]相比也相差近10%。三大作物氮肥農(nóng)學(xué)效率與世界平均水平相比均低10% 左右?？梢姡彤?dāng)時(shí)的施肥條件和管理水平下，我國的氮肥利用率和農(nóng)學(xué)效率均不高。

有學(xué)者將氮肥施用量分成3級，150～250 kg/hm2為適中，＜150 kg/hm2為不足，＞250 kg/hm2為超量[4]。依此分級，本文調(diào)查的一萬多個(gè)地塊中，水稻、小麥和玉米氮肥用量適中的分別占60%、35% 和47%，超量的為23%、25%、43%，用量不足的分別為17%、40% 和 10%。說明在當(dāng)時(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和產(chǎn)量水平下，氮肥過量施用占相當(dāng)大比例，約占25%～40%，施用不足的也有10%～25%。朱兆良和金繼運(yùn)[28]收集了世界范圍內(nèi)水稻、小麥、玉米施氮量研究結(jié)果，分別為113、117和102 kg/hm2，本文所得結(jié)果為193.5、165.3、186.8 kg/hm2，與之相比，可以發(fā)現(xiàn)我國施氮量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于世界平均水平。

從我國氮肥利用效率和施氮量與世界的比較結(jié)果可以總結(jié)得出，中國糧食生產(chǎn)高投入并沒有實(shí)現(xiàn)高利用效率。按照報(bào)酬遞減規(guī)律，當(dāng)施肥量達(dá)到一定水平時(shí)，隨著施肥量的增加，農(nóng)學(xué)效率必然下降。這說明我國大部分農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)已經(jīng)處于高投入高產(chǎn)出的高度集約化條件下，進(jìn)一步提高肥料利用效率對我國種植業(yè)可持續(xù)發(fā)展非常重要，也具有相當(dāng)難度[28]。徐振華等[1]研究提出以增產(chǎn)帶增效觀點(diǎn)，即在不增加投入的情況下，優(yōu)化栽培管理技術(shù)，增加作物產(chǎn)量是提高化肥利用效率的重要途徑。

農(nóng)田過量施肥導(dǎo)致了主要糧食作物肥料利用效率下降，造成農(nóng)業(yè)面源污染，影響農(nóng)業(yè)增產(chǎn)和農(nóng)民增收。而肥料用量不足不能保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，將會嚴(yán)重?fù)p害土壤的長期生產(chǎn)能力，使得高效率的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)難以為繼。因此，亟需優(yōu)化施肥量，提高肥料利用率，保障糧食等主要農(nóng)產(chǎn)品有效供給。針對當(dāng)前普遍存在的化肥過量施用和利用效率不高的問題，2015年農(nóng)業(yè)部制訂發(fā)布《到2020 年化肥使用量零增長行動(dòng)方案》，將化肥減量增效作為當(dāng)前農(nóng)戶施肥調(diào)控政策的首要目標(biāo)，這是政府積極探索產(chǎn)出高效、資源節(jié)約、環(huán)境友好的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展之路的重要舉措，對引導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)施肥具有重要的政策引領(lǐng)作用。

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