彭顯龍，王偉，周娜，劉海洋，李鵬飛，劉智蕾，于彩蓮,2

（1東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030；2哈爾濱理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150040）

0 引言

【研究意義】中國(guó)是世界第二水稻生產(chǎn)國(guó)，常年種植面積達(dá)3 000萬(wàn)公頃左右，約占世界水稻種植面積的 20%[1]。我國(guó)水稻種植區(qū)域大，北起黑龍江，南至海南島均有分布。由于南北方氣候和土壤條件的差異，我國(guó)水稻生產(chǎn)上肥料用量也具有明顯的區(qū)域差異。例如，南方一季稻區(qū)江蘇省是我國(guó)稻田氮肥用量最高的省份（純N 314 kg·hm-2），北方稻區(qū)黑龍江則是我國(guó)稻田氮肥用量最低的省份（純 N 約 150 kg·hm-2）[2]。2014年，我國(guó)提出了到2020年化肥零增長(zhǎng)的目標(biāo)，減少化肥用量已經(jīng)成為我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主旋律。作為全國(guó)施肥量最低的省份，黑龍江水稻施肥是不足還是過(guò)量是研究者關(guān)心的問(wèn)題?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】1970—2014年，中國(guó)化肥用量從3.5×109kg增加到59.9×109kg，增幅1 608%，同期糧食產(chǎn)量從2.4×1011kg增加到6.1×1011kg，增幅153%[3]，化肥增幅遠(yuǎn)超過(guò)糧食增幅，存在化肥施用過(guò)量的現(xiàn)象。陳琦對(duì)江蘇省735戶農(nóng)戶進(jìn)行調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，約有32%的農(nóng)戶存在施氮過(guò)量的問(wèn)題[4]，導(dǎo)致氮肥偏生產(chǎn)力偏低；彭顯龍等研究發(fā)現(xiàn)，黑龍江近60%的稻田氮素用量過(guò)高，稻田氮素有17.2%的盈余[5-6]，具一定的節(jié)氮潛力。然而，巨曉棠在分析全國(guó)主要作物氮肥施用情況時(shí)指出，黑龍江水稻生產(chǎn)中施氮量不足，水稻高產(chǎn)是以消耗地力為代價(jià)[7]。同時(shí)，黑龍江稻田磷、鉀肥用量是不足還是過(guò)量研究結(jié)論也不一致，有人認(rèn)為磷肥用量適當(dāng)，而鉀肥用量過(guò)高[8]，也有人認(rèn)為當(dāng)前農(nóng)戶磷肥用量過(guò)高，鉀肥用量無(wú)需調(diào)整[9]?？梢?，黑龍江稻田氮磷鉀肥是過(guò)量還是不足仍存在爭(zhēng)議。國(guó)內(nèi)外在推薦氮磷鉀肥施用方面開展了許多研究，并提出了一些沿用至今的推薦施肥方法，如地力分級(jí)法、目標(biāo)產(chǎn)量法、肥料效應(yīng)函數(shù)法等[10]。然而，在稻田氮肥推薦中，缺乏能夠反映土壤供氮能力的指標(biāo)。巨曉棠認(rèn)為，在一定條件下稻田適宜施氮量就等于收獲帶走的氮[7]。而對(duì)于磷、鉀肥的推薦，國(guó)際普遍應(yīng)用衡量監(jiān)控方法 。【本研究切入點(diǎn)】目前在黑龍江稻作區(qū)缺乏應(yīng)用上述方法估算稻田適宜施肥量的研究。為此，本文調(diào)查分析了黑龍江農(nóng)戶施肥中存在的主要問(wèn)題，并利用多年試驗(yàn)獲得的100 kg籽粒養(yǎng)分吸收量的數(shù)據(jù)，結(jié)合黑龍江稻田土壤氮、磷、鉀營(yíng)養(yǎng)狀況的分析，確定黑龍江稻田氮、磷、鉀適宜用量?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以期明確黑龍江省稻田節(jié)肥潛力，為水稻合理施肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 地區(qū)概況

黑龍江省地處東經(jīng)121°11′—135°05′，北緯43°26′—53°33′的高緯度寒冷地區(qū)，屬大陸性季風(fēng)氣候，年降雨量400—650 mm，水稻生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)為1 150—1350 h，晝夜溫差約為11 ℃。黑龍江省第一至四積溫帶的廣大稻區(qū)，抽穗后 40 d內(nèi)平均氣溫19—22 ℃，此溫度有利于優(yōu)質(zhì)稻米生產(chǎn)。黑龍江稻區(qū)土質(zhì)肥沃，水資源豐富，冬季結(jié)凍休耕時(shí)間長(zhǎng)，病蟲害發(fā)生低。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

2005、2008、2015年，在黑龍江水稻主產(chǎn)區(qū)進(jìn)行了施肥調(diào)研。2005年調(diào)查區(qū)域?yàn)槲宄?、方正、木蘭、寧安、慶安、鐵力、尚志、阿城；2008年調(diào)查區(qū)域?yàn)槊苌健⒒⒘?、慶安、五常、寧安、方正、蘿北、樺川、富錦和尚志；2015年調(diào)查區(qū)域?yàn)槲宄?、方正、寧安、虎林和慶安。每個(gè)調(diào)研點(diǎn)隨機(jī)選擇一個(gè)鄉(xiāng)，每個(gè)鄉(xiāng)隨機(jī)選擇2或者3個(gè)村，每村調(diào)查10戶。2005、2008和2015年調(diào)查問(wèn)卷分別為240、248和150份。土壤磷和鉀養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)自黑龍江省測(cè)土配方施肥數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量分別為88 183和88 260。2004—2016年黑龍江省水稻種植面積、產(chǎn)量數(shù)據(jù)源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》。

1.3 地力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

土壤有效磷豐缺指標(biāo)如下[12]，低：0—10 mg·kg-1，中：10—20 mg·kg-1，高：20—35 mg·kg-1，極高：＞35 mg·kg-1；土壤有效鉀的豐缺指標(biāo)如下[12]，低：0—75 mg·kg-1，中：75—100 mg·kg-1，高：100—150 mg·kg-1，極高：＞150 mg·kg-1。

1.4 施肥量估算

在氮素管理比較合理的情況下，稻田的氣態(tài)氮損失量和除肥料以外其他來(lái)源的氮量大致相等。因此，為了減少環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)并維持土壤肥力，理論施氮量等于作物收獲時(shí)帶走的養(yǎng)分量，即理論施氮量=產(chǎn)量/100×100 kg籽粒氮素養(yǎng)分需求量[7]。2014—2016年黑龍江水稻產(chǎn)量平均為7 017 kg·hm-2，本文以產(chǎn)量提高5%為目標(biāo)產(chǎn)量（7 500 kg·hm-2），來(lái)計(jì)算N、P2O5、K2O推薦用量。

磷鉀肥根據(jù)衡量監(jiān)控法確定用量[11]，當(dāng)土壤肥力中等時(shí)，施肥量等于水稻收獲帶走養(yǎng)分量，校正系數(shù)為1.0；當(dāng)土壤肥力較高時(shí)，施肥量可以低于養(yǎng)分帶走量，校正系數(shù)為0.5—0.75；相反則高于帶走量（詳見表 1）。根據(jù)課題組多年多點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，黑龍江省100 kg水稻籽粒需氮（N）平均為1.4 kg、磷（P2O5）0.7 kg、鉀（K2O）1.6 kg，本文計(jì)算攜出量以此為依據(jù)。水稻吸收的鉀30%存在于籽粒中，70%以上存在于莖稈中[13]。由于北方水稻主產(chǎn)區(qū)仍然有約10%的秸稈被移除，作為燃料[14]。因此，水稻收獲時(shí)帶走的鉀約為 40%，60%以上的鉀都?xì)w還土壤，本文以此為依據(jù)計(jì)算鉀攜出量。即施鉀量=鉀攜出量=產(chǎn)量/100×100 kg籽粒養(yǎng)分需鉀量×0.4×校正系數(shù)。秸稈中的鉀離子容易利用，而氮磷有效性與秸稈腐解有關(guān)，由于北方稻田秸稈腐解較慢，在計(jì)算氮磷用量時(shí)秸稈歸還的氮磷暫不考慮。

表1 磷鉀合理施肥標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Rational fertilization standards for phosphorus and potassium

1.5 高產(chǎn)高效定義

計(jì)算適宜施肥量時(shí)，以7 500 kg·hm-2為目標(biāo)產(chǎn)量，當(dāng)農(nóng)戶產(chǎn)量高于此產(chǎn)量定義為高產(chǎn)，反之為低產(chǎn)；此產(chǎn)量水平下對(duì)應(yīng)的適宜N、P2O5和K2O用量分別為105、41.6和35.9 kg·hm-2（磷鉀肥推薦用量是根據(jù)各級(jí)養(yǎng)分所占比例計(jì)算加權(quán)平均數(shù)得出），與之相對(duì)應(yīng)的肥料偏生產(chǎn)力（PFP）分別為71、180和209 kg·kg-1。農(nóng)戶施肥的PFP高于上述對(duì)應(yīng)值為養(yǎng)分高效，反之為養(yǎng)分低效。農(nóng)戶產(chǎn)量和氮效率分別高于 7 500 kg·hm-2和 71 kg·kg-1時(shí)，為高產(chǎn)氮高效區(qū)，都低于此值為低產(chǎn)氮低效區(qū)，產(chǎn)量高而效率低的為高產(chǎn)氮低效區(qū)，其他為低產(chǎn)氮高效區(qū)。磷鉀同樣也劃分4個(gè)區(qū)域。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

全省施磷、鉀量（萬(wàn)t）= ∑[土壤各肥力水平所占比例×全省水稻種植總面積（萬(wàn)hm2）×各肥力水平推薦施磷、鉀量（kg·hm-2）/1000]。

采用 Microsoft Excel 2010及Origin 2019軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、圖表處理。

2 結(jié)果

2.1 黑龍江水稻生產(chǎn)現(xiàn)狀

2004—2016年，黑龍江水稻種植面積呈增加趨勢(shì)（圖1-a），由159萬(wàn)公頃（2004）增長(zhǎng)到320萬(wàn)公頃（2016）左右。截止到2016年，黑龍江省水稻種植面積占全國(guó)水稻總面積的10.61%，位列全國(guó)水稻種植省份第一，但水稻單產(chǎn)一直徘徊在7 000 kg·hm-2左右。由課題組調(diào)研數(shù)據(jù)可知（圖1-b），2005、2008和2015年，黑龍江水稻平均產(chǎn)量分別為6 427、7 593和7 142 kg·hm-2，3 年平均產(chǎn)量為 7 104 kg·hm-2，與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相近。黑龍江省農(nóng)戶間產(chǎn)量差異較大，高低相差近 5 000 kg·hm-2。

圖1 2004—2016年黑龍江水稻種植面積及單產(chǎn)（a）和農(nóng)戶調(diào)研水稻產(chǎn)量（b）Fig. 1 Rice transplanting area, yield in Heilongjiang Province from 2004 to 2016 (a) and survey of farmers rice yield (b)

2.2 黑龍江稻田土壤的肥力狀況

據(jù)黑龍江省多年的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)（表 2），黑龍江省稻田土壤速效磷和速效鉀的含量平均約為 26 和138 mg·kg-1。土壤速效磷的變異系數(shù)超過(guò)了40%，土壤肥力差異較大。70%以上的樣品土壤速效磷、速效鉀含量處于較高水平，含量豐富。

表2 黑龍江稻田土壤磷鉀養(yǎng)分Table 2 Soil available P and K of Paddy Rice in Heilongjiang

2.3 黑龍江水稻施肥現(xiàn)狀

農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù)顯示（圖 2），年際間肥料平均用量稍有差異，氮磷的年際間變異較小，鉀肥用量差異稍大。2008年平均K2O用量為60.5 kg·hm-2，顯著高于其他兩年。黑龍江省稻田純 N用量平均約為 141 kg·hm-2，但是高低相差約 300 kg·hm-2，農(nóng)戶施氮變異較大。對(duì)應(yīng)的 P2O5和 K2O用量分別為 56.6和 51.6 kg·hm-2，變異也較大，農(nóng)戶盲目施肥問(wèn)題突出。

圖2 黑龍江省農(nóng)戶施用氮磷鉀量Fig. 2 Application of N, P2O5 and K2O from farmers of Heilongjiang Province

2.4 黑龍江稻田節(jié)肥潛力分析

按目標(biāo)產(chǎn)量7 500 kg·hm-2計(jì)算，純N用量只要105 kg·hm-2就能滿足水稻生長(zhǎng)需要，與全省平均氮肥用量相比，可節(jié)約 26%的氮肥，可將氮肥偏生產(chǎn)力由 53 kg·kg-1提高至71 kg·kg-1（表 3）。所有調(diào)研農(nóng)戶中，只有約20%的農(nóng)戶實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)高效（圖3-a），約有70%的農(nóng)戶氮效率較低，其中處于低產(chǎn)低效水平的農(nóng)戶約占總體的30%，節(jié)肥潛力最大。

表3 水稻減肥潛力及化肥偏生產(chǎn)力Table 3 Fertilizer reduction potential and fertilizer partial productivity of rice

按照磷鉀衡量監(jiān)控方法估算的P2O5和K2O用量分別為41.6 和35.9 kg·hm-2，約有30%的節(jié)肥潛力（表3）。所有調(diào)研農(nóng)戶中，8.8%的農(nóng)戶不施磷肥，13.8%的農(nóng)戶不施鉀肥。在所有農(nóng)戶中，具有節(jié)磷和節(jié)鉀潛力的農(nóng)戶約占總體的68%和72%（圖3-b、3-c），其中低產(chǎn)低效的農(nóng)戶約占總體的30%。約有13%—14%的農(nóng)戶處于低產(chǎn)高效區(qū)（圖 3-b），具有較大的增產(chǎn)潛力。

圖3 農(nóng)戶氮（a）磷（b）鉀（c）肥偏生產(chǎn)力與水稻產(chǎn)量關(guān)系Fig. 3 Relationship between partial productivity of nitrogen (a), phosphorus (b) and potassium (c) fertilizer and rice yield of farmers

3 討論

氮是作物產(chǎn)量的主要限制因子，施氮是提高水稻產(chǎn)量最重要的措施。我國(guó)水稻生產(chǎn)中氮肥用量高和施用時(shí)期不合適的問(wèn)題比較突出，產(chǎn)生了較大的環(huán)境問(wèn)題[15]。本文研究發(fā)現(xiàn)，黑龍江稻區(qū)僅有約20%的農(nóng)戶施肥比較合理，實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)氮高效。大部分農(nóng)戶施氮不合理。因此，如何準(zhǔn)確確定氮肥的適宜用量，成為研究者關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題。巨曉棠總結(jié)了國(guó)內(nèi)外確定適宜施氮量的方法，認(rèn)為理論適宜施氮量是水稻 100 kg籽粒吸氮量和目標(biāo)產(chǎn)量的積，前提是應(yīng)維持除肥料外的氮素的輸入與氮素?fù)p失基本平衡[7]。已有研究發(fā)現(xiàn)，黑龍江稻田氮素?fù)p失量與除肥料外其他來(lái)源的氮量大致相等[16]。因此，用該方法確定理論適宜施氮量是合理的。巨曉棠在計(jì)算黑龍江水稻理論施N量時(shí)采用了100 kg籽粒需氮量為2.4 kg這一全國(guó)平均參數(shù)。通過(guò)計(jì)算，黑龍江純N用量約為180 kg·hm-2[7]。但是，本課題組近20年的試驗(yàn)證實(shí)，寒地水稻籽粒的含氮量只有1%左右，而莖稈的含氮量約為0.55%，均顯著低于全國(guó)平均水平。因此，100 kg籽粒需氮量只有1.4 kg左右。本文中用這一參數(shù)重新計(jì)算的理論純N用量為105 kg·hm-2，這一用量與武良等研究結(jié)論相似[17]。與當(dāng)前全省平均施N量相比，氮肥平均用量可節(jié)約26%（表 3）。已有研究證實(shí)，應(yīng)用此施肥量不僅可以滿足水稻生長(zhǎng)需求，還可以獲得高產(chǎn)，并使氮肥利用率提高到50%左右[16,18]。

土壤磷素含量變化反映了磷肥施入和帶走的平衡狀況，當(dāng)施磷量高于水稻收獲帶走磷量則土壤磷積累。2005—2006年調(diào)查發(fā)現(xiàn)，黑龍江稻田速效磷平均為24.5 mg·kg-1[12]。與上述數(shù)據(jù)相比，當(dāng)前黑龍江稻田速效磷含量有增加趨勢(shì)（表 2），這從側(cè)面說(shuō)明黑龍江稻田施磷量仍然高于水稻收獲帶走的磷，磷肥施用量過(guò)高。本文中磷肥平均用量與劉海濤等的研究結(jié)果相近[19]。但是，磷肥用量顯著低于吳良泉等的研究結(jié)果[8]。磷肥用量不但與土壤養(yǎng)分含量有關(guān)，還受目標(biāo)產(chǎn)量的影響，目標(biāo)產(chǎn)量越高磷肥用量越大。本文中水稻目標(biāo)產(chǎn)量是7 500 kg·hm-2，而吳良泉等的目標(biāo)產(chǎn)量約為9 000 kg·hm-2。這是兩者磷肥用量差異較大的原因。根據(jù)目前土壤磷素狀況和水稻產(chǎn)量水平，黑龍江稻田磷肥過(guò)量的農(nóng)戶占70%以上，這些農(nóng)戶的磷肥生產(chǎn)效率較低，是減肥的主體。同時(shí)也有約 8%的農(nóng)戶磷肥用量不足，需要適當(dāng)增施磷肥（圖 3-b），只有不到20%的農(nóng)戶磷肥施用量適宜，達(dá)到了磷肥的高產(chǎn)高效。本文提出的減肥幅度是基于土壤磷素狀況而言，在未來(lái)的3—5年內(nèi)可以應(yīng)用這一策略，此后則需要依據(jù)土壤養(yǎng)分狀況和水稻產(chǎn)量目標(biāo)重新評(píng)估稻田施磷。

土壤鉀素含量高低也決定于土壤鉀素輸入輸出平衡狀況，當(dāng)輸出的鉀量高于施入的鉀時(shí)，土壤速效鉀含量就會(huì)降低。由于作物秸稈中鉀的含量較高，在計(jì)算鉀素輸入輸出平衡時(shí)必須要考慮秸稈歸還的鉀。20世紀(jì)80年代缺乏燃料，農(nóng)戶將秸稈從田間移出，多數(shù)做為柴薪使用，稻田中無(wú)秸稈殘留。在未考慮秸稈鉀素歸還時(shí)，多數(shù)研究認(rèn)為黑龍江鉀素投入不足[20-25]。與20世紀(jì)80年代相比，如今作物產(chǎn)量增加一倍，秸稈還田后移出鉀量減少，如再按上述方法估算鉀攜出量就不符合實(shí)際情況。在考慮秸稈鉀素投入的情況下，本文試驗(yàn)結(jié)果顯示黑龍江稻田具有一定的節(jié)鉀潛力（表 3）。不同年度土壤速效鉀含量變化顯示，2005年寒地稻田土壤速效鉀平均含量為127 mg·kg-1[12]。目前，黑龍江稻田土壤速效鉀平均含量為138 mg·kg-1。土壤速效鉀含量提高表明，鉀歸還數(shù)量大于作物收獲帶走的量，這也證實(shí)了鉀肥施入過(guò)量。秸稈還田條件下，鉀肥較常規(guī)施肥減量30%對(duì)水稻產(chǎn)量無(wú)顯著影響，鉀肥偏生產(chǎn)力可提高約35%[26]?？梢?，黑龍江稻田具有減鉀潛力。

4 結(jié)論

目前，黑龍江稻田土壤速效磷和速效鉀的平均含量約為 26 mg·kg-1和 138 mg·kg-1，70%以上的樣品土壤速效磷、速效鉀處于較高水平，含量豐富。黑龍江稻田N、P2O5和K2O習(xí)慣用量分別為141、56.6和51.6 kg·hm-2，農(nóng)戶施肥差異大，盲目施肥問(wèn)題突出。達(dá)到7 500 kg·hm-2的產(chǎn)量，N、P2O5和K2O的用量只需要105、41.6和35.9 kg·hm-2，氮、磷和鉀肥用量可減少 26%—30%。黑龍江只有約 20%農(nóng)戶達(dá)到了高產(chǎn)高效，70%的農(nóng)戶處于低效水平。作為全國(guó)水稻施肥量最低的省份，黑龍江具有較大的節(jié)肥潛力。