都江雪，韓天富，曲瀟林，馬常寶，柳開(kāi)樓,3，黃 晶,4，申 哲，張 璐,4，劉立生,4，謝建華，張會(huì)民,4*

（1 中國(guó)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/耕地培育技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)保護(hù)中心，北京 100125；3 江西省紅壤研究所/國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，南昌 330046；4 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院祁陽(yáng)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外試驗(yàn)站，湖南祁陽(yáng) 426182）

磷是作物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素，也是土壤肥力和質(zhì)量的主要指標(biāo)。磷肥投入是提高土壤供磷能力和作物產(chǎn)量的主要措施，20世紀(jì)中期化肥磷的使用迅速增加，但由于作物對(duì)磷的利用率低于25%，導(dǎo)致磷素大量累積在土壤中，尤其是在旱地土壤中[1–2]。土壤中積累的磷一部分被水體侵蝕緩慢釋放到環(huán)境中，造成地下水污染等嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[3–4]，85%以上累積的磷素通過(guò)化學(xué)反應(yīng)、物理吸附和生物過(guò)程固定在土壤中，造成土壤肥力下降[5]。因此，制定可持續(xù)磷肥施用策略以緩解全國(guó)磷肥累積帶來(lái)的土壤壓力對(duì)糧食生產(chǎn)和安全至關(guān)重要[6–7]。

小麥、玉米和水稻作為中國(guó)主要的糧食作物，由于地域分布廣泛，不同區(qū)域之間磷肥施用量差異較大，且時(shí)間尺度上也出現(xiàn)一定的增施磷肥的盲目性，造成資源浪費(fèi)等問(wèn)題，嚴(yán)重影響農(nóng)田的可持續(xù)性。作為衡量土壤磷素輸入輸出和磷肥產(chǎn)量效應(yīng)的重要指標(biāo)和直接手段[8–9]，土壤磷平衡和磷肥偏生產(chǎn)力的現(xiàn)狀和區(qū)域差異等方面已開(kāi)展了許多研究，張福鎖等[10]收集了全國(guó)11個(gè)省市在2001—2005年的施磷量及產(chǎn)量數(shù)據(jù)用以描述三大糧食作物的磷肥利用率，結(jié)果表明水稻、玉米和小麥的磷肥偏生產(chǎn)力分別為98.9、63.7和72.4 kg/kg，且由于施磷過(guò)量及忽略土壤養(yǎng)分資源利用等問(wèn)題，造成農(nóng)民習(xí)慣施肥措施下肥料利用率逐漸降低。李紅莉等[11]的研究結(jié)果表明，與2000年相比，2007年小麥和水稻的磷肥施用量分別減少了13.5%和17.7%，玉米增加了8.8%；相應(yīng)地，小麥和水稻磷肥偏生產(chǎn)力因施磷量的降低和水稻新型主產(chǎn)區(qū)偏生產(chǎn)力的升高而升高。陳新平等[12]對(duì)三大糧食作物的測(cè)土配方施肥的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理分析，通過(guò)計(jì)算磷肥施用量和作物攜出量，結(jié)合各區(qū)域作物生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，給出了各區(qū)域小麥、玉米和水稻季的適宜磷肥施入量及磷肥管理意見(jiàn)。他們將全國(guó)小麥主產(chǎn)區(qū)劃分為東北、華北、長(zhǎng)江中游、西南和西北等5個(gè)區(qū)域，磷肥推薦施用量范圍為55～88 kg/hm2，且小麥季施磷策略以加強(qiáng)宏觀調(diào)控并指導(dǎo)磷肥的合理使用為主；玉米主產(chǎn)區(qū)分為東北、華北、西南和西北等4個(gè)區(qū)域，磷肥推薦施用量范圍為46～123 kg/hm2，與農(nóng)民習(xí)慣性施肥相比，玉米季平均需增加磷肥用量8 kg/hm2；水稻主產(chǎn)區(qū)分為東北、長(zhǎng)江上游、長(zhǎng)江中游、長(zhǎng)江下游、江南、華南和西南等7個(gè)區(qū)域，磷肥推薦施用量范圍為59～84 kg/hm2，除長(zhǎng)江中上游可適當(dāng)增加施磷量外，其他地區(qū)以平衡施磷(施用量等于作物攜出量)為主。

目前，相關(guān)研究大多集中在部分省市區(qū)域，并不能涵蓋全國(guó)，且時(shí)間跨度大多較窄。近30年來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，尤其是種植結(jié)構(gòu)和施肥措施的優(yōu)化，在反映農(nóng)民真實(shí)習(xí)慣性施肥模式下，旱地及水旱輪作區(qū)磷肥偏生產(chǎn)力的變化以及土壤磷平衡主要影響因素的研究相對(duì)較少，各區(qū)域磷肥偏生產(chǎn)力的時(shí)間變化特征及空間差異還不明確。此外，不同土地利用方式下土壤磷素有效性及累積存在顯著差異，目前的研究并沒(méi)有將旱地、水旱輪作和水田等分開(kāi)進(jìn)行歸納總結(jié)。本研究基于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部自1988年開(kāi)始在全國(guó)主要旱地及水旱輪作區(qū)布置的國(guó)家級(jí)耕地質(zhì)量長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在農(nóng)民普遍習(xí)慣性施肥模式下，探究全國(guó)尺度旱地和水旱輪作區(qū)主要糧食作物磷肥施用量和磷肥偏生產(chǎn)力的時(shí)空演變規(guī)律和區(qū)域差異特征，并闡明各區(qū)域磷素盈余量和磷肥偏生產(chǎn)力的主要驅(qū)動(dòng)因素，為全面指導(dǎo)旱地和水旱輪作區(qū)農(nóng)田合理施磷及保障作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

自1988年以來(lái)，在充分考慮我國(guó)旱地和水旱輪作的糧食主產(chǎn)區(qū)結(jié)構(gòu)分布的基礎(chǔ)上，結(jié)合氣候和土壤類(lèi)型等因素，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在全國(guó)旱地及水旱輪作區(qū)極具代表性的田塊上設(shè)置了監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，共計(jì)829個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并劃分為東北[黑龍江(89)，吉林(55)，遼寧(46)]、華北[北京(5)、河北(120)、河南(66)、陜西(20)、山西(56)、山東(66)和天津(3)]、長(zhǎng)江中游[湖南(6)和湖北(24)]、長(zhǎng)江三角洲[簡(jiǎn)稱(chēng)“長(zhǎng)三角”，江蘇(68)、安徽(31)、浙江(1)和上海(3)]、西南[四川(30)、云南(15)、貴州(20)和重慶(4)]和西北[甘肅(33)、寧夏(14)、新疆(14)、內(nèi)蒙古(38)和西藏(2)] 6個(gè)區(qū)域，括號(hào)內(nèi)為各省(市、自治區(qū))樣點(diǎn)數(shù)。其中，考慮到種植制度、氣候類(lèi)型和點(diǎn)位分布等因素，將陜西和西藏分別劃分在華北區(qū)和西北區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計(jì)分析

監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括每年小麥、玉米和水稻成熟期，施肥區(qū)和不施肥區(qū)作物產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量、磷肥施用量、土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量。作物產(chǎn)量采用實(shí)收脫粒測(cè)產(chǎn)。秸稈產(chǎn)量根據(jù)小樣本進(jìn)行籽粒與秸稈生物量比的考種數(shù)據(jù)換算。土壤樣品統(tǒng)一在每季作物收獲之后進(jìn)行采集，混勻后風(fēng)干研磨過(guò) 2 mm 篩后，按照土水比1∶2.5測(cè)定土壤pH，樣品過(guò)0.15 mm篩后采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量[13]。小麥、玉米和水稻的籽粒含磷量分別為8.50、9.80和6.20 g/kg，秸稈含磷量分別為 1.63、3.05 和 2.73 g/kg[14]。結(jié)合產(chǎn)量和磷肥施用量計(jì)算磷素累積盈虧量(或磷平衡)和磷肥偏生產(chǎn)力(磷肥施用量和磷素盈余量均以P2O5計(jì))，具體計(jì)算公式如下[11,15]：

磷肥偏生產(chǎn)力(kg/kg)=施肥區(qū)作物籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)/磷肥施用量(kg/hm2)

土壤磷素盈虧量(kg/hm2)=當(dāng)季施用磷總量(kg/hm2)–當(dāng)季作物(籽粒+秸稈)吸磷量(kg/hm2)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用 Excel 2019 整理，采用 SigmaPlot 14.0 軟件進(jìn)行繪圖和擬合，運(yùn)用 SPSS 19統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行單因素方差分析及差異顯著性檢驗(yàn)。使用“R 4.0.0”中“隨機(jī)森林 (random forest)”軟件包分析各因素對(duì)磷素盈余量和磷肥偏生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)度。為避免個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)位差異對(duì)土壤磷肥偏生產(chǎn)力和土壤磷素盈虧量變化規(guī)律造成影響，本研究按照監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的施肥年限共劃分成6個(gè)階段，分別為1988—1992 年 (施肥 5 年)、1993—1997 年 (施肥 10 年)、1998—2002 年 (施肥 15 年)、2003—2007 年 (施肥 20年)、2008—2012 年 (施肥 25 年)和 2013—2019 年(施肥 32 年)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同作物磷肥施用量與土壤磷平衡的時(shí)間變化

近30年，全國(guó)旱地及水旱輪作區(qū)小麥、玉米和水稻季磷肥施用量平均分別為137.7、109.2和75.13 kg/hm2(圖1)。玉米和水稻季土壤年均磷素虧缺分別為2.67和0.87 kg/hm2，基本處于輸入與輸出平衡狀態(tài)，小麥季盈余量為78.49 kg/hm2，約占磷肥施用量的56.9%。在區(qū)域上，小麥季施磷量呈現(xiàn)南低北高的趨勢(shì)，其中以西北區(qū)最高，為213.7 kg/hm2，其次為華北區(qū)(159.4 kg/hm2)，長(zhǎng)江中游、長(zhǎng)三角和西南區(qū)施磷量較低，以長(zhǎng)江中游最低，為84.14 kg/hm2。磷素盈余量也呈現(xiàn)南低北高的趨勢(shì)，以西北區(qū)最高，為 157.9 kg/hm2，長(zhǎng)三角最低，為 30.40 kg/hm2，小麥季各區(qū)域磷盈余占施磷量的33.4%～73.9%。玉米季施磷量呈現(xiàn)西高東低的趨勢(shì)，其中以西北最高，為 184.0 kg/hm2，以長(zhǎng)三角最低，為 80.60 kg/hm2；東北、華北、長(zhǎng)三角玉米季的磷素虧損量分別為25.29、11.38 和 14.57 kg/hm2，占施磷量的 12.6%～24.5%，長(zhǎng)江中游、西南和西北玉米季呈現(xiàn)磷盈余狀態(tài)，其中以西北最高，為51.55 kg/hm2，占施磷量的28.0%；水旱輪作水稻種植區(qū)主要分布在長(zhǎng)江中游、長(zhǎng)三角和西南，施磷量為64.03～82.49 kg/hm2，長(zhǎng)江中游水稻季磷素盈余量為17.78 kg/hm2，占施磷量(82.49 kg/hm2)的21.6%，長(zhǎng)三角和西北水稻季以約–3.0 kg/hm2的速率呈現(xiàn)磷虧損狀態(tài)。

圖1 全國(guó)及各區(qū)域30年來(lái)磷肥施用量與磷素盈余量Fig. 1 Variation of phosphorous input and phosphorus surplus in soil during the past 30 years

2.2 不同區(qū)域磷肥偏生產(chǎn)力的時(shí)空變化

全國(guó)旱地及水旱輪作區(qū)小麥、玉米和水稻季磷肥偏生產(chǎn)力平均分別為61.99、130.1和158.9 kg/kg(圖2)。隨施肥年限的延長(zhǎng)，在前25年小麥和玉米季磷肥偏生產(chǎn)力均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，在2013—2019年間開(kāi)始出現(xiàn)下降。施肥5 年后(1988—1992年)，水稻季磷肥偏生產(chǎn)力平均為208.3 kg/kg，隨后出現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，并在1998—2002年達(dá)到最低，為109.6 kg/kg。全國(guó)范圍內(nèi)小麥季磷肥偏生產(chǎn)力呈現(xiàn)南高北低的趨勢(shì)，其中以長(zhǎng)三角最高，為81.37 kg/kg，西北最低，為 35.53 kg/kg (圖 3)。各區(qū)域玉米季的磷肥偏生產(chǎn)力顯著高于小麥季，且以華北最高，為 170.9 kg/kg，西北最低，為 76.06 kg/kg。在長(zhǎng)江中游、長(zhǎng)三角和西南地區(qū)水稻季磷肥偏生產(chǎn)力為 126.3～163.9 kg/kg。

圖2 全國(guó)主要糧食作物磷肥偏生產(chǎn)力的變化趨勢(shì)Fig. 2 Variation of partial factor productivity of phosphorous in major grain crops in China

圖3 各區(qū)域不同作物磷肥偏生產(chǎn)力Fig. 3 Partial factor productivity of phosphorous in different crop seasons relative to region

東北玉米季在1988—2012年間(施肥25年)磷肥偏生產(chǎn)力隨施肥年限的延長(zhǎng)逐漸升高 (y = 3.153 x +53.99，R2= 0.9389)，2013 年后磷肥偏生產(chǎn)力出現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)(圖4)。華北小麥季施肥25年期間磷肥偏生產(chǎn)力隨施肥年限的延長(zhǎng)逐漸升高，年均增速為2.09 kg/kg，2013年后磷肥偏生產(chǎn)力保持平穩(wěn)狀態(tài)。長(zhǎng)江中游小麥、玉米和水稻季磷肥偏生產(chǎn)力均隨施肥年限的延長(zhǎng)顯著增加，且在2013年后出現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)。施肥10年期間，長(zhǎng)三角小麥與水稻季磷肥偏生產(chǎn)力隨施肥年限的延長(zhǎng)逐漸降低，施肥10年后(1998年后)小麥、玉米和水稻季磷肥偏生產(chǎn)力均出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。近30年，西南小麥、玉米和水稻季磷肥偏生產(chǎn)力均隨施肥年限的延長(zhǎng)呈先降低后增加的趨勢(shì)，最低值分別出現(xiàn)在2003—2007年(小麥和玉米季)和1998—2002 (水稻季)，平均值分別為39.63、48.85和112.5 kg/kg。西北小麥和玉米季的磷肥偏生產(chǎn)力均隨施肥年限的延長(zhǎng)而顯著增加，年均分別增加 6.79 (R2= 0.9844，P < 0.001)和 12.99 kg/kg(R2= 0.9219，P < 0.001)。

圖4 不同區(qū)域主要糧食作物磷肥偏生產(chǎn)力 30 年變化趨勢(shì)Fig. 4 Variation of partial factor productivity of phosphorous in crops during the past 30 years relative to region

2.3 不同區(qū)域土壤磷素盈余量和磷肥偏生產(chǎn)力的主要驅(qū)動(dòng)因素

就全國(guó)而言，磷肥施用量對(duì)磷素盈余量和磷肥偏生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)最高，分別為49.1%～65.4%和4 2.9%～8 0.9%，其次為作物類(lèi)別(分別為14.7%～30.4%和12.2%～35.6%) (圖5)。其中，磷肥施用量對(duì)東北磷素盈余量和磷肥偏生產(chǎn)的貢獻(xiàn)最高，對(duì)長(zhǎng)三角磷肥偏生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)率最低，為42.9%；作物類(lèi)別對(duì)長(zhǎng)三角區(qū)磷肥的偏生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)比其他區(qū)域更大，其貢獻(xiàn)率為35.6%。各省份之間磷素盈余量和磷肥偏生產(chǎn)力存在顯著差異，除西南區(qū)外，土壤類(lèi)型也是影響其他區(qū)域磷素盈余量的重要因素，且西北磷盈余量和磷肥偏生產(chǎn)力受種植制度的影響，貢獻(xiàn)率分別為6.50%和10.4%。東北和華北磷素盈余量還受pH和有機(jī)質(zhì)含量的顯著影響。同時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)含量也是長(zhǎng)江中游磷素盈余與磷肥偏生產(chǎn)力的主要驅(qū)動(dòng)因素(貢獻(xiàn)率分別為12.3%和9.16%)。

圖5 各因素在磷素盈余量(A)與磷肥偏生產(chǎn)力(B)中的相對(duì)貢獻(xiàn)Fig. 5 Relative contribution of each factor on phosphorous surplus (A) and partial factor productivity of phosphorous (B) relative to region

2.4 不同區(qū)域土壤磷素盈余量與磷肥偏生產(chǎn)力對(duì)磷肥施用量的響應(yīng)

不同區(qū)域磷素盈余量均隨磷肥施用量的增加而顯著增加 ( P < 0.001 )，根據(jù)磷素盈余量與磷肥施用量的線性擬合方程 (圖6)可知，各區(qū)域小麥季維持磷素表觀平衡(即盈余量為 0)時(shí)，華北、長(zhǎng)江中游、長(zhǎng)三角、西南和西北磷肥施用量分別約為 64.42、37.59、60.11、35.22 和 53.55 kg/hm2；在玉米季維持磷素表觀平衡，東北、華北、長(zhǎng)江中游、長(zhǎng)三角、西南和西北磷肥施用量分別為129.5、109.2、83.85、95.37、80.09和131.9 kg/hm2；長(zhǎng)江中游、長(zhǎng)三角和西南水稻季維持磷素表觀平衡時(shí)磷肥施用量分別為62.12、79.35和67.30 kg/hm2。隨著磷素盈余量的增加，各區(qū)域作物磷肥偏生產(chǎn)力均下降，兩者呈指數(shù)關(guān)系 (P < 0.001) (圖 7)，磷肥偏生產(chǎn)力降低到一定幅度即處于相對(duì)穩(wěn)定水平，華北、長(zhǎng)江中游、長(zhǎng)三角、西南和西北小麥季磷肥偏生產(chǎn)力最低水平分別約為 22、17、0、18 和 0 kg/kg，東北、華北、長(zhǎng)江中游、長(zhǎng)三角、西南和西北玉米季磷肥偏生產(chǎn)力最低水平分別約為8、15、0、0、7和8 kg/kg，長(zhǎng)江中游、長(zhǎng)三角和西南水稻季磷肥偏生產(chǎn)力最低水平分別約為0、47和25 kg/kg?；诹追势a(chǎn)力與磷素盈余量之間的響應(yīng)關(guān)系，當(dāng)不同區(qū)域磷素處于平衡狀態(tài)(磷盈余量為 0)時(shí)，即磷肥施用較適宜情況下，華北、長(zhǎng)江中游、長(zhǎng)三角、西南和西北小麥季磷肥偏生產(chǎn)力分別為102.7、89.46、100.4、104.9和68.76 kg/kg，小麥磷肥偏生產(chǎn)力較30年平均值提高23.4%～93.5%；東北、華北、長(zhǎng)江中游、長(zhǎng)三角、西南和西北玉米季磷肥偏生產(chǎn)力分別為76.71、77.99、78.81、73.90、82.40 和 76.61 kg/kg，其中，長(zhǎng)江中游、西南和西北區(qū)玉米磷肥偏生產(chǎn)力與其30年平均值相比基本保持不變；長(zhǎng)江中游、長(zhǎng)三角和西南水稻磷肥偏生產(chǎn)力分別約為124.5、108.5和123.1 kg/kg，除長(zhǎng)江中游磷肥偏生產(chǎn)力可保持不變外，長(zhǎng)三角和西南水稻磷肥偏生產(chǎn)力降低約25%。

圖6 不同區(qū)域土壤磷素盈余量與磷肥施用量的關(guān)系Fig. 6 Relationship between phosphorus surplus and phosphorus application rate relative to region

圖7 不同區(qū)域磷肥偏生產(chǎn)力與土壤磷素盈余量的關(guān)系Fig. 7 Relationship between partial factor productivity of phosphorous and phosphorus surplus relative to region

3 討論

3.1 不同區(qū)域磷肥施用量和磷素盈余量空間差異分析

隨著工業(yè)化的推進(jìn)，化肥投入逐年升高，且存在明顯的地域差異[16]，我國(guó)各區(qū)域近30年磷肥施用量也呈顯著性差異。全國(guó)小麥季磷肥平均施用量為137.7 kg/hm2(圖 1)，磷素盈余量年均為 78.49 kg/hm2，占施磷量的56.9%，全國(guó)玉米和水稻季磷肥平均施用量分別為109.2和75.13 kg/hm2，基本處于磷素表觀平衡狀態(tài)。相對(duì)于小麥而言，玉米籽粒和秸稈吸磷量均高于小麥[14]，導(dǎo)致更多的磷被植物吸收而帶走，水稻季平均施磷量?jī)H為小麥季的一半，磷肥施用量基本滿足水稻季作物生長(zhǎng)需求，可保持磷素平衡。

在區(qū)域上，西北小麥和玉米季磷肥施用量和磷素盈余量顯著高于其它區(qū)域，原因可能是土壤礦物對(duì)磷素的固持未達(dá)到飽和，導(dǎo)致所施用的磷肥大部分被固定在土壤中，磷素有效性較低，為滿足作物高產(chǎn)，增加磷肥施用量，相應(yīng)地增加了磷素盈余量[17–19]。西北玉米季磷肥施用量也顯著高于其他區(qū)域，且西北、西南和長(zhǎng)江中游玉米季磷素均呈盈余狀態(tài)，東北、華北和長(zhǎng)三角玉米季磷素則呈虧缺狀態(tài)，可能由于：1)除為滿足作物高產(chǎn)而增加磷肥投入并導(dǎo)致磷素盈余量較高外，西南和長(zhǎng)江中游區(qū)土壤中粘粒及金屬氧化物含量較高，增加了對(duì)磷素的吸附和固定，增加磷素盈余[20–21]；2)東北區(qū)旱地主要為一年一熟的玉米，磷肥施用量平均為103.2 kg/hm2，但70%以上的磷肥施用量低于90 kg/hm2，研究發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)磷肥施用量高于90 kg/hm2時(shí)，才能達(dá)到磷素輸出與輸入基本平衡[22]，所以東北玉米綜合表現(xiàn)為土壤磷素呈虧缺狀態(tài)；3)華北和長(zhǎng)三角區(qū)玉米季磷素虧缺的原因可能與較低的磷肥投入量密切相關(guān)，通過(guò)對(duì)比，華北和長(zhǎng)三角玉米季磷肥投入量平均分別為97.11和80.60 kg/hm2，顯著低于全國(guó)玉米季平均磷肥投入量(109.2 kg/hm2)，同時(shí)北京、天津等華北半干旱地區(qū)較高的磷素徑流損失[5]，以及在夏季玉米種植期間高溫高濕條件下較高的磷素遷移能力[23]也可能是導(dǎo)致磷素虧缺的原因。長(zhǎng)三角和西南水稻季磷素虧缺量約為3.0 kg/hm2，基本處于磷素輸入和輸出平衡狀態(tài)。盡管長(zhǎng)江中游水稻季磷肥施用量與長(zhǎng)三角和西南區(qū)的差異不大，但其磷素盈余量明顯較高，達(dá)到磷肥施用量的21.6%，主要原因可能是長(zhǎng)江中游水旱輪作區(qū)旱季小麥或玉米較高的磷素盈余量降低了水稻當(dāng)季的磷肥利用率。

3.2 不同區(qū)域磷肥偏生產(chǎn)力的時(shí)空變化特征及主要驅(qū)動(dòng)因素

想要同時(shí)實(shí)現(xiàn)各區(qū)域作物高產(chǎn)與肥料的高效利用，僅依靠“高投入高產(chǎn)出”已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的糧食需求，同時(shí)還會(huì)造成大量資源浪費(fèi)和環(huán)境污染等問(wèn)題，而基于作物產(chǎn)量計(jì)算的磷素盈余量和磷肥偏生產(chǎn)力是評(píng)價(jià)磷肥施用效應(yīng)最直接的手段[8]。所以，明確各區(qū)域磷素盈余量和磷肥偏生產(chǎn)力的時(shí)空變化特征以及主要驅(qū)動(dòng)因素，因地制宜地制定施磷策略才能在保證作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高土壤生產(chǎn)力的同時(shí)保護(hù)環(huán)境。從全國(guó)和各區(qū)域范圍來(lái)看，磷素盈余量和磷肥偏生產(chǎn)力主要受到磷肥施用量的影響，磷肥投入為作物直接提供生長(zhǎng)所需的磷素，提高作物產(chǎn)量，但只有10%～20%的磷肥能夠被作物吸收利用，80%～90%的磷肥以低磷有效性的形式固定在土壤，造成磷素盈余[24–25]。以華北為例，通過(guò)模擬土壤磷循環(huán)發(fā)現(xiàn)，為了追求更高的產(chǎn)量，小麥季施磷量超出全國(guó)平均施磷量的兩倍以上，顯著高于作物生長(zhǎng)需要，導(dǎo)致大量的磷在土壤中積累[26]。作物類(lèi)別也是影響各區(qū)域磷素盈余量和磷肥偏生產(chǎn)力的主要因素，不同作物對(duì)磷素的需求量不同，導(dǎo)致作物對(duì)磷素的吸收輸出量差異顯著[14]。從全國(guó)來(lái)看，水稻的磷肥偏生產(chǎn)力顯著高于玉米和小麥，一方面由于作物對(duì)磷素的吸收量不同導(dǎo)致，另一方面可能與磷肥偏生產(chǎn)力受土地利用類(lèi)型的強(qiáng)烈影響有關(guān)(圖5)。本研究涉及到旱地和水旱輪作兩種不同的土地利用方式，研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期水稻種植會(huì)造成土壤磷吸附劑(碳酸鈣、鐵鋁氧化物和粘土礦物等)的快速減少，減少土壤對(duì)磷素的固持，從而影響土壤磷素盈余和磷肥偏生產(chǎn)力[27]。施肥30年，旱地小麥和玉米季磷肥偏生產(chǎn)力均隨施肥年限的延長(zhǎng)而增加，在2013—2019年開(kāi)始出現(xiàn)穩(wěn)定，說(shuō)明小麥和玉米季磷肥投入對(duì)作物生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)可能已經(jīng)達(dá)到最高。水稻磷肥偏生產(chǎn)力在2002年后開(kāi)始出現(xiàn)回升，可能與水稻單位面積施磷量的減少有關(guān)[11]。

除磷肥施用量、作物類(lèi)別外，氣候和管理措施也會(huì)有所不同，不同區(qū)域受到其他理化性質(zhì)和管理措施(如土壤類(lèi)型、種植制度、pH和土壤有機(jī)碳等)的影響而出現(xiàn)差異。東北玉米季磷素盈余量受土壤類(lèi)型的顯著影響，不同土壤類(lèi)型下，發(fā)育形成的礦物類(lèi)型及含量差異較大，且在風(fēng)化程度一致的土壤中，pH通過(guò)改變土壤對(duì)磷素的吸附固定能力進(jìn)而影響磷肥對(duì)作物的有效性和磷素盈余量[28–29]。另外，pH作為控制礦物溶解的主要因素，同時(shí)控制著土壤顆粒與金屬氧化物對(duì)磷素的釋放和作物吸收等，進(jìn)而影響磷肥偏生產(chǎn)力[30–31]。西北地區(qū)因受水分限制，種植制度以一年一熟為主，部分地區(qū)為一年兩熟，近4年(2016—2019年)部分地區(qū)種植制度改為兩年三熟。由圖1可知，西北區(qū)作物當(dāng)季磷肥施用量和磷素盈余量均顯著高于其他地區(qū)，相應(yīng)地，不同種植制度之間，磷肥施用量的差異對(duì)土壤磷素盈余和磷肥偏生產(chǎn)力的影響高于其他區(qū)域，與西北類(lèi)似，西南地區(qū)磷素盈余量也受種植制度的顯著影響。Khan等[21]在研究單作和雙作種植制度時(shí)發(fā)現(xiàn)，單季施肥量相同的條件下，雙作制度土壤中全磷含量顯著高于單作制度，且更易造成土壤磷素的向下淋溶。此外，西北小麥和玉米季磷肥偏生產(chǎn)力隨施肥年限的延長(zhǎng)而增加，說(shuō)明盡管西北磷肥施用量高于其他地區(qū)，磷肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上仍舊發(fā)揮著很大的作用。除以上因素外，有機(jī)質(zhì)含量也是影響長(zhǎng)江中游作物磷肥偏生產(chǎn)力的主要因素，土壤中20%～80%的磷與有機(jī)質(zhì)有關(guān)[32]，有機(jī)質(zhì)的礦化可以直接為作物提供可利用磷，同時(shí)還可通過(guò)與磷酸根競(jìng)爭(zhēng)礦物表面的結(jié)合位點(diǎn)，影響磷在土壤中的吸附從而提高磷的有效性[33–34]，同時(shí)還有研究發(fā)現(xiàn)，在高度風(fēng)化的土壤和堿性土壤中，有機(jī)質(zhì)能夠分別促進(jìn)鐵鋁氧化物向無(wú)定型態(tài)的轉(zhuǎn)化和鈣磷酸鹽的穩(wěn)定性，使得更多的磷被吸附固定，降低土壤磷素有效性[35–36]。值得注意的是，東北、華北、長(zhǎng)江中游和長(zhǎng)三角地區(qū)的磷肥偏生產(chǎn)力在2013—2019年已經(jīng)開(kāi)始趨于穩(wěn)定，說(shuō)明以目前生產(chǎn)技術(shù)水平，通過(guò)增施磷肥提高這4個(gè)地區(qū)的磷肥偏生產(chǎn)力可能已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定，進(jìn)一步提升磷肥偏生產(chǎn)力和增加磷肥肥效需要從適當(dāng)減少磷肥投入和提高磷素有效性入手。

3.3 不同區(qū)域及作物的磷肥合理施用量推薦

全國(guó)旱地小麥、玉米和水旱輪作區(qū)水稻的磷肥偏生產(chǎn)力在過(guò)去30年內(nèi)呈穩(wěn)定并略微提高的趨勢(shì)，平均值分別為61.99、130.1和158.9 kg/kg。不同區(qū)域之間磷肥偏生產(chǎn)力差異較大，可能與各區(qū)域間磷肥施用量差異較大有關(guān)，此外，由于受到氣候條件、施肥方式和時(shí)間及其他營(yíng)養(yǎng)元素的供應(yīng)狀況的影響，不同區(qū)域的作物磷肥偏生產(chǎn)力均隨磷素盈余量的增加而呈指數(shù)降低[37]。確定合理磷肥施用量是獲得較高產(chǎn)量、維持土壤磷肥力和減少施磷引起的環(huán)境污染的關(guān)鍵。本研究綜合考慮維持土壤磷平衡和提高磷肥偏生產(chǎn)力，推薦了各區(qū)域及不同作物適宜的施磷量，即維持土壤磷素盈余量為 0 時(shí)的施磷水平。就全國(guó)整體而言，與當(dāng)前農(nóng)民習(xí)慣性磷肥施用量相比，小麥季平均施磷量可減少80.38 kg/hm2，減量幅度平均為58.4%，其中，華北、長(zhǎng)江中游、長(zhǎng)三角、西南和西北區(qū)小麥季推薦磷肥施用量分別為64.42、37.59、60.11、35.22 和 53.55 kg/hm2，磷肥減量幅度為34.0%～74.9%，而各區(qū)域磷肥偏生產(chǎn)力可提高23.4%～93.5%。

旱地玉米和水旱輪作水稻季均處于磷素輸入與輸出平衡狀態(tài)，為保持較高的磷肥偏生產(chǎn)力，玉米和水稻季可維持當(dāng)前磷肥施用量，分別為109.2和75.13 kg/hm2，但不同區(qū)域之間磷素盈余量和磷肥偏生產(chǎn)力差異較為顯著。以目前農(nóng)民習(xí)慣性磷肥施用的實(shí)際情況來(lái)看，長(zhǎng)江中游、西南和西北地區(qū)玉米季均處于磷素盈余狀態(tài)，磷素盈余量占磷肥施用量的20.8%～28.0%，為維持土壤磷素盈余量為 0，且磷肥偏生產(chǎn)力保持不變，長(zhǎng)江中游、西南和西北區(qū)玉米季的適宜磷肥施用量分別為83.85、80.09和131.9 kg/hm2。東北、華北和長(zhǎng)三角區(qū)玉米季磷素處于虧缺狀態(tài)，磷素虧缺量占農(nóng)民當(dāng)前習(xí)慣磷肥施用量的6.65%～22.0%，若從農(nóng)田磷素平衡出發(fā)，土壤磷素盈余量為 0 時(shí)東北、華北和長(zhǎng)三角區(qū)玉米季磷肥施用量分別為129.5、109.2和95.37 kg/hm2，但是相應(yīng)地磷肥偏生產(chǎn)力分別下降33.2%、54.4%和29.4%。東北地區(qū)大部分為一年一熟的玉米，從土壤磷平衡和磷肥偏生產(chǎn)力的角度綜合考慮，東北區(qū)可適當(dāng)增加磷肥施用量用以提高玉米產(chǎn)量，但建議磷肥施用量不超過(guò)129.5 kg/hm2；與東北區(qū)玉米季磷素狀況相似，華北和長(zhǎng)三角區(qū)玉米季均出現(xiàn)磷素虧缺，磷素虧損量分別為11.38和14.57 kg/hm2，考慮到華北和長(zhǎng)三角小麥季磷素盈余量分別達(dá)94.06和30.39 kg/hm2，建議可維持華北和長(zhǎng)三角玉米季的當(dāng)前農(nóng)民習(xí)慣磷肥施用量(分別為97.11和80.60 kg/hm2)，以保證較高的玉米季磷肥偏生產(chǎn)力。長(zhǎng)江中游水稻季磷素盈余量為17.78 kg/hm2，占目前農(nóng)民習(xí)慣施磷量的21.6%，本研究根據(jù)磷平衡推薦的適宜磷肥施用量為62.12 kg/hm2，能夠在維持磷肥偏生產(chǎn)力不變的條件下，降低24.7%的磷肥施用量。長(zhǎng)三角和西南水稻季土壤處于磷平衡狀態(tài)，為保證較高的磷肥偏生產(chǎn)力，建議維持當(dāng)前的施磷量，分別為76.32 和 64.03 kg/hm2。

陳新平等[12]根據(jù)測(cè)土配方施肥給出了不同區(qū)域三大糧食作物磷肥推薦施用量，東北、華北、西南和西北玉米季磷肥推薦施入量分別為75～97、46～74、71～80 和 93～123 kg/hm2；東北、華北、長(zhǎng)江中下游、西南和西北小麥季磷肥推薦施入量分別為60、80、70、55～60 和 60～68 kg/hm2；東北、長(zhǎng)江上游、長(zhǎng)江中游、長(zhǎng)江下游、江南、華南和西南區(qū)水稻磷肥推薦施入量分別為64～70、81、65～83、84、59～72、59 和 64 kg/hm2。通過(guò)對(duì)比劉欽普[38]計(jì)算出的各區(qū)域的磷肥施用環(huán)境安全閾值(東北、華北、長(zhǎng)江中游、長(zhǎng)三角、西南和西北區(qū)平均分別為83.90、69.34、79.37、81.43、60.13 和 67.84 kg/hm2)，除西南水稻季外，本研究推薦的各區(qū)域小麥和水稻季適宜施磷量均低于環(huán)境安全閾值，說(shuō)明此推薦磷肥施用量對(duì)環(huán)境是友好的，既可以提高磷肥的偏生產(chǎn)力，又能降低農(nóng)田磷素淋失的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)本研究中磷肥施用量和磷素盈余的關(guān)系推薦的玉米季適宜磷肥施用量均高于環(huán)境安全閾值，但是這并不代表本研究中推薦的磷肥施用量具有環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。本研究與上述研究給出的磷肥推薦施用量及環(huán)境安全閾值之間存在差異，主要原因有：1)本研究將旱地和水旱輪作區(qū)三大糧食作物區(qū)分開(kāi)，小麥、玉米和水稻3種作物的籽粒和秸稈的吸磷量差異較大，其中玉米籽粒的吸磷量分別是小麥和水稻籽粒的1.15和1.58倍，玉米秸稈的吸磷量分別是小麥和水稻秸稈的1.87和1.12倍[14]，所以相同產(chǎn)量下玉米的吸磷量顯著高于小麥和水稻，玉米季達(dá)到磷平衡(磷素盈余量為0)時(shí)，磷肥的施用量高于小麥和水稻；2)數(shù)據(jù)來(lái)源及時(shí)間跨度不同，本研究是基于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在全國(guó)布置的旱地和水旱輪作區(qū)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在1988—2019年監(jiān)測(cè)期間真實(shí)記錄當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣性磷肥施用量、籽粒和秸稈產(chǎn)量，與測(cè)土配方試驗(yàn)的施肥方案不同的是，監(jiān)測(cè)的30年間磷肥施用量隨政策和施肥策略的調(diào)整而改變；3)計(jì)算公式不同，本研究是基于長(zhǎng)期磷肥施用條件下，分別通過(guò)擬合小麥、玉米和水稻季磷肥施用量與磷素盈余量和磷肥偏生產(chǎn)力之間的關(guān)系得出的結(jié)果。綜上，本研究得出的旱地小麥、玉米和水旱輪作水稻季適宜磷肥施用量范圍分別為35.22～64.42、80.09～131.9和62.12～76.32 kg/hm2，具體的磷肥推薦施用量可結(jié)合不同區(qū)域的當(dāng)前磷肥施用狀況及主要驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)論

近30年來(lái)，全國(guó)各區(qū)域旱地小麥季土壤中磷素呈盈余狀態(tài)，盈余量占磷肥施入量的33.4%～73.9%，西北地區(qū)小麥季磷素盈余量顯著高于其他地區(qū)。長(zhǎng)江中游、西南和西北區(qū)玉米季土壤磷素均呈盈余狀態(tài)，磷素盈余量占施磷量的20.8%～28.0%，西北地區(qū)玉米季磷素盈余量顯著高于其他兩個(gè)地區(qū)，而東北、華北和長(zhǎng)三角玉米季土壤磷素呈虧缺狀態(tài)，其中東北玉米季磷素虧缺量最高，為25.29 kg/hm2。全國(guó)水旱輪作區(qū)主要集中在長(zhǎng)江中游、長(zhǎng)三角和西南，其中長(zhǎng)江中游水稻季土壤磷素呈盈余狀態(tài)，盈余量占施磷量的21.6%，長(zhǎng)三角和西南水稻季土壤磷素處于輸入與輸出基本平衡狀態(tài)。

區(qū)域和年際間磷肥偏生產(chǎn)力差異的主要驅(qū)動(dòng)因素是磷肥施用量和作物類(lèi)別，水稻磷肥偏生產(chǎn)力顯著高于小麥和玉米，其中西北小麥和玉米季磷肥偏生產(chǎn)力最低，分別為35.53和76.06 kg/kg。除西南和西北外，東北、華北、長(zhǎng)江中游和長(zhǎng)三角區(qū)施磷25年后磷肥偏生產(chǎn)力呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)。此外，土壤類(lèi)型、pH、有機(jī)質(zhì)含量和種植制度等在區(qū)域間的變化也是影響各區(qū)域磷肥偏生產(chǎn)力和磷素盈余量差異的主要因素。綜合考慮各區(qū)域土壤磷素盈虧狀況和作物磷肥偏生產(chǎn)力及其主要驅(qū)動(dòng)因素，推薦了各區(qū)域不同作物適宜的磷肥施用量，可在提高磷肥偏生產(chǎn)力的同時(shí)，顯著減少磷肥投入，降低磷素淋溶等環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。