也談中國主要糧食作物生產中肥料利用率及其提高途徑

褚清河，強彥珍

（1.山西省農業(yè)科學院農業(yè)資源綜合考察研究所，山西太原030006；2.太原市高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)園林綠化管理中心，山西太原030006）

1 問題的提出

肥料和土壤養(yǎng)分利用率一直是我國肥料學與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究的中心問題。為了提高施肥的經濟效果與實現優(yōu)質高產，我國土壤肥料工作者對提高土壤養(yǎng)分利用率、土壤生產力和降低肥料施用量的問題進行了長期的研究探索。

張福鎖等[1]的研究集中反映了筆者及其他研究者在這方面的觀點和研究結果。最近，張福鎖團隊在美國《科學雜志》又發(fā)表“SignificantAcidification in Major Chinese Croplands”論文[2]，提出了過量施用氮肥造成土壤酸化問題。因此，更引起了國內外對化肥施用過量并誘發(fā)嚴重的環(huán)境問題的強烈關注。

但是，目前我國農業(yè)生產中肥料施用是否過量，氮肥施用過量是否利用率就一定下降，而肥料養(yǎng)分利用率下降是否就是必然造成我國糧食產量增加緩慢的原因，這是值得與廣大肥料工作者深入討論的問題。

因此，筆者從討論最近10年我國土壤肥料學界主流研究的試驗設計原理和肥料利用率的分析評價原理及方法出發(fā)，針對文獻[1]的試驗和研究結果，討論我國土壤養(yǎng)分和肥料利用率的問題，有利于我們對這些問題進行深入科學的研究。

2 肥料利用率的本質與試驗設計原理

2.1 養(yǎng)分利用率指標應該反映土壤養(yǎng)分的作物利用

文獻[1]中列出了肥料利用率、氮肥的偏生產率、氮肥農學利用率和氮肥生理利用率的計算方法，但對其涵義及指標或參數在施肥研究中的重要意義、各自的特點、所反映的實質問題，并沒有明了而準確地解釋和評價。文獻[1]認為，RE（回收率）是目前國內比較通用的指標，而且土壤和環(huán)境來源養(yǎng)分少，化肥的增產效果很顯著，RE能很好地反映作物對養(yǎng)分的吸收狀況，也似乎缺乏試驗依據。養(yǎng)分吸收狀況好，施肥的增產效果就好，文獻[1]的解釋也并不明了。文獻[1]認為，AE（農學效率）是評價肥料增產效應較為準確的指標；PEP（偏生產率）也是比較適合我國目前土壤和環(huán)境養(yǎng)分供應量大、化肥增產效應下降的現實，是評價肥料效應的適宜指標；PE（生理利用效率）說明的是植物體內養(yǎng)分的利用率，而不是肥料的增產效應。但文獻[1]還是主要選擇了肥料利用率來說明施肥的增產效果問題。可見，文獻[1]對肥料利用率的了解還主要基于過去的研究結果，對肥料利用率缺乏深入的研究。

2.2 選擇用肥料利用率的增減變化很可能不能說明施肥增產的本質問題

肥料利用率如氮肥利用率，是指土壤施用氮肥后，作物吸收的肥料氮占總施氮量的百分比，它反映的是作物對肥料氮的吸收狀況。過去，生理學家認為，作物吸收進入體內的養(yǎng)分都是有效的，即被作物所利用。但近年來的研究表明[3-4]，進入作物體內的養(yǎng)分有很大一部分殘存在作物秸稈中，并不能有效地轉化成籽粒養(yǎng)分而形成產量，因此，氮素的利用率高，增產效果也不一定就好。因此，把氮肥利用率稱之為氮素吸收率似乎更為確切。為了彌補肥料利用率難以準確反映肥料增產效果的不足和研究其原因，研究者提出了能反映作物體內養(yǎng)分轉化利用的指標——生理利用率。它和肥料利用率聯合應用，可很好地反映肥料的吸收與轉化利用狀況及其增產效果。這可從表1得到進一步說明。

在表1中，無論是氮磷等比還是以磷定氮條件下，在30～240 kg/hm2的施氮量范圍內，不同施氮量的氮肥利用率均在54.6%～81.5%范圍內，在該土壤養(yǎng)分條件下，施氮量等于或大于300 kg/hm2的氮肥利用率明顯降低。氮肥利用率以接近用相交直線計算的最大施肥量（氮磷等比為87.4 kg/hm2，以磷定氮為200 kg/hm2[5]）為最高。處理3和處理8的氮肥利用率分別為81.5%和70.7%；但氮磷等比條件下，處理3的產量水平并未顯著高于氮肥利用率較它低的處理4和處理5；以磷定氮條件下，處理8的產量水平也并未顯著高于氮肥利用率較它低的處理7、處理9和處理10。相反，處理2和處理4的氮肥利用率基本相同，分別為54.6%和54.8%，但處理4的產量水平顯著高于處理2；處理7和處理9的氮肥利用率也基本相同，但處理9的產量水平顯著高于處理7，其原因就在于氮肥利用率高并不一定它的生理利用率和農學利用率就高。

表1 玉米施氮量、產量及肥料利用率（2005年，山西忻州）

從表1還可以看出，氮磷施用比例和用量合理時，可獲得最高的氮肥利用率，但在一定范圍內增大氮肥用量可明顯提高氮肥的利用率，如以磷定氮條件下，多數處理的氮肥利用率高于氮磷等比條件下的利用率，但氮磷施用比例顯著影響氮肥的生理利用率和農學效率，氮磷等比條件下的氮肥生理利用率和農學效率較以磷定氮的試驗結果高1倍以上。因此，文獻[1]認為，PE說明的是植物體內養(yǎng)分的利用率，而不是肥料的增產效應的解釋是不確切的。上述分析表明，氮肥利用率嚴重受施氮量和氮磷施用比例的影響，而且氮肥利用率高并不意味著施肥的增產效果就好。文獻[1]單純選擇肥料利用率很難反映肥料的利用狀況與施肥的增產效果，而氮肥的農學效率雖然表明了單位肥料的增產效果，但它并不能說明肥料的吸收狀況與產量水平的高低。

肥料利用率反映的是一定施肥量水平下作物對氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收狀況。對于研究而言，可以是單一氮、磷、鉀養(yǎng)分的利用率，也可以是氮磷、氮鉀或氮磷鉀配合下的某一養(yǎng)分的利用率。當前，要解決文獻[1]中提到的“我國化肥用量持續(xù)增加，糧食產量卻始終增加緩慢”的問題，關鍵是如何分析和看待主要糧食作物肥料利用率現狀和提高途徑。

我們認為，我國主要糧食作物的肥料利用率現狀，應該是我國現行施肥技術水平下，農民在生產中施用一定量氮磷鉀下的肥料利用率，這樣才能通過同一時期作物不同施肥水平下或不同時期同一施肥水平下肥料利用率的變化或比較，說明我國主要糧食作物肥料利用率的現狀、增減變化及其原因，從而說明我國糧食增加緩慢的問題。但是，在一些研究中，試驗的施肥量并非我國不同地區(qū)農民生產中的施肥量調查數據，而是研究者根據研究項目目的而確定的。由于施肥技術成果應用于生產存在一定的滯后性，我國現行生產中配方施肥技術的主要依據實際上來自20世紀80年代以來肥料試驗中的施肥效果。一些點的案例試驗結果是否能夠代表中國施肥技術的現有水平，是一個值得考慮的問題。還有，現在試驗中計算的現行肥料利用率數據，也可能不能說明實際生產中的肥料利用率。例如，文獻[1]報道的不同省市氮肥利用率研究結果的下限多數為0.3%～3.3%，磷肥利用率的下限為2.0%～4.2%，在試驗條件下這樣的利用率水平顯然不會表現顯著增產效果，也就失去生產應用意義和代表性。事實上，有研究者調查山東資料測算的農戶氮肥利用率為10%；農戶傳統施肥技術條件下華北平原小麥—玉米輪作體系中冬小麥氮肥利用率為20%，夏玉米的氮肥利用率也達10%。因此，我國當前農戶的肥料利用率也遠較上述試驗研究條件下估算得到的氮肥利用率的下限高。

文獻[1]同時也認為，在試驗條件下，小麥氮肥利用率小于10%的頻率在20%以上，氮肥利用率在10%～20%的頻率為25%。看來，用現行試驗條件下的肥料利用率并不能說明我國主要糧食作物的肥料利用率現狀和增減變化。因此，在評價肥料利用率問題中，一些研究者的資料不全面、不匹配，會帶來對我國肥料實際利用率認識的偏頗。

2.3 田間試驗數據和大田調查數據相匹配可能會更好地評價農業(yè)中的肥料利用率

文獻[1]主要討論我國主要糧食作物研究條件下的養(yǎng)分利用率狀況，研究目的旨在通過其歷史變化，說明我國主要糧食作物的肥料利用率均呈逐漸減低趨勢，而降低的重要原因為：一是施肥過量，二是我國土壤肥力提高（土壤肥力水平是決定肥料利用效率高低的基本因素，即在土壤肥力水平較低時，得到高的肥料利用率和農學效率的幾率較大，反之在高肥力土壤上得到高的肥料利用率和農學效率的幾率較小）。但要得出上述結論，就必須取樣測定土壤的主要肥力指標，對試驗區(qū)主要糧食作物的試驗地進行肥力等級劃分并布置試驗，同時試驗必須設計適量施肥、過量施肥和低量施肥下的氮磷鉀處理才能證明上述假設。文獻[1]并沒有這方面的介紹，顯然缺乏這樣的設計。

文獻[1]表1中，介紹了水稻、小麥和玉米肥效試驗的樣本數、施肥量和分布區(qū)域，但并未介紹試驗方法，也沒有列出試驗地土壤主要肥力指標的分析化驗結果，僅僅列出了單一氮、磷、鉀養(yǎng)分的施肥量范圍，并無肥料利用率研究的具體試驗方案，因此，讀者很難知道肥料利用率是單一氮、磷、鉀肥料的利用率，還是氮磷鉀配合下某一養(yǎng)分的利用率，某一養(yǎng)分利用率對應施肥量確定的依據也不明確。由于試驗方案并沒有與研究目標和實用意義相匹配，文獻[1]“中國肥料利用率低的原因分析”中，是引用其他文獻資料來反證試驗肥料利用率低是“施肥過量”和“肥力水平高”造成的。

討論土壤養(yǎng)分的作物利用率，需對特定系統進行不同施肥量下的田間試驗，根據試驗觀察的產量、作物養(yǎng)分吸收量而估算作物肥料利用率。但是，分析中國主要糧食作物肥料利用效率的現狀、中國化肥利用率現狀和歷史變化，采用產量、肥料施用量的生產調查數據應該更有代表性。文獻[1]在分析中采用了2003—2005年其承擔的農業(yè)部“948”項目在全國糧食主產區(qū)進行的肥料試驗數據（試驗樣本數共計586個）和2001—2005年有關單位的肥料試驗調查數據（試驗樣本數共計747個）。通過分析試驗資料，得出了氮肥利用率為0.3%～88.9%，磷肥利用率為1.7%～59.3%，鉀肥利用率為0.7%～88.2%的結果。文獻[1]在數據來源中進一步強調，為了分析目前試驗條件下水稻、小麥和玉米的肥料利用率，文獻[1]采用了農業(yè)部“948”項目和其他單位的肥料試驗數據進行了分析。既然采用試驗資料，而不是生產中實際調查結果進行分析，那么分析結論就很難說明是中國主要糧食作物肥料利用效率的現狀或中國化肥利用率現狀及歷史變化，即使分析試驗結果，至少也應該在試驗肥料利用效率低的原因分析中考慮氮肥利用率（最低值為0.3%，最高值為88.9%）、磷肥利用率（最低值為1.7%，最高值為59.3%）和鉀肥利用率（最低值為0.7%，最高值為88.2%）存在極大差異的原因，對不同年份肥料利用率的試驗結果進行統計檢驗，通過統計分析，說明肥料利用率的增減變化及其原因。但如果這樣，顯然又偏離主題。

3 研究氮肥利用率的合理施肥量設計問題

3.1 養(yǎng)分表觀利用率的試驗不能忽視土壤養(yǎng)分平衡問題

分析和討論我國肥料利用率和過量施肥問題時，較多的研究是針對氮肥而言。氮肥利用率是肥料利用率的核心問題，許多關于氮肥利用率的試驗，計算得到的土壤養(yǎng)分表觀利用率，實際上可能是忽略了氮素與其他養(yǎng)分的平衡，而低估了潛在的氮肥利用率。例如，文獻[1]列出了不同施氮量級別與水稻、小麥、玉米的產量和氮肥利用率的統計結果，指出當施氮量大于240 kg/hm2時，水稻、小麥、玉米的氮肥利用率分別降至15.0%，11.3%，14.4%，所以隨著氮肥用量的增加，水稻、小麥和玉米的氮肥利用率均在逐漸下降。這實際是試驗點施肥量設計中沒有考慮不同氮肥水平下其他養(yǎng)分的配合供應問題，試驗設計缺乏土壤-作物系統養(yǎng)分平衡吸收與產量關系的試驗內容，因而設計上僅是氮肥，而不是“作物所需的平衡養(yǎng)分”的設計，不能代表肥料與作物產量的內在關系。

本研究曾經提出，氮肥利用率并不是完全由施肥量決定的，在一定施氮量范圍內，氮肥利用率并非隨施氮量增加呈遞減規(guī)律[3]，而且氮肥利用率高，其產量也不一定高。因此，用氮肥利用率高低來判別施肥量的合理性，顯然不符合施肥理論。從文獻[1]表6中可以看出，當施氮量大于60 kg/hm2時，水稻、小麥、玉米的氮肥利用率就明顯降低到40%以下；施氮量在60～240 kg/hm2的范圍內，水稻、小麥、玉米產量基本無明顯差異，也和施氮量小于60 kg/hm2時的產量差異不大。表明施氮量大于60 kg/hm2已不具有顯著增產效果，合理的施氮量無疑在60 kg/hm2以下。按上述結果推論，我國2005年施氮量[6-7]就達到171.4 kg/hm2，已根本不可能表現增產效果。

文獻[1]認為，化肥用量的大幅增加伴隨的是糧食作物產量的徘徊[6]。但與施肥研究的實際情形多有不符。20世紀80年代，趙振達[8]對小麥氮肥利用率的研究表明，在施氮量為78.6 kg/hm2的情況下，小麥產量為8 000 kg/hm2，氮肥利用率為52.5%；2005年，褚清河等[3]對玉米試驗結果表明，在施氮量為120 kg/hm2的情況下，玉米產量達10 500 kg/hm2，氮肥利用率達到54.8%；在有機質含量僅為9.6 g/kg的鹽漬型水稻土上[9]，獲得水稻最高產量7 800 kg/hm2的施氮量為198 kg/hm2，遠大于60 kg/hm2，但產量和氮肥利用率遠高于文獻[1]中表6的試驗結果。因此，本研究認為，文獻[1]采用氮肥利用率高低確定施氮量合理范圍的方法在農業(yè)實際上有失偏頗。氮肥施用量是否過高，需要考慮平衡養(yǎng)分供應下的產量效應。農民習慣施肥條件下氮素損失量大和氮肥利用效率低的重要原因與農民施肥卻未考慮土壤剖面高量硝態(tài)氮積累這一因素固然有關，但沒有考慮土壤養(yǎng)分平衡供應下肥料-產量效應這一根本問題，應該是這種認識存在不足的地方。

氮肥利用率明顯受施肥量和氮磷鉀施用比例的影響，同一地塊由于設計方法不同，試驗確定的施氮量和氮磷施用比例也不相同，氮肥的利用率差異較大，因此，不同研究者對氮肥利用率的研究結果，只有在施肥量為最大或最佳施肥量與氮磷比例基本一致的情況下，才具有可比性。因此，文獻[1]“肥料利用率隨肥料用量增加均呈遞減趨勢”的結論缺乏科學比較。

3.2 養(yǎng)分表觀利用率試驗中的施肥量設計問題

分析評價肥料利用率，一個常見的問題是如何設定試驗施肥量。施肥量和施肥比例都會顯著影響肥料利用率的大小。因此，試驗中應該注意因作物和土壤養(yǎng)分狀況設定最大或最佳施肥量，這樣試驗數據才能正確反映主要作物肥料利用率的合理性。

文獻[1]中水稻、小麥和玉米的農學效率、肥料利用率和生理利用率研究結果的統計分析表明，水稻、小麥和玉米的氮肥農學效率分別為10.4，8.0，9.8 kg/kg；氮肥利用率分別為 28.3%，28.2%，26.1%；氮肥生理利用率分別為36.7，28.3，37.5 kg/kg。可以看出，在研究條件下的氮肥農學效率和氮肥利用率也遠遠低于其他一些國家和地區(qū)試驗條件下20～25 kg/kg和40%～60%的結果[10]，這無疑是試驗施肥量確定很不合理下的一種試驗結果。玉米氮肥的生理利用率高達37.5 kg/kg，而氮肥利用率僅為26.1%，玉米產量水平較低，不同施肥量的產量在6 010～7 050 kg/hm2之間，顯然試驗設計中施肥量較低，不能滿足玉米高產的養(yǎng)分需求，因而較低的施肥量得到較低的產量，不能用來說明大田生產中玉米產量較高和需肥較大的養(yǎng)分利用率的實際情況。特別是農學利用率與生產的差距很大，這樣的結果很難有說服力，因而提出的提高作物肥料利用率的途徑可能偏離生產需求。這樣的試驗結果顯然不能認為是“中國主要糧食作物肥料利用效率”的現狀。

20世紀80年代，趙振達和張金盛[8]對小麥的氮肥利用率進行了研究，結果表明，氮素在沒有磷鉀配合施用時其氮肥利用率僅29%，氮磷配合也僅30.8%，與氮肥處理相差不大。本研究認為這可能與土壤磷含量有關。天津市各類型土壤速效磷大于30mg/kg時，磷的增產效果就不明顯了；氮鉀配合處理的氮肥利用率為41.1%，比氮肥區(qū)高12.1%，而氮、磷、鉀配合處理的氮肥利用率高達52.5%。文獻[1]中小麥氮肥利用率和單施氮的利用率基本相同，遠遠低于趙振達和張金盛氮、磷、鉀配合的試驗結果。文獻[1]中玉米的氮肥利用率也遠低于我們2005年在山西忻州的試驗結果[11]。

文獻[1]中表2的數據分析表明，磷肥的利用率很低，但生理利用率卻較高；氮肥利用率相對于磷肥較高，但其生理利用率卻相對較低，氮磷肥料利用率的試驗研究中施肥量設計不合理是其主要原因，表現為施肥量在一些地塊上確定的過小，而在另外一些地塊上已嚴重過量。朱兆良等總結大量田間試驗數據提出的主要糧食作物最佳施氮量為150～180 kg/hm2，并認為在目前的栽培技術和產量水平下，施氮量為150～200 kg/hm2是專家推薦的總量[12-13]，即使在高產條件下推薦量也不會超過250 kg/hm2。因此，文獻[1]把氮肥施用量分成3級，150～250 kg/hm2為適中，小于150 kg/hm2為不足，大于250 kg/hm2為過量。但從文獻[1]表1可以看出，不同作物氮肥下限用量為37～60 kg/hm2，顯然非最佳施肥量，玉米氮肥上限用量達到360 kg/hm2，如試驗地與本研究忻州試驗地（表1）為類似的肥力水平，施氮量早已超過最大施肥量。水稻、小麥磷肥下限用量僅為25～26 kg/hm2，顯然過小。

本研究對文獻[1]表2數據的統計表明，不同作物氮、磷、鉀肥的肥料利用率與其生理利用率間呈顯著負相關，也說明這些試驗中設定的磷肥施用量過小。因此，本研究認為試驗設計的施肥量不合理是造成估算的氮肥利用率低的主要原因。如果氮肥利用率為氮、磷、鉀配合施用下的氮肥利用率，那么這些研究中顯然還存在氮磷配合不當的問題[14]。

3.3 肥料利用率的試驗研究需要考慮土壤的基礎肥力

土壤肥力水平是決定肥料利用率高低的基本因素，即在土壤肥力水平較低時，得到高的肥料利用率和農學效率的幾率較大，反之，在高肥力土壤上得到高的肥料利用率和農學效率的幾率較小[1]。研究不同肥力與相應最大或最佳施肥量下肥料利用率是必要和可靠的途徑[5，11]。但是，一些研究中常常不能按試驗地基礎肥力設計試驗方案，也沒有根據不同肥力水平的試驗地種植不同作物來設定最大或最佳施肥量。例如，文獻[1]僅僅在表3列出了水稻、小麥和玉米氮、磷、鉀肥料利用率的平均試驗結果及其變幅范圍，并沒有列出不同肥力水平下肥料利用率的相應變化，更沒有對耕地肥力水平與肥料利用率關系進行深入分析。文獻[1]中表3表明，山東、山西小麥平均施氮量130 kg/hm2，小麥產量6 030 kg/hm2，氮肥利用率達40.5%，而河北、天津平均施氮量為204 kg/hm2，施氮量較山東、山西高 74 kg/hm2，但小麥產量為6 100 kg/hm2，每增施1 kg氮肥可增加小麥產量0.95 kg，氮肥的利用率僅為16.4%。同樣，江蘇、江西水稻施氮量、產量和浙江也幾乎完全相同，但浙江氮肥平均利用率較江蘇和江西高8.5%。這種無論施氮量相差或相近，產量基本相同，而氮肥利用率相差較大的情況實際上已經提示了基礎肥力不同的影響。不同肥力水平的地塊種植相同的作物，最大或最佳施肥量具有較大差異[12]，只有在最大或最佳施肥量條件下，才能獲得較高的肥料利用率。因此，肥料利用率試驗設計的施氮量是否接近于試驗土壤肥力實際的最佳施氮量或最大施氮量與合理的氮磷比例[15]，是肥料利用率試驗結果科學與否的關鍵。

4 討論

氮肥利用率是反映作物對肥料氮吸收狀況的一個評價指標，它的大小除受氮、磷、鉀施肥比例影響外，主要還受施氮量大小的影響，但施氮量對它的影響并非像對作物邊際產量的影響一樣呈遞減規(guī)律，因此，氮肥利用率高低并不能反映其增產效果的好壞。按照傳統理論，施肥量在小于最大施肥量的情況下，作物的邊際產量隨著施肥量的增加呈遞減規(guī)律，達到最大施肥量時，邊際產量等于零，此時繼續(xù)增加施肥量，作物的邊際產量呈負增長。而氮肥的利用率則基本上在最大施肥量時達到最高值，而在小于或大于最大施肥量的一定范圍內，氮肥利用率較低，但仍保持較高的水平。氮肥利用率高并不一定它的增產效果就好，即作物的生理利用率不一定高。只有氮肥利用率和生理利用率均比較高的情況下，才表明施肥具有好的增產效果與可獲得較高的產量水平。因此，氮肥利用率并不能單獨用來反映作物對肥料的利用狀況及其增產效果。我國化肥施用量增加，但糧食產量增加緩慢，并非完全是由于氮肥的利用率下降。而現行肥料利用率的研究結果根本不能代表現實生產中的氮肥利用率，因為試驗施肥量和施肥比例與現實生產中的不同，氮肥利用率也必然不同。

在一定范圍內，氮肥利用率高，作物的生理利用率并不一定就高，因此，氮肥利用率高低并不能反映作物產量水平的高低。但是，如果氮肥的利用率很低，已不在合理范圍，即使生理利用率很高，也談不上取得較好的增產效果和較高的產量水平。文獻[1]主要糧食作物中肥料的平均利用率為10.8%～40.5%，朱兆良1992年和1998年研究的主要糧食作物的氮肥平均利用率分別為28%～41%和33%～35%，試驗結果均不在合理施肥范圍，且與文獻[1]的氮肥利用率差異較小，即使平均數差異性檢驗達到顯著標準，也很難說施肥的增產效果就一定降低。

無論是氮肥單施下的利用率，還是氮、磷、鉀配合施用下的氮肥利用率，氮肥利用率應該是最大或最佳施肥量下的氮肥利用率，這樣才具有可比性或能大致反映現實施肥技術水平下的肥料吸收利用狀況。本研究認為，首先應該進行不同地區(qū)、不同肥力水平試驗地塊種植不同作物最大或最佳施肥量的前期研究，然后在此基礎上，再進行肥料利用率的研究。

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