中國糧食作物單產增長規律及其原理

褚清河，強彥珍

（1.山西省農業科學院農業資源綜合考察研究所，山西太原030006；2.太原高新技術產業開發區園林綠化管理中心，山西太原030006）

眾所周知，人口不斷增加、耕地面積不斷減少是我國的基本國情。要確保我國糧食安全、滿足不斷增加的人口對糧食的需求，必須保證糧食的年均增長率在1%以上，而解決這一問題的唯一方法就是依靠農業科技進步提高單位面積產量。1998年到2006年以來，我國糧食單產的提高明顯變緩，8年中增長了214.5 kg/hm2，年均增長26.85 kg/hm2，年均增長率為0.6%[1]，顯然現行農業技術很難滿足年增加1%的要求。對此，近年來專家、學者多有論述[2-3]，然而糧食單產增加緩慢的原因是什么，我國的糧食單產是否年年都能增加，糧食單產增加的原理又是什么，至今還少有報道。

為了探索我國糧食單產增長的規律和原理，闡明其增加緩慢的技術原因，本研究選用我國1978—2007年的統計資料中的相關數據，針對糧食增產原理進行了分析研究。

1 材料和方法

1.1 資料來源

本研究選用的糧食作物單位面積產量和單位面積化肥施用量（按農作物總播種面積計算的施肥量）為1990，2007年中國統計年鑒中數據，是國家通過定點監測與統計獲得的時間序列數據[4-5]，具有系統性、可靠性和人為性較小的特點。

1.2 分析方法

先求出1978—2007年糧食單產時間序列的平均值，再分別計算各時間序列值與平均值的差值，即為不同年份糧食單產的距平值。然后將相鄰階段初與末年份間距平值差值絕對值大于210 kg/hm2以上的年份作為階段的起點，進行階段劃分。據此方法，1978—2007年我國糧食作物單產變化分為 1978—1983，1984—1989，1990—1995，1996—1999，2000—2003，2004—2007 年 6個階段[6]。

2 結果與分析

2.1 糧食單產增長規律及其原理

由表1可知，1978—2007年間糧食單產的總變異系數為16.4%，上述6個階段的變異系數則分別為 10.7%，1.7%，3.3%，1.3%，1.5%，1.4%，不同階段單位面積產量的變異系數遠小于總變異系數，說明我國單產是以階段增加方式增長的，并非年年增加。以年份為重復，階段為處理，分別對 1978—1983，1984—1989，1990—1995 年的 三 階 段 和 1996—1999，2000—2003，2004—2007年的三階段糧食單產進行方差分析，結果表明，1978—1995年方差F=33.67＊＊（F0.01=7.56），1996—2007年方差F=23.29＊＊（F0.01=10.92），差異均達到極顯著水平，而年度間差異則未達到顯著水平，F值分別為0.66和1.59，進一步說明我國糧食單產是呈周期性增加的，1978—1995年增加周期為6年，1996—2007年增加周期為4年。

表1 1978—2007年糧食單產及其距平值 kg/hm2

作物的單產水平是由品種潛力水平決定的，而其他農業技術措施如施肥，只能發揮其產量潛力，而不能提高它的產量潛力水平，但在農業生產中，作物品種也不可能年年更新。因此，在一個增長周期內，即使肥料施用量增加，年度間糧食單產也不可能顯著增加。我國1978—2007年不同階段施肥量如表2所示。

表2 1978—2007年不同階段單位面積施肥量 kg/hm2

以年份為重復，階段為處理，對不同階段施肥量進行方差分析得出，1978—1995年階段間和年度間F值分別為751.8＊＊，42.4＊＊（F0.01=7.56），階段間或年度間均達到極顯著水平；1996—2007年F值分別為139.3＊＊，12.1＊＊（F0.01=10.92），也均達到極顯著水平，二者具有一致的規律。分析結果表明，同一階段年度施肥量雖然顯著增加，但糧食單產并未顯著增加，而隨著階段施肥量的增加，階段的單產也隨之增加，表明作物品種更新是單產提高的主要原因。因此，階段施肥量水平是作物品種營養遺傳的重要土壤環境因素，或是品種產量水平提高的驅動因素和產量潛力水平發揮的基本條件。因為在一定的氮肥施用水平和氮磷施肥比例條件下，品種選育時氮肥施用量已決定了品種最高產量水平，品種推廣應用中肥料施用即使超過育種者選育時的施肥水平，也不可能再提高其產量水平，因此，年度間施肥量增加并不能提高作物的單位面積產量。隨著生產中施肥水平的進一步提高，育種的施肥水平也相應提高，在這種施肥水平條件下，相應潛力水平的新品種就會產生，糧食作物的單位面積產量也將相應提高。可見，施肥技術及其土壤條件是影響作物品種選育的重要環境因素。

2.2 作物品種特性及我國施肥的經濟效果

自1978年以來，我國氮肥施用量逐年增長，化肥施用量由1978年的59.8 kg/hm2增加到2007年的332.8 kg/hm2，單位面積化肥施用量較1978年增加4.6倍，氮磷比例基本上為1∶0.33左右。據目前的研究結果，我國合理的氮磷施用比例應在1∶0.66～1∶1.50的范圍內[7-9]。可見，目前我國糧食作物基本上是靠增加氮肥的施用量來獲得高產，也就是在作物育種中主要利用了品種耐肥的營養遺傳特性，而非養分平衡特性。一般來說，作物的耐氮肥能力越強，其產量潛力也越高，但具有養分平衡遺傳特性的品種其產量潛力水平相對較高[10]。耐氮肥性較強的品種，雖然通過增施氮肥也能夠有效提高單位面積產量，但隨著施用量的增加，單位肥料增產量逐漸降低，具體情況如表3所示。

表3 不同發展階段我國每千克化肥平均增加糧食統計

從表3可以看出，我國1984—1989年推廣應用的作物品種，在施肥量較低的情況下具有很好的增產效果，每千克化肥可增產糧食13.85 kg，與以1978年單產和單位面積化肥施用量為標準計算的1979—1983年每千克化肥增產糧食12.57 kg基本一致。但隨著化肥施用量的增加，不同階段推廣品種每千克化肥增產糧食量則顯著降低。1990—1995，1996—1999，2000—2003，2004—2007年4個階段平均每千克化肥增產糧食8.56 kg，較1984—1989年降低38.2%；而4個階段以1984—1989年為標準計算的結果，平均僅為6.38 kg，較1984—1989年下降53.9%；而2004—2007年以1996—1999年為標準計算的每千克化肥增產糧食量則僅為 3.92 kg，較1984—1989年降低71.7%。

上述結果表明，我國在1989年以前，由于土壤氮含量相對較少，我國的施氮量又比較小，培育的品種基本上屬于養分平衡營養遺傳性品種，每千克化肥的增產量也就比較高。隨著作物施氮量的提高，土壤氮磷供應嚴重失調，所育品種耐氮肥性能增強，抗低磷的能力逐漸減弱，肥料的增產效率則必然降低。因此，提高作物育種中的施肥技術水平，選育耐肥性養分平衡吸收特性的品種，是提高我國糧食產量水平的重要途徑。

3 結論與討論

分析表明，我國糧食作物單產呈階段性周期增長規律。在1995年以前，我國作物品種更新周期為6年，因此，我國糧食單產每隔6年顯著增加1次，這與專家普遍認同的6～7年的品種更新周期基本一致；1996年以后作物品種更新周期縮短為4年，主要是因為1996年后我國育種和生產中年肥料施用量的增加速度加快。1984—1989年和1990—1995年2個階段，每公頃化肥施用量平均每年分別增加 8.1，11.4 kg；而1996—1999，2004—2007年，每公頃化肥施用量平均每年分別增加 13.2，9.8 kg，2000—2003 年間，化肥平均年增加量為4.5 kg/hm2，此間育成的品種則不具有顯著增產效果。結果說明，階段化肥增加總量基本上要達到42 kg/hm2左右時，作物單位面積產量才能顯著提高，這也就意味著作物品種選育的施肥量只有較上階段的單位面積施肥量提高42 kg/hm2左右時才有可能育出一個新品種。可見，作物品種的耐肥性是作物品種的重要數量營養遺傳特性之一，也就是說不同作物品種苗期土壤供氮強度的耐受性是不同的，它是品種選育中適應土壤環境條件，或者說是適應育種施氮量水平（作物最高產量的施肥量）的選擇結果。品種在推廣過程中，生產上的施肥量基本上就是育種施肥量，即使年度間施肥量顯著增加，但只要在品種的耐受性范圍內，產量就不會顯著增加。

調查表明，我國育種工作者為了保證施肥量在品種推廣中具有普遍意義，確保品種大面積推廣應用的增產效果，作物品種選育中常采用略高于生產中施肥量和較高肥力土壤條件下的育種方法。從30年來我國的施肥情況看，基本上是施氮量不斷增加，氮磷施用比例基本保持在1∶0.33左右，作物品種選育與應用基本上是利用了作物的耐肥性，而沒有利用其營養平衡的遺傳特性，結果導致每千克化肥的增產效率逐年遞減的狀況。

30年來，隨著施肥量增加，作物產量也隨之增加，但單位肥料的增產量卻不斷下降，這是品種選育與應用中氮磷施用比例失調之故[10]，并非符合報酬遞減規律。報酬遞減律事實上是在計算存在失誤與試驗沒有考慮氮磷比例情況下得出的結論[11-12]。高井康雄[13]認為：“報酬遞減律是在某一個因子變動而其他所有條件一定時才成立。但在實際上，如果一個因子變動，往往其他條件也必然變動”。我國1978年化肥施用量不斷增加，到1989年化肥施用量達到160.8 kg/hm2，為1978年施肥量的2.7倍，已接近20世紀80年代我國化肥網試驗結果最適氮肥施用量172.5 kg/hm2，但單位肥料的增產量一直為13.85 kg，并未出現遞減現象。如果報酬遞減律存在，那么隨著施肥量增加，單位肥料的增產量必然為零甚至為負值，自然否定了可以通過科學技術解決糧食問題的論斷。我國2007年單位面積施肥量已達到332.8 kg/hm2，遠遠超過了20世紀80年代化肥試驗網確定的最適施肥量，是最適施肥量的1.9倍，但施肥仍具有一定的增產效果，顯然現有理論是不能解釋的。

農作物品種選育是適應土壤養分環境的結果。在作物新品種的選育與推廣中，考慮施肥技術的應用，充分利用作物品種養分平衡營養遺傳特性，盡快調整氮磷施用比例，這樣才能實現我國育種水平的突破，在提高單產水平的同時提高單位肥料的增產效果。

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