基于產量的渭北旱地小麥施肥評價及減肥潛力分析

曹寒冰，王朝輝，趙護兵，馬小龍，佘旭，張璐，蒲岳建，楊珍珍，呂輝，師淵超，杜明葉

?

基于產量的渭北旱地小麥施肥評價及減肥潛力分析

曹寒冰1，王朝輝1，趙護兵1，馬小龍1，佘旭1，張璐2，蒲岳建3，楊珍珍4，呂輝5，師淵超6，杜明葉7

（1西北農林科技大學資源環境學院/農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西楊凌712100；2陜西省蒲城縣農業技術推廣中心， 陜西蒲城 715500；3陜西省耀州區農業技術推廣中心，陜西耀州 727100；4陜西省彬縣農業技術推廣中心，陜西彬縣 713500；5陜西省鳳翔縣農業技術推廣中心，陜西鳳翔 721400；6陜西省永壽縣農業技術推廣中心，陜西永壽 713400；7陜西省合陽縣農業 技術推廣中心，陜西合陽 715300）

【目的】明確小農戶經營模式下小麥施肥現狀，為實現旱地小麥穩產增產和養分高效利用提供依據。【方法】通過連續5年對渭北旱地1 261個農戶的養分管理調研，以維持旱地小麥可持續生產為出發點，基于小麥產量確定的養分需求量，評價農戶施肥量，分析農戶施肥的問題及減肥潛力。【結果】調研農戶小麥籽粒產量介于750—9 000 kg·hm-2，平均4 243 kg·hm-2，屬于低產（＜2 640 kg·hm-2），偏低（2 640—3 780 kg·hm-2），中產（3 780—4 920 kg·hm-2），偏高（4 920—6 060 kg·hm-2），高產（＞6 060 kg·hm-2）等級的農戶依次占22.0%，22.2%，19.3%，22.8%，13.6%。農戶氮肥用量介于33—454 kg N·hm-2，平均188 kg N·hm-2；磷肥介于0—435 kg P2O5·hm-2，平均125 kg P2O5·hm-2；鉀肥介于0—201 kg K2O·hm-2，平均19 kg K2O·hm-2，農戶的施氮、磷和鉀量均與小麥產量無顯著相關關系。從低產到高產，施氮過量（偏高+很高）的農戶比例逐漸降低，由97.8%降低到18.0%；而施氮不足（偏低+很低）的農戶逐漸增多，由0.7%增加到45.9%。與氮肥類似，隨著產量水平提高，施磷過量的農戶比例也逐漸降低，但降低幅度小，由99.3%僅降低到70.9%，即過量施磷普遍存在。與氮、磷不同，在各產量水平下至少有60%的農戶施鉀不足。因此，在低產、產量偏低水平，重點是施氮量偏高或很高的農戶需減肥，減幅在24—144 kg N·hm-2、28%—73%氮肥；在中產、偏高和高產水平，既有減肥，也有增肥，減肥的重點是施氮量偏高或很高的農戶，減幅在50—181 kg N·hm-2、26%—51%氮肥，增肥的重點是施氮量偏低或很低的農戶，增幅在38—134 kg Nhm-2、41%—345%氮肥。針對農戶普遍施磷過量的問題，在不同產量水平，施磷量偏高的農戶應減少7—31 kg P2O5·hm-2、23%—33%的磷肥投入；施磷很高的農戶應減少85—118 kg P2O5·hm-2，61%—85%的磷肥投入。由于鉀肥用量普遍不足，施鉀很低或不施的農戶首先應改變不施鉀肥的習慣，根據不同產量水平施用鉀肥13—50 kg K2O·hm-2；施鉀偏低的農戶，應增加7—18 kg K2O·hm-2、35%—78%的鉀肥。【結論】相比于傳統的施肥評價中用統一的施肥量標準去評價不同產量水平的農戶施肥，本文提出了基于產量的農戶施肥評價和減肥潛力分析方法，適于目前中國小農戶農田經營模式，可以客觀、準確認識目前農戶隨意和過量施肥的問題，為進行有效調控施肥提供依據。

農戶；冬小麥；產量；施肥量；推薦施肥

0 引言

【研究意義】化肥，尤其是氮肥，對作物產量的貢獻達30%—50%[1-2]。施肥不足難以滿足作物需求，過量則會威脅作物-土壤-環境可持續發展[3-4]。目前，中國小麥產量占糧食總產的21%，單產達5 244 kg·hm-2[5]，由于分布區域廣且主要是小農戶經營，麥田養分管理不合理現象普遍存在[6-7]。因此，農戶既是養分管理的決策者，也是保障農業環境友好，節本增效的突破口。分析農戶養分管理現狀對于維持作物高產、實現養分高效，到2020年化肥用量零增長有重要意義。【前人研究進展】1970—2014年，中國化肥用量從3.5× 109kg增加到59.9×109kg，增加1 608%，同期糧食產量從2.4×1011kg增加到6.1×1011kg，增加153%[5]，化肥增幅遠超過糧食增幅。小麥生產中，農戶主要依賴經驗施肥或盲目施肥，沒有根據作物養分需求進行施肥是主要原因[8]。全國17個省14 000個農戶調研表明，中國75%的農戶施用化肥過量[9]。在蘇北，小麥平均施氮323 kg N·hm-2，其中52%的農戶氮肥過量[10]。河北曲周小麥平均施氮262 kg N·hm-2，92%的農戶過量；施磷188 kg P2O5·hm-2，94%的農戶過量；施鉀52 kg K2O·hm-2，42%的農戶過量[11]。陜西關中，小麥氮肥用量平均210 kg N·hm-2，超過55%的農戶過量；磷肥平均183 kg P2O5·hm-2，近60%的農戶過量；但該地區超過90%的農戶不施鉀肥[12]。可見，中國不同區域麥田養分管理不合理普遍存在。過量施氮在南方已造成主要河流總氮含量達到7—8 mg·L-1，在華北平原土壤和地下水硝酸鹽含量也顯著提高[13-14]。黃土高原中部的渭北旱塬是典型的旱地小麥種植區，以施75—105 kg N·hm-2、60—90 kg P2O5·hm-2、45—75 kg K2O·hm-2為區域合理施肥范圍評價表明，氮肥和磷肥過量的農戶分別為89%和75%，平均用量分別為226 kg N·hm-2和135 kg P2O5·hm-2，而76%的農戶鉀肥投入不足，平均用量為52 kg K2O·hm-2[15]。另有報道，以施120—160 kg N·hm-2、100—140 kg P2O5·hm-2、80—100 kgK2O·hm-2為合理施肥量，渭北旱地小麥氮磷肥投入過量的農戶分別為64%和36%，平均用量分別為198 kg N·hm-2和123 kg P2O5·hm-2，90%的農戶鉀肥投入不足，平均用量為33 kg K2O·hm-2[12]。可見，不同調研結果的農戶平均施肥量接近，但因參考的施肥標準不同，同在渭北旱地的合理與不合理施肥的農戶分布差異較大，尤其是磷肥。區域推薦施肥量通常來自多點田間肥效試驗[12]或區域平均產量對應的養分需求量[16]，兩種方法獲得的施肥標準均默認了試驗推薦量或平均產量的區域代表性。然而，受降水時空分布、地力水平不均引起的旱地小麥產量差異超過30%，可達5 000 kg·hm-2左右[17-18]。因此，田間肥效試驗的周期和地點分布均會影響評價標準的建立，進而影響農戶施肥評價結果。【本研究切入點】目前農戶施肥評價主要基于區域的合理施肥量，沒有考慮實際生產中不同地方、不同田塊的產量差異，以及由產量差異帶來的養分和肥料用量需求差異，忽視了低產田塊過量施肥的嚴重性，過高估計了高產田塊施肥過量的嚴重性問題。【擬解決的關鍵問題】利用渭北旱地小麥種植區連續多年多點農戶調研數據，基于小麥產量分布，提出了基于田塊產量差異的旱地小麥農戶施肥評價方法，以期更客觀準確地分析和認識旱地小麥施肥現狀，明確農戶養分管理存在的問題和減肥潛力，為實現旱地小麥合理施肥、綠色可持續生產提供支撐。

1 材料與方法

1.1 調研區域概況

渭北旱塬位于陜北溝壑區以南，關中平原灌區以北，介于北緯34°29′—36°24′，東經106°26′—110°37′之間，東臨黃河與山西為界，西抵隴山和甘肅接壤，總面積為3.62×104km2；行政區域包括寶雞、咸陽、渭南、銅川、延安5地（市）中的23個縣（區）。該地區平均氣溫介于7.0—13.5℃，平均降水介于500—700 mm，各地區降水量年際間變化很大，降水多的年份可達800—1 000 mm，少的年份可在400 mm以下。另外，受季風影響，降水主要集中在6—9月，占年降水量50%以上[19]。黑壚土和黃綿土是該地區主要土壤類型，區域土壤有機質平均為12.9 g·kg-1，速效磷15.4 mg·kg-1，速效鉀164.2 mg·kg-1[15]。冬小麥是該地區主要糧食作物，一年一熟制種植。

1.2 調研方法及內容

2011—2015年，連續5年在渭北旱塬小麥種植區進行多點農田養分管理調研，包括寶雞市鳳翔縣、咸陽市永壽和彬縣、渭南市蒲城和合陽縣、銅川市耀州區的42個村，調研農戶總數為1 261戶。調查內容主要包括小麥產量及其對應的肥料品種、施肥時期、施肥量、施肥方法和其他田間管理措施等。

1.3 產量分級標準

調研1 261戶的小麥籽粒產量介于750—9 000 kg·hm-2，90%的農戶產量集中在1 500—7 200 kg·hm-2。以小麥產量的第5%分位數（1 500 kg·hm-2）和95%分位數（7 200 kg·hm-2）為最低和最高限求極差（5 700 kg·hm-2），然后以等產量間距（1 140 kg·hm-2）分成5個范圍。小麥產量等級從低到高依次分為＜2 640 kg·hm-2（低產），2 640—3 780 kg·hm-2（偏低），3 780— 4 920 kg·hm-2（中產），4 920—6 060 kg·hm-2（偏高），＞6 060 kg·hm-2（高產）（圖1）。

圖1 農戶小麥產量分級

1.4 合理施肥標準

在黃土高原旱地，由于長期的農業耕作和水土流失，農田土壤有機質含量普遍偏低，供肥和保肥能力通常較差，特別是有機氮含量低，磷固定作用強，影響對作物的氮磷供應。因此，在這一地區，不同田塊的土壤肥力水平和養分供應能力雖有差異，但施肥的目標除了維持或提高作物產量外，還必需考慮土壤培肥，即通過肥料投入調控和提升土壤養分供應能力，實現“藏糧于地”的目標。因此，確定不同產量的合理施肥量，需在維持農田土壤養分平衡和肥力水平提升的基礎上，考慮作物產量形成對養分的需求，提出：

合理施肥量（recommended fertilization rate，Rec）=養分攜出量=產量×養分需求量×調整系數 （1）

式中，的產量為由農戶調研獲得的實際田塊產量。養分需求量指冬小麥的百公斤籽粒養分需求量。受降水、氣溫、生產條件等影響，不同區域小麥養分需求量不同[20-22]。渭北旱地生產100 kg小麥需氮（N）2.8 kg、需磷（P2O5）0.7 kg、需鉀（K2O）2.4 kg[23]。調整系數指根據研究區域土壤養分供應能力確定的調整施肥數量高低的參數。

合理施氮量（RecN）（kg N·hm-2）=產量（kg·hm-2）/100×2.8（kg N·(100·kg-1grain)）×1.0 （2）

式中，1.0為施氮調整系數。考慮當地小麥生產中普遍存在氮素投入過量[12, 15]且土壤中過多殘留的氮素易受降水影響向深層淋溶，造成損失[24]，因此認為施用氮肥只需補足作物帶走的氮素即可。

合理施磷量（RecP）（kg P2O5·hm-2）=產量（kg·hm-2)/ 100×0.7（kg P2O5·（100·kg-1grain））×1.5 （3）

式中，1.5為施磷調整系數。因旱地農田土壤速效磷易被固定[25]，因此施用磷肥量設為小麥地上部吸磷量的1.5倍。

合理施鉀量（RecK）（kg K2O·hm-2）=農戶產量（kg·hm-2）/100×2.4（kg K2O·（100·kg-1grain））×0.3×1.0 （4）

式中，1.0為施鉀調整系數。因西北農田土壤速效鉀含量普遍較高，高于農田土壤速效鉀臨界含量[26]，且有報道顯示渭北旱地土壤平均速效鉀含量高達160 mg·kg-1[15]，因此認為施用鉀肥只需補足作物帶走的鉀素即可。另外當前小麥收獲后秸稈普遍還田，而秸稈中鉀素占作物吸鉀量的70%以上[22-23]，所以小麥目標產量需鉀量僅為理論需鉀量0.3倍。

1.5 農戶施肥等級指標

在以往的研究中，常直接給定一個區域合理施肥量范圍[15]，或以給定的區域合理施肥量為中心值，以合理施肥量的20%—40%為變幅[12, 16]分為3—5級進行分析和評價。本研究以由各農戶實際產量計算的推薦施肥量為合理施肥量（Rec），以推薦施肥量的40%為變幅，分為5級進行評價（圖2），從低到高依次為0—0.4 Rec（很低）；0.4 Rec—0.8 Rec（偏低）；0.8 Rec—1.2 Rec（適中）；1.2 Rec—1.6 Rec（偏高）；＞1.6 Rec（很高）。與采用區域合理施肥量作為標準評價該區域所有農戶施肥量的方法不同，此方法將每一個農戶的實際施肥量（FP）與其每個田塊不同產量水平對應的合理施肥量（Rec）比較。從上述合理施肥量的計算過程可知，這樣既考慮了區域土壤肥力調控和提升的需求，又考慮了不同產量水平養分需求數量的差異，因而更為客觀準確。

2 結果

2.1 旱地小麥產量

1 261戶的調研發現，從低到高5個產量等級的平均產量依次為1 828，3 383，4 462，5 584和6 975 kg·hm-2，各產量等級的農戶分布比例分別是22.0%（n=277），22.2%（n=280），19.3%（n=244），22.8%（n=288）和13.6%（n=172）（圖3）。可見，旱地小麥產量不僅變異大，且高產農戶比例少于其他產量水平。

圖2 農戶施肥等級

柱子上方的數值表示在各產量范圍農戶的平均產量

2.2 旱地小麥產量和施肥量的關系

分析農戶小麥產量和施肥量的關系發現 （圖4），氮肥用量介于33—454 kg N·hm-2，平均為188 kg N·hm-2；磷肥介于0—435 kg P2O5·hm-2，平均為125 kg P2O5·hm-2；鉀肥介于0—201 kg K2O·hm-2，平均為19 kg K2O·hm-2。與農戶間小麥產量分布類似，氮、磷和鉀肥施肥量均變異很大，變異系數依次為37.5%，47.7%和173.5%。但是，農戶產量和氮、磷及鉀肥用量間均不存在相關性。說明產量與施肥量無關，即在同一施肥量水平下，小麥產量可能很高，也可能很低。

2.3 農戶養分投入分布

2.3.1 農戶施氮評價 根據不同農戶產量對應的氮肥合理用量評價農戶的實際施氮量，結果顯示（圖5），在所有農戶中（n=1 261），施氮很低、偏低、適中、偏高和很高的農戶逐漸增多，依次分別占0.7%、10.8%、19.5%、22.0%和47.0%，即施氮合理的農戶僅占19.5%，且施氮不合理主要表現在69.0%的農戶過量施氮（偏高+很高）。

分析農戶施氮量在不同產量水平的分布顯示（圖5），從低產到高產，施氮過量（偏高+很高）的農戶分布比例逐漸降低，由97.8%降低到18.0%；施氮量適中的農戶逐漸增加，由1.4%提高到36.0%；同樣，施氮不足（偏低+很低）的農戶也逐漸增多，由0.7%增加到45.9%。可見，調研區域施氮過量的問題主要是中低產量水平的農戶過量施氮，而偏高和高產水平的農戶施氮不足的問題同樣應引起關注。

2.3.2 農戶施磷現狀 結果顯示（圖5），所有農戶中（n=1 261），施磷很低、偏低、中等、偏高和很高的比例依次為1.6%、0.9%、6.2%、10.5%和80.8%，即施磷合理的農戶僅占6.2%，同氮肥一樣，農戶施磷不合理也主要表現為過量施磷，且過量農戶竟高達91.4%，超過了過量施氮的農戶。

分析農戶施磷量在不同產量水平的分布顯示（圖5），隨著產量水平提高，施磷過量的農戶分布比例雖然也在逐漸降低，但由99.3%僅降低到70.9%，表明即使在高產水平過量施磷現象也普遍存在。因此，磷肥管理的難點是不同產量水平農戶均存在嚴重的過量施磷問題。

圖5 不同施肥等級的農戶在各產量水平的分布

2.3.3 農戶施鉀現狀 結果顯示（圖5），1 261農戶中，施鉀很低、偏低、中等、偏高和很高的比例依次為67.2%、2.5%、6.7%、3.8%和19.8%，即施鉀合理的農戶僅占6.7%，與氮、磷肥不同，農戶施鉀不合理主要表現為施鉀不足，所占比例接近70%。

分析農戶施鉀量在不同產量水平分布顯示（圖5），與氮、磷肥用量分布相比，施鉀過量的農戶隨著產量水平提高也在降低，由39.6%降低到14.3%，分別低于過量施氮和過量施磷在各產量水平的分布。不同的是，施鉀不足的農戶在各產量水平分別至少占60%。可見，在合理施用氮磷肥的前提下增施鉀肥應是鉀肥管理的要點。

2.4 當前農戶的減肥潛力

2.4.1 氮肥減肥潛力 比較農戶施氮量和推薦施氮量發現（表1），減少氮肥投入的潛力因農戶目前的產量和施肥水平而異。總體來看，所有農戶的平均推薦量為119 kg N·hm-2，而農戶習慣的實際施肥量為188 kg N·hm-2，可減少69 kg N·hm-2、37%的氮肥投入。針對氮肥由低產水平的施肥過量變為高產水平的施肥不足的現象（圖5），在低產和產量偏低水平，重點是施氮量偏高或很高的農戶減肥，減幅在24—144 kg N·hm-2、28%—73%。在中產到高產水平，既有減肥，也有增肥。減肥的重點是施氮量偏高或很高的農戶，減幅在50—181 kg N·hm-2、26%—51%；增肥的重點是施氮量偏低或很低的農戶，增幅在38—134 kg N·hm-2、41%—345%。

2.4.2 磷肥減肥潛力 比較農戶施磷量和推薦施磷量發現（表2），減少磷肥投入的潛力同樣因產量和施肥水平而異。就總體來看，所有農戶平均推薦量為45 kg P2O5·hm-2，而農戶習慣的施肥量為125 kg P2O5·hm-2，可減少80 kg P2O5·hm-2，減少64%的磷肥投入。針對不同產量水平農戶普遍施磷過量的現象（圖5），低產、偏低、中等、偏高和高產水平的農戶，施磷偏高的應減少7—31 kg P2O5·hm-2，23%—33%的磷肥投入；施磷很高的應減少85—118 kg P2O5·hm-2，61%—85%的磷肥投入。

2.4.3 鉀肥減肥潛力 比較農戶施鉀量和推薦施鉀量發現（表3），鉀肥的減肥潛力在于低產水平中施鉀很高的農戶，可減少鉀肥32 kg K2O·hm-2，減少71%。就總體來看，所有農戶平均推薦量為31 kg K2O·hm-2，而農戶習慣的施肥量為19 kg K2O·hm-2，需增加12 kg K2O·hm-2，增加63%。針對農戶普遍施鉀不足的問題（圖5），對于低產、偏低、中等、偏高和高產水平的農戶，施鉀很低的農戶應改變不施鉀肥的習慣，根據產量水平變化施用13—50 kg K2O·hm-2的鉀肥；施鉀偏低的農戶，應增加7—18 kg K2O·hm-2，35%—78%的鉀肥。

表1 各產量水平和不同施肥等級農戶習慣的平均施氮量和推薦的平均施氮量

FP指農戶施肥量；Rec指推薦施肥量；Reduction指推薦施肥較農戶施肥減肥量；%表示減肥幅度。下同

FP: Fertilizer rate used by farmers; Rec: Recommended rate; Reduction: Rec minus FP; %: The extent of reduction. The same as below

表2 各產量水平和不同施肥等級農戶習慣的平均施磷量和推薦的平均施磷量

表3 各產量水平和不同施肥等級農戶習慣的平均施鉀量和推薦的平均施鉀量

3 討論

3.1 旱地農戶小麥產量與施肥

本研究1 261份調研數據顯示渭北小麥平均產量4 243 kg·hm-2，與之前報道的4 232 kg hm-2一致[27]。綜合渭北[12, 27]、晉南[28]、定西[29]等地區調研發現，黃土高原旱地小麥平均產量2 400—4 300 kg·hm-2，低于中國小麥平均產量（5 244 kg·hm-2）[5]。與其他半濕潤易旱區一樣，水分決定了黃土高原旱地小麥生產潛力[25]。施肥是實現作物潛力產量和培肥土壤的關鍵措施。如果不考慮環境養分投入或土壤作物系統向環境的養分損失，或認為兩者基本平衡[30]，為了維持作物高產和土壤肥力，養分的投入至少應等于作物攜出，如欲使土壤肥力水平有所提高，養分的投入應適當高于作物攜出。從20世紀80年代后期，開始重視養分投入至今，黃土高原旱地農田土壤氮素殘留量明顯增加，特別是硝態氮殘留已成為一個必須重視的問題[31]，土壤有效磷水平也明顯提升[15]，但因長期認為土壤有效鉀豐富，而忽視鉀肥施用，作物收獲帶走的鉀素未得到補充，這一地區土壤鉀素一直處于消耗狀態[26]。所以，雖然該地區土壤有效鉀豐富，長期只重視氮肥和磷肥，而忽視鉀肥，也會因土壤鉀素消耗導致一些田塊氮磷鉀供應能力失衡[26]。

因此，當土壤中殘留養分過多、或養分供應能力不平衡時，肥料養分的過量或不平衡施入就會存在減產的風險。本研究分析農戶產量和施肥量發現，農戶產量范圍為750—9 000 kg·hm-2；氮、磷和鉀肥用量分別為33—454 kg N·hm-2，0—435 kg P2O5·hm-2和0—201 kg K2O·hm-2，產量和氮、磷、鉀肥用量均不相關。正常情況下，作物產量與施肥量的關系應遵循報酬遞減律[32]、產量與施肥量呈二次模型或線性加平臺模型關系[33-34]，但本調研中發現農戶產量與施肥量之間并非如此。施肥量很低或偏低的農戶仍可獲得高產，可能是長期過量施肥造成土壤養分大量殘留，即使不施肥或少施肥，也可使作物獲得較高的產量。當然，在原土壤養分殘留過高的情況下，繼續高量施肥，也會使作物減產，這可能就是高量施肥農戶，小麥產量反而不高的原因。另外，施肥不平衡，養分投入比例與作物需求不符合，也會導致某種養分投入高，而產量不高。

在土壤累積有大量肥料殘留氮素的情況下，研究顯示即使僅施14—91 kg N·hm-2的低量氮肥也可保證小麥獲得甚至比農戶更高的產量[35]，但低量氮肥投入維持兩個小麥季后，施氮水平應調整到接近目標產量需氮量，否則就會減產[36]，因此，考慮到土壤原有的肥料氮素殘留，本研究提出黃土高原區旱地氮肥施用量的調整系數為1.0。在綜合國內相關研究的基礎上，Li等[37]指出中國小麥土壤速效磷適宜含量介于20—40 mg·kg-1。本調研區域66%的土壤速效磷含量介于10—20 mg·kg-1[33]，平均為15.2 mg·kg-1[15]，低于這一水平，且旱地土壤pH普遍較高，容易造成施入土壤的肥料磷的固定，因此，建議推薦施磷量為目標產量需磷量的1.5倍。與氮和磷不同，調研區域土壤速效鉀含量平均在150 mg·kg-1左右[15, 23]，當地90%的土壤速效鉀含量高于100 mg·kg-1[33]，因此認為推薦施鉀量與作物攜出量相當即可，鉀肥用量的調整系數為1.0。

3.2 基于產量的農戶小麥施肥評價與減肥潛力分析

施肥的主要目的是補充作物攜出的養分，以維持土壤肥力。然而，近期研究表明，中國農田氮素盈余問題嚴重，平均達74 kg N·hm-2[7]。華北平原小麥-玉米輪作體系氮盈余227 kg N·hm-2，磷盈余121 kg P2O5·hm-2[3]；黃土高原冬小麥-夏休閑耕作體系氮素盈余量74 kg N·hm-2，磷盈余65 kg P2O5·hm-2，而鉀處于虧缺狀態[27]。要解決這一問題，需從田塊尺度的養分管理問題入手，這是由中國小農戶經營模式決定的。本研究中，渭北農戶小麥平均施氮188 kg N·hm-2、施磷125 kg P2O5·hm-2、施鉀19 kg K2O·hm-2；施氮和施磷過量農戶分別占69%和91%，施鉀不足的占70%。與趙護兵等[12]和劉芬等[15]報道的結果相比，3種肥料平均用量及對氮過量、鉀不足的評價結果一致，但本研究中過量施磷農戶占91%，高于趙護兵和劉芬的結果，原因是本研究磷肥平均推薦量為45 kg P2O5·hm-2，低于趙護兵等提出的60—90 kg P2O5·hm-2、劉芬等提出的100—140 kg P2O5·hm-2的推薦施磷范圍。從全國70個10年以上的肥料定位試驗結果看，保證4 500—6 000 kg·hm-2的糧食產量，適宜的施磷范圍為45—75 kg P2O5·hm-2即可[38]，所以結合中國近年農田土壤有效磷不斷上升的趨勢[39]和當地小麥產量水平，用本文提出的方法推薦旱地磷肥用量均為合適。

針對農戶施肥不合理的問題，對大量田間試驗的總結研究提出施氮量應因產量而異[40]，產量小于6 000 kg·hm-2，氮用量為120—180 kg N·hm-2；介于6 000—7 500 kg·hm-2，氮用量為180—225 kg N·hm-2；大于7 500 kg·hm-2，氮用量為240—300 kg N·hm-2。因此，如果用不變的施肥量標準去評價不同產量水平的農戶施肥情況，難免會忽視低產農戶施肥過量的嚴重性和高產農戶施肥不足的問題。從本研究結果來看，對于低產和產量偏低農戶，重點是施肥量偏高或很高農戶的減肥問題，對于中產到高產的農戶，既有施肥量偏高或很高農戶的減肥問題，也有施肥量偏低或很低農戶的增肥問題。3種肥料施用過量或不足表現不一致，氮肥由低產水平的施肥過量變為高產水平的施肥不足，磷肥在各產量水平均表現為施肥過量，而鉀肥在各產量水平主要表現為施肥不足。因此，針對農戶氮磷鉀施肥在各產量水平存在問題的差異，就氮肥而言，對于低產和產量偏低農戶，重點是施氮量偏高或很高的農戶減肥，減幅在24—144 kg N·hm-2、28%—73%；對于中產到高產的農戶，既有減肥，也有增肥，減肥的重點是施氮量偏高或很高的農戶，減幅在50—181 kg N·hm-2、26%—51%，增肥的重點是施氮量偏低或很低的農戶，增幅在38—134 kg N·hm-2、41%—345%。對磷肥而言，在低產、偏低、中等、偏高和高產水平的農戶中，施磷偏高的應減少7—31 kg P2O5·hm-2，23%—33%的磷肥投入，施磷很高的應減少85—118 kg P2O5·hm-2，61%—85%的磷肥投入；對鉀肥而言，在低產、偏低、中等、偏高和高產水平的農戶中，施鉀很低的應改變不施鉀肥的習慣，根據產量水平變化施用13—50 kg K2O·hm-2的鉀肥，施鉀偏低的，應增加7—18 kg K2O·hm-2，35%—78%的鉀肥。

集中農戶土地進行統一經營、采用精準施肥管理可降低施肥量，提高肥料效率[41]。在渭北旱地農戶一般經營1—3塊不同產量潛力的農田，這些地塊通常存在較大肥力水平差異，鼓勵農戶對不同產量潛力及由此而產生養分需求差異進行施肥，才能做到合理、精量施肥。2015年，筆者在山西，陜西，甘肅三省同時開展旱地小麥農戶施肥調研發現，山西垣曲縣魯家坡村合作社60 hm2麥田，在年降水量716 mm和統一施氮135 kg N·hm-2、施磷165 kg P2O5·hm-2、施鉀38 kg K2O·hm-2的條件下，通過采樣測定其中36塊地的產量變化介于3 268—8 073 kg·hm-2，變異系數為28%。可見，即使同一地點、統一的管理、同樣的施肥量，不同地塊間產量潛力差異仍存在，而目前能真正確切知道不同地塊產量潛力的只有田塊擁有者，即農戶自己[36]。因此，基于產量水平的施肥評價和施肥調控，目的就在于讓農戶可以根據自己所知道的自家地塊的作物產量潛力對自己目前的施肥進行分析并合理調整。本文氮、磷、鉀肥料減肥潛力的分析表（表1、表2、表3）可作為農戶判斷并調整施肥的依據，當然，農戶也可以基于自己田塊的小麥產量，利用本文提出的推薦施肥量計算公式（材料方法1.4）進行施肥量計算與調控。

4 結論

本文以土壤肥力調控和提升為出發點，提出了基于產量水平的旱地農戶施肥評價和減肥潛力分析方法和思路，適于目前中國小農戶農田經營模式，可以客觀、準確地認識目前農戶隨意施肥、過量施肥問題，為進行有效調控提供依據。對旱地1 261個農戶小麥施肥調研分析發現，旱地小麥產量低且變異大，氮磷鉀施用不足和過量均存在。基于農戶產量水平的分析評價表明，對于低產和產量偏低農戶，重點是施肥量偏高或很高農戶的減肥問題，應減少24—144 kg N·hm-2，28%—73%的氮肥，7—105 kg P2O5·hm-2，23%—85%的磷肥，8—48 kg K2O·hm-2，26%—71%的鉀肥。對于中產到高產的農戶，既有施肥量偏高或很高農戶的減肥問題，應減少50—181 kg N·hm-2，26%—51%的氮肥，23—72 kg P2O5·hm-2，30%—118%的磷肥，12—67 kg K2O·hm-2，23%—66%的鉀肥；也有不施肥、施肥量偏低或很低農戶的增肥問題，應施用或增施氮肥38—134 kg·hm-2，磷肥14—62 kg·hm-2，鉀肥12—49 kg·hm-2。

References

[1] 金繼運, 李家康, 李書田. 化肥與糧食安全. 植物營養與肥料學報, 2006, 12(5): 601-609.

Jin J Y, Li J K, Li S T. Chemical fertilizer and food security., 2006, 12(5): 601-609. (in Chinese)

[2] Erisman J W, Sutton M A, Galloway J, Klimont Z, Winiwarter W. How a century of ammonia synthesis changed the world., 2008, 1(10): 636-639.

[3] Vitousek P M, Naylor R, Crews T, David M, Drinkwater L, Holland E, Johnes P, Katzenberger J, Martinelli L, Matson P. Nutrient imbalances in agricultural development., 2009, 324(5934): 1519-1520.

[4] Zhang X, Davidson E A, Mauzerall D L, Searchinger T D, Dumas P, Shen Y. Managing nitrogen for sustainable development., 2015, 528(7580): 51-59.

[5] National Bureau of Statistics of China. China Statistic Yearbook (2016- 02-29) [2016-11-30]. http://www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/2015/indexeh.htm.

[6] Sims J T, Ma L, Oenema O, Dou Z, Zhang F S. Advances and challenges for nutrient management in China in the 21st century., 2013, 42(4): 947-950.

[7] Chen X P, Cui Z L, Fan M S, Vitousek P, Zhao M, Ma W Q, Wang Z L, Zhang W J, Yan X Y, Yang J C, Deng X P, Gao Q, Zhang Q, Guo S W, Ren J, Li S Q, Ye Y L, Wang Z H, Huang J L, Tang Q Y, Sun Y X, Peng X L, Zhang J W, He M R, Zhu Y J, Xue J Q, Wang G L, Wu L, An N, Wu L Q, Ma L, Zhang W F, Zhang F S. Producing more grain with lower environmental costs., 2014, 514(7523): 486-489.

[8] Zhang W F, Cao G X, Li X L, Zhang H Y, Wang C, Liu Q Q, Chen X P, Cui Z L, Shen J B, Jiang R F, Mi G H, Miao Y X, Zhang F S, Dou Z X. Closing yield gaps in China by empowering smallholder farmers., 2016, 537(7622): 671-674.

[9] 張衛峰, 馬文奇, 王雁峰, 張福鎖. 中國農戶小麥施肥水平和效應的評價. 土壤通報, 2008, 39(5): 1049-1055.

Zhang W F, Ma W Q, Wang Y F, Zhang F S. Assessment on farmers' fertilization behavior for wheat production in China., 2008, 39(5): 1049-1055. (in Chinese)

[10] 馬立珩. 江蘇省水稻、小麥施肥現狀的分析與評價[D]. 南京: 南京農業大學, 2011.

Ma L H. Analysis and evaluation of the current status of rice and wheat fertilization in jiangsu province[D]. Nanjing: Nanjing Agricultral University, 2011. (in Chinese)

[11] 牛新勝, 張宏彥. 華北平原冬小麥-夏玉米生產肥料管理現狀分析. 耕作與栽培, 2010(5): 1-4.

Niu X S, Zhang H Y. Fertilizer management status analysis on winter wheat and summer maize in North Central China., 2010(5): 1-4. (in Chinese)

[12] 趙護兵, 王朝輝, 高亞軍, 張衛峰. 陜西省農戶小麥施肥調研評價. 植物營養與肥料學報, 2016, 22(1): 245-253.

Zhao H B, Wang Z H, Gao Y J, Zhang W F. Investigation and evaluation of household wheat fertilizer application in Shaanxi province., 2016, 22(1): 245-253. (in Chinese)

[13] Ju X T, Roelcke M. Nitrogen fertilization, soil nitrate accumulation, and policy recommendations in several agricultural regions of China., 2004, 33(6): 300-305.

[14] Zhao R F, Chen X P, Zhang F S, Zhang H L, Jackie S, Volker R. Fertilization and nitrogen balance in a wheat-maize rotation system in North China., 2006, 98(4): 938-945.

[15] 劉芬, 王小英, 趙業婷, 同延安. 渭北旱塬土壤養分時空變異與養分平衡現狀分析. 農業機械學報, 2015, 46(2): 110-119.

Liu F, Wang X Y, Zhao Y T, Tong Y A. Spatial and temporal variation of soil nutrient and nutrient balance status in Weibei Rainfed Highland., 2015, 46(2): 110-119. (in Chinese)

[16] 段敏. 陜西關中地區小麥玉米養分資源管理及其高產探索研究[D]. 楊凌: 西北農林科技大學, 2010.

Duan M. Study on nutrients management and high yield of wheat and maize in Guanzhong area of Shaanxi province[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2010 (in Chinese)

[17] Guo S L, Zhu H H, Dang T H, Wu J S, Liu W Z, Hao M D, Li Y, Syers J K. Winter wheat grain yield associated with precipitation distribution under long-term nitrogen fertilization in the semiarid Loess Plateau in China., 2012, 189-190(6): 442-450.

[18] Fan T L, Stewart B A, Wand Y, Luo J J, Zhou G Y. Long-term fertilization effects on grain yield, water-use efficiency and soil fertility in the dryland of Loess Plateau in China., 2005, 106(4): 313-329.

[19] 韓思明, 薛少平. 渭北高原降水資源機械化高效利用圖文集. 西安: 陜西科學技術出版社, 2006.

Han S M, Xue S P.. Xi’an: Shaanxi Science and Technology Press, 2006. (in Chinese)

[20] 車升國, 袁亮, 李燕婷, 林治安, 沈兵, 胡樹文, 趙秉強. 我國主要麥區小麥氮素吸收及其產量效應. 植物營養與肥料學報, 2016, 22(2): 287-295.

Che S G, Yuan L, Li Y T, Lin Z A, Shen B, Hu S W, Zhao B Q. N uptake and yield response of wheat in main wheat production regions of China., 2016, 22(2): 287-295. (in Chinese)

[21] 車升國, 袁亮, 李燕婷, 林治安, 李燕青, 趙秉強, 沈兵. 我國主要麥區小麥產量形成對磷素的需求. 植物營養與肥料學報, 2016, 22(4): 869-876.

Che S G, Yuan L, Li Y T, Lin Z A, Li Y Q, Zhao B Q, Shen B. Phosphorous requirement for yield formation of wheat in main wheat production regions of China., 2016, 22(4): 869-876. (in Chinese)

[22] Chuan L M, He P, Jin J Y, Li S T, Grant C, Xu X P, Qiu S J, Zhao S C, Zhou W. Estimating nutrient uptake requirements for wheat in China., 2013, 146: 96-104.

[23] 曹寒冰. 渭北旱地冬小麥監控施肥技術的優化[D]. 楊凌: 西北農林科技大學, 2014.

Cao H B. Optimization of fertilizer recommendation tecnology based on soil test for winter wheat on Weibei Dayland[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2014. (in Chinese)

[24] Zhou J Y, Gu B J, Schlesinger W H, Ju X T. Significant accumulation of nitrate in Chinese semi-humid croplands., doi: 10.1038/srep25088.

[25] Li S X, Wang Z H, Malhi S, Li S Q, Gao Y J, Tian X H. Nutrient and water management effects on crop production, and nutrient and water use efficiency in dryland areas of China., 2009, 102(9): 223-265.

[26] He P, Yang L P, Xu X P, Zhao S C, Chen F, Li S T, Tu S H, Jin J Y, Johnston A M. Temporal and spatial variation of soil available potassium in China (1990–2012)., 2015, 173: 49-56.

[27] Wang X Y, Tong Y A, Gao Y M, Gao P C, Liu F, Zhao Z P, Pang Y. Spatial and temporal variations of crop fertilization and soil fertility in the Loess Plateau in China from the 1970s to the 2000s., 2014, 9(11): e112273.

[28] 侯現良, 孫敏, 王帥, 梁宇寧, 申鵬程. 2014年聞喜縣旱地小麥肥料管理調查分析. 山西農業科學, 2015, 43(8): 959-961, 967.

Hou X L, Sun M, Wang S, Liang Y N, Shen P C. Investigation and analysis on fertilizer management of dryland wheat in Wenxi county in 2014.2015, 43(8): 959-961, 967. (in Chinese)

[29] 陳偉, 孫建好, 趙建華. 甘肅省小麥施肥現狀分析與評價. 干旱地區農業研究, 2013, 31(2): 23-27.

Chen W, Sun J H, Zhao J H. Analysis and evaluation of fertilization situation for wheat in Gansu province., 2013, 31(2): 23-27. (in Chinese)

[30] Ju X T, Christie P. Calculation of theoretical nitrogen rate for simple nitrogen recommendations in intensive cropping systems: A case study on the North China Plain., 2011, 124(3): 450-458.

[31] Guo S L, Wu J S, Dang T H, Liu W Z, Li Y, Wei W X, Syers J K. Impacts of fertilizer practices on environmental risk of nitrate in semiarid farmlands in the Loess Plateau of China., 2010, 330(1): 1-13.

[32] 譚金芳. 作物施肥原理與技術. 北京: 中國農業大學出版社, 2011.

Tan J F.. Beijing: China Agricultural University Press, 2011. (in Chinese)

[33] 李茹, 單燕, 李水利, 林文, 劉芬, 同延安. 陜西麥田土壤肥力與施肥現狀評估. 麥類作物學報, 2015, 35(1): 105-110.

Li R, Shan Y, Li S L, Lin W, Liu F, Tong Y A. Analysis of soil fertility and fertilization of wheat field in Shaanxi., 2015, 35(1): 105-110. (in Chinese)

[34] Liu H, Wang Z, Yu R, Li F, Li K, Cao H, Yang N, Li M, Dai J, Zan Y, Li Q, Xue C, He G, Huang D, Huang M, Liu J, Qiu W, Zhao H, Mao H. Optimal nitrogen input for higher efficiency and lower environmental impacts of winter wheat production in China., 2016, 224: 1-11.

[35] 章孜亮, 劉金山, 王朝輝, 趙護兵, 楊寧, 楊榮, 曹寒冰. 基于土壤氮素平衡的旱地冬小麥監控施氮. 植物營養與肥料學報, 2012, 18(6): 1388-1397.

Zhang Z L, Liu J S, Wang Z H, Zhao H B, Yang N, Yang R, Cao H B. Nitrogen recommendation for dryland winter wheat by monitoring nitrate in 1 m soil and based on nitrogen balance., 2012, 18(6): 1388-1397. (in Chinese)

[36] 巨曉棠. 理論施氮量的改進及驗證—兼論確定作物氮肥推薦量的方法. 土壤學報, 2015, 52(2): 249-261.

Ju X T. Improvement and validation of theoretical N rate (TNR)—Discussing the methods for N fertilizer recommendation., 2015, 52(2): 249-261. (in Chinese)

[37] Li H, Huang G, Meng Q, Ma L, Yuan L, Wang F, Zhang W, Cui Z, Shen J, Chen X. Integrated soil and plant phosphorus management for crop and environment in China. A Review., 2011, 349(1/2): 157-167.

[38] 林葆, 林繼雄, 李家康. 長期施肥的作物產量和土壤肥力變化. 植物營養與肥料學報, 1994, 1(1): 6-18.

Lin B, Lin J X, Li J K. The changes of yield and soil fertility with long-term fertilizer application., 1994, 1(1): 6-18. (in Chinese)

[39] Ma J C, He P, Xu X P, He W T, Liu Y X, Yang F Q, Chen F, Li S T, Tu S H, Jin J Y. Temporal and spatial changes in soil available phosphorus in China (1990–2012)., 2016, 192: 13-20.

[40] 葉優良, 韓燕來, 王文亮, 黃玉芳. 高產小麥氮肥施用研究進展. 中國農學通報, 2006, 22(9): 264-267.

Ye Y L, Han Y L, Wang W L, Huang Y F. Advance on nitrogen fertilizer application in winter wheat with high yield., 2006, 22(9): 264-267. (in Chinese)

[41] Ju X T, Gu B J, Wu Y, Galloway J N. Reducing China’s fertilizer use by increasing farm size., 2016, 41: 26-32.

（責任編輯 楊鑫浩）

Yield Based Evaluation on Fertilizer Application and Analysis of Its Reduction Potential in Weibei Dryland Wheat Production

Cao HanBing1, Wang ZhaoHui1, Zhao HuBing1, Ma XiaoLong1, She Xu1, Zhang Lu2, Pu YueJian3, Yang ZhenZhen4, Lü Hui5, Shi YuanChao6, Du MingYe7

(1College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University/Key Laboratory of Plant Nutrition and Agro-Environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, Shaanxi;2Agricultural Technology Extension Centers of Pucheng, Pucheng 715500, Shaanxi;3Agricultural Technology Extension Centers of Yaozhou, Yaozhou 727100, Shaanxi;4Agricultural Technology Extension Centers of Binxian, Binxian 713500, Shaanxi;5Agricultural Technology Extension Centers of Fengxiang, Fengxiang 721400, Shaanxi;6Agricultural Technology Extension Centers of Yongshou, Yongshou 713400, Shaanxi;7Agricultural Technology Extension Centers of Heyang, Heyang 715300, Shaanxi)

【Objective】It is of great significance to clarify the farmers’ nutrient input situation for the realization of stable yield, high yield, and high nutrient use efficiency in dryland wheat production.【Method】A 5-yr long farm survey of 1 261 farmers was carried out to analyze and evaluate their fertilizer applications and the fertilizer reduction potential in Weibei dryland, based on the nutrient requirement determined by the corresponding wheat grain yields and sustainable development of dryland wheat production.【Result】Obtained results showed the farmers’ wheat yields ranged from 750 to 9 000 kg hm-2, with the average of 4 243 kg·hm-2, and they were allocated into five groups as: very low (＜2 640 kg·hm-2), low (2 640-3 780 kg·hm-2), moderate (3 780-4 920 kg·hm-2), high (4 920-6 060 kg·hm-2) and very high (＞6 060 kg·hm-2), respectively, accounting for 22.0%, 22.2%, 19.3%, 22.8% and 13.6% of the total. Farmers’ nitrogen (N) application rates ranged from 33 to 454 kg N·hm-2with an average of 188 kg N·hm-2, phosphorus (P) ranged from 0 to 435 kg P2O5·hm-2with an average of 125 kg P2O5·hm-2, and potassium ranged from 0 to 201 kg K2O·hm-2with an average of 19 kg K2O·hm-2. However, farmers’ yields showed no significant correlations with the N, P, and K rates, respectively. With the increase of grain yield levels, the proportion of N over application farmers decreased from 97.8% in the very low yield group to 18.0% in very high group, but that of N deficient application farmers increased from 0.7% to 45.9%, correspondingly. Similar to N, the proportion of P over application farmers decreased from 99.3% in very low yield group to 70.9% in very high yield group, and this means P over application was practiced by more than 70.0% of farmers in each yield group. Different from N and P, K deficient application was practiced by more than 60.0% of farmers in each yield group. Therefore, for N, farmers in very low and low yield groups were recommended to reduce 24-144 kg N·hm-2, 28%-73% from their high or very high N application rates, and farmers in moderate, high and very high yield groups were recommended to reduce 50-181 kg N·hm-2, 26%-51% of their high or very high N rates and add 38-134 kg N·hm-2, 41%-345% more to the low or very low N rates. For P, farmers in different yield groups should reduce 7-31 kg P2O5·hm-2, 23%-33% from the high P rates, and reduce 85-118 kg P2O5·hm-2, 61%-85% from the very high P rates. For K, farmers with no or very low K input in different yield groups were suggested to use 13-50 kg K2O·hm-2, and add 7-18 kg K2O·hm-2, 35%-78% for those with low K rates. 【Conclusion】Compared with the conventional method, which adopted an uniform fertilization rate as the criterion to evaluate the famers’ fertilizer application with variable yields, the present work proposed a yield based approach. This approach is proved to be suitable for the small scale household farming in China, and enable to objectively and accurately understand the arbitrary and over application of fertilizer, and to provide a scientific basis for the effective regulation of farmers’ fertilizer application.

farmer; winter wheat; grain yield; fertilizer application rate; fertilizer recommendation

2016-11-30；接受日期：2017-02-14

國家公益性行業（農業）科研專項（201303104）、國家現代農業產業技術體系建設專項（CARS-3-1-31）、農業科研杰出人才培養計劃

曹寒冰，E-mail：caohanbing119@163.com。通信作者王朝輝，Tel：029-87082234；E-mail：w-zhaohui@263.net