我國主要糧食作物化肥增產效應與肥料利用效率①

閆 湘，金繼運，梁鳴早

(中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081)

我國是一個農業和人口大國，中國政府歷來高度重視糧食問題。改革開放以來，中國的糧食生產取得舉世矚目的成績，以占世界 9% 的耕地養活了世界上20% 的人口，創造了在人多地少的國家糧食自給的奇跡。中國人均耕地是世界平均水平的40% 左右，三分之二是中低產田。在巨大的糧食需求壓力下，化肥的大量施用在保障我國糧食安全上發揮了重要作用。值得注意的是，1980年至今的三十幾年間，我國糧食產量增長了近 85%，但化肥施用量卻增長了4.5倍，化肥施用量的增速遠遠超過糧食產量的增速。當化肥施用量達到一定程度后，其對糧食增產的邊際貢獻率逐漸下降。過量施用化肥導致肥料利用率不高，肥料損失嚴重，造成巨大的生態環境污染，威脅到農業可持續發展。如何保證糧食產量合理穩定增長的同時，提高肥料利用率，減少化肥過量施用帶來的不良影響，解決社會發展所面臨的資源與環境問題，是擺在我們面前的一項重要課題。

近些年來，我國一些學者開展了部分省區范圍內的糧食作物施肥狀況、增產效應和養分效率的研究[1-3]，還有一些學者對我國較大范圍地區不同作物的肥料利用率和肥效進行了研究，張福鎖等[4]對2001—2005年全國糧食主產區肥料利用率進行了分析研究，結果顯示水稻、小麥和玉米氮肥利用率分別為28.3%、28.2% 和26.1%，遠低于國際水平，與20世紀80年代相比呈下降趨勢。李紅莉等[5]2008年對全國23個省糧食作物施肥量和化肥效率進行了調查研究，發現三大糧食作物的化肥效率大小順序為水稻＞小麥＞玉米，化肥偏生產力分別為15.7、11.9和11.5 kg/kg。本文通過農戶施肥調查和田間試驗相結合的方法，系統分析研究了我國主要省(區)水稻、小麥和玉米的化肥施用狀況、增產效應和化肥利用效率。

1 材料與方法

1.1 農戶施肥調查

在全國 19個省(區)開展農戶施肥情況調查，其中北方10省(區)，南方9省(區)，北方分別是山東、河南、河北、吉林、遼寧、黑龍江、山西、寧夏、陜西和天津，南方分別是江蘇、浙江、安徽、湖北、重慶、四川、貴州、湖南和廣西。每個省(區)選擇5～10個縣(市)，每個縣(市)抽取3～5個鄉。調查作物為水稻、小麥和玉米，共調查13 667個地塊，其中水稻4 608塊，小麥4 831塊，玉米4 228塊。調查時間為2002—2005年。

1.2 田間試驗

田間試驗地點為 IPNI(國際植物營養研究所)設在全國22個省(市、自治區)的32個土壤養分監測村。試驗設4個處理：①NPK，最佳施肥推薦處理；②PK；③NK；④NP。小區試驗，每處理3次或4次重復，隨機區組排列。氮肥品種為尿素，磷肥品種為過磷酸鈣或重過磷酸鈣，鉀肥品種為氯化鉀。每個養分監測村均采用非定位試驗，種植作物為水稻、小麥和玉米，連續種植4年，作物品種均采用當地生產上主推的高產品種，栽培管理措施與當地農業生產相同。水稻、小麥和玉米施肥量見表1～表3。

表1 水稻施肥量(4年平均值)(kg/hm2)Table 1 Average fertilizer rates of rice in 4 years

表2 小麥施肥量(4年平均值)(kg/hm2)Table 2 Average fertilizer rates of wheat in 4 years

表3 玉米施肥量(4年平均值)(kg/hm2)Table 3 Average fertilizer rates of maize in 4 years

1.3 分析測定方法

水稻、小麥和玉米籽粒和秸稈中氮、磷、鉀分析測定方法如下，全氮：H2SO4-H2O2消煮，蒸餾法測定；全磷：H2SO4-H2O2消煮，釩鉬黃比色法測定；全鉀：H2SO4-H2O2消煮，原子吸收法測定。

1.4 數據處理

由于農業生產水平和農戶施肥技術水平的差異大，調查數據中存在一定的奇異數據。為保證統計分析結果的準確性和可靠性，在數據處理分析之前應用統計學方法，研究數據分布特征，提前發現并合理地消除或減弱奇異值的影響。

化肥折純量計算：除復混肥以外的化肥根據其凈養分含量由實物量折算純養分。復混肥折純分兩種情況，一是對于調查標識出N、P2O5、K2O含量的，按照農戶調查結果計算；二是一些復混肥調查只有氮、磷、鉀養分的總含量，沒有分量，這部分采用該省肥料調查中所有標明復混肥 N-P2O-K2O濃度的加權平均值作為換算依據。

有機肥折純量計算：調查發現農民施用的有機肥種類繁多，包括各種糞肥、廄肥、餅肥、土雜肥、綠肥等。作者收集了目前公開發表的各種有機肥料的養分含量[6-10]，作為有機肥料的折純采用的養分含量標準。

農學效率(agronomic efficiency，AE)指每千克肥料養分生產的籽粒(kg/kg)，是單位施肥量對作物籽粒產量增加的反映[11]。有人也稱之為生產指數(productivity index，PI)[12]，反映了肥料的生產效率。計算公式為：AE=(Y-Yc)/Nf，其中Y為施某一養分條件下的籽粒產量(kg)，Yc為不施某一養分條件下的籽粒產量(kg)，Nf為所施肥料中的某一養分量(kg)[13-16]。

生理效率(physiological efficiency，PE)是指作物因施用肥料而增加的產量與從肥料中吸收的養分量的比值，即作物每吸收1 kg養分而增加的產量(kg)。反映了作物對所吸收的肥料在作物體內的利用效率。計算公式為：PE=(Y-Yc)/(Nup-Nc)，其中Y為施肥區籽粒產量(kg)，Yc為對照產量(kg)，Nup為植物地上部吸收的某一養分量(kg)，Nc為對照的地上部吸收的養分量(kg)[13-16]。

肥料利用率也叫肥料當季回收率(fertilizer recovery efficiency, FRE)，指作物吸收來自所施肥料中的養分占所施肥料養分總量的百分數。它的大小可以反映作物對氮肥的利用程度。差減法計算公式為：FRE=(Nup-Nc)/Nf，其中Nup為施某一養分時作物地上部吸收的這種養分量(kg)，Nc為不施某一養分條件下作物地上部吸收的這種養分量(kg)，Nf為所施肥料中的某一養分量(kg)[15-18]。

農學效率、生理效率和肥料利用率每季試驗數據分別計算后求平均值。

2 結果與分析

根據19個省水稻、小麥和玉米肥料施用量統計結果，水稻施肥量最高，為294.8 kg/hm2，小麥和玉米接近，分別為263.6和269.6 kg/hm2。水稻施肥量在 224.5～465.4 kg/hm2之間變化，小麥施肥量在161.3～392.2 kg/hm2之間，玉米施肥量的變幅是174.4～335.9 kg/hm2。

2.1 主要糧食作物施肥量頻率分布

2.1.1 施氮量頻率分布 作物施氮量調查顯示，水稻施氮量最高，其次是玉米，最低是小麥，分別為193.5、186.8、165.3 kg/hm2。水稻、小麥和玉米都有一個相對集中的施氮區間，其中，水稻在150～350 kg/hm2之間的頻率占67%，小麥施氮量主要分布在75～325 kg/hm2之間，占84%，玉米分布在100～350 kg/hm2之間的占 71%(圖 1)。

圖1 水稻、小麥、玉米施氮量的頻率分布Fig. 1 Frequency distributions of N fertilizer rates of rice, wheat and maize

圖2 水稻、小麥、玉米施磷量的頻率分布Fig. 2 Frequency distributions of P fertilizer rates of rice, wheat and maize

2.1.2 施磷量頻率分布 施磷量分布與施氮量有很大差異，頻率分布圖基本都呈倒三角型，說明絕大多數農戶施磷量都集中在較低的水平上。隨著施磷量的增加，頻率逐漸減少。水稻、小麥和玉米施磷量集中區域分別在 25～125、25～225 和 25～175 kg/hm2之間，累積頻率分別為占 94%、96%、95%(圖 2)。施磷量最高的是小麥，平均 76.9 kg/hm2；最低的是玉米，65.5 kg/hm2。2.1.3 施鉀量頻率分布 19個省水稻平均施鉀量為31 kg/hm2，高于小麥和玉米約10 kg/hm2。作物施鉀量的頻率分布特點與施磷量相似，也呈倒三角型(圖3)，但不同的是，主要集中在不施鉀或低施鉀量水平上，并且隨著作物施鉀量的增加，頻率迅速下降。水稻施鉀量在0～75 kg/hm2范圍的占73%，小麥在0～40 kg/hm2的占76%，玉米0～75 kg/hm2的占92%。說明當時生產條件下絕大多數農戶鉀肥施用水平較低，平衡施肥觀念還沒有深入農戶。應當加大補鉀工程力度，大力推廣平衡施肥技術。

2.2 主要糧食作物化肥增產效應

產量的提高需要一定的養分吸收為基礎。在試驗施肥水平下，施用氮磷鉀肥，水稻、小麥和玉米地上部吸氮量＞吸鉀量＞吸磷量，變化范圍分別為133.5 ～219.1、103.7～185.7 和 28.8～54.4 kg/hm2。施用氮磷鉀肥可以顯著提高作物產量，氮磷鉀肥平均增產量分別為2 070.7、865.5和765.1 kg/hm2，增產量的變化范圍分別為 1 352.7～2 324.1、725.1～1 090.3 和 381.2 ～981.0 kg/hm2(表 4～表 6)。

從水稻、小麥和玉米氮肥增產率分布(圖 4)來看，氮肥增產率主要分布在20%～60% 之間，水稻、小麥和玉米之間差異不大。磷肥和鉀肥的增產率明顯低于氮肥，其中，磷肥除南方小麥以外，主要分布在10%～15% 之間；鉀肥除南方玉米外，主要分布 10%～20% 之間。

2.3 水稻、小麥、玉米氮磷鉀肥利用效率

總體來看，氮磷鉀肥利用率變化范圍都非常大，氮肥利用率最低 3.4%，最高 86.1%；磷肥利用率最低0.1%，最高71.2%；鉀肥利用率最低0.8%；最高89.0%(表7～表9)。氮肥利用率在小麥上最高，平均38.2%，在水稻和玉米上接近，均在 30% 左右；磷肥利用率在水稻、小麥和玉米上差異不大，分別是13.0%、16.9%、15.3%；鉀肥利用率均在30% 左右，分別是28.1%、25.6%、30.5%。

圖3 水稻、小麥、玉米施鉀量的頻率分布Fig. 3 Frequency distributions of K fertilizer rates of rice, wheat and maize

表4 水稻、小麥、玉米氮肥用量、產量及增產效應Table 4 N fertilizer rates, yields and yield-increasing effects of rice, wheat and maize

表5 水稻、小麥、玉米磷肥用量、產量及增產效應Table 5 P fertilizer rates, yields and yield-increasing effects of rice, wheat and maize

表6 水稻、小麥、玉米鉀肥用量、產量及增產效應Table 6 K fertilizer rates, yields and yield-increasing effects of rice, wheat and maize

圖4 水稻、小麥、玉米增產率分布圖Fig. 4 Distributions of yield-increasing rates of rice, wheat and maize

表7 水稻、小麥、玉米氮肥利用效率Table 7 Nitrogen fertilizer use efficiencies of rice, wheat and maize

表8 水稻、小麥、玉米磷肥利用效率Table 8 Phosphate fertilizer use efficiencies of rice, wheat and maize

表9 水稻、小麥、玉米鉀肥利用效率Table 9 Potash fertilizer use efficiencies of rice, wheat and maize

生理效率反映了作物所吸收的肥料在體內的利用效率。從表7～表9可以看出，3種肥料生理效率大小表現為磷肥＞氮肥＞鉀肥。氮肥生理效率平均值為35.1 kg/kg，變化范圍為0.8～86.2 kg/kg；磷肥生理效率平均值在70 kg/kg左右，變化范圍非常大，最低3.9 kg/kg，最高可達241.5 kg/kg；鉀肥生理效率平均值多在20～30 kg/kg之間。說明作物對所吸收的磷肥利用效率最高，吸收1 kg磷肥可增加產量70 kg左右；對鉀肥利用效率最低，吸收到體內的鉀肥1 kg增產 20～30 kg。

農學效率是單位施肥量對作物產量增加的反映。研究結果表明，水稻、小麥、玉米的農學效率均表現為氮肥＞磷肥＞鉀肥，1 kg氮肥可分別增產11.3、11.1、10.1 kg的水稻、小麥或玉米，1 kg磷肥可增產7～10 kg，1 kg鉀肥大約可增產5～8 kg。

從圖5來看，氮肥利用率分布范圍比較寬，水稻、小麥、玉米主要分布在 20%～40%、15%～65%、20%～ 50% 之間。磷肥利用率較低且分布范圍較集中，多在 5%～20% 之間；北方水稻磷肥利用率范圍較寬，在10%～40%。水稻、小麥鉀肥利用率主要集中在10%～40% 之間；玉米分布范圍普遍高于前兩者，多分布在20%～60% 之間。

圖5 水稻、小麥、玉米氮磷鉀肥利用率分布圖Fig. 5 Distributions of N, P and K use efficiencies of rice, wheat and maize

3 討論與結論

化肥利用效率問題一直以來受到學者們高度關注。目前，國內外評價作物氮肥利用效率的指標有多種，概括起來可分為兩類：氮吸收效率和氮利用效率(或氮生產效率)[19-20]。氮吸收效率是指供應單位有效氮植物所能吸收的氮量，如氮肥利用率。氮利用效率是指單位植株地上部吸氮量所產生的生物學產量或經濟產量[21]，如氮肥農學效率和生理效率。表10可以看出，我國水稻、小麥、玉米氮肥利用率分別為27.3%、38.2% 和 31.0%，與張福鎖等[4]2001—2005年全國糧食主產區進行的 1 333個田間試驗結果相比，水稻和玉米氮肥利用率比較接近，分別為28.3%和26.1%，而本文小麥氮肥利用率高于其10個百分點。由于肥料利用率受施肥量、施肥方式、土壤條件、氣候條件等多種因素影響，因而不同研究存在一定的差異，但總體可以看出本文試驗結果基本反映了當時我國的肥料利用率狀況。

表10 不同國家(地區)氮肥利用效率比較Table 10 Comparison of nitrogen fertilizer use efficiencies in different countries and regions

將本文氮肥利用率的研究結果與同期世界不同國家或地區的結果進行比較(表10)，可以發現，我國谷物氮肥利用率低于同期世界平均水平[22]，水稻、小麥和玉米均低20%～30% 左右，與南亞及東南亞[23]、西非[24]、印度[25]和美國[26-27]相比也相差近10%。三大作物氮肥農學效率與世界平均水平相比均低10% 左右。可見，就當時的施肥條件和管理水平下，我國的氮肥利用率和農學效率均不高。

有學者將氮肥施用量分成3級，150～250 kg/hm2為適中，＜150 kg/hm2為不足，＞250 kg/hm2為超量[4]。依此分級，本文調查的一萬多個地塊中，水稻、小麥和玉米氮肥用量適中的分別占60%、35% 和47%，超量的為23%、25%、43%，用量不足的分別為17%、40% 和 10%。說明在當時農業生產條件和產量水平下，氮肥過量施用占相當大比例，約占25%～40%，施用不足的也有10%～25%。朱兆良和金繼運[28]收集了世界范圍內水稻、小麥、玉米施氮量研究結果，分別為113、117和102 kg/hm2，本文所得結果為193.5、165.3、186.8 kg/hm2，與之相比，可以發現我國施氮量已遠遠高于世界平均水平。

從我國氮肥利用效率和施氮量與世界的比較結果可以總結得出，中國糧食生產高投入并沒有實現高利用效率。按照報酬遞減規律，當施肥量達到一定水平時，隨著施肥量的增加，農學效率必然下降。這說明我國大部分農業產區已經處于高投入高產出的高度集約化條件下，進一步提高肥料利用效率對我國種植業可持續發展非常重要，也具有相當難度[28]。徐振華等[1]研究提出以增產帶增效觀點，即在不增加投入的情況下，優化栽培管理技術，增加作物產量是提高化肥利用效率的重要途徑。

農田過量施肥導致了主要糧食作物肥料利用效率下降，造成農業面源污染，影響農業增產和農民增收。而肥料用量不足不能保證農業可持續發展，將會嚴重損害土壤的長期生產能力，使得高效率的農業生產難以為繼。因此，亟需優化施肥量，提高肥料利用率，保障糧食等主要農產品有效供給。針對當前普遍存在的化肥過量施用和利用效率不高的問題，2015年農業部制訂發布《到2020 年化肥使用量零增長行動方案》，將化肥減量增效作為當前農戶施肥調控政策的首要目標，這是政府積極探索產出高效、資源節約、環境友好的現代農業發展之路的重要舉措，對引導農民科學施肥具有重要的政策引領作用。

[1] 徐振華, 郭彩娟, 馬文奇, 等. 典型區域糧食產量、養分效率和經濟效益關系實證研究[J]. 中國農學通報, 2011,27(11): 116-122

[2] 馬文奇, 張福鎖, 毛達如. 山東省糧食作物施肥狀況的評價[J]. 土壤通報, 1999, 30(5): 217-220

[3] 王圣瑞, 馬文奇, 徐文華, 等. 陜西省小麥施肥現狀與評價研究[J]. 干旱地區農業研究, 2003, 21(1): 31-37

[4] 張福鎖, 王激清, 張衛峰, 等. 中國主要糧食作物肥料利用率現狀與提高途徑[J]. 土壤學報, 2008, 45(5):915-924

[5] 李紅莉, 張衛峰, 張福鎖, 等. 中國主要糧食作物化肥施用量與效率變化分析[J]. 植物營養與肥料學報, 2010,16(5): 1136-1143

[6] 北京農業大學. 肥料手冊[M]. 北京: 農業出版社, 1979:25-35

[7] 孫曦, 王芳維. 農業化學[M]. 上海: 上海科學技術出版社, 1980: 67-98

[8] 毛達如. 有機肥料[M]. 北京: 農業出版社, 1982: 23-56

[9] 中國農業科學院土壤肥料研究所. 中國肥料[M]. 上海:上海科學技術出版社, 1994: 123-158

[10] 全國農業技術推廣服務中心. 中國有機肥料養分志[M].北京: 中國農業出版社, 1999: 33-59

[11] 李方敏, 樊小林, 陳文東. 控釋肥對水稻產量和氮肥利用效率的影響[J]. 植物營養與肥料學報, 2005, 11(4):494-500

[12] 李慶逵, 朱兆良, 于天仁. 中國農業持續發展中的肥料問題[M]. 江西: 江西科學技術出版社. 1998: 3-15

[13] Novoa R, Loomis R S. Nitrogen and plant production[J].Plant and Soil, 1981, 58(1/3): 177-204

[14] assman K G, Peng S, Olk D C, et al. Opportunities for increased nitrogen use efficiency form improved resource management in irrigated rice systems[J]. Field Crops Research, 1998, 56(1/2): 7-39

[15] 李韻珠, 王鳳仙, 黃元仿. 土壤水分和養分利用效率幾種定義的比較[J]. 土壤通報, 2000, 31(4): 150-155

[16] Timsina J, Singh U, Badaruddin M, et al. Cultivar, nitrogen,and water effects on productivity, and nitrogen-use efficiency and balance for rice-wheat sequences of Bangladesh[J]. Field Crops Research, 2001, 72: 143-161

[17] 彭少兵, 黃見良, 鐘旭華, 等. 提高中國稻田氮肥利用率的研究策略[J]. 中國農業科學, 2002, 35(9): 1095-1103

[18] 吳延壽, 徐陽春, 沈其榮, 等. 種稻方式對后茬大麥生長及土壤氮素轉化和氮肥利用的影響[J]. 土壤學報,2006, 43(1): 169-172

[19] 孫傳范, 曹衛星, 戴廷波. 土壤—作物系統中氮肥利用率的研究進展[J]. 土壤, 2001, 33(2): 64-69

[20] 李世清, 王瑞軍, 張興昌, 等. 小麥氮素營養與籽粒灌漿期氮素轉移的研究進展[J]. 水土保持學報, 2004, 18(3):106-111

[21] Moinuddin S, Ansari S A, Afridi M M. Leaf NRA and its relationship with grain and protein yield of triticale as affected by progressive application of nitrogen and phosphorus fertilizer levels[J]. Journal of Plant Nutrition,1996, 19: 785-794

[22] Ladha J K, Pathak H, Krupnik T J, et. al. Efficiency of fertilizer nitrogen in cereal production: Retrospects and prospects[J]. Advances in Agronomy, 2005, 87: 86-156

[23] Dobermann A, Cassman K G. Plant nutrient management for enhanced productivity in intensive grain production systems of the United States and Asia[J]. Plant and Soil,2002, 247: 153-175

[24] Haefele S M, Wopereis M C S, Donovan C, et al.Improving the productivity and profitability of irrigated rice production in Mauritania[J]. European Journal of Agronomy, 2001, 14: 181-196

[25] Dobermann A, Cassman K G. Cereal area and nitrogen use efficiency are drivers of future nitrogen fertilizer consumption[J]. Science in China, 2005, 48: 745-758

[26] Cassman K G, Dobermann A, Walters D T. Agroecosystems, nitrogen-use efficiency, and nitrogen management[J]. Ambio, 2002, 31: 132-140

[27] Terry L R. Increasing nutrient use efficiency[J]. Journal of Agriculture and Forestry, 2008, 32: 177-182

[28] 朱兆良, 金繼運. 保障我國糧食安全的肥料問題[J]. 植物營養與肥料學報, 2013, 19(2): 259-273