山東省小麥施肥特征與評價

李健敏，趙庚星，李濤，肖楊，周雪，岳玉德

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山東省小麥施肥特征與評價

李健敏1，趙庚星1，李濤2，肖楊1，周雪1，岳玉德3

（1山東農業大學資源與環境學院，山東泰安 271018；2山東省土壤肥料推廣總站，濟南 250100；3青州市農業局，山東青州 262500）

【目的】進入21 世紀，人口、資源、環境的矛盾日益突出，中國農業生態環境面臨多個方面的嚴峻挑戰，施肥對環境的影響受到越來越多的關注。山東省是中國北方典型的高投入高產出集約農業區，對該省施肥狀況的研究分析，對全國農作物施肥管理具有參考借鑒作用。論文針對山東省主要糧食作物——冬小麥的施肥狀況進行系統分析，旨在理清其施肥特征與問題，為冬小麥的施肥決策與管理提供科學依據。【方法】以山東省測土配方施肥項目數據和統計資料為數據源，采用調查分析與統計分析相結合的方法，摸清小麥施肥現狀及特征，并通過MATLAB建模分析建立最佳施肥模型，明確小麥施肥參數。【結果】2015年山東省冬小麥化肥消耗系數（）較2010年減少了5.71 %。冬小麥氮、磷、鉀肥的平均施用量高于全國平均水平，施用比例存在磷肥比重較大，鉀肥比重不足的狀況。冬小麥基肥與追肥中多元素肥料占比增加，單質肥料占比總體減少。全省施肥總量、氮肥、磷肥的施用量呈自西向東遞減的趨勢，皆為魯西和魯北平原區最高，魯東丘陵區最低。鉀肥的施用量則與之相反。潮土地區小麥施氮、磷量最高，其次為砂姜黑土、褐土和棕壤，鹽堿土區較低，鉀素的投入則以棕壤最高，其次為砂姜黑土和褐土，鹽堿土和潮土區鉀素投入量較少。氮磷鉀肥施用量與土壤全氮、有效磷和速效鉀含量之間存在一定的不匹配狀況，可適當增加東部丘陵區氮素用量，減少高產區肥料投入，增加低產區施肥水平。山東省以產量為目標的冬小麥氮磷鉀肥最佳施用量分別為182.02、82.58和83.22 kg·hm-2，與此相比，目前氮肥、磷肥分別超25.60 kg·hm-2和37.77 kg·hm-2，鉀肥虧3.84 kg·hm-2。【結論】山東省冬小麥施肥狀況正在向良性發展，但仍存在施肥量偏高，施肥方式及比例不夠合理問題。

冬小麥；施肥特征；分析評價；化肥消耗系數；山東省

0 引言

【研究意義】化肥是糧食增產的基礎，世界農業的發展證明化肥是最快、最有效、最重要的增產措施[1]。中國近現代農業的發展史也充分表明，沒有化肥等農業生產資料的投入，便不可能有今天十幾億人口的豐衣足食。基于人多地少的基本國情，中國必須在有限的耕地上，進一步提高糧食單產和總產來滿足生活、生產需求[2-3]。因此，隨著對糧食需求的進一步增加，必然會增加化肥需求，但是在化肥帶來增產的同時，肥料的正反兩方面作用已逐漸被人們所認識，即肥料既是作物高產優質的物質基礎，又是潛在的環境污染因子，不合理施肥就可能污染環境。當前，由于過量施肥引起了一系列的資源浪費和環境污染問題，施肥的增產效率也在逐漸下降。因此，如何通過施肥達到養分供應和作物需求的時空一致性，實現作物高產和環境保護相協調，提高化肥的養分利用率成為關乎資源、環境和糧食安全的重要問題[4-7]。【前人研究進展】自20世紀80年代末以來，發達國家已經開始重視化肥施用行為及其引發的農業面源污染問題，并對農業生產中過量施肥造成的負外部性做出相應的調整。發達國家化肥施用量呈現出了先快速增長、達到峰值后保持穩中有降或持續下降的趨勢，逐步走上了減肥增效、高產高效的可持續發展之路。DOBERMANN等[8]2002、2005和2007年對歐洲、美洲、亞洲（不含中國）和非洲850個田間試驗結果進行了較全面的分析，結果表明，在小麥田間試驗條件下，1 kg化肥氮素（N）的農學效率為歐洲21 kg，美洲20 kg，亞洲22 kg，非洲14 kg。研究還表明化肥氮素的氣態損失和流失占施肥總量的30%—35%。LADHA等[9]的研究發現，全球小麥平均氮肥偏生產力為44 kg·kg-1，中國小麥氮肥偏生產力水平整體偏低，低于世界平均水平。RAUN等[10]在變量施肥提高糧食生產氮素利用效率的研究中發現，目前中國施氮量過多，氮肥利用率低于世界水平，造成氮的嚴重流失。CASSMAN等[11]對農業生態系統中氮素利用效率的研究表明，從氮肥農學效率和氮肥利用率兩個指標看，中國試驗條件下的水稻、小麥和玉米氮肥利用率與世界三大作物主產區農戶常規施肥和管理條件下的氮肥利用率平均水平相當，卻遠遠低于其他國家和地區在試驗條件下所得到的20—25 kg·kg-1的氮肥農學效率和40%—60%的氮肥利用率。BOCKMAN等[1]在肥料利用率方面的研究表明，較低的肥料利用率和生產力會促使化肥需求增長，不僅帶來極大的資源壓力，且化肥的過量施用對環境產生負面效應。此外，美國農業部資料表明，美國河流、湖泊污染的60%歸因于過度施肥的徑流損失[12]。王旭等[13]對中國主要生態區小麥施肥增產效應進行研究，結果表明各區域施肥量增加幅度在44.7%—131.0%，地區之間差異明顯，黃淮海區、長江中下游區高于北部高原區和西北區，各區氮肥施肥量增加比重最大，占到施肥總量增加幅度的48.0%—70.0%，鉀肥用量仍然較少。譚德水等[14]對中國冬小麥施肥歷史演變及階段特征進行了研究，得出氮肥用量偏大、氮磷鉀比例不夠合理，有機肥投入不足和施肥方法不夠科學的結論。趙護兵等[15]對西北典型區域旱地冬小麥農戶施肥進行調查，發現氮肥施用過量，磷肥偏多和不足并存，鉀肥重視不足，化肥偏多、有機肥偏少，基肥偏多、追肥偏少等問題。常艷麗等[16]對陜西關中平原小麥-玉米輪作體系施肥現狀做了調查與評價，指出該地區冬小麥施氮量適中農戶占33.6%，施氮很低農戶占3.5%，偏低農戶占7.6%，偏高農戶占16.8%，很高農戶占38.5%。在減量施肥方面，趙亞南等[17]在四川盆地進行了大田試驗，得出與習慣施肥相比，減量施肥下肥料利用率提高，土壤磷素盈余降低，土壤氮素虧缺的結論。劉兆輝等[18]對氮肥減量施用技術及其對作物產量影響等的研究表明，氮肥減量施用技術在保證作物高產和兼顧環境友好方面有明顯作用。山東省是中國的農業大省，也是化肥和有機肥料生產和消費的大省，對山東省農作物施肥情況的詳細調查和研究始于20世紀。馬文奇等[19]于1999對山東省糧食作物的施肥情況進行了較為詳細的調查，得出了小麥和玉米輪作模式下化肥養分投入量過大的結論。在隨后的幾年里，初明光[20]和李俊良[21]等分別對山東省糧食作物化肥的投入情況和華北地區冬小麥-夏玉米輪作體系中的施肥情況進行了調查，重點對農田養分平衡狀況和化肥的投入品種結構進行了分析。2004年宋海燕等[22]通過對山東省小麥玉米輪作體系養分平衡研究，表明氮素、磷素處于盈余狀態，鉀素處于虧缺狀態。2006年葉優良等[23]對山東省肥料施用狀況進行了研究，重點對新中國成立以來山東省養分投入與產出情況進行了分析。2015年劉欽普等[24]針對山東省化肥使用時空分異及潛在環境風險作出評價，指出山東省的化肥使用明顯過量，過量的化肥使用存在較為嚴重的環境污染風險。【本研究切入點】總體看，前人的研究多數以田間試驗和農戶調查為主要研究手段，對在不同作物上化肥的分配和平衡情況、肥料在不同作物間的分配去向以及作物的投肥合理與否分析得較多。本文試圖采用統計資料和農戶調查相結合的方法，從省域角度對山東省近年冬小麥養分投入結構、比例、數量和平衡情況進行系統分析。【擬解決的關鍵問題】通過系統分析，摸清山東省小麥施肥現狀、特征與問題，旨在為山東省小麥的施肥管理，進一步提高肥料資源利用效率提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

山東省地處華北平原，是中國主要的農業生產區之一，屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區，氣候溫和，四季分明。全省年平均氣溫11—14℃，年平均降水量550—950 mm，無霜期為180—220 d。山東省位于中國自西向東三級地勢階梯中的最低一級，地貌類型主要有山地、丘陵和平原，其地勢中部高四周低，水系呈中心放射狀分布。根據區域地質構造、地貌成因和形態特征以及區域完整性，全省地貌區可分為魯西北平原區、魯中南山地丘陵區和魯東丘陵區。據統計（中國統計年鑒，2015），山東耕地灌溉面積490.19×104hm2，占全國耕地灌溉面積（6 453.95×104hm2）比重7.60%。全省化肥用量為468.08×104t，占全國化肥用量（5 995.94×104t）的7.81%。可見，山東省是中國北方典型的高投入高產出集約農業區，該地區糧食作物一般實行一年兩熟制，其中冬小麥、夏玉米輪作是主要的輪作方式。冬小麥是山東省播種面積最大的糧食作物，2015年山東省小麥的栽培面積（374.02×104hm2）和總產量（2 263.84×104t）僅次于河南（540.67×104hm2，3 329.00×104t），居全國第二位。北方冬麥區為秋季播種，需經歷冬前出苗、分蘗、越冬、返青、起身、拔節、孕穗、抽穗、開花、灌漿，直至成熟，生育期長，是需肥較多的作物之一。因此，冬小麥生產直接關系到山東省的糧食安全和小麥產區的農業增效與農民增收。

1.2 數據來源

本文研究數據來源于2015年中國統計年鑒、2000—2015年山東統計年鑒、山東省第2次全國土壤普查的部分數據和山東省測土配方施肥項目。從中國統計年鑒和山東統計年鑒收集全國及山東省近幾年冬小麥種植面積、總產、單產等數據資料。山東省第2次全國土壤普查始于1979 年初，普查范圍覆蓋全省，共挖土壤剖面16.7 萬個，采集土壤比樣標本16.7萬盒，農化樣14.5 萬個，理化分析162.5萬項次[25]。山東省測土配方施肥項目數據包含空間數據和屬性數據兩部分，空間數據包括山東省各市點位圖及其行政區劃圖，屬性數據包括各點位的土地利用類型、土壤類型、土壤養分含量以及氮磷鉀肥的施用量等。

1.3 研究方法

1.3.1 數據處理與統計分析 由于樣本量較大，為保證數據的正確、可靠，本研究對異常數據進行了剔除，從而篩選出客觀有效的基礎數據。根據統計年鑒并結合山東省測土配方施肥項目數據，統計山東省2000—2015年部分年份的冬小麥生產及施肥數據，包括種植面積、產量、施肥種類、施肥量、施肥時期等。通過不同年份各類數據的對比，分析冬小麥氮磷鉀的施用比例、基肥與追肥投入關系、施肥次數、不同區域和土壤類型的施肥差異以及土壤養分與施肥量的關系，達到總結冬小麥施肥現狀、探究冬小麥施肥趨勢的目的。其中化肥養分的計算單質肥料按各肥料養分含量標準計算，復合肥與專用肥按實際調查記錄值計算，有機肥按《中國有機肥養分志》折算。化肥利用效率用化肥消耗系數（）反映，化肥消耗系數（）通過單位農產品化肥消耗量表示[26-29]，統計數據采用Excel 進行數據處理和繪圖。

化肥消耗系數（）的計算公式為：

式中，為化肥資源消耗系數，為年度化肥投入量，單位為kg，為糧食總產量，單位為kg。

1.3.2 MATLAB建模分析 通過MATLAB數據建模功能，對冬小麥產量與氮磷鉀肥施用量進行相關性分析，用二次多項式擬合[30]，分別得到冬小麥產量與總施肥量及氮磷鉀肥施用量的關系模型，完成相關的定量化分析，取得最佳施肥量、最佳產量等相關參數。

2 結果

2.1 小麥面積、產量與化肥消耗

2010—2015年山東省小麥播種面積、總產和單產均實現穩步遞增（圖1）。2015年山東省小麥播種面積為379.98×104hm2，較2010年（356.19×104hm2）增長了6.68%。2015年山東省小麥總產量為2 346.60×104t，較2010年（2 058.60×104t）增長了13.99%。2015年山東省小麥單產為6176 kg·hm-2，較2010年（5 780 kg·hm-2）增長了6.85%。小麥化肥消耗系數在2010—2015年呈現先增后減狀態，在2013年，山東省小麥化肥消耗系數達到最大值，為0.090 kg·kg-1，2015年山東省小麥化肥消耗系數則降為0.066 kg·kg-1，相比于2010年減少了5.71%。一方面，表明化肥作為農業生產中的一項重要資源，對山東省糧食增產起到了至關重要的作用；另一方面，山東省小麥生產中化肥利用效率先降低后增加，說明化肥養分利用效率有提高的趨勢。

2.2 小麥養分投入數量與比例

通過對2000年至2015年山東省小麥氮磷鉀肥平均施用量及比例（表1）統計分析發現，全省氮肥的平均施用量逐漸減少，磷肥的施用量先減后增，鉀肥的施用量逐年增加。2015年氮肥施用量較2000年減少了17.56%，磷肥施用量減少了6.81%，鉀肥施用量增加了111.68%。小麥氮磷鉀肥平均施用量高達407.35 kg·hm-2，較黃淮海小麥主產區平均施肥量383.00 kg·hm-2高出24.35 kg·hm-2，遠高于2015年全國農作物平均施肥量361.99 kg·hm-2，大大超出發達國家設置的225 kg·hm-2的安全施肥量上限。從各時期氮磷鉀養分的施用比例看，磷鉀肥養分的比重均有增加的趨勢，到2015年山東省小麥氮磷鉀平均施用比例為1﹕0.58﹕0.38（黃淮海小麥主產區比例為1﹕0.56﹕0.29），逐漸向合理的1﹕0.45﹕0.45比例靠近，但磷肥比重明顯過大，鉀肥比重尚顯不足。

圖1 2010—2015年山東省小麥面積、總產、單產及化肥消耗系數

表1 山東省小麥氮磷鉀肥平均施肥量及比例

2.3 小麥肥料投入種類與施肥時期

冬小麥不同生育時期的需肥量不同，冬前分蘗期吸收養分較多，越冬時吸收養分較少，返青后則需吸收大量養分，拔節到開花期是冬小麥吸收養分的高峰期。施足底肥，可以促進冬小麥壯苗早發、根系生長和冬前一定數量的健康分蘗，并為春后生長成穗、增粒、增重打下基礎。返青期小麥春季分蘗開始發生，此期的施肥可鞏固冬前大分蘗，控制春季無效分蘗，保持群體穩健發展。拔節期是冬小麥生殖生長和營養生長并進時期，對養分需求量較大。

2005、2010和2015年大樣本調查小麥基肥、追肥結構情況見表2、3、4。從表2的山東省小麥基肥投入情況看，2010年基肥以復混（合）肥、配方肥和磷酸二銨為主，復混（合）肥、配方肥用量占到了基肥總量的70.5%，磷酸二銨占10.8%，其他品種均占10%以下。與2005年相比復混（合）肥占比增加14.8%，配方肥占比增加18.3%，增幅最大。而碳酸氫銨占比減少20.2個百分點，減幅最大，過磷酸鈣占比減少9.6個百分點，磷酸二銨占比減少5.2個百分點，鉀肥占比減少1.6個百分點。

表2 山東省小麥基肥投入種類

從表3的追肥情況看，2010年以尿素、復混（合）肥和配方肥為主，部分農民施用磷酸二銨、碳酸氫銨和其他肥料。追肥中尿素、復混（合）肥和配方肥三者用量占到了基肥總量的90.2%，其他占比稍大的品種為磷酸二銨占5.9%，其他品種均在3%以下。與2005年相比，復混（合）肥占比增加13.3%，配方肥占比增加9.5%，磷酸二銨占比增加5.0%。而尿素占比減少24.4個百分點，碳酸氫銨占比減少3.2個百分點。可見，與2005年相比，山東省基肥與追肥中多元素肥料占比明顯增加，單質肥料占比總體減少。2005年山東省冬小麥基肥與追肥比例為1﹕0.21，2010年該比例變為1﹕0.42，追肥的比重明顯增加。

從表4基肥、追肥情況對比來看，超過一半的農戶在冬小麥全生長期內只施基肥，而不追肥，基肥實物量占比高達70.68%。有44.13%的農戶在小麥返青—起身期間進行一次追肥，僅有4.56%的農戶追肥二、三次。

表3 山東省小麥追肥投入種類

表4 山東省小麥基肥、追肥投入量對比

2.4 小麥施肥區域與土壤差異

2.4.1 小麥施肥區域差異 表5為山東省不同區域及17個地市小麥平均施肥量統計。17個地市中，聊城市小麥平均施氮量最高，為274.87 kg·hm-2。威海市小麥平均施氮量最低，為135.44 kg·hm-2。聊城市小麥磷肥平均施用量最高，為159.62 kg·hm-2。威海市磷肥平均施用量最低，為76.11 kg·hm-2。青島市小麥鉀肥平均施用量最高，為130.27 kg·hm-2，東營市鉀肥平均施用量最低，為48.16 kg·hm-2。從總施肥量看，聊城市施肥總量最高，為491.23 kg·hm-2；威海市施肥總量最低，為316.86 kg·hm-2。從不同區域看，氮肥施用量由低到高的順序為魯東地區＜魯南地區＜魯中地區＜魯中南地區＜魯西和魯北地區。磷肥施用量由低到高的順序為魯東地區＜魯南地區＜魯中南地區＜魯中地區＜魯西和魯北地區。鉀肥施用量由低到高的順序為魯西和魯北地區＜魯中地區＜魯中南地區＜魯南地區＜魯東地區。總施肥量由低到高的順序為魯東地區＜魯中地區＜魯南地區＜魯中南地區＜魯西和魯北地區，可見，全省施肥總量、氮肥、磷肥的施用量呈自西向東遞減的趨勢，皆為魯西和魯北平原區最高，魯東丘陵區最低。鉀肥的施用量則與之相反，魯西和魯北平原區最低，魯東丘陵區最高。

2.4.2小麥施肥的土壤類型差異 圖2、3為山東省5種主要土壤類型的小麥產量及其施肥情況。可以看出，潮土地小麥平均產量最高，為6 717.45 kg·hm-2，其次為褐土、砂姜黑土和棕壤，鹽堿土小麥平均產量最低，為6 164.92 kg·hm-2。不同土壤類型農戶氮、磷、鉀肥投入差異較大，從調查的樣本看，各土壤類型中小麥施氮量普遍偏高。潮土地區的小麥施氮量高達238.80 kg·hm-2，其次為砂姜黑土、褐土和棕壤，鹽堿土區小麥施氮量較低，為180.03 kg·hm-2。各調查區小麥磷素投入量表現為中等偏高，其中以潮土地區最高，為130.85 kg·hm-2，其次為褐土、砂姜黑土和棕壤，鹽堿土區相對較低，為100.96 kg·hm-2。鉀素的投入情況則以棕壤最高，其次為砂姜黑土和褐土，鹽堿土和潮土區鉀素投入量較少，潮土區只有64.89 kg·hm-2。

總體看，小麥產量較高的土壤類型其氮磷肥的投入水平也相應較高，反映了施肥對小麥產量提高的作用。

表5 山東省不同區域及17個地市小麥平均施肥量（2015年）

2.5 小麥施肥與土壤養分

2.5.1按不同區域 圖4為魯東丘陵區、魯中南山地丘陵區和魯西北平原區3個區域內土壤全氮、有效磷、速效鉀與對應的氮磷鉀肥施用量情況。可以看出，魯東丘陵區土壤全氮含量最低，對應施氮量也最少，可適當增加氮肥的施用量，補充和提升土壤氮素含量水平。魯中南山地丘陵區、魯西北平原區土壤全氮含量與施氮量關系則相對合理。魯東丘陵區和魯中南山地丘陵區土壤有效磷含量較高，對應的施磷量較低，而魯西北平原區土壤有效磷含量最低，對應的施磷量最高。因此，就土壤有效磷含量與施磷量而言，3個地區均呈現較為合理的狀態。從鉀素看，魯東丘陵區的土壤速效鉀含量較低而施鉀量較高，魯中南山地丘陵區和魯西北平原區的土壤速效鉀含量較高而施鉀量相對較低，鉀肥的施用總體合理。由此看，就與土壤養分含量的關系而言，目前山東省除東部丘陵區氮素外，磷鉀肥的施用基本合理。

2.5.2按土壤類型 圖5為山東省棕壤、褐土和潮土3種主要土壤類型全氮、有效磷、速效鉀與對應的氮磷鉀肥施用量情況。可以看出，棕壤區全氮含量與施氮量皆為最低，故棕壤區施氮量偏少。該區有效磷含量最高，速效鉀含量最低，而施磷量最低，施鉀量最高，磷鉀施用較為合理。褐土區土壤氮磷鉀含量相對較高，其各自的施肥量相對較低，基本合理；潮土區土壤全氮、有效磷含量較低而速效鉀含量最高，該區施氮、磷量最高而鉀最低，均較為合理。可見，就土壤有效磷、速效鉀與對應的施肥量而言，3種土壤類型均呈現較為合理的狀態。

圖2 2015年山東省不同土壤類型小麥平均產量

圖3 2015年山東省不同土壤類型小麥平均施氮量、施磷量和施鉀量

2.5.3 按小麥產量水平 將山東省小麥種植區按照小麥產量劃分為高產區、中產區和低產區。圖6為不同產量水平下土壤全氮、有效磷、速效鉀與對應的氮磷鉀肥施用量情況。可以看出，除中產區有效磷含量略高于高產區外，土壤全氮、速效鉀含量均呈現由高產區到低產區逐漸減少的狀況。同時，氮磷鉀的施肥量也從高產區到低產區逐漸減少。整體表現為高產區—高土壤養分含量—高化肥投入，低產區—低土壤養分含量—低化肥投入的不合理狀態。應適當減少高產區肥料投入，增加低產區施肥水平。

據此分析，雖然近年來山東省耕層土壤養分含量水平有所提高，但由于不同區域、土壤類型及耕作管理水平的差異，施肥結構仍不盡合理，用地與養地未能更有效結合，土壤肥力仍有較大提升空間。

圖4 2015年山東省不同區域土壤養分含量與施 肥量

Fig. 4 The soil nutrient content and fertilizing amount in different regions in Shandong Province in 2015

圖5 2015年山東省不同土壤類型養分含量與施 肥量

圖6 2015年山東省不同產量水平下土壤養分含量與施肥量

Fig. 6 The soil nutrient content and fertilizing amount under different yield levels in Shandong Province in 2015

2.6 小麥最佳施肥模型

2.6.1產量—施肥模型 設W=f(n, p, k)是小麥的產量與3種肥料施肥量之間的函數，用二次多項式擬合該函數，分別得到山東省小麥產量與總施肥量及與氮、磷、鉀肥投入量的關系模型。

山東省小麥產量與施肥總量的關系模型為：

=-0.33432+17.9233+352.9192

模型2為0.8337，達到了高度相關水平，說明化肥的施用很好的促進了小麥的增產。由模型得到的全省最佳施肥總量為402.11 kg·hm-2，最高產量為8 897.34 kg·hm-2。目前山東省氮磷鉀肥施用總量為407.35 kg·hm-2，超出最佳施肥總量5.24 kg·hm-2。

表6為山東省不同地區小麥產量與氮、磷、鉀肥投入量關系模型及最佳施肥量、產量情況。全省不同地區的施肥模型2范圍在0.8105—0.8221之間，均達到了高度相關水平。最佳施肥量方面，魯東地區氮肥、磷肥的最佳施肥量最低，而鉀肥的最佳施肥量最高。魯西北地區氮肥、磷肥的最佳施肥量最高，而鉀肥最佳施肥量最低。魯中南地區最佳施肥量介于二者之間。最佳施肥總量由低到高順序為，魯東地區＜魯中南地區＜魯西北地區，最佳產量順序與該順序一致。

表6 山東省不同地區施肥模型、最佳施肥量及產量

模型中的N為施氮量；P為施磷量；K為施鉀量

N is the N fertilizer consumption; P is the P fertilizer consumption; K is the K fertilizer consumption

2.6.2 以產量為目標的最佳施肥量 基于產量—施肥量模型，全省小麥最高產目標下的施肥水平可歸結為求函數() 的最大值。當N、P和K的取值分別是，N=182.02，P=82.58，K=83.22時，冬小麥的產量最高，最大值為9 444.19 kg·hm-2。與當前的全省平均施肥水平相比，全省氮肥、磷肥均施用過量，分別超25.60 kg·hm-2和37.77 kg·hm-2，產生肥料資源浪費，而鉀肥施用量略有不足。

2.6.3以效益為目標的最佳施肥量 當小麥的售價是a（元/kg），氮肥、磷肥和鉀肥的售價分別為b1，b2，b3（元/kg），氮肥、磷肥和鉀肥的施用量分別是N、P、K（kg·hm-2）時，小麥的產量是f(N, P, K)。于是單位面積小麥因施肥所增加的收益M為：

M=[f(N, P, K)-f(0, 0, 0)]×a-(b1N+b2P+b3K)

模型歸結為確定N、P、K的值，使函數M達到最大值。2015—2017年山東省小麥價格穩定在2.40—2.70（元/kg），氮、磷、鉀肥價格則穩定在1.7—2.0（元/kg），用微分法可求得氮、磷、鉀肥的施用量分別為153.32、78.53和75.32 kg·hm-2。從求解的結果可以看出，以效益為目標的最佳施肥量低于以產量為目標的最佳施肥量，但除氮素外磷鉀相差不大，故可以用以產量為目標的最佳施肥量指導施肥。事實上，農民在對農作物施肥時，都是以產量最大化為目標考慮施肥，較少系統考慮效益成本。

3 討論

3.1 山東冬小麥生產潛力

從調查分析結果來看，2015年山東省冬小麥化肥消耗系數比2010年減少了5.71%。播種面積增加了6.68%，總產量增加了13.99%，單產只提高了6.85%，因此山東省小麥生產還需在提高化肥利用效率和單產等方面加大技術研究與示范推廣。如魯西黃灌區土壤肥力不均，存在一定面積的鹽堿地和荒地，該區在擴大種植面積和提高單產方面均有較大的潛力，應繼續加強土壤改良和地力培肥。此外，近幾年山東省重點推廣了小麥精量半精量播種技術、小麥寬幅精播高產栽培技術、小麥冬春控旺防凍防倒技術、小麥深松少免耕鎮壓節水栽培技術、小麥生育后期“一噴三防”技術等，這些技術都具備增產5%以上的潛力，對山東省小麥增產發揮了重要作用[31]。但是目前部分新技術應用面積增長幅度較慢，仍有較大潛力可挖。

3.2 化肥施用與環境風險

中國肥料的當季利用率普遍很低，僅為30%。其中氮肥為30%—35%，磷肥為10%—25%，鉀肥為35%—50%，不僅遠低于歐美發達國家60%—70%的水平，且近年來還有下降的趨勢[32-35]。研究發現，山東省冬小麥追肥比例上升明顯，且多元素肥料占比增加，但多數農戶仍采用表施和撒施，或隨大水漫灌沖施，造成大量養分揮發和淋洗流失。同時，由于氮磷肥料的集中過量施用，使土壤團粒結構遭到破壞，導致營養失調、土壤酸化、污染風險加大[36]。目前，山東省屬于重度化肥面源污染（400 kg·hm-2＜a≤500 kg·hm-2）的8個地區之一[37]，既浪費了化肥資源，增加了生產成本，又使環境嚴重污染。

3.3 施肥不平衡與有機肥投入

研究發現，不同地區及土壤類型小麥施肥量差異較大。總體看，磷/氮值經過近些年的調整基本趨于合理，而鉀/氮值一直較低，存在一定程度的施肥不平衡現象。其中魯東丘陵區施氮量偏低，該地區以棕壤為主，全氮平均含量較低，為0.84 g·kg-1（第Ⅳ等級）。對于棕壤等酸性土壤，可施加硝酸鈣、硝酸鈉等堿性或生理堿性的氮肥進行調控。此外，基于有機質含量與土壤氮肥含量的正相關關系，可通過增施有機肥達到調控氮肥的目的。據衛星遙感分析，山東省小麥高、中、低產田的比例分別為54.3%、30.5%和15.2%[38]，目前中低產田的面積仍占小麥總種植面積近50%，嚴重制約小麥單產的進一步提高。需進一步加大中低產田改造力度，擴大秸稈還田面積，增加有機肥投入，不斷提高土壤肥力，擴大高產田面積。另外，發達國家的歷史經驗表明，有機養分占農田養分總投入比例在50%時，農業產量目標、品質目標與環境目標更加協調，農業發展健康可持續[37]。而根據對山東省38個縣7.8萬個農戶的調查發現，小麥田有機養分投入占比僅為24.9%，與此同時大量有機肥資源白白浪費。因此，政府部門應制定有效的政策措施，使肥料資源的分配更加合理化，同時應繼續落實穩氮控磷增鉀方針，大力發展機制靈活、方便的智能配肥企業，提高肥料復合化率和配方肥比重。針對具體農戶和地塊，應推廣科學施肥技術、秸稈還田技術、增施有機肥等，增加有機養分的投入比重。

盡管科學施肥技術已推廣多年，但大多數農民科學施肥意識和水平仍有待提高。在選用肥料品種、施肥時期及數量上存在盲目性，不注意考慮土壤條件、肥力水平和作物需肥特性，憑習慣或從眾購肥與施肥。在認識上，認為養分含量越高越好，趨同性的選購3個15%或40%以上高濃度肥料，盲目排斥中低濃度復混肥、普鈣、鈣鎂磷等。在施肥行為上，視高產為高效，為確保高產，不少農戶施肥嚴重過量，這與馬文奇等的研究結果相一致[19]。

配方肥、緩控釋肥是測土施肥技術的載體，但推廣進度較慢，應適時啟動緩控釋肥肥料應用補貼試點，同時對配方肥應用實行補貼。對經過有關部門認定的配方肥、緩控釋肥生產企業，可以在稅收、貸款、運費等方面給予優惠，加大對配方肥、緩控釋肥等新產品的推廣扶持力度。

4 結論

4.1 山東省冬小麥化肥消耗系數有所減小；磷肥比重依然過大，鉀肥比重尚顯不足。

4.2 基肥與追肥中多元素肥料占比增加，追肥比例明顯提高。

4.3 冬小麥施肥總量、氮肥和磷肥施用量呈自西向東遞減的趨勢，鉀肥則與之相反；氮肥、磷肥投入以潮土區最高，鹽堿土地區最低，鉀肥投入以棕壤區最高，鹽堿土和潮土區較低。

4.4 魯東丘陵區及棕壤區氮肥投入較全氮含量偏少；在不同產量水平下則表現為高產區—高土壤養分含量—高化肥投入，低產區—低土壤養分含量—低化肥投入的不合理狀態。

4.5 與理論最佳產量施肥量相比，當前氮肥、磷肥投入超量，而鉀肥投入不足；最佳施肥總量由低到高順序為，魯東地區＜魯中南地區＜魯西北地區，最佳產量順序與之相同。

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（責任編輯 李云霞）

The Characteristics and Evaluation of Wheat Fertilization in Shandong Province

Li JianMin1, ZHAO GengXing1, LI Tao2, XIAO Yang1, ZHOU Xue1, YUE YuDe3

(1College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Tai'an 271018, Shandong;2Soil and Fertilizer Extension Station of Shandong Province, Ji'nan 250100;3Qingzhou Agricultural Bureau, Qingzhou 262500, Shandong)

【Objective】Entering the 21st century, the contradiction of population, resources and environment is becoming more and more prominent, and Chinese agriculture is facing a serious challenge in many aspects. Shandong province is a typical intensive agricultural area of high investment and high output in northern China. The agricultural development in Shandong province has set a template for other provinces. The research and analysis of the fertilization status in this province can play a certain role of predictive and early warning in the management of crop fertilization in the whole country. This study analyzed the fertilization status of winter wheat in Shandong province, aiming to provide scientific basis for the macro management of winter wheat fertilization, which has practical and wide significance.【Method】The fertilization status and characteristics of wheat were clarified by using investigation analysis and statistics analysis based on the data and statistics of Soil Testing Formula Applying Fertilizer Project in Shandong province. Then the optimal fertilization model was established and the fertilization parameters of wheat were identified with MATLAB modeling and analysis.【Result】In 2015, fertilizer expend coefficient () of winter wheat in Shandong Province declined 5.71% compared to 2010. The average fertilizer amount of nitrogen, phosphorus and potassium in winter wheat was higher than the national average. The proportion of phosphate fertilizer was excessive and the proportion of potassium fertilizer was inadequate. The multi-element fertilizer ratio of basal and topdressing in winter wheat was increased, while the straight fertilizer ratio was decreased. For the total provincial fertilization, nitrogen and phosphorus were declined from west to east; the western and northern plain of Shandong were the highest; the eastern hilly area of Shandong Province was the lowest; the potassium was on the contrary. The nitrogen and phosphorus fertilization were the highest in fluvo-aquic soil, followed by Shajiang black soil, cinnamon soil and brown soil; saline-alkali soil was at a lower rate; potassium fertilization was the highest in brown soil, followed by Shajiang black soil and cinnamon soil; saline-alkali soil and fluvo-aquic soil were at a lower rate. There is a mismatching situation between NPK fertilization and total N, available P, rapidly available K. It could appropriately increase the amount of nitrogen in the eastern hilly area, reduce fertilization input in the high-yield area, and increase fertilization input in low-yield area. With the target of yield, the optimal fertilization application of nitrogen, phosphorus and potassium for winter wheat was 182.02, 82.58 and 83.22 kg·hm-2, respectively,in Shandong province. By contrast, the nitrogen and phosphorus were overstepped 25.60 kg·hm-2and 37.77 kg·hm-2, respectively. And potassium was short of 3.84 kg·hm-2.【Conclusion】The present situation of winter wheat fertilization in Shandong province is making the benign developments. But there still exist many problems, such as the amount of fertilizer is too high and the way and proportion of fertilization are not reasonable. The results of this research have positive significance to rational fertilization, resources conservation and environmental protection of winter wheat in Shandong province.

winter wheat; fertilization characteristics; analysis and evaluation; fertilizer expend coefficient; Shandong Province

2017-10-10；

2018-01-28

國家“十二五”科技支撐計劃（2015BAD23B0202）、“雙一流”獎補資金（SYL2017XTTD02）

李健敏，Tel：18854807502；E-mail:ljm18854807502@163.com。

趙庚星，Tel：13345283157；E-mail:zhaogx@sdau.edu.cn