河南省小麥、玉米氮肥需求及節氮潛力

趙亞南，徐霞，黃玉芳，孫笑梅，葉優良

（1河南農業大學資源與環境學院，鄭州 450002；2河南省土壤肥料站，鄭州 450002）

0 引言

【研究意義】化肥，尤其是氮肥，對于提高糧食產量、保障我國糧食安全具有不可替代的作用。我國農業氮肥投入量持續快速增加，目前已經成為世界上最大的氮肥生產國和消費國[1]。然而，我國氮肥施用普遍存在著施用量偏高的問題。由于長期過量施用，氮肥對糧食的增產彈性減小，進一步增加投入對糧食的增產效果已不明顯，導致氮肥利用率不高，不僅造成資源浪費，也給農業生態環境帶來危害[2-3]。因此，明確作物氮肥需求及減氮潛力對于實現合理施肥、我國化肥零增長目標具有重要指導意義。【前人研究進展】近年來，關于作物優化施肥理論與技術有大量的研究，這些研究表明，合理施肥可以在不降低作物產量甚至提高產量的情況下，大幅度提高肥料利用率，降低養分環境損失[4-5]。以往，針對農戶施肥情況，在田塊尺度上分析減量潛力的研究較多[6]。隨著我國化肥零增長目標的提出，針對不同區域不同作物化肥減量潛力的研究也增多。曹寒冰等[7]基于小麥產量確定的養分需求量，在田塊尺度上評價了農戶施肥情況，分析了其減肥潛力。張燦強等[8]在統計數據和區域大配方施肥數據的基礎上，估算出我國小麥、玉米、水稻三大糧食作物主產區化肥投入減量潛力為814.1萬t，占主產區三大糧食化肥用量的27.6%，3種作物可分別削減36.9%、28.1%和16.7%。焉莉等[9]估算吉林省西部、中部、東部水稻節氮潛力為4 378、7 064和604 t。巨曉棠等[10]提出了一種氮肥需求量估算法，估算了國家尺度氮肥需求量。【本研究切入點】河南省是我國農業大省，冬小麥、夏玉米輪作是河南省糧食作物的主要種植方式，河南省小麥種植面積、單產、總產和提供商品糧總量均居全國領先地位，玉米生產在全國亦具有非常重要的地位[11-12]。有研究表明，河南省化肥總用量持續增加，農戶過量施肥現象比較普遍[13-14]。然而，河南省區域上小麥-玉米氮素需求及節氮潛力尚不明確。【擬解決的關鍵問題】本研究利用統計數據對河南省小麥和玉米生產、實際氮肥消費量的歷史發展趨勢進行分析；根據多年多點大田試驗數據分析小麥和玉米的施氮效果、氮肥需求量和區域氮肥推薦用量，在此基礎上研究河南省小麥、玉米氮肥需求總量，并進一步估算河南省小麥、玉米節氮潛力，為河南省糧食生產、合理施肥乃至我國化肥零增長目標提供依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究所采用的數據主要來源于兩個方面，一是國家統計數據，二是國家測土配方施肥項目“3414”田間試驗數據。其中，河南省小麥和玉米種植面積、總產、單產數據及農用化肥消費量來源于國家統計局統計資料[15]。河南省小麥和玉米單位面積施肥量數據來源于國家發展和改革委員會價格司發布的全國農產品成本收益資料匯編[16]。河南省小麥和玉米推薦施氮量、氮素累積量、單位籽粒養分吸收量等指標的計算，數據來源于 2005—2010年國家測土配方施肥項目在河南省開展的“3414”田間試驗，小麥試驗樣本 748個，玉米624個。分別選取“3414”試驗設計中的N0P2K2處理、N1P2K2處理、N2P2K2處理、N3P2K2處理進行數據分析[17]。4個處理中，N0表示不施氮肥，N2為當地農技專家根據農戶施肥情況確定的氮肥用量，因此不同試驗點的氮肥施用量并不相同，N1為N2用量的0.5倍，N3為N2的1.5倍；磷、鉀施肥量均為當地農技專家根據農戶施肥情況確定。小麥氮、磷、鉀二水平（N2）施用量平均為170.0、90.9、89.9 kg·hm-2；玉米氮磷鉀二水平施用量平均為209.4、77.9、75.3 kg·hm-2。

1.2 實際氮肥消費量計算

河南省農用氮肥消費量等于單質氮肥消費量與復合（混）肥含氮量之和；小麥和玉米氮肥消費量根據播種面積與單位面積氮肥用量的乘積獲得。復合（混）肥含氮比例不一致，本研究根據河南省農戶及肥料生產企業氮肥銷售及施用狀況調查結果（n=1266），以復合（混）肥平均含氮20%進行計算（圖1）。

1.3 田塊尺度氮肥推薦用量計算

以測土配方施肥項目“3414”大田試驗為對象，采用肥料效應函數法計算田塊尺度的氮肥推薦用量。用一元二次方程對產量數據進行擬合，即y=a+bx+cx2，其中y為籽粒產量（kg·hm-2），x為肥料用量（kg·hm-2），a為截距，b為一次回歸系數，c為二次回歸系數。對于符合條件的樣本，計算其最高產量施氮量（NR1），即y最大時的施氮量；同時計算經濟最佳施氮量（NR2），即邊際收益等于邊際成本時的施氮量[17]。

圖1 復合肥中氮百分含量的頻率分布Fig. 1 The frequency distribution of N content in compound fertilizer

此外，根據養分平衡原理，長期耕作的田塊在秸稈全部還田條件下，氮肥的施用應該補充通過籽粒帶走的氮素。我國氮肥損失較為嚴重，氮素損失的量相當于秸稈還田的氮量，因此，需要補充的氮肥大致相當于作物地上部（包括籽粒和秸稈）的氮素吸收量[18-19]，根據這個原理計算田塊尺度上作物的氮肥推薦用量（NR3）。

1.4 區域尺度氮肥需求總量計算

河南省小麥或玉米氮肥需求總量（ND）通過小麥或玉米播種面積和區域平均適宜施氮量（RMONR）的乘積獲得[10]。其中，區域平均適宜施氮量是對某一地區多年多點試驗獲得的田塊尺度的氮肥推薦用量進行平均，進而計算出針對該區域的推薦用量均值[20]。基于最高產量施氮量（NR1）、經濟最佳施氮量（NR2）、地上部氮素吸收量（NR3）分別計算河南省小麥或玉米平均適宜施氮量（RMONR1、RMONR2、RMONR3），并進一步計算不同方法下的氮肥需求總量（ND1、ND2、ND3）。

此外，根據河南省小麥、玉米的總產量，以及生產單位籽粒的氮素需求量也可以估算出河南省小麥、玉米氮肥需求總量（ND4），即氮肥需求總量=作物籽粒總產量×單位籽粒氮肥需求[19]。其中，單位（1000 kg）籽粒氮素需求（kg）=作物吸氮量/籽粒產量[21]，數據根據“3414”試驗中的NPK平衡施肥處理計算。

1.5 河南省小麥和玉米節氮潛力計算

河南省小麥或玉米節氮潛力（NSP）=小麥或玉米實際氮肥消費量-氮肥需求總量。河南省小麥和玉米實際氮肥消費量計算方法見1.2，氮肥需求總量計算方法見1.4。根據氮素需求總量計算方法不同，可估算不同情景模式下的節氮潛力（NSP1、NSP2、NSP3、NSP4）。

2 結果

2.1 河南省小麥、玉米生產狀況

新中國成立以來，河南省小麥播種面積、總產和單產都呈增加趨勢（圖 2）。2015年，河南省小麥播種面積為5 426×103hm2，總產量為3 501×104t，單產為 6 453 kg·hm-2；玉米播種面積為 3 344×103hm2，總產量為 1 854×104t，單產為5 543 kg·hm-2。與1949年相比，小麥播種面積增加了 35.5%，而總產量提高到原來的13.8倍，單產提高到原來的10.2倍；玉米播種面積增加至原來的3.6倍，總產提高到27.9倍，單產是原來的7.7倍。從變化趨勢看，盡管河南小麥、玉米播種面積的增加對總產的提高有一定作用，但總產的增加高度依賴于單產的提高，而種植面積的貢獻相對而言比較小。

從1949—1961年，小麥和玉米種植面積波動很大，而總產和單產緩慢增長，且增長幅度較小，在1958—1961年間甚至出現下降趨勢。1961—1984年，小麥和玉米產量迅速增長，小麥播種面積增加21.3%，總產和單產分別增加至原來的10.3倍和7.5倍；玉米播種面積增加了92.0%，總產和單產分別是原來的9.6和5.0倍。1985—2006年，河南小麥和玉米產量仍然處于持續增長趨勢，但產量波動較大。2006年以后，小麥種植面積、單產、總產均穩步提高，但增加幅度相對比較緩慢；而玉米總產量的提高主要是由于播種面積的增加，單產水平停滯不前甚至有下降現象。

2.2 河南省小麥、玉米氮肥消費量

由圖3可以看出，河南省氮肥消費總量持續增長，2015年農業氮肥消費量增加到370.4×104t，是1979年的5.6倍。其中，單質氮肥消費量從42.6×104t，增加到238.7×104t。但近年來，單質氮肥消費量變化

不大，2006年以來近10年，單質氮肥消費量維持在235×104—245×104t之間變化，2012年后消費量甚至有所下降。單質氮肥消費量增加變緩主要與復合肥消費用量的急劇增長有關，1980年復合肥消費量僅1.4×104t，而2015年達到296.3×104t，通過復合肥消費的氮大概占總氮肥消費量的1/3。

圖2 河南省小麥和玉米種植面積、總產、單產變化Fig. 2 The area, production and yield of wheat and maize in Henan province from 1949 to 2015

圖3 河南省農用、小麥、玉米單質氮肥和復混氮肥消費量Fig. 3 The single, compound and total N consumption for agriculture, wheat and maize in Henan province

根據河南省小麥和玉米播種面積及單位年均氮肥投入量，估算出河南省小麥、玉米氮肥消費量。可以看出，從2004年到2015年，河南省小麥、玉米單質氮肥消費量雖有很大的波動，但總體上呈下降趨勢，小麥從 73.4×104t下降到 56.2×104t，玉米從42.3×104t下降到24.8×104t。與單質氮肥相反，通過復混肥投入的氮肥量呈明顯增加趨勢，小麥、玉米復混氮肥消費量分別從9.1×104和4.5×104t增加到76.8×104和36.1×104t。因此，小麥、玉米氮肥消費總量表現出增加趨勢，2015年分別消費133.0×104和60.9×104t，兩種作物氮肥消費193.9×104t，占河南省農用氮肥消費總量的52.3%。

2.3 河南省小麥、玉米氮肥推薦用量

圖4 河南省小麥和玉米氮肥推薦用量Fig. 4 The recommended N rate for wheat and maize in Henan province

從圖4可以看出，采用3種方法估算的河南省小麥、玉米氮肥推薦量之間存在著很大的差異。其中，采用一元二次函數效應方程估算的小麥最高產量施氮量平均為（171.0±60.7）kg·hm-2，經濟最佳施氮量平均值僅為（155.1±55.6）kg·hm-2。而小麥每年地上部氮素吸收量平均為（204.9±67.5）kg·hm-2，以此作為河南省小麥氮肥推薦用量平均值，則比通過肥料效應函數法估算的最高產量施氮量和經濟最佳施氮量平均值分別高33.9和49.8 kg·hm-2。玉米的肥料效應函數法最高產量施肥量平均值為（202.5±66.6）kg·hm-2，經濟最佳施肥量平均為（172.8±57.9）kg·hm-2，以玉米地上部氮素攜出量作為氮肥推薦用量，則河南省玉米的平均適宜施氮量為（183.7±52.0）kg·hm-2。

圖5顯示，河南省生產1 000 kg小麥籽粒的氮素需求平均為（29.1±6.7）kg，39.8%集中在 25—30 kg之間；生產 1 000 kg玉米籽粒的氮素需求平均值（23.0±4.3）kg，48.8%集中在 20—25 kg之間。以 2015年河南省小麥、玉米平均單產6 453和5 543 kg·hm-2計算，則小麥平均氮肥需求量為187.8 kg·hm-2，玉米僅為 127.5 kg·hm-2。

2.4 河南省小麥、玉米氮肥需求變化趨勢

由播種面積和區域平均適宜施氮量估算的氮肥需求量（ND1、ND2、ND3），不同方法估算的值有所差異，其估算 2015年小麥氮肥需求量為 84.2×104—111.2×104t（圖6）。根據小麥總產和單位籽粒養分需求量估算的氮肥需求量（ND4）則與其他方法的差別比較大，在2005年之前低于ND2，2006年

圖5 小麥和玉米單位籽粒（1 000 kg）氮素需求量的頻率分布Fig. 5 The frequency distribution of N requirement for 1 000 kg grain of wheat and maize

圖6 1949-2015年河南省小麥和玉米氮肥需求量Fig. 6 The N fertilizer demand of wheat and maize in Henan province from 1949 to 2015

以后高于ND2，并逐漸增加。區域平均適宜施氮量估算的河南省玉米氮肥需求量均接近于推薦量為150 kg·hm-2時的需求量，2015年為 57.8×104—67.7×104t；但根據玉米總產和單位產量籽粒養分需求量參數估算的氮肥需求量明顯低于其他方法，2015年僅需42.6×104t。

2.5 河南省小麥、玉米節氮潛力

根據小麥、玉米氮肥實際消費量和氮肥需求量的估算，可以計算河南省小麥、玉米節氮潛力，以2015年為例，小麥氮肥實際消費量為133.0×104t，而估算的氮肥需求量為84.2×104—111.2×104t。因此，在播種面積不變的情況下，通過將全省平均施氮量控制在區域平均適宜施氮量水平，則節氮潛力為 21.8×104—48.8×104t（圖7）。總體上，當前河南省玉米氮肥消費量與區域平均適宜施氮量估算的氮肥需求量相當，因此并沒有表現出節氮潛力；但通過玉米總產和單位籽粒氮素需求量方法估算的河南省玉米氮肥需求量較低，與當前氮肥消費量相比，其減量潛力為18.2×104t。

圖7 不同方法估算的河南省小麥、玉米節氮潛力Fig. 7 The N saving potential of wheat and maize in Henan province estimated by different methods

3 討論

3.1 河南省小麥、玉米節氮潛力

本研究表明，推薦施肥條件下河南省小麥節氮潛力為21.8×104—48.8×104t，玉米節氮潛力相對較小，最大為18.2×104t。焉莉等[9]估算表明，吉林省西部、中部和東部地區的玉米最佳施氮量分別為 114.9、128.9和134.1 kg·hm-2，在保證產量條件下，采用最佳施肥量，吉林省西部、中部和東部每年可減少氮投入量分別為4 378、7 064和604 t。鎢鋼等[22]估算安徽省玉米生產中氮肥可節約17 356 t，節氮潛力7.3%。王永亮等[23]研究表明山西省玉米節氮潛力為10.3×104t，節氮24.6%。可見，盡管同樣是省域水平，不同研究之間節氮潛力估算差異很大。除了玉米種植面積、氮素需求量不同外，導致研究之間差異的主要原因之一在于計算節肥潛力所采用的基準不同。如焉莉等[9]估算節肥潛力采用的基準值是測土配方施肥推薦用量，而本研究是針對當前區域化肥實際消費總量。此外，一般針對特定區域和作物的化肥消費量很難統計，國家統計局對于實際氮肥消費量以及單位面積化肥用量的統計分為兩個部分，單質肥和復合（混）肥，計算氮肥消費量及單位面積化肥用量時需要計算復合（混）肥的氮含量。國內外學者一般按15-15-15等比例折算，在肥料市場通用性復合肥占主導的情況下，這樣折算具有很強的可行性[24-25]。但我國復合肥品種多且變化快，尤其復合（混）肥的消費量越來越高，等比例折算會導致氮肥實際消費量估算量存在誤差。本研究根據調查數據發現，河南省肥料市場中高氮復合肥占有很高的比例，采用等含量估算將低估實際氮肥消費量，因此對比例進行了調整，以提高估算準確性。

本研究中，不同方法估算的節肥潛力差異很大，與估算采用的方法及參數有關。從方法上來看，無論是區域氮肥實際消費量，還是合理的氮肥需求量，都是單個田塊氮肥實際消費或者需求量的總和，但采用這種方法的可行性并不大，尤其在我國農田分散經營的情況下。本研究采用了一般研究使用的方法，即根據作物播種面積與單位面積施肥量平均值的乘積進行計算[9,26]。在播種面積一定的情況下，節肥潛力僅取決于實際施肥量和推薦施肥量的平均值，后兩者的變化將影響節肥潛力的估算。在養分平衡的基礎上，本研究根據糧食總產量以及生產單位籽粒的氮素需求計算出河南省小麥和玉米氮素需求總量[19]，并與其他方法進行對比，該方法對小麥節氮潛力的估算結果介于效應函數法和養分平衡法之間，而對玉米節氮潛力的估算高于其他方法。在基于區域作物總產量和單位籽粒氮素需求量的方法估算區域氮肥需求總量時，一方面作物總產量受管理水平的影響很大，如當前河南省玉米單產和總產水平較低，這將導致計算的玉米氮素總需求量低于其他方法，節氮潛力較高。另一方面，不同研究對于單位籽粒養分需求的估算存在很大差異，將導致節氮潛力估算產生差異。本研究中每生產1 000 kg小麥籽粒的氮素需求平均為29.1 kg，明顯高于其他研究估算的24.6 kg[27]、22.8 kg[28]和24.3 kg[29]，因此導致氮素需求總量高估，而節氮潛力低估；每1 000 kg玉米籽粒氮素需求為23.0 kg，低于劉明強[27]匯總的25.8 kg，與XU等[30]的研究結果22.5 kg相近，但高于孟慶鋒估算的20.0 kg[31]，因而導致玉米節氮潛力被低估或高估。通過效應函數法和養分平衡法估算的玉米氮素需求總量接近或者高于實際氮肥消費量，因此玉米沒有表現出節氮潛力。基于糧食產量和單位籽粒養分需求方法估算的小麥、玉米節氮潛力都相對比較大，在當前我國農民一味追求高產、氮肥施用量總體偏高的情況下，采用該確定的節氮潛力更加有宏觀指導價值。

3.2 節氮潛力的實現途徑

本研究表明，通過將氮肥用量控制在合理范圍，河南省主要糧食作物，尤其是小麥，表現出很大的節氮潛力，但需要針對河南省小麥、玉米施肥情況，從不同途徑來實現。根據大樣本調查結果[13-14]，河南省農戶小麥、玉米氮肥用量高，且不同農戶之間變異非常大，小麥平均氮肥用量為234.6 kg·hm-2，用量范圍在 3.9—861 kg·hm-2之間，總用量大于 225 kg·hm-2的占35.5%；玉米氮肥用量平均為293.3 kg·hm-2，變幅為3.1—667.4 kg·hm-2。在豫北高產灌區浚縣，氮肥用量超過300 kg·hm-2的農戶比例高達51.86%，超過225 kg·hm-2的占 77.68%；而同樣屬于豫北高產灌區的溫縣，氮肥用量超過225 kg·hm-2的僅占 19.55%，但氮肥用量低于120 kg·hm-2的農戶占27.31%[32]。可見，河南省氮素管理亟需大力推廣測土配方施肥，通過氮素實時管理等技術因地制宜，實現節肥增效[33-34]。其次，農戶施肥比例和施肥結構也需要調整。從當前農戶施用氮肥的方式來看，小麥氮肥一次性基施占有的比例達54.4%[13]；在不同區域和不同用肥時期，農民多數選用復合（混）肥和尿素，選用其他品種化肥的比例均較小；農民購買復合（混）肥以氮、磷、鉀等養分配方的復合肥以及高氮復合（混）肥為主，這可能導致氮肥、磷肥、鉀肥施用比例不盡合理[13-14,35]。因此，需要引導肥料企業按照區域大配方生產復混肥，同時指導農民按照“大配方，小調整”的原則施用配方肥[36]。第三，大力推廣秸稈還田和有機肥替代技術是實現節氮目標的重要技術途徑。不同種類的有機肥的施用能夠提供數量可觀的氮素，對于土壤氮素供應和產量增加起到很大作用。近年來，我國化肥用量增加的同時，有機肥施用量逐漸降低。據統計，河南省小麥通過有機肥提供的氮平均只有22.1 kg·hm-2，化肥提供的氮平均212.6 kg·hm-2；玉米通過有機肥提供的氮僅占總氮用量的8.0%[13-14]。我國有機肥資源每年可提供的氮素，比每年氮肥總使用量還高，但有機肥和秸稈還田率很低，在以化肥為主的現實狀況下，土壤有機碳、氮庫變小，對養分缺乏的緩沖能力變弱，農戶頻繁地大量灌水和施肥以維持產量，使養分利用率降低，管理成本增大，造成惡性循環[10]。因此，推廣秸稈還田和有機肥替代化肥技術，可以打破這種惡性循環，增加有機氮的供應，降低化肥氮需求量，節氮潛力也會增加。最后，由于農戶地塊小、土地分散、施肥水平低等原因，合理施肥看似簡單，或者說在理論上比較容易解決，但在生產中卻難以實現。在教育水平和政策不變時，農戶降低氮肥用量的自主意愿普遍較低，實現合理施肥、降低氮肥用量的問題，還需要從技術傳播推廣、化肥價格政策、農產品產量補償甚至土地規模化等涉及到社會經濟、政策等方面的途徑進行解決[37-38]。

4 結論

河南省小麥、玉米氮肥總消費量持續增加，單質氮肥消費量呈下降趨勢，通過復混肥投入的氮消費量逐漸增加。采用肥料效應函數法估算河南省小麥最高產量和經濟最佳施肥量平均值為171.0和155.1 kg·hm-2，玉米為202.5和172.8 kg·hm-2。小麥、玉米地上部氮素累積量平均值分別為209.4和183.7 kg·hm-2，每生產1 000 kg籽粒所需要的氮素量為29.1和23.0 kg。采用不同計算方法確定的河南省小麥氮肥需求總量為84.2×104—111.2×104t，玉米氮肥需求總量為42.6×104—67.7×104t。河南省小麥、玉米氮肥節氮潛力很大。通過合理調控，小麥可節減氮21.8×104—48.8×104t，玉米最高節氮18.2×104t。