汾渭平原農戶冬小麥氮磷養分投入調查與分析

韓 燕，鄭景瑞，盧慧宇，王云鳳，羅彩霞，杜文婷，雷 同，張潤澤，徐佳星，胡昌錄，張樹蘭

(西北農林科技大學資源環境學院，陜西楊凌 712100)

據國家統計局資料(http://data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=C01)顯示，我國化肥折純使用量由1980年的1 269.40萬t上升到2018年的5 653.42萬t，增加了345%，而同期糧食產量從32 055.50萬t增加到65 789.22萬t，僅增加了105%。化肥用量的增長速度高于作物產量的上升速度，主要的原因可能是農戶施肥時并未根據作物的需求，而是依靠經驗或盲目施肥[1]，造成我國化肥過量施用現象普遍。例如，山東省化肥使用量逐年增加，使得該地小麥-玉米種植體系氮盈余116～526 kg·hm-2，磷盈余47～94 kg·hm-2[2]；在青海省有40.1%的農戶施氮過量，48.8%的農戶施磷過量[3]。就全國而言，有 75.0%的農戶過量施用化肥[4]。因此，我國主要糧食作物氮肥、磷肥及鉀肥的利用率均隨時間呈下降趨勢[5]。磷作為一種不可再生資源，長期大量施用磷肥將導致磷礦資源消耗過快，有報道稱世界高品位、易開采的磷礦資源壽命約50年左右[6]。長期定位試驗研究表明，磷施入土壤后，有75%～95%的磷以不同的磷形態存留在土壤中，從而導致農田磷素大量積累[7]，進而通過徑流等途徑進入水體引起水體富營養化；當氮素投入超過作物最佳或最高產量施氮量時，也會使得土壤硝態氮殘留急劇增加[8]，引發一系列環境問題。

汾渭平原是黃河流域汾河平原、渭河平原及其臺原階地的總稱，自古就是晉陜兩省的“糧倉”，也是我國主要的冬小麥產區，以往的調查結果表明，汾渭平原的部分地區農戶冬小麥氮、磷肥過量施用比例較高，均在30%以上[9-10]，但目前仍然缺乏對汾渭平原農戶施肥現狀的全面了解和評估。2016年農業部提出《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，為了有針對性地指導農戶科學施肥，加快化肥零增長目標的實現，有必要全面調研汾渭平原現階段的農戶施肥現狀。因此，本研究通過2018和2019連續兩年對該區域冬小麥產量及施肥情況的調查，分析和評價農戶施肥現狀，以期為建立科學施肥提供依據。

1 材料與方法

1.1 調查區域

汾渭平原主要包括汾河中下游太原盆地、臨汾盆地、運城盆地在內的汾河平原和渭河流域關中盆地及其連帶的黃土階地在內的渭河平原，整個平原北起山西太原，南抵永濟，長約760 km，寬40～100 km，跨黃河小北干流進入陜西，延伸至寶雞市隴山原下，土地總面積近7萬km2[11]。汾渭平原糧食作物以冬小麥-夏玉米輪作為主，一年兩熟，冬小麥一般于9月下旬到10月中上旬播種，翌年6月中上旬收獲。渭河平原土壤有機質為8.4～21.8 g·kg-1、速效磷5.3～34.2 mg·kg-1、速效鉀93～201 mg·kg-1；汾河平原土壤有機質為13.1～19.2 g·kg-1、速效磷 5.9～21.2 mg·kg-1、速效鉀97～178 mg·kg-1。其中，土壤鉀素肥力均屬于高水平以上[12]。

1.2 調查方法

2018和2019連續兩年于冬小麥收獲后，在汾河平原的堯都、曲沃、襄汾、洪洞、浮山、侯馬、聞喜、夏縣、永濟9個區/縣，以及渭河平原的陳倉、岐山、扶風、鳳翔、眉縣、武功、臨潼、臨渭、華州、澄城、蒲城、富平、華陰13個區/縣進行農戶施肥調研。在每個區/縣選擇3個鄉，每鄉選擇2個村，每村選5～10個農戶為調查對象，調查內容主要包括冬小麥產量、施肥情況和田間管理等。兩年共計調研農戶總數785戶，有效農戶總數為725戶，其中汾河平原為456戶，渭河平原為269戶。

1.3 數據處理

1.3.1 冬小麥產量分級

冬小麥產量參照趙護兵等[13]的產量分級標準，分為5個等級，即很低(<4 500 kg·hm-2)、偏低(4 500～5 500 kg·hm-2)、中等(5 500～ 6 500 kg·hm-2)、偏高(6 500～7 500 kg·hm-2)和很高(>7 500 kg·hm-2)。

1.3.2 農戶施肥量等級劃分

調研區域土壤鉀肥肥力較高，作物體系不建議施用鉀肥，因此，本研究只關注農戶氮、磷肥的投入調查。農戶氮磷養分投入參照曹寒冰等[14]農戶施肥分級標準，以合理施肥量(recommended fertilization rate,Rec)的40%為變幅，分為5級進行評價，從低到高依次為0～0.4Rec(很低)、0.4～0.8Rec(偏低)、0.8～1.2Rec(適中)、1.2～1.6Rec(偏高)和>1.6Rec(很高)，其中合理施肥量(Rec)由各農戶實際產量計算，具體如下：

合理施肥量(Rec)=養分攜出量=產量×養分需求量×調整系數

(1)

式中養分需求量為100 kg冬小麥籽粒養分需求量，即生產100 kg小麥分別需氮(N)2.8 kg，需磷(P2O5)0.7 kg，N和P2O5的調整系數分別為1.0和1.5，因此，合理施氮量(RecN)和合理施磷量(RecP)分別由公式(2)和(3)計算：

合理施氮量(RecN)=產量/100×2.8×1.0

(2)

合理施磷量(RecP)=產量/100×0.7×1.5

(3)

1.3.3 化肥偏生產力的計算

氮磷偏生產力(partial factor productivity,PFP)，指投入單位氮磷所能生產的作物籽粒產量，單位為 kg·kg-1，計算見公式(4)。

PFP=Y/F

(4)

式中，Y為作物產量；F代表養分(指N、P2O5)的投入量。

2 結果與分析

2.1 汾渭平原農戶冬小麥產量及分布

調查結果顯示，汾河平原農戶冬小麥平均產量為6 949±1 515 kg·hm-2，較渭河平原農戶冬小麥平均產量(6 442±1 807 kg·hm-2)高約8%。就產量水平分布而言，汾河平原和渭河平原冬小麥產量水平很低和偏低的農戶占比均不足20%，其中汾河平原稍低于渭河平原；汾河平原冬小麥高產(偏高+很高)的農戶占61.4%，渭河平原冬小麥高產(偏高+很高)的農戶占52.8%，兩個區域小麥產量水平均以中等以上為主(表1)。

表1 汾渭平原農戶冬小麥產量分布

2.2 汾渭平原農戶冬小麥養分用量

調查表明，汾河平原農戶冬小麥氮和磷的平均用量分別為272.6和139.1 kg·hm-2，渭河平原氮和磷的平均用量分別為196.3和147.2 kg·hm-2。根據兩地農戶平均產量下推薦的施肥量，目前汾河平原農戶冬小麥養分投入表現為氮、磷肥平均用量均偏高；而渭河平原則表現為氮肥平均用量適中，磷肥平均用量偏高。

從表2可以看出，汾河平原農戶施氮量很低、偏低、適中、偏高和很高的農戶比例總體上呈增加趨勢，施氮合理的農戶占23.68%，施氮過量(偏高+很高)的農戶占比高達64.47%；施磷適中的農戶僅占 7.89%，而施磷過量(偏高和很高)的農戶占比高達78.07%。在不同產量水平下，發現從產量很低(<4 500 kg·hm-2)到產量很高水平(>7 500 kg·hm-2)，施氮過量(偏高+很高)的農戶比例呈先升高后降低的趨勢，在產量偏低水平占比最高，為87.88%；施氮適中的農戶在產量偏低水平占比最低，為9.09%，在產量很高水平占比最高，為29.86%；施氮不足(很低+偏低)的農戶比例呈先增加后降低的趨勢，在產量偏高水平占比最高，為20.34%。而隨著產量水平的提高，施磷過量(偏高和很高)的農戶比例總體上呈降低趨勢，在產量很低水平占比高達100%；施磷適中的農戶比例在產量適中水平占比最高，為11.22%；施磷不足(很低+偏低)的農戶比例呈先升高后降低的趨勢，在產量偏高水平時最高，為18.64%。

表2 不同產量水平下汾河平原農戶施肥分布比例

從表3可以看出，渭河平原農戶施氮量很低、偏低、適中、偏高和很高的農戶比例總體上呈先增加后降低的趨勢，施氮適中的農戶占31.97%，施氮過量(偏高+很高)的農戶占39.40%；施磷很低、偏低、適中、偏高和很高的農戶比例呈增加趨勢，施磷適中的農戶僅占14.50%，而施磷過量(偏高+很高)的農戶高達 79.56%。在不同產量水平下，發現從產量很低(<45 00 kg·hm-2)到產量很高水平(>7 500 kg·hm-2)，施氮過量(偏高+很高)的農戶在產量很低水平占比最高，為89.29%；施氮適中的農戶在產量偏低水平占比最高，為48.00%；施氮不足(很低+偏低)的農戶比例成增加趨勢，在產量偏高水平占比最高，為 44.44%。而隨著產量水平的提高，施磷過量的農戶比例呈降低趨勢，在產量很低水平占比高達100%；施磷適中和施磷不足的農戶比例均呈增加趨勢，均在產量很高水平占比最高。

表3 不同產量水平下渭河平原農戶施肥分布比例

2.3 汾渭平原農戶冬小麥氮磷養分基、追施用量及比例

從冬小麥不同時期養分投入量及其比例(表4)可以看出，汾河平原農戶氮肥基施和追施平均用量分別為164.5和108.1 kg·hm-2，分別占氮肥總投入的60.3%和39.7%。渭河平原農戶氮肥基施和追施平均用量分別為191.0和5.3 kg·hm-2，分別占氮肥總投入量的97.3%和 2.7%。汾河平原氮肥追施比例較大，而渭河平原基本沒有追施。兩個調查區域磷肥均以基施 為主。

表4 汾渭平原農戶冬小麥氮磷養分基施和追施用量及比例

2.4 汾渭平原農戶冬小麥肥料偏生產力的分布

調查(表5)發現，汾河平原農戶冬小麥氮肥偏生產力變化范圍為8.1～129.3 kg·kg-1，平均 30.4 kg·kg-1，分布比例最高的是20～30 kg·kg-1，占41.23%，其次是10～20 kg·kg-1，占23.03%；磷肥偏生產力變化范圍為8.2～ 500.0 kg·kg-1，平均59.6 kg·kg-1。渭河平原農戶冬小麥氮肥偏生產力變化范圍為3.1～ 184.8 kg·kg-1，平均38.4 kg·kg-1，分布比例最高的是20～30 kg·kg-1，占30.86%，其次是30～40 kg·kg-1，占19.33%；磷肥偏生產力變化范圍為4.6～244.4 kg·kg-1，分布比較均勻，平均56.1 kg·kg-1。

表5 汾渭平原農戶冬小麥氮磷肥偏生產力的分布

3 討 論

3.1 冬小麥產量

調查表明，汾河平原和渭河平原農戶冬小麥平均產量分別為6 949和6 442 kg·hm-2，高于以往產量調查結果，增加幅度分別為24.4%～ 271.6%[15-16]和-0.3%～162.9%[9,13,17]。這說明無論是在汾河平原還是渭河平原，冬小麥產量總體呈增加趨勢，但不同調研結果間波動較大，可能與氣候條件變化有關[15,17]。相比以往的調查結果[13,15]，本次調查汾渭平原農戶冬小麥產量很低、偏低和中等的農戶比例降低，而偏高和很高的農戶比例增加，反映了農戶種植水平的進步以及現行品種產量潛力較高。此外，國家統計局數據(http://data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=C01)顯示，全國冬小麥平均產量為5 497 kg·hm-2，而法國、英國、比利時和丹麥等國小麥產量均高于7 000 kg·hm-2[9]，這說明汾渭平原農戶冬小麥產量總體水平雖高于我國平均水平，但仍有很大的增長潛力，優化養分管理是實現小麥高產的一個重要措施。

3.2 汾渭平原農戶冬小麥養分投入

調查結果表明，汾河平原農戶冬小麥氮、磷養分平均投入量分別為272.6和139.1 kg·hm-2，渭河平原農戶冬小麥氮、磷的平均投入量分別為196.3和147.2 kg·hm-2，汾河平原氮、磷平均施用量均高于我國平均施用水平(198 kg N·hm-2、103 kg P2O5·hm-2)[18]，而渭河平原則施磷過量較為嚴重。與以往調查結果相比，汾河平原農戶冬小麥氮平均投入量降低，磷平均投入量基本保持不變[8,15]，而渭河平原農戶冬小麥氮平均投入量基本維持在190 kg N·hm-2左右，磷平均投入量略有增加[9,17]。與歐洲等國小麥平均施肥量和產量相比[18]，目前汾渭平原農戶冬小麥的生產仍然是“高投入、低產出和高資源環境代價”的模式。

此外，渭河平原農戶冬小麥施氮多為“一炮轟”方式，使小麥生長后期供氮不足，從而造成減產。李 強[22]等研究表明，氮肥分次施用可顯著增加小麥產量，因此，為了提高渭河平原農戶冬小麥產量，有必要引導農戶進行合理分配氮肥的基追比例。

3.3 汾渭平原農戶冬小麥養分偏生產力

汾河平原農戶冬小麥氮、磷的平均PFP分別為30.4和59.6 kg·kg-1，渭河平原農戶冬小麥氮、磷的平均PFP分別為38.4和56.1 kg·kg-1，這些數值均低于我國平均氮、磷偏生產力(43.0 kg N kg-1、63.7 kg P2O5kg-1)[5]。本研究調研數據表明，汾渭平原農戶冬小麥氮肥偏生產力均集中分布在20～30 kg·kg-1，遠低于氮肥的最佳偏生產力(40～70 kg·kg-1)[5]，有研究發現，當氮肥偏生產力大于60 kg·kg-1時，表明氮素管理較好或施肥量較低[23]。由此可見，氮、磷施用過量是導致汾渭平原氮、磷利用效率較低的主要原因。因此，未來可能需要通過技術培訓、立法或其他措施來引導種植戶合理施肥，提高養分效率。

致謝:本文作者特別感謝山西省農業科學院周懷平、王克功、黨建友、原宗英和陸俊姣，山西大學任振興以及西北農林科技大學史鵬、李強、黃冬琳和鄭險峰提供的農戶調研數據。