贛南地區測土配方施肥的經濟和生態效益

肖書妹劉光旭

(1.贛南師范大學地理與環境工程學院，江西 贛州 341000；2.中國科學院大學，北京 100049)

引言

作為我國主要的糧食作物之一，水稻的產量對我國的糧食安全產生重大影響。水稻種植的研究重點在于提高產量[1]，栽培技術落后是阻礙水稻產量、質量提高的主要因素[2]。而不合理地使用化肥，不僅增加了農業生產成本，造成土地退化，生產能力下降，還帶來了一系列的環境污染問題[3]。中國是一個農業大國，農業生產消耗大量化肥，但化肥利用率低下[4]。在過去的30a間，我國化肥的消費量增加39倍，糧食產量只增加3.1倍[5]。相關研究表明，化肥的使用還會排放出大量的溫室氣體[6]。因此，要尋找科學合理的施肥方式，以提高化肥的利用效率，保護生態環境。早在1843年,英國科學家在洛桑試驗站，安排長期肥效定位試驗，開始了科學施肥技術的探索歷程[7]。自此，施肥技術在國外迅速發展。美國艾奧瓦州的測土配方施肥試驗，完善了測試[8]。以色列按照作物生長所需，將肥溶于水中，既節約用水，又使氮肥的利用效率達到了90%以上[9]。此外，英國政府通過經濟補貼的方式，鼓勵農業生態環境保護；推廣精準農業，運用現代化計算機設備，提高農業生產率；推出現代學徒制度，對農戶提供技術指導[10-12]。德國頒布了《聯邦職業教育法》，用法律進行監督，對農民提出了切實可行的培訓目標，以適應現代化農業發展的需求[13]。我國1957年成立全國化肥試驗網，進行了氮肥、磷肥肥效試驗研究[7]。相比于國外，我國的化肥施用研究起步晚。2005年中央一號文件提出測土配方施肥技術，其主要是根據作物生長需求、土壤供肥性能和各種肥料效應，制定施肥方案和化肥施用量，調節和解決作物需肥與土壤供肥之間的矛盾，有針對性地補充作物所需的營養元素，實現各種養分平衡供應，滿足作物生長需要，提高產量和化肥利用效率，改善農產品品質，保護生態環境。經過10a的發展，我國的測土配方施肥技術在所有農業縣迅速開展測土配方施肥試驗、施肥效益的模型參數研究[14]，也有學者進行了專家系統的施肥研究[15]、合作社組織推廣施肥技術[16]、農戶對施肥技術采納分析[17]，這充分體現出，我國正在加快完善測土配方施肥技術，提高測土配方施肥的技術水平和科學性，因地制宜推廣測土配方施肥技術；也反映了我國農業生產過程中存在的農戶的知識文化水平低，對新技術的采納能力較低，普及率低的問題[18]。目前，關于贛南地區測土配方施肥的研究比較少。但贛南地區農業比重大，貧困人口多，農業種植技術落后，對生態環境問題重視不夠，迫切需要新技術、新方法的指導。本文主要按照因地制宜的原則，結合在南康區開展的試點試驗，探討測土配方施肥帶來的經濟和生態效益。改善傳統的農業生產過程中，不合理的施用化肥所造成的生態環境污染問題，提高資源利用效率，增加糧食產量，為推動農業生產方式變革提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

南康區位于江西省贛州市西北部(圖1)，地處江西南部，贛江源章江流域的中下游。地處N25°28′～26°14′24"，E114°29′9"～114°55′24"，為亞熱帶季風氣候，無霜期286d左右，年平均氣溫18.5～19℃，多年平均降水量1439.8～1515.6mm[20]，年均日照時數1856.6h，無霜期長，雨熱同期，水熱資源豐富。地勢南北高，中間低，多河漫灘和沖積平原。水稻是南康主要的糧食作物，熟制為1a兩熟，全區的種植面積38508.47hm2，是贛州重要的糧食生產區，農業景觀占比最大的區，高達18.4%[19]。所選的13個試驗地位于南康區的北部、中部和西部，具有典型代表性，土壤肥力均勻一致，類型主要為沙泥田。田塊大小適中、平整、方便進行灌溉和排水。

1.2 試驗材料

供試的水稻品種均由江西先農種業有限公司提供，2015年為晚稻雜交種“欣榮優華占”；2016年為早稻雜交種“欣榮優5號”。供試肥料分別為45%玉露牌配方肥(20∶10∶15)，尿素(含純N 46%)，氯化鉀(含K 60%)。

1.3 試驗設計

試驗根據田塊形狀、面積及水量流向設置常規施肥區、配方施肥區、空白區3個處理。常規施肥區，按照試驗地農戶習慣施肥量施肥；配方施肥區，按照測土分析后，按肥料效應試驗的最佳施肥量，即用肥折純：N∶P∶K=11.5∶4∶9(kg·667m-2)，折算為N∶P∶K=172.5∶60∶135(kg·hm-2)，進行施肥；空白區，不施任何肥料,面積40m2。具體施肥情況見表1。各小區種植的水稻品種相同，施用的化肥的品種相同，常規區和配方區面積相同(>100m2)。3個小區間起壟分隔，并用薄膜覆蓋，各區設有進出水口，嚴格按照灌水流向進行排灌，防止肥水串灌和串排。試驗區插秧規格16.67cm×20cm，小區必須由同一人1d栽插完，除施肥方式外，3個試驗區的耕作方式相同。一切按照常規大田管理，采用寸水返青、淺水勤灌、夠苗、曬苗，及時進行大田耕作除草、排水等田間農事操作，以加強病蟲害防治措施，具體的耕作日程計劃見表2。

表1 施肥情況

表2 耕作日程計劃

1.4 數據處理與分析方法

1.4.1 數據收集和處理

農戶在收割前，通知試驗人員對各試驗區進行測產，做好記錄。收割時，各試驗小區，分開晾曬，裝袋計重，試驗人員做好標記和記錄。施肥成本按照農戶購買的肥料價格進行計算，產量折合為kg·hm-2進行比較，產值等于當年的稻谷收購價減去化肥成本。

1.4.2 主要數據分析方法

增收(Increased profit, 元·hm-2)指作物施肥后的收益較缺肥區增加的那部分。

增收=(全肥區產值-施肥區肥料成本)-(缺素區產值-缺素區肥料成本)[21]

土壤貢獻率(Soil contribution rate, SCR,%)反映土壤供養植物生產能力的指標，土壤貢獻率越大，表明作物對地力的損耗越強。

土壤貢獻率=無肥區經濟產量/全肥區經濟產量×100[21]

肥料貢獻率(Fertilizer contribution rate, FCR,%)指肥料對作物產量的貢獻率，反映了作物對肥料的依賴程度。

肥料貢獻率=(全肥區經濟產量-缺素區經濟產量)/全肥區經濟產量×100[21]

肥料偏生產力(Partial factor productivity，PFP)反映土壤基礎養分水平和肥料養分施用量綜合效應的重要指標[22]，指單位投入的肥料所能生產的作物籽粒產量[23]。

肥料偏生產力=施肥后所獲得的作物產量/肥料純養分投入量[22,24]

肥料農學效率(Agronomic efficiency，AE)，作物施肥比不施肥增加的產量與施肥量的比值，反映了單位施肥量增加作物產量的能力，是國際上表征農田肥料利用效率的常用參數[21,22]。

肥料農學利用效率=(施肥處理作物產量-不施肥對照作物產量)/肥料純養分投入量

采用Excel 2019試驗數據進行分析與制圖，采用ArcGIS進行試驗區概況制圖，用R制作數據圖。

2 結果分析

2.1 經濟效益

2.1.1 從經濟效益的各項指標進行分析

從表3可以看出，配方區在產量、產值、施肥成本、利潤、增收、產投比方面明顯優于常規區。產量按高到低進行排序依次是：配方區、常規區、空白區，配方區和常規區比空白區分別增產3526.78kg·hm-2和3141.19kg·hm-2，配方區較常規區多385.59kg·hm-2，增產率分別為81.63%、72.71%，配方區比常規區多8.92%。產值進行對比，配方區和常規區比空白區，分別增加產值9227.48元·hm-2和8166.41元·hm-2，配方區較常規區多1061.07元·hm-2，產值增長率分別為82.59%和72.70%，配方區比常規區多9.89%。從施肥成本進行對比，空白區為0，配方區較常規區的成本減少1718.6元·hm-2，成本降低6.10%。從利潤進行對比，配方區和常規區比空白區分別增收6487.18元·hm-2和5247.95元·hm-2，配方區較常規區增收1239.23元·hm-2，增收率分別為57.80%和46.72%，配方區比常規區多11.08%。從產投比來看，配方區比常規區高0.82。這都充分表明，測土配方施肥能減少成本投入和增加農民收入，提高化肥的利用效率，增加糧食產量，對于提高農民生產積極性，具有重要意義。

表3 各項指標分析

2.1.2 從肥料利用效率進行分析

肥料利用率，一直是我國學術界和政府關注的焦點[25]。本試驗結果表明(表4)，常規區較配方區耗地力，晚稻強2.58%，早稻強3.12%。肥料貢獻率，晚稻高2.58%，早稻高3.12%。這表明,測土配方施肥具有減輕地力損耗，提高肥料貢獻率的巨大優勢，耗損地力的那部分通過肥料貢獻率得以補償。

表4 肥料利用效率

2.1.3 肥料偏生產力

試驗數據表明，配方區的氮、磷、鉀肥的偏生產力明顯高于常規區。從圖2(在圖中，白點是中位數，黑色盒型的范圍是下4分位點到上4分位點，細黑線表示須。外部形狀即為核密度估計)可以看出，配方區的偏生產力中位數均明顯高于常規區。其中配方區磷肥偏生產力的下4分位數明顯高于常規區的上4分位數。這說明，配方區有75%以上的試驗區磷肥的偏生產力高于常規區。配方區氮肥的偏生產力的下4分位數明顯高于常規區的中位數，常規區50%的試驗區氮肥偏生產力集中在40～50，配方區集中在45～55。配方區的鉀肥偏生產力極差較大，常規區與配方區有50%集中在較低水平，配方區可以顯著提高鉀肥的偏生產力，最大值達84.5kg·kg-1，這說明測土配方施肥技術在提高鉀肥偏生產力方面具有很大的潛力。總體上看，配方區土壤基礎養分水平和肥料養分施用量綜合效益高于常規施肥區，測土配方施肥技術能夠使土壤基礎養分水平和肥料養分施用量綜合效應充分發揮，有利于作物生長。

2.1.4 肥料農學利用效率

肥料農學利用效率可以用來很好地評價肥料的增產效應[22]，從表5可以看出，常規區的氮、磷、鉀肥平均利用率分別為16.9%、44.3%、23.8%；配方區的氮、磷、鉀肥利用率分別為20.6%、58.7%、27.0%；配方區較常規區氮、磷、鉀利用率分別提高3.7%、14.4%、3.2%。從圖4可以明顯看出,配方區的氮、磷、鉀肥利用效率均高于常規區。其中，氮肥最高達5.3%，磷肥最高達18.8%，鉀肥最高達12.3%。測土配方施肥技術提高了氮、磷、鉀肥的利用效率，尤其是磷肥的利用效率，對于減少化肥的浪費，減輕氮、磷、鉀的流失，降低農業生產成本具有重要意義。

表5 肥料農學利用效率

2.2 生態效益

2.2.1 農田面源污染現狀分析

農業面源污染主要是由于化肥的施用量大，利用效率低，肥料配比不合理[26]。農業生產過程中，排放的氮磷物質是滇池和太湖水體污染物的主要來源[27]，易造成水體面源污染，治理難度較大。相關研究表明，在江西紅壤性水田上，土壤磷素偏高，不加控制，既會對水體造成污染，又會導致農田土壤磷的有效性變差[5]。從表6可以看出，配方區較常規區平均減少純氮12kg·hm-2，純磷10.5kg·hm-2。氮肥減少用量7.89%，磷肥減少用量17.5%，明顯地減少了磷肥的施用量。對于全南康區而言，谷物播種面積38508.47hm2，全區推廣測土配方施肥，將減少施用46.21×104kg的氮肥和40.43×104kg的磷肥的殘留土壤或流失水體。此外，配方區的氮磷肥的施用比例更加合理，增加了鉀肥的施用量。適量氮、磷、鉀肥配施能夠有效提高作物對氮肥的吸收，降低土體中硝態氮的殘留[28]。測土配方施肥技術可以在很大程度上減少氮、磷肥的使用量，對于節約資源，提高氮、磷肥的利用率，減輕土壤硝態氮的殘留，減少土壤磷素的過量蓄積，保護生態環境具有重要的意義。

表6 常規施肥與測土配方施肥的比較

2.2.2 減輕過量施肥帶來的危害

氮肥的過量施用，會帶來嚴重的環境問題。在施肥過程中，氮肥容易揮發釋放出大量的含N的氣體，這些氣體是形成酸雨和溫室效應的主要來源。此外，土壤中過量的含氮的化合物，通過下滲進入地下，隨著地下徑流，流入河流和湖泊，造成水體富營養化，導致浮游生物和藻類大量滋生，使水中溶解的氧氣消耗殆盡，魚類等水生動物缺氧死亡，魚類的水生動物死亡的尸體會污染湖泊，導致水體發臭。化肥的過量施用會導致土壤板結、影響土壤水肥傳輸，降低土地保水保肥供水供肥的性能[26,29]。過量施用氮肥會導致食物中硝酸鹽含量增加，在人體內硝酸鹽易轉化成亞硝酸鹽等致癌物質，危害人體健康[30]。測土配方施肥技術可以減少氮肥的過量施用，從而減少氮肥施用過程中產生的含N的氣體，減輕酸雨、溫室效應水體富營養化對于生態環境的危害；減輕土壤硬化，板結成塊等一系列土地問題，對于提高土地生產潛力和建設高標準良田具有重要意義；可以減輕過量肥料對于土壤微生物和農田生物的危害，有利于營造良性的農業生態系統，保護生物的多樣性。

2.2.3 化肥的施用與標準碳的排放

化肥是種植業生產過程中的第1大的碳排放源，占投入環節碳排放總量的50%以上[31]。從化肥內部結構來看，氮肥、磷肥以及鉀肥分別會排放3.932kg·kg-1、0.636kg·kg-1以及0.108kg·kg-1標準碳，糞肥排放1913.1kg·kg-1二氧化碳[32]。參照這個標準，從表7可以看出，配方區較常規區化肥施用變化量：減少12kg的純氮，減少10.5kg的純磷，增加1.5kg的純鉀。那么分別會減少52.96kg、6.67kg、增加0.16kg的標準碳。總體上看，測土配方施肥技術可以減少大量的碳排放，對于減少酸雨天氣的出現，減輕全球變暖具有重要意義。

表7 化肥標準碳排放

2.2.4 減少病蟲害，提高作物品質

目前各類水果、蔬菜、糧食等農產品質量的整體水平不高與農民施肥不當有很大的關系，特別是過量偏施氮素化肥會加重病蟲害的發生蔓延。實施測土配方施肥后，能協調作物營養生長與生殖生長的平衡，利于作物健壯生長，增強抵抗病蟲害的能力，減輕農作物多種病害，減少農藥的使用，減輕農藥對生態環境的污染，提升和改善農產品質量，降低生產成本[33]。相比于常規區，配方區增加了21kg·hm-2的鉀肥投入，這說明常規區施用的鉀肥不足以滿足作物生長所需。配方區補償了水稻生長過程中所需的養分，增強了水稻的抗倒伏和抗病蟲害的能力，促進水稻健壯生長，提高水稻光合作用的效率，提升了稻谷的品質。

3 討論

3.1 完善試驗材料和方法，避免試驗的局限性

測土配方施肥技術在全國各地開展，試驗方法也各不相同。大部分試驗研究的品種為單一品種[1,2,34,35]、單一土地類型[35,36]，試驗小區的面積較小，試驗小區的面積為20m2和40m2[2,34]。本試驗選取了2個水稻品種進行試驗，從總體上對比分析測土配方施肥技術的生態和環境效益，避免了單一試驗品種存在的局限性。選取的試驗地的土地類型多樣，在北部、中部、南部都選擇了試驗樣地，具有典型的代表性。試驗小區的面積，除空白區為20m2,常規區和配方區面積均大于100m2。這在很大程度上可以減少試驗的局限性，但仍需要進一步完善試驗材料，增加試驗點，獲取完整的試驗數據。

3.2 不同施肥方式對下一季作物的影響

本文的主要試驗為2015年晚稻，2016年早稻，也就是說并不是在南方水稻一年兩季完整的周期中進行的，這可以在雙季稻種植區的試驗中，避免前一個階段的試驗，對下一個階段試驗數據的干擾。在一個完整的周期中生長，早稻中多施用的養分，完全可以供給晚稻，早稻收割完，立馬就會進行晚稻的種植，這個時候進行土壤樣分檢測會存在很大的誤差，不能完全反應在自然狀況下土壤的基本樣分水平。但也存在著一定缺陷，如，缺少小區水稻收割后養分狀況的數據，無法比較分析出前一個生產過程中，常規區比配方區平均增施純氮1kg·hm-2、純磷10.5kg·hm-2，這部分多施用的化肥量到底有多少仍滯留在土壤中供給下一季作物使用；增加1.5kg·hm-2的純鉀，到底能不能滿足作物生長需求，會不會對土壤鉀素過量損耗，這都是值得進一步探討的問題。

3.3 不同施肥方式對水稻的生長狀況的影響

本試驗只收集了水稻種植中的施肥數據和水稻收割后的產量數據，表明測土配方施肥能夠減少施肥成本和增加水稻產量，但并未具體地分析不同施肥方式在水稻生長過程中會產生哪些影響。前人的相關研究，分析N、P、K對有效穗數、穗粒數和千粒重的影響，可以間接反映出N、P、K肥對水稻生長時期的影響[37]，以及水稻的抗倒伏的具體情況，抗病蟲害率。相關研究表明，超量施用氮肥易造成水稻營養過剩，結實率低，延長生長期，易出現病蟲害和倒伏現象，水稻生長空間變小，爭奪陽光激烈，降低水稻產量[38]。在以后的研究中，應更加注意不同施肥方式對水稻的生長狀況的影響，如分蘗數、有效穗、穗粒數、抗病蟲害能力、抗倒伏能力等。

3.4 不同施肥方式對稻米品質的影響

水稻的稻米品質是影響稻米口感和稻谷銷售量的關鍵因素。測土配方施肥在提高水稻產量的同時，更需注意稻米品質的提高。與常規施肥相比，施用黃腐酸有機肥的處理能夠提高稻米的加工品質[36]。為此，我們還應繼續對化肥選擇的研究，探討出選擇哪種肥料，怎樣制定施肥方案才能盡可能地提高水稻稻米的品質，使測土配方施肥能夠發揮出更大的效益。

3.5 政府應注重解決農業技術發展中的障礙

在研究過程中，發現由南康區鄉鎮農戶大部分都是中老年，其中40～65歲占主要部分，這部分年齡結構的農村人群，對測土配方施肥技術的接納能力并不強。此外，文化水平也是一個重要的障礙，文化水平低，阻礙了農戶理解新技術的能力。其它相關研究表明，個體特征、經營特征、技術特征、環境意識、社會規范均會影響農戶對測土配方技術的采納能力[17]。隨著農業生產的發展，國家多農業生產政策扶持力度的加大，未來將會有更多農技人員服務于農村。了解阻礙農戶對農業技術采納能力的主要障礙因素，將有助于更好地開展農業技術指導。

4 結論

綜上所述，測土配方施肥技術操作簡便易行，具有良好的經濟和生態效益，適合在各地區推廣使用。其采樣土樣方式簡單易學，土樣檢測分析試驗儀器在各縣區市都有相應的設備，農技人員服務于各個鄉鎮，易于開展測土配方施肥指導。雖然本文試驗的樣本數較少，但各地分區進行試驗的結果分析都表明，與常規施肥進行對比，測土配方施肥技術根據土壤的需求制定相應的施肥方案，能夠更好的滿足水稻的生長需求，減少不必要的化肥投入，增加水稻生長所必需的化肥投入，提高化肥的利用效率，減輕作物對地力的損耗，增強水稻抵抗病蟲害的能力，增加糧食產量，提高農民的收入，具有良好的經濟和生態環境效益。在本試驗中，也還存在著很多方面的問題需要去進一步了解，怎樣規范試驗方法和試驗材料，使試驗結果更具有價值，常規區較配方區多出的那部分化肥施用量的去留問題，施肥方式的不同對水稻生長情況和稻米品質的影響，如何進一步提高農戶對新技術的采納能力等都值得進一步探討。