中國主要糧食作物磷肥偏生產力時空演變特征及驅動因素

都江雪，韓天富，曲瀟林，馬常寶，柳開樓,3，黃 晶,4，申 哲，張 璐,4，劉立生,4，謝建華，張會民,4*

（1 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081；2 農業農村部耕地質量監測保護中心，北京 100125；3 江西省紅壤研究所/國家紅壤改良工程技術研究中心，南昌 330046；4 中國農業科學院祁陽農田生態系統國家野外試驗站，湖南祁陽 426182）

磷是作物生長必需的營養元素，也是土壤肥力和質量的主要指標。磷肥投入是提高土壤供磷能力和作物產量的主要措施，20世紀中期化肥磷的使用迅速增加，但由于作物對磷的利用率低于25%，導致磷素大量累積在土壤中，尤其是在旱地土壤中[1–2]。土壤中積累的磷一部分被水體侵蝕緩慢釋放到環境中，造成地下水污染等嚴重的環境問題[3–4]，85%以上累積的磷素通過化學反應、物理吸附和生物過程固定在土壤中，造成土壤肥力下降[5]。因此，制定可持續磷肥施用策略以緩解全國磷肥累積帶來的土壤壓力對糧食生產和安全至關重要[6–7]。

小麥、玉米和水稻作為中國主要的糧食作物，由于地域分布廣泛，不同區域之間磷肥施用量差異較大，且時間尺度上也出現一定的增施磷肥的盲目性，造成資源浪費等問題，嚴重影響農田的可持續性。作為衡量土壤磷素輸入輸出和磷肥產量效應的重要指標和直接手段[8–9]，土壤磷平衡和磷肥偏生產力的現狀和區域差異等方面已開展了許多研究，張福鎖等[10]收集了全國11個省市在2001—2005年的施磷量及產量數據用以描述三大糧食作物的磷肥利用率，結果表明水稻、玉米和小麥的磷肥偏生產力分別為98.9、63.7和72.4 kg/kg，且由于施磷過量及忽略土壤養分資源利用等問題，造成農民習慣施肥措施下肥料利用率逐漸降低。李紅莉等[11]的研究結果表明，與2000年相比，2007年小麥和水稻的磷肥施用量分別減少了13.5%和17.7%，玉米增加了8.8%；相應地，小麥和水稻磷肥偏生產力因施磷量的降低和水稻新型主產區偏生產力的升高而升高。陳新平等[12]對三大糧食作物的測土配方施肥的試驗數據進行了整理分析，通過計算磷肥施用量和作物攜出量，結合各區域作物生產的關鍵因素，給出了各區域小麥、玉米和水稻季的適宜磷肥施入量及磷肥管理意見。他們將全國小麥主產區劃分為東北、華北、長江中游、西南和西北等5個區域，磷肥推薦施用量范圍為55～88 kg/hm2，且小麥季施磷策略以加強宏觀調控并指導磷肥的合理使用為主；玉米主產區分為東北、華北、西南和西北等4個區域，磷肥推薦施用量范圍為46～123 kg/hm2，與農民習慣性施肥相比，玉米季平均需增加磷肥用量8 kg/hm2；水稻主產區分為東北、長江上游、長江中游、長江下游、江南、華南和西南等7個區域，磷肥推薦施用量范圍為59～84 kg/hm2，除長江中上游可適當增加施磷量外，其他地區以平衡施磷(施用量等于作物攜出量)為主。

目前，相關研究大多集中在部分省市區域，并不能涵蓋全國，且時間跨度大多較窄。近30年來，我國農業結構調整，尤其是種植結構和施肥措施的優化，在反映農民真實習慣性施肥模式下，旱地及水旱輪作區磷肥偏生產力的變化以及土壤磷平衡主要影響因素的研究相對較少，各區域磷肥偏生產力的時間變化特征及空間差異還不明確。此外，不同土地利用方式下土壤磷素有效性及累積存在顯著差異，目前的研究并沒有將旱地、水旱輪作和水田等分開進行歸納總結。本研究基于農業農村部自1988年開始在全國主要旱地及水旱輪作區布置的國家級耕地質量長期定位監測點，在農民普遍習慣性施肥模式下，探究全國尺度旱地和水旱輪作區主要糧食作物磷肥施用量和磷肥偏生產力的時空演變規律和區域差異特征，并闡明各區域磷素盈余量和磷肥偏生產力的主要驅動因素，為全面指導旱地和水旱輪作區農田合理施磷及保障作物高產穩產提供參考。

1 材料與方法

1.1 監測點分布

自1988年以來，在充分考慮我國旱地和水旱輪作的糧食主產區結構分布的基礎上，結合氣候和土壤類型等因素，農業農村部在全國旱地及水旱輪作區極具代表性的田塊上設置了監測試驗，共計829個監測點，并劃分為東北[黑龍江(89)，吉林(55)，遼寧(46)]、華北[北京(5)、河北(120)、河南(66)、陜西(20)、山西(56)、山東(66)和天津(3)]、長江中游[湖南(6)和湖北(24)]、長江三角洲[簡稱“長三角”，江蘇(68)、安徽(31)、浙江(1)和上海(3)]、西南[四川(30)、云南(15)、貴州(20)和重慶(4)]和西北[甘肅(33)、寧夏(14)、新疆(14)、內蒙古(38)和西藏(2)] 6個區域，括號內為各省(市、自治區)樣點數。其中，考慮到種植制度、氣候類型和點位分布等因素，將陜西和西藏分別劃分在華北區和西北區。

1.2 數據采集和統計分析

監測內容主要包括每年小麥、玉米和水稻成熟期，施肥區和不施肥區作物產量、秸稈產量、磷肥施用量、土壤pH和有機質含量。作物產量采用實收脫粒測產。秸稈產量根據小樣本進行籽粒與秸稈生物量比的考種數據換算。土壤樣品統一在每季作物收獲之后進行采集，混勻后風干研磨過 2 mm 篩后，按照土水比1∶2.5測定土壤pH，樣品過0.15 mm篩后采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機質含量[13]。小麥、玉米和水稻的籽粒含磷量分別為8.50、9.80和6.20 g/kg，秸稈含磷量分別為 1.63、3.05 和 2.73 g/kg[14]。結合產量和磷肥施用量計算磷素累積盈虧量(或磷平衡)和磷肥偏生產力(磷肥施用量和磷素盈余量均以P2O5計)，具體計算公式如下[11,15]：

磷肥偏生產力(kg/kg)=施肥區作物籽粒產量(kg/hm2)/磷肥施用量(kg/hm2)

土壤磷素盈虧量(kg/hm2)=當季施用磷總量(kg/hm2)–當季作物(籽粒+秸稈)吸磷量(kg/hm2)

試驗數據用 Excel 2019 整理，采用 SigmaPlot 14.0 軟件進行繪圖和擬合，運用 SPSS 19統計分析軟件進行單因素方差分析及差異顯著性檢驗。使用“R 4.0.0”中“隨機森林 (random forest)”軟件包分析各因素對磷素盈余量和磷肥偏生產力的貢獻度。為避免個別監測點位差異對土壤磷肥偏生產力和土壤磷素盈虧量變化規律造成影響，本研究按照監測點位的施肥年限共劃分成6個階段，分別為1988—1992 年 (施肥 5 年)、1993—1997 年 (施肥 10 年)、1998—2002 年 (施肥 15 年)、2003—2007 年 (施肥 20年)、2008—2012 年 (施肥 25 年)和 2013—2019 年(施肥 32 年)。

2 結果與分析

2.1 不同作物磷肥施用量與土壤磷平衡的時間變化

近30年，全國旱地及水旱輪作區小麥、玉米和水稻季磷肥施用量平均分別為137.7、109.2和75.13 kg/hm2(圖1)。玉米和水稻季土壤年均磷素虧缺分別為2.67和0.87 kg/hm2，基本處于輸入與輸出平衡狀態，小麥季盈余量為78.49 kg/hm2，約占磷肥施用量的56.9%。在區域上，小麥季施磷量呈現南低北高的趨勢，其中以西北區最高，為213.7 kg/hm2，其次為華北區(159.4 kg/hm2)，長江中游、長三角和西南區施磷量較低，以長江中游最低，為84.14 kg/hm2。磷素盈余量也呈現南低北高的趨勢，以西北區最高，為 157.9 kg/hm2，長三角最低，為 30.40 kg/hm2，小麥季各區域磷盈余占施磷量的33.4%～73.9%。玉米季施磷量呈現西高東低的趨勢，其中以西北最高，為 184.0 kg/hm2，以長三角最低，為 80.60 kg/hm2；東北、華北、長三角玉米季的磷素虧損量分別為25.29、11.38 和 14.57 kg/hm2，占施磷量的 12.6%～24.5%，長江中游、西南和西北玉米季呈現磷盈余狀態，其中以西北最高，為51.55 kg/hm2，占施磷量的28.0%；水旱輪作水稻種植區主要分布在長江中游、長三角和西南，施磷量為64.03～82.49 kg/hm2，長江中游水稻季磷素盈余量為17.78 kg/hm2，占施磷量(82.49 kg/hm2)的21.6%，長三角和西北水稻季以約–3.0 kg/hm2的速率呈現磷虧損狀態。

圖1 全國及各區域30年來磷肥施用量與磷素盈余量Fig. 1 Variation of phosphorous input and phosphorus surplus in soil during the past 30 years

2.2 不同區域磷肥偏生產力的時空變化

全國旱地及水旱輪作區小麥、玉米和水稻季磷肥偏生產力平均分別為61.99、130.1和158.9 kg/kg(圖2)。隨施肥年限的延長，在前25年小麥和玉米季磷肥偏生產力均呈現增加趨勢，在2013—2019年間開始出現下降。施肥5 年后(1988—1992年)，水稻季磷肥偏生產力平均為208.3 kg/kg，隨后出現先降低后增加的趨勢，并在1998—2002年達到最低，為109.6 kg/kg。全國范圍內小麥季磷肥偏生產力呈現南高北低的趨勢，其中以長三角最高，為81.37 kg/kg，西北最低，為 35.53 kg/kg (圖 3)。各區域玉米季的磷肥偏生產力顯著高于小麥季，且以華北最高，為 170.9 kg/kg，西北最低，為 76.06 kg/kg。在長江中游、長三角和西南地區水稻季磷肥偏生產力為 126.3～163.9 kg/kg。

圖2 全國主要糧食作物磷肥偏生產力的變化趨勢Fig. 2 Variation of partial factor productivity of phosphorous in major grain crops in China

圖3 各區域不同作物磷肥偏生產力Fig. 3 Partial factor productivity of phosphorous in different crop seasons relative to region

東北玉米季在1988—2012年間(施肥25年)磷肥偏生產力隨施肥年限的延長逐漸升高 (y = 3.153 x +53.99，R2= 0.9389)，2013 年后磷肥偏生產力出現穩定趨勢(圖4)。華北小麥季施肥25年期間磷肥偏生產力隨施肥年限的延長逐漸升高，年均增速為2.09 kg/kg，2013年后磷肥偏生產力保持平穩狀態。長江中游小麥、玉米和水稻季磷肥偏生產力均隨施肥年限的延長顯著增加，且在2013年后出現穩定趨勢。施肥10年期間，長三角小麥與水稻季磷肥偏生產力隨施肥年限的延長逐漸降低，施肥10年后(1998年后)小麥、玉米和水稻季磷肥偏生產力均出現先增加后降低的趨勢。近30年，西南小麥、玉米和水稻季磷肥偏生產力均隨施肥年限的延長呈先降低后增加的趨勢，最低值分別出現在2003—2007年(小麥和玉米季)和1998—2002 (水稻季)，平均值分別為39.63、48.85和112.5 kg/kg。西北小麥和玉米季的磷肥偏生產力均隨施肥年限的延長而顯著增加，年均分別增加 6.79 (R2= 0.9844，P < 0.001)和 12.99 kg/kg(R2= 0.9219，P < 0.001)。

圖4 不同區域主要糧食作物磷肥偏生產力 30 年變化趨勢Fig. 4 Variation of partial factor productivity of phosphorous in crops during the past 30 years relative to region

2.3 不同區域土壤磷素盈余量和磷肥偏生產力的主要驅動因素

就全國而言，磷肥施用量對磷素盈余量和磷肥偏生產力的貢獻最高，分別為49.1%～65.4%和4 2.9%～8 0.9%，其次為作物類別(分別為14.7%～30.4%和12.2%～35.6%) (圖5)。其中，磷肥施用量對東北磷素盈余量和磷肥偏生產的貢獻最高，對長三角磷肥偏生產力的貢獻率最低，為42.9%；作物類別對長三角區磷肥的偏生產力的貢獻比其他區域更大，其貢獻率為35.6%。各省份之間磷素盈余量和磷肥偏生產力存在顯著差異，除西南區外，土壤類型也是影響其他區域磷素盈余量的重要因素，且西北磷盈余量和磷肥偏生產力受種植制度的影響，貢獻率分別為6.50%和10.4%。東北和華北磷素盈余量還受pH和有機質含量的顯著影響。同時，土壤有機質含量也是長江中游磷素盈余與磷肥偏生產力的主要驅動因素(貢獻率分別為12.3%和9.16%)。

圖5 各因素在磷素盈余量(A)與磷肥偏生產力(B)中的相對貢獻Fig. 5 Relative contribution of each factor on phosphorous surplus (A) and partial factor productivity of phosphorous (B) relative to region

2.4 不同區域土壤磷素盈余量與磷肥偏生產力對磷肥施用量的響應

不同區域磷素盈余量均隨磷肥施用量的增加而顯著增加 ( P < 0.001 )，根據磷素盈余量與磷肥施用量的線性擬合方程 (圖6)可知，各區域小麥季維持磷素表觀平衡(即盈余量為 0)時，華北、長江中游、長三角、西南和西北磷肥施用量分別約為 64.42、37.59、60.11、35.22 和 53.55 kg/hm2；在玉米季維持磷素表觀平衡，東北、華北、長江中游、長三角、西南和西北磷肥施用量分別為129.5、109.2、83.85、95.37、80.09和131.9 kg/hm2；長江中游、長三角和西南水稻季維持磷素表觀平衡時磷肥施用量分別為62.12、79.35和67.30 kg/hm2。隨著磷素盈余量的增加，各區域作物磷肥偏生產力均下降，兩者呈指數關系 (P < 0.001) (圖 7)，磷肥偏生產力降低到一定幅度即處于相對穩定水平，華北、長江中游、長三角、西南和西北小麥季磷肥偏生產力最低水平分別約為 22、17、0、18 和 0 kg/kg，東北、華北、長江中游、長三角、西南和西北玉米季磷肥偏生產力最低水平分別約為8、15、0、0、7和8 kg/kg，長江中游、長三角和西南水稻季磷肥偏生產力最低水平分別約為0、47和25 kg/kg。基于磷肥偏生產力與磷素盈余量之間的響應關系，當不同區域磷素處于平衡狀態(磷盈余量為 0)時，即磷肥施用較適宜情況下，華北、長江中游、長三角、西南和西北小麥季磷肥偏生產力分別為102.7、89.46、100.4、104.9和68.76 kg/kg，小麥磷肥偏生產力較30年平均值提高23.4%～93.5%；東北、華北、長江中游、長三角、西南和西北玉米季磷肥偏生產力分別為76.71、77.99、78.81、73.90、82.40 和 76.61 kg/kg，其中，長江中游、西南和西北區玉米磷肥偏生產力與其30年平均值相比基本保持不變；長江中游、長三角和西南水稻磷肥偏生產力分別約為124.5、108.5和123.1 kg/kg，除長江中游磷肥偏生產力可保持不變外，長三角和西南水稻磷肥偏生產力降低約25%。

圖6 不同區域土壤磷素盈余量與磷肥施用量的關系Fig. 6 Relationship between phosphorus surplus and phosphorus application rate relative to region

圖7 不同區域磷肥偏生產力與土壤磷素盈余量的關系Fig. 7 Relationship between partial factor productivity of phosphorous and phosphorus surplus relative to region

3 討論

3.1 不同區域磷肥施用量和磷素盈余量空間差異分析

隨著工業化的推進，化肥投入逐年升高，且存在明顯的地域差異[16]，我國各區域近30年磷肥施用量也呈顯著性差異。全國小麥季磷肥平均施用量為137.7 kg/hm2(圖 1)，磷素盈余量年均為 78.49 kg/hm2，占施磷量的56.9%，全國玉米和水稻季磷肥平均施用量分別為109.2和75.13 kg/hm2，基本處于磷素表觀平衡狀態。相對于小麥而言，玉米籽粒和秸稈吸磷量均高于小麥[14]，導致更多的磷被植物吸收而帶走，水稻季平均施磷量僅為小麥季的一半，磷肥施用量基本滿足水稻季作物生長需求，可保持磷素平衡。

在區域上，西北小麥和玉米季磷肥施用量和磷素盈余量顯著高于其它區域，原因可能是土壤礦物對磷素的固持未達到飽和，導致所施用的磷肥大部分被固定在土壤中，磷素有效性較低，為滿足作物高產，增加磷肥施用量，相應地增加了磷素盈余量[17–19]。西北玉米季磷肥施用量也顯著高于其他區域，且西北、西南和長江中游玉米季磷素均呈盈余狀態，東北、華北和長三角玉米季磷素則呈虧缺狀態，可能由于：1)除為滿足作物高產而增加磷肥投入并導致磷素盈余量較高外，西南和長江中游區土壤中粘粒及金屬氧化物含量較高，增加了對磷素的吸附和固定，增加磷素盈余[20–21]；2)東北區旱地主要為一年一熟的玉米，磷肥施用量平均為103.2 kg/hm2，但70%以上的磷肥施用量低于90 kg/hm2，研究發現，只有當磷肥施用量高于90 kg/hm2時，才能達到磷素輸出與輸入基本平衡[22]，所以東北玉米綜合表現為土壤磷素呈虧缺狀態；3)華北和長三角區玉米季磷素虧缺的原因可能與較低的磷肥投入量密切相關，通過對比，華北和長三角玉米季磷肥投入量平均分別為97.11和80.60 kg/hm2，顯著低于全國玉米季平均磷肥投入量(109.2 kg/hm2)，同時北京、天津等華北半干旱地區較高的磷素徑流損失[5]，以及在夏季玉米種植期間高溫高濕條件下較高的磷素遷移能力[23]也可能是導致磷素虧缺的原因。長三角和西南水稻季磷素虧缺量約為3.0 kg/hm2，基本處于磷素輸入和輸出平衡狀態。盡管長江中游水稻季磷肥施用量與長三角和西南區的差異不大，但其磷素盈余量明顯較高，達到磷肥施用量的21.6%，主要原因可能是長江中游水旱輪作區旱季小麥或玉米較高的磷素盈余量降低了水稻當季的磷肥利用率。

3.2 不同區域磷肥偏生產力的時空變化特征及主要驅動因素

想要同時實現各區域作物高產與肥料的高效利用，僅依靠“高投入高產出”已經不能滿足當前的糧食需求，同時還會造成大量資源浪費和環境污染等問題，而基于作物產量計算的磷素盈余量和磷肥偏生產力是評價磷肥施用效應最直接的手段[8]。所以，明確各區域磷素盈余量和磷肥偏生產力的時空變化特征以及主要驅動因素，因地制宜地制定施磷策略才能在保證作物產量的基礎上，進一步提高土壤生產力的同時保護環境。從全國和各區域范圍來看，磷素盈余量和磷肥偏生產力主要受到磷肥施用量的影響，磷肥投入為作物直接提供生長所需的磷素，提高作物產量，但只有10%～20%的磷肥能夠被作物吸收利用，80%～90%的磷肥以低磷有效性的形式固定在土壤，造成磷素盈余[24–25]。以華北為例，通過模擬土壤磷循環發現，為了追求更高的產量，小麥季施磷量超出全國平均施磷量的兩倍以上，顯著高于作物生長需要，導致大量的磷在土壤中積累[26]。作物類別也是影響各區域磷素盈余量和磷肥偏生產力的主要因素，不同作物對磷素的需求量不同，導致作物對磷素的吸收輸出量差異顯著[14]。從全國來看，水稻的磷肥偏生產力顯著高于玉米和小麥，一方面由于作物對磷素的吸收量不同導致，另一方面可能與磷肥偏生產力受土地利用類型的強烈影響有關(圖5)。本研究涉及到旱地和水旱輪作兩種不同的土地利用方式，研究發現，長期水稻種植會造成土壤磷吸附劑(碳酸鈣、鐵鋁氧化物和粘土礦物等)的快速減少，減少土壤對磷素的固持，從而影響土壤磷素盈余和磷肥偏生產力[27]。施肥30年，旱地小麥和玉米季磷肥偏生產力均隨施肥年限的延長而增加，在2013—2019年開始出現穩定，說明小麥和玉米季磷肥投入對作物生產力的貢獻可能已經達到最高。水稻磷肥偏生產力在2002年后開始出現回升，可能與水稻單位面積施磷量的減少有關[11]。

除磷肥施用量、作物類別外，氣候和管理措施也會有所不同，不同區域受到其他理化性質和管理措施(如土壤類型、種植制度、pH和土壤有機碳等)的影響而出現差異。東北玉米季磷素盈余量受土壤類型的顯著影響，不同土壤類型下，發育形成的礦物類型及含量差異較大，且在風化程度一致的土壤中，pH通過改變土壤對磷素的吸附固定能力進而影響磷肥對作物的有效性和磷素盈余量[28–29]。另外，pH作為控制礦物溶解的主要因素，同時控制著土壤顆粒與金屬氧化物對磷素的釋放和作物吸收等，進而影響磷肥偏生產力[30–31]。西北地區因受水分限制，種植制度以一年一熟為主，部分地區為一年兩熟，近4年(2016—2019年)部分地區種植制度改為兩年三熟。由圖1可知，西北區作物當季磷肥施用量和磷素盈余量均顯著高于其他地區，相應地，不同種植制度之間，磷肥施用量的差異對土壤磷素盈余和磷肥偏生產力的影響高于其他區域，與西北類似，西南地區磷素盈余量也受種植制度的顯著影響。Khan等[21]在研究單作和雙作種植制度時發現，單季施肥量相同的條件下，雙作制度土壤中全磷含量顯著高于單作制度，且更易造成土壤磷素的向下淋溶。此外，西北小麥和玉米季磷肥偏生產力隨施肥年限的延長而增加，說明盡管西北磷肥施用量高于其他地區，磷肥在農業生產上仍舊發揮著很大的作用。除以上因素外，有機質含量也是影響長江中游作物磷肥偏生產力的主要因素，土壤中20%～80%的磷與有機質有關[32]，有機質的礦化可以直接為作物提供可利用磷，同時還可通過與磷酸根競爭礦物表面的結合位點，影響磷在土壤中的吸附從而提高磷的有效性[33–34]，同時還有研究發現，在高度風化的土壤和堿性土壤中，有機質能夠分別促進鐵鋁氧化物向無定型態的轉化和鈣磷酸鹽的穩定性，使得更多的磷被吸附固定，降低土壤磷素有效性[35–36]。值得注意的是，東北、華北、長江中游和長三角地區的磷肥偏生產力在2013—2019年已經開始趨于穩定，說明以目前生產技術水平，通過增施磷肥提高這4個地區的磷肥偏生產力可能已經達到穩定，進一步提升磷肥偏生產力和增加磷肥肥效需要從適當減少磷肥投入和提高磷素有效性入手。

3.3 不同區域及作物的磷肥合理施用量推薦

全國旱地小麥、玉米和水旱輪作區水稻的磷肥偏生產力在過去30年內呈穩定并略微提高的趨勢，平均值分別為61.99、130.1和158.9 kg/kg。不同區域之間磷肥偏生產力差異較大，可能與各區域間磷肥施用量差異較大有關，此外，由于受到氣候條件、施肥方式和時間及其他營養元素的供應狀況的影響，不同區域的作物磷肥偏生產力均隨磷素盈余量的增加而呈指數降低[37]。確定合理磷肥施用量是獲得較高產量、維持土壤磷肥力和減少施磷引起的環境污染的關鍵。本研究綜合考慮維持土壤磷平衡和提高磷肥偏生產力，推薦了各區域及不同作物適宜的施磷量，即維持土壤磷素盈余量為 0 時的施磷水平。就全國整體而言，與當前農民習慣性磷肥施用量相比，小麥季平均施磷量可減少80.38 kg/hm2，減量幅度平均為58.4%，其中，華北、長江中游、長三角、西南和西北區小麥季推薦磷肥施用量分別為64.42、37.59、60.11、35.22 和 53.55 kg/hm2，磷肥減量幅度為34.0%～74.9%，而各區域磷肥偏生產力可提高23.4%～93.5%。

旱地玉米和水旱輪作水稻季均處于磷素輸入與輸出平衡狀態，為保持較高的磷肥偏生產力，玉米和水稻季可維持當前磷肥施用量，分別為109.2和75.13 kg/hm2，但不同區域之間磷素盈余量和磷肥偏生產力差異較為顯著。以目前農民習慣性磷肥施用的實際情況來看，長江中游、西南和西北地區玉米季均處于磷素盈余狀態，磷素盈余量占磷肥施用量的20.8%～28.0%，為維持土壤磷素盈余量為 0，且磷肥偏生產力保持不變，長江中游、西南和西北區玉米季的適宜磷肥施用量分別為83.85、80.09和131.9 kg/hm2。東北、華北和長三角區玉米季磷素處于虧缺狀態，磷素虧缺量占農民當前習慣磷肥施用量的6.65%～22.0%，若從農田磷素平衡出發，土壤磷素盈余量為 0 時東北、華北和長三角區玉米季磷肥施用量分別為129.5、109.2和95.37 kg/hm2，但是相應地磷肥偏生產力分別下降33.2%、54.4%和29.4%。東北地區大部分為一年一熟的玉米，從土壤磷平衡和磷肥偏生產力的角度綜合考慮，東北區可適當增加磷肥施用量用以提高玉米產量，但建議磷肥施用量不超過129.5 kg/hm2；與東北區玉米季磷素狀況相似，華北和長三角區玉米季均出現磷素虧缺，磷素虧損量分別為11.38和14.57 kg/hm2，考慮到華北和長三角小麥季磷素盈余量分別達94.06和30.39 kg/hm2，建議可維持華北和長三角玉米季的當前農民習慣磷肥施用量(分別為97.11和80.60 kg/hm2)，以保證較高的玉米季磷肥偏生產力。長江中游水稻季磷素盈余量為17.78 kg/hm2，占目前農民習慣施磷量的21.6%，本研究根據磷平衡推薦的適宜磷肥施用量為62.12 kg/hm2，能夠在維持磷肥偏生產力不變的條件下，降低24.7%的磷肥施用量。長三角和西南水稻季土壤處于磷平衡狀態，為保證較高的磷肥偏生產力，建議維持當前的施磷量，分別為76.32 和 64.03 kg/hm2。

陳新平等[12]根據測土配方施肥給出了不同區域三大糧食作物磷肥推薦施用量，東北、華北、西南和西北玉米季磷肥推薦施入量分別為75～97、46～74、71～80 和 93～123 kg/hm2；東北、華北、長江中下游、西南和西北小麥季磷肥推薦施入量分別為60、80、70、55～60 和 60～68 kg/hm2；東北、長江上游、長江中游、長江下游、江南、華南和西南區水稻磷肥推薦施入量分別為64～70、81、65～83、84、59～72、59 和 64 kg/hm2。通過對比劉欽普[38]計算出的各區域的磷肥施用環境安全閾值(東北、華北、長江中游、長三角、西南和西北區平均分別為83.90、69.34、79.37、81.43、60.13 和 67.84 kg/hm2)，除西南水稻季外，本研究推薦的各區域小麥和水稻季適宜施磷量均低于環境安全閾值，說明此推薦磷肥施用量對環境是友好的，既可以提高磷肥的偏生產力，又能降低農田磷素淋失的風險。根據本研究中磷肥施用量和磷素盈余的關系推薦的玉米季適宜磷肥施用量均高于環境安全閾值，但是這并不代表本研究中推薦的磷肥施用量具有環境風險。本研究與上述研究給出的磷肥推薦施用量及環境安全閾值之間存在差異，主要原因有：1)本研究將旱地和水旱輪作區三大糧食作物區分開，小麥、玉米和水稻3種作物的籽粒和秸稈的吸磷量差異較大，其中玉米籽粒的吸磷量分別是小麥和水稻籽粒的1.15和1.58倍，玉米秸稈的吸磷量分別是小麥和水稻秸稈的1.87和1.12倍[14]，所以相同產量下玉米的吸磷量顯著高于小麥和水稻，玉米季達到磷平衡(磷素盈余量為0)時，磷肥的施用量高于小麥和水稻；2)數據來源及時間跨度不同，本研究是基于農業農村部在全國布置的旱地和水旱輪作區土壤監測點，在1988—2019年監測期間真實記錄當地農民習慣性磷肥施用量、籽粒和秸稈產量，與測土配方試驗的施肥方案不同的是，監測的30年間磷肥施用量隨政策和施肥策略的調整而改變；3)計算公式不同，本研究是基于長期磷肥施用條件下，分別通過擬合小麥、玉米和水稻季磷肥施用量與磷素盈余量和磷肥偏生產力之間的關系得出的結果。綜上，本研究得出的旱地小麥、玉米和水旱輪作水稻季適宜磷肥施用量范圍分別為35.22～64.42、80.09～131.9和62.12～76.32 kg/hm2，具體的磷肥推薦施用量可結合不同區域的當前磷肥施用狀況及主要驅動因素進行調整。

4 結論

近30年來，全國各區域旱地小麥季土壤中磷素呈盈余狀態，盈余量占磷肥施入量的33.4%～73.9%，西北地區小麥季磷素盈余量顯著高于其他地區。長江中游、西南和西北區玉米季土壤磷素均呈盈余狀態，磷素盈余量占施磷量的20.8%～28.0%，西北地區玉米季磷素盈余量顯著高于其他兩個地區，而東北、華北和長三角玉米季土壤磷素呈虧缺狀態，其中東北玉米季磷素虧缺量最高，為25.29 kg/hm2。全國水旱輪作區主要集中在長江中游、長三角和西南，其中長江中游水稻季土壤磷素呈盈余狀態，盈余量占施磷量的21.6%，長三角和西南水稻季土壤磷素處于輸入與輸出基本平衡狀態。

區域和年際間磷肥偏生產力差異的主要驅動因素是磷肥施用量和作物類別，水稻磷肥偏生產力顯著高于小麥和玉米，其中西北小麥和玉米季磷肥偏生產力最低，分別為35.53和76.06 kg/kg。除西南和西北外，東北、華北、長江中游和長三角區施磷25年后磷肥偏生產力呈現穩定趨勢。此外，土壤類型、pH、有機質含量和種植制度等在區域間的變化也是影響各區域磷肥偏生產力和磷素盈余量差異的主要因素。綜合考慮各區域土壤磷素盈虧狀況和作物磷肥偏生產力及其主要驅動因素，推薦了各區域不同作物適宜的磷肥施用量，可在提高磷肥偏生產力的同時，顯著減少磷肥投入，降低磷素淋溶等環境污染風險。