六盤山區(qū)旱作春玉米養(yǎng)分投入與肥料生產效率

夏海雪，陳雪嬌，張旭東，趙 冀，楊 琳，張 鵬，韓清芳

(1.農業(yè)部西北黃土高原作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室/西北農林科技大學農學院， 陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學中國旱區(qū)節(jié)水農業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100；3.寧夏農林科學院固原分院，寧夏 固原 756000)

玉米是寧夏重要的糧食作物之一，已超過小麥成為寧夏第一大糧食作物,其產量的25%用于外銷，剩余則用于飼料及醫(yī)藥原料等[1]。寧夏旱地玉米生產主要分布在南部六盤山區(qū)，在寧夏玉米生產中占據(jù)著很重要的位置，包括固原市的四縣一區(qū)，中衛(wèi)市的海原縣、吳忠市的同心和鹽池縣共8縣區(qū)，2014年種植面積占全區(qū)的44%，產量占全區(qū)總量的41%。

該地區(qū)生態(tài)極為脆弱，57%以上的耕地為旱作耕地。近年來，旱地覆膜栽培方式取得了突破性的進展，極大地推動了寧南旱作玉米生產的發(fā)展，玉米種植面積和單產都有了很大提高[1-2]，但該區(qū)玉米產量仍受水分、養(yǎng)分等因素的制約。

研究顯示，施用肥料對玉米單產的貢獻率達到55%左右[3]，靠增加化肥投入量，使玉米的產量得到了很大的提升，但也存在化肥施用過量、磷鉀肥配比不當?shù)葐栴}。目前我國已成為世界上最大的肥料生產國和消費國[4]，至2011年，我國單位耕地面積化肥使用量已高達 468.7 kg·hm-2[5]，而小麥、玉米和水稻的化肥利用率只有37%、26% 和37%[6]，遠低于世界發(fā)達國家60%～80%的水平，其中，玉米的氮肥、磷肥、鉀肥的利用率分別為32%，25%,43%，肥料農學效率為9.8 kg·kg-1，雖然已經達到了國際所認可的適宜范圍，但仍處于較低的水平，與Dobermann[7]提出的糧食作物氮肥農學效率為10～30 kg·kg-1、氮肥利用率為 30%～50%的適宜范圍尚有較大差距。

統(tǒng)計顯示，1980-2010年寧夏化肥用量由17.7萬t增至102.6萬t[8]，30年間全區(qū)化肥的投入量增長了5.8倍。然而隨著產量和化肥用量的不斷提高，肥料的利用率卻并未隨之迅速增長，并出現(xiàn)了降低的情況，農業(yè)生產成本也變得偏高[9]。過量施肥不僅浪費肥料資源，而且使土壤養(yǎng)分貢獻率和化肥偏生產力隨著施肥量的增加均呈降低趨勢[10]。

化肥的過量使用不僅增加了農業(yè)生產成本，而且過量施用氮磷肥引起的環(huán)境污染，也越來越受到重視[11-13]。寧夏半干旱地區(qū)長期以來農田生產力水平較低，隨著玉米在該區(qū)域種植面積的不斷擴大，受限于天然降水短缺，依賴增加化肥投入來增加產量成為生產上的主要舉措。因此，2013-2015年連續(xù)三年，選擇該區(qū)域主要的雨養(yǎng)耕地類型對旱地玉米的施肥與生產狀況進行調查分析，為指導農戶正確施肥提供依據(jù)，提高生產效益，降低該區(qū)域施肥不當而引發(fā)系列生態(tài)環(huán)境問題的風險。

1 材料與方法

1.1 調研區(qū)域概況

調查區(qū)域為寧夏六盤山區(qū)典型的半干旱雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)彭陽縣，平均海拔1 800 m，耕地面積2 528.65 hm2，其中旱耕地占90%以上。該區(qū)氣候干旱，水資源匱乏，40年全年平均降雨量為410 mm，玉米生育期平均降雨量為339 mm，且各年際間分布不均勻，近20多年來，降水量平均減少了37.8 mm[11]，嚴重影響了玉米生產潛力的發(fā)揮，其中調查區(qū)域在調查三年間降雨量分別為622 mm(豐水年)，341 mm(欠水年)和404 mm(平水年)。該區(qū)域土地貧瘠，經測定塬地耕層0～40 cm土壤有機質含量為8.48 g·kg-1，堿解氮含量為39.25 mg·kg-1，速效磷含量為4.60 mg·kg-1，速效鉀含量為112.30 mg·kg-1，pH值為8.5，屬低等肥力水平。糧食作物以春玉米為主，生產上主要種植方式為全膜雙壟溝。

1.2 調查樣本及方法

采取隨機抽樣調查方法，自2013年開始，在寧夏選擇代表六盤山區(qū)主要地形特征的彭陽縣城陽鄉(xiāng)(塬地)、紅河鄉(xiāng)(山地梯田)和新集鄉(xiāng)(山川平地)，每一個鄉(xiāng)選擇3個代表村，每一個村隨機選取15戶以上的農戶，總共約140戶左右，通過為期三年的定點走訪進行了玉米施肥現(xiàn)狀的問卷調查。調查內容主要包括當?shù)赜衩资┓矢艣r，施用肥料的種類、數(shù)量及施用方法、有機無機肥投入量及比例，基肥與追肥的種類、數(shù)量及比例，施肥方式及習慣等。調查數(shù)據(jù)用EXCEL軟件進行整理分析。

1.3 化肥偏生產力(PEP)的計算

PEP=Y/F

其中，Y為收獲的玉米籽粒產量；F為化肥(純N，P2O5，K2O)的投入量。

2 結果與分析

2.1 調研區(qū)域玉米籽粒產量水平

結合寧南地區(qū)近十多年的研究[14-15]與調查數(shù)據(jù)，以接近三年平均產量(9 864 kg·hm-2)的10 000 kg·hm-2為玉米適中產量，上下浮動10%為其適中范圍，上下浮動10%～30%為偏高或偏低水平，上下浮動30%以上為很高或很低水平，將產量分為很低、偏低、適中、較高、很高5個級別，每一級別浮動值為2 000 kg·hm-2，對調研區(qū)每一農戶實際籽粒產量進行具體評價(表1)。從2013—2015年間，調研區(qū)域的玉米產量呈逐年遞減趨勢，由2013年的11 357 kg·hm-2降低為2015年8 744 kg·hm-2，其中2013年(豐水年)67.4%的農戶產量集中在偏高水平；2014年(欠水年)53.1%的農戶集中在適中水平；而2015年(平水年)有66.5%的農戶產量低于9 000 kg·hm-2，甚至低于7 000 kg·hm-2，產量處于偏低和很低水平。三年產量差異較大，一方面因各年降雨量不同；另一方面可能與連續(xù)施肥不當有關。三年平均產量為9 864 kg·hm-2，適中水平的平均比例僅為34.0%。

世界歷史理論是馬克思基于唯物史觀立場進行理解歷史、體現(xiàn)人類社會發(fā)展規(guī)律的理論結晶，這一理論貫穿于馬克思一生的研究過程當中。從《1844年經濟學哲學手稿》中世界歷史理論的初步呈現(xiàn)，到《德意志意識形態(tài)》《共產黨宣言》中對世界歷史形成的根源、動力、過程、趨勢的系統(tǒng)闡述，直到《手稿》形成世界歷史發(fā)展的完整框架體系，得出了人類社會發(fā)展歷史的一般抽象理論，馬克思世界歷史理論構成了獨特的發(fā)展路徑，形成了完整的發(fā)展邏輯。

表1 六盤山區(qū)旱地玉米單產水平Table 1 Maize yield in dryland of Liupanshan area

2.2 調研區(qū)玉米氮、磷、鉀肥用量分析

結合在相似條件下的有關玉米養(yǎng)分投入的研究結果[10,16-20,22]，調研區(qū)以10 000 kg·hm-2為玉米適中產量時，適宜的肥料養(yǎng)分投入量如下：氮素養(yǎng)分300 kg·hm-2，磷素養(yǎng)分150 kg·hm-2，鉀素養(yǎng)分60 kg·hm-2。以適宜養(yǎng)分投入量上下浮動10%為適中水平，高于或低于10%～30%分別為偏高或偏低水平，高于或低于30%分別為很高或很低水平，以此將調研區(qū)域施肥量分為很低、偏低、適中、偏高、很高5個水平。

2.2.1 調研區(qū)玉米氮肥用量 分析表明(表2)，寧南地區(qū)玉米施氮量平均值在299.6～336.3 kg·hm-2，三年平均施氮量為323.7 kg·hm-2。按照施肥分級標準的5個等級對農戶的氮肥投入量進行分級評價。

農戶氮肥的投入量在很高(>390 kg·hm-2)和偏高(330～390 kg·hm-2)這兩個水平農戶數(shù)較多，且比例有逐年增加的趨勢，三年來偏高和很高平均比例分別為23.7%和24.8%。三年間，適中施氮肥水平的農戶所占比例平均僅21.1%。很低、偏低所占平均比例分別為12.6%、17.9%。因此應通過指導農戶合理施用以提高氮肥利用率。

表2 六盤山區(qū)旱地玉米氮肥投入水平Table 2 Dosage of pure N fertilizer for dryland maize of Liupanshan area

2.2.2 調研區(qū)玉米磷肥用量 調研數(shù)據(jù)顯示(表3)，六盤山區(qū)旱地玉米施磷量在208.5～229.7 kg·hm-2，三年平均施磷量為210.1 kg·hm-2。根據(jù)適宜施磷量的施肥分級標準，將施磷量分為很低、偏低、適中、偏高及很高5個等級，對農戶的磷肥投入量進行分級評價發(fā)現(xiàn)，磷肥用量比氮肥更加集中，也集中分布在很高(>195 kg·hm-2)這一水平，三年平均比例為52.3%，尤其是2014年。很低、偏低和偏高所占比例3年平均分別為5.3%、6.4%和17.8%，適中平均比例也僅18.2%。70.1%的農戶磷肥投入量在偏高(>165 kg·hm-2)以上水平。

2.2.3 調研區(qū)玉米鉀肥用量 分析表明(表4)，六盤山區(qū)旱地玉米施鉀量為18.7～35.1 kg·hm-2，三年平均為28.6 kg·hm-2。根據(jù)該地區(qū)玉米適中產量對應的適宜施鉀量，以60 kg·hm-2為適宜的施鉀量，按照施肥分級標準農戶的施肥投入量進行分級評價。

鉀肥用量集中在很低這一水平，農戶比例三年平均為69.3%，2013年比例高達93.3%；偏低、適中、偏高、很高所占平均比例分別為16.0%、18.2%、17.8%、1.9%。綜合分析，調研區(qū)超過80%的農戶施用鉀肥低于適中水平。

表3 六盤山區(qū)旱地玉米磷肥用量水平Table 3 Dosage of pure P fertilizer for dryland maize of Liupanshan area

表4 六盤山區(qū)旱地玉米鉀肥用量水平Table 4 Dosage of pure K fertilizer for dryland maize of Liupanshan area

2.2.4 調研區(qū)玉米施追肥量 調研數(shù)據(jù)(表5)顯示，寧南六盤山區(qū)玉米使用追肥全部為尿素，追肥量在118.8～126.4 kg·hm-2范圍內，三年平均為121.9 kg·hm-2，占總施氮量的比例為37.7%。根據(jù)學者相關研究[16]，該地區(qū)以120 kg·hm-2為適宜的追肥量，按照施肥分級標準將追肥量分為很低、偏低、適中、偏高及很高5個等級，對農戶的追施肥量進行分級評價。

表5 六盤山區(qū)旱地玉米追肥量水平及比例Table 5 Dosage and ratio of topdressing fertilizer for dryland maize of Liupanshan area

2.3 調研區(qū)玉米施肥種類與施肥方法

通過對調研數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，調研區(qū)旱地玉米偏施化肥現(xiàn)象非常普遍，施肥以化肥氮肥、磷肥為主，有機肥施用量較少，有機肥投入占總投入氮和磷養(yǎng)分的比例不到20%(圖1)?；实手饕┯媚蛩兀追蕜t以磷酸二銨為主；有機肥以牛羊糞便為主。調查還發(fā)現(xiàn)，玉米生產過程并沒有微量元素肥料的投入。

不同肥料采用不同的施用方法：氮肥及磷肥均為基肥撒施，追肥通過穴施的方式；有機肥以糞肥為主，施肥方法為翻耕前撒施；秸稈則主要為粉碎翻埋還田施入。

2.4 調研區(qū)有機與無機肥料投入量及比例

調研區(qū)玉米生產養(yǎng)分投入總量中無機肥和有機肥三年投入純氮量的平均值分別為264.4 kg·hm-2和32.1 kg·hm-2，比例分別為81.7%和18.3%(圖1)；磷養(yǎng)分(P2O5)無機肥和有機肥三年投入量的平均值分別為166.7 kg·hm-2和39.5 kg·hm-2，投入比例分別為80.8%和19.2%(圖2)；玉米生長所需的鉀肥都是以有機肥施入。

圖1 六盤山區(qū)旱地玉米氮肥(A)及磷肥(B)中有機、無機肥投入比例Fig.1 Rate of organic and inorganic fertilizer in nitrogen(A)and phosphate(B)

2.5 調研區(qū)肥料偏生產力分析

調研區(qū)域玉米肥料偏生產力分析表明(圖2)，同時受降雨量和施肥水平的影響，氮肥偏生產力有逐年降低的趨勢，磷肥偏生產力總的趨勢為下降，鉀肥偏生產力雖然有所下降，但仍然很高。氮肥、磷肥和鉀肥的三年平均偏生產力分別為30.7、47.8 kg·kg-1和391.3 kg·kg-1，由于氮肥和磷肥的施用量偏高，兩者的偏生產力均較低。

3 討 論

2013-2015年調研區(qū)的降雨量分別為622、341 mm和404 mm，2013年，施肥量較另外兩年少，但在降雨量較充足的情況下玉米產量較高，而2014、2015年，降雨量和施肥量相差均不大，但產量反而降低，產量的降低并非降水的原因，可能是由于連續(xù)施肥不當而致。

梁改梅[21]等研究認為，在氮磷鉀三種主要養(yǎng)分肥料中，如果保持其中兩種的用量不變，那么，玉米產量會隨著第三種肥料用量的提高而呈拋物線變化，在產量達到最高點后如果繼續(xù)增加肥料，不但使得成本變高，而且產量也會降低。在六盤山區(qū)旱地的調查數(shù)據(jù)分析表明， 2013—2015年，調研區(qū)玉米產量呈逐年遞減趨勢，由2013年的11 357 kg·hm-2降低為2015年8 744 kg·hm-2，初步分析一方面受降雨量的影響，另一方面是由于施肥過高，導致土壤累積的養(yǎng)分過高，因此不利于玉米降水較少年份的生長導致產量下降。

圖2 六盤山區(qū)旱地玉米肥料偏生產力分析Fig.2 Analysis of PFP for dryland maize fertilizer in Liupanshan area

吳良全等[22]研究認為，玉米生產需要的氮磷鉀最佳配比為1∶0.41∶0.29，寧南為1∶0.51∶0.25，而調研發(fā)現(xiàn)在六盤山區(qū)玉米生產實際中施肥的氮磷鉀比例為1∶0.64∶0.08，與適宜施肥量差距相差很大，偏重施磷肥、不施鉀肥的現(xiàn)象十分嚴重，這樣會造成磷肥的嚴重浪費；且生產中不施用微量元素，會使得土壤中的微量元素得不到補充而限制其他養(yǎng)分資源生產效率的提高。

何文壽[23]研究提出，近30年來，寧南地區(qū)土壤堿解氮及有效磷的含量均在增加，兩者的平均增長率分別0.49%和1.31%，這與調研地區(qū)施肥量較高有著密切關系。通過連續(xù)3年的定點調查數(shù)據(jù)也表明，旱地玉米生產中農戶的氮肥和磷肥施肥量均偏高，超出適中水平的農戶平均比例分別占到48.5%和70.1%，只有19%左右的農戶適量施用氮肥和磷肥。因此，減少氮肥和磷肥的施用量應成為指導農戶施肥的重點，另外，超過80%的農戶會進行追肥，這一措施有利于玉米的生長和產量提高，并利于改善玉米籽粒品質，但增加了玉米生產的人工投入。

已有研究提出[24]，玉米生產中，施用鉀肥比不施用鉀肥產量高15%左右，葛瑋健等研究表明[21]在不施鉀的情況下，會導致土壤鉀素虧缺，20年間，土壤鉀素累計虧缺617～4 333 kg·hm-2，因此，玉米生產中，施用鉀肥是很有必要的。而本文的調查數(shù)據(jù)顯示六盤山區(qū)旱地玉米鉀肥施用量很低，有85.3%的農戶未達到鉀肥的適量水平。隨著生產的持續(xù)，作物籽粒對土壤鉀的大量攜出，長此以往，土壤中的鉀肥得不到補充會漸漸變少。但另有研究[23]得出寧南地區(qū)的土壤速效鉀含量并未隨時間而變化，因此建議設計定位試驗來研究施鉀不足對土壤速效鉀的效應。

已有研究表明[26-27]，調查區(qū)域玉米施氮適宜的基追比為6∶4，調研數(shù)據(jù)顯示，調研區(qū)基追平均比為6.3∶3.7，接近適宜的基追比，但農戶個體施用追肥量處于兩個極端，或者過高，過低，追肥量尚需進行科學指導調控。

張福鎖[3]等研究表明，我國玉米氮肥、磷肥、鉀肥的偏生產力分別為51.6，72.4 kg·kg-1和64.7 kg·kg-1，而調研區(qū)3個不同降水年型的平均氮肥、磷肥和鉀肥偏生產力分別僅為30.7、47.8 kg·kg-1和391.3 kg·kg-1，均遠低于全國水平。肥料偏生產力主要受產量和肥料投入2個因素的影響，調研區(qū)肥料偏生產力較低可能受降水不足影響產量提高與施肥量過高的影響。調研區(qū)施肥以化肥投入為主，而有機肥料投入氮和磷養(yǎng)分三年平均比例不足20%。玉米生產過程會產生大量的秸稈，因此，建議調查區(qū)域進一步開展玉米秸稈還田研究與示范，增加有機肥種類及用量，以保證土壤持續(xù)的良好結構和玉米的正常生長發(fā)育。

4 結 論

1)六盤山區(qū)農戶玉米施肥存在的施肥量過高、重氮磷、輕鉀、肥料配比不合理、有機肥投入量偏低等諸多問題，需進行科學指導與調整。

2)氮、磷施肥量明顯偏高，分別集中在高于330 kg·hm-2和高于165 kg·hm-2水平的農戶比例高達48.5%和70.1%，造成了浪費和環(huán)境污染；而鉀肥用量偏低，集中處于低于42 kg·hm-2這一水平，樣本比例高達69.3%；氮磷鉀比例為1∶0.64∶0.08，磷的比例偏高，而鉀肥比例偏低；調研區(qū)玉米三年平均產量為9 954 kg·hm-2,由于施肥不合理，玉米產量呈逐年遞減趨勢。氮肥、磷肥和鉀肥的三年平均偏生產力分別為30.7、47.8 kg·kg-1和391.3 kg·kg-1，氮肥和磷肥的偏生產力偏低。

3)建議該區(qū)域旱地玉米的氮肥合理使用量為270～330 kg·hm-2，基追比建議為6∶4；磷肥合理使用量為140～160 kg·hm-2，鉀肥合理施用量為60 kg·hm-2并增施有機肥。