豫北平原典型小麥-玉米輪作高產(chǎn)區(qū)節(jié)肥潛力分析

李青松，韓燕來，鄧素君，李光輝,2，張中媛

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450002； 2.登封市農(nóng)業(yè)農(nóng)村工作委員會，河南鄭州452470)

化肥在保障糧食安全方面有重要作用。聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)的資料顯示，肥料對糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率達(dá)40%～60%[1]。但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)業(yè)化學(xué)品的不合理使用不僅造成資源浪費(fèi)，而且危害生態(tài)環(huán)境[2-4]，尤其是過量施用化肥已成為當(dāng)前造成農(nóng)業(yè)面源污染的第一要素[5]，且化肥污染對糧食生產(chǎn)過程存在顯著的“環(huán)境懲罰”效應(yīng)[3]。提高土地產(chǎn)出率和資源利用率，追求農(nóng)業(yè)綠色生態(tài)可持續(xù)發(fā)展是目前中國政府和廣大科研工作者迫切需要解決的問題[6]。2015年，“中央1號”文件對農(nóng)業(yè)發(fā)展作出了“轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)”的戰(zhàn)略部署，提出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要(化肥、農(nóng)藥)減施增效，同年農(nóng)業(yè)部又下發(fā)了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》[7]。農(nóng)業(yè)部科技教育司牽頭國內(nèi)科教部門劃撥專項經(jīng)費(fèi)開展公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研，對我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域農(nóng)用物質(zhì)減施增效進(jìn)行研究。而摸清農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的肥料使用狀況，并對節(jié)肥潛力進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確估算，是推進(jìn)節(jié)肥、增產(chǎn)、增效、節(jié)約資源、保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，有關(guān)作物類型、品種、肥料類型、栽培措施和農(nóng)業(yè)機(jī)械等方面的研究較多，但基于大量現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)(農(nóng)戶調(diào)查)數(shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)肥潛力的研究尚不多見。Wang等[8]和孟遠(yuǎn)奪等[9]、鄔剛等[10]和王永亮等[11]分別從全國范圍和地域范圍對節(jié)肥潛力進(jìn)行了有益探索。豫北平原是中國主要的糧食高產(chǎn)區(qū)，也是全國糧食超高產(chǎn)的主要產(chǎn)區(qū)，在生產(chǎn)過程中肥料超施嚴(yán)重[12]。同等施肥量條件下，豫北高產(chǎn)田肥料利用率較中、低產(chǎn)田更低[13]。因此，開展豫北典型小麥-玉米輪作高產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)施肥狀況調(diào)查，并對其節(jié)肥潛力進(jìn)行分析，是該區(qū)域?qū)嵤┕?jié)肥增效的基礎(chǔ)性工作，對降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)安全和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全都具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)來源與分析

1.1 數(shù)據(jù)來源

于2016年7-9月，采用面訪式問卷調(diào)查，主要選取豫北平原小麥-玉米輪作糧食高產(chǎn)區(qū)的安陽、鶴壁、新鄉(xiāng)和焦作4市為研究區(qū)域。根據(jù)各市所轄鄉(xiāng)鎮(zhèn)的數(shù)量，按30%的比例抽取有代表性的鄉(xiāng)鎮(zhèn)共81個，具體為安陽市28個、鶴壁市7個、新鄉(xiāng)市29個、焦作市17個。按抽樣原則，選代表性農(nóng)戶，對其小麥、玉米生產(chǎn)過程中的施肥狀況進(jìn)行調(diào)查。分別發(fā)放小麥、玉米調(diào)查問卷各408份，收回小麥有效問卷405份、玉米有效問卷407份。

1.2 數(shù)據(jù)處理與分析

以河南省測土配方(“3414”田間試驗(yàn))推薦施肥量[14]為參照，進(jìn)行小麥、玉米生產(chǎn)節(jié)肥潛力分析。小麥、玉米產(chǎn)量按照加權(quán)平均法進(jìn)行計算。氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)及總養(yǎng)分量(N+P2O5+K2O)以農(nóng)戶肥料施用量為依據(jù)，并根據(jù)對應(yīng)的肥料養(yǎng)分標(biāo)識量進(jìn)行折純后參與計算。為避免調(diào)查人員和農(nóng)戶主觀意向?qū)?shù)據(jù)質(zhì)量的影響，刪除PFP(肥料偏生產(chǎn)力，指施用某一特定肥料下的作物產(chǎn)量與施肥量的比值)<1的數(shù)據(jù)，對挑選出的有效基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和分析。

節(jié)肥潛力指農(nóng)戶實(shí)際施肥量超出當(dāng)?shù)赝扑]施肥量的百分比，計算公式：

節(jié)肥潛力=(實(shí)際施肥量-推薦施肥量)/實(shí)際施肥量×100%

式中，節(jié)肥潛力值為正，說明實(shí)際施肥量高于推薦施肥量，肥料投入過多，有節(jié)肥空間，需減少肥料投入；節(jié)肥潛力值為負(fù)，說明實(shí)際施肥量低于推薦施肥量，肥料投入不足，無節(jié)肥空間，需增加肥料投入。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥、玉米產(chǎn)量狀況

由表1可知，調(diào)查農(nóng)戶種植小麥的產(chǎn)量為5 250～11 250 kg·hm-2，平均產(chǎn)量為8 353 kg·hm-2；玉米產(chǎn)量為5 250～12 000 kg·hm-2，平均為9 064 kg·hm-2；玉米的平均產(chǎn)量高于小麥，符合生產(chǎn)實(shí)際。同時玉米產(chǎn)量的變異系數(shù)為9.60%，略低于小麥(10.43%)，說明在生產(chǎn)中，玉米產(chǎn)量的差異性小于小麥。

由表1還可以看出，小麥的產(chǎn)量主要集中在6 750～9 750 kg·hm-2，其涉及的農(nóng)戶數(shù)占調(diào)查農(nóng)戶總數(shù)的94.82%，其中30.62%農(nóng)戶的小麥產(chǎn)量集中在7 500～8 250 kg·hm-2，28.40%農(nóng)戶的小麥產(chǎn)量集中在8 250～9 000 kg·hm-2，二者占調(diào)查農(nóng)戶總數(shù)的59.02%；玉米的產(chǎn)量主要集中在7 500～9 750 kg·hm-2，其涉及的農(nóng)戶數(shù)占調(diào)查農(nóng)戶總數(shù)的82.8%，其中43.98%農(nóng)戶的玉米產(chǎn)量集中在8 250～9 000 kg·hm-2，28.01%農(nóng)戶的玉米產(chǎn)量集中在9 000～9 750 kg·hm-2，二者占調(diào)查農(nóng)戶總數(shù)的71.99%。

表1 農(nóng)戶種植的小麥和玉米的產(chǎn)量分布Table 1 The yield distribution of wheat and maize

2.2 小麥、玉米施肥狀況

由表2可知，小麥、玉米生產(chǎn)中氮肥施用量均最大，磷肥次之，鉀肥最少；玉米的施氮量比小麥高25.5 kg·hm-2，而小麥的施磷量較玉米高99.45 kg·hm-2，二者的施鉀量相當(dāng)，所以在總施肥量(N+P2O5+K2O)上表現(xiàn)為小麥高于玉米；小麥和玉米施肥量的變異系數(shù)均為氮最小、磷次之、鉀最大，說明在生產(chǎn)中農(nóng)戶對氮、磷、鉀肥的使用極其不均衡。小麥生產(chǎn)中不施磷肥的農(nóng)戶有9戶，不施鉀肥的有84戶，分別占調(diào)查農(nóng)戶總數(shù)的2.22%和20.74%。玉米生產(chǎn)中不施磷肥的農(nóng)戶有7戶，不施鉀肥的有26戶，分別占調(diào)查農(nóng)戶總數(shù)的1.72%和6.39%。

2.3 施肥對小麥、玉米產(chǎn)量的影響

由于樣本數(shù)量較大(小麥的有效問卷405份，玉米的有效問卷407份)，為了不使信息失真和遺漏，特作出施肥量與產(chǎn)量數(shù)據(jù)間的散點(diǎn)圖(圖1和圖2)。

表2 調(diào)查農(nóng)戶的小麥和玉米田的施肥情況Table 2 Fertilization status of surveyed wheat and maize field

由圖1和圖2可知，小麥和玉米的產(chǎn)量與施肥量間都不存在簡單的線性關(guān)系，即隨氮、磷、鉀肥料用量和總施肥量的增加，產(chǎn)量并未呈現(xiàn)出增加的趨勢。說明在一定的施肥基數(shù)下就可以獲得較高的產(chǎn)量，過多的施肥并不能起到增產(chǎn)的作用，意味著在實(shí)際生產(chǎn)中小麥和玉米均有節(jié)肥的可能和潛力。

2.4 小麥、玉米節(jié)肥潛力分析

參照Wang等[8]、孟遠(yuǎn)奪等[9]、鄔 剛等[10]和王永亮等[11]施肥推薦量的選取方法，結(jié)合國家測土配方施肥豫北平原典型小麥-玉米輪作高產(chǎn)區(qū)小麥、玉米的最高產(chǎn)量施肥推薦量和經(jīng)濟(jì)最佳施肥推薦量[14]，按“1.2”中的節(jié)肥潛力計算公式分別計算小麥和玉米的節(jié)肥潛力(表3)。

由表3可知，在小麥生產(chǎn)中，總養(yǎng)分的最高產(chǎn)量時的節(jié)肥潛力和經(jīng)濟(jì)效益最佳時的節(jié)肥潛力分別為29.07%和38.75%，說明小麥生產(chǎn)中總用肥量過大，有節(jié)肥潛力。具體而言，N的節(jié)肥潛力最高，為40.76%～53.03%；P2O5次之，為38.43%～44.94%；K2O的節(jié)肥潛力，為-65.23%～-59.46%。說明在小麥生產(chǎn)中氮、磷肥超施嚴(yán)重，鉀肥用量不足，尚需補(bǔ)充。在玉米生產(chǎn)中，總養(yǎng)分、N、P2O5、K2O的節(jié)肥潛力與小麥有相同的趨勢。相對而言，玉米的節(jié)肥潛力低于小麥，玉米需要補(bǔ)充的K2O肥用量也低于小麥。

圖1 不同施肥量下的小麥產(chǎn)量Fig.1 Wheat yield under different fertilizer application

圖2 不同施肥量下的玉米產(chǎn)量Fig.2 Maize yield under different fertilizer application表3 小麥、玉米節(jié)肥潛力分析Table 3 Analysis of fertilizer saving potential in wheat and maize.

作物類型Agrotype養(yǎng)分類別Nutrient category實(shí)際施肥量Actual application/(kg·hm-2)推薦施肥量Recommended application/(kg·hm-2)最高產(chǎn)量時Maximum yield經(jīng)濟(jì)效益最佳時Economic optimum節(jié)肥潛力Saving potential/%最高產(chǎn)量時Maximum yield經(jīng)濟(jì)效益最佳時Economic optimum小麥 WheatN285.3016913440.7653.03P2O5168.901049338.4344.94K2O52.058683-65.23-59.46總養(yǎng)分Total nutrients5 06.1035931029.0738.75玉米 MaizeN310.8021316731.4746.27P2O569.4568612.0912.17K2O51.157768-50.54-32.94總養(yǎng)分 Total nutrients432.4535829617.2231.55

從氮、磷、鉀的投入比例來看(表3)，小麥的實(shí)際施肥量比例為1∶0.59∶0.18，而推薦最高產(chǎn)量時和經(jīng)濟(jì)效益最佳時的施肥量比例分別為1∶0.62∶0.51和1∶0.69∶0.62；玉米的實(shí)際施肥量比例為1∶0.22∶0.16，而推薦最高產(chǎn)量時和經(jīng)濟(jì)效益最佳時的施肥量比例分別為0.32∶0.36和1∶0.37∶0.41?？梢姡←満陀衩椎?、磷、鉀肥的投入比例均不合理，氮肥投入較多，磷肥略顯不足，鉀肥嚴(yán)重虧缺。因此，該地區(qū)糧食生產(chǎn)中應(yīng)該采取減氮、控磷、穩(wěn)鉀的施肥原則。

3 討 論

3.1 產(chǎn)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性

對豫北平原小麥-玉米輪作糧食高產(chǎn)區(qū)的農(nóng)戶進(jìn)行問卷調(diào)查，統(tǒng)計得出該區(qū)域小麥和玉米的平均產(chǎn)量分別為8 352.75和9 063.6 kg·hm-2，低于河南省超高產(chǎn)攻關(guān)田小麥(10 437 kg·hm-2)和玉米(15 972 kg·hm-2)的高產(chǎn)紀(jì)錄[15]。實(shí)際生產(chǎn)田作物產(chǎn)量低于科學(xué)試驗(yàn)田，這是符合客觀情況的。

調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，所調(diào)查農(nóng)戶的小麥產(chǎn)量主要集中在6 750～9 750 kg·hm-2，其涉及農(nóng)戶數(shù)占調(diào)查農(nóng)戶總數(shù)的94.82%；經(jīng)計算，小麥的平均產(chǎn)量為8 353 kg·hm-2，這個數(shù)值并不是小麥產(chǎn)量所有數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，玉米產(chǎn)量也表現(xiàn)出相同的狀況。這主要是在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時，考慮到近年來的土地流轉(zhuǎn)使農(nóng)戶持有農(nóng)田面積均勻程度降低，不能簡單地對調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均作為區(qū)域得平均產(chǎn)量值，而應(yīng)在考慮農(nóng)戶持有土地面積的基礎(chǔ)上進(jìn)行加權(quán)平均。

3.2 節(jié)肥潛力與平衡施肥技術(shù)推廣

本研究顯示，豫北平原小麥-玉米輪作糧食高產(chǎn)區(qū)仍存在不施用磷、鉀肥的現(xiàn)象，其中小麥生產(chǎn)中不施磷、鉀肥的農(nóng)戶分別占調(diào)查農(nóng)戶總數(shù)的2.22%和20.74%，玉米生產(chǎn)中不施磷、鉀肥的農(nóng)戶分別占調(diào)查農(nóng)戶總數(shù)的1.72%和6.39%；另外，高施肥量與高產(chǎn)之間并不在正相關(guān)關(guān)系，即高施肥量并不一定高產(chǎn)。小麥和玉米生產(chǎn)中，在產(chǎn)量不降低的前提下有節(jié)肥的可能和潛力。與當(dāng)?shù)氐耐扑]施肥量[14]相比，小麥氮素的節(jié)肥潛力最大，為40.6%～53.03%；磷素次之，為38.43%～44.94%；鉀素施用不足，節(jié)肥潛力為-65.23%～-59.46%；玉米在肥料投入上與小麥相似，氮、磷、鉀的節(jié)肥潛力分別為31.47%～46.27%、2.09%～12.17%、-50.54%～-32.94%；另外，小麥和玉米氮、磷、鉀肥的投入比例均不合理，表現(xiàn)為氮肥投入較多、磷肥略顯不足、鉀肥嚴(yán)重虧缺。說明迫切需要在農(nóng)戶中普及和推廣平衡施肥技術(shù)。

3.3 農(nóng)藥、灌溉與節(jié)肥

肥料肥效的大小最終表現(xiàn)為農(nóng)作物產(chǎn)量和肥料利用率的高低，肥料是影響農(nóng)作物產(chǎn)量形成的最直接因素之一。但產(chǎn)量的形成同時還受綜合因素的影響，當(dāng)植物保護(hù)(農(nóng)藥施用等)、水分供給(灌溉等)、作物品種和栽培等措施協(xié)同作用才能發(fā)揮最佳的增產(chǎn)作用。另外，年度氣候條件與肥料肥效高低也有緊密聯(lián)系，2016年豫北平原區(qū)溫度、降水、光照、風(fēng)力等氣象條件均為本區(qū)域正常水平，因此，本研究結(jié)果具有一定的代表性，對指導(dǎo)當(dāng)?shù)匦←?、玉米?jié)肥增產(chǎn)有一定的參考價值。