汾渭平原農(nóng)戶冬小麥氮磷養(yǎng)分投入調(diào)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(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100)

據(jù)國家統(tǒng)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(chǎn)量從32 055.50萬t增加到65 789.22萬t，僅增加了105%?；视昧康脑鲩L速度高于作物產(chǎn)量的上升速度，主要的原因可能是農(nóng)戶施肥時并未根據(jù)作物的需求，而是依靠經(jīng)驗或盲目施肥[1]，造成我國化肥過量施用現(xiàn)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(nóng)戶施氮過量，48.8%的農(nóng)戶施磷過量[3]。就全國而言，有 75.0%的農(nóng)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(dǎo)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(tài)存留在土壤中，從而導(dǎo)致農(nóng)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(yǎng)化；當(dāng)?shù)赝度氤^作物最佳或最高產(chǎn)量施氮量時，也會使得土壤硝態(tài)氮殘留急劇增加[8]，引發(fā)一系列環(huán)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(chǎn)區(qū)，以往的調(diào)查結(jié)果表明，汾渭平原的部分地區(qū)農(nóng)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(nóng)戶施肥現(xiàn)狀的全面了解和評估。2016年農(nóng)業(yè)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(dǎo)農(nóng)戶科學(xué)施肥，加快化肥零增長目標(biāo)的實現(xiàn)，有必要全面調(diào)研汾渭平原現(xiàn)階段的農(nóng)戶施肥現(xiàn)狀。因此，本研究通過2018和2019連續(xù)兩年對該區(qū)域冬小麥產(chǎn)量及施肥情況的調(diào)查，分析和評價農(nóng)戶施肥現(xiàn)狀，以期為建立科學(xué)施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查區(qū)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(nèi)的汾河平原和渭河流域關(guān)中盆地及其連帶的黃土階地在內(nèi)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(zhì)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(zhì)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(diào)查方法

2018和2019連續(xù)兩年于冬小麥?zhǔn)斋@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(qū)/縣，以及渭河平原的陳倉、岐山、扶風(fēng)、鳳翔、眉縣、武功、臨潼、臨渭、華州、澄城、蒲城、富平、華陰13個區(qū)/縣進行農(nóng)戶施肥調(diào)研。在每個區(qū)/縣選擇3個鄉(xiāng)，每鄉(xiāng)選擇2個村，每村選5～10個農(nóng)戶為調(diào)查對象，調(diào)查內(nèi)容主要包括冬小麥產(chǎn)量、施肥情況和田間管理等。兩年共計調(diào)研農(nóng)戶總數(shù)785戶，有效農(nóng)戶總數(shù)為725戶，其中汾河平原為456戶，渭河平原為269戶。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 冬小麥產(chǎn)量分級

冬小麥產(chǎn)量參照趙護兵等[13]的產(chǎn)量分級標(biāo)準(zhǔn)，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(nóng)戶施肥量等級劃分

調(diào)研區(qū)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(guān)注農(nóng)戶氮、磷肥的投入調(diào)查。農(nóng)戶氮磷養(yǎng)分投入?yún)⒄詹芎萚14]農(nóng)戶施肥分級標(biāo)準(zhǔn)，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(nóng)戶實際產(chǎn)量計算，具體如下：

合理施肥量(Rec)=養(yǎng)分?jǐn)y出量=產(chǎn)量×養(yǎng)分需求量×調(diào)整系數(shù)

(1)

式中養(yǎng)分需求量為100 kg冬小麥籽粒養(yǎng)分需求量，即生產(chǎn)100 kg小麥分別需氮(N)2.8 kg，需磷(P2O5)0.7 kg，N和P2O5的調(diào)整系數(shù)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(chǎn)量/100×2.8×1.0

(2)

合理施磷量(RecP)=產(chǎn)量/100×0.7×1.5

(3)

1.3.3 化肥偏生產(chǎn)力的計算

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

PFP=Y/F

(4)

式中，Y為作物產(chǎn)量；F代表養(yǎng)分(指N、P2O5)的投入量。

2 結(jié)果與分析

2.1 汾渭平原農(nóng)戶冬小麥產(chǎn)量及分布

調(diào)查結(jié)果顯示，汾河平原農(nóng)戶冬小麥平均產(chǎn)量為6 949±1 515 kg·hm-2，較渭河平原農(nóng)戶冬小麥平均產(chǎn)量(6 442±1 807 kg·hm-2)高約8%。就產(chǎn)量水平分布而言，汾河平原和渭河平原冬小麥產(chǎn)量水平很低和偏低的農(nóng)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(chǎn)(偏高+很高)的農(nóng)戶占61.4%，渭河平原冬小麥高產(chǎn)(偏高+很高)的農(nóng)戶占52.8%，兩個區(qū)域小麥產(chǎn)量水平均以中等以上為主(表1)。

表1 汾渭平原農(nóng)戶冬小麥產(chǎn)量分布

2.2 汾渭平原農(nóng)戶冬小麥養(yǎng)分用量

調(diào)查表明，汾河平原農(nóng)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(jù)兩地農(nóng)戶平均產(chǎn)量下推薦的施肥量，目前汾河平原農(nóng)戶冬小麥養(yǎng)分投入表現(xiàn)為氮、磷肥平均用量均偏高；而渭河平原則表現(xiàn)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(nóng)戶施氮量很低、偏低、適中、偏高和很高的農(nóng)戶比例總體上呈增加趨勢，施氮合理的農(nóng)戶占23.68%，施氮過量(偏高+很高)的農(nóng)戶占比高達64.47%；施磷適中的農(nóng)戶僅占 7.89%，而施磷過量(偏高和很高)的農(nóng)戶占比高達78.07%。在不同產(chǎn)量水平下，發(fā)現(xiàn)從產(chǎn)量很低(<4 500 kg·hm-2)到產(chǎn)量很高水平(>7 500 kg·hm-2)，施氮過量(偏高+很高)的農(nóng)戶比例呈先升高后降低的趨勢，在產(chǎn)量偏低水平占比最高，為87.88%；施氮適中的農(nóng)戶在產(chǎn)量偏低水平占比最低，為9.09%，在產(chǎn)量很高水平占比最高，為29.86%；施氮不足(很低+偏低)的農(nóng)戶比例呈先增加后降低的趨勢，在產(chǎn)量偏高水平占比最高，為20.34%。而隨著產(chǎn)量水平的提高，施磷過量(偏高和很高)的農(nóng)戶比例總體上呈降低趨勢，在產(chǎn)量很低水平占比高達100%；施磷適中的農(nóng)戶比例在產(chǎn)量適中水平占比最高，為11.22%；施磷不足(很低+偏低)的農(nóng)戶比例呈先升高后降低的趨勢，在產(chǎn)量偏高水平時最高，為18.64%。

表2 不同產(chǎn)量水平下汾河平原農(nóng)戶施肥分布比例

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

表3 不同產(chǎn)量水平下渭河平原農(nóng)戶施肥分布比例

2.3 汾渭平原農(nóng)戶冬小麥氮磷養(yǎng)分基、追施用量及比例

從冬小麥不同時期養(yǎng)分投入量及其比例(表4)可以看出，汾河平原農(nóng)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(nóng)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(diào)查區(qū)域磷肥均以基施 為主。

表4 汾渭平原農(nóng)戶冬小麥氮磷養(yǎng)分基施和追施用量及比例

2.4 汾渭平原農(nóng)戶冬小麥肥料偏生產(chǎn)力的分布

調(diào)查(表5)發(fā)現(xiàn)，汾河平原農(nóng)戶冬小麥氮肥偏生產(chǎn)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(chǎn)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(nóng)戶冬小麥氮肥偏生產(chǎn)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(chǎn)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(nóng)戶冬小麥氮磷肥偏生產(chǎn)力的分布

3 討 論

3.1 冬小麥產(chǎn)量

調(diào)查表明，汾河平原和渭河平原農(nóng)戶冬小麥平均產(chǎn)量分別為6 949和6 442 kg·hm-2，高于以往產(chǎn)量調(diào)查結(jié)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(chǎn)量總體呈增加趨勢，但不同調(diào)研結(jié)果間波動較大，可能與氣候條件變化有關(guān)[15,17]。相比以往的調(diào)查結(jié)果[13,15]，本次調(diào)查汾渭平原農(nóng)戶冬小麥產(chǎn)量很低、偏低和中等的農(nóng)戶比例降低，而偏高和很高的農(nóng)戶比例增加，反映了農(nóng)戶種植水平的進步以及現(xiàn)行品種產(chǎn)量潛力較高。此外，國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)(http://data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=C01)顯示，全國冬小麥平均產(chǎn)量為5 497 kg·hm-2，而法國、英國、比利時和丹麥等國小麥產(chǎn)量均高于7 000 kg·hm-2[9]，這說明汾渭平原農(nóng)戶冬小麥產(chǎn)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(yōu)化養(yǎng)分管理是實現(xiàn)小麥高產(chǎn)的一個重要措施。

3.2 汾渭平原農(nóng)戶冬小麥養(yǎng)分投入

調(diào)查結(jié)果表明，汾河平原農(nóng)戶冬小麥氮、磷養(yǎng)分平均投入量分別為272.6和139.1 kg·hm-2，渭河平原農(nóng)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(yán)重。與以往調(diào)查結(jié)果相比，汾河平原農(nóng)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(nóng)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(chǎn)量相比[18]，目前汾渭平原農(nóng)戶冬小麥的生產(chǎn)仍然是“高投入、低產(chǎn)出和高資源環(huán)境代價”的模式。

此外，渭河平原農(nóng)戶冬小麥?zhǔn)┑酁椤耙慌谵Z”方式，使小麥生長后期供氮不足，從而造成減產(chǎn)。李 強[22]等研究表明，氮肥分次施用可顯著增加小麥產(chǎn)量，因此，為了提高渭河平原農(nóng)戶冬小麥產(chǎn)量，有必要引導(dǎo)農(nóng)戶進行合理分配氮肥的基追比例。

3.3 汾渭平原農(nóng)戶冬小麥養(yǎng)分偏生產(chǎn)力

汾河平原農(nóng)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(nóng)戶冬小麥氮、磷的平均PFP分別為38.4和56.1 kg·kg-1，這些數(shù)值均低于我國平均氮、磷偏生產(chǎn)力(43.0 kg N kg-1、63.7 kg P2O5kg-1)[5]。本研究調(diào)研數(shù)據(jù)表明，汾渭平原農(nóng)戶冬小麥氮肥偏生產(chǎn)力均集中分布在20～30 kg·kg-1，遠(yuǎn)低于氮肥的最佳偏生產(chǎn)力(40～70 kg·kg-1)[5]，有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)势a(chǎn)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(dǎo)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(shù)培訓(xùn)、立法或其他措施來引導(dǎo)種植戶合理施肥，提高養(yǎng)分效率。

致謝:本文作者特別感謝山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院周懷平、王克功、黨建友、原宗英和陸俊姣，山西大學(xué)任振興以及西北農(nóng)林科技大學(xué)史鵬、李強、黃冬琳和鄭險峰提供的農(nóng)戶調(diào)研數(shù)據(jù)。