陜西省糧食生產(chǎn)的減肥潛力及經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益

張欣欣，石磊，何剛，王朝輝

陜西省糧食生產(chǎn)的減肥潛力及經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益

張欣欣1，石磊2，何剛1，王朝輝1

（1西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2陜西省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳/陜西省耕地質(zhì)量與農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)工作站，西安 710003）

【目的】農(nóng)戶經(jīng)營(yíng)是我國(guó)農(nóng)業(yè)的主體，肥料資源的不合理應(yīng)用是限制作物生產(chǎn)的重要因子。本研究旨在評(píng)估主產(chǎn)區(qū)農(nóng)戶糧食生產(chǎn)的減肥潛力及經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益?！痉椒ā?018年對(duì)陜西省各縣（市、區(qū)）的主要農(nóng)作物生產(chǎn)情況進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，以三大糧食作物為研究對(duì)象，基于產(chǎn)量水平評(píng)價(jià)農(nóng)戶的施肥現(xiàn)狀、減肥潛力、環(huán)境代價(jià)和經(jīng)濟(jì)效益?！窘Y(jié)果】農(nóng)戶作物產(chǎn)量存在顯著差異，小麥平均產(chǎn)量為4 573 kg·hm-2，高低產(chǎn)量相差2 619 kg·hm-2；玉米平均產(chǎn)量為7 319 kg·hm-2，高低產(chǎn)量相差5 388 kg·hm-2；水稻平均產(chǎn)量為8 340 kg·hm-2，高低產(chǎn)量相差2 893 kg·hm-2。小麥的氮磷鉀肥用量分別為177 kg N·hm-2、102 kg P2O5·hm-2和37 kg K2O·hm-2；玉米分別為247 kg N·hm-2、103 kg P2O5·hm-2和47 kg K2O·hm-2；水稻分別為186 kg N·hm-2、88 kg P2O5·hm-2和64 kg K2O·hm-2。3種作物產(chǎn)量與施肥量無(wú)顯著相關(guān)。氮磷肥普遍過(guò)量施用、鉀肥過(guò)量與不足并存，低產(chǎn)農(nóng)戶過(guò)量施肥問(wèn)題嚴(yán)重。對(duì)于氮磷鉀肥的減施潛力，小麥分別為41%、59%和59%；玉米分別為55%、73%和66%；水稻分別為38%、64%和58%。施用的肥料形態(tài)均表現(xiàn)氮以單質(zhì)肥為主、復(fù)合肥為輔；磷鉀以復(fù)合肥為主；有機(jī)肥養(yǎng)分供應(yīng)量很低。肥料結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)為重基施輕追施，氮以基施為主、追施為輔；磷鉀肥鮮有追施。生產(chǎn)1.0 t小麥、玉米和水稻的活性氮損失量分別為6.9、3.8和3.3 kg，低產(chǎn)組的活性氮損失強(qiáng)度比高產(chǎn)組分別高52%、85%和74%，降低損失的潛力分別介于16%—33%、31%—50%和4%—38%。小麥、玉米和水稻生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益分別為4 468、9 091和20 020 元/hm2，高產(chǎn)組比低產(chǎn)組分別高459%、128%和52%；減肥增效后總效益分別為4 919、9 905和20 543 元/hm2，高產(chǎn)組比低產(chǎn)組分別高290%、106%和48%。【結(jié)論】基于產(chǎn)量水平深入剖析了陜西省農(nóng)戶的生產(chǎn)行為，低中產(chǎn)組為化肥減量和收益提升的重點(diǎn)。農(nóng)戶氮磷鉀肥減施潛力分別為45%、65%和61%；小麥、玉米和水稻因化肥減施而降低活性氮損失的潛力分別為26%、45%和18%；提高環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益的潛力分別為10%、9%和3%。

農(nóng)戶行為；養(yǎng)分管理；糧食作物；產(chǎn)量；環(huán)境代價(jià)；經(jīng)濟(jì)效益；陜西

0 引言

【研究意義】我國(guó)占世界7%的耕地面積而消耗了全球近1/3的化肥[1]，化肥過(guò)量使用產(chǎn)生一系列的環(huán)境問(wèn)題，如大氣、水體、土壤污染，破壞生態(tài)環(huán)境[2-3]。陜西是農(nóng)業(yè)大省，2017年小麥、玉米和水稻的播種面積分別占糧食作物的35%、38%和4%[4]。農(nóng)戶是糧食作物生產(chǎn)的主體，由于大多數(shù)農(nóng)戶存在“多投入多產(chǎn)出”的觀點(diǎn)，通常導(dǎo)致化肥投入過(guò)量、養(yǎng)分利用率不高[5]。因此，理解農(nóng)戶的施肥行為是采取科學(xué)施肥措施，進(jìn)而提高肥料利用率、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要前提?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】2002—2015年，我國(guó)三大糧食作物過(guò)量施肥程度介于33%—43%[6]，全國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)氮肥利用率＜30%的樣本占總樣本的60%以上[7]，肥料大多未經(jīng)作物吸收而殘留在土壤或進(jìn)入大氣、水體，嚴(yán)重影響生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡[8]。農(nóng)戶是耕地管理的主體，全球25億小農(nóng)戶在管理著60%的耕地的同時(shí)，也顯著影響著糧食生產(chǎn)、資源消耗和生態(tài)平衡[9]。農(nóng)戶養(yǎng)分管理主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，2006—2013年在渭北旱塬的調(diào)研結(jié)果顯示小麥氮磷鉀肥用量分別介于102—268 kg N·hm-2、57—167 kg P2O5·hm-2和0—74 kg K2O·hm-2[10]，肥料用量差異很大，施肥不合理現(xiàn)象普遍發(fā)生。近年來(lái)，由于施肥技術(shù)、肥料價(jià)格、栽培制度等變化，農(nóng)戶的施肥情況也應(yīng)發(fā)生一定改變。進(jìn)行大規(guī)模的農(nóng)戶調(diào)研是理解區(qū)域尺度施肥現(xiàn)狀的基礎(chǔ)，是指導(dǎo)農(nóng)戶合理施肥的關(guān)鍵，是評(píng)價(jià)施肥綜合效益的基本，為此2018年在陜西省各縣（市、區(qū)）組織了大范圍的入戶調(diào)研。活性氮是氮循環(huán)過(guò)程中重要一環(huán)，大量活性氮損失到大氣、陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)中會(huì)影響其生產(chǎn)力、功能和生物多樣性[11]。而氮肥是活性氮損失的基礎(chǔ)物質(zhì)，施氮量與活性氮損失呈正相關(guān)關(guān)系[12]。例如，當(dāng)?shù)视昧繛?48 kg N·hm-2時(shí)，活性氮損失為33.6 kg N·hm-2，而當(dāng)?shù)视昧繛?79 kg N·hm-2時(shí)，活性氮損失量增加到84.9 kg N·hm-2[13]。以往研究的環(huán)境代價(jià)評(píng)估大多集中在田間定位試驗(yàn)，而對(duì)基于農(nóng)戶調(diào)研評(píng)價(jià)省域尺度上糧食作物生產(chǎn)的環(huán)境代價(jià)及減排潛力的研究較少。經(jīng)濟(jì)效益關(guān)系著農(nóng)戶的生計(jì)，是決策前必須考慮的核心指標(biāo)，不同作物的經(jīng)濟(jì)效益由于投入與產(chǎn)出不同而差異較大。1990年以來(lái)，我國(guó)糧食作物的總成本由于土地和生產(chǎn)成本的增加而增加，水稻一直高于大致相當(dāng)?shù)男←満陀衩?，三者?jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)出周期性波動(dòng)[14]。投入成本中，全國(guó)小麥、玉米和水稻的平均肥料費(fèi)為2 191 元/hm2，占總成本的14%，而陜西省的肥料費(fèi)較小，分別為1 686、1 846和1 657 元/hm2，占總成本的11%、10%和7%[15]。此外，生產(chǎn)資料與產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格的變動(dòng)也影響農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)收入。2012—2017年間，盡管小麥單價(jià)上漲7.6%（0.17 元/kg），但機(jī)械作業(yè)費(fèi)、人工成本等的上漲抵消了小麥價(jià)格上漲，導(dǎo)致農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)效益下降[15]。【本研究切入點(diǎn)】目前進(jìn)行的大多數(shù)農(nóng)戶調(diào)研評(píng)價(jià)主要集中在特定區(qū)域單一作物，而對(duì)省域尺度主要糧食作物的生產(chǎn)情況關(guān)心較少。此外，面向三大糧食作物和氮磷鉀三大肥料元素進(jìn)行實(shí)際調(diào)研，基于產(chǎn)量分析其節(jié)肥節(jié)本增效潛力，對(duì)精準(zhǔn)施肥、資源高效和生態(tài)環(huán)境友好具有重要意義。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究利用2018年在陜西省組織的大規(guī)模實(shí)地調(diào)研，通過(guò)對(duì)現(xiàn)階段農(nóng)戶主要糧食作物生產(chǎn)的產(chǎn)量與施肥狀況、減肥潛力、環(huán)境代價(jià)與經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)分析，以期更準(zhǔn)確地理解農(nóng)戶生產(chǎn)行為并為節(jié)本增收增效和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)研區(qū)域概況

陜西省位于我國(guó)西北部，南北長(zhǎng)880 km、東西寬160—490 km，耕地面積301萬(wàn)hm2。氣候差異大，由北向南漸次過(guò)渡為溫帶、暖溫帶和北亞熱帶，整體屬大陸季風(fēng)性氣候。年平均氣溫介于8—16℃，年平均降水量介于275—1 270 mm，主要集中在7—9月份。

1.2 農(nóng)戶調(diào)研

2018年10—12月在陜西省各縣（市、區(qū)）對(duì)當(dāng)?shù)胤N植面積666.7 hm2以上的作物以入戶形式開(kāi)展面對(duì)面調(diào)研。每縣每種作物選擇10個(gè)種植經(jīng)驗(yàn)豐富，代表性強(qiáng)的典型農(nóng)戶進(jìn)行調(diào)研，一戶一表。調(diào)研問(wèn)卷的指標(biāo)包括作物類型、產(chǎn)量、戶種植面積、當(dāng)年銷售價(jià)格、肥料類型、肥料用量、養(yǎng)分含量、施肥時(shí)期等。此次調(diào)研獲得的有效問(wèn)卷共計(jì)2 156份，包括農(nóng)產(chǎn)品有糧食作物（小麥、玉米、水稻、蕎麥、穈子、高粱）、油料、蔬菜、烤煙等，經(jīng)濟(jì)作物有茶、桑、果、中藥材等。本研究以三大糧食作物為研究對(duì)象，樣本量分別為：小麥312份、玉米514份、水稻150份，共計(jì)976份，調(diào)研樣本分布見(jiàn)圖1。

圖1 調(diào)研地點(diǎn)分布圖

1.3 產(chǎn)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

調(diào)研農(nóng)戶小麥的產(chǎn)量介于1 800—7 500 kg·hm-2，90%的農(nóng)戶產(chǎn)量集中在2 700—6 375 kg·hm-2。以產(chǎn)量的第5%分位數(shù)（2 700 kg·hm-2）和95%分位數(shù)（6 450 kg·hm-2）為最低和最高限求極差（3 750 kg·hm-2），然后以等產(chǎn)量間距（1 250 kg·hm-2）分成低產(chǎn)、中產(chǎn)和高產(chǎn)3個(gè)范圍。小麥產(chǎn)量水平從低到高依次為＜3 950kg·hm-2（低產(chǎn)），3 950—5 200 kg·hm-2（中產(chǎn)），＞5 200 kg·hm-2（高產(chǎn)）。類似方法劃分的玉米產(chǎn)量水平依次為＜6 750 kg·hm-2（低產(chǎn)），6 750—9 000 kg·hm-2（中產(chǎn)），＞9 000 kg·hm-2（高產(chǎn)）；水稻依次為＜7 400 kg·hm-2（低產(chǎn)），7 400—8 800 kg·hm-2（中產(chǎn)），＞8 800 kg·hm-2（高產(chǎn)）（表1）。

1.4 合理施肥及小農(nóng)戶施肥等級(jí)評(píng)價(jià)方法

施肥的目的不僅是使作物高產(chǎn)，還需培肥土壤。因此在維持或提升土壤肥力水平上，考慮作物產(chǎn)量對(duì)養(yǎng)分的需求，基于輸入輸出平衡的推薦方法確定不同產(chǎn)量等級(jí)的合理施肥量[16-17]。

合理施肥量（Rec）= 產(chǎn)量×養(yǎng)分需求量×調(diào)整系數(shù) （1）

式中，產(chǎn)量為調(diào)研農(nóng)戶的實(shí)際產(chǎn)量；養(yǎng)分需求量指小麥、玉米和水稻的百公斤籽粒養(yǎng)分需求量。受環(huán)境和人為因素的影響，區(qū)域間作物的養(yǎng)分需求量各異，西北地區(qū)冬小麥氮磷鉀需求量分別為2.8 kg N·hm-2、0.7 kg P2O5·hm-2和2.4 kg K2O·hm-2[18]；玉米分別為1.74 kg N·hm-2、0.32 kg P2O5·hm-2和1.53 K2O·hm-2[19-21]；水稻分別為1.71 kg N·hm-2、0.34 kg P2O5·hm-2和1.84 kg K2O·hm-2[22]。調(diào)整系數(shù)指根據(jù)研究區(qū)域土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力確定的調(diào)整施肥數(shù)量高低的參數(shù)，西北地區(qū)氮、磷和鉀的調(diào)整系數(shù)分別為1.0、1.5和0.3[16]。

對(duì)于農(nóng)戶施肥等級(jí)評(píng)價(jià)分類方法，以合理施肥量的40%為變幅，施肥等級(jí)從低到高依次為0—0.8 Rec（不足）；0.8—1.2 Rec（適中）；＞1.2 Rec（過(guò)量）。

1.5 數(shù)據(jù)計(jì)算

1.5.1 活性氮損失量的估算 糧食作物生產(chǎn)系統(tǒng)中，化學(xué)氮肥的施用導(dǎo)致N2O排放、NH3揮發(fā)以及NO3-淋溶是活性氮（Nr）損失的主要途徑，本研究采用CUI等[9]提出西北地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，以N2O排放、NH3揮發(fā)以及NO3-淋溶之和估算活性氮損失。

N2O排放（kg N·hm-2）：

小麥：Y=0.26e0.0045N；玉米：Y=0.68e0.0035N；水稻：Y=0.32e0.0029N（2）

NH3揮發(fā)（kg N·hm-2）：

小麥：Y=3.21+0.068N；玉米：Y=2.53+0.058N；水稻：Y=3.83+0.10N （3）

NO3-淋溶（kg N·hm-2）：

小麥：Y=4.93e0.0057N；玉米：Y=2.38e0.0041N；水稻：Y=2.25e0.0033N（4）

式中，N表示化學(xué)氮肥用量（kg N·hm-2）?；钚缘獡p失強(qiáng)度為活性氮損失量與產(chǎn)量的比值。

1.5.2 經(jīng)濟(jì)效益的估算 按照農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中的原料、種植、農(nóng)資和運(yùn)輸四類進(jìn)行成本—效益分析，計(jì)算三大糧食作物的經(jīng)濟(jì)效益情況。

投入（yuan/hm2）=種子費(fèi)+農(nóng)藥費(fèi)+機(jī)械費(fèi)+肥料費(fèi) （5）

產(chǎn)出（yuan/hm2）=當(dāng)年銷售價(jià)格（yuan/kg）×產(chǎn)量（kg·hm-2） （6）

經(jīng)濟(jì)效益（yuan/hm2）=產(chǎn)出-投入 （7）

式中，投入的肥料按種類分為單質(zhì)肥、復(fù)合肥和有機(jī)肥，單質(zhì)肥中純氮磷鉀肥單價(jià)分別為3.8、4.5、5.8元/kg，復(fù)合肥單價(jià)為3.0元/kg，商品有機(jī)肥為1.36元/kg，農(nóng)家肥為0.3元/kg；小麥、玉米和水稻的種子費(fèi)分別為954、974和892元/hm2；農(nóng)藥費(fèi)分別為279、212和197元/hm2；機(jī)械作業(yè)費(fèi)分別為2 376、1 607和2 080元/hm2。以上數(shù)據(jù)均來(lái)源全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益匯編（2018版)[15]。

1.6 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)于肥料養(yǎng)分，單質(zhì)肥按照養(yǎng)分含量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算、復(fù)合肥按照實(shí)際調(diào)查記錄值計(jì)算、有機(jī)肥按照《中國(guó)有機(jī)肥養(yǎng)分志》折算，用折合的純養(yǎng)分用量表示。數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行匯總、計(jì)算、整理；采用IBM SPSS Statistics 22.0進(jìn)行單因素分析；采用SigmaPlot 12.5進(jìn)行相關(guān)性分析；采用ArcMap 10.5和Origin 9.1繪圖。

2 結(jié)果

2.1 主要糧食作物的產(chǎn)量與施肥現(xiàn)狀

調(diào)研農(nóng)戶的作物產(chǎn)量組間差異顯著（表1）。小麥、玉米和水稻的平均產(chǎn)量分別為4 573、7 319和8 340 kg·hm-2，小麥中高產(chǎn)組比低產(chǎn)組分別高41%和81%；玉米分別高44%和101%；水稻分別高22%和45%。3種作物不同產(chǎn)量組間肥料用量差異顯著。小麥的氮磷鉀肥分別為177 kg N·hm-2、102 kg P2O5·hm-2和37 kg K2O·hm-2，高產(chǎn)組的氮肥用量比低產(chǎn)組增加27%，高中低產(chǎn)組的磷鉀肥用量無(wú)顯著差異；玉米的氮磷鉀肥分別為247 kg N·hm-2、103 kg P2O5·hm-2和47 kg K2O·hm-2，高產(chǎn)組的磷鉀肥用量比中產(chǎn)組分別增加23%和49%，比低產(chǎn)組分別增加55%和52%，氮肥用量無(wú)顯著差異；水稻的氮磷鉀肥分別為186 kg N·hm-2、88 kg P2O5·hm-2和64 kg K2O·hm-2，中高產(chǎn)組比低產(chǎn)組氮肥用量分別減少18%和17%，磷肥用量分別增加62%和37%，鉀肥用量無(wú)顯著差異。由此可見(jiàn)，小麥高產(chǎn)組的氮肥比平均值投入較高，玉米高產(chǎn)組的磷肥較高，水稻高產(chǎn)組未增加肥料投入。

糧食作物生產(chǎn)的肥料種類表現(xiàn)為，氮肥以單質(zhì)肥為主，磷鉀肥以復(fù)合肥為主（表2）。對(duì)于小麥、玉米和水稻，單質(zhì)肥分別占氮肥總投入的48%、61%和56%；復(fù)合肥分別占磷肥總投入的67%、64%和57%，占鉀肥總投入的66%、60%和70%。表明肥料投入中，單質(zhì)肥主要是氮肥，磷肥次之，鉀肥最少；復(fù)合肥以磷鉀肥為主，氮肥次之；有機(jī)肥的養(yǎng)分供應(yīng)量很低。糧食作物生產(chǎn)的施肥方式表現(xiàn)為，氮肥以基施為主，小麥的氮肥基追比為8﹕1，玉米為7﹕5，水稻為5﹕2；磷鉀肥多以基施形式施用。

表1 主要糧食作物產(chǎn)量及施肥量

表中產(chǎn)量、施氮磷鉀量為平均值，同一列不同小寫(xiě)字母表示不同作物不同產(chǎn)量水平間差異達(dá)5%的顯著水平。下同

Data of yield, NPK rates are average. In same column of a region, different lowercase letters indicate significant differences between means of different yield levels at＜5%. The same as below

表2 肥料種類、用量及其基追比

表中同一列不同小寫(xiě)字母表示不同作物不同肥料種類間差異達(dá)5%的顯著水平；同一行不同中文符號(hào)表示不同作物不同肥料基追比間差異達(dá)5%的顯著水平。ECF指單質(zhì)肥；CF指復(fù)合肥；OM指有機(jī)肥。下同

In same column of a region, different lowercase letters indicate significant differences between different fertilizer types about different crops at＜5%; In same row of a region, different Chinese symbols indicate significant differences between different fertilizer ratio about different crops at＜5%. ECF: Elemental chemical fertilizer; CF: Compound fertilizer; OM: Organic manure. The same as below

2.2 主要糧食作物的養(yǎng)分投入分布

分析小麥產(chǎn)量和施肥量發(fā)現(xiàn)（圖2），氮肥用量36—465 kg N·hm-2，平均177 kg N·hm-2；磷肥0—454 kg P2O5·hm-2，平均102 kg P2O5·hm-2；鉀肥0—279 kg K2O·hm-2，平均37 kg K2O·hm-2。氮磷鉀肥用量變異很大，變異系數(shù)依次為38%、62%和112%，產(chǎn)量與施肥量間無(wú)相關(guān)性。通過(guò)產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的肥料合理用量評(píng)估實(shí)際施肥量顯示（圖3），不足、適中和過(guò)量施氮的農(nóng)戶依次為11%、32%和57%；施磷依次為10%、7%和83%；施鉀依次為44%、21%和35%。分析不同產(chǎn)量水平農(nóng)戶的施肥量可知，隨產(chǎn)量提高，過(guò)量施氮農(nóng)戶由74%降低到34%、適中施氮農(nóng)戶由13%增加到49%，過(guò)量施鉀農(nóng)戶由47%降低到19%、適中施鉀農(nóng)戶由4%增加到43%，過(guò)量施磷農(nóng)戶仍然占77%—88%，無(wú)顯著變化。

圖中橫虛線分別代表小麥、玉米和水稻的平均產(chǎn)量，豎虛線分別代表氮磷鉀肥的平均用量

圖3 小麥、玉米和水稻的養(yǎng)分投入分布圖

分析玉米發(fā)現(xiàn)（圖2），氮肥用量為32—695 kg N·hm-2，平均247 kg N·hm-2；磷肥用量為0—606 kg P2O5·hm-2，平均103 kg P2O5·hm-2；鉀肥用量為0—324 kg K2O·hm-2，平均47 kg K2O·hm-2。氮磷鉀肥用量變異很大，變異系數(shù)依次為45%、86%和126%，產(chǎn)量與施肥量間無(wú)相關(guān)性。通過(guò)產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的肥料合理用量評(píng)估實(shí)際施肥量顯示（圖3），不足、適中和過(guò)量施氮的農(nóng)戶依次為10%、9%和81%；施磷依次為13%、13%和74%；施鉀依次為45%、14%和41%。分析不同產(chǎn)量水平農(nóng)戶的施肥量可知，隨產(chǎn)量提高，過(guò)量施氮農(nóng)戶由93%降低到54%、適中施氮農(nóng)戶由4%增加到19%，過(guò)量施鉀農(nóng)戶由50%降低到31%、適中施鉀農(nóng)戶由4%增加到11%，過(guò)量施磷農(nóng)戶仍然占59%— 78%，無(wú)顯著變化。

分析水稻發(fā)現(xiàn)（圖2），氮肥用量為45—405 kg N·hm-2，平均186 kg N·hm-2；磷肥用量為0—465 kg P2O5·hm-2，平均88 kg P2O5·hm-2；鉀肥用量為0—345 kg K2O·hm-2，平均64 kg K2O·hm-2。氮磷鉀肥用量變異系數(shù)依次為37%、82%和95%，產(chǎn)量與施肥量間無(wú)相關(guān)性。通過(guò)產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的肥料合理用量評(píng)估實(shí)際施肥量顯示（圖3），不足、適中和過(guò)量施氮的小農(nóng)戶依次為19%、25%和56%；施磷依次為28%、7%和65%；施鉀依次為45%、7%和48%。分析不同產(chǎn)量水平農(nóng)戶的施肥量可知，隨產(chǎn)量提高，過(guò)量施氮農(nóng)戶由64%降低到37%、適中施氮農(nóng)戶由24%增加到43%，過(guò)量施磷農(nóng)戶占60%—73%，過(guò)量施鉀農(nóng)戶占40%—48%、無(wú)顯著變化。綜上所述，小麥、玉米和水稻氮磷肥過(guò)量施用情況嚴(yán)重、特別是磷肥，而鉀肥過(guò)量與不足現(xiàn)象并存。合理施肥的占比隨產(chǎn)量水平的提高而增加。

2.3 減肥潛力與環(huán)境代價(jià)

比較農(nóng)戶實(shí)際施肥量與合理施肥量發(fā)現(xiàn)（表3），減少肥料投入的潛力因糧食作物種類和產(chǎn)量水平而異。對(duì)于小麥，氮磷鉀肥用量可分別減少41%（90 kg N·hm-2）、59%（68 kg P2O5·hm-2）和59%（48 kg K2O·hm-2）。其中，減肥主要對(duì)象為低、中產(chǎn)農(nóng)戶。低產(chǎn)農(nóng)戶的氮磷鉀肥的減幅分別為48%、72%和66%，中產(chǎn)農(nóng)戶的減幅分別為40%、58%和63%。對(duì)于玉米，氮磷鉀肥用量可分別減少55%（153 kg N·hm-2）、73%（97 kg P2O5·hm-2）和66%（67 kg K2O·hm-2）。減施肥料的主要對(duì)象為低產(chǎn)的農(nóng)戶，氮磷鉀肥減幅分別為63%、75%和70%。對(duì)于水稻，氮磷鉀肥用量可分別減少38%（86 kg N·hm-2）、64%（76 kg P2O5·hm-2）和58%（64 kg K2O·hm-2）。減施肥料的主要對(duì)象為低產(chǎn)農(nóng)戶，氮磷鉀肥減幅分別為60%、63%和63%。由此可見(jiàn)，糧食作物減施肥料的主要對(duì)象為低產(chǎn)農(nóng)戶，減磷潛力最大，氮、鉀肥次之。

糧食作物生產(chǎn)的環(huán)境代價(jià)因作物種類和產(chǎn)量水平而異。小麥、玉米和水稻的活性氮損失強(qiáng)度分別為6.9、3.8和3.3 kg N·t-1。分析不同產(chǎn)量組可知，活性氮損失強(qiáng)度隨產(chǎn)量增加而顯著降低。與低產(chǎn)組相比，中產(chǎn)組小麥、玉米和水稻的活性氮損失強(qiáng)度分別降低20%、27%和30%，高產(chǎn)組分別降低了34%、46%和43%。通過(guò)合理施肥量對(duì)應(yīng)的活性氮損失強(qiáng)度評(píng)估其減少損失潛力（表3）。進(jìn)一步分析減少活性氮損失強(qiáng)度的潛力可知，中低高產(chǎn)組小麥、玉米和水稻的減少潛力分別為16%—33%、31%—50%和4%—38%。其中，中產(chǎn)組的活性氮損失減少潛力分別為24%、43%和19%。由此可見(jiàn)，減少活性氮損失的關(guān)鍵在低產(chǎn)組，三大作物中特別是小麥。

表3 小麥、玉米和水稻的減肥潛力與環(huán)境代價(jià)

FPex指過(guò)量施肥下農(nóng)戶的施肥量；Rec指推薦施肥量；%指減少損失的潛力(% = (FPex-Rec)/FPex)

FPex: Fertilizer rate used by farmer practice under excessive condition; Rec: Recommended fertilizer rate; %: Potential of reducing losses (% = (fertilizer rate used by farmer practice under excessive condition-recommended fertilizer rate)/fertilizer rate used by farmer practice under excessive condition)

2.4 經(jīng)濟(jì)效益

糧食作物生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益因作物種類和產(chǎn)量水平而異（表4）。對(duì)于小麥、玉米和水稻生產(chǎn)，總投入分別為5 443、5 013和4 928 yuan/hm2，肥料投入分別占總投入的33%、44%和36%。總產(chǎn)出分別為9 953、14 104和24 947 元/hm2。三大作物的經(jīng)濟(jì)效益分別為4 468、9 091和20 020 元/hm2，不同產(chǎn)量組間差異顯著；減肥增效分別為4 919（10%）、9 905（9%）和20 543（3%）元/hm2。與低產(chǎn)組相比，小麥、玉米和水稻高產(chǎn)組的總投入分別增加了6%、19%和5%，總產(chǎn)出分別增加32%、26%和12%。經(jīng)濟(jì)效益分別增加459%、128%和52%。與玉米和水稻相比，小麥的總投入分別增加了9%和11%，總產(chǎn)出卻分別減少了42%和151%，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益分別減少了50%和78%。結(jié)果顯示，優(yōu)化肥料用量和施肥方式、合理調(diào)整施肥結(jié)構(gòu)、增加作物產(chǎn)量是提高經(jīng)濟(jì)效益的核心途徑之一。

表4 小麥、玉米和水稻的經(jīng)濟(jì)效益

減肥增效中，純氮磷鉀肥的減少量用純單質(zhì)肥的價(jià)格分別計(jì)算增收效益，%指減肥增效的潛力(%=(減肥增效-經(jīng)濟(jì)效益)/經(jīng)濟(jì)效益)

In benefit increase, the reduction of pure nitrogen, phosphorus, and potassium fertilizers were calculated benefits separately by the price of pure elemental fertilizers, %: potential of benefit increase through reducing fertilizer use (% = (benefit increase-benefit)/benefit)

3 討論

3.1 農(nóng)戶糧食生產(chǎn)的產(chǎn)量與養(yǎng)分投入分析

分析2018年的976份農(nóng)戶調(diào)研數(shù)據(jù)可知，陜西省的小麥、玉米和水稻平均產(chǎn)量分別為4 573、7 319和8 340 kg·hm-2。小麥產(chǎn)量略高于2011—2015年在渭北旱塬調(diào)研結(jié)果（4 243 kg·hm-2）[16]；玉米產(chǎn)量高于2013—2016年在渭北旱塬調(diào)研結(jié)果（6 000 kg·hm-2）[23]；水稻產(chǎn)量高于2006—2009年在秦巴山區(qū)調(diào)研結(jié)果（7 822 kg·hm-2）[24]。總的來(lái)看，糧食作物產(chǎn)量呈上升趨勢(shì)，這利于應(yīng)對(duì)糧食需求量增加、耕地面積減少帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

分析施肥量可知，農(nóng)戶糧食生產(chǎn)氮肥投入最多（152—257 kg N·hm-2）、磷肥次之（63—132 kg P2O5·hm-2）、鉀肥較少（35—73 kg K2O·hm-2）。趙護(hù)兵等[25]2009—2012年調(diào)研渭北旱塬冬小麥生產(chǎn)的氮磷鉀肥用量分別為195 kg N·hm-2、128 kg P2O5·hm-2和35 kg K2O·hm-2，也呈現(xiàn)出高氮、中磷、低鉀的現(xiàn)象。施肥是提高作物產(chǎn)量的重要措施之一，然而本研究肥料用量與作物產(chǎn)量間未有顯著相關(guān)性，水稻高產(chǎn)組的氮肥用量甚至低于低產(chǎn)組。近年來(lái)，伴隨著肥料價(jià)格下降、特別是尿素[26]，農(nóng)戶為獲得高產(chǎn)，長(zhǎng)期過(guò)量施用化肥導(dǎo)致土壤養(yǎng)分殘留量大[27]。我國(guó)農(nóng)田養(yǎng)分盈余問(wèn)題嚴(yán)重，HUANG等[28]報(bào)道我國(guó)農(nóng)田氮素養(yǎng)分盈余2.8—6.6 Tg·a-1，磷素盈余4.1 Tg·a-1[29]，鉀素赤字2.9—3.9 Tg·a-1[30]。土壤中大量的養(yǎng)分盈余破壞了施肥量與產(chǎn)量間的正相關(guān)關(guān)系，在降水量少的年份少施化肥甚至可以增加作物產(chǎn)量[31]。另外，氮磷鉀肥施用比例與作物需求不平衡，也是導(dǎo)致養(yǎng)分投入高產(chǎn)量卻不高的重要原因。此外，調(diào)研過(guò)程還發(fā)現(xiàn)幾乎沒(méi)有農(nóng)戶施用微量元素肥料，這與農(nóng)民對(duì)微肥重要性的認(rèn)識(shí)不足有關(guān)。

分析養(yǎng)分來(lái)源和施肥方式可知，48%—61%的氮肥來(lái)自單質(zhì)氮肥，57%—67%的磷肥和60%—70%的鉀肥來(lái)自復(fù)合肥。小麥的氮肥基追比為8﹕1，玉米為7﹕5，水稻為5﹕2，磷鉀肥以基肥一次性施用為主。這表明農(nóng)戶基肥以復(fù)合肥和單質(zhì)氮肥為主，追施少量單質(zhì)氮肥。通常認(rèn)為，小麥的氮肥基追比以2﹕1為宜，玉米和水稻以1﹕2或2﹕3較合理[32-34]。農(nóng)戶的基肥比例偏高、追肥偏低，究其關(guān)鍵原因與西北地區(qū)降水少、灌溉缺乏、追肥不易有關(guān)[35]。本研究中施肥量與產(chǎn)量間未有顯著的相關(guān)性，同一施肥水平下作物產(chǎn)量有低有高。作物產(chǎn)量是多因素共同作用的結(jié)果，不僅與肥料用量相關(guān)，還與肥料類型和施肥方法有關(guān)[35]。結(jié)合調(diào)研結(jié)果，陜西省小農(nóng)戶糧食作物生產(chǎn)中存在著氮、磷肥施用過(guò)量，鉀肥過(guò)量與不足并存，重基施、輕追施，重化肥、輕有機(jī)肥的普遍現(xiàn)象。優(yōu)化肥料用量和施用方法、應(yīng)用有機(jī)無(wú)機(jī)配施[36]、調(diào)整復(fù)合肥氮磷鉀比例等措施利于從省域尺度上改善施肥不合理現(xiàn)象。大規(guī)模的針對(duì)性培訓(xùn)、大面積的標(biāo)準(zhǔn)示范田展示，利于提高農(nóng)戶的農(nóng)業(yè)知識(shí)素養(yǎng)以及科技應(yīng)用，利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

3.2 農(nóng)戶糧食作物生產(chǎn)的減肥、減排潛力及經(jīng)濟(jì)效益

肥料是糧食作物生產(chǎn)主要的養(yǎng)分來(lái)源，然而施用的肥料養(yǎng)分未被作物吸收將殘留在土壤或損失到作物生產(chǎn)系統(tǒng)外產(chǎn)生土壤[37]、水體[38]和空氣污染[3]環(huán)境問(wèn)題。因此，評(píng)估施肥現(xiàn)狀及減肥潛力對(duì)糧食生產(chǎn)和環(huán)境安全意義重大。研究結(jié)果顯示在施肥過(guò)量條件下糧食作物生產(chǎn)的減氮磷鉀潛力分別在33%—63%、46%—75%和57%—70%，減肥潛力巨大（表3）。進(jìn)一步分析產(chǎn)量組的肥料用量發(fā)現(xiàn)，中低產(chǎn)組過(guò)量的氮肥用量占比為64%—93%，過(guò)量的磷肥用量占比60%—88%，過(guò)量的鉀肥用量占比為33%—50%（圖3），這意味著減肥的重點(diǎn)在中低產(chǎn)組的農(nóng)戶。同時(shí)三大作物產(chǎn)量與氮磷鉀肥用量間均不顯著相關(guān)，表明農(nóng)戶減肥潛力巨大，即在陜西生態(tài)環(huán)境條件下生產(chǎn)小麥、玉米和水稻，增加或減少施肥不是引起產(chǎn)量差異的主要原因。農(nóng)戶是土地經(jīng)營(yíng)的主體，通常認(rèn)為多投入肥料養(yǎng)分是獲得高產(chǎn)的重要保障[39]，加之化肥補(bǔ)貼和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致其價(jià)格偏低[40]，是過(guò)量施肥的重要原因。采用土壤測(cè)試方法可科學(xué)指導(dǎo)肥料用量[41]，然而我國(guó)土地碎片化程度高，每塊土地平均0.1 hm2[42]，大規(guī)模測(cè)土后制定科學(xué)的施肥量，時(shí)間緊、難度大，同時(shí)考慮到地塊間土壤基礎(chǔ)地力差異，筆者認(rèn)為基于輸入輸出平衡推薦法、通過(guò)產(chǎn)量區(qū)間來(lái)確定施肥區(qū)間更為實(shí)際。例如，農(nóng)戶的玉米產(chǎn)量在5 000—7 000 kg·hm-2，根據(jù)合理施肥量方程推薦的氮肥用量為87—122 kg·hm-2，推薦的磷肥用量為24—34 kg·hm-2，推薦的鉀肥用量為23—32 kg·hm-2，實(shí)際的肥料用量農(nóng)戶可根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行微調(diào)。

分析不同產(chǎn)量組的環(huán)境效應(yīng)可知，糧食作物生產(chǎn)活性氮損失減少潛力為4%—50%，高產(chǎn)組的減排潛力更低（表3）。盡管高產(chǎn)組通常有高的肥料投入量，但其氮肥利用率較高，故活性氮損失強(qiáng)度比低產(chǎn)組甚至減少34%—46%。WANG等[43]在甘肅張掖也發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)视昧繌?40 kg N·hm-2提高到221 kg N·hm-2時(shí)，并未增加單位產(chǎn)量的活性氮損失量。由此可見(jiàn)，在一定范圍內(nèi)增加氮肥用量以提高作物產(chǎn)量，并不一定提高活性氮損失強(qiáng)度，這說(shuō)明有效提高氮肥利用效率是增產(chǎn)環(huán)保實(shí)現(xiàn)雙贏的重要保障。此外，不同作物類型的活性氮損失強(qiáng)度差異較大，小麥的活性氮損失是玉米和水稻的1.8—2.1倍（表3），這主要?dú)w因于小麥低的產(chǎn)量以及高的籽粒蛋白質(zhì)含量?？偟膩?lái)看，通過(guò)構(gòu)建綜合的土壤-作物管理系統(tǒng)將高產(chǎn)栽培與合理種植相結(jié)合是減少活性氮損失的重要途徑之一。CUI等[9]證實(shí)應(yīng)用綜合的土壤-作物管理系統(tǒng)在減少氮肥用量15%—18%的同時(shí)，增加糧食平均產(chǎn)量11%—12%，減少氮損失13%—22%。不同作物類型和產(chǎn)量組間，經(jīng)濟(jì)效益差異顯著。水稻的經(jīng)濟(jì)效益為小麥、玉米的2.7—4.0倍，高的單產(chǎn)和單價(jià)是增加收益的主要原因[14]。然而由于生長(zhǎng)條件的限制，陜西省水稻種植主要集中在陜南的部分地區(qū)，因此分析旱作的小麥和玉米效益是必要的。與玉米相比，小麥的經(jīng)濟(jì)收益減少了50%。小麥作為陜西省三大主糧食作物之一，在2000—2017年間種植面積減少了31%（47.4萬(wàn)hm2），產(chǎn)量只提高了7%（30萬(wàn)t）[15]。同時(shí)由于市場(chǎng)導(dǎo)向作用，小麥價(jià)格存在“天花板”封頂，生產(chǎn)成本卻在“地板式”上升，壓縮了小麥生產(chǎn)利潤(rùn)空間[44-45]，從而導(dǎo)致小麥的經(jīng)濟(jì)收益低于玉米。可通過(guò)政策支持、補(bǔ)貼等措施擴(kuò)大小麥種植面積、提高小麥總產(chǎn)和單價(jià)，從而提高小麥生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

本研究基于2018年976份調(diào)研數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了糧食作物生產(chǎn)的產(chǎn)量和施肥現(xiàn)狀，減肥、減排潛力及經(jīng)濟(jì)效益。小麥、玉米和水稻的平均產(chǎn)量分別為4 573、7 319和8 340 kg·hm-2，平均施氮量分別為177、247和186 kg N·hm-2，平均施磷量分別為102、103和88 kg P2O5·hm-2，平均施鉀量分別為37、47和64 kg K2O·hm-2，產(chǎn)量與氮磷鉀肥用量間無(wú)顯著相關(guān)性。表明在陜西生態(tài)環(huán)境條件下生產(chǎn)三大糧食作物，增加或減少施肥不是引起產(chǎn)量差異的主要原因，即農(nóng)戶減肥潛力和活性氮減排潛力巨大。陜西省主要糧食作物減氮、磷和鉀肥的潛力分別為33%—63%、46%— 75%和57%—70%，減活性氮損失潛力為4%—50%。小麥、玉米和水稻生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益分別為4 468、9 091和20 020 yuan/hm2。本研究從減肥節(jié)本高效增收為出發(fā)點(diǎn)，提出以低中產(chǎn)組農(nóng)戶為化肥減量和收益提升的重點(diǎn)，3種作物均可分別減少氮磷鉀肥45%、65%和61%，從而降低26%、45%和18%的活性氮損失，提高10%、9%和3%的經(jīng)濟(jì)效益。

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Potential of Fertilizer Reduction and Benefits of Environment and Economic for Cereal Crops Production in Shaanxi Province

ZHANG XinXin1, SHI Lei2, HE Gang1, WANG ZhaoHui1

(1College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University/Key Laboratory of Plant Nutrition and Agro-Environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, Shaanxi;2Department of Agriculture and Rural Affairs of Shaanxi Province/Cultivated Land Quality and Agricultural Environmental Protection Station in Shaanxi Province, Xi’an 710003)

【Objective】The management of farmers is the main mode of agricultural production in China, and the unreasonable application of fertilizer resources is the crucial factor in limiting the production of crops. This study was aimed to assess the potential of fertilizer reduction and benefits of environment and economic, which was very important for agricultural sustainable development in the main crop production regions.【Method】In 2018, a questionnaire survey was conducted on the production of major crops in counties (cities and districts) of Shaanxi Province. The three major crops were taken as research objects to evaluate farmers’ fertilization status, fertilizer reduction potential, environmental costs and economic benefits based on yield level.【Result】There were significant differences in farmers’ crop yields. The average yield of wheat was 4 573 kg·hm-2, and the difference between high and low yield was 2 619 kg·hm-2; the average yield of maize was 7 319 kg·hm-2, and the difference between high and low yield was 5 388 kg·hm-2; the average yield of rice was 8 340 kg·hm-2, and the difference between high and low yield was 2 893 kg·hm-2. The nitrogen, phosphorus and potassium rate of wheat was 177 kg N·hm-2, 102 kg P2O5·hm-2and 37 kg K2O·hm-2, respectively; maize was 247 kg N·hm-2, 103 kg P2O5·hm-2and 47 kg K2O·hm-2; rice was 186 kg N·hm-2, 88 kg P2O5·hm-2and 64 kg K2O·hm-2. There is no significant relationship between yield and fertilizer application. The problems of excessive application of nitrogen and phosphate fertilizer, excessive and insufficient potassium fertilizer coexist, and excessive fertilization in low-yield farmers was serious. The reduction potential of nitrogen, phosphorus, potassium in wheat was 41%, 59% and 59%, respectively; maize was 55%, 73% and 66%, respectively; for rice, it was 38%, 64% and 58%, respectively. The forms of fertilizers applied showed that nitrogen was mainly chemical fertilizers and supplemented by compound fertilizers; phosphorus and potassium were mainly compound fertilizers; the organic manure supplied very low nutrient. The application of basal fertilizer usually

more attention, while topdressing was often overlooked on fertilizer structure, nitrogen was mainly based on basal application and supplemented by topdressing; phosphorus and potassium fertilizers were rarely applied topdressing. Losses of reactive nitrogen to produce 1.0 t wheat, maize and rice were 6.9, 3.8 and 3.3 kg N, respectively. Compared with the high-yield group, the reactive nitrogen loss intensity of wheat, maize and rice in the low-yield group increased by 52%, 85% and 74%; the potential of loss reduction ranges of wheat, maize and rice in low-yield group were 16%-33%, 31%-50% and 4%-38%, respectively. The economic benefits of wheat, maize and rice production were 4 468, 9 091 and 20 020 yuan/hm2, respectively. Compared with the low-yield group, the economic benefits of wheat, maize and rice in high-yield group increased 455%, 128% and 52%, respectively. The benefit increases were 4 919, 9 905 and 20 543 yuan/hm2. Compared with the low-yield group, the benefit increases of wheat, maize and rice in high-yield group increased 290%, 106% and 48%, respectively.【Conclusion】The household production behavior was analyzed deeply based on the production level in Shaanxi province. The low and middle yield levels were the focus of fertilizer reduction and benefit improvement. The average reduction potential of nitrogen, phosphorus, and potassium fertilizers for the three crops was 45%, 65% and 61%, respectively, reducing the potential of active nitrogen loss were 26%, 45% and 18%, respectively. The potential to improve environment economic benefits were 10%, 9% and 3%, respectively.

household behavior; nutrients management; cereal crops; yield; environmental cost; economic benefit; Shaanxi Province

2019-12-04；

2020-03-03

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFD0200408）、國(guó)家自然科學(xué)基金（31902120）、西北農(nóng)林科技大學(xué)科研啟動(dòng)項(xiàng)目（2452018110）

張欣欣，E-mail：zhangxinxin029@126.com。通信作者何剛，E-mail：hegang029@nwafu.edu.cn。通信作者王朝輝，E-mail：w-zhaohui@263.net

（責(zé)任編輯 李云霞）