黑龍江省春玉米近二十年產(chǎn)量及肥料利用率變化

姬景紅，劉雙全，鄭雨，劉穎，張明怡，馬星竹，郝小雨，陳雪麗

（黑龍江省黑土保護(hù)利用研究院，黑龍江省土壤環(huán)境與植物營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江省肥料工程技術(shù)研究中心，哈爾濱 150086）

玉米是黑龍江省主要糧食作物之一，2019 年種植面積達(dá)587.5 萬(wàn)hm2，產(chǎn)量達(dá)3 939.8 萬(wàn)t[1]，其種植面積和產(chǎn)量對(duì)于保障黑龍江省乃至全國(guó)糧食安全具有重要意義。眾所周知，化肥是糧食的“糧食”，在玉米增產(chǎn)中發(fā)揮著不可替代的作用。然而黑龍江省玉米生產(chǎn)中仍然存在著化肥用量高、糧食產(chǎn)量增長(zhǎng)緩慢、肥料利用率低的現(xiàn)象，長(zhǎng)此以往，不但會(huì)造成肥料資源的浪費(fèi)，而且易產(chǎn)生潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。黑龍江省玉米平均單產(chǎn)為6 706 kg·hm-2（來(lái)源于2020 年黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒），氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）肥用量范圍為150～230、60～120、60～120 kg·hm-2[2-4]，雖然春玉米平均單位面積施肥量低于其他省份，但對(duì)于其肥沃的土壤及不斷增加的積溫而言，玉米單產(chǎn)仍有較大的提升潛力[5]，且肥料用量也有一定的減少空間。以往關(guān)于黑龍江省玉米肥料利用率的研究多集中在一年幾點(diǎn)[6-8]或幾年幾點(diǎn)的試驗(yàn)上[4]，缺少較長(zhǎng)時(shí)間跨度上利用率變化情況的研究。作為全國(guó)玉米生產(chǎn)大省，黑龍江省玉米產(chǎn)量及肥料利用率是如何變化的?產(chǎn)生這種變化的主要原因是什么？這些均有待于深入研究和探討。因此，本研究通過(guò)對(duì)2000—2019 年近20 年黑龍江省玉米主產(chǎn)區(qū)大量田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)分析，探討黑龍江省玉米產(chǎn)量及肥料利用率，為黑龍江省肥料合理施用及玉米產(chǎn)量的提高提供基礎(chǔ)支撐數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)時(shí)間為2000—2019 年（共20 年），試驗(yàn)地區(qū)包括黑龍江省雙城、賓縣、哈爾濱、安達(dá)、肇東、肇源、樺川、海倫、慶安、依安、趙光農(nóng)場(chǎng)等主要的玉米產(chǎn)區(qū)，供試土壤主要為黑土。采用田間小區(qū)試驗(yàn)方法，設(shè)5個(gè)施肥處理，分別為：①氮磷鉀化肥（NPK）；②磷鉀化肥（PK）；③氮鉀化肥（NK）；④氮磷化肥（NP）；⑤不施肥（CK）。小區(qū)面積30 m2，3 次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。玉米品種為當(dāng)年當(dāng)?shù)刂髟云贩N。氮肥30%～50%作基肥，50%～70%作追肥于拔節(jié)期施入。氮肥用尿素、磷肥用重過(guò)磷酸鈣、鉀肥用氯化鉀。玉米種植密度為4.5 萬(wàn)～7.0 萬(wàn)株·hm-2。播種時(shí)間為4 月下旬至5 月上旬，收獲時(shí)間為9月下旬至10月上旬。各試驗(yàn)地點(diǎn)根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)進(jìn)行正常田間管理。本研究收集了黑龍江省各地區(qū)174個(gè)田間施肥試驗(yàn)中的522個(gè)玉米產(chǎn)量（玉米籽粒含水量15.5%）數(shù)據(jù)和近2 000 個(gè)成熟期養(yǎng)分吸收量數(shù)據(jù)。

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

玉米成熟期，在各小區(qū)中間位置隨機(jī)取10 株均勻一致、有代表性的玉米，將其分成籽粒和秸稈兩部分。放入105 ℃烘箱中殺青0.5 h。之后，籽粒在70 ℃的烘箱中烘干至含水量為15.5%后測(cè)產(chǎn)，再將籽粒和秸稈置于70℃的烘箱中烘干，分別測(cè)定秸稈、籽粒質(zhì)量，采用實(shí)驗(yàn)室常規(guī)方法[9]測(cè)定秸稈和籽粒中氮、磷、鉀含量。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析及計(jì)算公式

1.3.1 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2010 和SPSS 16.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

1.3.2 計(jì)算方法

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米產(chǎn)量變化及主要原因

由2000—2019 年玉米田間試驗(yàn)結(jié)果和黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒可以看出，20 年來(lái)黑龍江省玉米單產(chǎn)發(fā)生了較大變化（圖1）。隨著時(shí)間推移，試驗(yàn)田玉米單產(chǎn)和黑龍江省玉米平均單產(chǎn)變化趨勢(shì)一致。2000—2019年玉米單產(chǎn)整體呈上升趨勢(shì)（圖1），其中2000—2009 年玉米產(chǎn)量呈波動(dòng)緩慢上升趨勢(shì)，至2010 年以后玉米單產(chǎn)各年份間也有波動(dòng)，但較2010 年前的各年份產(chǎn)量明顯上升。因此，將玉米產(chǎn)量分為2000—2009年和2010—2019年兩個(gè)階段。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，2000—2009 年玉米平均產(chǎn)量為7 347 kg·hm-2（n=126），2010—2019 年玉米平均產(chǎn)量為8 859 kg·hm-2（n=396），2010—2019 年較2000—2009 年玉米平均產(chǎn)量增加1 512 kg·hm-2，增產(chǎn)率達(dá)20.6%（黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)顯示，2010—2019 年較2000—2009年玉米增產(chǎn)率為31.7%）。

圖1 不同年份玉米產(chǎn)量平均值變化Figure 1 Variation of average yield of maize in different years

由圖2可以看出，近20年黑龍江省玉米收獲指數(shù)的變化趨勢(shì)與玉米產(chǎn)量變化趨勢(shì)一致。2000—2009年玉米平均收獲指數(shù)為0.45（n=126），2010—2019年為0.50（n=396），2010—2019 年較2000—2009 年玉米收獲指數(shù)平均增加0.05。

圖2 不同年份玉米收獲指數(shù)平均值變化Figure 2 Variation of harvest index of maize in different years

2.2 玉米施肥量變化

2000—2019 年黑龍江省氮磷鉀肥料用量整體呈先增后降的趨勢(shì)，2000—2015 年氮磷鉀肥用量增加，2016 年開(kāi)始逐漸降低（圖3）。玉米田間試驗(yàn)中，氮磷鉀肥單位面積用量與黑龍江省氮磷鉀肥料用量的變化趨勢(shì)基本一致，表現(xiàn)為2000—2015 年波動(dòng)上升，2016 年開(kāi)始有所下降（圖4）。玉米氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）肥在2000—2010 年平均施用量分別為165.2、63.1、64.7 kg·hm-2（n=46），2011—2015 年分別為184.2、73.5、71.1 kg·hm-2（n=50）；2016—2019 年分別為167.0、61.8、66.6 kg·hm-2（n=78）。

圖3 黑龍江省肥料施用量（黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒）Figure 3 Amount of fertilizer applied in Heilongjiang Province（Heilongjiang Statistical Yearbook）

圖4 2000—2019年玉米施肥量Figure 4 Amount of fertilizer applied in maize from 2000 to 2019

2.3 玉米產(chǎn)量與植株養(yǎng)分吸收量之間的關(guān)系

圖5、圖6 和圖7 是玉米產(chǎn)量與植株養(yǎng)分吸收量（籽粒與秸稈養(yǎng)分吸收量之和）之間的關(guān)系。由圖可知，玉米產(chǎn)量與植株氮、磷、鉀吸收量均呈極顯著的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。隨著植株氮、磷、鉀吸收量的增加，玉米產(chǎn)量增加。玉米產(chǎn)量與氮素吸收量相關(guān)性最高，其次為鉀素，與磷素相關(guān)性最低。

圖5 玉米產(chǎn)量與植株吸氮量之間的關(guān)系Figure 5 Relationship between yield and plant nitrogen uptake of maize

圖6 玉米產(chǎn)量與植株吸磷量之間的關(guān)系Figure 6 Relationship between yield and plant phosphorus uptake of maize

圖7 玉米產(chǎn)量與植株吸鉀量之間的關(guān)系Figure 7 Relationship between yield and plant potassium uptake of maize

2.4 玉米氮磷鉀肥料利用率變化

黑龍江省近20年（2000—2019年）玉米肥料利用率統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表1）表明，氮、磷、鉀肥利用率范圍分別為22.3%～50.7%、5.1%～37.6%和26.3%～76.4%，平均值為36.9%、18.0%和47.8%（n=119）。根據(jù)化肥施用及肥料利用率可將研究時(shí)期進(jìn)一步劃分為三個(gè)階段：2000—2010 年、2011—2015 年、2016—2019 年。氮肥利用率在這三個(gè)階段的平均值分別為38.5%（n=34）、34.4%（n=53）和39.4%（n=32）；磷肥（P2O5）利用率為18.8%、15.8%、20.7%；鉀肥（K2O）利用率為47.9%、46.4%和49.9%；氮、磷、鉀肥利用率均表現(xiàn)出先降低后增加的趨勢(shì)。這可能主要是由于2011—2015 年肥料用量（尤其是氮肥用量）明顯增加，導(dǎo)致肥料利用率下降；2016—2019 年用量下降到2000—2010 年的水平，且玉米產(chǎn)量明顯增加，所以肥料利用率呈明顯上升趨勢(shì)。

表1 黑龍江玉米氮磷鉀肥料利用率變化Table 1 Changes in nitrogen，phosphorus and potassium fertilizer use efficiency of maize in Heilongjiang Province

3 討論

3.1 黑龍江省玉米產(chǎn)量變化的主要影響因素

影響玉米產(chǎn)量的主要因素有品種，積溫、降水等氣候條件，土壤性質(zhì)，施肥狀況，耕作、栽培等農(nóng)藝措施。在每年相似的農(nóng)業(yè)管理措施下，本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，近20 年黑龍江省玉米單產(chǎn)及玉米收獲指數(shù)均呈上升的趨勢(shì)。按數(shù)據(jù)的整體趨勢(shì)，可將玉米產(chǎn)量及收獲指數(shù)劃分為兩個(gè)階段，即2000—2009年和2010—2019 年。第二階段的玉米單產(chǎn)和收獲指數(shù)均較前一階段有明顯提高。玉米收獲指數(shù)的高低與品種密切相關(guān)，不同品種的養(yǎng)分在植株和籽粒中的分配各不相同，進(jìn)而影響收獲指數(shù)的大小，造成產(chǎn)量差異[10-13]。本研究20 年中玉米品種的選擇與品種的演替基本同步，即每年都按當(dāng)?shù)胤e溫等氣候條件選擇適宜的品種。錢(qián)春榮等[14]的研究結(jié)果表明，黑龍江省在1970—2000 年玉米品種更替過(guò)程中，籽粒產(chǎn)量和氮肥利用率均明顯提高。由本研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出第二階段玉米施肥量高于第一階段，尤其是氮磷肥用量的增加使得玉米產(chǎn)量增加。另外，玉米產(chǎn)量的增加可能與溫度的變化有關(guān)，近年來(lái)黑龍江省積溫不斷增加[5]，使得高產(chǎn)晚熟品種種植面積擴(kuò)大。本研究結(jié)果進(jìn)一步表明，肥料用量的增加、玉米品種及種植密度的改變、收獲指數(shù)及有效積溫的增加，均是近20 年來(lái)玉米產(chǎn)量增加的主要原因。

3.2 黑龍江省玉米主產(chǎn)區(qū)肥料利用率的變化

肥料利用率是作物生產(chǎn)中投入的肥料被作物吸收利用狀況的一個(gè)表征。朱兆良[15]1998年指出，當(dāng)時(shí)我國(guó)主要糧食作物的氮、磷、鉀肥利用率分別為30%～35%、15%～20%、35%～50%。張福鎖等[16]于2008 年也總結(jié)了1 333個(gè)田間試驗(yàn)，提出我國(guó)主要糧食作物氮、磷、鉀肥利用率均呈逐漸下降趨勢(shì)，氮、磷、鉀肥利用率范圍分別為10.8%～40.5%、7.3%～20.1%、21.2%～35.9%，平均為27.5%、11.6%、31.3%；同時(shí)，根據(jù)5 年349 個(gè)玉米田間試驗(yàn)結(jié)果，得出河北、天津、山東、山西、陜西5 個(gè)地區(qū)玉米平均氮、磷、鉀肥利用率為26.1%、11.0%、31.9%。本研究對(duì)2000—2019 年119個(gè)玉米田間肥料試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，氮、磷、鉀肥利用率范圍分別為22.3%～50.7%、5.1%～37.6%、26.3%～76.4%，平均為36.9%、18.0%、47.8%。由以上數(shù)據(jù)可知，黑龍江省玉米主產(chǎn)區(qū)的氮、磷、鉀肥料利用率均較高。這一方面可能與黑龍江省黑土區(qū)土壤基礎(chǔ)肥力相對(duì)較高、肥料用量較少有關(guān)[17]，另一方面可能由于黑龍江省地處北部寒區(qū)，氮肥的氣態(tài)損失較少[18]。本研究根據(jù)化肥施用及肥料利用率將研究時(shí)期進(jìn)一步劃分為三個(gè)階段：2000—2010 年、2011—2015 年、2016—2019 年。氮肥利用率在這三個(gè)階段的平均值分別為38.5%、34.4%、39.4%；磷肥（P2O5）利用率為18.8%、15.8%、20.7%；鉀肥（K2O）利用率為47.9%、46.4%、49.9%；氮磷鉀肥利用率表現(xiàn)出先降低后增加的趨勢(shì)。這可能主要是由于2011—2015 年肥料用量（尤其是氮肥用量）明顯增加，導(dǎo)致肥料利用率下降；2016—2019 年用量下降到2000—2010 年的水平，且玉米產(chǎn)量明顯增加，所以肥料利用率呈明顯上升趨勢(shì)。史常亮等[19]的研究表明，與2004 年相比，2013 年我國(guó)小麥、水稻、玉米的化肥施用強(qiáng)度明顯增加，玉米化肥效率下降了3.29%[19]。李紅莉等[20]研究發(fā)現(xiàn)，與2000 年相比，2007 年我國(guó)玉米施肥總量增加了64.8%，化肥效率平均減少17%，全國(guó)玉米化肥效率的大幅下降是由于玉米單產(chǎn)整體增幅小于化肥投入的增幅。本研究及以上研究結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明，肥料用量的增加是肥料利用率降低的主要原因。近幾年來(lái)，“減肥”特別是“減氮”的行動(dòng)在我國(guó)廣泛開(kāi)展，2015年，農(nóng)業(yè)部制訂了《到2020 年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》。從本研究田間試驗(yàn)和黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒中氮磷鉀肥料用量也可以看出，自2016 年以來(lái)肥料用量減少，氮磷鉀肥料利用率呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)。2017 年和2018 年針對(duì)黑龍江省大部分地區(qū)農(nóng)戶進(jìn)行的玉米施肥現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果顯示，黑龍江省主要存在氮肥施用過(guò)量和鉀肥施用不足的問(wèn)題，玉米生產(chǎn)中氮磷肥施用量有一定的降低空間[21-22]。可見(jiàn)，隨著肥料施用逐漸合理化，肥料利用率將有一定的提升空間。

4 結(jié)論

（1）2000—2019 年黑龍江省玉米單產(chǎn)整體呈上升趨勢(shì)，氮磷鉀肥用量先增加后降低，氮磷鉀肥利用率則呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢(shì)。

（2）2000—2019 年黑龍江省玉米氮、磷、鉀肥利用率范圍分別為22.3%～50.7%、5.1%～37.6%、26.3%～76.4%，平均值分別為36.9%、18.0%、47.8%。

（3）玉米收獲指數(shù)及肥料用量的增加是2000—2019 年黑龍江省玉米產(chǎn)量增加的主要原因，肥料用量的增加是導(dǎo)致肥料利用率降低的主要原因。從玉米產(chǎn)量及肥料利用率等方面綜合來(lái)看，近年來(lái)黑龍江省肥料施用量漸趨合理化。