中国粮食作物单产增长规律及其原理

褚清河，强彦珍

（1.山西省农业科学院农业资源综合考察研究所，山西太原030006；2.太原高新技术产业开发区园林绿化管理中心，山西太原030006）

众所周知，人口不断增加、耕地面积不断减少是我国的基本国情。要确保我国粮食安全、满足不断增加的人口对粮食的需求，必须保证粮食的年均增长率在1%以上，而解决这一问题的唯一方法就是依靠农业科技进步提高单位面积产量。1998年到2006年以来，我国粮食单产的提高明显变缓，8年中增长了214.5 kg/hm2，年均增长26.85 kg/hm2，年均增长率为0.6%[1]，显然现行农业技术很难满足年增加1%的要求。对此，近年来专家、学者多有论述[2-3]，然而粮食单产增加缓慢的原因是什么，我国的粮食单产是否年年都能增加，粮食单产增加的原理又是什么，至今还少有报道。

为了探索我国粮食单产增长的规律和原理，阐明其增加缓慢的技术原因，本研究选用我国1978—2007年的统计资料中的相关数据，针对粮食增产原理进行了分析研究。

1 材料和方法

1.1 资料来源

本研究选用的粮食作物单位面积产量和单位面积化肥施用量（按农作物总播种面积计算的施肥量）为1990，2007年中国统计年鉴中数据，是国家通过定点监测与统计获得的时间序列数据[4-5]，具有系统性、可靠性和人为性较小的特点。

1.2 分析方法

先求出1978—2007年粮食单产时间序列的平均值，再分别计算各时间序列值与平均值的差值，即为不同年份粮食单产的距平值。然后将相邻阶段初与末年份间距平值差值绝对值大于210 kg/hm2以上的年份作为阶段的起点，进行阶段划分。据此方法，1978—2007年我国粮食作物单产变化分为 1978—1983，1984—1989，1990—1995，1996—1999，2000—2003，2004—2007 年 6个阶段[6]。

2 结果与分析

2.1 粮食单产增长规律及其原理

由表1可知，1978—2007年间粮食单产的总变异系数为16.4%，上述6个阶段的变异系数则分别为 10.7%，1.7%，3.3%，1.3%，1.5%，1.4%，不同阶段单位面积产量的变异系数远小于总变异系数，说明我国单产是以阶段增加方式增长的，并非年年增加。以年份为重复，阶段为处理，分别对 1978—1983，1984—1989，1990—1995 年的 三 阶 段 和 1996—1999，2000—2003，2004—2007年的三阶段粮食单产进行方差分析，结果表明，1978—1995年方差F=33.67＊＊（F0.01=7.56），1996—2007年方差F=23.29＊＊（F0.01=10.92），差异均达到极显著水平，而年度间差异则未达到显著水平，F值分别为0.66和1.59，进一步说明我国粮食单产是呈周期性增加的，1978—1995年增加周期为6年，1996—2007年增加周期为4年。

表1 1978—2007年粮食单产及其距平值 kg/hm2

作物的单产水平是由品种潜力水平决定的，而其他农业技术措施如施肥，只能发挥其产量潜力，而不能提高它的产量潜力水平，但在农业生产中，作物品种也不可能年年更新。因此，在一个增长周期内，即使肥料施用量增加，年度间粮食单产也不可能显著增加。我国1978—2007年不同阶段施肥量如表2所示。

表2 1978—2007年不同阶段单位面积施肥量 kg/hm2

以年份为重复，阶段为处理，对不同阶段施肥量进行方差分析得出，1978—1995年阶段间和年度间F值分别为751.8＊＊，42.4＊＊（F0.01=7.56），阶段间或年度间均达到极显著水平；1996—2007年F值分别为139.3＊＊，12.1＊＊（F0.01=10.92），也均达到极显著水平，二者具有一致的规律。分析结果表明，同一阶段年度施肥量虽然显著增加，但粮食单产并未显著增加，而随着阶段施肥量的增加，阶段的单产也随之增加，表明作物品种更新是单产提高的主要原因。因此，阶段施肥量水平是作物品种营养遗传的重要土壤环境因素，或是品种产量水平提高的驱动因素和产量潜力水平发挥的基本条件。因为在一定的氮肥施用水平和氮磷施肥比例条件下，品种选育时氮肥施用量已决定了品种最高产量水平，品种推广应用中肥料施用即使超过育种者选育时的施肥水平，也不可能再提高其产量水平，因此，年度间施肥量增加并不能提高作物的单位面积产量。随着生产中施肥水平的进一步提高，育种的施肥水平也相应提高，在这种施肥水平条件下，相应潜力水平的新品种就会产生，粮食作物的单位面积产量也将相应提高。可见，施肥技术及其土壤条件是影响作物品种选育的重要环境因素。

2.2 作物品种特性及我国施肥的经济效果

自1978年以来，我国氮肥施用量逐年增长，化肥施用量由1978年的59.8 kg/hm2增加到2007年的332.8 kg/hm2，单位面积化肥施用量较1978年增加4.6倍，氮磷比例基本上为1∶0.33左右。据目前的研究结果，我国合理的氮磷施用比例应在1∶0.66～1∶1.50的范围内[7-9]。可见，目前我国粮食作物基本上是靠增加氮肥的施用量来获得高产，也就是在作物育种中主要利用了品种耐肥的营养遗传特性，而非养分平衡特性。一般来说，作物的耐氮肥能力越强，其产量潜力也越高，但具有养分平衡遗传特性的品种其产量潜力水平相对较高[10]。耐氮肥性较强的品种，虽然通过增施氮肥也能够有效提高单位面积产量，但随着施用量的增加，单位肥料增产量逐渐降低，具体情况如表3所示。

表3 不同发展阶段我国每千克化肥平均增加粮食统计

从表3可以看出，我国1984—1989年推广应用的作物品种，在施肥量较低的情况下具有很好的增产效果，每千克化肥可增产粮食13.85 kg，与以1978年单产和单位面积化肥施用量为标准计算的1979—1983年每千克化肥增产粮食12.57 kg基本一致。但随着化肥施用量的增加，不同阶段推广品种每千克化肥增产粮食量则显著降低。1990—1995，1996—1999，2000—2003，2004—2007年4个阶段平均每千克化肥增产粮食8.56 kg，较1984—1989年降低38.2%；而4个阶段以1984—1989年为标准计算的结果，平均仅为6.38 kg，较1984—1989年下降53.9%；而2004—2007年以1996—1999年为标准计算的每千克化肥增产粮食量则仅为 3.92 kg，较1984—1989年降低71.7%。

上述结果表明，我国在1989年以前，由于土壤氮含量相对较少，我国的施氮量又比较小，培育的品种基本上属于养分平衡营养遗传性品种，每千克化肥的增产量也就比较高。随着作物施氮量的提高，土壤氮磷供应严重失调，所育品种耐氮肥性能增强，抗低磷的能力逐渐减弱，肥料的增产效率则必然降低。因此，提高作物育种中的施肥技术水平，选育耐肥性养分平衡吸收特性的品种，是提高我国粮食产量水平的重要途径。

3 结论与讨论

分析表明，我国粮食作物单产呈阶段性周期增长规律。在1995年以前，我国作物品种更新周期为6年，因此，我国粮食单产每隔6年显著增加1次，这与专家普遍认同的6～7年的品种更新周期基本一致；1996年以后作物品种更新周期缩短为4年，主要是因为1996年后我国育种和生产中年肥料施用量的增加速度加快。1984—1989年和1990—1995年2个阶段，每公顷化肥施用量平均每年分别增加 8.1，11.4 kg；而1996—1999，2004—2007年，每公顷化肥施用量平均每年分别增加 13.2，9.8 kg，2000—2003 年间，化肥平均年增加量为4.5 kg/hm2，此间育成的品种则不具有显著增产效果。结果说明，阶段化肥增加总量基本上要达到42 kg/hm2左右时，作物单位面积产量才能显著提高，这也就意味着作物品种选育的施肥量只有较上阶段的单位面积施肥量提高42 kg/hm2左右时才有可能育出一个新品种。可见，作物品种的耐肥性是作物品种的重要数量营养遗传特性之一，也就是说不同作物品种苗期土壤供氮强度的耐受性是不同的，它是品种选育中适应土壤环境条件，或者说是适应育种施氮量水平（作物最高产量的施肥量）的选择结果。品种在推广过程中，生产上的施肥量基本上就是育种施肥量，即使年度间施肥量显著增加，但只要在品种的耐受性范围内，产量就不会显著增加。

调查表明，我国育种工作者为了保证施肥量在品种推广中具有普遍意义，确保品种大面积推广应用的增产效果，作物品种选育中常采用略高于生产中施肥量和较高肥力土壤条件下的育种方法。从30年来我国的施肥情况看，基本上是施氮量不断增加，氮磷施用比例基本保持在1∶0.33左右，作物品种选育与应用基本上是利用了作物的耐肥性，而没有利用其营养平衡的遗传特性，结果导致每千克化肥的增产效率逐年递减的状况。

30年来，随着施肥量增加，作物产量也随之增加，但单位肥料的增产量却不断下降，这是品种选育与应用中氮磷施用比例失调之故[10]，并非符合报酬递减规律。报酬递减律事实上是在计算存在失误与试验没有考虑氮磷比例情况下得出的结论[11-12]。高井康雄[13]认为：“报酬递减律是在某一个因子变动而其他所有条件一定时才成立。但在实际上，如果一个因子变动，往往其他条件也必然变动”。我国1978年化肥施用量不断增加，到1989年化肥施用量达到160.8 kg/hm2，为1978年施肥量的2.7倍，已接近20世纪80年代我国化肥网试验结果最适氮肥施用量172.5 kg/hm2，但单位肥料的增产量一直为13.85 kg，并未出现递减现象。如果报酬递减律存在，那么随着施肥量增加，单位肥料的增产量必然为零甚至为负值，自然否定了可以通过科学技术解决粮食问题的论断。我国2007年单位面积施肥量已达到332.8 kg/hm2，远远超过了20世纪80年代化肥试验网确定的最适施肥量，是最适施肥量的1.9倍，但施肥仍具有一定的增产效果，显然现有理论是不能解释的。

农作物品种选育是适应土壤养分环境的结果。在作物新品种的选育与推广中，考虑施肥技术的应用，充分利用作物品种养分平衡营养遗传特性，尽快调整氮磷施用比例，这样才能实现我国育种水平的突破，在提高单产水平的同时提高单位肥料的增产效果。

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