渭北旱塬小麦施肥效果及肥料利用效率研究

刘 芬，同延安*，王小英，赵佐平，2

(1西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌712100;2陕西理工学院，陕西汉中723001)

近年来，随着农业结构调整的深化和不同作物生产比较效益的变化，部分灌溉农田由粮食作物生产转向高附加值经济作物，旱作粮田占粮食总面积的比重呈增加趋势，国家粮食安全对旱作区的依赖程度逐步提高［1］。陕西省渭北旱塬地处西北内陆黄土高原腹地，90%以上的耕地是旱地［2］，属典型的旱作农业区。小麦作为该区主要粮食作物，常年种植面积约53万公顷，占陕西省播种面积的35%［3］，对保障陕西省粮食安全起到了举足轻重的作用。世界农业的发展早已证明化肥是农作物增产的基础，施用化肥是最快、最有效、最重要的增产措施［4］。多年来大面积的研究结果充分证明，无论是中国还是世界，化肥对粮食作物产量的贡献率均占到了50%左右［5－6］。全国化肥试验网的研究也表明，化肥对中国粮食单产增长的贡献率高达55% ～57%，对提高总产的贡献率约30% ～31%［7］。但近20多年来，我国化肥用量持续高速增长，粮食产量却始终增加缓慢，肥料利用效率呈逐渐下降趋势［8］。在我国，“要高产就必须多施肥，施肥越多，产量就越高”的传统观念已经过时，崔振岭等研究指出，当化肥用量超过一定水平后，作物产量将不再显著增加，甚至可能出现下降趋势［9－10］，化肥用量越大，肥料利用率效率越低［11－12］。介晓磊等［13－14］研究表明，小麦产量和施氮效果与土壤肥力关系密切，高肥力土壤冬小麦产量对氮肥的反应不明显。以上研究多为个案研究，缺乏代表性，人们对于化肥肥效的系统认识大多还停留在上世纪80年代，对于当前施肥水平下化肥的增产作用并不明确。本研究试图利用2006～2009年陕西省测土配方施肥项目渭北旱塬180个田间试验结果，从区域角度，分析当前生产条件下旱作小麦施肥增产、增收效果以及肥料利用效率，明确施肥量及土壤肥力水平对化肥肥效的影响，为提高小麦产量和肥料高效利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

渭北旱塬位于陕北丘陵沟壑区南部，关中平原北部，北纬 34°29'～35°36'，东经 106°40'～110°36'，行政区域包括宝鸡、咸阳、渭南、铜川、延安五地(市)中的23 个县(市、区)［15］，总面积约300 万公顷。该地区属暖温带半湿润易旱区，年降水量500～600 mm，降水年际波动剧烈，且季节分布不均，主要集中于7、8、9三个月。地下水埋深一般大于10 m，对补给土壤水分无实际意义［16－17］，加之当地无灌溉条件，农业用水主要靠天然降水。

1.2 试验设计

试验采用“3414”设计方案，即氮、磷、钾3因素，每因素4水平，共14个处理。4个水平的含义:0水平指不施肥，2水平指当地推荐施肥量，1水平=2水平×0.5(施肥不足水平)，3水平=2水平×1.5(过量施肥水平)。14个处理分别为:1)N0P0K0;2)N0P2K2;3)N1P2K2;4)N2P0K2;5)N2P1K2;6)N2P2K2;7)N2P3K2;8)N2P2K0;9)N2P2K1;10)N2P2K3;11)N3P2K2;12)N1P1K2;13)N1P2K1;14)N2P1K1。

渭北旱塬2006～2009年共完成冬小麦试验180个，涉及合阳、白水、澄城、韩城、蒲城、富平、彬县、长武、旬邑、淳化、千阳、永寿、麟游、陇县、黄陵、耀州和宜君共17个县(市、区)。因各试验点土壤肥力水平不同，各试验点所采用的具体氮、磷、钾肥推荐施用量存在差异，2水平平均施肥量为 N 166 kg/hm2、 P2O5113 kg/hm2、 K2O 67 kg/hm2。选择当地高、中、低不同肥力水平的地块作为试验田。

1.3 试验方法

试验采用多点无重复设置，小区面积20～25 m2，同一试验小区面积相同。小麦供试品种为长旱58和晋麦47等当地主栽品种，试验时间为每年9月中下旬至次年6月中上旬。供试肥料为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含 P2O512%)和氯化钾(含K2O 60%)。磷、钾肥全部作为基肥一次施入;氮肥总量的70%作为基肥，其余部分在返青前，顶凌追施。试验区周围设1 m宽以上的保护行，其它的栽培管理措施与大田生产一致。收获时去除边行，按小区单收、单打，并计产。

1.4 测定项目与方法

每个田间试验实施前，采用多点混合法取一基础土样。采用常规方法［18］测定土壤主要理化性状，pH用电位法，有机质用油浴加热—重铬酸钾容量法，碱解氮用碱解扩散法，有效磷用0.5 mol/L碳酸氢钠提取—钼锑抗比色法，速效钾用1 mol/L乙酸铵提取—火焰光度法测定。各供试土壤主要理化性状见表1。

表1 供试土壤主要理化性状Table 1 Main physical and chemical properties of the selected soils

1.5 数据处理与分析

各指标的计算方法:

增产率(Yield increase rate，%)=(施肥区经济产量－缺素区经济产量)/缺素区经济产量×100

增收(Increased profit，Yuan/hm2)=(施肥区产值－施肥区肥料成本)－(缺素区产值－缺素区肥料成本)

土壤贡献率(Soil contribution rate，SCR，%)=无肥区经济产量/氮磷钾平衡施肥区经济产量×100

肥料贡献率(Fertilizercontribution rate，FCR，%)=(施肥区经济产量－缺素区经济产量)/施肥区经济产量×100

农学效率(Agronomy efficiency，AE，kg/kg)=(施肥区经济产量－缺素区经济产量)/(施肥区施肥量－缺素区施肥量)

采用Excel和SAS软件进行数据统计与分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮、磷、钾施肥水平的小麦施肥效应

本研究分别选用处理2、3、6、11，计算 P2K2(磷、钾肥推荐用量)条件下不同施肥水平小麦氮肥肥效;选用处理4、5、6、7，计算N2K2(氮、钾肥推荐用量)条件下的磷肥肥效;选用处理6、8、9、10，计算N2P2(氮、磷肥推荐用量)条件下的钾肥肥效。其统计结果见表2。

由表2可以看出，本研究施用氮肥(N)小麦平均增产986 kg/hm2，较不施氮肥增产30.0%，增收1098 Yuan/hm2，平均每增施1 kg氮肥增产小麦6.4 kg;施用磷肥(P2O5)平均增产679 kg/hm2，较不施磷肥增产18.9%，增收810 Yuan/hm2，平均每增施1 kg磷肥增产7.1 kg;施用钾肥(K2O)平均增产405 kg/hm2，较不施钾肥增产9.5%，增收392 Yuan/hm2，平均每增施1kg钾肥增产7.1 kg。施肥增产、增收效果以及对产量的贡献率均表现为N＞P2O5＞K2O，肥料农学效率则表现为P2O5=K2O＞N。

施用氮、磷、钾肥增产效果显著，各处理均以推荐施肥水平产量最高，过量施肥不会导致显著减产。施用氮、磷、钾肥的增产、增收效果以及肥料贡献率和农学效率均以推荐施肥处理最高。由此可以看出，本研究中氮、磷、钾肥推荐用量总体上是合理的。因此只有确定合理施肥量，才能达到作物高产、肥料高效，同时收益最大化的目的。

2.2 不同肥力土壤的小麦施肥效应

杨守春等［19］认为以空白区产量划分土壤肥力是较可靠的简便方法，本研究中小麦空白区(N0P0K0处理)产量和氮、磷、钾平衡施肥区(N2P2K2处理)产量表现出极显著线性正相关关系(y=0.9485x+136.88，R2=0.5556＊＊;x、y分别表示空白区产量和平衡施肥区产量)，说明土壤肥力对小麦产量有显著影响。金耀青［20］对肥力等级划分的研究认为，土壤肥力为3级或4级为宜，无需划分过细。因此，本研究根据小麦无肥区产量变化幅度(变幅为1095～5784 kg/hm2，其中50%的试验点无肥区产量集中于2214～3382 kg/hm2之间)，将空白区产量大于3500 kg/hm2的种植地土壤肥力定为“高”，2250～3500 kg/hm2为“中”，小于 2250 kg/hm2为“低”。

将全部小麦试验按N0P0K0处理产量进行高、中、低土壤肥力分级，并分别对各级空白区、缺氮区(N0P2K2处理)、缺磷区(N2P0K2处理)、缺钾区(N2P2K0处理)和氮磷钾平衡施肥区产量、施肥量进行统计和归类，计算推荐施肥量(2水平)条件下，不同肥力土壤小麦施肥效果。归类后的各肥力土壤小麦推荐施肥量和产量见表3。

表2 不同氮、磷、钾施肥水平的小麦施肥效应Table 2 Effects of fertilizer application on the yield，profit and fertilizer use efficiency of wheat

表3 不同肥力土壤小麦施肥量及各处理产量Table 3 Fertilizer application rate and yield of wheat of different treatments under different soil fertility levels

2.2.1不同肥力土壤小麦施肥增产、增收效果 由表4可以看出，推荐施肥水平条件下，小麦施用氮肥(N)、磷肥(P2O5)和钾肥(K2O)分别增产39.9%、23.8%和14.3%。较不施肥，平衡施用氮、磷、钾肥(N+P2O5+K2O)小麦增产73.0%，且随着土壤肥力的提高，增产率逐渐降低，低肥力土壤增产效果最好，中肥力土壤其次。

推荐施肥水平条件下，小麦施用氮肥、磷肥和钾肥分别增收1678、1023和716 Yuan/hm2。与不施肥相比，平衡施用氮、磷、钾肥增收 1923 Yuan/hm2，中等肥力土壤施肥增收效果最好，低肥力土壤其次。

2.2.2不同肥力土壤施肥对产量的贡献率与农学效率 由表5可以看出，推荐施肥水平条件下，施用氮肥、磷肥和钾肥对小麦产量的贡献率分别为27.4%、18.1%和12.0%。平衡施用氮、磷、钾肥对小麦产量的贡献率为40.0%，且随着土壤肥力的提高，肥料贡献率逐渐降低，而土壤贡献率则逐渐提高。小麦地土壤的平均贡献率为60.0%。

推荐施肥水平条件下，每增施1 kg氮肥、磷肥和钾肥，小麦产量分别提高8.3、8.3和10.0 kg。平衡施用氮、磷、钾肥，每公斤化肥增产小麦5.8 kg，中肥力土壤的肥料农学效率最高，低肥力土壤其次。

表4 不同肥力土壤小麦施肥增产、增收效果Table 4 Effects of fertilizer application on the yield and profit of wheat under different soil fertility levels

表5 不同肥力土壤小麦肥料贡献率与农学效率Table 5 Fertilizer contribution rate and agronomy efficiency of wheat under different soil fertility levels

3 讨论

3.1 施肥量和土壤肥力水平对化肥肥效的影响

本研究结果表明，过量施用氮、磷、钾肥均无显著减产效应，化肥的增产、增收效果，对产量的贡献率以及农学效率均以推荐施肥处理最高，确定合理施肥量是化肥高效利用、作物增产、农民增收的关键。土壤肥力水平是决定肥料利用效率高低的基本因素，即在土壤肥力水平较低时，得到高肥料利用效率的几率较大，反之在高肥力土壤上得到高肥料利用效率的几率较小［21］。本研究结果进一步证明，土壤肥力水平对化肥肥效具有显著影响。低肥力土壤小麦施肥增产效果最好、土壤肥力贡献率最高，中肥力土壤施肥增收效果最佳，养分利用效率最高，施肥于中、低肥力土壤既能实现养分高效利用又能获得较大经济效益。高肥力土壤由于自身养分供给能力强，单纯依靠土壤养分供给就可实现高产，生产中应注意控制肥料的用量［13］。

3.2 肥料利用效率

农学效率反映了单位施肥量增加作物产量的能力［4］，是评价肥料增产效应较为准确的指标［8］。本研究结果表明，在不考虑施肥量的前提下，当前渭北旱塬小麦氮、磷、钾肥农学效率分别为6.4、7.1和7.1 kg/kg;在推荐施肥水平下，氮、磷、钾肥农学效率可分别达到8.3、8.3和10.0 kg/kg。根据20世纪80年代全国化肥试验网数据，施用1 kg氮、磷、钾肥小麦分别增产10.0、8.1和2.1 kg［22］。由此可见，无论是否考虑施肥量对肥料利用效率的影响，与20多年前相比，当前氮肥肥效明显降低，钾肥肥效明显升高，而磷肥肥效则变幅不大。

本研究中平衡施用氮、磷、钾肥的处理，1 kg化肥增产小麦5.8 kg。王伟妮等［4］的研究指出，当前生产条件下湖北省小麦平衡施用氮、磷、钾肥，1 kg化肥增产7.7 kg。王旭等［23］对西北区水浇地小麦平衡施肥的研究指出，1 kg化肥增产小麦9.7 kg，由此可见旱区小麦施肥增产潜力还有待进一步挖掘。

3.3 合理施肥与耕作、栽培等措施相结合是旱区作物增产、增收的有效途径

水分是限制旱区作物产量最主要的因素，提高自然降水的利用效率是增加旱地作物产量的有效途径［3］。在西北旱作区，种植小麦的传统模式为一年一季，伴随2～3个月夏季休闲(6月上中旬小麦收获后到9月中下旬播种期间)，该时间段正是雨季与夏季高温同步，大量水分由裸土表面蒸发损失，雨水利用效率较低［24－25］。大量研究表明，此期通过平衡(优化)施肥并根据研究区域实际情况结合秸秆覆盖、免耕、深松以及垄覆沟播等耕作、栽培措施，能有效增加土壤储水量和提高作物产量［17，26－27］。除此，优良品种的选育也是增产增收的重要措施，大量研究证明，养分高效品种在同样投入下可以增产10% ～20%［28］。

4 结论

1)渭北旱塬180个田间肥效试验结果表明，当前生产条件下，渭北旱作区施用氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥小麦分别增产986、679和405 kg/hm2，增收1098、810和392 Yuan/hm2，对小麦产量的贡献率分别为21.5%、14.8%和8.8%，农学效率分别为6.4、7.1和7.1 kg/kg。与不施肥相比，平衡施用氮、磷、钾肥(N+P2O5+K2O)小麦增产73.0%，增收1923 Yuan/hm2，对产量的贡献率为40.0%，农学效率为5.8 kg/kg。

2)施肥量和土壤肥力对化肥肥效均具有显著影响。本研究中施用氮、磷、钾肥的处理小麦增产效果显著，过量施肥无显著减产效应，推荐施肥处理化肥的增产、增收效果、对产量的贡献率以及农学效率均最高。投肥于中、低肥力土壤既能实现养分高效利用又能获得较大经济效益。

3)与20世纪80年代相比，渭北旱塬小麦氮肥利用效率明显降低，磷肥肥效基本不变，而钾肥肥效在快速提升。合理施肥与耕作、栽培等多种措施相结合是旱区作物增产、增收的有效途径。

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