新疆农田施磷量、磷肥效率及磷肥品种长期演变

陈家杰，关钰，王静，褚贵新

(新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室/石河子大学农学院资源环境系，新疆石河子 832000)



新疆农田施磷量、磷肥效率及磷肥品种长期演变

陈家杰，关钰，王静，褚贵新

(新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室/石河子大学农学院资源环境系，新疆石河子 832000)

【目的】研究新疆农田磷肥施用量与新疆主要农作物磷肥利用率的长期演变，为新疆农田合理施用磷肥与磷素养分高效利用提供理论依据。【方法】收集1949～2012年新疆统计年鉴及CNKI文献中，有关新疆农田作物产量、施磷量、磷肥利用率及磷肥品种的数据资料，对其随年代演变进行统计分析，并对磷肥利用率的数据进行Meta分析。【结果】新疆小麦、玉米和棉花的单位面积产量均随年代推移而增加，且明显表现为稳步上升(1949～1980)、快速上升(1981～1997)和缓慢上升(1998～2012)三个阶段。化肥和磷肥的施用量均随施肥年代推移而逐步增加，化肥(N+P2O5+K2O)和磷肥(P2O5)施用量分别从1979年的35.4和8.3 kg/hm2增加到2012年的376.1和95.5 kg/hm2，年递增率则分别为7.4%及7.7%。小麦、玉米和棉花的化肥和磷肥的偏生产力均随着年代推移而逐渐降低，化肥偏生产力从1979年的44.2 kg/kg(小麦)、61.2 kg/kg(玉米)和9.3 kg/kg(棉花)，分别降低到2012年的14.2、18.4和5.5 kg/kg。3种作物的磷肥偏生产力从1979年的189.1、262.0和39.8 kg/kg分别降低到2012年的72.5、55.9和21.5 kg/kg。Meta分析表明磷肥利用率随年代呈现微弱递增趋势， 32年(1981～2012)磷肥利用率的平均值是18.2%(n=334)。【结论】新疆磷肥施用量随施磷年代明显增加，但磷肥增产效益却随年代推移而下降。磷肥利用率随着年代推移呈现微弱递增趋势，磷肥占施肥总量的比例随着年代推移而增加。同时施用磷肥品种随着年代推移呈现由低浓度向高浓度演替，施用方法表现为由以基肥为主逐渐转变为基肥与追肥相结合的施磷方式。

长期施肥；单产；磷肥利用率；Meta-analysis；磷肥品种

0 引 言

【研究意义】新疆耕地土壤缺磷状况普遍存在，施用磷肥是满足作物磷素营养和维护农田磷素肥力的必要手段，然而石灰性土壤固磷作用强烈[1,2]，导致施入土壤磷肥当季利用率仅有10%～25%[3,4]，这不仅造成生产成本增加，而且还会带来环境污染。【前人研究进展】我国自20世纪60年代开始在南方稻田大面积进行矫正性施用磷肥，并取得了显著肥效[5]。施磷面积从南到北不断增加，单位面积施磷量逐年攀升，然而肥效却随施磷量的增加而下降；如从1980到2005年中国磷肥(P2O5)施用总量增加了 330%，同期粮食总产量却仅增加了60%[6]。在20世纪80年代1 kg磷肥可使小麦和玉米分别增产 8.1和 9.7 kg，而到了2010年则分别降至 7.25和 7.52 kg[7]，磷肥肥效分别降低了10.5%和 22.5%。长期定位试验研究结果表明，施入土壤的磷 75%～95%以不同形态的磷酸盐存留在土壤中[8,9]，导致农田磷素大量积累[10]。2003年中国土壤表观磷盈余总量为 98×104t[11]；从1980到2003年中国除经济作物外的主要农田土壤上累积磷盈余约为 392 kg/hm2[12]。欧洲农田土壤积磷量可达 800～1 500 kg/hm2[13]，美国威斯康星州土壤速效磷水平在20年内提高了40%[14]。作为一种不可再生的稀缺资源，长期大量施用磷肥导致磷矿资源逐渐趋于耗竭。据报道目前世界可供经济开采的磷矿资源仅够使用50年左右[15]。深入分析长期施磷下磷肥增产效应、磷肥施用技术(施肥量、肥料品种更替、施肥方式等)及磷肥利用效率的演变规律，对改善目前高投入低产出的农业生产现状具有重要意义[16]。作为我国一个主要农业区，新疆农田土壤中磷素养分在1975年以前主要来源于施用有机肥，自20世纪70年代末期才开始有了施用化学磷肥的报道[17]。随后化学磷肥施用总量和单位面积施量逐步增加，90年代后施量迅速增加。虽然统计表明南北疆土壤有效磷含量明显增加，且农田耕层土壤磷素养分循环出现略微盈余[18]。【本研究切入点】新疆农田土壤施磷量在长期施肥过程中如何演变、主要农作物对长期施磷响应特点、磷素养分效率及磷肥品种的长期演变未见系统研究。研究新疆农田磷肥施用量与新疆主要农作物磷肥利用率的长期演变。【拟解决的关键问题】对1949～2012年63年间磷肥施用量、磷肥肥效、磷肥利用率及施肥方式等的历史资料和公开文献进行广泛调研，在系统揭示长期施磷下主要作物的响应规律、肥料品种及施肥方式演变，为合理利用施用磷肥、改善土壤磷素肥力及提高磷肥利用效率提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

研究所涉及的新疆主要农作物单产数据、肥料单位面积施用量数据主要来源于1949～2012年中国国家统计局数据库、1988～2008年《新疆统计年鉴》；磷肥利用率数据来源于1978～2012年中国期刊全文数据库已发表文献中的数据。检索与新疆磷肥利用率相关文献。筛选在满足作物氮、钾肥需求量条件下的磷肥效应田间试验及数据进行统计分析。同时，数据分析整理过程中，排除在实际生产中没有大规模运用的特殊肥料处理及其数据。

1.2 方 法

首先对原始数据进行整理，全部转化为以国际单位制单位的数据；并采用格拉布斯法(Grubbs)对每年数据异常值进行剔除。即一组测量数据中，如果个别数据偏离平均值很远，那么这个(这些)数据称作“可疑值”。用格拉布斯(Grubbs)法判断，将“可疑值”从此组测量数据中剔除而不参与平均值的计算，那么该“可疑值”就称作“异常值(粗大误差)”。具体步骤：测量数据→排序→计算x和标准差s→计算偏离值(x-xmin;xmax-x) →确定可疑值xi计算Gi值：Gi=(xi-x)/s；其中i是可疑值的排列序号→定检出水平α→查格拉布斯表获得临界值→比较计算值Gi和临界值G95(n) →判断是否为异常值→余下数据考虑：剩余的n-1个数据再按以上步骤计算[19]

主要农作物单位面积产量、施肥量、肥料偏生产力的平均变化速率计算，年均增长率[20]：

(1)

B是末年数值，A是首年数值，N=末年年份-首年年份+1；

肥料偏生产力(partial factor productivity from applied fertilizer，PFP):

PFP=Y/F.

(2)

PFP单位为kg/kg；Y为某一种肥料施用下作物的产量，单位为kg/hm2；F代表肥料的投入量，单位为 kg/hm2。氮磷钾化肥(N+P2O5+K2O，施入土壤全部的氮磷钾化学肥料)偏生产力用PFPC(partial factor productivity from applied chemical fertilizer)表示；磷素化肥(P2O5，施入土壤全部的含磷化学肥料)偏生产力用PFPP((partial factor productivity from applied P)表示，产量是施入全部氮磷钾肥的产量。

Meta分析(Meta Analysis)是一种针对大数据进行定量综合研究结果的统计方法，能够将若干个独立研究结果进行统计综合分析，适合大尺度长期的研究综合分析[21,22]。研究以1981年的磷肥利用率数值为初始值，下年每年比上年数值高的数量及比上年低的数量为效应量，用CMA软件进行分析(Comprehensive Meta Analysis 2.0, USA, Comprehensive Meta Analysis Software)，得到不同年份磷肥利用率升降情况及95% 置信区间。其它常规数据用GraphPad Prism 5.01软件(USA，GraphPad Software)及Excel 2007进行分析。

2 结果与分析

2.1 小麦、玉米、棉花单位面积产量随着施磷年限的变化

研究表明，小麦、玉米和棉花3种作物产量自1949至2012年均随着年代推移而增加(图1a)，具体表现为稳步上升(1949～1979年)、快速上升(1980～1997年)和缓慢上升/波动(1998～2012年)三个阶段；小麦、玉米和棉花3大作物总产量分别从1949年的43.3×104、29.1×104及0.5×104t达到2012年的576.5×104、592.1×104和353.9×104t；年均递增量分别为8.0×104、6.4×104t/a，年均增长率则分别是4%、5%及11%； 1949～2012年小麦、玉米和棉花3种作物单产也均随年代推移而增加，与总产相类似也可分为稳步上升(1949～1979年)、快速上升(1980～1997年)和缓慢上升/波动(1998～2012年)三个阶段(图1b)；小麦、玉米和棉花的单产从1949年的931.7、1 099.9和172.5 kg/hm2高到2012年的5 333.2、6 919.4及2 056.8 kg/hm2；单产年均递增量分别为 5.8、7.4和1.8 kg/(hm2·a)，而年均增长率分别是3%、3%及4%。三大作物产量总产和单产的增加是长期以来多项农业技术综合效应的结果，一般认为肥料对作物增产的贡献率为40%～50%[23]，因此新疆三大作物随年代推荐产量的逐年升高与肥料施用紧密相关。图1

2.2 新疆农田的施肥量及主要农作物的肥料偏生产力

研究表明，单位面积氮磷钾肥施肥总量与施磷量均随年代推移而增加，且二者呈同步增长趋势。1979年化肥和磷肥施用量分别为35.4和8.3 kg/hm2，2000年增加到233.4和52.3 kg/hm2， 2012年则分别增加到376.1和95.5 kg/hm2；从1979～2012年的33年间的氮磷钾化肥与磷肥施用量的年增加量分别达10.6和2.8 kg/(hm2·a)，年递增率则分别为7.4%和7.7%。1979～2012年每年单位面积施磷量占施氮磷钾肥总量的比值(P2O5/(N+P2O5+K2O))变幅为0.18～0.25，平均值0.23，且其比值随着年代推移逐渐增加，说明磷肥在化肥施用中的比率有缓慢增加趋势。图2

图1 新疆主要农作物总产和单产(1949～2012年)
Fig.1 The total yield and yield per unit area of main crops in Xinjiang from 1949 to 2012

注：化肥TF(NPK)：新疆农田单位面积施用氮(N)、磷(P2O5)及钾(K2O)化肥的总量(kg/hm2)；磷肥PF(P2O5)：新疆农田单位面积施用磷肥(P2O5)的量( kg/hm2)

Note: TF(NPK): The total application rate per unit area of nitrogen (N), phosphate (P2O5) and potash (K2O) fertilizer (kg/hm2) in Xinjiang; PF(P2O5): The application rate per unit area of P fertilizer in Xinjiang

图2 新疆化肥及磷肥施用量随着年代变化(1979～2012年)
Fig.2 The changes of chemical and P fertilizer application rate with year in Xinjiang from 1979 to 2012

化肥偏生产力(PFP)表示单位施肥量所带来的作物产量，它是土壤基础养分和化肥农学效率的综合体现[24]。小麦、玉米、棉花的氮磷钾化肥的偏生产力随着年代而逐渐降低，且3种作物氮磷钾化肥偏生产力表现为玉米> 小麦> 棉花(图3b)。1979年小麦、玉米、棉花的氮磷钾化肥偏生产力分别为44.2、61.2和9.3 kg/kg，到了2012年则分别降低为14.2、18.4及5.5 kg/kg。33年间(1979～2012)小麦、玉米、棉花的氮磷钾化肥偏生产力年均递减量分别是0.78、1.16和0.19 kg/(kg·a)，其年均递减率分别为3.4%、3.6%及1.6%。与氮磷钾化肥偏生产力相似，3种作物的磷肥偏生产力也随年代逐渐降低；分别从1979年的189.1、262.0和39.8 kg/kg，减少到2012年的72.5、55.9及21.5 kg/kg(图3a)。1979～2012年小麦、玉米、棉花的磷肥偏生产力年均递减量分别为 4.2、6.2和1.1 kg/(kg·a)，其年均递减率则分别为3.6%、3.8%及1.8% ，说明磷肥增产效应随年代而逐渐变低。图3

图3 新疆主要农作物化肥偏生产力和磷肥偏生产力(1979～2012年)
Fig. 3 The chemical and P fertilizer partial factor productivities of wheat maize and cotton from 1979 to 2012

2.3 磷肥利用率的长期演变

2.3.1 磷肥利用率增长Meta

Meta分析磷肥利用率数据，森林图中的方块表示每个研究效应量的点估计值，方块的大小表示每个研究的权重，方块两边延伸出的直线代表效应量的置信区间，线段越长，置信区间越宽，结果越不精确，反之亦然。1981年为起始，而后每年的磷肥利用率值大于或小于上年平均值的个数为效应量。通过分析两组结果森林图可得1981～2012年新疆磷肥利用率整体呈现升高趋势。图4

2.3.2 磷素化肥的利用率

肥料利用率数据来源于CNKI 数据库1981～2012年检索出的389个有关新疆磷肥利用率数据，数据经过格布拉斯法降噪处理筛选出334个有效数据。新疆磷肥利用率1981～2012年总体呈逐渐增加趋势，这与Mata分析结果相互印证。在1981～1989、1990～1999、2000～2012年间磷肥利用率平均值分别为 16.1%(中位数15.8%, n=80)、17.0%(中位数17.0%, n=100)及20.0%(中位数19.8%, n=154)，自1981到2012的32年磷肥利用率的总的平均值为18.2%(中位数17.9%, n=334)。磷肥利用率随施磷年限变化的直线相关关系(y=0.201 9x-385.05，R2=0.503 8**，n=334)。1981～2012年磷肥利用率年均递增量为0.2个百分点，年均递增率则为1.7%。图5

图4 新疆磷肥利用率Meta(1981～2012年)
Fig.4 Meta analysis on the P use efficiency in Xinjiang from 1981 to 2012

图5 新疆磷肥利用率随着年代变化(1981～2012年)
Fig.5 The change of P fertilizer use efficiency with year in Xinjiang from 1981 to 2012

2.4 磷肥品种演变和施肥方式的演变

统计CNKI数据库中有关新疆磷肥施用品种的历年文献，各年代文献中每种磷肥出现频次可表征不同磷肥品种随施肥年限的演变。研究表明， 不同年代施用的磷肥品种表现为早期以过磷酸钙、重过磷酸钙为主，而后逐渐向磷酸一铵、磷酸二铵和其他复合磷肥进行演变。1950～2010a施用磷肥品种过磷酸钙和磷矿粉、脱氟磷肥所占比例逐渐减小，重过磷酸钙、磷酸铵、磷酸二氢钾、磷酸聚磷酸所占比例逐渐增多；1950～1980a新疆农田主要施用的磷肥是过磷酸钙，占60%以上；1980a后磷肥品种由重过磷酸钙随施肥年代逐渐演变为磷酸一铵和磷酸二铵。近年来，随着大面积滴灌施肥技术的推广应用，溶解性高的磷肥品种如磷酸二氢钾、磷酸、聚磷酸铵施用比例呈增加趋势。图6，表1

图6 新疆磷肥品种随着年代变化(1950～2010年)
Fig.6 The change of P fertilizer types with year in Xinjiang from 1950 to 2010表1 新疆农田磷肥施用方式演变(1950～2010年)
Table 1 Evolution of P application methods in Xinjiang from 1950 to 2010

年代Decade统计样本数Numberofsamples施肥方式Papplicationmethods一次施用(%)Onetimeapplication多次施用(%)Repeatedapplication195012100196014100197026100198012293.46.60199020667.033.0200046857.342.7201026051.548.5Total1108

注：“一次施用”表示磷肥只作基肥施用；“多次施用”表示磷肥一部分作基肥，一部分作追肥

Note: One time application represents P fertilizer was completely implicated before planting; repeated application represents some of the P fertilizer were used before planting, the others were used separately during grow stage

共收集CNKI中1 108篇涉及新疆农田磷肥施肥方式的文献，对其进行统计计数。新疆农田磷肥在1950～1970a期间100%作为基肥施用(一次施用)，偶或有一些种肥的报道；1980～1990a新疆农田磷肥基肥+追肥的施磷方式的比例逐步增多，磷肥只做基肥施用的方式逐渐减少，但仍以基肥为主；到了2010a以后磷肥作基肥施用(一次施用)与磷肥多次施用比例分别占51.5%和48.5%，基本各占一半，说明磷肥的施用方式随施肥年代由单纯基施向基肥+追肥的施磷方式演变。这是由于滴灌施肥技术的推广使用和磷素营养的研究深入，磷肥的施用方式，磷肥施用方式由单纯基肥转向基肥加追肥。表1

3 讨 论

据第二次全国土壤普查(1979～1986年)新疆农田土壤全磷和速效磷的含量分别是0.66 g/kg和8.0 mg/kg，经过33年大面积长期施磷新疆农田0～20 cm土壤磷素含量快速上升，2006年新疆农田土壤速效磷含量为16.5 mg/kg[25]，这与磷肥长期投入密切相关。通过研究1979～2012年新疆农田磷素化肥(P2O5)的投入量演变可知，1979年磷素化肥施用量8.3 kg/hm2，到了2012年达95.5 kg/hm2，年增加量为2.8 kg/(hm2·a)。随着磷肥投入量不断增长，也伴随着磷肥偏生产力的不断减小。有研究表明，近30年我国冬小麦、夏玉米上的磷肥利用率在逐年下降，作物对磷肥的响应逐渐减弱[7,26]。而研究则表明从1981～2012的32年间磷肥利用率随施磷年限呈线性正相关(y=0.201 9x-385.05，R=0.503 8，P<0.01，n=334)，磷肥利用率年均递增量为0.2个百分点。分析其原因：首先，新疆土壤有效磷含量较低，施用磷肥的效果明显[1]；其次，历年随作物品种的更新及栽培措施的改善大大增加了作物的生物量和产量，进而使作物吸磷量增加[7,27]；再次，近年来磷肥施用方法(水肥一体化)与磷肥品种改变(液体磷肥、高浓度磷酸铵、多聚磷肥等)，也对作物磷肥利用率的提高起了显著的促进作用[28-30]。磷肥在新疆农田的施肥方式已由一次施用转向多次随水滴施，并被证明可显著提高作物磷肥利用率[31]；如邢海峰等[32]研究表明滴灌分次施用的马铃薯磷肥利用率为24%，相较基施磷肥提高7.1%。从长期数据分析的角度也说明一定施量前提下磷肥少量分次追施可显著提高磷肥利用率。

4 结 论

4.1 新疆农田磷肥施量随着年代推移而逐渐增加，施磷量的年递增量和递增率分别为2.8 kg/(hm2·a)和7.7%。磷肥施用量占化肥施用量的比率随着年代推移呈增加趋势。

4.2 小麦、玉米、棉花的磷肥偏生产力随年代推移逐渐降低；3种的磷肥偏生产力年均递减量分别为4.23、6.17和1.06 kg/(kg· a)，年均递减率则分别为3.6%、3.8%及1.8%，磷肥增产效应随年代而明显下降。

4.3 新疆农田磷肥利用率随年代呈缓慢增加趋势，磷肥利用率主要在5%～25%，磷肥利用率不高，磷肥利用率平均值为18.2%，年均递增量为0.2%，年均递增率则为1.7%。

4.4 新疆磷肥品种从单一过磷酸钙向多元复合磷肥转变；由低浓度向高浓度磷肥转变，施磷方式从基施向追施演变。

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Fund project:Supported by the National Natural Science Foundation of China (NO. 41161047) and the National Technology Support Program for the "12th Five-Year Plan" (NO. 2012BAD42B02)

The Long-term Evolution of Phosphate Fertilizer Application Amount，Efficiency and Types on Main Crops in Xinjiang

CHEN Jia-jie, GUAN Yu, WANG Jing, CHU Gui-xin

(KeyLaboratoryofOasisEco-agricultureofXinjiangProductionandConstructionCorps/DepartmentofResourcesandEnvironment,CollegeofAgronomy,ShiheziUniversity,ShiheziXinjiang832003,China)

【Objective】 In this study, the long-term evolution (more than 60 a) of P application level of main crops (wheat, maize and cotton), P use efficiency and P fertilizer type in Xinjiang was investigated to provide the theoretical basis for reasonable P fertilizer application strategy and improve P use efficiency.【Method】Through collecting data from the relevant statistical information and published literatures in CNKI close related with P research in Xinjiang, the changes of crop yields of wheat, maize and cotton and the variation of both chemical(N + P2O5+ K2O) and P fertilizer (P2O5) inputs during years of 1949-2012 were analyzed, also, crop P using efficiency was evaluated via Meta-analysis.【Result】It was found that crop productivities of wheat, maize and cotton increased progressively over the past six decades, and the yield increasing tendency of the three main crops could be distinctly divided into the following three stages including steadily increasing stage (1949-1980), rapidly increasing stage (1981-1997) and slowly increasing stage (1998-2012). The application rates of both NPK and P fertilizer increased from 35.4 kg/hm2and 8.3 kg/hm2in 1979 to 376.1 kg/hm2and 95.5 kg/hm2in 2012, respectively. Thus, the average annual increment rates of chemical fertilizer and P fertilizer 7.4% and 7.7% were archived. It showed that either chemical or P fertilizer partial productivity of wheat, maize and cotton increased with year prolonging. For instance, the chemical fertilizer partial productivities were 44.2 kg/kg for wheat, 61.2 kg/kg for maize and 9.3 kg/kg for cotton in 1979, and those dropped to 14.2 kg/kg, 18.4 kg/kg and 5.5 kg/kg, respectively. In 2012. Similarly, the P fertilizer partial productivities were 189.1 kg/kg for wheat, 262.0 kg/kg for maize and 39.8 kg/kg for cotton in 1979 respectively, those were reduced to 72.5 kg/kg, 55.9 kg/kg and 21.5 kg/kg,. In addition, P fertilizer use efficiency exhibited a slight increment tendency by means of Meta-analysis method, e.g., the average P fertilizer use efficiency of 18.2% (n=334) was gained over years from 1981 to 2012.【Conclusion】Overall, our data showed that P input increased significantly with years prolonging. Meanwhile, the yield increasing effect of per unit P input significantly decreased. A slight increasing trend of P use efficiency along with phosphate fertilizer application year increasing was observed. Moreover, it was found that the ratio of the amount P fertilizer to the amount of NPK fertilizer increased with time increasing. Furthermore, the P fertilizer type evolved from low to high P concentration, and P fertilizer application method changed from basal to dressing application in Xinjiang.

long-term fertilization; yield per unit area; P fertilizer using efficiency; meta-analysis; P fertilizer types

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.10.012

2016-04-22

国家自然科学基金项目(41161047)；国家“十二五”科技支撑计划(2012BAD42B02)

陈家杰(1989-)，男，安徽人，硕士研究生，研究方向为植物营养生理生态，(E-mail)chen539246@foxmail.com

褚贵新(1969-)，男，新疆人，教授，博士，研究方向为植物营养生理生态、土壤微生物分子生态，(E-mail)chuguixinshzu@163.com

S147

A

1001-4330(2016)10-1858-09