我国主要粮食作物化肥增产效应与肥料利用效率①

闫 湘，金继运，梁鸣早

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

我国是一个农业和人口大国，中国政府历来高度重视粮食问题。改革开放以来，中国的粮食生产取得举世瞩目的成绩，以占世界 9% 的耕地养活了世界上20% 的人口，创造了在人多地少的国家粮食自给的奇迹。中国人均耕地是世界平均水平的40% 左右，三分之二是中低产田。在巨大的粮食需求压力下，化肥的大量施用在保障我国粮食安全上发挥了重要作用。值得注意的是，1980年至今的三十几年间，我国粮食产量增长了近 85%，但化肥施用量却增长了4.5倍，化肥施用量的增速远远超过粮食产量的增速。当化肥施用量达到一定程度后，其对粮食增产的边际贡献率逐渐下降。过量施用化肥导致肥料利用率不高，肥料损失严重，造成巨大的生态环境污染，威胁到农业可持续发展。如何保证粮食产量合理稳定增长的同时，提高肥料利用率，减少化肥过量施用带来的不良影响，解决社会发展所面临的资源与环境问题，是摆在我们面前的一项重要课题。

近些年来，我国一些学者开展了部分省区范围内的粮食作物施肥状况、增产效应和养分效率的研究[1-3]，还有一些学者对我国较大范围地区不同作物的肥料利用率和肥效进行了研究，张福锁等[4]对2001—2005年全国粮食主产区肥料利用率进行了分析研究，结果显示水稻、小麦和玉米氮肥利用率分别为28.3%、28.2% 和26.1%，远低于国际水平，与20世纪80年代相比呈下降趋势。李红莉等[5]2008年对全国23个省粮食作物施肥量和化肥效率进行了调查研究，发现三大粮食作物的化肥效率大小顺序为水稻＞小麦＞玉米，化肥偏生产力分别为15.7、11.9和11.5 kg/kg。本文通过农户施肥调查和田间试验相结合的方法，系统分析研究了我国主要省(区)水稻、小麦和玉米的化肥施用状况、增产效应和化肥利用效率。

1 材料与方法

1.1 农户施肥调查

在全国 19个省(区)开展农户施肥情况调查，其中北方10省(区)，南方9省(区)，北方分别是山东、河南、河北、吉林、辽宁、黑龙江、山西、宁夏、陕西和天津，南方分别是江苏、浙江、安徽、湖北、重庆、四川、贵州、湖南和广西。每个省(区)选择5～10个县(市)，每个县(市)抽取3～5个乡。调查作物为水稻、小麦和玉米，共调查13 667个地块，其中水稻4 608块，小麦4 831块，玉米4 228块。调查时间为2002—2005年。

1.2 田间试验

田间试验地点为 IPNI(国际植物营养研究所)设在全国22个省(市、自治区)的32个土壤养分监测村。试验设4个处理：①NPK，最佳施肥推荐处理；②PK；③NK；④NP。小区试验，每处理3次或4次重复，随机区组排列。氮肥品种为尿素，磷肥品种为过磷酸钙或重过磷酸钙，钾肥品种为氯化钾。每个养分监测村均采用非定位试验，种植作物为水稻、小麦和玉米，连续种植4年，作物品种均采用当地生产上主推的高产品种，栽培管理措施与当地农业生产相同。水稻、小麦和玉米施肥量见表1～表3。

表1 水稻施肥量(4年平均值)(kg/hm2)Table 1 Average fertilizer rates of rice in 4 years

表2 小麦施肥量(4年平均值)(kg/hm2)Table 2 Average fertilizer rates of wheat in 4 years

表3 玉米施肥量(4年平均值)(kg/hm2)Table 3 Average fertilizer rates of maize in 4 years

1.3 分析测定方法

水稻、小麦和玉米籽粒和秸秆中氮、磷、钾分析测定方法如下，全氮：H2SO4-H2O2消煮，蒸馏法测定；全磷：H2SO4-H2O2消煮，钒钼黄比色法测定；全钾：H2SO4-H2O2消煮，原子吸收法测定。

1.4 数据处理

由于农业生产水平和农户施肥技术水平的差异大，调查数据中存在一定的奇异数据。为保证统计分析结果的准确性和可靠性，在数据处理分析之前应用统计学方法，研究数据分布特征，提前发现并合理地消除或减弱奇异值的影响。

化肥折纯量计算：除复混肥以外的化肥根据其净养分含量由实物量折算纯养分。复混肥折纯分两种情况，一是对于调查标识出N、P2O5、K2O含量的，按照农户调查结果计算；二是一些复混肥调查只有氮、磷、钾养分的总含量，没有分量，这部分采用该省肥料调查中所有标明复混肥 N-P2O-K2O浓度的加权平均值作为换算依据。

有机肥折纯量计算：调查发现农民施用的有机肥种类繁多，包括各种粪肥、厩肥、饼肥、土杂肥、绿肥等。作者收集了目前公开发表的各种有机肥料的养分含量[6-10]，作为有机肥料的折纯采用的养分含量标准。

农学效率(agronomic efficiency，AE)指每千克肥料养分生产的籽粒(kg/kg)，是单位施肥量对作物籽粒产量增加的反映[11]。有人也称之为生产指数(productivity index，PI)[12]，反映了肥料的生产效率。计算公式为：AE=(Y-Yc)/Nf，其中Y为施某一养分条件下的籽粒产量(kg)，Yc为不施某一养分条件下的籽粒产量(kg)，Nf为所施肥料中的某一养分量(kg)[13-16]。

生理效率(physiological efficiency，PE)是指作物因施用肥料而增加的产量与从肥料中吸收的养分量的比值，即作物每吸收1 kg养分而增加的产量(kg)。反映了作物对所吸收的肥料在作物体内的利用效率。计算公式为：PE=(Y-Yc)/(Nup-Nc)，其中Y为施肥区籽粒产量(kg)，Yc为对照产量(kg)，Nup为植物地上部吸收的某一养分量(kg)，Nc为对照的地上部吸收的养分量(kg)[13-16]。

肥料利用率也叫肥料当季回收率(fertilizer recovery efficiency, FRE)，指作物吸收来自所施肥料中的养分占所施肥料养分总量的百分数。它的大小可以反映作物对氮肥的利用程度。差减法计算公式为：FRE=(Nup-Nc)/Nf，其中Nup为施某一养分时作物地上部吸收的这种养分量(kg)，Nc为不施某一养分条件下作物地上部吸收的这种养分量(kg)，Nf为所施肥料中的某一养分量(kg)[15-18]。

农学效率、生理效率和肥料利用率每季试验数据分别计算后求平均值。

2 结果与分析

根据19个省水稻、小麦和玉米肥料施用量统计结果，水稻施肥量最高，为294.8 kg/hm2，小麦和玉米接近，分别为263.6和269.6 kg/hm2。水稻施肥量在 224.5～465.4 kg/hm2之间变化，小麦施肥量在161.3～392.2 kg/hm2之间，玉米施肥量的变幅是174.4～335.9 kg/hm2。

2.1 主要粮食作物施肥量频率分布

2.1.1 施氮量频率分布 作物施氮量调查显示，水稻施氮量最高，其次是玉米，最低是小麦，分别为193.5、186.8、165.3 kg/hm2。水稻、小麦和玉米都有一个相对集中的施氮区间，其中，水稻在150～350 kg/hm2之间的频率占67%，小麦施氮量主要分布在75～325 kg/hm2之间，占84%，玉米分布在100～350 kg/hm2之间的占 71%(图 1)。

图1 水稻、小麦、玉米施氮量的频率分布Fig. 1 Frequency distributions of N fertilizer rates of rice, wheat and maize

图2 水稻、小麦、玉米施磷量的频率分布Fig. 2 Frequency distributions of P fertilizer rates of rice, wheat and maize

2.1.2 施磷量频率分布 施磷量分布与施氮量有很大差异，频率分布图基本都呈倒三角型，说明绝大多数农户施磷量都集中在较低的水平上。随着施磷量的增加，频率逐渐减少。水稻、小麦和玉米施磷量集中区域分别在 25～125、25～225 和 25～175 kg/hm2之间，累积频率分别为占 94%、96%、95%(图 2)。施磷量最高的是小麦，平均 76.9 kg/hm2；最低的是玉米，65.5 kg/hm2。2.1.3 施钾量频率分布 19个省水稻平均施钾量为31 kg/hm2，高于小麦和玉米约10 kg/hm2。作物施钾量的频率分布特点与施磷量相似，也呈倒三角型(图3)，但不同的是，主要集中在不施钾或低施钾量水平上，并且随着作物施钾量的增加，频率迅速下降。水稻施钾量在0～75 kg/hm2范围的占73%，小麦在0～40 kg/hm2的占76%，玉米0～75 kg/hm2的占92%。说明当时生产条件下绝大多数农户钾肥施用水平较低，平衡施肥观念还没有深入农户。应当加大补钾工程力度，大力推广平衡施肥技术。

2.2 主要粮食作物化肥增产效应

产量的提高需要一定的养分吸收为基础。在试验施肥水平下，施用氮磷钾肥，水稻、小麦和玉米地上部吸氮量＞吸钾量＞吸磷量，变化范围分别为133.5 ～219.1、103.7～185.7 和 28.8～54.4 kg/hm2。施用氮磷钾肥可以显著提高作物产量，氮磷钾肥平均增产量分别为2 070.7、865.5和765.1 kg/hm2，增产量的变化范围分别为 1 352.7～2 324.1、725.1～1 090.3 和 381.2 ～981.0 kg/hm2(表 4～表 6)。

从水稻、小麦和玉米氮肥增产率分布(图 4)来看，氮肥增产率主要分布在20%～60% 之间，水稻、小麦和玉米之间差异不大。磷肥和钾肥的增产率明显低于氮肥，其中，磷肥除南方小麦以外，主要分布在10%～15% 之间；钾肥除南方玉米外，主要分布 10%～20% 之间。

2.3 水稻、小麦、玉米氮磷钾肥利用效率

总体来看，氮磷钾肥利用率变化范围都非常大，氮肥利用率最低 3.4%，最高 86.1%；磷肥利用率最低0.1%，最高71.2%；钾肥利用率最低0.8%；最高89.0%(表7～表9)。氮肥利用率在小麦上最高，平均38.2%，在水稻和玉米上接近，均在 30% 左右；磷肥利用率在水稻、小麦和玉米上差异不大，分别是13.0%、16.9%、15.3%；钾肥利用率均在30% 左右，分别是28.1%、25.6%、30.5%。

图3 水稻、小麦、玉米施钾量的频率分布Fig. 3 Frequency distributions of K fertilizer rates of rice, wheat and maize

表4 水稻、小麦、玉米氮肥用量、产量及增产效应Table 4 N fertilizer rates, yields and yield-increasing effects of rice, wheat and maize

表5 水稻、小麦、玉米磷肥用量、产量及增产效应Table 5 P fertilizer rates, yields and yield-increasing effects of rice, wheat and maize

表6 水稻、小麦、玉米钾肥用量、产量及增产效应Table 6 K fertilizer rates, yields and yield-increasing effects of rice, wheat and maize

图4 水稻、小麦、玉米增产率分布图Fig. 4 Distributions of yield-increasing rates of rice, wheat and maize

表7 水稻、小麦、玉米氮肥利用效率Table 7 Nitrogen fertilizer use efficiencies of rice, wheat and maize

表8 水稻、小麦、玉米磷肥利用效率Table 8 Phosphate fertilizer use efficiencies of rice, wheat and maize

表9 水稻、小麦、玉米钾肥利用效率Table 9 Potash fertilizer use efficiencies of rice, wheat and maize

生理效率反映了作物所吸收的肥料在体内的利用效率。从表7～表9可以看出，3种肥料生理效率大小表现为磷肥＞氮肥＞钾肥。氮肥生理效率平均值为35.1 kg/kg，变化范围为0.8～86.2 kg/kg；磷肥生理效率平均值在70 kg/kg左右，变化范围非常大，最低3.9 kg/kg，最高可达241.5 kg/kg；钾肥生理效率平均值多在20～30 kg/kg之间。说明作物对所吸收的磷肥利用效率最高，吸收1 kg磷肥可增加产量70 kg左右；对钾肥利用效率最低，吸收到体内的钾肥1 kg增产 20～30 kg。

农学效率是单位施肥量对作物产量增加的反映。研究结果表明，水稻、小麦、玉米的农学效率均表现为氮肥＞磷肥＞钾肥，1 kg氮肥可分别增产11.3、11.1、10.1 kg的水稻、小麦或玉米，1 kg磷肥可增产7～10 kg，1 kg钾肥大约可增产5～8 kg。

从图5来看，氮肥利用率分布范围比较宽，水稻、小麦、玉米主要分布在 20%～40%、15%～65%、20%～ 50% 之间。磷肥利用率较低且分布范围较集中，多在 5%～20% 之间；北方水稻磷肥利用率范围较宽，在10%～40%。水稻、小麦钾肥利用率主要集中在10%～40% 之间；玉米分布范围普遍高于前两者，多分布在20%～60% 之间。

图5 水稻、小麦、玉米氮磷钾肥利用率分布图Fig. 5 Distributions of N, P and K use efficiencies of rice, wheat and maize

3 讨论与结论

化肥利用效率问题一直以来受到学者们高度关注。目前，国内外评价作物氮肥利用效率的指标有多种，概括起来可分为两类：氮吸收效率和氮利用效率(或氮生产效率)[19-20]。氮吸收效率是指供应单位有效氮植物所能吸收的氮量，如氮肥利用率。氮利用效率是指单位植株地上部吸氮量所产生的生物学产量或经济产量[21]，如氮肥农学效率和生理效率。表10可以看出，我国水稻、小麦、玉米氮肥利用率分别为27.3%、38.2% 和 31.0%，与张福锁等[4]2001—2005年全国粮食主产区进行的 1 333个田间试验结果相比，水稻和玉米氮肥利用率比较接近，分别为28.3%和26.1%，而本文小麦氮肥利用率高于其10个百分点。由于肥料利用率受施肥量、施肥方式、土壤条件、气候条件等多种因素影响，因而不同研究存在一定的差异，但总体可以看出本文试验结果基本反映了当时我国的肥料利用率状况。

表10 不同国家(地区)氮肥利用效率比较Table 10 Comparison of nitrogen fertilizer use efficiencies in different countries and regions

将本文氮肥利用率的研究结果与同期世界不同国家或地区的结果进行比较(表10)，可以发现，我国谷物氮肥利用率低于同期世界平均水平[22]，水稻、小麦和玉米均低20%～30% 左右，与南亚及东南亚[23]、西非[24]、印度[25]和美国[26-27]相比也相差近10%。三大作物氮肥农学效率与世界平均水平相比均低10% 左右。可见，就当时的施肥条件和管理水平下，我国的氮肥利用率和农学效率均不高。

有学者将氮肥施用量分成3级，150～250 kg/hm2为适中，＜150 kg/hm2为不足，＞250 kg/hm2为超量[4]。依此分级，本文调查的一万多个地块中，水稻、小麦和玉米氮肥用量适中的分别占60%、35% 和47%，超量的为23%、25%、43%，用量不足的分别为17%、40% 和 10%。说明在当时农业生产条件和产量水平下，氮肥过量施用占相当大比例，约占25%～40%，施用不足的也有10%～25%。朱兆良和金继运[28]收集了世界范围内水稻、小麦、玉米施氮量研究结果，分别为113、117和102 kg/hm2，本文所得结果为193.5、165.3、186.8 kg/hm2，与之相比，可以发现我国施氮量已远远高于世界平均水平。

从我国氮肥利用效率和施氮量与世界的比较结果可以总结得出，中国粮食生产高投入并没有实现高利用效率。按照报酬递减规律，当施肥量达到一定水平时，随着施肥量的增加，农学效率必然下降。这说明我国大部分农业产区已经处于高投入高产出的高度集约化条件下，进一步提高肥料利用效率对我国种植业可持续发展非常重要，也具有相当难度[28]。徐振华等[1]研究提出以增产带增效观点，即在不增加投入的情况下，优化栽培管理技术，增加作物产量是提高化肥利用效率的重要途径。

农田过量施肥导致了主要粮食作物肥料利用效率下降，造成农业面源污染，影响农业增产和农民增收。而肥料用量不足不能保证农业可持续发展，将会严重损害土壤的长期生产能力，使得高效率的农业生产难以为继。因此，亟需优化施肥量，提高肥料利用率，保障粮食等主要农产品有效供给。针对当前普遍存在的化肥过量施用和利用效率不高的问题，2015年农业部制订发布《到2020 年化肥使用量零增长行动方案》，将化肥减量增效作为当前农户施肥调控政策的首要目标，这是政府积极探索产出高效、资源节约、环境友好的现代农业发展之路的重要举措，对引导农民科学施肥具有重要的政策引领作用。

[1] 徐振华, 郭彩娟, 马文奇, 等. 典型区域粮食产量、养分效率和经济效益关系实证研究[J]. 中国农学通报, 2011,27(11): 116-122

[2] 马文奇, 张福锁, 毛达如. 山东省粮食作物施肥状况的评价[J]. 土壤通报, 1999, 30(5): 217-220

[3] 王圣瑞, 马文奇, 徐文华, 等. 陕西省小麦施肥现状与评价研究[J]. 干旱地区农业研究, 2003, 21(1): 31-37

[4] 张福锁, 王激清, 张卫峰, 等. 中国主要粮食作物肥料利用率现状与提高途径[J]. 土壤学报, 2008, 45(5):915-924

[5] 李红莉, 张卫峰, 张福锁, 等. 中国主要粮食作物化肥施用量与效率变化分析[J]. 植物营养与肥料学报, 2010,16(5): 1136-1143

[6] 北京农业大学. 肥料手册[M]. 北京: 农业出版社, 1979:25-35

[7] 孙曦, 王芳维. 农业化学[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 1980: 67-98

[8] 毛达如. 有机肥料[M]. 北京: 农业出版社, 1982: 23-56

[9] 中国农业科学院土壤肥料研究所. 中国肥料[M]. 上海:上海科学技术出版社, 1994: 123-158

[10] 全国农业技术推广服务中心. 中国有机肥料养分志[M].北京: 中国农业出版社, 1999: 33-59

[11] 李方敏, 樊小林, 陈文东. 控释肥对水稻产量和氮肥利用效率的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2005, 11(4):494-500

[12] 李庆逵, 朱兆良, 于天仁. 中国农业持续发展中的肥料问题[M]. 江西: 江西科学技术出版社. 1998: 3-15

[13] Novoa R, Loomis R S. Nitrogen and plant production[J].Plant and Soil, 1981, 58(1/3): 177-204

[14] assman K G, Peng S, Olk D C, et al. Opportunities for increased nitrogen use efficiency form improved resource management in irrigated rice systems[J]. Field Crops Research, 1998, 56(1/2): 7-39

[15] 李韵珠, 王凤仙, 黄元仿. 土壤水分和养分利用效率几种定义的比较[J]. 土壤通报, 2000, 31(4): 150-155

[16] Timsina J, Singh U, Badaruddin M, et al. Cultivar, nitrogen,and water effects on productivity, and nitrogen-use efficiency and balance for rice-wheat sequences of Bangladesh[J]. Field Crops Research, 2001, 72: 143-161

[17] 彭少兵, 黄见良, 钟旭华, 等. 提高中国稻田氮肥利用率的研究策略[J]. 中国农业科学, 2002, 35(9): 1095-1103

[18] 吴延寿, 徐阳春, 沈其荣, 等. 种稻方式对后茬大麦生长及土壤氮素转化和氮肥利用的影响[J]. 土壤学报,2006, 43(1): 169-172

[19] 孙传范, 曹卫星, 戴廷波. 土壤—作物系统中氮肥利用率的研究进展[J]. 土壤, 2001, 33(2): 64-69

[20] 李世清, 王瑞军, 张兴昌, 等. 小麦氮素营养与籽粒灌浆期氮素转移的研究进展[J]. 水土保持学报, 2004, 18(3):106-111

[21] Moinuddin S, Ansari S A, Afridi M M. Leaf NRA and its relationship with grain and protein yield of triticale as affected by progressive application of nitrogen and phosphorus fertilizer levels[J]. Journal of Plant Nutrition,1996, 19: 785-794

[22] Ladha J K, Pathak H, Krupnik T J, et. al. Efficiency of fertilizer nitrogen in cereal production: Retrospects and prospects[J]. Advances in Agronomy, 2005, 87: 86-156

[23] Dobermann A, Cassman K G. Plant nutrient management for enhanced productivity in intensive grain production systems of the United States and Asia[J]. Plant and Soil,2002, 247: 153-175

[24] Haefele S M, Wopereis M C S, Donovan C, et al.Improving the productivity and profitability of irrigated rice production in Mauritania[J]. European Journal of Agronomy, 2001, 14: 181-196

[25] Dobermann A, Cassman K G. Cereal area and nitrogen use efficiency are drivers of future nitrogen fertilizer consumption[J]. Science in China, 2005, 48: 745-758

[26] Cassman K G, Dobermann A, Walters D T. Agroecosystems, nitrogen-use efficiency, and nitrogen management[J]. Ambio, 2002, 31: 132-140

[27] Terry L R. Increasing nutrient use efficiency[J]. Journal of Agriculture and Forestry, 2008, 32: 177-182

[28] 朱兆良, 金继运. 保障我国粮食安全的肥料问题[J]. 植物营养与肥料学报, 2013, 19(2): 259-273