汾渭平原农户冬小麦氮磷养分投入调查与分析

韩 燕，郑景瑞，卢慧宇，王云凤，罗彩霞，杜文婷，雷 同，张润泽，徐佳星，胡昌录，张树兰

(西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100)

据国家统计局资料(http://data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=C01)显示，我国化肥折纯使用量由1980年的1 269.40万t上升到2018年的5 653.42万t，增加了345%，而同期粮食产量从32 055.50万t增加到65 789.22万t，仅增加了105%。化肥用量的增长速度高于作物产量的上升速度，主要的原因可能是农户施肥时并未根据作物的需求，而是依靠经验或盲目施肥[1]，造成我国化肥过量施用现象普遍。例如，山东省化肥使用量逐年增加，使得该地小麦-玉米种植体系氮盈余116～526 kg·hm-2，磷盈余47～94 kg·hm-2[2]；在青海省有40.1%的农户施氮过量，48.8%的农户施磷过量[3]。就全国而言，有 75.0%的农户过量施用化肥[4]。因此，我国主要粮食作物氮肥、磷肥及钾肥的利用率均随时间呈下降趋势[5]。磷作为一种不可再生资源，长期大量施用磷肥将导致磷矿资源消耗过快，有报道称世界高品位、易开采的磷矿资源寿命约50年左右[6]。长期定位试验研究表明，磷施入土壤后，有75%～95%的磷以不同的磷形态存留在土壤中，从而导致农田磷素大量积累[7]，进而通过径流等途径进入水体引起水体富营养化；当氮素投入超过作物最佳或最高产量施氮量时，也会使得土壤硝态氮残留急剧增加[8]，引发一系列环境问题。

汾渭平原是黄河流域汾河平原、渭河平原及其台原阶地的总称，自古就是晋陕两省的“粮仓”，也是我国主要的冬小麦产区，以往的调查结果表明，汾渭平原的部分地区农户冬小麦氮、磷肥过量施用比例较高，均在30%以上[9-10]，但目前仍然缺乏对汾渭平原农户施肥现状的全面了解和评估。2016年农业部提出《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，为了有针对性地指导农户科学施肥，加快化肥零增长目标的实现，有必要全面调研汾渭平原现阶段的农户施肥现状。因此，本研究通过2018和2019连续两年对该区域冬小麦产量及施肥情况的调查，分析和评价农户施肥现状，以期为建立科学施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 调查区域

汾渭平原主要包括汾河中下游太原盆地、临汾盆地、运城盆地在内的汾河平原和渭河流域关中盆地及其连带的黄土阶地在内的渭河平原，整个平原北起山西太原，南抵永济，长约760 km，宽40～100 km，跨黄河小北干流进入陕西，延伸至宝鸡市陇山原下，土地总面积近7万km2[11]。汾渭平原粮食作物以冬小麦-夏玉米轮作为主，一年两熟，冬小麦一般于9月下旬到10月中上旬播种，翌年6月中上旬收获。渭河平原土壤有机质为8.4～21.8 g·kg-1、速效磷5.3～34.2 mg·kg-1、速效钾93～201 mg·kg-1；汾河平原土壤有机质为13.1～19.2 g·kg-1、速效磷 5.9～21.2 mg·kg-1、速效钾97～178 mg·kg-1。其中，土壤钾素肥力均属于高水平以上[12]。

1.2 调查方法

2018和2019连续两年于冬小麦收获后，在汾河平原的尧都、曲沃、襄汾、洪洞、浮山、侯马、闻喜、夏县、永济9个区/县，以及渭河平原的陈仓、岐山、扶风、凤翔、眉县、武功、临潼、临渭、华州、澄城、蒲城、富平、华阴13个区/县进行农户施肥调研。在每个区/县选择3个乡，每乡选择2个村，每村选5～10个农户为调查对象，调查内容主要包括冬小麦产量、施肥情况和田间管理等。两年共计调研农户总数785户，有效农户总数为725户，其中汾河平原为456户，渭河平原为269户。

1.3 数据处理

1.3.1 冬小麦产量分级

冬小麦产量参照赵护兵等[13]的产量分级标准，分为5个等级，即很低(<4 500 kg·hm-2)、偏低(4 500～5 500 kg·hm-2)、中等(5 500～ 6 500 kg·hm-2)、偏高(6 500～7 500 kg·hm-2)和很高(>7 500 kg·hm-2)。

1.3.2 农户施肥量等级划分

调研区域土壤钾肥肥力较高，作物体系不建议施用钾肥，因此，本研究只关注农户氮、磷肥的投入调查。农户氮磷养分投入参照曹寒冰等[14]农户施肥分级标准，以合理施肥量(recommended fertilization rate,Rec)的40%为变幅，分为5级进行评价，从低到高依次为0～0.4Rec(很低)、0.4～0.8Rec(偏低)、0.8～1.2Rec(适中)、1.2～1.6Rec(偏高)和>1.6Rec(很高)，其中合理施肥量(Rec)由各农户实际产量计算，具体如下：

合理施肥量(Rec)=养分携出量=产量×养分需求量×调整系数

(1)

式中养分需求量为100 kg冬小麦籽粒养分需求量，即生产100 kg小麦分别需氮(N)2.8 kg，需磷(P2O5)0.7 kg，N和P2O5的调整系数分别为1.0和1.5，因此，合理施氮量(RecN)和合理施磷量(RecP)分别由公式(2)和(3)计算：

合理施氮量(RecN)=产量/100×2.8×1.0

(2)

合理施磷量(RecP)=产量/100×0.7×1.5

(3)

1.3.3 化肥偏生产力的计算

氮磷偏生产力(partial factor productivity,PFP)，指投入单位氮磷所能生产的作物籽粒产量，单位为 kg·kg-1，计算见公式(4)。

PFP=Y/F

(4)

式中，Y为作物产量；F代表养分(指N、P2O5)的投入量。

2 结果与分析

2.1 汾渭平原农户冬小麦产量及分布

调查结果显示，汾河平原农户冬小麦平均产量为6 949±1 515 kg·hm-2，较渭河平原农户冬小麦平均产量(6 442±1 807 kg·hm-2)高约8%。就产量水平分布而言，汾河平原和渭河平原冬小麦产量水平很低和偏低的农户占比均不足20%，其中汾河平原稍低于渭河平原；汾河平原冬小麦高产(偏高+很高)的农户占61.4%，渭河平原冬小麦高产(偏高+很高)的农户占52.8%，两个区域小麦产量水平均以中等以上为主(表1)。

表1 汾渭平原农户冬小麦产量分布

2.2 汾渭平原农户冬小麦养分用量

调查表明，汾河平原农户冬小麦氮和磷的平均用量分别为272.6和139.1 kg·hm-2，渭河平原氮和磷的平均用量分别为196.3和147.2 kg·hm-2。根据两地农户平均产量下推荐的施肥量，目前汾河平原农户冬小麦养分投入表现为氮、磷肥平均用量均偏高；而渭河平原则表现为氮肥平均用量适中，磷肥平均用量偏高。

从表2可以看出，汾河平原农户施氮量很低、偏低、适中、偏高和很高的农户比例总体上呈增加趋势，施氮合理的农户占23.68%，施氮过量(偏高+很高)的农户占比高达64.47%；施磷适中的农户仅占 7.89%，而施磷过量(偏高和很高)的农户占比高达78.07%。在不同产量水平下，发现从产量很低(<4 500 kg·hm-2)到产量很高水平(>7 500 kg·hm-2)，施氮过量(偏高+很高)的农户比例呈先升高后降低的趋势，在产量偏低水平占比最高，为87.88%；施氮适中的农户在产量偏低水平占比最低，为9.09%，在产量很高水平占比最高，为29.86%；施氮不足(很低+偏低)的农户比例呈先增加后降低的趋势，在产量偏高水平占比最高，为20.34%。而随着产量水平的提高，施磷过量(偏高和很高)的农户比例总体上呈降低趋势，在产量很低水平占比高达100%；施磷适中的农户比例在产量适中水平占比最高，为11.22%；施磷不足(很低+偏低)的农户比例呈先升高后降低的趋势，在产量偏高水平时最高，为18.64%。

表2 不同产量水平下汾河平原农户施肥分布比例

从表3可以看出，渭河平原农户施氮量很低、偏低、适中、偏高和很高的农户比例总体上呈先增加后降低的趋势，施氮适中的农户占31.97%，施氮过量(偏高+很高)的农户占39.40%；施磷很低、偏低、适中、偏高和很高的农户比例呈增加趋势，施磷适中的农户仅占14.50%，而施磷过量(偏高+很高)的农户高达 79.56%。在不同产量水平下，发现从产量很低(<45 00 kg·hm-2)到产量很高水平(>7 500 kg·hm-2)，施氮过量(偏高+很高)的农户在产量很低水平占比最高，为89.29%；施氮适中的农户在产量偏低水平占比最高，为48.00%；施氮不足(很低+偏低)的农户比例成增加趋势，在产量偏高水平占比最高，为 44.44%。而随着产量水平的提高，施磷过量的农户比例呈降低趋势，在产量很低水平占比高达100%；施磷适中和施磷不足的农户比例均呈增加趋势，均在产量很高水平占比最高。

表3 不同产量水平下渭河平原农户施肥分布比例

2.3 汾渭平原农户冬小麦氮磷养分基、追施用量及比例

从冬小麦不同时期养分投入量及其比例(表4)可以看出，汾河平原农户氮肥基施和追施平均用量分别为164.5和108.1 kg·hm-2，分别占氮肥总投入的60.3%和39.7%。渭河平原农户氮肥基施和追施平均用量分别为191.0和5.3 kg·hm-2，分别占氮肥总投入量的97.3%和 2.7%。汾河平原氮肥追施比例较大，而渭河平原基本没有追施。两个调查区域磷肥均以基施 为主。

表4 汾渭平原农户冬小麦氮磷养分基施和追施用量及比例

2.4 汾渭平原农户冬小麦肥料偏生产力的分布

调查(表5)发现，汾河平原农户冬小麦氮肥偏生产力变化范围为8.1～129.3 kg·kg-1，平均 30.4 kg·kg-1，分布比例最高的是20～30 kg·kg-1，占41.23%，其次是10～20 kg·kg-1，占23.03%；磷肥偏生产力变化范围为8.2～ 500.0 kg·kg-1，平均59.6 kg·kg-1。渭河平原农户冬小麦氮肥偏生产力变化范围为3.1～ 184.8 kg·kg-1，平均38.4 kg·kg-1，分布比例最高的是20～30 kg·kg-1，占30.86%，其次是30～40 kg·kg-1，占19.33%；磷肥偏生产力变化范围为4.6～244.4 kg·kg-1，分布比较均匀，平均56.1 kg·kg-1。

表5 汾渭平原农户冬小麦氮磷肥偏生产力的分布

3 讨 论

3.1 冬小麦产量

调查表明，汾河平原和渭河平原农户冬小麦平均产量分别为6 949和6 442 kg·hm-2，高于以往产量调查结果，增加幅度分别为24.4%～ 271.6%[15-16]和-0.3%～162.9%[9,13,17]。这说明无论是在汾河平原还是渭河平原，冬小麦产量总体呈增加趋势，但不同调研结果间波动较大，可能与气候条件变化有关[15,17]。相比以往的调查结果[13,15]，本次调查汾渭平原农户冬小麦产量很低、偏低和中等的农户比例降低，而偏高和很高的农户比例增加，反映了农户种植水平的进步以及现行品种产量潜力较高。此外，国家统计局数据(http://data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=C01)显示，全国冬小麦平均产量为5 497 kg·hm-2，而法国、英国、比利时和丹麦等国小麦产量均高于7 000 kg·hm-2[9]，这说明汾渭平原农户冬小麦产量总体水平虽高于我国平均水平，但仍有很大的增长潜力，优化养分管理是实现小麦高产的一个重要措施。

3.2 汾渭平原农户冬小麦养分投入

调查结果表明，汾河平原农户冬小麦氮、磷养分平均投入量分别为272.6和139.1 kg·hm-2，渭河平原农户冬小麦氮、磷的平均投入量分别为196.3和147.2 kg·hm-2，汾河平原氮、磷平均施用量均高于我国平均施用水平(198 kg N·hm-2、103 kg P2O5·hm-2)[18]，而渭河平原则施磷过量较为严重。与以往调查结果相比，汾河平原农户冬小麦氮平均投入量降低，磷平均投入量基本保持不变[8,15]，而渭河平原农户冬小麦氮平均投入量基本维持在190 kg N·hm-2左右，磷平均投入量略有增加[9,17]。与欧洲等国小麦平均施肥量和产量相比[18]，目前汾渭平原农户冬小麦的生产仍然是“高投入、低产出和高资源环境代价”的模式。

此外，渭河平原农户冬小麦施氮多为“一炮轰”方式，使小麦生长后期供氮不足，从而造成减产。李 强[22]等研究表明，氮肥分次施用可显著增加小麦产量，因此，为了提高渭河平原农户冬小麦产量，有必要引导农户进行合理分配氮肥的基追比例。

3.3 汾渭平原农户冬小麦养分偏生产力

汾河平原农户冬小麦氮、磷的平均PFP分别为30.4和59.6 kg·kg-1，渭河平原农户冬小麦氮、磷的平均PFP分别为38.4和56.1 kg·kg-1，这些数值均低于我国平均氮、磷偏生产力(43.0 kg N kg-1、63.7 kg P2O5kg-1)[5]。本研究调研数据表明，汾渭平原农户冬小麦氮肥偏生产力均集中分布在20～30 kg·kg-1，远低于氮肥的最佳偏生产力(40～70 kg·kg-1)[5]，有研究发现，当氮肥偏生产力大于60 kg·kg-1时，表明氮素管理较好或施肥量较低[23]。由此可见，氮、磷施用过量是导致汾渭平原氮、磷利用效率较低的主要原因。因此，未来可能需要通过技术培训、立法或其他措施来引导种植户合理施肥，提高养分效率。

致谢:本文作者特别感谢山西省农业科学院周怀平、王克功、党建友、原宗英和陆俊姣，山西大学任振兴以及西北农林科技大学史鹏、李强、黄冬琳和郑险峰提供的农户调研数据。