我国主要麦区农户施肥评价及减肥潜力分析

黄倩楠，党海燕，黄婷苗，侯赛宾，王朝辉,2

我国主要麦区农户施肥评价及减肥潜力分析

黄倩楠1，党海燕1，黄婷苗1，侯赛宾1，王朝辉1,2

（1西北农林科技大学资源环境学院/农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100；2西北农林科技大学/旱区作物逆境生物学国家重点实验室，陕西杨凌 712100）

【】明确我国主要麦区农户小麦施肥存在的问题及减肥潜力，为科学施肥、合理减肥提供依据。连续3年对我国主要麦区的小麦种植户进行施肥调研和取样，基于农户产量、养分需求量和土壤养分供应水平对其施肥状况和减肥潜力进行评价和分析。我国主要麦区农户小麦产量和生物量平均为6.0和13.2 t·hm-2，二者极显著线性相关。小麦产量与施肥量和土壤养分无显著相关。我国小麦氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）肥用量平均分别为191.1、112.8和53.4 kg·hm-2，春麦区农户氮、磷和钾肥用量平均分别为171.7、108.9和10.6 kg·hm-2，旱作区分别为154.3、111.8和32.6 kg·hm-2，麦玉区分别为236.4、128.1和74.0 kg·hm-2，稻麦区分别为177.5、77.0和71.8 kg·hm-2。就施氮量而言，春麦区过量施氮的农户较少，为34%，其次是麦玉区、稻麦区和旱作区，分别为42%、55%和63%；产量较低的农户是氮肥减施的重点，减氮潜力最高达43.6%，平均需减氮2.3—135.5 kg·hm-2。过量施磷问题比较突出，各麦区施磷过量的农户分别占63%、87%、68%和57%，即使小麦高产时，仍有超过50%的农户施磷过量；各麦区不同产量等级的农户均需减施磷肥，减磷量平均为3.8—91.1 kg·hm-2，旱作区减磷潜力最大，达55.6%。施钾状况因麦区而异，在春麦区，主要问题是施钾不足，占84%，平均需增施钾肥22.8 kg·hm-2；旱作、麦玉和稻麦区，减钾潜力分别达43.2%、25.7%和56.0%；产量较低的农户是减钾的重点，平均需减钾31.7—45.9 kg·hm-2。我国农户施肥状况和减肥潜力因农户产量和麦区不同存在差异，中低产农户过量施肥问题较为严重，应注意根据产量适量减少施用氮、钾肥，所有农户均需警惕磷肥过量投入问题，其中旱作区氮、磷肥减施潜力最高，稻麦区减钾潜力最高。

小麦；产量；氮肥；磷肥；钾肥；化肥减施；减肥潜力

0 引言

【研究意义】施肥是保障作物高产稳产的关键措施之一，其对作物产量的贡献率达30%—50%，但不合理施肥则会影响作物产量与品质[1-2]。据统计，从1970年到2018年，我国化肥用量增长率是粮食产量增长率的8.7倍[3]。化肥不合理施用现象较为严重[4-10]，施肥过量和不足现象普遍存在[11-16]。2015年，我国农业部提出“到2020年实现化肥农药零增长”。小麦作为我国主要粮食作物之一，种植面积占全国粮食作物播种面积的20.7%[3]，其中44.8%的小麦播种面积对应的施氮量达250—300 kg·hm-2，而处于此施肥范围的水稻和玉米面积分别占相应播种面积的9.6%和12.1%[17]。因此，实现小麦化肥的科学减施至关重要，而要达到此目标必须全面了解我国农户的小麦施肥现状，明确其减肥潜力。【前人研究进展】2003年，覆盖我国17省、1万多个农户的施肥调研发现，75%的小麦种植户施肥过量[15]。华北平原小麦平均施氮325 kg·hm-2，远超过其平均产量5.7 t·hm-2对应的160 kg·hm-2的需氮量，其中河北曲周分别有91.5%、93.8%和41.8%的农户氮、磷、钾肥施用过量，河南全省小麦减氮潜力在16.4%— 36.7%[18-20]。江苏农户小麦平均施氮量323 kg·hm-2，超过50%的农户过量施氮[16]。黑龙江水稻生产中有约70%的农户施肥不合理，节肥潜力在20%以上[21]。这些研究多针对我国某一省份或某一区域，从大尺度上对我国主要麦区农户的施肥评价与减肥潜力的研究相对较少。张灿强等[22]的研究表明我国小麦的化肥使用量可削减36.9%，但是其在计算减肥潜力时是以省份为单位进行计算的，并未充分考虑由于种植制度、气候等原因造成的同一省份麦区不同的情况。目前对于如何确定肥料合理用量有大量研究，如丰缺指标法[23-25]、目标产量法[26]、衡量监控法[27]、养分专家系统[28-29]等。但是已有研究在进行区域施肥评价与减肥潜力计算时，多以区域合理施肥量来进行评价和计算，而不同学者制定的区域合理施肥量不同，如在黄土高原旱地，刘芬等[30]提出小麦氮、磷、钾肥施用量应分别介于75—105、60—90和45— 75 kg·hm-2，赵护兵等[8]认为适宜氮肥用量为120— 160 kg·hm-2、磷肥100—140 kg·hm-2、钾肥80—100 kg·hm-2。这些区域评价方法多使用某一固定范围进行评价，忽略了因光温水、土壤肥力、品种和栽培管理等差异造成的农户或田块的小麦产量水平和养分需求差异。【本研究切入点】本文通过连续3年对我国主要麦区农户施肥情况进行调研，提出了基于不同农户田块小麦产量、养分需求量和土壤养分的施肥量推荐方法，并使用该方法计算出各个农户的推荐施肥量，以该推荐施肥量来评价农户的施肥状况及减肥潜力，最终得到我国主要麦区农户的施肥状况及减肥潜力。【拟解决的关键问题】通过明确我国不同麦区农户的施肥现状、存在问题和减肥潜力，为实现我国小麦生产科学合理减肥提供理论基础和依据。

1 材料与方法

1.1 采样点及分布

2015—2017年，依托于国家小麦产业技术体系分布在全国主要麦区的50个综合试验站，由当地各个示范县协助进行典型农户的调研与采样。通过3年调研共得到1 030个农户的小麦播种、产量、施肥等信息，同时在调研农户的田块中采集了小麦植株样品和0—20 cm土层土样，其中春麦区66户、旱作区406户、麦玉区402户、稻麦区156户。各麦区降雨量和麦田0—20 cm土层土壤理化性状见表1，其中麦区具体划分参见文献[31]，降雨数据来自中国气象数据网（http://data.cma.cn/）。

表1 我国主要麦区降雨量及调研农户麦田0—20 cm土层土壤理化性状

表中数据为平均值±标准差。SW：春麦区；DW：旱作区；WM：麦玉区；RW：稻麦区

Data in the table are average ± standard deviation. SW: spring wheat region; DW: dryland wheat region; WM: wheat-maize region; RW: rice-wheat region. The same as below

1.2 样品采集与测定

1.2.1 植物样品采集与测定 于小麦收获前5 d左右，在农户田块小麦长势均匀的区域确定一块5 m×10 m的样区。在样区内随机选取3个位置，分别数相邻2行小麦的1 m穗数，并测量这2行小麦间的距离，以确定穗数和行距。随后采用“盲抽法”在样区内随机采集包含100穗的小麦全株[32]，在根茎结合处剪除小麦根部，风干后将地上部分为茎叶和穗，分别称重，手工脱粒后称量风干籽粒重。取籽粒和剪碎混匀的茎叶各50 g、颖壳30 g，分别用自来水和蒸馏水快速漂洗3次，装入标记好的信封，65℃烘干至恒重，测定风干茎叶、颖壳、籽粒的含水量。

烘干的籽粒、茎叶、颖壳用组织混合研磨仪（MM400，德国莱驰，氧化锆研磨罐和研磨球）磨细，作为化学分析样。准确称取粉碎后的样品0.2000— 0.2500 g，用浓H2SO4-H2O2法红外消解，连续流动分析仪（AA3，德国）测定消解液中的氮和磷含量，火焰光度计（M410，英国Sherwood）测定消解液中的钾含量。千粒重采用数粒板法测定。千粒重和氮磷钾含量均以烘干重表示。

1.2.2 土壤样品的采集与测定 在样区内小麦行间均匀选取3个点，采集0—20 cm土层样品，混匀后取500 g装入样品袋，作为1个分析样品。

土壤样品风干后分别过1 mm和0.15 mm筛。过1 mm筛的土样用于测定pH、硝铵态氮、速效磷、速效钾。用pH计测定土壤酸碱度。硝铵态氮用1 mol·L-1的KCl浸提，速效磷用0.5 mol·L-1的NaHCO3浸提，浸提液中的氮、磷含量分别用连续流动分析仪（AA3，德国）测定。有效钾用1 mol·L-1的NH4OAc浸提，火焰光度计测定[33]。过0.15 mm筛的土样用来测定有机质和全氮含量，有机质用重铬酸钾外加热法测定，全氮用浓硫酸加混合催化剂（K2SO4﹕CuSO4=10﹕1）消煮、连续流动分析仪（AA3，德国）测定。

1.3 数据计算与统计分析

1.3.1 产量计算及等级划分 农户小麦的产量（取样测定产量）由公顷穗数、穗粒数和千粒重求得。收获指数由其籽粒和地上部生物量计算求得。测定产量除以收获指数计算出农户小麦生物量。产量、生物量均以烘干重表示。

对调研获得的农户小麦产量和取样所得的测定产量按麦区进行方差分析（SPSS 17，＜0.05），若两者差异不显著，文中产量数据采用取样测定产量，否则，以各地调研所得产量为基准矫正取样测定的产量（式1），并用矫正后产量进行相关计算分析。

矫正产量=取样测定的农户产量×（该麦区农户调研产量均值/该麦区取样测定产量均值） （1）

式（1）中，产量单位均为t·hm-2。

由于麦区间产量差异较大，对各麦区产量等级的划分也因地而异，划分标准为：以该麦区的平均产量为中心，分别上下浮动10%、30%，形成高产、偏高产、中产、偏低产、低产5级[31]，在本文中，产量较高包含高产和偏高产，产量较低包含低产和偏低产。

1.3.2 推荐施肥量计算 施肥不仅是为了满足作物生产的养分需求，以维持或提高产量，也是培肥土壤的关键措施，即通过肥料投入调控和提高土壤供应养分的能力。因此，确定不同产量水平的农户合理施肥量，应在考虑作物产量形成对养分需求的基础上，结合维持农田土壤养分平衡和肥力提升的需求。因此，小麦的推荐施肥量应为：

推荐施肥量=目标产量养分需求量×施肥系数（2）

式（2）中，目标产量养分需求量为农户产量（见1.3.1）、1 000 kg籽粒养分需求量和养分转换系数（N为1；P转换为P2O5系数为2.29；K转换为K2O系数为1.2）三者的乘积。小麦的1 000 kg籽粒产量的养分需求量随产量、施肥量、品种、区域环境而变化[34-40]，本文中采用的小麦1 000 kg籽粒产量养分需求量为农户产量在相应麦区所处产量等级养分需求量的均值[31]。施肥系数根据各麦区土壤养分供应能力确定。

推荐施氮量（kg N·hm-2）=目标产量需氮量（kg N·hm-2）×施氮系数 （3）

研究表明，小麦收获后残留在土壤中的肥料氮会以硝态氮的形式累积，残留量较高时，将威胁环境安全[18,41]。在我国西北旱地的研究表明，小麦收获期0—100 cm土层硝态氮残留应小于55 kg·hm-2[42]。对于我国华北平原小麦玉米轮作体系，不同学者研究认为作物收获后0—90 cm土层硝态氮残留应控制在150 kg·hm-2以内[43-44]。欧盟提出，作物收获后土壤耕层的硝态氮含量控制在30—50 kg·hm-2，才能避免发生硝态氮淋溶[45-46]。因此，考虑环境安全和土壤氮素平衡，本文结合各个麦区表层土壤硝态含量，提出了土壤硝态氮含量分级标准，并给出了相应的施氮系数。考虑到目前我国的小麦生产中，农户氮肥投入普遍过量，且残留在土壤中的氮素易随水向深层淋溶，造成损失，因此，当0—20 cm土层硝态氮处于中等水平时，施氮系数为1，即氮肥投入量只需补充作物带走的氮素即可[47]，土壤硝态氮处于较高水平时，需减施氮肥，反之增加。

推荐施磷量（kg P2O5·hm-2）=目标产量需磷量（kg P2O5·hm-2）×施磷系数 （4）

在一定的气候下，土壤有效磷达到一定的临界值后，增施磷肥不再增加作物产量[48]。在我国黄淮地区，小麦收获后土壤速效磷为13.1 mg·kg-1时，产量可达最大产量的95%[49]。位于我国北方的多点长期定位试验表明，小麦响应的土壤有效磷含量临界值平均为16.3 mg·kg-1[50]。位于杨凌、重庆的试验表明，小麦的土壤有效磷阈值分别为14.6、11.1 mg·kg-1[51]。因此，基于磷的恒量监控施肥原则[52-53]，提出了我国主要麦区的土壤有效磷分级标准及相应的施磷系数。由于磷在土壤中移动性较差，且容易被固定[54]，当土壤中的有效磷处于中等水平时，本文的推荐施磷量为目标产量需磷量的1.3倍。

推荐施钾量（kg K2O·hm-2）=目标产量需钾量（kg K2O·hm-2）×施钾系数 （5）

对各麦区0—20 cm土层有效钾含量分析发现，我国农田表层土壤速效钾量平均高达151.7 mg·kg-1（表1），且多数地区有逐年增加的趋势，原因在于农户钾肥投入量逐步提高[33]，再者，目前小麦收获后秸秆普遍还田，而作物吸收的钾素70%以上累积在秸秆[23,42]。因此，施用钾肥仅需补充作物籽粒携出的钾素。本文结合各麦区土壤有效钾水平，参考《测土配方施肥技术》制定的土壤钾素丰缺指标[53]，基于钾恒量监控施肥原则[52-53]，提出了我国各麦区土壤有效钾分级标准与对应的施钾系数，土壤供钾水平中等时，推荐施钾量仅为目标产量需钾量的0.3倍。

1.3.3 农户小麦施肥评价方法 考虑到各个麦区不同农户的产量水平不同，因而目标产量的养分需求存在差异，参考基于产量的农户施肥评价方法[47]，在研究中以每个农户的推荐施肥量（1.3.2）为中心，分别上下浮动10%和30%，分为很高、偏高、适中、偏低和很低5个施肥量评价等级，对农户施肥情况进行评价（图1），下文中施肥过量指很高和偏高，施肥不足指很低和偏低。

数据处理方法：用 Microsoft Excel 2013 整理数据，SigmaPlot 12.5作图，SPSS Statistics 17.0 统计分析。

Rec为推荐施肥量Rec: recommended fertilizer application rate

2 结果

2.1 我国不同麦区农户小麦产量与生物量的关系

我国各主要麦区，农户产量均与生物量呈极显著的线性关系（图2）。全国小麦产量介于1.1—13.9 t·hm-2，均值6.0 t·hm-2，生物量介于3.1—28.4 t·hm-2，平均为13.2 t·hm-2。春麦区，小麦产量和生物量平均分别为6.1和13.4 t·hm-2，生物量每增加1 t，产量增加0.44 t；在低产、偏低、中产、偏高和高产5个产量等级的农户分别占16%、18%、43%、18%和15%。旱作区，产量和生物量均值分别为4.4和10.3 t·hm-2，生物量每增加1 t，产量增加0.43 t；5个产量等级的农户分别为22%、17%、23%、18%和21%。麦玉区，产量和生物量平均分别为7.8和16.6 t·hm-2，生物量增加1 t，产量增加0.47 t；产量在各等级的占比分别为11%、23%、32%、23%和12%。稻麦区，产量和生物量均值分别为5.5和11.5 t·hm-2，生物量每增加1 t，产量增加0.51 t；产量在各等级分别占17%、16%、32%、20%和14%。

VL为低产，L为偏低，M为中产，H为偏高，VH为高产

可见，我国不同麦区小麦产量波动范围较大，但整体上看，各麦区较高产量的农户基本上占1/3左右，生物量高低是决定小麦产量的一个主要因素。

2.2 我国不同麦区农户小麦产量与施肥量的关系

对我国主要麦区1 030个农户分析发现（图3），小麦产量与氮、磷、钾肥用量没有显著的相关关系。全国小麦氮、磷、钾肥用量分别介于0—591.0、0—517.5和0—315.0 kg·hm-2，平均分别为191.1、112.8和53.4 kg·hm-2。春麦区，农户氮、磷、钾肥用量平均分别为171.7、108.9和10.6 kg·hm-2，在低于平均施肥量的农户中有11%—21%的产量达到较高水平，高于平均施肥量的农户中有8%—9%的产量处于较低水平。旱作区，氮、磷、钾平均施肥量分别为154.3、111.8和32.6 kg·hm-2，施肥量低于平均值时，有21%—22% 的农户产量达较高水平，高于平均值时，有11%—26%的农户产量为较低水平。麦玉区，3种肥料用量均值分别为236.4、128.1、74.0 kg·hm-2，施肥量低于均值的农户中有18%的农户产量处于较高水平，高于平均值时，有9%—18%的农户产量较低。稻麦区，三种肥料平均用量分别为177.5、77.0、71.8 kg·hm-2，施肥量低于平均时，有12%—17%的农户产量处于较高水平，高于平均时，有15%—17%的农户产量处于较低水平。

图中实线代表平均产量，虚线代表平均施肥量

可见，在我国各麦区，农户小麦产量高低与施肥量多少与并无显著关系，施肥量低时，小麦产量依然可达较高水平，施肥量高时也存在产量较低的情况。

2.3 我国不同麦区农户小麦产量与土壤养分的关系

对土壤养分的分析发现，不同麦区小麦产量与0—20 cm土层硝态氮、矿质态氮、速效磷、速效钾含量均无显著相关关系（图4）。不同麦区0—20 cm土层的硝态氮、矿质态氮、有效磷、有效钾含量分别介于0—253.5、0—256.8、1.0—166.1和27.0—695.9 mg·kg-1，平均分别为19.1、23.3、23.1和151.1 mg·kg-1。春麦区，0—20 cm土层硝态氮、矿质态氮、有效磷、有效钾含量平均分别为23.6、27.9、34.2和191.4 mg·kg-1，当土壤养分含量低于平均值时，有18%—29%的农户可达较高产量，高于均值时，有5%—15%的农户产量较低。旱作区，土壤养分含量平均分别为14.1、16.5、13.7和133.4 mg·kg-1，土壤养分低于均值时，有20%—25%的农户产量达较高水平，高于均值时，有2%—16%的农户产量为较低水平。麦玉区，土壤养分含量均值分别为25.6、30.3、31.3和171.9 mg·kg-1，土壤养分含量低于均值时，有17%—26%的农户产量处于较高水平，高于均值时，有10%—13%的农户为较低产量。稻麦区，土壤养分含量平均分别为12.9、20.6、22.6和130.5 mg·kg-1，当土壤养分含量低于平均水平时，有18%—23%的农户产量较高，高于平均水平时，有9%—11%的农户产量处于较低水平。

图中实线代表平均产量，虚线代表养分平均含量

说明，在我国各麦区，目前农户小麦产量高低与0—20 cm土层的土壤硝态氮、矿质态氮、有效磷、有效钾含量多少并无显著关系，土壤养分含量低时，小麦并非绝对低产，土壤养分含量高时，也未必能获得高产。

2.4 我国不同麦区农户小麦施氮量评价及减肥潜力分析

2.4.1 农户小麦施氮量评价 对不同小麦产量水平农户的施氮量分析表明（图5），随着产量增加，各麦区过量施氮的农户比例逐渐减少，施氮不足的比例逐渐增加。春麦区，当产量由低产至高产变化时，过量施氮的农户由50%降至33%，施氮不足的由50%增至56%，施氮量很低、偏低、适中、偏高和很高的农户平均分别占35%、19%、11%、10%和24%。旱作区，产量由低产增至高产时，过量施氮的农户由93%降至35%，施氮不足的由5%增至45%，各施氮等级的农户平均分别占9%、9%、20%、21%和42%。麦玉区，产量水平由低到高时，过量施氮的农户由85%降到17%，施氮不足的由7%增至74%，各施氮等级的农户平均分别占21%、22%、16%、14%和28%。稻麦区，产量由低产增至高产水平时，过量施氮的农户由81%降至32%，施氮不足的由15%增至59%，各施氮等级的农户比例平均分别为16%、14%、15%、8%和47%。

图中颜色由深至浅表示施肥量由高至低。下同

在我国春麦区，过量施氮的农户较少，为34%，在旱作、麦玉和稻麦区过量施氮的农户较多，分别为63%、42%和55%，处于中低产水平的农户过量施氮问题更为严重，产量较高的农户应重视施氮不足的问题，特别是在麦玉区和稻麦区。

2.4.2 农户氮肥减施潜力 基于0—20 cm土层的硝态氮和矿质态氮含量，确定施氮系数，并分别计算出推荐施氮量。由于0—20 cm土层中铵态氮含量较低（表1），基于两个指标计算得出的推荐施氮量无显著差异（≤5%）。考虑到实际应用方便，选择基于硝态氮含量的推荐施氮量，通过比较农户的施氮量与推荐施氮量发现（表2），氮肥减施潜力因麦区和农户产量水平而异。产量较低的农户减氮数量多、潜力大，产量较高的农户减氮数量相对较少，甚至还需要增施一定数量的氮肥。春麦区，低产和偏低水平的农户平均减氮2.3—20.8 kg·hm-2，中产至高产水平的农户需增氮10.5—37.7 kg·hm-2，其中低产水平农户减肥潜力最大，为25.8%，整体来说，需增肥17.7%。旱作区，产量由低产至高产变化时，农户平均需减氮3.5—59.1 kg·hm-2，随产量增加，减氮量逐渐减小，各产量水平农户均有较大减肥潜力，平均减肥潜力为12.8%。麦玉区，产量由低产至中产时，农户平均减氮量由135.5降至2.1 kg·hm-2，其中低产农户减肥潜力为43.6%，产量为偏高和高产水平时，农户分别需增施氮肥29.7和70.5 kg·hm-2。稻麦区，由低产至偏高产量水平时，农户平均减氮量由87.1 kg·hm-2降至26.4 kg·hm-2，减肥潜力由39.4%降至4.8%，高产农户则平均需增氮25.0 kg·hm-2。

表2 我国主要麦区不同产量水平的农户施氮量和推荐施氮量

FP指农户施肥量；Rec为推荐施肥量；减肥量为推荐施肥量减去农户施肥量；减肥潜力为减肥量/农户施肥量×100。表3、表4同

FP: Famers’ fertilizer rates ; Rec: Recommend rates; Reduction: Recminus FP; Reduction potential = Reduction/ Famers’ fertilizer application rates×100. The same as Table 3 and Table 4

可见，产量处于中低产水平的农户减氮潜力较大，尤其是麦玉和稻麦区的低产农户，而高产和偏高产的农户则需增施适量氮肥。

2.5 我国不同麦区农户小麦施磷量评价及减肥潜力分析

2.5.1 农户小麦施磷量评价 分析各产量水平的施磷量发现（图6），各麦区过量施磷的农户较多。春麦区，产量由偏低至偏高时，过量施磷的农户由91%降至45%，施磷不足的由9%增至45%，总体来看，施磷量很低、偏低、适中、偏高和很高的农户平均分别占18%、3%、16%、8%和55%。旱作区，产量由低产增至高产时，过量施磷的农户由92%降至80%，施磷不足的农户占10%左右，各施磷等级的农户平均分别占7%、2%、5%、6%和81%。麦玉区，产量水平由低到高时，过量施磷的农户由80%降到64%，施磷不足的由12%增至28%，各施磷等级的农户平均分别占15%、9%、8%、7%和61%。稻麦区，产量由低产增至高产水平时，过量施磷的农户由69%降至50%，而施磷不足的由31%增至41%，各施磷等级的农户比例平均分别为22%、11%、11%、8%和49%。

图6 我国不同麦区农户施磷量在各产量等级的分布

因此，我国主要麦区农户过量施磷情况较为严重，4个麦区过量施磷农户分别为63%、87%、68%和57%，且产量处于较高水平时，各麦区过量施磷的农户仍占50%—80%，表明即使是产量较高的农户也依然存在过量施磷的现象。因此，各产量等级的农户均需减施磷肥。

2.5.2 农户小麦磷肥减施潜力分析 比较农户施磷量与推荐施磷量发现（表3），各麦区磷肥减施潜力因产量水平而异，且减磷量随产量增加呈降低趋势。春麦区，低产农户磷肥减施潜力最大，为46.9%，产量由低产至高产时，平均减磷量由45.6 kg·hm-2降至36.4 kg·hm-2。旱作区，产量由低产至高产水平时，平均减磷量由76.6 kg·hm-2减至67.0 kg·hm-2，整体减磷潜力高达55.6%。麦玉区，产量从低产增至高产时，平均减磷量由59.0 kg·hm-2降至29.7 kg·hm-2，其中低产农户减磷潜力为46.3%。稻麦区，由低产至高产时，平均减磷量由23.6 kg·hm-2减至4.3 kg·hm-2，减磷潜力逐渐减小。

总体来看，不同麦区各产量水平的农户均需减施磷肥，旱作区农户减磷潜力最大，为55.6%，平均减磷量达70.5 kg·hm-2，其次为麦玉区、春麦区和稻麦区，平均减磷量分别为39.2、35.1和14.2 kg·hm-2。

表3 我国主要麦区不同产量水平农户平均施磷量和推荐的平均施磷量

2.6 我国不同麦区农户小麦施钾量评价及减肥潜力分析

2.6.1 农户小麦施钾量评价 对各麦区农户的施钾量分析发现（图7），施钾情况因麦区和产量等级而异。春麦区，以施钾不足为主，产量由低产至高产时，施钾不足的农户介于64%—90%，各产量等级过量施钾的农户仅10%左右，不同产量水平下施钾很低、偏低、适中、偏高和很高的农户比例分别为81%、3%、6%、6%和3%。旱作区，产量由低产增至高产时，施钾过量的农户由85%降至33%，不足的由15%增至56%，各施钾等级的农户分别占33%、3%、5%、4%和55%。麦玉区，产量水平由低到高时，施钾过量的农户由80%降到55%，不足的由20%增至38%，各施钾等级的农户分别占25%、4%、5%、8%和57%。稻麦区，不同产量等级施钾过量的农户介于77%—94%，不足的农户介于6%—19%，各施钾等级的农户比例分别为13%、3%、3%、5%和76%。

说明，春麦区农户施肥的主要问题是钾肥投入不足，旱作、麦玉和稻麦区施钾过量的农户较多，分别占59%、65%和81%，且大多为中低产水平的农户，因此，春麦区农户应适当的增施钾肥，其他麦区钾肥减施的重点是中低产水平的农户。

图7 我国不同麦区农户施钾量在各产量等级的分布

2.6.2 农户小麦钾肥减肥潜力分析 对比农户施钾量与推荐施钾量发现（表4），各麦区不同产量水平的农户钾肥减肥潜力存在差异，春麦区需增施钾肥，且增肥量随产量提高而增加，其他3个麦区均需减施钾肥，且减钾量随产量增加而降低。春麦区，产量由低产至高产水平时，平均增施钾肥量由17.7 kg·hm-2增至38.5 kg·hm-2。旱作区，低产水平农户减钾潜力可达72.3%，产量由低产至中产水平时，平均减钾量由32.2 kg·hm-2减至1.3 kg·hm-2，当产量处于偏高和高产时，平均需增钾2.3和6.7 kg·hm-2。麦玉区，产量从低产增至高产时，平均减钾量由44.1 kg·hm-2降至14.5 kg·hm-2，整体减钾潜力25.7%。稻麦区，当农户产量由低产升至偏高产时，平均减钾量由45.9 kg·hm-2降至41.6 kg·hm-2，高产农户平均需减钾49.2 kg·hm-2，不同产量水平的农户平均减钾潜力均超过49.0%。

可见，春麦区需增施钾肥，平均需增钾22.8 kg·hm-2，旱作、麦玉和稻麦区均需减施钾肥，平均分别需减钾11.2、26.0和44.2 kg·hm-2，稻麦区减钾潜力最高可达56.0%。

表4 我国主要麦区不同产量水平农户平均施钾量和推荐的平均施钾量

3 讨论

3.1 我国主要麦区小麦产量与施肥及土壤养分的关系

对我国主要麦区小麦产量和生物量的分析表明，各麦区小麦产量波动大，33%—39%农户的小麦产量达到较高水平，小麦产量平均为6.0 t·hm-2、生物量平均为13.2 t·hm-2，两者呈极显著正相关，生物量每增加1 t，小麦产量增加0.43—0.51 t。与本研究结果相似，陕西、山西和甘肃三省的农户调研发现，生物量每增加1 t，产量增加0.4 t[32]。华北平原的田间试验发现，拔节期灌水后小麦生物量增加114%，相应的籽粒产量增加225%[54]。渭北旱塬的田间试验表明，优化施肥时期及栽培模式的小麦产量较农户施肥模式提高了6%—17%，生物量相应的增加8%—29%[55]。但在20世纪80年代，籽粒产量增加时，生物量基本维持在一定水平[56]，或者略微增加[57]，甚至是降低[58]。与之相比，近年来产量和生物量的增加主要得益于优质小麦品种的选育及施肥与田间管理技术的改善。在目前品种产量潜力普遍提高的情况下，小麦产量的进一步提高主要取决于生物量增加[59-62]。因此，优化水肥与栽培管理，提高小麦生物量，是进一步提高小麦产量的关键。

研究表明，我国各麦区农户小麦产量与氮磷钾肥施用量、土壤硝态氮、矿质态氮、有效磷、有效钾均无显著相关关系。在同一麦区，土壤养分条件接近的情况下，农户施肥量处于很低或偏低水平时，小麦产量仍可达到高产水平，当农户施肥量较高时，也有许多农户产量处于低产水平。如在旱作区，当农户施肥量低于平均水平时，有超过20%的农户产量高于5.7 t·hm-2，在春麦区，有些农户不施肥，小麦产量仍可达7.0 t·hm-2以上。可能的原因是土壤本身肥力水平较高，或长期过量施肥导致土壤养分大量累积，即使少施或不施肥的情况下，也可满足养分需求，使作物产量达到高产。不少研究表明，作物产量与施肥量呈二次抛物线或线性加平台的模型关系[63-64]，当作物产量达到最大值时，继续增施肥料，产量将不再增加甚至降低，说明过量施肥会影响作物正常生长，降低产量和品质[65]。土壤肥力是影响作物产量的关键因素[66]。本研究表明，在各麦区，当土壤养分含量低于平均水平时，仍有17%—29%的农户产量处于高产水平。其原因主要是目前我国农田土壤养分含量普遍偏高（表1，表3—5）。大量研究也表明，近年来我国农田土壤氮素盈余量逐年增加[67-69]，有效磷含量也有大幅提升[30]。对于钾肥而言，尽管目前复合肥的普及使得钾肥投入逐渐增加，但过去农户大多持有土壤钾素较丰富的观点，长期忽视钾肥投入，导致一些地区土壤钾一直处于消耗状态，如春麦区。土壤养分供应不平衡时，化肥盲目投入会加重小麦减产的风险。因此，农户施肥时，应结合土壤养分测试结果，在明确土壤养分供应能力的前提了，优化肥料养分投入，避免过量施肥。

3.2 我国主要麦区农户小麦施肥问题及减肥潜力

研究表明，我国主要麦区小麦施氮不合理现象普遍存在，其中春麦区过量施氮的农户相对较少，为34%，其次麦玉区为42%，稻麦区为55%，旱作区过量施肥农户最多，为63%，且产量越低，农户过量施氮情况越严重，如在旱作区，低产中有93%的农户过量施氮，而在产量较高的麦玉区，处于高产水平时，有74%的农户施氮不足。渭北旱塬的调研表明，旱作区有64%—69%的农户小麦施氮过量[8,47]，与本研究结果一致。也有研究发现，旱作区89%的农户小麦施氮过量[30]，较本研究结果偏高。原因主要是评价标准不一致，本文采用了曹寒冰等的方法，基于农户的产量水平高低对其施肥情况进行评价，反映了不同产量水平对养分需求的差异，较为客观。如果以一个固定的标准，如赵护兵等以120—160 kg·hm-2、刘芬等以75—105 kg·hm-2作为合适施氮量的标准[8,30]，来评价不同农户的施肥情况，忽略了农户产量不同、对养分的需求数量高低也会有差异这一问题，可能会导致对高产农户养分需求的低估，使评价结果中过量施肥的农户比例升高。我国农户过量施磷问题也比较突出，各麦区过量的农户分别占63%、87%、68%和57%，且即使产量处于高产时，仍有50%—80%的农户施磷过量。据统计，目前我国磷肥年消耗量高达729万吨，1980—2018年磷肥用量增加了167%，同期粮食产量仅增加105%[3]。不少研究表明，施磷过量会导致小麦减产[70]，这一问题应引起更多重视。我国小麦施钾情况因麦区而异，春麦区主要问题是农户施钾不足，占84%，旱作、麦玉和稻麦区过量施钾的农户较多，分别为59%、65%和81%，且大多为中低产水平的农户。春麦区施钾不足，可能与该区土壤钾较为丰富（表1），且长期受土壤不缺钾观念的影响，忽视了钾肥施用。渭北旱塬的农户调研表明，该区域有70%的农户施钾不足[47]，较本研究中41%的农户施钾不足的结果偏高，主要原因可能是近年来越来越多的农户开始施用复合肥，从而增加了钾的投入量。虽然钾肥对作物抗逆增产有着重要作用，但我国钾肥资源不足，有61.0%需要通过从国际市场进口来满足[71]，2018年我国仅氯化钾进口量即达746万吨，且钾肥（K2O）价格较高，目前均价为2.6元/kg，平均比氮肥（N）和磷肥（P2O5）高52%和14%[72-74]，过量施钾不仅增加作物生产成本，同时也会增加国家和社会的经济压力。

本文针对各麦区不同田块的产量水平、养分需求和土壤养分状况，分析评价了农户小麦的氮、磷和钾施肥问题，发现施肥过量和不足的问题因农户的产量水平高低而异。氮肥减施的重点是产量水平较低的农户，春麦区需减氮2.3—20.8 kg·hm-2，旱作区需减氮3.5—59.1 kg·hm-2，麦玉区需减氮2.1—135.5 kg·hm-2，稻麦区需减氮26.4—87.1 kg·hm-2；同时产量较高农户的施氮不足问题，也需引起重视，春麦区需增氮10.5—35.6 kg·hm-2，麦玉区需增氮29.7—70.5 kg·hm-2，稻麦区需增氮25.0 kg·hm-2。不同麦区各产量等级的农户均需减施磷肥，春麦区、旱作区、麦玉区、稻麦区平均减磷潜力分别达31.0%、55.6%、25.0%、11.6%。钾肥的问题因麦区而异，春麦区主要是施钾不足，农户平均需增施钾肥22.8 kg·hm-2，旱作、麦玉和稻麦区减钾潜力平均分别为43.2%、25.7%和56.0%，其中中低产水平农户是钾肥减施的重点。对江苏水稻的研究表明，通过优化管理等方法可将氮肥减量31%，同时实现水稻高产高效[75]，与本文研究结果类似。豫北平原小麦-玉米轮作高产区，小麦的减氮潜力高于40%，减磷潜力约40%，需增加60%左右的钾肥[76]，其钾肥潜力与本文有出入，原因可能与该文计算推荐施钾量的方法未考虑土壤供钾能力和秸秆还田带入的钾有关，故推荐钾肥用量偏高。

4 结论

不同区域连续3年的调研表明，我国主要麦区小麦平均产量6.0 t·hm-2，生物量13.2 t·hm-2，二者极显著正相关，生物量每增加1 t，小麦产量增加0.43—0.51 t，氮、磷、钾肥平均施用量分别为191.1、112.8和53.4 kg·hm-2，小麦产量与农户施肥量和表层土壤速效氮磷钾养分无显著相关关系。农户施肥状况和减肥潜力因麦区而异。总体来看，中低产农户过量施肥问题较为严重，应注意根据产量适量减少施用氮、钾肥，所有农户均需警惕磷肥过量投入问题。相对而言，春麦区过量施肥问题较轻，平均需增施氮、钾肥11.6和22.8 kg·hm-2，减施磷肥35.1 kg·hm-2；旱作区过量施氮农户高达63%，氮、磷、钾肥减施潜力分别为12.8%、55.6%和43.2%；麦玉区小麦整体产量高于其他麦区，施肥量整体也较高，低产农户氮、磷、钾肥减施潜力分别为43.6%、46.3%和57.3%，高产农户平均应增施氮肥70.5 kg·hm-2；稻麦区过量施钾问题最为严重，减钾潜力为56.0%，氮磷肥过量施用问题主要集中在中低产农田。农户应根据具体田块常年产量确定适宜的施肥量。

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Evaluation of Farmers’ Fertilizer Application and Fertilizer Reduction Potentials in Major Wheat Production Regions of China

HUANG QianNan1, DANG HaiYan1, HUANG TingMiao1, HOU SaiBin1, WANG ZhaoHui1, 2

(1College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University/Key Laboratory of Plant Nutrition and Agro-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yangling 712100, Shaanxi;2Northwest A&F University/State Key Laboratory of Crop Stress Biology in Arid Areas, Yangling 712100, Shaanxi)

【】It is of great significance to understand problems in farmers’ fertilizer application and the potential to reduce the fertilizer rates, with the purpose to realize scientific fertilizer recommendation and reasonable reduction of fertilizer input in major wheat production regions of China.【】A three-year long in-farm fertilization survey and collection of soil and plant samples were carried out to analyze and evaluate the fertilization status and fertilizer reduction potentials based on the wheat yield levels, nutrient requirement and soil nutrient supply capacities in major wheat production regions of China.【】The average wheat grain yields were significantly and linearly correlated with their biomass, with the average to be 6.0 and 13.2 t·hm-2for farmers over all the major wheat regions in China, respectively. However, the yields showed no significant correlation with the fertilizer application rates and soil nutrients, and the average application rates for nitrogen (N), phosphorus (P2O5) and potassium (K2O) were 191.1, 112.8 and 53.4 kg·hm-2, respectively. In the spring wheat region, the averages were correspondingly 171.7, 108.9 and 10.6 kg·hm-2, 154.3, 111.8 and 32.6 kg·hm-2in dryland wheat region, 236.4, 128.1 and 74.0 kg·hm-2in wheat-maize region, and 177.5, 77.0 and 71.8 kg·hm-2in rice-wheat region, respectively. For the N, there were less farmers, only 34% over applied fertilizers in the spring wheat region, and then it was 42% in wheat-maize region, 55% in rice-wheat region, and 63% in dryland wheat region, with the low-yielding farmers to be the focus of N fertilizer reduction, the reduction potential to be 43.6%, and the average N reduction of 2.3-135.5 kg·hm-2. The problems for over P fertilizer application were more obvious, with 63%, 87%, 68% and 57% of farmers to apply excessive P fertilizer respectively in the four regions. Even at the high-yielding levels, there were still more than 50% of farmers apply excessive P fertilizer, and all the farmers need to reduce their P fertilizer, with the average reduction to be 3.8-91.1 kg P2O5·hm-2, and dryland wheat region of the largest reduction potential, which was 55.6% of their current P rates. Situation for K application was variable with regions. In spring wheat region, 84% of famers applied insufficient K fertilizers, with an average of 22.8 kg·hm-2extra K2O needed to be applied. While, in dryland wheat, wheat maize and rice wheat regions, 43.2%, 25.7% and 56.0% of their current K fertilizer application should be reduced, with the low yielding farmers to be the key in K fertilizer reduction and the average reduction of 31.7-45.9 kg K2O·hm-2.【】Fertilizer application and its reduction potential were found to vary with the yields and regions for wheat farmers in China. Situation of excessive fertilization was more serious for low- and medium-yielding farmers. Application of N and K fertilizers should be reduced according to the wheat yield levels, and all farmers should pay special attention to their over P fertilizer application, and reduce the P application rates to reasonable levels. Fertilizer reduction potential was the highest in the dryland wheat region for N and P fertilizers, and in rice wheat region for K fertilizer.

wheat; yield; nitrogen fertilizer; phosphate fertilizer; potassium fertilizer; fertilizer reduction; fertilizer reduction potential

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.23.009

2020-05-30；

2020-07-31

国家现代农业产业技术体系建设专项（CARS-3）、国家重点研发计划（2018YFD0200400）

黄倩楠，E-mail：qiannan9325@163.com。党海燕，E-mail：haiyan-d@nwsuaf.edu.cn。黄倩楠与党海燕为同等贡献作者。通信作者王朝辉，E-mail：w-zhaohui@263.net

（责任编辑 李云霞）