山東省小麥?zhǔn)┓侍卣髋c評(píng)價(jià)

李健敏，趙庚星，李濤，肖楊，周雪，岳玉德

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山東省小麥?zhǔn)┓侍卣髋c評(píng)價(jià)

李健敏1，趙庚星1，李濤2，肖楊1，周雪1，岳玉德3

（1山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東泰安 271018；2山東省土壤肥料推廣總站，濟(jì)南 250100；3青州市農(nóng)業(yè)局，山東青州 262500）

【目的】進(jìn)入21 世紀(jì)，人口、資源、環(huán)境的矛盾日益突出，中國農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境面臨多個(gè)方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，施肥對(duì)環(huán)境的影響受到越來越多的關(guān)注。山東省是中國北方典型的高投入高產(chǎn)出集約農(nóng)業(yè)區(qū)，對(duì)該省施肥狀況的研究分析，對(duì)全國農(nóng)作物施肥管理具有參考借鑒作用。論文針對(duì)山東省主要糧食作物——冬小麥的施肥狀況進(jìn)行系統(tǒng)分析，旨在理清其施肥特征與問題，為冬小麥的施肥決策與管理提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā恳陨綎|省測(cè)土配方施肥項(xiàng)目數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)資料為數(shù)據(jù)源，采用調(diào)查分析與統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方法，摸清小麥?zhǔn)┓尸F(xiàn)狀及特征，并通過MATLAB建模分析建立最佳施肥模型，明確小麥?zhǔn)┓蕝?shù)?！窘Y(jié)果】2015年山東省冬小麥化肥消耗系數(shù)（）較2010年減少了5.71 %。冬小麥氮、磷、鉀肥的平均施用量高于全國平均水平，施用比例存在磷肥比重較大，鉀肥比重不足的狀況。冬小麥基肥與追肥中多元素肥料占比增加，單質(zhì)肥料占比總體減少。全省施肥總量、氮肥、磷肥的施用量呈自西向東遞減的趨勢(shì)，皆為魯西和魯北平原區(qū)最高，魯東丘陵區(qū)最低。鉀肥的施用量則與之相反。潮土地區(qū)小麥?zhǔn)┑?、磷量最高，其次為砂姜黑土、褐土和棕壤，鹽堿土區(qū)較低，鉀素的投入則以棕壤最高，其次為砂姜黑土和褐土，鹽堿土和潮土區(qū)鉀素投入量較少。氮磷鉀肥施用量與土壤全氮、有效磷和速效鉀含量之間存在一定的不匹配狀況，可適當(dāng)增加?xùn)|部丘陵區(qū)氮素用量，減少高產(chǎn)區(qū)肥料投入，增加低產(chǎn)區(qū)施肥水平。山東省以產(chǎn)量為目標(biāo)的冬小麥氮磷鉀肥最佳施用量分別為182.02、82.58和83.22 kg·hm-2，與此相比，目前氮肥、磷肥分別超25.60 kg·hm-2和37.77 kg·hm-2，鉀肥虧3.84 kg·hm-2?！窘Y(jié)論】山東省冬小麥?zhǔn)┓薁顩r正在向良性發(fā)展，但仍存在施肥量偏高，施肥方式及比例不夠合理問題。

冬小麥；施肥特征；分析評(píng)價(jià)；化肥消耗系數(shù)；山東省

0 引言

【研究意義】化肥是糧食增產(chǎn)的基礎(chǔ)，世界農(nóng)業(yè)的發(fā)展證明化肥是最快、最有效、最重要的增產(chǎn)措施[1]。中國近現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展史也充分表明，沒有化肥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的投入，便不可能有今天十幾億人口的豐衣足食?；谌硕嗟厣俚幕緡椋袊仨氃谟邢薜母厣?，進(jìn)一步提高糧食單產(chǎn)和總產(chǎn)來滿足生活、生產(chǎn)需求[2-3]。因此，隨著對(duì)糧食需求的進(jìn)一步增加，必然會(huì)增加化肥需求，但是在化肥帶來增產(chǎn)的同時(shí)，肥料的正反兩方面作用已逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，即肥料既是作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ)，又是潛在的環(huán)境污染因子，不合理施肥就可能污染環(huán)境。當(dāng)前，由于過量施肥引起了一系列的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題，施肥的增產(chǎn)效率也在逐漸下降。因此，如何通過施肥達(dá)到養(yǎng)分供應(yīng)和作物需求的時(shí)空一致性，實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)，提高化肥的養(yǎng)分利用率成為關(guān)乎資源、環(huán)境和糧食安全的重要問題[4-7]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】自20世紀(jì)80年代末以來，發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始重視化肥施用行為及其引發(fā)的農(nóng)業(yè)面源污染問題，并對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過量施肥造成的負(fù)外部性做出相應(yīng)的調(diào)整。發(fā)達(dá)國家化肥施用量呈現(xiàn)出了先快速增長(zhǎng)、達(dá)到峰值后保持穩(wěn)中有降或持續(xù)下降的趨勢(shì)，逐步走上了減肥增效、高產(chǎn)高效的可持續(xù)發(fā)展之路。DOBERMANN等[8]2002、2005和2007年對(duì)歐洲、美洲、亞洲（不含中國）和非洲850個(gè)田間試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了較全面的分析，結(jié)果表明，在小麥田間試驗(yàn)條件下，1 kg化肥氮素（N）的農(nóng)學(xué)效率為歐洲21 kg，美洲20 kg，亞洲22 kg，非洲14 kg。研究還表明化肥氮素的氣態(tài)損失和流失占施肥總量的30%—35%。LADHA等[9]的研究發(fā)現(xiàn)，全球小麥平均氮肥偏生產(chǎn)力為44 kg·kg-1，中國小麥氮肥偏生產(chǎn)力水平整體偏低，低于世界平均水平。RAUN等[10]在變量施肥提高糧食生產(chǎn)氮素利用效率的研究中發(fā)現(xiàn)，目前中國施氮量過多，氮肥利用率低于世界水平，造成氮的嚴(yán)重流失。CASSMAN等[11]對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中氮素利用效率的研究表明，從氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥利用率兩個(gè)指標(biāo)看，中國試驗(yàn)條件下的水稻、小麥和玉米氮肥利用率與世界三大作物主產(chǎn)區(qū)農(nóng)戶常規(guī)施肥和管理?xiàng)l件下的氮肥利用率平均水平相當(dāng)，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他國家和地區(qū)在試驗(yàn)條件下所得到的20—25 kg·kg-1的氮肥農(nóng)學(xué)效率和40%—60%的氮肥利用率。BOCKMAN等[1]在肥料利用率方面的研究表明，較低的肥料利用率和生產(chǎn)力會(huì)促使化肥需求增長(zhǎng)，不僅帶來極大的資源壓力，且化肥的過量施用對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)。此外，美國農(nóng)業(yè)部資料表明，美國河流、湖泊污染的60%歸因于過度施肥的徑流損失[12]。王旭等[13]對(duì)中國主要生態(tài)區(qū)小麥?zhǔn)┓试霎a(chǎn)效應(yīng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明各區(qū)域施肥量增加幅度在44.7%—131.0%，地區(qū)之間差異明顯，黃淮海區(qū)、長(zhǎng)江中下游區(qū)高于北部高原區(qū)和西北區(qū)，各區(qū)氮肥施肥量增加比重最大，占到施肥總量增加幅度的48.0%—70.0%，鉀肥用量仍然較少。譚德水等[14]對(duì)中國冬小麥?zhǔn)┓蕷v史演變及階段特征進(jìn)行了研究，得出氮肥用量偏大、氮磷鉀比例不夠合理，有機(jī)肥投入不足和施肥方法不夠科學(xué)的結(jié)論。趙護(hù)兵等[15]對(duì)西北典型區(qū)域旱地冬小麥農(nóng)戶施肥進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)氮肥施用過量，磷肥偏多和不足并存，鉀肥重視不足，化肥偏多、有機(jī)肥偏少，基肥偏多、追肥偏少等問題。常艷麗等[16]對(duì)陜西關(guān)中平原小麥-玉米輪作體系施肥現(xiàn)狀做了調(diào)查與評(píng)價(jià)，指出該地區(qū)冬小麥?zhǔn)┑窟m中農(nóng)戶占33.6%，施氮很低農(nóng)戶占3.5%，偏低農(nóng)戶占7.6%，偏高農(nóng)戶占16.8%，很高農(nóng)戶占38.5%。在減量施肥方面，趙亞南等[17]在四川盆地進(jìn)行了大田試驗(yàn)，得出與習(xí)慣施肥相比，減量施肥下肥料利用率提高，土壤磷素盈余降低，土壤氮素虧缺的結(jié)論。劉兆輝等[18]對(duì)氮肥減量施用技術(shù)及其對(duì)作物產(chǎn)量影響等的研究表明，氮肥減量施用技術(shù)在保證作物高產(chǎn)和兼顧環(huán)境友好方面有明顯作用。山東省是中國的農(nóng)業(yè)大省，也是化肥和有機(jī)肥料生產(chǎn)和消費(fèi)的大省，對(duì)山東省農(nóng)作物施肥情況的詳細(xì)調(diào)查和研究始于20世紀(jì)。馬文奇等[19]于1999對(duì)山東省糧食作物的施肥情況進(jìn)行了較為詳細(xì)的調(diào)查，得出了小麥和玉米輪作模式下化肥養(yǎng)分投入量過大的結(jié)論。在隨后的幾年里，初明光[20]和李俊良[21]等分別對(duì)山東省糧食作物化肥的投入情況和華北地區(qū)冬小麥-夏玉米輪作體系中的施肥情況進(jìn)行了調(diào)查，重點(diǎn)對(duì)農(nóng)田養(yǎng)分平衡狀況和化肥的投入品種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。2004年宋海燕等[22]通過對(duì)山東省小麥玉米輪作體系養(yǎng)分平衡研究，表明氮素、磷素處于盈余狀態(tài)，鉀素處于虧缺狀態(tài)。2006年葉優(yōu)良等[23]對(duì)山東省肥料施用狀況進(jìn)行了研究，重點(diǎn)對(duì)新中國成立以來山東省養(yǎng)分投入與產(chǎn)出情況進(jìn)行了分析。2015年劉欽普等[24]針對(duì)山東省化肥使用時(shí)空分異及潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)作出評(píng)價(jià)，指出山東省的化肥使用明顯過量，過量的化肥使用存在較為嚴(yán)重的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】總體看，前人的研究多數(shù)以田間試驗(yàn)和農(nóng)戶調(diào)查為主要研究手段，對(duì)在不同作物上化肥的分配和平衡情況、肥料在不同作物間的分配去向以及作物的投肥合理與否分析得較多。本文試圖采用統(tǒng)計(jì)資料和農(nóng)戶調(diào)查相結(jié)合的方法，從省域角度對(duì)山東省近年冬小麥養(yǎng)分投入結(jié)構(gòu)、比例、數(shù)量和平衡情況進(jìn)行系統(tǒng)分析。【擬解決的關(guān)鍵問題】通過系統(tǒng)分析，摸清山東省小麥?zhǔn)┓尸F(xiàn)狀、特征與問題，旨在為山東省小麥的施肥管理，進(jìn)一步提高肥料資源利用效率提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

山東省地處華北平原，是中國主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)之一，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明。全省年平均氣溫11—14℃，年平均降水量550—950 mm，無霜期為180—220 d。山東省位于中國自西向東三級(jí)地勢(shì)階梯中的最低一級(jí)，地貌類型主要有山地、丘陵和平原，其地勢(shì)中部高四周低，水系呈中心放射狀分布。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地貌成因和形態(tài)特征以及區(qū)域完整性，全省地貌區(qū)可分為魯西北平原區(qū)、魯中南山地丘陵區(qū)和魯東丘陵區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)（中國統(tǒng)計(jì)年鑒，2015），山東耕地灌溉面積490.19×104hm2，占全國耕地灌溉面積（6 453.95×104hm2）比重7.60%。全省化肥用量為468.08×104t，占全國化肥用量（5 995.94×104t）的7.81%?？梢?，山東省是中國北方典型的高投入高產(chǎn)出集約農(nóng)業(yè)區(qū)，該地區(qū)糧食作物一般實(shí)行一年兩熟制，其中冬小麥、夏玉米輪作是主要的輪作方式。冬小麥?zhǔn)巧綎|省播種面積最大的糧食作物，2015年山東省小麥的栽培面積（374.02×104hm2）和總產(chǎn)量（2 263.84×104t）僅次于河南（540.67×104hm2，3 329.00×104t），居全國第二位。北方冬麥區(qū)為秋季播種，需經(jīng)歷冬前出苗、分蘗、越冬、返青、起身、拔節(jié)、孕穗、抽穗、開花、灌漿，直至成熟，生育期長(zhǎng)，是需肥較多的作物之一。因此，冬小麥生產(chǎn)直接關(guān)系到山東省的糧食安全和小麥產(chǎn)區(qū)的農(nóng)業(yè)增效與農(nóng)民增收。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文研究數(shù)據(jù)來源于2015年中國統(tǒng)計(jì)年鑒、2000—2015年山東統(tǒng)計(jì)年鑒、山東省第2次全國土壤普查的部分?jǐn)?shù)據(jù)和山東省測(cè)土配方施肥項(xiàng)目。從中國統(tǒng)計(jì)年鑒和山東統(tǒng)計(jì)年鑒收集全國及山東省近幾年冬小麥種植面積、總產(chǎn)、單產(chǎn)等數(shù)據(jù)資料。山東省第2次全國土壤普查始于1979 年初，普查范圍覆蓋全省，共挖土壤剖面16.7 萬個(gè)，采集土壤比樣標(biāo)本16.7萬盒，農(nóng)化樣14.5 萬個(gè)，理化分析162.5萬項(xiàng)次[25]。山東省測(cè)土配方施肥項(xiàng)目數(shù)據(jù)包含空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩部分，空間數(shù)據(jù)包括山東省各市點(diǎn)位圖及其行政區(qū)劃圖，屬性數(shù)據(jù)包括各點(diǎn)位的土地利用類型、土壤類型、土壤養(yǎng)分含量以及氮磷鉀肥的施用量等。

1.3 研究方法

1.3.1 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析 由于樣本量較大，為保證數(shù)據(jù)的正確、可靠，本研究對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行了剔除，從而篩選出客觀有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒并結(jié)合山東省測(cè)土配方施肥項(xiàng)目數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)山東省2000—2015年部分年份的冬小麥生產(chǎn)及施肥數(shù)據(jù)，包括種植面積、產(chǎn)量、施肥種類、施肥量、施肥時(shí)期等。通過不同年份各類數(shù)據(jù)的對(duì)比，分析冬小麥氮磷鉀的施用比例、基肥與追肥投入關(guān)系、施肥次數(shù)、不同區(qū)域和土壤類型的施肥差異以及土壤養(yǎng)分與施肥量的關(guān)系，達(dá)到總結(jié)冬小麥?zhǔn)┓尸F(xiàn)狀、探究冬小麥?zhǔn)┓授厔?shì)的目的。其中化肥養(yǎng)分的計(jì)算單質(zhì)肥料按各肥料養(yǎng)分含量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，復(fù)合肥與專用肥按實(shí)際調(diào)查記錄值計(jì)算，有機(jī)肥按《中國有機(jī)肥養(yǎng)分志》折算?；世眯视没氏南禂?shù)（）反映，化肥消耗系數(shù)（）通過單位農(nóng)產(chǎn)品化肥消耗量表示[26-29]，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采用Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖。

化肥消耗系數(shù)（）的計(jì)算公式為：

式中，為化肥資源消耗系數(shù)，為年度化肥投入量，單位為kg，為糧食總產(chǎn)量，單位為kg。

1.3.2 MATLAB建模分析 通過MATLAB數(shù)據(jù)建模功能，對(duì)冬小麥產(chǎn)量與氮磷鉀肥施用量進(jìn)行相關(guān)性分析，用二次多項(xiàng)式擬合[30]，分別得到冬小麥產(chǎn)量與總施肥量及氮磷鉀肥施用量的關(guān)系模型，完成相關(guān)的定量化分析，取得最佳施肥量、最佳產(chǎn)量等相關(guān)參數(shù)。

2 結(jié)果

2.1 小麥面積、產(chǎn)量與化肥消耗

2010—2015年山東省小麥播種面積、總產(chǎn)和單產(chǎn)均實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步遞增（圖1）。2015年山東省小麥播種面積為379.98×104hm2，較2010年（356.19×104hm2）增長(zhǎng)了6.68%。2015年山東省小麥總產(chǎn)量為2 346.60×104t，較2010年（2 058.60×104t）增長(zhǎng)了13.99%。2015年山東省小麥單產(chǎn)為6176 kg·hm-2，較2010年（5 780 kg·hm-2）增長(zhǎng)了6.85%。小麥化肥消耗系數(shù)在2010—2015年呈現(xiàn)先增后減狀態(tài)，在2013年，山東省小麥化肥消耗系數(shù)達(dá)到最大值，為0.090 kg·kg-1，2015年山東省小麥化肥消耗系數(shù)則降為0.066 kg·kg-1，相比于2010年減少了5.71%。一方面，表明化肥作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一項(xiàng)重要資源，對(duì)山東省糧食增產(chǎn)起到了至關(guān)重要的作用；另一方面，山東省小麥生產(chǎn)中化肥利用效率先降低后增加，說明化肥養(yǎng)分利用效率有提高的趨勢(shì)。

2.2 小麥養(yǎng)分投入數(shù)量與比例

通過對(duì)2000年至2015年山東省小麥氮磷鉀肥平均施用量及比例（表1）統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，全省氮肥的平均施用量逐漸減少，磷肥的施用量先減后增，鉀肥的施用量逐年增加。2015年氮肥施用量較2000年減少了17.56%，磷肥施用量減少了6.81%，鉀肥施用量增加了111.68%。小麥氮磷鉀肥平均施用量高達(dá)407.35 kg·hm-2，較黃淮海小麥主產(chǎn)區(qū)平均施肥量383.00 kg·hm-2高出24.35 kg·hm-2，遠(yuǎn)高于2015年全國農(nóng)作物平均施肥量361.99 kg·hm-2，大大超出發(fā)達(dá)國家設(shè)置的225 kg·hm-2的安全施肥量上限。從各時(shí)期氮磷鉀養(yǎng)分的施用比例看，磷鉀肥養(yǎng)分的比重均有增加的趨勢(shì)，到2015年山東省小麥氮磷鉀平均施用比例為1﹕0.58﹕0.38（黃淮海小麥主產(chǎn)區(qū)比例為1﹕0.56﹕0.29），逐漸向合理的1﹕0.45﹕0.45比例靠近，但磷肥比重明顯過大，鉀肥比重尚顯不足。

圖1 2010—2015年山東省小麥面積、總產(chǎn)、單產(chǎn)及化肥消耗系數(shù)

表1 山東省小麥氮磷鉀肥平均施肥量及比例

2.3 小麥肥料投入種類與施肥時(shí)期

冬小麥不同生育時(shí)期的需肥量不同，冬前分蘗期吸收養(yǎng)分較多，越冬時(shí)吸收養(yǎng)分較少，返青后則需吸收大量養(yǎng)分，拔節(jié)到開花期是冬小麥吸收養(yǎng)分的高峰期。施足底肥，可以促進(jìn)冬小麥壯苗早發(fā)、根系生長(zhǎng)和冬前一定數(shù)量的健康分蘗，并為春后生長(zhǎng)成穗、增粒、增重打下基礎(chǔ)。返青期小麥春季分蘗開始發(fā)生，此期的施肥可鞏固冬前大分蘗，控制春季無效分蘗，保持群體穩(wěn)健發(fā)展。拔節(jié)期是冬小麥生殖生長(zhǎng)和營養(yǎng)生長(zhǎng)并進(jìn)時(shí)期，對(duì)養(yǎng)分需求量較大。

2005、2010和2015年大樣本調(diào)查小麥基肥、追肥結(jié)構(gòu)情況見表2、3、4。從表2的山東省小麥基肥投入情況看，2010年基肥以復(fù)混（合）肥、配方肥和磷酸二銨為主，復(fù)混（合）肥、配方肥用量占到了基肥總量的70.5%，磷酸二銨占10.8%，其他品種均占10%以下。與2005年相比復(fù)混（合）肥占比增加14.8%，配方肥占比增加18.3%，增幅最大。而碳酸氫銨占比減少20.2個(gè)百分點(diǎn)，減幅最大，過磷酸鈣占比減少9.6個(gè)百分點(diǎn)，磷酸二銨占比減少5.2個(gè)百分點(diǎn)，鉀肥占比減少1.6個(gè)百分點(diǎn)。

表2 山東省小麥基肥投入種類

從表3的追肥情況看，2010年以尿素、復(fù)混（合）肥和配方肥為主，部分農(nóng)民施用磷酸二銨、碳酸氫銨和其他肥料。追肥中尿素、復(fù)混（合）肥和配方肥三者用量占到了基肥總量的90.2%，其他占比稍大的品種為磷酸二銨占5.9%，其他品種均在3%以下。與2005年相比，復(fù)混（合）肥占比增加13.3%，配方肥占比增加9.5%，磷酸二銨占比增加5.0%。而尿素占比減少24.4個(gè)百分點(diǎn)，碳酸氫銨占比減少3.2個(gè)百分點(diǎn)?？梢?，與2005年相比，山東省基肥與追肥中多元素肥料占比明顯增加，單質(zhì)肥料占比總體減少。2005年山東省冬小麥基肥與追肥比例為1﹕0.21，2010年該比例變?yōu)?﹕0.42，追肥的比重明顯增加。

從表4基肥、追肥情況對(duì)比來看，超過一半的農(nóng)戶在冬小麥全生長(zhǎng)期內(nèi)只施基肥，而不追肥，基肥實(shí)物量占比高達(dá)70.68%。有44.13%的農(nóng)戶在小麥返青—起身期間進(jìn)行一次追肥，僅有4.56%的農(nóng)戶追肥二、三次。

表3 山東省小麥追肥投入種類

表4 山東省小麥基肥、追肥投入量對(duì)比

2.4 小麥?zhǔn)┓蕝^(qū)域與土壤差異

2.4.1 小麥?zhǔn)┓蕝^(qū)域差異 表5為山東省不同區(qū)域及17個(gè)地市小麥平均施肥量統(tǒng)計(jì)。17個(gè)地市中，聊城市小麥平均施氮量最高，為274.87 kg·hm-2。威海市小麥平均施氮量最低，為135.44 kg·hm-2。聊城市小麥磷肥平均施用量最高，為159.62 kg·hm-2。威海市磷肥平均施用量最低，為76.11 kg·hm-2。青島市小麥鉀肥平均施用量最高，為130.27 kg·hm-2，東營市鉀肥平均施用量最低，為48.16 kg·hm-2。從總施肥量看，聊城市施肥總量最高，為491.23 kg·hm-2；威海市施肥總量最低，為316.86 kg·hm-2。從不同區(qū)域看，氮肥施用量由低到高的順序?yàn)轸敄|地區(qū)＜魯南地區(qū)＜魯中地區(qū)＜魯中南地區(qū)＜魯西和魯北地區(qū)。磷肥施用量由低到高的順序?yàn)轸敄|地區(qū)＜魯南地區(qū)＜魯中南地區(qū)＜魯中地區(qū)＜魯西和魯北地區(qū)。鉀肥施用量由低到高的順序?yàn)轸斘骱汪敱钡貐^(qū)＜魯中地區(qū)＜魯中南地區(qū)＜魯南地區(qū)＜魯東地區(qū)?？偸┓柿坑傻偷礁叩捻樞?yàn)轸敄|地區(qū)＜魯中地區(qū)＜魯南地區(qū)＜魯中南地區(qū)＜魯西和魯北地區(qū)，可見，全省施肥總量、氮肥、磷肥的施用量呈自西向東遞減的趨勢(shì)，皆為魯西和魯北平原區(qū)最高，魯東丘陵區(qū)最低。鉀肥的施用量則與之相反，魯西和魯北平原區(qū)最低，魯東丘陵區(qū)最高。

2.4.2小麥?zhǔn)┓实耐寥李愋筒町?圖2、3為山東省5種主要土壤類型的小麥產(chǎn)量及其施肥情況?？梢钥闯?，潮土地小麥平均產(chǎn)量最高，為6 717.45 kg·hm-2，其次為褐土、砂姜黑土和棕壤，鹽堿土小麥平均產(chǎn)量最低，為6 164.92 kg·hm-2。不同土壤類型農(nóng)戶氮、磷、鉀肥投入差異較大，從調(diào)查的樣本看，各土壤類型中小麥?zhǔn)┑科毡槠?。潮土地區(qū)的小麥?zhǔn)┑扛哌_(dá)238.80 kg·hm-2，其次為砂姜黑土、褐土和棕壤，鹽堿土區(qū)小麥?zhǔn)┑枯^低，為180.03 kg·hm-2。各調(diào)查區(qū)小麥磷素投入量表現(xiàn)為中等偏高，其中以潮土地區(qū)最高，為130.85 kg·hm-2，其次為褐土、砂姜黑土和棕壤，鹽堿土區(qū)相對(duì)較低，為100.96 kg·hm-2。鉀素的投入情況則以棕壤最高，其次為砂姜黑土和褐土，鹽堿土和潮土區(qū)鉀素投入量較少，潮土區(qū)只有64.89 kg·hm-2。

總體看，小麥產(chǎn)量較高的土壤類型其氮磷肥的投入水平也相應(yīng)較高，反映了施肥對(duì)小麥產(chǎn)量提高的作用。

表5 山東省不同區(qū)域及17個(gè)地市小麥平均施肥量（2015年）

2.5 小麥?zhǔn)┓逝c土壤養(yǎng)分

2.5.1按不同區(qū)域 圖4為魯東丘陵區(qū)、魯中南山地丘陵區(qū)和魯西北平原區(qū)3個(gè)區(qū)域內(nèi)土壤全氮、有效磷、速效鉀與對(duì)應(yīng)的氮磷鉀肥施用量情況。可以看出，魯東丘陵區(qū)土壤全氮含量最低，對(duì)應(yīng)施氮量也最少，可適當(dāng)增加氮肥的施用量，補(bǔ)充和提升土壤氮素含量水平。魯中南山地丘陵區(qū)、魯西北平原區(qū)土壤全氮含量與施氮量關(guān)系則相對(duì)合理。魯東丘陵區(qū)和魯中南山地丘陵區(qū)土壤有效磷含量較高，對(duì)應(yīng)的施磷量較低，而魯西北平原區(qū)土壤有效磷含量最低，對(duì)應(yīng)的施磷量最高。因此，就土壤有效磷含量與施磷量而言，3個(gè)地區(qū)均呈現(xiàn)較為合理的狀態(tài)。從鉀素看，魯東丘陵區(qū)的土壤速效鉀含量較低而施鉀量較高，魯中南山地丘陵區(qū)和魯西北平原區(qū)的土壤速效鉀含量較高而施鉀量相對(duì)較低，鉀肥的施用總體合理。由此看，就與土壤養(yǎng)分含量的關(guān)系而言，目前山東省除東部丘陵區(qū)氮素外，磷鉀肥的施用基本合理。

2.5.2按土壤類型 圖5為山東省棕壤、褐土和潮土3種主要土壤類型全氮、有效磷、速效鉀與對(duì)應(yīng)的氮磷鉀肥施用量情況?？梢钥闯?，棕壤區(qū)全氮含量與施氮量皆為最低，故棕壤區(qū)施氮量偏少。該區(qū)有效磷含量最高，速效鉀含量最低，而施磷量最低，施鉀量最高，磷鉀施用較為合理。褐土區(qū)土壤氮磷鉀含量相對(duì)較高，其各自的施肥量相對(duì)較低，基本合理；潮土區(qū)土壤全氮、有效磷含量較低而速效鉀含量最高，該區(qū)施氮、磷量最高而鉀最低，均較為合理?？梢?，就土壤有效磷、速效鉀與對(duì)應(yīng)的施肥量而言，3種土壤類型均呈現(xiàn)較為合理的狀態(tài)。

圖2 2015年山東省不同土壤類型小麥平均產(chǎn)量

圖3 2015年山東省不同土壤類型小麥平均施氮量、施磷量和施鉀量

2.5.3 按小麥產(chǎn)量水平 將山東省小麥種植區(qū)按照小麥產(chǎn)量劃分為高產(chǎn)區(qū)、中產(chǎn)區(qū)和低產(chǎn)區(qū)。圖6為不同產(chǎn)量水平下土壤全氮、有效磷、速效鉀與對(duì)應(yīng)的氮磷鉀肥施用量情況。可以看出，除中產(chǎn)區(qū)有效磷含量略高于高產(chǎn)區(qū)外，土壤全氮、速效鉀含量均呈現(xiàn)由高產(chǎn)區(qū)到低產(chǎn)區(qū)逐漸減少的狀況。同時(shí)，氮磷鉀的施肥量也從高產(chǎn)區(qū)到低產(chǎn)區(qū)逐漸減少。整體表現(xiàn)為高產(chǎn)區(qū)—高土壤養(yǎng)分含量—高化肥投入，低產(chǎn)區(qū)—低土壤養(yǎng)分含量—低化肥投入的不合理狀態(tài)。應(yīng)適當(dāng)減少高產(chǎn)區(qū)肥料投入，增加低產(chǎn)區(qū)施肥水平。

據(jù)此分析，雖然近年來山東省耕層土壤養(yǎng)分含量水平有所提高，但由于不同區(qū)域、土壤類型及耕作管理水平的差異，施肥結(jié)構(gòu)仍不盡合理，用地與養(yǎng)地未能更有效結(jié)合，土壤肥力仍有較大提升空間。

圖4 2015年山東省不同區(qū)域土壤養(yǎng)分含量與施 肥量

Fig. 4 The soil nutrient content and fertilizing amount in different regions in Shandong Province in 2015

圖5 2015年山東省不同土壤類型養(yǎng)分含量與施 肥量

圖6 2015年山東省不同產(chǎn)量水平下土壤養(yǎng)分含量與施肥量

Fig. 6 The soil nutrient content and fertilizing amount under different yield levels in Shandong Province in 2015

2.6 小麥最佳施肥模型

2.6.1產(chǎn)量—施肥模型 設(shè)W=f(n, p, k)是小麥的產(chǎn)量與3種肥料施肥量之間的函數(shù)，用二次多項(xiàng)式擬合該函數(shù)，分別得到山東省小麥產(chǎn)量與總施肥量及與氮、磷、鉀肥投入量的關(guān)系模型。

山東省小麥產(chǎn)量與施肥總量的關(guān)系模型為：

=-0.33432+17.9233+352.9192

模型2為0.8337，達(dá)到了高度相關(guān)水平，說明化肥的施用很好的促進(jìn)了小麥的增產(chǎn)。由模型得到的全省最佳施肥總量為402.11 kg·hm-2，最高產(chǎn)量為8 897.34 kg·hm-2。目前山東省氮磷鉀肥施用總量為407.35 kg·hm-2，超出最佳施肥總量5.24 kg·hm-2。

表6為山東省不同地區(qū)小麥產(chǎn)量與氮、磷、鉀肥投入量關(guān)系模型及最佳施肥量、產(chǎn)量情況。全省不同地區(qū)的施肥模型2范圍在0.8105—0.8221之間，均達(dá)到了高度相關(guān)水平。最佳施肥量方面，魯東地區(qū)氮肥、磷肥的最佳施肥量最低，而鉀肥的最佳施肥量最高。魯西北地區(qū)氮肥、磷肥的最佳施肥量最高，而鉀肥最佳施肥量最低。魯中南地區(qū)最佳施肥量介于二者之間。最佳施肥總量由低到高順序?yàn)?，魯東地區(qū)＜魯中南地區(qū)＜魯西北地區(qū)，最佳產(chǎn)量順序與該順序一致。

表6 山東省不同地區(qū)施肥模型、最佳施肥量及產(chǎn)量

模型中的N為施氮量；P為施磷量；K為施鉀量

N is the N fertilizer consumption; P is the P fertilizer consumption; K is the K fertilizer consumption

2.6.2 以產(chǎn)量為目標(biāo)的最佳施肥量 基于產(chǎn)量—施肥量模型，全省小麥最高產(chǎn)目標(biāo)下的施肥水平可歸結(jié)為求函數(shù)() 的最大值。當(dāng)N、P和K的取值分別是，N=182.02，P=82.58，K=83.22時(shí)，冬小麥的產(chǎn)量最高，最大值為9 444.19 kg·hm-2。與當(dāng)前的全省平均施肥水平相比，全省氮肥、磷肥均施用過量，分別超25.60 kg·hm-2和37.77 kg·hm-2，產(chǎn)生肥料資源浪費(fèi)，而鉀肥施用量略有不足。

2.6.3以效益為目標(biāo)的最佳施肥量 當(dāng)小麥的售價(jià)是a（元/kg），氮肥、磷肥和鉀肥的售價(jià)分別為b1，b2，b3（元/kg），氮肥、磷肥和鉀肥的施用量分別是N、P、K（kg·hm-2）時(shí)，小麥的產(chǎn)量是f(N, P, K)。于是單位面積小麥因施肥所增加的收益M為：

M=[f(N, P, K)-f(0, 0, 0)]×a-(b1N+b2P+b3K)

模型歸結(jié)為確定N、P、K的值，使函數(shù)M達(dá)到最大值。2015—2017年山東省小麥價(jià)格穩(wěn)定在2.40—2.70（元/kg），氮、磷、鉀肥價(jià)格則穩(wěn)定在1.7—2.0（元/kg），用微分法可求得氮、磷、鉀肥的施用量分別為153.32、78.53和75.32 kg·hm-2。從求解的結(jié)果可以看出，以效益為目標(biāo)的最佳施肥量低于以產(chǎn)量為目標(biāo)的最佳施肥量，但除氮素外磷鉀相差不大，故可以用以產(chǎn)量為目標(biāo)的最佳施肥量指導(dǎo)施肥。事實(shí)上，農(nóng)民在對(duì)農(nóng)作物施肥時(shí)，都是以產(chǎn)量最大化為目標(biāo)考慮施肥，較少系統(tǒng)考慮效益成本。

3 討論

3.1 山東冬小麥生產(chǎn)潛力

從調(diào)查分析結(jié)果來看，2015年山東省冬小麥化肥消耗系數(shù)比2010年減少了5.71%。播種面積增加了6.68%，總產(chǎn)量增加了13.99%，單產(chǎn)只提高了6.85%，因此山東省小麥生產(chǎn)還需在提高化肥利用效率和單產(chǎn)等方面加大技術(shù)研究與示范推廣。如魯西黃灌區(qū)土壤肥力不均，存在一定面積的鹽堿地和荒地，該區(qū)在擴(kuò)大種植面積和提高單產(chǎn)方面均有較大的潛力，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)土壤改良和地力培肥。此外，近幾年山東省重點(diǎn)推廣了小麥精量半精量播種技術(shù)、小麥寬幅精播高產(chǎn)栽培技術(shù)、小麥冬春控旺防凍防倒技術(shù)、小麥深松少免耕鎮(zhèn)壓節(jié)水栽培技術(shù)、小麥生育后期“一噴三防”技術(shù)等，這些技術(shù)都具備增產(chǎn)5%以上的潛力，對(duì)山東省小麥增產(chǎn)發(fā)揮了重要作用[31]。但是目前部分新技術(shù)應(yīng)用面積增長(zhǎng)幅度較慢，仍有較大潛力可挖。

3.2 化肥施用與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

中國肥料的當(dāng)季利用率普遍很低，僅為30%。其中氮肥為30%—35%，磷肥為10%—25%，鉀肥為35%—50%，不僅遠(yuǎn)低于歐美發(fā)達(dá)國家60%—70%的水平，且近年來還有下降的趨勢(shì)[32-35]。研究發(fā)現(xiàn)，山東省冬小麥追肥比例上升明顯，且多元素肥料占比增加，但多數(shù)農(nóng)戶仍采用表施和撒施，或隨大水漫灌沖施，造成大量養(yǎng)分揮發(fā)和淋洗流失。同時(shí)，由于氮磷肥料的集中過量施用，使土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致營養(yǎng)失調(diào)、土壤酸化、污染風(fēng)險(xiǎn)加大[36]。目前，山東省屬于重度化肥面源污染（400 kg·hm-2＜a≤500 kg·hm-2）的8個(gè)地區(qū)之一[37]，既浪費(fèi)了化肥資源，增加了生產(chǎn)成本，又使環(huán)境嚴(yán)重污染。

3.3 施肥不平衡與有機(jī)肥投入

研究發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)及土壤類型小麥?zhǔn)┓柿坎町愝^大。總體看，磷/氮值經(jīng)過近些年的調(diào)整基本趨于合理，而鉀/氮值一直較低，存在一定程度的施肥不平衡現(xiàn)象。其中魯東丘陵區(qū)施氮量偏低，該地區(qū)以棕壤為主，全氮平均含量較低，為0.84 g·kg-1（第Ⅳ等級(jí)）。對(duì)于棕壤等酸性土壤，可施加硝酸鈣、硝酸鈉等堿性或生理堿性的氮肥進(jìn)行調(diào)控。此外，基于有機(jī)質(zhì)含量與土壤氮肥含量的正相關(guān)關(guān)系，可通過增施有機(jī)肥達(dá)到調(diào)控氮肥的目的。據(jù)衛(wèi)星遙感分析，山東省小麥高、中、低產(chǎn)田的比例分別為54.3%、30.5%和15.2%[38]，目前中低產(chǎn)田的面積仍占小麥總種植面積近50%，嚴(yán)重制約小麥單產(chǎn)的進(jìn)一步提高。需進(jìn)一步加大中低產(chǎn)田改造力度，擴(kuò)大秸稈還田面積，增加有機(jī)肥投入，不斷提高土壤肥力，擴(kuò)大高產(chǎn)田面積。另外，發(fā)達(dá)國家的歷史經(jīng)驗(yàn)表明，有機(jī)養(yǎng)分占農(nóng)田養(yǎng)分總投入比例在50%時(shí)，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量目標(biāo)、品質(zhì)目標(biāo)與環(huán)境目標(biāo)更加協(xié)調(diào)，農(nóng)業(yè)發(fā)展健康可持續(xù)[37]。而根據(jù)對(duì)山東省38個(gè)縣7.8萬個(gè)農(nóng)戶的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，小麥田有機(jī)養(yǎng)分投入占比僅為24.9%，與此同時(shí)大量有機(jī)肥資源白白浪費(fèi)。因此，政府部門應(yīng)制定有效的政策措施，使肥料資源的分配更加合理化，同時(shí)應(yīng)繼續(xù)落實(shí)穩(wěn)氮控磷增鉀方針，大力發(fā)展機(jī)制靈活、方便的智能配肥企業(yè)，提高肥料復(fù)合化率和配方肥比重。針對(duì)具體農(nóng)戶和地塊，應(yīng)推廣科學(xué)施肥技術(shù)、秸稈還田技術(shù)、增施有機(jī)肥等，增加有機(jī)養(yǎng)分的投入比重。

盡管科學(xué)施肥技術(shù)已推廣多年，但大多數(shù)農(nóng)民科學(xué)施肥意識(shí)和水平仍有待提高。在選用肥料品種、施肥時(shí)期及數(shù)量上存在盲目性，不注意考慮土壤條件、肥力水平和作物需肥特性，憑習(xí)慣或從眾購肥與施肥。在認(rèn)識(shí)上，認(rèn)為養(yǎng)分含量越高越好，趨同性的選購3個(gè)15%或40%以上高濃度肥料，盲目排斥中低濃度復(fù)混肥、普鈣、鈣鎂磷等。在施肥行為上，視高產(chǎn)為高效，為確保高產(chǎn)，不少農(nóng)戶施肥嚴(yán)重過量，這與馬文奇等的研究結(jié)果相一致[19]。

配方肥、緩控釋肥是測(cè)土施肥技術(shù)的載體，但推廣進(jìn)度較慢，應(yīng)適時(shí)啟動(dòng)緩控釋肥肥料應(yīng)用補(bǔ)貼試點(diǎn)，同時(shí)對(duì)配方肥應(yīng)用實(shí)行補(bǔ)貼。對(duì)經(jīng)過有關(guān)部門認(rèn)定的配方肥、緩控釋肥生產(chǎn)企業(yè)，可以在稅收、貸款、運(yùn)費(fèi)等方面給予優(yōu)惠，加大對(duì)配方肥、緩控釋肥等新產(chǎn)品的推廣扶持力度。

4 結(jié)論

4.1 山東省冬小麥化肥消耗系數(shù)有所減小；磷肥比重依然過大，鉀肥比重尚顯不足。

4.2 基肥與追肥中多元素肥料占比增加，追肥比例明顯提高。

4.3 冬小麥?zhǔn)┓士偭俊⒌屎土追适┯昧砍首晕飨驏|遞減的趨勢(shì)，鉀肥則與之相反；氮肥、磷肥投入以潮土區(qū)最高，鹽堿土地區(qū)最低，鉀肥投入以棕壤區(qū)最高，鹽堿土和潮土區(qū)較低。

4.4 魯東丘陵區(qū)及棕壤區(qū)氮肥投入較全氮含量偏少；在不同產(chǎn)量水平下則表現(xiàn)為高產(chǎn)區(qū)—高土壤養(yǎng)分含量—高化肥投入，低產(chǎn)區(qū)—低土壤養(yǎng)分含量—低化肥投入的不合理狀態(tài)。

4.5 與理論最佳產(chǎn)量施肥量相比，當(dāng)前氮肥、磷肥投入超量，而鉀肥投入不足；最佳施肥總量由低到高順序?yàn)椋敄|地區(qū)＜魯中南地區(qū)＜魯西北地區(qū)，最佳產(chǎn)量順序與之相同。

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（責(zé)任編輯 李云霞）

The Characteristics and Evaluation of Wheat Fertilization in Shandong Province

Li JianMin1, ZHAO GengXing1, LI Tao2, XIAO Yang1, ZHOU Xue1, YUE YuDe3

(1College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Tai'an 271018, Shandong;2Soil and Fertilizer Extension Station of Shandong Province, Ji'nan 250100;3Qingzhou Agricultural Bureau, Qingzhou 262500, Shandong)

【Objective】Entering the 21st century, the contradiction of population, resources and environment is becoming more and more prominent, and Chinese agriculture is facing a serious challenge in many aspects. Shandong province is a typical intensive agricultural area of high investment and high output in northern China. The agricultural development in Shandong province has set a template for other provinces. The research and analysis of the fertilization status in this province can play a certain role of predictive and early warning in the management of crop fertilization in the whole country. This study analyzed the fertilization status of winter wheat in Shandong province, aiming to provide scientific basis for the macro management of winter wheat fertilization, which has practical and wide significance.【Method】The fertilization status and characteristics of wheat were clarified by using investigation analysis and statistics analysis based on the data and statistics of Soil Testing Formula Applying Fertilizer Project in Shandong province. Then the optimal fertilization model was established and the fertilization parameters of wheat were identified with MATLAB modeling and analysis.【Result】In 2015, fertilizer expend coefficient () of winter wheat in Shandong Province declined 5.71% compared to 2010. The average fertilizer amount of nitrogen, phosphorus and potassium in winter wheat was higher than the national average. The proportion of phosphate fertilizer was excessive and the proportion of potassium fertilizer was inadequate. The multi-element fertilizer ratio of basal and topdressing in winter wheat was increased, while the straight fertilizer ratio was decreased. For the total provincial fertilization, nitrogen and phosphorus were declined from west to east; the western and northern plain of Shandong were the highest; the eastern hilly area of Shandong Province was the lowest; the potassium was on the contrary. The nitrogen and phosphorus fertilization were the highest in fluvo-aquic soil, followed by Shajiang black soil, cinnamon soil and brown soil; saline-alkali soil was at a lower rate; potassium fertilization was the highest in brown soil, followed by Shajiang black soil and cinnamon soil; saline-alkali soil and fluvo-aquic soil were at a lower rate. There is a mismatching situation between NPK fertilization and total N, available P, rapidly available K. It could appropriately increase the amount of nitrogen in the eastern hilly area, reduce fertilization input in the high-yield area, and increase fertilization input in low-yield area. With the target of yield, the optimal fertilization application of nitrogen, phosphorus and potassium for winter wheat was 182.02, 82.58 and 83.22 kg·hm-2, respectively,in Shandong province. By contrast, the nitrogen and phosphorus were overstepped 25.60 kg·hm-2and 37.77 kg·hm-2, respectively. And potassium was short of 3.84 kg·hm-2.【Conclusion】The present situation of winter wheat fertilization in Shandong province is making the benign developments. But there still exist many problems, such as the amount of fertilizer is too high and the way and proportion of fertilization are not reasonable. The results of this research have positive significance to rational fertilization, resources conservation and environmental protection of winter wheat in Shandong province.

winter wheat; fertilization characteristics; analysis and evaluation; fertilizer expend coefficient; Shandong Province

2017-10-10；

2018-01-28

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃（2015BAD23B0202）、“雙一流”獎(jiǎng)補(bǔ)資金（SYL2017XTTD02）

李健敏，Tel：18854807502；E-mail:ljm18854807502@163.com。

趙庚星，Tel：13345283157；E-mail:zhaogx@sdau.edu.cn