中國(guó)馬鈴薯不同產(chǎn)區(qū)氮肥利用率的比較分析

于 靜熊興耀高玉林王貴江王萬(wàn)興呂和平朱杰華石 瑛

楊艷麗8湯 浩9董道峰10樊明壽1*

（1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018；2 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部薯類作物生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，北京 100193；4 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150086；5 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院馬鈴薯研究所，甘肅蘭州 730070；6 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，河北保定 071001；7 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030；8 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，云南昆明 650201；9 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，福建福州 350013；10 山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所，山東濟(jì)南 250100）

據(jù)國(guó)際馬鈴薯中心預(yù)測(cè)，未來(lái)20 a 為滿足人口增長(zhǎng)和社會(huì)發(fā)展還需要增加1 億t 糧食，其中50%的糧食產(chǎn)能需要通過(guò)馬鈴薯增產(chǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn) （https：//cipotato.org/crops/potato/）。馬鈴薯具有豐產(chǎn)性好、適應(yīng)性強(qiáng)、耐干旱等特點(diǎn)，即使在高海拔、耕地質(zhì)量較差的區(qū)域也有分布，具有不與其他主糧作物爭(zhēng)地的優(yōu)勢(shì)，在全國(guó)各地區(qū)均有栽培。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食與農(nóng)業(yè)組織（FAO）統(tǒng)計(jì)，2017 年我國(guó)馬鈴薯單產(chǎn)為17 t · hm-2，僅為世界平均水平的88%，遠(yuǎn)低于荷蘭、新西蘭、美國(guó)、德國(guó)等具有先進(jìn)栽培技術(shù)的國(guó)家（＞40 t · hm-2）。可見(jiàn)我國(guó)馬鈴薯種植單產(chǎn)存在極大的增長(zhǎng)空間。馬鈴薯是一種對(duì)肥料需求量較大的作物，業(yè)界普遍認(rèn)為肥料投入，尤其是氮肥施用決定馬鈴薯的產(chǎn)量高低（Goffart et al.，2008），因此生產(chǎn)中非常重視氮肥的施用，導(dǎo)致氮肥過(guò)量施用現(xiàn)象較為普遍（陳楊 等，2012；韓鵬杰 等，2019）。相比于三大主糧作物，淺根系的馬鈴薯植株不易吸收根層以下的肥料，造成肥料利用率下降、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)增加。以我國(guó)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)之一內(nèi)蒙古為例，在1950～2000 年間馬鈴薯氮肥利用率下降了40%（戴慶林 等，2000）。目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“減肥減藥”已成為國(guó)家戰(zhàn)略，馬鈴薯的減肥增效勢(shì)在必行。本文通過(guò)問(wèn)卷調(diào)研及文獻(xiàn)檢索相結(jié)合的方法，分析了我國(guó)6 個(gè)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)的氮肥利用現(xiàn)狀，以期為馬鈴薯減施化肥、節(jié)本增效提供合理的施肥依據(jù)。

1 調(diào)查方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

為了分析全國(guó)馬鈴薯的氮肥利用狀況，2017～2018 年在東北區(qū)、華北區(qū)、西北區(qū)、西南區(qū)、中原區(qū)、華南區(qū)等6 個(gè)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)進(jìn)行隨機(jī)調(diào)查，其中東北區(qū)包含黑龍江省、內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部，華北區(qū)包含山西省、河北省和內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，西北區(qū)包含寧夏回族自治區(qū)、甘肅省、青海省、陜西省，西南區(qū)包含貴州省、云南省、四川省，中原區(qū)包含安徽省、山東省、湖北省，華南區(qū)包含福建省、湖南省、廣東省、江西省。調(diào)查對(duì)象為合作社、小農(nóng)戶等，共收回有效問(wèn)卷311 份。

調(diào)查內(nèi)容：馬鈴薯產(chǎn)量、化肥投入量（以N、P2O5、K2O 計(jì)）、基肥量、追肥次數(shù)、復(fù)合肥配方等。此外，以氮肥利用率、馬鈴薯、產(chǎn)量、氮肥施用量為關(guān)鍵詞搜索相關(guān)文獻(xiàn)59 篇。將以上文獻(xiàn)獲得的數(shù)據(jù)與調(diào)研數(shù)據(jù)匯總后進(jìn)行馬鈴薯氮肥偏生產(chǎn)力 分析。

1.2 分析計(jì)算方法

國(guó)際農(nóng)學(xué)界通用的氮肥偏生產(chǎn)力是指單位投入的肥料氮所能生產(chǎn)的作物產(chǎn)量，即 PFPN=Y/F，Y為施肥后所獲得的作物產(chǎn)量，F(xiàn) 代表化肥的投入量；偏生產(chǎn)力的獲得無(wú)需空白對(duì)照的設(shè)置及養(yǎng)分吸收量的測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 我國(guó)馬鈴薯化肥施用現(xiàn)狀

從表1 可以看出，全國(guó)馬鈴薯生產(chǎn)每667 m2平均投入N 24.9 kg、P2O519.7 kg、K2O 18.9 kg，每667 m2化肥（純養(yǎng)分）總投入63.5 kg，其中中原區(qū)和華南區(qū)化肥總投入超過(guò)70 kg，是全國(guó)馬鈴薯施肥量較大的區(qū)域，而西南區(qū)施肥量最少，化肥總投入為48.6 kg。各產(chǎn)區(qū)肥料投入占比分別為N 29%～46%，P2O525%～40%，K2O 17%～36%。其中，華北區(qū)、西北區(qū)、中原區(qū)、華南區(qū)的氮肥施用量在26.3～31.4 kg · （667 m2）-1之間，占總施肥量的比例均在36%以上，西北區(qū)甚至高達(dá)43%。東北區(qū)不僅施用化肥總量較少，而且氮肥占比也較低，平均為15.2 kg · （667 m2）-1，占總施肥量的29%。雖然西南區(qū)的氮肥施用量也較低，平均為20.2 kg · （667 m2）-1，但占總施肥量的比例較高，為42%。

2.2 馬鈴薯不同生育期氮肥的分配

由表2 可知，我國(guó)6 個(gè)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)中華南區(qū)基肥中氮肥占比最低，僅占29%；西北區(qū)占比最高，為47%以上。

由于種植模式的差異，各產(chǎn)區(qū)追施氮肥次數(shù)不同，東北區(qū)、華北區(qū)馬鈴薯氮肥追施次數(shù)較多，最高達(dá)8 次；追施氮肥較少的地區(qū)為西北區(qū)、中原區(qū)和華南區(qū)，不超過(guò)3 次。馬鈴薯生產(chǎn)中追肥多施用復(fù)合肥，但不同產(chǎn)區(qū)施用的復(fù)合肥配方差異較大，其中西北區(qū)不同馬鈴薯種植戶至少施用13 種配方的復(fù)合肥（表2）。

表1 我國(guó)6 個(gè)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)肥料投入情況比較

表2 我國(guó)6 個(gè)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)氮肥的基施、追施情況

2.3 馬鈴薯的氮肥偏生產(chǎn)力分析

通過(guò)計(jì)算得出全國(guó)6 個(gè)主產(chǎn)區(qū)馬鈴薯的氮肥偏生產(chǎn)力（圖1），不同產(chǎn)區(qū)氮肥偏生產(chǎn)力存在較大差異，由高到低依次為：東北區(qū)（184 kg · kg-1）＞西南區(qū)（110 kg · kg-1）＞中原區(qū)（104 kg · kg-1）＞華南區(qū)（99 kg · kg-1）＞西北區(qū)（95 kg · kg-1）＞華北區(qū)（84 kg · kg-1）。東北區(qū)馬鈴薯氮肥偏生產(chǎn)力是氮肥偏生產(chǎn)力最低的華北區(qū)的2.2 倍。

將氮肥偏生產(chǎn)力分為8 個(gè)等級(jí)，計(jì)算6 個(gè)王產(chǎn)區(qū)每個(gè)等級(jí)下PFPN 的樣本百分比，可以了解目前馬鈴薯PFPN 的樣本分布頻率。由圖2-a 可知，75.2%的農(nóng)戶田塊PFPN ＜150 kg · kg-1，20.3%的農(nóng)戶田塊PFPN 為150～250 kg · kg-1，僅有4.5%的農(nóng)戶田塊PFPN ＞250 kg · kg-1?？梢?jiàn)，我國(guó)馬鈴薯生產(chǎn)中氮肥偏生產(chǎn)力偏低，有較高的提升空間。

圖1 不同馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)的氮肥偏生產(chǎn)力比較

圖2 氮肥減施前后全國(guó)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)的氮肥偏生產(chǎn)力構(gòu)成比較

馬鈴薯生產(chǎn)中的化肥減施增效可通過(guò)保持產(chǎn)量不降低，減少氮肥施用量的方法實(shí)現(xiàn)。按照國(guó)家雙減計(jì)劃目標(biāo)要求，在產(chǎn)量不變的情況下，減少17%的氮肥投入，即可提高PFPN。PFPN 提高后，全國(guó)范圍內(nèi)PFPN ＜150 kg · kg-1的農(nóng)戶減少了18.0個(gè)百分點(diǎn)，PFPN 介于150～250 kg · kg-1之間的農(nóng)戶增加了12.8 個(gè)百分點(diǎn)，PFPN ＞250 kg · kg-1的農(nóng)戶增加了5.3 個(gè)百分點(diǎn)（圖2-b）。

2.4 氮肥施用量對(duì)氮肥偏生產(chǎn)力的影響

氮肥施用量與PFPN 呈顯著冪函數(shù)關(guān)系。氮肥施用量較低時(shí)，PFPN 變異較大，不同農(nóng)戶高、低PFPN 可相差2～3 倍；氮肥施用量相對(duì)較高時(shí)，農(nóng)戶PFPN 均維持在較低水平（圖3）。因此，氮肥施用量高是目前導(dǎo)致馬鈴薯生產(chǎn)中PFPN 低的關(guān)鍵因素之一。

2.5 馬鈴薯產(chǎn)量對(duì)氮肥偏生產(chǎn)力的影響

圖3 不同氮肥施用量與氮肥偏生產(chǎn)力的關(guān)系

由圖4 可知，我國(guó)6 個(gè)主產(chǎn)區(qū)馬鈴薯平均產(chǎn)量為2 230～2 823 kg · （667 m2）-1。不同產(chǎn)區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量水平差異較大，由高到低依次為東北區(qū)＞西北區(qū)＞華北區(qū)＞華南區(qū)＞中原區(qū)＞西南區(qū)。將產(chǎn) 量＞2 500 kg · （667 m2）-1的農(nóng)戶定義為高產(chǎn)農(nóng) 戶，＜2 500 kg · （667 m2）-1的定義為低產(chǎn)農(nóng)戶。與低產(chǎn)農(nóng)戶相比，高產(chǎn)農(nóng)戶的施氮量相對(duì)較高 （圖5）。

將馬鈴薯產(chǎn)量分為4 個(gè)等級(jí)，分別為＜2 000 kg · （667 m2）-1、2 000～2 500 kg · （667 m2）-1、2 500～3 000 kg · （667 m2）-1、 ＞3 000 kg · （667 m2）-1。4 個(gè)產(chǎn)量水平的平均氮肥偏生產(chǎn)力分別為112、103、138、178 kg · kg-1。當(dāng)馬鈴薯產(chǎn)量＞3 000 kg · （667 m2）-1時(shí)，變異系數(shù)最大，隨著產(chǎn)量水平的下降，變異系數(shù)呈降低趨勢(shì)（圖6）。

圖4 不同馬鈴薯產(chǎn)區(qū)的產(chǎn)量變化

圖5 不同種植戶施氮量的差異

圖6 馬鈴薯產(chǎn)量與氮肥偏生產(chǎn)力的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

目前，表征肥料利用率的參數(shù)較多，如養(yǎng)分回收率、農(nóng)學(xué)利用率、生理利用率、偏生產(chǎn)力等。其中養(yǎng)分回收率和農(nóng)學(xué)利用率的計(jì)算需要設(shè)置無(wú)肥區(qū)，應(yīng)用起來(lái)較為不便；生理利用率表征植物體內(nèi)養(yǎng)分的利用率，使用也有局限性。由于生產(chǎn)中不可能設(shè)置無(wú)肥區(qū)，即調(diào)查數(shù)據(jù)沒(méi)有空白對(duì)照，因此選擇氮肥偏生產(chǎn)力（PFPN）作為本文評(píng)價(jià)肥料效應(yīng)的指標(biāo)。

從整體來(lái)看，目前我國(guó)馬鈴薯不僅產(chǎn)量低于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，而且氮肥偏生產(chǎn)力遠(yuǎn)不及德國(guó)、美國(guó)、荷蘭等馬鈴薯生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)。本文中數(shù)據(jù)分析表明氮肥施用量較高的區(qū)域往往氮肥偏生產(chǎn)力相對(duì)較低，過(guò)量施肥是氮肥偏生產(chǎn)力低的主要原因之一。這與張福鎖等（2008）對(duì)于小麥、玉米、水稻三大糧食作物的研究結(jié)果一致，他們認(rèn)為施肥過(guò)量是我國(guó)肥料利用效率低的最主要原因。仲乃琴等（2018）在寧夏馬鈴薯田塊利用15N 示蹤技術(shù)測(cè)定尿素利用率僅為20.5%，僅為美國(guó)主要糧食作物氮肥利用率的1/2，造成這種差距的主要原因同樣是過(guò)量施肥。因此合理減施氮肥是目前我國(guó)馬鈴薯生產(chǎn)的重要目標(biāo)。

復(fù)合肥在馬鈴薯生產(chǎn)中起到重要的作用，約占肥料支出的50%，已登記的配方超過(guò)3 萬(wàn)個(gè)，但復(fù)合肥中相當(dāng)大比例的產(chǎn)品脫離了土壤和作物需求，配方多以一次性基施為主。施用復(fù)合肥導(dǎo)致養(yǎng)分投入數(shù)量和用肥成本增加，但增產(chǎn)效果不明顯，造成肥料利用率低（李亮科 等，2011）。陳新平等（2016）提出了三大糧食作物“大配方、小調(diào)整”的區(qū)域配肥理論。不同于小麥、玉米、水稻等深根系作物對(duì)土壤養(yǎng)分和環(huán)境養(yǎng)分供應(yīng)的依賴性較大，馬鈴薯的氮肥需求強(qiáng)度大、根系較淺、養(yǎng)分吸收能力較差，相應(yīng)地對(duì)水肥的依賴程度高。因此，應(yīng)在土壤培肥的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)依據(jù)馬鈴薯養(yǎng)分吸收規(guī)律和土壤特點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域配肥；根據(jù)區(qū)域作物生產(chǎn)條件與土壤供應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)管理，對(duì)氣候條件、栽培條件、地形和土壤條件等相似的同一類型區(qū)，可以采取相對(duì)一致的氮肥管理措施；采用“小調(diào)整”作為補(bǔ)充以實(shí)現(xiàn)田塊精確調(diào)控。馬鈴薯的“大配方、小調(diào)整”將從區(qū)域?qū)用鏈p少氮肥的浪費(fèi)，提高肥料利用率。

研究表明，追施氮肥可減少肥料損失，提高氮肥利用率（Jia et al.，2019）。然而本文中追肥次數(shù)較多的華北區(qū)氮肥偏生產(chǎn)力較低，可能是由于追施的氮肥與馬鈴薯植株的需求在時(shí)間和空間上不匹配導(dǎo)致的。因此，確立科學(xué)的施肥次數(shù)和時(shí)間是減少氮肥施用量進(jìn)而提高馬鈴薯氮肥利用率的有效途徑，而合理施氮時(shí)間和數(shù)量的確定還有賴于對(duì)土壤基本情況的了解和植株生長(zhǎng)發(fā)育的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。土壤測(cè)試和植株?duì)I養(yǎng)診斷相結(jié)合是必由之路。經(jīng)典土壤測(cè)試的方法目前仍然是有效方法，除此之外，各種速測(cè)和批量高效測(cè)定方法不斷出現(xiàn)，為土壤基本情況的掌握提供了保障。植株?duì)I養(yǎng)診斷必須采用速測(cè)，目前的測(cè)試手段也較多，如葉綠素儀SPAD-502、主動(dòng)作物光譜儀GreenSeeker、葉柄硝酸鹽測(cè)試等均已成功用于馬鈴薯氮素營(yíng)養(yǎng)診斷并推薦施肥（Laurent & Lancelot，1999； 于 靜 等，2013；Zheng et al.，2015；Li et al.，2019）。因此，通過(guò)土壤測(cè)試與植株?duì)I養(yǎng)診斷相結(jié)合的氮肥推薦應(yīng)是實(shí)現(xiàn)田塊尺度上馬鈴薯減氮增效的重要途徑。

本文中并未涉及新型肥料品種及應(yīng)用的調(diào)查數(shù)據(jù)，但是近些年來(lái)緩控釋肥、微生物肥料、水溶性肥料、商品有機(jī)肥等多種新型肥料為馬鈴薯生產(chǎn)減氮增效的貢獻(xiàn)不容小覷。周瑞榮等（2010）施用緩釋肥料可實(shí)現(xiàn)減少20%氮肥投入，產(chǎn)量增加5.6%。適量微生物肥料的施用也可實(shí)現(xiàn)馬鈴薯生產(chǎn)氮肥施用量降低，產(chǎn)量和氮肥利用率提高，塊莖品質(zhì)改善（陳陽(yáng)陽(yáng) 等，2018）。此外，有機(jī)肥替代部分單質(zhì)肥、復(fù)合肥的施肥方式不僅能夠促進(jìn)干物質(zhì)盡早轉(zhuǎn)移到馬鈴薯塊莖，提高氮肥利用率，還可以改變土壤微生物豐富度及土壤酶活性，改善土壤結(jié)構(gòu)（張書(shū)樂(lè)，2014）。因此，要實(shí)現(xiàn)提高馬鈴薯氮肥利用率的目標(biāo)，勢(shì)必要摒棄傳統(tǒng)施肥觀念，依靠新型肥料和有機(jī)肥配施的施肥方式。

提高作物產(chǎn)量是提高氮肥偏生產(chǎn)力的重要途徑之一。賈立國(guó)等（2015）通過(guò)計(jì)算內(nèi)蒙古馬鈴薯的高產(chǎn)潛力，發(fā)現(xiàn)實(shí)際產(chǎn)量不及高產(chǎn)潛力的30%?？梢?jiàn)在現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境條件下，馬鈴薯產(chǎn)量提升空間巨大。在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，集成氮肥高效品種、栽培方法、土壤管理、養(yǎng)分管理、植保措施等綜合配套技術(shù)是實(shí)現(xiàn)馬鈴薯產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力協(xié)同提升的根本途徑。