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    中國(guó)馬鈴薯不同產(chǎn)區(qū)氮肥利用率的比較分析

    2019-07-20 03:06:44靜熊興耀高玉林王貴江王萬(wàn)興呂和平朱杰華石
    中國(guó)蔬菜 2019年7期
    關(guān)鍵詞:施用量生產(chǎn)力利用率

    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。

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