湖南省3 種糧油作物當(dāng)季化肥利用率現(xiàn)狀研究

吳遠(yuǎn)帆，鐘建中，高雅潔，廖育林，聶 軍，魯艷紅

（1.湖南省土壤肥料工作站，湖南 長(zhǎng)沙 410006；2.桃江縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖南 桃江 413400；3.湖南省土壤肥料研究所，農(nóng)業(yè)部湖南耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

化肥的使用是促進(jìn)農(nóng)作物產(chǎn)量增加的基礎(chǔ)，對(duì)于穩(wěn)定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、保障糧食安全具有關(guān)鍵作用?？茖W(xué)合理施肥可以為作物提供正常充足的營(yíng)養(yǎng)供給，保證作物高產(chǎn)潛力的充分發(fā)揮，同時(shí)具有提高土壤肥力、改善土壤理化性狀以及調(diào)節(jié)土壤微生態(tài)環(huán)境等重要功能[1]。然而，不遵循作物需肥規(guī)律，過(guò)量或不合理的施肥不僅會(huì)增加生產(chǎn)成本，而且無(wú)法維持作物的可持續(xù)高產(chǎn)，同時(shí)還會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)、降低農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、加劇面源污染。因此，在保證作物產(chǎn)量和品質(zhì)的同時(shí)提高肥料利用效率對(duì)于促進(jìn)農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。研究表明，肥料利用率受到土壤肥力、施肥用量、施肥方法、肥料類(lèi)型、土壤水分、作物品種、栽培管理措施和氣候因子等多種因素的影響[1]。因此，明確區(qū)域內(nèi)主要農(nóng)作物肥料利用率現(xiàn)狀將為進(jìn)一步因地制宜地推進(jìn)科學(xué)施肥措施提供重要依據(jù)。

湖南省地處長(zhǎng)江中下游南岸，自然資源豐富，氣候適宜，全省主要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量穩(wěn)步增長(zhǎng)。水稻和玉米是湖南省最主要的糧食作物，其中水稻產(chǎn)量位居全國(guó)前列[2]，2017 年全省玉米總產(chǎn)量也達(dá)到199.2 萬(wàn)t[3]。此外，油菜是中國(guó)最重要的油料作物，自2015 年以來(lái)，湖南省油菜的種植面積一直穩(wěn)居全國(guó)第一。隨著國(guó)家減肥增效行動(dòng)的推進(jìn)，測(cè)算湖南省3 種主要農(nóng)作物的當(dāng)季氮磷鉀肥料利用效率，對(duì)于明確湖南省肥料利用現(xiàn)狀、探尋肥效提升途徑、助力農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

大范圍的肥料利用率測(cè)算一般有2 種方法，一是分析地區(qū)糧食產(chǎn)量和化肥施用量的數(shù)據(jù)，二是整合大量田間試驗(yàn)結(jié)果。目前，多數(shù)研究都是根據(jù)田間試驗(yàn)結(jié)果匯總而來(lái)[4-6]。參考前人的研究方法，筆者于2018 年在湖南省11 個(gè)市及自治州共72 個(gè)縣區(qū)設(shè)置了178 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)開(kāi)展水稻、油菜和玉米3 種作物的氮磷鉀肥的肥效試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)算湖南省目前水稻、玉米、油菜作物氮磷鉀肥的當(dāng)季利用率，全面總結(jié)湖南省主要作物氮磷鉀肥的肥料利用率現(xiàn)狀，為進(jìn)一步推進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科學(xué)施肥、減少肥料的不合理投入、提高資源利用效率、優(yōu)化農(nóng)田養(yǎng)分管理提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

為了分析目前湖南省種植水稻、油菜和玉米的肥料利用率，于2018 年在農(nóng)作物主產(chǎn)區(qū)的長(zhǎng)沙、常德、岳陽(yáng)、益陽(yáng)、婁底、邵陽(yáng)、衡陽(yáng)、郴州、永州、張家界和湘西土家族苗族自治州（簡(jiǎn)稱湘西州）共72 個(gè)縣區(qū)布置氮磷鉀肥田間肥效試驗(yàn)178 個(gè)。試驗(yàn)總體分布情況如表1 所示。

表1 水稻、油菜和玉米肥效試驗(yàn)的樣本數(shù)、施肥量和分布區(qū)域

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)置4 個(gè)處理，分別為：（1）PK，無(wú)氮處理；（2）NK，無(wú)磷處理；（3）NP，無(wú)鉀處理；（4）NPK，氮磷鉀處理。氮、磷、鉀肥均基于當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥方法或依據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)技部門(mén)提供的推薦施肥方法施用，其他生產(chǎn)管理措施采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理方法。

1.3 樣品采集及檢測(cè)

每季作物成熟后，對(duì)試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行單打單曬，測(cè)定籽粒的含水率。作物的籽粒產(chǎn)量為試驗(yàn)小區(qū)的實(shí)收產(chǎn)量（以干重計(jì)），根據(jù)作物莖葉與籽粒的質(zhì)量比計(jì)算出作物的莖葉產(chǎn)量（以干重計(jì)）。同時(shí)于每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)取樣15 株，風(fēng)干后分成莖葉和籽粒樣品，粉碎后采用常規(guī)方法測(cè)定其中的N、P、K 含量[7]。

1.4 肥料利用率的計(jì)算

以氮肥為例，肥料利用率的計(jì)算如下：

氮肥利用率（RE，%）=（施氮區(qū)作物成熟期地上部氮累積量-未施氮區(qū)作物成熟期地上部氮累積量）/氮肥施用量

氮肥農(nóng)學(xué)效率（AE，%）=（施氮區(qū)作物籽粒產(chǎn)量-未施氮區(qū)作物籽粒產(chǎn)量）/氮肥施用量

氮肥偏生產(chǎn)力（PFP，kg/kg）=施氮區(qū)作物產(chǎn)量/氮肥施用量

氮肥生理利用率（PE，kg/kg）=（施氮區(qū)作物籽粒產(chǎn)量-未施氮區(qū)作物籽粒產(chǎn)量）/（施氮區(qū)作物成熟期地上部氮累積量-未施氮區(qū)作物成熟期地上部氮累積量）

同理，分別計(jì)算磷肥和鉀肥的肥料利用率、農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力和生理利用率。

2 結(jié)果與分析

2.1 湖南省3 種糧油作物肥料利用率的總體狀況

如表2 所示，143 個(gè)水稻肥效試驗(yàn)施用氮磷鉀肥處理的平均產(chǎn)量為7.58 t/hm2，氮肥、磷肥和鉀肥的肥料利用率分別為32.58%、16.56%和41.07%；21個(gè)油菜試驗(yàn)氮磷鉀處理的平均產(chǎn)量為2.34 t/hm2，氮肥、磷肥和鉀肥的肥料利用率分別為37.98%、20.85%和45.64%；14 個(gè)玉米試驗(yàn)氮磷鉀處理的平均產(chǎn)量為8.26 t/hm2，氮肥、磷肥和鉀肥的肥料利用率分別為37.06%、20.09%和48.89%。不同作物對(duì)氮、磷、鉀肥料養(yǎng)分的利用效率差異較大，玉米生產(chǎn)中氮、磷、鉀肥的農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力和生理利用率均低于水稻和油菜生產(chǎn)的。相比氮肥和鉀肥，3 種作物磷肥的農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力及生理利用率均較高。

表2 水稻、油菜和玉米的平均施肥量、產(chǎn)量及肥料利用效率

為進(jìn)一步了解湖南省目前水稻、油菜和玉米不同肥料利用率的樣本分布情況，將肥料利用率劃分為6 個(gè)等級(jí)，計(jì)算每個(gè)等級(jí)下肥料利用率的樣本百分比。由圖1A 可知，水稻、油菜和玉米氮肥利用率處于30%～40%之間的頻率最高，分布頻率分別為63%、62%和50%；水稻和油菜氮肥利用率在其他區(qū)間的樣本數(shù)明顯較少，而玉米有29%的樣本氮肥利用率在40%～50%之間。

由圖1B 可知，水稻、油菜和玉米在不同磷肥利用率等級(jí)下的樣本分布較為分散，無(wú)論是水稻、油菜還是玉米，磷肥利用率小于30%的樣本占總樣本80%以上。水稻磷肥利用率處于20%～30%頻率的最高，為34%，油菜和玉米磷肥利用率處于10%～20%的頻率最高，分別為36%和33%；3 種作物的磷肥利用率在＜10%、10%～20%、20%～30%和30%～40%這4 個(gè)區(qū)間的分布頻率均高于15%。

由圖1C 可知，水稻、油菜和玉米的鉀肥利用率高于30%的樣本分別占總樣本的80%以上。水稻鉀肥利用率在40%～50%之間的頻率最高，為43%；油菜分別有33%和38%的樣本鉀肥利用率處于30%～40%和40%～50%之間；玉米鉀肥利用率整體較高，有36%的樣本鉀肥利用率處于40%～50%之間，43%的樣本鉀肥利用率高于50%。

圖1 水稻、油菜和玉米不同氮、磷、鉀肥利用率試驗(yàn)點(diǎn)分布頻率變化

2.2 湖南省不同地區(qū)3 種糧油作物的肥料利用率

2.2.1 氮 肥由表3 可知，3 種作物在不同地區(qū)的氮肥利用率呈現(xiàn)出較大差異。（1）水稻。水稻的氮肥利用率在不同地區(qū)的平均值區(qū)間為19.5%～39.0%；最低值出現(xiàn)在常德，僅-17.5%，最高值也出現(xiàn)在常德，為104.9%，這與常德地區(qū)19 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)水稻氮肥利用率的變異系數(shù)最高（139.5%）相一致，表明常德地區(qū)水稻對(duì)氮肥的利用效率差異較大。從表3 還可以看出，長(zhǎng)沙、岳陽(yáng)、益陽(yáng)、婁底和邵陽(yáng)的水稻氮肥利用率均達(dá)35%以上，且變異系數(shù)較小，表明這5 個(gè)地區(qū)的水稻對(duì)氮肥的利用效率高，且地區(qū)內(nèi)差異較??；常德和張家界的水稻氮肥利用率偏低，分別為19.5%和24.3%；其他地區(qū)水稻氮肥利用率平均值在30%到35%之間。（2）油菜。由于單個(gè)地區(qū)的樣本量較少，例如張家界、岳陽(yáng)、邵陽(yáng)和湘西州各地的樣本量?jī)H1～3 個(gè)，代表性不足，因此按南北分布情況將所有樣本分為2 組（下同）。位于長(zhǎng)沙、岳陽(yáng)、婁底、衡陽(yáng)和郴州的共8 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)表明，油菜氮肥利用率平均值為41%，且變異系數(shù)較小，為13.2%；位于常德、張家界、湘西州的共13 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的油菜氮肥利用率平均值為33.2%且變異系數(shù)較大。（3）玉米。由于僅在岳陽(yáng)、邵陽(yáng)、郴州、永州及湘西州開(kāi)展了14個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的玉米肥效試驗(yàn)，且單個(gè)地區(qū)的樣本量≤3個(gè)，因此將14 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的樣本合并（下同）。在岳陽(yáng)、邵陽(yáng)、郴州、永州及湘西州開(kāi)展的共14 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的玉米肥效試驗(yàn)結(jié)果表明，玉米氮肥利用率的平均值為37.1%。

表3 水稻、油菜和玉米氮肥用量、地上部吸氮量、產(chǎn)量和氮肥利用率

2.2.2 磷 肥由表4 可知，3 種作物的磷肥利用率在不同地區(qū)差異較大，平均值區(qū)間為-10%～28.8%，不同作物磷肥利用率在各試驗(yàn)地區(qū)的平均值均未達(dá)到30%。（1）水稻。常德地區(qū)水稻磷肥利用率平均值為-10%，但產(chǎn)量仍有（7.52±0.96） t/hm2，反映出該地區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)土壤具有較高的基礎(chǔ)供磷水平；在長(zhǎng)沙、岳陽(yáng)、益陽(yáng)、婁底、邵陽(yáng)及永州，水稻磷肥利用率的平均值在22%以上；張家界、湘西州、衡陽(yáng)及郴州的水稻磷肥利用率平均值偏低，在11%～16%之間；常德19 個(gè)點(diǎn)的水稻磷肥利用率數(shù)據(jù)變異很大，變幅為-143.0%～30.8%。（2）油菜。長(zhǎng)沙、岳陽(yáng)、婁底、衡陽(yáng)和郴州試驗(yàn)點(diǎn)的油菜磷肥利用率平均值為21.8%，略高于常德、張家界和湘西州的平均值。（3）玉米。位于岳陽(yáng)、邵陽(yáng)、郴州、永州及湘西州的玉米肥效試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明玉米磷肥利用率平均為20.1%，變幅在-2.6%～31.6%。

表4 水稻、油菜和玉米磷肥用量、地上部吸磷量、產(chǎn)量和磷肥利用率

2.2.3 鉀 肥由表5 可知，不同地區(qū)鉀肥利用率的平均值在21.9%～56.5%之間。（1）水稻。長(zhǎng)沙、岳陽(yáng)、婁底和郴州的水稻鉀肥利用率的平均值高于45%；湘西州、衡陽(yáng)及永州的水稻鉀肥利用率平均值略低，在42.7%～44.2%之間；而益陽(yáng)、常德、張家界和邵陽(yáng)地區(qū)的水稻鉀肥利用率平均值低于40%。（2）油菜。長(zhǎng)沙、岳陽(yáng)、婁底、衡陽(yáng)、郴州地區(qū)的油菜的鉀肥利用率平均值為43.9%，變異系數(shù)僅為13.2%，而常德、張家界、湘西州地區(qū)的油菜鉀肥利用率平均值為39.8%，但變異系數(shù)較高，達(dá)160.0%。（3）玉米。岳陽(yáng)、邵陽(yáng)、郴州、永州和湘西州的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，玉米的鉀肥利用率平均值為48.9%，變幅在16.1%～109.8%之間。

表5 水稻、油菜和玉米鉀肥用量、地上部吸鉀量、產(chǎn)量和鉀肥利用率

3 討 論

試驗(yàn)結(jié)果表明，目前湖南省水稻生產(chǎn)的氮肥、磷肥、鉀肥的肥料利用率均值分別為32.58%、16.56%和41.07%，油菜生產(chǎn)的氮肥、磷肥、鉀肥的肥料利用率均值分別為37.98%、20.85%和45.64%，玉米生產(chǎn)的氮肥、磷肥、鉀肥的肥料利用率均值分別為37.06%、20.09%和48.89%。黃鐵平等[8]的研究顯示，2013 年湖南省主要農(nóng)作物氮、磷、鉀肥當(dāng)季利用率分別為30.0%、25.9%和36.7%，其中3 大糧食作物的氮肥、磷肥和鉀肥利用率分別為33%、24%和42%。從2018 年的數(shù)據(jù)來(lái)看，有69%的試驗(yàn)點(diǎn)水稻的氮肥利用率高于2013 年的，有62%的試驗(yàn)點(diǎn)水稻鉀肥的利用率高于2013 年的?？傮w而言，目前湖南省主要作物水稻、油菜和玉米的氮、鉀肥料利用率較2013年有所提高，磷肥利用率有所下降。

氮肥利用率的提高與近年來(lái)有機(jī)肥的施用、秸稈還田和綠肥的推廣應(yīng)用以及推薦施肥項(xiàng)目的開(kāi)展有關(guān)。研究表明，綠肥與化肥配施或秸稈還田條件下，作物肥料利用率較單施化肥條件下均有不同程度地提高。陳正剛等[9]研究發(fā)現(xiàn)，綠肥與化肥配施玉米的氮肥利用率可提高3.2%；楊濱娟等[10]研究也表明，綠肥與化肥配施水稻氮肥利用率可提高8%左右。不同地區(qū)的研究表明，秸稈還田條件下，作物氮肥利用率平均可提高4%～10%[11-12]。

3 種作物的磷肥利用率與2013 年相比呈下降趨勢(shì)，原因可能與土壤供磷水平整體上升有關(guān)，因此建議未來(lái)一段時(shí)間湖南地區(qū)可適當(dāng)減少磷肥施用量。

試驗(yàn)結(jié)果還顯示，作物肥料利用率地區(qū)間差異明顯，表明土壤類(lèi)型、基礎(chǔ)地力和環(huán)境養(yǎng)分仍是影響作物肥料利用率的主要因素。土壤養(yǎng)分作為作物生長(zhǎng)重要的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，是養(yǎng)分管理的重點(diǎn)之一。環(huán)境中的一些養(yǎng)分能通過(guò)大氣干濕沉降、灌溉水、生物固氮等途徑進(jìn)入作物生產(chǎn)系統(tǒng)，它們也是作物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分資源的重要組成部分。農(nóng)戶需要在充分利用土壤養(yǎng)分和環(huán)境養(yǎng)分的基礎(chǔ)上，均衡施用化肥，減少化肥的損失及其向環(huán)境的排放，才能實(shí)現(xiàn)提高肥料利用效率的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。在當(dāng)前的生產(chǎn)條件下，肥料用量的選擇也需綜合考慮土壤肥力和環(huán)境養(yǎng)分來(lái)源，重新制定推薦指標(biāo)。鑒于土壤肥力是一個(gè)不斷變化的指標(biāo)，今后需要在不同生態(tài)區(qū)域、不同類(lèi)型土壤開(kāi)展更深入地肥料利用率調(diào)查工作，以期進(jìn)一步因地制宜地科學(xué)合理施肥。