马红梅^,1,2, 曹寒冰^1,2, 谢英荷^,1,2, 李廷亮^1,2, 刘凯¹, 张奇茹¹, 姜丽伟¹, 曹静¹, 邵靖琳¹, 武文玥¹, 栗文琪¹¹山西农业大学资源环境学院,山西太谷 030801
²山西农业大学农业资源与环境国家级实验教学示范中心,山西太谷 030801

Evaluation on Fertilizer Application and Its Economic-Environmental Benefits Associated with Fertilizer Reduction Potential for Dryland Wheat in Loess Plateau of Southern Shanxi Province

MA HongMei^,1,2, CAO HanBing^1,2, XIE YingHe^,1,2, LI TingLiang^1,2, LIU Kai¹, ZHANG QiRu¹, JIANG LiWei¹, CAO Jing¹, SHAO JingLin¹, WU WenYue¹, LI WenQi¹¹College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi
²National Experimental Teaching Demonstration Center of Agricultural Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi

通讯作者: 谢英荷,E-mail： xieyinghe@163.com

责任编辑: 李云霞
收稿日期:2020-08-23修回日期:2021-01-4网络出版日期:2021-07-01

基金资助:

国家重点研发计划项目.2018YFD0200401 国家公益性行业农业科研专项.201503124 山西省重点研发计划项目.201803D221005-2 山西省研究生教育创新项目.2020SY191

Received:2020-08-23Revised:2021-01-4Online:2021-07-01
作者简介 About authors
马红梅,E-mail： mahongmei0405@163.com。













摘要
【目的】明确晋南黄土旱塬冬小麦养分投入现状,为当地旱作冬小麦稳产增产、减肥增效和控制农田面源污染提供理论依据。【方法】通过连续9年对黄土旱塬984个小麦种植户进行施肥调查,采用基于冬小麦产量确定的推荐施肥量,评价农户施肥,分析农户施肥的减肥潜力及其经济和环境效益。【结果】调研农户小麦籽粒平均产量3 711 kg·hm^-2,其中属于低产（≤3 200 kg·hm^-2）和中产（3 200—4 220 kg·hm^-2）的农户比例分别占56.0%和18.1%。农户氮肥、磷肥和钾肥的平均用量分别为292.3 kg N·hm^-2、159.8 kg P₂O₅·hm^-2和92.0 kg K₂O·hm^-2。随着产量水平提高,施肥过量（即高投入+很高投入）的农户比例增加,其中氮肥、磷肥和钾肥施用过量的农户比例分别为68.7%、65.1%和57.9%。在各产量水平投入高和很高的农户减肥潜力较大,其中高投入的农户氮肥、磷肥和钾肥减施量为24.1 kg N·hm^-2、12.8 kg P₂O₅·hm^-2和6.2 kg K₂O·hm^-2,减少比例依次为15.9%、16.7%和16.7%;很高投入的农户氮肥、磷肥和钾肥减施量为250.9 kg N·hm^-2、205.7 kg P₂O₅·hm^-2、124.6 kg K₂O·hm^-2,减少比例依次为66.5%、76.7%和80.0%。进一步分析表明,高投入和很高投入的农户化肥减施后经济效益可增加251和3 425元/hm²,即分别增加4.0%和55.0%;高投入的农户氮肥、磷肥和钾肥的农学效率可分别提高18.8%、23.2%和22.1%,很高投入的可分别提高192.5%、321.3%和388.1%;高投入的农户氮肥、磷肥和钾肥的偏生产力可分别提高20.2%、23.7%和19.2%,很高投入的可分别提高210.4%、317.9%和388.1%。同时,合理降低高投入和很高投入的农户施氮量,N₂O排放可分别减少0.3和6.3 kg N₂O·hm^-2,减少幅度为11.2%和72.5%;NH₃挥发分别减少14.1和90.7 kg NH₃ hm^-2,减幅为20.8%和62.8%;NO₃^--N淋洗减少3.1和231.1 kg NO₃^--N·hm^-2,减幅为4.9%和79.6%;整体上,总氮污染物（包括N₂O排放、NH₃挥发和NO₃^--N淋洗）可分别减少17.4和328.1 kg·hm^-2,减幅13.1%和74.0%,节约氮肥12.5和130.9 kg N·hm^-2,减少氮肥投入65.0和683.3 元/hm²。【结论】通过基于产量的农户施肥评价、减肥潜力估测、化肥减施后的经济效益和氮化合污染物的减排效应分析,明确了高和很高投入的农户氮磷钾减施潜力分别为24.1—250.9 kg N·hm^-2、12.8—205.7 kg P₂O₅·hm^-2、6.2—124.6 kg K₂O·hm^-2,且化肥减施后农户的经济收益提高251—3 425元/hm²,氮、磷、钾肥的农学效率分别提高18.8%—192.5%、23.2%—321.3%、22.1%—388.1%,同时,氮、磷、钾偏生产力提高20.2%—210.4%、23.7%—317.9%、19.2%—388.1%,还能减少包括N₂O排放、NH₃挥发、NO₃^--N淋洗等总氮污染物的排放17.4—328.1 kg·hm^-2。该研究全面系统地揭示了当前旱作小麦生产中存在的资源环境问题、面临的挑战与机遇,为节本、增效的环境友好型施肥提供一定的理论依据。
关键词： 黄土旱塬;冬小麦;养分投入;化肥减施;经济环境效应

Abstract
【Objective】 The aim of this study was to clarify situation of the farmers’ nutrient application, so as to provide a theory base for the realization of stable and high yield, high nutrient use efficiency, and lower environmental pollution in dryland wheat production. 【Method】 A 9-yr survey of 984 farmers was carried out, and a yield based fertilizer recommendation method were used to analyze and evaluate their nutrient applications and the fertilizer reduction potential and economic-environmental benefits in Loess Plateau. 【Result】 The farmers’ wheat yield was lower, with the average of 3 711 kg·hm^-2, and they were allocated into three groups as: low (≤3 200 kg·hm^-2) and moderate (3 200-4 220 kg·hm^-2), respectively, accounting for 56.0% and 18.1% of the total farmers. Farmers’ nitrogen (N), phosphorus (P₂O₅) and potassium (K₂O) applic^-2, 159.8 kg P₂O₅·hm^-2 and 92.0 kg K₂O·hm^-2. And the proportion of the high-application farmers were N 68.7% and P₂O₅ 65.1% and K₂O 57.9%, respectively, which was large in low-yield level. Generally, these high-application farmers were recommended to reduce 24.1 kg N·hm^-2, 12.8 kg P₂O₅·hm^-2, and 6.2 kg K₂O·hm^-2, and the reduction range was N 15.9%, P 16.7% and K 16.7%, respectively, but these very high-application farmers were recommended to reduce 250.9 kg N·hm^-2, 205.7 kg P₂O₅·hm^-2, and 124.6 kg K₂O·hm^-2, and the reduction range was 66.5%, 76.7%, and 80.0%, respectively. Then, their economic effects increased by 251 yuan/hm² and 3 425 yuan/hm², 4.0% and 55.0%, NPK agronomic efficiency increased by N 18.8%, P 23.2%, and K 22.1% for the high farmers, and N 192.5%, P 321.3%, and K 388.1% for the very high farmers. NPK partial productivity increased by N 20.2%, P 23.7%, and K 19.2%, and N 210.4%, P 317.9%, K 388.1%, respectively. According to the estimation, the environmental impact of reducing nitrogen application was that emission of the N-pollutant reduced, such as N ₂O emission decreased by 0.3 kg N₂O·hm^-2 and 6.3 kg N₂O·hm^-2, 11.2% and 72.5%, NH₃ volatilization decreased by 14.1 kg NH₃·hm^-2 and 90.7 kg NH₃·hm^-2, 20.8% and 62.8%, and NO₃ leaching decreased by 3.1 kg NO₃·hm^-2 and 231.1 kg NO₃·hm^-2, 4.9% and 79.6%, respectively. Total nitrogen pollutants (including N₂O emission, NH₃volatilization and NO₃ leaching) reduced 17.4 kg·hm^-2 and 328.1 kg·hm^-2, with 13.1% and 74.0%, respectively. In total, 12.5 kg N·hm^-2 and 130.9 kg N·hm^-2 with 65.0 yuan/hm² and 683.3 yuan/hm²were saved, respectively. 【Conclusion】 In this paper, based on the wheat yield, the farmer's fertilization was evaluated, and the potential of reducing excessive fertilization was estimated, and the economic benefits and the effect of the reducing nitrogen-pollutants emission were analyzed through reducing fertilizer application. It was known that the farmers with high and very-high fertilizer application not only had different potential for reducing fertilizer application,such as 24.1-250.9 kg N·hm^-2, 12.8-205.7 kg P₂O₅·hm^-2, 6.2-124.6 kg K₂O·hm^-2, but also farmers' economic benefits was improved by 251-3 425 yuan/hm², and fertilizer agronomic efficiency was improved by N 18.8%-192.5%, P 23.2%-321.3%, K 22.1%-388.1%,and partial productivity was improved by N 20.2%-210.4%, P 23.7%-317.9%, K 19.2%-388.1%, and the emission of total nitrogen pollutants (including N₂O, NH₃and NO₃) was reduced by 17.4-328.1 kg·hm^-2. This study comprehensively and systematically revealed the resource and environmental problems, challenges and opportunities in the current dry wheat production, which provided a certain theoretical basis for an environment-friendly fertilization with saving cost and increasing efficiency.
Keywords：Loess Plateau;winter wheat;nutrient application;fertilizer reduction;economic-environmental effects


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马红梅, 曹寒冰, 谢英荷, 李廷亮, 刘凯, 张奇茹, 姜丽伟, 曹静, 邵靖琳, 武文玥, 栗文琪. 晋南黄土旱塬小麦养分投入与化肥减施经济环境效应评价[J]. 中国农业科学, 2021, 54(13): 2804-2817 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.13.010
MA HongMei, CAO HanBing, XIE YingHe, LI TingLiang, LIU Kai, ZHANG QiRu, JIANG LiWei, CAO Jing, SHAO JingLin, WU WenYue, LI WenQi. Evaluation on Fertilizer Application and Its Economic-Environmental Benefits Associated with Fertilizer Reduction Potential for Dryland Wheat in Loess Plateau of Southern Shanxi Province[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2021, 54(13): 2804-2817 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.13.010


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0 引言

【研究意义】晋南黄土旱塬是山西省主要的旱作农业区,该区主要粮食作物为冬小麦,其播种面积约为67.9×10⁴ hm^2[1]。水资源缺乏和农户过分依赖化肥的高投入导致该区域冬小麦产量和经济效益偏低,同时造成肥料利用率的降低和一系列生态环境风险,如氮素淋洗和温室效应加剧等^[2,3,4,5]。因此,明确晋南黄土旱塬冬小麦养分投入现状,对当地旱作冬小麦减肥增效、节本增收和控制农田面源污染有重要意义。【前人研究进展】自1980年以来,我国化肥施用强度平均每年以4.1%的速度上升,2014年全国化肥平均施用量为337.2 kg·hm^-2,约为化肥环境安全阈值（289.1 kg·hm^-2）的1.2倍^[6]。尽管不同省/区和作物之间施肥强度差异较大,全国仍有17个省氮肥施用过量、16个省磷肥施用过量,而且施肥过量导致的一系列环境风险呈现出聚集分布的特点^[6,7]。我国农业生产以小农户分散经营为主,农户落后的施肥观念和技术是当前化肥普遍施用过量的主要原因^[8]。就小麦生产而言,相关调查研究表明全国17个省14 000家农户中约有75%的农户小麦化肥施用过量^[9]。另外,我国不同小麦生产区域均存在化肥施用过量问题,例如江苏北部小麦平均施氮量为323 kg N·hm^-2,有52%的农户施用过量^[10];陕西渭北小麦平均施氮量为188 kg N·hm^-2,69.0%的农户施用过量,平均施磷125 kg P₂O₅·hm^-2,91.4%的农户施用过量^[11];陕西关中小麦平均施氮210 kg N·hm^-2,55%以上的农户施用过量;平均施磷183 kg P₂O₅·hm^-2,约60%的农户施用过量^[12];河北曲周小麦氮、磷和钾的平均用量为262 kg N·hm^-2、188 kg P₂O₅·hm^-2和52 kg K₂O·hm^-2,分别有92%、94%和42%的农户施用过量^[13]。过量施肥,尤其是过量施用氮肥,不仅不能继续增加小麦产量,还会降低肥料利用率,增加土壤硝态氮残留和淋洗^{[14,15,16,17]}。【本研究切入点】然而,当前农户施肥的调查研究更多关注小麦养分资源管理现状及其减肥潜力,对化肥减施的经济效益和环境效应评估较少,尤其是农户施肥水平变化对控制农业面源污染（氧化亚氮排放、氨挥发和硝酸盐淋洗等）的贡献更鲜有报道。【拟解决的关键问题】因此,本研究通过连续9年调研山西南部旱塬区农户冬小麦产量、养分投入现状,在明确当地小麦减肥潜力的基础上,进一步评估了化肥减施的经济、环境效应,以期为黄土高原旱地小麦科学施肥发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 调研区域概况

调研区主要包括山西省南部的3市7县（洪同、襄汾、万荣、临猗、曲沃、侯马、绛县）。该区域年均气温12.6℃左右,年平均降雨量550 mm左右,受季风影响,降水主要集中在7—9月。冬小麦耕作模式以冬小麦-夏休闲为主,每年9月下旬或10月初开始播种,次年6月上旬收获。

1.2 调研方法与内容

从2009—2017年连续9年在以上7个县进行多点农户麦田养分管理调研。每县选择1—3个乡镇,每个乡镇选择6—25个村,每个村选择5—20个小麦种植户,共调研了121个村的984家农户。以问卷调查的方式记录农户地块信息,小麦产量及其对应的肥料品种、施肥时期、施肥量、施肥方法和其他田间管理措施等。本文针对养分投入情况、化肥减施后的经济效益与环境效益进行分析评价。

1.3 指标计算方法

1.3.1 产量分级 分析调研农户的冬小麦多年平均籽粒产量为3 711 kg·hm^-2,以3 700 kg·hm^-2为晋南旱塬冬小麦产量适中指标,上下浮动500 kg·hm^-2作为中等产量范围,以1 000 kg·hm^-2变幅定出低产（≤2 200 kg·hm^-2）、偏低（2 200—3 200 kg·hm^-2）、中产（3 200— 4 200 kg·hm^-2）、偏高（4 200—5 200 kg·hm^-2）和高产（>5 200 kg·hm^-2）5个等级。

1.3.2 推荐施肥量及农户施肥等级

(1)推荐施肥量（recommended fertilizer rate,RF）=各农户产量×养分系数×养分校正系数

式（1）中,产量指农户调研获得的实际田块产量;养分系数指每形成100 kg冬小麦籽粒产量的养分需求量,即百公斤籽粒养分需求量。本研究中晋南旱塬冬小麦每形成100 kg籽粒产量的氮（N）、磷（P₂O₅）和钾（K₂O）的需求量分别为2.8 kg^[18,19]、1.1 kg^[20]和2.7 kg^[21]。养分校正系数是根据当地土壤养分含量及养分丰缺指标确定的,该调研区小麦氮磷钾肥的养分校正系数确定为氮 1.2,磷1.5,钾0.3。

养分投入分级的确定：以各农户小麦产量对应的养分推荐施肥量（RF）为中点,以20%为变幅作为养分投入适中水平,即适中（90%—110%RF）,在此基础上,从低到高分为5个养分投入分级（表1）。

Table 1
表1
表1养分投入等级标准
Table 1Different levels of fertilizer application

养分分级 Different levels of fertilizer application	分级标准 Classification standard
不施肥No	0
很低Very low	0-70%RF
低Low	70%-90%RF
适中Middle	90%-110%RF
高High	110%-130%RF
很高Very high	≥130%RF

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1.3.3 肥料利用效率指标

(2)农学效率（kg·kg^-1）^[22]=（施肥籽粒产量-不施肥籽粒产量）（kg·hm^-2）/养分投入量（kg·hm^-2）

(3)偏生产力（kg·kg^-1）=籽粒产量（kg·hm^-2）/养分投入量（kg·hm^-2）

1.3.4 经济效益

(4)净收入=籽粒产量（kg·hm^-2）×小麦价格（元/kg）-小麦生产成本（元/hm²）

式（4）中,小麦生产成本包括肥料、种子、耕种、地膜、病虫害防治、收割等所有的成本之和。

1.3.5 农户施肥环境效应评价的经验模型

(5)y_N2O=0.26e^0.0045x（R²=0.19^*）

(6)y_NH3=3.21+0.068x（R²=0.17^*）

(7)y_N3O=4.93e^0.0057x（R²=0.50^**）

式（5）、（6）和（7）分别是评估农户施肥N₂O排放、NH₃挥发和NO₃的淋洗的经验模型^[23],估算该区域小麦农户氮肥减施的环境效应,其中e=2.71828,x为施氮量（kg·hm^-2）。

2 结果

2.1 小麦产量和施肥量

分析调研区域984家农户小麦产量和施肥量可见（表2）,该区冬小麦多年的平均产量为3 711 kg·hm^-2,低于我国小麦平均产量（4 709 kg·hm^-2）^[2]的21.2%,比世界发达国家^[2]（英国8 049 kg·hm^-2,德国7 541 kg·hm^-2,比利时8 096 kg·hm^-2,法国7 243 kg·hm^-2）低48.8%—54.2%。年际间的平均产量为2 146—4 186 kg·hm^-2。根据多年平均产量划定的5个产量水平评价每年的农户小麦产量发现,每年小麦产量处于中等、低及很低3个水平的农户比例介于50%—97.3%,多年平均为74.1%。可见,当地小麦产量以中低产为主。另外,农户年际间施氮量83.2—363.9 kg N·hm^-2,多年平均为292.3 kg N·hm^-2;农户年际间施磷量49.1—252.7 kg P₂O₅·hm^-2,多年平均为159.8 kg P₂O₅·hm^-2;农户年际间施钾量19.7—153.6 kg K₂O·hm^-2,多年平均为92.0 kg K₂O·hm^-2。虽然调研区域年际小麦产量和施肥量变化较大,但是施肥量多少和产量高低表现并不一致,因此有必要明确不同产量水平农户养分投入是否合理。

Table 2
表2
表2调研区农户小麦产量和养分投入现状
Table 2Winter wheat grain yield and nutrient input in the investigated region

年份 Year	样本数 Sample	产量水平农户比例 Farmer’s proportion in yield level (%)					平均产量 Mean yield (kg·hm-2)	养分投入量 Nutrient input rate (kg·hm-2)
		≤2200	2200-3200	3200-4200	4200-5200	>5200		N	P2O5	K2O
2008-2009	150	10.7	26.7	24.0	21.3	17.3	3735	264.2	103.7	28.9
2009-2010	95	3.2	50.5	24.2	13.7	8.4	3401	369.3	252.7	153.6
2010-2011	58	12.1	60.3	1.7	0.0	25.9	3282	207.8	90.3	56.7
2011-2012	84	31.0	13.1	9.5	13.1	33.3	3525	109.2	91.2	28.8
2012-2013	76	60.5	28.9	7.9	0.0	2.6	2146	83.2	49.1	19.7
2013-2014	150	5.3	24.7	20.0	26.7	23.3	4186	202.5	115	40.8
2014-2015	125	12.0	41.6	33.6	7.2	5.6	3643	250.5	143.5	71.5
2015-2016	138	31.2	43.5	22.5	2.2	0.7	3208	145.3	75.0	40.2
2016-2017	108	0.0	49.1	19.4	13.9	17.6	4111	204.3	95.9	60.7
平均Mean		18.4	37.6	18.1	10.9	15.0	3711	292.3	159.8	92.0
总计All	984

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2.2 基于产量的施肥评价

分析不同产量水平下农户氮肥投入分布发现（图1-a）,随着产量水平的提高,施氮过量（高+很高）的农户比例逐渐降低,而施氮不足（不施+低+很低）的农户比例逐渐增加。在≤2 200 kg·hm^-2产量水平下,施氮过量的农户占83.5%,施氮不足的农户比例占12.8%;在>5 200 kg·hm^-2产量水平下,施氮过量的农户比例降低到31.2%,而施氮不足的农户增加到51.8%。整体上看,施氮过量的农户比例为68.7%,施氮不足的为23.6%,施氮适中的仅占7.7%。可见,晋南旱塬小麦生产中农户施氮普遍过量。

图1

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图1不同产量水平的农户氮（a）、磷（b）、钾（c）分级投入分布

Fig. 1Distributions of farmers who practiced different N (a), P (b) and K (c) inputs in different grain yield groups



与氮类似,随着产量水平的提高,施磷过量的农户比例逐渐降低,而施磷不足的农户比例逐渐增加（图1-b）。在≤2 200 kg·hm^-2产量水平下,施磷过量的农户比例高达81.7%,施磷不足的仅占15.9%;在>5 200 kg·hm^-2产量水平下,施磷过量的农户只有29.1%,施磷不足的占到53.2%。整体上看,施磷过量的农户比例为65.1%,施磷不足的为24.5%,施磷适中的仅占10.4%。可见,南旱塬小麦生产中农户施磷普遍过量现象也较普遍。分析不同产量水平下农户钾肥投入分布发现（图1-c）,在≤2 200 kg·hm^-2产量水平下施钾过量的农户占65.9%,施钾不足的占26.8%;在2 200—3 200 kg·hm^-2产量水平下,施钾过量的农户比例最大,为74.4%,施钾不足的占24.9%;之后,随着产量水平提高施钾过量的农户比例逐渐降低,在产量水平>5 200 kg·hm^-2时,施钾过量的农户下降到19.4%,而施钾不足的农户增加到75.0%。整体上看,施钾过量的农户占到57.9%,且集中在<4 200 kg·hm^-2产量水平以下;施钾不足的农户占到38.2%,集中在>5 200 kg·hm^-2产量水平;施钾适中的仅占4.1%,且各产量水平变化不大。可见,施钾过量的农户比例低于施氮、磷过量的农户,而施钾不足农户比例高于施氮、磷不足的农户比例。

2.3 减肥潜力分析

2.3.1 氮肥减施潜力分析 比较农户施氮量和推荐施氮量发现（表3）,整体上而言,施氮高的农户推荐施氮量平均为127.1 kg N·hm^-2,较当前平均施氮量151.2 kg N·hm^-2少施24.1 kg N·hm^-2（减少15.9%）;施氮很高的农户推荐施氮量平均为126.5 kg N·hm^-2,较当前平均施氮量377.4 kg N·hm^-2,可减施250.9 kg N·hm^-2（减少66.5%）的氮肥。

Table 3
表3
表3氮投入和减氮潜力
Table 3Nitrogen input and nitrogen reduction potential

氮投入分级 N input level	指标 Index	产量水平Yield level（kg·hm-2）
		≤2200	2200-3200	3200-4200	4200-5200	>5200	平均 Mean
适中 Middle	FF（kg N·hm-2）	66.0	85.8	125.8	156.8	248.8	136.6
	RF（kg N·hm-2）	63.8	84.5	125.1	153.9	247.6	135.0
	RN（kg N·hm-2）	-2.2	-1.3	-0.7	-2.9	-1.1	-1.6
	△(%)	3.3	1.5	0.5	1.8	0.5	1.2
高 High	FF（kg N·hm-2）	73.6	105.6	148.1	173.6	254.9	151.2
	RF（kg N·hm-2）	60.6	86.5	121.6	151.2	215.4	127.1
	RN（kg N·hm-2）	13.0	19.1	26.5	22.4	39.5	24.1
	△(%)	17.7	18.1	17.9	12.9	15.5	15.9
很高 Very high	FF（kg N·hm-2）	182.8	302.3	345.3	465.1	591.5	377.4
	RF（kg N·hm-2））	47.9	89.0	121.9	153.9	219.9	126.5
	RN（kg N·hm-2）	134.9	213.3	223.4	311.2	371.6	250.9
	△(%)	73.8	70.6	64.7	66.9	62.8	66.5

FF指农户养分实际投入量;RF指养分推荐量;RN指推荐减肥量=(FF-RF);Δ%指减肥幅度：(FF-RF)/FF。下同
FF: Fertilizer rate used by farmers; RF: Recommended rate; RN: FF minus RF; Δ%: The extent of reduction:（FF minus RF）/ FF. The same as below

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另外,不同产量水平的减氮潜力存在差异,在≤3 200 kg·hm^-2的低产水平下,施氮高和很高的农户减氮幅度平均分别为17.7%—18.1%和70.6%—73.8%,减氮量分别为13.0—19.1和134.9—213.3 kg N·hm^-2,而在>4 200 kg hm^-2产量水平下,施氮高和很高的农户减氮幅度平均为12.9%—15.5%和62.8%—66.9%,减氮量分别为22.4—39.5和311.2—371.6 kg N·hm^-2。可见高和很高投入农户在低产区减氮的幅度较大,而在高产区减氮的绝对量较大,均为减氮的重点。

2.3.2 磷肥减施潜力分析 比较农户施磷量和推荐施磷量发现（表4）,整体上而言,高磷投入的农户推荐施磷量为64.0 kg P₂O₅·hm^-2,较其当前平均施磷量76.9 kg P₂O₅·hm^-2,可减少12.8 kg P₂O₅·hm^-2（减少16.7%）的磷投入;施磷很高的农户推荐施量为62.5 kg P₂O₅·hm^-2,较其当前平均施磷量268.2 kg P₂O₅·hm^-2,可减少205.7 kg P₂O₅·hm^-2（减少76.7%）的磷投入。

Table 4
表4
表4磷投入和减磷潜力
Table 4Phosphorus input and phosphorus reduction potential

磷投入分级 P input level	指标 Index	产量水平Yield level（kg·hm-2）
		≤2200	2200-3200	3200-4200	4200-5200	>5200	平均 Mean
适中 Middle	FF（kg P2O5·hm-2）	32.8	42.7	61.8	73.4	110.1	64.2
	RF（kg P2O5·hm-2）	33.5	44.6	60.0	74.7	112.9	65.1
	RN（kg P2O5·hm-2）	-0.8	-1.8	-1.9	-1.2	-2.8	-1.0
	△(%)	-2.3	-4.3	-3.0	-1.7	-2.6	-1.5
高 High	FF（kg P2O5·hm-2）	36.9	54.5	71.9	89.7	131.3	76.9
	RF（kg P2O5·hm-2）	29.8	44.7	59.9	75.4	110.3	64.0
	RN（kg P2O5·hm-2）	7.1	9.9	12.0	14.4	20.9	12.8
	△(%)	19.1	18.1	16.6	16.0	16.0	16.7
很高 Very high	FF（kg P2O5·hm-2）	98.1	187.2	217.4	432.7	405.7	268.2
	RF（kg P2O5·hm-2）	23.7	43.3	60.2	75.4	110.0	62.5
	RN（kg P2O5·hm-2）	74.4	143.9	157.1	357.3	295.7	205.7
	△(%)	75.8	76.9	72.3	82.6	72.9	76.7

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另外,不同产量水平的减磷潜力也存在差异,在≤3 200 kg·hm^-2产量水平下,高和很高投入的农户减磷幅度平均为18.6%和76.4%,减磷量分别为8.5和109.2 kg P₂O₅·hm^-2;在>4 200 kg·hm^-2的高产水平下,高和很高投入的农户减磷幅度平均为16.0%和77.8%,减磷量分别为17.7和326.5 kg P₂O₅·hm^-2,尤其是在4 200—5 200 kg·hm^-2产量水平下,很高投入的减磷量和减磷幅度分别达357.3 kg P₂O₅·hm^-2和82.6%。综上所述,减磷的重点是很高投入的农户。

2.3.3 钾肥减施潜力分析 比较农户施钾量和推荐施钾量发现（表5）,高钾投入的农户推荐施钾量为31.0 kg K₂O·hm^-2,较其当前平均施钾量37.2 kg K₂O·hm^-2,可减少6.2 kg K₂O·hm^-2（减少16.7%）的钾肥;施钾很高的农户推荐施量为31.1 kg K₂O·hm^-2,较其当前平均施钾量155.7 37.2 kg K₂O·hm^-2,可减少124.6 kg K₂O·hm^-2（减少80%）的钾。

Table 5
表5
表5钾投入和减钾潜力
Table 5Potassium input and potassium reduction potential

钾投入分级 K input level	指标 Index	产量水平Yield level（kg·hm-2）
		≤2200	2200-3200	3200-4200	4200-5200	>5200	平均 Mean
适中 Middle	FF（kg K2O·hm-2）	15.1	20.3	33.0	36.3	72.0	35.3
	RF（kg K2O·hm-2）	14.9	21.7	32.2	36.9	73.0	35.7
	RN（kg K2O·hm-2）	0.2	-1.4	0.8	-0.6	-1.0	-0.4
	△(%)	1.6	-7.1	2.4	-1.7	-1.4	-1.1
高 High	FF（kg K2O·hm-2）	15.0	25.5	36.4	45.0	64.3	37.2
	RF（kg K2O·hm-2）	12.6	21.0	29.9	36.8	54.6	31.0
	RN（kg K2O·hm-2）	2.4	4.5	6.4	8.2	9.6	6.2
	△(%)	15.7	17.7	17.7	18.2	15.0	16.7
很高 Very high	FF（kg K2O·hm-2）	60.4	98.9	114.8	245.5	259.0	155.7
	RF（kg K2O·hm-2）	11.4	21.6	28.9	37.3	56.3	31.1
	RN（kg K2O·hm-2）	48.9	77.3	85.9	208.1	202.7	124.6
	△(%)	81.0	78.2	74.8	84.8	78.2	80.0

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按照产量水平和钾肥投入分级看,高投入在每个产量分级下减钾量均小于10 kg K₂O·hm^-2,减幅15.0%— 18.2%,差异很小。很高投入的减钾量在产量≤4 200 kg·hm^-2水平为48.9—85.9 kg K₂O·hm^-2,在>4 200 kg·hm^-2产量水平时减钾量约200 kg K₂O·hm^-2。

与氮磷相比,钾肥减施的绝对量虽有所降低,但减少幅度均有所提高,仍不容忽视。

2.4 肥料利用效率及经济效益分析

2.4.1 化肥减施的经济效益分析 化肥减施的经济效益如表6所示。整体上高投入农户纯收入减肥后达6 482元/hm²,较减肥前6 231元/hm²,增收251元/hm²（4.0%）;而很高投入农户纯收入减肥后6 439元/hm²,较减肥前3 014元/hm²增收3 425元/hm²（113.6%）。

Table 6
表6
表6化肥减施前后对小麦经济效益及养分利用的影响
Table 6Effects of before and after fertilizer reduction on wheat yield, economic benefits and nutrient utilization

养分投入分级 Nutrient input level	减肥前后 Before or after fertilization reduced	指标 Index		产量水平Yield level（kg·hm-2）
				≤2200	2200-3200	3200-4200	4200-5200	>5200	Mean
适中 Middle	减肥前 Before fertilization reduced	纯收入Net income（yuan/hm2）		1793	3581	6381	8291	16292	7268
		农学效率 Agronomic efficiency (kg·kg-1)	N	7.9	14.3	18.9	20.1	25.5	17.3
			P	15.9	28.8	38.4	42.9	57.6	36.7
			K	34.5	60.8	72.1	86.9	88.1	68.5
		偏生产力 Partial productivity (kg·kg-1)	N	29.1	30.7	30.0	29.0	31.1	30.0
			P	58.6	61.6	61.1	62.0	70.3	62.7
			K	127.2	129.9	114.5	125.5	107.5	120.9
	减肥后 After fertilization reduced	纯收入Net income（yuan/hm2）		1800	3568	6402	8294	16272	7267
		农学效率 Agronomic efficiency (kg·kg-1)	N	8.2	14.6	19	20.5	25.6	17.6
			P	16.6	29.7	38.7	41.7	52.1	35.8
			K	33.8	60.4	78.9	85	106.2	72.9
		偏生产力 Partial productivity（kg·kg-1）		29.8（N）、60.6（P）、123.5（K）。下同The same as below
高 High	减肥前 Before fertilization reduced	纯收入Net income（yuan/hm2）		1015	3346	5815	7995	12982	6231
		农学效率 Agronomic efficiency (kg·kg-1)	N	3.6	11.6	15.2	18.1	20.5	13.8
			P	7.3	22.5	31.3	35.0	39.7	27.1
			K	17.9	48.0	61.8	69.7	81.1	55.7
		偏生产力 Partial productivity（kg·kg-1）	N	22.7	24.8	24.6	26.1	25.9	24.8
			P	45.2	48.1	50.8	50.6	50.4	49.0
			K	111.2	102.9	100.3	100.8	102.9	103.6
	减肥后 After fertilization reduced	纯收入Net income（yuan/hm2）		1147	3541	6073	8258	13389	6482
		农学效率 Agronomic efficiency (kg·kg-1)	N	4.4	14.2	18.5	20.8	24.2	16.4
			P	9.0	28.8	37.7	42.3	49.3	33.4
			K	18.3	58.7	76.7	86.1	100.4	68.0
很高 Very high	减肥前 Before fertilization reduced	纯收入Net income（yuan/hm2）		-908	1044	3241	3115	8576	3014
		农学效率 Agronomic efficiency (kg·kg-1)	N	0.1	4.1	6.4	6.9	9.0	5.3
			P	0.2	6.7	10.2	7.4	13.1	7.5
			K	0.4	12.6	19.3	13.0	20.5	13.2
		偏生产力 Partial productivity（kg·kg-1）	N	7.8	8.8	10.5	9.8	11.4	9.6
			P	14.6	14.0	16.8	10.6	16.6	14.5
			K	23.4	26.9	31.1	18.8	26	25.3
	减肥后 After fertilization reduced	纯收入Net income（yuan/hm2）		580	3593	5980	8377	13666	6439
		农学效率 (kg·kg-1) Agronomic efficiency	N	0.5	14.0	18.2	20.7	24.2	15.5
			P	1.0	28.5	37.0	42.2	49.3	31.6
			K	2.0	58.0	75.4	85.9	100.4	64.3

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产量水平和投入分级不同,高投入农户的纯收入减肥后增加132—407元/hm²和 13.0%—3.1%,且随着产量水平的升高,绝对量呈增加趋势,而增幅呈降低趋势,即,≤2 200 kg·hm^-2产量水平的纯收入增幅最大,为13.0%,>5 200 kg·hm^-2的产量水平纯收入绝对量增加最大;很高投入农户的纯收入从产量水平≤2 200 kg·hm^-2到≤5 200 kg·hm^-2呈增加趋势,增收1 488—5 262元/hm²。在产量水平>5 200 kg·hm^-2时,纯收入增加5 090元/hm²。综上可知,纯收入增加最大的是高投入农户。

2.4.2 化肥减施的农学效率分析 表6表明,减氮后,投入高和很高的氮肥农学效率提高14.9%—22.4%、168.9%—400.0%,平均提高18.8%和192.5%,后者大约是前者的10倍。均以≤3 200 kg·hm^-2产量水平提高幅度大,即高投入的氮肥农学效率的提高接近于22%,很高投入的介于241.5%—400.0%之间。

磷的农学效率,投入高和很高的农户,减磷后提高范围为20.4%—28.0%和262.7%—470.3%,平均提高23.2%和321.3%。在≤3 200 kg·hm^-2和>5 200 kg·hm^-2的产量水平下提高幅度较大,高投入的提高接近于25%,很高投入的提高325.4%—470.3%,整体潜力比高投入大13—18倍。

减钾后,高钾投入的农学效率提高幅度2.2%— 24.1%,平均22.1%。其中,≤2 200 kg·hm^-2产量水平时,只提高2.2%,在2 200—5 200 kg·hm^-2的产量水平之间,提高幅度为22.3%—23.8%,平均387.1%。相比之下,很高投入的钾肥农学效率提高幅度较大,其中在≤3 200 kg·hm^-2和>4 200 kg·hm^-2产量水平下提高幅度达360.3%—560.8%。

综上,氮磷钾化肥减施后,氮、磷、钾农学效率提高幅度较大的均是肥料投入很高的农户。

2.4.3 化肥减施的偏生产力分析 减氮后偏生产力变化如表6所示。5个产量水平,氮高投入的偏生产力平均提高5 kg·kg^-1（20.2%）。针对不同产量水平分析,氮的偏生产力提高幅度介于14.2%—31.3%,其中≤2 200 kg·hm^-2产量水平时,提高31.3%,>4 200 kg·hm^-2产量水平时,提高14.2%—15.1%。相比之下,很高投入的偏生产力平均提高幅度达20.2 kg·kg^-1（210.4%）,从低产到高产提高161.4%—282.1%,特别是≤3 200 kg·hm^-2产量水平时,提高幅度更大,为238.6%—282.1%。

磷减施的偏生产力变化,高和很高投入的平均提高11.6 kg·kg^-1（23.7%）和46.1 kg·kg^-1（317.9%）。高投入的在不同产量水平下提高幅度19.3%— 34.1%,其中,≤3 200 kg·hm^-2产量水平时提高幅度大,为26.0%—34.1%,>3 200 kg·hm^-2时,均接近于20.0%。而很高投入在不同产量水平下提高幅度260.7%—471.7%,其中,在≤3 200 kg·hm^-2和3 200— 4 200 kg·hm^-2产量水平时,提高幅度均大于300%。总体上可看出,很高投入的整体潜力比高投入大。

减钾后,钾的偏生产力高和很高投入的平均提高19.9 kg·kg^-1（19.2%）和98.2 kg·kg^-1（388.1%）。从低产到高产水平,高投入的偏生产力提高幅度为11.1%—23.1%,其中,≤2 200 kg·hm^-2产量水平时提高幅度最小,为11.1%,> 2 200 kg·hm^-2产量水平时,大约提高20.0%。与高投入不同,很高投入的提高297.1%—556.9%,其中,≤2 200 kg·hm^-2和3 200— 4 200 kg·hm^-2产量水平时,提高幅度均超过400%。与氮磷趋势基本一致,很高投入的偏生产力减钾后变化力度更大。

综上所述,通过减肥,肥料利用效率和经济效益等均有不同程度的提高,特别是高投入农户。

2.5 环境效应分析

本研究采用崔振岭^[23]方法来评价该区域小麦农户减氮前后的环境风险见图2。由图2-a可知,高和很高投入减氮后,在≤2 200 kg·hm^-2产量水平下N₂O的排放可减少0.02和0.27 kg N₂O·hm^-2,且产量水平越高减排量越大,到产量>5 200 kg·hm^-2时可减少0.13和3.02 kg N₂O·hm^-2。减氮后,高和很高投入在5个产量分级中累计减少排放0.30 kg N₂O·hm^-2（11.2%）和6.28 kg N₂O·hm^-2（72.5%）,且很高投入的减排幅度最大,是高投入的6.5倍。

图2

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图2各产量水平氮投入分级下减肥前后N₂O、NH₃、NO₃和N总污染物排放

Fig. 2Loss of N₂O, NH₃, NO₃and total N-pollutant before and after input reduction at different N input levels and different yield groups



图2-b表明,与减氮前相比,减氮后高和很高投入的在≤2 200 kg·hm^-2产量水平下,NO₃^--N的淋洗量减少0.17和7.51 kg NO₃^--N·hm^-2,在>5 200 kg·hm^-2产量水平下减淋洗量提高到3.22、125.33 kg NO₃^--N·hm^-2。且高和很高投入的农户在不同产量水平下淋洗量累计减少3.05 kg NO₃^--N·hm^-2（4.9%）和231.13 kg NO₃^--N·hm^-2（79.6%）。且很高投入的减少NO₃^--N淋量为高投入的70倍。

图2-c显示,NH₃的挥发趋势与N₂O的排放和NO₃^--N的淋洗相同,在≤2 200 kg·hm^-2产量水平下,减氮后比减氮前高和很高投入的挥发量减少1.25和9.16 kgNH₃·hm^-2,>5 200 kg·hm^-2产量水平挥发量减少3.72和26.17 kg NH₃·hm^-2。相比之下,减氮后各产量水平累计少挥发14.05 kg NH₃·hm^-2（20.83%）和90.71 kg NH₃·hm^-2（62.83%）的NH₃,二者的排放量相差6.5倍。

综合以上3种污染物的总损失量见图2-d,各产量水平,高和很高投入的总污染物比减氮前减少排放量（占比）17.40 kg N·hm^-2（13.1%）和328.12 kg N·hm^-2（74.0%）。合计节约氮12.45 kg N·hm^-2（17.5%）和130.89 kg N·hm^-2（68.9%）,节省65.00和683.25元/hm²。因此,结合图2-a、图2-b和图2-c及分析可知,氮的污染物损失途径最大的是NO₃^--N的淋洗,损失量最大的是很高投入农户,减氮后,很高投入的农户氮的污染物有显著的减排效应。

3 讨论

3.1 化肥减施对小麦产量的影响

本研究连续9年调研结果显示,晋南旱塬冬小麦年平均产量介于2 146—4 186 kg·hm^-2,多年平均为3 711 kg·hm^-2,其中56.0%的农户产量处于低产水平（≤3 200 kg·hm^-2）。当地产量偏低且年际变幅比较大,主要原因是受季风性气候影响年际降水量变化大且年内降雨分布不均,且与冬小麦生长发育需水关键期不匹配。所以,水分仍是限制旱作冬小麦稳产增产的首要因子。另外,土壤有机质低导致土壤氮素供应不足同样限制着当地小麦生产。施肥是实现小麦高产和培肥土壤的关键措施,但受“施肥越多产量越高” 错误观念的影响,小麦生产中大量施用化肥。本研究中,冬小麦氮肥、磷肥和钾肥的总用量及各自用量分别达544.1 kg·hm^-2、292.3 kg N·hm^-2、159.8 kg P₂O₅·hm^-2、92.0 kg K₂O·hm^-2,不仅高于对应的环境安全阈值289.1 kg·hm^-2、144.6 kg N·hm^-2、72.3 kg P₂O₅·hm^-2、72.3 kg K₂O·hm^-2,也高于我国2014年总化肥及氮、磷、钾施用强度337.2 kg·hm^-2、174.2 kg N·hm^-2、87.2 kg P₂O₅·hm^-2、75.8 kg K₂O·hm^{-2 [6]}。另外,与基于农户产量确定的推荐施肥量相比,当前小麦氮肥、磷肥和钾肥施用过量的农户比例分别高达68.7%、65.1%和57.9%,分别可减少24.1—250.9 kg N·hm^-2,12.8—205.7 kg P₂O₅·hm^-2,6.2—124.6 kg K₂O·hm^-2的肥料投入。因大量田间试验结果表明,优化农户习惯施肥在减少当前化肥用量30%—60%的条件下,可维持当前小麦产量或促进小麦增产^{[22, 24-25]}。例如,晋南旱塬小麦肥效试验表明,采用测土监控施肥可降低农户施肥量,同时小麦产量提高14.8%—30.9%^[22]。所以,本研究从维持作物稳产增产出发,确定了晋南旱塬小麦推荐施肥量,并进一步提出了当前农户化肥用量减施的潜力,可为当地冬小麦养分管理提供有力支撑。

3.2 化肥减施对养分利用和经济效益的影响

合理施肥能够提高小麦产量和经济效益^[26]。在我国,谷物生产中的氮肥利用率在20世纪80年代为30%—35%^[27],本世纪初下降到20%以下^[28],低于世界平均水平（33%）。不合理施肥,尤其是过量施肥,作物产量和经济效益、养分利用效率必受影响^[20,29]。本研究中养分投入高和很高的农户化肥减施后,高投入农户的经济效益将提高4%,氮肥、磷肥和钾肥的农学效率分别提高19.1%、23.1%和22.1%,肥料偏生产力分别提高20.2%、23.7%和19.2%;很高投入农户的经济效益将提高55%,氮肥、磷肥和钾肥的农学效率分别提高192.5%、321.3%和387.1%,肥料偏生产力分别提高210.4%、317.9%和388.1%。王雨成等研究发现,将农户施氮量由315 kg N·hm^-2减少到180 kg N·hm^-2（减少42.9%的氮肥投入）,小麦产量并没有降低且节约了742.7元/hm²的氮肥投入成本^[30]。李强等优化农户氮肥管理发现,小麦地上部氮吸收量增加6.4%—36.4%,氮素收获指数提高5.7%—6.8%^[25]。赵亚南等研究发现,农户氮肥和磷肥减施后氮肥偏生产力和农学效率可分别提高79.2%和69.1%,磷肥偏生产力和农学效率可分别提高 91.1%、72.7%^[31]。朱晓霞等研究发现,较农户施肥减氮65.9 kg N·hm^-2,氮肥偏生产力提高34.3%,经济效益增加1002元/hm^2[32]。ZHAN等多点田间试验表明,在钾肥投入由154 kg K₂O·hm^-2减到102 kg K₂O·hm^-2情况下,产量增加300 kg·hm^-2,偏生产力由35.3 kg·kg^-1提高到54.9 kg·kg^-1,提高了55.5%,经济效益增加959.2 元/hm^2[33]。崔振岭等研究发现,玉米、水稻、小麦3种作物氮肥减施后,氮肥的偏生产力可提高31.5%—35.7%,经济效益增加22.1%—27.2%^[23]。综合以上多点化肥减量试验和本研究提出的化肥减施后的经济效益和肥料利用效率分析结果可见,合理减少肥料的投入,养分利用效率和经济效益均有提高,对于黄土旱塬小麦合理施肥均有一定的指导意义。

3.3 小麦化肥减施对环境效益影响

当前,粮食安全、环境退化和气候变化是人类面临的重大挑战,农业生产是挑战的核心。我国小麦种植面积大,生产中平均每年施氮305 kg N·hm^-2,是世界氮肥用量74 kg N·hm^-2的4倍,过量施氮引发的系列环境问题,成为当今研究者普遍关心的问题^[23,33-34]。本研究表明,高和很高投入农户氮肥减量后,N₂O的排放可分别减少11.2%和72.5%;NH₃的挥发可分别减低20.8%和62.8%;NO₃^--N的淋洗可分别降低4.9%和79.6%;总氮污染物减少17.4 kg·hm^-2（13.1%）和328.1 kg·hm^-2（74.0%）,节约氮肥12.5 kg N·hm^-2（17.5%）和130.9 kg N·hm^-2（68.9%）,节约成本65.0和683.3元/hm²。田间试验表明,在陕西长武旱塬氮肥减施后,当季土壤硝态氮残留减少59.5%—68.2%,夏闲期土壤硝态氮向60 cm以下土层的淋溶量减少24.3%-42.3%^[25]。晋南旱塬连续4年试验表明,在平均减氮46.25 kg N·hm^-2情况下,2 m土壤土层硝态氮累积量由277.0 kg NO₃^--N·hm^-2下降到170.7 kg NO₃^--N·hm^-2,下降了106.3 kg NO₃^--N·hm^{-2 [22]}。同样,施氮180 kg·hm^-2和315 kg·hm^-2相比,作物收获后0–200 cm 土层硝态氮含量减少了26.7%—32.2%^[30];施氮75 kg·hm^-2与300 kg·hm^-2相比,土壤硝态氮的平均淋失浓度和年均淋失量分别降低了32.5%和30.6%^[35]。另外,正常施氮160 kg·hm^-2,作物收获后0—300 cm土层硝态氮累积量为327.9 kg NO₃^--N·hm^-2,过量施氮320 kg·hm^-2硝态氮累积量为727.7 kg NO₃^--N·hm^-2,相比之下硝态氮累积下降了399.8 kg NO₃^--N·hm^-2[36]。更全面的是巨晓棠为期4年的田间试验,结果表明小麦生长季氨挥发占施氮量的19.4%,N₂O排放量占0.1%,NO₃^--N淋失占2.7%,均随施氮量的增加而显著增加^[37]。崔振岭在我国主要粮食生产区应用养分资源管理（ISSM）技术优化农户施肥习惯,并进行10年技术推广后发现,活性氮损失减少22.9%—34.9%,温室气体排放量减少18.6%—29.1%^[23]。以上研究结果均为本研究提出的化肥减施的环境正效应提供了有力支撑,也进一步证明农户减氮可以降低施肥对环境的影响。

4 结论

对晋南旱塬984个农户施肥调研分析发现,当地小麦产量以中低产为主,氮、磷和钾养分投入过量的农户比例为58%—69%,减肥潜力很大。若实现化肥减施,可不同程度地提高氮磷钾养分的利用效率和经济效益,同时减少15.1%—285.0%的总氮化合污染物（N₂O排放、NO₃^--N淋洗和NH₃挥发）的排放量,估测节约纯氮12.5—130.9 kg N·hm^-2。

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