基于产量的渭北旱地小麦施肥评价及减肥潜力分析

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本站小编 Free考研考试/2021-12-26

曹寒冰, 王朝辉, 赵护兵, 马小龙, 佘旭, 张璐, 蒲岳建, 杨珍珍, 吕辉, 师渊超, 杜明叶. 基于产量的渭北旱地小麦施肥评价及减肥潜力分析[J]. , 2017, 50(14): 2758-2768 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2017.14.012
CAO HanBing, WANG ZhaoHui, ZHAO HuBing, MA XiaoLong, SHE Xu, ZHANG Lu, PU YueJian, YANG ZhenZhen, LÜ Hui, SHI YuanChao, DU MingYe. Yield Based Evaluation on Fertilizer Application and Analysis of Its Reduction Potential in Weibei Dryland Wheat Production[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2017, 50(14): 2758-2768 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2017.14.012

0 引言

【研究意义】化肥,尤其是氮肥,对作物产量的贡献达30%—50%^[1-2]。施肥不足难以满足作物需求,过量则会威胁作物-土壤-环境可持续发展^[3-4]。目前,中国小麦产量占粮食总产的21%,单产达5 244 kg·hm^-2[5],由于分布区域广且主要是小农户经营,麦田养分管理不合理现象普遍存在^[6-7]。因此,农户既是养分管理的决策者,也是保障农业环境友好,节本增效的突破口。分析农户养分管理现状对于维持作物高产、实现养分高效,到2020年化肥用量零增长有重要意义。【前人研究进展】1970—2014年,中国化肥用量从3.5× 10⁹ kg增加到59.9×10⁹ kg,增加1 608%,同期粮食产量从2.4×10¹¹ kg增加到6.1×10¹¹ kg,增加153%^[5],化肥增幅远超过粮食增幅。小麦生产中,农户主要依赖经验施肥或盲目施肥,没有根据作物养分需求进行施肥是主要原因^[8]。全国17个省14 000个农户调研表明,中国75%的农户施用化肥过量^[9]。在苏北,小麦平均施氮323 kg N·hm^-2,其中52%的农户氮肥过量^[10]。河北曲周小麦平均施氮262 kg N·hm^-2,92%的农户过量;施磷188 kg P₂O₅·hm^-2,94%的农户过量;施钾52 kg K₂O·hm^-2,42%的农户过量^[11]。陕西关中,小麦氮肥用量平均210 kg N·hm^-2,超过55%的农户过量;磷肥平均183 kg P₂O₅·hm^-2,近60%的农户过量;但该地区超过90%的农户不施钾肥^[12]。可见,中国不同区域麦田养分管理不合理普遍存在。过量施氮在南方已造成主要河流总氮含量达到7—8 mg·L^-1,在华北平原土壤和地下水硝酸盐含量也显著提高^[13-14]。黄土高原中部的渭北旱塬是典型的旱地小麦种植区,以施75—105 kg N·hm^-2、60—90 kg P₂O₅·hm^-2、45—75 kg K₂O·hm^-2为区域合理施肥范围评价表明,氮肥和磷肥过量的农户分别为89%和75%,平均用量分别为226 kg N·hm^-2和135 kg P₂O₅·hm^-2,而76%的农户钾肥投入不足,平均用量为52 kg K₂O·hm^-2[15]。另有报道,以施120—160 kg N·hm^-2、100—140 kg P₂O₅·hm^-2、80—100 kg K₂O·hm^-2为合理施肥量,渭北旱地小麦氮磷肥投入过量的农户分别为64%和36%,平均用量分别为198 kg N·hm^-2和123 kg P₂O₅·hm^-2,90%的农户钾肥投入不足,平均用量为33 kg K₂O·hm^-2[12]。可见,不同调研结果的农户平均施肥量接近,但因参考的施肥标准不同,同在渭北旱地的合理与不合理施肥的农户分布差异较大,尤其是磷肥。区域推荐施肥量通常来自多点田间肥效试验^[12]或区域平均产量对应的养分需求量^[16],两种方法获得的施肥标准均默认了试验推荐量或平均产量的区域代表性。然而,受降水时空分布、地力水平不均引起的旱地小麦产量差异超过30%,可达5 000 kg·hm^-2左右^[17-18]。因此,田间肥效试验的周期和地点分布均会影响评价标准的建立,进而影响农户施肥评价结果。【本研究切入点】目前农户施肥评价主要基于区域的合理施肥量,没有考虑实际生产中不同地方、不同田块的产量差异,以及由产量差异带来的养分和肥料用量需求差异,忽视了低产田块过量施肥的严重性,过高估计了高产田块施肥过量的严重性问题。【拟解决的关键问题】利用渭北旱地小麦种植区连续多年多点农户调研数据,基于小麦产量分布,提出了基于田块产量差异的旱地小麦农户施肥评价方法,以期更客观准确地分析和认识旱地小麦施肥现状,明确农户养分管理存在的问题和减肥潜力,为实现旱地小麦合理施肥、绿色可持续生产提供支撑。

1 材料与方法

1.1 调研区域概况

渭北旱塬位于陕北沟壑区以南,关中平原灌区以北,介于北纬34°29′—36°24′,东经106°26′—110°37′之间,东临黄河与山西为界,西抵陇山和甘肃接壤,总面积为3.62×10⁴ km²;行政区域包括宝鸡、咸阳、渭南、铜川、延安5地（市）中的23个县（区）。该地区平均气温介于7.0—13.5℃,平均降水介于500—700 mm,各地区降水量年际间变化很大,降水多的年份可达800—1 000 mm,少的年份可在400 mm以下。另外,受季风影响,降水主要集中在6—9月,占年降水量50%以上^[19]。黑垆土和黄绵土是该地区主要土壤类型,区域土壤有机质平均为12.9 g·kg^-1,速效磷15.4 mg·kg^-1,速效钾164.2 mg·kg^-1[15]。冬小麦是该地区主要粮食作物,一年一熟制种植。

1.2 调研方法及内容

2011—2015年,连续5年在渭北旱塬小麦种植区进行多点农田养分管理调研,包括宝鸡市凤翔县、咸阳市永寿和彬县、渭南市蒲城和合阳县、铜川市耀州区的42个村,调研农户总数为1 261户。调查内容主要包括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。

1.3 产量分级标准

调研1 261户的小麦籽粒产量介于750—9 000 kg·hm^-2,90%的农户产量集中在1 500—7 200 kg·hm^-2。以小麦产量的第5%分位数（1 500 kg·hm^-2）和95%分位数（7 200 kg·hm^-2）为最低和最高限求极差（5 700 kg·hm^-2）,然后以等产量间距（1 140 kg·hm^-2）分成5个范围。小麦产量等级从低到高依次分为<2 640 kg·hm^-2（低产）,2 640—3 780 kg·hm^-2（偏低）,3 780— 4 920 kg·hm^-2（中产）,4 920—6 060 kg·hm^-2（偏高）,>6 060 kg·hm^-2（高产）（图1）。

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图1农户小麦产量分级
-->Fig. 1Different groups of farmers’ wheat grain yield from farm survey of 1 261 farmers
-->

1.4 合理施肥标准

在黄土高原旱地,由于长期的农业耕作和水土流失,农田土壤有机质含量普遍偏低,供肥和保肥能力通常较差,特别是有机氮含量低,磷固定作用强,影响对作物的氮磷供应。因此,在这一地区,不同田块的土壤肥力水平和养分供应能力虽有差异,但施肥的目标除了维持或提高作物产量外,还必需考虑土壤培肥,即通过肥料投入调控和提升土壤养分供应能力,实现“藏粮于地”的目标。因此,确定不同产量的合理施肥量,需在维持农田土壤养分平衡和肥力水平提升的基础上,考虑作物产量形成对养分的需求,提出：
合理施肥量（recommended fertilization rate,R_ec）=养分携出量=产量×养分需求量×调整系数（1）
式中,的产量为由农户调研获得的实际田块产量。养分需求量指冬小麦的百公斤籽粒养分需求量。受降水、气温、生产条件等影响,不同区域小麦养分需求量不同^[20-22]。渭北旱地生产100 kg小麦需氮（N）2.8 kg、需磷（P₂O₅）0.7 kg、需钾（K₂O）2.4 kg^[23]。调整系数指根据研究区域土壤养分供应能力确定的调整施肥数量高低的参数。
合理施氮量（R_ecN）（kg N·hm^-2）=产量（kg·hm^-2）/100×2.8（kg N·(100·kg^-1 grain)）×1.0 （2）
式中,1.0为施氮调整系数。考虑当地小麦生产中普遍存在氮素投入过量^{[12, 15]}且土壤中过多残留的氮素易受降水影响向深层淋溶,造成损失^[24],因此认为施用氮肥只需补足作物带走的氮素即可。
合理施磷量（R_ecP）（kg P₂O₅·hm^-2）=产量（kg·hm^-2)/ 100×0.7（kg P₂O₅·（100·kg^-1 grain））×1.5 （3）
式中,1.5为施磷调整系数。因旱地农田土壤速效磷易被固定^[25],因此施用磷肥量设为小麦地上部吸磷量的1.5倍。
合理施钾量（R_ecK）（kg K₂O·hm^-2）=农户产量（kg·hm^-2）/100×2.4（kg K₂O·（100·kg^-1 grain））×0.3×1.0 （4）
式中,1.0为施钾调整系数。因西北农田土壤速效钾含量普遍较高,高于农田土壤速效钾临界含量^[26],且有报道显示渭北旱地土壤平均速效钾含量高达160 mg·kg^-1[15],因此认为施用钾肥只需补足作物带走的钾素即可。另外当前小麦收获后秸秆普遍还田,而秸秆中钾素占作物吸钾量的70%以上^[22-23],所以小麦目标产量需钾量仅为理论需钾量0.3倍。

1.5 农户施肥等级指标

在以往的研究中,常直接给定一个区域合理施肥量范围^[15],或以给定的区域合理施肥量为中心值,以合理施肥量的20%—40%为变幅^{[12, 16]}分为3—5级进行分析和评价。本研究以由各农户实际产量计算的推荐施肥量为合理施肥量（R_ec）,以推荐施肥量的40%为变幅,分为5级进行评价（图2）,从低到高依次为0—0.4 R_ec（很低）;0.4 R_ec—0.8 R_ec（偏低）;0.8 R_ec—1.2 R_ec（适中）;1.2 R_ec—1.6 R_ec（偏高）;>1.6 R_ec（很高）。与采用区域合理施肥量作为标准评价该区域所有农户施肥量的方法不同,此方法将每一个农户的实际施肥量（FP）与其每个田块不同产量水平对应的合理施肥量（R_ec）比较。从上述合理施肥量的计算过程可知,这样既考虑了区域土壤肥力调控和提升的需求,又考虑了不同产量水平养分需求数量的差异,因而更为客观准确。

2 结果

2.1 旱地小麦产量

1 261户的调研发现,从低到高5个产量等级的平均产量依次为1 828,3 383,4 462,5 584和6 975 kg·hm^-2,各产量等级的农户分布比例分别是22.0%（n=277）,22.2%（n=280）,19.3%（n=244）,22.8%（n=288）和13.6%（n=172）（图3）。可见,旱地小麦产量不仅变异大,且高产农户比例少于其他产量水平。

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图2农户施肥等级
-->Fig. 2Different levels of farmers’ fertilizer application
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图3不同小麦产量范围的分布比例
-->Fig. 3Frequency distribution of different wheat grain yield groups
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2.2 旱地小麦产量和施肥量的关系

分析农户小麦产量和施肥量的关系发现（图4）,氮肥用量介于33—454 kg N·hm^-2,平均为188 kg N·hm^-2;磷肥介于0—435 kg P₂O₅·hm^-2,平均为125 kg P₂O₅·hm^-2;钾肥介于0—201 kg K₂O·hm^-2,平均为19 kg K₂O·hm^-2。与农户间小麦产量分布类似,氮、磷和钾肥施肥量均变异很大,变异系数依次为37.5%,47.7%和173.5%。但是,农户产量和氮、磷及钾肥用量间均不存在相关性。说明产量与施肥量无关,即在同一施肥量水平下,小麦产量可能很高,也可能很低。

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图4农户施肥量和产量的关系
-->Fig. 4Relationships between grain yields and N, P, and K fertilizers based on farm surveys (n=1 261) from 2011 to 2015
-->

2.3 农户养分投入分布

2.3.1 农户施氮评价根据不同农户产量对应的氮肥合理用量评价农户的实际施氮量,结果显示（图5）,在所有农户中（n=1 261）,施氮很低、偏低、适中、偏高和很高的农户逐渐增多,依次分别占0.7%、10.8%、19.5%、22.0%和47.0%,即施氮合理的农户仅占19.5%,且施氮不合理主要表现在69.0%的农户过量施氮（偏高+很高）。
分析农户施氮量在不同产量水平的分布显示（图5）,从低产到高产,施氮过量（偏高+很高）的农户分布比例逐渐降低,由97.8%降低到18.0%;施氮量适中的农户逐渐增加,由1.4%提高到36.0%;同样,施氮不足（偏低+很低）的农户也逐渐增多,由0.7%增加到45.9%。可见,调研区域施氮过量的问题主要是中低产量水平的农户过量施氮,而偏高和高产水平的农户施氮不足的问题同样应引起关注。

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图5不同施肥等级的农户在各产量水平的分布
-->Fig. 5Distributions of farmers who practiced different N, P, and K inputs in different grain yield groups
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2.3.2 农户施磷现状结果显示（图5）,所有农户中（n=1 261）,施磷很低、偏低、中等、偏高和很高的比例依次为1.6%、0.9%、6.2%、10.5%和80.8%,即施磷合理的农户仅占6.2%,同氮肥一样,农户施磷不合理也主要表现为过量施磷,且过量农户竟高达91.4%,超过了过量施氮的农户。
分析农户施磷量在不同产量水平的分布显示（图5）,随着产量水平提高,施磷过量的农户分布比例虽然也在逐渐降低,但由99.3%仅降低到70.9%,表明即使在高产水平过量施磷现象也普遍存在。因此,磷肥管理的难点是不同产量水平农户均存在严重的过量施磷问题。
2.3.3 农户施钾现状结果显示（图5）,1 261农户中,施钾很低、偏低、中等、偏高和很高的比例依次为67.2%、2.5%、6.7%、3.8%和19.8%,即施钾合理的农户仅占6.7%,与氮、磷肥不同,农户施钾不合理主要表现为施钾不足,所占比例接近70%。
分析农户施钾量在不同产量水平分布显示（图5）,与氮、磷肥用量分布相比,施钾过量的农户随着产量水平提高也在降低,由39.6%降低到14.3%,分别低于过量施氮和过量施磷在各产量水平的分布。不同的是,施钾不足的农户在各产量水平分别至少占60%。可见,在合理施用氮磷肥的前提下增施钾肥应是钾肥管理的要点。

2.4 当前农户的减肥潜力

2.4.1 氮肥减肥潜力比较农户施氮量和推荐施氮量发现（表1）,减少氮肥投入的潜力因农户目前的产量和施肥水平而异。总体来看,所有农户的平均推荐量为119 kg N·hm^-2,而农户习惯的实际施肥量为188 kg N·hm^-2,可减少69 kg N·hm^-2、37%的氮肥投入。针对氮肥由低产水平的施肥过量变为高产水平的施肥不足的现象（图5）,在低产和产量偏低水平,重点是施氮量偏高或很高的农户减肥,减幅在24—144 kg N·hm^-2、28%—73%。在中产到高产水平,既有减肥,也有增肥。减肥的重点是施氮量偏高或很高的农户,减幅在50—181 kg N·hm^-2、26%—51%;增肥的重点是施氮量偏低或很低的农户,增幅在38—134 kg N·hm^-2、41%—345%。
Table 1
表1
表1各产量水平和不同施肥等级农户习惯的平均施氮量和推荐的平均施氮量
Table 1The averaged N rates of FP and R_ec at different N input levels and different yield groups (kg N·hm^-2）

产量范围 Yield ranges (kg·hm^-2)	很低 Very low				偏低 Low				适中 Moderate				偏高 High				很高Very high				平均 Mean
产量范围 Yield ranges (kg·hm^-2)	FP	R_ec	Reduction	%	FP	R_ec	Reduction	%	FP	R_ec	Reduction	%	FP	R_ec	Reduction	%	FP	R_ec	Reduction	%	FP	R_ec	Reduction	%
低产 Very low (<2640)	—	—	—	—	37	62	-25	-68	66	63	3	5	87	63	24	28	189	51	138	73	183	51	132	72
偏低 Low (2640-3780)	—	—	—	—	59	97	-38	-64	99	98	1	1	134	97	37	28	237	93	144	61	196	95	101	52
中产 Moderate (3780-4920)	41	126	-85	-207	92	130	-38	-41	128	123	5	4	176	126	50	28	258	126	132	51	188	125	63	34
偏高 High (4920-6060)	33	147	-114	-345	105	160	-55	-52	161	159	2	1	216	154	62	29	290	153	137	47	193	156	37	19
高产 Very high (>6060)	51	185	-134	-263	127	198	-71	-56	193	196	-3	-2	258	191	67	26	366	185	181	49	174	195	-21	-12
平均 Mean																					188	119	69	37

FP: Fertilizer rate used by farmers; Rec: Recommended rate; Reduction: Rec minus FP; %: The extent of reduction. The same as belowFP指农户施肥量;Rec指推荐施肥量;Reduction指推荐施肥较农户施肥减肥量;%表示减肥幅度。下同

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2.4.2 磷肥减肥潜力比较农户施磷量和推荐施磷量发现（表2）,减少磷肥投入的潜力同样因产量和施肥水平而异。就总体来看,所有农户平均推荐量为45 kg P₂O₅·hm^-2,而农户习惯的施肥量为125 kg P₂O₅·hm^-2,可减少80 kg P₂O₅·hm^-2,减少64%的磷肥投入。针对不同产量水平农户普遍施磷过量的现象（图5）,低产、偏低、中等、偏高和高产水平的农户,施磷偏高的应减少7—31 kg P₂O₅·hm^-2,23%—33%的磷肥投入;施磷很高的应减少85—118 kg P₂O₅·hm^-2,61%—85%的磷肥投入。
Table 2
表2
表2各产量水平和不同施肥等级农户习惯的平均施磷量和推荐的平均施磷量
Table 2The averaged P rates of FP and R_ec at different P input levels and different yield groups (kg P₂O₅·hm^-2)

产量范围 Yield ranges (kg·hm^-2)	很低Very low				偏低 Low				适中Moderate				偏高 High				很高Very high				平均 Mean
产量范围 Yield ranges (kg·hm^-2)	FP	R_ec	Reduction	%	FP	R_ec	Reduction	%	FP	R_ec	Reduction	%	FP	R_ec	Reduction	%	FP	R_ec	Reduction	%	FP	R_ec	Reduction	%
低产 Very low (<2640)	0	28	-28	—	—	—	—	—	18	16	2	11	30	23	7	23	124	19	105	85	123	19	104	85
偏低 Low (2640-3780)	0	33	-33	—	—	—	—	—	36	35	1	3	58	39	19	33	134	36	98	73	124	36	88	71
中产 Moderate (3780-4920)	0	47	-47	—	27	41	-14	-52	47	46	1	2	71	48	23	32	132	47	85	64	124	47	77	62
偏高 High (4920-6060)	0	55	-55	—	40	60	-20	-50	63	60	3	5	87	61	26	30	147	58	89	61	125	59	66	53
高产 Very high (>6060)	2	64	-62	—	44	72	-28	-64	73	75	-2	-3	104	73	31	30	190	72	118	62	131	73	58	44
平均 Mean																					125	45	80	64

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2.4.3 钾肥减肥潜力比较农户施钾量和推荐施钾量发现（表3）,钾肥的减肥潜力在于低产水平中施钾很高的农户,可减少钾肥32 kg K₂O·hm^-2,减少71%。就总体来看,所有农户平均推荐量为31 kg K₂O·hm^-2,而农户习惯的施肥量为19 kg K₂O·hm^-2,需增加12 kg K₂O·hm^-2,增加63%。针对农户普遍施钾不足的问题（图5）,对于低产、偏低、中等、偏高和高产水平的农户,施钾很低的农户应改变不施钾肥的习惯,根据产量水平变化施用13—50 kg K₂O·hm^-2的钾肥;施钾偏低的农户,应增加7—18 kg K₂O·hm^-2,35%—78%的钾肥。
Table 3
表3
表3各产量水平和不同施肥等级农户习惯的平均施钾量和推荐的平均施钾量
Table 3The averaged K rates of FP and R_ec at different K input levels and different yield groups (kg K₂O·hm^-2)

产量范围 Yield ranges (kg·hm^-2)	很低Very low				偏低 Low				适中Moderate				偏高 High				很高Very high				平均 Mean
产量范围 Yield ranges (kg·hm^-2)	FP	R_ec	Reduction	%	FP	R_ec	Reduction	%	FP	R_ec	Reduction	%	FP	R_ec	Reduction	%	FP	R_ec	Reduction	%	FP	R_ec	Reduction	%
低产 Very low (<2640)	0	13	-13	—	—	—	—	—	13	12	1	8	23	15	8	35	45	13	32	71	18	13	5	28
偏低 Low (2640-3780)	0	24	-24	—	20	27	-7	-35	27	26	1	4	34	25	9	26	73	25	48	66	18	24	-6	-33
中产 Moderate (3780-4920)	0	32	-32	—	21	33	-12	-57	36	33	3	8	44	32	12	27	94	32	62	66	20	32	-12	-60
偏高 High (4920-6060)	0	40	-40	—	23	41	-18	-78	40	40	0	0	56	41	15	27	107	40	67	63	20	40	-20	-100
高产 Very high (>6060)	1	50	-49	—	35	51	-16	-46	46	48	-2	-4	64	49	15	23	110	51	59	54	20	50	-30	-150
平均 Mean																					19	31	-12	-63

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3 讨论

3.1 旱地农户小麦产量与施肥

本研究1 261份调研数据显示渭北小麦平均产量4 243 kg·hm^-2,与之前报道的4 232 kg hm^-2一致^[27]。综合渭北^{[12, 27]}、晋南^[28]、定西^[29]等地区调研发现,黄土高原旱地小麦平均产量2 400—4 300 kg·hm^-2,低于中国小麦平均产量（5 244 kg·hm^-2）^[5]。与其他半湿润易旱区一样,水分决定了黄土高原旱地小麦生产潜力^[25]。施肥是实现作物潜力产量和培肥土壤的关键措施。如果不考虑环境养分投入或土壤作物系统向环境的养分损失,或认为两者基本平衡^[30],为了维持作物高产和土壤肥力,养分的投入至少应等于作物携出,如欲使土壤肥力水平有所提高,养分的投入应适当高于作物携出。从20世纪80年代后期,开始重视养分投入至今,黄土高原旱地农田土壤氮素残留量明显增加,特别是硝态氮残留已成为一个必须重视的问题^[31],土壤有效磷水平也明显提升^[15],但因长期认为土壤有效钾丰富,而忽视钾肥施用,作物收获带走的钾素未得到补充,这一地区土壤钾素一直处于消耗状态^[26]。所以,虽然该地区土壤有效钾丰富,长期只重视氮肥和磷肥,而忽视钾肥,也会因土壤钾素消耗导致一些田块氮磷钾供应能力失衡^[26]。
因此,当土壤中残留养分过多、或养分供应能力不平衡时,肥料养分的过量或不平衡施入就会存在减产的风险。本研究分析农户产量和施肥量发现,农户产量范围为750—9 000 kg·hm^-2;氮、磷和钾肥用量分别为33—454 kg N·hm^-2,0—435 kg P₂O₅·hm^-2和0—201 kg K₂O·hm^-2,产量和氮、磷、钾肥用量均不相关。正常情况下,作物产量与施肥量的关系应遵循报酬递减律^[32]、产量与施肥量呈二次模型或线性加平台模型关系^[33-34],但本调研中发现农户产量与施肥量之间并非如此。施肥量很低或偏低的农户仍可获得高产,可能是长期过量施肥造成土壤养分大量残留,即使不施肥或少施肥,也可使作物获得较高的产量。当然,在原土壤养分残留过高的情况下,继续高量施肥,也会使作物减产,这可能就是高量施肥农户,小麦产量反而不高的原因。另外,施肥不平衡,养分投入比例与作物需求不符合,也会导致某种养分投入高,而产量不高。
在土壤累积有大量肥料残留氮素的情况下,研究显示即使仅施14—91 kg N·hm^-2的低量氮肥也可保证小麦获得甚至比农户更高的产量^[35],但低量氮肥投入维持两个小麦季后,施氮水平应调整到接近目标产量需氮量,否则就会减产^[36],因此,考虑到土壤原有的肥料氮素残留,本研究提出黄土高原区旱地氮肥施用量的调整系数为1.0。在综合国内相关研究的基础上,LI等^[37]指出中国小麦土壤速效磷适宜含量介于20—40 mg·kg^-1。本调研区域66%的土壤速效磷含量介于10—20 mg·kg^-1[33],平均为15.2 mg·kg^-1[15],低于这一水平,且旱地土壤pH普遍较高,容易造成施入土壤的肥料磷的固定,因此,建议推荐施磷量为目标产量需磷量的1.5倍。与氮和磷不同,调研区域土壤速效钾含量平均在150 mg·kg^-1左右^{[15, 23]},当地90%的土壤速效钾含量高于100 mg·kg^-1[33],因此认为推荐施钾量与作物携出量相当即可,钾肥用量的调整系数为1.0。

3.2 基于产量的农户小麦施肥评价与减肥潜力分析

施肥的主要目的是补充作物携出的养分,以维持土壤肥力。然而,近期研究表明,中国农田氮素盈余问题严重,平均达74 kg N·hm^-2[7]。华北平原小麦-玉米轮作体系氮盈余227 kg N·hm^-2,磷盈余121 kg P₂O₅·hm^-2[3];黄土高原冬小麦-夏休闲耕作体系氮素盈余量74 kg N·hm^-2,磷盈余65 kg P₂O₅·hm^-2,而钾处于亏缺状态^[27]。要解决这一问题,需从田块尺度的养分管理问题入手,这是由中国小农户经营模式决定的。本研究中,渭北农户小麦平均施氮188 kg N·hm^-2、施磷125 kg P₂O₅·hm^-2、施钾19 kg K₂O·hm^-2;施氮和施磷过量农户分别占69%和91%,施钾不足的占70%。与赵护兵等^[12]和刘芬等^[15]报道的结果相比,3种肥料平均用量及对氮过量、钾不足的评价结果一致,但本研究中过量施磷农户占91%,高于赵护兵和刘芬的结果,原因是本研究磷肥平均推荐量为45 kg P₂O₅·hm^-2,低于赵护兵等提出的60—90 kg P₂O₅·hm^-2、刘芬等提出的100—140 kg P₂O₅·hm^-2的推荐施磷范围。从全国70个10年以上的肥料定位试验结果看,保证4 500—6 000 kg·hm^-2的粮食产量,适宜的施磷范围为45—75 kg P₂O₅·hm^-2即可^[38],所以结合中国近年农田土壤有效磷不断上升的趋势^[39]和当地小麦产量水平,用本文提出的方法推荐旱地磷肥用量均为合适。
针对农户施肥不合理的问题,对大量田间试验的总结研究提出施氮量应因产量而异^[40],产量小于6 000 kg·hm^-2,氮用量为120—180 kg N·hm^-2;介于6 000—7 500 kg·hm^-2,氮用量为180—225 kg N·hm^-2;大于7 500 kg·hm^-2,氮用量为240—300 kg N·hm^-2。因此,如果用不变的施肥量标准去评价不同产量水平的农户施肥情况,难免会忽视低产农户施肥过量的严重性和高产农户施肥不足的问题。从本研究结果来看,对于低产和产量偏低农户,重点是施肥量偏高或很高农户的减肥问题,对于中产到高产的农户,既有施肥量偏高或很高农户的减肥问题,也有施肥量偏低或很低农户的增肥问题。3种肥料施用过量或不足表现不一致,氮肥由低产水平的施肥过量变为高产水平的施肥不足,磷肥在各产量水平均表现为施肥过量,而钾肥在各产量水平主要表现为施肥不足。因此,针对农户氮磷钾施肥在各产量水平存在问题的差异,就氮肥而言,对于低产和产量偏低农户,重点是施氮量偏高或很高的农户减肥,减幅在24—144 kg N·hm^-2、28%—73%;对于中产到高产的农户,既有减肥,也有增肥,减肥的重点是施氮量偏高或很高的农户,减幅在50—181 kg N·hm^-2、26%—51%,增肥的重点是施氮量偏低或很低的农户,增幅在38—134 kg N·hm^-2、41%—345%。对磷肥而言,在低产、偏低、中等、偏高和高产水平的农户中,施磷偏高的应减少7—31 kg P₂O₅·hm^-2,23%—33%的磷肥投入,施磷很高的应减少85—118 kg P₂O₅·hm^-2,61%—85%的磷肥投入;对钾肥而言,在低产、偏低、中等、偏高和高产水平的农户中,施钾很低的应改变不施钾肥的习惯,根据产量水平变化施用13—50 kg K₂O·hm^-2的钾肥,施钾偏低的,应增加7—18 kg K₂O·hm^-2,35%—78%的钾肥。
集中农户土地进行统一经营、采用精准施肥管理可降低施肥量,提高肥料效率^[41]。在渭北旱地农户一般经营1—3块不同产量潜力的农田,这些地块通常存在较大肥力水平差异,鼓励农户对不同产量潜力及由此而产生养分需求差异进行施肥,才能做到合理、精量施肥。2015年,笔者在山西,陕西,甘肃三省同时开展旱地小麦农户施肥调研发现,山西垣曲县鲁家坡村合作社60 hm²麦田,在年降水量716 mm和统一施氮135 kg N·hm^-2、施磷165 kg P₂O₅·hm^-2、施钾38 kg K₂O·hm^-2的条件下,通过采样测定其中36块地的产量变化介于3 268—8 073 kg·hm^-2,变异系数为28%。可见,即使同一地点、统一的管理、同样的施肥量,不同地块间产量潜力差异仍存在,而目前能真正确切知道不同地块产量潜力的只有田块拥有者,即农户自己^[36]。因此,基于产量水平的施肥评价和施肥调控,目的就在于让农户可以根据自己所知道的自家地块的作物产量潜力对自己目前的施肥进行分析并合理调整。本文氮、磷、钾肥料减肥潜力的分析表（表1、表2、表3）可作为农户判断并调整施肥的依据,当然,农户也可以基于自己田块的小麦产量,利用本文提出的推荐施肥量计算公式（材料方法1.4）进行施肥量计算与调控。

4 结论

本文以土壤肥力调控和提升为出发点,提出了基于产量水平的旱地农户施肥评价和减肥潜力分析方法和思路,适于目前中国小农户农田经营模式,可以客观、准确地认识目前农户随意施肥、过量施肥问题,为进行有效调控提供依据。对旱地1 261个农户小麦施肥调研分析发现,旱地小麦产量低且变异大,氮磷钾施用不足和过量均存在。基于农户产量水平的分析评价表明,对于低产和产量偏低农户,重点是施肥量偏高或很高农户的减肥问题,应减少24—144 kg N·hm^-2,28%—73%的氮肥,7—105 kg P₂O₅·hm^-2,23%—85%的磷肥,8—48 kg K₂O·hm^-2,26%—71%的钾肥。对于中产到高产的农户,既有施肥量偏高或很高农户的减肥问题,应减少50—181 kg N·hm^-2,26%—51%的氮肥,23—72 kg P₂O₅·hm^-2,30%—118%的磷肥,12—67 kg K₂O·hm^-2,23%—66%的钾肥;也有不施肥、施肥量偏低或很低农户的增肥问题,应施用或增施氮肥38—134 kg·hm^-2,磷肥14—62 kg·hm^-2,钾肥12—49 kg·hm^-2。
The authors have declared that no competing interests exist.