0 引言
【研究意义】化肥,尤其是氮肥,对于提高粮食产量、保障我国粮食安全具有不可替代的作用。我国农业氮肥投入量持续快速增加,目前已经成为世界上最大的氮肥生产国和消费国[1]。然而,我国氮肥施用普遍存在着施用量偏高的问题。由于长期过量施用,氮肥对粮食的增产弹性减小,进一步增加投入对粮食的增产效果已不明显,导致氮肥利用率不高,不仅造成资源浪费,也给农业生态环境带来危害[2,3]。因此,明确作物氮肥需求及减氮潜力对于实现合理施肥、我国化肥零增长目标具有重要指导意义。【前人研究进展】近年来,关于作物优化施肥理论与技术有大量的研究,这些研究表明,合理施肥可以在不降低作物产量甚至提高产量的情况下,大幅度提高肥料利用率,降低养分环境损失[4,5]。以往,针对农户施肥情况,在田块尺度上分析减量潜力的研究较多[6]。随着我国化肥零增长目标的提出,针对不同区域不同作物化肥减量潜力的研究也增多。曹寒冰等[7]基于小麦产量确定的养分需求量,在田块尺度上评价了农户施肥情况,分析了其减肥潜力。张灿强等[8]在统计数据和区域大配方施肥数据的基础上,估算出我国小麦、玉米、水稻三大粮食作物主产区化肥投入减量潜力为814.1万t,占主产区三大粮食化肥用量的27.6%,3种作物可分别削减36.9%、28.1%和16.7%。焉莉等[9]估算吉林省西部、中部、东部水稻节氮潜力为4 378、7 064和604 t。巨晓棠等[10]提出了一种氮肥需求量估算法,估算了国家尺度氮肥需求量。【本研究切入点】河南省是我国农业大省,冬小麦、夏玉米轮作是河南省粮食作物的主要种植方式,河南省小麦种植面积、单产、总产和提供商品粮总量均居全国领先地位,玉米生产在全国亦具有非常重要的地位[11,12]。有研究表明,河南省化肥总用量持续增加,农户过量施肥现象比较普遍[13,14]。然而,河南省区域上小麦-玉米氮素需求及节氮潜力尚不明确。【拟解决的关键问题】本研究利用统计数据对河南省小麦和玉米生产、实际氮肥消费量的历史发展趋势进行分析;根据多年多点大田试验数据分析小麦和玉米的施氮效果、氮肥需求量和区域氮肥推荐用量,在此基础上研究河南省小麦、玉米氮肥需求总量,并进一步估算河南省小麦、玉米节氮潜力,为河南省粮食生产、合理施肥乃至我国化肥零增长目标提供依据。1 材料与方法
1.1 数据来源
本研究所采用的数据主要来源于两个方面,一是国家统计数据,二是国家测土配方施肥项目“3414”田间试验数据。其中,河南省小麦和玉米种植面积、总产、单产数据及农用化肥消费量来源于国家统计局统计资料[15]。河南省小麦和玉米单位面积施肥量数据来源于国家发展和改革委员会价格司发布的全国农产品成本收益资料汇编[16]。河南省小麦和玉米推荐施氮量、氮素累积量、单位籽粒养分吸收量等指标的计算,数据来源于2005—2010年国家测土配方施肥项目在河南省开展的“3414”田间试验,小麦试验样本748个,玉米624个。分别选取“3414”试验设计中的N0P2K2处理、N1P2K2处理、N2P2K2处理、N3P2K2处理进行数据分析[17]。4个处理中,N0表示不施氮肥,N2为当地农技专家根据农户施肥情况确定的氮肥用量,因此不同试验点的氮肥施用量并不相同,N1为N2用量的0.5倍,N3为N2的1.5倍;磷、钾施肥量均为当地农技专家根据农户施肥情况确定。小麦氮、磷、钾二水平（N2）施用量平均为170.0、90.9、89.9 kg·hm-2;玉米氮磷钾二水平施用量平均为209.4、77.9、75.3 kg·hm-2。1.2 实际氮肥消费量计算
河南省农用氮肥消费量等于单质氮肥消费量与复合（混）肥含氮量之和;小麦和玉米氮肥消费量根据播种面积与单位面积氮肥用量的乘积获得。复合（混）肥含氮比例不一致,本研究根据河南省农户及肥料生产企业氮肥销售及施用状况调查结果（n=1266）,以复合（混）肥平均含氮20%进行计算（图1）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1复合肥中氮百分含量的频率分布
-->Fig. 1The frequency distribution of N content in compound fertilizer
-->
1.3 田块尺度氮肥推荐用量计算
以测土配方施肥项目“3414”大田试验为对象,采用肥料效应函数法计算田块尺度的氮肥推荐用量。用一元二次方程对产量数据进行拟合,即y=a+bx+cx2,其中y为籽粒产量（kg·hm-2）,x为肥料用量（kg·hm-2）,a为截距,b为一次回归系数,c为二次回归系数。对于符合条件的样本,计算其最高产量施氮量（NR1）,即y最大时的施氮量;同时计算经济最佳施氮量（NR2）,即边际收益等于边际成本时的施氮量[17]。此外,根据养分平衡原理,长期耕作的田块在秸秆全部还田条件下,氮肥的施用应该补充通过籽粒带走的氮素。我国氮肥损失较为严重,氮素损失的量相当于秸秆还田的氮量,因此,需要补充的氮肥大致相当于作物地上部（包括籽粒和秸秆）的氮素吸收量[18,19],根据这个原理计算田块尺度上作物的氮肥推荐用量（NR3）。
1.4 区域尺度氮肥需求总量计算
河南省小麦或玉米氮肥需求总量（ND）通过小麦或玉米播种面积和区域平均适宜施氮量（RMONR）的乘积获得[10]。其中,区域平均适宜施氮量是对某一地区多年多点试验获得的田块尺度的氮肥推荐用量进行平均,进而计算出针对该区域的推荐用量均值[20]。基于最高产量施氮量（NR1）、经济最佳施氮量（NR2）、地上部氮素吸收量（NR3）分别计算河南省小麦或玉米平均适宜施氮量（RMONR1、RMONR2、RMONR3）,并进一步计算不同方法下的氮肥需求总量（ND1、ND2、ND3）。此外,根据河南省小麦、玉米的总产量,以及生产单位籽粒的氮素需求量也可以估算出河南省小麦、玉米氮肥需求总量（ND4）,即氮肥需求总量=作物籽粒总产量×单位籽粒氮肥需求[19]。其中,单位（1000 kg）籽粒氮素需求（kg）=作物吸氮量/籽粒产量[21],数据根据“3414”试验中的NPK平衡施肥处理计算。
1.5 河南省小麦和玉米节氮潜力计算
河南省小麦或玉米节氮潜力（NSP）=小麦或玉米实际氮肥消费量-氮肥需求总量。河南省小麦和玉米实际氮肥消费量计算方法见1.2,氮肥需求总量计算方法见1.4。根据氮素需求总量计算方法不同,可估算不同情景模式下的节氮潜力（NSP1、NSP2、NSP3、NSP4）。2 结果
2.1 河南省小麦、玉米生产状况
新中国成立以来,河南省小麦播种面积、总产和单产都呈增加趋势（图2）。2015年,河南省小麦播种面积为5 426×103 hm2,总产量为3 501×104 t,单产为6 453 kg·hm-2;玉米播种面积为3 344×103 hm2,总产量为1 854×104 t,单产为5 543 kg·hm-2。与1949年相比,小麦播种面积增加了35.5%,而总产量提高到原来的13.8倍,单产提高到原来的10.2倍;玉米播种面积增加至原来的3.6倍,总产提高到27.9倍,单产是原来的7.7倍。从变化趋势看,尽管河南小麦、玉米播种面积的增加对总产的提高有一定作用,但总产的增加高度依赖于单产的提高,而种植面积的贡献相对而言比较小。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2河南省小麦和玉米种植面积、总产、单产变化
-->Fig. 2The area, production and yield of wheat and maize in Henan province from 1949 to 2015
-->
从1949—1961年,小麦和玉米种植面积波动很大,而总产和单产缓慢增长,且增长幅度较小,在1958—1961年间甚至出现下降趋势。1961—1984年,小麦和玉米产量迅速增长,小麦播种面积增加21.3%,总产和单产分别增加至原来的10.3倍和7.5倍;玉米播种面积增加了92.0%,总产和单产分别是原来的9.6和5.0倍。1985—2006年,河南小麦和玉米产量仍然处于持续增长趋势,但产量波动较大。2006年以后,小麦种植面积、单产、总产均稳步提高,但增加幅度相对比较缓慢;而玉米总产量的提高主要是由于播种面积的增加,单产水平停滞不前甚至有下降现象。
2.2 河南省小麦、玉米氮肥消费量
由图3可以看出,河南省氮肥消费总量持续增长,2015年农业氮肥消费量增加到370.4×104 t,是1979年的5.6倍。其中,单质氮肥消费量从42.6×104 t,增加到238.7×104 t。但近年来,单质氮肥消费量变化不大,2006年以来近10年,单质氮肥消费量维持在235×104—245×104 t之间变化,2012年后消费量甚至有所下降。单质氮肥消费量增加变缓主要与复合肥消费用量的急剧增长有关,1980年复合肥消费量仅1.4×104 t,而2015年达到296.3×104 t,通过复合肥消费的氮大概占总氮肥消费量的1/3。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3河南省农用、小麦、玉米单质氮肥和复混氮肥消费量
-->Fig. 3The single, compound and total N consumption for agriculture, wheat and maize in Henan province
-->
根据河南省小麦和玉米播种面积及单位年均氮肥投入量,估算出河南省小麦、玉米氮肥消费量。可以看出,从2004年到2015年,河南省小麦、玉米单质氮肥消费量虽有很大的波动,但总体上呈下降趋势,小麦从73.4×104 t下降到56.2×104 t,玉米从42.3×104 t下降到24.8×104 t。与单质氮肥相反,通过复混肥投入的氮肥量呈明显增加趋势,小麦、玉米复混氮肥消费量分别从9.1×104和4.5×104 t增加到76.8×104和36.1×104 t。因此,小麦、玉米氮肥消费总量表现出增加趋势,2015年分别消费133.0×104和60.9×104 t,两种作物氮肥消费193.9×104 t,占河南省农用氮肥消费总量的52.3%。
2.3 河南省小麦、玉米氮肥推荐用量
从图4可以看出,采用3种方法估算的河南省小麦、玉米氮肥推荐量之间存在着很大的差异。其中,采用一元二次函数效应方程估算的小麦最高产量施氮量平均为（171.0±60.7）kg·hm-2,经济最佳施氮量平均值仅为（155.1±55.6）kg·hm-2。而小麦每年地上部氮素吸收量平均为（204.9±67.5）kg·hm-2,以此作为河南省小麦氮肥推荐用量平均值,则比通过肥料效应函数法估算的最高产量施氮量和经济最佳施氮量平均值分别高33.9和49.8 kg·hm-2。玉米的肥料效应函数法最高产量施肥量平均值为（202.5±66.6）kg·hm-2,经济最佳施肥量平均为（172.8±57.9）kg·hm-2,以玉米地上部氮素携出量作为氮肥推荐用量,则河南省玉米的平均适宜施氮量为（183.7±52.0）kg·hm-2。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4河南省小麦和玉米氮肥推荐用量
NR1为肥料效应函数法计算的最高产量施氮量;NR2为肥料效应函数法计算的经济最佳施氮量;NR3为根据作物地上部氮素累积量计算的氮肥用量
-->Fig. 4The recommended N rate for wheat and maize in Henan province
NR1：N fertilizer recommendation for the maximum yield based on fertilizer response mode; NR2: N fertilizer recommendation for the economic yield based on fertilizer response mode; NR3: N fertilizer recommendation based on the aboveground N accumulation
-->
图5显示,河南省生产1 000 kg小麦籽粒的氮素需求平均为（29.1±6.7）kg,39.8%集中在25—30 kg之间;生产1 000 kg玉米籽粒的氮素需求平均值（23.0±4.3）kg,48.8%集中在20—25 kg之间。以2015年河南省小麦、玉米平均单产6 453和5 543 kg·hm-2计算,则小麦平均氮肥需求量为187.8 kg·hm-2,玉米仅为127.5 kg·hm-2。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5小麦和玉米单位籽粒（1 000 kg）氮素需求量的频率分布
-->Fig. 5The frequency distribution of N requirement for 1 000 kg grain of wheat and maize
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2.4 河南省小麦、玉米氮肥需求变化趋势
由播种面积和区域平均适宜施氮量估算的氮肥需求量（ND1、ND2、ND3）,不同方法估算的值有所差异,其估算2015年小麦氮肥需求量为84.2× 104—111.2×104 t（图6）。根据小麦总产和单位籽粒养分需求量估算的氮肥需求量（ND4）则与其他方法的差别比较大,在2005年之前低于ND2,2006年以后高于ND2,并逐渐增加。区域平均适宜施氮量估算的河南省玉米氮肥需求量均接近于推荐量为150 kg·hm-2时的需求量,2015年为57.8×104—67.7×104 t;但根据玉米总产和单位产量籽粒养分需求量参数估算的氮肥需求量明显低于其他方法,2015年仅需42.6×104 t。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图61949-2015年河南省小麦和玉米氮肥需求量
ND1：肥料效应函数最高产量施氮量平均值与播种面积的乘积,ND2：肥料效应函数经济最佳施氮量平均值与播种面积的乘积,ND3：作物地上部氮素累积量平均值与播种面积的乘积,ND4：作物总产量与1000 kg籽粒养分需求的乘积。下同。阴影部分的上限为播种面积与施氮量150 kg·hm-2的乘积,下限为播种面积与施氮量250 kg·hm-2的乘积
-->Fig. 6The N fertilizer demand of wheat and maize in Henan province from 1949 to 2015
ND1: N demand based on the product of NR1 and crop area; ND2: N demand based on the NR2 and crop area; ND3: N demand based on the NR3 and crop area; ND4: N demand based on the grain production and the N requirement for 1000 kg grain. The same as below. Shadow part shows the range of N demand based on crop area and N rates of 150-250 kg·hm-2 for each season
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2.5 河南省小麦、玉米节氮潜力
根据小麦、玉米氮肥实际消费量和氮肥需求量的估算,可以计算河南省小麦、玉米节氮潜力,以2015年为例,小麦氮肥实际消费量为133.0×104 t,而估算的氮肥需求量为84.2×104—111.2×104 t。因此,在播种面积不变的情况下,通过将全省平均施氮量控制在区域平均适宜施氮量水平,则节氮潜力为21.8×104—48.8×104 t（图7）。总体上,当前河南省玉米氮肥消费量与区域平均适宜施氮量估算的氮肥需求量相当,因此并没有表现出节氮潜力;但通过玉米总产和单位籽粒氮素需求量方法估算的河南省玉米氮肥需求量较低,与当前氮肥消费量相比,其减量潜力为18.2×104 t。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图7不同方法估算的河南省小麦、玉米节氮潜力
NC：河南省小麦、玉米氮肥实际消费量,ND：河南省小麦、玉米氮素需求总量,NSP：节氮潜力。NSP1：根据肥料效应函数最高产量施氮量平均值估算的潜力,NSP2：根据肥料效应函数经济最佳施氮量平均值估算的潜力,NSP3：根据作物地上部氮素累积量平均值估算的潜力,NSP4：根据1000 kg籽粒氮素需求估算的潜力
-->Fig. 7The N saving potential of wheat and maize in Henan province estimated by different methods
NC: Actual N consumption for wheat or maize in Henan province; NSP: N saving potential. NSP1: N saving potential based on the ND1; NSP2: N saving potential based on the ND2; NSP3: N saving potential based on the ND3; NSP4: N saving potential based on the ND4
-->
3 讨论
3.1 河南省小麦、玉米节氮潜力
本研究表明,推荐施肥条件下河南省小麦节氮潜力为21.8×104—48.8×104 t,玉米节氮潜力相对较小,最大为18.2×104 t。焉莉等[9]估算表明,吉林省西部、中部和东部地区的玉米最佳施氮量分别为114.9、128.9和134.1 kg·hm-2,在保证产量条件下,采用最佳施肥量,吉林省西部、中部和东部每年可减少氮投入量分别为4 378、7 064和604 t。钨钢等[22]估算安徽省玉米生产中氮肥可节约17 356 t,节氮潜力7.3%。王永亮等[23]研究表明山西省玉米节氮潜力为10.3×104 t,节氮24.6%。可见,尽管同样是省域水平,不同研究之间节氮潜力估算差异很大。除了玉米种植面积、氮素需求量不同外,导致研究之间差异的主要原因之一在于计算节肥潜力所采用的基准不同。如焉莉等[9]估算节肥潜力采用的基准值是测土配方施肥推荐用量,而本研究是针对当前区域化肥实际消费总量。此外,一般针对特定区域和作物的化肥消费量很难统计,国家统计局对于实际氮肥消费量以及单位面积化肥用量的统计分为两个部分,单质肥和复合（混）肥,计算氮肥消费量及单位面积化肥用量时需要计算复合（混）肥的氮含量。国内外****一般按15-15-15等比例折算,在肥料市场通用性复合肥占主导的情况下,这样折算具有很强的可行性[24,25]。但我国复合肥品种多且变化快,尤其复合（混）肥的消费量越来越高,等比例折算会导致氮肥实际消费量估算量存在误差。本研究根据调查数据发现,河南省肥料市场中高氮复合肥占有很高的比例,采用等含量估算将低估实际氮肥消费量,因此对比例进行了调整,以提高估算准确性。本研究中,不同方法估算的节肥潜力差异很大,与估算采用的方法及参数有关。从方法上来看,无论是区域氮肥实际消费量,还是合理的氮肥需求量,都是单个田块氮肥实际消费或者需求量的总和,但采用这种方法的可行性并不大,尤其在我国农田分散经营的情况下。本研究采用了一般研究使用的方法,即根据作物播种面积与单位面积施肥量平均值的乘积进行计算[9, 26]。在播种面积一定的情况下,节肥潜力仅取决于实际施肥量和推荐施肥量的平均值,后两者的变化将影响节肥潜力的估算。在养分平衡的基础上,本研究根据粮食总产量以及生产单位籽粒的氮素需求计算出河南省小麦和玉米氮素需求总量[19],并与其他方法进行对比,该方法对小麦节氮潜力的估算结果介于效应函数法和养分平衡法之间,而对玉米节氮潜力的估算高于其他方法。在基于区域作物总产量和单位籽粒氮素需求量的方法估算区域氮肥需求总量时,一方面作物总产量受管理水平的影响很大,如当前河南省玉米单产和总产水平较低,这将导致计算的玉米氮素总需求量低于其他方法,节氮潜力较高。另一方面,不同研究对于单位籽粒养分需求的估算存在很大差异,将导致节氮潜力估算产生差异。本研究中每生产1 000 kg小麦籽粒的氮素需求平均为29.1 kg,明显高于其他研究估算的24.6 kg[27]、22.8 kg[28]和24.3 kg[29],因此导致氮素需求总量高估,而节氮潜力低估;每1 000 kg玉米籽粒氮素需求为23.0 kg,低于刘明强[27]汇总的25.8 kg,与XU等[30]的研究结果22.5 kg相近,但高于孟庆锋估算的20.0 kg[31],因而导致玉米节氮潜力被低估或高估。通过效应函数法和养分平衡法估算的玉米氮素需求总量接近或者高于实际氮肥消费量,因此玉米没有表现出节氮潜力。基于粮食产量和单位籽粒养分需求方法估算的小麦、玉米节氮潜力都相对比较大,在当前我国农民一味追求高产、氮肥施用量总体偏高的情况下,采用该确定的节氮潜力更加有宏观指导价值。
3.2 节氮潜力的实现途径
本研究表明,通过将氮肥用量控制在合理范围,河南省主要粮食作物,尤其是小麦,表现出很大的节氮潜力,但需要针对河南省小麦、玉米施肥情况,从不同途径来实现。根据大样本调查结果[13,14],河南省农户小麦、玉米氮肥用量高,且不同农户之间变异非常大,小麦平均氮肥用量为234.6 kg·hm-2,用量范围在3.9—861 kg·hm-2之间,总用量大于225 kg·hm-2的占35.5%;玉米氮肥用量平均为293.3 kg·hm-2,变幅为3.1—667.4 kg·hm-2。在豫北高产灌区浚县,氮肥用量超过300 kg·hm-2的农户比例高达51.86%,超过225 kg·hm-2的占77.68%;而同样属于豫北高产灌区的温县,氮肥用量超过225 kg·hm-2的仅占19.55%,但氮肥用量低于120 kg·hm-2的农户占27.31%[32]。可见,河南省氮素管理亟需大力推广测土配方施肥,通过氮素实时管理等技术因地制宜,实现节肥增效[33,34]。其次,农户施肥比例和施肥结构也需要调整。从当前农户施用氮肥的方式来看,小麦氮肥一次性基施占有的比例达54.4%[13];在不同区域和不同用肥时期,农民多数选用复合（混）肥和尿素,选用其他品种化肥的比例均较小;农民购买复合（混）肥以氮、磷、钾等养分配方的复合肥以及高氮复合（混）肥为主,这可能导致氮肥、磷肥、钾肥施用比例不尽合理[13-14, 35]。因此,需要引导肥料企业按照区域大配方生产复混肥,同时指导农民按照“大配方,小调整”的原则施用配方肥[36]。第三,大力推广秸秆还田和有机肥替代技术是实现节氮目标的重要技术途径。不同种类的有机肥的施用能够提供数量可观的氮素,对于土壤氮素供应和产量增加起到很大作用。近年来,我国化肥用量增加的同时,有机肥施用量逐渐降低。据统计,河南省小麦通过有机肥提供的氮平均只有22.1 kg·hm-2,化肥提供的氮平均212.6 kg·hm-2;玉米通过有机肥提供的氮仅占总氮用量的8.0%[13,14]。我国有机肥资源每年可提供的氮素,比每年氮肥总使用量还高,但有机肥和秸秆还田率很低,在以化肥为主的现实状况下,土壤有机碳、氮库变小,对养分缺乏的缓冲能力变弱,农户频繁地大量灌水和施肥以维持产量,使养分利用率降低,管理成本增大,造成恶性循环[10]。因此,推广秸秆还田和有机肥替代化肥技术,可以打破这种恶性循环,增加有机氮的供应,降低化肥氮需求量,节氮潜力也会增加。最后,由于农户地块小、土地分散、施肥水平低等原因,合理施肥看似简单,或者说在理论上比较容易解决,但在生产中却难以实现。在教育水平和政策不变时,农户降低氮肥用量的自主意愿普遍较低,实现合理施肥、降低氮肥用量的问题,还需要从技术传播推广、化肥价格政策、农产品产量补偿甚至土地规模化等涉及到社会经济、政策等方面的途径进行解决[37,38]。4 结论
河南省小麦、玉米氮肥总消费量持续增加,单质氮肥消费量呈下降趋势,通过复混肥投入的氮消费量逐渐增加。采用肥料效应函数法估算河南省小麦最高产量和经济最佳施肥量平均值为171.0和155.1 kg·hm-2,玉米为202.5和172.8 kg·hm-2。小麦、玉米地上部氮素累积量平均值分别为209.4和183.7 kg·hm-2,每生产1 000 kg籽粒所需要的氮素量为29.1和23.0 kg。采用不同计算方法确定的河南省小麦氮肥需求总量为84.2×104—111.2×104 t,玉米氮肥需求总量为42.6×104—67.7×104 t。河南省小麦、玉米氮肥节氮潜力很大。通过合理调控,小麦可节减氮21.8×104—48.8× 104 t,玉米最高节氮18.2×104 t。The authors have declared that no competing interests exist.
