0 引言
【研究意义】油菜是我国重要的油料作物,总产和种植面积长期居于世界首位,近几年略有下滑,仅次于加拿大[1]。施肥是保证和维持油菜产量的重要途径,但肥料的粗放管理严重降低肥效,同时也会引起资源的浪费以及一系列环境问题。在当前国家提倡“化肥零增长”的大背景下,研究不同区域农民习惯施肥与推荐施肥的油菜产量和肥料利用效率差异,有利于评估当前生产条件下冬油菜种植区域的肥料调整空间,进而探索提高肥料利用效率的途径。【前人研究进展】合理施肥是增产的关键措施,徐华丽等[2]采用调查问卷的形式对长江流域11个省（市）农户施肥状况进行了调查,指出大部分区域肥料施用不平衡;黄亿等[3]总结了川中丘陵区的“3414”田间油菜数据,指出当前测土配方施肥条件下,需要减施氮、磷肥,增施钾肥。王寅等[4]在湖北省油菜主产区研究发现,在农民习惯的基础上保持氮肥用量不变,提高磷、钾肥,能够增加冬油菜产量8.1%—21.1%;湖北省4个地区推荐施肥与农民习惯施肥对比,氮肥用量均维持在172 kg N·hm-2,磷肥减少了25.8%,由于农民习惯上未施用钾肥,推荐施钾量增加了72 kg K2O·hm-2[5]。显然,不同区域研究者得到的结论不尽相同。【本研究切入点】以上研究均从单个或几个田间试验展开分析,然而从整个长江流域来看,推荐施肥与农民习惯施肥在油菜产量和肥料用量及利用率之间存在多大的优越性尚不明确。【拟解决的关键问题】本研究通过对长江流域535个试验的数据分析,明确不同区域农民习惯与推荐施肥的产量和养分效率差异,进一步寻求提高油菜养分利用效率的途径。1 材料与方法
1.1 数据来源
试验数据来源于2005—2009年国家测土配方施肥项目油菜示范试验数据库和课题组2005—2016年的田间试验数据库。试验分布在我国长江流域重要的冬油菜种植区,包括四川、贵州、湖北、湖南、安徽、江苏和浙江7个省份。由于样本数较多,数据分析过程中,为了保证数据的客观性和代表性,本研究采用拉依达法（3倍方差法）来检测离群值[6,7],对部分离群数据进行了剔除,其中针对有机质、全氮、有效磷、速效钾和pH剔除的数据分别为53、10、30、27和16个。剔除后数据在各区域的数量及分布如表1所示。Table 1
表1
表1不同区域试验样本分布情况
Table 1Sample distribution of experiments in different regions
| 区域 Regions | 样本数 Sample number | 省份 Province | 样本分布 Distribution |
|---|---|---|---|
| 长江上游 The upper reach of the Yangtze River, UYR | 177 | 四川SC | 66 |
| 贵州GZ | 111 | ||
| 长江中游 The middle reach of the Yangtze River, MYR | 207 | 湖北HB | 89 |
| 湖南HN | 46 | ||
| 安徽AH | 72 | ||
| 长江下游 The lower reach of the Yangtze River, LYR | 151 | 江苏JS | 129 |
| 浙江ZJ | 22 | ||
| 长江流域 The Yangtze River Basin, YRB | 535 | 535 |
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1.2 试验处理
试验选取3个处理,分别为不施肥处理（CK）、农民习惯施肥处理（FP）和推荐施肥处理（RF）。试验的氮、磷、钾肥施用量根据各地的农民习惯施肥量和当地农技人员推荐施肥量设定。供试肥料分别为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O5 12%）、氯化钾（K2O 60%）和硼砂（含B 11%）。供试品种为当地主推品种,主要包括中油杂、华油杂、中双、川油、德油、德油杂、绵油、黔油、油研等系列。其他田间管理措施均采用当地习惯管理方法。各区域试验点的土壤基础养分状况（均值）如表2所示。Table 2
表2
表2长江流域油菜种植区土壤基础性状
Table 2Soil basic properties in the planting area of the Yangtze River Basin
| 区域 Regions | 有机质 Organic matter (g·kg-1) | 全氮 Total N (g·kg-1) | 有效磷 Available P (mg·kg-1) | 速效钾 Available K (mg·kg-1) | pH |
|---|---|---|---|---|---|
| 长江上游UYR | 30.8±11.0 | 1.7±0.6 | 14.8±9.7 | 103.2±49.7 | 6.5±0.9 |
| 长江中游MYR | 25.6±9.2 | 1.0±0.5 | 14.5±10.2 | 96.7±48.4 | 6.4±0.9 |
| 长江下游LYR | 19.6±7.0 | 1.5±0.4 | 11.5±8.1 | 89.5±32.1 | 6.9±1.1 |
| 长江流域YRB | 26.0±10.6 | 1.6±0.6 | 13.7±9.4 | 97.2±44.7 | 6.6±1.0 |
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1.3 数据分析
相关参数计算如下：氮肥偏生产力（PFPN, kg·kg-1）= Y/F
式中,Y为推荐施肥产量或农民习惯施肥产量,F为推荐施肥或农民习惯施肥氮肥用量。磷、钾肥计算相同。
利用Excel 2013软件进行数据整理,Origin 8.0软件制图,SPSS20.0进行统计分析,独立样本T检验分析两种处理间（P<0.05或P<0.01）的差异显著性,LSD法检验区域间P<0.05水平上的差异显著性。
2 结果
2.1 农民习惯施肥与推荐施肥的油菜产量
施肥显著提高了油菜产量,长江流域CK处理油菜产量主要分布在500—1 500 kg·hm-2,FP处理则主要分布在1 500—3 000 kg·hm-2,RF处理最高,集中在2 000—3 000 kg·hm-2（图1）。从不同区域来看,自长江上游至下游,CK处理产量逐渐升高,下游1 500 kg·hm-2产量水平以上的点位数增加,占下游试验总数的37.1%,这与各区域不同的基础地力有关;上、中、下游CK处理的油菜产量均值分别为1 170 kg·hm-2、1 219 kg·hm-2和1 293 kg·hm-2。与CK处理一致,各区域RF和FP处理的平均产量也呈现出下游>中游>上游。FP处理各区域试验点产量分布与长江流域整体趋势保持一致,集中在1 500—3 000 kg·hm-2;上、中、下游的产量均值分别为2 033、2 182和2 542 kg·hm-2。RF处理在长江上游和中游的油菜产量主要分布在1 000— 3 500 kg·hm-2,下游产量明显提升,主要分布在2 000— 3 500 kg·hm-2,占下游试验总数88.1%;上、中、下游的产量均值分别为2 352、2 512和2 867 kg·hm-2。长江流域总体土壤基础地力对RF处理油菜产量的平均贡献为47.8%,区域间变幅不大,为45.1%—49.7%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1长江上游（A）、中游（B）、下游（C）及长江流域（D）油菜产量频率分布
-->Fig. 1Frequency distribution of winter rapeseed yield in UYR (A), MYR (B), LYR (C), and YRB (D)
-->
较CK处理而言,FP和RF处理的油菜增产率分别达到107.2%和136.6%（图2-A,2-B）,RF在FP的基础上增产15.9%（图2-C）。长江上游和中游的施肥增产效果相差不大,FP处理的增产率为95.6%—102.3%,RF处理的增产率明显提高,维持在126.8%—134.9%之间;长江下游两种施肥处理的增产率显著提升,这可能主要与下游经济相对发达,施肥技术和机械化程度等总体管理水平较高有关。与此相反,RF相对于FP的油菜增产率在区域间表现为长江中上游较高（16.5%—16.7%）,下游较低,为13.5%,也表明长江中上游的农民习惯施肥有更大的进步空间。根据油菜增产率的大小,将所有试验分为增产（增产率≥5%）、平产（-5%<增产率<5%）和减产（增产率≤-5%）3种类型。与FP相比,RF处理增产的点位为77.5%—94.9%（表3）,尤其是长江上游的推荐施肥较农民习惯施肥表现显著的增产优势。而在长江下游区域,约有21.2%的点位其FP与RF处理间产量未表现出差异。总体而言,RF相比于FP的油菜增产效果较好,仅有1.1%—2.4%的点位表现减产。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2区域农民习惯施肥（A）、推荐施肥（B）与CK处理相比油菜增产率及推荐施肥与农户习惯施肥油菜产量（C）的差异不同字母表示长江上、中、下游区域间的差异达到显著水平（P<0.05）;箱形框中的横线和正方形分别表示数据集的中值和平均值,上下边界分别表示数据集的25%和75%点位,上下水平短线表示数据集的10%和90%点位。下同
-->Fig. 2Yield increase rate in FP (A), RF (B) and the values between RF and FP (C) across the regionsDifferent letters indicate significant differences across the regions at 0.05 level; The horizontal lines and solid squares inside boxes indicate the median and the mean of dataset, the upper and lower box edges represent 25% and 75% percentiles of dataset, the upper and lower short lines outside box indicate the 10% and 90% percentiles of dataset, respectively. The same as below
-->
Table 3
表3
表3不同区域油菜RF较FP表现增产、平产和减产的点位比例（%）
Table 3The experiments’ proportion (%) of yield increase, no change and reduction between RF and FP among the regions
| 区域 Region | 增产占比 Proportion of yield-increase | 平产占比 Proportion of yield-no change | 减产占比 Proportion of yield-reduction |
|---|---|---|---|
| 长江上游UYR | 94.9 | 4.0 | 1.1 |
| 长江中游MYR | 89.9 | 7.7 | 2.4 |
| 长江下游LYR | 77.5 | 21.2 | 1.3 |
| 长江流域YRB | 88.0 | 10.3 | 1.7 |
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本研究中,我们采用不施肥处理的作物产量表征土壤的基础地力水平。从图3可以看出,CK处理的油菜产量水平87.1%的点位集中在500—2 000 kg·hm-2,随着土壤基础地力水平的升高,各个处理的油菜增产率呈现逐渐降低的趋势。即较低的地力水平,施肥的增产潜力更大[8]。当产量水平低于500 kg·hm-2时,油菜增产率变化幅度大,FP和RF处理的油菜增产率最高,平均分别为330.1%和406.0%;产量水平在2 000 kg·hm-2以下时,油菜增产率随着地力水平的提升显著降低,当产量水平高于2 000 kg·hm-2,FP和RF处理的增产率均变化不显著（图3-A,3-B）。RF与FP相比的增产率主要表现在产量水平低于500 kg·hm-2时增产效果最为显著（平均增产率达到31.2%）,当产量水平高于500 kg·hm-2后,RF相比于FP的增产率则均维持在8.2%—17.3%之间,不同产量水平之间差异不显著（图3-C）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3不同基础地力水平下农民习惯施肥（A）、推荐施肥（B）油菜增产率及推荐施肥与农民习惯施肥（C）差异不同字母表示各地力等级间的差异达到显著水平（P<0.05）;括号内数字表示样本数
-->Fig. 3Rapeseed yield increase rate in FP (A), RF (B) and the values between RF and FP (C) under different soil indigenous fertility supply Different letters indicate significant differences among various CK yield levels at 0.05 level; The data in brackets represent the number of samples
-->
2.2 农民习惯施肥与推荐施肥的肥料用量和利用效率
各区域的RF处理氮肥用量均值与FP处理基本一致,不同区域间氮肥用量为163.0—240.0 kg N·hm-2（图4）。其中长江上游和中游区域的施氮量相差不大,两种施肥处理的平均施氮量均为168 kg N·hm-2左右,而下游施氮量明显增加,平均施氮量达到240.0 kg N·hm-2。与施氮量不同,两种施肥处理的磷、钾肥用量差异较大,总体表现为RF处理的磷、钾肥用量显著高于FP处理。其中,上、中、下游RF处理的磷肥用量较FP处理分别高出14.8%、14.7%和25.8%,且长江上游磷肥用量（82.0—94.1 kg P2O5·hm-2）整体高于长江中、下游地区（58.6—75.9 kg P2O5·hm-2）。各区域的RF处理与FP处理间的钾肥用量差异最为显著,整体而言,RF处理较FP处理的钾肥用量提高了34.5 kg K2O·hm-2,表明农民习惯严重忽视了钾肥的施用。不同区域间RF与FP钾肥施用量差异表现为上游（63.0 kg K2O·hm-2）>中游（24.4 kg K2O·hm-2）>下游（14.3 kg K2O·hm-2）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4区域农民习惯施肥与推荐施肥的氮、磷、钾肥料用量不同小写字母表示FP处理不同区域间的差异达到显著水平（P<0.05）,不同大写字母表示RF处理区域间的差异达到显著水平（P<0.05）;*和**分别表示相同区域内FP与RF处理间差异达到显著（P<0.05）和极显著水平（P<0.01）,ns表示差异不显著。下同
-->Fig. 4Fertilizer rates of nitrogen, phosphorus and potassium in FP and RF across the regionsDifferent small letters indicate significant differences in FP among the regions at 0.05 level, and different capitals indicate significant differences in RF among different regions at 0.05 level. * and ** respectively represent significant (P<0.05) and extremely significant (P<0.01) differences between FP and RF in the same region, ns shows no significant difference. The same as below
-->
肥料偏生产力是表征肥料利用效率的重要指标。长江流域不同区域RF处理较FP处理均显著提高了氮肥偏生产力（图5）。长江上游、中游和下游RF处理的平均氮肥偏生产力分别为14.9、15.9和12.9 kg·kg-1,较FP处理分别提高11.2%、12.0%和16.2%,区域间表现为下游最低。RF与FP处理间的磷肥偏生产力在上游（28.4—28.6 kg·kg-1）和中游（40.8—44.1 kg·kg-1）均无显著差异,而下游的磷肥偏生产力则表现为FP处理显著高于RF处理;长江上游较低的磷肥偏生产力主要与其油菜产量水平低而施磷量较高有关;整体而言,RF处理磷肥偏生产力较FP处理降低了6.9%。与磷肥偏生产力表现趋势相反,长江上游和中游的FP处理钾肥偏生产力（38.3—42.0 kg·kg-1）显著高于RF处理（26.5—33.3 kg·kg-1）,增幅为26.1%—44.5%;下游RF处理钾肥偏生产力显著提高,这可能主要与下游产量较高,而RF与FP钾肥用量差异较少有关;长江流域RF处理钾肥偏生产力整体较FP处理降低了19.6%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5区域农民习惯施肥与推荐施肥的氮、磷、钾肥偏生产力
-->Fig. 5Partial factor productivity of nitrogen, phosphorus and potassium between FP and RF across the regions
-->
2.3 冬油菜农民习惯施肥与推荐施肥肥料用量差
计算RF和FP处理的肥料用量差值,根据氮肥用量差分为三类,减施氮肥（<-10 kg N·hm-2）、适宜氮肥（-10<△N<10 kg N·hm-2）和增施氮肥（>10 kg N·hm-2）（图6-A）;磷肥也根据用量差值分为三类,分别为减施磷肥（<-5 kg P2O5·hm-2）、适宜磷肥（-5<△P<5 kg P2O5·hm-2）和增施磷肥（>5 kg P2O5·hm-2）（图6-B）,钾肥与磷肥分类一致（图6-C）。统计表明,长江流域45.6%的点位需要减施氮肥,平均减施氮肥量为36.5 kg N·hm-2;此外,37.8%的点位应增施氮肥,平均增施氮肥为43.6 kg N·hm-2;而氮肥用量适宜的点位比例最低,仅为16.6%。研究结果表明尽管总体上FP和RF处理的氮肥用量无明显差异,但这却是RF处理从区域上进行了大量调整的结果。例如,长江上游地区仅有13.2%的FP处理氮肥用量适宜,分别约43.0%的点位需要减氮和增氮;中游地区,在FP基础上,47.3%的点位需要减氮,27.7%的点位需要增氮;下游地区,在FP基础上,46.8%的点位需要减氮,38.7%的点位需要增氮。长江流域25.6%的点位需要减施磷肥,平均减施量为25.4 kg P2O5·hm-2;需要增施磷肥的点位比例为60.0%,平均增施磷肥为9.8 kg P2O5·hm-2;适宜磷肥用量的点位为14.4%。不同区域以下游适宜磷肥用量的点位比例最高（22.8%）;磷肥减施情况则以长江上游减施比例最高（31.1%）,中游次之（25.0%）,下游最低（18.4%）。钾肥减施比例最小,仅13.2%的点位能够减施钾肥,平均减少26.7 kg K2O·hm-2;需要增施钾肥的点位比例高达75.9%,平均增施钾肥52.9 kg K2O·hm-2;适宜钾肥用量的点位比例最低,仅占10.9%。上、中、下游的适宜钾肥用量的点位比例分别为4.8%、12.9%和17.1%;不同区域钾肥减施情况表现为长江下游（26.1%）>中游（13.5%）>上游（4.2%）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图6区域推荐施肥与农民习惯施肥的氮（A）、磷（B）、钾（C）肥料用量差频率分布
-->Fig. 6Frequency distribution of nitrogen (A), phosphorus (B) and potassium (C) fertilizer rates differences between RF and FP across the regions
-->
3 讨论
本研究通过对冬油菜主产区长江流域多年多点的数据进行整理分析,研究结果表明,不合理的、盲目的施肥造成产量的降低[9,10]。农民习惯施肥具有很大的随意性和粗放性,推荐施肥在一定程度上能够根据各区域的特点进行肥料用量、配比和运筹的调整,从而增加产量、提高效率。就肥料利用效率而言,本研究中长江流域农民习惯施肥的氮肥偏生产力为12.9—15.9 kg·kg-1,RF氮肥偏生产力有所提高（增幅为11.2%—16.2%）;磷肥偏生产力平均维持在36.7—39.4 kg·kg-1;RF处理的钾肥偏生产力（26.5—45.3 kg·kg-1）相比于FP（38.3—47.6 kg·kg-1）降低了19.6%。农民习惯施肥处理磷、钾肥偏生产力整体高于推荐施肥处理,分析其原因,一方面是由于农民习惯施肥的磷、钾肥用量过低,肥料施用不平衡,使得偏生产力较高;另一方面,CONG等[11]和LI等[12]通过计算最佳经济肥料用量表明当前生产条件下的油菜推荐施肥量也存在减施空间,进而能使偏生产力有一定幅度的提升。与我国相比,发达国家的肥料偏生产力相对较高,油菜氮肥偏生产力变幅为20.0—38.4 kg·kg-1[13,14,15,16],磷肥偏生产力可达到50.0—59.5 kg·kg-1[17,18,19]。究其原因一方面是由于其单产水平较高,另一方面则是肥料用量较低,一般氮肥施用120.0—180.0 kg N·hm-2,磷肥用量为40.0 kg P2O5·hm-2左右。此外,大部分发达国家土壤钾含量相对较高,施钾量约为30.0—60.0 kg K2O·hm-2,甚至很多地区基本不施钾肥[19,20,21]。薄弱的基础地力是肥料利用率低的一个主要原因。我国低产田面积大,土壤地力对冬油菜的产量贡献平均不到50%[22]。提高地力水平能够达到增加肥效的目的,不同的地力水平上的油菜试验表明高肥力田块能使得氮、磷、钾的肥料偏生产力提高10%— 50%[10,23]。
从区域尺度来看,长江流域45.6%的点位能够减氮,25.6%的点位可以减磷,而钾肥减施空间最小,仅13.2%的点位能够减钾。然而长江流域需要增加肥料投入的点位达到37.8%—75.9%。研究结果表明,推荐施肥对油菜肥料用量进行了优化,一定程度上规避了施肥的随意性和盲目性,但仍需根据小区域田块土壤肥力特征及目标产量做出具体的调整。同时考虑到肥料品种、形态单一,我们应采用缓控释肥、商品有机肥、秸秆还田等其他肥料替代途径[24,25]。研究表明,相比化肥单施,缓控释肥和有机无机配合施用能够提高氮肥偏生产力7%—16%[26,27];秸秆还田一定程度上能够替代钾肥,减少18.3%—66.7%的钾肥用量[28],同时秸秆还田条件下通过氮肥后肥前移的策略可以保证油菜的高产或稳产,进而提高肥料利用效率[29]。此外,不同养分效率油菜品种能够显著影响籽粒产量和肥料利用效率。例如,选用油菜氮高吸收高利用品种较氮低效品种可以提升氮肥偏生产力14%—30%[30,31]。另外,化肥机械深施一定程度上能够增加10%—24%的氮肥偏生产力[32],因此优化油菜机械化与肥料配套技术也势在必行。
4 结论
4.1
当前我国农民习惯施肥的冬油菜产量为2 033— 2 542 kg·hm-2,推荐施肥与农民习惯施肥相比,油菜平均增产13.9%—16.7%,增产点位比例为77.5%— 94.9%;推荐施肥在不同地力水平下亦呈现出明显的优势;不同处理的油菜平均产量均表现为长江下游>中游>上游。4.2
长江流域冬油菜种植区肥料施用、分配不合理。与推荐施肥相比,仅10.9%—16.6%的地区农民施肥较为恰当。农民习惯施肥量可减施的点位比例为氮肥（45.6%）>磷肥（25.6%）>钾肥（13.2%）。推荐施肥在农民习惯施肥的基础上提高了氮肥偏生产力12.9%—15.9%。（责任编辑 李云霞）
The authors have declared that no competing interests exist.
