中國馬鈴薯不同產區氮肥利用率的比較分析

于 靜熊興耀高玉林王貴江王萬興呂和平朱杰華石 瑛

楊艷麗8湯 浩9董道峰10樊明壽1*

（1 內蒙古農業大學農學院，內蒙古呼和浩特 010018；2 中國農業科學院蔬菜花卉研究所，農業農村部薯類作物生物學與遺傳育種重點實驗室，北京 100081；3 中國農業科學院植物保護研究所，北京 100193；4 黑龍江省農業科學院，黑龍江哈爾濱 150086；5 甘肅省農業科學院馬鈴薯研究所，甘肅蘭州 730070；6 河北農業大學植物保護學院，河北保定 071001；7 東北農業大學農學院，黑龍江哈爾濱 150030；8 云南農業大學植物保護學院，云南昆明 650201；9 福建省農業科學院作物研究所，福建福州 350013；10 山東省農業科學院蔬菜花卉研究所，山東濟南 250100）

據國際馬鈴薯中心預測，未來20 a 為滿足人口增長和社會發展還需要增加1 億t 糧食，其中50%的糧食產能需要通過馬鈴薯增產來實現 （https：//cipotato.org/crops/potato/）。馬鈴薯具有豐產性好、適應性強、耐干旱等特點，即使在高海拔、耕地質量較差的區域也有分布，具有不與其他主糧作物爭地的優勢，在全國各地區均有栽培。據聯合國糧食與農業組織（FAO）統計，2017 年我國馬鈴薯單產為17 t · hm-2，僅為世界平均水平的88%，遠低于荷蘭、新西蘭、美國、德國等具有先進栽培技術的國家（＞40 t · hm-2）。可見我國馬鈴薯種植單產存在極大的增長空間。馬鈴薯是一種對肥料需求量較大的作物，業界普遍認為肥料投入，尤其是氮肥施用決定馬鈴薯的產量高低（Goffart et al.，2008），因此生產中非常重視氮肥的施用，導致氮肥過量施用現象較為普遍（陳楊 等，2012；韓鵬杰 等，2019）。相比于三大主糧作物，淺根系的馬鈴薯植株不易吸收根層以下的肥料，造成肥料利用率下降、環境風險增加。以我國馬鈴薯主產區之一內蒙古為例，在1950～2000 年間馬鈴薯氮肥利用率下降了40%（戴慶林 等，2000）。目前，農業生產“減肥減藥”已成為國家戰略，馬鈴薯的減肥增效勢在必行。本文通過問卷調研及文獻檢索相結合的方法，分析了我國6 個馬鈴薯主產區的氮肥利用現狀，以期為馬鈴薯減施化肥、節本增效提供合理的施肥依據。

1 調查方法

1.1 數據來源

為了分析全國馬鈴薯的氮肥利用狀況，2017～2018 年在東北區、華北區、西北區、西南區、中原區、華南區等6 個馬鈴薯主產區進行隨機調查，其中東北區包含黑龍江省、內蒙古自治區東北部，華北區包含山西省、河北省和內蒙古自治區中部，西北區包含寧夏回族自治區、甘肅省、青海省、陜西省，西南區包含貴州省、云南省、四川省，中原區包含安徽省、山東省、湖北省，華南區包含福建省、湖南省、廣東省、江西省。調查對象為合作社、小農戶等，共收回有效問卷311 份。

調查內容：馬鈴薯產量、化肥投入量（以N、P2O5、K2O 計）、基肥量、追肥次數、復合肥配方等。此外，以氮肥利用率、馬鈴薯、產量、氮肥施用量為關鍵詞搜索相關文獻59 篇。將以上文獻獲得的數據與調研數據匯總后進行馬鈴薯氮肥偏生產力 分析。

1.2 分析計算方法

國際農學界通用的氮肥偏生產力是指單位投入的肥料氮所能生產的作物產量，即 PFPN=Y/F，Y為施肥后所獲得的作物產量，F 代表化肥的投入量；偏生產力的獲得無需空白對照的設置及養分吸收量的測定。

2 結果與分析

2.1 我國馬鈴薯化肥施用現狀

從表1 可以看出，全國馬鈴薯生產每667 m2平均投入N 24.9 kg、P2O519.7 kg、K2O 18.9 kg，每667 m2化肥（純養分）總投入63.5 kg，其中中原區和華南區化肥總投入超過70 kg，是全國馬鈴薯施肥量較大的區域，而西南區施肥量最少，化肥總投入為48.6 kg。各產區肥料投入占比分別為N 29%～46%，P2O525%～40%，K2O 17%～36%。其中，華北區、西北區、中原區、華南區的氮肥施用量在26.3～31.4 kg · （667 m2）-1之間，占總施肥量的比例均在36%以上，西北區甚至高達43%。東北區不僅施用化肥總量較少，而且氮肥占比也較低，平均為15.2 kg · （667 m2）-1，占總施肥量的29%。雖然西南區的氮肥施用量也較低，平均為20.2 kg · （667 m2）-1，但占總施肥量的比例較高，為42%。

2.2 馬鈴薯不同生育期氮肥的分配

由表2 可知，我國6 個馬鈴薯主產區中華南區基肥中氮肥占比最低，僅占29%；西北區占比最高，為47%以上。

由于種植模式的差異，各產區追施氮肥次數不同，東北區、華北區馬鈴薯氮肥追施次數較多，最高達8 次；追施氮肥較少的地區為西北區、中原區和華南區，不超過3 次。馬鈴薯生產中追肥多施用復合肥，但不同產區施用的復合肥配方差異較大，其中西北區不同馬鈴薯種植戶至少施用13 種配方的復合肥（表2）。

表1 我國6 個馬鈴薯主產區肥料投入情況比較

表2 我國6 個馬鈴薯主產區氮肥的基施、追施情況

2.3 馬鈴薯的氮肥偏生產力分析

通過計算得出全國6 個主產區馬鈴薯的氮肥偏生產力（圖1），不同產區氮肥偏生產力存在較大差異，由高到低依次為：東北區（184 kg · kg-1）＞西南區（110 kg · kg-1）＞中原區（104 kg · kg-1）＞華南區（99 kg · kg-1）＞西北區（95 kg · kg-1）＞華北區（84 kg · kg-1）。東北區馬鈴薯氮肥偏生產力是氮肥偏生產力最低的華北區的2.2 倍。

將氮肥偏生產力分為8 個等級，計算6 個王產區每個等級下PFPN 的樣本百分比，可以了解目前馬鈴薯PFPN 的樣本分布頻率。由圖2-a 可知，75.2%的農戶田塊PFPN ＜150 kg · kg-1，20.3%的農戶田塊PFPN 為150～250 kg · kg-1，僅有4.5%的農戶田塊PFPN ＞250 kg · kg-1。可見，我國馬鈴薯生產中氮肥偏生產力偏低，有較高的提升空間。

圖1 不同馬鈴薯主產區的氮肥偏生產力比較

圖2 氮肥減施前后全國馬鈴薯主產區的氮肥偏生產力構成比較

馬鈴薯生產中的化肥減施增效可通過保持產量不降低，減少氮肥施用量的方法實現。按照國家雙減計劃目標要求，在產量不變的情況下，減少17%的氮肥投入，即可提高PFPN。PFPN 提高后，全國范圍內PFPN ＜150 kg · kg-1的農戶減少了18.0個百分點，PFPN 介于150～250 kg · kg-1之間的農戶增加了12.8 個百分點，PFPN ＞250 kg · kg-1的農戶增加了5.3 個百分點（圖2-b）。

2.4 氮肥施用量對氮肥偏生產力的影響

氮肥施用量與PFPN 呈顯著冪函數關系。氮肥施用量較低時，PFPN 變異較大，不同農戶高、低PFPN 可相差2～3 倍；氮肥施用量相對較高時，農戶PFPN 均維持在較低水平（圖3）。因此，氮肥施用量高是目前導致馬鈴薯生產中PFPN 低的關鍵因素之一。

2.5 馬鈴薯產量對氮肥偏生產力的影響

圖3 不同氮肥施用量與氮肥偏生產力的關系

由圖4 可知，我國6 個主產區馬鈴薯平均產量為2 230～2 823 kg · （667 m2）-1。不同產區馬鈴薯產量水平差異較大，由高到低依次為東北區＞西北區＞華北區＞華南區＞中原區＞西南區。將產 量＞2 500 kg · （667 m2）-1的農戶定義為高產農 戶，＜2 500 kg · （667 m2）-1的定義為低產農戶。與低產農戶相比，高產農戶的施氮量相對較高 （圖5）。

將馬鈴薯產量分為4 個等級，分別為＜2 000 kg · （667 m2）-1、2 000～2 500 kg · （667 m2）-1、2 500～3 000 kg · （667 m2）-1、 ＞3 000 kg · （667 m2）-1。4 個產量水平的平均氮肥偏生產力分別為112、103、138、178 kg · kg-1。當馬鈴薯產量＞3 000 kg · （667 m2）-1時，變異系數最大，隨著產量水平的下降，變異系數呈降低趨勢（圖6）。

圖4 不同馬鈴薯產區的產量變化

圖5 不同種植戶施氮量的差異

圖6 馬鈴薯產量與氮肥偏生產力的關系

3 結論與討論

目前，表征肥料利用率的參數較多，如養分回收率、農學利用率、生理利用率、偏生產力等。其中養分回收率和農學利用率的計算需要設置無肥區，應用起來較為不便；生理利用率表征植物體內養分的利用率，使用也有局限性。由于生產中不可能設置無肥區，即調查數據沒有空白對照，因此選擇氮肥偏生產力（PFPN）作為本文評價肥料效應的指標。

從整體來看，目前我國馬鈴薯不僅產量低于歐美等發達國家，而且氮肥偏生產力遠不及德國、美國、荷蘭等馬鈴薯生產強國。本文中數據分析表明氮肥施用量較高的區域往往氮肥偏生產力相對較低，過量施肥是氮肥偏生產力低的主要原因之一。這與張福鎖等（2008）對于小麥、玉米、水稻三大糧食作物的研究結果一致，他們認為施肥過量是我國肥料利用效率低的最主要原因。仲乃琴等（2018）在寧夏馬鈴薯田塊利用15N 示蹤技術測定尿素利用率僅為20.5%，僅為美國主要糧食作物氮肥利用率的1/2，造成這種差距的主要原因同樣是過量施肥。因此合理減施氮肥是目前我國馬鈴薯生產的重要目標。

復合肥在馬鈴薯生產中起到重要的作用，約占肥料支出的50%，已登記的配方超過3 萬個，但復合肥中相當大比例的產品脫離了土壤和作物需求，配方多以一次性基施為主。施用復合肥導致養分投入數量和用肥成本增加，但增產效果不明顯，造成肥料利用率低（李亮科 等，2011）。陳新平等（2016）提出了三大糧食作物“大配方、小調整”的區域配肥理論。不同于小麥、玉米、水稻等深根系作物對土壤養分和環境養分供應的依賴性較大，馬鈴薯的氮肥需求強度大、根系較淺、養分吸收能力較差，相應地對水肥的依賴程度高。因此，應在土壤培肥的基礎上，重點依據馬鈴薯養分吸收規律和土壤特點進行區域配肥；根據區域作物生產條件與土壤供應特點進行分區管理，對氣候條件、栽培條件、地形和土壤條件等相似的同一類型區，可以采取相對一致的氮肥管理措施；采用“小調整”作為補充以實現田塊精確調控。馬鈴薯的“大配方、小調整”將從區域層面減少氮肥的浪費，提高肥料利用率。

研究表明，追施氮肥可減少肥料損失，提高氮肥利用率（Jia et al.，2019）。然而本文中追肥次數較多的華北區氮肥偏生產力較低，可能是由于追施的氮肥與馬鈴薯植株的需求在時間和空間上不匹配導致的。因此，確立科學的施肥次數和時間是減少氮肥施用量進而提高馬鈴薯氮肥利用率的有效途徑，而合理施氮時間和數量的確定還有賴于對土壤基本情況的了解和植株生長發育的實時監測。土壤測試和植株營養診斷相結合是必由之路。經典土壤測試的方法目前仍然是有效方法，除此之外，各種速測和批量高效測定方法不斷出現，為土壤基本情況的掌握提供了保障。植株營養診斷必須采用速測，目前的測試手段也較多，如葉綠素儀SPAD-502、主動作物光譜儀GreenSeeker、葉柄硝酸鹽測試等均已成功用于馬鈴薯氮素營養診斷并推薦施肥（Laurent & Lancelot，1999； 于 靜 等，2013；Zheng et al.，2015；Li et al.，2019）。因此，通過土壤測試與植株營養診斷相結合的氮肥推薦應是實現田塊尺度上馬鈴薯減氮增效的重要途徑。

本文中并未涉及新型肥料品種及應用的調查數據，但是近些年來緩控釋肥、微生物肥料、水溶性肥料、商品有機肥等多種新型肥料為馬鈴薯生產減氮增效的貢獻不容小覷。周瑞榮等（2010）施用緩釋肥料可實現減少20%氮肥投入，產量增加5.6%。適量微生物肥料的施用也可實現馬鈴薯生產氮肥施用量降低，產量和氮肥利用率提高，塊莖品質改善（陳陽陽 等，2018）。此外，有機肥替代部分單質肥、復合肥的施肥方式不僅能夠促進干物質盡早轉移到馬鈴薯塊莖，提高氮肥利用率，還可以改變土壤微生物豐富度及土壤酶活性，改善土壤結構（張書樂，2014）。因此，要實現提高馬鈴薯氮肥利用率的目標，勢必要摒棄傳統施肥觀念，依靠新型肥料和有機肥配施的施肥方式。

提高作物產量是提高氮肥偏生產力的重要途徑之一。賈立國等（2015）通過計算內蒙古馬鈴薯的高產潛力，發現實際產量不及高產潛力的30%。可見在現有生態環境條件下，馬鈴薯產量提升空間巨大。在今后相當長的時間內，集成氮肥高效品種、栽培方法、土壤管理、養分管理、植保措施等綜合配套技術是實現馬鈴薯產量和氮肥偏生產力協同提升的根本途徑。