湖南省3 種糧油作物當季化肥利用率現狀研究

吳遠帆，鐘建中，高雅潔，廖育林，聶 軍，魯艷紅

（1.湖南省土壤肥料工作站，湖南 長沙 410006；2.桃江縣農業農村局，湖南 桃江 413400；3.湖南省土壤肥料研究所，農業部湖南耕地保育科學觀測實驗站，湖南 長沙 410125）

化肥的使用是促進農作物產量增加的基礎，對于穩定農業生產、保障糧食安全具有關鍵作用。科學合理施肥可以為作物提供正常充足的營養供給，保證作物高產潛力的充分發揮，同時具有提高土壤肥力、改善土壤理化性狀以及調節土壤微生態環境等重要功能[1]。然而，不遵循作物需肥規律，過量或不合理的施肥不僅會增加生產成本，而且無法維持作物的可持續高產，同時還會破壞土壤結構、降低農產品品質、加劇面源污染。因此，在保證作物產量和品質的同時提高肥料利用效率對于促進農業和生態環境的可持續發展具有重要意義。研究表明，肥料利用率受到土壤肥力、施肥用量、施肥方法、肥料類型、土壤水分、作物品種、栽培管理措施和氣候因子等多種因素的影響[1]。因此，明確區域內主要農作物肥料利用率現狀將為進一步因地制宜地推進科學施肥措施提供重要依據。

湖南省地處長江中下游南岸，自然資源豐富，氣候適宜，全省主要農產品產量穩步增長。水稻和玉米是湖南省最主要的糧食作物，其中水稻產量位居全國前列[2]，2017 年全省玉米總產量也達到199.2 萬t[3]。此外，油菜是中國最重要的油料作物，自2015 年以來，湖南省油菜的種植面積一直穩居全國第一。隨著國家減肥增效行動的推進，測算湖南省3 種主要農作物的當季氮磷鉀肥料利用效率，對于明確湖南省肥料利用現狀、探尋肥效提升途徑、助力農業可持續發展具有重要的現實指導意義。

大范圍的肥料利用率測算一般有2 種方法，一是分析地區糧食產量和化肥施用量的數據，二是整合大量田間試驗結果。目前，多數研究都是根據田間試驗結果匯總而來[4-6]。參考前人的研究方法，筆者于2018 年在湖南省11 個市及自治州共72 個縣區設置了178 個試驗點開展水稻、油菜和玉米3 種作物的氮磷鉀肥的肥效試驗，通過實驗數據測算湖南省目前水稻、玉米、油菜作物氮磷鉀肥的當季利用率，全面總結湖南省主要作物氮磷鉀肥的肥料利用率現狀，為進一步推進農業生產科學施肥、減少肥料的不合理投入、提高資源利用效率、優化農田養分管理提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

為了分析目前湖南省種植水稻、油菜和玉米的肥料利用率，于2018 年在農作物主產區的長沙、常德、岳陽、益陽、婁底、邵陽、衡陽、郴州、永州、張家界和湘西土家族苗族自治州（簡稱湘西州）共72 個縣區布置氮磷鉀肥田間肥效試驗178 個。試驗總體分布情況如表1 所示。

表1 水稻、油菜和玉米肥效試驗的樣本數、施肥量和分布區域

1.2 試驗設計

每個試驗點設置4 個處理，分別為：（1）PK，無氮處理；（2）NK，無磷處理；（3）NP，無鉀處理；（4）NPK，氮磷鉀處理。氮、磷、鉀肥均基于當地農民習慣施肥方法或依據當地農技部門提供的推薦施肥方法施用，其他生產管理措施采用當地常規管理方法。

1.3 樣品采集及檢測

每季作物成熟后，對試驗小區進行單打單曬，測定籽粒的含水率。作物的籽粒產量為試驗小區的實收產量（以干重計），根據作物莖葉與籽粒的質量比計算出作物的莖葉產量（以干重計）。同時于每個試驗小區隨機取樣15 株，風干后分成莖葉和籽粒樣品，粉碎后采用常規方法測定其中的N、P、K 含量[7]。

1.4 肥料利用率的計算

以氮肥為例，肥料利用率的計算如下：

氮肥利用率（RE，%）=（施氮區作物成熟期地上部氮累積量-未施氮區作物成熟期地上部氮累積量）/氮肥施用量

氮肥農學效率（AE，%）=（施氮區作物籽粒產量-未施氮區作物籽粒產量）/氮肥施用量

氮肥偏生產力（PFP，kg/kg）=施氮區作物產量/氮肥施用量

氮肥生理利用率（PE，kg/kg）=（施氮區作物籽粒產量-未施氮區作物籽粒產量）/（施氮區作物成熟期地上部氮累積量-未施氮區作物成熟期地上部氮累積量）

同理，分別計算磷肥和鉀肥的肥料利用率、農學效率、偏生產力和生理利用率。

2 結果與分析

2.1 湖南省3 種糧油作物肥料利用率的總體狀況

如表2 所示，143 個水稻肥效試驗施用氮磷鉀肥處理的平均產量為7.58 t/hm2，氮肥、磷肥和鉀肥的肥料利用率分別為32.58%、16.56%和41.07%；21個油菜試驗氮磷鉀處理的平均產量為2.34 t/hm2，氮肥、磷肥和鉀肥的肥料利用率分別為37.98%、20.85%和45.64%；14 個玉米試驗氮磷鉀處理的平均產量為8.26 t/hm2，氮肥、磷肥和鉀肥的肥料利用率分別為37.06%、20.09%和48.89%。不同作物對氮、磷、鉀肥料養分的利用效率差異較大，玉米生產中氮、磷、鉀肥的農學效率、偏生產力和生理利用率均低于水稻和油菜生產的。相比氮肥和鉀肥，3 種作物磷肥的農學效率、偏生產力及生理利用率均較高。

表2 水稻、油菜和玉米的平均施肥量、產量及肥料利用效率

為進一步了解湖南省目前水稻、油菜和玉米不同肥料利用率的樣本分布情況，將肥料利用率劃分為6 個等級，計算每個等級下肥料利用率的樣本百分比。由圖1A 可知，水稻、油菜和玉米氮肥利用率處于30%～40%之間的頻率最高，分布頻率分別為63%、62%和50%；水稻和油菜氮肥利用率在其他區間的樣本數明顯較少，而玉米有29%的樣本氮肥利用率在40%～50%之間。

由圖1B 可知，水稻、油菜和玉米在不同磷肥利用率等級下的樣本分布較為分散，無論是水稻、油菜還是玉米，磷肥利用率小于30%的樣本占總樣本80%以上。水稻磷肥利用率處于20%～30%頻率的最高，為34%，油菜和玉米磷肥利用率處于10%～20%的頻率最高，分別為36%和33%；3 種作物的磷肥利用率在＜10%、10%～20%、20%～30%和30%～40%這4 個區間的分布頻率均高于15%。

由圖1C 可知，水稻、油菜和玉米的鉀肥利用率高于30%的樣本分別占總樣本的80%以上。水稻鉀肥利用率在40%～50%之間的頻率最高，為43%；油菜分別有33%和38%的樣本鉀肥利用率處于30%～40%和40%～50%之間；玉米鉀肥利用率整體較高，有36%的樣本鉀肥利用率處于40%～50%之間，43%的樣本鉀肥利用率高于50%。

圖1 水稻、油菜和玉米不同氮、磷、鉀肥利用率試驗點分布頻率變化

2.2 湖南省不同地區3 種糧油作物的肥料利用率

2.2.1 氮 肥由表3 可知，3 種作物在不同地區的氮肥利用率呈現出較大差異。（1）水稻。水稻的氮肥利用率在不同地區的平均值區間為19.5%～39.0%；最低值出現在常德，僅-17.5%，最高值也出現在常德，為104.9%，這與常德地區19 個試驗點水稻氮肥利用率的變異系數最高（139.5%）相一致，表明常德地區水稻對氮肥的利用效率差異較大。從表3 還可以看出，長沙、岳陽、益陽、婁底和邵陽的水稻氮肥利用率均達35%以上，且變異系數較小，表明這5 個地區的水稻對氮肥的利用效率高，且地區內差異較小；常德和張家界的水稻氮肥利用率偏低，分別為19.5%和24.3%；其他地區水稻氮肥利用率平均值在30%到35%之間。（2）油菜。由于單個地區的樣本量較少，例如張家界、岳陽、邵陽和湘西州各地的樣本量僅1～3 個，代表性不足，因此按南北分布情況將所有樣本分為2 組（下同）。位于長沙、岳陽、婁底、衡陽和郴州的共8 個試驗點的數據表明，油菜氮肥利用率平均值為41%，且變異系數較小，為13.2%；位于常德、張家界、湘西州的共13 個試驗點的油菜氮肥利用率平均值為33.2%且變異系數較大。（3）玉米。由于僅在岳陽、邵陽、郴州、永州及湘西州開展了14個試驗點的玉米肥效試驗，且單個地區的樣本量≤3個，因此將14 個試驗點的樣本合并（下同）。在岳陽、邵陽、郴州、永州及湘西州開展的共14 個試驗點的玉米肥效試驗結果表明，玉米氮肥利用率的平均值為37.1%。

表3 水稻、油菜和玉米氮肥用量、地上部吸氮量、產量和氮肥利用率

2.2.2 磷 肥由表4 可知，3 種作物的磷肥利用率在不同地區差異較大，平均值區間為-10%～28.8%，不同作物磷肥利用率在各試驗地區的平均值均未達到30%。（1）水稻。常德地區水稻磷肥利用率平均值為-10%，但產量仍有（7.52±0.96） t/hm2，反映出該地區試驗點土壤具有較高的基礎供磷水平；在長沙、岳陽、益陽、婁底、邵陽及永州，水稻磷肥利用率的平均值在22%以上；張家界、湘西州、衡陽及郴州的水稻磷肥利用率平均值偏低，在11%～16%之間；常德19 個點的水稻磷肥利用率數據變異很大，變幅為-143.0%～30.8%。（2）油菜。長沙、岳陽、婁底、衡陽和郴州試驗點的油菜磷肥利用率平均值為21.8%，略高于常德、張家界和湘西州的平均值。（3）玉米。位于岳陽、邵陽、郴州、永州及湘西州的玉米肥效試驗數據表明玉米磷肥利用率平均為20.1%，變幅在-2.6%～31.6%。

表4 水稻、油菜和玉米磷肥用量、地上部吸磷量、產量和磷肥利用率

2.2.3 鉀 肥由表5 可知，不同地區鉀肥利用率的平均值在21.9%～56.5%之間。（1）水稻。長沙、岳陽、婁底和郴州的水稻鉀肥利用率的平均值高于45%；湘西州、衡陽及永州的水稻鉀肥利用率平均值略低，在42.7%～44.2%之間；而益陽、常德、張家界和邵陽地區的水稻鉀肥利用率平均值低于40%。（2）油菜。長沙、岳陽、婁底、衡陽、郴州地區的油菜的鉀肥利用率平均值為43.9%，變異系數僅為13.2%，而常德、張家界、湘西州地區的油菜鉀肥利用率平均值為39.8%，但變異系數較高，達160.0%。（3）玉米。岳陽、邵陽、郴州、永州和湘西州的試驗數據表明，玉米的鉀肥利用率平均值為48.9%，變幅在16.1%～109.8%之間。

表5 水稻、油菜和玉米鉀肥用量、地上部吸鉀量、產量和鉀肥利用率

3 討 論

試驗結果表明，目前湖南省水稻生產的氮肥、磷肥、鉀肥的肥料利用率均值分別為32.58%、16.56%和41.07%，油菜生產的氮肥、磷肥、鉀肥的肥料利用率均值分別為37.98%、20.85%和45.64%，玉米生產的氮肥、磷肥、鉀肥的肥料利用率均值分別為37.06%、20.09%和48.89%。黃鐵平等[8]的研究顯示，2013 年湖南省主要農作物氮、磷、鉀肥當季利用率分別為30.0%、25.9%和36.7%，其中3 大糧食作物的氮肥、磷肥和鉀肥利用率分別為33%、24%和42%。從2018 年的數據來看，有69%的試驗點水稻的氮肥利用率高于2013 年的，有62%的試驗點水稻鉀肥的利用率高于2013 年的。總體而言，目前湖南省主要作物水稻、油菜和玉米的氮、鉀肥料利用率較2013年有所提高，磷肥利用率有所下降。

氮肥利用率的提高與近年來有機肥的施用、秸稈還田和綠肥的推廣應用以及推薦施肥項目的開展有關。研究表明，綠肥與化肥配施或秸稈還田條件下，作物肥料利用率較單施化肥條件下均有不同程度地提高。陳正剛等[9]研究發現，綠肥與化肥配施玉米的氮肥利用率可提高3.2%；楊濱娟等[10]研究也表明，綠肥與化肥配施水稻氮肥利用率可提高8%左右。不同地區的研究表明，秸稈還田條件下，作物氮肥利用率平均可提高4%～10%[11-12]。

3 種作物的磷肥利用率與2013 年相比呈下降趨勢，原因可能與土壤供磷水平整體上升有關，因此建議未來一段時間湖南地區可適當減少磷肥施用量。

試驗結果還顯示，作物肥料利用率地區間差異明顯，表明土壤類型、基礎地力和環境養分仍是影響作物肥料利用率的主要因素。土壤養分作為作物生長重要的營養來源，是養分管理的重點之一。環境中的一些養分能通過大氣干濕沉降、灌溉水、生物固氮等途徑進入作物生產系統，它們也是作物生長所需養分資源的重要組成部分。農戶需要在充分利用土壤養分和環境養分的基礎上，均衡施用化肥，減少化肥的損失及其向環境的排放，才能實現提高肥料利用效率的長遠目標。在當前的生產條件下，肥料用量的選擇也需綜合考慮土壤肥力和環境養分來源，重新制定推薦指標。鑒于土壤肥力是一個不斷變化的指標，今后需要在不同生態區域、不同類型土壤開展更深入地肥料利用率調查工作，以期進一步因地制宜地科學合理施肥。