也谈中国主要粮食作物生产中肥料利用率及其提高途径

褚清河，强彦珍

（1.山西省农业科学院农业资源综合考察研究所，山西太原030006；2.太原市高新技术产业开发区园林绿化管理中心，山西太原030006）

1 问题的提出

肥料和土壤养分利用率一直是我国肥料学与农业可持续发展研究的中心问题。为了提高施肥的经济效果与实现优质高产，我国土壤肥料工作者对提高土壤养分利用率、土壤生产力和降低肥料施用量的问题进行了长期的研究探索。

张福锁等[1]的研究集中反映了笔者及其他研究者在这方面的观点和研究结果。最近，张福锁团队在美国《科学杂志》又发表“SignificantAcidification in Major Chinese Croplands”论文[2]，提出了过量施用氮肥造成土壤酸化问题。因此，更引起了国内外对化肥施用过量并诱发严重的环境问题的强烈关注。

但是，目前我国农业生产中肥料施用是否过量，氮肥施用过量是否利用率就一定下降，而肥料养分利用率下降是否就是必然造成我国粮食产量增加缓慢的原因，这是值得与广大肥料工作者深入讨论的问题。

因此，笔者从讨论最近10年我国土壤肥料学界主流研究的试验设计原理和肥料利用率的分析评价原理及方法出发，针对文献[1]的试验和研究结果，讨论我国土壤养分和肥料利用率的问题，有利于我们对这些问题进行深入科学的研究。

2 肥料利用率的本质与试验设计原理

2.1 养分利用率指标应该反映土壤养分的作物利用

文献[1]中列出了肥料利用率、氮肥的偏生产率、氮肥农学利用率和氮肥生理利用率的计算方法，但对其涵义及指标或参数在施肥研究中的重要意义、各自的特点、所反映的实质问题，并没有明了而准确地解释和评价。文献[1]认为，RE（回收率）是目前国内比较通用的指标，而且土壤和环境来源养分少，化肥的增产效果很显著，RE能很好地反映作物对养分的吸收状况，也似乎缺乏试验依据。养分吸收状况好，施肥的增产效果就好，文献[1]的解释也并不明了。文献[1]认为，AE（农学效率）是评价肥料增产效应较为准确的指标；PEP（偏生产率）也是比较适合我国目前土壤和环境养分供应量大、化肥增产效应下降的现实，是评价肥料效应的适宜指标；PE（生理利用效率）说明的是植物体内养分的利用率，而不是肥料的增产效应。但文献[1]还是主要选择了肥料利用率来说明施肥的增产效果问题。可见，文献[1]对肥料利用率的了解还主要基于过去的研究结果，对肥料利用率缺乏深入的研究。

2.2 选择用肥料利用率的增减变化很可能不能说明施肥增产的本质问题

肥料利用率如氮肥利用率，是指土壤施用氮肥后，作物吸收的肥料氮占总施氮量的百分比，它反映的是作物对肥料氮的吸收状况。过去，生理学家认为，作物吸收进入体内的养分都是有效的，即被作物所利用。但近年来的研究表明[3-4]，进入作物体内的养分有很大一部分残存在作物秸秆中，并不能有效地转化成籽粒养分而形成产量，因此，氮素的利用率高，增产效果也不一定就好。因此，把氮肥利用率称之为氮素吸收率似乎更为确切。为了弥补肥料利用率难以准确反映肥料增产效果的不足和研究其原因，研究者提出了能反映作物体内养分转化利用的指标——生理利用率。它和肥料利用率联合应用，可很好地反映肥料的吸收与转化利用状况及其增产效果。这可从表1得到进一步说明。

在表1中，无论是氮磷等比还是以磷定氮条件下，在30～240 kg/hm2的施氮量范围内，不同施氮量的氮肥利用率均在54.6%～81.5%范围内，在该土壤养分条件下，施氮量等于或大于300 kg/hm2的氮肥利用率明显降低。氮肥利用率以接近用相交直线计算的最大施肥量（氮磷等比为87.4 kg/hm2，以磷定氮为200 kg/hm2[5]）为最高。处理3和处理8的氮肥利用率分别为81.5%和70.7%；但氮磷等比条件下，处理3的产量水平并未显著高于氮肥利用率较它低的处理4和处理5；以磷定氮条件下，处理8的产量水平也并未显著高于氮肥利用率较它低的处理7、处理9和处理10。相反，处理2和处理4的氮肥利用率基本相同，分别为54.6%和54.8%，但处理4的产量水平显著高于处理2；处理7和处理9的氮肥利用率也基本相同，但处理9的产量水平显著高于处理7，其原因就在于氮肥利用率高并不一定它的生理利用率和农学利用率就高。

表1 玉米施氮量、产量及肥料利用率（2005年，山西忻州）

从表1还可以看出，氮磷施用比例和用量合理时，可获得最高的氮肥利用率，但在一定范围内增大氮肥用量可明显提高氮肥的利用率，如以磷定氮条件下，多数处理的氮肥利用率高于氮磷等比条件下的利用率，但氮磷施用比例显著影响氮肥的生理利用率和农学效率，氮磷等比条件下的氮肥生理利用率和农学效率较以磷定氮的试验结果高1倍以上。因此，文献[1]认为，PE说明的是植物体内养分的利用率，而不是肥料的增产效应的解释是不确切的。上述分析表明，氮肥利用率严重受施氮量和氮磷施用比例的影响，而且氮肥利用率高并不意味着施肥的增产效果就好。文献[1]单纯选择肥料利用率很难反映肥料的利用状况与施肥的增产效果，而氮肥的农学效率虽然表明了单位肥料的增产效果，但它并不能说明肥料的吸收状况与产量水平的高低。

肥料利用率反映的是一定施肥量水平下作物对氮、磷、钾养分的吸收状况。对于研究而言，可以是单一氮、磷、钾养分的利用率，也可以是氮磷、氮钾或氮磷钾配合下的某一养分的利用率。当前，要解决文献[1]中提到的“我国化肥用量持续增加，粮食产量却始终增加缓慢”的问题，关键是如何分析和看待主要粮食作物肥料利用率现状和提高途径。

我们认为，我国主要粮食作物的肥料利用率现状，应该是我国现行施肥技术水平下，农民在生产中施用一定量氮磷钾下的肥料利用率，这样才能通过同一时期作物不同施肥水平下或不同时期同一施肥水平下肥料利用率的变化或比较，说明我国主要粮食作物肥料利用率的现状、增减变化及其原因，从而说明我国粮食增加缓慢的问题。但是，在一些研究中，试验的施肥量并非我国不同地区农民生产中的施肥量调查数据，而是研究者根据研究项目目的而确定的。由于施肥技术成果应用于生产存在一定的滞后性，我国现行生产中配方施肥技术的主要依据实际上来自20世纪80年代以来肥料试验中的施肥效果。一些点的案例试验结果是否能够代表中国施肥技术的现有水平，是一个值得考虑的问题。还有，现在试验中计算的现行肥料利用率数据，也可能不能说明实际生产中的肥料利用率。例如，文献[1]报道的不同省市氮肥利用率研究结果的下限多数为0.3%～3.3%，磷肥利用率的下限为2.0%～4.2%，在试验条件下这样的利用率水平显然不会表现显著增产效果，也就失去生产应用意义和代表性。事实上，有研究者调查山东资料测算的农户氮肥利用率为10%；农户传统施肥技术条件下华北平原小麦—玉米轮作体系中冬小麦氮肥利用率为20%，夏玉米的氮肥利用率也达10%。因此，我国当前农户的肥料利用率也远较上述试验研究条件下估算得到的氮肥利用率的下限高。

文献[1]同时也认为，在试验条件下，小麦氮肥利用率小于10%的频率在20%以上，氮肥利用率在10%～20%的频率为25%。看来，用现行试验条件下的肥料利用率并不能说明我国主要粮食作物的肥料利用率现状和增减变化。因此，在评价肥料利用率问题中，一些研究者的资料不全面、不匹配，会带来对我国肥料实际利用率认识的偏颇。

2.3 田间试验数据和大田调查数据相匹配可能会更好地评价农业中的肥料利用率

文献[1]主要讨论我国主要粮食作物研究条件下的养分利用率状况，研究目的旨在通过其历史变化，说明我国主要粮食作物的肥料利用率均呈逐渐减低趋势，而降低的重要原因为：一是施肥过量，二是我国土壤肥力提高（土壤肥力水平是决定肥料利用效率高低的基本因素，即在土壤肥力水平较低时，得到高的肥料利用率和农学效率的几率较大，反之在高肥力土壤上得到高的肥料利用率和农学效率的几率较小）。但要得出上述结论，就必须取样测定土壤的主要肥力指标，对试验区主要粮食作物的试验地进行肥力等级划分并布置试验，同时试验必须设计适量施肥、过量施肥和低量施肥下的氮磷钾处理才能证明上述假设。文献[1]并没有这方面的介绍，显然缺乏这样的设计。

文献[1]表1中，介绍了水稻、小麦和玉米肥效试验的样本数、施肥量和分布区域，但并未介绍试验方法，也没有列出试验地土壤主要肥力指标的分析化验结果，仅仅列出了单一氮、磷、钾养分的施肥量范围，并无肥料利用率研究的具体试验方案，因此，读者很难知道肥料利用率是单一氮、磷、钾肥料的利用率，还是氮磷钾配合下某一养分的利用率，某一养分利用率对应施肥量确定的依据也不明确。由于试验方案并没有与研究目标和实用意义相匹配，文献[1]“中国肥料利用率低的原因分析”中，是引用其他文献资料来反证试验肥料利用率低是“施肥过量”和“肥力水平高”造成的。

讨论土壤养分的作物利用率，需对特定系统进行不同施肥量下的田间试验，根据试验观察的产量、作物养分吸收量而估算作物肥料利用率。但是，分析中国主要粮食作物肥料利用效率的现状、中国化肥利用率现状和历史变化，采用产量、肥料施用量的生产调查数据应该更有代表性。文献[1]在分析中采用了2003—2005年其承担的农业部“948”项目在全国粮食主产区进行的肥料试验数据（试验样本数共计586个）和2001—2005年有关单位的肥料试验调查数据（试验样本数共计747个）。通过分析试验资料，得出了氮肥利用率为0.3%～88.9%，磷肥利用率为1.7%～59.3%，钾肥利用率为0.7%～88.2%的结果。文献[1]在数据来源中进一步强调，为了分析目前试验条件下水稻、小麦和玉米的肥料利用率，文献[1]采用了农业部“948”项目和其他单位的肥料试验数据进行了分析。既然采用试验资料，而不是生产中实际调查结果进行分析，那么分析结论就很难说明是中国主要粮食作物肥料利用效率的现状或中国化肥利用率现状及历史变化，即使分析试验结果，至少也应该在试验肥料利用效率低的原因分析中考虑氮肥利用率（最低值为0.3%，最高值为88.9%）、磷肥利用率（最低值为1.7%，最高值为59.3%）和钾肥利用率（最低值为0.7%，最高值为88.2%）存在极大差异的原因，对不同年份肥料利用率的试验结果进行统计检验，通过统计分析，说明肥料利用率的增减变化及其原因。但如果这样，显然又偏离主题。

3 研究氮肥利用率的合理施肥量设计问题

3.1 养分表观利用率的试验不能忽视土壤养分平衡问题

分析和讨论我国肥料利用率和过量施肥问题时，较多的研究是针对氮肥而言。氮肥利用率是肥料利用率的核心问题，许多关于氮肥利用率的试验，计算得到的土壤养分表观利用率，实际上可能是忽略了氮素与其他养分的平衡，而低估了潜在的氮肥利用率。例如，文献[1]列出了不同施氮量级别与水稻、小麦、玉米的产量和氮肥利用率的统计结果，指出当施氮量大于240 kg/hm2时，水稻、小麦、玉米的氮肥利用率分别降至15.0%，11.3%，14.4%，所以随着氮肥用量的增加，水稻、小麦和玉米的氮肥利用率均在逐渐下降。这实际是试验点施肥量设计中没有考虑不同氮肥水平下其他养分的配合供应问题，试验设计缺乏土壤-作物系统养分平衡吸收与产量关系的试验内容，因而设计上仅是氮肥，而不是“作物所需的平衡养分”的设计，不能代表肥料与作物产量的内在关系。

本研究曾经提出，氮肥利用率并不是完全由施肥量决定的，在一定施氮量范围内，氮肥利用率并非随施氮量增加呈递减规律[3]，而且氮肥利用率高，其产量也不一定高。因此，用氮肥利用率高低来判别施肥量的合理性，显然不符合施肥理论。从文献[1]表6中可以看出，当施氮量大于60 kg/hm2时，水稻、小麦、玉米的氮肥利用率就明显降低到40%以下；施氮量在60～240 kg/hm2的范围内，水稻、小麦、玉米产量基本无明显差异，也和施氮量小于60 kg/hm2时的产量差异不大。表明施氮量大于60 kg/hm2已不具有显著增产效果，合理的施氮量无疑在60 kg/hm2以下。按上述结果推论，我国2005年施氮量[6-7]就达到171.4 kg/hm2，已根本不可能表现增产效果。

文献[1]认为，化肥用量的大幅增加伴随的是粮食作物产量的徘徊[6]。但与施肥研究的实际情形多有不符。20世纪80年代，赵振达[8]对小麦氮肥利用率的研究表明，在施氮量为78.6 kg/hm2的情况下，小麦产量为8 000 kg/hm2，氮肥利用率为52.5%；2005年，褚清河等[3]对玉米试验结果表明，在施氮量为120 kg/hm2的情况下，玉米产量达10 500 kg/hm2，氮肥利用率达到54.8%；在有机质含量仅为9.6 g/kg的盐渍型水稻土上[9]，获得水稻最高产量7 800 kg/hm2的施氮量为198 kg/hm2，远大于60 kg/hm2，但产量和氮肥利用率远高于文献[1]中表6的试验结果。因此，本研究认为，文献[1]采用氮肥利用率高低确定施氮量合理范围的方法在农业实际上有失偏颇。氮肥施用量是否过高，需要考虑平衡养分供应下的产量效应。农民习惯施肥条件下氮素损失量大和氮肥利用效率低的重要原因与农民施肥却未考虑土壤剖面高量硝态氮积累这一因素固然有关，但没有考虑土壤养分平衡供应下肥料-产量效应这一根本问题，应该是这种认识存在不足的地方。

氮肥利用率明显受施肥量和氮磷钾施用比例的影响，同一地块由于设计方法不同，试验确定的施氮量和氮磷施用比例也不相同，氮肥的利用率差异较大，因此，不同研究者对氮肥利用率的研究结果，只有在施肥量为最大或最佳施肥量与氮磷比例基本一致的情况下，才具有可比性。因此，文献[1]“肥料利用率随肥料用量增加均呈递减趋势”的结论缺乏科学比较。

3.2 养分表观利用率试验中的施肥量设计问题

分析评价肥料利用率，一个常见的问题是如何设定试验施肥量。施肥量和施肥比例都会显著影响肥料利用率的大小。因此，试验中应该注意因作物和土壤养分状况设定最大或最佳施肥量，这样试验数据才能正确反映主要作物肥料利用率的合理性。

文献[1]中水稻、小麦和玉米的农学效率、肥料利用率和生理利用率研究结果的统计分析表明，水稻、小麦和玉米的氮肥农学效率分别为10.4，8.0，9.8 kg/kg；氮肥利用率分别为 28.3%，28.2%，26.1%；氮肥生理利用率分别为36.7，28.3，37.5 kg/kg。可以看出，在研究条件下的氮肥农学效率和氮肥利用率也远远低于其他一些国家和地区试验条件下20～25 kg/kg和40%～60%的结果[10]，这无疑是试验施肥量确定很不合理下的一种试验结果。玉米氮肥的生理利用率高达37.5 kg/kg，而氮肥利用率仅为26.1%，玉米产量水平较低，不同施肥量的产量在6 010～7 050 kg/hm2之间，显然试验设计中施肥量较低，不能满足玉米高产的养分需求，因而较低的施肥量得到较低的产量，不能用来说明大田生产中玉米产量较高和需肥较大的养分利用率的实际情况。特别是农学利用率与生产的差距很大，这样的结果很难有说服力，因而提出的提高作物肥料利用率的途径可能偏离生产需求。这样的试验结果显然不能认为是“中国主要粮食作物肥料利用效率”的现状。

20世纪80年代，赵振达和张金盛[8]对小麦的氮肥利用率进行了研究，结果表明，氮素在没有磷钾配合施用时其氮肥利用率仅29%，氮磷配合也仅30.8%，与氮肥处理相差不大。本研究认为这可能与土壤磷含量有关。天津市各类型土壤速效磷大于30mg/kg时，磷的增产效果就不明显了；氮钾配合处理的氮肥利用率为41.1%，比氮肥区高12.1%，而氮、磷、钾配合处理的氮肥利用率高达52.5%。文献[1]中小麦氮肥利用率和单施氮的利用率基本相同，远远低于赵振达和张金盛氮、磷、钾配合的试验结果。文献[1]中玉米的氮肥利用率也远低于我们2005年在山西忻州的试验结果[11]。

文献[1]中表2的数据分析表明，磷肥的利用率很低，但生理利用率却较高；氮肥利用率相对于磷肥较高，但其生理利用率却相对较低，氮磷肥料利用率的试验研究中施肥量设计不合理是其主要原因，表现为施肥量在一些地块上确定的过小，而在另外一些地块上已严重过量。朱兆良等总结大量田间试验数据提出的主要粮食作物最佳施氮量为150～180 kg/hm2，并认为在目前的栽培技术和产量水平下，施氮量为150～200 kg/hm2是专家推荐的总量[12-13]，即使在高产条件下推荐量也不会超过250 kg/hm2。因此，文献[1]把氮肥施用量分成3级，150～250 kg/hm2为适中，小于150 kg/hm2为不足，大于250 kg/hm2为过量。但从文献[1]表1可以看出，不同作物氮肥下限用量为37～60 kg/hm2，显然非最佳施肥量，玉米氮肥上限用量达到360 kg/hm2，如试验地与本研究忻州试验地（表1）为类似的肥力水平，施氮量早已超过最大施肥量。水稻、小麦磷肥下限用量仅为25～26 kg/hm2，显然过小。

本研究对文献[1]表2数据的统计表明，不同作物氮、磷、钾肥的肥料利用率与其生理利用率间呈显著负相关，也说明这些试验中设定的磷肥施用量过小。因此，本研究认为试验设计的施肥量不合理是造成估算的氮肥利用率低的主要原因。如果氮肥利用率为氮、磷、钾配合施用下的氮肥利用率，那么这些研究中显然还存在氮磷配合不当的问题[14]。

3.3 肥料利用率的试验研究需要考虑土壤的基础肥力

土壤肥力水平是决定肥料利用率高低的基本因素，即在土壤肥力水平较低时，得到高的肥料利用率和农学效率的几率较大，反之，在高肥力土壤上得到高的肥料利用率和农学效率的几率较小[1]。研究不同肥力与相应最大或最佳施肥量下肥料利用率是必要和可靠的途径[5，11]。但是，一些研究中常常不能按试验地基础肥力设计试验方案，也没有根据不同肥力水平的试验地种植不同作物来设定最大或最佳施肥量。例如，文献[1]仅仅在表3列出了水稻、小麦和玉米氮、磷、钾肥料利用率的平均试验结果及其变幅范围，并没有列出不同肥力水平下肥料利用率的相应变化，更没有对耕地肥力水平与肥料利用率关系进行深入分析。文献[1]中表3表明，山东、山西小麦平均施氮量130 kg/hm2，小麦产量6 030 kg/hm2，氮肥利用率达40.5%，而河北、天津平均施氮量为204 kg/hm2，施氮量较山东、山西高 74 kg/hm2，但小麦产量为6 100 kg/hm2，每增施1 kg氮肥可增加小麦产量0.95 kg，氮肥的利用率仅为16.4%。同样，江苏、江西水稻施氮量、产量和浙江也几乎完全相同，但浙江氮肥平均利用率较江苏和江西高8.5%。这种无论施氮量相差或相近，产量基本相同，而氮肥利用率相差较大的情况实际上已经提示了基础肥力不同的影响。不同肥力水平的地块种植相同的作物，最大或最佳施肥量具有较大差异[12]，只有在最大或最佳施肥量条件下，才能获得较高的肥料利用率。因此，肥料利用率试验设计的施氮量是否接近于试验土壤肥力实际的最佳施氮量或最大施氮量与合理的氮磷比例[15]，是肥料利用率试验结果科学与否的关键。

4 讨论

氮肥利用率是反映作物对肥料氮吸收状况的一个评价指标，它的大小除受氮、磷、钾施肥比例影响外，主要还受施氮量大小的影响，但施氮量对它的影响并非像对作物边际产量的影响一样呈递减规律，因此，氮肥利用率高低并不能反映其增产效果的好坏。按照传统理论，施肥量在小于最大施肥量的情况下，作物的边际产量随着施肥量的增加呈递减规律，达到最大施肥量时，边际产量等于零，此时继续增加施肥量，作物的边际产量呈负增长。而氮肥的利用率则基本上在最大施肥量时达到最高值，而在小于或大于最大施肥量的一定范围内，氮肥利用率较低，但仍保持较高的水平。氮肥利用率高并不一定它的增产效果就好，即作物的生理利用率不一定高。只有氮肥利用率和生理利用率均比较高的情况下，才表明施肥具有好的增产效果与可获得较高的产量水平。因此，氮肥利用率并不能单独用来反映作物对肥料的利用状况及其增产效果。我国化肥施用量增加，但粮食产量增加缓慢，并非完全是由于氮肥的利用率下降。而现行肥料利用率的研究结果根本不能代表现实生产中的氮肥利用率，因为试验施肥量和施肥比例与现实生产中的不同，氮肥利用率也必然不同。

在一定范围内，氮肥利用率高，作物的生理利用率并不一定就高，因此，氮肥利用率高低并不能反映作物产量水平的高低。但是，如果氮肥的利用率很低，已不在合理范围，即使生理利用率很高，也谈不上取得较好的增产效果和较高的产量水平。文献[1]主要粮食作物中肥料的平均利用率为10.8%～40.5%，朱兆良1992年和1998年研究的主要粮食作物的氮肥平均利用率分别为28%～41%和33%～35%，试验结果均不在合理施肥范围，且与文献[1]的氮肥利用率差异较小，即使平均数差异性检验达到显著标准，也很难说施肥的增产效果就一定降低。

无论是氮肥单施下的利用率，还是氮、磷、钾配合施用下的氮肥利用率，氮肥利用率应该是最大或最佳施肥量下的氮肥利用率，这样才具有可比性或能大致反映现实施肥技术水平下的肥料吸收利用状况。本研究认为，首先应该进行不同地区、不同肥力水平试验地块种植不同作物最大或最佳施肥量的前期研究，然后在此基础上，再进行肥料利用率的研究。

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