六盘山区旱作春玉米养分投入与肥料生产效率

夏海雪，陈雪娇，张旭东，赵 冀，杨 琳，张 鹏，韩清芳

(1.农业部西北黄土高原作物生理生态与耕作重点实验室/西北农林科技大学农学院， 陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西 杨凌 712100；3.宁夏农林科学院固原分院，宁夏 固原 756000)

玉米是宁夏重要的粮食作物之一，已超过小麦成为宁夏第一大粮食作物,其产量的25%用于外销，剩余则用于饲料及医药原料等[1]。宁夏旱地玉米生产主要分布在南部六盘山区，在宁夏玉米生产中占据着很重要的位置，包括固原市的四县一区，中卫市的海原县、吴忠市的同心和盐池县共8县区，2014年种植面积占全区的44%，产量占全区总量的41%。

该地区生态极为脆弱，57%以上的耕地为旱作耕地。近年来，旱地覆膜栽培方式取得了突破性的进展，极大地推动了宁南旱作玉米生产的发展，玉米种植面积和单产都有了很大提高[1-2]，但该区玉米产量仍受水分、养分等因素的制约。

研究显示，施用肥料对玉米单产的贡献率达到55%左右[3]，靠增加化肥投入量，使玉米的产量得到了很大的提升，但也存在化肥施用过量、磷钾肥配比不当等问题。目前我国已成为世界上最大的肥料生产国和消费国[4]，至2011年，我国单位耕地面积化肥使用量已高达 468.7 kg·hm-2[5]，而小麦、玉米和水稻的化肥利用率只有37%、26% 和37%[6]，远低于世界发达国家60%～80%的水平，其中，玉米的氮肥、磷肥、钾肥的利用率分别为32%，25%,43%，肥料农学效率为9.8 kg·kg-1，虽然已经达到了国际所认可的适宜范围，但仍处于较低的水平，与Dobermann[7]提出的粮食作物氮肥农学效率为10～30 kg·kg-1、氮肥利用率为 30%～50%的适宜范围尚有较大差距。

统计显示，1980-2010年宁夏化肥用量由17.7万t增至102.6万t[8]，30年间全区化肥的投入量增长了5.8倍。然而随着产量和化肥用量的不断提高，肥料的利用率却并未随之迅速增长，并出现了降低的情况，农业生产成本也变得偏高[9]。过量施肥不仅浪费肥料资源，而且使土壤养分贡献率和化肥偏生产力随着施肥量的增加均呈降低趋势[10]。

化肥的过量使用不仅增加了农业生产成本，而且过量施用氮磷肥引起的环境污染，也越来越受到重视[11-13]。宁夏半干旱地区长期以来农田生产力水平较低，随着玉米在该区域种植面积的不断扩大，受限于天然降水短缺，依赖增加化肥投入来增加产量成为生产上的主要举措。因此，2013-2015年连续三年，选择该区域主要的雨养耕地类型对旱地玉米的施肥与生产状况进行调查分析，为指导农户正确施肥提供依据，提高生产效益，降低该区域施肥不当而引发系列生态环境问题的风险。

1 材料与方法

1.1 调研区域概况

调查区域为宁夏六盘山区典型的半干旱雨养农业区彭阳县，平均海拔1 800 m，耕地面积2 528.65 hm2，其中旱耕地占90%以上。该区气候干旱，水资源匮乏，40年全年平均降雨量为410 mm，玉米生育期平均降雨量为339 mm，且各年际间分布不均匀，近20多年来，降水量平均减少了37.8 mm[11]，严重影响了玉米生产潜力的发挥，其中调查区域在调查三年间降雨量分别为622 mm(丰水年)，341 mm(欠水年)和404 mm(平水年)。该区域土地贫瘠，经测定塬地耕层0～40 cm土壤有机质含量为8.48 g·kg-1，碱解氮含量为39.25 mg·kg-1，速效磷含量为4.60 mg·kg-1，速效钾含量为112.30 mg·kg-1，pH值为8.5，属低等肥力水平。粮食作物以春玉米为主，生产上主要种植方式为全膜双垄沟。

1.2 调查样本及方法

采取随机抽样调查方法，自2013年开始，在宁夏选择代表六盘山区主要地形特征的彭阳县城阳乡(塬地)、红河乡(山地梯田)和新集乡(山川平地)，每一个乡选择3个代表村，每一个村随机选取15户以上的农户，总共约140户左右，通过为期三年的定点走访进行了玉米施肥现状的问卷调查。调查内容主要包括当地玉米施肥概况，施用肥料的种类、数量及施用方法、有机无机肥投入量及比例，基肥与追肥的种类、数量及比例，施肥方式及习惯等。调查数据用EXCEL软件进行整理分析。

1.3 化肥偏生产力(PEP)的计算

PEP=Y/F

其中，Y为收获的玉米籽粒产量；F为化肥(纯N，P2O5，K2O)的投入量。

2 结果与分析

2.1 调研区域玉米籽粒产量水平

结合宁南地区近十多年的研究[14-15]与调查数据，以接近三年平均产量(9 864 kg·hm-2)的10 000 kg·hm-2为玉米适中产量，上下浮动10%为其适中范围，上下浮动10%～30%为偏高或偏低水平，上下浮动30%以上为很高或很低水平，将产量分为很低、偏低、适中、较高、很高5个级别，每一级别浮动值为2 000 kg·hm-2，对调研区每一农户实际籽粒产量进行具体评价(表1)。从2013—2015年间，调研区域的玉米产量呈逐年递减趋势，由2013年的11 357 kg·hm-2降低为2015年8 744 kg·hm-2，其中2013年(丰水年)67.4%的农户产量集中在偏高水平；2014年(欠水年)53.1%的农户集中在适中水平；而2015年(平水年)有66.5%的农户产量低于9 000 kg·hm-2，甚至低于7 000 kg·hm-2，产量处于偏低和很低水平。三年产量差异较大，一方面因各年降雨量不同；另一方面可能与连续施肥不当有关。三年平均产量为9 864 kg·hm-2，适中水平的平均比例仅为34.0%。

世界历史理论是马克思基于唯物史观立场进行理解历史、体现人类社会发展规律的理论结晶，这一理论贯穿于马克思一生的研究过程当中。从《1844年经济学哲学手稿》中世界历史理论的初步呈现，到《德意志意识形态》《共产党宣言》中对世界历史形成的根源、动力、过程、趋势的系统阐述，直到《手稿》形成世界历史发展的完整框架体系，得出了人类社会发展历史的一般抽象理论，马克思世界历史理论构成了独特的发展路径，形成了完整的发展逻辑。

表1 六盘山区旱地玉米单产水平Table 1 Maize yield in dryland of Liupanshan area

2.2 调研区玉米氮、磷、钾肥用量分析

结合在相似条件下的有关玉米养分投入的研究结果[10,16-20,22]，调研区以10 000 kg·hm-2为玉米适中产量时，适宜的肥料养分投入量如下：氮素养分300 kg·hm-2，磷素养分150 kg·hm-2，钾素养分60 kg·hm-2。以适宜养分投入量上下浮动10%为适中水平，高于或低于10%～30%分别为偏高或偏低水平，高于或低于30%分别为很高或很低水平，以此将调研区域施肥量分为很低、偏低、适中、偏高、很高5个水平。

2.2.1 调研区玉米氮肥用量 分析表明(表2)，宁南地区玉米施氮量平均值在299.6～336.3 kg·hm-2，三年平均施氮量为323.7 kg·hm-2。按照施肥分级标准的5个等级对农户的氮肥投入量进行分级评价。

农户氮肥的投入量在很高(>390 kg·hm-2)和偏高(330～390 kg·hm-2)这两个水平农户数较多，且比例有逐年增加的趋势，三年来偏高和很高平均比例分别为23.7%和24.8%。三年间，适中施氮肥水平的农户所占比例平均仅21.1%。很低、偏低所占平均比例分别为12.6%、17.9%。因此应通过指导农户合理施用以提高氮肥利用率。

表2 六盘山区旱地玉米氮肥投入水平Table 2 Dosage of pure N fertilizer for dryland maize of Liupanshan area

2.2.2 调研区玉米磷肥用量 调研数据显示(表3)，六盘山区旱地玉米施磷量在208.5～229.7 kg·hm-2，三年平均施磷量为210.1 kg·hm-2。根据适宜施磷量的施肥分级标准，将施磷量分为很低、偏低、适中、偏高及很高5个等级，对农户的磷肥投入量进行分级评价发现，磷肥用量比氮肥更加集中，也集中分布在很高(>195 kg·hm-2)这一水平，三年平均比例为52.3%，尤其是2014年。很低、偏低和偏高所占比例3年平均分别为5.3%、6.4%和17.8%，适中平均比例也仅18.2%。70.1%的农户磷肥投入量在偏高(>165 kg·hm-2)以上水平。

2.2.3 调研区玉米钾肥用量 分析表明(表4)，六盘山区旱地玉米施钾量为18.7～35.1 kg·hm-2，三年平均为28.6 kg·hm-2。根据该地区玉米适中产量对应的适宜施钾量，以60 kg·hm-2为适宜的施钾量，按照施肥分级标准农户的施肥投入量进行分级评价。

钾肥用量集中在很低这一水平，农户比例三年平均为69.3%，2013年比例高达93.3%；偏低、适中、偏高、很高所占平均比例分别为16.0%、18.2%、17.8%、1.9%。综合分析，调研区超过80%的农户施用钾肥低于适中水平。

表3 六盘山区旱地玉米磷肥用量水平Table 3 Dosage of pure P fertilizer for dryland maize of Liupanshan area

表4 六盘山区旱地玉米钾肥用量水平Table 4 Dosage of pure K fertilizer for dryland maize of Liupanshan area

2.2.4 调研区玉米施追肥量 调研数据(表5)显示，宁南六盘山区玉米使用追肥全部为尿素，追肥量在118.8～126.4 kg·hm-2范围内，三年平均为121.9 kg·hm-2，占总施氮量的比例为37.7%。根据学者相关研究[16]，该地区以120 kg·hm-2为适宜的追肥量，按照施肥分级标准将追肥量分为很低、偏低、适中、偏高及很高5个等级，对农户的追施肥量进行分级评价。

表5 六盘山区旱地玉米追肥量水平及比例Table 5 Dosage and ratio of topdressing fertilizer for dryland maize of Liupanshan area

2.3 调研区玉米施肥种类与施肥方法

通过对调研数据的分析发现，调研区旱地玉米偏施化肥现象非常普遍，施肥以化肥氮肥、磷肥为主，有机肥施用量较少，有机肥投入占总投入氮和磷养分的比例不到20%(图1)。化肥氮肥主要施用尿素，磷肥则以磷酸二铵为主；有机肥以牛羊粪便为主。调查还发现，玉米生产过程并没有微量元素肥料的投入。

不同肥料采用不同的施用方法：氮肥及磷肥均为基肥撒施，追肥通过穴施的方式；有机肥以粪肥为主，施肥方法为翻耕前撒施；秸秆则主要为粉碎翻埋还田施入。

2.4 调研区有机与无机肥料投入量及比例

调研区玉米生产养分投入总量中无机肥和有机肥三年投入纯氮量的平均值分别为264.4 kg·hm-2和32.1 kg·hm-2，比例分别为81.7%和18.3%(图1)；磷养分(P2O5)无机肥和有机肥三年投入量的平均值分别为166.7 kg·hm-2和39.5 kg·hm-2，投入比例分别为80.8%和19.2%(图2)；玉米生长所需的钾肥都是以有机肥施入。

图1 六盘山区旱地玉米氮肥(A)及磷肥(B)中有机、无机肥投入比例Fig.1 Rate of organic and inorganic fertilizer in nitrogen(A)and phosphate(B)

2.5 调研区肥料偏生产力分析

调研区域玉米肥料偏生产力分析表明(图2)，同时受降雨量和施肥水平的影响，氮肥偏生产力有逐年降低的趋势，磷肥偏生产力总的趋势为下降，钾肥偏生产力虽然有所下降，但仍然很高。氮肥、磷肥和钾肥的三年平均偏生产力分别为30.7、47.8 kg·kg-1和391.3 kg·kg-1，由于氮肥和磷肥的施用量偏高，两者的偏生产力均较低。

3 讨 论

2013-2015年调研区的降雨量分别为622、341 mm和404 mm，2013年，施肥量较另外两年少，但在降雨量较充足的情况下玉米产量较高，而2014、2015年，降雨量和施肥量相差均不大，但产量反而降低，产量的降低并非降水的原因，可能是由于连续施肥不当而致。

梁改梅[21]等研究认为，在氮磷钾三种主要养分肥料中，如果保持其中两种的用量不变，那么，玉米产量会随着第三种肥料用量的提高而呈抛物线变化，在产量达到最高点后如果继续增加肥料，不但使得成本变高，而且产量也会降低。在六盘山区旱地的调查数据分析表明， 2013—2015年，调研区玉米产量呈逐年递减趋势，由2013年的11 357 kg·hm-2降低为2015年8 744 kg·hm-2，初步分析一方面受降雨量的影响，另一方面是由于施肥过高，导致土壤累积的养分过高，因此不利于玉米降水较少年份的生长导致产量下降。

图2 六盘山区旱地玉米肥料偏生产力分析Fig.2 Analysis of PFP for dryland maize fertilizer in Liupanshan area

吴良全等[22]研究认为，玉米生产需要的氮磷钾最佳配比为1∶0.41∶0.29，宁南为1∶0.51∶0.25，而调研发现在六盘山区玉米生产实际中施肥的氮磷钾比例为1∶0.64∶0.08，与适宜施肥量差距相差很大，偏重施磷肥、不施钾肥的现象十分严重，这样会造成磷肥的严重浪费；且生产中不施用微量元素，会使得土壤中的微量元素得不到补充而限制其他养分资源生产效率的提高。

何文寿[23]研究提出，近30年来，宁南地区土壤碱解氮及有效磷的含量均在增加，两者的平均增长率分别0.49%和1.31%，这与调研地区施肥量较高有着密切关系。通过连续3年的定点调查数据也表明，旱地玉米生产中农户的氮肥和磷肥施肥量均偏高，超出适中水平的农户平均比例分别占到48.5%和70.1%，只有19%左右的农户适量施用氮肥和磷肥。因此，减少氮肥和磷肥的施用量应成为指导农户施肥的重点，另外，超过80%的农户会进行追肥，这一措施有利于玉米的生长和产量提高，并利于改善玉米籽粒品质，但增加了玉米生产的人工投入。

已有研究提出[24]，玉米生产中，施用钾肥比不施用钾肥产量高15%左右，葛玮健等研究表明[21]在不施钾的情况下，会导致土壤钾素亏缺，20年间，土壤钾素累计亏缺617～4 333 kg·hm-2，因此，玉米生产中，施用钾肥是很有必要的。而本文的调查数据显示六盘山区旱地玉米钾肥施用量很低，有85.3%的农户未达到钾肥的适量水平。随着生产的持续，作物籽粒对土壤钾的大量携出，长此以往，土壤中的钾肥得不到补充会渐渐变少。但另有研究[23]得出宁南地区的土壤速效钾含量并未随时间而变化，因此建议设计定位试验来研究施钾不足对土壤速效钾的效应。

已有研究表明[26-27]，调查区域玉米施氮适宜的基追比为6∶4，调研数据显示，调研区基追平均比为6.3∶3.7，接近适宜的基追比，但农户个体施用追肥量处于两个极端，或者过高，过低，追肥量尚需进行科学指导调控。

张福锁[3]等研究表明，我国玉米氮肥、磷肥、钾肥的偏生产力分别为51.6，72.4 kg·kg-1和64.7 kg·kg-1，而调研区3个不同降水年型的平均氮肥、磷肥和钾肥偏生产力分别仅为30.7、47.8 kg·kg-1和391.3 kg·kg-1，均远低于全国水平。肥料偏生产力主要受产量和肥料投入2个因素的影响，调研区肥料偏生产力较低可能受降水不足影响产量提高与施肥量过高的影响。调研区施肥以化肥投入为主，而有机肥料投入氮和磷养分三年平均比例不足20%。玉米生产过程会产生大量的秸秆，因此，建议调查区域进一步开展玉米秸秆还田研究与示范，增加有机肥种类及用量，以保证土壤持续的良好结构和玉米的正常生长发育。

4 结 论

1)六盘山区农户玉米施肥存在的施肥量过高、重氮磷、轻钾、肥料配比不合理、有机肥投入量偏低等诸多问题，需进行科学指导与调整。

2)氮、磷施肥量明显偏高，分别集中在高于330 kg·hm-2和高于165 kg·hm-2水平的农户比例高达48.5%和70.1%，造成了浪费和环境污染；而钾肥用量偏低，集中处于低于42 kg·hm-2这一水平，样本比例高达69.3%；氮磷钾比例为1∶0.64∶0.08，磷的比例偏高，而钾肥比例偏低；调研区玉米三年平均产量为9 954 kg·hm-2,由于施肥不合理，玉米产量呈逐年递减趋势。氮肥、磷肥和钾肥的三年平均偏生产力分别为30.7、47.8 kg·kg-1和391.3 kg·kg-1，氮肥和磷肥的偏生产力偏低。

3)建议该区域旱地玉米的氮肥合理使用量为270～330 kg·hm-2，基追比建议为6∶4；磷肥合理使用量为140～160 kg·hm-2，钾肥合理施用量为60 kg·hm-2并增施有机肥。