基于农户施肥和土壤肥力的黑龙江水稻减肥潜力分析

彭显龙，王伟，周娜，刘海洋，李鹏飞，刘智蕾，于彩莲,2

（1东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2哈尔滨理工大学化学与环境工程学院，哈尔滨 150040）

0 引言

【研究意义】中国是世界第二水稻生产国，常年种植面积达3 000万公顷左右，约占世界水稻种植面积的 20%[1]。我国水稻种植区域大，北起黑龙江，南至海南岛均有分布。由于南北方气候和土壤条件的差异，我国水稻生产上肥料用量也具有明显的区域差异。例如，南方一季稻区江苏省是我国稻田氮肥用量最高的省份（纯N 314 kg·hm-2），北方稻区黑龙江则是我国稻田氮肥用量最低的省份（纯 N 约 150 kg·hm-2）[2]。2014年，我国提出了到2020年化肥零增长的目标，减少化肥用量已经成为我国农业生产的主旋律。作为全国施肥量最低的省份，黑龙江水稻施肥是不足还是过量是研究者关心的问题。【前人研究进展】1970—2014年，中国化肥用量从3.5×109kg增加到59.9×109kg，增幅1 608%，同期粮食产量从2.4×1011kg增加到6.1×1011kg，增幅153%[3]，化肥增幅远超过粮食增幅，存在化肥施用过量的现象。陈琦对江苏省735户农户进行调研后发现，约有32%的农户存在施氮过量的问题[4]，导致氮肥偏生产力偏低；彭显龙等研究发现，黑龙江近60%的稻田氮素用量过高，稻田氮素有17.2%的盈余[5-6]，具一定的节氮潜力。然而，巨晓棠在分析全国主要作物氮肥施用情况时指出，黑龙江水稻生产中施氮量不足，水稻高产是以消耗地力为代价[7]。同时，黑龙江稻田磷、钾肥用量是不足还是过量研究结论也不一致，有人认为磷肥用量适当，而钾肥用量过高[8]，也有人认为当前农户磷肥用量过高，钾肥用量无需调整[9]。可见，黑龙江稻田氮磷钾肥是过量还是不足仍存在争议。国内外在推荐氮磷钾肥施用方面开展了许多研究，并提出了一些沿用至今的推荐施肥方法，如地力分级法、目标产量法、肥料效应函数法等[10]。然而，在稻田氮肥推荐中，缺乏能够反映土壤供氮能力的指标。巨晓棠认为，在一定条件下稻田适宜施氮量就等于收获带走的氮[7]。而对于磷、钾肥的推荐，国际普遍应用衡量监控方法 。【本研究切入点】目前在黑龙江稻作区缺乏应用上述方法估算稻田适宜施肥量的研究。为此，本文调查分析了黑龙江农户施肥中存在的主要问题，并利用多年试验获得的100 kg籽粒养分吸收量的数据，结合黑龙江稻田土壤氮、磷、钾营养状况的分析，确定黑龙江稻田氮、磷、钾适宜用量。【拟解决的关键问题】以期明确黑龙江省稻田节肥潜力，为水稻合理施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 地区概况

黑龙江省地处东经121°11′—135°05′，北纬43°26′—53°33′的高纬度寒冷地区，属大陆性季风气候，年降雨量400—650 mm，水稻生长季日照时数为1 150—1350 h，昼夜温差约为11 ℃。黑龙江省第一至四积温带的广大稻区，抽穗后 40 d内平均气温19—22 ℃，此温度有利于优质稻米生产。黑龙江稻区土质肥沃，水资源丰富，冬季结冻休耕时间长，病虫害发生低。

1.2 数据来源

2005、2008、2015年，在黑龙江水稻主产区进行了施肥调研。2005年调查区域为五常、方正、木兰、宁安、庆安、铁力、尚志、阿城；2008年调查区域为密山、虎林、庆安、五常、宁安、方正、萝北、桦川、富锦和尚志；2015年调查区域为五常、方正、宁安、虎林和庆安。每个调研点随机选择一个乡，每个乡随机选择2或者3个村，每村调查10户。2005、2008和2015年调查问卷分别为240、248和150份。土壤磷和钾养分数据来自黑龙江省测土配方施肥数据，数据量分别为88 183和88 260。2004—2016年黑龙江省水稻种植面积、产量数据源于《中国统计年鉴》。

1.3 地力分级标准

土壤有效磷丰缺指标如下[12]，低：0—10 mg·kg-1，中：10—20 mg·kg-1，高：20—35 mg·kg-1，极高：＞35 mg·kg-1；土壤有效钾的丰缺指标如下[12]，低：0—75 mg·kg-1，中：75—100 mg·kg-1，高：100—150 mg·kg-1，极高：＞150 mg·kg-1。

1.4 施肥量估算

在氮素管理比较合理的情况下，稻田的气态氮损失量和除肥料以外其他来源的氮量大致相等。因此，为了减少环境风险并维持土壤肥力，理论施氮量等于作物收获时带走的养分量，即理论施氮量=产量/100×100 kg籽粒氮素养分需求量[7]。2014—2016年黑龙江水稻产量平均为7 017 kg·hm-2，本文以产量提高5%为目标产量（7 500 kg·hm-2），来计算N、P2O5、K2O推荐用量。

磷钾肥根据衡量监控法确定用量[11]，当土壤肥力中等时，施肥量等于水稻收获带走养分量，校正系数为1.0；当土壤肥力较高时，施肥量可以低于养分带走量，校正系数为0.5—0.75；相反则高于带走量（详见表 1）。根据课题组多年多点试验数据，黑龙江省100 kg水稻籽粒需氮（N）平均为1.4 kg、磷（P2O5）0.7 kg、钾（K2O）1.6 kg，本文计算携出量以此为依据。水稻吸收的钾30%存在于籽粒中，70%以上存在于茎秆中[13]。由于北方水稻主产区仍然有约10%的秸秆被移除，作为燃料[14]。因此，水稻收获时带走的钾约为 40%，60%以上的钾都归还土壤，本文以此为依据计算钾携出量。即施钾量=钾携出量=产量/100×100 kg籽粒养分需钾量×0.4×校正系数。秸秆中的钾离子容易利用，而氮磷有效性与秸秆腐解有关，由于北方稻田秸秆腐解较慢，在计算氮磷用量时秸秆归还的氮磷暂不考虑。

表1 磷钾合理施肥标准Table 1 Rational fertilization standards for phosphorus and potassium

1.5 高产高效定义

计算适宜施肥量时，以7 500 kg·hm-2为目标产量，当农户产量高于此产量定义为高产，反之为低产；此产量水平下对应的适宜N、P2O5和K2O用量分别为105、41.6和35.9 kg·hm-2（磷钾肥推荐用量是根据各级养分所占比例计算加权平均数得出），与之相对应的肥料偏生产力（PFP）分别为71、180和209 kg·kg-1。农户施肥的PFP高于上述对应值为养分高效，反之为养分低效。农户产量和氮效率分别高于 7 500 kg·hm-2和 71 kg·kg-1时，为高产氮高效区，都低于此值为低产氮低效区，产量高而效率低的为高产氮低效区，其他为低产氮高效区。磷钾同样也划分4个区域。

1.6 数据处理与分析

全省施磷、钾量（万t）= ∑[土壤各肥力水平所占比例×全省水稻种植总面积（万hm2）×各肥力水平推荐施磷、钾量（kg·hm-2）/1000]。

采用 Microsoft Excel 2010及Origin 2019软件进行数据分析、图表处理。

2 结果

2.1 黑龙江水稻生产现状

2004—2016年，黑龙江水稻种植面积呈增加趋势（图1-a），由159万公顷（2004）增长到320万公顷（2016）左右。截止到2016年，黑龙江省水稻种植面积占全国水稻总面积的10.61%，位列全国水稻种植省份第一，但水稻单产一直徘徊在7 000 kg·hm-2左右。由课题组调研数据可知（图1-b），2005、2008和2015年，黑龙江水稻平均产量分别为6 427、7 593和7 142 kg·hm-2，3 年平均产量为 7 104 kg·hm-2，与统计数据相近。黑龙江省农户间产量差异较大，高低相差近 5 000 kg·hm-2。

图1 2004—2016年黑龙江水稻种植面积及单产（a）和农户调研水稻产量（b）Fig. 1 Rice transplanting area, yield in Heilongjiang Province from 2004 to 2016 (a) and survey of farmers rice yield (b)

2.2 黑龙江稻田土壤的肥力状况

据黑龙江省多年的土壤养分数据（表 2），黑龙江省稻田土壤速效磷和速效钾的含量平均约为 26 和138 mg·kg-1。土壤速效磷的变异系数超过了40%，土壤肥力差异较大。70%以上的样品土壤速效磷、速效钾含量处于较高水平，含量丰富。

表2 黑龙江稻田土壤磷钾养分Table 2 Soil available P and K of Paddy Rice in Heilongjiang

2.3 黑龙江水稻施肥现状

农户调查数据显示（图 2），年际间肥料平均用量稍有差异，氮磷的年际间变异较小，钾肥用量差异稍大。2008年平均K2O用量为60.5 kg·hm-2，显著高于其他两年。黑龙江省稻田纯 N用量平均约为 141 kg·hm-2，但是高低相差约 300 kg·hm-2，农户施氮变异较大。对应的 P2O5和 K2O用量分别为 56.6和 51.6 kg·hm-2，变异也较大，农户盲目施肥问题突出。

图2 黑龙江省农户施用氮磷钾量Fig. 2 Application of N, P2O5 and K2O from farmers of Heilongjiang Province

2.4 黑龙江稻田节肥潜力分析

按目标产量7 500 kg·hm-2计算，纯N用量只要105 kg·hm-2就能满足水稻生长需要，与全省平均氮肥用量相比，可节约 26%的氮肥，可将氮肥偏生产力由 53 kg·kg-1提高至71 kg·kg-1（表 3）。所有调研农户中，只有约20%的农户实现了高产高效（图3-a），约有70%的农户氮效率较低，其中处于低产低效水平的农户约占总体的30%，节肥潜力最大。

表3 水稻减肥潜力及化肥偏生产力Table 3 Fertilizer reduction potential and fertilizer partial productivity of rice

按照磷钾衡量监控方法估算的P2O5和K2O用量分别为41.6 和35.9 kg·hm-2，约有30%的节肥潜力（表3）。所有调研农户中，8.8%的农户不施磷肥，13.8%的农户不施钾肥。在所有农户中，具有节磷和节钾潜力的农户约占总体的68%和72%（图3-b、3-c），其中低产低效的农户约占总体的30%。约有13%—14%的农户处于低产高效区（图 3-b），具有较大的增产潜力。

图3 农户氮（a）磷（b）钾（c）肥偏生产力与水稻产量关系Fig. 3 Relationship between partial productivity of nitrogen (a), phosphorus (b) and potassium (c) fertilizer and rice yield of farmers

3 讨论

氮是作物产量的主要限制因子，施氮是提高水稻产量最重要的措施。我国水稻生产中氮肥用量高和施用时期不合适的问题比较突出，产生了较大的环境问题[15]。本文研究发现，黑龙江稻区仅有约20%的农户施肥比较合理，实现了高产氮高效。大部分农户施氮不合理。因此，如何准确确定氮肥的适宜用量，成为研究者关注的科学问题。巨晓棠总结了国内外确定适宜施氮量的方法，认为理论适宜施氮量是水稻 100 kg籽粒吸氮量和目标产量的积，前提是应维持除肥料外的氮素的输入与氮素损失基本平衡[7]。已有研究发现，黑龙江稻田氮素损失量与除肥料外其他来源的氮量大致相等[16]。因此，用该方法确定理论适宜施氮量是合理的。巨晓棠在计算黑龙江水稻理论施N量时采用了100 kg籽粒需氮量为2.4 kg这一全国平均参数。通过计算，黑龙江纯N用量约为180 kg·hm-2[7]。但是，本课题组近20年的试验证实，寒地水稻籽粒的含氮量只有1%左右，而茎秆的含氮量约为0.55%，均显著低于全国平均水平。因此，100 kg籽粒需氮量只有1.4 kg左右。本文中用这一参数重新计算的理论纯N用量为105 kg·hm-2，这一用量与武良等研究结论相似[17]。与当前全省平均施N量相比，氮肥平均用量可节约26%（表 3）。已有研究证实，应用此施肥量不仅可以满足水稻生长需求，还可以获得高产，并使氮肥利用率提高到50%左右[16,18]。

土壤磷素含量变化反映了磷肥施入和带走的平衡状况，当施磷量高于水稻收获带走磷量则土壤磷积累。2005—2006年调查发现，黑龙江稻田速效磷平均为24.5 mg·kg-1[12]。与上述数据相比，当前黑龙江稻田速效磷含量有增加趋势（表 2），这从侧面说明黑龙江稻田施磷量仍然高于水稻收获带走的磷，磷肥施用量过高。本文中磷肥平均用量与刘海涛等的研究结果相近[19]。但是，磷肥用量显著低于吴良泉等的研究结果[8]。磷肥用量不但与土壤养分含量有关，还受目标产量的影响，目标产量越高磷肥用量越大。本文中水稻目标产量是7 500 kg·hm-2，而吴良泉等的目标产量约为9 000 kg·hm-2。这是两者磷肥用量差异较大的原因。根据目前土壤磷素状况和水稻产量水平，黑龙江稻田磷肥过量的农户占70%以上，这些农户的磷肥生产效率较低，是减肥的主体。同时也有约 8%的农户磷肥用量不足，需要适当增施磷肥（图 3-b），只有不到20%的农户磷肥施用量适宜，达到了磷肥的高产高效。本文提出的减肥幅度是基于土壤磷素状况而言，在未来的3—5年内可以应用这一策略，此后则需要依据土壤养分状况和水稻产量目标重新评估稻田施磷。

土壤钾素含量高低也决定于土壤钾素输入输出平衡状况，当输出的钾量高于施入的钾时，土壤速效钾含量就会降低。由于作物秸秆中钾的含量较高，在计算钾素输入输出平衡时必须要考虑秸秆归还的钾。20世纪80年代缺乏燃料，农户将秸秆从田间移出，多数做为柴薪使用，稻田中无秸秆残留。在未考虑秸秆钾素归还时，多数研究认为黑龙江钾素投入不足[20-25]。与20世纪80年代相比，如今作物产量增加一倍，秸秆还田后移出钾量减少，如再按上述方法估算钾携出量就不符合实际情况。在考虑秸秆钾素投入的情况下，本文试验结果显示黑龙江稻田具有一定的节钾潜力（表 3）。不同年度土壤速效钾含量变化显示，2005年寒地稻田土壤速效钾平均含量为127 mg·kg-1[12]。目前，黑龙江稻田土壤速效钾平均含量为138 mg·kg-1。土壤速效钾含量提高表明，钾归还数量大于作物收获带走的量，这也证实了钾肥施入过量。秸秆还田条件下，钾肥较常规施肥减量30%对水稻产量无显著影响，钾肥偏生产力可提高约35%[26]。可见，黑龙江稻田具有减钾潜力。

4 结论

目前，黑龙江稻田土壤速效磷和速效钾的平均含量约为 26 mg·kg-1和 138 mg·kg-1，70%以上的样品土壤速效磷、速效钾处于较高水平，含量丰富。黑龙江稻田N、P2O5和K2O习惯用量分别为141、56.6和51.6 kg·hm-2，农户施肥差异大，盲目施肥问题突出。达到7 500 kg·hm-2的产量，N、P2O5和K2O的用量只需要105、41.6和35.9 kg·hm-2，氮、磷和钾肥用量可减少 26%—30%。黑龙江只有约 20%农户达到了高产高效，70%的农户处于低效水平。作为全国水稻施肥量最低的省份，黑龙江具有较大的节肥潜力。