中国马铃薯不同产区氮肥利用率的比较分析

于 静熊兴耀高玉林王贵江王万兴吕和平朱杰华石 瑛

杨艳丽8汤 浩9董道峰10樊明寿1*

（1 内蒙古农业大学农学院，内蒙古呼和浩特 010018；2 中国农业科学院蔬菜花卉研究所，农业农村部薯类作物生物学与遗传育种重点实验室，北京 100081；3 中国农业科学院植物保护研究所，北京 100193；4 黑龙江省农业科学院，黑龙江哈尔滨 150086；5 甘肃省农业科学院马铃薯研究所，甘肃兰州 730070；6 河北农业大学植物保护学院，河北保定 071001；7 东北农业大学农学院，黑龙江哈尔滨 150030；8 云南农业大学植物保护学院，云南昆明 650201；9 福建省农业科学院作物研究所，福建福州 350013；10 山东省农业科学院蔬菜花卉研究所，山东济南 250100）

据国际马铃薯中心预测，未来20 a 为满足人口增长和社会发展还需要增加1 亿t 粮食，其中50%的粮食产能需要通过马铃薯增产来实现 （https：//cipotato.org/crops/potato/）。马铃薯具有丰产性好、适应性强、耐干旱等特点，即使在高海拔、耕地质量较差的区域也有分布，具有不与其他主粮作物争地的优势，在全国各地区均有栽培。据联合国粮食与农业组织（FAO）统计，2017 年我国马铃薯单产为17 t · hm-2，仅为世界平均水平的88%，远低于荷兰、新西兰、美国、德国等具有先进栽培技术的国家（＞40 t · hm-2）。可见我国马铃薯种植单产存在极大的增长空间。马铃薯是一种对肥料需求量较大的作物，业界普遍认为肥料投入，尤其是氮肥施用决定马铃薯的产量高低（Goffart et al.，2008），因此生产中非常重视氮肥的施用，导致氮肥过量施用现象较为普遍（陈杨 等，2012；韩鹏杰 等，2019）。相比于三大主粮作物，浅根系的马铃薯植株不易吸收根层以下的肥料，造成肥料利用率下降、环境风险增加。以我国马铃薯主产区之一内蒙古为例，在1950～2000 年间马铃薯氮肥利用率下降了40%（戴庆林 等，2000）。目前，农业生产“减肥减药”已成为国家战略，马铃薯的减肥增效势在必行。本文通过问卷调研及文献检索相结合的方法，分析了我国6 个马铃薯主产区的氮肥利用现状，以期为马铃薯减施化肥、节本增效提供合理的施肥依据。

1 调查方法

1.1 数据来源

为了分析全国马铃薯的氮肥利用状况，2017～2018 年在东北区、华北区、西北区、西南区、中原区、华南区等6 个马铃薯主产区进行随机调查，其中东北区包含黑龙江省、内蒙古自治区东北部，华北区包含山西省、河北省和内蒙古自治区中部，西北区包含宁夏回族自治区、甘肃省、青海省、陕西省，西南区包含贵州省、云南省、四川省，中原区包含安徽省、山东省、湖北省，华南区包含福建省、湖南省、广东省、江西省。调查对象为合作社、小农户等，共收回有效问卷311 份。

调查内容：马铃薯产量、化肥投入量（以N、P2O5、K2O 计）、基肥量、追肥次数、复合肥配方等。此外，以氮肥利用率、马铃薯、产量、氮肥施用量为关键词搜索相关文献59 篇。将以上文献获得的数据与调研数据汇总后进行马铃薯氮肥偏生产力 分析。

1.2 分析计算方法

国际农学界通用的氮肥偏生产力是指单位投入的肥料氮所能生产的作物产量，即 PFPN=Y/F，Y为施肥后所获得的作物产量，F 代表化肥的投入量；偏生产力的获得无需空白对照的设置及养分吸收量的测定。

2 结果与分析

2.1 我国马铃薯化肥施用现状

从表1 可以看出，全国马铃薯生产每667 m2平均投入N 24.9 kg、P2O519.7 kg、K2O 18.9 kg，每667 m2化肥（纯养分）总投入63.5 kg，其中中原区和华南区化肥总投入超过70 kg，是全国马铃薯施肥量较大的区域，而西南区施肥量最少，化肥总投入为48.6 kg。各产区肥料投入占比分别为N 29%～46%，P2O525%～40%，K2O 17%～36%。其中，华北区、西北区、中原区、华南区的氮肥施用量在26.3～31.4 kg · （667 m2）-1之间，占总施肥量的比例均在36%以上，西北区甚至高达43%。东北区不仅施用化肥总量较少，而且氮肥占比也较低，平均为15.2 kg · （667 m2）-1，占总施肥量的29%。虽然西南区的氮肥施用量也较低，平均为20.2 kg · （667 m2）-1，但占总施肥量的比例较高，为42%。

2.2 马铃薯不同生育期氮肥的分配

由表2 可知，我国6 个马铃薯主产区中华南区基肥中氮肥占比最低，仅占29%；西北区占比最高，为47%以上。

由于种植模式的差异，各产区追施氮肥次数不同，东北区、华北区马铃薯氮肥追施次数较多，最高达8 次；追施氮肥较少的地区为西北区、中原区和华南区，不超过3 次。马铃薯生产中追肥多施用复合肥，但不同产区施用的复合肥配方差异较大，其中西北区不同马铃薯种植户至少施用13 种配方的复合肥（表2）。

表1 我国6 个马铃薯主产区肥料投入情况比较

表2 我国6 个马铃薯主产区氮肥的基施、追施情况

2.3 马铃薯的氮肥偏生产力分析

通过计算得出全国6 个主产区马铃薯的氮肥偏生产力（图1），不同产区氮肥偏生产力存在较大差异，由高到低依次为：东北区（184 kg · kg-1）＞西南区（110 kg · kg-1）＞中原区（104 kg · kg-1）＞华南区（99 kg · kg-1）＞西北区（95 kg · kg-1）＞华北区（84 kg · kg-1）。东北区马铃薯氮肥偏生产力是氮肥偏生产力最低的华北区的2.2 倍。

将氮肥偏生产力分为8 个等级，计算6 个王产区每个等级下PFPN 的样本百分比，可以了解目前马铃薯PFPN 的样本分布频率。由图2-a 可知，75.2%的农户田块PFPN ＜150 kg · kg-1，20.3%的农户田块PFPN 为150～250 kg · kg-1，仅有4.5%的农户田块PFPN ＞250 kg · kg-1。可见，我国马铃薯生产中氮肥偏生产力偏低，有较高的提升空间。

图1 不同马铃薯主产区的氮肥偏生产力比较

图2 氮肥减施前后全国马铃薯主产区的氮肥偏生产力构成比较

马铃薯生产中的化肥减施增效可通过保持产量不降低，减少氮肥施用量的方法实现。按照国家双减计划目标要求，在产量不变的情况下，减少17%的氮肥投入，即可提高PFPN。PFPN 提高后，全国范围内PFPN ＜150 kg · kg-1的农户减少了18.0个百分点，PFPN 介于150～250 kg · kg-1之间的农户增加了12.8 个百分点，PFPN ＞250 kg · kg-1的农户增加了5.3 个百分点（图2-b）。

2.4 氮肥施用量对氮肥偏生产力的影响

氮肥施用量与PFPN 呈显著幂函数关系。氮肥施用量较低时，PFPN 变异较大，不同农户高、低PFPN 可相差2～3 倍；氮肥施用量相对较高时，农户PFPN 均维持在较低水平（图3）。因此，氮肥施用量高是目前导致马铃薯生产中PFPN 低的关键因素之一。

2.5 马铃薯产量对氮肥偏生产力的影响

图3 不同氮肥施用量与氮肥偏生产力的关系

由图4 可知，我国6 个主产区马铃薯平均产量为2 230～2 823 kg · （667 m2）-1。不同产区马铃薯产量水平差异较大，由高到低依次为东北区＞西北区＞华北区＞华南区＞中原区＞西南区。将产 量＞2 500 kg · （667 m2）-1的农户定义为高产农 户，＜2 500 kg · （667 m2）-1的定义为低产农户。与低产农户相比，高产农户的施氮量相对较高 （图5）。

将马铃薯产量分为4 个等级，分别为＜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 个产量水平的平均氮肥偏生产力分别为112、103、138、178 kg · kg-1。当马铃薯产量＞3 000 kg · （667 m2）-1时，变异系数最大，随着产量水平的下降，变异系数呈降低趋势（图6）。

图4 不同马铃薯产区的产量变化

图5 不同种植户施氮量的差异

图6 马铃薯产量与氮肥偏生产力的关系

3 结论与讨论

目前，表征肥料利用率的参数较多，如养分回收率、农学利用率、生理利用率、偏生产力等。其中养分回收率和农学利用率的计算需要设置无肥区，应用起来较为不便；生理利用率表征植物体内养分的利用率，使用也有局限性。由于生产中不可能设置无肥区，即调查数据没有空白对照，因此选择氮肥偏生产力（PFPN）作为本文评价肥料效应的指标。

从整体来看，目前我国马铃薯不仅产量低于欧美等发达国家，而且氮肥偏生产力远不及德国、美国、荷兰等马铃薯生产强国。本文中数据分析表明氮肥施用量较高的区域往往氮肥偏生产力相对较低，过量施肥是氮肥偏生产力低的主要原因之一。这与张福锁等（2008）对于小麦、玉米、水稻三大粮食作物的研究结果一致，他们认为施肥过量是我国肥料利用效率低的最主要原因。仲乃琴等（2018）在宁夏马铃薯田块利用15N 示踪技术测定尿素利用率仅为20.5%，仅为美国主要粮食作物氮肥利用率的1/2，造成这种差距的主要原因同样是过量施肥。因此合理减施氮肥是目前我国马铃薯生产的重要目标。

复合肥在马铃薯生产中起到重要的作用，约占肥料支出的50%，已登记的配方超过3 万个，但复合肥中相当大比例的产品脱离了土壤和作物需求，配方多以一次性基施为主。施用复合肥导致养分投入数量和用肥成本增加，但增产效果不明显，造成肥料利用率低（李亮科 等，2011）。陈新平等（2016）提出了三大粮食作物“大配方、小调整”的区域配肥理论。不同于小麦、玉米、水稻等深根系作物对土壤养分和环境养分供应的依赖性较大，马铃薯的氮肥需求强度大、根系较浅、养分吸收能力较差，相应地对水肥的依赖程度高。因此，应在土壤培肥的基础上，重点依据马铃薯养分吸收规律和土壤特点进行区域配肥；根据区域作物生产条件与土壤供应特点进行分区管理，对气候条件、栽培条件、地形和土壤条件等相似的同一类型区，可以采取相对一致的氮肥管理措施；采用“小调整”作为补充以实现田块精确调控。马铃薯的“大配方、小调整”将从区域层面减少氮肥的浪费，提高肥料利用率。

研究表明，追施氮肥可减少肥料损失，提高氮肥利用率（Jia et al.，2019）。然而本文中追肥次数较多的华北区氮肥偏生产力较低，可能是由于追施的氮肥与马铃薯植株的需求在时间和空间上不匹配导致的。因此，确立科学的施肥次数和时间是减少氮肥施用量进而提高马铃薯氮肥利用率的有效途径，而合理施氮时间和数量的确定还有赖于对土壤基本情况的了解和植株生长发育的实时监测。土壤测试和植株营养诊断相结合是必由之路。经典土壤测试的方法目前仍然是有效方法，除此之外，各种速测和批量高效测定方法不断出现，为土壤基本情况的掌握提供了保障。植株营养诊断必须采用速测，目前的测试手段也较多，如叶绿素仪SPAD-502、主动作物光谱仪GreenSeeker、叶柄硝酸盐测试等均已成功用于马铃薯氮素营养诊断并推荐施肥（Laurent & Lancelot，1999； 于 静 等，2013；Zheng et al.，2015；Li et al.，2019）。因此，通过土壤测试与植株营养诊断相结合的氮肥推荐应是实现田块尺度上马铃薯减氮增效的重要途径。

本文中并未涉及新型肥料品种及应用的调查数据，但是近些年来缓控释肥、微生物肥料、水溶性肥料、商品有机肥等多种新型肥料为马铃薯生产减氮增效的贡献不容小觑。周瑞荣等（2010）施用缓释肥料可实现减少20%氮肥投入，产量增加5.6%。适量微生物肥料的施用也可实现马铃薯生产氮肥施用量降低，产量和氮肥利用率提高，块茎品质改善（陈阳阳 等，2018）。此外，有机肥替代部分单质肥、复合肥的施肥方式不仅能够促进干物质尽早转移到马铃薯块茎，提高氮肥利用率，还可以改变土壤微生物丰富度及土壤酶活性，改善土壤结构（张书乐，2014）。因此，要实现提高马铃薯氮肥利用率的目标，势必要摒弃传统施肥观念，依靠新型肥料和有机肥配施的施肥方式。

提高作物产量是提高氮肥偏生产力的重要途径之一。贾立国等（2015）通过计算内蒙古马铃薯的高产潜力，发现实际产量不及高产潜力的30%。可见在现有生态环境条件下，马铃薯产量提升空间巨大。在今后相当长的时间内，集成氮肥高效品种、栽培方法、土壤管理、养分管理、植保措施等综合配套技术是实现马铃薯产量和氮肥偏生产力协同提升的根本途径。