中国主要粮食作物磷肥偏生产力时空演变特征及驱动因素

都江雪，韩天富，曲潇林，马常宝，柳开楼,3，黄 晶,4，申 哲，张 璐,4，刘立生,4，谢建华，张会民,4*

（1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081；2 农业农村部耕地质量监测保护中心，北京 100125；3 江西省红壤研究所/国家红壤改良工程技术研究中心，南昌 330046；4 中国农业科学院祁阳农田生态系统国家野外试验站，湖南祁阳 426182）

磷是作物生长必需的营养元素，也是土壤肥力和质量的主要指标。磷肥投入是提高土壤供磷能力和作物产量的主要措施，20世纪中期化肥磷的使用迅速增加，但由于作物对磷的利用率低于25%，导致磷素大量累积在土壤中，尤其是在旱地土壤中[1–2]。土壤中积累的磷一部分被水体侵蚀缓慢释放到环境中，造成地下水污染等严重的环境问题[3–4]，85%以上累积的磷素通过化学反应、物理吸附和生物过程固定在土壤中，造成土壤肥力下降[5]。因此，制定可持续磷肥施用策略以缓解全国磷肥累积带来的土壤压力对粮食生产和安全至关重要[6–7]。

小麦、玉米和水稻作为中国主要的粮食作物，由于地域分布广泛，不同区域之间磷肥施用量差异较大，且时间尺度上也出现一定的增施磷肥的盲目性，造成资源浪费等问题，严重影响农田的可持续性。作为衡量土壤磷素输入输出和磷肥产量效应的重要指标和直接手段[8–9]，土壤磷平衡和磷肥偏生产力的现状和区域差异等方面已开展了许多研究，张福锁等[10]收集了全国11个省市在2001—2005年的施磷量及产量数据用以描述三大粮食作物的磷肥利用率，结果表明水稻、玉米和小麦的磷肥偏生产力分别为98.9、63.7和72.4 kg/kg，且由于施磷过量及忽略土壤养分资源利用等问题，造成农民习惯施肥措施下肥料利用率逐渐降低。李红莉等[11]的研究结果表明，与2000年相比，2007年小麦和水稻的磷肥施用量分别减少了13.5%和17.7%，玉米增加了8.8%；相应地，小麦和水稻磷肥偏生产力因施磷量的降低和水稻新型主产区偏生产力的升高而升高。陈新平等[12]对三大粮食作物的测土配方施肥的试验数据进行了整理分析，通过计算磷肥施用量和作物携出量，结合各区域作物生产的关键因素，给出了各区域小麦、玉米和水稻季的适宜磷肥施入量及磷肥管理意见。他们将全国小麦主产区划分为东北、华北、长江中游、西南和西北等5个区域，磷肥推荐施用量范围为55～88 kg/hm2，且小麦季施磷策略以加强宏观调控并指导磷肥的合理使用为主；玉米主产区分为东北、华北、西南和西北等4个区域，磷肥推荐施用量范围为46～123 kg/hm2，与农民习惯性施肥相比，玉米季平均需增加磷肥用量8 kg/hm2；水稻主产区分为东北、长江上游、长江中游、长江下游、江南、华南和西南等7个区域，磷肥推荐施用量范围为59～84 kg/hm2，除长江中上游可适当增加施磷量外，其他地区以平衡施磷(施用量等于作物携出量)为主。

目前，相关研究大多集中在部分省市区域，并不能涵盖全国，且时间跨度大多较窄。近30年来，我国农业结构调整，尤其是种植结构和施肥措施的优化，在反映农民真实习惯性施肥模式下，旱地及水旱轮作区磷肥偏生产力的变化以及土壤磷平衡主要影响因素的研究相对较少，各区域磷肥偏生产力的时间变化特征及空间差异还不明确。此外，不同土地利用方式下土壤磷素有效性及累积存在显著差异，目前的研究并没有将旱地、水旱轮作和水田等分开进行归纳总结。本研究基于农业农村部自1988年开始在全国主要旱地及水旱轮作区布置的国家级耕地质量长期定位监测点，在农民普遍习惯性施肥模式下，探究全国尺度旱地和水旱轮作区主要粮食作物磷肥施用量和磷肥偏生产力的时空演变规律和区域差异特征，并阐明各区域磷素盈余量和磷肥偏生产力的主要驱动因素，为全面指导旱地和水旱轮作区农田合理施磷及保障作物高产稳产提供参考。

1 材料与方法

1.1 监测点分布

自1988年以来，在充分考虑我国旱地和水旱轮作的粮食主产区结构分布的基础上，结合气候和土壤类型等因素，农业农村部在全国旱地及水旱轮作区极具代表性的田块上设置了监测试验，共计829个监测点，并划分为东北[黑龙江(89)，吉林(55)，辽宁(46)]、华北[北京(5)、河北(120)、河南(66)、陕西(20)、山西(56)、山东(66)和天津(3)]、长江中游[湖南(6)和湖北(24)]、长江三角洲[简称“长三角”，江苏(68)、安徽(31)、浙江(1)和上海(3)]、西南[四川(30)、云南(15)、贵州(20)和重庆(4)]和西北[甘肃(33)、宁夏(14)、新疆(14)、内蒙古(38)和西藏(2)] 6个区域，括号内为各省(市、自治区)样点数。其中，考虑到种植制度、气候类型和点位分布等因素，将陕西和西藏分别划分在华北区和西北区。

1.2 数据采集和统计分析

监测内容主要包括每年小麦、玉米和水稻成熟期，施肥区和不施肥区作物产量、秸秆产量、磷肥施用量、土壤pH和有机质含量。作物产量采用实收脱粒测产。秸秆产量根据小样本进行籽粒与秸秆生物量比的考种数据换算。土壤样品统一在每季作物收获之后进行采集，混匀后风干研磨过 2 mm 筛后，按照土水比1∶2.5测定土壤pH，样品过0.15 mm筛后采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机质含量[13]。小麦、玉米和水稻的籽粒含磷量分别为8.50、9.80和6.20 g/kg，秸秆含磷量分别为 1.63、3.05 和 2.73 g/kg[14]。结合产量和磷肥施用量计算磷素累积盈亏量(或磷平衡)和磷肥偏生产力(磷肥施用量和磷素盈余量均以P2O5计)，具体计算公式如下[11,15]：

磷肥偏生产力(kg/kg)=施肥区作物籽粒产量(kg/hm2)/磷肥施用量(kg/hm2)

土壤磷素盈亏量(kg/hm2)=当季施用磷总量(kg/hm2)–当季作物(籽粒+秸秆)吸磷量(kg/hm2)

试验数据用 Excel 2019 整理，采用 SigmaPlot 14.0 软件进行绘图和拟合，运用 SPSS 19统计分析软件进行单因素方差分析及差异显著性检验。使用“R 4.0.0”中“随机森林 (random forest)”软件包分析各因素对磷素盈余量和磷肥偏生产力的贡献度。为避免个别监测点位差异对土壤磷肥偏生产力和土壤磷素盈亏量变化规律造成影响，本研究按照监测点位的施肥年限共划分成6个阶段，分别为1988—1992 年 (施肥 5 年)、1993—1997 年 (施肥 10 年)、1998—2002 年 (施肥 15 年)、2003—2007 年 (施肥 20年)、2008—2012 年 (施肥 25 年)和 2013—2019 年(施肥 32 年)。

2 结果与分析

2.1 不同作物磷肥施用量与土壤磷平衡的时间变化

近30年，全国旱地及水旱轮作区小麦、玉米和水稻季磷肥施用量平均分别为137.7、109.2和75.13 kg/hm2(图1)。玉米和水稻季土壤年均磷素亏缺分别为2.67和0.87 kg/hm2，基本处于输入与输出平衡状态，小麦季盈余量为78.49 kg/hm2，约占磷肥施用量的56.9%。在区域上，小麦季施磷量呈现南低北高的趋势，其中以西北区最高，为213.7 kg/hm2，其次为华北区(159.4 kg/hm2)，长江中游、长三角和西南区施磷量较低，以长江中游最低，为84.14 kg/hm2。磷素盈余量也呈现南低北高的趋势，以西北区最高，为 157.9 kg/hm2，长三角最低，为 30.40 kg/hm2，小麦季各区域磷盈余占施磷量的33.4%～73.9%。玉米季施磷量呈现西高东低的趋势，其中以西北最高，为 184.0 kg/hm2，以长三角最低，为 80.60 kg/hm2；东北、华北、长三角玉米季的磷素亏损量分别为25.29、11.38 和 14.57 kg/hm2，占施磷量的 12.6%～24.5%，长江中游、西南和西北玉米季呈现磷盈余状态，其中以西北最高，为51.55 kg/hm2，占施磷量的28.0%；水旱轮作水稻种植区主要分布在长江中游、长三角和西南，施磷量为64.03～82.49 kg/hm2，长江中游水稻季磷素盈余量为17.78 kg/hm2，占施磷量(82.49 kg/hm2)的21.6%，长三角和西北水稻季以约–3.0 kg/hm2的速率呈现磷亏损状态。

图1 全国及各区域30年来磷肥施用量与磷素盈余量Fig. 1 Variation of phosphorous input and phosphorus surplus in soil during the past 30 years

2.2 不同区域磷肥偏生产力的时空变化

全国旱地及水旱轮作区小麦、玉米和水稻季磷肥偏生产力平均分别为61.99、130.1和158.9 kg/kg(图2)。随施肥年限的延长，在前25年小麦和玉米季磷肥偏生产力均呈现增加趋势，在2013—2019年间开始出现下降。施肥5 年后(1988—1992年)，水稻季磷肥偏生产力平均为208.3 kg/kg，随后出现先降低后增加的趋势，并在1998—2002年达到最低，为109.6 kg/kg。全国范围内小麦季磷肥偏生产力呈现南高北低的趋势，其中以长三角最高，为81.37 kg/kg，西北最低，为 35.53 kg/kg (图 3)。各区域玉米季的磷肥偏生产力显著高于小麦季，且以华北最高，为 170.9 kg/kg，西北最低，为 76.06 kg/kg。在长江中游、长三角和西南地区水稻季磷肥偏生产力为 126.3～163.9 kg/kg。

图2 全国主要粮食作物磷肥偏生产力的变化趋势Fig. 2 Variation of partial factor productivity of phosphorous in major grain crops in China

图3 各区域不同作物磷肥偏生产力Fig. 3 Partial factor productivity of phosphorous in different crop seasons relative to region

东北玉米季在1988—2012年间(施肥25年)磷肥偏生产力随施肥年限的延长逐渐升高 (y = 3.153 x +53.99，R2= 0.9389)，2013 年后磷肥偏生产力出现稳定趋势(图4)。华北小麦季施肥25年期间磷肥偏生产力随施肥年限的延长逐渐升高，年均增速为2.09 kg/kg，2013年后磷肥偏生产力保持平稳状态。长江中游小麦、玉米和水稻季磷肥偏生产力均随施肥年限的延长显著增加，且在2013年后出现稳定趋势。施肥10年期间，长三角小麦与水稻季磷肥偏生产力随施肥年限的延长逐渐降低，施肥10年后(1998年后)小麦、玉米和水稻季磷肥偏生产力均出现先增加后降低的趋势。近30年，西南小麦、玉米和水稻季磷肥偏生产力均随施肥年限的延长呈先降低后增加的趋势，最低值分别出现在2003—2007年(小麦和玉米季)和1998—2002 (水稻季)，平均值分别为39.63、48.85和112.5 kg/kg。西北小麦和玉米季的磷肥偏生产力均随施肥年限的延长而显著增加，年均分别增加 6.79 (R2= 0.9844，P < 0.001)和 12.99 kg/kg(R2= 0.9219，P < 0.001)。

图4 不同区域主要粮食作物磷肥偏生产力 30 年变化趋势Fig. 4 Variation of partial factor productivity of phosphorous in crops during the past 30 years relative to region

2.3 不同区域土壤磷素盈余量和磷肥偏生产力的主要驱动因素

就全国而言，磷肥施用量对磷素盈余量和磷肥偏生产力的贡献最高，分别为49.1%～65.4%和4 2.9%～8 0.9%，其次为作物类别(分别为14.7%～30.4%和12.2%～35.6%) (图5)。其中，磷肥施用量对东北磷素盈余量和磷肥偏生产的贡献最高，对长三角磷肥偏生产力的贡献率最低，为42.9%；作物类别对长三角区磷肥的偏生产力的贡献比其他区域更大，其贡献率为35.6%。各省份之间磷素盈余量和磷肥偏生产力存在显著差异，除西南区外，土壤类型也是影响其他区域磷素盈余量的重要因素，且西北磷盈余量和磷肥偏生产力受种植制度的影响，贡献率分别为6.50%和10.4%。东北和华北磷素盈余量还受pH和有机质含量的显著影响。同时，土壤有机质含量也是长江中游磷素盈余与磷肥偏生产力的主要驱动因素(贡献率分别为12.3%和9.16%)。

图5 各因素在磷素盈余量(A)与磷肥偏生产力(B)中的相对贡献Fig. 5 Relative contribution of each factor on phosphorous surplus (A) and partial factor productivity of phosphorous (B) relative to region

2.4 不同区域土壤磷素盈余量与磷肥偏生产力对磷肥施用量的响应

不同区域磷素盈余量均随磷肥施用量的增加而显著增加 ( P < 0.001 )，根据磷素盈余量与磷肥施用量的线性拟合方程 (图6)可知，各区域小麦季维持磷素表观平衡(即盈余量为 0)时，华北、长江中游、长三角、西南和西北磷肥施用量分别约为 64.42、37.59、60.11、35.22 和 53.55 kg/hm2；在玉米季维持磷素表观平衡，东北、华北、长江中游、长三角、西南和西北磷肥施用量分别为129.5、109.2、83.85、95.37、80.09和131.9 kg/hm2；长江中游、长三角和西南水稻季维持磷素表观平衡时磷肥施用量分别为62.12、79.35和67.30 kg/hm2。随着磷素盈余量的增加，各区域作物磷肥偏生产力均下降，两者呈指数关系 (P < 0.001) (图 7)，磷肥偏生产力降低到一定幅度即处于相对稳定水平，华北、长江中游、长三角、西南和西北小麦季磷肥偏生产力最低水平分别约为 22、17、0、18 和 0 kg/kg，东北、华北、长江中游、长三角、西南和西北玉米季磷肥偏生产力最低水平分别约为8、15、0、0、7和8 kg/kg，长江中游、长三角和西南水稻季磷肥偏生产力最低水平分别约为0、47和25 kg/kg。基于磷肥偏生产力与磷素盈余量之间的响应关系，当不同区域磷素处于平衡状态(磷盈余量为 0)时，即磷肥施用较适宜情况下，华北、长江中游、长三角、西南和西北小麦季磷肥偏生产力分别为102.7、89.46、100.4、104.9和68.76 kg/kg，小麦磷肥偏生产力较30年平均值提高23.4%～93.5%；东北、华北、长江中游、长三角、西南和西北玉米季磷肥偏生产力分别为76.71、77.99、78.81、73.90、82.40 和 76.61 kg/kg，其中，长江中游、西南和西北区玉米磷肥偏生产力与其30年平均值相比基本保持不变；长江中游、长三角和西南水稻磷肥偏生产力分别约为124.5、108.5和123.1 kg/kg，除长江中游磷肥偏生产力可保持不变外，长三角和西南水稻磷肥偏生产力降低约25%。

图6 不同区域土壤磷素盈余量与磷肥施用量的关系Fig. 6 Relationship between phosphorus surplus and phosphorus application rate relative to region

图7 不同区域磷肥偏生产力与土壤磷素盈余量的关系Fig. 7 Relationship between partial factor productivity of phosphorous and phosphorus surplus relative to region

3 讨论

3.1 不同区域磷肥施用量和磷素盈余量空间差异分析

随着工业化的推进，化肥投入逐年升高，且存在明显的地域差异[16]，我国各区域近30年磷肥施用量也呈显著性差异。全国小麦季磷肥平均施用量为137.7 kg/hm2(图 1)，磷素盈余量年均为 78.49 kg/hm2，占施磷量的56.9%，全国玉米和水稻季磷肥平均施用量分别为109.2和75.13 kg/hm2，基本处于磷素表观平衡状态。相对于小麦而言，玉米籽粒和秸秆吸磷量均高于小麦[14]，导致更多的磷被植物吸收而带走，水稻季平均施磷量仅为小麦季的一半，磷肥施用量基本满足水稻季作物生长需求，可保持磷素平衡。

在区域上，西北小麦和玉米季磷肥施用量和磷素盈余量显著高于其它区域，原因可能是土壤矿物对磷素的固持未达到饱和，导致所施用的磷肥大部分被固定在土壤中，磷素有效性较低，为满足作物高产，增加磷肥施用量，相应地增加了磷素盈余量[17–19]。西北玉米季磷肥施用量也显著高于其他区域，且西北、西南和长江中游玉米季磷素均呈盈余状态，东北、华北和长三角玉米季磷素则呈亏缺状态，可能由于：1)除为满足作物高产而增加磷肥投入并导致磷素盈余量较高外，西南和长江中游区土壤中粘粒及金属氧化物含量较高，增加了对磷素的吸附和固定，增加磷素盈余[20–21]；2)东北区旱地主要为一年一熟的玉米，磷肥施用量平均为103.2 kg/hm2，但70%以上的磷肥施用量低于90 kg/hm2，研究发现，只有当磷肥施用量高于90 kg/hm2时，才能达到磷素输出与输入基本平衡[22]，所以东北玉米综合表现为土壤磷素呈亏缺状态；3)华北和长三角区玉米季磷素亏缺的原因可能与较低的磷肥投入量密切相关，通过对比，华北和长三角玉米季磷肥投入量平均分别为97.11和80.60 kg/hm2，显著低于全国玉米季平均磷肥投入量(109.2 kg/hm2)，同时北京、天津等华北半干旱地区较高的磷素径流损失[5]，以及在夏季玉米种植期间高温高湿条件下较高的磷素迁移能力[23]也可能是导致磷素亏缺的原因。长三角和西南水稻季磷素亏缺量约为3.0 kg/hm2，基本处于磷素输入和输出平衡状态。尽管长江中游水稻季磷肥施用量与长三角和西南区的差异不大，但其磷素盈余量明显较高，达到磷肥施用量的21.6%，主要原因可能是长江中游水旱轮作区旱季小麦或玉米较高的磷素盈余量降低了水稻当季的磷肥利用率。

3.2 不同区域磷肥偏生产力的时空变化特征及主要驱动因素

想要同时实现各区域作物高产与肥料的高效利用，仅依靠“高投入高产出”已经不能满足当前的粮食需求，同时还会造成大量资源浪费和环境污染等问题，而基于作物产量计算的磷素盈余量和磷肥偏生产力是评价磷肥施用效应最直接的手段[8]。所以，明确各区域磷素盈余量和磷肥偏生产力的时空变化特征以及主要驱动因素，因地制宜地制定施磷策略才能在保证作物产量的基础上，进一步提高土壤生产力的同时保护环境。从全国和各区域范围来看，磷素盈余量和磷肥偏生产力主要受到磷肥施用量的影响，磷肥投入为作物直接提供生长所需的磷素，提高作物产量，但只有10%～20%的磷肥能够被作物吸收利用，80%～90%的磷肥以低磷有效性的形式固定在土壤，造成磷素盈余[24–25]。以华北为例，通过模拟土壤磷循环发现，为了追求更高的产量，小麦季施磷量超出全国平均施磷量的两倍以上，显著高于作物生长需要，导致大量的磷在土壤中积累[26]。作物类别也是影响各区域磷素盈余量和磷肥偏生产力的主要因素，不同作物对磷素的需求量不同，导致作物对磷素的吸收输出量差异显著[14]。从全国来看，水稻的磷肥偏生产力显著高于玉米和小麦，一方面由于作物对磷素的吸收量不同导致，另一方面可能与磷肥偏生产力受土地利用类型的强烈影响有关(图5)。本研究涉及到旱地和水旱轮作两种不同的土地利用方式，研究发现，长期水稻种植会造成土壤磷吸附剂(碳酸钙、铁铝氧化物和粘土矿物等)的快速减少，减少土壤对磷素的固持，从而影响土壤磷素盈余和磷肥偏生产力[27]。施肥30年，旱地小麦和玉米季磷肥偏生产力均随施肥年限的延长而增加，在2013—2019年开始出现稳定，说明小麦和玉米季磷肥投入对作物生产力的贡献可能已经达到最高。水稻磷肥偏生产力在2002年后开始出现回升，可能与水稻单位面积施磷量的减少有关[11]。

除磷肥施用量、作物类别外，气候和管理措施也会有所不同，不同区域受到其他理化性质和管理措施(如土壤类型、种植制度、pH和土壤有机碳等)的影响而出现差异。东北玉米季磷素盈余量受土壤类型的显著影响，不同土壤类型下，发育形成的矿物类型及含量差异较大，且在风化程度一致的土壤中，pH通过改变土壤对磷素的吸附固定能力进而影响磷肥对作物的有效性和磷素盈余量[28–29]。另外，pH作为控制矿物溶解的主要因素，同时控制着土壤颗粒与金属氧化物对磷素的释放和作物吸收等，进而影响磷肥偏生产力[30–31]。西北地区因受水分限制，种植制度以一年一熟为主，部分地区为一年两熟，近4年(2016—2019年)部分地区种植制度改为两年三熟。由图1可知，西北区作物当季磷肥施用量和磷素盈余量均显著高于其他地区，相应地，不同种植制度之间，磷肥施用量的差异对土壤磷素盈余和磷肥偏生产力的影响高于其他区域，与西北类似，西南地区磷素盈余量也受种植制度的显著影响。Khan等[21]在研究单作和双作种植制度时发现，单季施肥量相同的条件下，双作制度土壤中全磷含量显著高于单作制度，且更易造成土壤磷素的向下淋溶。此外，西北小麦和玉米季磷肥偏生产力随施肥年限的延长而增加，说明尽管西北磷肥施用量高于其他地区，磷肥在农业生产上仍旧发挥着很大的作用。除以上因素外，有机质含量也是影响长江中游作物磷肥偏生产力的主要因素，土壤中20%～80%的磷与有机质有关[32]，有机质的矿化可以直接为作物提供可利用磷，同时还可通过与磷酸根竞争矿物表面的结合位点，影响磷在土壤中的吸附从而提高磷的有效性[33–34]，同时还有研究发现，在高度风化的土壤和碱性土壤中，有机质能够分别促进铁铝氧化物向无定型态的转化和钙磷酸盐的稳定性，使得更多的磷被吸附固定，降低土壤磷素有效性[35–36]。值得注意的是，东北、华北、长江中游和长三角地区的磷肥偏生产力在2013—2019年已经开始趋于稳定，说明以目前生产技术水平，通过增施磷肥提高这4个地区的磷肥偏生产力可能已经达到稳定，进一步提升磷肥偏生产力和增加磷肥肥效需要从适当减少磷肥投入和提高磷素有效性入手。

3.3 不同区域及作物的磷肥合理施用量推荐

全国旱地小麦、玉米和水旱轮作区水稻的磷肥偏生产力在过去30年内呈稳定并略微提高的趋势，平均值分别为61.99、130.1和158.9 kg/kg。不同区域之间磷肥偏生产力差异较大，可能与各区域间磷肥施用量差异较大有关，此外，由于受到气候条件、施肥方式和时间及其他营养元素的供应状况的影响，不同区域的作物磷肥偏生产力均随磷素盈余量的增加而呈指数降低[37]。确定合理磷肥施用量是获得较高产量、维持土壤磷肥力和减少施磷引起的环境污染的关键。本研究综合考虑维持土壤磷平衡和提高磷肥偏生产力，推荐了各区域及不同作物适宜的施磷量，即维持土壤磷素盈余量为 0 时的施磷水平。就全国整体而言，与当前农民习惯性磷肥施用量相比，小麦季平均施磷量可减少80.38 kg/hm2，减量幅度平均为58.4%，其中，华北、长江中游、长三角、西南和西北区小麦季推荐磷肥施用量分别为64.42、37.59、60.11、35.22 和 53.55 kg/hm2，磷肥减量幅度为34.0%～74.9%，而各区域磷肥偏生产力可提高23.4%～93.5%。

旱地玉米和水旱轮作水稻季均处于磷素输入与输出平衡状态，为保持较高的磷肥偏生产力，玉米和水稻季可维持当前磷肥施用量，分别为109.2和75.13 kg/hm2，但不同区域之间磷素盈余量和磷肥偏生产力差异较为显著。以目前农民习惯性磷肥施用的实际情况来看，长江中游、西南和西北地区玉米季均处于磷素盈余状态，磷素盈余量占磷肥施用量的20.8%～28.0%，为维持土壤磷素盈余量为 0，且磷肥偏生产力保持不变，长江中游、西南和西北区玉米季的适宜磷肥施用量分别为83.85、80.09和131.9 kg/hm2。东北、华北和长三角区玉米季磷素处于亏缺状态，磷素亏缺量占农民当前习惯磷肥施用量的6.65%～22.0%，若从农田磷素平衡出发，土壤磷素盈余量为 0 时东北、华北和长三角区玉米季磷肥施用量分别为129.5、109.2和95.37 kg/hm2，但是相应地磷肥偏生产力分别下降33.2%、54.4%和29.4%。东北地区大部分为一年一熟的玉米，从土壤磷平衡和磷肥偏生产力的角度综合考虑，东北区可适当增加磷肥施用量用以提高玉米产量，但建议磷肥施用量不超过129.5 kg/hm2；与东北区玉米季磷素状况相似，华北和长三角区玉米季均出现磷素亏缺，磷素亏损量分别为11.38和14.57 kg/hm2，考虑到华北和长三角小麦季磷素盈余量分别达94.06和30.39 kg/hm2，建议可维持华北和长三角玉米季的当前农民习惯磷肥施用量(分别为97.11和80.60 kg/hm2)，以保证较高的玉米季磷肥偏生产力。长江中游水稻季磷素盈余量为17.78 kg/hm2，占目前农民习惯施磷量的21.6%，本研究根据磷平衡推荐的适宜磷肥施用量为62.12 kg/hm2，能够在维持磷肥偏生产力不变的条件下，降低24.7%的磷肥施用量。长三角和西南水稻季土壤处于磷平衡状态，为保证较高的磷肥偏生产力，建议维持当前的施磷量，分别为76.32 和 64.03 kg/hm2。

陈新平等[12]根据测土配方施肥给出了不同区域三大粮食作物磷肥推荐施用量，东北、华北、西南和西北玉米季磷肥推荐施入量分别为75～97、46～74、71～80 和 93～123 kg/hm2；东北、华北、长江中下游、西南和西北小麦季磷肥推荐施入量分别为60、80、70、55～60 和 60～68 kg/hm2；东北、长江上游、长江中游、长江下游、江南、华南和西南区水稻磷肥推荐施入量分别为64～70、81、65～83、84、59～72、59 和 64 kg/hm2。通过对比刘钦普[38]计算出的各区域的磷肥施用环境安全阈值(东北、华北、长江中游、长三角、西南和西北区平均分别为83.90、69.34、79.37、81.43、60.13 和 67.84 kg/hm2)，除西南水稻季外，本研究推荐的各区域小麦和水稻季适宜施磷量均低于环境安全阈值，说明此推荐磷肥施用量对环境是友好的，既可以提高磷肥的偏生产力，又能降低农田磷素淋失的风险。根据本研究中磷肥施用量和磷素盈余的关系推荐的玉米季适宜磷肥施用量均高于环境安全阈值，但是这并不代表本研究中推荐的磷肥施用量具有环境风险。本研究与上述研究给出的磷肥推荐施用量及环境安全阈值之间存在差异，主要原因有：1)本研究将旱地和水旱轮作区三大粮食作物区分开，小麦、玉米和水稻3种作物的籽粒和秸秆的吸磷量差异较大，其中玉米籽粒的吸磷量分别是小麦和水稻籽粒的1.15和1.58倍，玉米秸秆的吸磷量分别是小麦和水稻秸秆的1.87和1.12倍[14]，所以相同产量下玉米的吸磷量显著高于小麦和水稻，玉米季达到磷平衡(磷素盈余量为0)时，磷肥的施用量高于小麦和水稻；2)数据来源及时间跨度不同，本研究是基于农业农村部在全国布置的旱地和水旱轮作区土壤监测点，在1988—2019年监测期间真实记录当地农民习惯性磷肥施用量、籽粒和秸秆产量，与测土配方试验的施肥方案不同的是，监测的30年间磷肥施用量随政策和施肥策略的调整而改变；3)计算公式不同，本研究是基于长期磷肥施用条件下，分别通过拟合小麦、玉米和水稻季磷肥施用量与磷素盈余量和磷肥偏生产力之间的关系得出的结果。综上，本研究得出的旱地小麦、玉米和水旱轮作水稻季适宜磷肥施用量范围分别为35.22～64.42、80.09～131.9和62.12～76.32 kg/hm2，具体的磷肥推荐施用量可结合不同区域的当前磷肥施用状况及主要驱动因素进行调整。

4 结论

近30年来，全国各区域旱地小麦季土壤中磷素呈盈余状态，盈余量占磷肥施入量的33.4%～73.9%，西北地区小麦季磷素盈余量显著高于其他地区。长江中游、西南和西北区玉米季土壤磷素均呈盈余状态，磷素盈余量占施磷量的20.8%～28.0%，西北地区玉米季磷素盈余量显著高于其他两个地区，而东北、华北和长三角玉米季土壤磷素呈亏缺状态，其中东北玉米季磷素亏缺量最高，为25.29 kg/hm2。全国水旱轮作区主要集中在长江中游、长三角和西南，其中长江中游水稻季土壤磷素呈盈余状态，盈余量占施磷量的21.6%，长三角和西南水稻季土壤磷素处于输入与输出基本平衡状态。

区域和年际间磷肥偏生产力差异的主要驱动因素是磷肥施用量和作物类别，水稻磷肥偏生产力显著高于小麦和玉米，其中西北小麦和玉米季磷肥偏生产力最低，分别为35.53和76.06 kg/kg。除西南和西北外，东北、华北、长江中游和长三角区施磷25年后磷肥偏生产力呈现稳定趋势。此外，土壤类型、pH、有机质含量和种植制度等在区域间的变化也是影响各区域磷肥偏生产力和磷素盈余量差异的主要因素。综合考虑各区域土壤磷素盈亏状况和作物磷肥偏生产力及其主要驱动因素，推荐了各区域不同作物适宜的磷肥施用量，可在提高磷肥偏生产力的同时，显著减少磷肥投入，降低磷素淋溶等环境污染风险。