我国东北地区春玉米科学施肥评价

2022-05-10丰智松曹寒冰付浩然张青松赵帅翔

中国土壤与肥料 2022年3期

丰智松，曹寒冰，付浩然，张青松，李芳，赵帅翔*

（1.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2.山西农业大学资源环境学院，山西晋中 030801；3.浙江大学环境与资源学院，浙江杭州 310058；4.西藏自治区农业技术推广服务中心，西藏拉萨 850000）

玉米是全球分布最广和产量最高的粮食作物。绿色革命（1960年）以来，全球玉米种植面积从1.05亿hm2增加到1.97亿hm2，单产从1942 kg/hm2增加到5755 kg/hm2，总产量从2.05亿t增至11.34亿t[1]。肥料施用是保障玉米稳产增产的重要农业措施，然而，不合理施肥尤其是过量施用化肥不仅不会继续提高玉米产量，还易造成农田养分损失，威胁粮食和环境安全[2-3]。我国是仅次于美国的第二大玉米生产国[4]，平均单产为7600 kg/hm2，较美国低2700 kg/hm2，而我国玉米氮肥施用量（220 kg/hm2）却比美国高66 kg/hm2[5]，玉米施氮过量现象普遍存在。东北地区是我国重要的玉米生产基地，2018年其玉米种植面积和产量均占全国30%以上[6]，施肥对该区玉米单产贡献率高达51%～62%[7]。2008年443个农户样本调研结果显示，东北部分地区玉米氮肥用量已经接近350 kg/hm2[8]，而玉米单产和氮肥利用率分别仅有6874 kg/hm2[6]和28.0%[9-10]。东北地区春玉米合理施用氮、磷和钾肥料的农户比例分别仅有39%、22%和38%，且在部分地区施氮过量（＞240 kg/hm2）的农户所占比列高达54%[8]。因此，明确东北玉米施肥现状对提高玉米产量和肥料利用效率有重要意义。

科学施肥技术的建立与推广是解决农田作物不合理施肥的有效手段。东北春玉米田间肥效试验研究表明，通过测土配方施肥技术可以节约4.9%～5.8%的肥料[11-12]，提高6.6%～36.7%的产量[12-13]，同时氮肥利用率提高5.7%～8.7%[14-15]；秸秆还田技术可以节约20%～30%的氮肥[16-17]，促进玉米增产5.2%～5.9%[18-19]；有机无机肥配施在提高2.5%～20.1%产量的情况下可以替代节约20%～30%的氮肥[20-22]；氮肥分期调控技术可使产量增加5.7%～16.4%，同时将氮肥利用率提高5.3%～20.5%[10，23]；通过玉米机械化施肥技术可以使玉米产量提高1.2%～4.6%[24]。可见，采用不同科学施肥技术能在保障玉米稳产增产的情况下，减少施氮量，并提高肥料利用效率。那么，目前东北地区农户对各种科学施肥技术的掌握程度如何？是否有效地解决了当地对玉米过量施肥缺乏系统认识的问题呢？

为此，本研究于2019年在东北春玉米主产区通过调研调查了农户春玉米施肥管理情况，并在此基础上分析了农户施肥的合理性以及对科学施肥技术的掌握情况，旨在明确当前农户施肥现状及科学施肥技术发展程度，为东北春玉米科学施肥提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

东北地区（38°43′～53°33′N，118°53′～135°05′E，面积80.84万km2）是我国重要的粮食生产基地，该区域夏季温暖多雨，冬季寒冷干燥，≥10℃积温2000～3600℃，6～9月平均气温15～25℃，无霜期130～170 d；全年降水量400～800 mm，受季风气候影响，季节间降水量差异较大，但主要集中在7～9月，雨热同期，光照充足，尤其适合春玉米的生长发育。当地春玉米一般在5月左右播种，10月左右收获，一年一熟制。

1.2 调查方法

本研究依托全国测土配方施肥评估项目，文中数据源自2019年东北典型地区农户春玉米施肥调研数据。依据跟踪调研的原则，在调研地区按人均纯收入水平用等间轴距的方法选择调研农户。选择跟踪调研的伊通、靖宇、铁东、双阳、克山和海伦6个县（市），每个县（市）抽取3个跟踪调查的乡（镇），每个乡（镇）抽取2个跟踪调查的村，每个村抽取8个农户，共获得288个样本，其中玉米有效样本有247个。

1.3 调查内容

调查内容主要包括两部分。第1部分为东北农户春玉米施肥量现状，包括农户种植面积（hm2）、作物产量（kg/hm2）、肥料用量（基肥、追肥的氮磷钾养分量）、养分来源（有机肥、化肥）、施肥时期（基肥、追肥）、施肥方式（人工施肥、机械施肥）等；第2部分为农户对关键科学技术的掌握情况，包括秸秆还田技术、有机无机肥配施技术、肥料运筹技术、机械化施肥技术。

1.4 分析指标

单产：按照标准水分含量14%折算；施肥量：施用的化肥由实物量折算为纯养分时，复合肥养分含量按包装袋上标识的含量折算，单质肥料按各肥料养分含量标准计算，有机肥养分含量参考《中国有机肥料养分志》[25]提供的数值折算；技术采纳率：采用某种技术的农户样本量占全部农户样本量的百分比；在本研究中，机械施肥：玉米基肥或追肥过程中使用机械施用肥料；机械一次性施肥：玉米基肥时期使用机械一次性施用全生育期肥料；机械分次施肥：玉米基肥和追肥过程中均使用机械施用肥料；人工施肥：玉米基肥或追肥过程中纯靠人力施用肥料。

氮肥偏生产力（PFPN）是指单位投入的肥料氮所能生产的作物籽粒产量，单位为kg/kg。它是一个可以充分反映实际生产水平的重要指标，是当地土壤基础氮素水平和氮肥施用量的综合效应。国际农学界常用PFPN，原因是它不需要通过试验测定空白区产量和养分吸收量，简单明了、易于运用，尤其适合于用农户调研数据分析化肥效率。计算公式为：

式中，Y为施肥后所获得的玉米产量；F代表化肥纯养分（N）的投入量。

1.5 施肥水平分级标准

前人分析东北春玉米施肥量时，往往以合理施肥范围为中心值，以60～80 kg/hm2为变幅，划分3～5个施肥等级[8]。本研究以农业农村部发布的东北春玉米施肥“大配方，小调整”为依据，根据不同产量等级划分施肥水平。克山、海伦、靖宇施肥标准参照东北冷凉春玉米区划分，双阳、伊通、铁东施肥标准参照东北半湿润春玉米区划分[26]，施肥量低于合理施肥范围为不足，高于合理施肥范围为过量，具体划分标准见表1和表2。

表1 东北冷凉春玉米区春玉米不同产量等级及其合理施肥范围（kg/hm2）

表2 东北半湿润春玉米区春玉米不同产量等级及其合理施肥范围（kg/hm2）

1.6 数据处理与统计分析

采用Excel 2010对数据进行处理。SPSS 20.0进行统计分析，用LSD法检验，采用Duncan法多重比较。

2 结果与分析

2.1 东北春玉米产量、施肥量及氮肥偏生产力

分析东北247个农户春玉米施肥量、产量和氮肥偏生产力（表3）发现，各区施氮（N）量为214～242 kg/hm2，平均为228 kg/hm2；施磷（P2O5）量为87～127 kg/hm2，平均为107 kg/hm2；施钾（K2O）量为68～124 kg/hm2，平均为96 kg/hm2；春玉米产量为9032～10036 kg/hm2，平均为9534 kg/hm2；春玉米氮肥偏生产力为45～50 kg/kg，平均为47 kg/kg。调研区域施肥量和产量均变异较大，但施肥水平和产量高低表现不一致，导致该区域整体氮肥偏生产力较低。因此，需进一步明确当地农户施肥的合理性及科学施肥技术发展程度。

表3 调查区春玉米养分投入量、产量及氮肥偏生产力

2.2 东北春玉米施肥现状评价

2.2.1 农户春玉米施肥量评价

依据不同产量水平对应的氮肥施用标准评价农户施氮的合理性，结果（图1）显示，在所调研农户中，施氮不足、合理、过量的农户分别占10.5%、16.6%、72.9%，施氮不合理主要表现为农户施氮过量。分析农户施氮量在不同产量水平上的分布发现，从低产到超高产，施氮不足的农户比例逐渐降低，由16.3%降低到8.0%；施氮合理的农户比例逐渐增加，由0增加到34.0%；施氮过量的农户比例逐渐降低，由83.7%降低到58.0%。可见，调研区域氮肥管理较差，各产量水平的农户均存在严重施氮过量的问题。

评价农户施磷合理性（图1）发现，在所调研农户中，施磷不足、合理、过量的农户，分别占15.0%、18.6%、66.4%，施磷不合理主要表现为施磷过量。分析农户施磷量在不同产量水平上的分布发现，从低产到超高产，施磷不足的农户比例逐渐增加，由6.1%增加到18.0%；施磷合理的农户比例逐渐增加，由8.2%增加到36.0%；施磷过量的农户比例逐渐降低，由85.7%降低到46.0%。可见，调研区域施磷不合理现象明显，中低产量水平的农户施磷过量的问题较为突出。

评价农户施钾合理性（图1）发现，在所调研农户中，施钾不足、合理、过量的农户，分别占10.5%、16.2%、73.3%，施钾不合理主要表现为施钾过量。分析农户施钾量在不同产量水平上的分布发现，从低产到超高产，施钾不足的农户比例逐渐增加，由2.0%增加到18.0%；施钾合理的农户比例逐渐增加，由0增加到30.0%；施钾过量的农户比例逐渐降低，由98.0%降低到52.0%。从低产到超高产，虽施钾过量的农户比例降低了46.0%，但存在的问题与氮肥一样，各产量水平的农户均严重施钾过量。

图1 不同施肥等级的农户在各产量水平的分布

2.2.2 施肥技术采纳率及其对产量、氮肥用量的影响

分析东北春玉米科学施肥技术采纳率（表4）发现，就秸秆还田技术而言，采用秸秆还田技术的农户（包括粉碎还田、翻压还田、覆盖还田）比例为41%。秸秆还田农户的春玉米产量为9834 kg/hm2，秸秆不还田农户的产量为9764 kg/hm2，差异不显著；秸秆还田农户施氮仅215 kg/hm2，显著低于秸秆不还田的农户施氮（238 kg/hm2）。就有机无机配施技术而言，施用有机肥的农户比例仅有9%。有机无机配施农户的春玉米产量为10726 kg/hm2，显著高于单施化肥农户的产量（9822 kg/hm2）；有机无机配施农户施氮256 kg/hm2（包括有机肥中的氮）与单施化肥农户施氮（229 kg/hm2）差异不显著。就肥料运筹技术而言，采用肥料运筹技术的农户比例为35%。“一炮轰”（一次性施肥）农户的春玉米产量为10096 kg/hm2，高于追肥农户（9454 kg/hm2）；“一炮轰”农户施氮220 kg/hm2，而进行追肥农户施氮（242 kg/hm2），差异显著。就机械化施肥技术而言，机械化施肥的农户所占比较高，为65%。机械施肥农户的春玉米产量为10196 kg/hm2，显著高于人工施肥农户的春玉米产量（9074 kg/hm2）；机械施肥农户施氮229 kg/hm2，显著低于人工施肥农户施氮（263 kg/hm2）。可见，东北春玉米机械化施肥的农户采用率最高，为65%，而其他技术采用率相对较低，均未超过50%，另外，机械化施肥技术效果较好，可以达到春玉米化肥减量增效的目标。

表4 各项技术采纳率及其对调查区春玉米产量和施氮量的影响

进一步对农户春玉米机械化施肥技术进行分析（表5）发现，在基肥方面，采用机械和人工的农户比例分别为58%和42%。基肥机施农户的施氮量为188 kg/hm2，比基肥人工施用显著高41 kg/hm2；基肥机施的农户玉米产量为9885 kg/hm2，显著高于基肥人工施用的农户产量（8954 kg/hm2）。另外，从基肥机施和基肥人工施用的农户追肥情况（表6）来看，基肥机施农户的追肥率和追施氮量分别为19%和129 kg/hm2，均低于基肥人工施用农户的追肥率和追施氮量。在追肥方面（表5），机械追肥和人工追肥所占比例分别为51%和49%。机械追肥农户的追施氮量为121 kg/hm2，比人工追肥农户的追施氮量显著减少了40.7%；机械追肥农户的产量为9639 kg/hm2，比人工追肥农户的产量显著提高了13.6%。

表6 基肥机施与基肥人工施用分别对农户追肥的影响

从机械一次性施肥和机械分次施肥情况（表5）来看，机械一次性施肥的农户占85%，其平均产量和总施氮量分别为10805和229 kg/hm2；机械分次施肥的农户占15%，其平均产量和总施氮量分别为10005和194 kg/hm2，两种施肥方式产量差异不显著，总施氮量差异显著。综合而言，机械化分次施肥是促进氮肥减量和玉米稳产高产的有效措施。

表5 调查区域机械施肥对春玉米产量和施肥量的影响

3 讨论

3.1 肥料投入

本研究中春玉米氮肥投入量介于214～242 kg/hm2，而该区域春玉米推荐施氮量一般为150～240 kg/hm2[26-28]，因此该地区春玉米氮肥平均用量较高。调研农户中施氮合理的农户占16.6%，施氮过量的占72.9%。与高强等[8]2008年的研究结果相比，施氮过量的农户比例增加了41.6%。原因是该地区农户现多施用高氮肥料，但并未降低其用量，这与大多农户对施氮过量的认知不足、合理降低氮肥用量意愿较低有关[29]。东北地区土壤基础肥力相对较高，物理性质和结构良好，但仍有超过1/2的农户氮肥投入过量，这样不仅会增加农民投入成本，而且还会造成资源的浪费并存在环境污染的风险[30-32]。科学的养分管理，可以在减少氮肥用量的情况下，保证粮食不减产。例如，张建军等[33]认为通过合理的养分资源管理，在氮肥减施20%～40%的情况下，作物产量不会减少。这些研究对减少氮肥用量进而减少面源污染意义重大，所以合理地引导施氮量高的农户降低施氮量是今后东北春玉米施肥工作的重点。

本研究中春玉米磷肥投入量为87～127 kg/hm2，而该区域春玉米推荐施磷量一般为62～100 kg/hm2[26-28]，据此可知，该地区春玉米磷肥平均用量偏高。调研农户中施磷合理的农户占18.6%，施磷过量的占66.4%。与高强等[8]的研究结果相比，近年来施磷过量的农户比例增长了7.5%。该地区农户施用的化肥类型以复合肥为主，因农户在一定程度上缺乏科学的施肥技术和知识[34]，盲目过量施用复合肥，导致其所带入土壤中的磷养分含量较高，同时这也是氮、钾养分含量投入较高的主要原因之一。有研究表明，玉米过量施用磷肥反而会减产，当施磷水平超过合理范围，继续施磷会导致玉米产量出现下降的趋势[35]。并且磷肥的过量施用导致土壤中磷素的大量积累，夏秋季节，农田退水通过地表径流的方式汇入河流，造成面源污染[36]。目前东北地区已有多条河流因此造成了水体富营养化[37-38]。因此，减少磷肥用量并充分利用磷养分资源对促进农业的可持续发展和减少环境污染意义重大。

本研究中春玉米钾肥投入量为68～124 kg/hm2，而该区域春玉米推荐施钾量一般为60～100 kg/hm2[26-28]，据此可知，该地区春玉米钾肥平均用量略高。调研农户中施钾合理的农户占16.2%，施钾过量的占73.3%。与高强等[8]的研究结果相比，近年来施钾过量的农户所占比例增长了60.4%。原因可能是本研究所推荐的钾肥合理用量范围低于高强等[8]提出的钾肥合理用量范围，同时也与当地肥料市场销售的肥料产品和作物养分需求不匹配有关，当地销售的肥料产品钾含量高于专家推荐量。钾肥的过量施用不仅会造成玉米减产甚至可能减少收益，已有研究表明，随着钾肥的投入玉米产量和经济效益会呈现先升高后下降的趋势，过量施钾经济效益大幅度下降[39]。因此，当地肥料市场应该销售专家推荐的肥料配方或者近似的配方，肥料经销商和政府农技人员应该引导当地农民科学地选择肥料产品，进而在保证玉米产量的同时减少钾肥投入，确保农民收益。

3.2 技术采纳率

技术采纳率重点评估农户施肥技术和施肥观念，近年来主推的科学施肥技术包括秸秆还田技术、有机无机肥配施技术、氮肥运筹技术、机械化施肥技术。以这些技术为依据，本文分析了东北地区农户的采用情况及其对农户施肥量和春玉米产量的影响。

在所调研农户中，秸秆还田的农户所占比例为41%。这些农户玉米氮投入较少，但产量并没有降低，其原因是秸秆中含有多种营养元素，将其还田能有效补充土壤养分并提高土壤有机质含量[40-41]。已有研究表明，秸秆还田可以提高玉米产量[42]，但本研究中秸秆还田的农户产量增幅与前人相比较小，这主要是因为秸秆还田的效果与农户秸秆还田方式、还田时间、施氮量、土壤类型、气候条件等有关[43]。东北冬季寒冷，春季干燥，秸秆还田后不能很好的腐解，增加整地难度，严重影响播种和出苗质量[44]。因此，当地农户应因地制宜选择秸秆还田技术。有研究指出，在秸秆还田的同时配施一定量的氮肥，保持合适的碳氮比，有利于作物的生长发育，达到增产的目的[45]。另外，蔡红光等[46]研究表明，东北黑土区最适合秸秆深翻还田，但这需要动力95.6 kW以上的大型农机具，而目前东北大型农机具相对较少。所以，进一步研究和推广适合东北地区春玉米秸秆还田技术十分关键。

在所调研农户中，春玉米施用有机肥的农户仅有9%。近年来东北春玉米施用有机肥的农户所占比例呈下降趋势[47-48]，这是因为随着规模化养殖和劳动力老龄化、女性化，小农户不仅缺乏农家肥原料且施用已经越来越困难。本研究中施用有机肥的农户玉米产量较高，这与国内外众多学者的研究结果保持一致[49-50]。因为有机肥的施用不仅改变了土壤的理化性质，还带入了外源氮、磷、钾和微量元素，有利于作物的生长[51]。但当地施用有机肥的农户总氮投入过高，没有合理降低化肥氮的投入。已有大量研究认为有机肥代替氮肥减施20%～30%后，可维持玉米不减产甚至增产[20-21]。因此，今后东北地区农户应重视有机肥的投入，在施用有机肥的同时合理减少氮肥用量，这对化肥减量、培肥土壤以及降低环境污染都有积极的作用。

在所调研农户中，采用肥料运筹技术的农户所占比例仅为35%。近年来农村劳动力匮乏且追肥较为困难，因此大多农民为了节省劳动力采用了“一炮轰”的施肥方式。本研究结果表明采用肥料运筹技术的农户氮投入过高，且产量较低。这与苏效坡等[52]在吉林梨树县的调研结果一致。而科学试验证明，氮肥运筹技术会提高肥料利用率并增加玉米产量[53]。杨升辉等[54]认为玉米采用氮肥运筹技术有利于玉米灌浆时间的延长，提高了养分的吸收时间，最终也提高了玉米产量。导致本研究结果的原因可能有以下两点：一是农户不明确追施氮肥的时间，导致氮肥的施用时间和玉米的生育期没有完全耦合，造成氮肥利用率和产量较低。玉米追肥最好在拔节期至大喇叭口期进行，因为在这期间玉米养分需求最为旺盛[55]。二是农户氮肥投入基追比例不合理，调查地区氮肥投入基追比例为1∶1.3，与当地玉米推荐氮肥投入基追比例1∶2[56]相比差距过大。可知，东北农户没有科学地掌握春玉米肥料运筹技术，应加强对农户此项技术的科学指导。

在所调研农户中，机械化施肥的农户所占比例达到了65%。随着机械化的发展，人们对机械的依赖增大，传统的人工撒施正被机械化替代。本研究结果发现，机械施肥降低了肥料用量，同时提高了玉米产量。而目前国内对玉米机械化施肥的研究甚少，本研究对此分析发现：基肥机施与基肥人工施用相比，降低了农户追施氮肥的意愿和追氮量，大多数农户想通过基肥机施一次性完成玉米施肥作业。虽然玉米机械化一次性施肥技术会减少肥料投入，节省劳动力，但它对肥料提出了更高的要求，所用肥料产品应该是缓/控释肥，并且能够满足玉米全生育期对养分的需求[57]，而所调研农户很少用到此类肥料。与人工追肥相比，机械追肥节省了氮肥投入并提高了作业效率，追肥机的发展使玉米可以进行机械化追肥，其具有降低劳动力强度、增产并提高肥料利用率的优点，已在华北和东北地区应用推广[58]。总的来说，玉米机械化分次施肥效果最好，它具有减少肥料损失、满足玉米养分需求、减少劳动力等优点。由此可见，东北地区春玉米机械化施肥技术已经取得成效，并且被大多数农户认可，但是在机械化施肥过程中要注意施肥机具的选择，以及肥料产品的物理性状要适应机械化施肥要求等问题。