黑龙江省春玉米近二十年产量及肥料利用率变化

2022-12-01姬景红刘双全郑雨刘颖张明怡马星竹郝小雨陈雪丽

农业资源与环境学报 2022年6期

姬景红，刘双全，郑雨，刘颖，张明怡，马星竹，郝小雨，陈雪丽

（黑龙江省黑土保护利用研究院，黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室，黑龙江省肥料工程技术研究中心，哈尔滨 150086）

玉米是黑龙江省主要粮食作物之一，2019 年种植面积达587.5 万hm2，产量达3 939.8 万t[1]，其种植面积和产量对于保障黑龙江省乃至全国粮食安全具有重要意义。众所周知，化肥是粮食的“粮食”，在玉米增产中发挥着不可替代的作用。然而黑龙江省玉米生产中仍然存在着化肥用量高、粮食产量增长缓慢、肥料利用率低的现象，长此以往，不但会造成肥料资源的浪费，而且易产生潜在的环境风险。黑龙江省玉米平均单产为6 706 kg·hm-2（来源于2020 年黑龙江省统计年鉴），氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）肥用量范围为150～230、60～120、60～120 kg·hm-2[2-4]，虽然春玉米平均单位面积施肥量低于其他省份，但对于其肥沃的土壤及不断增加的积温而言，玉米单产仍有较大的提升潜力[5]，且肥料用量也有一定的减少空间。以往关于黑龙江省玉米肥料利用率的研究多集中在一年几点[6-8]或几年几点的试验上[4]，缺少较长时间跨度上利用率变化情况的研究。作为全国玉米生产大省，黑龙江省玉米产量及肥料利用率是如何变化的?产生这种变化的主要原因是什么？这些均有待于深入研究和探讨。因此，本研究通过对2000—2019 年近20 年黑龙江省玉米主产区大量田间试验数据的总结分析，探讨黑龙江省玉米产量及肥料利用率，为黑龙江省肥料合理施用及玉米产量的提高提供基础支撑数据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验时间为2000—2019 年（共20 年），试验地区包括黑龙江省双城、宾县、哈尔滨、安达、肇东、肇源、桦川、海伦、庆安、依安、赵光农场等主要的玉米产区，供试土壤主要为黑土。采用田间小区试验方法，设5个施肥处理，分别为：①氮磷钾化肥（NPK）；②磷钾化肥（PK）；③氮钾化肥（NK）；④氮磷化肥（NP）；⑤不施肥（CK）。小区面积30 m2，3 次重复，随机区组排列。玉米品种为当年当地主栽品种。氮肥30%～50%作基肥，50%～70%作追肥于拔节期施入。氮肥用尿素、磷肥用重过磷酸钙、钾肥用氯化钾。玉米种植密度为4.5 万～7.0 万株·hm-2。播种时间为4 月下旬至5 月上旬，收获时间为9月下旬至10月上旬。各试验地点根据区域特点进行正常田间管理。本研究收集了黑龙江省各地区174个田间施肥试验中的522个玉米产量（玉米籽粒含水量15.5%）数据和近2 000 个成熟期养分吸收量数据。

1.2 测定指标及方法

玉米成熟期，在各小区中间位置随机取10 株均匀一致、有代表性的玉米，将其分成籽粒和秸秆两部分。放入105 ℃烘箱中杀青0.5 h。之后，籽粒在70 ℃的烘箱中烘干至含水量为15.5%后测产，再将籽粒和秸秆置于70℃的烘箱中烘干，分别测定秸秆、籽粒质量，采用实验室常规方法[9]测定秸秆和籽粒中氮、磷、钾含量。

1.3 统计分析及计算公式

1.3.1 统计分析

采用Excel 2010 和SPSS 16.0 软件进行数据的统计分析。

1.3.2 计算方法

2 结果与分析

2.1 玉米产量变化及主要原因

由2000—2019 年玉米田间试验结果和黑龙江省统计年鉴可以看出，20 年来黑龙江省玉米单产发生了较大变化（图1）。随着时间推移，试验田玉米单产和黑龙江省玉米平均单产变化趋势一致。2000—2019年玉米单产整体呈上升趋势（图1），其中2000—2009 年玉米产量呈波动缓慢上升趋势，至2010 年以后玉米单产各年份间也有波动，但较2010 年前的各年份产量明显上升。因此，将玉米产量分为2000—2009年和2010—2019年两个阶段。田间试验结果表明，2000—2009 年玉米平均产量为7 347 kg·hm-2（n=126），2010—2019 年玉米平均产量为8 859 kg·hm-2（n=396），2010—2019 年较2000—2009 年玉米平均产量增加1 512 kg·hm-2，增产率达20.6%（黑龙江省统计年鉴数据显示，2010—2019 年较2000—2009年玉米增产率为31.7%）。

图1 不同年份玉米产量平均值变化Figure 1 Variation of average yield of maize in different years

由图2可以看出，近20年黑龙江省玉米收获指数的变化趋势与玉米产量变化趋势一致。2000—2009年玉米平均收获指数为0.45（n=126），2010—2019年为0.50（n=396），2010—2019 年较2000—2009 年玉米收获指数平均增加0.05。

图2 不同年份玉米收获指数平均值变化Figure 2 Variation of harvest index of maize in different years

2.2 玉米施肥量变化

2000—2019 年黑龙江省氮磷钾肥料用量整体呈先增后降的趋势，2000—2015 年氮磷钾肥用量增加，2016 年开始逐渐降低（图3）。玉米田间试验中，氮磷钾肥单位面积用量与黑龙江省氮磷钾肥料用量的变化趋势基本一致，表现为2000—2015 年波动上升，2016 年开始有所下降（图4）。玉米氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）肥在2000—2010 年平均施用量分别为165.2、63.1、64.7 kg·hm-2（n=46），2011—2015 年分别为184.2、73.5、71.1 kg·hm-2（n=50）；2016—2019 年分别为167.0、61.8、66.6 kg·hm-2（n=78）。

图3 黑龙江省肥料施用量（黑龙江省统计年鉴）Figure 3 Amount of fertilizer applied in Heilongjiang Province（Heilongjiang Statistical Yearbook）

图4 2000—2019年玉米施肥量Figure 4 Amount of fertilizer applied in maize from 2000 to 2019

2.3 玉米产量与植株养分吸收量之间的关系

图5、图6 和图7 是玉米产量与植株养分吸收量（籽粒与秸秆养分吸收量之和）之间的关系。由图可知，玉米产量与植株氮、磷、钾吸收量均呈极显著的对数函数关系。随着植株氮、磷、钾吸收量的增加，玉米产量增加。玉米产量与氮素吸收量相关性最高，其次为钾素，与磷素相关性最低。

图5 玉米产量与植株吸氮量之间的关系Figure 5 Relationship between yield and plant nitrogen uptake of maize

图6 玉米产量与植株吸磷量之间的关系Figure 6 Relationship between yield and plant phosphorus uptake of maize

图7 玉米产量与植株吸钾量之间的关系Figure 7 Relationship between yield and plant potassium uptake of maize

2.4 玉米氮磷钾肥料利用率变化

黑龙江省近20年（2000—2019年）玉米肥料利用率统计结果（表1）表明，氮、磷、钾肥利用率范围分别为22.3%～50.7%、5.1%～37.6%和26.3%～76.4%，平均值为36.9%、18.0%和47.8%（n=119）。根据化肥施用及肥料利用率可将研究时期进一步划分为三个阶段：2000—2010 年、2011—2015 年、2016—2019 年。氮肥利用率在这三个阶段的平均值分别为38.5%（n=34）、34.4%（n=53）和39.4%（n=32）；磷肥（P2O5）利用率为18.8%、15.8%、20.7%；钾肥（K2O）利用率为47.9%、46.4%和49.9%；氮、磷、钾肥利用率均表现出先降低后增加的趋势。这可能主要是由于2011—2015 年肥料用量（尤其是氮肥用量）明显增加，导致肥料利用率下降；2016—2019 年用量下降到2000—2010 年的水平，且玉米产量明显增加，所以肥料利用率呈明显上升趋势。

表1 黑龙江玉米氮磷钾肥料利用率变化Table 1 Changes in nitrogen，phosphorus and potassium fertilizer use efficiency of maize in Heilongjiang Province

3 讨论

3.1 黑龙江省玉米产量变化的主要影响因素

影响玉米产量的主要因素有品种，积温、降水等气候条件，土壤性质，施肥状况，耕作、栽培等农艺措施。在每年相似的农业管理措施下，本试验研究结果表明，近20 年黑龙江省玉米单产及玉米收获指数均呈上升的趋势。按数据的整体趋势，可将玉米产量及收获指数划分为两个阶段，即2000—2009年和2010—2019 年。第二阶段的玉米单产和收获指数均较前一阶段有明显提高。玉米收获指数的高低与品种密切相关，不同品种的养分在植株和籽粒中的分配各不相同，进而影响收获指数的大小，造成产量差异[10-13]。本研究20 年中玉米品种的选择与品种的演替基本同步，即每年都按当地积温等气候条件选择适宜的品种。钱春荣等[14]的研究结果表明，黑龙江省在1970—2000 年玉米品种更替过程中，籽粒产量和氮肥利用率均明显提高。由本研究试验数据可以看出第二阶段玉米施肥量高于第一阶段，尤其是氮磷肥用量的增加使得玉米产量增加。另外，玉米产量的增加可能与温度的变化有关，近年来黑龙江省积温不断增加[5]，使得高产晚熟品种种植面积扩大。本研究结果进一步表明，肥料用量的增加、玉米品种及种植密度的改变、收获指数及有效积温的增加，均是近20 年来玉米产量增加的主要原因。

3.2 黑龙江省玉米主产区肥料利用率的变化

肥料利用率是作物生产中投入的肥料被作物吸收利用状况的一个表征。朱兆良[15]1998年指出，当时我国主要粮食作物的氮、磷、钾肥利用率分别为30%～35%、15%～20%、35%～50%。张福锁等[16]于2008 年也总结了1 333个田间试验，提出我国主要粮食作物氮、磷、钾肥利用率均呈逐渐下降趋势，氮、磷、钾肥利用率范围分别为10.8%～40.5%、7.3%～20.1%、21.2%～35.9%，平均为27.5%、11.6%、31.3%；同时，根据5 年349 个玉米田间试验结果，得出河北、天津、山东、山西、陕西5 个地区玉米平均氮、磷、钾肥利用率为26.1%、11.0%、31.9%。本研究对2000—2019 年119个玉米田间肥料试验的统计结果表明，氮、磷、钾肥利用率范围分别为22.3%～50.7%、5.1%～37.6%、26.3%～76.4%，平均为36.9%、18.0%、47.8%。由以上数据可知，黑龙江省玉米主产区的氮、磷、钾肥料利用率均较高。这一方面可能与黑龙江省黑土区土壤基础肥力相对较高、肥料用量较少有关[17]，另一方面可能由于黑龙江省地处北部寒区，氮肥的气态损失较少[18]。本研究根据化肥施用及肥料利用率将研究时期进一步划分为三个阶段：2000—2010 年、2011—2015 年、2016—2019 年。氮肥利用率在这三个阶段的平均值分别为38.5%、34.4%、39.4%；磷肥（P2O5）利用率为18.8%、15.8%、20.7%；钾肥（K2O）利用率为47.9%、46.4%、49.9%；氮磷钾肥利用率表现出先降低后增加的趋势。这可能主要是由于2011—2015 年肥料用量（尤其是氮肥用量）明显增加，导致肥料利用率下降；2016—2019 年用量下降到2000—2010 年的水平，且玉米产量明显增加，所以肥料利用率呈明显上升趋势。史常亮等[19]的研究表明，与2004 年相比，2013 年我国小麦、水稻、玉米的化肥施用强度明显增加，玉米化肥效率下降了3.29%[19]。李红莉等[20]研究发现，与2000 年相比，2007 年我国玉米施肥总量增加了64.8%，化肥效率平均减少17%，全国玉米化肥效率的大幅下降是由于玉米单产整体增幅小于化肥投入的增幅。本研究及以上研究结果进一步说明，肥料用量的增加是肥料利用率降低的主要原因。近几年来，“减肥”特别是“减氮”的行动在我国广泛开展，2015年，农业部制订了《到2020 年化肥使用量零增长行动方案》。从本研究田间试验和黑龙江省统计年鉴中氮磷钾肥料用量也可以看出，自2016 年以来肥料用量减少，氮磷钾肥料利用率呈现出增加趋势。2017 年和2018 年针对黑龙江省大部分地区农户进行的玉米施肥现状调查结果显示，黑龙江省主要存在氮肥施用过量和钾肥施用不足的问题，玉米生产中氮磷肥施用量有一定的降低空间[21-22]。可见，随着肥料施用逐渐合理化，肥料利用率将有一定的提升空间。