陕西省农田化肥投入过量与不足的研究

王小英，陈占飞，胡 凡，同延安

(1.榆林市农业科学研究院， 陕西 榆林 719000; 2.西北农林科技大学资源环境学院， 陕西 杨凌 712100)

随着人口的增加和耕地的减少, 我国粮食安全与环境保护的矛盾日益尖锐[1]。1980到2011年，我国粮食总产量增加了78.19%，粮食作物播种面积却减少了5.68%，而化肥消费量增加了349.36%[2]。据报道施用化肥可提高粮食单产40%～50%以上，粮食总产中约1/3是施用化肥的贡献[3-4]。同时，化肥又是农业生产投资中最大的物质投资，其支出约占全部农业生产投资的50%[5]。近年来我国很多地区化肥过量施用尤其是氮肥的过量施用已很严重[6-10]，出现了一系列环境问题[11-13]，包括地下水硝酸盐污染、水体富营养化、温室气体排放增加、酸雨、土壤酸化。在过去20年里，由于氮肥的过量施用导致全国土壤pH值平均下降0.5个单位[14]。由此可见，如何用好化肥，充分发挥化肥的作用，提高作物产量和降低环境风险关系到我国农业可持续发展，是我国迫切需要解决的问题。

农户是农业生产中最基本的活动单元，也是目前农田养分优化管理的重要细胞，其科学化管理程度的高低直接影响着肥料资源的综合利用效率和全国农作物产量[15]。农田施肥是保持土壤肥力和增加作物产量的重要环节之一[16-17]，因此调查与研究主要农作物施肥状况对农业生产与国家粮食安全有重要意义。近来关于农户施肥调查的报道已有很多[18-23]，但主要集中在某一作物或某一轮作体系，而全省尺度上主要农作物的化肥施用整体评价鲜有报道。本文利用陕西省测土配方施肥项目县2006—2011年的主要农作物施肥调查数据，对全省化肥施用状况进行了分析和评价，寻求农户施肥中存在的问题，提出解决问题的对策，为养分资源综合管理的宏观调控提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

陕西省位于中国西北地区东部的黄河中游，地处东经105°29′～111°15′、北纬31°42′～39°35′之间，全省南北长约880 km，东西宽约160～490 km，面积为20.56万km2。以秦岭为界南北河流分属长江水系和黄河水系，全省根据气候条件、种植制度等自北向南分为4个农业生态区，即陕北高原、渭北旱塬、关中灌区和陕南秦巴山区，本文分别简称陕北、渭北、关中和陕南。种植农作物主要包括小麦、玉米、马铃薯、油菜、水稻和苹果，其中陕北地区主要种植玉米、马铃薯和苹果，渭北和关中地区主要种植小麦、玉米和苹果，陕南地区主要种植小麦、玉米、马铃薯、油菜和水稻。各区域土壤类型、气候条件和土壤理化性状见表1。

表1 不同区域土壤类型、气候条件[24]和土壤理化性状1)

注：1)土壤理化性状数据采用陕西省测土配方施肥项目县土壤测定值。

Note: 1) Soil properties data collected by testing centers in the different regions of Shaanxi Province.

1.2 数据处理与分析

数据来源于2006—2011年陕西省69个测土配方施肥项目县的施肥调查信息。各项目县每年选取具有代表性的自然村，由农技推广人员随机选取农户进行调查，调查内容主要包括：作物品种、作物产量、肥料品种、施肥量、施肥时期等。不同区域不同作物调查样本量见表2。

所有数据均用EXCEL和SAS统计软件处理分析。

表2 不同区域不同作物调查样本分布

注：“—”表示相应作物不属于该区域主要种植作物，下同。

Note： “—”means the crop is not the main crops in the region, the same as below.

2 结果与分析

2.1 不同作物化肥投入状况

在已有试验研究、调查结果以及专家建议基础上制定陕西省不同区域主要种植作物的合理施肥量[9,25-29](表3)。由表3可知，与合理施氮量比较，全省小麦、玉米、马铃薯和苹果平均施用量较高，分别为183、230、155 kg·hm-2和558 kg·hm-2，而油菜和水稻平均施用量适中，分别为145 kg·hm-2和159 kg·hm-2；与合理施磷量比较，全省小麦、马铃薯和苹果平均施用量较高，分别为110、78 kg·hm-2和358 kg·hm-2，而玉米、油菜和水稻平均施用量适中，分别为63、62 kg·hm-2和62 kg·hm-2；与合理施钾量比较，全省小麦、玉米、马铃薯、油菜和水稻平均施用量极低，分别为21、20、13、34 kg·hm-2和45 kg·hm-2，而苹果平均施用量适中，为208 kg·hm-2。另外由图1可知全省主要作物化肥氮磷钾农户合理投入的比例较低，均达不到50%。氮肥投入过量现象非常严重，尤其是小麦、玉米、苹果等，农户氮肥投入过量比例分别为68.42%、63.25%和72.30%，而马铃薯、油菜和水稻作物氮肥投入过量和不足并存，过量比例分别为26.88%、15.22%和22.60%，不足比例分别为33.76%、46.23%和29.36%。磷肥投入过量和不足并存，小麦、玉米、马铃薯、油菜、水稻和苹果磷肥投入过量比例分别为41.00%、30.79%、25.03%、26.24%、11.18%和50.02%，不足比例分别为38.09%、58.76%、14.87%、46.16%、46.46%和29.81%。钾肥投入则严重表现为不足，以上六种作物钾肥投入不足比例均较高，分别为77.52%、82.96%、96.56%、63.78%、92.19%和56.39%。说明全省农户不合理施肥非常严重，合理引导农户根据不同作物施用化肥是今后全省施肥工作的重要内容之一。

表3 不同作物化肥投入状况与合理施肥量比较

2.2 不同作物合理施肥的增产潜力

陕西省主要作物施肥合理的产量较施肥不足的产量有所增加(表4)。全省小麦、玉米、马铃薯、油菜、水稻和苹果合理增施氮肥单位面积增产率分别为0.35%～12.06%、0.87%～17.70%、9.99%～24.20%、17.32%、2.88%和1.06%；合理增施磷肥单位面积增产率分别为1.43%～2.24%、0.36%～22.04%、11.06%～-23.75%、10.67%、4.93%和10.88%；合理增施钾肥单位面积增产率分别为0.92%～16.26%、2.51%～23.93%、53.75%～115.08%、11.42%、5.81%和3.53%。由单位面积增产量乘以施肥不足面积即可计算不同区域及全省的总增产量。由表4可知，如果氮肥投入不足的农户将其用量增加到合理水平，全省小麦、玉米、马铃薯、油菜、水稻和苹果将分别增产0.51、10.17、26.95、3.37、0.82万t和1.92万t；如果磷肥投入不足的农户将其用量增加到合理水平，全省这六种作物将分别增产4.53、36.67、10.50、2.20、2.21万t和52.53万t；如果钾肥投入不足的农户将其用量增加到合理水平，全省这六种作物总产量增加幅度更大，分别为19.86、55.62、459.35、3.21、5.24万t和34.08万t。因此，引导施肥不足的农户增加施肥量到合理水平对全省粮食增产有重要意义。

2.3 不同作物过量施用的氮、磷肥总量

与陕西省主要作物钾肥投入严重不足不同，化肥氮、磷投入过量现象较严重，尤其是氮肥(图1)。

图1 陕西省不同作物氮、磷、钾肥投入比例分布

由单位面积过量投入氮、磷量减去合理施肥量的上限，乘以各作物种植面积[30]，然后再乘以过量投入比例，可得到过量投入总量(表5)。由表5可知，全省氮肥投入过量的作物主要是小麦、玉米和苹果，分别为5.37、6.59万t和12.83万t，小麦、玉米、马铃薯、油菜、水稻和苹果总氮肥投入过量高达25.76万t，面积为210.2万hm2。与氮肥相似，全省磷肥投入过量的作物主要也是小麦、玉米和苹果，分别为2.17、1.20万t和5.13万t。以上六种主要作物总磷肥投入过量9.32万t，总面积为123.8万hm2。

表5 陕西省不同作物化肥氮、磷投入过量的面积和总量

3 结论与讨论

陕西省农田氮肥投入过量较严重，尤其是种植面积较大的小麦、玉米和苹果，农户氮肥投入过量比例分别为68.42%、63.25%和72.30%，全省氮肥投入过量数量达25.76万t。氮肥投入过量不仅大量浪费资源，同时对环境造成潜在威胁[31-32]。首先是造成硝酸盐大量积累，引起地下水的污染。杨学云等[33]利用18 a长期定位试验研究发现冬小麦-夏玉米轮作制度下土壤剖面中硝态氮的总量与氮肥施用量直接相关，而作物对化肥氮的利用率与施肥量呈相反趋势。郭胜利等[34]研究发现粮食作物年平均施化学氮肥120 kg·hm-217 a时，0～3 m土壤剖面累积硝态氮达1 065 kg·hm-2。很多对粮田的研究也证明了过量施用氮肥时，深层土壤硝态氮累积量大幅增加，淋失风险大大增强[35-37]。樊军等[38]研究表明，与粮田相比，果园硝态氮累积严重，累积层在80～160 cm，最高含量达201.9 mg·kg-1。吕殿青等[39]研究指出，在0～2 m和0～4 m深层内硝态氮累积量在8 a以上苹果园分别达1 602 kg·hm-2和3 414 kg·hm-2。其次是增加了温室气体排放。联合国政府间气候变化专门委员会第四次评估报告指出，农业中70%的温室气体来自于氮肥[40]。张福锁等[41]指出我国每吨氮肥从生产、运输到农田施用共排放12.85 t等当量CO2，由此计算陕西省每年主要农作物仅过量投入的氮肥排放CO2量高达331.02万t。Feath and Greenhalgh[42]指出农业生产中任何氮素施用的减少都会对水质量和气候保护有很大益处。同时，适当降低施肥量不一定意味着减产[43-44]。例如我国水稻/小麦轮作体系和冬小麦/夏玉米轮作体系的大量试验表明，利用养分资源科学管理方法，在氮肥减少30%～60%的情况下作物产量没有减少[13]。娄庭等[45]指出，在农户习惯施肥量的基础上减氮20%能提高作物产量和品质。

陕西省农田磷肥投入过量与氮肥一致，主要是种植面积较大的小麦、玉米和苹果，农户磷肥投入过量比例分别为41.00%、30.79%和50.02%，全省磷肥投入过量数量达9.32万t。磷肥投入过量不仅大量浪费资源，同时对环境造成潜在威胁[31-32]。据统计，我国磷肥生产消耗了80%以上的磷矿资源[46]，而磷矿资源有限，高品位磷矿资源可利用年度不到10年[47]。另外，我国主要粮食作物的磷肥利用率变幅为7.3%～20.1%，平均11.6%[1]，这导致施入土壤的磷素在土壤中大量累积，并通过地表径流造成面源污染[48]。全国目前水体污染物来源于工业、生活和农业面源的大约各占1/3，朱兆良等[49]研究表明，我国农业的面源污染问题日趋严重，特别是富营养化成为一个严重的环境问题，其表现在湖泊富营养化迅速上升、城市湖泊富营养化程度严重、大型淡水湖泊富营养化程度严重。其中太湖、滇池和巢湖面源污染物对全氮的贡献率分别为59%、33%和63%，对全磷的贡献率分别为30%、41%和73%。李维平等[50]对黄河湿地监测结果表明池塘全磷和全氮分别超出GB3838-2002标准的300%和195%，大水面的全磷和全氮分别超出GB3838-2002标准的105.0%和125.0%。因此，农业面源污染已经成为我国水体污染中氮、磷的主要来源。

解决粮食安全压力的基础是提高粮食总产，在中国由于耕地面积的限制，粮食总产的增加只能依靠单产的提高[51]。张福锁等[52]对全国20个省两万多农户施肥状况调查发现，有1/3的农户施肥不足。本研究表明如果引导施肥不足的农户将化肥氮、磷、钾施用增加到合理水平，主要农作物产量相应增加，尤其是磷、钾肥效果更明显(表4)。张卫峰等[53]指出，全国小麦施肥不足的农户需要增加化肥的数量平均每公顷地在75 kg以内，能增加产量同时能增加经济效益。王西娜等[54]研究表明，与不施氮相比，适量施氮会促进玉米对土壤水氮的利用，提高生物量和产量。郭志平[55]研究表明增施钾肥提高了马铃薯产量18.2%～42.1%、块茎淀粉含量3.2%～7.9%和商品率9.2%～20.9%。李银水等[56-57]研究指出合理增施磷肥油菜增产24.2%～43.2%，增施钾肥增产16.9%～21.6%。王伟妮等[58-59]研究指出合理增施磷肥水稻增产9.4%～13.3%，增施钾肥增产9.6%～12.6%。赵佐平等[60]研究指出合理增施磷、钾肥能提高苹果产量，且随时间推移效果越来越明显。

[1] 张福锁，王激情，张卫峰，等. 中国主要粮食作物肥料利用率现状与提高途径[J].土壤学报，2008,45(5):915-924.

[2] 国家统计局农村社会经济调查司.中国农村统计年鉴[M].北京:中国统计出版社，1981-2012.

[3] 李生秀.植物营养与肥料学科的现状与展望[J].植物营养与肥料学报，1999,5(3):193-205.

[4] 金继运,李家康,李书田.化肥与粮食安全[J].植物营养与肥料学报,2006,12(5):601-609.

[5] Yan X, Jin J Y, He P, et al. Recent advances on the technologies to increase fertilizer use efficiency[J]. Agricultural Sciences in China, 2008,7(4):469-479.

[6] 马文奇.山东省作物施肥现状、问题与对策[D].北京:中国农业大学,1999.

[7] 张福锁，马文奇.肥料投入水平与养分资源高效利用的关系[J].土壤与环境，2000,9(2):154-157.

[8] Richter J, Roelcke M. The N-cycle as determined by intensive agriculture-examples from central Europe and China[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2000,57(1):33-46.

[9] 王圣瑞.陕西省和北京市主要作物施肥状况与评价[D].北京:中国农业大学,2002.

[10] 同延安，Ove Emteryd，张树兰，等.陕西省氮肥过量施用现状评价[J].中国农业科学，2004,37(8):1239-1244.

[11] Cui Z L, Chen X P, Miao Y X, et al. On-farm evaluation of the improved soil N(min)-based nitrogen management for summer wheat in North China Plain[J]. Agronomy Journal, 2008,100:517-525.

[12] Cui Z L, Zhang F S, Chen X P, et al. On-farm evaluation of an in-season nitrogen management strategy based on soil Nmintest[J]. Field Crops Research, 2008,105:48-55.

[13] Ju X T, Xing G X, Chen X P, et al. Reducing environmental risk by improving N management in intensive Chinese agricultural systems[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2009,106(9):3041-3046.

[14] Guo J H, Liu X J, Zhang Y, et al. Significant acidification in major Chinese croplands[J]. Science, 2010,327:1008-1010.

[15] 张福锁，马文奇，陈新平,等.养分资源综合管理理论与技术概论[M].北京:中国农业大学出版社，2006.

[16] Smil V. Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of Word Food Production[M]. Cambridge: MIT Press, 2001.

[17] 龚 伟,颜晓元,王景燕.长期施肥对土壤肥力的影响[J].土壤,2011,43(3):336-342.

[18] 范茂攀，郑 毅，汤 利，等.云南滇西玉米施肥现状分析[J].中国农学通报,2013,29(36):109-113.

[19] 赵护兵，王朝辉，高亚军，等.西北典型区域旱地冬小麦农户施肥调查分析[J].植物营养与肥料学报，2013,19(4):840-848.

[20] 崔振岭.华北平原冬小麦-夏玉米轮作体系优化氮肥管理——从田块到区域尺度[D].北京:中国农业大学,2005.

[21] 沈 娟，高 强.吉林省水稻施肥现状的调查分析[J].吉林农业科学,2011,36(2):40-43,59.

[22] 徐华丽，鲁剑巍，李小坤，等.湖北省油菜施肥现状调查[J].中国油料作物学报，2010,32(3):418-423.

[23] 蒋孝松，刘彩玲，隋 标，等.太湖流域稻麦轮作体系施肥现状分析与对策[J].中国农学通报，2012,28(15):15-18.

[24] 梅旭荣.中国农业环境[M].北京：科学出版社，2011.

[25] 张福锁,陈新平,崔振岭,等.主要作物高产高效技术规程[M].北京:中国农业大学出版社,2010.

[26] 张福锁,陈新平,陈 清,等.中国主要作物施肥指南[M].北京:中国农业大学出版社,2009.

[27] 朱兆良.农田中氮肥的损失与对策[J].土壤与环境,2000,9(1):1-6.

[28] 同延安，Emteryd Ove，张树兰，等.陕西省氮肥过量施用现状评价[J].中国农业科学，2004,37(8):1239-1244.

[29] 赵佐平，同延安，刘 芬，等.渭北旱塬苹果园施肥现状分析评估[J].中国生态农业学报，2012,20(8):1003-1009.

[30] 陕西省统计局.陕西统计年鉴[M].北京：中国统计出版社，2012.

[31] 高祥照,马文奇,杜 森,等.我国施肥中存在问题的分析[J].土壤通报,2001,32(6):258-261.

[32] Ju X T, Xing G X, Chen X P, et al. Reducing environmental risk by improving N management in intensive Chinese agricultural systems[J]. PNAS, 2009,106(9):3041-3046.

[34] Guo S L, Wu J S, Dang T H, et al. Impacts of fertilizer practices on environmental risk of nitrate in semiarid farmlands in the Loess Plateau of China[J]. Plant Soil, 2010,330:1-13.

[35] 商放泽，杨培岭，任树梅，等.施肥模式对日光温室土壤铵态氮和硝态氮的影响[J].农业机械学报，2012,43(7):73-78,49.

[36] 张云贵，刘宏斌，李志宏，等.长期施肥条件下华北平原农田硝态氮淋失风险的研究[J].植物营养与肥料学报，2005,11(6):711-716.

[37] 张 宏，周建斌，王春阳，等.不同栽培模式及施氮对玉米—小麦轮作体系土壤肥力及硝态氮累积的影响[J].中国生态农业学报，2010,18(4):693-697.

[38] 樊 军,邵明安,郝明德,等.黄土旱塬塬面生态系统土壤硝酸盐累积分布特征[J].植物营养与肥料学报,2005,11(1):8-12.

[39] 吕殿青,同延安,孙本华.氮肥施用对环境污染影响的研究[J].植物营养与肥料学报,1998,4(1):8-15.

[40] Metz B, Davidson O, Bosch P, et al. Climate change 2007 mitigation. Contribution of working group III to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change[M]. New York: Cambridge University Press, 2007.

[42] Feath P, Greenhalgh S. Policy synergies between nutrient over-enrichment and climate change[J]. Estuaries, 2002,35(4):869-877.

[43] 马文奇，Sisák István.施肥量剧减会造成作物大幅度减产吗？[J].生态环境，2008,17(3):1296-1301.

[44] 廖义善，卓慕宁，李定强，等.适当化肥配施有机肥减少稻田氮磷损失及提高产量[J].农业工程学报，2013,29(S1):210-217.

[45] 娄 庭，龙怀玉，杨丽娟，等.在过量施氮农田中减氮和有机无机配施对土壤质量及作物产量的影响[J].中国土壤与肥料,2010(2):11-15,17.

[46] 张文学.我国磷资源开发利用及趋势[J].武汉工程大学学报，2011,33(2):1-5.

[47] 张卫峰，马文奇，张福锁，等.中国、美国、摩洛哥磷矿资源优势及开发战略比较分析[J].自然资源学报，2005,20(3):378-386.

[48] van Bochove E, Thériault G, Dechmi F, et al. Indicator of risk of water contamination by phosphorus: Temporal trends for the Province of Quebec from 1981 to 2001[J]. Canadian Journal of Soil Science, 2007,87(2):121-128.

[49] 朱兆良,孙 波，杨林章，等.我国农业面源污染的控制政策和措施[J].科技导报，2005,23(4):47-51.

[50] 李维平,管 薇,侯淑敏,等.陕西黄河湿地渔业生态环境监测与保护[J].湿地科学与管理,2011,7(3):19-22.

[51] 王激情，马文奇，江荣风，等.养分资源综合管理与中国粮食安全[J].资源科学，2008,30(3):415-422.

[52] 张福锁.协调作物高产与环境保护的养分资源综合管理技术研究与应用[M].北京：中国农业大学出版社,2008.

[53] 张卫峰，马文奇，王雁峰，等.中国农户小麦施肥水平和效应的评价[J].土壤通报，2008，39(5):1049-1055.

[54] 王西娜，王朝辉，李生秀.施氮量对夏玉米产量及土壤水氮动态的影响[J].生态学报，2007,27(1):197-204.

[55] 郭志平.增施钾肥对高淀粉马铃薯产量贡献的研究[J].江西农业大学学报,2008,30(2):211-214.

[56] 李银水，鲁剑巍，廖 星，等.磷肥用量对油菜产量及磷素利用效率的影响[J]. 中国油料作物学报，2011,33(1):52-56.

[57] 李银水，鲁剑巍，廖 星，等 钾肥用量对油菜产量及钾素利用效率的影响[J].中国油料作物学报，2011,33(2):152-156.

[58] 王伟妮，鲁剑巍，鲁明星，等.湖北省早、中、晚稻施磷增产效应及磷肥利用率研究[J].植物营养与肥料学报，2011,17(4):795-802.

[59] 王伟妮，鲁剑巍，鲁明星，等.湖北省早、中、晚稻施磷增产效应及磷肥利用率研究[J].植物营养与肥料学报，2011,17(5):1058-1065.

[60] 赵佐平，同延安，刘 芬，等.长期不同施肥处理对苹果产量、品质及土壤肥力的影响[J].应用生态学报，2013,24(11):3091-3098.