基于春玉米籽粒产量的渭北旱塬区农户施肥现状评价

王 浩，董朝阳，王淑兰，张玉娇，师祖姣，张元红，王 瑞，李 军

（西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100）

肥料在保障我国粮食安全中起着不可替代的支撑作用，同时化学肥料利用率低又对环境产生不良影响[1]。施肥不足，难以满足作物需求，施肥过量则会引起一系列环境问题，影响农田土壤的可持续利用。因此如何利用好肥料资源、提高肥料利用效率是关系到国家粮食安全和环境质量的重大科技问题。在现实生产中，农户是养分管理的决策者，也是保障农业生态环境，实现农业节本增效的突破口，因此分析农户养分管理现状，对于维持作物高产、实现养分高效利用和化肥用量零增长具有重要意义。全国化肥试验网在二十世纪八十年代进行的5000多个肥效试验结果表明，在水稻、小麦和玉米上合理施用化肥比对照不施肥处理平均增产48%[2]。近年来，随着化肥用量的增加和耕地肥力的逐渐提高，施肥的增产作用有所降低，但依然是作物增产增收最基本的物质保障。正是由于化肥在作物增产中的重要作用，自20世纪50年代以来我国化肥用量不断增加[3]。在春玉米生产中，农户施肥主要依赖经验或盲目施肥，没有根据全国测土配方指导施肥，无法做到科学施肥，科学生产。彭雪松[4]对河南省农户玉米施肥调研表明，农户偏施氮肥且用量较高，轻施磷、钾肥，不同区域差异较大，表现出施肥的不合理。孙旭霞[5]对廊坊市农户调研也表明，农户普遍存在过量施肥的问题。苏效坡等[6]对吉林施氮量的统计数据表明，在适宜施肥量区间内 (160～240 kg/hm2) 的农户比例为40.8%，有54.1%的农户过量施用氮肥 (＞ 240 kg/hm2)，且追肥农户的施氮量比一次性施肥农户更高。常艳丽等[7]对陕西关中10县调研数据表明，在关中平原小麦—玉米轮作体系中，氮肥施用严重过量，且前期投入偏多、后期投入偏少，同时磷肥偏高是目前该体系养分资源投入中的另一个问题。可以看出，中国玉米生产过程中不合理施肥现象普遍存在，肥料利用效率很低。全国化肥试验网在八十年代的肥效试验结果和近年来在粮食主产区开展的大量研究工作表明，我国平均施用每公斤氮素增产玉米10 kg左右，大田生产中可能更低[2,8]。与国际上每公斤化肥氮素 (N) 平均增产水稻22 kg、小麦18 kg、玉米 24 kg相比较[9]，当前我国每公斤氮素平均增产粮食的量大约是国际上增产量的一半，氮素的当季作物回收率也显著低于国际平均水平。我国是典型的农户主导型农业生产经营模式，因此提高农户的经营管理水平对农业生产具有重要意义。渭北旱塬是我国重要的旱作玉米生产基地，目前仍然缺少对该区域农户玉米生产进行多点持续调查研究，同时缺少结合测土配方数据对该区春玉米施肥进行系统评价，缺少对该区域农户玉米生产施肥现状的了解。本研究通过4年对该区域春玉米施肥现状进行多点持续调查，明确该区域农户施肥现状，并对该区域农户施肥进行客观评价，以期为该区域农户玉米生产中科学施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 调研区域概况

调研区域位于渭北旱塬东部，地处关中平原东北部、黄河西岸，属典型的黄土残塬沟壑半湿润易旱区。该区平均气温8～14℃，降雨量500～600 mm，并且受季风影响表现为年季间降雨差异较大，但总体上分布在6—9月，与春玉米生育期基本吻合。调研区农田属于全年无灌溉雨养地。区域土壤有机质为10～15 g/kg，有效磷5～15 mg/kg，速效钾140～200 mg/kg。春玉米是该地区主要粮食作物，一年一熟制种植。

1.2 调研方法与内容

2013—2016年连续4年在渭北旱塬春玉米种植典型的雨养农业区对该区域农户进行调研，农户选择采用定点不定户的方式。选择有代表性的澄城、合阳、韩城、黄龙、蒲城5个县 (市)，分别选择澄城县的赵庄、王庄、冯原3个镇，合阳的甘井、金峪、同家庄3个镇，蒲城县的罕井、苏坊2个镇，黄龙县的三岔乡、石堡2个镇，韩城市的昝村、龙门2个镇进行调研，调研采用问卷调查形式，主要对农户施肥量、肥料种类，肥料养分含量以及春玉米籽粒产量进行调研，4年共获得有效问卷680份。

1.3 产量分级标准

对调研产量进行分析，并利用铝盒取样—烘干法测定农户玉米籽粒含水量，折算实际产量。根据小概率事件原理，去除占调研比例小于5%的农户，调研区域玉米籽粒产量介于4250～9350 kg/hm2之间。对产量求极差，将产量从4250～9350 kg/hm2取整分为5个等级：很低，＜ 4200 kg/hm2；偏低，4200～5900 kg/hm2；中等，5900～7600 kg/hm2；偏高，7600～9300 kg/hm2；很高，＞ 9300 kg/hm2。

1.4 合理施肥标准

渭北旱地184个取样点测土配方数据表明，该区农田土壤养分含量普遍偏低，供肥和保肥能力通常较差，特别是有机质含量低 (11.8～13.4 g/kg)，低于全国平均水平24.65 g/kg，并且磷固定作用强，影响对作物的养分供应[10]。可以看出该区田块间养分供应能力虽有差异，但差异并不明显，同时施肥除了维持产量水平外，另一重要的任务就是土壤培肥，实现“藏粮于地”的战略目标。因此，确定合理的施肥量，需在维持农田土壤养分平衡和肥力水平提升的基础上，考虑作物产量形成对养分的需求[11]。

式中：产量为由农户调研获得的实际田块产量。养分需求量指春玉米的百公斤籽粒养分需求量。受降水、气温、生产条件等影响，不同区域玉米养分需求量不同，根据渭北旱地测土配方数据结合玉米养分需求规律，参考于振文[11]与巨晓棠[12]的现代推荐标准，生产100 kg玉米需氮 (N) 2.8 kg、磷 (P2O5) 1.2 kg、钾 (K2O) 2 kg，调整系数指根据研究区域土壤养分供应能力和农田养分平衡确定的调整施肥数量高低的参数。

式中：设定0.85为施氮调整系数。考虑当地玉米生产中普遍存在氮素投入过量，土壤氮素残留过多易受降水影响向深层淋溶损失，施用氮肥时只需补足作物带走的氮素数量即可。而该地区农户普遍实行秸秆还田，秸秆还田氮肥归还量约占15%[13–15]，因此施氮调控系数取值0.85。

式中：设定1为施磷调整系数。渭北石灰性土壤有效磷易被固定，但考虑到秸秆还田对土壤磷的补充[13]，只需补充作物带走的磷素数量即可，磷素补施数量与玉米需磷量相当，因此施磷调整系数取值1。

式中：设定0.4为施钾调整系数。因渭北农田土壤富钾，速效钾含量可高达160 mg/kg，只需补足作物带走的钾素即可，由于玉米秸秆钾素归还量可占作物含钾量的60%[13–14]，施钾量仅为作物需钾量的0.4倍，因此施钾调整系数取值0.4。

1.5 施肥水平分级

本研究参考曹寒冰等[16]的施肥分级标准，以由各农户实际产量计算的推荐施肥量为合理施肥量，以推荐施肥量的40%为变幅，分为5级进行评价，从低到高依次为 ＜ 0.4 Rec (很低)；0.4 Rec～0.8 Rec (偏低)；0.8 Rec～1.2 Rec (适中)；1.2 Rec～1.6 Rec (偏高)；＞ 1.6 Rec (很高)。具体分级及各级别农户比例见表1、表2、表3。

1.6 数据处理与分析

使用EXCEL2013对数据进行处理。采用SPSS 19.0 软件，通过单因素方差分析，分析产量和肥料的年份效应。利用Origin 2015对肥料用量和籽粒产量进行数据线性拟合分析。

2 结果与分析

2.1 农户春玉米氮肥投入量

表1为调研区域农户玉米田施氮量分布。农户春玉米施氮量4年平均为249 kg/hm2，在施氮量水平农户分级中，属于很低的占4.5%、偏低的占11.6%、适中的占33.9%、偏高的占35.3%、很高的占14.7%，调研区域农户施氮量主要集中在适中与偏高范围。年度间变化分析表明，施氮量很低的农户呈现出逐年减少的趋势，由2013年的6.9%减少到2016的年2.8%，施氮量偏高的农户呈现出增加的趋势，由2013年的33.9%增加到2016年的37.1%。同时施氮量很高的农户波动较大 (9.8%～18.1%)，但未呈现出减少的趋势。

表 1 玉米田各施氮水平农户数量在总调查户数中的占比 (%) 与各年份平均施氮量Table 1 Percentage in total surveyed households of farmer with different N application levels and the averaged N rate in surveyed year

2.2 农户春玉米磷肥投入量

表2为调研区域农户玉米田磷肥用量分布。可以看出调研区域磷肥用量处于一个较为适中的水平，4年平均施磷量处于108～126 kg/hm2，平均磷肥投入量为118 kg/hm2。但很高水平磷肥施用农户依然存在，并占有一定的比例，2013、2014、2015、2016年分别占12.7%、19.3%、12.5%、17.1%。在施磷量水平农户分级中，属于很低的占8.2%、偏低占30.9%、适中占30.6%、偏高占15.0%、很高占15.4%。可以看出调研区域存在着磷肥施用过量与不足并存的现象。

表 2 玉米田各施磷水平农户数量在总调查户数中的占比 (%) 与各年份平均施磷量Table 2 Percentage in total surveyed households of farmer with different P application levels and the averaged P rate in surveyed year

2.3 农户春玉米钾肥投入量

表3为调研区域农户玉米田钾肥施用量分布。可以看出，在玉米田施钾量水平农户分级中，属于很低的占46.5%、偏低的占38.8%、适中的占9.2%、偏高的占4.7%、很高的占0.8%，4年平均施钾量为35 kg/hm2，远低于推荐施钾量65 kg/hm2，表明渭北旱地玉米田施用钾肥低于适中量的占比很大。

表 3 玉米田各施钾水平农户数量在总调查户数中的占比 (%) 与各年份平均施钾量Table 3 Percentage in total surveyed households of farmer with different K application levels and the averaged K rate in surveyed year

2.4 农户春玉米追肥投入量及比例

表4为调研区域农户玉米追肥投入量与比例，可以看出调研区域玉米田追肥种类主要为氮肥，磷肥与钾肥追肥量和比例均为零。4年平均氮肥基肥施用量228 kg/hm2，占氮肥施用量的91.4%，追肥施用量为22 kg/hm2，占氮肥施用量的8.6%。因此该区域氮肥以基肥施入为主，追施为辅。

表 4 玉米田养分基、追施比例和施用量Table 4 Basal and topdressing proportion and rate of nutrients in maize field

2.5 农户春玉米籽粒产量

本研究将玉米籽粒产量分为5级 (表5)。4年调研结果表明，在玉米产量水平农户分级中，属于很低的占15.5%、偏低的占26.9%、适中的占36.4%、偏高的占14.4%、很高的占6.5%，平均产量为6000 kg/hm2。同时，不同年际间玉米籽粒产量波动较大，主要表现在产量偏低水平 (19.2%～38.9%) 与偏高(7.2%～24.3%) 变化较大，同时产量低于适中水平比例很高，表明该区玉米籽粒产量低而不稳。

2.6 农户肥料施用量与产量关系分析

图1a为农户玉米田施氮量与春玉米籽粒产量关系。可以看出，低施氮时，增加氮肥施用，有良好的增产效果 (曲线斜率)，随着施氮量的升高氮肥的增产效果明显降低，到了较高施氮水平时，此时产量呈现出下降的趋势，说明了氮肥施用是高产的基础，过量施氮对产量无明显的增加作用，甚至会出现产量降低的趋势。

表 5 不同春玉米产量水平农户的百分比 (%) 及其平均产量Table 5 Proportion of farmer households with different yield level ranges and their mean maize yields

图 1 农户氮、磷、钾肥料施用量与春玉米籽粒产量关系Fig. 1 Exponential curve fitting between N, P and K rate and grain yield

图1b为农户磷施用量与作物产量的关系。可以看出，低施磷量时，增加磷肥施用可以有效增加玉米籽粒产量，在很高水平施磷量时产量出现明显下降，同时较高水平的籽粒产量主要集中在高施磷区，说明了磷肥的增产效果在低水平施磷时受施用量影响较大，在高水平施磷时则受其他因素影响较大。

图1c为钾肥施用与产量的关系，在本研究所调查的农户中未发现施钾量与产量呈现出明显的关系，但高籽粒产量水平主要集中在钾肥施用量40～80 kg/hm2，可以看出，适量施钾有利于获得较高的籽粒产量。

3 讨论

3.1 农户玉米产量

对4年调研数据分析表明，当地春玉米产量仍然处于低而不稳的状态，这主要与该区域年季间降雨差异有关，并且调研区域均属于全年无灌溉雨养地，为典型的旱作农业区[17]。调研区域2013、2014、2015、2016年玉米生育期降雨分别为293、494、273和357 mm，本研究中不同年份玉米籽粒平均产量表现为 2016 ＞ 2013 ＞ 2015 ＞ 2014，生育期降雨量与产量并未呈现出良好的正相关关系，并且主要表现在2014年生育期降雨494 mm，但产量水平低于其他年份，这主要与降雨在生育期内分布有关。2014年6月与7月持续低降雨是导致低产的关键因素，同时也影响了作物关键生长时期农户的追肥，这也导致了农户后期追肥的减少至11%，低于四年平均水平22%。可以看出，旱区农业生产的主要限制因子为水分，充分利用自然降雨解决降雨偏低与季节分布不均的问题是农户增产的关键，同时农户施肥行为也受到降雨的影响。对该区产量分析发现，4年平均玉米籽粒产量7395 kg/hm2，并且低产量水平农户占42%，相比全国玉米籽粒产量水平存在差距，但这主要是由于自然资源的限制，但相比该区域10年前产量水平有较大的提升[18]，这表明了该区域农户生产方式的进步，同时发现该区域有高产量水平的出现，大于9500 kg/hm2占6.5%，说明该区域玉米籽粒产量仍然具有很大的提升空间。

施肥也是影响作物产量的关键因素，尤其是氮肥与磷肥 (图1)。施肥是实现作物潜力产量和培肥土壤的关键措施。如果不考虑环境养分投入或土壤作物系统向环境的养分损失，或认为两者基本平衡[19]，为了维持作物高产和土壤肥力，养分的投入至少应等于作物携出，如欲使土壤肥力水平有所提高，养分的投入应适当高于作物携出。但从20世纪80年代后期，开始重视养分投入至今，过量施氮使黄土高原旱地农田土壤氮素残留量明显增加，特别是硝态氮残留已成为一个必须重视的问题[20]。调查分析发现钾肥对产量的影响并不明显，这主要是因为黄土旱塬区域土壤有效钾丰富，但农户忽略钾肥的施用，作物收获带走的钾素未得到补充，这一地区土壤钾素一直处于消耗状态。所以，虽然该地区土壤有效钾丰富，长期只重视氮肥和磷肥，而忽视钾肥，也会因土壤钾素消耗导致一些田块氮磷钾供应能力失衡。

3.2 农户玉米田肥料投入

4年调研结果表明，该区域肥料施用适中的农户仅占32.3%，有67.7%的农户存在着肥料施用偏高或偏低的问题，平均施氮量249 kg/hm2，同时偏高与较高施氮量农户占49.1%，这一数据表明了该区过量施氮现象严重，但未获得较高的产量水平，因此会造成肥料的大量浪费，过量施氮值得关注。多年研究表明，合理的养分投入管理可以在粮食作物不减产的情况下，减少氮肥施用量[21–24]，例如我国玉米的大量试验表明，通过养分资源科学管理方法在氮肥减少30%～60%的情况下，作物产量并没有减少[23,25–26]，这些研究对保护农业生态环境和可持续发展具有重要指导意义。所以合理引导该区施氮量高的农户减少氮肥用量、提高氮肥利用率是今后旱地春玉米施肥工作的重点。

不注重追肥的施用也是该区肥料投入的一个重要问题。4年调研数据表明，该区域氮肥追肥量仅占氮肥投入总量的8.6%。氮肥为易挥发性肥料，同时具有较强的促进生长作用，一次性将氮肥作为底肥全部施入，会引起作物前期过度生长，而在水资源有限的旱作农业区势必会对后期作物的生长造成较大影响，氮肥的挥发效应也会引起前期肥料的过度浪费[27–29]，后期追施氮肥改善了玉米的群体质量，田间透光率好，植株健壮，抗倒伏能力提高；同时提高了光合产物的生产能力，籽粒形成期叶面积系数大，光合速率高，有利于后期玉米生长以及营养物质向籽粒的转化[30–31]。因此，肥料追施有利于玉米籽粒产量的提高与肥料的高效利用。

通过对该区域4年调查发现，农户磷肥投入基本处于中等水平，磷肥平均投入量118 kg/hm2，但同时存在着施肥较高和很低的问题，其中30.4%的农户磷肥投入量偏多，39.0%的农户磷肥投入量偏少，因此该区域磷肥施用不合理的问题也应引起关注。钾肥的投入主要集中在偏低水平，其中很低水平的农户占68.9%，偏低的占18.3%，仅有7.5%的农户钾肥投入量处于适中水平。这主要与该区域土壤钾素含量高有关[32]。近年来由于产量的提升，土壤钾素移出量增加，很低的钾素投入量必然会导致土壤钾素的收支赤字，合理施用钾肥对该区域土壤可持续生产具有重要的意义。

4 结论

以产量水平为依据，渭北旱地春玉米肥料施用存在的主要问题包括，氮肥施用量偏高与偏低共存，且偏高农户仍然有增加的趋势；磷肥施用基本合理，但仍然表现为偏高与偏低共存；钾肥投入总体偏低，不利于土壤钾素平衡，这也是值得我们关注的问题。

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