吴远帆，钟建中，高雅洁，廖育林，聂 军，鲁艳红

（1.湖南省土壤肥料工作站，湖南 长沙 410006；2.桃江县农业农村局，湖南 桃江 413400；3.湖南省土壤肥料研究所，农业部湖南耕地保育科学观测实验站，湖南 长沙 410125）

化肥的使用是促进农作物产量增加的基础，对于稳定农业生产、保障粮食安全具有关键作用。科学合理施肥可以为作物提供正常充足的营养供给，保证作物高产潜力的充分发挥，同时具有提高土壤肥力、改善土壤理化性状以及调节土壤微生态环境等重要功能[1]。然而，不遵循作物需肥规律，过量或不合理的施肥不仅会增加生产成本，而且无法维持作物的可持续高产，同时还会破坏土壤结构、降低农产品品质、加剧面源污染。因此，在保证作物产量和品质的同时提高肥料利用效率对于促进农业和生态环境的可持续发展具有重要意义。研究表明，肥料利用率受到土壤肥力、施肥用量、施肥方法、肥料类型、土壤水分、作物品种、栽培管理措施和气候因子等多种因素的影响[1]。因此，明确区域内主要农作物肥料利用率现状将为进一步因地制宜地推进科学施肥措施提供重要依据。

湖南省地处长江中下游南岸，自然资源丰富，气候适宜，全省主要农产品产量稳步增长。水稻和玉米是湖南省最主要的粮食作物，其中水稻产量位居全国前列[2]，2017 年全省玉米总产量也达到199.2 万t[3]。此外，油菜是中国最重要的油料作物，自2015 年以来，湖南省油菜的种植面积一直稳居全国第一。随着国家减肥增效行动的推进，测算湖南省3 种主要农作物的当季氮磷钾肥料利用效率，对于明确湖南省肥料利用现状、探寻肥效提升途径、助力农业可持续发展具有重要的现实指导意义。

大范围的肥料利用率测算一般有2 种方法，一是分析地区粮食产量和化肥施用量的数据，二是整合大量田间试验结果。目前，多数研究都是根据田间试验结果汇总而来[4-6]。参考前人的研究方法，笔者于2018 年在湖南省11 个市及自治州共72 个县区设置了178 个试验点开展水稻、油菜和玉米3 种作物的氮磷钾肥的肥效试验，通过实验数据测算湖南省目前水稻、玉米、油菜作物氮磷钾肥的当季利用率，全面总结湖南省主要作物氮磷钾肥的肥料利用率现状，为进一步推进农业生产科学施肥、减少肥料的不合理投入、提高资源利用效率、优化农田养分管理提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

为了分析目前湖南省种植水稻、油菜和玉米的肥料利用率，于2018 年在农作物主产区的长沙、常德、岳阳、益阳、娄底、邵阳、衡阳、郴州、永州、张家界和湘西土家族苗族自治州（简称湘西州）共72 个县区布置氮磷钾肥田间肥效试验178 个。试验总体分布情况如表1 所示。

表1 水稻、油菜和玉米肥效试验的样本数、施肥量和分布区域

1.2 试验设计

每个试验点设置4 个处理，分别为：（1）PK，无氮处理；（2）NK，无磷处理；（3）NP，无钾处理；（4）NPK，氮磷钾处理。氮、磷、钾肥均基于当地农民习惯施肥方法或依据当地农技部门提供的推荐施肥方法施用，其他生产管理措施采用当地常规管理方法。

1.3 样品采集及检测

每季作物成熟后，对试验小区进行单打单晒，测定籽粒的含水率。作物的籽粒产量为试验小区的实收产量（以干重计），根据作物茎叶与籽粒的质量比计算出作物的茎叶产量（以干重计）。同时于每个试验小区随机取样15 株，风干后分成茎叶和籽粒样品，粉碎后采用常规方法测定其中的N、P、K 含量[7]。

1.4 肥料利用率的计算

以氮肥为例，肥料利用率的计算如下：

氮肥利用率（RE，%）=（施氮区作物成熟期地上部氮累积量-未施氮区作物成熟期地上部氮累积量）/氮肥施用量

氮肥农学效率（AE，%）=（施氮区作物籽粒产量-未施氮区作物籽粒产量）/氮肥施用量

氮肥偏生产力（PFP，kg/kg）=施氮区作物产量/氮肥施用量

氮肥生理利用率（PE，kg/kg）=（施氮区作物籽粒产量-未施氮区作物籽粒产量）/（施氮区作物成熟期地上部氮累积量-未施氮区作物成熟期地上部氮累积量）

同理，分别计算磷肥和钾肥的肥料利用率、农学效率、偏生产力和生理利用率。

2 结果与分析

2.1 湖南省3 种粮油作物肥料利用率的总体状况

如表2 所示，143 个水稻肥效试验施用氮磷钾肥处理的平均产量为7.58 t/hm2，氮肥、磷肥和钾肥的肥料利用率分别为32.58%、16.56%和41.07%；21个油菜试验氮磷钾处理的平均产量为2.34 t/hm2，氮肥、磷肥和钾肥的肥料利用率分别为37.98%、20.85%和45.64%；14 个玉米试验氮磷钾处理的平均产量为8.26 t/hm2，氮肥、磷肥和钾肥的肥料利用率分别为37.06%、20.09%和48.89%。不同作物对氮、磷、钾肥料养分的利用效率差异较大，玉米生产中氮、磷、钾肥的农学效率、偏生产力和生理利用率均低于水稻和油菜生产的。相比氮肥和钾肥，3 种作物磷肥的农学效率、偏生产力及生理利用率均较高。

表2 水稻、油菜和玉米的平均施肥量、产量及肥料利用效率

为进一步了解湖南省目前水稻、油菜和玉米不同肥料利用率的样本分布情况，将肥料利用率划分为6 个等级，计算每个等级下肥料利用率的样本百分比。由图1A 可知，水稻、油菜和玉米氮肥利用率处于30%～40%之间的频率最高，分布频率分别为63%、62%和50%；水稻和油菜氮肥利用率在其他区间的样本数明显较少，而玉米有29%的样本氮肥利用率在40%～50%之间。

由图1B 可知，水稻、油菜和玉米在不同磷肥利用率等级下的样本分布较为分散，无论是水稻、油菜还是玉米，磷肥利用率小于30%的样本占总样本80%以上。水稻磷肥利用率处于20%～30%频率的最高，为34%，油菜和玉米磷肥利用率处于10%～20%的频率最高，分别为36%和33%；3 种作物的磷肥利用率在＜10%、10%～20%、20%～30%和30%～40%这4 个区间的分布频率均高于15%。

由图1C 可知，水稻、油菜和玉米的钾肥利用率高于30%的样本分别占总样本的80%以上。水稻钾肥利用率在40%～50%之间的频率最高，为43%；油菜分别有33%和38%的样本钾肥利用率处于30%～40%和40%～50%之间；玉米钾肥利用率整体较高，有36%的样本钾肥利用率处于40%～50%之间，43%的样本钾肥利用率高于50%。

图1 水稻、油菜和玉米不同氮、磷、钾肥利用率试验点分布频率变化

2.2 湖南省不同地区3 种粮油作物的肥料利用率

2.2.1 氮 肥由表3 可知，3 种作物在不同地区的氮肥利用率呈现出较大差异。（1）水稻。水稻的氮肥利用率在不同地区的平均值区间为19.5%～39.0%；最低值出现在常德，仅-17.5%，最高值也出现在常德，为104.9%，这与常德地区19 个试验点水稻氮肥利用率的变异系数最高（139.5%）相一致，表明常德地区水稻对氮肥的利用效率差异较大。从表3 还可以看出，长沙、岳阳、益阳、娄底和邵阳的水稻氮肥利用率均达35%以上，且变异系数较小，表明这5 个地区的水稻对氮肥的利用效率高，且地区内差异较小；常德和张家界的水稻氮肥利用率偏低，分别为19.5%和24.3%；其他地区水稻氮肥利用率平均值在30%到35%之间。（2）油菜。由于单个地区的样本量较少，例如张家界、岳阳、邵阳和湘西州各地的样本量仅1～3 个，代表性不足，因此按南北分布情况将所有样本分为2 组（下同）。位于长沙、岳阳、娄底、衡阳和郴州的共8 个试验点的数据表明，油菜氮肥利用率平均值为41%，且变异系数较小，为13.2%；位于常德、张家界、湘西州的共13 个试验点的油菜氮肥利用率平均值为33.2%且变异系数较大。（3）玉米。由于仅在岳阳、邵阳、郴州、永州及湘西州开展了14个试验点的玉米肥效试验，且单个地区的样本量≤3个，因此将14 个试验点的样本合并（下同）。在岳阳、邵阳、郴州、永州及湘西州开展的共14 个试验点的玉米肥效试验结果表明，玉米氮肥利用率的平均值为37.1%。

表3 水稻、油菜和玉米氮肥用量、地上部吸氮量、产量和氮肥利用率

2.2.2 磷 肥由表4 可知，3 种作物的磷肥利用率在不同地区差异较大，平均值区间为-10%～28.8%，不同作物磷肥利用率在各试验地区的平均值均未达到30%。（1）水稻。常德地区水稻磷肥利用率平均值为-10%，但产量仍有（7.52±0.96） t/hm2，反映出该地区试验点土壤具有较高的基础供磷水平；在长沙、岳阳、益阳、娄底、邵阳及永州，水稻磷肥利用率的平均值在22%以上；张家界、湘西州、衡阳及郴州的水稻磷肥利用率平均值偏低，在11%～16%之间；常德19 个点的水稻磷肥利用率数据变异很大，变幅为-143.0%～30.8%。（2）油菜。长沙、岳阳、娄底、衡阳和郴州试验点的油菜磷肥利用率平均值为21.8%，略高于常德、张家界和湘西州的平均值。（3）玉米。位于岳阳、邵阳、郴州、永州及湘西州的玉米肥效试验数据表明玉米磷肥利用率平均为20.1%，变幅在-2.6%～31.6%。

表4 水稻、油菜和玉米磷肥用量、地上部吸磷量、产量和磷肥利用率

2.2.3 钾 肥由表5 可知，不同地区钾肥利用率的平均值在21.9%～56.5%之间。（1）水稻。长沙、岳阳、娄底和郴州的水稻钾肥利用率的平均值高于45%；湘西州、衡阳及永州的水稻钾肥利用率平均值略低，在42.7%～44.2%之间；而益阳、常德、张家界和邵阳地区的水稻钾肥利用率平均值低于40%。（2）油菜。长沙、岳阳、娄底、衡阳、郴州地区的油菜的钾肥利用率平均值为43.9%，变异系数仅为13.2%，而常德、张家界、湘西州地区的油菜钾肥利用率平均值为39.8%，但变异系数较高，达160.0%。（3）玉米。岳阳、邵阳、郴州、永州和湘西州的试验数据表明，玉米的钾肥利用率平均值为48.9%，变幅在16.1%～109.8%之间。

表5 水稻、油菜和玉米钾肥用量、地上部吸钾量、产量和钾肥利用率

3 讨 论

试验结果表明，目前湖南省水稻生产的氮肥、磷肥、钾肥的肥料利用率均值分别为32.58%、16.56%和41.07%，油菜生产的氮肥、磷肥、钾肥的肥料利用率均值分别为37.98%、20.85%和45.64%，玉米生产的氮肥、磷肥、钾肥的肥料利用率均值分别为37.06%、20.09%和48.89%。黄铁平等[8]的研究显示，2013 年湖南省主要农作物氮、磷、钾肥当季利用率分别为30.0%、25.9%和36.7%，其中3 大粮食作物的氮肥、磷肥和钾肥利用率分别为33%、24%和42%。从2018 年的数据来看，有69%的试验点水稻的氮肥利用率高于2013 年的，有62%的试验点水稻钾肥的利用率高于2013 年的。总体而言，目前湖南省主要作物水稻、油菜和玉米的氮、钾肥料利用率较2013年有所提高，磷肥利用率有所下降。

氮肥利用率的提高与近年来有机肥的施用、秸秆还田和绿肥的推广应用以及推荐施肥项目的开展有关。研究表明，绿肥与化肥配施或秸秆还田条件下，作物肥料利用率较单施化肥条件下均有不同程度地提高。陈正刚等[9]研究发现，绿肥与化肥配施玉米的氮肥利用率可提高3.2%；杨滨娟等[10]研究也表明，绿肥与化肥配施水稻氮肥利用率可提高8%左右。不同地区的研究表明，秸秆还田条件下，作物氮肥利用率平均可提高4%～10%[11-12]。

3 种作物的磷肥利用率与2013 年相比呈下降趋势，原因可能与土壤供磷水平整体上升有关，因此建议未来一段时间湖南地区可适当减少磷肥施用量。

试验结果还显示，作物肥料利用率地区间差异明显，表明土壤类型、基础地力和环境养分仍是影响作物肥料利用率的主要因素。土壤养分作为作物生长重要的营养来源，是养分管理的重点之一。环境中的一些养分能通过大气干湿沉降、灌溉水、生物固氮等途径进入作物生产系统，它们也是作物生长所需养分资源的重要组成部分。农户需要在充分利用土壤养分和环境养分的基础上，均衡施用化肥，减少化肥的损失及其向环境的排放，才能实现提高肥料利用效率的长远目标。在当前的生产条件下，肥料用量的选择也需综合考虑土壤肥力和环境养分来源，重新制定推荐指标。鉴于土壤肥力是一个不断变化的指标，今后需要在不同生态区域、不同类型土壤开展更深入地肥料利用率调查工作，以期进一步因地制宜地科学合理施肥。