馬紅梅，曹寒冰，謝英荷，李廷亮，劉凱，張奇茹，姜麗偉，曹靜，邵靖琳，武文玥，栗文琪

晉南黃土旱塬小麥養(yǎng)分投入與化肥減施經濟環(huán)境效應評價

馬紅梅1,2，曹寒冰1,2，謝英荷1,2，李廷亮1,2，劉凱1，張奇茹1，姜麗偉1，曹靜1，邵靖琳1，武文玥1，栗文琪1

1山西農業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西太谷 030801；2山西農業(yè)大學農業(yè)資源與環(huán)境國家級實驗教學示范中心，山西太谷 030801

【】明確晉南黃土旱塬冬小麥養(yǎng)分投入現狀，為當地旱作冬小麥穩(wěn)產增產、減肥增效和控制農田面源污染提供理論依據。通過連續(xù)9年對黃土旱塬984個小麥種植戶進行施肥調查，采用基于冬小麥產量確定的推薦施肥量，評價農戶施肥，分析農戶施肥的減肥潛力及其經濟和環(huán)境效益。調研農戶小麥籽粒平均產量3 711 kg·hm-2，其中屬于低產（≤3 200 kg·hm-2）和中產（3 200—4 220 kg·hm-2）的農戶比例分別占56.0%和18.1%。農戶氮肥、磷肥和鉀肥的平均用量分別為292.3 kg N·hm-2、159.8 kg P2O5·hm-2和92.0 kg K2O·hm-2。隨著產量水平提高，施肥過量（即高投入+很高投入）的農戶比例增加，其中氮肥、磷肥和鉀肥施用過量的農戶比例分別為68.7%、65.1%和57.9%。在各產量水平投入高和很高的農戶減肥潛力較大，其中高投入的農戶氮肥、磷肥和鉀肥減施量為24.1 kg N·hm-2、12.8 kg P2O5·hm-2和6.2 kg K2O·hm-2，減少比例依次為15.9%、16.7%和16.7%；很高投入的農戶氮肥、磷肥和鉀肥減施量為250.9 kg N·hm-2、205.7 kg P2O5·hm-2、124.6 kg K2O·hm-2，減少比例依次為66.5%、76.7%和80.0%。進一步分析表明，高投入和很高投入的農戶化肥減施后經濟效益可增加251和3 425元/hm2，即分別增加4.0%和55.0%；高投入的農戶氮肥、磷肥和鉀肥的農學效率可分別提高18.8%、23.2%和22.1%，很高投入的可分別提高192.5%、321.3%和388.1%；高投入的農戶氮肥、磷肥和鉀肥的偏生產力可分別提高20.2%、23.7%和19.2%，很高投入的可分別提高210.4%、317.9%和388.1%。同時，合理降低高投入和很高投入的農戶施氮量，N2O排放可分別減少0.3和6.3 kg N2O·hm-2，減少幅度為11.2%和72.5%；NH3揮發(fā)分別減少14.1和90.7 kg NH3hm-2，減幅為20.8%和62.8%；NO3--N淋洗減少3.1和231.1 kg NO3--N·hm-2，減幅為4.9%和79.6%；整體上，總氮污染物（包括N2O排放、NH3揮發(fā)和NO3--N淋洗）可分別減少17.4和328.1 kg·hm-2，減幅13.1%和74.0%，節(jié)約氮肥12.5和130.9 kg N·hm-2，減少氮肥投入65.0和683.3 元/hm2。通過基于產量的農戶施肥評價、減肥潛力估測、化肥減施后的經濟效益和氮化合污染物的減排效應分析，明確了高和很高投入的農戶氮磷鉀減施潛力分別為24.1—250.9 kg N·hm-2、12.8—205.7 kg P2O5·hm-2、6.2—124.6 kg K2O·hm-2，且化肥減施后農戶的經濟收益提高251—3 425元/hm2，氮、磷、鉀肥的農學效率分別提高18.8%—192.5%、23.2%—321.3%、22.1%—388.1%，同時，氮、磷、鉀偏生產力提高20.2%—210.4%、23.7%—317.9%、19.2%—388.1%，還能減少包括N2O排放、NH3揮發(fā)、NO3--N淋洗等總氮污染物的排放17.4—328.1 kg·hm-2。該研究全面系統(tǒng)地揭示了當前旱作小麥生產中存在的資源環(huán)境問題、面臨的挑戰(zhàn)與機遇，為節(jié)本、增效的環(huán)境友好型施肥提供一定的理論依據。

黃土旱塬；冬小麥；養(yǎng)分投入；化肥減施；經濟環(huán)境效應

0 引言

【研究意義】晉南黃土旱塬是山西省主要的旱作農業(yè)區(qū)，該區(qū)主要糧食作物為冬小麥，其播種面積約為67.9×104hm2[1]。水資源缺乏和農戶過分依賴化肥的高投入導致該區(qū)域冬小麥產量和經濟效益偏低，同時造成肥料利用率的降低和一系列生態(tài)環(huán)境風險，如氮素淋洗和溫室效應加劇等[2-5]。因此，明確晉南黃土旱塬冬小麥養(yǎng)分投入現狀，對當地旱作冬小麥減肥增效、節(jié)本增收和控制農田面源污染有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】自1980年以來，我國化肥施用強度平均每年以4.1%的速度上升，2014年全國化肥平均施用量為337.2 kg·hm-2，約為化肥環(huán)境安全閾值（289.1 kg·hm-2）的1.2倍[6]。盡管不同省/區(qū)和作物之間施肥強度差異較大，全國仍有17個省氮肥施用過量、16個省磷肥施用過量，而且施肥過量導致的一系列環(huán)境風險呈現出聚集分布的特點[6-7]。我國農業(yè)生產以小農戶分散經營為主，農戶落后的施肥觀念和技術是當前化肥普遍施用過量的主要原因[8]。就小麥生產而言，相關調查研究表明全國17個省14 000家農戶中約有75%的農戶小麥化肥施用過量[9]。另外，我國不同小麥生產區(qū)域均存在化肥施用過量問題，例如江蘇北部小麥平均施氮量為323 kg N·hm-2，有52%的農戶施用過量[10]；陜西渭北小麥平均施氮量為188 kg N·hm-2，69.0%的農戶施用過量，平均施磷125 kg P2O5·hm-2，91.4%的農戶施用過量[11]；陜西關中小麥平均施氮210 kg N·hm-2，55%以上的農戶施用過量；平均施磷183 kg P2O5·hm-2，約60%的農戶施用過量[12]；河北曲周小麥氮、磷和鉀的平均用量為262 kg N·hm-2、188 kg P2O5·hm-2和52 kg K2O·hm-2，分別有92%、94%和42%的農戶施用過量[13]。過量施肥，尤其是過量施用氮肥，不僅不能繼續(xù)增加小麥產量，還會降低肥料利用率，增加土壤硝態(tài)氮殘留和淋洗[14-17]。【本研究切入點】然而，當前農戶施肥的調查研究更多關注小麥養(yǎng)分資源管理現狀及其減肥潛力，對化肥減施的經濟效益和環(huán)境效應評估較少，尤其是農戶施肥水平變化對控制農業(yè)面源污染（氧化亞氮排放、氨揮發(fā)和硝酸鹽淋洗等）的貢獻更鮮有報道。【擬解決的關鍵問題】因此，本研究通過連續(xù)9年調研山西南部旱塬區(qū)農戶冬小麥產量、養(yǎng)分投入現狀，在明確當地小麥減肥潛力的基礎上，進一步評估了化肥減施的經濟、環(huán)境效應，以期為黃土高原旱地小麥科學施肥發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 調研區(qū)域概況

調研區(qū)主要包括山西省南部的3市7縣（洪同、襄汾、萬榮、臨猗、曲沃、侯馬、絳縣）。該區(qū)域年均氣溫12.6℃左右，年平均降雨量550 mm左右，受季風影響，降水主要集中在7—9月。冬小麥耕作模式以冬小麥-夏休閑為主，每年9月下旬或10月初開始播種，次年6月上旬收獲。

1.2 調研方法與內容

從2009—2017年連續(xù)9年在以上7個縣進行多點農戶麥田養(yǎng)分管理調研。每縣選擇1—3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)選擇6—25個村，每個村選擇5—20個小麥種植戶，共調研了121個村的984家農戶。以問卷調查的方式記錄農戶地塊信息，小麥產量及其對應的肥料品種、施肥時期、施肥量、施肥方法和其他田間管理措施等。本文針對養(yǎng)分投入情況、化肥減施后的經濟效益與環(huán)境效益進行分析評價。

1.3 指標計算方法

1.3.1 產量分級 分析調研農戶的冬小麥多年平均籽粒產量為3 711 kg·hm-2，以3 700 kg·hm-2為晉南旱塬冬小麥產量適中指標，上下浮動500 kg·hm-2作為中等產量范圍，以1 000 kg·hm-2變幅定出低產（≤2 200 kg·hm-2）、偏低（2 200—3 200 kg·hm-2）、中產（3 200— 4 200 kg·hm-2）、偏高（4 200—5 200 kg·hm-2）和高產（＞5 200 kg·hm-2）5個等級。

1.3.2 推薦施肥量及農戶施肥等級

推薦施肥量（recommended fertilizer rate，RF）=各農戶產量×養(yǎng)分系數×養(yǎng)分校正系數（1）

式（1）中，產量指農戶調研獲得的實際田塊產量；養(yǎng)分系數指每形成100 kg冬小麥籽粒產量的養(yǎng)分需求量，即百公斤籽粒養(yǎng)分需求量。本研究中晉南旱塬冬小麥每形成100 kg籽粒產量的氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）的需求量分別為2.8 kg[18-19]、1.1 kg[20]和2.7 kg[21]。養(yǎng)分校正系數是根據當地土壤養(yǎng)分含量及養(yǎng)分豐缺指標確定的，該調研區(qū)小麥氮磷鉀肥的養(yǎng)分校正系數確定為氮 1.2，磷1.5，鉀0.3。

養(yǎng)分投入分級的確定：以各農戶小麥產量對應的養(yǎng)分推薦施肥量（RF）為中點，以20%為變幅作為養(yǎng)分投入適中水平，即適中（90%—110%RF），在此基礎上，從低到高分為5個養(yǎng)分投入分級（表1）。

表1 養(yǎng)分投入等級標準

1.3.3 肥料利用效率指標

農學效率（kg·kg-1）[22]=（施肥籽粒產量-不施肥籽粒產量）（kg·hm-2）/養(yǎng)分投入量（kg·hm-2） （2）

偏生產力（kg·kg-1）=籽粒產量（kg·hm-2）/養(yǎng)分投入量（kg·hm-2） （3）

1.3.4 經濟效益

凈收入=籽粒產量（kg·hm-2）×小麥價格（元/kg）-小麥生產成本（元/hm2） （4）

式（4）中，小麥生產成本包括肥料、種子、耕種、地膜、病蟲害防治、收割等所有的成本之和。

1.3.5 農戶施肥環(huán)境效應評價的經驗模型

N2O=0.26e0.0045x（2=0.19*） （5）

NH3=3.21+0.068（2=0.17*） （6）

N3O=4.93e0.0057x（2=0.50**） （7）

式（5）、（6）和（7）分別是評估農戶施肥N2O排放、NH3揮發(fā)和NO3的淋洗的經驗模型[23]，估算該區(qū)域小麥農戶氮肥減施的環(huán)境效應，其中e=2.71828，為施氮量（kg·hm-2）。

2 結果

2.1 小麥產量和施肥量

分析調研區(qū)域984家農戶小麥產量和施肥量可見（表2），該區(qū)冬小麥多年的平均產量為3 711 kg·hm-2，低于我國小麥平均產量（4 709 kg·hm-2）[2]的21.2%，比世界發(fā)達國家[2]（英國8 049 kg·hm-2，德國7 541 kg·hm-2，比利時8 096 kg·hm-2，法國7 243 kg·hm-2）低48.8%—54.2%。年際間的平均產量為2 146—4 186 kg·hm-2。根據多年平均產量劃定的5個產量水平評價每年的農戶小麥產量發(fā)現，每年小麥產量處于中等、低及很低3個水平的農戶比例介于50%—97.3%，多年平均為74.1%?？梢?，當地小麥產量以中低產為主。另外，農戶年際間施氮量83.2—363.9 kg N·hm-2，多年平均為292.3 kg N·hm-2；農戶年際間施磷量49.1—252.7 kg P2O5·hm-2，多年平均為159.8 kg P2O5·hm-2；農戶年際間施鉀量19.7—153.6 kg K2O·hm-2，多年平均為92.0 kg K2O·hm-2。雖然調研區(qū)域年際小麥產量和施肥量變化較大，但是施肥量多少和產量高低表現并不一致，因此有必要明確不同產量水平農戶養(yǎng)分投入是否合理。

2.2 基于產量的施肥評價

分析不同產量水平下農戶氮肥投入分布發(fā)現（圖1-a），隨著產量水平的提高，施氮過量（高+很高）的農戶比例逐漸降低，而施氮不足（不施+低+很低）的農戶比例逐漸增加。在≤2 200 kg·hm-2產量水平下，施氮過量的農戶占83.5%，施氮不足的農戶比例占12.8%；在＞5 200 kg·hm-2產量水平下，施氮過量的農戶比例降低到31.2%，而施氮不足的農戶增加到51.8%。整體上看，施氮過量的農戶比例為68.7%，施氮不足的為23.6%，施氮適中的僅占7.7%?？梢姡瑫x南旱塬小麥生產中農戶施氮普遍過量。

表2 調研區(qū)農戶小麥產量和養(yǎng)分投入現狀

與氮類似，隨著產量水平的提高，施磷過量的農戶比例逐漸降低，而施磷不足的農戶比例逐漸增加（圖1-b）。在≤2 200 kg·hm-2產量水平下，施磷過量的農戶比例高達81.7%，施磷不足的僅占15.9%；在＞5 200 kg·hm-2產量水平下，施磷過量的農戶只有29.1%，施磷不足的占到53.2%。整體上看，施磷過量的農戶比例為65.1%，施磷不足的為24.5%，施磷適中的僅占10.4%?？梢姡虾弟←溕a中農戶施磷普遍過量現象也較普遍。

分析不同產量水平下農戶鉀肥投入分布發(fā)現（圖1-c），在≤2 200 kg·hm-2產量水平下施鉀過量的農戶占65.9%，施鉀不足的占26.8%；在2 200—3 200 kg·hm-2產量水平下，施鉀過量的農戶比例最大，為74.4%，施鉀不足的占24.9%；之后，隨著產量水平提高施鉀過量的農戶比例逐漸降低，在產量水平＞5 200 kg·hm-2時，施鉀過量的農戶下降到19.4%，而施鉀不足的農戶增加到75.0%。整體上看，施鉀過量的農戶占到57.9%，且集中在＜4 200 kg·hm-2產量水平以下；施鉀不足的農戶占到38.2%，集中在＞5 200 kg·hm-2產量水平；施鉀適中的僅占4.1%，且各產量水平變化不大?？梢姡┾涍^量的農戶比例低于施氮、磷過量的農戶，而施鉀不足農戶比例高于施氮、磷不足的農戶比例。

圖1 不同產量水平的農戶氮（a）、磷（b）、鉀（c）分級投入分布

2.3 減肥潛力分析

2.3.1 氮肥減施潛力分析 比較農戶施氮量和推薦施氮量發(fā)現（表3），整體上而言，施氮高的農戶推薦施氮量平均為127.1 kg N·hm-2，較當前平均施氮量151.2 kg N·hm-2少施24.1 kg N·hm-2（減少15.9%）；施氮很高的農戶推薦施氮量平均為126.5 kg N·hm-2，較當前平均施氮量377.4 kg N·hm-2，可減施250.9 kg N·hm-2（減少66.5%）的氮肥。

另外，不同產量水平的減氮潛力存在差異，在≤3 200 kg·hm-2的低產水平下，施氮高和很高的農戶減氮幅度平均分別為17.7%—18.1%和70.6%—73.8%，減氮量分別為13.0—19.1和134.9—213.3 kg N·hm-2，而在＞4 200 kg hm-2產量水平下，施氮高和很高的農戶減氮幅度平均為12.9%—15.5%和62.8%—66.9%，減氮量分別為22.4—39.5和311.2—371.6 kg N·hm-2。可見高和很高投入農戶在低產區(qū)減氮的幅度較大，而在高產區(qū)減氮的絕對量較大，均為減氮的重點。

2.3.2 磷肥減施潛力分析 比較農戶施磷量和推薦施磷量發(fā)現（表4），整體上而言，高磷投入的農戶推薦施磷量為64.0 kgP2O5·hm-2，較其當前平均施磷量76.9 kgP2O5·hm-2，可減少12.8 kgP2O5·hm-2（減少16.7%）的磷投入；施磷很高的農戶推薦施量為62.5 kgP2O5·hm-2，較其當前平均施磷量268.2 kgP2O5·hm-2，可減少205.7 kgP2O5·hm-2（減少76.7%）的磷投入。

表3 氮投入和減氮潛力

FF指農戶養(yǎng)分實際投入量；RF指養(yǎng)分推薦量；RN指推薦減肥量=(FF-RF)；Δ%指減肥幅度：(FF-RF)/FF。下同

FF: Fertilizer rate used by farmers; RF: Recommended rate; RN: FF minus RF; Δ%: The extent of reduction:（FF minus RF）/ FF. The same as below

表4 磷投入和減磷潛力

另外，不同產量水平的減磷潛力也存在差異，在≤3 200 kg·hm-2產量水平下，高和很高投入的農戶減磷幅度平均為18.6%和76.4%，減磷量分別為8.5和109.2 kgP2O5·hm-2；在＞4 200 kg·hm-2的高產水平下，高和很高投入的農戶減磷幅度平均為16.0%和77.8%，減磷量分別為17.7和326.5 kg P2O5·hm-2，尤其是在4 200—5 200 kg·hm-2產量水平下，很高投入的減磷量和減磷幅度分別達357.3 kgP2O5·hm-2和82.6%。綜上所述，減磷的重點是很高投入的農戶。

2.3.3 鉀肥減施潛力分析 比較農戶施鉀量和推薦施鉀量發(fā)現（表5），高鉀投入的農戶推薦施鉀量為31.0 kg K2O·hm-2，較其當前平均施鉀量37.2 kg K2O·hm-2，可減少6.2 kg K2O·hm-2（減少16.7%）的鉀肥；施鉀很高的農戶推薦施量為31.1 kg K2O·hm-2，較其當前平均施鉀量155.7 37.2 kg K2O·hm-2，可減少124.6 kg K2O·hm-2（減少80%）的鉀。

按照產量水平和鉀肥投入分級看，高投入在每個產量分級下減鉀量均小于10 kg K2O·hm-2，減幅15.0%— 18.2%，差異很小。很高投入的減鉀量在產量≤4 200 kg·hm-2水平為48.9—85.9 kg K2O·hm-2，在＞4 200 kg·hm-2產量水平時減鉀量約200 kg K2O·hm-2。

與氮磷相比，鉀肥減施的絕對量雖有所降低，但減少幅度均有所提高，仍不容忽視。

表5 鉀投入和減鉀潛力

2.4 肥料利用效率及經濟效益分析

2.4.1 化肥減施的經濟效益分析 化肥減施的經濟效益如表6所示。整體上高投入農戶純收入減肥后達6 482元/hm2，較減肥前6 231元/hm2，增收251元/hm2（4.0%）；而很高投入農戶純收入減肥后6 439元/hm2，較減肥前3 014元/hm2增收3 425元/hm2（113.6%）。

產量水平和投入分級不同，高投入農戶的純收入減肥后增加132—407元/hm2和 13.0%—3.1%，且隨著產量水平的升高，絕對量呈增加趨勢，而增幅呈降低趨勢，即，≤2 200 kg·hm-2產量水平的純收入增幅最大，為13.0%，＞5 200 kg·hm-2的產量水平純收入絕對量增加最大；很高投入農戶的純收入從產量水平≤2 200 kg·hm-2到≤5 200 kg·hm-2呈增加趨勢，增收1 488—5 262元/hm2。在產量水平＞5 200 kg·hm-2時，純收入增加5 090元/hm2。綜上可知，純收入增加最大的是高投入農戶。

2.4.2 化肥減施的農學效率分析 表6表明，減氮后，投入高和很高的氮肥農學效率提高14.9%—22.4%、168.9%—400.0%，平均提高18.8%和192.5%，后者大約是前者的10倍。均以≤3 200 kg·hm-2產量水平提高幅度大，即高投入的氮肥農學效率的提高接近于22%，很高投入的介于241.5%—400.0%之間。

磷的農學效率，投入高和很高的農戶，減磷后提高范圍為20.4%—28.0%和262.7%—470.3%，平均提高23.2%和321.3%。在≤3 200 kg·hm-2和＞5 200 kg·hm-2的產量水平下提高幅度較大，高投入的提高接近于25%，很高投入的提高325.4%—470.3%，整體潛力比高投入大13—18倍。

減鉀后，高鉀投入的農學效率提高幅度2.2%— 24.1%，平均22.1%。其中，≤2 200 kg·hm-2產量水平時，只提高2.2%，在2 200—5 200 kg·hm-2的產量水平之間，提高幅度為22.3%—23.8%，平均387.1%。相比之下，很高投入的鉀肥農學效率提高幅度較大，其中在≤3 200 kg·hm-2和＞4 200 kg·hm-2產量水平下提高幅度達360.3%—560.8%。

綜上，氮磷鉀化肥減施后，氮、磷、鉀農學效率提高幅度較大的均是肥料投入很高的農戶。

2.4.3 化肥減施的偏生產力分析 減氮后偏生產力變化如表6所示。5個產量水平，氮高投入的偏生產力平均提高5 kg·kg-1（20.2%）。針對不同產量水平分析，氮的偏生產力提高幅度介于14.2%—31.3%，其中≤2 200 kg·hm-2產量水平時，提高31.3%，＞4 200 kg·hm-2產量水平時，提高14.2%—15.1%。相比之下，很高投入的偏生產力平均提高幅度達20.2 kg·kg-1（210.4%），從低產到高產提高161.4%—282.1%，特別是≤3 200 kg·hm-2產量水平時，提高幅度更大，為238.6%—282.1%。

磷減施的偏生產力變化，高和很高投入的平均提高11.6 kg·kg-1（23.7%）和46.1 kg·kg-1（317.9%）。高投入的在不同產量水平下提高幅度19.3%— 34.1%，其中，≤3 200 kg·hm-2產量水平時提高幅度大，為26.0%—34.1%，＞3 200 kg·hm-2時，均接近于20.0%。而很高投入在不同產量水平下提高幅度260.7%—471.7%，其中，在≤3 200 kg·hm-2和3 200— 4 200 kg·hm-2產量水平時，提高幅度均大于300%?？傮w上可看出，很高投入的整體潛力比高投入大。

減鉀后，鉀的偏生產力高和很高投入的平均提高19.9 kg·kg-1（19.2%）和98.2 kg·kg-1（388.1%）。從低產到高產水平，高投入的偏生產力提高幅度為11.1%—23.1%，其中，≤2 200 kg·hm-2產量水平時提高幅度最小，為11.1%，＞ 2 200 kg·hm-2產量水平時，大約提高20.0%。與高投入不同，很高投入的提高297.1%—556.9%，其中，≤2 200 kg·hm-2和3 200— 4 200 kg·hm-2產量水平時，提高幅度均超過400%。與氮磷趨勢基本一致，很高投入的偏生產力減鉀后變化力度更大。

綜上所述，通過減肥，肥料利用效率和經濟效益等均有不同程度的提高，特別是高投入農戶。

2.5 環(huán)境效應分析

本研究采用崔振嶺[23]方法來評價該區(qū)域小麥農戶減氮前后的環(huán)境風險見圖2。由圖2-a可知，高和很高投入減氮后，在≤2 200 kg·hm-2產量水平下N2O的排放可減少0.02和0.27 kgN2O·hm-2，且產量水平越高減排量越大，到產量＞5 200 kg·hm-2時可減少0.13和3.02 kgN2O·hm-2。減氮后，高和很高投入在5個產量分級中累計減少排放0.30 kgN2O·hm-2（11.2%）和6.28 kgN2O·hm-2（72.5%），且很高投入的減排幅度最大，是高投入的6.5倍。

圖2-b表明，與減氮前相比，減氮后高和很高投入的在≤2 200 kg·hm-2產量水平下，NO3--N的淋洗量減少0.17和7.51 kgNO3--N·hm-2，在＞5 200 kg·hm-2產量水平下減淋洗量提高到3.22、125.33 kg NO3--N·hm-2。且高和很高投入的農戶在不同產量水平下淋洗量累計減少3.05 kgNO3--N·hm-2（4.9%）和231.13kgNO3--N·hm-2（79.6%）。且很高投入的減少NO3--N淋量為高投入的70倍。

圖2-c顯示，NH3的揮發(fā)趨勢與N2O的排放和NO3--N的淋洗相同，在≤2 200 kg·hm-2產量水平下，減氮后比減氮前高和很高投入的揮發(fā)量減少1.25和9.16 kgNH3·hm-2，＞5 200 kg·hm-2產量水平揮發(fā)量減少3.72和26.17 kg NH3·hm-2。相比之下，減氮后各產量水平累計少揮發(fā)14.05 kg NH3·hm-2（20.83%）和90.71 kg NH3·hm-2（62.83%）的NH3，二者的排放量相差6.5倍。

綜合以上3種污染物的總損失量見圖2-d，各產量水平，高和很高投入的總污染物比減氮前減少排放量（占比）17.40 kg N·hm-2（13.1%）和328.12 kg N·hm-2（74.0%）。合計節(jié)約氮12.45 kgN·hm-2（17.5%）和130.89 kgN·hm-2（68.9%），節(jié)省65.00和683.25元/hm2。因此，結合圖2-a、圖2-b和圖2-c及分析可知，氮的污染物損失途徑最大的是NO3--N的淋洗，損失量最大的是很高投入農戶，減氮后，很高投入的農戶氮的污染物有顯著的減排效應。

3 討論

3.1 化肥減施對小麥產量的影響

本研究連續(xù)9年調研結果顯示，晉南旱塬冬小麥年平均產量介于2 146—4 186 kg·hm-2，多年平均為3 711 kg·hm-2，其中56.0%的農戶產量處于低產水平（≤3 200 kg·hm-2）。當地產量偏低且年際變幅比較大，主要原因是受季風性氣候影響年際降水量變化大且年內降雨分布不均，且與冬小麥生長發(fā)育需水關鍵期不匹配。所以，水分仍是限制旱作冬小麥穩(wěn)產增產的首要因子。另外，土壤有機質低導致土壤氮素供應不足同樣限制著當地小麥生產。施肥是實現小麥高產和培肥土壤的關鍵措施，但受“施肥越多產量越高”錯誤觀念的影響，小麥生產中大量施用化肥。本研究中，冬小麥氮肥、磷肥和鉀肥的總用量及各自用量分別達544.1 kg·hm-2、292.3 kg N·hm-2、159.8 kg P2O5·hm-2、92.0 kg K2O·hm-2，不僅高于對應的環(huán)境安全閾值289.1 kg·hm-2、144.6 kg N·hm-2、72.3 kg P2O5·hm-2、72.3 kg K2O·hm-2，也高于我國2014年總化肥及氮、磷、鉀施用強度337.2 kg·hm-2、174.2 kg N·hm-2、87.2 kg P2O5·hm-2、75.8 kg K2O·hm-2 [6]。另外，與基于農戶產量確定的推薦施肥量相比，當前小麥氮肥、磷肥和鉀肥施用過量的農戶比例分別高達68.7%、65.1%和57.9%，分別可減少24.1—250.9 kg N·hm-2，12.8—205.7 kg P2O5·hm-2，6.2—124.6 kg K2O·hm-2的肥料投入。因大量田間試驗結果表明，優(yōu)化農戶習慣施肥在減少當前化肥用量30%—60%的條件下，可維持當前小麥產量或促進小麥增產[22, 24-25]。例如，晉南旱塬小麥肥效試驗表明，采用測土監(jiān)控施肥可降低農戶施肥量，同時小麥產量提高14.8%—30.9%[22]。所以，本研究從維持作物穩(wěn)產增產出發(fā)，確定了晉南旱塬小麥推薦施肥量，并進一步提出了當前農戶化肥用量減施的潛力，可為當地冬小麥養(yǎng)分管理提供有力支撐。

表6 化肥減施前后對小麥經濟效益及養(yǎng)分利用的影響

圖2 各產量水平氮投入分級下減肥前后N2O、NH3、NO3和N總污染物排放

3.2 化肥減施對養(yǎng)分利用和經濟效益的影響

合理施肥能夠提高小麥產量和經濟效益[26]。在我國，谷物生產中的氮肥利用率在20世紀80年代為30%—35%[27]，本世紀初下降到20%以下[28]，低于世界平均水平（33%）。不合理施肥，尤其是過量施肥，作物產量和經濟效益、養(yǎng)分利用效率必受影響[20,29]。本研究中養(yǎng)分投入高和很高的農戶化肥減施后，高投入農戶的經濟效益將提高4%，氮肥、磷肥和鉀肥的農學效率分別提高19.1%、23.1%和22.1%，肥料偏生產力分別提高20.2%、23.7%和19.2%；很高投入農戶的經濟效益將提高55%，氮肥、磷肥和鉀肥的農學效率分別提高192.5%、321.3%和387.1%，肥料偏生產力分別提高210.4%、317.9%和388.1%。王雨成等研究發(fā)現，將農戶施氮量由315 kg N·hm-2減少到180 kg N·hm-2（減少42.9%的氮肥投入），小麥產量并沒有降低且節(jié)約了742.7元/hm2的氮肥投入成本[30]。李強等優(yōu)化農戶氮肥管理發(fā)現，小麥地上部氮吸收量增加6.4%—36.4%，氮素收獲指數提高5.7%—6.8%[25]。趙亞南等研究發(fā)現，農戶氮肥和磷肥減施后氮肥偏生產力和農學效率可分別提高79.2%和69.1%，磷肥偏生產力和農學效率可分別提高 91.1%、72.7%[31]。朱曉霞等研究發(fā)現，較農戶施肥減氮65.9 kg N·hm-2，氮肥偏生產力提高34.3%，經濟效益增加1002元/hm2[32]。ZHAN等多點田間試驗表明，在鉀肥投入由154 kg K2O·hm-2減到102 kg K2O·hm-2情況下，產量增加300 kg·hm-2，偏生產力由35.3 kg·kg-1提高到54.9 kg·kg-1，提高了55.5%，經濟效益增加959.2 元/hm2[33]。崔振嶺等研究發(fā)現，玉米、水稻、小麥3種作物氮肥減施后，氮肥的偏生產力可提高31.5%—35.7%，經濟效益增加22.1%—27.2%[23]。綜合以上多點化肥減量試驗和本研究提出的化肥減施后的經濟效益和肥料利用效率分析結果可見，合理減少肥料的投入，養(yǎng)分利用效率和經濟效益均有提高，對于黃土旱塬小麥合理施肥均有一定的指導意義。

3.3 小麥化肥減施對環(huán)境效益影響

當前，糧食安全、環(huán)境退化和氣候變化是人類面臨的重大挑戰(zhàn)，農業(yè)生產是挑戰(zhàn)的核心。我國小麥種植面積大，生產中平均每年施氮305 kg N·hm-2，是世界氮肥用量74 kg N·hm-2的4倍，過量施氮引發(fā)的系列環(huán)境問題，成為當今研究者普遍關心的問題[23,33-34]。本研究表明，高和很高投入農戶氮肥減量后，N2O的排放可分別減少11.2%和72.5%；NH3的揮發(fā)可分別減低20.8%和62.8%；NO3--N的淋洗可分別降低4.9%和79.6%；總氮污染物減少17.4 kg·hm-2（13.1%）和328.1 kg·hm-2（74.0%），節(jié)約氮肥12.5 kg N·hm-2（17.5%）和130.9 kg N·hm-2（68.9%），節(jié)約成本65.0和683.3元/hm2。田間試驗表明，在陜西長武旱塬氮肥減施后，當季土壤硝態(tài)氮殘留減少59.5%—68.2%，夏閑期土壤硝態(tài)氮向60 cm以下土層的淋溶量減少24.3%-42.3%[25]。晉南旱塬連續(xù)4年試驗表明，在平均減氮46.25 kg N·hm-2情況下，2 m土壤土層硝態(tài)氮累積量由277.0 kgNO3--N·hm-2下降到170.7 kgNO3--N·hm-2，下降了106.3kgNO3--N·hm-2 [22]。同樣，施氮180 kg·hm-2和315 kg·hm-2相比，作物收獲后0－200 cm土層硝態(tài)氮含量減少了26.7%—32.2%[30]；施氮75 kg·hm-2與300 kg·hm-2相比，土壤硝態(tài)氮的平均淋失濃度和年均淋失量分別降低了32.5%和30.6%[35]。另外，正常施氮160 kg·hm-2，作物收獲后0—300 cm土層硝態(tài)氮累積量為327.9 kgNO3--N·hm-2，過量施氮320 kg·hm-2硝態(tài)氮累積量為727.7 kgNO3--N·hm-2，相比之下硝態(tài)氮累積下降了399.8 kgNO3--N·hm-2[36]。更全面的是巨曉棠為期4年的田間試驗，結果表明小麥生長季氨揮發(fā)占施氮量的19.4%，N2O排放量占0.1%，NO3--N淋失占2.7%，均隨施氮量的增加而顯著增加[37]。崔振嶺在我國主要糧食生產區(qū)應用養(yǎng)分資源管理（ISSM）技術優(yōu)化農戶施肥習慣，并進行10年技術推廣后發(fā)現，活性氮損失減少22.9%—34.9%，溫室氣體排放量減少18.6%—29.1%[23]。以上研究結果均為本研究提出的化肥減施的環(huán)境正效應提供了有力支撐，也進一步證明農戶減氮可以降低施肥對環(huán)境的影響。

4 結論

對晉南旱塬984個農戶施肥調研分析發(fā)現，當地小麥產量以中低產為主，氮、磷和鉀養(yǎng)分投入過量的農戶比例為58%—69%，減肥潛力很大。若實現化肥減施，可不同程度地提高氮磷鉀養(yǎng)分的利用效率和經濟效益，同時減少15.1%—285.0%的總氮化合污染物（N2O排放、NO3--N淋洗和NH3揮發(fā)）的排放量，估測節(jié)約純氮12.5—130.9 kg N·hm-2。

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Evaluation on Fertilizer Application and Its Economic-Environmental Benefits Associated with Fertilizer Reduction Potential for Dryland Wheat in Loess Plateau of Southern Shanxi Province

MA HongMei1, 2, CAO HanBing1, 2, XIE YingHe1, 2, LI TingLiang1, 2, LIU Kai1, ZHANG QiRu1, JIANG LiWei1, CAO Jing1, SHAO JingLin1, WU WenYue1, LI WenQi1

1College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi;2National Experimental Teaching Demonstration Center of Agricultural Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi

【】 The aim of this study was to clarify situation of the farmers’ nutrient application, so as to provide a theory base for the realization of stable and high yield, high nutrient use efficiency, and lower environmental pollution in dryland wheat production. 【】A 9-yr survey of 984 farmers was carried out, and a yield based fertilizer recommendation method were used to analyze and evaluate their nutrient applications and the fertilizer reduction potential and economic-environmental benefits in Loess Plateau. 【】The farmers’ wheat yield was lower, with the average of 3 711 kg·hm-2, and they were allocated into three groups as: low (≤3 200 kg·hm-2) andmoderate (3 200-4 220 kg·hm-2), respectively, accounting for 56.0% and 18.1% of the total farmers. Farmers’ nitrogen (N), phosphorus (P2O5) and potassium (K2O) application were very high, with the average of 292.3 kg N·hm-2, 159.8 kg P2O5·hm-2and 92.0 kg K2O·hm-2. And the proportion of the high-application farmers were N 68.7% and P2O565.1% and K2O 57.9%, respectively, which was large in low-yield level. Generally, these high-application farmers were recommended to reduce 24.1 kg N·hm-2, 12.8 kgP2O5·hm-2, and 6.2 kg K2O·hm-2, and the reduction range was N 15.9%, P 16.7% and K 16.7%, respectively, but these very high-application farmers were recommended to reduce 250.9 kg N·hm-2, 205.7 kg P2O5·hm-2, and 124.6 kg K2O·hm-2, and the reduction range was 66.5%, 76.7%, and 80.0%, respectively. Then, their economic effects increased by 251 yuan/hm2and 3 425 yuan/hm2, 4.0% and 55.0%, NPK agronomic efficiency increased by N 18.8%, P 23.2%, and K 22.1% for the high farmers, and N 192.5%, P 321.3%, and K 388.1% for the very high farmers. NPK partial productivity increased by N 20.2%, P 23.7%, and K 19.2%, and N 210.4%, P 317.9%, K 388.1%, respectively.According to the estimation, the environmental impact of reducing nitrogen application was that emission of the N-pollutant reduced, such as N2O emission decreased by 0.3 kg N2O·hm-2and 6.3 kg N2O·hm-2, 11.2% and 72.5%, NH3volatilization decreased by 14.1kg NH3·hm-2and 90.7 kg NH3·hm-2, 20.8%and 62.8%, and NO3leaching decreased by 3.1 kg NO3·hm-2and 231.1 kg NO3·hm-2, 4.9% and 79.6%, respectively. Total nitrogenpollutants (including N2O emission, NH3volatilization and NO3leaching) reduced 17.4 kg·hm-2and 328.1 kg·hm-2, with 13.1%and 74.0%, respectively. In total, 12.5 kg N·hm-2and 130.9 kg N·hm-2with 65.0 yuan/hm2and 683.3 yuan/hm2were saved, respectively. 【】In this paper, based on the wheat yield, the farmer's fertilization was evaluated, and the potential of reducing excessive fertilization was estimated, and the economic benefits and the effect of the reducing nitrogen-pollutants emission were analyzed through reducing fertilizer application. It was known that the farmers with high and very-high fertilizer application not only had different potential for reducing fertilizer application，such as 24.1-250.9 kg N·hm-2, 12.8-205.7 kg P2O5·hm-2, 6.2-124.6 kg K2O·hm-2, but also farmers' economic benefits was improved by 251-3 425 yuan/hm2, and fertilizer agronomic efficiencywas improved by N 18.8%-192.5%, P 23.2%-321.3%, K 22.1%-388.1%，and partial productivitywas improved by N 20.2%-210.4%, P 23.7%-317.9%, K 19.2%-388.1%, and the emission of total nitrogen pollutants (including N2O, NH3and NO3) was reduced by 17.4-328.1 kg·hm-2. This study comprehensively and systematically revealed the resource and environmental problems, challenges and opportunities in the current dry wheat production, which provided a certain theoretical basis for an environment-friendly fertilization with saving cost and increasing efficiency.

Loess Plateau; winter wheat; nutrient application; fertilizer reduction; economic-environmental effects

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.13.010

2020-08-23；

2021-01-04

國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFD0200401）、國家公益性行業(yè)（農業(yè)）科研專項（201503124）、山西省重點研發(fā)計劃項目（201803D221005-2）、山西省研究生教育創(chuàng)新項目（2020SY191）

馬紅梅，E-mail：mahongmei0405@163.com。通信作者謝英荷，E-mail：xieyinghe@163.com

（責任編輯 李云霞）