李亞貞，韓天富，曲瀟琳，馬常寶，都江雪，柳開樓，黃晶,4，劉淑軍,4，劉立生,4，申哲，張會民 ,4?

1江西省紅壤及種質(zhì)資源研究所/國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，江西進(jìn)賢 331717；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測保護(hù)中心，北京 100125；4中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院衡陽紅壤實(shí)驗(yàn)站/湖南祁陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，湖南祁陽 426182

0 引言

【研究意義】水稻是重要的糧食作物，世界一半以上的人口、中國60%以上的人口以稻米為主食[1-2]。中國水稻的種植面積每年穩(wěn)定在3 000萬hm2左右，約占全國糧食作物總播種面積的25.76%[3]。為了滿足國內(nèi)人口增長的需求，在目前的生產(chǎn)水平上，在保持和提高土壤生產(chǎn)力、避免環(huán)境退化和自然生態(tài)系統(tǒng)破壞的同時，到 2030年我國大約需要增加 20%的水稻產(chǎn)量[2]。肥料施用在提高作物產(chǎn)量和改善土壤質(zhì)量方面發(fā)揮著重要作用[4]。然而，大多數(shù)農(nóng)民習(xí)慣依靠增加化肥的施用量來提高作物產(chǎn)量，導(dǎo)致資源利用效率降低，造成環(huán)境污染等問題[5-6]，這主要?dú)w因于不合理的養(yǎng)分管理措施，尤其是忽略了肥料貢獻(xiàn)率對作物生長影響。因此，探明我國水稻肥料貢獻(xiàn)率的年際變化及其影響因子，對水稻可持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】化肥作為我國肥料的主要來源，為糧食增產(chǎn)發(fā)揮了重要的作用[7]。在全球尺度上，聯(lián)合國糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)表明，化肥對糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為40%—60%[8]。但是，在我國，受研究年限和數(shù)據(jù)集及模型方法的影響，不同研究者的結(jié)果差異較大，曾希柏等[8]研究表明，20世紀(jì)90年代我國糧食作物的肥料貢獻(xiàn)為5—10 kg·kg-1。1978—2006年間，化肥對我國糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率高達(dá)56.81%[9]；而房麗萍等[10]的研究表明，1978—2010年間，化肥投入對我國糧食產(chǎn)量增長的貢獻(xiàn)率為20.79%。1995—2015年全國30個省份的數(shù)據(jù)顯示，雖然化肥對糧食產(chǎn)量的變動都呈現(xiàn)正向影響，但兩個模型估計(jì)的化肥對糧食產(chǎn)量變化的貢獻(xiàn)率均低于 2%[11]，這說明，在目前中國糧食產(chǎn)量增加過程中化肥的作用已經(jīng)很低，繼續(xù)增加化肥施用量并不會大幅增加產(chǎn)量。在不同區(qū)域間，糧食產(chǎn)量的肥料貢獻(xiàn)率也存在明顯不同。魯彩艷等[12]研究發(fā)現(xiàn)，1978—2002年間，化肥對黑龍江省糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為 9.3 kg·kg-1。孫彥銘等[13]研究表明，2005—2013年間，施肥對河北省夏玉米產(chǎn)量的平均貢獻(xiàn)率為39.3%。王偉妮等[14]研究指出，在 2006—2008年間，肥料對湖北省水稻產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為 29.6%，明顯低于油菜（56.2%），這說明，當(dāng)前農(nóng)民習(xí)慣施肥條件下，化肥對水稻的貢獻(xiàn)率還有較大的提升空間?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】我國水稻種植區(qū)范圍廣，由于人為管理措施、種植制度、氣候和土壤類型等差異較大，進(jìn)而導(dǎo)致不同地區(qū)水稻的肥料貢獻(xiàn)率差別較大。目前大多數(shù)的研究由于研究對象（以糧食作物為主）[8-12]、方法手段（模型模擬）[9-11]和點(diǎn)位單一（某個?。12-14]的影響，導(dǎo)致相關(guān)研究不能準(zhǔn)確評估全國尺度的水稻肥料貢獻(xiàn)率；同時，由于研究時間跨度不一，全國水稻肥料貢獻(xiàn)率的時間演變規(guī)律仍不清晰[8-12]。自20世紀(jì)80年代以來，我國化肥用量持續(xù)高速增長，但作物的產(chǎn)量卻始終增加緩慢[7]。因此，明確水稻的肥料貢獻(xiàn)率對于指導(dǎo)不同區(qū)域的化肥減施增效行動和合理配置肥料資源具有重要意義?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究基于近30年（1988—2017年）農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取不施肥和常規(guī)施肥處理，分別從稻作模式、不同區(qū)域、氣候條件和土壤質(zhì)地等條件下，分析水稻肥料貢獻(xiàn)率的演變特征，進(jìn)而探究肥料種類、氣候和土壤肥力指標(biāo)等因素對水稻肥料貢獻(xiàn)率的影響程度，以期探明影響水稻肥料貢獻(xiàn)率的關(guān)鍵因子，從而有效指導(dǎo)我國稻作區(qū)的持續(xù)豐產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分析數(shù)據(jù)來源于近 30年（1988—2017年）農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地土壤質(zhì)量監(jiān)測田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)。研究地點(diǎn)位于中國21個水稻生產(chǎn)省份的338個監(jiān)測點(diǎn)，主要分布在以下6個地區(qū)：東北（黑龍江、吉林、遼寧）、華北（河南、陜西、山東）、長江下游（安徽、江蘇、上海和浙江）、長江中游（湖北、湖南、江西）、西南（云南、貴州、重慶、四川）和華南（福建、廣東、廣西、海南）。各監(jiān)測點(diǎn)位是我國農(nóng)業(yè)部門綜合考慮不同稻作區(qū)的實(shí)際情況（包括土壤肥力、施肥、灌溉、種植類型、產(chǎn)量水平等）進(jìn)行布置，且各點(diǎn)位的實(shí)施均由當(dāng)?shù)剞r(nóng)技推廣部門進(jìn)行具體管理。同時，由于耕地屬性、生產(chǎn)方式的變化，各區(qū)域的耕地監(jiān)測也在不斷進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭討B(tài)調(diào)整，包括及時刪除一些管理不當(dāng)?shù)狞c(diǎn)位，新增一些有代表性的點(diǎn)位。但是，各區(qū)域的監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)量總體保持穩(wěn)定，在全國尺度上具有很好的代表性和權(quán)威性。

每個試驗(yàn)點(diǎn)的耕作制度、種植制度、土壤類型、分布面積、生產(chǎn)能力、灌排方式、地理位置、管理措施等都是當(dāng)?shù)厮旧a(chǎn)的常規(guī)模式。每個試驗(yàn)點(diǎn)均設(shè)置不施肥與施肥處理，其中施肥處理的肥料用量是綜合考慮當(dāng)?shù)赝寥婪柿爱?dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣下確定的。每個監(jiān)測點(diǎn)的面積不低于334 m2，為防止水肥橫向轉(zhuǎn)移，小區(qū)間用水泥板或者其他材料做擋板。1988—2017年間，全國各地的水稻品種不斷更新?lián)Q代（從高產(chǎn)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)變），施肥習(xí)慣（從大量施肥到測土配方施肥和化肥減施增效轉(zhuǎn)變）、種植技術(shù)（從人工種植到輕簡化、機(jī)械化種植轉(zhuǎn)變）和病蟲害防控技術(shù)（從化學(xué)防治到生物防治和化學(xué)防治相結(jié)合）均在不斷優(yōu)化，而各試驗(yàn)點(diǎn)位的水稻品種和栽培技術(shù)等也隨當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)方式進(jìn)行調(diào)整。因此，各試驗(yàn)點(diǎn)位的施肥處理可以較好地反映當(dāng)?shù)氐乃旧a(chǎn)水平。

1.2 數(shù)據(jù)收集和分析

水稻成熟期，采用去邊行后實(shí)打?qū)嵤諟y定產(chǎn)量。1988—2017年間，水稻品種和栽培技術(shù)在水稻產(chǎn)量提升方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。而在本研究中，相同的試驗(yàn)點(diǎn)位中不施肥和施肥處理的水稻品種和栽培技術(shù)均相同，因此，本研究計(jì)算了品種和栽培技術(shù)一致條件下的水稻肥料貢獻(xiàn)率，計(jì)算方法如下[15]：

肥料貢獻(xiàn)率（%）=（施肥區(qū)產(chǎn)量-不施肥區(qū)產(chǎn)量）/施肥區(qū)產(chǎn)量×100。

每年最后一季作物收獲后，每個試驗(yàn)點(diǎn)采集耕層（0—20 cm）土壤進(jìn)行理化性質(zhì)分析測試，測定指標(biāo)為pH、有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀，按照全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心土壤分析技術(shù)規(guī)范測定各項(xiàng)指標(biāo)[16]。

監(jiān)測點(diǎn)收集并記載6個地區(qū)1988—2017年每年的氣象資料和耕層（0—20 cm）土壤理化性質(zhì)等指標(biāo)數(shù)據(jù)。氣候資料數(shù)據(jù)包括年均降水（MAP）、年均氣溫（MAT）、無霜期（FFP）和日照時數(shù)（SH）。年平均降水量變化范圍為476.4—2 400.0 mm，平均值為1 347.1 mm；年平均氣溫變化范圍為2.4—25.4 ℃，平均值為6.8℃；年無霜期變化范圍107.5—272.0 d；年日照時數(shù)的變化范圍為957.9—2 780.5 h。

考慮監(jiān)測時間的跨度，將所有數(shù)據(jù)分為：1988—1992、1993—1997、1998—2002、2003—2007、2008—2012和2013—2017年等6個時間段，分別代表施肥后5、10、15、20、25、30 a。本文的不同稻作模式分類為單季稻、雙季稻和水稻-其他作物輪作（油菜、小麥、蔬菜、綠肥等）。不同氣候劃分為熱帶季風(fēng)氣候、亞熱帶季風(fēng)氣候和溫帶季風(fēng)氣候，不同土壤質(zhì)地劃分為黏土、壤土和砂土。

數(shù)據(jù)用Excel 2016整理，運(yùn)用SPSS 17.0進(jìn)行相關(guān)性分析及顯著性檢驗(yàn)。采用Origin 8.5軟件制作箱式圖展示肥料貢獻(xiàn)率變化，由于部分年份數(shù)據(jù)缺失和偏少的原因，砂土2013—2017年數(shù)據(jù)和華北最近兩個時間段的數(shù)據(jù)未進(jìn)行顯示。水稻肥料貢獻(xiàn)率與施肥時間的關(guān)系用雙直線方程進(jìn)行擬合。

2 結(jié)果

2.1 不同稻作模式下水稻肥料貢獻(xiàn)率年際變化

1988—2017年間，水稻肥料貢獻(xiàn)率均呈現(xiàn)出隨著施肥年限的增加先逐漸上升再趨于平穩(wěn)的趨勢（圖1）。在全國尺度上，水稻肥料貢獻(xiàn)率為 41.20%—51.89%。在不同稻作模式間，單季稻、雙季稻和水稻-其他作物輪作的水稻肥料貢獻(xiàn)率分別為 38.58%—55.49%、41.96%—51.05%和 42.34%—53.43%，其中單季稻30年的年均水稻肥料貢獻(xiàn)率最高（49.52%），分別比雙季稻和水稻-其他作物輪作提高了 4.25%和2.76%。

圖1 不同稻作模式下水稻肥料貢獻(xiàn)率年際變化Fig.1 Interannual variation of fertilizer contribution rate for rice under different cropping systems

擬合方程（表 1）顯示，全國的水稻肥料貢獻(xiàn)率在施肥19.6 a達(dá)到穩(wěn)定（51.55%），單季稻、雙季稻和水稻-其他作物輪作的水稻肥料貢獻(xiàn)率則分別在21.9、16.5和28.4 a時達(dá)到穩(wěn)定（54.52%、47.97%和53.33%）。而在達(dá)到穩(wěn)定之前，線性方程的斜率顯示，全國的水稻肥料貢獻(xiàn)率在試驗(yàn)19.6 a之前的年均增幅為0.69%。不同稻作模式的年均增幅則存在較大差異，其中單季稻的水稻肥料貢獻(xiàn)率年均增幅（1.05%）顯著高于雙季稻（0.58%）和水稻-其他作物輪作（0.55%）。

表 1 不同稻作模式下水稻肥料貢獻(xiàn)率（y，%）與施肥時間（x，a）的相關(guān)關(guān)系Table 1 The relationship between fertilizer contribution rate for rice (y, %) and fertilization time (x, a) under different cropping systems

2.2 不同區(qū)域水稻肥料貢獻(xiàn)率年際變化

圖2顯示，不同區(qū)域的水稻肥料貢獻(xiàn)率差異較小，近30年來，東北、華北、西南、長江中游、長江下游和華南地區(qū)的水稻肥料貢獻(xiàn)率分別為40.88%—51.06%、37.67%—51.89%、44.01%—64.99%、39.16%—50.76%、41.66%—45.69%和 41.51%—53.88%，年均水稻肥料貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為：西南（55.82%）＞長江中游（46.73%）＞華北（46.27%）＞東北（45.90%）＞華南（45.83%）＞長江下游（44.25%）。

圖2 不同區(qū)域水稻的肥料貢獻(xiàn)率年際變化Fig.2 Interannual variation of fertilizer contribution rate for rice under different regions

不同區(qū)域的水稻肥料貢獻(xiàn)率均呈現(xiàn)出隨著施肥年限的增加先逐漸增加后穩(wěn)定的趨勢（表 2）。東北、華北、西南、長江中游、長江下游和華南地區(qū)的水稻肥料貢獻(xiàn)率達(dá)到穩(wěn)定的施肥年限分別為 15.2、18.5、19.0、15.3、15.3和 14.5 a，對應(yīng)的水稻肥料貢獻(xiàn)率分別為42.06%、51.46%、57.68%、47.57%、44.14%和51.85%。通過線性方程的斜率發(fā)現(xiàn)，在達(dá)到穩(wěn)定之前，東北、華北、西南地區(qū)的水稻肥料貢獻(xiàn)率年均增幅分別為1.02%、1.42%和1.33%，明顯高于長江中游、長江下游和華南的年均增幅（分別為0.78%、0.24%和0.55%）。

表2 不同區(qū)域水稻肥料貢獻(xiàn)率（y, %）與施肥時間（x, a）的相關(guān)關(guān)系Table 2 The relationship between fertilizer contribution rate for rice (y, %) and fertilization time (x, a) under different regions

2.3 不同氣候條件下水稻的肥料貢獻(xiàn)率年際變化

不同氣候條件下水稻的肥料貢獻(xiàn)率差異較大（圖3），近 30年來，熱帶季風(fēng)區(qū)的水稻肥料貢獻(xiàn)率為13.74%—57.74%，年均為34.57%，而溫帶和亞熱帶季風(fēng)區(qū)的水稻肥料貢獻(xiàn)率分別為 17.97%—73.50%和20.20%—81.41%，年均分別為45.90%和49.23%。隨著施肥年限的增加，熱帶季風(fēng)區(qū)的水稻肥料貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)出前期（前15 a）緩慢增加，后期（15—30 a）快速增加的趨勢，而溫帶和亞熱帶季風(fēng)區(qū)的水稻肥料貢獻(xiàn)率則呈現(xiàn)出前期（前15 a）逐漸增加，后期（15—30 a）逐漸降低或穩(wěn)定的趨勢。

圖3 不同氣候條件下肥料貢獻(xiàn)率年際變化Fig.3 Interannual variation of fertilizer contribution rate for rice under different climate conditions

進(jìn)一步結(jié)合雙直線擬合方程（表 3）顯示，熱帶季風(fēng)區(qū)前 16.2 a的水稻肥料貢獻(xiàn)率年均增幅為0.52%，而在16.2 a后的年均增幅為0.82%。溫帶和亞熱帶季風(fēng)區(qū)的水稻肥料貢獻(xiàn)率分別在15.2和20.5 a達(dá)到穩(wěn)定，對應(yīng)的水稻肥料貢獻(xiàn)率分別為42.06%和 53.21%。根據(jù)擬合方程的斜率發(fā)現(xiàn)，水稻肥料貢獻(xiàn)率在達(dá)到穩(wěn)定之前，溫帶季風(fēng)區(qū)的水稻肥料貢獻(xiàn)率年均增幅（1.02%）明顯高于亞熱帶季風(fēng)區(qū)（0.75%）。

表3 不同氣候條件下水稻肥料貢獻(xiàn)率（y, %）與施肥時間（x, a）的相關(guān)關(guān)系Table 3 The relationship between fertilizer contribution rate for rice (y, %) and fertilization time (x, a) under different climate conditions

2.4 不同土壤質(zhì)地條件下水稻肥料貢獻(xiàn)率年際變化

不同土壤質(zhì)地下水稻肥料貢獻(xiàn)率差異較大（圖4），近30年間，黏土、壤土和砂土的水稻肥料貢獻(xiàn)率分別為43.25%—64.80%、40.65%—48.46%和26.20% —45.98%，其中年均水稻肥料貢獻(xiàn)率大體呈現(xiàn)為黏土＞壤土＞砂土。隨著施肥年限的延長，黏土的水稻肥料貢獻(xiàn)率表現(xiàn)出前期（前20 a）增加，后期（20—30 a）穩(wěn)定的趨勢，雙直線方程表明，黏土的水稻肥料貢獻(xiàn)率達(dá)到穩(wěn)定（64.5%）的施肥年限為20.9 a，其在施肥20.9 a 之前的年均增幅為1.33%。而壤土的水稻肥料貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)前期（前20 a）增加，后期（20—30 a）降低的趨勢，雙直線方程（表 4）顯示，壤土的水稻肥料貢獻(xiàn)率在施肥前17.5 a的年均增幅為0.64%，施肥年限大于17.5 a，其年均降幅為0.42%。砂土的水稻肥料貢獻(xiàn)率則無明顯規(guī)律。

圖4 不同土壤質(zhì)地的水稻肥料貢獻(xiàn)率年際變化Fig.4 Interannual variation of fertilizer contribution rate for rice under different soil textures

表4 不同土壤質(zhì)地水稻肥料貢獻(xiàn)率（y, %）與施肥時間（x,a）的相關(guān)關(guān)系Table 4 The relationship between fertilizer contribution rate of rice (y, %) and fertilization time (x, a) under different soil textures

2.5 不同因素對水稻肥料貢獻(xiàn)率的影響程度

肥料種類、氣象因子和土壤理化指標(biāo)等因素均對水稻肥料貢獻(xiàn)率的變化產(chǎn)生影響（圖 5）。在所有因子中，氮肥和磷肥的相對重要性較高，其次為無霜期、年平均降雨量和年平均溫度，鉀肥的貢獻(xiàn)明顯低于氮肥和磷肥。在氣象因子中，無霜期、年平均降雨量和年平均溫度因素的重要程度明顯大于日照時數(shù)。在土壤理化指標(biāo)中，有機(jī)質(zhì)含量的相對重要性最高，其次為有效磷、pH，速效鉀和全氮相對重要性均較低。

圖5 不同因素對水稻肥料貢獻(xiàn)率的重要性Fig.5 Relative variable importance ranking of different factors for the fertilizer contribution rate for rice

3 討論

3.1 全國水稻肥料貢獻(xiàn)率的階段性變化

在水稻生產(chǎn)中，除了作物品種、溫光資源和立地條件之外，氮、磷、鉀肥料在促進(jìn)水稻生長和提高產(chǎn)量方面也發(fā)揮了重要作用[17]。本研究表明，近 30年來，在施肥區(qū)和不施肥區(qū)水稻品種和栽培技術(shù)相同的情況下，全國尺度上氮、磷、鉀肥對水稻產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率維持在41.20%—51.89%，但是，隨著施肥年限增加，肥料貢獻(xiàn)率則呈現(xiàn)出前期（施肥前20年）增加（年均增幅為0.69%），后期（施肥20年之后）穩(wěn)定的趨勢。這與前人的研究結(jié)果相似[8,11]。龔斌磊[18]研究表明，1990—2010年，化肥一直是我國農(nóng)業(yè)增速的主要貢獻(xiàn)因子之一。原因首先與我國自改革開放以來大力推廣化肥施用有關(guān)，但從2015年開始，面對過度的化肥用量增產(chǎn)，農(nóng)業(yè)主管部門開始積極實(shí)施化肥“零增長”行動，而各地陸續(xù)開展的化肥減施增效行動在減少化肥資源浪費(fèi)的同時有效維持了化肥對水稻產(chǎn)量的貢獻(xiàn)水平。其次，隨著秸稈還田、測土配方和綠肥種植的大力推廣，全國稻田的土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀等肥力指標(biāo)的持續(xù)提升[19-23]，李建軍等[24]研究也表明，1988—2012年間，全國稻作區(qū)土壤基礎(chǔ)地力總體呈上升趨勢，這也導(dǎo)致水稻高產(chǎn)對肥料用量的依存度[25]有所降低。然而，基于全國耕地質(zhì)量監(jiān)測平臺進(jìn)行的長期不施肥處理由于持續(xù)處于地力耗竭狀態(tài)[25]，可能導(dǎo)致本研究計(jì)算的水稻肥料貢獻(xiàn)率存在高估的現(xiàn)象。因此，如何結(jié)合模型模擬等方法進(jìn)一步精準(zhǔn)評估水稻肥料貢獻(xiàn)率仍是未來研究的重點(diǎn)方向之一。此外，需要注意的是，本文數(shù)據(jù)主要來自全國稻作區(qū)338個耕地質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)位。由耕地質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)位反映的水稻肥料貢獻(xiàn)率時空變化，能否代表大面積水稻生產(chǎn)尤其是高產(chǎn)稻田的肥料貢獻(xiàn)率時空變化，有待進(jìn)一步研究。

3.2 不同稻作模式、區(qū)域、氣候和土壤質(zhì)地對肥料貢獻(xiàn)率的影響

受水稻品種、土壤類型和溫度光照等環(huán)境因素以及施肥、耕作和水分管理等人為因素的影響，全國不同稻作模式、區(qū)域的水稻產(chǎn)量差異較大[26-27]，進(jìn)而直接導(dǎo)致水稻的肥料貢獻(xiàn)率在不同稻作模式、區(qū)域、氣候帶和土壤質(zhì)地等均存在明顯差異。雙直線擬合方程顯示，不同稻作模式、區(qū)域、氣候和土壤質(zhì)地條件下，水稻肥料貢獻(xiàn)率也大體呈現(xiàn)出前期增加后期穩(wěn)定的趨勢。在1988—2017年間，在施肥區(qū)和不施肥區(qū)水稻品種和栽培技術(shù)相同的條件下，單季稻的年均肥料貢獻(xiàn)率（49.52%）明顯高于雙季稻和水稻-其他作物輪作，且在水稻肥料貢獻(xiàn)率達(dá)到穩(wěn)定前，單季稻的肥料貢獻(xiàn)率年均增幅（1.05%）也顯著高于雙季稻和水稻-其他作物輪作，原因可能是單季稻主要分布在東北地區(qū)，再加上單季稻的生育期較長，其較高的單產(chǎn)水平對外源肥料的需求較高[28]，但具體原因還應(yīng)進(jìn)一步分析。

在不同區(qū)域間，水稻的年均肥料貢獻(xiàn)率則表現(xiàn)出西南最高（52.48%），其次為東北（46.10%）、長江中游（44.83%）、華北（44.96%）和長江下游（43.49%），華南地區(qū)最低（43.12%），原因主要有：西南區(qū)域較低的土壤基礎(chǔ)地力導(dǎo)致水稻對肥料依賴性較高[29]，而東北黑土開墾為水稻土，土壤有機(jī)質(zhì)逐漸降低也是其水稻肥料貢獻(xiàn)率較高的主要原因[30]；同時，長江中游、華北、長江下游和華南地區(qū)的土壤肥力在1988—2017年均得到較高提升[20-23]，從而導(dǎo)致其水稻的肥料貢獻(xiàn)率明顯低于西南和東北地區(qū)。不同區(qū)域的水稻肥料貢獻(xiàn)率在達(dá)到穩(wěn)定之前，東北、華北、西南地區(qū)的水稻肥料貢獻(xiàn)率年均增幅（1.02%—1.42%）明顯高于長江中游、長江下游和華南（0.24%—0.78%）地區(qū)，原因可能與不同區(qū)域的化肥用量增長速率不同有關(guān)[31]。

在不同氣候條件下，熱帶季風(fēng)區(qū)水稻的肥料貢獻(xiàn)率（34.57%）明顯低于溫帶和亞熱帶季風(fēng)區(qū)（45.90%和49.23%）。原因一方面與熱帶季風(fēng)區(qū)較為充足的溫光資源為水稻生產(chǎn)提供了較好的物質(zhì)條件，從而降低了水稻產(chǎn)量對外源肥料的依存度。另一方面，與熱帶季風(fēng)區(qū)較高的肥料投入量有關(guān)，熱帶季風(fēng)區(qū)的水稻生產(chǎn)中，高溫高濕的條件和較多的降雨量可能導(dǎo)致化肥損失較高，進(jìn)而導(dǎo)致化肥利用率降低[32]，化肥利用效率下降是我國化肥施用強(qiáng)度增加的主導(dǎo)因素[33]。不同氣候條件下，水稻的肥料貢獻(xiàn)率在達(dá)到穩(wěn)定之前，溫帶的水稻肥料貢獻(xiàn)率年均增幅（1.02%）明顯高于亞熱帶（0.75%）。這可能是我國南方亞熱帶稻作區(qū)的土壤酸化趨勢限制了水稻肥料貢獻(xiàn)率的增速[34]。此外，水稻肥料貢獻(xiàn)率的變化還受水稻品種和上季作物肥料殘效的影響[25]，因此，關(guān)于肥料貢獻(xiàn)率的時空差異仍需進(jìn)一步研究。

不同土壤質(zhì)地類型下，近30年水稻的年均肥料貢獻(xiàn)率大體呈現(xiàn)為黏土＞壤土＞砂土。這主要與土壤的質(zhì)地特性相關(guān)[35]，黏土質(zhì)地的土壤致密，通氣性差，導(dǎo)致水稻對肥料的依存度增強(qiáng)；砂土質(zhì)地土壤較低的水稻肥料貢獻(xiàn)率則主要與本研究中質(zhì)地為砂土的水稻土大部分屬于河流沖積物或湖泊沉積物形成，其肥力水平普遍較高有關(guān)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，水稻的肥料貢獻(xiàn)率在達(dá)到穩(wěn)定或拐點(diǎn)之前，壤土的水稻肥料貢獻(xiàn)率年均增幅（0.64%）明顯低于黏土（1.33%）。這可能與初始的土壤性質(zhì)有關(guān)，在質(zhì)地為黏土的水稻土上，較低的土壤肥力水平在外源肥料投入下，水稻產(chǎn)量可以快速增加[25]。

3.3 影響肥料貢獻(xiàn)率時空變化的主要因子

在我國稻作區(qū)，由于水稻品種和環(huán)境因素的多樣性[36-38]，影響水稻肥料貢獻(xiàn)率的因子較為復(fù)雜。本研究發(fā)現(xiàn)，與其他因子相比，氮肥和磷肥對水稻產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率起到了十分重要的作用，這充分說明了合理施用氮、磷肥的重要意義。在未來的水稻生產(chǎn)中，進(jìn)一步優(yōu)化氮、磷肥的品種和施用技術(shù)仍是穩(wěn)定和提高水稻產(chǎn)能的關(guān)鍵措施。同時，無霜期、年平均降雨量和年平均溫度等氣象因子也是影響水稻肥料貢獻(xiàn)率的關(guān)鍵指標(biāo)，而日照時數(shù)對水稻肥料貢獻(xiàn)率的影響則較小，這主要與我國水稻種植范圍廣泛、不同區(qū)域的氣候條件差異較大有關(guān)。韓天富等[26]研究也表明，施肥對水稻產(chǎn)量的提高效應(yīng)主要受種植區(qū)域的調(diào)控。在土壤肥力方面，土壤有機(jī)質(zhì)含量對水稻肥料貢獻(xiàn)率的影響程度明顯高于其他指標(biāo)，這與前人的研究結(jié)果相似[15]，因此，通過秸稈還田、綠肥種植和施用有機(jī)肥提升稻作區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量至關(guān)重要。但是，由于秸稈腐解過程復(fù)雜[39]、傳統(tǒng)的紫云英綠肥種植成本較高[40]、有機(jī)肥存在運(yùn)輸成本高和施用量大[41]等缺點(diǎn)，根據(jù)區(qū)域特色，建議進(jìn)一步結(jié)合腐解菌配施、油菜綠肥和炭基肥等措施，不斷推動稻作區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)增加，從而為稻作區(qū)的可持續(xù)生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

在我國的水稻生產(chǎn)中，西南地區(qū)較高的肥料貢獻(xiàn)率（55.82%）雖然可以在一定程度上說明肥料對于水稻產(chǎn)量的重要性[11]，但是，需要說明的是，水稻肥料貢獻(xiàn)率并不是越高越好，較高的肥料貢獻(xiàn)率也反過來說明土壤地力的貢獻(xiàn)率較低[24-25]，因此，在我國的水稻生產(chǎn)中，建議水稻肥料貢獻(xiàn)率較高的西南地區(qū)進(jìn)一步結(jié)合土壤地力提升技術(shù)合理調(diào)控肥料和地力對水稻產(chǎn)量的貢獻(xiàn)；而在水稻肥料貢獻(xiàn)率較低的長江中游、華北、東北、華南和長江下游地區(qū)（44.25%—46.73%），則要優(yōu)化肥料施用策略來提高肥料利用率，同時，要兼顧土壤地力穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)土壤地力和肥料貢獻(xiàn)率的協(xié)同提升目標(biāo)。

4 結(jié)論

在施肥區(qū)和不施肥區(qū)水稻品種和栽培技術(shù)相同的條件下，1988—2017年間全國稻作區(qū)氮、磷、鉀肥對水稻產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為41.20%—51.89%，且隨著施肥年限增加，水稻肥料貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)出前20年逐漸增加，近10年穩(wěn)定的趨勢，單季稻的年均水稻肥料貢獻(xiàn)率（49.52%）明顯高于雙季稻和水稻-其他作物輪作。不同地區(qū)的水稻肥料貢獻(xiàn)率在施肥15—19 a后達(dá)到穩(wěn)定（42.06%—57.68%），其中西南地區(qū)最高，而東北最低。在不同氣候條件下，溫帶和亞熱帶的年均水稻肥料貢獻(xiàn)率明顯高于熱帶，不同土壤質(zhì)地間則表現(xiàn)出黏土的水稻肥料貢獻(xiàn)率明顯高于壤土和砂土。在所有因子中，氮肥和磷肥是影響水稻肥料貢獻(xiàn)率變化的主要因子。同時，土壤有機(jī)質(zhì)含量對水稻肥料貢獻(xiàn)率的影響程度明顯高于其他土壤肥力指標(biāo)。因此，綜合考慮稻作模式、區(qū)域、氣候條件和土壤質(zhì)地等因素，并重點(diǎn)從優(yōu)化氮、磷肥施用出發(fā)，進(jìn)一步結(jié)合土壤有機(jī)質(zhì)水平進(jìn)行水稻肥料貢獻(xiàn)率的評估對于指導(dǎo)水稻可持續(xù)豐產(chǎn)具有重要意義。