配方施肥對水稻生產和經濟、環境效益的影響

　　摘要：蘇州市吳中區是農業面源污染防控的重點區域，推行配方施肥模式是該區實現種植業肥料減量的主要手段。但是，測土配方施肥模式的制定以作物產量的提升和保障為側重，缺少對經濟、環保等多方綜合性需求的回應。針對該區已沿用4年的水稻配方施肥模式，本研究設置包含配方施肥模式和常規施肥模式的缺素試驗，測定水稻養分利用、農田氮磷排放、農戶經費收支等指標，分析配方施肥模式的經濟、環境效益。研究結果顯示，現有配方施肥模式在減少養分投入的條件下仍能夠保障水稻產量，且提高磷鉀肥利用效率6%~29%，降低氮流失量36%，減少用于肥料購置的經濟投入35%，增加農戶凈利潤2 558元?hm-2，實現生產、經濟和環境多方效益的兼顧?；陴B分利用效率，現配方施肥模式的仍有進一步減少肥料投入的余地。為保障土壤生產力的可持續性，建議增加一定比例的有機肥投入，且以4~5年為周期，對配方肥養分配比和配方施肥模式進行調整，構筑生產中的動態物質平衡，為農業綠色發展提供技術支撐。

　　本文源自韓雪梅;楊林章;俞映倞;徐紅艷;朱秀紅;楊梖;程浩;， 農業環境科學學報 發表時間：2021-07-22

　　關鍵詞：配方施肥;稻;利用效率;氮磷流失;生產收支

　　測土配方施肥是聯合國開發計劃署推行的一種作物科學施肥管理技術。國際領域的推廣應用可追溯至上世紀中葉，而我國對測土配方施肥的初探始于 1992 年。2005 年我國明確了 “提高農業綜合生產能力”的目標，構建“測、配、產、供、施”多環節鏈性聯動體系，由政府提供技術和經費上的雙向支持[1-2]，推動測土配方施肥工作在廣大種植區的應用。受社會發展的影響，如今單純性增產、保產已不再是種植業唯一的需求，兼顧生產、經濟、環保等多方向的綜合性需求，應運而生。但是，測土配方施肥方案的制定依然沿用初期的老方式、老辦法，對綜合性需求中除生產以外其他需求的響應，存在不足。

　　具體來說，現階段綜合性需求以作物產量的保產、穩產為前提，經濟上需優化提升投產比，環保上需降低種植區農業面源污染排放，生產可持續性上需維持、提升土壤地力。首先，現有配方施肥對作物生產的需求回應較好，其對水稻生物量、籽粒產量的正向影響已得到廣泛證實[3-5]。其次，配方施肥對經濟需求的回應主要以養分增效為體現。肥料利用率的提升是諸多研究展現施肥方案有效性的重要指標[4, 6-7]，然而對投產比(單位質量大米產出的肥料投入)的變化，缺少關注。此外，配方施肥對環保和生產可持續需求未作出明確回應。作為肥料優化運籌的技術手段之一，配方施肥理論上可大幅度避免土壤中速效態氮磷的大量盈余，在種植區域內部減少可流失的物質源，以此降低氮磷流失風險[8-11]，然而專門針對測土配方施肥方案實施對氮磷流失影響的研究并未見報道。少數研究關注到測土配方施肥有提升土壤有機質及速效態氮磷鉀含量的作用[12]，但是多數測土配方施肥的實施對土壤前后地力的關注度不夠，而這恰恰是支撐種植業生產的關鍵，也是對已有配方進行調整的依據。綜上所述，因地制宜的將生產以外的經濟、環保等因子納入考慮，及時對當前配方施肥模式進行調整，成為了新時代種植業生產對測土配方施肥提出的新要求。

　　江蘇省蘇州市吳中區緊鄰太湖，境內河道湖泊眾多，水網密布。該區域農耕歷史悠久，自古就是“魚米之鄉”。種植系統的肥料施用是該區域農業面源污染氮磷的主要來源之一。水稻作為該區典型糧食作物，種植面積達 2 000 hm2 以上，稻田系統的肥料施用、養分利用效率等直接關系到周邊流域水體的水質情況 [13]。在維持稻米產出的同時，控制稻田氮磷流失，是尋找農業生產和環境保護兩者平衡的關鍵。該區積極推進“兩減六治三提升”專項行動方案，而測土配方施肥就是落地“治理太湖水環境”工作的主要途徑之一。2015—2016 年吳中區農業生產部門開展稻田田間試驗和土壤地力情況摸底，明確土壤現有養分含量、水稻產量目標、水稻生長肥料需求等參數，以“大配方、小調整” [14]為原則，借助應用縣域測土配方施肥專家系統，制定肥料配方方案，并經專家組論證微調，最終確定主推氮:磷:鉀比例為 16%:12%:17% 的配方肥(由華昌化工股份有限公司生產)作為基肥，搭配尿素為蘗穗肥，作為該區域水稻種植的配方施肥模式。該模式自 2017 年稻季起開展全區推廣，覆蓋吳中區主要農村合作社和種植類工商資本企業，已連續執行 4 個種植季。與常規施肥模式相比，當前配方施肥模式的養分利用效率如何?是否降低稻田系統的面源污染負荷?在經濟投產上是否具有優勢?連續使用后土壤地力現況如何?這些問題都有待驗證。

　　對此，本研究選取連續實施配方施肥模式 4 個種植季的稻田區域，設置配方施肥模式和常規施肥模式條件下的缺素處理，探討配方施肥模式對水稻養分利用、農田氮磷排放、農戶經濟收益的影響，分析配方施肥模式的經濟效益、環境效益和生產可持續，基于當前地力現況提出配方施肥模式調整建議，為農業綠色發展工作的推進提供支持。

　　1 材料與方法

　　1.1 供試土壤及作物

　　1.1.1 供試土壤

　　本研究開展于吳中區臨湖鎮湖橋村(N 31°8′12″, E120°30′28″)，位于長江三角洲太湖流域，屬亞熱帶濕潤季風氣候，年均溫 15.7℃, 平均降水 1100 mm。該區域水稻土多由湖底沉積物發育而成，耕作層深度 18cm，經歷過百年水稻耕作，近 5 年以水稻-綠肥為主要輪作模式。試驗開展前耕作層土壤基本理化性質如下：有機質 14.9g·kg-1，全氮 1.79 g·kg-1，全磷 0.44 g·kg-1，堿解氮 839 mg·kg-1，有效磷 14.2 mg·kg-1，速效鉀 54.7 mg·kg-1，陽離子交換量 15.7cmol·kg-1，容重 1.23 g·cm -3，pH 7.88。

　　1.1.2 供試作物

　　本研究供試水稻品種為南粳 46 號。該品種為江蘇省農業科學院糧食作物研究所雜交選育而成的晚粳，具有株型緊湊,分蘗力強等特點，是供試區域乃至太湖流域的主要水稻栽種品種之一。

　　1.2 試驗設計及田間管理

　　試驗設置常規施肥(CF)和配方施肥(SF)2 種模式，每種模式分別包含缺氮(PK)、缺磷(NK)、缺鉀(NP)和不缺素(NPK)處理，另設 1 個不施用任何肥料的空白處理，共計 9 個處理。每種處理設 3 個重復，小區面積 64 m2(8 m ×8 m)。其中，缺素處理氮磷鉀養分投入分別由尿素、過磷酸鈣和氯化鉀進行施用;常規施肥的不缺素處理使用氮：磷：鉀 =15%：15%：15%常規復合肥作為基肥，配方施肥的不缺素處理使用氮：磷：鉀=16%：12%： 17%配方復合肥為基肥;蘗肥和穗肥期施用尿素完成氮補充。2 種施肥模式的養分投入量以當地實際種植的氮磷鉀投入情況為指導，即常規施肥模式，施用常規復合肥 525 kg? hm-2 和尿素 450 kg? hm-2;配方施肥模式，施用配方復合肥 35 kg? hm-2 和尿素 375 kg? hm-2。具體肥料養分投入量如表 1 所示。

　　稻季試驗開展于 2020 年，基肥、蘗肥和穗肥施用時間分別為 6 月 8 日、7 月 1 日和 7 月 29 日;6 月 9 日以 18 cm×30 cm 間距移栽水稻幼苗至試驗區內，11 月 10 日收獲。

　　1.3 樣品采集及指標測定

　　1.3.1 植株樣品采集及指標測定

　　收獲時，統計各小區平均分蘗數，以此為標準，采集每個小區典型植株樣品(僅地上部分)4 穴。植株樣品穗和莖葉部分分開，于 105℃烘箱內殺青 30 min，在 80℃溫度下分別烘至恒質量，稱量、記數，用于生物量核算。此后，植株樣品穗和莖葉分別磨碎，過 20 目，測定其中氮(凱式法，Foss Scino KT260，中國)、磷(鉬銻抗比色法，SHIMADZU UV-1800，日本)、鉀(火焰光度計法，上海光譜，中國)含量。各處理理論產量通過籽?？挤N計算而來。

　　1.3.2 土壤樣品采集及指標測定

　　2020 年稻季種植前采集 5 個試驗區域耕作層(0~18 cm)土壤樣品，作為初始土壤，用于土壤基本理化性質分析(詳見 1.1.1)，水稻收獲后采集常規施肥和配方施肥 2 種模式下的不缺素處理土壤，檢測土壤全氮(同植株 1.3.1)、全磷(同植株 1.3.1)和有機質(重鉻酸鉀氧化-比色法)含量。

　　1.3.3 徑流液的采集及氮磷損失的測定

　　水稻生長期發生較大規模降雨且引起排水，則視為 1 次徑流。產流 2h 后，于各小區排水口采集對應處理的徑流液，由降雨量、田面水高度變化的差值確定徑流深，用于單次徑流量的估算。試驗期間共采集到 5 次降水徑流(6 月 13 日、6 月 29 日，8 月 4 日、9 月 16 日和 9 月 17 日)，并未發生烤田排水。

　　1.4 數據處理及統計分析

　　1.4.1 作物氮/磷/鉀養分吸收量的計算

　　各小區每穴植株莖葉和穗分別稱質量，記錄干物質量和對應氮磷鉀含量，用于作物氮磷鉀吸收量的計算：

　　作物氮/磷/鉀吸收量(kg·hm-2 )= [植株莖葉干物質量(g·穴-1 )? 植株莖葉氮/磷/鉀含量 (mg·g -1 )+ 植株穗干物質量(g·穴-1 )? 植株穗氮/磷/鉀含量(mg·g -1 ) ] ? 1.8?105 穴·hm-2 ? 10-6 (1)

　　1.4.2 作物氮/磷/鉀肥利用效率的計算

　　(1)氮磷鉀表觀利用效率

　　作物氮表觀利用效率(%)=[NPK 處理作物氮吸收量(kg·hm-2 ) - PK 處理作物氮吸收量 (kg·hm-2 ) ] ?氮肥施用量(kg·hm-2 ) ?100%

　　作物磷表觀利用效率(%)=[NPK 處理作物磷吸收量(kg·hm-2 ) - NK 處理作物磷吸收量 (kg·hm-2 ) ] ?磷肥施用量(kg·hm-2 ) ?100%

　　作物鉀表觀利用效率(%)=[NPK 處理作物鉀吸收量(kg·hm-2 ) - NP 處理作物鉀吸收量(kg·hm-2 ) ] ?鉀肥施用量(kg·hm-2 ) ?100% (4)

　　(2)氮磷鉀農學利用利用效率

　　作物氮農學利用效率(kg?kg-1 )= [NPK 處理作物產量(kg·hm-2 )-PK 處理作物產量(kg·hm-2 ) ] ?氮肥施用量(kg·hm-2 ) (5)

　　作物磷農學利用效率(kg?kg-1 )=[NPK 處理作物產量(kg·hm-2 )-NK 處理作物產量(kg·hm-2 ) ] ?磷肥施用量(kg·hm-2 ) (6)

　　作物鉀農學利用效率(kg?kg-1 )=[NPK 處理作物產量(kg·hm-2 )- NP 處理作物產量(kg·hm-2 ) ] ?鉀肥施用量(kg·hm-2 ) (7)

　　(3)偏生產力

　　NPK 處理作物偏生產力(kg?kg-1 )= NPK 處理作物產量(kg·hm-2 )?氮磷鉀肥施用總量 kg·hm-2

　　1.4.3 稻季氮磷徑流流失量的計算

　　記錄單次降水前、降水后田面水深和降水量數據，計算徑流深。使用流動分析儀(Skalar，荷蘭)檢測徑流液中氮、磷含量。通過單次徑流氮磷損失量的累積獲得整個稻季徑流氮/磷損失量。

　　徑流深(mm)= 降水前田面水深(mm) + 降水量(mm) - 降水后田面水深(mm) (9) 稻季徑流氮/磷損失量(kg·hm-2 )= ∑ 第 k 次徑流深(mm)? 5 k=1 第 k 次徑流液中氮/磷含量 ( mg?L -1 )

　　1.4.4 生產經濟收支的情況

　　本研究的經濟測算以吳中區臨湖鎮蘇州市湖嘉生態農業有限公司規?；a實際投入為依據。生產支出包括物料投入和人工水電投入，物料包括肥料和種苗，人工水電包含農機使用、灌溉用水電和田間管理相關人工。由于該公司以大米為產出進行售賣，因此，支出上還包含稻米烘干和出米烘干兩個后期加工環節，收入上則以成品米售賣獲益為計。此處計算不包括土地租賃費用。

　　1.4.5 數據處理

　　研究采用 SPSS (SPSS 19.0 for Windows, SPSS Inc., USA) 中 Duncan 法對作物產量、產量結構、徑流氮磷流失量等數據進行差異顯著性分析(P<0.05)，T-test 對作物氮吸收量、氮肥利用效率等數據進行差異顯著性分析(P<0.05);采用 Microsoft Excel 軟件對數據進行制圖。

　　2 結果與分析

　　2.1 水稻生產及養分利用情況

　　2.1.1 產量及產量結構

　　兩種肥料模式下，NPK 處理的產量差異并不顯著，說明配方施肥模式未對水稻產量產生不利影響，而養分缺素投入處理的水稻產量均出現一定程度(5%~44%)下降(圖 1)。這其中，氮和磷的缺失對產量的影響 NPK 處理)到顯著水平。此外，PK 處理的產量已接近 CK 處理，可見當前地力狀況氮肥投入對水稻種植產出起決定性作用。

　　水稻單位面積的穗數及穗粒數是受投入缺素影響最為明顯的指標，也是直接影響水稻產量的關鍵。配方施肥模式較常規施肥模式，在養分投入缺素時，相對穗粒數更多、結實率也更高(表 2)。因此，配方施肥模式 NK 和 NP 處理的理論產量較高于常規施肥模式下的該處理。在缺氮條件下，配方施肥模式無顯著優勢，暗示著，氮素是保障產出的關鍵。

　　2.1.2 養分吸收情況及利用效率

　　常規施肥模式條件下，磷、鉀元素的缺失降低了 8%~13%的水稻氮吸收，而配方施肥模式條件下水稻氮吸收對鉀的缺失無明顯響應(圖 2 a)。而氮的缺失降低了水稻磷吸收 16%~52%(圖 2 b)，降低了鉀吸收 4%~63%(圖 2 c)。此外，兩種施肥模式下水稻對養分的利用僅在鉀元素上存在顯著差異，即配方施肥顯著提高了水稻對鉀的吸收量(圖 2 c)。

　　表觀利用效率數據顯示，配方施肥模式較常規施肥模式分別提高了水稻對磷、鉀肥利用效率 6%和 29%。這說明，配方施肥模式下的磷鉀肥轉化利用效率更高。此外，農學利用效率數據顯示，配方施肥模式較常規施肥模式顯著提高了氮肥對水稻產量貢獻，即每公斤氮肥投入可多生產 2.81 kg 稻。從總體養分投入(偏生產力)角度上看，單位質量的肥料投入在配方施肥模式下能夠輸出更多的水稻產量。對肥料利用率的綜合提升，體現了配方施肥模式中氮磷鉀養分的投入量和配比更符合水稻生長的需求，能夠支撐水稻生長的養分吸收，這也一定程度解釋了配方施肥模式在減少養分投入條件下保障水稻產出的原因。

　　2.2 氮磷徑流流失情況

　　在徑流深一致的情況下，配方施肥模式顯著降低了稻季 36%徑流途徑的氮流失量，對徑流途徑的磷流失影響不顯著(圖 3)。從氮肥投入占比上看，配方施肥模式徑流途徑氮損失約為 4%，而常規施肥模式為 6%。若將空白處理的氮流失量作為土壤本底進行扣除(減去 CK 處理對應數值)，配方施肥模式的因肥料引發的氮流失量僅為常規施肥模式的一半。

　　2.3 水稻生產經濟收支情況

　　配方施肥模式較常規施肥模式顯著降低了 35%的肥料經濟投入，且增加了 4%左右的產出(表 4)。因此，在其他支出都相同的情況下，可為農戶增加 2558 元?hm-2 (折合 170 元?畝-1 ) 的凈利潤。

　　3 討論

　　3.1 配方施肥模式的經濟、環境效益分析

　　測土配方施肥以養分補償學說為原則，通過調整投入的肥料物質及量，協調土壤、肥料、作物三者的物質關系。社會的高速發展潛移默化的影響著生產者和管理者心中生產、經濟和環境的權重，測土配方施肥的工作側重也隨之發生轉移。推廣之初，提高作物單產，保障糧食供給是測土配方施肥的主要目標。隨著種植規?；?、產業化的推進，促進節本增效，獲取最優經濟收益逐漸取代了對高產的一味追求。“十三五”期間，農業綠色發展對農業生產提出了環境友好和發展可持續的新要求，削減肥料流失量、培肥土壤也納入了種植生產的目標之中。因此，對配方施肥模式的評判離不開對其經濟和環境效益的綜合考量。

　　本研究中配方施肥模式可較常規施肥模式降低每噸大米生產所需的肥料投入 38%(圖 4a)、減少每噸大米生產產生的氮磷流失量 35%(圖 4b)。由此可見，在現地力條件下，配方施肥模式較常規施肥模式能夠更好兼顧生產(表 2)、經濟和環境(圖 4)的多方效益。

　　本研究所在的吳中區通過自主招標配方肥生產、實行配方肥購買和售賣補貼，將農戶獲取配方肥的單價降低至常規復合肥的 65%。同時，配方施肥模式在追肥期的肥料施入量較常規施肥模式減少了 17%，進一步降低了用于肥料購買的投入成本，大大提高了農戶對配方施肥模式的選擇意愿。對經濟不發達地區而言，政府能夠用于補貼配方肥購買銷售的資金并不寬裕，便捷的配方肥購置途徑和基層技術培訓對于讓農戶選擇推薦的施肥模式，顯得尤為重要[15-16]。而配方施肥模式本身能否通過提升作物產出，提高農戶凈收益，才是推廣、落實測土配方工作的關鍵[3, 5]。值得注意的是，本研究中整個水稻生產的資金投入在 13 000 元 ?hm-2 左右，而肥料投入為 1 000~1 500 元?hm-2 (表 4)，僅占物料投入的 35%~45%，總投入的 7%~11%，和之前有關肥料化肥在農業生產中的成本占比數據相差較遠[17]。如此低的占比，一定程度削弱了農戶對肥料投入量的關注，比起精準控量減少投入，更愿意選擇過量投施確保作物生長養分需求。事實上，過量或不恰當的肥料施用不僅不能提高作物產量，反而會帶來一定程度的減產[18]，增加土壤中未被作物吸收利用的肥料源氮磷存量，提升氮磷流失風險[19]。本研究顯示，氮肥是影響水稻產量最為主要元素，同樣的結果在油菜系統的測土配方施肥中也得到了驗證[20]。因此，氮相較于磷，對于產量和污染風險的調控，更為重要。本研究中兩種施肥模式的徑流氮損失比例在 4%~6%范圍(圖 3)，與種植業氮肥平均徑流損失系數 5%左右的前期研究結論相符。說明配方模式能夠更好呼應水稻對氮素的需求，徑流發生時土壤環境中的礦質態氮留存量較低，實現稻田氮排放的有效削減[10-11]。隨著各地政府對農業面源污染治理的重視，減少肥料施用量成為實現種植業源頭削減的主要抓手，測土配方 “按需、按量、按時”施肥的原則[21]，為“減什么”“減多少”“怎么減”給出了答案[8, 10]，而測土配方工作的落實也是推動農業面源污染治理的重要工作組成[9]。

　　3.2 配方施肥模式的生產可持續性分析及改進建議

　　現有配方施肥模式已沿用 4 年，有關施肥配方調整周期的研究，此前并未見報道。就本研究而言，對比 2017 年使用配方模式前的土壤養分指標數據，土壤全氮全磷未出現顯著變化，但土壤有機質含量下降顯著(表 5)。這說明，現配方施肥模式可滿足水稻生長需求，但是，即使實行秸稈還田，也未能彌補土壤中有機物質耗損缺口。此外，本研究配方施肥模式水稻地上部分氮、磷吸收量分別為 169 kg·hm-2 和 45kg·hm-2 (圖 2)，僅占氮磷投入量的 66% 和 72%，可見在養分投入配比不變的情況下，配方施肥模式的養分投入量依然存在削減的余地。因此，在肥料品種上，建議適當增加一定比例的有機肥，以 30%~70%占比為宜[22];在肥料養分投入上，建議削減蘗肥、穗肥的尿素投入量，將一定比例的配方肥由基肥期移至穗肥期，適當以尿素為基肥期進行氮補充，保證磷鉀投入量的同時，減少氮投入總量?？紤]到多環節的推行需要一定操作周期[1, 15]，太過頻繁的調整缺乏可行性，因此，建議以 4~5 年為周期，進行配方施肥模式的調整。

　　4 結論

　　(1)與常規施肥模式相比，配方施肥模式更好支撐了水稻生長的養分需求，顯著提高了肥料的綜合利用效率，單位質量的肥料投入在配方施肥模式下具有更高的水稻產量輸出，達到了保產目標，并顯著降低了肥料的經濟投入，提升了農戶的凈利潤。

　　(2)氮元素較磷鉀而言是當前地力狀況下對水稻生長起決定性作用的營養元素。配方施肥模式可顯著降低徑流途徑的氮流失量，實現生產、經濟和環境多方效益的兼顧。

　　(3)現階段的配方施肥模式中養分投入量依然存在削減的余地。建議增加一定比例有機肥投入，適當削減氮投入總量;以每 4~5 年為周期，對配方施肥模式中的養分配比和投入量進行論證和調整。

　　(4)我國測土配方施肥的實施推廣已長達 15 年，現有研究機構對其關注度并不高，發文量也呈現減少狀況。如何通過調節肥料投入，達到作物、土壤、甚至是生態圈的平衡，這一問題對于推進農業綠色發展的至關重要。因此，測土配方施肥在任何一個時候都絕非老生常談，而是一項不斷需要調整、修正、完善的的工作。