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我国化肥减量增效的驱动因素探究

付浩然 李婷玉 曹寒冰 张卫峰

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我国化肥减量增效的驱动因素探究

    作者简介: 付浩然 E-mail:389656129@qq.com;
    通讯作者: 张卫峰, E-mail:wfzhang@cau.edu.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2016YFD0201303)。

Research on the driving factors of fertilizer reduction in China

    Corresponding author: ZHANG Wei-feng, E-mail:wfzhang@cau.edu.cn
  • 摘要:   【目的】  过量施用化肥一直是我国农业面临的突出问题。近些年,随着多种化肥减量措施的实施,我国在2016 首次实现化肥的零增长,并在2017、2018两年实现了化肥用量的持续减量,这一目标的实现对我国及全球养分管理意义重大。本研究通过对化肥减量的技术、政策、市场、服务体系等驱动因素进行深入剖析,以期揭示我国化肥减量的综合机制。  【结果】  近15年 (2005—2020年) 来,测土配方施肥、机械化施肥、水肥一体化、秸秆还田、有机肥资源化利用以及栽培等技术的发展是我国化肥减量的主要技术途径。有机肥还田、秸秆还田比例的增加,在一定程度上替代了化肥的施用。其中,2010—2019年我国实现畜禽粪便养分还田1700万t,秸秆氮磷钾养分还田近1800万t。与此同时,多重化肥减量政策的推行为我国实现化肥减量提供了制度保障,如《关于推进化肥行业转型发展的指导意见》促进了产品创新,《到2020年化肥零增长行动方案》、《畜禽粪污资源化利用行动方案 (2017—2020年) 》以及《农业绿色发展五大行动》提高了农业生产的节肥意识并促进了节肥增效技术的应用。消费者对高品质作物的需求以及经营规模的扩大等市场需求也强力助推化肥的减量增效。其中,高品质农产品需求量的不断增加,以及在农产品价格不稳定的情况下优质农产品的价格优势,加上尿素、二铵等化肥价格的上涨也促使农产品向高品质转变,与此同时大规模的土地流转伴随机械化的普及也降低了小农户施肥的随意性和盲目性。此外,政府、企业以及科研单位3个服务主体农化服务的不断完善和发展,更是推进了化肥减量“最后一公里”的实施。目前超过70%的肥料企业都在做培训、试验示范等农化服务工作,政府主导的十年测土配方施肥已经让1/3的农户施肥趋于合理水平,基于中国农业大学的科技小院模式也使得中国23个省区主要粮食作物增产10.8%~11.5%,氮肥用量减少14.7%~18.1%。  【结论】  我国已经提前实现了2020年化肥零增长的目标,其中技术、政策和服务体系都起到了不可替代的作用,这表明我国农业生产已经步入了新的阶段,但是目前我国化肥施用不合理现象仍然突出,实现化肥科学施用仍有很长的路要走。
  • 图 1  中国化肥历史用量及粮食作物产量 (数据来源:国家统计局)

    Figure 1.  Historical fertilizer rate and grain crop yield in China (Source:National Bureau of Statistics)

    图 2  我国化肥利用率的历史变化(数据来源:农业农村部)

    Figure 2.  The changes of fertilizer use efficiency in China (Source:Ministry of Agriculture and Rural Affairs)

    图 3  化肥减量增效技术途径

    Figure 3.  Technologies to reduce fertilizer and increase efficiency

    图 4  中国氮肥产品消费变化(数据来源:世界肥料工业协会, 2019)

    Figure 4.  The changes of the nitrogen fertilizer products consumption in China (Source:Industry Fertilizer Association, 2019)

    图 5  中国化肥减量增效推广体系与运行机制

    Figure 5.  System and running mechanisms for achieving fertilizer reduction and efficiency enhancment in China

    表 1  不同技术在主要粮食作物上的增产、节肥及增效作用

    Table 1.  Effects of different technologies on yield improvement, fertilizer reduction and enhancement efficiency

    技术
    Technology
    作物
    Crop
    增产 (%)
    Yield
    增效 (%)
    Efficiency
    节肥 (%)
    Fertilizer saving
    文献
    Reference
    肥料产品创新专用复合肥New compound fertilizer水稻Rice 2.1~11.1 1.6~53.8[18, 21]
    小麦Wheat7.6~11.729.0~35.0[2122]
    玉米Maize5.0~16.011.7~22.0[19, 21, 23]
    缓控释肥 Controlled-release fertilizer玉米Maize3.5~8.6 8.0[2930, 32]
    硝化抑制剂Nitrate inhibitor水稻Rice 3.9~12.411.1~25.025.0[3335]
    玉米Maize3.4~20.0 5.3~10.0 5.4[3639]
    脲酶抑制剂Urease inhibitor小麦Wheat1.8~20.0 4.8~22.8[36-41]
    玉米Maize3.1~22.3[4244]
    水稻Rice 8.5~16.13.8~8.4[4548]
    机械施肥Machinery fertilization小麦Wheat7.6~26.6[5455]
    玉米Maize9.3~17.015.0~48.0[5659]
    水稻Rice 5.1~16.517.3~20.0[6063]
    栽培技术和品种更替
    Cultivation and cultivar renovation
    小麦Wheat13.3[67]
    玉米Maize 8.8[67]
    水稻Rice 11.3[67]
    宽幅精播Wide row,precise seeding小麦Wheat4.3~16.7[7275]
    氮肥后移Postponding N topdressing水稻Rice 1.3~15.665.2~82.4[7881]
    玉米Maize5.1~14.1[8284]
    小麦Wheat2.0~15.7[8588]
    增密减氮 Dense planting with less N fertilizer水稻Rice 4.1~18.55.810.0~20.0[8991]
    玉米Maize10.7~17.9 30.0[37, 9294]
    水肥一体化Fertigation小麦Wheat21.1~57.5 24.0~48.0[100, 105106]
    玉米Maize2.9~35.352.0~83.2[107109]
    秸秆还田Straw returning小麦Wheat1.2~28.0[128130]
    玉米Maize3.5~11.4[131133]
    水稻Rice 1.2~13.4[134136]
    有机肥替代还田Organic N replacement玉米Maize9.7~20.17.420.0[146148]
    小麦Wheat1.2~12.910.0~20.0[149152]
    水稻Rice 0~10.67.820.0[153155]
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    表 2  中国 2000—2017年化肥减量增效相关政策

    Table 2.  The relevant policies to fertilizer reduction and efficiency improvement in 2000–2017

    年份
    Year
    政策
    Policy
    调控目标
    Regulation target
    政策类型
    Policy type
    20052005 年测土配方施肥试点补贴资金项目实施方案项目区实施测土配方施肥面积达到53万hm2 (800万亩),肥料利用率提高3%~5%。区域激励型
    20092009 年土壤有机质提升补贴项目实施指导意见在南方稻作区,推广稻田秸秆腐熟技术应用面积扩大到80万hm2 (1200 万亩) 以上;南方冬闲田集中地区适度发展绿肥产业,减少化肥施用量10%以上;北方地区粮食作物增施有机肥面积14.6万hm2 (220 万亩) 以上。区域激励型
    2009国务院关于进一步深化化肥流通体制改革的决定取消对化肥经营企业所有制性质的限制,允许具备条件的各种市场主体进入化肥流通领域,参与经营,公平竞争。全国激励型
    2014引导农村土地经营权有序流转发展农业适度规模经营的意见引导土地经营权有序流转,发展多种形式的适度规模经营。全国激励型
    2015国务院办公厅关于加快转变农业发展方式的意见到2020年,多种形式的农业适度规模经营加快发展,农业综合生产能力稳步提升,产业结构逐步优化。全国激励型
    2015全国农业可持续发展规划 (2015—2030 年) 到2020年,农业科技进步贡献率达到60%以上,主要农作物耕种收综合机械化水平达到68%以上,全国耕地基础地力提升0.5 个等级和1个等级以上,发展高效节水灌溉面积0.19亿hm2 (2.88亿亩)。 全国强制型
    2015关于对化肥恢复征收增值税政策的通知对纳税人销售和进口化肥统一按13%税率征收国内环节和进口环节增值税。全国强制型
    2015工业和信息化部关于推进化肥行业转型发展的指导意见到2020年,我国新型肥料的施用量占总体化肥使用量的比重提升到30%,用非无烟煤合成的氨产品占比提升至40%左右。全国强制型
    2015到2020年化肥使用零增长行动方案到2020年,肥料利用率提高到40%,测土配方施肥技术覆盖率达到90%以上,农作物秸秆养分还田率达到60%,畜禽粪便养分还田率达到60%。全国强制型
    2015耕地质量保护与提升行动方案到2020年,全国耕地地力平均提高0.5个等级,畜禽粪便养分还田率达到60%,农作物秸秆养分还田率达到60%以上。全国强制型
    2016推进水肥一体化实施方案 (2016—2020) 到2020年水肥一体化技术推广面积达到0.1亿hm2 (1.5亿亩),新增533万hm2 (8000万亩),节肥30万t,增效500亿元。全国强制型
    2016建立以绿色生态为导向的农业补贴制度改革方案突出绿色生态导向,注重发挥市场形成价格作用,完善相关政策,落实最严格的耕地保护制度。全国激励型
    2017农业部关于实施农业绿色发展五大行动的通知果菜茶优势产区化肥用量减少20%以上,东北地区秸秆综合利用率达到80%以上。区域强制型
    2017关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见畜禽粪污综合利用率达到75%以上,规模养殖场粪污处理设施装备配套率达到95%。全国强制型
    2017东北黑土地保护规划纲要黑土地保护面积0.17亿hm2 (2.5亿亩),黑土区耕地质量平均提高1个等级,土壤有机质含量平均达到32 g/kg以上。区域激励型
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-04
  • 网络出版日期:  2020-04-29
  • 刊出日期:  2020-03-01

我国化肥减量增效的驱动因素探究

  • 基金项目: 国家重点研发计划(2016YFD0201303)。
  • 摘要:   【目的】  过量施用化肥一直是我国农业面临的突出问题。近些年,随着多种化肥减量措施的实施,我国在2016 首次实现化肥的零增长,并在2017、2018两年实现了化肥用量的持续减量,这一目标的实现对我国及全球养分管理意义重大。本研究通过对化肥减量的技术、政策、市场、服务体系等驱动因素进行深入剖析,以期揭示我国化肥减量的综合机制。  【结果】  近15年 (2005—2020年) 来,测土配方施肥、机械化施肥、水肥一体化、秸秆还田、有机肥资源化利用以及栽培等技术的发展是我国化肥减量的主要技术途径。有机肥还田、秸秆还田比例的增加,在一定程度上替代了化肥的施用。其中,2010—2019年我国实现畜禽粪便养分还田1700万t,秸秆氮磷钾养分还田近1800万t。与此同时,多重化肥减量政策的推行为我国实现化肥减量提供了制度保障,如《关于推进化肥行业转型发展的指导意见》促进了产品创新,《到2020年化肥零增长行动方案》、《畜禽粪污资源化利用行动方案 (2017—2020年) 》以及《农业绿色发展五大行动》提高了农业生产的节肥意识并促进了节肥增效技术的应用。消费者对高品质作物的需求以及经营规模的扩大等市场需求也强力助推化肥的减量增效。其中,高品质农产品需求量的不断增加,以及在农产品价格不稳定的情况下优质农产品的价格优势,加上尿素、二铵等化肥价格的上涨也促使农产品向高品质转变,与此同时大规模的土地流转伴随机械化的普及也降低了小农户施肥的随意性和盲目性。此外,政府、企业以及科研单位3个服务主体农化服务的不断完善和发展,更是推进了化肥减量“最后一公里”的实施。目前超过70%的肥料企业都在做培训、试验示范等农化服务工作,政府主导的十年测土配方施肥已经让1/3的农户施肥趋于合理水平,基于中国农业大学的科技小院模式也使得中国23个省区主要粮食作物增产10.8%~11.5%,氮肥用量减少14.7%~18.1%。  【结论】  我国已经提前实现了2020年化肥零增长的目标,其中技术、政策和服务体系都起到了不可替代的作用,这表明我国农业生产已经步入了新的阶段,但是目前我国化肥施用不合理现象仍然突出,实现化肥科学施用仍有很长的路要走。

    English Abstract

    • 化肥作为农业生产的基础,在促进我国粮食增产和农业发展过程中起到了不可替代的作用,但同时产生了突出的环境问题。近年来我国化肥用量迅速增加,总消费量已经居于世界前列。据统计我国化肥施用量为531.9 kg/hm2,约是世界平均水平的3.9倍[1]。与此同时,我国化肥对粮食增长的贡献率也从20世纪80年代的30%~40%下降到目前10%左右[2]。化肥的过量施用也造成了一系列的环境问题,如土壤酸化、大气氮沉降、水质下降等[3-4]。因此,中国的化肥减量势在必行。

      国外农业集约化早于我国,对化肥污染的调控也较早[5]。自20世纪80年代以来,欧盟、美国、日本等发达国家在化肥减量方面就进行了探索,形成了不同的管理模式和体系。欧盟主要通过限制型政策并加以经济监管和科技手段来实现区域化肥用量的有效控制。美国主要依托最佳养分管理实践措施,采用耕地保护技术、精准施肥技术、信息化和生物技术等进行精准调控,加上政府、企业和科研单位多元融合的测土、培训、服务、认证等推广体系,使得化肥施用一直趋于合理水平[6-7]。日本主要通过全民参与式方法实现化肥减量,如通过有机食品认证、生态农户认证等制度措施的激励,加上土壤复壮技术、化肥减量技术等措施的推广,结合日本农协和各社会团体的宣传及引导,鼓励全民参与环保事业,实现化肥的合理施用[5, 8-9]

      在农业绿色发展大背景下,近些年来我国相继出台一系列的指导方针来推动化肥减量增效。国家“十二五”、“十三五”规划分别将减少化肥用量列为重点工作任务。2015年工业和信息化部下发了《推进化肥行业转型发展的指导意见》,2015年农业农村部出台了《到2020年化肥使用零增长行动方案》。2017年启动实施“果菜茶有机肥替代化肥行动”、“东北地区秸秆处理行动”等“农业绿色发展五大行动”。同年,农业农村部印发《畜禽粪污资源化利用行动方案 (2017—2020年) 》,这些政策的提出不仅促进了节肥增效技术的应用,如肥料产业的升级和产品结构调整、秸秆和有机肥资源化利用等,也作为指导方针不断地推动全国化肥科学合理施用。其中,我国2016年首次实现了化肥负增长,并在2017和2018年持续下降,而我国作物种植总面积并未减少,其中2016年种植面积较2015年增加了27.57 万hm2,因此科技的进步,政策的引导,以及服务体系的支撑对实现我国的化肥减量发挥了重要作用。目前,亟需从多维度系统地梳理和阐述中国化肥减量背后的具体机制,以支撑下一步科学施肥工作的部署,也为其他地区化肥合理施用提供参考。

      目前已有多个研究从不同方面对我国化肥减量的驱动因素进行探究,其中,聂文翰[10]认为,秸秆堆肥和水肥一体化的应用可以实现化肥的减量。王金林等[11]认为,适类、适时、适量、科学的施肥方法和技术,科学的田间管理,完善的方针政策以及应用互联网技术等是提高肥料利用率和控制化肥施用量的重要途径。米国华等[12]认为,养分高效的品种,“4R”高效施肥技术,玉米机械化追肥技术,秸秆还田技术等是实现东北地区玉米化肥减量的重要途径。已有研究阐明了部分技术原理,但从技术和服务体系的配合、政策对技术应用的推动、市场对生产的引导等多维度系统探索我国化肥减量原因的研究较少。因此,本研究将综合上述因素,对我国化肥减量的实现机理进行系统分析。其中,技术层面包括肥料产品创新、机械化施肥、水肥一体化、秸秆还田、有机肥资源化利用以及栽培技术;政策层面主要探究了2000年以来我国农业相关政策及其作用;市场层面主要分析了消费者对高品质农产品的需求以及规模化经营对化肥减量的影响;服务体系主要研究政府、企业以及科研单位的农化服务对化肥减量的贡献。

      • 通过对我国1978—2018年粮食作物产量、农用化肥总量及化肥年增长率历史变化的分析发现,我国粮食生产经历了资源投入不足、投入过量以及投入逐步下降的历程。其中2018年的粮食产量达6.6亿t,是1978年的2倍;2018年的化肥用量为5653.4万t,是1978年的6倍。近40年来化肥投入增加率远大于粮食产量增加率,但从2010—2018 年,粮食产量增加了1.15倍,而化肥用量仅增加了1.01倍。其中2016年较2015年化肥用量降低38万t,年增产率为–0.64%,首次出现负增长,2017和2018年化肥用量持续降低,总量分别为5859.4万t和5653.4万t (图1)。

        图  1  中国化肥历史用量及粮食作物产量 (数据来源:国家统计局)

        Figure 1.  Historical fertilizer rate and grain crop yield in China (Source:National Bureau of Statistics)

        与此同时,我国化肥利用率也呈现逐年上升趋势,其中2017年我国的肥料利用率为37.8%,较2015年提高2.6个百分点,较2005年提高9.8个百分点 (图2)。据测算化肥利用率提高了2.6个百分点,相当于年减少尿素 (实物) 用量130万t,减少生产投入约26亿元[13]。上述结果对我国及世界农业生产意义重大,预示着我国化肥减量增效取得了阶段性胜利,阐明和揭示这一目标的实现对未来我国及全球化肥减量增效困境的突破具有重要意义。

        图  2  我国化肥利用率的历史变化(数据来源:农业农村部)

        Figure 2.  The changes of fertilizer use efficiency in China (Source:Ministry of Agriculture and Rural Affairs)

      • 肥料减量的技术途径大致可以分为两类 (图3):一是肥料施用技术的优化及效率的提升,包括总量控制、深层机械施肥、产品的优化、水肥一体化、栽培技术对单产的提升作用,这些技术是节肥增效的基础;二是土壤作物综合管理技术,通过对土壤肥力的改良促进效率的提升,是进一步节肥增效的关键,包括秸秆还田技术、有机肥替代及轮作等。

        图  3  化肥减量增效技术途径

        Figure 3.  Technologies to reduce fertilizer and increase efficiency

      • 肥料产品的创新驱动了肥料产业的发展和转型。我国肥料产品的发展历经了两次重要变革,首先是单质低浓度肥料转向高浓度化肥和复合肥,其次是配方单一的复合肥转向适用于不同区域作物的专用复合肥。到2000年,我国复合 (混) 肥施用量就提高到918万t,复合化率 22.1%,是1980年的33.8倍[14],以氮肥为例,复合肥市场占有率逐年增加,而碳铵等低浓度产品逐渐退出氮肥市场 (图4)。但因未考虑不同区域作物的养分需求差异,致使通用型配方主导了复合 (混) 肥市场,过度依赖通用型的复合肥加剧了养分的过量投入,引起了肥料利用率的下降和环境的污染,其中2005年我国15–15–15通用型配方肥消费量达到1023.3万t,占复合肥消费总量的54%[15]。因此复合 (混) 肥料走向作物专用化是改善肥料利用率及减少用量的重要途径。我国作物专用肥从2000年开始快速发展,目前作物专用肥料几乎涵盖全国主要土壤类型和作物,配方总数超过20000个[14, 16]。其中,粮食作物专用型配方总数从559个增长到1346个,配方肥所占的比例也从9%快速提升到17%[17]。大量田间试验研究表明,我国作物专用复合 (混) 肥料的施用不仅提高了水稻、玉米、小麦、棉花、大豆等作物的产量,同时氮、磷、钾肥料利用率也分别提高3.1%~18.6%、1.5%~20.4%和1.5%~14.2%[18-23]

        图  4  中国氮肥产品消费变化(数据来源:世界肥料工业协会, 2019)

        Figure 4.  The changes of the nitrogen fertilizer products consumption in China (Source:Industry Fertilizer Association, 2019)

        此外,各种新型肥料如控释肥、水溶肥和稳定性肥料市场占有率不断提高,目前市场份额已经超过10%。其中Li等[24]通过大样本整合分析,发现控释肥在水田和蔬菜体系上的应用可实现增产5%~7%,氮肥利用率增加11%~26%。截至2015年,缓控释肥已在我国24个省30多种作物上进行了示范推广,累计施用面积已达461.7万hm2[25]。此外,硝化抑制剂在水田上也可以实现增产6%~7%,增效11%~48%;脲酶抑制剂在水田上可以实现增产9%,增效29%[24]。这些新型肥料在大田上的应用也实现了较好的节肥 (6%~12%) 和增产 (5%~11%) 效果,直接促进减肥增效目标的实现,并会成为我国继续实现减肥增效的重要支撑[26-48]

      • 机械化施肥可以实现肥料的深施,并保证肥料施入的均匀性,提高肥料利用率,减少环境污染[49]。我国早在20世纪80年代,便开始对施肥机械进行研究[50]。按照作物栽培过程中施肥方法的不同,可将施肥机械分为基肥撒施机械、种肥机械以及追肥机械[51]。目前我国在基肥机械化方面研究较多,机械化率提升较快,如2013年基肥和追肥的机械化施肥比例分别为35%和4%,较2008年提升了23%和3%[17],但追肥机械的普及仍有待提高。其中,机械化施肥可使小麦、玉米、水稻等作物增产300~675 kg/hm2,化肥利用率从30%提高到40%~45%[49-63]。如河北省,截至2013年,全省约50%的冬小麦、70%的夏玉米播种都采用了种肥同播技术,其中夏玉米机械化施肥面积达233万hm2[64]

        此外,水稻种植的机械化率也有显著提高。截止到2012年底,我国水稻耕、种、收综合机械化水平达到68.82%,而在黑龙江省水稻综合机械化水平较高,基本已经超过90%[65]。在黑龙江省,安龙哲[61]根据大面积的田间试验发现,与国产水稻插秧机配合的化肥深施器可以在节肥20%的基础上增产750 kg/hm2。该研究所采用的水田机械侧深施肥技术可以有效地将肥料施用于作物秧苗侧3~5 cm,施肥深度4.5~5.0 cm,提高了氮肥利用率35%左右[66]。目前水稻侧深施肥技术在南方也实现了快速发展和应用。机械化施肥的普及是我国减少化肥投入的重要途径。

      • 提高单位面积产量也是提升效率和节省肥料的重要途径。近些年农作物品种不断优化,增密减氮、宽幅播种、氮肥后移等高产栽培技术措施的不断涌现,也推动作物养分利用效率逐步提高。其中,Ying等[67]研究发现,2000年后的粮食作物新品种相较于 1985—1999年间的品种,产量水平显著提高16.0%~24.4%,其中玉米增产8.8%,小麦增产13.3%,水稻增产11.3%,而环境排放可显著降低9.6%~23.5%。此外,新品种的应用还可以协调降低肥料用量和粮食增产。如超级稻的应用可以在减少化肥用量30%的情况下,确保高产和节本增收[68]。选用耐密品种可在氮肥投入减少30%的条件下,实现东北春玉米增产15%、氮肥偏生产力提高30%左右[69]

        各种高产栽培技术的进步也使得肥料效率显著提高。其中,小麦宽幅播种技术在传统条播的基础上可提高肥料效率2%~20%[70-75]。氮肥后移技术的采用也使得我国主要粮食作物 (小麦、玉米、水稻) 增产3.0%~51.8%,同时氮肥利用率提高46.1%~111.8%[76-88]。此外,通过采用减氮增密技术,可以在减少10%~20%的氮肥用量并增加20%~33%移栽密度的条件下,实现水稻增产4%~6%,氮肥利用效率提高6%~20%[89-94]。在经济作物上,相同的目标产量 (低密下的经济产量、湖北省油菜平均单产和全国油菜平均单产) 下,油菜增密后可以节约氮肥用量20%~30%,增密减氮效果明显[95]。通过增加密度并减少氮肥20%的栽培模式,可以提高烟草上部烟叶质量和品质[96]

      • 水肥一体化是将灌溉与施肥融为一体的节约型灌溉和施肥技术,可显著提高水肥利用效率,主要模式包括滴灌、微喷灌、膜下滴灌等[97-98]。目前微喷灌技术应用面积较广,覆盖作物体系较多,而滴灌技术一般应用在经济价值较高的作物上,膜下滴灌技术目前主要应用在我国西北干旱半干旱地区[99]。粮食作物和经济作物上的研究表明,水肥一体化技术可以在节肥20%~50%、节水35%~60%的同时提高产量10%以上[100-109]。目前水肥一体化已经从局部试验和示范走向大面积推广,辐射范围已经从华北扩展到东北、西北和华南,覆盖了设施栽培、无土栽培、果树等不同栽培模式及蔬菜、花卉、苗木等多种作物[110-111]

        以内蒙古马铃薯为例,水肥一体化技术已在内蒙古广泛推广应用,并形成了一套详细的技术规程[112-113]。相比于传统的施肥技术,马铃薯滴灌水肥一体化可以实现节水40%~80%,在缓解全区水资源供需矛盾的同时,提高养分利用率并实现增产增收和可持续发展[114]。截至 2014 年,内蒙古已建成54.6万hm2 滴灌农田,喷灌50万hm2,喷、滴灌面积已占全区灌溉地的1/3以上,其中已有10.9万hm2实现了水肥一体化[115]。2016年我国微喷灌的应用面积达到995.4万hm2,占全国耕地面积的比例从2011年的9.4%提升到2016年的13.6%[116],对我国实现化肥减量增效起到了重要的作用。

      • 秸秆还田目前主要分为直接还田和间接还田两大类。直接还田包括翻耕还田、高茬还田以及覆盖还田3种方式,秸秆间接还田包括堆肥还田、过腹还田和堆沤还田[117-118]。秸秆还田增加了农田系统有机质投入,对农田生态系统实现化肥减量和可持续发展具有重要意义[119]。此外,秸秆还田可以降低土壤容重,增加土壤养分,与化肥配施可达到很好的水肥耦合作用,有效提高土壤肥力[120-122]。多点研究表明,多年秸秆还田可节省化肥投入10%~20%,并提高作物产量2.8%~16.2%[123-136]。2010年我国秸秆氮磷钾养分总还田量将近1800万t,秸秆养分还田率为71%,较2000年提高11%[137],在一定程度上替代了化肥的施用,且还田方式有鲜明的地域特点。其中华北平原作为我国小麦–玉米主产区,在2010年实现了70%~80%的小麦、玉米秸秆直接还田[138]。在水稻种植区,在早稻和晚稻上翻压还田和覆盖还田的比例也分别由2000年的21%和26%提高到2010年的63%和67%[17]。而在秸秆还田较难实施的东北地区,为推进秸秆还田技术的实施,农业农村部出台了《东北地区秸秆处理行动方案》,各研究单位也积极探索秸秆创新还田技术。如中国科学院韩晓增团队将秸秆还田和轮作相结合,创新了黑土土壤培肥模式,建立了“肥沃耕层构建”模式。通过建立“翻、免、浅”耕作与秸秆还田组合的玉米连作优化模式,在东北南部地区实现了在秸秆还田条件下增产9.8%~12.3%;“一翻一浅加两免”耕作组合的米–豆轮作模式,在东北中部地区实现了10.7%~11.3%的增产;“翻、免、浅”耕作组合的米–豆–豆轮作模式,在东北北部地区实现了增产11.2%~19.1%。在各方的共同努力下,东北地区玉米秸秆直接还田比例也已经从2000年的12.1%提升到2010年的20%左右,在提高养分综合利用的同时培肥地力,促进了化肥减量施用[137, 139]

      • 除秸秆外,我国的畜禽粪便资源也十分丰富[140-141],其中宋大利等[142]的研究结果表明,我国2015年的畜禽粪尿数量为31.584亿t,氮 (N)、磷 (P2O5)、钾 (K2O) 养分资源总量分别达到1478.0万t、901.0万t和1453.9万t。对有机肥的合理高效利用将有助于保持土壤生产力并减少化肥施用。有研究指出,如将我国畜禽粪便全部还田,不同地区的氮磷钾肥料分别可节省37.8%~115.2%、61.9%~230.7%和64.1%~229.1%[63]。大量研究表明,化肥减量20%~30%的条件下配施有机肥,不会对作物产量产生影响[143-155] (粮食作物见表1)。与此同时有机肥还可显著提高土壤肥力,蔡岸冬等[156]2015年对286组数据库的整合分析发现,有机肥能显著提高土壤总有机碳 (58.4%) 和矿物结合态有机碳 (41.9%) 的含量,分别是化肥处理的3.4和5.2倍。

        表 1  不同技术在主要粮食作物上的增产、节肥及增效作用

        Table 1.  Effects of different technologies on yield improvement, fertilizer reduction and enhancement efficiency

        技术
        Technology
        作物
        Crop
        增产 (%)
        Yield
        增效 (%)
        Efficiency
        节肥 (%)
        Fertilizer saving
        文献
        Reference
        肥料产品创新专用复合肥New compound fertilizer水稻Rice 2.1~11.1 1.6~53.8[18, 21]
        小麦Wheat7.6~11.729.0~35.0[2122]
        玉米Maize5.0~16.011.7~22.0[19, 21, 23]
        缓控释肥 Controlled-release fertilizer玉米Maize3.5~8.6 8.0[2930, 32]
        硝化抑制剂Nitrate inhibitor水稻Rice 3.9~12.411.1~25.025.0[3335]
        玉米Maize3.4~20.0 5.3~10.0 5.4[3639]
        脲酶抑制剂Urease inhibitor小麦Wheat1.8~20.0 4.8~22.8[36-41]
        玉米Maize3.1~22.3[4244]
        水稻Rice 8.5~16.13.8~8.4[4548]
        机械施肥Machinery fertilization小麦Wheat7.6~26.6[5455]
        玉米Maize9.3~17.015.0~48.0[5659]
        水稻Rice 5.1~16.517.3~20.0[6063]
        栽培技术和品种更替
        Cultivation and cultivar renovation
        小麦Wheat13.3[67]
        玉米Maize 8.8[67]
        水稻Rice 11.3[67]
        宽幅精播Wide row,precise seeding小麦Wheat4.3~16.7[7275]
        氮肥后移Postponding N topdressing水稻Rice 1.3~15.665.2~82.4[7881]
        玉米Maize5.1~14.1[8284]
        小麦Wheat2.0~15.7[8588]
        增密减氮 Dense planting with less N fertilizer水稻Rice 4.1~18.55.810.0~20.0[8991]
        玉米Maize10.7~17.9 30.0[37, 9294]
        水肥一体化Fertigation小麦Wheat21.1~57.5 24.0~48.0[100, 105106]
        玉米Maize2.9~35.352.0~83.2[107109]
        秸秆还田Straw returning小麦Wheat1.2~28.0[128130]
        玉米Maize3.5~11.4[131133]
        水稻Rice 1.2~13.4[134136]
        有机肥替代还田Organic N replacement玉米Maize9.7~20.17.420.0[146148]
        小麦Wheat1.2~12.910.0~20.0[149152]
        水稻Rice 0~10.67.820.0[153155]

        2010年我国畜禽粪便养分还田量为1700万t,其中氮、磷、钾还田量分别为616万t、298万t和799万t,还田率从1990年的22.3%提升到2010年的41.8%[157]。特别是实施“果菜茶有机肥替代化肥行动”以来,我国100 个有机肥替代化肥示范县化肥施用量下降了18%,有机肥施用量增加了50%,增施的有机肥相当于消纳畜禽粪污2000多万t[158]。有机肥的养分替代与秸秆还田共同成为我国实现化肥零增长的重要技术支撑。

      • 农业绿色发展是新时期国家农业发展的重大理念,近年来我国相继出台了一系列的指导方针 (表2) 来推动农业绿色发展。化肥作为最重要的农业生产资料其科学施用直接影响农业绿色发展的实现,引起了党中央的高度重视。国家“十二五”、“十三五”规划分别将减少化肥用量列为重点工作任务。2015年工业和信息化部下发了《推进化肥行业转型发展的指导意见》,该意见提出要实现总量调控、原料结构调整、产品结构升级等目标,着重化解产能过剩,大力调整产品结构,着力推进绿色发展。在该意见指导下,落后产能不断淘汰,新产品以及新的工艺路线不断突破[13],传统的基础肥料生产企业,包括磷复肥企业开始向新型肥料 (包括中微量元素肥) 产业不断发展[159],农化服务方式 (“互联网+”和“大数据”技术) 不断拓展和创新,为我国肥料行业转型和实现化肥减量奠定了基础。

        表 2  中国 2000—2017年化肥减量增效相关政策

        Table 2.  The relevant policies to fertilizer reduction and efficiency improvement in 2000–2017

        年份
        Year
        政策
        Policy
        调控目标
        Regulation target
        政策类型
        Policy type
        20052005 年测土配方施肥试点补贴资金项目实施方案项目区实施测土配方施肥面积达到53万hm2 (800万亩),肥料利用率提高3%~5%。区域激励型
        20092009 年土壤有机质提升补贴项目实施指导意见在南方稻作区,推广稻田秸秆腐熟技术应用面积扩大到80万hm2 (1200 万亩) 以上;南方冬闲田集中地区适度发展绿肥产业,减少化肥施用量10%以上;北方地区粮食作物增施有机肥面积14.6万hm2 (220 万亩) 以上。区域激励型
        2009国务院关于进一步深化化肥流通体制改革的决定取消对化肥经营企业所有制性质的限制,允许具备条件的各种市场主体进入化肥流通领域,参与经营,公平竞争。全国激励型
        2014引导农村土地经营权有序流转发展农业适度规模经营的意见引导土地经营权有序流转,发展多种形式的适度规模经营。全国激励型
        2015国务院办公厅关于加快转变农业发展方式的意见到2020年,多种形式的农业适度规模经营加快发展,农业综合生产能力稳步提升,产业结构逐步优化。全国激励型
        2015全国农业可持续发展规划 (2015—2030 年) 到2020年,农业科技进步贡献率达到60%以上,主要农作物耕种收综合机械化水平达到68%以上,全国耕地基础地力提升0.5 个等级和1个等级以上,发展高效节水灌溉面积0.19亿hm2 (2.88亿亩)。 全国强制型
        2015关于对化肥恢复征收增值税政策的通知对纳税人销售和进口化肥统一按13%税率征收国内环节和进口环节增值税。全国强制型
        2015工业和信息化部关于推进化肥行业转型发展的指导意见到2020年,我国新型肥料的施用量占总体化肥使用量的比重提升到30%,用非无烟煤合成的氨产品占比提升至40%左右。全国强制型
        2015到2020年化肥使用零增长行动方案到2020年,肥料利用率提高到40%,测土配方施肥技术覆盖率达到90%以上,农作物秸秆养分还田率达到60%,畜禽粪便养分还田率达到60%。全国强制型
        2015耕地质量保护与提升行动方案到2020年,全国耕地地力平均提高0.5个等级,畜禽粪便养分还田率达到60%,农作物秸秆养分还田率达到60%以上。全国强制型
        2016推进水肥一体化实施方案 (2016—2020) 到2020年水肥一体化技术推广面积达到0.1亿hm2 (1.5亿亩),新增533万hm2 (8000万亩),节肥30万t,增效500亿元。全国强制型
        2016建立以绿色生态为导向的农业补贴制度改革方案突出绿色生态导向,注重发挥市场形成价格作用,完善相关政策,落实最严格的耕地保护制度。全国激励型
        2017农业部关于实施农业绿色发展五大行动的通知果菜茶优势产区化肥用量减少20%以上,东北地区秸秆综合利用率达到80%以上。区域强制型
        2017关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见畜禽粪污综合利用率达到75%以上,规模养殖场粪污处理设施装备配套率达到95%。全国强制型
        2017东北黑土地保护规划纲要黑土地保护面积0.17亿hm2 (2.5亿亩),黑土区耕地质量平均提高1个等级,土壤有机质含量平均达到32 g/kg以上。区域激励型

        此外,2015年农业农村部出台的《到2020年化肥使用零增长行动方案》明确提出,我国主要化肥使用要在2020年实现零增长,农作物肥料利用率提高到40%以上。为了更好地贯彻实施这一行动,各个省市县由主要负责同志任组长,推进落实技术推广、政策宣传、技术培训及服务指导等工作,并将控肥纳入政府考核指标。2017年中期评估结果显示,我国已经有23个省 (市、区) 的化肥总量与2015年相比下降0.2%~19.0%[160]

        2017年启动实施果菜茶有机肥替代化肥、东北地区秸秆处理等《农业绿色发展五大行动》,力争到2020年果菜茶优势产区化肥用量减少20%以上,东北地区秸秆综合利用率达到80%以上。有报道指出,2017年一年果菜茶100个项目县化肥施用量下降了18%,有机肥施用量增加了50%,资源利用水平得到显著提高[161]。同年,农业农村部印发《畜禽粪污资源化利用行动方案 (2017—2020 年) 》,提出了全国畜禽粪污综合利用率达到75%以上,规模养殖场粪污处理设施装备配套率达到95%以上等目标,全国创建200个示范县,整县推进畜禽养殖废弃物综合利用。这些政策的提出不仅促进了节肥增效技术的应用,如肥料产业的升级和产品结构调整、秸秆和有机肥资源化利用等,也作为指导方针不断地引导全国化肥科学合理施用。

        除全国性政策外,针对不同的地方现状,国家和地方政府也出台了一些地方性的政策法规。其中针对东北地区有机质含量不断下降的问题,国家出台了《东北黑土地保护规划纲要 (2017—2030) 》,鼓励推进秸秆粉碎深翻还田、覆盖免耕还田及过腹转化还田,有效利用畜禽养殖废弃物等,积极施用有机肥,力争到2030年将东北黑土区耕地质量平均提高1个等级以上。此外,为遏制洱海面源污染,云南大理市、洱源县积极开展“三禁四推”工作,禁止销售和使用含氮、磷的化肥,推行有机肥替代。为保证大连近海海域水质,政府决定大连市临海的3个县级市,在距海岸线5 km范围内,不准使用化肥和农药,市辖区等有农业生产的区域,在距海岸线2 km范围内,不准施用化肥和农药。同样,为解决长江水体污染,安徽省制定《安徽省加快推进长江经济带农业面源污染治理实施方案》,明确规定长江干流及主要支流岸线1 km范围内,严格限制施用化肥,并确保年使用量负增长。

      • 随着市场经济以及城镇化进程的发展,农村青年劳动力大量外出务工,土地流转及土地规模化经营已成为农村经济发展的趋势[162]。土地规模的扩大对农户化肥施用产生了巨大影响[163]。研究表明,农户规模和化肥使用强度存在负相关,即随着农户种植规模的扩大,农户单位面积施用的肥料数量会成比例下降[164-166]。Ju等[164]2016年的研究表明,相较于规模化农户,小农户在化肥等各项投入 (除草剂外) 提高11%左右,但作物产量却降低5%。其中,规模化生产中对先进机械装备和新技术的采用是降低化肥投入强度的主要原因[167]。此外,对规模经营户的广普性补贴政策向可持续发展农业如节水灌溉、化肥减量及绿肥种植等技术的倾斜,也是化肥投入强度降低的原因之一[168]

        2017 年我国土地流转比例达到37%,比2005年增加了34%[169]。大规模的土地流转伴随机械化的普及降低了小农户施肥的随意性和盲目性,加上对农业绿色生产技术的补贴加速了我国化肥减量增效的实现。

      • 随着社会的进步和人民生活水平的提高,消费者对农产品品质的关注越来越高。其中,农产品外观、营养与内含物成分以及储藏性状等各种品质指标与化肥的使用有直接关系[170]。截至2016年底,我国无公害农产品、绿色食品、有机农产品和地理标志农产品 (“三品一标”农产品) 较2011年增加16.4%~41.3%,“三品一标”农产品耕作面积达到0.3亿hm2,产量约占同类农产品的17%,逐渐成为消费者关注和选择的对象[171-172]。以绿色食品为例,绿色食品明确规定允许限量使用部分化学合成肥料 (但仍禁止使用硝态氮肥) 或只使用Cu、Fe、Mn、Zn、B等微量元素及硫酸钾、煅烧磷酸盐。“三品一标”农产品的大幅增长直接助力了我国化肥的减量。

        此外,在农产品价格不稳定的条件下,优质农产品有高出普通农产品20%~100%的价格优势。国家“优质优价”方案不断推进,加上尿素、二铵等化肥价格的上涨使得低质量农产品成本上升、收益降低,以及农资产品质量的不断提高保障了化肥的肥效,这都成为农产品向高品质转变的巨大推动力。

      • 随着我国农技推广体系的日趋成熟,以政府为主导的单一型服务格局逐渐转变成政府、涉农企业、农业科研教育机构等多方共同参与的“一主多元”的推广体系,为农业技术的推广和减肥增效“最后1公里”的实现提供了保障[1]

      • 在经历了农技推广效率低下、投入不足、人员不稳和服务落后的局面后,自20世纪90年代后期开始,我国开始进行农技体制改革,农业推广人才得到强化,基础设施逐步完善,经费保障得到加强,为我国农业技术的推广奠定了良好的基础[173]。其中,2012年全国编制内农技人员总数达到68.8万人,本科及以上学历达到22.7%,在“农技推广机构条件建设”、“测土配方”等项目的带动下,农技设备不断完善,农技服务能力和效率得到切实提升[174]。其中,2005年政府开始推动测土配方施肥项目,10多年的推广使得技术应用效果更加显著。2013年测土配方施肥的技术覆盖率、技术贡献率和技术到位率分别达到68%、32%和39%,较2000年提升59%、13%和12%[17]。测土配方施肥也加速了复合肥从单一配方向作物专用肥的转变,如上所述我国作物专用肥自测土配方项目实施以来快速增长,配方肥所占的比例从9%快速提升到17%[17],同时10年测土配方施肥已经使1/3的农户施肥趋于合理水平,是实现化肥减量增效强有力的推动因素。

        除大力推动测土配方施肥外,政府也积极建设农化配套设施、建立示范田等对高效养分管理技术进行宣传与示范,扩大减肥增效效果。在黑龙江,政府通过建立以呼玛镇河南村为主的2000 hm2示范区,辐射带动周边农业“三减” (减化肥、减农药、减除草剂) 区域3.33万hm2,施肥量较常规施肥减少12.6%[175]。甘肃山丹县政府依托种植大户和合作社,建立了配方肥供应、土壤墒情监测等3个服务网络和耕地地力评价等2个专家系统,缩短农户应用农业科技的距离,带动山丹县化肥减量工作整建制推进[176]

      • 在农业规模化和化肥总产能过剩的影响下,企业开始转变经营模式,将销售与服务相结合,以期实现产业升级和可持续发展。其中,企业产品创新力量的加强、研发中心的建设、校企广泛合作、专业人员快速扩充,示范田的建设以及农化服务体系的不断完善,推动了企业农化服务走向科学化和专业化,成为现代农业技术服务体系中的重要力量[177]。如中化化肥公司自主创建氮肥中心和作物营养保护中心、磷复肥工程技术研究中心,并与中国农业科学院、中国农业大学等科研机构合作,开发了一系列绿色肥料产品,并创建线下分销中心与线上电子商务平台相结合的销售模式,保障了化肥的合理施用。同时,采用多种渠道如广播、电视、报纸、电话等大力推广科学用肥。其开展的400、800电话热线服务,累计接入电话已超过23万人次,创办的农业知识信息公益性广播电台栏目累计听众超过18亿人次,并创建100多个农民田间学校,为农民科学种田提供了更广泛的信息获取途径[178]。山西中农乐有限公司在开展自主技术创新、推广果类技术产品的同时,为果农提供“保姆式”全程田间技术服务,在全国20多个省市建立水果示范园4362个,每年开展技术培训5000 多场次,受惠果农达数十万人次[179]。截止2014 年10 月,我国1000多家肥料企业中超过70%的厂家都开展了农化培训、试验示范等农化服务工作,从业人员累计超过3000人,企业自主创新和农化服务的拓展为科学施肥“最后一公里”的打通注入了新的活力[180]

      • 除了政府和企业的努力外,科研单位也在积极努力探索化肥减量增效的新途径和新方法。截至2018年,中国已经有37所大学与地方政府及企业合作建设示范试验基地,不断探索大学农技推广模式[181]。其中以中国农业大学为首建立的科技小院模式,在生产一线开展技术推广和培训,实现了农业技术零距离、零时差、零门槛、零费用的“四零”服务。在科技小院的带动下,服务的曲周全县平均粮食单产从可获得产量的62.8%提升到79.6%,并且实现农民增收79%[182]。科技小院模式10年的推广,已经使得科技小院工作范围覆盖全国23个省和45个作物体系,并使中国主要粮食作物平均增产10.8%~11.5%,减少氮肥用量14.7%~18.1%[183]。此外,西北农林科技大学建立的农业科技专家大院,3年时间就辐射带动陕西省宝鸡市100多个乡镇,70多万农户实现化肥减量增效[184]

      • 我国已经在2016年实现了化肥零增长,提前实现2020年化肥零增长的目标,这表明我国农业生产已经步入了新的阶段,政府、企业及科研单位以及社会不断形成合力,化肥减量增效的作用不断得以体现 (图5)。

        图  5  中国化肥减量增效推广体系与运行机制

        Figure 5.  System and running mechanisms for achieving fertilizer reduction and efficiency enhancment in China

        但是,我国肥料高效利用技术创新,如新型肥料研发及推广应用、机械化施肥、水肥一体化、秸秆还田、有机肥资源化利用等方面仍有较大提升潜力。其中新型肥料市场份额只有10%左右,普及率仍较低,且分类体系还不完善[26]。国内变量施肥机成本较高,农民的购买能力相对比较弱,施肥机针对性不够,农技农艺配合不到位[185]。水肥一体化技术推广过程中缺乏专业的技术指导,财政补贴机制不健全[186]。机械化秸秆还田技术虽然普及,但机械化水平还有待提高,焚烧秸秆等现象仍然存在[187]。畜禽粪肥产业化水平滞后,各地对粪尿还田认识不足及利用不当,导致丰富的畜禽粪尿养分资源不能得到有效的处理和利用[137]。因此,提高各项技术的科技水平,建立健全财政补贴机制,提高农户技术认知水平,将有助于进一步提高技术的普及率,更好地实现化肥的减量增效。

        在政策方面,我国目前尚缺乏化肥施用的管理机制,需结合我国农业生产特点创新化肥施用管理体系,完善监管和调控途径,建立不同尺度的管理指标、相应标准和运行机制。此外,借鉴欧美等国化肥减量的成功经验,可考虑建立重点区域环境管理制度,协调农业生产、农户行为和环境管理,制定养分管理政策法规制度等,为实现化肥减量增效提供制度保障[188-189]

        在服务体系方面,政府、企业和科研单位3个服务主体仍然是独立作业,交流沟通不足,没有在合作机制上寻求突破点,相互之间还不能建立起有效的协作体系,导致服务效率低下,资源共享困难。因此需要加强多元服务主体之间的沟通交流,实现资源共享,服务互补,打造系统化和全面化的新型农化服务体系[190]

    参考文献 (190)

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