全 文 ：施肥进步在粮食增产中的贡献及其地理分异 3
宇万太 3 3 　张　璐　马　强　殷秀岩　沈善敏
(中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110016)
【摘要】　根据三个地点中长期田间试验联网研究发现 ,施肥在作物产量形成中的贡献受施肥制度和气候
的热量因子所影响 ,在最佳施肥条件下 ,施肥在产量中的贡献率分别为海伦 (温带) 0. 31 ,沈阳 (暖温带)
0. 39和桃源 (亚热带) 0. 42 ,存在明显的地理分异现象. 由此可以得出 ,当其他技术条件不变时 ,施肥在产量
中的贡献率最高可达 30 %～45 % ,随所在地区气候的热量条件而不同. 通过对施肥与气候热量之间的交
互影响研究还发现 ,沈阳与桃源间的交互影响远大于海伦与沈阳之间 ,有机肥与气候热量之间的交互影响
大于化肥与热量之间的交互影响.
关键词 　施肥贡献 　地理分异 　交互作用
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 11 - 1855 - 04 　中图分类号 　S147. 2 　文献标识码 　A
Contribution of fertilization development to yield production and its geographic differentiation. YU Wantai ,
ZHAN G Lu , MA Qiang , YIN Xiuyan , SHEN Shanmin ( Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of
Sciences , S henyang 110016 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,14 (11) :1855～1858.
The results of long2term field experiments at three stations in different areas of China indicated that the contribu2
tion of fertilization to crop yield was significantly affected by the thermal condition of climate and the fertilization
system. In the case of optimum fertilization , the largest contribution rate was 0. 31 (average of fourteen years)
at Hailun Station (in temperate zone) , 0. 39 (average of twelve years) at Shenyang Station (in warmer2temper2
ate zone) , and 0. 42 (average of eleven years) at Taoyuan Station (in subtropical zone) , which showed that the
existence of geographic differentiation was caused by the thermal condition of local climate. Therefore , keeping
the optimum fertilization systems , the largest contribution rate to crop yield could be estimated from 30 % to
50 % , depending on the local climate condition. The interaction of fertilization and thermal factor between
Shenyang and Taoyuan was much bigger than that between Shenyang and Hailun. The interaction between or2
ganic manure and thermal condition of local climate was bigger than that between chemical fertilizer and thermal
condition of local climate.
Key words 　Contribution of fertilization , Geographic differentiation , Interaction.3 中国科学院知识创新工程重大项目 ( KZCX2241324) 、中国科学院
“九·五”重点项目 ( KZ9522J12214) 和中国科学院沈阳应用生态研究
所创新资助项目 (SCXMS0301) .3 3 通讯联系人
2003 - 04 - 21 收稿 ,2003 - 07 - 08 接受.
1 　引 　　言
在目前的农业生产中 ,施肥是必需而且十分重
要的措施 ,但是在作物产量形成中 ,既有各种农业技
术管理措施的贡献 ,也有各种自然条件的贡献 ,比如
降雨等 ,因此单独评价施肥贡献便是十分困难的事
情. 沈善敏[3 ]根据 20 世纪 80 年代初全国肥料试验
网得出的每公斤养分可增产粮食的公斤数并充分考
虑到作物育种进步对我国粮食生产发展的贡献 ,估
计 1949～1993 的 45 年中我国粮食生产发展直接来
自施肥 (化肥和农家肥) 的贡献约占 30 %. 曾宪坤[6 ]
引述联合国粮农组织 ( FAO) 的评估意见 ,认为在粮
食作物单产中化肥的贡献约占 40 %～60 %的份额.
采用田间试验来模拟近 50 年我国农业中各个
时期的基本施肥制度 ,将施肥进步的时间序列改变
为可供在同一时间内进行比较的田面空间序列 ,保
持试验中其它农业技术管理措施如耕作、品种和病
虫害控制等的相对稳定一致 ,则有可能较准确地估
计施肥进步在我国粮食生产发展中的贡献. 当相同
设计的田间试验同时在不同区域不同地点进行时 ,
便可据此研究这一贡献的地理分异现象. 本文根据
自北向南海伦、沈阳、桃源三地的试验结果 ,主要阐
明气候热量对施肥进步增产效益的影响 ,着重讨论
我国施肥制度进步对粮食生产发展的贡献以及这一
贡献的地理分异现象.
2 　研究方法
　　建国初期 ,我国农业中的养分投入主要来自农家肥 ,也
就是通常说的养分循环再利用 ,这也是在此之前相当长时期
内我国传统的农业施肥制度 ,是一种低水平徘徊下的有机农
应 用 生 态 学 报 　2003 年 11 月 　第 14 卷 　第 11 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Nov. 2003 ,14 (11)∶1855～1858
业施肥制度. 20 世纪 50 年代中期化肥氮开始在我国农业推
广应用 ;60 年代磷肥开始在我国南方、之后逐渐扩展至在全
国各地农业中推广 ;70 年代后期 ,钾肥在我国南方红壤上显
示了较好的增产效果 ,从而促进了钾肥在这一地区农业中的
广泛应用 ;进入 80 年代 ,北方一些高产农区以及需钾较多的
作物如蔬菜、烟草、甜菜等施用钾肥便十分普遍. 可见 ,氮、
磷、钾化肥养分是按不同的时间序列分阶段进入我国农业
的 ,如果再配合养分循环再利用这一传统施肥制度 ,便形成
了我国农业在不同的发展阶段有着不同的施肥制度这一现
实 ,而施肥制度的每一次演变则标志着我国农业施肥的进
步.海伦、沈阳和桃源三地田间试验中各施肥处理所代表的
施肥制度 ,便是根据我国不同时期农业中上述基本施肥模式
设计的. 试验设计中之所以选择 80 %收获产品进入喂饲堆
腐循环 ,其主要依据是我国大约有 80 %的人口和相似比例
的家畜分布在农村 ,其废弃物和排泄物中养分便可进入农家
肥养分资源. 有关田间试验及喂饲堆腐试验的设计及数据处
理详见相关文献[4 ,5 ,7 ] ,8 个供试处理代表的 8 种基本施肥模
型简要说明如下 :1)无肥 ,即是通常肥料试验中的空白对照 ,
代表了我国偏远地区的移耕农业和原始荒地开垦后最初若
干年内的农业 ,农民在经营中不施用任何肥料 ;2) 循环猪圈
肥 ,代表 50 年代以前我国农业中的传统施肥模式 ;3) 氮肥 ,
代表 50 年代化肥氮进入我国农业后的一种施肥模式 ;4) N +
循环猪圈肥 ,代表施用氮肥同时保留养分循环再利用的施肥
模式 ;5) NP ,代表 60～70 年代磷肥进入我国后的施肥制度.
6) NP + 循环猪圈肥 ,代表 70 年代至今我国大多数农区施用
氮磷化肥的同时保留养分循环再利用的施肥制度 ;7) NPK ,
代表 70～80 年代以后我国某些国营农场和一部分发达农区
农户采用的施肥制度 ;8) NPK+ 循环猪圈肥 ,代表 80 年代以
后我国南方和部分北方高产农区的施肥制度.
　　田间实验分别在黑龙江海伦、辽宁沈阳和湖南桃源等地
进行 ,各试验地点的土壤及气候条件详见表 1. 需要说明的
是 ,各地试验开始时试验土壤有效磷 ( P) 水平均在 10mg·
kg - 1以上 ,属于不缺磷水平 ,这一情况恰好与 50 年代化肥进
入我国农业时我国大部分农田情形相一致 [2 ] .
表 1 　试验地点的土壤及气候条件
Table 1 Soil and climate condition of three experimental sites
试验地点
Sites
气候 Climate
≥10°C 积温
≥10°C
accumulation
temperature
( ℃)
年均温
Annual
average
temperature
( ℃)
年降水
Annual
precipit2
ation
(mm)
干燥度
Dryness
index
土壤肥力 Soil fertility
土壤
Soil
type
p H 有机质
O. M.
(g·kg - 1)
全 N
Total
N
(g·kg - 1)
有效 P
Available
P
(mg·kg - 1)
速效 K
Available
K
(mg·kg - 1)
海伦 Hailun 2400 1. 5 570 0. 7～0. 8 黑土 Phaeozem 6. 2 54. 0 3. 0 25. 8 191 3
沈阳 Shenyang 3500 7. 9 700 0. 8～0. 9 潮棕壤 6. 7 22. 1 0. 80 10. 6 88
Meadow2brownsoil
桃源 Taoyuan 5200 16. 5 1150 0. 75 红壤性水稻土 5. 7 23. 2 1. 39 14. 7 68
Paddy soil3 交换 K: Exchangeable K.
3 　结果与讨论
311 　施肥进步作物产量增益的地理分异
　　表 2 是三试验点各处理多年产量的平均值 ,从
表 2 可见 ,不论是单施化肥还是在养分循环再利用
基础上施化肥 ,随着氮、磷、钾化肥依次进入农业 ,作
物的净增产量均有所增长 ,只是在养分循环再利用
情况下化肥养分的净增产量 (以循环回田猪圈肥处
理为对照)表现为略有下降 ,即养分循环再利用的作
物产量增益可因施用化肥而下降. 其原因是因为当
养分的供给量已满足作物生长的实际需求时 ,超额
部分的养分通常若不是不起增产作用 ,便必定是降
低增产报酬. 在本项研究中化肥用量或循环回田猪
圈肥中养分量分别计算均不能达到作物丰产所需养
分量 ,但两者相加便超过了作物对某种养分的实际
需要量.
　　表 2 揭示的另一个重要现象 ,即农业施肥进步
引起的产量增益明显地存在地理分异规律 ,也就是
受气候的热量条件所控制. 表现在每一种化肥养分
进入农业产生的作物净增产量由南向北明显减少 ,
表 2 　不同土壤 - 气候区施肥进步的粮食增产量
Table 2 Increase of crop yield caused by fertilization development at different soil2climate zone of China
气候与土壤
Climate
and soil
试验地点
Exp . site
无肥区产量
Yield of CK
(t·hm - 2·yr - 1)
有无养分循环再利用
With or without
nutrient recycled
净增产量 3 Net increase of yield (t·hm - 2·yr - 1)
循环猪圈肥
Recycled
manure
N NP NPK3 3
温带—黑土 海伦 Hailun 2. 71 无 No - 0. 71 0. 95 1. 03
Temperate zone —Phaeozem (1987～2001) 有 Yes 0. 26 0. 97 1. 20 1. 39
暖温带—潮棕壤 沈阳 Shenyang 3. 46 无 No - 0. 90 1. 47 1. 88
Warmer temperate —Brown soil (1990～2001) 有 Yes 0. 96 1. 61 1. 96 2. 23
亚热带—红壤性水稻土 桃源 Taoyuan 5. 50 无 No - 1. 09 2. 31 2. 56
Subtropical zone —Paddy soil (1990～2001) 有 Yes 3. 06 3. 78 3. 84 3. 333以无肥区产量为对照 Yield of CK as control , 3 3海伦站从 1997 年开始布置此处理 ,表中数据是 4 年平均 The treatment was began in 1997 , all
the data from this treatment is average of 4 years.
6581 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
不仅施用化肥如此 ,在保持养分循环再利用基础上
施用化肥也是如此 ,证明了农业中施肥进步所带来
的粮食增产存在明显的地理分异现象. 由此也可以
引申 ,施肥进步对于提高任何地区的作物产量都是
重要的 ,但对于热量充沛的南方红壤地区尤为重要 ;
本项研究表明 ,由于施肥进步而增加的粮食产量南
北之间可相差数倍之巨. 这一结果也为国家在制定
肥料发展和分配时应优先考虑那些地区提供了科学
上的依据.
312 　施肥进步在作物产量形成中的贡献率
　　施肥在作物产量形成中的贡献率 = 施肥增加的
作物产量/ 施肥作物产量 ×100 % ,英国洛桑试验站
的研究结果表明 ,连续百年以上不施肥的农田也可
维持 1～3 t·hm - 2的谷物产量[1 ,4 ] ,其中的养分供给
主要来自土壤本身缓慢的养分释放、生物固氮以及
大气干湿沉降 ,可以认为 ,这是无养分投入所能维持
的近乎最低限的产量. 本项研究中各组试验的对照
区停止施肥不过 10 多年 ,土壤中尚有残留肥料的养
分释放 ,故不施肥对照区的作物产量在试验后期尚
可保持在 2. 7～5. 5 t·hm - 2左右. 本项研究模拟了
我国施肥进步各阶段作物产量及产量形成中施肥的
贡献率 ,结果如图 1 所示.
图 1 　农业中施肥进步与作物产量增长及施肥贡献率
Fig. 1 Tread of yield increase and contribution from development of fer2
tilization system in agriculture
图中数字为产量 (t·hm - 2·yr - 1) ,括号中数字为施肥贡献率 ,C 为循
环回田猪圈肥 , Figure in column2crop yield (t·hm - 2·yr - 1) , Figure in
parentheses —Contribution rate of fertilization , C —recycled manure. A :
海伦 Hailun (1987～2001) ;B :沈阳 Shenyang (1990～2001) ; C :桃源
Taoyuan (1990～2000) .
　　图 1 中的施肥制度进步沿两个方向发展 ,上行
表示“无机化肥”方向 ,下行表示“有机和无机相结
合”方向. 由图 1 可看出 ,无论在哪一个试验地点 ,随
着施肥进步作物产量增长 ,其贡献率也随之增长 ,但
是这种贡献率不是一个固定值 ,它随施肥制度改变
而不同. 其次 ,施肥贡献率显然也受气候热量所影
响 ,在海伦、沈阳、桃源 3 组试验中 ,各对应施肥贡献
率几乎均随气候热量增长由北向南提高 ,说明施肥
进步在我国粮食生产中的贡献存在明显的地理分异
现象. 在本项试验中 ,如果将保持养分循环再利用基
础上施用 NP K 化肥 (海伦试验中为 NP) 视为最佳
施肥制度 ,则在保持其他农业技术不变条件下 ,最大
施肥贡献率分别为 : 海伦 0. 31、沈阳 0. 39、桃源
0. 42.
　　导致施肥贡献地理分异的原因可能是由于南方
地区可以提供较大的养分循环通量 ,并且循环回田
有机肥中养分较快地矿化释放以及土壤微生物体养
分较快地分解周转 ,但究竟哪种因素在起决定作用
有待进一步研究 ,不过热量作为限制性环境因素 ,在
北方农业中施肥效益可能因气候的热量限制而降低
其在作物产量形成中的贡献率 ,因而温带气候条件
下施肥在作物产量形成中的贡献率远较亚热带地区
为低.
313 　施肥与气候热量之间的交互影响
　　水2肥交互作用对作物产量的影响长久以来都
受到人们的普遍关注 ,但施肥与热量交互作用对作
物产量的影响人们考虑的却比较少 ,主要原因是研
究这一问题的技术难度较大 ,需要作跨区域的联网
试验 ,但由于跨区域联网试验不可能做到供试土壤、
作物种类、熟制、耕作等基本试验条件的绝对一致 ,
因此很难作到定量水平上的阐述. 不过 ,作为一种尝
试 ,我们可以在定性水平上进行研究探讨. 设想是 :
把试验地看作一农田生态系统 ,对海伦、沈阳、桃源
三地的试验结果在农田生态系统水平上进行比较 ,
主要目的是阐述系统生产力受施肥进步和气候热量
增长的交互影响. 计算顺序如下 :以海伦试验对照区
的作物产量为起点与以下状态进行比较、计算 :1)与
海伦试验施肥区产量比较可得出施肥进步的产量增
益 ;2)与沈阳或桃源两地试验对照区产量比较可得
出气候热量增长的产量增益 ;3) 与沈阳或桃源两地
试验中施肥区产量比较可得出施肥、热量同时进步、
增长的产量增益. 如 3 所得出的计算结果大于 1、2
两项之和 ,说明施肥与气候热量之间存在正交互影
响.现以海伦试验中循环猪圈肥处理 ( C) 作为施肥
758111 期 　　　　　　　　 　　　宇万太等 :施肥进步在粮食增产中的贡献及其地理分异 　　　　　　　　
进步的参照 ,以沈阳试验中的对照区 (CK) 作为热量
增长的参照 ,以沈阳试验中的循环猪圈肥处理 ( C)
作为施肥、热量同步增长的参照 ,按图 1 中数据计算
如下 :
　　①施肥进步 (海伦 CK→海伦 C)产量增益 :2. 97
- 2. 71 = 0. 26 t·hm - 2·yr - 1
　　②热量增长 (海伦 CK→沈阳 CK) 产量增益 :3.
46 - 2. 71 = 0. 75 t·hm - 2·yr - 1
　　③施肥、热量同步增长 (海伦 CK→沈阳 C)产量
增益 :4. 41 - 2. 71 = 1. 70 t·hm - 2·yr - 1
　　于是施肥与热量交互影响的产量增益 = 1. 70 -
(0. 26 + 0. 75) = 0. 69 t·hm - 2·yr - 1
　　按同样方法计算可得出海伦与沈阳试验之间、
沈阳与桃源试验之间气候热量与主要施肥制度进步
对作物净增产量 (t·hm - 2·yr - 1)的交互影响如下 :
　　　　　　CK→C 　CK→NP 　CK→NP + C
海伦 →沈阳 　　0. 69 　　0. 51 　　0. 76
沈阳 →桃源 　　2. 11 　　0. 84 　　1. 88
　　沈阳与桃源间的施肥2热量交互影响远大于海
伦与沈阳之间 ,想必是由于沈阳、桃源之间的热量差
异大于海伦、沈阳之间热量差异的缘故 ;而有机肥与
气候热量之间的交互影响大于化肥则可解释为 ,气
候热量不仅可影响作物的养分利用 ,而且还影响有
机肥中养分的矿化分解速率.
　　当气候热量成为限制因素时 ,热量不足可降低
农业中施肥的增产效益和施肥在产量形成中的贡献
率 ;反之 ,气候热量条件的改善则可提高施肥的增产
效益 ,从而提高施肥在产量形成中的贡献率. 在本项
研究中 ,施肥进步与热量增长之间存在着 (对作物产
量)正交互影响便是很好的说明.
4 　结 　　语
　　采用试验模拟方法研究我国施肥制度进步对粮
食生产发展的贡献并估算施肥在作物产量形成中的
贡献率可直接排除其他农业技术、尤其作物品种更
换引起的干扰. 根据本项实验结果 ,按供试作物品种
的产量潜力 ,在最佳施肥条件下 ,我国东部湿润地区
施肥在作物产量形成中的最大贡献率为 0. 31～
0. 42 ,随地区气候的热量而不同 ,以北低而南高. 在
实际生产中 ,由于时常不能做到充分、全面地施肥 ,
作物产量中的施肥贡献率有可能低于此数. 农业生
产技术条件的进一步改善和作物育种的突破性进步
将大幅度提高作物对肥料的利用效率 ,于是施肥在
作物产量形成中的贡献份额也将发生明显改变.
参考文献
1　Shen S2M (沈善敏) . 1984. The long2term experiment in foreign
country. Chin J Soil Sci (土壤通报) , (2) :85～90 (in Chinese)
2 　Shen S2M (沈善敏) . 1985. The strategy of phosphorus production
and application in China (2) . Chin J Soil Sci (土壤通报) ,16 (4) :
145～151 (in Chinese)
3 　Shen S2M ( (沈善敏) , Yin X2Y(殷秀岩) , Yu W2T (宇万太) , et
al . 1998. Geographic differentiation of yield2increase efficiency
caused by recycled nutrients in agro2ecosystems. Chin J A ppl Ecol
(应用生态学报) ,9 (4) :379～385 (in Chinese)
4 　Shen S2M ( (沈善敏) , Yu W2T (宇万太) ,Chen Xin (陈 　欣) , et
al . 1998. Contribution of fertilization development in yield produc2
tion and its geographic differentiation. Chin J A ppl Ecol (应用生态
学报) ,9 (4) :386～390 (in Chinese)
5 　Shen S2M (沈善敏) . 1998. The policy of soil fertility management
in Chinese for sustainable agricultural development . In : Fertility of
Chinese Soil. Beijing : China Agricultural Press. 450～484 (in Chi2
nese)
6 　Zeng X2K(曾宪坤) . 1995. Situation and outlook of fertilizer indus2
try in China. Acta Pedol S in (土壤学报) , 32 ( 2) : 117～125 (in
Chinese)
7 　Zhang L (张　璐) ,Lian H2Z (廉鸿志) , Yu W2T(宇万太) , et al .
1998. Yield2increase efficiency of using recycled nutrients in agro2e2
cosystems. Chin J A ppl Ecol (应用生态学报) ,9 (1) :37～40 (in
Chinese)
作者简介 　宇万太 ,男 ,1964 年出生 ,研究员 ,主要从事农业
生态系统养分循环和土壤肥力管理方面的研究 ,现已发表论
文 40 余篇. E2mail :wtyu @iae. ac. cn
8581 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷