施肥增产对农业开采量影响特征与机制

粮食生产是以作物-生态环境-人类活动为基本结构的开放系统，粮食产量在近50年时间内不断增加，除受到光、热、种子改良、精耕细作、技术投入增加的原因外，还受到灌溉保障程度的增加以及化肥施用量增加的重要影响（单薇，1991）。尤其在近30年时间内，灌溉保障程度已较高，其他引起农田增产的因素变化也基本不大，化肥施用量增加成为提高粮食单产的至关重要的因素，也是粮食产量增加的主要驱动因素（杜群，2008；谢迎新，2009；张瑞华，2007）。因此，研究农田单位产量耗水的变化趋势及化肥施用量增加的影响作用，不仅对正确制定农田粮食增产发展策略，还对于区域地下水合理利用和调控都具有重要的意义（王建生，1999）。

6.2.4.1 施肥增产对农业开采强度演变影响机理

假设研究区某年粮食产量为W，而生产W粮食产量耗用地下水开采量记为Q，投入的化肥施用量（折纯量）记为N，即

华北典型平原区农业活动对地下水影响研究

在农用地下水开采量保持不变的情况下，增加一定程度的化肥施用量，记为ΔN，则粮食产量会增加，增加量记为ΔW，即

华北典型平原区农业活动对地下水影响研究

在用单位产量耗用地下水开采强度作为衡量地下水耗水强度的指标时，由于

，即认为单位粮食产量所消耗的地下水强度变小。在这种情况下，地下水农用开采量并没有减小，只是因为化肥施用量的增加使粮食产量增加，与人们的节水意识关系不大。在进入21世纪之前，地下水农用开采量总体呈增加的趋势，而单位产量耗用地下水强度呈减小趋势，在这一过程中，化肥施用量的增加起到了至关重要的作用，所以区分化肥在单位粮食产量耗用地下水强度变化过程中的作用，并分析其潜力对认识农业开采量随粮食产量的变化规律具有重要意义。

石家庄平原区在近30年时间内化肥施用量不断增加，从20世纪70年代平均总量8.18×104t，单位面积施肥量0.17t/hm2，分别增长到2000～2005年期间平均的34.54×104t和0.71t/hm2，分别是20世纪70年代平均值的4.22倍和4.18倍。随着化肥施用量增加，小麦玉米产量迅速提高，平均单产水平增长到原来的2.18倍。

从化肥施用量与小麦玉米平均单位产量关系图（图6.24）可见，小麦玉米平均单产（P）与单位面积上化肥施用量（W化）之间呈抛物线形变化，关系式为P＝0.791＋17.319W化-

（0＜x＜0.761），两者关系密切，样本判定系数R2达到0.91。在1996年之前，单产随单位面积上化肥施用量增加而增大的趋势明显；在1996年之后，单产随化肥施用量增加的幅度较平缓，基本维持在同一水平上。从二者的关系式分析，当化肥施用量为0.76t/hm2时，小麦玉米单产达到最大值，为7.38t/hm2。

图6.24 近30年施用化肥对小麦玉米平均单产的影响

Fig.6.24 Influence of fertilizer application on wheat and maize unit production for recent 30 years

6.2.4.2 施肥增产引起耗水量变化估算方法

石家庄平原区近30年来化肥施用量的增加大大提高了小麦玉米的单产水平，从而使总产量相对于不施用化肥时有明显的提高，即化肥施用量增加在小麦玉米平均单位产量耗水强度减小过程中起着重要的作用。为评估这种作用，可用下列公式进行估算。

（1）耗水强度变化引起的节水量估算

华北典型平原区农业活动对地下水影响研究

式中，Ii为i年/年代平均单位产量耗用地下水强度（m3/kg）；Qi为i年/年代农田灌溉地下水开采量（×108m3）；Wi为i年/年代小麦玉米总产量（×104t）。

因此，耗水强度变化引起的节水量可用下式计算：

ΔQj，i＝（Ii-Ij）×Wj（j＞i）　　6.4

式中，ΔQj，i为相对于第i年/年代的单位产量耗水强度，第j年/年代节约用水量（×108m3）；Ii、Ij分别为i年/年代和j年/年代的单位产量耗用地下水强度（m3/kg）；Wj为j年/年代的小麦玉米总产量（×104t）。

（2）施肥增加引起的节水量估算。

施用化肥量增加对地下水开采量的影响主要是通过影响粮食产量实现的，所以清楚认识单位面积化肥施用量和单位面积粮食产量之间的关系是关键步骤。在计算化肥施用量增加引起的节水量时，耗水强度可通过下列公式计算得出：

W′i＝Pi×Si＝f(Wi化)×Si　　6.5

华北典型平原区农业活动对地下水影响研究

式中，W′i为利用化肥施用量模拟的i年/年代小麦玉米总产量（×104t）；Pi为利用化肥施用量模拟的i年/年代小麦玉米平均单位产量（t/hm2）；Si为第i年/年代小麦玉米总种植面积（×104hm2）；f（Wi化）为研究区小麦玉米单位产量和单位面积化肥施用量的关系式，本书中为0.791＋17.319Wi化-11.383

（图6.24），其中Wi化为i年/年代单位面积上化肥施用量（t/hm2）；I′i为利用化肥施用量模拟的i年/年代的地下水耗水强度（m3/kg）；其他符号意义同前。

石家庄平原区近30年来化肥施用量不断增加，如以第i年/年代平均种植面积上化肥施用量水平作为参照，则第j（j ＞ i）年/年代由于施用化肥量增加引起的节水量可用下列公式进行计算：

华北典型平原区农业活动对地下水影响研究

华北典型平原区农业活动对地下水影响研究

式中，Qj为j年/年代农田灌溉地下水开采量（×108m3）；W′j，i为在第i年/年代的施肥水平下，j年/年代的小麦玉米模拟产量（×104t）；I′j，i为在第i年/年代的施肥水平下，第j年/年代模拟的单位产量耗水强度（m3/kg）；ΔQ′j，i以第i年/年代的施肥水平为参照，j年/年代由于化肥施用量增加引起的地下水开采减小量（×108m3）；其他符号意义同前。

从耗水强度引起的节水量计算公式及施用化肥引起的节水量计算公式分析，前者是第j年/年代相对于第i年/年代的节水量；而后者是不增加化肥施用量（相当于第i年/年代的施肥水平）而达到第j年/年代的粮食产量时，需要多耗用的地下水开采量。

为便于计算，绘制了石家庄平原区在小麦玉米平均单位产量变化情况下，地下水耗水强度的变化曲线，如图6.25所示。由给定的化肥施用量，可根据图6.24的关系式计算出小麦玉米平均单产水平，然后由图6.25的关系式计算出单产耗水强度。

图6.25 小麦玉米单产和单产耗水量年际关系曲线

Fig.6.25 Relationship curve of wheat and maize unit production and groundwater consumption per kilogram

从图6.25可以看出，两者的相关程度很高，呈抛物线变化，关系式为y＝4.1842-0.9461x＋0.06454x2（R2＝0.910794）。

6.2.4.3 施肥增产对农业耗水量影响状况

（1）年际影响状况

1973年，小麦玉米平均单产为2.48t/hm2，单位种植面积上化肥施用量为0.12t/hm2，单位小麦玉米产量耗水强度为2.08m3/kg，如表6.4所示。随着农业技术投入的增加，单位面积上化肥施用量不断增大，单产增加，单位产量耗水强度呈现不断减小趋势。到2005年，单位种植面积上化肥施用量增至0.72t/hm2，单产增至7.36t/hm2，与1973年相比，分别增加了500%和197%，单位小麦玉米产量耗水强度下降为0.66m3/kg，仅相当于1973年水平的31.73%。

表6.4 不同年份小麦玉米实际单产及耗用地下水强度与模拟值对比

进入21世纪后，化肥施用量变化很小，介于（34.00～34.95）×104t之间，单位粮食种植面积上化肥施用量平均为0.72t/hm2；单产也相对稳定，平均为7.25t/hm2，基本接近最大值7.38t/hm2。如按2005年的种植结构，继续增加单位面积化肥施用量使之达到0.76t/hm2（化肥施用总量增加2.09×104t），则小麦玉米单产达到最大值7.38t/hm2，总产量将增加5.70×104t，比2000～2005年间平均产量仅增加1.84%。如果不增加化肥施用量，按现在的单产耗水强度，增加5.70×104t的小麦玉米产量需要多耗用地下水0.44×108m3。即在现在的种植结构下只增加化肥施用量2.09×104t，可实现粮食增产5.70×104t，而不需要多灌溉地下水，按现在的耗水强度相当于节水0.44×108m3。

（2）年代影响状况

从化肥对小麦玉米平均单产的影响作用（图6.24）及产量与农用地下水开采量的关系（图6.20、图6.21）综合分析可知，一方面，研究区近30年来化肥施用量的增加使小麦玉米总产量增大，小麦玉米总产量增大驱动农业地下水开采量增加；另一方面，化肥施用量的增加使小麦玉米总产量增加的幅度远远大于地下水开采量增加的幅度（表6.2），从而使小麦玉米平均单位产量耗用地下水强度呈现不断减小趋势。

以1973～1979年小麦玉米平均单产耗水强度1.82m3/kg作为背景值，利用公式6.4计算出20世纪80年代、90年代，及2000～2005年间的农用开采量平均值分别为36.16×108m3、56.17×108m3和56.37×108m3，与实际开采量相比，分别节约了14.29×108m3、32.93×108m3和34.02×108m3，如表6.5所示。

表6.5中的节约水量中包括化肥施用量不断增加的影响作用。20世纪80年代，单位粮食种植面积上化肥施用量为0.31t/hm2，比20世纪70年代增加了86.1%，由于化肥施用量增加引起小麦玉米单产增加1.13t/hm2（图6.24、表6.6）。如按20世纪70年代的0.17t/hm2的化肥施用量，则20世纪80年代小麦玉米平均单产为3.64t/hm2，单位产量耗水强度为1.60m3/kg，达到199.0×104t的小麦玉米生产总量，需要多耗用地下水约10.60×108m3。进入20世纪90年代，单位粮食种植面积上化肥施用量为0.49t/hm2，由于化肥施用量增加引起小麦玉米单产增加1.55t/hm2。按20世纪80年代0.31t/hm2化肥施用量，则小麦玉米平均单产为5.14t/hm2，达到20世纪90年代的实际生产规模，需要多耗用地下水7.18×108m3。2000～2005年期间，单位种植面积上化肥施用量明显增加，达到0.72t/hm2，由于化肥施用量增加引起小麦玉米单产增加0.77t/hm2。按20世纪90年代0.49t/hm2化肥施用量，则小麦玉米平均单产为6.47t/hm2，单位产量耗水强度为0.76m3/kg，达到2000～2005年间的小麦玉米总产量，需要多耗用地下水2.69×108m3。如果以1973～1979年间单位面积化肥施用量0.17t/hm2计算，则20世纪80年代、90年代、2000～2005年间分别需多耗地下水10.60×108m3、22.89×108m3和26.50×108m3，如表6.6、图6.26所示。

表6.5 1973～1979年耗水强度下各年代的虚拟耗水量及节约水量

表6.6 1973～1979年施肥水平下各年代节约水量

从图6.26可知，相对于1973～1979年的小麦玉米平均单产耗水强度，20世纪80年代、90年代及2000～2005年间节约水量分别为14.29×108m3、32.93×108m3和34.02×108m3；在这些节约的水量当中，由于化肥施用量增加引起的节约水量分别为10.60×108m3、22.89×108m3和26.50×108m3，占各年代平均节约水量的比重分别为74.18%、69.51%和77.90%。可见，近30来化肥施用量的增加是促使农田粮食增产和耗水强度减小的主要原因，影响作用在节约水量中占绝对比重。

图6.26 在1973～1979年间耗水强度及施肥水平下各年代相对节约水量

Fig.6.26 Groundwater saving in different decades based on groundwater consumption level andfertilizer application level of the period from 1973 to 1979

6.2.4.4 施肥增产对农业开采量影响演变趋势

从图6.24可知，小麦玉米平均单产与单位面积上化肥施用量之间呈抛物线形变化，关系式为y＝0.791＋17.319x-11.383x2（0＜x＜0.761）（R2＝0.91），当单位面积上化肥施用量为0.76t/hm2时，小麦玉米单产达到最大值，为7.38t/hm2。

由于2000～2005年间，化肥施用量波动很小，介于（34.00～34.95）×104t之间，单位种植面积上化肥施用量平均为0.72t/hm2；单产也相对稳定，平均为7.25t/hm2，基本接近理想最大单产水平7.38t/hm2。如按2005年的种植结构，继续增加化肥施用量使之达到0.76t/hm2（化肥施用总量增加1.95×104t），则小麦玉米平均单产达到7.38t/hm2，总产量将增加5.68×104t，比2000～2005年间平均产量增幅仅为1.84%。按照2000～2005年间小麦玉米耗用地下水强度0.72m3/kg计算，如果不通过增加化肥施用量而实现小麦玉米总产量增加5.68×104t，需多耗用地下水0.41×108m3。

因此，在现状种植结构、作物品种及化肥利用效率等条件保持不变的情况下，继续提高单位种植面积化肥施用量来提高单产水平，从而使地下水耗水强度减小的潜力不大。