世界农业发展的实践已经证实，化肥作为重要的农业生产资料在促进农业发展和粮食生产中起了不可替代的作用。据联合国粮农组织估计，未来80%的粮食增产都来源于肥料施用及其利用率的提高，化肥也为中国粮食增产做出了50%左右的贡献^[1]。如果没有化肥，中国将有近10亿人处于饥饿状态^[2]。然而，在保障粮食安全的同时，化肥的过量、盲目施用也带来了一系列问题，如水体富营养化、温室气体排放以及土壤酸化和板结等^[3]，这类问题不利于农业和生态系统的可持续发展。

美国是世界最大的农业国之一，也是世界粮食生产大国^[4]，其中化学肥料的施用起到重要作用^[5]，然而，因其完善的化肥施用政策体系以及机械化、测土配方施肥和精准施肥等先进施肥技术的应用，美国化肥施用量明显低于中国，但化肥利用效率却高于中国。

本文主要比较研究了改革开放以来中美两国肥料施用量以及主要粮食作物施肥强度和产量情况，在此基础上，对中美化肥施用政策和施用技术进行分析讨论，从而为中国化肥零增长行动方案提供数据支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

美国耕地面积、全国化肥年施用量、各种类化肥年施用量、作物施肥强度（1978～2016年）及单产（1995～2018年）等相关数据来源于美国农业部（USDA）、美国农业经济局（ERS of USDA） 和美国国家农业统计局（NASS）官网^[6-7]。

中国耕地面积、全国化肥年施用量、各种类化肥年施用量（1978～2016年）、作物施肥强度及单产（1995～2018年）等相关数据来源于《中国统计年鉴》（1978～2018年）、农业农村部官方网站和《全国农产品成本收益资料汇编》^[8-10]。

世界化肥施用量数据来源于FAO统计数据^[11]。

1.2 参数计算

文中所表述肥料施用量除标明实物量外均表示纯养分（N+P₂O₅+K₂O）。由于复合肥中氮、磷、钾各自含量未知，对于氮肥、磷肥、钾肥的计算采用张智峰^[12]提出的复合肥养分比例进行计算，即中国复合肥中氮磷钾养分配比接近15-15-15。利用该配比计算复合肥中氮、磷、钾含量，进而得到各种类化肥总施用量。

化肥产出率是指单位化肥投入所产出的农产品产量，可以一定程度上表征化肥利用效率^[13]。

$\text{单位面积耕地化肥施用量}=\frac{\text{化肥施用总量}}{\text{耕地面积}}$

$\text{化肥产出率}=\frac{\text{单产}}{\text{施肥强度}}$

其中：施肥强度指实际生产过程中各种类作物单位播种面积化肥施用量。

1.3 数据统计分析

采用Excel 2016进行数据的统计分析和图表制作。

2 结果与分析

2.1 中美化肥施用量和单位面积耕地施用量比较分析

2.1.1 中美化肥施用总量和单位面积耕地施用量比较分析

如图1所示，自1978年以来，中国化肥施用总量不断上升。1978～2018年，中国化肥施用总量可大致分为3个阶段，即快速上升期（1978～1999年）、稳定增长期（2000～2015年）、平缓下降期（2016～2018年）。在快速上升阶段，中国化肥施用总量迅速增长，1999年中国化肥施用总量已达4124.3×10⁴ t，平均每年增长17.5%，年均增长量为154.3×10⁴ t；在稳定增长阶段，中国化肥施用总量增长速度稍缓，2015年突破6000×10⁴ t，相较于2000年，年均增长3%，年均增长量为125.1×10⁴ t，相较于1978年增长了5.8倍，数量上增长了5138.6×10⁴ t，是同年美国化肥施用总量的2.7倍；在平缓下降阶段，自2016年开始中国化肥施用总量实现3年连降，平均降幅2.04%，提前达到了农业农村部关于2020年化肥施用零增长的目标。

中国化肥单位面积耕地施用量增长趋势与化肥施用总量大致相同，2015年达到峰值446kg/hm²，较1978年增长了4.06倍，接近国际公认化肥施用量上限（225kg/hm²）的两倍^[14]，是2012年美国化肥单位面积耕地施用量的3.14倍；1978年以来，美国化肥单位面积耕地施用量呈现缓慢增长的趋势，2012年为142kg/hm²，相较于1978年仅增长了38%。

2.1.2 中美氮、磷、钾肥料施用量比较分析

中美氮肥施用量变化趋势与化肥施用总量变化趋势相似（图1，2），但中国氮肥施用量在1982年即超过美国，至1998年，增长速度放缓，至2014年达到峰值3098.2×10⁴ t，相较于1980年增长了2.3倍，是同年美国氮肥施用量的2.5倍；美国氮肥施用量长期以来较为稳定，在1100×10⁴ t左右。

图2 显示，中国磷肥施用量前期增长较慢，至1986年施用量与美国持平，后增长速度加快，逐渐高于美国，于2015年达到峰值1568.3×10⁴ t，相较于1980年增长了4.5倍，是同年美国磷肥施用量的4.05倍；美国磷肥施用量呈现先缓慢下降后逐渐稳定的趋势。1979年，美国磷肥施用量为508.6×10⁴ t，在20世纪80年代中后期达到稳定状态，之后年施用量保持在430×10⁴ t左右。

中美钾肥年施用量变化趋势与氮肥和磷肥不同 （图2）。图2显示，长期以来，中国钾肥施用量低于美国，在改革开放初期，钾肥施用量增长较慢， 1986年后增长速度加快。1995年，中国钾肥施用量与美国持平，并于2016年达到峰值1376.2×10⁴ t，相较于20世纪80年代初增长了17.5倍，数量上增长了1328.9×10⁴ t，是同年美国钾肥施用量的1.22倍；美国钾肥施用量变化趋势与其磷肥施用量类似 （图2），都是呈现先缓慢下降（1978～1988年），后逐渐稳定（1989～2015年）的趋势，1979年，美国钾肥施用量为560×10⁴ t左右，稳定后施用量在（430～450）×10⁴ t左右。

2.1.3 中美氮、磷、钾施用比例比较分析

氮、磷、钾肥的施用比例与农业发展有密切关系，合理的比例有利于养分最大程度的释放和土壤生产潜力的开发，减少养分损失，为农业生产创造良好条件^[15]，相反则会对农产品质量和土壤健康状态造成影响。

从表1可知，从1980年到2016年，中国磷肥和钾肥施用比例波动升高，磷肥施用比例由0.30增长到0.51（氮肥施用比例为1，下同），钾肥施用比例从0.05增长到0.45。有研究表明，中国适宜的氮、磷、钾肥施用比例应控制在1∶（0.40～0.45）∶ （0.40～0.50）^[16]。自1999年开始，中国磷肥施用比例已达到此范围，在2007年以后超出此范围，中国钾肥施用比例在2010年达到此范围且到2016年为止处于合理比例。1980～2016年，美国磷肥施用比例和钾肥施用比例呈现波动降低的趋势，磷肥施用比例从0.48降低到0.36，而钾肥施用比例从0.55降低到0.36。世界磷肥施用比例从1980年开始呈现缓慢波动降低后逐渐稳定的趋势，而钾肥施用比例先波动降低后波动升高。世界磷肥施用比例从1980年的0.52降低到1992年的0.42，之后稳定在0.40左右，而钾肥施用比例从1980年的0.40降低到1999年的0.26，后又逐渐升高到2014年的0.35。

2.2 中美主要粮食作物化肥产出率比较分析

2.2.1 小麦

中国小麦施肥强度和单产均高于美国，分别是美国的1.8和1.6倍，但化肥产出率却只有美国的89.3%（表2）。中国小麦施肥强度和单产自1995年开始波动上升，2018年中国小麦施肥强度相较于1995年增加了79%（增施181.7kg/hm²），但小麦单产只增加了53%（增产1875kg/hm²）；美国小麦施肥强度较为稳定，为（181.06±17.47）kg/hm²，但其单产有缓慢波动上升的趋势，与1995年相比，单产增长了33%（增产793.2kg/hm²）。中国和美国的小麦化肥产出率分别为（13.14±1.19）和（15.61±2.28） kg/kg。

2.2.2 玉米

中国玉米施肥强度略高于美国，年平均值高11.65kg/hm²，但单产和化肥产出率却远低于美国，仅为美国的57.2%和57.3%（表2）。中国玉米施肥强度和单产自1995年逐渐增长，2018年中国玉米施肥强度相较于1995年增长了43.2%（增施112.3kg/hm²），但玉米单产只增长了24.1%（增产1187.3kg/hm²）；美国玉米施肥强度和单产也逐渐增长， 2018年，美国玉米施肥强度相较于1995年增长了15.5%（增施46kg/hm²），单产却增长了55.4%（增产3946.0kg/hm²）。自2000年，中国玉米化肥产出率呈现先上升后下降的趋势，但幅度均较小，整体处于15～18kg/kg的范围内，为（16.61±1.29） kg/kg；美国玉米化肥产出率集中在28～32kg/kg，为（29.01±3.29）kg/kg。

注：—表示未搜集到相关数据。

2.2.3 水稻

中国水稻施肥强度略低于美国，年平均值低11.1kg/hm²，单产和化肥产出率也低于美国，分别是美国的83.6%和82.55%（ 表2）。中国水稻施肥强度和单产自1995年开始呈缓慢上升的趋势，2018年，中国水稻施肥强度相较于1995年增长了14.47%（增施42.75kg/hm²），单产增长了16.63%（增产1001.9kg/hm²）。美国水稻单产呈现增长趋势，2018年美国水稻单产相较于1995年增长了39.12%（增产1268.5kg/hm²）。美国水稻化肥施用强度为（335.45±2.20）kg/hm²。中国水稻化肥产出率变化趋势不明显，处于19～21kg/kg范围内，为（20.12±1.70）kg/kg；美国水稻化肥产出率为（24.4±1.5）kg/kg。

综上，中国三大粮食作物中，小麦的施肥强度最高，玉米和水稻持平；作物单产水平和化肥产出率大小顺序均为水稻> 玉米> 小麦；美国施肥强度为水稻> 玉米> 小麦；单产水平和化肥产出率均为玉米> 水稻> 小麦。与美国相比，除中国小麦化肥产出率与之相差不大外，玉米和水稻均小于美国。说明中国三大粮食作物化肥利用率相较于美国还有一定差距。

2.3 中美有机肥施用比较分析

20 世纪50 年代，有机肥几乎是补充中国农田养分的唯一来源。然而，随着化肥的大量施用，有机肥施用量和施用面积逐渐下降^[17]。中国有机肥资源非常丰富，实物总量约（46.5±6.1）×10⁸ t，大约可提供（7405±879）×10⁴ t养分，远高于当年化肥所提供的养分（表3）。此外，中国商品有机肥生产厂家有2283 家，每年可生产3483×10⁴ t有机肥^[18]，但实际上中国施用于农田的有机肥比例很少。根据农业农村部农技推广中心的数据，20 世纪50 年代，中国有机肥在肥料总投入量中的比例达到90%以上，然后逐渐降低至20 世纪80 年代末的40%^[19]，2000 年的30.6%^[20]，甚至更低^[21]。有研究表明，2005 年，投入农田使用的有机养分只占有机肥资源总量的34%，占农田养分投入的30%^[22]。

注：“—”代表未搜集到相关数据；中美化肥产出率比值=美国化肥产出率/中国化肥产出率

美国有机肥资源也十分丰富，尤其是畜禽粪便。1982～2007年美国畜禽粪便年均产量（湿基）在120×10⁸ t左右。2007和2012年美国畜禽粪便产量分别为131.1×10⁸ 和123.0×10⁸ t，可提供氮素782.6×10⁴ 和733.4×10⁴ t，磷素222.6×10⁴ 和205.4×10⁴ t，其中还田利用的比例为39.2%和43.3%^[23-24]。

注：“—”代表未搜集到相关数据；比率=总养分/当年化学养分。

3 讨论

3.1 中国化肥施用量大、利用率低

自1993年以后，中国一直是世界第一化肥消费大国，化肥消费量占世界化肥消费量的比重逐渐增加，在2002、2005、2010年分别达到30.7%、 32.0%、34.0%^[2，28]，而相应年份美国化肥消费量占世界化肥消费量的比重逐渐降低，分别为13.6%、12.7%、10.7%^[11]。中国化肥施用量大的同时还存在利用率低的问题。有研究总结中国728个田间试验后得出，中国三大粮食作物氮肥利用率为28%～41%^[29]。陈同斌等^[15]认为中国化肥利用率集中在13%～35%之间，且存在区域分异，施肥量越高，化肥利用率越低。随着中国化肥零增长行动方案的实施，近年来中国主要粮食作物化肥利用率逐渐升高，2013、2015和2017年分别达到33%、35.2%和37.8%^[30-31]。一般认为，中国氮肥利用率为30%～35%，磷肥为10%～20%，钾肥为35%～50%，而美国等发达国家的氮肥当季利用率为45%～50%^[32]，远高于中国。

3.2 中国化肥施用量大、效率低的原因分析

3.2.1 化肥施用技术水平低

大量研究表明，测土配方施肥、机械化施肥、有机肥替代化肥等高效施肥模式能够提高化肥利用效率，降低环境风险^[33]。中国测土配方施肥以及精准农业发展较晚，但发展速度较快，目前测土配方施肥覆盖率已达68%^[34]，已经使1/3的农户施肥趋于合理水平^[35]；但精准农业发展水平还很低，面临着机械化发展水平低、农业信息技术发展慢、技术人才缺乏等问题。中国有机肥资源丰富，每年可产秸秆约7×10⁸ t，畜禽粪便33×10⁸ t，绿肥1×10⁸ t（表3），替代化肥潜力巨大。有研究表明，如果将畜禽粪便全部还田，不同地区氮、磷、钾肥料可分别节省37.8%～115.2%、61.9%～230.7%、 64.1%～229.1%^[35]，如果全部用于果菜茶生产中，可替代78%的化肥^[36]。但有机肥资源利用效率较低，还存在秸秆还田机械化作业质量不高、秸秆焚烧现象屡禁不止^[37]、畜禽粪便产业化水平低和绿肥种植面积小等问题^[20]。

美国农田化肥施用机械化程度高，测土配方以及精准农业等技术措施的发展也推动了美国养分管理的迅速升级。美国依托于测土配方的平衡施肥方法覆盖率已达80%以上，几乎每个州立大学和部分商业实验室都提供土壤测定服务，并制定施肥方法，指导农民施肥^[5，38]。近年来，随着3S技术和产量监控器等管理工具的发展，精准农业迅速发展，在美国规模化种植的农场中覆盖率为60%～70%^[39]。精准农业可以根据土壤和作物生长情况精准变量施肥，以最大限度满足作物需求，减少养分损失，提高肥料利用率、产品质量和农业的综合竞争力^[40]。

3.2.2 化肥施用政策起步晚，管理机制不完善

中国早先受“高投入高产出”、“施肥越多，产量就越高”、“要高产就必须多施肥”等传统观念的影响，农户大量施用化肥，造成了一系列环境问题^[41]，但并未得到足够重视。直到近年来，中国才相继出台了一系列政策，如2006年制定发布了《测土配方施肥技术规程》，2015年原农业部出台了《到2020年化肥施用量零增长行动方案》， 2017年启动实施“果菜茶有机肥替代化肥行动” 等以期解决上述问题；自2016年，中国化肥施用量已经实现三连降，说明这些措施已经取得初步成效。但这些政策还都处于倡导性建议层面，缺乏强制力，而且化肥施用相关管理机制也不完善。

以美国为代表的发达国家和地区农业集约化程度高、产业化起步早，化肥过量使用所带来的问题也暴露较早，因此也更早制定出相应的化肥管理政策。美国控制化肥施用量最主要依托的是最佳营养管理政策BMPs（Best management practices）^[42]。该政策旨在降低农业面源污染，其中最直接应用于化肥减量的手段是养分管理，通过休耕、轮耕或者控制化肥使用类型和施用量来降低土壤中化学养分^[43]。美国国家环境保护部和农业部的联合评估报告显示，1990年美国农业面源污染占农业总污染的66%～83%，而到了2014年，这一比例降至20%^[42]，取得了巨大成效。此外，美国肥料研究所提倡4R养分管理理念来指导农民进行养分管理，即正确的肥料品种（Right source）、正确的施肥量 （Right rate）、正确的施肥时间（Right time）、正确的位置（Right place），该理念的应用可以通过减少化肥施用量和更好的精准施肥技术来降低成本和提高产量，并降低过度养分投入对环境造成的不良影响^[44]。美国的化肥管理法还对农场主施肥行为进行引导和规制，对从化肥生产到施用全流程进行环境风险规避，注重平衡施肥，通过测土配方施肥以确保精准施肥、严控化肥污染^[14]。

4 结论

改革开放以来，中国化肥施用量增长迅速。 2015年中国化肥施用总量和化肥单位面积耕地施用量分别达到6022.6×10⁴ t和446.1kg/hm²，较1978年分别增长了5.8和4.0倍，是美国同期的2.7和3.14倍。目前，中国磷肥施用比例过高，钾肥处于合适比例。中国三大粮食作物化肥产出率除了小麦与美国基本相当，玉米和水稻均小于美国。我国化肥施用量大且利用效率低的重要原因是化肥施用技术水平低、政策发展起步晚、发展较慢等。应尽快完善相关政策体系，大力发展农业新技术，以达到减肥增效的目的。

参考文献