河北平原冬小麥、夏玉米農(nóng)田基礎(chǔ)產(chǎn)量和地力貢獻率分析

孫彥銘,黃少輝,楊振立,劉克桐,楊云馬,楊軍芳,賈良良*

(1.河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所，河北 石家莊 050051；2.河北省農(nóng)林科學(xué)院，河北 石家莊 050000；3.河北省土壤肥料工作站，河北 石家莊 050021)

土壤肥力與作物產(chǎn)量密切相關(guān)，而基礎(chǔ)產(chǎn)量是衡量土壤基礎(chǔ)肥力的重要指標(biāo)，根據(jù)基礎(chǔ)地力水平可確定適宜的施肥水平，在生產(chǎn)上也有基于土壤基礎(chǔ)肥力(基礎(chǔ)產(chǎn)量)的“以地定產(chǎn)”作物施肥推薦技術(shù)模式[1]。農(nóng)田基礎(chǔ)產(chǎn)量與作物可實現(xiàn)產(chǎn)量間通常都有明顯的相關(guān)關(guān)系[2-3]，因此在很多研究中被作為評價農(nóng)田土壤肥力狀況的重要指標(biāo)[4-5]，如湯勇華等[6]對我國主要糧食作物的基礎(chǔ)產(chǎn)量和地力貢獻率研究發(fā)現(xiàn)，華北和東北春玉米的平均基礎(chǔ)產(chǎn)量為3 430 kg/hm2，夏玉米地力貢獻率平均為51%；對寧夏平羅縣水稻的基礎(chǔ)產(chǎn)量和地力貢獻率的研究也發(fā)現(xiàn)，土壤基礎(chǔ)肥力對水稻產(chǎn)量的貢獻率與水稻土壤基礎(chǔ)產(chǎn)量呈正比[3,7]；貢付飛等[4]對長期定位試驗的研究發(fā)現(xiàn)，施肥顯著影響冬小麥的農(nóng)田基礎(chǔ)地力產(chǎn)量；而Fan等[8]在總結(jié)了全國7 410個田間試驗發(fā)現(xiàn)，中國主要糧食作物自1980 s至2010 s期間基礎(chǔ)產(chǎn)量呈增加態(tài)勢，且主要來源于土壤基礎(chǔ)生產(chǎn)力的提高。由此可見，分析和評價目前的農(nóng)田基礎(chǔ)生產(chǎn)力和地力貢獻率對于了解土壤生產(chǎn)力現(xiàn)狀，制定施肥與耕作管理技術(shù)方案都有指導(dǎo)作用，特別是在當(dāng)前國家提出“藏糧于地”戰(zhàn)略目標(biāo)的情況下，依據(jù)農(nóng)田基礎(chǔ)產(chǎn)量和地力貢獻率指導(dǎo)農(nóng)田土壤培肥目標(biāo)具有十分重要的意義。河北省小麥、玉米常年播種面積均超過267×104hm2[9]，不同地區(qū)間產(chǎn)量差異明顯[10]。本文擬通過對河北省不同地區(qū)小麥、玉米生產(chǎn)現(xiàn)狀進行分析與評價，定量化不同區(qū)域的農(nóng)田基礎(chǔ)產(chǎn)量和地力貢獻率，為進一步優(yōu)化農(nóng)田養(yǎng)分調(diào)控以降低環(huán)境風(fēng)險提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

以河北平原冬小麥、夏玉米主產(chǎn)區(qū)的保定、廊坊、石家莊、邢臺、邯鄲、衡水和滄州7個地區(qū)為研究區(qū)域，選取河北省測土配方施肥項目2011～2014年間在上述地區(qū)所做的894組冬小麥和952組夏玉米配方施肥示范試驗組成數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)集中包括每組試驗各處理的氮、磷、鉀肥施用量和產(chǎn)量等數(shù)據(jù)。配方施肥示范試驗共有3個處理，分別是不施肥、農(nóng)民習(xí)慣施肥和配方施肥，本研究只對不施肥和農(nóng)民習(xí)慣施肥處理進行了討論。各地區(qū)樣本分布如表1所示。

表1 河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)肥效試驗樣本分布

1.2 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007計算了各地區(qū)農(nóng)民習(xí)慣施肥處理的氮(N)、磷(P2O5)和鉀(K2O)肥施用量，并分析了不施肥處理和農(nóng)民習(xí)慣施肥處理的平均產(chǎn)量和施肥處理的肥料偏生產(chǎn)力，并計算了基礎(chǔ)地力貢獻率。農(nóng)田基礎(chǔ)地力貢獻率和肥料偏生產(chǎn)力計算公式如下：

農(nóng)田基礎(chǔ)地力貢獻率(%)

=基礎(chǔ)產(chǎn)量 / 施肥產(chǎn)量×100

(1)

氮(磷、鉀)肥偏生產(chǎn)力(PFP,kg/kg)

=施肥產(chǎn)量 / 氮肥(磷肥、鉀肥)施肥量

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 河北省不同地區(qū)小麥、玉米施肥量

河北省平原區(qū)小麥平均施氮、施磷、施鉀量分別為242、65、和45 kg/hm2，各地區(qū)施氮量差異不大，邢臺平均施氮量最高，為258 kg/hm2，廊坊平均施氮量最低，為185 kg/hm2；施磷量以保定和滄州最多，分別為111和101 kg/hm2，石家莊和衡水施磷量分別為16和25 kg/hm2；施鉀量以邢臺最高，為60 kg/hm2，石家莊最低，為23 kg/hm2。河北省平原區(qū)玉米平均施氮、施磷、施鉀量分別為234、59、61 kg/hm2，各地區(qū)施氮量差異明顯，最高的是邢臺，為270 kg/hm2，最低的是保定，平均為196 kg/hm2；施磷量以保定最高，為87 kg/hm2，石家莊最低，為20 kg/hm2；施鉀量以廊坊最高，為71 kg/hm2，石家莊最低，為45 kg/hm2。

表2 小麥、玉米農(nóng)民習(xí)慣氮磷鉀肥施用量 (kg/hm2)

2.2 河北省不同地區(qū)小麥、玉米產(chǎn)量現(xiàn)狀

河北省小麥基礎(chǔ)產(chǎn)量(不施肥產(chǎn)量)平均在4 509 kg/hm2，其中，石家莊地區(qū)最高，為5 044 kg/hm2，滄州地區(qū)最低，為3 538 kg/hm2。全省農(nóng)民習(xí)慣施肥的小麥平均產(chǎn)量為6 390 kg/hm2，其中，衡水地區(qū)最高，為7 418 kg/hm2，滄州地區(qū)最低，為5 654 kg/hm2。夏玉米基礎(chǔ)產(chǎn)量平均為5 979 kg/hm2，其中，石家莊地區(qū)最高，為6 424 kg/hm2，滄州地區(qū)最低，為4 444 kg/hm2。全省農(nóng)民習(xí)慣施肥夏玉米產(chǎn)量平均為7 905 kg/hm2，其中，石家莊地區(qū)最高，為8 444 kg/hm2，滄州地區(qū)最低，為7 168 kg/hm2。

表3 河北平原不同地區(qū)冬小麥和夏玉米產(chǎn)量 (kg/hm2)

2.3 河北省不同地區(qū)小麥、玉米養(yǎng)分效率

河北省小麥氮肥偏生產(chǎn)力平均為25.3 kg/kg，其中石家莊地區(qū)氮肥偏生產(chǎn)力最高，為30.1 kg/kg，滄州地區(qū)最低，為20.8 kg/kg；磷肥(P2O5)偏生產(chǎn)力平均為47.3 kg/kg，其中廊坊、衡水、保定、滄州地區(qū)高于50 kg/kg，邢臺地區(qū)最低，為15.6 kg/kg；鉀肥(K2O)偏生產(chǎn)力平均為102.9 kg/kg，石家莊地區(qū)最高，為133.0 kg/kg，其次是衡水為120.3 kg/kg，以廊坊地區(qū)最低，為81.7 kg/kg。

河北省夏玉米氮肥偏生產(chǎn)力平均為39.9 kg/kg，以廊坊地區(qū)最高,為52.8 kg/kg，邢臺地區(qū)最低,為34.5 kg/kg；磷肥(P2O5)偏生產(chǎn)力平均為115.2 kg/kg，以衡水和石家莊最高,分別為179.1和175.7 kg/kg，以滄州地區(qū)最低,為73.8 kg/kg；鉀肥(K2O)偏生產(chǎn)力全省平均為136.0 kg/kg，以石家莊和衡水最高,分別為198.8 和182.4 kg/kg，以滄州和邯鄲最低,分別為94.8和96.9 kg/kg。

表4 小麥、玉米農(nóng)民習(xí)慣施肥偏生產(chǎn)力 (kg/kg)

2.4 河北省不同地區(qū)冬小麥、夏玉米農(nóng)田地力貢獻率

河北省不同地區(qū)農(nóng)田土壤肥力對小麥、玉米產(chǎn)量的貢獻率如表5所示。河北省小麥平均農(nóng)田地力貢獻率為70.6%，以保定地區(qū)的土壤肥力貢獻率最高，為78.3%，衡水地區(qū)的地力貢獻率最低，為65.1%。玉米平均地力貢獻率為71.6%，以邢臺地區(qū)最高，為79.6%，以滄州地區(qū)最低，為62.2%。總體來看，滄州和衡水、邯鄲地區(qū)的基礎(chǔ)產(chǎn)量貢獻率低于石家莊、邢臺和廊坊，這可能與上述地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和土壤基礎(chǔ)肥力低有關(guān)。

表5 河北省不同地區(qū)冬小麥、夏玉米產(chǎn)量農(nóng)田基礎(chǔ)地力貢獻率 (%)

2.5 河北省冬小麥、夏玉米基礎(chǔ)產(chǎn)量與地力貢獻率的相關(guān)分析

對基礎(chǔ)產(chǎn)量與施肥產(chǎn)量的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)產(chǎn)量與施肥產(chǎn)量之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，隨著小麥、玉米基礎(chǔ)產(chǎn)量的提高，施肥產(chǎn)量呈明顯的增加趨勢(圖1)。另外，從不同基礎(chǔ)產(chǎn)量水平下的地力貢獻率來看(圖2)，隨著基礎(chǔ)產(chǎn)量水平的提高，地力貢獻率呈顯著的增加趨勢。小麥基礎(chǔ)產(chǎn)量在<3 000、3 000～4 000、4 000～5 000、5 000～6 000和>6 000 kg/hm2產(chǎn)量水平的地力貢獻率分別為54.4%、59.5%、71.1%、80.4%和84.9%。玉米基礎(chǔ)產(chǎn)量在<4 500、4 500～6 000、6 000～7 500、7 500～9 000和>9 000 kg/hm2產(chǎn)量水平的地力貢獻率分別為53.6%、66.0%、74.4%、81.9%和87.8%。由此可見，基礎(chǔ)產(chǎn)量對小麥、玉米的高產(chǎn)有重要的影響。

圖1 河北省冬小麥、夏玉米基礎(chǔ)產(chǎn)量與施肥產(chǎn)量的關(guān)系

圖2 河北省冬小麥、夏玉米基礎(chǔ)產(chǎn)量與地力貢獻率的關(guān)系

3 討論

河北省小麥、玉米農(nóng)民習(xí)慣施肥的施氮量偏高，小麥平均為242 kg/hm2，玉米平均為234 kg/hm2，明顯高于作物生產(chǎn)需要，存在過量施氮問題，且地區(qū)間和同一地區(qū)不同地塊間施用量差異明顯，氮肥施用量過高與不足并存。在磷肥施用量上，平均施磷量小麥為65 kg/hm2，玉米為59 kg/hm2，平均施用量基本符合作物生產(chǎn)需要，但存在嚴(yán)重的施用不均衡問題，部分田塊超量施用而部分田塊不施或施用量嚴(yán)重不足問題十分突出。在鉀肥施用量上，平均施鉀量小麥僅為45 kg/hm2，玉米為61 kg/hm2，也存在部分田塊超量施用而其他田塊施用量不足或不施的情況。另外，從施肥的養(yǎng)分效率來看，河北省小麥、玉米的氮肥偏生產(chǎn)力水平明顯偏低，主要原因是過量施氮問題。小麥的磷肥偏生產(chǎn)力較低，僅為47.3 kg/kg，也說明小麥?zhǔn)┝琢窟^高。河北省小麥和玉米的鉀肥偏生產(chǎn)力都處于較高水平，平均為102.9和136.1 kg/kg，說明適當(dāng)施用鉀肥可以有較好的增產(chǎn)效應(yīng)，其中玉米鉀肥偏生產(chǎn)力較小麥高，可能與玉米產(chǎn)量水平較高有關(guān)?？傮w來看，河北省冬小麥、夏玉米農(nóng)民習(xí)慣施肥中存在比較嚴(yán)重的氮磷鉀肥施用不平衡問題，需要引起重視。

河北省冬小麥農(nóng)田基礎(chǔ)產(chǎn)量平均為4 509 kg/hm2，夏玉米農(nóng)田基礎(chǔ)產(chǎn)量為5 979 kg/hm2，不同地區(qū)間基礎(chǔ)產(chǎn)量差異較大，其中以滄州地區(qū)的基礎(chǔ)產(chǎn)量最低，石家莊地區(qū)最高。從不同地區(qū)農(nóng)田地力貢獻率來看，滄州地區(qū)的冬小麥地力貢獻率僅為63.7%，遠(yuǎn)低于其他地區(qū)71.6%～78.3%；滄州地區(qū)的夏玉米地力貢獻率僅為62.2%，與其他地區(qū)67.5%～79.6%的基礎(chǔ)地力貢獻率相比也明顯偏低。查燕等[11]的研究認(rèn)為，土壤有機碳含量是影響黑土區(qū)基礎(chǔ)地力和基礎(chǔ)地力貢獻率的主要因素，而貢付飛等[4]的研究認(rèn)為，有機碳、有效磷和速效鉀等與基礎(chǔ)產(chǎn)量有顯著的相關(guān)關(guān)系。而對比滄州地區(qū)農(nóng)田土壤有機質(zhì)等指標(biāo)也發(fā)現(xiàn)，滄州地區(qū)的土壤有機質(zhì)和有效磷平均含量明顯低于邢臺、邯鄲、衡水3個地區(qū)[12]，與滄州地區(qū)農(nóng)田基礎(chǔ)產(chǎn)量顯著低于上述3個地區(qū)相一致。因此，土壤肥力是影響河北省夏玉米農(nóng)田基礎(chǔ)產(chǎn)量和基礎(chǔ)地力貢獻率的關(guān)鍵。

本研究中發(fā)現(xiàn)，冬小麥、夏玉米施肥產(chǎn)量均隨著基礎(chǔ)產(chǎn)量的提高呈極顯著的線性增加趨勢，這一結(jié)果與魯艷紅等[13]在水稻、李忠芳等[5]在玉米、小麥和水稻上的研究結(jié)果類似。而隨著基礎(chǔ)產(chǎn)量水平的提高，地力貢獻率也明顯提高，說明基礎(chǔ)產(chǎn)量對小麥、玉米可獲得產(chǎn)量起到了決定性作用。河北省農(nóng)田冬小麥和夏玉米地力貢獻率平均為70.6%和71.6%，與張水清等[14]報道的小麥季76.7%～78.1%、玉米季71.9%～74.4%的地力貢獻率相比略低，但與湯勇華等[15]報道的1990～2000年間全國玉米平均地力貢獻率51.0%相比已經(jīng)有了明顯的提高。農(nóng)田地力貢獻率的提升與農(nóng)田土壤基礎(chǔ)肥力的提高密切相關(guān)，土壤肥力提升保證了作物產(chǎn)量水平的提高和高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的實現(xiàn)，起到了“水漲船高”的作用[16]。此外，農(nóng)田土壤養(yǎng)分殘留和環(huán)境養(yǎng)分沉降可能也對農(nóng)田基礎(chǔ)產(chǎn)量和基礎(chǔ)地力貢獻率造成明顯的影響。土壤養(yǎng)分殘留主要來自上茬作物收獲后的殘留，與施肥量有明顯的關(guān)系，Jia等[17]研究認(rèn)為，小麥?zhǔn)斋@后殘留氮素在下茬夏玉米的利用率高達(dá)5%～10%，而何春娥等[18]報道河北省吳橋和曲周小麥季的大氣有效氮素沉降量高達(dá)21.0和29.5 kg/hm2，玉米季則分別為17.6和31.3 kg/hm2，接近冬小麥、夏玉米平均吸氮量的10%左右。可見，農(nóng)田土壤氮素殘留和環(huán)境養(yǎng)分可能也是農(nóng)田基礎(chǔ)產(chǎn)量明顯提高的重要原因。除此之外，施肥、秸稈還田、耕作栽培技術(shù)的改進、品種改良等都對土壤基礎(chǔ)產(chǎn)量的提高有促進作用，對上述因素對土壤基礎(chǔ)生產(chǎn)能力的貢獻進行定量化評價也是今后工作中需要重點考慮的問題。

4 結(jié)論

通過對河北平原2011～2014年小麥、玉米測土配方施肥農(nóng)戶示范試驗的數(shù)據(jù)分析，可以得出如下結(jié)論：

(1)河北平原冬小麥、夏玉米平均施氮量分別為242和234 kg/hm2，施磷(P2O5)量分別為65和59 kg/hm2，施鉀量(K2O)分別為45和61 kg/hm2。

(2)河北平原冬小麥、夏玉米平均農(nóng)田基礎(chǔ)產(chǎn)量分別為4 509和5 979 kg/hm2，農(nóng)民習(xí)慣施肥平均產(chǎn)量分別為6 390和7 905 kg/hm2，不同地區(qū)間產(chǎn)量存在明顯差異。

(3)河北平原農(nóng)民習(xí)慣施肥的冬小麥、夏玉米氮肥偏生產(chǎn)力平均分別為25.3和39.9 kg/kg，磷肥(P2O5)偏生產(chǎn)力平均分別為47.3和115.2 kg/kg，鉀肥(K2O)偏生產(chǎn)力平均分別為102.9和136.0 kg/kg。

(4)河北平原冬小麥、夏玉米農(nóng)田基礎(chǔ)產(chǎn)量貢獻率平均分別為70.6%和71.6%，農(nóng)田基礎(chǔ)產(chǎn)量水平與農(nóng)戶施肥產(chǎn)量呈極顯著的線性相關(guān)關(guān)系，且隨著基礎(chǔ)產(chǎn)量水平的提高，農(nóng)田基礎(chǔ)肥力貢獻率呈增加趨勢，說明基礎(chǔ)產(chǎn)量水平對作物高產(chǎn)有重要的作用。

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