太行山前平原農(nóng)田基礎地力對夏玉米產(chǎn)量的影響及培肥目標

賈良良，黃少輝，劉克桐，孫彥銘，楊軍芳，楊云馬，邢素麗，劉孟朝

（1.河北省農(nóng)林科學院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所，河北 石家莊 050051；2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3.河北省耕地質(zhì)量監(jiān)測保護中心，河北 石家莊 050021；4.河北省肥料技術創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050051）

太行山前平原是河北省重要的夏玉米產(chǎn)區(qū)，在河北省糧食生產(chǎn)中占有重要地位，但這一地區(qū)農(nóng)田作物施肥量高［1-2］，資源效率低［3］、生態(tài)和環(huán)境問題［4-6］也日漸突出。在當前農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展成為國家和社會迫切需求的前提下，減施化肥、提高基礎地力是這一地區(qū)糧食作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重要保證。農(nóng)田基礎地力是指在特定立地條件、土壤理化性狀下農(nóng)田自身的生產(chǎn)能力［7］，提高基礎地力水平能夠提升作物施肥產(chǎn)量，降低產(chǎn)量差，有利于農(nóng)田作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和可持續(xù)性［8］；Fan 等［9］的研究認為，我國華北小麥增產(chǎn)的43%、玉米增產(chǎn)的22%來自于土壤肥力水平提高相關的基礎生產(chǎn)力的提高。農(nóng)田基礎地力與土壤養(yǎng)分含量有顯著的相關關系，魯艷紅等［10］在紅壤長期定位研究中確定對水稻基礎地力影響最大的土壤養(yǎng)分指標是土壤有機質(zhì)、全氮和速效鉀，而趙秀娟等［11］針對褐土區(qū)基礎地力差異的研究認為，影響褐土區(qū)農(nóng)田基礎地力差異的主要因素是有效磷、速效鉀和土壤有機質(zhì)。已有的研究表明，河北省平原區(qū)農(nóng)田土壤肥力指標在過去30 年呈顯著增加趨勢［12-14］，其地力貢獻率也隨著基礎產(chǎn)量水平的提高而明顯提高［15］。但是，這些土壤肥力指標如土壤有機質(zhì)、有效磷、速效鉀等對農(nóng)田基礎地力以及對基礎地力影響的臨界指標還缺乏定量化的研究。

因此，本研究以2005～2013 年在河北省開展的“測土配方施肥”項目中的“3414”試驗數(shù)據(jù)為基礎，分析了河北省山前平原區(qū)農(nóng)田基礎地力對夏玉米產(chǎn)量及施肥增產(chǎn)的影響，并利用邊界線分析方法［16-18］確定河北省山前平原區(qū)夏玉米農(nóng)田土壤肥力臨界指標，以期為解析山前平原區(qū)土壤肥力對作物產(chǎn)量的貢獻率、農(nóng)田土壤培肥目標提供理論依據(jù)，是實現(xiàn)夏玉米綠色生產(chǎn)、農(nóng)田化學肥料減施增效的國家戰(zhàn)略目標。

1 材料與方法

1.1 研究范圍

河北省太行山山前平原區(qū)是夏玉米的主要產(chǎn)區(qū)之一，主要包括邯鄲（5 個縣，分別是臨漳、成安、磁縣、肥鄉(xiāng)、永年）、邢臺（5 個縣，分別是柏鄉(xiāng)、隆堯、任縣、南和、寧晉）、石家莊（13 個縣，分別是正定、欒城、行唐、高邑、深澤、無極、元氏、趙縣、辛集、藁城、晉州、新樂、鹿泉）、保定（8 個縣，分別是清苑、徐水、定興、望都、涿州、定州市、安國、高碑店）和廊坊（3 個縣，分別是香河、大廠、三河）等地區(qū)的部分縣（市、區(qū)）［19］，常年玉米播種面積約77×104hm2［20］，約占河北省夏玉米播種面積的1/4［21］。

1.2 田間試驗

田間試驗主要來源于河北省2008～2013 年在全省開展的“測土配方施肥”項目，共選取太行山前平原區(qū)夏玉米田間試驗1125 個，試驗均選取在有代表性的農(nóng)戶地塊進行，小區(qū)面積30～40 m2。試驗農(nóng)田土壤有機質(zhì)范圍在3.9～38.9 g/kg 之間，平均值為17.3 g/kg，變異系數(shù)28.3%；土壤全氮含量范圍在0.006～2.48 g/kg 之間，平均值為0.92 g/kg，變異系數(shù)為46.5%；土壤有效磷含量范圍在0.1～130.7 mg/kg 之間，平均值為24.9 mg/kg，變異系數(shù)為70%；土壤速效鉀含量范圍在20～589 mg/kg 之間，平均值為115.8 mg/kg，變異系數(shù)為45.7%。種植方式為冬小麥-夏玉米輪作，其中夏玉米于6 月10 日前后播種，10 月初收獲。試驗中采用的玉米品種主要為鄭單958（占53.5%）、浚單20（占16.2%）、先玉335（占3.9%）、紀元128 系列（占3.6%）、中科11（占3.1%）和其他52 個品種（占19.7%）。

本研究中共選取“3414”試驗中的5 個處理，分別是不施肥處理（N0P0K0）、缺氮處理（N0P2K2）、缺磷處理（N2P0K2）、缺鉀處理（N2P2K0）和氮磷鉀處理（N2P2K2）。氮、磷、鉀肥料施用量按照當?shù)販y土配方施肥推薦施用，施用量如表1 所示。其中氮肥采用尿素（N 46%）、磷肥采用過磷酸鈣（P2O512%），鉀肥采用氯化鉀（K2O 60%）。其中磷鉀肥做基肥全部施入，氮肥分基肥和拔節(jié)期追肥兩次施入，分配比例為1∶1。

表1 太行山前平原夏玉米測土配方施肥推薦施肥量（kg/hm2）

玉米播種前，各試驗點均采用“S”形取樣法采取0～20 cm 土層樣品，土壤樣品風干處理后分別測定土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀等土壤肥力指標。其中土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法，土壤全氮采用半微量凱氏法，有效磷采用Olsen法，速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法［22］。玉米成熟期，分小區(qū)收獲測產(chǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

分別計算了基礎地力貢獻率，施用氮、磷、鉀肥的產(chǎn)量反應，并利用邊界線分析方法對太行山前平原區(qū)土壤基礎地力指標與玉米產(chǎn)量的關系進行了分析，以確定山前平原區(qū)農(nóng)田土壤地力因子的臨界值，及相應土壤肥力因子對產(chǎn)量差的貢獻率［18］。

基礎地力產(chǎn)量采用不施用任何肥料時的夏玉米產(chǎn)量來表示［9］，在本研究中用不施肥（N0P0K0）產(chǎn)量來表示?；A地力貢獻率［23］采用不施肥處理（N0P0K0）產(chǎn)量與施肥處理（N2P2K2）的比值來表示：

基礎地力貢獻率（%）=YN0P0K0/YN2P2K2×100；

氮、磷、鉀肥的產(chǎn)量反應（kg/hm2）用施肥處理（N2P2K2）與相應的不施用某種養(yǎng)分的產(chǎn)量差來表示：

氮肥產(chǎn)量反應（kg/hm2）=YN2P2K2-YN0P2K2

磷肥產(chǎn)量反應（kg/hm2）=YN2P2K2-YN2P0K2

鉀肥產(chǎn)量反應（kg/hm2）=YN2P2K2-YN2P2K0

邊界線［16-18］是指存在因果關系的數(shù)據(jù)對中，有一條存在于數(shù)據(jù)體邊界上的、表示群體中最佳表現(xiàn)的線，這條線可以將影響因素單一化，即邊界線上的所有點只受自變量的影響。操作步驟如下：將土壤有機質(zhì)含量、全氮含量、有效磷和速效鉀含量（X）分別與對照（N0P0K0）、磷鉀處理（N0P2K2）、氮鉀處理（N2P0K2）和氮磷處理（N2P2K0）的夏玉米籽粒產(chǎn)量（Y）作散點圖，每個點對應一個邊界點，將所有點的邊界點尋找出來（按x 值排序后，利用Excel 表格中的if 公式求出），對邊界點進行數(shù)學模型擬合。根據(jù)土壤養(yǎng)分與作物產(chǎn)量的關系，本研究中利用線性加平臺模型［18］擬合以確定上述邊界點相連的邊界線。根據(jù)邊界線擬合得到的線性加平臺模型的拐點確定各土壤肥力因子的臨界值，并據(jù)此計算各土壤肥力因子對產(chǎn)量差的貢獻率。

數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析采用Excel 2010，利用SAS 8.3的非線性回歸模型NLIN 計算土壤肥力指標與玉米產(chǎn)量邊界點的線性加平臺模型，以Sigma Plot 12.5 制作產(chǎn)量、產(chǎn)量反應廂式圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 河北省山前平原夏玉米基礎地力產(chǎn)量

太行山前平原夏玉米基礎地力產(chǎn)量、不施氮產(chǎn)量、不施磷產(chǎn)量、不施鉀產(chǎn)量和優(yōu)化施肥產(chǎn)量如圖1 所示。基礎地力產(chǎn)量在3222～9672 kg/hm2之間，平均值為6210 kg/hm2，變異系數(shù)為19.2%；不施氮處理產(chǎn)量在1527～11400 kg/hm2之間，平均值為7021 kg/hm2，變異系數(shù)為18.9%；不施磷處理產(chǎn)量為3729～11190 kg/hm2，平均值為7748 kg/hm2，變異系數(shù)為15.6%；不施鉀處理產(chǎn)量為4605～12206 kg/hm2，平均值為8017 kg/hm2，變異系數(shù)為15.2%；優(yōu)化施肥處理產(chǎn)量為5400～12051 kg/hm2，平均值為8663 kg/hm2，變異系數(shù)為14.3%。從缺素對夏玉米產(chǎn)量的影響來看，氮對夏玉米產(chǎn)量的影響最大，不施氮較優(yōu)化施肥減產(chǎn)18.9%，其次是磷，不施磷較優(yōu)化施肥減產(chǎn)10.6%，影響最小的是鉀，不施鉀較優(yōu)化施肥減產(chǎn)7.5%。基礎地力對產(chǎn)量的貢獻率在32.2%～99.7%之間，平均值為71.7%。

2.2 夏玉米基礎地力產(chǎn)量與基礎地力貢獻率的關系

在本研究中的山前平原基礎產(chǎn)量范圍內(nèi)，基礎地力產(chǎn)量與優(yōu)化施肥產(chǎn)量之間有極顯著的線性相關關系，隨著基礎地力產(chǎn)量的增加，施肥產(chǎn)量呈明顯的增加趨勢（圖2），基礎地力產(chǎn)量每增加1000 kg/hm2，配方施肥產(chǎn)量則增加585 kg/hm2。且基礎地力產(chǎn)量與基礎地力貢獻率也呈極顯著的線性相關關系，隨著基礎產(chǎn)量水平的提高，基礎地力貢獻率也呈明顯的增加趨勢，基礎地力產(chǎn)量每增加1000 kg/hm2，基礎地力貢獻率則增加6.5%。這表明基礎地力提升有利于夏玉米的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，提高基礎地力水平對保障糧食安全具有重要意義。

2.3 不同基礎地力產(chǎn)量條件下施肥的產(chǎn)量反應

河北山前平原夏玉米的產(chǎn)量反應如圖3 所示。氮肥的產(chǎn)量反應在4.5～5690 kg/hm2之間，平均值為1614 kg/hm2。隨著基礎產(chǎn)量水平的提高，氮肥的產(chǎn)量反應呈逐漸下降的趨勢，從基礎產(chǎn)量水平＜4500 kg/hm2時的2473 kg/hm2下降到基礎產(chǎn)量水平＞7500 kg/hm2時的1256 kg/hm2。磷肥的產(chǎn)量反應在0～4014 kg/hm2之間，平均產(chǎn)量反應為909 kg/hm2。磷肥的產(chǎn)量反應變化趨勢與氮肥相近，從基礎產(chǎn)量水平＜4500 kg/hm2時的1009 kg/hm2下降到基礎產(chǎn)量水平＞7500 kg/hm2時的867 kg/hm2。鉀肥的產(chǎn)量反應在0～3548 kg/hm2之間，平均為802 kg/hm2。鉀肥的產(chǎn)量反應變化趨勢不明顯，不同基礎產(chǎn)量水平時的產(chǎn)量反應差異并不明顯，在741～849 kg/hm2之間。總體來看，山前平原施肥的產(chǎn)量反應隨著基礎產(chǎn)量水平的提高呈逐漸下降的趨勢，氮肥的產(chǎn)量反應最明顯，其增產(chǎn)效果顯著高于磷肥和鉀肥，是山前平原區(qū)夏玉米增產(chǎn)的主要決定因素。

2.4 基礎地力產(chǎn)量與農(nóng)田土壤肥力因子的關系

利用邊界線分析方法，對太行山前平原土壤養(yǎng)分指標有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量分別與不施肥處理（N0P0K0）、不施氮處理（N0P2K2）、不施磷處理（N2P0K2）、不施鉀處理（N2P2K0）的夏玉米產(chǎn)量進行擬合，各處理擬合的邊界點與土壤養(yǎng)分因子都有極顯著的線性加平臺關系（圖4）。其中，土壤有機質(zhì)擬合得到的養(yǎng)分臨界值為14.3 g/kg，對應的平臺產(chǎn)量為9576.0 kg/hm2，提高土壤有機質(zhì)對產(chǎn)量差的貢獻率為6.5%；土壤全氮擬合得到的土壤全氮臨界值為1.20 g/kg，平臺產(chǎn)量為10870 kg/hm2，提高土壤全氮對產(chǎn)量差的貢獻率為9.1%；土壤有效磷擬合得到的土壤有效磷臨界值為20.2 mg/kg，平臺產(chǎn)量為10609 kg/hm2，提高土壤有效磷對產(chǎn)量差的貢獻率為19.5%；土壤速效鉀擬合得到的土壤速效鉀臨界值為121.9 mg/kg，平臺產(chǎn)量為11237 kg/hm2，提高土壤速效鉀對產(chǎn)量差的貢獻率為16.1%（表2）。綜合來看，提高土壤有效磷和速效鉀含量對縮減由土壤肥力差異引起的產(chǎn)量差最為明顯。

表2 基礎養(yǎng)分對基礎地力產(chǎn)量差的貢獻率

3 討論

基礎地力對保障作物穩(wěn)產(chǎn)、在施肥時獲取高產(chǎn)具有重要作用。河北省太行山前平原夏玉米基礎地力產(chǎn)量平均值為6233 kg/hm2，高于河北省農(nóng)田基礎地力產(chǎn)量平均值5979 kg/hm2［15］，也高于黃淮海區(qū)基礎地力產(chǎn)量平均值5800 kg/hm2［24］，表明太行山前平原區(qū)的土壤基礎地力水平顯著高于華北平原其他地區(qū)，但顯著低于吉林春玉米區(qū)的6.6 t/hm2［25］。隨著基礎地力水平的提高，施肥處理的玉米產(chǎn)量也呈明顯的增加趨勢，基礎地力產(chǎn)量與施肥玉米產(chǎn)量有極其顯著的線性相關關系，提高基礎地力水平能夠使作物可獲得產(chǎn)量得到提高［9，18，26］。

產(chǎn)量反應是表征土壤養(yǎng)分供應能力和施肥后產(chǎn)量效應的一種方法，較高的產(chǎn)量反應預示著較低的土壤基礎肥力和較高的施肥增產(chǎn)效應，而較低的產(chǎn)量反應則表示較高的土壤基礎肥力和較低的施肥增產(chǎn)效應。從本研究結(jié)果來看，河北省太行山區(qū)平原區(qū)夏玉米氮肥的產(chǎn)量反應為1614 kg/hm2，磷肥產(chǎn)量反應為909 kg/hm2，鉀肥產(chǎn)量反應為802 kg/hm2，均低于Xu 等［26］報道的全國平均水平1.8、1.0、1.2 t/hm2。顯示河北省太行山前平原土壤基礎肥力水平高于全國平均，其土壤供氮、磷、鉀能力均強于全國平均水平。

根據(jù)邊界線擬合得到的養(yǎng)分因子臨界值是土壤有機質(zhì)14.3 g/kg，土壤全氮1.20 g/kg，有效磷20.2 mg/kg，速效鉀121.9 mg/kg，此臨界值為山前平原土壤培肥的目標值，在農(nóng)田土壤培肥時應使土壤肥力高于此水平。本研究確定的土壤有機質(zhì)含量低于郝曉然［27］利用太行山麓平原農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù)確定的土壤有機質(zhì)含量20～25 g/kg，土壤有效磷和速效鉀含量也有較大差距，其原因可能與本研究采用的數(shù)據(jù)樣本分布有關，本研究中采用的試驗樣本分布范圍更加廣泛，且本研究中養(yǎng)分因子臨界值的確定選用的是不施肥處理，與郝曉然［27］采用的農(nóng)戶調(diào)查（無不施肥處理）相比有較大的差距。當山前平原區(qū)土壤肥力指標在上述臨界值以上時，夏玉米可以通過合理的管理獲得較好的產(chǎn)量，此臨界值可以作為山前平原土壤培肥的最小目標值。此外，從本研究確定的土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀對減少夏玉米產(chǎn)量差的貢獻率來看，有效磷和速效鉀的貢獻率（19.5%和16.1%）高于有機質(zhì)和全氮（6.5%和9.1%），提示通過提高農(nóng)田有效磷和速效鉀含量，適當增施磷、鉀肥對提高山前平原區(qū)玉米產(chǎn)量水平，減少產(chǎn)量差具有更重要的意義。

4 結(jié)論

河北省太行山前平原夏玉米基礎地力產(chǎn)量平均值為6210 kg/hm2，基礎地力產(chǎn)量對夏玉米施肥產(chǎn)量的貢獻率平均為71.7%。在基礎地力產(chǎn)量范圍內(nèi)，太行山前平原基礎地力產(chǎn)量與施肥產(chǎn)量、基礎地力產(chǎn)量和基礎地力貢獻率之間均呈顯著的線性正相關關系，基礎地力產(chǎn)量每增加1000 kg/hm2，施肥產(chǎn)量則增加585 kg/hm2，基礎地力貢獻率也提高6.5%。氮肥對山前平原夏玉米的產(chǎn)量反應最高，為1614 kg/hm2，磷、鉀肥的產(chǎn)量反應分別為909和802 kg/hm2。利用邊界線分析方法確定的太行山前平原土壤培肥的目標值下限是土壤有機質(zhì)14.3 g/kg、土壤全氮1.20 g/kg、有效磷20.2 mg/kg 和速效鉀121.9 mg/kg。綜合比較太行山前土壤基礎肥力現(xiàn)狀和土壤磷鉀肥力對基礎產(chǎn)量的貢獻率，提高土壤有效磷和速效鉀含量對縮減由土壤肥力差異引起的產(chǎn)量差最為明顯，是河北省太行山前平原的重點培肥方向。