基礎地力對黃壤區糧油高產、穩產和可持續生產的影響

黃興成，石孝均，李渝，張雅蓉，劉彥伶，張文安，蔣太明

（1貴州省土壤肥料研究所，貴陽 550006；2農業部貴州耕地保育與農業環境科學觀測實驗站，貴陽 550006；3西南大學資源環境學院，重慶 400716；4貴州省農業科學院，貴陽 550006）

基礎地力對黃壤區糧油高產、穩產和可持續生產的影響

黃興成1,2，石孝均3，李渝1,2，張雅蓉1,2，劉彥伶1,2，張文安1,2，蔣太明2,4

（1貴州省土壤肥料研究所，貴陽 550006；2農業部貴州耕地保育與農業環境科學觀測實驗站，貴陽 550006；3西南大學資源環境學院，重慶 400716；4貴州省農業科學院，貴陽 550006）

【目的】黃壤是中國重要的地帶性土壤，黃壤區糧油作物的高產、穩產和可持續生產對于地區糧食安全和經濟民生至關重要。研究黃壤區主要糧油作物基礎地力特征，評價地力對糧油作物高產、穩產和可持續生產的影響，為黃壤耕地地力保育和區域作物綠色生產提供依據。【方法】依托于2006—2013年測土配方施肥項目在黃壤區開展的3 515個田間試驗（馬鈴薯434個、油菜525個、玉米1 318個、水稻1 238個），調查每個試驗點無肥對照（CK）和氮磷鉀肥（N2P2K2）處理作物產量；基于作物估計方法，分析了糧油基礎地力產量和地力貢獻率特征；采用直線擬合和邊界線分析評價了基礎地力對作物施肥產量及產量差的影響；采用穩定性指數和可持續性指數評估了基礎地力對產量穩定性和可持續性的影響。【結果】黃壤區馬鈴薯、油菜、玉米和水稻平均基礎地力產量分別為10.8、1.13、4.57和5.73 Mg·hm-2，平均地力貢獻率分別為50.8%、49.0%、59.0%和 70.8%；基礎地力產量越高，地力對作物施肥產量的貢獻率越大。作物施肥產量與基礎地力產量顯著正相關，馬鈴薯、油菜、玉米和水稻施肥產量與基礎地力產量的直線擬合方程決定系數分別為0.476、0.284、0.382和0.366（P＜0.001）。邊界線分析結果表明，馬鈴薯、油菜、玉米和水稻4種作物的施肥產量潛力分別為42.8、4.07、11.8和12.4 Mg·hm-2；隨著基礎地力的提升，作物施肥產量差降低，產量的穩定性和可持續性增加。【結論】提升基礎地力能夠提升作物施肥產量，降低產量差，有利于黃壤區糧油作物的高產、穩產和可持續生產。

黃壤；基礎地力；邊界線分析；產量差；穩定性指數；可持續性指數

0 引言

【研究意義】通過“綠色革命”和集約化耕種等措施，中國主要糧油作物產量自建國以來均大幅提升[1-4]。然而，由于人口增長和糧食消費結構變化等因素，世界糧油需求仍不斷增長。研究表明，到2050年全球糧食產量至少要比2005年增加60%—110%才能滿足人類消費和牲畜飼料對糧食的需求[5]。據LI等[4]預測，到 2030年，中國的糧食產量至少要比 2011年增長35.8%才能保證糧食自給。黃壤是中國中亞熱帶濕潤區的地帶性土壤，保障黃壤區糧油產量安全關系著地區發展與經濟民生，地區糧油的高產、穩產和可持續生產更符合國家糧食安全的戰略目標。【前人研究進展】前人研究[6-7]指出，影響中國糧食產量的關鍵因素是糧食播種面積、化肥施用量和播面單產。然而，由于黃壤區主要是山地丘陵地貌，耕地后備資源嚴重不足，耕地面積總量不可能大幅度增加；同時，目前中國單位面積化肥施用量已超過作物實際需求[8]，過量施肥導致肥料利用率降低[9]，作物產量不穩定性和不可持續性增加[10]，并導致生態環境問題[11-12]和資源浪費[13]，結合當前“化肥零增長”要求，化肥投入量也不可能大幅增加；因此，只有通過耕地保育，提升單位面積土壤生產能力，保證產量的穩定和可持續才是未來黃壤區糧食安全的出路。李忠芳等[14]和曾祥明等[15]通過長期定位試驗發現，作物的施肥產量與基礎地力顯著正相關，地力越高，作物施肥產量越高。FAN等[16]、李忠芳等[17]、梁濤等[18]采用地力貢獻率評價了基礎地力對施肥產量的貢獻，表明地力貢獻率與基礎地力呈顯著正相關，基礎地力越高，作物產量越高，地力對施肥的產量貢獻率越大。梁濤等[18]研究表明，區域基礎地力越高的土壤在施肥和良好管理下所獲得的產量潛力越高，施肥產量的可持續性和穩定性越高。基礎地力的研究為指導區域合理的耕地保育和作物綠色生產提供了依據。【本研究切入點】評估基礎地力對黃壤區糧油高產、穩產和可持續生產的影響，對確保地區糧食安全和實現區域作物綠色生產有重要意義。然而，目前針對黃壤糧油作物基礎地力現狀的研究未見報道，對地區糧食安全影響如何尚不清晰。【擬解決的關鍵問題】選取2006—2013年測土配方施肥項目在黃壤區開展的3 515個田間試驗，對黃壤區馬鈴薯、油菜、玉米和水稻4種主要的糧油作物基礎地力產量和地力貢獻率特征進行評估，揭示基礎地力對黃壤區糧油產量高產、穩產和可持續生產的影響，為黃壤耕地地力保育和區域作物綠色生產提供依據。

1 材料與方法

1.1 調查數據來源

本研究以黃壤分布面積最廣、耕地比重較大的貴州、四川和重慶3個省市為研究區，調查了研究區黃壤分布區 2006—2013年全國測土配方施肥項目開展的3 515個田間試驗（馬鈴薯434個、油菜525個、玉米1 318個、水稻1 238個）。試驗點分布于調查區典型的糧油種植區域（圖 1），各試驗點選擇具有代表性的土壤肥力地塊（土壤基礎性質見表 1）進行試驗。每個試驗在同一地塊開展一季試驗，試驗開始前為農民常規施肥管理。調查了每個試驗點無肥對照（CK）和氮磷鉀肥（N2P2K2）處理的作物產量數據，對照處理不施用任何肥料，氮磷鉀肥處理按照試驗點當地測土配方施肥推薦氮磷鉀肥料用量施用。試驗由試驗點當地的農技部門開展，試驗的肥料、作物品種、田間操作和產量測定等均參照農業部《測土配方施肥技術規范》[19]進行。

圖1 不同作物試驗點分布Fig. 1 Geographical distribution of on-farm trials sites for different crops

表1 不同作物試驗點土壤基礎性質Table 1 The basic properties of soils at on-farm trials sites for different crops

1.2 數據處理與分析

本研究基于作物估計方法[16]進行土壤基礎地力評估，土壤基礎地力產量以作物無肥對照處理產量來評價；氮磷鉀肥處理產量代表養分供應充足下的現實生產力。為了評價基礎地力對作物施肥產量的貢獻，計算地力貢獻率（RCsoil）[16,18]。

式中，YCK為無肥對照處理產量，YN2P2K2為氮磷鉀肥處理產量。

采用線性回歸[18]和邊界線分析方法[20]量化基礎地力對施肥產量和產量差的影響。邊界線分析方法被廣泛用于描述現實產量與潛在產量的差距和評估產量限制因子[21-23]。邊界線擬合方法如下：式中，Yp是邊界線預測產量，Yatt是區域氮磷鉀肥處理可獲得的最高預測產量，K、R為方程常數。

根據邊界線擬合得到的最高產量（Yatt）計算產量差（yield gap）。

式中，Ygap是產量差，表示區域氮磷鉀肥處理可獲得的最高預測產量與試驗現實生產力之差。

作物產量的穩定性和可持續性是反映作物產量安全的重要指標。作物產量的穩定性用穩定性指數 SI（stability index）衡量，SI 值越低表明產量越穩定[24]；可持續性指數SYI（sustainable yield index）是衡量作物是否能持續生產的一個參數，SYI值越大，產量的可持續性越好。計算方法如下：

式中，STD(YN2P2K2)、AVE(YN2P2K2)和YN2P2K2-max分別為氮磷鉀肥處理產量的標準差、平均值和最大值。

采用Excel 2016、Sigmaplot12.5、ArcGIS10.3軟件進行數據統計分析和作圖。

2 結果

2.1 糧油作物基礎地力產量及地力貢獻率特征

不同糧油作物的基礎地力統計結果（表2）表明，黃壤區馬鈴薯基礎地力產量在1.2—33.9 Mg·hm-2，平均基礎地力產量10.8 Mg·hm-2；地力貢獻率在17.3%—99.6%，平均地力貢獻率50.8%。油菜基礎地力產量在0.19—2.74 Mg·hm-2，平均基礎地力1.13 Mg·hm-2；地力貢獻率在11.6%—98.7%，平均地力貢獻率49.0%。玉米基礎地力在0.74—10.61 Mg·hm-2，平均基礎地力4.57 Mg·hm-2；地力貢獻率在16.0%—99.9%，平均地力貢獻率59.0%。水稻基礎地力在1.58—9.98 Mg·hm-2間，平均基礎地力5.73 Mg·hm-2；地力貢獻率在36.9%—99.7%，平均地力貢獻率70.8%。

2.2 基礎地力產量對地力貢獻率的影響

隨著基礎地力產量的提升，作物地力貢獻率逐漸增加（圖2）。當馬鈴薯基礎地力由＜6 Mg·hm-2上升到＞24 Mg·hm-2時，地力貢獻率從46.5%上升至81.2%。當油菜基礎地力由＜0.5 Mg·hm-2上升到＞2 Mg·hm-2時，地力貢獻率從 23.1%上升至79.2%。當玉米基礎地力由＜2 Mg·hm-2上升到＞8 Mg·hm-2時，地力貢獻率從 30.2%上升至 86.5%。當水稻基礎地力由＜2 Mg·hm-2上升到＞8 Mg·hm-2時，地力貢獻率從63.3%上升至85.3%。表明隨著基礎地力的提升，土壤基礎地力對施肥產量的貢獻呈上升趨勢。

2.3 基礎地力對作物施肥產量及產量差的影響

作物氮磷鉀肥處理與基礎地力產量的擬合直線顯示（圖3，表3），馬鈴薯、油菜、玉米和水稻4種糧油作物現實生產力與基礎地力擬合直線決定系數分別達0.472、0.284、0.382和0.366（P＜0.001），直線斜率均為正，表明隨著地力的提升，施肥產量也隨之提高，較高的基礎地力有利于作物的高產。

邊界線分析結果表明（圖3，表3），馬鈴薯、油菜、玉米、水稻 4種糧油作物符合邊界線擬合（P＜0.001）。馬鈴薯、油菜、玉米和水稻的施肥高產潛力分別為42.8、4.07、11.8和12.4 Mg·hm-2。

不同基礎地力分級下作物產量差分析結果表明（圖4），隨著基礎地力的提升，不同作物產量差均呈降低趨勢。當馬鈴薯基礎地力由＜6 Mg·hm-2上升到＞24 Mg·hm-2時，產量差從 32.6 Mg·hm-2降低至 8.3 Mg·hm-2。當油菜基礎地力由＜0.5 Mg·hm-2上升到＞2 Mg·hm-2時，產量差從 2.34 Mg·hm-2降低至 1.22 Mg·hm-2。當玉米基礎地力由＜2 Mg·hm-2上升到＞8 Mg·hm-2時，產量差從 6.05 Mg·hm-2降低至 1.46 Mg·hm-2。當水稻基礎地力由＜2 Mg·hm-2上升到＞8 Mg·hm-2時，產量差從9.49 Mg·hm-2降低至2.38 Mg·hm-2。

表2. 不同糧油作物基礎地力及地力貢獻率Table 2 Inherent soil productivity and contribution rate of soil productivity for grain and oil crops

圖2 基礎地力產量對地力貢獻率的影響Fig. 2 Effect of inherent soil productivity on contribution rate of soil productivity

圖3 基礎地力對糧油作物施肥產量的影響Fig. 3 Effect of inherent soil productivity on fertilization yield of grain and oil crops

表3 基礎地力與施肥產量的直線擬合和邊界線分析Table 3 Linear fitting and boundary line analysis of inherent soil productivity and fertilization yield

圖4 基礎地力對作物施肥產量差的影響Fig. 4 Effect of inherent soil productivity on fertilization yield gap of grain and oil crops

2.4 基礎地力對作物施肥產量穩定性和可持續性的影響

作物施肥產量的穩定性和可持續性隨著地力的變化而變化（圖 5）。不同作物由低地力到高地力，施肥產量的可持續性指數均呈上升趨勢，而穩定性指數均降低；當馬鈴薯基礎地力由＜6 Mg·hm-2上升到＞24 Mg·hm-2時，產量穩定性指數從0.599降低至0.181，可持續性指數從0.134上升至0.656；當油菜基礎地力由＜0.5 Mg·hm-2上升到＞2 Mg·hm-2時，產量穩定性指數從0.297降低至0.153，可持續性指數從0.447上升至 0.600；當玉米基礎地力由＜2 Mg·hm-2上升到＞8 Mg·hm-2時，產量穩定性指數從0.245降低至0.070，可持續性指數從0.487上升至0.788；當水稻基礎地力由＜2 Mg·hm-2上升到＞8 Mg·hm-2時，產量穩定性指數從0.189降低至0.087，可持續性指數從0.667上升至0.745。表明基礎地力越高，作物施肥可獲得的產量穩定性和可持續性越高，有利于糧油作物的穩產和可持續生產。

3 討論

3.1 糧油作物基礎地力特征

以往對基礎地力的研究主要集中于點位長期試驗的土壤地力評估及地力演變分析[17,25-26]，并不能反映區域土壤基礎地力的真實值；對于區域基礎地力的評價主要集中于水稻、玉米和小麥三大糧食作物[16,18,27]，對于油料作物和第四大糧食作物馬鈴薯基礎地力的評價鮮有報道。本研究對黃壤區馬鈴薯、油菜、玉米和水稻4種糧油作物基礎地力進行了評價。結果顯示，黃壤區馬鈴薯、油菜、玉米和水稻基礎地力產量分別為10.8、1.13、4.57和5.73 Mg·hm-2，地力貢獻率分別為50.8%、49.0%、59.0%和70.8%。不同作物地力貢獻率以水稻最高，玉米次之，油菜的最低，此結果與夏圣益[28]開展的多點試驗結果一致；這可能是由于水耕條件下水熱環境更穩定，促進了土壤養分釋放和水稻養分吸收，有利于水稻產量的形成[29]；同時，山地丘陵地區水稻多種植于地形低洼地，是區域水分養分的匯集區[30]，徑流和灌溉等環境養分帶入較多[31]，導致施肥的貢獻降低，地力貢獻率高于旱地作物；此外，水稻和玉米根系是須根系，毛細根發達，根表面積大，能夠充分吸收土壤養分，而油菜根系為直根系，對土壤的養分吸收能力較弱[32]，因而油菜地力貢獻率較低。就玉米和水稻而言，兩者平均基礎地力產量和平均地力貢獻率均高于全國平均水平[33]，其原因一方面可能與研究區光溫水條件較好、氣候生產潛力較高等氣候環境因素有關[34]；另一方面，黃壤區種植結構較為單一，主要以單作為主[35]，而全國其他糧油主產區復種指數較高[36]，長期的持續耕種導致土壤基礎地力降低；此外，黃壤區農業氣象災害發生率較其他糧食主產區低[37]，更有利于地力的發揮和作物產量的形成。本研究對黃壤區馬鈴薯、油菜、玉米和水稻的礎地力產量和地力貢獻率的評估結果反映了區域糧油作物地力特征，為地區糧油作物的綠色生產提供了依據。但是，當前黃壤區基礎地力的時空特征尚不明晰，尤其是對低基礎地力土壤的空間分布分析較少，成為今后研究的重點。

圖5 不同作物土壤基礎地力對作物產量穩定性（SI）和可持續性（SYI）的影響Fig. 5 Effect of inherent soil productivity on stability indexes (SI) and sustainable yield indexes (SYI) of fertilization yield for grain and oil crops

3.2 提升土壤地力，實現區域作物綠色生產

3 515個田間試驗結果分析顯示，4種糧油作物施肥產量與基礎地力產量呈極顯著正相關關系（圖3），這與李忠芳等[14]，喬磊等[27]對水稻的研究基本一致，表明基礎地力在提高糧油產量上占有重要地位。縮減產量差被認為是實現糧食安全的重要途徑。以往的研究表明，通過優化水肥管理[38]和先進的農業技術推廣[39]等措施能夠縮減產量差。本研究發現，提升土壤地力也是縮減產量差的有效途徑，表現為隨著基礎地力產量的提升，作物獲得區域高產潛力的產量差逐漸降低（圖4），表明通過提升土壤地力，可以縮減產量差，實現區域作物高產，為今后縮減產量差途徑研究提供了新的方向。土壤生產力的穩定性和可持續性是實現區域糧食安全的必要條件，本研究結果顯示（圖 5），隨著地力的提升，作物施肥產量的穩定性和可持續性均提高，表明地力提升能夠促進產量趨于穩定并持續生產，研究結果與梁濤等[18]對大區域的統計結果一致。提升黃壤地力對區域作物高產、穩產和可持續生產至關重要，因此尋求黃壤地力提升有效途徑成為實現區域綠色生產的的關鍵點。研究指出，黃壤具有冷、酸、瘦（缺磷）和黏等障礙，是黃壤低地力的主要因素[40]。由此，提升黃壤地力關鍵是通過良好的土壤管理，進行土壤培肥，改良土壤障礙因素。進行土壤改良培肥有諸多方法，如實行合理耕作[40-41]、合理施肥[42]和施用調理劑[43]等措施在黃壤改良培肥均見諸報道。然而，以往的黃壤改良培肥研究主要針對黃壤單一或多肥力因子，鮮少有進行黃壤綜合肥力提升的報道研究，缺乏造成黃壤地力低的障礙因素定量分析及長期地力演變研究，這是今后研究的重點。

4 結論

黃壤區馬鈴薯、油菜、玉米和水稻基礎地力產量分別為10.8、1.13、4.57和5.73 Mg·hm-2，地力貢獻率分別為50.8%、49.0%、59.0%和70.8%。隨著基礎地力的提升，作物施肥產量提升，產量差降低，地力貢獻率、產量的穩定性和可持續性均提升。基礎地力提升有利于作物區域高產、穩產和可持續生產。

致謝：本研究原始數據資料來自貴州、四川和重慶等省市開展的全國測土配方施肥項目，項目具體實施由各省市土壤肥料工作總站牽頭，各市州縣的農委、土壤肥料工作站等農技部門具體實施。在此，對這些長期在基層一線工作的農業工作者們表示感謝。

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（責任編輯 楊鑫浩）

Effect of the Inherent Soil Productivity on High, Stable and Sustainable Yield of Grain and Oil Crops in Yellow Soil Region

HUANG XingCheng1,2, SHI XiaoJun3, LI Yu1,2, ZHANG YaRong1,2, LIU YanLing1,2, ZHANG WenAn1,2, JIANG TaiMing2,4
(1Guizhou Institute of Soil and Fertilizer, Guiyang 550006;2Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation and Agricultural Environment (Guizhou), Ministry of Agriculture, Guiyang 550006;3College of Resources and Environmental, Southwest University, Chongqing 400716;4Guizhou Academy of Agricultural Sciences, Guiyang 550006)

【Objective】Yellow soil is an important zonal soil in China. High, stable and sustainable yield of grain and oil crops are fundamental to food security, economic development and people's livelihood for yellow soil region. This paper studied the characteristics of inherent soil productivity for grain and oil crops in yellow soil region in order to evaluate the effect of inherent soil productivity on high, stable and sustainable yield of grain and oil crops. The results of this study will provide a theoretical basis for cultivating land conservation and producing green crops in yellow soil region. 【Method】The assessment was conducted based on data-set derived from National Soil Test and Fertilizer Recommendation projects during 2006 to 2013 in yellow soil region. Yields ofunfertilized control (CK) and NPK fertilization (N2P2K2) treatments in 3 515 on-farm trials (434 potato trials, 525 rapeseed trials, 1 318 maize trials, and 1 238 rice trials) were surveyed. Characteristics of inherent soil productivity and its contribution rate to fertilization yield under on-farm conditions were assessed by using a plant-based agronomic approach. The effects of inherent soil productivity on fertilization yield and yield gap were also assessed by using linear fitting and boundary line analysis. Meanwhile, the effect of stable indexes and sustainable indexes of grain and oil crops under different inherent productivities were also assessed.【Result】The average yield based on inherent soil productivity of potato, rapeseed, maize and rice were 10.8, 1.13, 4.57 and 5.73 Mg·hm-2, and the average contribution rates of inherent soil productivity were 50.8%, 49.0%, 59.0% and 70.8%, respectively. It was found that the contribution rate of inherent soil productivity was increased with improvement of inherent soil productivity. There was a significant and positive correlation between fertilization yield and inherent soil productivity, R2of linear fitting with fertilization yield and inherent soil productivity of potato, rapeseed, maize and rice were 0.476, 0.284, 0.382 and 0.366 (P＜0.001), respectively. Boundary line analysis showed that the attainable yield of potato, rapeseed, maize and rice were 42.8, 4.07, 11.8 and 12.4 Mg·hm-2, respectively. Meanwhile, it found that stability and sustainable of grain and oil crops yield were increased with improvement of inherent soil productivity. 【Conclusion】It was concluded that improving inherent soil productivity of farmland can decrease yield gap while promote high, stable and sustainable yield of grain and oil crops in yellow soil regions.

yellow soil; inherent soil productivity; boundary line analysis; yield gap; stability index; sustainable yield index

2016-10-24；接受日期：2016-12-16

國家科技支撐計劃（2015BAD06B04）、國家公益性行業（農業）科研專項（201203030）、貴州省農業科學院自主創新專項（黔農科院自主創新專項）（2014007）

聯系方式：黃興成，E-mail：huangxc90@163.com。通信作者蔣太明，E-mail：jtm532@163.com