河北平原冬小麥、夏玉米農田基礎產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.河北省農林科學院農業資源環境研究所，河北 石家莊 050051；2.河北省農林科學院，河北 石家莊 050000；3.河北省土壤肥料工作站，河北 石家莊 050021)

土壤肥力與作物產量密切相關，而基礎產量是衡量土壤基礎肥力的重要指標，根據基礎地力水平可確定適宜的施肥水平，在生產上也有基于土壤基礎肥力(基礎產量)的“以地定產”作物施肥推薦技術模式[1]。農田基礎產量與作物可實現產量間通常都有明顯的相關關系[2-3]，因此在很多研究中被作為評價農田土壤肥力狀況的重要指標[4-5]，如湯勇華等[6]對我國主要糧食作物的基礎產量和地力貢獻率研究發現，華北和東北春玉米的平均基礎產量為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產量和地力貢獻率的研究也發現，土壤基礎肥力對水稻產量的貢獻率與水稻土壤基礎產量呈正比[3,7]；貢付飛等[4]對長期定位試驗的研究發現，施肥顯著影響冬小麥的農田基礎地力產量；而Fan等[8]在總結了全國7 410個田間試驗發現，中國主要糧食作物自1980 s至2010 s期間基礎產量呈增加態勢，且主要來源于土壤基礎生產力的提高。由此可見，分析和評價目前的農田基礎生產力和地力貢獻率對于了解土壤生產力現狀，制定施肥與耕作管理技術方案都有指導作用，特別是在當前國家提出“藏糧于地”戰略目標的情況下，依據農田基礎產量和地力貢獻率指導農田土壤培肥目標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]，不同地區間產量差異明顯[10]。本文擬通過對河北省不同地區小麥、玉米生產現狀進行分析與評價，定量化不同區域的農田基礎產量和地力貢獻率，為進一步優化農田養分調控以降低環境風險提供依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

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

表1 河北省夏玉米主產區肥效試驗樣本分布

1.2 數據處理

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

農田基礎地力貢獻率(%)

=基礎產量 / 施肥產量×100

(1)

氮(磷、鉀)肥偏生產力(PFP,kg/kg)

=施肥產量 / 氮肥(磷肥、鉀肥)施肥量

(2)

2 結果與分析

2.1 河北省不同地區小麥、玉米施肥量

河北省平原區小麥平均施氮、施磷、施鉀量分別為242、65、和45 kg/hm2，各地區施氮量差異不大，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。河北省平原區玉米平均施氮、施磷、施鉀量分別為234、59、61 kg/hm2，各地區施氮量差異明顯，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、玉米農民習慣氮磷鉀肥施用量 (kg/hm2)

2.2 河北省不同地區小麥、玉米產量現狀

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

表3 河北平原不同地區冬小麥和夏玉米產量 (kg/hm2)

2.3 河北省不同地區小麥、玉米養分效率

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

河北省夏玉米氮肥偏生產力平均為39.9 kg/kg，以廊坊地區最高,為52.8 kg/kg，邢臺地區最低,為34.5 kg/kg；磷肥(P2O5)偏生產力平均為115.2 kg/kg，以衡水和石家莊最高,分別為179.1和175.7 kg/kg，以滄州地區最低,為73.8 kg/kg；鉀肥(K2O)偏生產力全省平均為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、玉米農民習慣施肥偏生產力 (kg/kg)

2.4 河北省不同地區冬小麥、夏玉米農田地力貢獻率

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

表5 河北省不同地區冬小麥、夏玉米產量農田基礎地力貢獻率 (%)

2.5 河北省冬小麥、夏玉米基礎產量與地力貢獻率的相關分析

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

圖1 河北省冬小麥、夏玉米基礎產量與施肥產量的關系

圖2 河北省冬小麥、夏玉米基礎產量與地力貢獻率的關系

3 討論

河北省小麥、玉米農民習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，明顯高于作物生產需要，存在過量施氮問題，且地區間和同一地區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需要，但存在嚴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，從施肥的養分效率來看，河北省小麥、玉米的氮肥偏生產力水平明顯偏低，主要原因是過量施氮問題。小麥的磷肥偏生產力較低，僅為47.3 kg/kg，也說明小麥施磷量過高。河北省小麥和玉米的鉀肥偏生產力都處于較高水平，平均為102.9和136.1 kg/kg，說明適當施用鉀肥可以有較好的增產效應，其中玉米鉀肥偏生產力較小麥高，可能與玉米產量水平較高有關?？傮w來看，河北省冬小麥、夏玉米農民習慣施肥中存在比較嚴重的氮磷鉀肥施用不平衡問題，需要引起重視。

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

本研究中發現，冬小麥、夏玉米施肥產量均隨著基礎產量的提高呈極顯著的線性增加趨勢，這一結果與魯艷紅等[13]在水稻、李忠芳等[5]在玉米、小麥和水稻上的研究結果類似。而隨著基礎產量水平的提高，地力貢獻率也明顯提高，說明基礎產量對小麥、玉米可獲得產量起到了決定性作用。河北省農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%相比已經有了明顯的提高。農田地力貢獻率的提升與農田土壤基礎肥力的提高密切相關，土壤肥力提升保證了作物產量水平的提高和高產、穩產的實現，起到了“水漲船高”的作用[16]。此外，農田土壤養分殘留和環境養分沉降可能也對農田基礎產量和基礎地力貢獻率造成明顯的影響。土壤養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系，Jia等[17]研究認為，小麥收獲后殘留氮素在下茬夏玉米的利用率高達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?？梢?，農田土壤氮素殘留和環境養分可能也是農田基礎產量明顯提高的重要原因。除此之外，施肥、秸稈還田、耕作栽培技術的改進、品種改良等都對土壤基礎產量的提高有促進作用，對上述因素對土壤基礎生產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 結論

通過對河北平原2011～2014年小麥、玉米測土配方施肥農戶示范試驗的數據分析，可以得出如下結論：

(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、夏玉米平均農田基礎產量分別為4 509和5 979 kg/hm2，農民習慣施肥平均產量分別為6 390和7 905 kg/hm2，不同地區間產量存在明顯差異。

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

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

[1] 周鳴錚.測土施肥的科學基礎[J].土壤通報,1984,15(4):156-160.

[2] 王竺美,周鳴錚.浙江省水稻土基本肥力與水稻最高可得產量之間的關系探討[J].土壤學報,1983,19(3):315-317.

[3] 田生昌,馬建軍.土壤基礎肥力對水稻產量的影響及施肥指標體系確立[J].中國農學通報,2015,31(27):1-4.

[4] 貢付飛,查燕,武雪萍,等.長期不同施肥措施下潮土冬小麥農田基礎地力演變分析[J].農業工程學報,2013，29(12):120-129.

[5] 李忠芳,徐明崗,張會民,等.長期施肥下中國主要糧食作物產量的變化[J].中國農業科學,2009,42(7):2407-2414.

[6] 湯勇華,黃耀.中國大陸主要糧食作物地力貢獻率和基礎產量的空間分布特征[J].農業環境科學學報,2009,28(5):1070-1078.

[7] 謝錦良,方萍.水稻基礎產量與最高產量的分布模型及相互關系[J].浙江農業大學學報,1994,20(3):317-321.

[8] Fan M S,Lal R,Cao J,et al.Plant-based assessment of inherent soil productivity and contributions to China’s cereal crop yield increase since 1980[J].PLoS ONE，8(9):e74617.doi:10.1371/journal.pone.0074617.

[9] 河北省人民政府.河北經濟年鑒 [M].北京:中國統計出版社，2015.

[10] 黃少輝,楊云馬,劉克桐,等.河北夏玉米產量潛力、產量差與氮肥效率差分析[J].玉米科學,2016,24(5):123-127,135.

[11] 查燕,武雪萍,張會民,等.長期有機無機配施黑土土壤有機碳對農田基礎地力提升的影響[J].中國農業科學,2015,48(23):4649-4659.

[12] 賈良良,孫彥銘,劉克桐,等.近30年河北省低平原區的糧田土壤肥力演變[J].河北農業科學,2016,(3):41-43.

[13] 魯艷紅,廖育林,周興,等.長期不同施肥對紅壤性水稻土產量及基礎地力的影響[J].土壤學報,2015,52(3):597-606.

[14] 張水清,黃紹敏,婁翼來,等.華北潮土區不同肥力水平土壤基礎地力研究[J].中國農學通報,2016,32(20):97-100.

[15] 湯勇華,黃耀.中國大陸主要糧食作物地力貢獻率及其影響因素的統計分析[J].農業環境科學學報,2008,27(4):1283-1289.

[16] 王飛,林誠,李清華,等.長期不同施肥方式對南方黃泥田水稻產量及基礎地力貢獻率的影響[J].福建農業學報,2010,25(5):631-635.

[17] Jia S L,Wang X B,Yang Y M,et al.Fate of labeled urea-15N as basal and topdressing applications in an irrigated wheat-maize rotation system in North China Plain:I Winter wheat[J].Nutrient Cycling in Agro-ecosystem,2011,90:331-346.

[18] He C E, Liu X J, Zhang F S. Determining total N deposition using15N dilution technique in the North China Plain[J].Journal of Resources and Ecology,2010,1(1):75-82.