邊界線法解析冀中南麥區基礎地力產量的土壤養分影響因子

黃少輝，賈良良，楊云馬，劉克桐

?

邊界線法解析冀中南麥區基礎地力產量的土壤養分影響因子

黃少輝1,3，賈良良1※，楊云馬1，劉克桐2

（1. 河北省農林科學院農業資源環境研究所，石家莊 050051；2. 河北省農業廳土壤肥料總站，石家莊 050021； 3. 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

基礎地力產量是表征土壤生產能力的重要指標，對基礎地力產量及土壤養分影響因子的研究可為河北省中南部冬小麥產區地力提升及增產提供指導和理論依據。該文利用河北省2006—2013年測土配方施肥項目布置的876個示范試驗數據，研究了河北中南部冬小麥基礎地力產量、產量差及基礎地力貢獻率，利用邊界線分析方法，將農田土壤養分因子對基礎地力產量差的貢獻率進行了定量化，解析了土壤養分影響因子。結果表明：河北冬小麥基礎地力產量在1 080～7 404 kg/hm2之間；以最高產量為參照，各試驗點的基礎地力產量差為69～6 324 kg/hm2（平均值為2 831 kg/hm2）。基礎地力對農戶產量的貢獻率均值為71.1%，基礎地力貢獻率隨基礎地力產量的增加而提高，呈顯著正相關關系，基礎地力小麥產量每提高1 000 kg/hm2，基礎地力貢獻率提高8%。應用邊界線分析方法對土壤養分因子與基礎地力產量進行分析，土壤pH、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀5種土壤養分因子與邊界點均有較好的擬合關系（2分別為0.837、0.881、0.750、0.682和0.951），土壤基礎養分對基礎地力產量差的貢獻率以有機質、pH值和堿解氮最高，分別為16.6%、10.9%和10.5%，速效鉀和有效磷的貢獻率分別為4.1%和2.9%，河北省農田土壤培肥時應優先提升有機質與堿解氮，并優先調節土壤pH。河北省冬小麥田土壤在pH值8.1、有機質24.6 g/kg、堿解氮120.6 mg/kg、有效磷12.4 mg/kg、速效鉀89 mg/kg時養分效率最高，是農田土壤最優養分目標。邊界線方法能夠對區域尺度基礎地力產量土壤養分影響因子進行分析，可為農田土壤培肥指明方向。

土壤；肥力；邊界線分析；基礎地力；產量；影響因子

0 引 言

土壤基礎地力是影響作物產量的重要因素，常以不施肥下作物產量來表征[1-2]。土壤基礎地力產量差是衡量土壤基礎地力高低最直觀、最可靠的指標。通過低產田改造，中國糧食產量可增加390億kg，潛力巨大[3]。河北省中南部是中國小麥主產區之一，產量位居全國第5[4]，常年播種面積240萬hm2，占全國9.7%，這一區域對保障全國糧食安全非常重要。河北省小麥施肥量高、養分效率低、環境減排壓力大，尤其是在當前國家實施“化肥零增長”戰略，提高土壤基礎生產能力是在少投入化肥的情況下保證高產穩產的重要途徑。因此，提升這一區域的基礎地力水平成為重要的研究課題。曾祥明等[5]通過長期定位試驗研究指出基礎地力越高，作物施肥產量越高。對基礎地力差異的研究可以為區域合理保育耕地、可持續生產提供指導。土壤基礎地力貢獻率是指不施肥處理作物產量與施肥處理作物產量的百分比，可以評價農田土壤供應養分的能力，對作物產量有顯著的影響[6]。湯勇華等[7]研究指出中國小麥、玉米和水稻產量的地力貢獻率分別為43.06%、51.06%和61.93%。梁濤等[1-2,8]研究表明基礎地力貢獻率與基礎地力呈顯著正相關系，基礎地力越高，作物可獲得產量越高，地力對施肥的產量貢獻率越大。有研究指出，土壤基礎地力產量與土壤養分有顯著的相關關系。魯艷紅等[9]通過對紅壤長期定位試驗的研究指出，土壤有機質、全氮、速效鉀是影響土壤基礎地力差異的主要養分因子；趙秀娟等[10]通過對褐土區的研究指出，有效磷、速效鉀以及有機質是褐土區基礎地力差異的主要影響因素。定量化土壤基礎地力養分因子對基礎產量的貢獻對改善土壤肥力、提高基礎產量水平具有重要意義。邊界線（boundary line）的概念在1972年由Webb[11]首先提出，他指出在任何2個有著因果關系的變量中都有1條存在于數據體邊界上的、表示群體中最佳表現的線，稱為邊界線。邊界線分析（boundary line analysis）可從復雜的多因素中孤立出某個因素，廣泛應用于分析單因素對產量的限制程度，適用性較好，土壤、農戶管理等因素都可分析[12-14]。近年來邊界線分析方法在作物和生態學等學科研究中廣泛應用，Wang等[15]利用邊界線分析方法解析了生物因素、管理措施、土壤養分狀況及地膜措施對非洲咖啡種植的影響； Abravan等[16]利用邊界線分析方法指出在伊朗東部地區油菜種植中最佳施肥量為N 122 kg/hm2，P2O549 kg/hm2，K2O 34 kg/hm2和S 40 kg/hm2。在中國也有所應用，梁海波等[17]在海南木薯產區的木薯產量差影響因素進行分析后指出，肥料N、P2O5、K2O對產量差的貢獻率分別為6.3%、11.0%和6.3%；郝曉然[18]對河北省夏玉米高產田限制因素的解析中，也應用邊界線分析方法定量化土壤肥力因子對產量的貢獻率，最高為有效磷、有機質和速效鉀，分別為16%、12%和12%。目前，針對土壤基礎地力產量及土壤基礎地力產量差的邊界線分析方法應用較少，尤其是針對河北小麥產區基礎地力產量及養分因子對基礎地力產量的限制方面研究更少。因此，本研究以河北省2006—2013年測土配方施肥數據庫數據為基礎，采用產量差及邊界線方法進行研究，擬解決以下問題：1）明確河北冬小麥土壤基礎地力產量、土壤基礎地力產量差及基礎地力對產量的貢獻率；2）定量化土壤養分因子對基礎地力產量差的貢獻率，以期為河北省小麥產區地力提升提供指導與理論依據，并為解析產量影響因素提供方法參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

本文以河北冬小麥種植區為研究區域，主要包括冀中南平原區和太行山山前平原區，面積約為240萬hm2。這些地區土壤肥沃，年均降雨量在500 mm左右，但小麥生育期降雨量僅100 mm左右，無霜期170～190 d，常年積溫4 200～4 800 ℃，熱量光照充足，主要種植模式是冬小麥-夏玉米輪作。土壤類型包括潮土、褐土、棕壤等河北省主要土壤類型。

本研究選取2006—2013年測土配方項目在河北省布置的田間示范所取得的876個試驗點數據（非定位試驗，每年會選取不同的試驗點），示范試驗點分布如圖1所示。試驗所選點位前10年歷史種植模式均為小麥玉米輪作，一年兩熟。且每個點位均可灌溉。示范試驗設置不施肥、農戶施肥和配方施肥3個處理，每個處理面積大于0.067 hm2，不設重復，除施肥外其他管理3個處理保持一致。本研究選取不施肥和農戶習慣施肥2個處理來研究基礎產量及基礎地力貢獻率，其中涉及的示范點耕層土壤情況為pH值6.5～9.3、有機質0.6～60.2 g/kg、堿解氮10～198 mg/kg、有效磷0.3～59 mg/kg、速效鉀17～293 mg/kg（表1）。農戶習慣施肥以化肥為主，平均氮肥投入量289 kg/hm2，磷肥（P2O5）127 kg/hm2，鉀肥（K2O）63 kg/hm2，農戶間施肥差異較大（表1）。研究區域2006—2013年平均降雨量為482 mm，小麥生長季降雨量分別為157.0、212.2、80.1、65.3、53.1、82.3、94.6 mm，平均為106.4 mm；灌溉管理中每年10月中旬造墑播種（灌水40 mm左右），第2年3月下旬返青期灌水70 mm左右，5月灌漿期灌水70 mm左右，保證小麥生育期水分充足。

圖1 試驗點分布圖

表1 土壤化學指標與施肥量統計特征值

1.2 樣品采集與測試

土壤樣品采集在每年10月上旬（夏玉米收獲后）進行，各處理之字形選取9取樣點，采集0～20 cm耕層土壤，組成混合代表樣，除去雜物后風干，碾碎過篩后進行測試。土壤養分參考鮑士旦[19]提供的方法進行測試，其中pH采用電位法（水土比5∶1），堿解氮采用1.0 mol/L NaOH擴散法，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀采用1.0 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法，有機質采用外加熱重鉻酸鉀容量法進行測定。小麥產量為實測產量。

1.3 數據處理

基礎地力用不施用任何肥料的作物產量來表征[1-2]，本研究以不施肥區小麥產量表示。

基礎地力貢獻率指基礎地力產量占施肥后總產量的百分比，即基礎地力貢獻率=不施肥區產量/農戶常規施肥區產量×100%[6,10]。

基礎地力貢獻率分布頻率指某一特定貢獻率范圍內的樣本數占總樣本數的百分比，即基礎地力貢獻率分布頻率%=某貢獻率范圍內樣本數/總樣本數×100%[20]。

本研究選取土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量及土壤pH值5個肥力指標作為影響因子進行解析，此5個指標也被稱為“基礎五項”，具有較高普遍性，是土壤基礎肥力情況的反映，其與基礎地力產量有很大相關性，且在土壤培肥或土壤肥力演變的研究中也多是以此5個指標為研究重點。

本研究使用邊界線分析方法對土壤養分因子對基礎產量差的貢獻率進行解析。如圖2所示，每個數據點對應的軸均有一個對應的最高值（某一養分因子對應的產量最高的點），此點稱為邊界點，將所有點的邊界點尋找出來（按照養分因子排序后，利用Excel表格中的if公式求出），邊界點擬合不同的方程后可得這些點的邊界線，之后再進行如下分析[16-17]：1）以876組數據中不施肥區最高產量為基準，計算與每個產量點的差值即為基礎地力產量差（產量差=最高產量-實際產量）；2）將某點的土壤養分因子數值代入邊界線方程中可以得到此點的模擬產量；3）找出最高模擬產量，由于最高模擬產量與這一點的模擬產量的差值是由此因子造成的，因此定義為此因子可解釋的產量差；4）此因子可解釋的產量差占基礎地力產量差的百分比則為該因子對基礎地力產量差的貢獻率；5）求出所有點對應的該因子對基礎地力產量差的貢獻率，再求平均值即為此因子對基礎地力產量差的貢獻率。

圖2 邊界線分析示意圖

1.4 統計分析

本文采用Excel 2007對數據進行統計、整理、分析，采用SPSS 18進行相關性分析，采用SAS軟件進行二次加平臺曲線擬合，應用Excel 2007軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 河北省冬小麥基礎地力產量與產量差

河北省基礎地力小麥產量在1 080～＜7 404 kg/hm2之間，平均值為4 573 kg/hm2，產量在4 500～＜6 000 kg/hm2之間的試驗點分布頻率最高，為44.5%（表 2）。以最高產量為參照，與對應每個試驗點的差值，作為基礎地力產量差，其范圍在69～6 324 kg/hm2，平均值為2 831 kg/hm2，占基礎地力產量均值的61.9%，產量差在2 000～＜3 000 kg/hm2之間的試驗點分布頻率最高，為34.9%（表2）。因此，提升基礎地力，消除基礎地力產量差，河北省有很大提升空間。

表2 河北小麥基礎地力產量與基礎地力產量差分布頻率

2.2 河北省冬小麥基礎地力貢獻率

河北省冬小麥基礎地力貢獻率在26.8%～99.5%之間，平均值為71.1%，其分布頻率如表3所示，基礎地力貢獻率分布最高的區間為75%～＜85%，占總樣本數的29.9%，其次為65%～＜75%，占總樣本數的24.2%。可見，基礎地力是河北省小麥產量的重要貢獻因素之一。

表3 河北小麥基礎地力貢獻率分布頻率

基礎地力產量可反映土壤基礎供肥能力，將基礎地力小麥產量與基礎地力貢獻率作圖，結果如圖3所示：基礎地力貢獻率隨基礎地力小麥產量的增加而提高，符合顯著線性關系（=0.008+33.782，2=0.513，<0.01），即土壤供肥能力與基礎地力貢獻率存在顯著線性正相關關系，基礎地力小麥產量每提高1 000 kg/hm2，基礎地力貢獻率提高8%。說明基礎地力越高，基礎地力貢獻率越大，對肥料依賴程度越低。

圖3 基礎地力產量與基礎地力貢獻率的響應關系

2.3 基礎養分因子對基礎地力產量差異的貢獻率

采用邊界線分析方法，對基礎養分因子與基礎地力產量進行分析，5種基礎養分因子與小麥基礎產量的邊界線擬合結果如圖4所示，其中土壤pH值可擬合為二次曲線，有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀，可擬合為二次加平臺曲線，決定系數（2）分別為0.837、0.881、0.750、0.682和0.951，均達到極顯著水平（<0.01）。由邊界線擬合所得5種基礎養分因子對基礎地力產量差的貢獻率中，以有機質最高，pH值與堿解氮次之，分別為16.6%、10.9%和10.5%，再次為速效鉀與有效磷，分別為4.1%和2.9%（表4）。根據邊界線擬合得到5種土壤養分因子特征值，分別為pH 值8.1、有機質24.6 g/kg、堿解氮120.6 mg/kg、有效磷12.4 mg/kg、速效鉀89.0 mg/kg（表4），在此養分含量下，對應的模型擬合產量分別為7 359、7 383、7 422、7 267和7 406 kg/hm2。在此特征值附近時，土壤養分效率最高。低肥力土壤進行農田土壤培肥時，應將5種養分因子含量增加至特征值附近，低于特征值時養分含量不足，高于特征值時易造成養分浪費；高肥力土壤進行生產時，可將5種養分因子含量維持在特征值附近，可保證作物養分的高效。即在本研究條件下，河北省冬小麥生產時，此特征值為河北省農田土壤養分含量目標。

圖4 基礎養分與基礎地力產量的響應關系

表4 基礎養分對基礎地力產量差異的貢獻率

3 討 論

3.1 基礎地力產量及基礎地力貢獻率

基礎地力產量是衡量基礎地力高低最可靠、最直觀、最易接受的指標，是土壤培肥的重要指標[10]。基礎地力在產量形成中的貢獻率在50%以上（平均值71.1%），研究土壤基礎地力生產力對提高作物產量有重要作用[21]。有研究指出，西南地區玉米基礎地力產量平均為4 400 kg/hm2，基礎地力對施肥產量的貢獻率為57.1%[22]，低于本研究結論，與土壤類型與氣候條件有關。黃興成等[23]研究發現黃壤區馬鈴薯、油菜、玉米和水稻基礎地力產量分別為10 800、1 130、4 570和5 730 kg/hm2，地力貢獻率分別為50.8%、49.0%、59.0%和70.8%，水稻結果與本研究相近。有研究指出，河北平原高產記錄與農戶產量間的產量差達3 410 kg/hm2[24]，本研究表明河北省冬小麥基礎地力產量平均為4 573 kg/hm2，以農戶施肥為標準，基礎地力貢獻率為71.1%，基礎地力產量差的平均值達2 831 kg/hm2，占基礎地力產量均值的61.9%。這說明河北平原小麥產量差形成的很大因素，來自于基礎地力的差異。

基礎地力貢獻率與基礎地力產量呈顯著正相關，肥料貢獻率與基礎地力產量呈顯著負相關[17-19]。王寅等[25]通過對吉林省玉米施肥效果的研究指出肥料施用對產量的貢獻率隨土壤基礎養分供應能力的提高而下降，培肥土壤可減少玉米種植中對外源肥料的需求。張祥明等[26]也發現基礎地力越高的稻田越容易獲得高產，而且施肥增產幅度越來越低。提升土壤基礎地力可增加可以挖掘農田生產潛力、增加產量，并且能將肥料用量控制在適宜范圍內，降低農業環境污染，建立環境友好種植模式[27-29]。

3.2 基礎地力產量影響因素

影響基礎地力產量的因素主要有氣候、土壤和栽培管理3個方面，相較于土壤和栽培管理措施，氣候因素是不可控因素，其對產量及產量差的影響較復雜。對其研究在大區域尺度上有一定意義，但在給定的區域內，影響基礎地力產量的因素以土壤條件及栽培管理措施為主，如劉建剛等[30]對田塊尺度的研究指出不同田塊之間的產量差異主要由土壤及管理措施等可控因素造成的。水分條件對產量的形成有巨大影響[31]，本研究中所選試驗地塊均為保灌條件，且生育期灌溉充分，可以充分維持作物生長的條件，在本研究中不作為影響因子進行研究。對于土壤條件，有研究指出基礎地力與土壤速效鉀、有機質、有效磷、全氮等土壤養分因子密切相關[32-33]，張存嶺等[34]指出淮北砂姜黑土基礎地力產量和基礎地力貢獻率主要受土壤有機質和有效磷含量的影響，速效鉀含量尚不是限制因子。本研究僅從土壤肥力方面，以邊界線方法為基礎，定量化土壤基礎養分因子（pH值、有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀）對基礎地力產量差的貢獻率，發現有機質、pH值和堿解氮對基礎地力產量差的貢獻率最高，為16.6%、10.9%和10.5%，速效鉀和有效磷分別為4.1%和2.9%。這與湯勇華等[7]對北方冬小麥基礎地力的研究一致，均認為土壤有機質是最大的影響因素。本研究對基礎地力產量的養分影響因子的解析說明土壤有機質、pH值和堿解氮是影響河北省小麥基礎地力產量的主要影響因素。

3.3 邊界線分析方法結果的可靠性與實用性

邊界線作為一種新的方法，其最主要優勢在于能將單一因素的影響從多種復雜因素中孤立出來，從而解析限制因素，并量化單一因素對產量差的貢獻率。對于其結果的可靠性與實用性應進行深入的探討。以本研究為例，指出有機質、pH值和堿解氮是影響河北省小麥基礎地力產量的主要影響因素，其結果與大多數人的研究結果一致[7,10,18]。同時本研究通過對邊界線特征值的分析，指出最優土壤養分目標為pH值8.1、有機質24.6 g/kg、堿解氮120.6 mg/kg、有效磷12.4 mg/kg、速效鉀89.0 mg/kg，均與張福鎖[35]對土壤養分等級的劃分相一致，此養分目標均處在中或較高等級，土壤處于此等級時，養分利用率高，需投入肥料量較少。因此邊界線分析方法結果較可靠，實用性強。

但根據作者的經驗，對于邊界線分析方法的應用也需要首先進行思考，應首先對某一因素的作用效果有一個大致的判斷，從而選擇相應的模型進行模擬邊界線，再看決定系數是否符合要求。如土壤養分中有機質、速效鉀、有效磷與土壤的關系應為線性加平臺或者二次加平臺的關系，若只是以單純的二次或三次曲線模擬會造成結果與常規認知有所差別，造成結果的不準確。

4 結 論

1）河北冬小麥基礎地力產量平均值為4 573 kg/hm2，產量在4 500～6 000 kg/hm2之間的試驗點分布頻率最高，為44.5%，基礎地力產量差均值為2 831 kg/hm2，占基礎地力產量的61.9%。

2）河北冬小麥平均基礎地力貢獻率為71.1%，基礎地力貢獻率隨基礎地力小麥產量的增高而升高，符合顯著性線性關系，基礎地力小麥產量每提高1 000 kg/hm2，基礎地力貢獻率提高8%。

3）5種基礎養分對基礎地力貢獻率由高到低分別為有機質16.6%、pH值10.9%、堿解氮10.5%、速效鉀4.1%和有效磷2.9%，河北小麥生產土壤培肥應以調節土壤pH 值，提升有機質和堿解氮含量為重點。

4）由邊界線分析得出河北省小麥區土壤配肥目標為pH值8.1、有機質24.6 g/kg、堿解氮120.6 mg/kg、有效磷12.4 mg/kg、速效鉀89.0 mg/kg。

[1] 梁濤，廖敦秀，陳新平，等. 重慶稻田基礎地力水平對水稻養分利用效率的影響[J]. 中國農業科學，2018，51(16)：3106－3116. Liang Tao, Liao Dunxiu, Chen Xinping, et al. Effect of paddy inherent soil productivity on nutrient utilization efficiency of rice in Chongqing[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(16): 3106—3116. (in Chinese with English abstract)

[2] Fan M, 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, 2013, 8(9): e74617. doi:10.1371/journal.pone.0074617

[3] 曾希柏，張佳寶，魏朝富，等. 中國低產田狀況及改良策略[J]. 土壤學報，2014，51(4)：675－682. Zeng Xibai, Zhang Jiabao, Wei Chaofu, et al. The status and reclamation strategy of low-yield fields in China[J]. Acta Pedologica Sinica, 2014, 51(4): 675－682. (in Chinese with English abstract)

[4] 盧布，丁斌，呂修濤，等. 中國小麥優勢區域布局規劃研究[J]. 中國農業資源與區劃，2010，31(2)：6－12，61. Lu Bu, Ding Bin, Lü Xiutao, et al. Arrangement planning of Chinese wheat ascendant regions[J]. Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning, 2010, 31(2): 6－12, 61. (in Chinese with English abstract)

[5] 曾祥明，韓寶吉，徐芳森，等. 不同基礎地力土壤優化施肥對水稻產量和氮肥利用率的影響[J]. 中國農業科學，2012，45(14)：2886－2894. Zeng Xiangming, Han Baoji, Xu Fangsen, et al. Effect of optimized fertilization on grain yield of rice and nitrogen use efficiency in paddy fields with different basic soil fertilities[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(14): 2886－2894. (in Chinese with English abstract)

[6] 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. Cha Yan, Wu Xueping, Zhang Huimin, et al. Effects of long—term organic and inorganic fertilization on enhancing soil organic carbon and basic soil productivity in black soil[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(23): 4649－4659. (in Chinese with English abstract)

[7] 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. Tang Yonghua, Huang Yao. Spatial distribution characteristics of the percentage of soil fertility contribution and its associated basic crop yield in mainland China[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2009, 28(5): 1070－1078. (in Chinese with English abstract)

[8] 李忠芳，張水清，李慧，等. 長期施肥下我國水稻土基礎地力變化趨勢[J]. 植物營養與肥料學報，2015，21(6)：1394－1402. Li Zhongfang, Zhang Shuiqing, Li Hui, et al. Trends of basic soil productivity in paddy soil under long-term fertilization in China[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(6): 1394－1402. (in Chinese with English abstract)

[9] 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. Lu Yanhong, Liao Yulin, Zhou Xing, et al. Effect of long-term fertilization on rice yield and basic soil productivity in red paddy soil under double-rice system[J]. Acta Pedologica Sinica, 2015, 52(3): 597－606. (in Chinese with English abstract)

[10] 趙秀娟，任意，張淑香. 長期試驗條件下褐土地力貢獻率的演變特征及其影響因素分析[J]. 中國土壤與肥料，2017(5)：67－72. Zhao Xiujuan, Ren Yi, Zhang Shuxiang. Basic soil productivity change and influence factors analysis in cinnamon soil under long-term fertilization[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2017(5): 67－72. (in Chinese with English abstract)

[11] Webb R A. Use of the boundary line in the analysis of biological data[J]. Journal of Pomology & Horticultural Science, 1972, 47(3)：309－319.

[12] Makowski D, Dore T, Monod H. A new method to analyse relationships between yield components with boundary lines[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2007, 27(2): 119－128.

[13] Gunaratne G P, Hettiarachchi L S K, Jayakody A N. Boundary-line approach in specifying nutrient diagnosis ranges for vegetatively propagated tea in Sri Lanka[J]. Sri Lanka Journal of Tea Science, 2004, 69(12): 5－19.

[14] Evanylo G K, Sumer M E. Utilization of the boundary line approach in the development of soil nutrient norms for soybean production1[J]. Communications in Soil Science & Plant Analysis, 1987, 18(12): 1379－1401.

[15] Wang N, Jassogne L, Asten P J A V, et al. Evaluating coffee yield gaps and important biotic, abiotic, and management factors limiting coffee production in Uganda[J]. European Journal of Agronomy, 2015, 63(63): 1－11.

[16] Abravan P, Soltani A, Majidian M, et al. Factors limiting canola yield and determining their optimum range by boundary line analysis[J]. Iioab Journal, 2016, 7(8): 161－167.

[17] 梁海波，黃潔，韓全輝，等. 海南島木薯主產區產量差及限制因素分析[J]. 熱帶作物學報，2016，37(10)：1863－1871. Liang Haibo, Huang Jie, Han Quanhui, et al. Analysis of cassava yield gap and its limiting factors in main production areas of Hainan Island[J]. Chinese Journal of Tropical Crops, 2016, 37(10): 1863－1871. (in Chinese with English abstract)

[18] 郝曉然. 河北省夏玉米主產區高產田限制因素及土壤肥力特征分析[D]. 保定：河北農業大學，2015. Hao Xiaoran. The Research of Limiting Factors of Summer Cron High Yield and the Analysis of Feature of Soil Fertility in Hebei Province[D]. Baoding: Hebei Agricultural University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[19] 鮑士旦. 土壤農化分析：第三版[M]. 北京：中國農業出版社，2007：40－60.

[20] 黃少輝，楊云馬，劉克桐，等. 不同施肥方式對河北省小麥產量及肥料貢獻率的影響[J]. 作物雜志，2018(1)：113－117. Huang Shaohui, Yang Yunma, Liu Ketong, et al. Effects of different fertilization on wheat yield and fertilizer contribution rate in Hebei Province[J]. Crops, 2018(1): 113－117. (in Chinese with English abstract)

[21] 王偉妮. 基于區域尺度的水稻氮磷鉀肥料效應及推薦施肥量研究[D]. 武漢：華中農業大學，2014. Wang Weini. Evaluating Fertilization Effect and Fertilizer Recommendation of Nitrogen, Phosphorus and Potassium for Rice at A Regional Scale[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[22] 徐春麗，謝軍，王珂，等. 中國西南地區玉米產量對基礎地力和施肥的響應[J]. 中國農業科學，2018，51(1)：129－138. Xu Cunli, Xie Jun, Wang Ke, et al. The response of maize yield to inherent soil productivity and fertilizer in the southwest China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(1): 129－138. (in Chinese with English abstract)

[23] 黃興成，石孝均，李渝，等. 基礎地力對黃壤區糧油高產、穩產和可持續生產的影響[J]. 中國農業科學，2017，50(8)：1476－1485. Huang Xingcheng, Shi Xiaojun, Li Yu, et al. Effect of the inherent soil productivity on high, stable and sustainable yield of grain and oil crops in yellow soil region[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2017, 50(8): 1476－1485. (in Chinese with English abstract)

[24] 班紅勤，周冉，張華芳，等. 河北平原冬小麥增產增效潛力分析[J]. 麥類作物學報，2012，32(3)：478－483. Ban Hongqin, Zhou Ran, Zhang Huafang, et al. Potential to improve the yield and nitrogen use efficiency of on—farm winter wheat in Hebei plain[J]. Journal of Triticeae Crops, 2012, 32(3): 478－483. (in Chinese with English abstract)

[25] 王寅，馮國忠，焉莉，等. 吉林省玉米施肥效果與肥料利用效率現狀研究[J]. 植物營養與肥料學報，2016，22(6)：1441－1448. Wang Yin, Feng Guozhong, Yan Li, et al. Present fertilization effect and fertilizer use efficiency of maize in Jilin Province[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(6): 1441－1448. (in Chinese with English abstract)

[26] 張祥明，郭熙盛，武際，等. 江淮地區稻田基礎土壤肥力與水稻合理施用技術研究[J]. 中國農學通報，2009，25(15)：131－135. Zhang Xiangming, Guo Xisheng, Wu Ji, et al. Research on basic soil fertility and reasonable fertilization technology in paddy fields in the Jianghuai region[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2009, 25(15): 131－135. (in Chinese with English abstract)

[27] 張軍，張洪程，段祥茂，等. 地力與施氮量對超級稻產量、品質及氮素利用率的影響[J]. 作物學報，2011，37(11)：2020－2029. Zhang Jun, Zhang Hongcheng, Duan Xiangmao, et al. Effects of soil fertility and nitrogen application rates on super rice yield, quality, and nitrogen use efficiency[J]. Acta Agronomica Sinica, 2011, 37(11): 2020－2029. (in Chinese with English abstract)

[28] 周國朋，謝志堅，曹衛東，等. 稻草高茬-紫云英聯合還田改善土壤肥力提高作物產量[J]. 農業工程學報，2017，33(23)：157－163. Zhou Guopeng, Xie Zhijian, Cao Weidong, et al. Co-incorporation of high rice stubble and Chinese milk vetch improving soil fertility and yield of rice [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(23): 157－163. (in Chinese with English abstract)

[29] 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. Gong Fufei, Zha Yan, Wu Xueping, et al. Analysis on basic soil productivity change of winter wheat in fluvo-aquic soil under long-term fertilization [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(12): 120－129. (in Chinese with English abstract)

[30] 劉建剛，王宏，石全紅，等. 基于田塊尺度的小麥產量差及生產限制因素解析[J]. 中國農業大學學報，2012，17(2)：42－47. Liu Jiangang, Wang Hong, Shi Quanhong, et al. Analysis of yield gap and limiting factors for wheat on the farmland [J]. Journal of China Agricultural University, 2012, 17(2): 42－47. (in Chinese with English abstract)

[31] 胡瑋，嚴昌榮，李迎春，等. 氣候變化對華北冬小麥生育期和灌溉需水量的影響[J]. 生態學報，2014，34(9)：2367－2377. Hu Wei, Yan Changrong, Li Yingchun, et al. Impacts of climate change on winter wheat growing period and irrigation water requirements in the north china plain[J]. Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(9): 2367－2377. (in Chinese with English abstract)

[32] 魯艷紅，廖育林，聶軍，等. 連續施肥對不同肥力稻田土壤基礎地力和土壤養分變化的影響[J]. 中國農業科學，2016，49(21)：4169－4178. Lu Yanhong, Liao Yulin, Nie Jun, et al. Effect of successive fertilization on dynamics of basic soil productivity and soil nutrients in double cropping paddy soils with different fertilities[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(21): 4169－4178. (in Chinese with English abstract)

[33] 廖育林，魯艷紅，聶軍，等. 長期施肥稻田土壤基礎地力和養分利用效率變化特征[J]. 植物營養與肥料學報，2016，22(5)：1249－1258. Liao Yulin, Lu Yanhong, Nie Jun, et al. Effects of long-term fertilization on basic soil productivity and nutrient use efficiency in paddy soils[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(5): 1249－1258. (in Chinese with English abstract)

[34] 張存嶺，陳龍潭，曹承富，等. 淮北砂姜黑土地力貢獻與培肥技術研究[J]. 中國農學通報，2005，22(11)：244－246，264. Zhang Cunling, Chen Longtan, Cao Chengfu, et al. Study on the contribution of shajiang black soil fertilizer and the appropriate technical measures of applying fertilizer[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2005, 22(11): 244－246, 264. (in Chinese with English abstract)

[35] 張福鎖. 中國主要作物施肥指南[M]. 北京：中國農業大學出版社，2009.

Analysis on soil nutrient influencing factors of winter wheat yield gaps of basic soil productivity by boundary line method in central and southern Hebei province

Huang Shaohui1,3, Jia Liangliang1※, Yang Yunma1, Liu Ketong2

(1.,,050051,; 2.,050021,; 3.,,100081,)

Basic soil productivity is an important indicator of soil production ability and it can ensure wheat yield stabilization for food security. The improvement of basic soil productivity can increase the production potential of farmland, increase the yield, control the amount of fertilizer in the appropriate range, reduce agricultural environmental pollution, and establish an environmental-friendly cropping pattern. Basic soil productivity can be characterized by crop yield without fertilization and has significant correlation with soil nutrients. Central and southern Hebei province is one of the main wheat producing areas in China. The analysis of yield nutrient influencing factors will benefit the soil fertility improvement and yield increasing in Hebei Province. Using 876 winter wheat demonstration field trails’ data, which come from the national soil testing and fertilizer formulation project in Hebei province from 2006 to 2013, we studied the basic wheat yield and basic yield gaps distributions and analyzed the basic yield contribution rates. Soil fertility index including soil organic matter, available nitrogen, available phosphorus, available potassium and soil pH were selected as influencing factors of yield in this study. We quantified the contribution rates of each soil nutrient factor to the basic yield gap of soil productivity by using the boundary line analysis method. The result showed that the yield of basic soil productivity was between 1 080 and 7 404 kg/hm2with an average of 4 573 kg/hm2. Compared with the maximum yield, the yield gap was from 69 to 6 324 kg/hm2with the mean value of 2 831 kg/hm2. The average contribution rate of basic soil productivity was 71.1%. There was great potential to increase grain yield. The contribution rates of basic soil productivity were significantly positively correlated with the increase of basic yield. When the basic yield increased by 1 000 kg/hm2, the soil contribution rates increased by 8%. The increase of soil basic soil productivity led to the increase of contribution rates of basic soil productivity. Models were constructed by boundary line analysis to fit the relationships between soil nutrient factors and basic soil productivity. We found that the yield boundary point of the soil nutrient factors all had good fitting relationships. The pH simulation was quadratic curve, and soil organic matter, available nitrogen, available phosphorus and available potassium were quadratic platform curve. The soil organic matter had the highest contribution rate to the basis soil productivity yield gaps, which was 16.6%, followed by pH and available nitrogen with the contribution rate of 10.9% and 10.5%, respectively. The contribution rates of available potassium and available phosphorus were 4.1% and 2.9%, respectively. The results suggest that the soil organic matter, pH and available nitrogen may be the primary factors improving fertility in Hebei province. The boundary line analysis also showed that the soil nutrient factors of pH value 8.1, organic matter 24.6 g/kg, available nitrogen 120.6 mg/kg, available phosphorus 12.4 mg/kgand available potassium 89 mg/kgwere suitable for obtaining high yield of winter wheat. The boundary line analysis can be used to analyze regional scale soil nutrient factors for yield limiting, and guide the direction of soil fertility improvement for increasing basic yield productivity.

soils; fertility; boundary line analysis; basic soil productivity; yield; influencing factors

2018-08-22

2019-02-10

國家重點研發計劃（2016YFD0200105，2017YFD02017070）；河北省自然科學基金（C2016301025）；河北省農林科學院農業資源環境與綠色增長創新團隊項目

黃少輝，博士生，主要從事土壤質量調控及養分管理方面研究。Emall：shaohui1988@sina.com

賈良良，研究員，博士，主要從事農田養分管理方面研究。Emall：jiall@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.017

S158.3；S512.1

A

1002-6819(2019)-06-0141-08

黃少輝，賈良良，楊云馬，劉克桐. 邊界線法解析冀中南麥區基礎地力產量的土壤養分影響因子[J]. 農業工程學報，2019，35(6)：141－148. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.017 http://www.tcsae.org

Huang Shaohui, Jia Liangliang, Yang Yunma, Liu Ketong. Analysis on soil nutrient influencing factors of winter wheat yield gaps of basic soil productivity by boundary line method in central and southern Hebei Province [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(6): 141－148. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.017 http://www.tcsae.org