河南省玉米施肥效應對基礎地力的響應

徐 霞，趙亞南，黃玉芳，汪 洋，孫笑梅，葉優良*

（1 河南農業大學資源與環境學院/河南省農業綠色發展工程技術研究中心，河南鄭州 450002；2 河南省土壤肥料站，河南鄭州 450002）

玉米是中國第一大糧食作物，我國玉米產量呈逐年增高趨勢，2016年玉米總產量達2.20億噸，較10年前增產44.8%[1]。玉米品種的升級、播種面積的增加、施肥及管理措施的改進、基礎地力的提高是玉米產量提高的重要因素[2]。河南省是我國重要的玉米生產基地，1987年至2016年河南省玉米單產從3496 kg/hm2增加到5285 kg/hm2，增加了1.5倍，同時河南化肥用量也從135.6萬噸增加到715.0萬噸，提高了5.3倍[3]。化肥施用在玉米產量提高中發揮了重要作用。河南省過量和不平衡施肥現象嚴重，不僅浪費了肥料資源、降低了肥料利用率，也加重了生態環境的壓力[4-5]。不同地力水平的土壤有不同的供肥特性和需肥特性，只有因地制宜才能真正做到合理施肥。因此，研究不同地力水平下玉米的施肥效果、經濟效益、土壤供肥能力及肥料利用率，對指導河南省科學施肥和生態保護具有重要意義。

氮磷鉀是作物生長發育的必需元素，大量研究表明施用氮磷鉀肥能夠顯著提高玉米產量[6-8]，但玉米對養分的利用率普遍不高，我國玉米的氮磷鉀肥農學效率平均分別為9.8、7.5、5.7 kg/kg，肥料利用率分別為26.1%、11.0%、31.9%，其中氮肥利用率小于30%的樣本占全國總樣本的60%，這主要是由于施肥過量和忽視土壤基礎地力造成的[9]。劉海濤等[10]研究了不同肥力條件下玉米產量構成的差異，并對通過施肥來提高低肥力土壤玉米產量的可行性進行驗證。高靜等[11]通過對12個肥力監測點長達19年的施肥量及玉米產量數據進行分析，表明了較高的土壤基礎地力是東北玉米高產穩產的保障。基礎地力較低，作物產量將逐年下降[12]，而基礎地力較高地塊即使50年后作物產量仍呈增加趨勢[13-14]。因此基礎地力對玉米獲得高產、穩產極其重要。玉米是河南省第二大糧食作物，2016年河南省玉米的播種面積達331.8萬公頃，占全國的9.02%，但總產量僅占全國的7.95%[1]。肥料施用不合理是河南省玉米單產難以提高的重要原因。河南省玉米的種植區域分布范圍廣，種植環境差異大，以往的研究大多是針對小區域的試驗，研究內容也以施肥措施對玉米產量、土壤肥力的影響為主，但對河南省整個區域內基礎地力與施肥效果、經濟效益之間關系的研究卻很少，因此探究不同基礎地力下玉米的施肥效果對指導玉米的科學施肥具有重要意義。本研究通過整理在河南省布置的885個“3414”田間試驗，分析了不同地力水平下的河南省玉米施用氮、磷、鉀肥的增產效果、經濟效益、肥料利用率等，以明確不同基礎地力水平下河南省玉米的施肥效果及肥料利用狀況，探究基礎地力對河南省玉米高產、穩產的影響，為玉米科學施肥提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本研究整理了2005—2013年國家測土配方施肥項目在河南省開展的885個玉米“3414”試驗。該試驗為多年多點試驗，研究區域涵蓋河南省77縣(市)，土壤類型主要有潮土、褐土、砂姜黑土、黃褐土等，試驗區耕層土壤pH 5.3～8.6(平均7.7 ± 0.6)，有機質 6.5～34.3 g/kg(平均 15.1 ± 5.3 g/kg)、全氮0.3～1.9 g/kg(平均 0.96 ± 0.2 g/kg)、有效磷 2.0～69.6 mg/kg(平均 17.5 ± 10.6 mg/kg)、速效鉀 25～309 mg/kg(平均 120.0 ± 47.8 mg/kg)。供試玉米品種主要包括鄭單958、浚單20、浚單22、魯單981、中科11等。

本研究選取“3 4 1 4”試驗設計中的處理N0P0K0、N0P2K2、N2P0K2、N2P2K2 和 N2P2K0，即不施肥處理 (CK)、缺氮處理 (-N)、缺磷處理(-P)、缺鉀處理 (-K) 和氮磷鉀配施處理 (NPK) 來進行數據分析。其中，NPK處理的施肥量由當地農技人員根據土壤特性、農民施肥習慣等確定，代表當地最佳施肥量。本研究所選取的數據中氮肥用量為N 90～270 kg/hm2，平均 208.7 ± 37.1 kg/hm2；磷肥用量為 P2O554～240 kg/hm2，平均 79.8 ± 19.4 kg/hm2；鉀肥用量為K2O 40～180 kg/hm2，平均77.4 ± 16.8 kg/hm2，各缺素處理不施用所缺的肥料，另兩種肥料用量與該試驗氮磷鉀配施處理一致。試驗所用氮、磷、鉀肥分別為尿素 (含N 46%)、過磷酸鈣 (含P2O512%) 和氯化鉀 (含K2O 60%)。磷、鉀肥和40%的氮肥于播種前基施，余下60%的氮肥于玉米大喇叭口期追施，并進行合理的田間管理。

1.2 樣品采集與測定

各試驗點于玉米播前以“S”取樣法取耕層(0—20 cm) 土壤樣品，室內風干后磨土、過1 mm和0.25 mm尼龍篩，然后用電位法測定土壤pH(水土比2.5∶1)；用重鉻酸鉀容量法測定有機質；用半微量開氏法測定全氮；用0.5 mol/L NaHCO3浸提―鉬銻抗比色法測定有效磷；用1 mol/L NH4OAc浸提―火焰光度法測定速效鉀[15]。

玉米生理成熟后，用實打實收的方式測定所有小區產量，最后折算為含水量為13%的最終產量。

1.3 數據處理與分析

不施肥條件下的作物產量反映了土壤的基礎供肥能力，本研究用CK處理的產量來表示。玉米施肥效果及肥料利用率的相關參數采用以下公式計算[16-19]：

式中，Y為施肥區玉米產量，Y0為無肥區玉米產量，F為施肥量。玉米價格按1.60 yuan/kg計，N、P2O5、K2O 的價格分別為 4.30、5.95 和 4.00 yuan/kg。

采用Microsoft Excel 2010軟件計算和處理試驗數據，用SPSS20.0軟件統計分析，LSD法檢驗處理間在P＜ 0.05水平的差異顯著性，ArcGIS10.2.2軟件制作地圖。

2 結果與分析

2.1 河南省玉米基礎地力等級劃分

河南省玉米CK處理產量，即基礎地力產量為2.43～9.27 t/hm2, 平均 5.50 t/hm2。按照 ＜ 4 t/hm2、4～6 t/hm2、6～8 t/hm2及 ＞ 8 t/hm2的產量梯度將基礎地力產量劃分為四個等級，其中四個地力等級從低到高的樣本量分別占總樣本的15.35%、49.42%、29.42%、5.81% (圖1)。可見河南省玉米基礎地力產量以4～6 t/hm2所占比例最大。

整理各市的基礎地力產量數據可以看出河南省整體基礎地力的空間差異 (圖2)。河南省的基礎地力水平從南至北呈逐漸增高的趨勢，其中信陽市和駐馬店市的基礎地力相對較低，處于 ＜ 4 t/hm2的水平；濮陽市的基礎地力相對最高，處于 ＞ 8 t/hm2的水平。分析各地力水平區域的土壤基本性質發現土壤有機質、全氮含量以地力水平 ＞ 8 t/hm2的區域最高 (16.3 g/kg、1.1 g/kg)，地力水平 ＜ 4 t/hm2的區域最低 (13.2 g/kg、0.93 g/kg)；土壤有效磷含量以地力水平為4～6 t/hm2的區域最高 (21.8 mg/kg)，地力水平 ＞ 8 t/hm2區域次之 (19.9 mg/kg)；土壤速效鉀含量以地力水平為6～8 t/hm2的區域最高 (130.6 mg/kg)，地力水平4～6 t/hm2的區域次之，地力水平 ＜ 4 t/hm2的區域最低；各區域的pH由南至北逐漸增大，為6.8(＜ 4 t/hm2) ＜ 7.7(4～6 t/hm2) ＜ 8.1(6～8 t/hm2) ＜8.3(＞ 8 t/hm2)。

圖1 河南省玉米基礎地力分布頻率Fig.1 Distribution frequency of inherent soil productivity of maize in Henan Province

2.2 不同地力水平下的增產效果

氮磷鉀配施條件下河南省玉米的產量為4.35～11.24 t/hm2，平均 7.79 ± 1.41 t/hm2。相比 CK 處理的增產量平均為2.32 t/hm2，增產率平均為48.14%，不同基礎地力下施用氮磷鉀的增產量及增產率均隨基礎地力水平的提高而降低 (圖3)。各地力水平下氮磷鉀配施的增產量分別為3.04 t/hm2(＜ 4 t/hm2)、2.49 t/hm2(4～6 t/hm2)、1.88 t/hm2(6～8 t/hm2)、1.12 t/hm2(＞ 8 t/hm2)，且各地力水平間差異顯著。各地力水平間氮磷鉀配施的增產率表現出和增產量一樣的變化趨勢，且下降趨勢更明顯。其中基礎地力產量＜ 4 t/hm2時的增產率平均達93.23%，而基礎地力產量 ＞ 8 t/hm2僅為 14.44%。

圖2 河南省基礎地力區域差異示意圖Fig.2 Regional difference in inherent soil productivity in Henan Province

圖3 不同基礎地力水平下河南省玉米氮磷鉀配施的增產量和增產率Fig.3 Maize yield increase and yield increase rate of NPK fertilizers under different inherent soil productivity in Henan Province

比較三種肥料的增產效果發現，總體以增施氮肥的增產效果最好，增產量平均1.68 t/hm2、增產率平均30.41%；磷肥次之，增產量平均0.85 t/hm2，增產率平均13.62%；鉀肥最低，增產量平均0.59 t/hm2，增產率平均9.74%。從地力水平方面來看，各個地力水平下氮、磷、鉀肥的增產效果表現出和氮磷鉀肥配施一樣的變化趨勢，即隨地力水平的提高，增產量和增產率均呈下降趨勢 (表1)。基礎地力產量從 ＜4 t/hm2到 ＞ 8 t/hm2各水平下增施氮肥的增產率分別為58.75%、31.10%、17.95%、11.09%，不同地力水平間差異顯著。比較不同地力水平下增施氮、磷、鉀肥的增產量和增產率發現，各處理均以基礎地力產量 ＜ 4 t/hm2下增施氮肥的增產效果最好，增產量平均達2.27 t/hm2；基礎地力產量 ＞ 8 t/hm2時增施鉀肥的增產效果最低，增產量平均為0.43 t/hm2，增產率平均僅6.94%。

2.3 不同地力水平下的施肥經濟效益

不同施肥處理下，CK、NPK、-N、-P、-K處理的產值平均依次為8797、12507、9839、11149、11527/hm2，以NPK處理產值最高。各施肥處理的施肥成本NPK處理平均為1689元/hm2，-K處理1371元/hm2，-P處理為1208元/hm2，-N處理為767元/hm2。各施肥處理的利潤NPK處理平均為10710元/hm2，-K處理10052元/hm2，-P處理為9812元/hm2，-N處理為8877元/hm2，氮磷鉀配施獲得利潤顯著高于其他三個處理 (表2)。

表1 不同基礎地力水平下河南省玉米氮、磷、鉀肥的增產量、增產率Table 1 Maize yield increase of N, P, K fertilizers under different inherent soil productivity in Henan Province

從地力水平的角度來看，各處理的產值均隨著基礎地力水平的提高而提高，地力水平間產值差異均顯著，NPK處理基礎地力產量 ＞ 8 t/hm2時，產值最高，達15407元/hm2。各處理的施肥成本隨地力水平的提高整體呈上升趨勢，＜ 4 t/hm2的施肥成本顯著較低，但其它地力水平間差異不顯著。相同處理的施肥利潤均隨著地力水平的提高而顯著增加，基礎地力產量 ＞ 8 t/hm2時，NPK、-N、-P、-K處理的施肥利潤依次為13736、13008、13194、13271元/hm2，遠高于基礎地力產量 ＜ 4 t/hm2時的8862、6161、7564、8288元/hm2。隨地力水平的增加各施肥處理的產投比表現出與施肥利潤一樣的變化趨勢，即逐漸增高，且各地力水平間差異均顯著 (表2)。

2.4 不同地力水平下的肥料利用率

按基礎地力產量水平分別整理河南省玉米氮磷鉀肥配施及增施氮、磷、鉀肥的農學效率和偏生產力發現，各處理的農學效率均隨地力水平的提高而逐漸下降，且各地力水平間差異顯著 (表3)。其中氮磷鉀配施的農學效率從基礎地力 ＜ 4 t/hm2到 ＞ 8 t/hm2分別為9.53、6.98、5.03、3.22 kg/kg。比較NPK處理和各缺素處理產量及各處理的施肥量可研究各單質肥料的肥料利用率。比較各處理的農學效率發現，增施磷肥的農學效率最高，平均為10.62 kg/kg，其次為增施鉀肥的農學效率 (8.44 kg/kg)，以氮磷鉀配施的農學效率最小 (6.41 kg/kg)。各處理的偏生產力隨著基礎地力產量水平的提高表現出與各處理農學效率相反的變化趨勢，即隨地力水平的提高而逐漸升高。其中氮磷鉀配施及增施氮肥在各地力水平下的偏生產力間均差異顯著，而增施磷肥及增施鉀肥在地力水平為6～8 t/hm2時的偏生產力與對應處理在地力水平為4～6 t/hm2及 ＞ 8 t/hm2時的偏生產力間差異不顯著。各施肥處理的偏生產力以氮磷鉀配施最小，平均為21.76 kg/kg，增施鉀肥的偏生產力最大，平均為103.03 kg/kg。

表2 不同基礎地力下河南省玉米施肥經濟效益 (yuan/hm2)Table 2 Economic benefit of maize production under different treatments in the four inherent soil productivity levels in Henan Province

表3 不同基礎地力下河南省玉米氮、磷、鉀肥的農學效率和偏生產力Table 3 Agronomic efficiency and partial factor productivity of N, P and K fertilizers in maize under different inherent soil productivity in Henan Province

2.5 不同地力水平下的地力貢獻率和肥料貢獻率

河南省玉米基礎地力貢獻率平均為67.0% (37.6%～97.6%)，隨基礎地力水平的提高其對產量的貢獻率逐漸升高 (圖4)。各地力水平下的地力貢獻率平均分別為：53.2% (＜ 4 t/hm2)、67.7% (4～6 t/hm2)、78.8%(6～8 t/hm2)、86.6% (＞ 8 t/hm2)。將-N 處理、-P 處理、-K處理的產量除以NPK處理的產量就得到土壤氮、磷、鉀地力貢獻率。河南省土壤氮素、磷素、鉀素地力貢獻率平均分別為78.3% (40.7%～100%)、88.5% (70.4%～100%)、90.0% (78.3%～99.3%)，總體以鉀地力貢獻率最大，磷地力貢獻率次之，氮地力貢獻率最小。從地力水平變化的角度來看，氮素、磷素、鉀素地力貢獻率均隨地力水平的提高而逐漸增高，其中各地力水平下土壤氮素的地力貢獻率分別為65.1% (＜ 4 t/hm2)、77.0% (4～6 t/hm2)、85.3% (6～8 t/hm2)、90.5% (＞ 8 t/hm2)。

各施肥處理的肥料貢獻率隨地力水平的提高而逐漸下降 (圖5)，其中以NPK處理的下降趨勢最明顯，鉀素肥料貢獻率下降的趨勢最緩和。河南省玉米肥料貢獻率平均為30.0% (2.07%～51.7%)，遠遠小于地力貢獻率。氮素、磷素、鉀素的肥料貢獻率小于氮磷鉀配施的肥料貢獻率，其大小為：氮素肥料貢獻率 ＞ 磷素肥料貢獻率 ＞ 鉀素肥料貢獻率。

3 討論

3.1 河南省基礎地力特征

圖4 不同基礎地力水平下的地力貢獻率Fig.4 The relative contribution of inherent soil productivity to maize yield under different inherent soil productivity

本研究表明，河南省玉米基礎地力貢獻率平均為67.0%，土壤氮素、磷素、鉀素地力貢獻率平均分別為78.3%、88.5%、90.0%。黃邵敏等[20]通過分析1991—2004年布置在河南省的長期定位試驗發現河南省潮土區玉米地力貢獻率平均為60.0%。黃興成等[21]研究發現我國南方黃壤區土壤基礎地力對玉米產量的貢獻率達59.0%。馬常寶等[22]分析了華北、華東潮土區土壤基礎地力及施肥對小麥、玉米產量變化的影響，發現潮土區土壤基礎地力對玉米產量的貢獻率平均為54%。劉芬[23]利用布置在陜西省的913個“3414”田間試驗分析了土壤基礎地力對玉米產量的影響，結果表明陜西省土壤基礎地力對玉米產量的貢獻率平均為62.6%。孫彥銘等[24]研究發現河北平原土壤對玉米產量的地力貢獻率為71.6%。可以看出，本研究土壤基礎地力對玉米產量的貢獻率要高于黃興成等、馬常寶等及劉芬的研究結果，也明顯高于黃邵敏2006年在河南省的研究，但略低于孫彥銘在河北省的研究。玉米生長環境、土壤供肥性等都會影響玉米基礎地力產量，氣溫、降水、前茬作物殘留肥量的變化也會引起基礎地力產量的變化。例如，長期定位試驗基礎地力貢獻率偏低，可能因為長期不施肥下土壤肥力耗竭，產量越來越低。陜西省、南方黃壤區基礎地力貢獻率偏低可能是氣候和土壤條件導致的肥力不高。河北省土壤肥力偏高可能與本地區大量施肥、秸稈還田等措施有關。此外，本研究的試驗數據來自不同的年度、不同的試驗點，而且作物品種的逐年更新也會影響基礎地力對產量的貢獻率[25]，由于習慣施肥量的提升，前茬作物殘留養分量增加，再加上秸稈還田等措施河南省基礎地力呈上升趨勢[26]。

3.2 基礎地力與施肥效應的關系

圖5 不同基礎地力水平下的肥料貢獻率Fig.5 The relative contribution of fertilizer to maize yield under different inherent soil productivity

參照徐春麗等[2]、黃興成等[21]的地力分級標準，將河南省玉米基礎地力產量劃分為 ＜ 4、4～6、6～8、＞ 8 t/hm2四個地力水平，以研究不同地力水平下的施肥效果。劉海濤等[10]研究表明，高肥力土壤可使玉米獲得高產，低肥力土壤雖然可以通過施用化肥而使玉米的產量得以提高，但卻無法達到高肥力土壤的產量水平，而且會導致玉米收獲指數的降低。黃興成等[21]將黃壤區玉米基礎產量與施肥后產量進行線性擬合，發現隨基礎地力的提升玉米施肥后產量呈線性升高，且相關性極顯著。高靜等[11]利用布置在東北黑土區的長期定位試驗將玉米基礎地力產量與施肥后產量進行擬合也發現了這一規律。另外，在經濟效益方面各施肥處理玉米種植的最終收益及施肥產投比也均隨地力水平的提高而逐漸升高，且各地力水平間差異顯著。這一趨勢在張愛君等[27]的研究中也有發現。因此，提高土壤基礎地力是可以保證玉米高產穩產、獲得更高經濟收益的重要措施，應通過秸稈還田、增施有機肥、施用改良劑等措施培肥土壤、提高基礎地力。張靜等[28]研究表明，秸稈還田可以提高土壤基礎地力，對下茬作物也有明顯的增產效果。查燕等[29]研究表明長期配施有機肥，再加上秸稈還田對于低肥力農田的培肥、基礎地力的提升有顯著作用，對于中、高肥力農田也有保持肥力，確保作物高產、穩產的作用。另外用適宜比例的生物炭、有機肥和緩釋氮肥替換部分化肥氮也可實現土壤地力的可持續性提高[30]。

3.3 基礎地力對增產效應的影響

整理不同地力水平下的增產效果發現，河南省玉米各施肥處理的增產量及增產率均隨著地力水平的提高呈下降趨勢，其中NPK處理在地力產量 ＜ 4 t/hm2時的增產量和增產率分別為3.04 t/hm2、93.23%，而在基礎地力產量 ＞ 8 t/hm2時僅為1.12 t/hm2、14.44%，即隨土壤基礎地力的提高玉米施肥的增產效果呈降低趨勢，這與劉芬[31]、徐春麗[2]的研究結果基本一致。另外，本研究還發現隨著基礎地力的提升各施肥處理的肥料貢獻率逐漸下降，即玉米產量對化肥的依賴性降低。王寅等[7]在吉林省玉米施肥效果的研究中發現，肥料貢獻率隨基礎地力的提高呈明顯的下降趨勢。這一規律在其它作物上也有發現，魯艷紅等[32]探討了不施肥條件對水稻產量、土壤基礎地力的影響，通過擬合發現施肥對水稻產量的肥料貢獻率隨地力水平的升高而下降，相關性極顯著。因此，在對河南省玉米進行施肥管理時應根據土壤基礎地力狀況制定相應的施肥方案。重視南部及中部中、低等地力尤其是低地力土壤的管理，通過秸稈還田、增施有機肥等措施的培肥土壤，提高基礎地力。而對高地力土壤應適量減少肥料施用，提高玉米對土壤中養分的利用，充分發揮基礎地力的作用，以提高養分資源利用效率，為玉米持續高產、穩產打下基礎。

4 結論

河南省基礎地力對玉米產量的貢獻率較高，在地力產量水平 ＜ 4、4～6、6～8、 ＞ 8 t/hm2時依次為53.2%、67.7%、78.8%、86.6%，平均為67.0%。土壤氮素、磷素、鉀素基礎地力對玉米產量的貢獻率平均分別為78.3%、88.5%、90.0%，以鉀肥的貢獻率最高。玉米產量、經濟效益、產投比、偏生產力均隨基礎地力的提升而顯著升高，因此，提高土壤基礎地力是保證玉米高產、獲得更高經濟收益的重要措施。隨著基礎地力水平的提高，各施肥處理的增產量、增產率、肥料農學效率、肥料貢獻率均呈顯著下降趨勢，即隨地力的提升玉米產量對外源肥料的依賴性降低。因此，應在養分管理中重視土壤培肥，通過氮磷鉀及有機肥的平衡施用提高基礎地力，并根據不同地力水平的供肥特性制定相應的施肥方案，以確保實現玉米可持續性高產穩產、提高養分利用效率、節本增收。