太行山前平原農田基礎地力對夏玉米產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.河北省農林科學院農業資源環境研究所，河北 石家莊 050051；2.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；3.河北省耕地質量監測保護中心，河北 石家莊 050021；4.河北省肥料技術創新中心，河北 石家莊 050051）

太行山前平原是河北省重要的夏玉米產區，在河北省糧食生產中占有重要地位，但這一地區農田作物施肥量高［1-2］，資源效率低［3］、生態和環境問題［4-6］也日漸突出。在當前農業綠色發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糧食作物穩產高產的重要保證。農田基礎地力是指在特定立地條件、土壤理化性狀下農田自身的生產能力［7］，提高基礎地力水平能夠提升作物施肥產量，降低產量差，有利于農田作物的高產穩產和可持續性［8］；Fan 等［9］的研究認為，我國華北小麥增產的43%、玉米增產的22%來自于土壤肥力水平提高相關的基礎生產力的提高。農田基礎地力與土壤養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分指標是土壤有機質、全氮和速效鉀，而趙秀娟等［11］針對褐土區基礎地力差異的研究認為，影響褐土區農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。已有的研究表明，河北省平原區農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、有效磷、速效鉀等對農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”試驗數據為基礎，分析了河北省山前平原區農田基礎地力對夏玉米產量及施肥增產的影響，并利用邊界線分析方法［16-18］確定河北省山前平原區夏玉米農田土壤肥力臨界指標，以期為解析山前平原區土壤肥力對作物產量的貢獻率、農田土壤培肥目標提供理論依據，是實現夏玉米綠色生產、農田化學肥料減施增效的國家戰略目標。

1 材料與方法

1.1 研究范圍

河北省太行山山前平原區是夏玉米的主要產區之一，主要包括邯鄲（5 個縣，分別是臨漳、成安、磁縣、肥鄉、永年）、邢臺（5 個縣，分別是柏鄉、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）等地區的部分縣（市、區）［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夏玉米田間試驗1125 個，試驗均選取在有代表性的農戶地塊進行，小區面積30～40 m2。試驗農田土壤有機質范圍在3.9～38.9 g/kg 之間，平均值為17.3 g/kg，變異系數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地測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、全氮、有效磷和速效鉀等土壤肥力指標。其中土壤有機質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，分小區收獲測產。

1.3 數據分析

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

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

基礎地力貢獻率（%）=YN0P0K0/YN2P2K2×100；

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

氮肥產量反應（kg/hm2）=YN2P2K2-YN0P2K2

磷肥產量反應（kg/hm2）=YN2P2K2-YN2P0K2

鉀肥產量反應（kg/hm2）=YN2P2K2-YN2P2K0

邊界線［16-18］是指存在因果關系的數據對中，有一條存在于數據體邊界上的、表示群體中最佳表現的線，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），對邊界點進行數學模型擬合。根據土壤養分與作物產量的關系，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，并據此計算各土壤肥力因子對產量差的貢獻率。

數據處理與統計分析采用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量邊界點的線性加平臺模型，以Sigma Plot 12.5 制作產量、產量反應廂式圖。

2 結果與分析

2.1 河北省山前平原夏玉米基礎地力產量

太行山前平原夏玉米基礎地力產量、不施氮產量、不施磷產量、不施鉀產量和優化施肥產量如圖1 所示。基礎地力產量在3222～9672 kg/hm2之間，平均值為6210 kg/hm2，變異系數為19.2%；不施氮處理產量在1527～11400 kg/hm2之間，平均值為7021 kg/hm2，變異系數為18.9%；不施磷處理產量為3729～11190 kg/hm2，平均值為7748 kg/hm2，變異系數為15.6%；不施鉀處理產量為4605～12206 kg/hm2，平均值為8017 kg/hm2，變異系數為15.2%；優化施肥處理產量為5400～12051 kg/hm2，平均值為8663 kg/hm2，變異系數為14.3%。從缺素對夏玉米產量的影響來看，氮對夏玉米產量的影響最大，不施氮較優化施肥減產18.9%，其次是磷，不施磷較優化施肥減產10.6%，影響最小的是鉀，不施鉀較優化施肥減產7.5%。基礎地力對產量的貢獻率在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量范圍內，基礎地力產量與優化施肥產量之間有極顯著的線性相關關系，隨著基礎地力產量的增加，施肥產量呈明顯的增加趨勢（圖2），基礎地力產量每增加1000 kg/hm2，配方施肥產量則增加585 kg/hm2。且基礎地力產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產高產，提高基礎地力水平對保障糧食安全具有重要意義。

2.3 不同基礎地力產量條件下施肥的產量反應

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

2.4 基礎地力產量與農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分指標有機質、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）的夏玉米產量進行擬合，各處理擬合的邊界點與土壤養分因子都有極顯著的線性加平臺關系（圖4）。其中，土壤有機質擬合得到的養分臨界值為14.3 g/kg，對應的平臺產量為9576.0 kg/hm2，提高土壤有機質對產量差的貢獻率為6.5%；土壤全氮擬合得到的土壤全氮臨界值為1.20 g/kg，平臺產量為10870 kg/hm2，提高土壤全氮對產量差的貢獻率為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，平臺產量為10609 kg/hm2，提高土壤有效磷對產量差的貢獻率為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，平臺產量為11237 kg/hm2，提高土壤速效鉀對產量差的貢獻率為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量差最為明顯。

表2 基礎養分對基礎地力產量差的貢獻率

3 討論

基礎地力對保障作物穩產、在施肥時獲取高產具有重要作用。河北省太行山前平原夏玉米基礎地力產量平均值為6233 kg/hm2，高于河北省農田基礎地力產量平均值5979 kg/hm2［15］，也高于黃淮海區基礎地力產量平均值5800 kg/hm2［24］，表明太行山前平原區的土壤基礎地力水平顯著高于華北平原其他地區，但顯著低于吉林春玉米區的6.6 t/hm2［25］。隨著基礎地力水平的提高，施肥處理的玉米產量也呈明顯的增加趨勢，基礎地力產量與施肥玉米產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量得到提高［9，18，26］。

產量反應是表征土壤養分供應能力和施肥后產量效應的一種方法，較高的產量反應預示著較低的土壤基礎肥力和較高的施肥增產效應，而較低的產量反應則表示較高的土壤基礎肥力和較低的施肥增產效應。從本研究結果來看，河北省太行山區平原區夏玉米氮肥的產量反應為1614 kg/hm2，磷肥產量反應為909 kg/hm2，鉀肥產量反應為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。

根據邊界線擬合得到的養分因子臨界值是土壤有機質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含量低于郝曉然［27］利用太行山麓平原農戶調查數據確定的土壤有機質含量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據樣本分布有關，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］采用的農戶調查（無不施肥處理）相比有較大的差距。當山前平原區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、全氮、有效磷和速效鉀對減少夏玉米產量差的貢獻率來看，有效磷和速效鉀的貢獻率（19.5%和16.1%）高于有機質和全氮（6.5%和9.1%），提示通過提高農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玉米產量水平，減少產量差具有更重要的意義。

4 結論

河北省太行山前平原夏玉米基礎地力產量平均值為6210 kg/hm2，基礎地力產量對夏玉米施肥產量的貢獻率平均為71.7%。在基礎地力產量范圍內，太行山前平原基礎地力產量與施肥產量、基礎地力產量和基礎地力貢獻率之間均呈顯著的線性正相關關系，基礎地力產量每增加1000 kg/hm2，施肥產量則增加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量反應最高，為1614 kg/hm2，磷、鉀肥的產量反應分別為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狀和土壤磷鉀肥力對基礎產量的貢獻率，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量差最為明顯，是河北省太行山前平原的重點培肥方向。