中国西南地区玉米产量对基础地力和施肥的响应

徐春丽，谢军，王珂，李丹萍，陈轩敬，张跃强,2，陈新平,2，石孝均,2

（1西南大学资源环境学院/农业部西南耕地保育重点实验室，重庆400716；2西南大学农业科学研究院，重庆400716）

0 引言

【研究意义】玉米是中国第一大粮食作物。2015年中国玉米种植面积达3 810万公顷，总产量达2.24亿吨，较 20年前增产 103.6%[1]，播种面积的增加、玉米品种的改良、施肥及栽培管理的进步以及土壤肥力的提升是玉米产量提升的重要因素。西南是中国玉米的主要产区之一，玉米主要种植在丘陵山地，水土流失严重，与北方相比该地区土壤肥力较低而且空间变异大，玉米普遍存在施肥量过高、肥料利用率低等问题。因此，探究西南地区不同施肥措施和基础地力对玉米产量的影响，对于指导西南地区玉米科学施肥和保护生态环境具有重要意义[2-3]。【前人研究进展】氮磷钾是作物生长发育必不可少的养分资源[4]，大量田间试验表明，施氮磷钾肥能显著提高玉米产量[5-7]。氮素是影响玉米产量的最重要的限制因子[8-9]，但是玉米对养分的利用效率不高，张福锁等研究[10]表明中国玉米氮磷钾肥的农学效率平均为9.8、7.5、5.7 kg·kg-1，利用率为26.1%、11.0%、31.9%，其中氮肥利用率低于30%的占总样本数的60%，其主要是由于施肥过量和忽视土壤养分利用。李忠芳等[11]研究表明，长期耕作下中国土壤基础地力变化趋势是旱地为下降，水田基本稳定。在土壤基础地力条件低的情况下，作物产量呈下降趋势[12]，而在基础地力高的条件下，50年后作物产量仍在增加[13-14]，表明土壤基础地力对产量有极其重要的影响。【本研究切入点】玉米作为西南地区的第二大粮食作物，种植面积常年在550万公顷，占全国玉米种植总面积的 16%，但是产量仅占全国的13%左右[15]，分布区域广，环境差异大，以往的研究结果主要集中在不同的施肥措施对玉米产量及土壤肥力的变化，但对西南地区玉米基础地力、施肥与产量之间关系鲜有报道，因而探究基础地力和施肥与玉米产量的关系对于指导不同土壤肥力下玉米的科学施肥显得尤为重要。【拟解决的关键问题】本研究选取2006年以来贵州、重庆、四川3个区域的508个试验点，探明西南不同玉米种植区域的基础地力状况、基础地力对玉米产量及施肥增产的影响，揭示基础地力对西南地区玉米高产、稳产和可持续生产的影响，为西南不同区域玉米合理施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究利用 2006年以来国家测土配方施肥项目在西南地区开展的508个玉米试验，试验分别在贵州、重庆、四川3个区域进行。贵州省年平均气温在14—16℃，全省平均年降水量在1 100—1 300 mm；重庆市年平均气温17.5℃，平均年降水量为1 125.3 mm；四川省年平均温度16—18℃，年降雨量1 000—1 300 mm。各区域玉米试验样本数分别为贵州 258个，重庆118个，四川132个。试验小区面积多为20—30 m2，试验地选择有代表性的农户地块进行，每个试验在同一地块只开展一季试验，种植方式均为一季春玉米，3月底至4月初播种，7月底至8月初收获（玉米品种见表1），试验开始前均为农民正常管理，不同区域供试土壤的基本性质见表2。

1.2 试验设计

每个试验选择5个施肥处理：不施肥（CK）、氮磷（NP）、氮钾（NK）、磷钾（PK）、氮磷钾（NPK）进行研究。氮磷钾肥料施用量按当地测土配方施肥结果推荐施用，3个区域的氮磷钾肥施用量见表1。施用的氮肥为尿素（N 46.4%），磷肥用过磷酸钙（P2O512%），钾肥用氯化钾（K2O 60%），其中磷肥和钾肥全部基施，氮肥按基肥∶拔节期追肥∶大喇叭口期追肥为4∶4∶2方式施用。

表1 西南不同区域玉米田间试验样本数和施肥量Table 1 Fertilization rate and major maize cultivars of different regions in the Southwest of China

表2 西南不同区域玉米试验点供试土壤基础理化性质Table 2 Physical-chemical properties of maize growing regions soils in Southwest of China

1.3 样品采集和测定

玉米种植前，各试验点均用“S”形取样法采集耕层（0—20 cm）土壤样品，室内风干后，土样分别过1 mm和0.25 mm筛，测定土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、pH。采用重铬酸钾容量法测定土壤有机质、半微量凯氏法测定土壤全氮、碱解扩散法测定土壤碱解氮、Olsen法测定土壤有效磷、醋酸铵浸提—火焰光度法测定土壤速效钾，pH计测定土壤pH（土水比1∶2.5）。

玉米成熟后，分小区进行收获测产，分别采集籽粒和秸秆样品进行氮磷钾养分含量测定，植株样品经H2SO4-H2O2消煮后，用凯氏定氮法测定全氮含量；钼锑抗比色法测定全磷含量；火焰光度计法测定全钾含量[16]。

1.4 数据处理与分析

土壤基础地力用不施任何肥料时的作物产量来表征[17]，本研究用不施肥区（CK）玉米产量表示；氮、磷和钾肥产量反应（yield response，t·hm-2，YR）为全量氮磷钾施肥小区产量与不施某种养分的产量差来表示。计算公式如下：

氮产量反应（YRN，t·hm-2）：YRN=YNPK-YPK

磷产量反应（YRP，t·hm-2）：YRP=YNPK-YNK

钾产量反应（YRK，t·hm-2）：YRK=YNPK-YNP

为了评价作物产量对土壤和肥料的依赖性，计算土壤贡献率（RCSoil）和肥料贡献率（RCFertilizer）。计算公式如下：

RCSoil（%）=YCK/YNPK×100%

RCFertilizer（%）=（YNPK-YCK）/YNPK×100%

土壤养分对产量的贡献用土壤养分贡献率Ci（contribution of nutrient supply to yield）表示，计算方法为土壤某养分的贡献率为缺乏该养分时的作物产量与平衡施肥时作物产量的百分比[18]。不同肥料的增产效果用肥料增产率Ii（increment rate by fertilizer）表示，计算方法为不施某种养分处理产量与平衡施肥产量差值占其百分比。计算公式如下：

土壤氮贡献率：CSN（%）=YPK/YNPK×100%

氮肥增产率：IFN（%）=（YNPK-YPK）/YPK×100%

农学效率（agronomic efficiency，kg·kg-1，AE）为单位施用养分的作物籽粒产量增量。计算公式如下：

氮农学效率（AEN，kg·kg-1）：AEN=（YNPK-YPK）/Fertilizer（N）

磷农学效率（AEP2O5，kg·kg-1）：AEP2O5=（YNPK-YNK）/Fertilizer（P2O5）

钾农学效率（AEK2O，kg·kg-1）：AEK2O=（YNPK-YNP）/Fertilizer（K2O）

采用线性回归[19]和边界线分析方法[20]量化基础地力对施肥产量和产量差的影响。边界线拟合方程如下：

式中，Y是边界线预测产量，Yatt是施氮磷钾肥处理可获得的最高预测产量，K、R为方程常数，YCK为不施肥处理玉米产量。根据边界线拟合得到的最高产量（Yatt）计算产量差（yield gap）。

作物产量的可持续性指数SYI（sustainable yield index）是衡量作物是否能持续生产的一个参数，SYI值越大，产量的可持续性越好。作物产量的稳定性用产量稳定性指数SI（stability index）衡量，SI值越低表明产量越稳定[21]。计算方法如下：

式中，STD(YNPK)、AVE(YNPK)和 MAX(YNPK)分别为氮磷钾肥处理产量的标准差、平均值和最大值。

数据处理和统计分析在 Microsoft Excel 2016 软件和Sigma Plot 12.5 软件中进行。

2 结果

2.1 西南地区玉米基础地力产量及其贡献率

田间试验结果表明（表 3），西南地区玉米土壤基础地力产量在 3.9—4.7 t·hm-2，平均为 4.4 t·hm-2，其中以贵州基础地力产量最高，为4.7 t·hm-2，相比重庆和四川地区，玉米产量分别增加 0.8 t·hm-2和0.4 t·hm-2。施肥可以显著提高玉米产量，在现有基础地力条件下，推荐施肥（NPK）产量在7.2—8.2 t·hm-2，施肥平均增产量为3.3 t·hm-2，增产率达75%。西南地区玉米地力贡献率和肥料贡献率平均分别为 57.1%和 42.9%，不同地区的地力贡献率和肥料贡献率也表现出差异，四川、重庆、贵州 3个地区基础地力对产量的贡献率分别为 57.7%、55.1%、57.7%，肥料对产量的贡献率分别为 42.3%、44.9%、42.3%，贵州的基础地力明显高于重庆和四川，基础地力对玉米产量的贡献率也明显高于其他地区，而肥料对产量的贡献率则小于其他地区。

玉米地力贡献率随着基础地力产量的提升而增加（图 1）。当基础地力产量由≤2 t·hm-2上升到＞6 t·hm-2时，重庆地力贡献率从 26.6%上升至 75.1%；四川地力贡献率从 34.5%上升至 75.5%；贵州地力贡献率从29.2%上升至75.2%。

图1 基础地力产量对地力贡献率的影响Fig. 1 Effect of inherent soil productivity on contribution rate of soil productivity

表3 西南地区玉米基础地力产量及其贡献率Table 3 Inherent soil productivity and contribution rate of soil productivity and fertilizer to maize yield in Southwest of China

2.2 西南地区玉米对施肥的产量反应及肥料效率

西南地区玉米对氮、磷、钾肥的平均产量反应分别为2.2、1.4、1.3 t·hm-2（表4），施肥可以显著提高玉米产量，西南地区不同肥料增产效果表现为氮肥＞磷肥＞钾肥，其中重庆地区的氮肥和磷肥增产效果最好，分别为 57.5%和 28.6%；钾肥的增产效果表现为贵州＞重庆＞四川。

表4 西南地区玉米产量反应、肥料增产率、农学效率、肥料利用率Table 4 Yield responses, fertilizer production rate, agronomical efficiency and fertilizer utilization rate in Southwest of China

2.3 西南地区玉米基础地力与施肥增产的关系

西南地区施肥对不同基础地力的增产效果显示（表 5），当基础地力越低，施肥增产效果越好，当基础地力≤2 t·hm-2，施肥增产达279.4%，当基础地力＞6 t·hm-2时，施肥增产为35.0%。施肥处理与基础地力产量的拟合直线显示（图 2，表 6），重庆、四川、贵州及整个西南地区玉米施肥产量与基础地力产量拟合直线决定系数分别达 0.356、0.393、0.448 和0.434（P＜0.0001），直线斜率均为正，表明随着地力的提升，施肥产量也随之提高，较高的基础地力有利于作物的高产。

边界线分析结果表明（图 2，表 6），重庆、四川、贵州及整个西南地区玉米符合边界线拟合（P＜0.001），据此计算出重庆、四川、贵州的施肥高产潜力分别为 11.5、12.7、12.6 t·hm-2，整个西南地区的施肥高产潜力为 11.7 t·hm-2。

西南地区不同基础地力分级下玉米的产量差随着基础地力的提升均呈降低趋势（图3）。当基础地力由≤2 t·hm-2上升到＞6 t·hm-2时，重庆、四川、贵州的产量差的范围分别为 0.7—8.0、1.3—8.4、0.6—8.2 t·hm-2。

表5 施肥对不同基础地力的增产效果Table 5 Effects of increase production on fertilization to different inherent soil productivity

图2 基础地力与玉米施肥产量的关系Fig. 2 Effect of inherent soil productivity on fertilization yield of maize

图3 基础地力对玉米施肥产量差的影响Fig. 3 Effect of inherent soil productivity on fertilization yield gap of maize

表6 基础地力与施肥产量的直线拟合和边界线分析Table 6 Linear fitting and boundary line analysis of inherent soil productivity and fertilization yield

2.4 西南地区玉米基础地力对作物施肥产量稳定性和可持续性的影响

从图4可见，随着土壤基础地力产量的提高，稳定性指数均降低，可持续性指数均上升，当基础地力由≤2 t·hm-2上升到＞6 t·hm-2时，产量稳定性指数从0.247降低至 0.123，可持续性指数从 0.493上升至0.672。因此，基础地力越高，会获得更高的玉米产量，且施肥可获得产量的稳定性和可持续性越高。

图 4 土壤基础地力对玉米产量稳定性（SI）和可持续性（SYI）的影响Fig. 4 Effect of inherent soil productivity on stability indexes(SI) and sustainable yield indexes (SYI) of fertilization yield for maize

3 讨论

3.1 西南地区基础地力产量的特征

大量试验结果表明土壤肥力与作物产量密切相关，基础地力贡献率和基础产量是衡量基础地力的综合指标，我们可以根据地力水平确定适宜的施肥量，因此探究西南地区基础地力水平尤为重要。本研究对西南地区重庆、四川、贵州3个省（市）的玉米基础地力进行了评价。结果显示，西南地区的平均基础地力产量为 4.4 t·hm-2，其中四川为 4.3 t·hm-2、重庆 3.9 t·hm-2、贵州 4.7 t·hm-2。查燕等[22]研究表明，基础地力与土壤有机质含量呈极显著正相关，贵州土壤有机质含量为33.2 g·kg-1，是3个地区中最高的。沈学善等研究表明川东丘陵区玉米基础地力产量为3.2 t·hm-2[23]；而有研究表明吉林玉米的平均基础地力产量为 6.6 t·hm-2[24]；新疆阜康玉米基础产量可达 8.68 t·hm-2[25]；张掖玉米基础地力产量为6.0 t·hm-2，进贤玉米基础地力产量为7.5 t·hm-2[11]。与其他玉米主产区相比，西南地区玉米基础地力产量均相对较低。本文的试验数据来自多点、不同年度试验，不施肥处理产量（即基础地力）将受上季作物施肥残留影响，其地力基础产量并非为真正地力基础产量，是土壤及环境综合作用的结果，基础地力受到土壤上季施肥残留、气温、降雨、栽培措施的影响，西南紫色土地区在玉米种植季降雨量大，导致养分和土壤流失较大，进而引起土壤退化，土壤基础地力低下[26]。国际长期定位试验研究也表明，基础地力对作物产量的重要性，在基础地力低且不施肥条件下，作物产量逐年下降，而在基础地力高不施肥的情况下，50年后作物产量仍然增加[12-14]。在高肥力土壤上施肥可以获得玉米的高产稳产，这一结果也得到国内已有研究结果的支持，高肥力土壤基础下的玉米产量显著高于中、低地力水平的玉米产量[27-28]，所以提高基础地力是提高玉米产量的重要措施，提升土壤的基础地力可以通过合理耕作、培肥施肥、施用调理剂，从而改良导致土壤养分流失快的障碍因子。大量的研究表明进行保护性耕作方式能提高土壤有机质含量，减少作物耗水量，进而提高土壤基础地力，增加玉米产量和水分利用效率[29-30]。查燕等研究表明有机肥和秸秆与化肥配施比单施化肥更能有效提高黑土区土壤有机碳含量，土壤有机碳含量每增加 1 g·kg-1，春玉米农田基础地力产量大约提高 220 kg·hm-2[22]，同时土壤有机碳含量与春玉米基础地力产量呈显著正相关（P＜0.01）。王红兰等研究发现使用生物质炭能够增加紫色土表层和亚表层总孔隙，其中半径＞500 μm 的大孔隙平均增幅高达 110%和355%，提高土壤持水性[31]，利于减少土壤侵蚀的发生。

3.2 基础地力对施肥增产的影响

土壤肥力和施肥措施是影响作物产量的重要因素。参照黄兴成等[32]的分级标准，本研究把基础地力分为≤2 t·hm-2，2—4 t·hm-2，4—6 t·hm-2，＞6 t·hm-24个等级，研究表明，西南地区基础地力≤2 t·hm-2占3%，2—4 t·hm-2为 42.2%，4—6 t·hm-2为 40.6%，＞6 t·hm-2为 14.2%。根据基础地力水平不同，通过合理施肥，可以达到玉米优产。西南地区玉米平均基础地力产量为 4.4 t·hm-2，增施氮磷钾肥后，施肥产量可达 7.7 t·hm-2，推荐施肥（NPK）的氮肥、磷肥和钾肥分别增产47.4%、24.3%、23.7%，表明施肥可以显著提高玉米产量，何萍等[33]研究表明，氮肥、磷肥和钾肥均能提高玉米产量，其分别增产1 889、954和973 kg·hm-2，其中氮肥对玉米有明显的增产作用，这与本研究结果一致；赵萍萍等[34]也发现在合理的施氮下玉米产量和收益都有显著提高。本研究中基础地力越低，施肥增产效果越高，基础地力越高，施肥增产效果越低，因此提高玉米土壤基础地力，可以减少对外援肥料的依赖，减少肥料的投入，从而降低肥料所带来的环境影响。

产量差（Ygap）常用来表示区域氮磷钾肥处理可获得的最高预测产量与试验现实生产力之差[20]，本文通过边界线分析表明，西南地区玉米施肥高产潜力可达到 11.7 t·hm-2，产量差高达 4.0 t·hm-2。研究表明，通过育种改良和缩减产量差可以提升粮食单产[35]，本研究发现随着基础地力提升，产量差随之降低（图3），表明提升土壤基础地力，可以缩减产量差，实现玉米的高产，这与黄兴成等的研究一致[32]。随着基础地力的提升，玉米施肥产量的稳定性和可持续性均提高（图4），这与梁涛等[19]的研究结果基本一致。综上，提升土壤肥力对玉米的高产、稳产和可持续生产至关重要，因而根据基础地力的高低确定合理的施肥量对于提高玉米产量具有重要作用。

4 结论

4.1 西南地区的四川、重庆和贵州的基础地力产量分别为 4.3、3.9、4.7 t·hm-2（平均 4.4 t·hm-2）；施肥产量分别为 7.4、7.2、8.2 t·hm-2（平均 7.7 t·hm-2）。边界线分析算出四川、重庆、贵州的施肥高产潜力分别为 12.7、11.5、12.6 t·hm-2（平均 11.7 t·hm-2）；地力贡献率分别为57.7%、55.1%、57.7%，地力贡献率随着基础地力产量的提升而增高；肥料增产效果为氮肥＞磷肥＞钾肥。

4.2 随着玉米基础地力的提升，玉米施肥产量提高，产量差降低，产量的稳定性和可持续性均提升。提高土壤肥力有助于西南地区玉米高产、稳产和可持续性生产。

致谢：本研究原始数据资料来自重庆、四川和贵州等省市开展的全国测土配方施肥项目，试验的具体实施由各省市土壤肥料工作总站牵头实施。在此，对长期在基层一线开展试验工作的农业工作者们表示感谢！

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