长期施肥下褐土生产力的演变及其影响因素

陈延华，王 乐，张淑香*，任 意，李春花，徐明岗，赵同科

（1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2 北京市农林科学院植物营养与资源研究所，北京 100097；3 全国农业技术推广服务中心，北京 100026）

褐土为暖温带半湿润地区地带性土壤，是我国重要的土壤类型之一，在我国许多省市均有分布，其中以山西分布面积最大，其次是河北、河南、甘肃、山东、陕西、四川、辽宁与北京等省市区，分布面积达到2516万公顷。褐土是我国粮食作物小麦和玉米的主产区，因此褐土生产力的高低对于我国的粮食安全起着重要作用。褐土的钾含量丰富，有机质、氮和磷含量中等偏低，锌、锰和铁等微量元素的有效性低，土壤呈中性到微碱性，整体肥力偏低，如何提高生产力是褐土区农业生产的重大问题之一[1–2]。因此褐土生产力的研究对于促进农业生产、保障我国粮食安全有着深远意义。

大量研究发现，地力是影响土壤生产力的一个重要因素。国际著名长期定位试验表明，在低肥力、不施肥情况下，土壤生产力持续下降[3]；在高肥力、不施肥情况下，种植作物50年后，土壤生产力仍在增加[4–5]，说明了土壤地力对土壤生产力的重要性。我国多个长期定位试验也得到相似的结论，在33年双季稻试验中，无论施肥或不施肥，土壤的生产力均随土壤基础地力提高而增加，增幅为12.8%～68.1%[6]。27年黄泥田水稻试验中，基础地力对早稻和晚稻的平均贡献率分别为47%和60%[7]。18年水稻—大麦轮作系统中，土壤地力对大麦和水稻生产力的贡献率分别为69%和75%[8]。24年潮土区试验玉米种植中，地力贡献率为49%～69%，小麦种植中，地力贡献率为34%～53%[9–10]。由此可见，多种土壤类型的地力对土壤生产力均有影响，因不同类型间肥力差异导致对生产力的贡献不同[11]。

除了地力因素外，施肥也是影响土壤生产力的主要因素。有研究表明，长期施用氮磷钾肥或氮磷钾肥配施有机物料有利于双季稻产量的增加[6,12]。砂姜黑土单施无机肥或无机肥与有机物料配施，小麦产量均呈逐年增高的趋势[13]。黄土高原30年氮磷钾配施下小麦产量增加，且高于单施氮肥和单施磷肥[14]。褐潮土和红壤19年长期定位试验也得到有机无机配施较单施化肥处理提高小麦产量的结论[11]。黄潮土区35年长期定位试验表明，不同施肥处理的小麦产量变化为：有机无机配施 ＞ 氮磷钾肥 ＞ 单施有机肥 ＞单施氮肥[15]。南方赤红壤8年的甘蔗试验数据显示，推荐施肥产量最高[16]。黑土35年长期定位试验表明，施肥处理小麦、玉米和大豆的产量总体呈上升趋势，而且平衡施肥和化肥配施有机肥的增产幅度最大[17]。李忠芳等[18–19]对20个长期试验点的8个肥料处理的分析，也得出了有机无机肥料配施对生产力促进作用最大的结论。

以往对褐土方面的研究较少，对褐土生产力的关注不高，褐土生产力的演变及影响因素方面更是缺乏长期定位试验的数据支撑。本研究分析了28个国家级褐土耕地质量长期监测点的资料，为全面掌握褐土生产力的演变趋势、影响因素及褐土培肥制订更科学的策略提供依据。

1 材料与方法

1.1 监测点概况

褐土国家监测点按照褐土的主要分布区域进行布局，主要位于河北 (4)、山东 (4)、陕西 (2)、山西(4)、河南 (5)、辽宁 (4) 和北京 (5)7个省市区，28个监测点。起始时间分别在1986年和1997年，二次监测点不完全吻合。监测时间1988—2016年，不同监测点的起始与监测时间有一定差异。其中，山西监测点属于一年一熟制，只有小麦产量，其他均为小麦–玉米一年两熟，也有少数监测点种植有其他作物。褐土监测点的基本情况见表1。

1.2 试验处理设计

每个监测点小区面积不小于334 m2。详细记录作物种类、肥料种类、施肥量、肥料养分含量等。空白处理不施肥，常规处理小麦季施化肥N 180～250 kg/hm2、P2O5120～150 kg/hm2、K2O 27～50 kg/hm2和有机肥，其有机肥N 0 ～455 kg/hm2(n =271，均值为72 kg/hm2，0值占38.75%，70.11%分布在100 kg/hm2以下)，P2O50～556 kg/hm2(n =272，均值为54 kg/hm2，0值占38.60%，80.51%分布在100 kg/hm2以下)、K2O 0～1335 kg/hm2(n =272，均值为130 kg/hm2。0值占38.60%，61.03%分布在100 kg/hm2以下)，小麦季秸秆还田。玉米季施化肥 N 95～270 kg/hm2、P2O540～120 kg/hm2、K2O 19～38 kg/hm2和有机肥，其有机肥N 0～239 kg/hm2(n = 301，均值为27 kg/hm2，0值占61.79%，83.72%分布在50 kg/hm2以下)，P2O50～309 kg/hm2(n =301，均值为15 kg/hm2，0值占62.47%，88.70%分布在 50 kg/hm2以下)，K2O 0～476 kg/hm2(n=301，均值为47 kg/hm2，0值占62.79%，82.39%分布在100 kg/hm2以下)。收获期分别测定各小区的产量，采用实打实收和随机取样脱粒测产。各处理于每年秋季采取耕层 (0—20 cm) 土壤，采样后送相应省级土壤测试中心进行测定，分析项目为土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量和pH值。

1.3 数据计算与统计方法

地力贡献系数=不施肥区的作物产量/施肥区的作物产量。

肥料养分农学效率为单位养分量所增加的作物经济产量。

运用SPSS 22 进行相关性分析及显著性检验，运用Origin9 作产量的箱式图。

式中：σ为标准差 (kg/hm2)；为平均产量 (kg/hm2)；Ymax为产量的最大值 (kg/hm2)。

2 结果与分析

2.1 褐土生产力的演变

土壤生产力反映的是土壤生产能力的高低，产量是土壤肥力在一定条件下的表现形式。褐土区长期不施肥耕作管理措施下，小麦和玉米的产量变化趋势相似，均为先降低，后缓慢升高 (图1)。小麦产量的均值为3175 kg/hm2(n = 227，CV=0.48)。监测初期 (1988—1991年) 小麦平均产量2505 kg/hm2，近期(2012—2016年) 平均3698 kg/hm2，比初期升高了47.59%。玉米产量的均值为4056 kg/hm2(n = 259，CV= 0.44)。2007—2011年，玉米平均产量最高，达到4446 kg/hm2，比1988—1991年的3244 kg/hm2增加了37.07%。

常规施肥小麦与玉米的产量均高于不施肥处理，小麦产量平均6124 kg/hm2(n=263，CV=0.26)，玉米产量平均7432 kg/hm2(n=301，CV=0.24)。变化趋势与不施肥处理不同 (图2)。小麦产量随施肥年数增加而升高，玉米产量基本维持平稳。1988—1991年间小麦产量为5112 kg/hm2，2012—2016年间增长到6483 kg/hm2，提高了26.82%。

由图 3 可见，与不施肥处理相比，施肥小麦和玉米平均增产2901 kg/hm2(n = 221，CV=0.60) 和3429 kg/hm2(n = 259，CV=0.55)。监测初始阶段(1988—1991年) 小麦增产量为 2530 kg/hm2，1992—1996年达到最高值3800 kg/hm2，之后逐渐下降，2002—2016年增产量2785 kg/hm2。监测初始阶段 (1988—1991年) 玉米增产量为4582 kg/hm2，1992—1996年达到最高值5066 kg/hm2，之后大幅降低，均值在3088～3385 kg/hm2。

可持续性指数 (SYI) 是衡量系统能否持续生产的一个重要参数，SYI值越大表明系统的可持续性越好[18]。变异系数 (CV) 是表征作物产量稳定性的指标，CV值越大表明系统的稳定性越差。由表2可见，长期施肥显著提高了小麦和玉米两种作物产量的SYI值，分别提高了54.82%和52.49%；同时降低了两种作物的CV值，分别降低了44.70%和40.77%，说明施肥提高了作物产量的可持续性和稳定性，从而提高了作物抵御气候等环境因素变化的能力。

表1 监测点褐土类型及基础养分含量Table 1 The species of cinnamon soil and the basic nutrient contents of the monitor sites for cinnamon soil

2.2 褐土生产力演变的影响因素

图1 褐土长期监测点不施肥下小麦、玉米产量Fig. 1 Crop yield under no fertilization on long-term observation sites of cinnamon soil

图2 褐土长期监测点常规施肥下小麦、玉米产量Fig. 2 Crop yield under conventional fertilization on long-term observation sites of cinnamon soil

2.2.1 褐土的地力贡献系数及其变化趋势 土壤地力贡献系数是反映农田土壤自身生产力和养分供给能力的重要指标。土壤地力贡献系数越大，表明土壤越肥沃，施肥对作物产量提升的效果越弱，而土壤地力贡献系数小，则表明土壤肥沃性差，作物对肥料依赖性强。由图4可见，褐土对小麦、玉米作物的地力贡献系数均为先降低后升高的趋势 (小麦n =226，玉米n = 257，P ＜ 0.05)，说明地力随施肥时间增加而增强，对产量的贡献也逐渐增强。褐土区小麦季地力对产量的平均贡献率为53.0%，变异系数为41.2%，玉米季地力对产量的平均贡献率为54.2%，变异系数为37.6%。

图3 不同监测时期常规施肥作物的增产量Fig. 3 Increase degree of crop yields in different periods under long-term conventional fertilization

表2 长期施肥小麦和玉米产量的可持续性指数 (SYI) 与变异系数 (CV)Table 2 Sustainable yield index (SYI) and coefficient of variation (CV) of wheat and corn yields after long-term fertilization

2.2.2 施肥对产量的影响 肥料的农学效率是施肥增产效应的综合体现，可以更加直观地反映肥料的生物效应。褐土区肥料总养分的农学效率在玉米和小麦上表现不同 (图5)。小麦的肥料农学效率呈现先升高后降低的趋势，在1992—1996年达到最高值10.64 kg/kg，监测期均值为6.36 kg/kg (n = 227)；玉米的肥料农学效率则呈现先降低后趋于平稳的趋势，最高值为1988～1996年间的37.28 kg/kg，之后出现下降趋势，监测期均值为13.89 kg/kg(n = 249)。

由图6可见，无论对于小麦还是玉米，氮肥的农学效率均随施肥年数增加显著降低 (小麦，n =227，y = –0.274x + 564.18，R2= 0.021；玉米，n = 251，y = –0.9024x + 1833，R2= 0.047)。小麦的氮肥农学效率均值为14.53 kg/kg (n = 227)，玉米的氮肥农学效率均值为22.38 kg/kg (n = 251)。磷肥和钾肥的农学效率并没有随施肥年数出现明显的变化趋势。小麦的磷肥平均农学效率为21.73 kg/kg (n=226)，玉米为45.85 kg/kg (n = 148)；小麦的钾肥农学效率平均值为29.04 kg/kg (n = 195)，玉米平均为35.72 kg/kg(n = 138)。

2.2.3 产量影响因素的主成分分析 利用主成分分析方法，计算了肥料因素 (有机肥氮、有机肥磷、有机肥钾、化肥氮、化肥磷、化肥钾) 和土壤因素(pH值、有机质、全氮、有效磷、速效钾) 对产量的影响。对于小麦，提取出5个主成分，累计贡献率为71.729% (表4)。有机肥氮、有机肥磷和有机肥钾在第一主成分上有较高载荷，土壤有机质和全氮在第二主成分上有较高载荷，化肥氮和化肥磷在第三主成分上有较高载荷，土壤pH和化肥钾在第四主成分上有较高载荷，化肥钾在第五主成分上有较高载荷。对于玉米，提取出4个主成分，累计贡献率为67.948% (表3)。第一主成分上有较高载荷的指标与小麦相同，第二主成分上有较高载荷的是土壤全氮、化肥磷、化肥钾，第三主成分上有较高载荷的是土壤有机质和化肥钾，第四主成分上有较高载荷的是化肥氮和土壤有效磷。表明有机肥的用量对小麦和玉米的产量影响最大，其次是土壤全氮和有机质含量。

图4 不同监测时期褐土的地力贡献系数Fig. 4 Contribution coefficient of soil fertility in different periods under long-term fertilization

图5 不同监测时期肥料的农学效率Fig. 5 Agronomy efficiency of fertilizers in different periods under conventional fertilization

3 讨论

本研究对28个褐土长期定位点从1988—2016年29年间的数据进行了分析，再一次证明地力和施肥是影响我国褐土生产力的两个重要因素[1,6,8–12]，但是两个因素的影响与众研究结果不尽一致。

表3 小麦与玉米产量主成分分析结果Table 3 Results of principal component analysis of wheat and corn yield

长期不施肥的作物产量应该持续下降[13,16,20]，而本研究中小麦和玉米的产量均是先降低后缓慢升高，这一现象在中晚稻研究中也出现过[6]。这可能与试验地开始前曾经施肥，在试验开始时停止施肥导致作物产量的降低有关。后期产量缓慢升高，可能是因为更换了高产品种，也可能由于空气氮沉降的增加[21]或者降雨量的增加[14]，或者灌溉水中养分含量高引起的[6]，需要进一步分析验证。由于不施肥处理产量出现先降低后升高的趋势，地力贡献系数也表现为类似的趋势，本研究中地力贡献系数小麦和玉米分别为53.0%和54.2%，略高于实际值。

对产量影响的主成分分析结果表明，对于小麦和玉米两种作物，有机肥氮、磷、钾对产量的影响最大，其次是土壤全氮和有机质，可能是因为褐土区肥力偏低，所以对于肥料的依赖性更大[13]。相关性分析表明，小麦的产量与土壤pH、全氮、有效磷、速效钾均显著相关 (n = 270，P ＜ 0.05)，玉米的产量与有机质和有效磷均显著相关 (n = 299，P ＜ 0.05)，验证了主成分分析的结果。这与魏猛的结论[15]相似，与田有国等的研究结果[1]不完全相同。田有国等[1]指出两种作物的产量与土壤全氮、有效磷和速效钾相关，可能是因为他的研究数据为1986—2006年，时间比本研究短8年，所以速效养分的贡献更大，随着种植年数的增加，有机质对产量的贡献逐渐增加。因此褐土区培肥地力的任务艰巨，例如可以通过秸秆还田、施用有机肥等措施提升地力，地力的提升为“减肥”提供良好的基础。

变异系数 (CV) 和可持续性指数 (SYI) 是施肥对生产力影响的最直观表现。SYI值能够表征产量的可持续性，常被用于长期定位试验的施肥评价方面。一般认为，SYI值 ＞ 0.55时，产量可持续性较好，施肥模式合理；SYI值分布在0.45～0.55时，产量可持续性一般，施肥模式可进一步改善；当SYI ＜0.45时，产量可持续性差，施肥模式不可取[18]。本研究中，小麦和玉米产量SYI值在长期施肥下，分别达到0.57和0.54，说明产量可持续性较好。SYI值受施肥影响大，均衡施肥下尤其是有机无机配合施用 SYI值最高[22]。SYI值还因作物而异，小麦 ＞ 玉米[23]，因为玉米为具有高光效的C4植物，增产潜力大于C3植物小麦，所以玉米持续高产对施肥和有利的环境条件要求更高[24]。施肥提高SYI值的同时，可以降低CV值，小麦和玉米分别降低44.70%和40.77%，与多数结论相同[13,15]。施肥对生产力稳定性的影响，与施肥量无明显关系，与氮、磷、钾配比明显相关[25]，可能不仅得益于肥料对作物养分的供应[15]，还得益于施肥对土壤理化性状的改善，能够降低土壤容重、提高土壤田间持水量、增加土壤 ＞ 0.25mm水稳性团聚体的数量，并且培肥地力[13,26,27]，利于作物根系的生长和吸收[15]。

监测的29年间，小麦产量稳中有升，玉米产量基本维持平稳，肥料总养分的农学效率玉米高于小麦，可能与肥料的种类和用量都有关系[25]：1) 施肥种类 本研究主成分分析结果表明，褐土区无论小麦还是玉米，有机肥对产量的贡献大于化肥。可能有两个原因，一是有机肥在土壤理化性状改良方面优于化肥[27]，有利于提高产量；二是褐土区土壤肥力整体偏低，尽管资料显示29年来土壤肥力已经得到了提高[1–2]，产量对肥料的依赖性依然很强[13]，有机肥因养分供应持久，更利于产量的增加。肥料总量的农学效率变化趋势 (图5)也证实了该结论，即小麦先升高后降低，玉米先降低后趋于平稳，说明随着土壤肥力的提高，肥料总量对产量的影响虽然很强，但是趋于平稳。2) 施肥量 本文28个监测点年投入肥料的N∶P2O5∶K2O约为1∶0.30∶0.44，磷和钾的量远低于氮的量。对于小麦和玉米，肥料中的磷对产量的影响均较大，而氮的农学效率随施肥年数增加有降低趋势，所以需要适当提高磷肥的用量，降低氮的用量。本文28个监测点年投入的有机养分和无机养分的比例约为0.8，有机肥的用量较为稳定，由于主成分分析得到有机肥氮、磷、钾为第一主成分的主要指标，所以有机肥的用量需要适当提高。本研究结果与田有国等[1]得出的产量与肥料投入的总氮、总磷和总钾量显著相关的结论并不矛盾，只是分析角度不同，本研究更为详细地比较了不同肥料类型的贡献。

综上分析，褐土区生产力的提高、地力的提升都和肥料的科学施用密切相关[1]。在地力的提升方面，可以继续加大秸秆还田的力度，并且摸索更加有效的秸秆还田模式；推广化肥与有机肥配施的模式。在肥料的施用方面，由于磷肥的农学效率显著高于氮肥的农学效率，因此需要适当提高磷肥的比例，降低氮肥的比例；由于有机肥的氮磷钾养分对产量的贡献高于化肥，因此褐土区需要适当提高有机肥的比例。褐土区以种植大田作物为主，生产力的影响因素有很多，本文重点分析了地力和施肥两个因素，气候 (尤其是降雨和温度)[14]、品种、种植管理措施等因素对产量的影响也不容忽视，因此需要进一步开展深入的研究。

4 结论

1) 施肥显著提高了褐土区两种作物的产量，提高了产量可持续性指数，降低了变异系数。

2) 有机肥用量对褐土生产力的影响最大，其次是土壤全氮和有机质含量。褐土区生产力的提高，与地力的提升和肥料的科学施用密切相关，在促进地力提升方面，可以继续加大秸秆还田力度、推广化肥配施有机肥模式；在肥料施用方面，需要适当提高磷肥的比例，降低氮肥的比例，同时适当提高有机肥的比例。