太行山前平原农田基础地力对夏玉米产量的影响及培肥目标

贾良良，黄少辉，刘克桐，孙彦铭，杨军芳，杨云马，邢素丽，刘孟朝

（1.河北省农林科学院农业资源环境研究所，河北 石家庄 050051；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；3.河北省耕地质量监测保护中心，河北 石家庄 050021；4.河北省肥料技术创新中心，河北 石家庄 050051）

太行山前平原是河北省重要的夏玉米产区，在河北省粮食生产中占有重要地位，但这一地区农田作物施肥量高［1-2］，资源效率低［3］、生态和环境问题［4-6］也日渐突出。在当前农业绿色发展成为国家和社会迫切需求的前提下，减施化肥、提高基础地力是这一地区粮食作物稳产高产的重要保证。农田基础地力是指在特定立地条件、土壤理化性状下农田自身的生产能力［7］，提高基础地力水平能够提升作物施肥产量，降低产量差，有利于农田作物的高产稳产和可持续性［8］；Fan 等［9］的研究认为，我国华北小麦增产的43%、玉米增产的22%来自于土壤肥力水平提高相关的基础生产力的提高。农田基础地力与土壤养分含量有显著的相关关系，鲁艳红等［10］在红壤长期定位研究中确定对水稻基础地力影响最大的土壤养分指标是土壤有机质、全氮和速效钾，而赵秀娟等［11］针对褐土区基础地力差异的研究认为，影响褐土区农田基础地力差异的主要因素是有效磷、速效钾和土壤有机质。已有的研究表明，河北省平原区农田土壤肥力指标在过去30 年呈显著增加趋势［12-14］，其地力贡献率也随着基础产量水平的提高而明显提高［15］。但是，这些土壤肥力指标如土壤有机质、有效磷、速效钾等对农田基础地力以及对基础地力影响的临界指标还缺乏定量化的研究。

因此，本研究以2005～2013 年在河北省开展的“测土配方施肥”项目中的“3414”试验数据为基础，分析了河北省山前平原区农田基础地力对夏玉米产量及施肥增产的影响，并利用边界线分析方法［16-18］确定河北省山前平原区夏玉米农田土壤肥力临界指标，以期为解析山前平原区土壤肥力对作物产量的贡献率、农田土壤培肥目标提供理论依据，是实现夏玉米绿色生产、农田化学肥料减施增效的国家战略目标。

1 材料与方法

1.1 研究范围

河北省太行山山前平原区是夏玉米的主要产区之一，主要包括邯郸（5 个县，分别是临漳、成安、磁县、肥乡、永年）、邢台（5 个县，分别是柏乡、隆尧、任县、南和、宁晋）、石家庄（13 个县，分别是正定、栾城、行唐、高邑、深泽、无极、元氏、赵县、辛集、藁城、晋州、新乐、鹿泉）、保定（8 个县，分别是清苑、徐水、定兴、望都、涿州、定州市、安国、高碑店）和廊坊（3 个县，分别是香河、大厂、三河）等地区的部分县（市、区）［19］，常年玉米播种面积约77×104hm2［20］，约占河北省夏玉米播种面积的1/4［21］。

1.2 田间试验

田间试验主要来源于河北省2008～2013 年在全省开展的“测土配方施肥”项目，共选取太行山前平原区夏玉米田间试验1125 个，试验均选取在有代表性的农户地块进行，小区面积30～40 m2。试验农田土壤有机质范围在3.9～38.9 g/kg 之间，平均值为17.3 g/kg，变异系数28.3%；土壤全氮含量范围在0.006～2.48 g/kg 之间，平均值为0.92 g/kg，变异系数为46.5%；土壤有效磷含量范围在0.1～130.7 mg/kg 之间，平均值为24.9 mg/kg，变异系数为70%；土壤速效钾含量范围在20～589 mg/kg 之间，平均值为115.8 mg/kg，变异系数为45.7%。种植方式为冬小麦-夏玉米轮作，其中夏玉米于6 月10 日前后播种，10 月初收获。试验中采用的玉米品种主要为郑单958（占53.5%）、浚单20（占16.2%）、先玉335（占3.9%）、纪元128 系列（占3.6%）、中科11（占3.1%）和其他52 个品种（占19.7%）。

本研究中共选取“3414”试验中的5 个处理，分别是不施肥处理（N0P0K0）、缺氮处理（N0P2K2）、缺磷处理（N2P0K2）、缺钾处理（N2P2K0）和氮磷钾处理（N2P2K2）。氮、磷、钾肥料施用量按照当地测土配方施肥推荐施用，施用量如表1 所示。其中氮肥采用尿素（N 46%）、磷肥采用过磷酸钙（P2O512%），钾肥采用氯化钾（K2O 60%）。其中磷钾肥做基肥全部施入，氮肥分基肥和拔节期追肥两次施入，分配比例为1∶1。

表1 太行山前平原夏玉米测土配方施肥推荐施肥量（kg/hm2）

玉米播种前，各试验点均采用“S”形取样法采取0～20 cm 土层样品，土壤样品风干处理后分别测定土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾等土壤肥力指标。其中土壤有机质采用重铬酸钾容量法，土壤全氮采用半微量凯氏法，有效磷采用Olsen法，速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法［22］。玉米成熟期，分小区收获测产。

1.3 数据分析

分别计算了基础地力贡献率，施用氮、磷、钾肥的产量反应，并利用边界线分析方法对太行山前平原区土壤基础地力指标与玉米产量的关系进行了分析，以确定山前平原区农田土壤地力因子的临界值，及相应土壤肥力因子对产量差的贡献率［18］。

基础地力产量采用不施用任何肥料时的夏玉米产量来表示［9］，在本研究中用不施肥（N0P0K0）产量来表示。基础地力贡献率［23］采用不施肥处理（N0P0K0）产量与施肥处理（N2P2K2）的比值来表示：

基础地力贡献率（%）=YN0P0K0/YN2P2K2×100；

氮、磷、钾肥的产量反应（kg/hm2）用施肥处理（N2P2K2）与相应的不施用某种养分的产量差来表示：

氮肥产量反应（kg/hm2）=YN2P2K2-YN0P2K2

磷肥产量反应（kg/hm2）=YN2P2K2-YN2P0K2

钾肥产量反应（kg/hm2）=YN2P2K2-YN2P2K0

边界线［16-18］是指存在因果关系的数据对中，有一条存在于数据体边界上的、表示群体中最佳表现的线，这条线可以将影响因素单一化，即边界线上的所有点只受自变量的影响。操作步骤如下：将土壤有机质含量、全氮含量、有效磷和速效钾含量（X）分别与对照（N0P0K0）、磷钾处理（N0P2K2）、氮钾处理（N2P0K2）和氮磷处理（N2P2K0）的夏玉米籽粒产量（Y）作散点图，每个点对应一个边界点，将所有点的边界点寻找出来（按x 值排序后，利用Excel 表格中的if 公式求出），对边界点进行数学模型拟合。根据土壤养分与作物产量的关系，本研究中利用线性加平台模型［18］拟合以确定上述边界点相连的边界线。根据边界线拟合得到的线性加平台模型的拐点确定各土壤肥力因子的临界值，并据此计算各土壤肥力因子对产量差的贡献率。

数据处理与统计分析采用Excel 2010，利用SAS 8.3的非线性回归模型NLIN 计算土壤肥力指标与玉米产量边界点的线性加平台模型，以Sigma Plot 12.5 制作产量、产量反应厢式图。

2 结果与分析

2.1 河北省山前平原夏玉米基础地力产量

太行山前平原夏玉米基础地力产量、不施氮产量、不施磷产量、不施钾产量和优化施肥产量如图1 所示。基础地力产量在3222～9672 kg/hm2之间，平均值为6210 kg/hm2，变异系数为19.2%；不施氮处理产量在1527～11400 kg/hm2之间，平均值为7021 kg/hm2，变异系数为18.9%；不施磷处理产量为3729～11190 kg/hm2，平均值为7748 kg/hm2，变异系数为15.6%；不施钾处理产量为4605～12206 kg/hm2，平均值为8017 kg/hm2，变异系数为15.2%；优化施肥处理产量为5400～12051 kg/hm2，平均值为8663 kg/hm2，变异系数为14.3%。从缺素对夏玉米产量的影响来看，氮对夏玉米产量的影响最大，不施氮较优化施肥减产18.9%，其次是磷，不施磷较优化施肥减产10.6%，影响最小的是钾，不施钾较优化施肥减产7.5%。基础地力对产量的贡献率在32.2%～99.7%之间，平均值为71.7%。

2.2 夏玉米基础地力产量与基础地力贡献率的关系

在本研究中的山前平原基础产量范围内，基础地力产量与优化施肥产量之间有极显著的线性相关关系，随着基础地力产量的增加，施肥产量呈明显的增加趋势（图2），基础地力产量每增加1000 kg/hm2，配方施肥产量则增加585 kg/hm2。且基础地力产量与基础地力贡献率也呈极显著的线性相关关系，随着基础产量水平的提高，基础地力贡献率也呈明显的增加趋势，基础地力产量每增加1000 kg/hm2，基础地力贡献率则增加6.5%。这表明基础地力提升有利于夏玉米的稳产高产，提高基础地力水平对保障粮食安全具有重要意义。

2.3 不同基础地力产量条件下施肥的产量反应

河北山前平原夏玉米的产量反应如图3 所示。氮肥的产量反应在4.5～5690 kg/hm2之间，平均值为1614 kg/hm2。随着基础产量水平的提高，氮肥的产量反应呈逐渐下降的趋势，从基础产量水平＜4500 kg/hm2时的2473 kg/hm2下降到基础产量水平＞7500 kg/hm2时的1256 kg/hm2。磷肥的产量反应在0～4014 kg/hm2之间，平均产量反应为909 kg/hm2。磷肥的产量反应变化趋势与氮肥相近，从基础产量水平＜4500 kg/hm2时的1009 kg/hm2下降到基础产量水平＞7500 kg/hm2时的867 kg/hm2。钾肥的产量反应在0～3548 kg/hm2之间，平均为802 kg/hm2。钾肥的产量反应变化趋势不明显，不同基础产量水平时的产量反应差异并不明显，在741～849 kg/hm2之间。总体来看，山前平原施肥的产量反应随着基础产量水平的提高呈逐渐下降的趋势，氮肥的产量反应最明显，其增产效果显著高于磷肥和钾肥，是山前平原区夏玉米增产的主要决定因素。

2.4 基础地力产量与农田土壤肥力因子的关系

利用边界线分析方法，对太行山前平原土壤养分指标有机质、全氮、有效磷和速效钾含量分别与不施肥处理（N0P0K0）、不施氮处理（N0P2K2）、不施磷处理（N2P0K2）、不施钾处理（N2P2K0）的夏玉米产量进行拟合，各处理拟合的边界点与土壤养分因子都有极显著的线性加平台关系（图4）。其中，土壤有机质拟合得到的养分临界值为14.3 g/kg，对应的平台产量为9576.0 kg/hm2，提高土壤有机质对产量差的贡献率为6.5%；土壤全氮拟合得到的土壤全氮临界值为1.20 g/kg，平台产量为10870 kg/hm2，提高土壤全氮对产量差的贡献率为9.1%；土壤有效磷拟合得到的土壤有效磷临界值为20.2 mg/kg，平台产量为10609 kg/hm2，提高土壤有效磷对产量差的贡献率为19.5%；土壤速效钾拟合得到的土壤速效钾临界值为121.9 mg/kg，平台产量为11237 kg/hm2，提高土壤速效钾对产量差的贡献率为16.1%（表2）。综合来看，提高土壤有效磷和速效钾含量对缩减由土壤肥力差异引起的产量差最为明显。

表2 基础养分对基础地力产量差的贡献率

3 讨论

基础地力对保障作物稳产、在施肥时获取高产具有重要作用。河北省太行山前平原夏玉米基础地力产量平均值为6233 kg/hm2，高于河北省农田基础地力产量平均值5979 kg/hm2［15］，也高于黄淮海区基础地力产量平均值5800 kg/hm2［24］，表明太行山前平原区的土壤基础地力水平显著高于华北平原其他地区，但显著低于吉林春玉米区的6.6 t/hm2［25］。随着基础地力水平的提高，施肥处理的玉米产量也呈明显的增加趋势，基础地力产量与施肥玉米产量有极其显著的线性相关关系，提高基础地力水平能够使作物可获得产量得到提高［9，18，26］。

产量反应是表征土壤养分供应能力和施肥后产量效应的一种方法，较高的产量反应预示着较低的土壤基础肥力和较高的施肥增产效应，而较低的产量反应则表示较高的土壤基础肥力和较低的施肥增产效应。从本研究结果来看，河北省太行山区平原区夏玉米氮肥的产量反应为1614 kg/hm2，磷肥产量反应为909 kg/hm2，钾肥产量反应为802 kg/hm2，均低于Xu 等［26］报道的全国平均水平1.8、1.0、1.2 t/hm2。显示河北省太行山前平原土壤基础肥力水平高于全国平均，其土壤供氮、磷、钾能力均强于全国平均水平。

根据边界线拟合得到的养分因子临界值是土壤有机质14.3 g/kg，土壤全氮1.20 g/kg，有效磷20.2 mg/kg，速效钾121.9 mg/kg，此临界值为山前平原土壤培肥的目标值，在农田土壤培肥时应使土壤肥力高于此水平。本研究确定的土壤有机质含量低于郝晓然［27］利用太行山麓平原农户调查数据确定的土壤有机质含量20～25 g/kg，土壤有效磷和速效钾含量也有较大差距，其原因可能与本研究采用的数据样本分布有关，本研究中采用的试验样本分布范围更加广泛，且本研究中养分因子临界值的确定选用的是不施肥处理，与郝晓然［27］采用的农户调查（无不施肥处理）相比有较大的差距。当山前平原区土壤肥力指标在上述临界值以上时，夏玉米可以通过合理的管理获得较好的产量，此临界值可以作为山前平原土壤培肥的最小目标值。此外，从本研究确定的土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾对减少夏玉米产量差的贡献率来看，有效磷和速效钾的贡献率（19.5%和16.1%）高于有机质和全氮（6.5%和9.1%），提示通过提高农田有效磷和速效钾含量，适当增施磷、钾肥对提高山前平原区玉米产量水平，减少产量差具有更重要的意义。

4 结论

河北省太行山前平原夏玉米基础地力产量平均值为6210 kg/hm2，基础地力产量对夏玉米施肥产量的贡献率平均为71.7%。在基础地力产量范围内，太行山前平原基础地力产量与施肥产量、基础地力产量和基础地力贡献率之间均呈显著的线性正相关关系，基础地力产量每增加1000 kg/hm2，施肥产量则增加585 kg/hm2，基础地力贡献率也提高6.5%。氮肥对山前平原夏玉米的产量反应最高，为1614 kg/hm2，磷、钾肥的产量反应分别为909和802 kg/hm2。利用边界线分析方法确定的太行山前平原土壤培肥的目标值下限是土壤有机质14.3 g/kg、土壤全氮1.20 g/kg、有效磷20.2 mg/kg 和速效钾121.9 mg/kg。综合比较太行山前土壤基础肥力现状和土壤磷钾肥力对基础产量的贡献率，提高土壤有效磷和速效钾含量对缩减由土壤肥力差异引起的产量差最为明显，是河北省太行山前平原的重点培肥方向。