长期施肥下华北潮土生产力演变及影响因素分析
长期施肥下华北潮土生产力演变及影响因素分析王乐1，陈延华1,2，张淑香1，马常宝3，孙楠1，李春花1
（1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，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）
摘要：【目的】华北潮土区是我国小麦和玉米的主产区。明确潮土生产力的变化规律，探明影响潮土生产力的主要因素，为潮土的作物增产和可持续发展提供理论依据。【方法】以国家级潮土长期定位监测点位为平台，利用时间趋势分析和中值分析方法分别总结其生产力和土壤肥力因素在不同监测时期变化趋势；并运用逐步回归和通径分析方法分析作物产量的影响因素。【结果】近31年来常规施肥下华北潮土生产力监测结果显示，整个监测期间小麦产量呈上升的趋势，小麦产量均值为6 443 kg·hm-2。1988—1993 年小麦平均产量为2 814 kg·hm-2，2014—2018 年小麦平均产量为 6 902 kg·hm-2，较监测初期（1988—1993）提高 145%，年均增长132 kg·hm-2。常规施肥区玉米产量随时间显著升高，1988—1993 年玉米平均产量为2 667 kg·hm-2，2014—2018 年玉米平均产量为8 267 kg·hm-2，较监测初期（1988—1993年）提高 210%，年均增长 180 kg·hm-2。玉米产量及增产效果明显高于小麦。华北潮土区土壤地力对小麦和玉米产量的平均贡献率分别为 48% 和 51% 。施肥量与作物增产量呈显著正相关的关系。随着施肥年限的增加，作物产量的可持续性也在增加。逐步回归和通径分析的结果表明，土壤有效磷为影响整体作物产量的主要因子。对小麦产量具有直接作用的因素顺序依次为有机质、施氮量、施钾量，玉米产量直接作用的因素是全氮、有效磷、施氮量、施磷量。【结论】从整个监测时期来看，潮土生产力在监测后期得到了明显的改善，土壤生产力主要受氮肥、有机质、有效磷等因素影响较大。因此潮土区生产力的提高需要地力的提升和肥料的科学施用。
关键词：长期施肥；潮土；生产力演变；作物产量；可持续性指数；华北
0 引言
【研究意义】潮土土壤矿质养分含量较为丰富，易于耕作管理，适种性广，是生产性能良好的一类耕种土壤，长期耕作对潮土性状改良起重要作用。通过长期大面积监测了解华北潮土生产力的现状，探究其生产力的变化对发展可持续性农业具有重要意义。【前人研究进展】施肥是调控农田系统生产力的重要手段，在其他条件不变的情况下，施肥对产量的贡献率可达30%—45%。施肥能够显著提高水稻的产量，相比不施肥有明显的增产效果。在农民习惯耕作施肥管理水平下，潮土区的作物产量随着年份的增加呈缓慢增加的趋势。杨旸等认为长期氮磷肥配施或氮磷配施有机肥均可有效提高旱作土区小麦产量。黄土高原区30年长期施肥条件下小麦产量增加。黑土的长期定位实验也表明长期施肥下小麦、玉米和大豆的产量呈增加趋势。除了施肥，地力也是影响土壤生产力的一个重要因素。随着基础地力的提升，作物施肥产量提升，作物产量随着地力的下降呈下降趋势。2005—2013年河南省小麦试验表明，地力对作物产量的贡献率均随基础地力水平的提升而显著升高，提高土壤基础地力可以降低小麦对化肥的依赖, 并能确保小麦高产稳产。西南地区2006 年以来的玉米田间试验发现，地力对玉米产量的贡献率随着基础地力的提升而增加。褐土生产力的研究发现，提升地力和科学施肥是提高作物生产力的重要措施。【本研究切入点】针对华北潮土区生产力方面的研究不多，且研究的时间跨度也较短，覆盖面比较窄。对于长期施肥条件下主要作物产量以及养分利用率的变化特征，缺乏阶段性的研究。本文采用与农民习惯施肥方式接近的农业部国家耕地质量长期监测点数据进行分析。【拟解决的关键问题】本研究利用国家级潮土定位监测点近31年来的监测数据深入分析华北潮土生产力的演变规律及影响因素，为潮土区的施肥管理提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 监测点概况
我国先后在华北潮土分布区域建立了国家级长期定位监测点，分别位于北京、天津、河北、山西、山东、河南等6个地区，监测点中大部分建于 1988 年，后期在 1997年和 2004 年分别新增了一些监测点。至 2018 年，监测时间最长的点已经有 31年的历史。潮土监测区种植的作物主要为小麦和玉米，种植制度为一年两熟制，主要以小麦-玉米轮作方式为主。监测区采用机械化耕种为主。
1.2 试验处理设计
每个监测点小区面积不小于334 m2。详细记录了作物种类、肥料种类、施肥量和养分含量。试验设两个处理：（1）不施肥处理（空白区），小区面积60 m2，用设置保护行、垒区间小埂等方法隔离；（2）施肥处理，施肥方式为常规施肥，可代表当地大多数农田的施肥水平。种植作物为小麦和玉米。常规处理小麦季施化肥和有机肥，其中化肥肥料的年均用量为108 kgN·hm-2、59 kg P2O5·hm-2、39 kg K2O·hm-2；有机肥料的年均用量为23 kgN·hm-2、14 kg P2O5·hm-2、62 kg K2O·hm-2，小麦季秸秆还田。玉米季肥料种类主要是化肥，有机肥施用量较少。化肥肥料的年均用量为91 kgN·hm-2、23 kg P2O5·hm-2、30 kg K2O·hm-2，有机肥肥料的年均用量5 kgN·hm-2、3 kg P2O5·hm-2、22 kg K2O·hm-2。
1.3 样品的采集与分析
在每年秋收后，采取 0—20 cm 耕层土样，风干，研磨过筛。pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾等指标均采用国家标准方法测定。pH 采用酸度计（水土比5﹕1）；有机质测定采用重铬酸钾滴定法；全氮采用半微量凯氏定氮法；有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法；速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度计法。
1.4 计算与统计方法
1.4.1 可持续性指数SYI（sustainable yield index）
SYI=（width=10.6,height=12.5-σ）/Ymax
式中，σ 为标准差（kg·hm2）；width=10.6,height=12.5为平均产量（kg·hm-2）；Ymax为最高产量（kg·hm2）。
1.4.2 地力贡献系数=不施肥区的作物产量/施肥区的作物产量。
1.4.3 土壤综合肥力指数基于改进的内梅罗指数法进行土壤综合肥力评估。土壤肥力综合指数计算选取pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾5项土壤指标来计算，各指标分级标准值见表1。
表1 土壤各属性分级标准
Table 1 Grading standards of soil properties
养分分肥力系数（IFIi）的计算公式为：
width=137.6,height=56.5 （1）
式（1）中，IFIi是土壤单一指标养分分肥力系数，x为土壤养分指标值，xa、xp和xc为指标等级阈值。
通过得到的养分分肥力系数计算养分综合肥力指数（IFI）：
width=172.85,height=34 （2）
式中，IFI为土壤综合肥力指数，Ave（IFIi）和Min（IFIi）分别表示所有养分指标分肥力系数的平均值和最小值，n表示参与计算的养分指标个数，本研究中n=5。
1.4.4 数据统计分析 试验数据用 Excel 2016 进行整理，运用 SPSS 22.0 进行相关性分析及显著性检验，运用 Sigmaplot12.5作产量的箱式图。
2 结果
2.1 潮土生产力的演变
2.1.1 作物产量的变化趋势 图1表明，潮土区长期施肥下，整个监测期间小麦产量呈上升趋势。小麦产量均值为6 443 kg·hm-2。1988—1993 年小麦平均产量为2 814 kg·hm-2，2014—2018 年小麦平均产量为 6 902 kg·hm-2，较监测初期（1988—1993年）提高 145%，年均增长 132 kg·hm-2。长期监测数据显示，长期施肥管理下玉米产量显著提升。常规施肥区玉米产量随时间显著升高，1988—1993 年玉米平均产量为2 667 kg·hm-2，2014—2018年玉米平均产量为8 267 kg·hm-2，较监测初期（1988—1993年）提高 210%，年均增长180 kg·hm-2。玉米产量及增产效果明显高于小麦。
2.1.2 作物产量的可持续性指数 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。表2表明随着施肥年限的增加，作物生产的可持续性也在增加。常规施肥下，小麦和玉米生产的可持续性指数整体呈上升的趋势，且小麦生产的可持续性指数高于玉米。
表2 长期施肥小麦和玉米产量的可持续性指数（SYI）
Table 2 Sustainable yield index (SYI) of wheat and maize in blank control and fertilization treatment
width=451.6,height=175.85
盒式图下边缘线和上边缘线分别代表全部数据的5%和95%，上下实心点为异常值；矩形盒上、下边缘分别代表上四分位数和下四分位数，分别代表全部数据的75%和25%；盒中实线代表中值，虚线代表平均值；矩形盒上的不同字母表示不同监测时期在5% 水平上差异显著。图4同
The lower and upper edge lines represent the 5% and 95% of the data, the solid points represent the vertical outliers. The lower and upper quartiles of the boxplots represent 25% and 75% of data, and the solid lines represent the median values and the dash lines represent the average values. Different letters above the boxplot indicate significant differences among the three mentoring periods at 0.05 level. The same as Fig.4
图1 潮土常规施肥处理下小麦、玉米产量
Fig. 1 Crop yields in conventional fertilization treatment of the long-term observation sites of fluvo-aquic soil
2.2 潮土生产力演变的影响因素
2.2.1 基础地力对作物产量的影响 土壤地力贡献率越高，说明土壤肥力水平越高，作物对肥料的依赖性越低。由图2可知，监测31年间，基础地力对小麦、玉米产量的贡献率分别为48%和51%，表明土壤基础地力对玉米产量的贡献率高于小麦，即外源肥料投入下小麦增产效应优于玉米。
2.2.2 施肥对作物产量的影响 施肥对作物产量的贡献率是指施肥增加的作物产量占施肥量的百分率。通过施化肥量与作物增产量的相关分析发现，小麦和玉米增产量与施化肥量呈显著正相关（图3）。小麦季施化肥增产率平均值为12即1 kg肥料养分对小麦的增产量是12 kg。玉米季施肥增产率平均值为21，玉米季施肥增产率是小麦季的2倍，主要原因是在小麦-玉米轮作区，小麦季施肥量显著高于玉米季，而计算施肥增产率时，没有考虑肥料后效对产量的影响。
从潮土综合肥力指数（IFI）的变化趋势看（图4），监测后期（2014—2018年）比监测前期（1988—1993年）显著增加32%。
width=478.45,height=148.95
图2 基础地力对作物产量的影响
Fig. 2 The effect of basic soil fertility on crop yield
width=470.85,height=144.95
图3 潮土区小麦和玉米的增产量与施化肥量的关系
Fig. 3 Relationships between crop yield increase and fertilizer application amount in fluvo-aquic soil
2.2.3 土壤养分、施肥量与产量的回归和通径分析 为了探明土壤养分和施肥对产量的影响，对1988—2018年小麦和玉米的监测数据进行了回归和通径分析。分析了土壤基本性质（有机质、全氮、有效磷、速效钾和pH）和肥料因素（氮肥、磷肥和钾肥）对产量的影响。本研究以土壤pH（x1）、土壤有机质含量（x2）、全氮含量（x3）、有效磷含量（x4）和速效钾含量（x5）施氮量（x6）、施磷量（x7）、施钾量（x8）为自变量，分别以小麦产量（y1）和玉米产量（y2）为因变量进行逐步回归分析，并根据方程的显著性，再进行通径分析，以找到对产量贡献最大的直接作用因子和间接作用因子。通过逐步回归得到的最优回归方程为:
y1 = 3700.236+93.05x2+8.615x6+2.223x8
y2 = 3372.648+1234x3+12.864x4+8.615x6-4.145x7
从表3分析看出，对小麦产量具有直接影响因子的顺序依次为有机质、施氮量、施钾量，玉米产量直接作用的是全氮、有效磷、施氮量、施磷量。总的来说，施氮量对小麦、玉米的产量都具有重要的直接作用。因此，需要氮磷钾配施才能增加产量和保持土壤地力。
width=220.4,height=178.2
图4 常规施肥处理下土壤综合肥力指数演变特征
Fig. 4 Evolution characteristics of soil comprehensive fertility index under conventional fertilization treatment
表3 小麦、玉米的产量与施化肥量和土壤肥力间的通径分析结果
Table 3 Path analysis of crop (wheat and maize)yield with fertilizer amount and soil fertility
3 讨论
3.1 土壤地力与作物产量
大量试验结果表明，土壤肥力与作物产量密切相关，农田基础地力越高，其土壤肥力水平就越高。本研究对华北潮土区小麦和玉米基础地力进行了分析结果显示，地力对小麦和玉米产量的贡献率分别为48%、51%。土壤地力表征了土壤的生产力，不仅影响不同环境条件下土壤对养分的蓄纳以及供应能力，也影响微生物和作物根系对养分的吸收、转化和运输。因此通过合理耕作、培肥施肥、施用调理剂等方式改良导致土壤养分流失的障碍因子、提升土壤基础地力是提高作物产量的重要措施。
本文通过对华北潮土区小麦和玉米的基础地力产量和地力贡献率的研究，结果表明了该区域作物小麦和玉米的地力生产特征。然而，目前潮土的基础地力的时空特征研究较少，低基础地力土壤的空间分布分析更是鲜有报道，下一步应对这两方面进行深入探索分析。
3.2 施肥与作物产量
施肥能够明显的增加作物产量。另外，作物品种的选育工作对作物增产也有一定的作用。可持续性指数（SYI）是施肥对生产力影响的最直观表现。SYI 常用来表征作物产量的可持续性，在长期定位试验中用来评价施肥效果。一般认为，当SYI＞0.55时，产量可持续性较好，施肥模式合理；SYI为0.45—0.55时，产量可持续性一般，需进一步改善和调整施肥用量。本研究中，长期施肥处理后小麦和玉米产量SYI 值分别0.49，产量可持续性一般，需进一步改善施肥方式和用量。不同作物其SYI值具有差异，表现为小麦＞玉米，这是由于玉米是C4植物，其增产潜力远高于C3植物，但持续高产需要更为严苛的施肥模式和环境条件。大量研究表明，长期施用化肥或者有机肥，均能显著提高作物的产量。本研究通过对31年长期定位试验的产量分析也得到了相似结果。潮土近31年来长期施肥显著提高了小麦和玉米的产量，玉米的肥料农学效率要高于小麦，这可能受肥料的种类、用量以及作物品种的影响。
从肥料种类来看，影响整体作物产量的主要因子分别为化学氮肥，有机钾肥和有机质，有机磷肥。其中，对小麦产量影响最大的肥力因子为化学氮肥和有机磷肥；对玉米产量影响最大的是有机钾肥和有机质。有机肥与化肥在冬小麦和夏玉米两种作物上产生不同肥效，这是由于试验地所处于暖温带半干旱季风气候区，小麦季的生长环境低温干燥，微生物活动及生物酶活性相对较低，对有机肥的矿化速率较低，这使得小麦在用肥量需求量较大的时期出现有机肥料供应不足的现象，而化肥作为速效肥，可及时补充土壤养分，满足作物需肥高峰量的养分供应，提高作物产量；玉米处在高温且多雨的季节，微生物活性和酶活性较高，可提高有机肥的矿化速率，较单施化肥优先提供作物生长所需的养分，提高作物的产量。从施肥量来看，年投入肥料的N﹕P2O5﹕K2O 约为1﹕0.41﹕0.61，氮的用量要远超过磷钾的用量。一般来说，施用氮肥作物的增产效果最为显著。但是氮肥的大量投入造成了土壤养分失衡以及土壤中硝态氮的累积，增加了硝酸盐淋失风险，这不仅造成了土壤中氮素的浪费和氮有效性的降低，同时污染了环境。因此需要适当提高磷肥的用量，降低氮的用量。
综述，潮土区生产力提高、地力提升都和肥料科学施用密切相关。在地力提升方面，可以继续加大秸秆还田力度，并且探索更为有效的秸秆还田模式；大力提倡有机无机配施的施肥方式。对于肥料施用，需要适当提高磷肥比例，降低氮肥比例；潮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）、作物品种、种植管理措施等因素对产量的影响也不容忽视，因此需要进行深入研究。
4 结论
潮土上常规施肥可有效提高玉米和小麦的产量，但作物地力贡献指数随施肥年限的增加呈下降趋势，说明化肥的施用对潮土地力的提升效应在降低，需进一步制定潮土的培肥措施，并进行相关技术推广。
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Evolution of Fluvo-aquic Soil Productivity Under Long-term Fertilization and Its Influencing Factors
WANG Le1, CHEN YanHua1,2, ZHANG ShuXiang1, MA ChangBao3, SUN Nan1, LI ChunHua1
(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning/National Engineering Laboratory for Cultivated Land Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081; 2Institute of Plant Nutrition and Resources, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097; 3National Agricultural Technology Extension Service Center, Beijing 100026)
Abstract: 【Objective】The fluvo-aquic soil in North China is the main producing area of wheat and corn grain crops in China. The aim of the study was to clarify the changing laws of fluvo-aquic soil productivity and to identify the main factors affecting the productivity of fluvo-aquic soil, so as to provide a theoretical basis for crop yield increase and sustainable development in fluvo-aquic soil.【Method】This study used the long-term monitoring points of national fluvo-aquic soil as the platform, and used time trend analysis and median analysis methods to summarize the trends of productivity and soil fertility factors in different monitoring periods.【Result】The monitoring results of fluvo-aquic soil productivity in North China under conventional fertilization in the past 31 years showed: under the conventional fertilization in fluvo-aquic soil, wheat yield increased during the whole monitoring period, and the average wheat yield was 6 443 kg·hm-2. The average wheat yield from 1988 to 1993 was 2 814 kg·hm-2, and the average wheat yield in 2014-2018 was 6 902 kg·hm-2; compared with the initial monitoring period (1988-1993), the wheat yield in 2014-2018 increased by 145%, with an average annual growth of 132 kg·hm-2. The maize yield in conventional fertilization area increased significantly with time. The average yield of corn in 1988-1993 was 2 667 kg·hm-2, and the average yield of corn in 2014-2018 was 8 267 kg·hm-2, which was earlier than the initial monitoring period (1988-1993); which increased by 210%, with an average annual growth of 180 kg·hm-2. Corn yield and its yield increase were significantly higher than wheat. The average contribution rate of soil fertility to wheat and maize yield was 48% and 51%, respectively. There was a significant positive correlation between the amount of fertilizer applied and crop yield increase. As the number of years of fertilization increased, the sustainability of crops increased. The results of stepwise regression and path analysis indicated soil available phosphorus was a major factor affecting overall crop yield. The order of factors with a direct effect on wheat yield was organic matter, nitrogen application rate, and potassium application rate. The direct effect of maize yield was total nitrogen, available phosphorus, nitrogen application rate, and phosphorus application rate.【Conclusion】 During the whole monitoring period, the fluvo-aquic soil productivity was significantly improved in the later stage of monitoring. The soil productivity was mainly affected by nitrogen fertilizer, organic matter and available phosphorus. Therefore, the improvement of productivity in fluvo-aquic soil areas required the improvement of soil fertility and the scientific application of fertilizer.
Key words: long-term fertilization; fluvo-aquic; productivity; crop yield; sustainability index; North China
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