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长江流域冬小麦氮磷钾肥增产效应及影响因素

黄晓萌 徐新朋 何萍 王秀斌 杨兰芳 仇少君 赵士诚 周卫

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长江流域冬小麦氮磷钾肥增产效应及影响因素

    作者简介: 黄晓萌 E-mail:huangxmemg@163.com;
    通讯作者: 徐新朋, E-mail:xuxinpeng@caas.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFD0200502,2016YFD0200101);国家自然科学基金项目(31801938);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(1610132019047)。

Yield response to NPK fertilization and the main impacts in production of winter wheat in Yangtze River catchments of China

    Corresponding author: XU Xin-peng, E-mail:xuxinpeng@caas.cn ;
  • 摘要:   【目的】  本研究分析了长江流域施用氮、磷和钾肥对小麦产量的增产效应,及主要影响因素的贡献率,旨在明确不同条件下施用氮、磷和钾肥对小麦产量的响应,为优化长江流域的小麦养分管理提供科技支撑。  【方法】  数据来源于国际植物营养研究所在我国长江流域开展的小麦田间试验,以及在中国知网通过检索得到的有关施肥增产效应的文献,检索关键词为“冬小麦”、“冬小麦 + 产量”、“冬小麦产量 + 肥料利用率”,符合Meta分析标准的氮、磷和钾数据分别有724、624和658组。以不施某种养分处理为对照,以反应比作为该养分的增产效应值,采用Meta分析方法,定量分析施用氮、磷和钾肥对小麦产量变化的贡献,并分别分析了施肥水平、基础地力水平、种植区域、土壤有机质、pH值及土壤养分对产量效应的影响。  【结果】  与不施氮、磷或钾肥处理相比,长江流域冬小麦施用氮、磷和钾肥分别可显著增加小麦产量66.0%、17.9%和10.0%,以氮肥增产效应最高。基础地力对氮磷钾肥的增产效应均具有显著影响,氮、磷、钾肥均在低肥力土壤 (< 2.0 t/hm2) 增产率最高,分别为134.2%、30.0%和12.1%,氮、磷肥的增产效应与基础地力呈负相关关系。长江流域不同种植区域冬小麦氮磷钾肥的增产效应差异显著,以重庆市的氮效应最高,为136.1% (lnR = 0.859),以浙江省的磷效应最高,为39.1% (lnR = 0.330),贵州省的钾效应最高,为19.1% (lnR = 0.175)。氮磷钾肥均在酸性土壤的增产效果最好,增产效应随着土壤pH升高呈降低趋势,增产率分别为95.2%、29.4%和14.0%。土壤有机质含量对磷效应影响显著,对氮和钾不显著。当土壤全磷 > 1.0 g/kg、全钾 > 20.0 g/kg、碱解氮 < 80.0 mg/kg、速效磷 > 25.0 mg/kg及速效钾 < 90.0 mg/kg时,施氮增产效应最显著;在土壤全磷 < 0.7 g/kg和土壤速效磷 < 15.0 mg/kg时,施磷增产效应最显著;在土壤速效钾 < 90.0 mg/kg时,施钾增产效应最显著。  【结论】  长江流域冬小麦施用氮、磷、钾肥的增产率分别为66.0%、18.0%和10.0%,氮肥仍是影响长江流域冬小麦增产的最大养分因子。基础地力决定着施肥效应,产量 < 2.0 t/hm2的土壤施肥的增产潜力最高。土壤肥力因素中,pH值、有机质和矿质养分含量应作为肥料投入的依据。
  • 图 1  氮、磷和钾肥料增产效应分析

    Figure 1.  Effect analysis of wheat yield to nitrogen,phosphorus and potassium fertilizer application

    图 2  基础地力水平对小麦施肥效应反应比的影响

    Figure 2.  Effects of soil fertility level on wheat fertilization effect response ratio

    图 3  种植区域对小麦施肥效应反应比的影响

    Figure 3.  Effect of planting area on wheat fertilization response ratio

    图 4  土壤有机质和pH对小麦施肥效应反应比的影响

    Figure 4.  Effects of soil organic matter and pH on wheat fertilization response ratio

    图 5  土壤矿质养分对小麦施肥效应响应比的影响

    Figure 5.  Effects of soil mineral nutrients on wheat fertilization response ratio

    表 1  不同养分增产综合效应值样本描述性统计分析

    Table 1.  Descriptive statistics of sample size

    养分
    Nitrite
    样本量
    Number
    平均值
    Mean
    标准差
    SD
    最小值
    Minimum
    最大值
    Maximum
    QtdfPQM
    N7240.5070.0250.4830.53289697.215723< 0.001
    P6240.1650.0180.1470.18332314.305623< 0.001
    K6580.0950.0080.0860.1039668.906657< 0.001
    注(Note):Qt—异质性检验统计量 Statistic of heterogeneity; PQM—显著性检验 Significance test; df—自由度 Degree of freedom.
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  • 收稿日期:  2020-03-04

长江流域冬小麦氮磷钾肥增产效应及影响因素

    作者简介:黄晓萌 E-mail:huangxmemg@163.com
    通讯作者: 徐新朋, xuxinpeng@caas.cn
  • 1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081
  • 2. 湖北大学资源环境学院,湖北武汉 430062
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFD0200502,2016YFD0200101);国家自然科学基金项目(31801938);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(1610132019047)。
  • 摘要:   【目的】  本研究分析了长江流域施用氮、磷和钾肥对小麦产量的增产效应,及主要影响因素的贡献率,旨在明确不同条件下施用氮、磷和钾肥对小麦产量的响应,为优化长江流域的小麦养分管理提供科技支撑。  【方法】  数据来源于国际植物营养研究所在我国长江流域开展的小麦田间试验,以及在中国知网通过检索得到的有关施肥增产效应的文献,检索关键词为“冬小麦”、“冬小麦 + 产量”、“冬小麦产量 + 肥料利用率”,符合Meta分析标准的氮、磷和钾数据分别有724、624和658组。以不施某种养分处理为对照,以反应比作为该养分的增产效应值,采用Meta分析方法,定量分析施用氮、磷和钾肥对小麦产量变化的贡献,并分别分析了施肥水平、基础地力水平、种植区域、土壤有机质、pH值及土壤养分对产量效应的影响。  【结果】  与不施氮、磷或钾肥处理相比,长江流域冬小麦施用氮、磷和钾肥分别可显著增加小麦产量66.0%、17.9%和10.0%,以氮肥增产效应最高。基础地力对氮磷钾肥的增产效应均具有显著影响,氮、磷、钾肥均在低肥力土壤 (< 2.0 t/hm2) 增产率最高,分别为134.2%、30.0%和12.1%,氮、磷肥的增产效应与基础地力呈负相关关系。长江流域不同种植区域冬小麦氮磷钾肥的增产效应差异显著,以重庆市的氮效应最高,为136.1% (lnR = 0.859),以浙江省的磷效应最高,为39.1% (lnR = 0.330),贵州省的钾效应最高,为19.1% (lnR = 0.175)。氮磷钾肥均在酸性土壤的增产效果最好,增产效应随着土壤pH升高呈降低趋势,增产率分别为95.2%、29.4%和14.0%。土壤有机质含量对磷效应影响显著,对氮和钾不显著。当土壤全磷 > 1.0 g/kg、全钾 > 20.0 g/kg、碱解氮 < 80.0 mg/kg、速效磷 > 25.0 mg/kg及速效钾 < 90.0 mg/kg时,施氮增产效应最显著;在土壤全磷 < 0.7 g/kg和土壤速效磷 < 15.0 mg/kg时,施磷增产效应最显著;在土壤速效钾 < 90.0 mg/kg时,施钾增产效应最显著。  【结论】  长江流域冬小麦施用氮、磷、钾肥的增产率分别为66.0%、18.0%和10.0%,氮肥仍是影响长江流域冬小麦增产的最大养分因子。基础地力决定着施肥效应,产量 < 2.0 t/hm2的土壤施肥的增产潜力最高。土壤肥力因素中,pH值、有机质和矿质养分含量应作为肥料投入的依据。

    English Abstract

    • 长江流域是我国传统的粮食生产基地,农业生产条件优越,其小麦播种面积占全国小麦种植面积的31.7%,在保障我国粮食安全上占有重要地位[1-2]。为实现粮食增产,必须提高有限耕地的单位面积产量,而施用化肥是最有效的增产措施之一,其增产作用可达50%左右[3],但小麦种植区普遍存在不合理施肥现象[4-6],已造成肥料利用率下降,大量养分流失,严重危害生态环境[7-9]。研究表明,2002―2015年我国小麦的平均过量施肥程度为34.6%,其中长江中下游过量施肥程度为40.5%,江苏、安徽、湖北等省份过量施肥程度大于31.5%,已成为高过量施肥区[10]。因此,明确小麦施肥的增产效应及其影响因素,对于优化长江流域小麦的养分管理、提高肥料区域配置、保障粮食安全和保护生态环境具有重要意义。

      研究表明,施肥可显著增加小麦产量[11-12],但近年来随着施肥量的不断增加,导致施肥增产效应不断降低[6-7],如王旭等[13]的研究表明,与上世纪80年代初相比,长江中下游小麦磷肥农学效率降低了6.2%。大量的养分在土壤中累积,导致许多地区小麦施肥后的增产效果不明显[14],串丽敏等[15]的研究表明,长江中下游的氮养分盈余已达N 66.0 kg/hm2;Liu等[16]研究表明,长江中下游小麦种植区的土壤基础养分供应氮、磷和钾分别达到了91.2、33.7和92.0 kg/hm2。在各个地区进行的肥料用量试验[17-19],在一定程度上可以反映该试验区域的肥料增产效应,也给出了合理的肥料用量,但个别的田间试验结果不能定量体现小麦施肥增产的综合效应,且未能同时考虑到不同研究中各种因素对结果造成的差异。Meta-analysis分析方法是一种将若干独立研究的统计结果进行定量系统分析的统计方法,能对统计结果进行综合评价并分析影响因素[20]。Meta分析可将多个同类的独立研究结果进行定量合并,分析研究间的差异,得到研究的综合效应结果[21-22]。因此,本研究应用Meta分析探讨不同土壤理化性质、种植区域、施肥水平及基础地力水平下的施肥增产效应,旨在为优化长江流域小麦养分管理措施、发挥肥料增产作用及提高肥料利用效率提供数据参考。

      • 本研究试验数据来源于国际植物营养研究所 (IPNI) 中国项目部于2000―2019年在我国长江流域开展的小麦田间试验,以及在中国知网数据库 (CNKI) 通过检索“冬小麦”、“冬小麦 + 产量”、“冬小麦产量 + 肥料利用率”等关键词及关键词组合所得到的文献。基于以下标准对试验数据进行筛选:1) 试验位于长江流域冬小麦种植区域;2) 同一试验需同时包括不施肥处理、优化施肥处理以及不施某种养分处理;3) 同时具有不同处理的产量均值及其标准差;4) 具有明确的施肥量及土壤养分情况等。基于以上标准,共获取2006组数据 (样本量、产量均值和标准差),并收集汇总了其试验地点、施肥量、土壤理化性质 (pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾) 等相关数据参数。

      • 以优化施肥的施肥量为基准,对各试验的施肥水平进行划分。将氮、磷、钾肥的施用量分别设5个水平进行比较分析,分别为:0水平,不施某种养分;1水平 = 2水平 × 0.5 (施肥不足水平);2水平,推荐施肥量 (氮、磷和钾肥的平均施用量为183.2 ± 57.2、80.8 ± 23.7和85.1 ± 31.6 kg/hm2);3水平 = 2水平 × 1.5 (过量施肥水平);4水平 = 2水平 × 2 (严重过量施肥水平) 或更高。氮肥各施肥水平分别用N0、N1、N2、N3和N4表示,磷肥各施肥水平分别用P0、P1、P2、P3和P4表示,钾肥各施肥水平分别用K0、K1、K2、K3和K4表示。

        采用不施肥处理的小麦产量表征土壤基础地力[23],本研究中长江流域基础地力产量范围为0.5~9.7 t/hm2,平均为3.1 t/hm2,变异系数为51.5%。根据基础地力状况采用平均单产法[24]按 < 2.0 t/hm2、2.0~3.0 t/hm2、3.0~4.0 t/hm2和 > 4.0 t/hm2将基础地力产量划分为4个等级。4个地力等级的样本量分别占总样本的22.4% (n = 450)、33.1% (n = 624)、22.3% (n = 447) 和24.2% (n = 485)。

      • 本研究选用反应比 (Response ratio)[25-26]作为统计学指标,其计算公式为:

        $ R=\frac{{\overline {{X_1}} }}{{\overline {{X_2}} }} $

        式中,$ {\overline {{X_1}} } $为氮、磷或钾肥不同水平下施肥处理小麦产量均值;$ {\overline {{X_2}} } $为不施氮、磷或钾肥处理的小麦产量均值。

        采用自然对数反应比 (log ratio of means) 衡量氮、磷或钾肥对小麦产量的影响程度,其计算公式为:

        $ {\rm{ln}} (R) ={\rm{ln}}\left (\frac{{\overline {{X_1}} }}{{\overline {{X_2}} }}\right) ={\rm{ln}}\left ({\overline {{X_1}} }\right) -{\rm{ln}}\left ({\overline {{X_2}} }\right) $

        $ {\rm{ln}}\left (R\right) $的方差计算公式为:

        $ {v}_{{\rm{ln}} ({\rm{R}}) }=\frac{{SD}_{1}^{2}}{{n}_{1{\stackrel{-}{X}}_{1}}}+\frac{{SD}_{2}^{2}}{{n}_{2{\stackrel{-}{X}}_{2}}} $

        式中,$ {SD}_{1} $$ {SD}_{2} $分别表示施用和不施用某种养分处理的小麦产量的标准偏差;$ {n}_{1} $$ {n}_{2} $分别表示施用和不施用某种养分处理的样本数量。以上计算运用Meta分析的openMEE软件完成,并计算反应比95%的置信区间,如果效应值95%的置信区间均大于0,则说明施肥对小麦产量有显著的正效应;若置信区间均小于0,则说明施肥对小麦产量具有显著的负效应;若置信区间包含0,则说明施肥对小麦产量无显著影响。

        为了更清晰的对结果进行解释,将R转化为增长率,其计算公式为:

        $ {\rm{E}}=\left (R-1\right) \times 100\% $

      • 本研究通过异质性检验确定分析模型,若数据分析的显著性结果PQM > 0.05,则不同试验结果间不存在显著差异,选择固定效应模型;若PQM < 0.05,则存在显著差异,使用随机效应模型。统计结果显示,不同试验数据间存在明显异质性,因此选择随机效应模型进行计算综合效应值 (表1)。

        表 1  不同养分增产综合效应值样本描述性统计分析

        Table 1.  Descriptive statistics of sample size

        养分
        Nitrite
        样本量
        Number
        平均值
        Mean
        标准差
        SD
        最小值
        Minimum
        最大值
        Maximum
        QtdfPQM
        N7240.5070.0250.4830.53289697.215723< 0.001
        P6240.1650.0180.1470.18332314.305623< 0.001
        K6580.0950.0080.0860.1039668.906657< 0.001
        注(Note):Qt—异质性检验统计量 Statistic of heterogeneity; PQM—显著性检验 Significance test; df—自由度 Degree of freedom.

        为探究分析结果异质性来源和影响比重,明确氮、磷及钾肥在不同条件下的产量效应和影响因素,本研究从施肥水平、基础地力水平、种植区域、土壤有机质和pH值及土壤养分等方面进行亚组分析。将种植区域按长江流域小麦种植省份划分为四川、云南、贵州、重庆、湖北、安徽、江苏、浙江和上海9个省市;研究不同施氮水平的综合效应时将N1、N2、N3和N4四个处理分别与N0进行对比分析 (不同施磷和钾水平的综合效应比较同理);根据试验地区的土壤条件,将土壤有机质 (g/kg) 划分为 < 15.0、15.0~20.0、> 20.0三个水平,pH划分为 < 6.5、6.5~7.5、> 7.5三个水平,全氮 (g/kg) 划分为 < 1.0、1.0~1.5、> 1.5三个水平,全磷 (g/kg) 划分为 < 0.7、0.7~1.0、> 1.0三个水平,全钾 (g/kg) 划分为 < 10.0、10.0~20.0、> 20.0三个水平,碱解氮 (mg/kg) 划分为 < 80.0、80.0~120.0、> 120.0三个水平,速效磷 (mg/kg) 划分为 < 15.0、15.0~25.0、> 25.0三个水平,速效钾 (mg/kg) 划分为 < 90.0、90.0~130.0、> 130.0三个水平。

        本研究采用Rosenthal’s 失安全系数 (fail-safe number,Nfs) 对各数据集进行发表偏倚检验,如果Nfs > 5n + 10 (n为样本量),则认为结果是可信的[27]

      • 施用氮、磷和钾肥对长江流域小麦产量均具有显著的正效应 (图1),即施用氮肥、磷肥及钾肥对产量的综合效应值的95%置信区间均大于0。氮肥对小麦的增产效应最大 (Qt = 89697.215,df = 723,P < 0.001),其综合效应值 (lnR) 为0.507 (0.483~0.532),增产率为66.0% (62.1%~70.2%);其次为磷肥的增产效应 (Qt = 32314.305,df = 623,P < 0.001),其lnR为0.165 (0.147~0.183),增产率为17.9% (15.8%~20.1%);最后为钾肥的增产效应 (Qt = 9668.906,df = 657,P < 0.001),其lnR为0.095 (0.086~0.103),增产率为10.0% (9.0%~10.9%)。Meta分析结果的发表偏倚检验结果表明,氮、磷和钾肥增产效应的失安全系数 (Nfs) 分别为32209755、2480970和1740327,而5N + 10分别为3630、3130和3300,Nfs远大于5N + 10,表明分析结果可靠,不存在发表偏倚。

        图  1  氮、磷和钾肥料增产效应分析

        Figure 1.  Effect analysis of wheat yield to nitrogen,phosphorus and potassium fertilizer application

        然而,不同施肥量的增产效应存在一定差异 (图1)。对于氮肥而言,小麦的增产效应随着施氮量的增加其综合效应值和增长率呈先增加后降低的趋势,N2和N3水平表现出较高的增产效应,其综合效应值分别为0.549和0.555,相应增产率分别为73.2%和74.2%,二者之间无显著差异;施氮量过高和过低都无助于产量的增加,N4和N1水平的综合效应值分别为0.430和0.401,相应增产率分别为53.7%和49.3%。对于磷肥而言,小麦的增产效应随着施磷量增加其综合效应值和增长率呈先增加后趋于平稳的趋势,P2水平表现出最高的增产效应,其综合效应值和增产量分别为0.208和23.1%;最低的为P1处理,其综合效应值和增产量分别为0.107和11.3%;而高施磷量水平下的P3和P4处理,并未进一步显著增加产量,相反其产量低于P2处理,其综合效应值分别为0.157和0.177,相应增产率分别为17.0%和19.4%。对于钾肥而言,K4的增产效应最高,其综合效应值和增产量分别为0.138和14.8%;K2处理的增产效应与K4无显著差异,其综合效应值和增产量分别为0.116和12.3%,其次分别为K3和K1,其综合效应值分别为0.088和0.065,相应的增产率分别为9.2%和6.7%。氮、磷和钾的增产效应结果分析显示,氮素仍然是长江流域冬小麦最主要的养分限制因子。

      • 不同地力水平下施用氮 (QM = 377.534,df = 3,P < 0.001)、磷 (QM = 34.475,df = 3,P < 0.001) 和钾肥 (QM = 7.928,df = 3,P = 0.048) 对小麦产量均具有显著的正效应,但不同地力水平间存在一定差异 (图2)。小麦增施氮肥的产量效应表现为随基础地力水平升高而降低的趋势,四个地力水平下 (从低到高) 小麦施氮增产的综合效应值分别为0.851、0.559、0.444和0.268,其相应增产率分别为134.2%、74.9%、55.9%和30.7%。增施磷肥的产量效应趋势与氮相同,四个地力水平下小麦施磷增产的综合效应值分别为0.262、0.164、0.133和0.114,其相应增产率分别为30.0%、17.8%、14.2%和12.1%。小麦增施钾肥对产量的综合效应值在不同地力水平下表现为先降低后升高,四个地力水平下小麦施钾的综合效应值分别为0.114、0.086、0.083和0.098,其相应的增产率分别为12.1%、9.0%、8.7%和10.3%。

        图  2  基础地力水平对小麦施肥效应反应比的影响

        Figure 2.  Effects of soil fertility level on wheat fertilization effect response ratio

      • 长江流域不同省份小麦施用氮 (QM = 149.383,df = 8,P < 0.001)、磷 (QM = 21.804,df = 8,P = 0.005) 及钾肥 (QM = 36.607,df = 8,P < 0.001) 的增产效应均呈显著正效应,但不同省份间具有显著异质性 (图3)。对于施氮增产效应而言,重庆市的最高,其效应值和增产率分别为0.859和136.1%;其次为浙江省,其效应值和增产率分别为0.816和126.1%;其余具有显著正效应的省份还有上海市、江苏省、湖北省、安徽省及贵州省,其效应值分别为0.828 (E = 128.9%)、0.631 (E = 87.9%)、0.485 (E = 62.4%)、0.451 (E = 57.0%) 和0.342 (E = 40.8%);虽然云南省和四川省的95%置信区间包含0,但其平均效应值仍大于0 (效应值分别为0.313和0.306,增产率分别为36.8%和35.8%),说明云南省和四川省的施氮增产效应虽不显著,但仍保持增产。对于施磷增产效应而言,具有显著增产效应的省份有浙江省、重庆市、贵州省、四川省及安徽省,其效应值分别为0.330、0.273、0.247、0.246和0.163,相应的增产率分别为39.1%、31.4%、28.0%、27.9%和17.7%;其余各省施磷的综合增产效应不显著,但均为正效应且增产率均大于10.0%。对于施钾增产效应而言,具有显著增产效应的省份有上海市 (lnR = 0.079,E = 8.2%)、安徽省 (lnR = 0.109,E = 11.5%)、贵州省 (lnR = 0.175,E = 19.1%) 和云南省 (lnR = 0.096,E = 10.1%);其余各省施钾增产效应不显著,但仍表现为正效应,除四川省外 (增产率仅为4.4%),其它省份增产率在8.5%左右。

        图  3  种植区域对小麦施肥效应反应比的影响

        Figure 3.  Effect of planting area on wheat fertilization response ratio

      • 不同土壤pH条件下,施用氮、磷及钾肥对小麦产量均具有显著的正效应 (图4),且不同土壤pH条件下小麦施用氮 (QM = 29.719,df = 2,P < 0.001)、磷 (QM = 13.589,df = 2,P < 0.001) 及钾肥 (QM = 7.424,df = 2,P = 0.024) 的增产效应均具有显著差异。小麦在酸性 (lnR = 0.669,E = 95.2%) 和中性 (lnR = 0.665,E = 94.4%) 土壤的施氮增产效应值相近且显著高于碱性土壤 (lnR = 0.457,E = 57.9%);磷肥的增产效应在酸性土壤条件下最高,其效应值为0.258 (E = 29.4%),且增产率随pH的升高呈下降趋势;钾肥的增产效应同样在酸性土壤条件下最好 (lnR = 0.131,E = 14.0%),而在中性土壤条件下最差 (lnR = 0.075,E = 7.8%)。

        图  4  土壤有机质和pH对小麦施肥效应反应比的影响

        Figure 4.  Effects of soil organic matter and pH on wheat fertilization response ratio

        不同土壤有机质条件下,施用氮、磷及钾肥对小麦产量均具有显著的正效应 (图4)。土壤有机质对小麦施磷增产具有显著影响 (QM = 9.307,df = 2,P = 0.01),施磷增产综合效应值随着有机质含量增加呈下降趋势,有机质 < 15、15~20和 > 20 g/kg时的施磷增产综合效应值分别为0.204 (E = 22.6%)、0.159 (E = 17.2%) 和0.136 (E = 14.6%)。不同土壤有机质水平下,小麦施用氮肥 (QM = 5.311,df = 2,P = 0.07) 和钾肥 (QM = 2.326,df = 2,P = 0.312) 的增产效应无显著差异 (P > 0.05),施用氮肥的产量增产率在土壤有机质含量 > 20 g/kg时最高 (81.7%),而施用钾肥的增产率在土壤有机质含量15~20 g/kg时最高 (10.8%)。

      • 施氮增产效应影响因素分析结果显示 (图5),不同土壤全氮含量水平间小麦施氮增产效应无显著差异 (QM = 2.323,df = 2,P = 0.313),土壤全磷 (QM = 11.906,df = 2,P = 0.003) 和全钾 (QM = 11.968,df = 2,P = 0.003) 含量水平对小麦施氮增产效应均具有显著影响,均以最高含量水平下的增产效应最大,增产率分别为126.8% (lnR = 0.819) 和137.3% (lnR = 0.864)。土壤碱解氮 (QM = 22.416,df = 2,P < 0.001)、速效磷 (QM = 18.469,df = 2,P < 0.001) 及速效钾 (QM = 6.815,df = 2,P = 0.033) 含量对小麦施氮增产效应均具有显著影响。不同水平下,碱解氮含量 < 80.0 mg/kg的效应值最高,为0.646 (E = 90.8%);速效磷含量 > 25.0 mg/kg的效应值最高,为0.629 (E = 87.6%);小麦施氮增产效果随速效钾含量的升高而降低,当速效钾含量 < 90 mg/kg时,效应值和增长率最高,分别为0.604和82.9%。

        图  5  土壤矿质养分对小麦施肥效应响应比的影响

        Figure 5.  Effects of soil mineral nutrients on wheat fertilization response ratio

        施磷增产效应影响因素分析结果显示,土壤全磷含量对小麦施磷增产效应影响显著 (QM = 12.322,df = 2,P = 0.002),而土壤全氮 (QM = 3.423,df = 2,P = 0.181) 和全钾 (QM = 5.876,df = 2,P = 0.053) 含量对小麦施磷增产效应影响不显著 (图5)。施磷增产效应随土壤全磷含量的增加呈降低趋势,当全磷含量 > 1.0 g/kg时,小麦施磷后的增产效应不再显著。土壤全氮 < 1.0 g/kg时施磷的增产效应值最高,为0.184 (E = 20.2%),而土壤全钾10.0~20.0 g/kg时的增长效应值最高,为0.222 (E = 24.9%),当土壤全钾 > 20.0 g/kg时,其施磷增产效果不再显著。土壤速效磷含量显著影响小麦施磷增产效应 (QM = 9.309,df = 2,P = 0.010),其增产效应随速效磷含量的增加呈下降的趋势,当速效磷 < 15.0 mg/kg时,其效应值最高,为0.189 (E = 20.8%)。不同水平土壤碱解氮 (QM = 4.264,df = 2,P = 0.119) 和速效钾 (QM = 4.502,df = 2,P = 0.105) 条件下,小麦施磷增产效应均无显著差异。施磷增产效应随土壤碱解氮含量的升高呈上升趋势,以土壤碱解氮 > 120.0 mg/kg的效应值最高,为0.212 (E = 23.6%);而随着土壤速效钾含量升高,磷肥的增产效应呈下降趋势,速效钾含量 < 90.0 mg/kg时的效应值最高,为0.189 (E = 20.8%)。

        施钾增产效应影响因素分析结果显示,土壤全氮 (QM = 1.214,df = 2,P = 0.545)、全磷 (QM = 0.138,df = 2,P = 0.934) 及全钾 (QM = 0.559,df = 2,P = 0.756) 含量对小麦施钾增产效应的影响均不显著 (图5)。不同土壤全氮含量水平下小麦施钾增产均呈正效应,且全氮含量 > 1.5 g/kg时的增长率最高 (E = 7.5%,lnR = 0.072);虽然施钾在各全磷和全钾含量水平条件下具有一定的增产效应,但其置信区间均包含0,施钾效应均不显著。土壤碱解氮 (QM = 0.046,df = 2,P = 0.977) 和速效磷 (QM = 1.296,df = 2,P = 0.523) 含量对小麦施钾增产效应影响均不显著,但不同水平的土壤碱解氮和速效磷下施钾均具有显著的正效应,土壤碱解氮 < 80.0 mg/kg时的效应值最高,为0.122 (E = 13.0%),速效磷含量 < 15.0 mg/kg时的效应值最高,为0.096 (E = 10.1%)。土壤速效钾含量对小麦施钾增产效应具有显著影响 (QM = 6.015,df = 2,P = 0.049),施钾增产效应随土壤速效钾含量的升高呈下降趋势,以土壤速效钾含量 < 90.0 mg/kg时的效应值最高,为0.110 (E = 11.6%)。

      • 肥料对粮食增产具有决定性作用[28],长江中下游的化肥增产率达到了74.3%,显著高于全国的平均水平42.5%[13]。本研究结果显示,施用氮肥、磷肥和钾肥均可显著提高长江流域冬小麦产量,增产率分别为66.0%、18.0%和10.0%,氮作为冬小麦的主要养分限制因子,其增产率显著高于磷肥和钾肥,且显著高于全国小麦施氮的平均增产效应 (28.2%)[29]。有研究表明[30-31],不同地区间的肥料农学效率相差4.0~5.0 kg/kg,肥效相差50.0%以上,长江流域冬小麦较高的肥料增产效应表明,优化长江流域冬小麦施肥量,提高其施肥效应,对我国的粮食增产具有重要意义。本研究结果表明,长江流域小麦的氮、磷和钾的优化施肥量范围分别为183.2 ± 57.2、80.8 ± 23.7和85.1 ± 31.6 kg/hm2,与2005―2008年的施肥情况 (206.0、67.1和49.2 kg/hm2) 相比[13],氮肥的施用量减少了,而磷肥和钾肥的施用量有所增加。

        施肥量高的地区化肥增产效应并非必然会低于施肥量低的地区[13, 32],因为小麦产量受多种因素的影响。不同养分的增产效应存在一定差异,在进行推荐施肥和养分管理时需要考虑当地的土壤肥力及各养分的增产潜力。本研究中,不同基础土壤肥力水平下施用氮、磷及钾肥对小麦的增产效应具有显著差异 (P < 0.001)。氮肥和磷肥的增产效应随基础地力水平的升高呈降低趋势,与前人研究结果的趋势一致[11-12],而钾肥的增产效应随着基础地力水平的升高呈先降低后升高的趋势,这是由于2.0~3.0 t/hm2和3.0~4.0 t/hm2这两个肥力水平的土壤速效钾含量较高,分别为117.1 ± 58.5和140.3 ± 64.1 mg/kg,而 < 2.0 t/hm2和 > 4.0 t/hm2两个肥力水平的速效钾含量相对较低,分别为88.4 ± 41.23和113.0 ± 58.5 mg/kg。武际等[33]得出不同土壤供钾水平下钾肥对小麦的增产幅度为5.3%~18.8%的研究结果与本研究中8.7%~12.1%的钾肥增产范围相近。

        长江流域各省份间的小麦施肥增产效应存在一定差异,如重庆的施氮增产效应最高,浙江的施磷增产效应最高,贵州的施钾增产效应最高。种植区域间小麦增产效应的差异主要是由于长江流域小麦种植区域分布范围广,各地区间的水热条件、土壤性质及耕作方式等存在明显区域异质性,且各地区的基础地力及土壤养分供应能力存在显著差异[34]。如重庆和贵州属于云贵高原地区,土壤肥力相对较低[35],而浙江高温多雨,土壤类型多为红壤,土壤酸化严重,养分相对贫瘠[36]

        除此之外,土壤理化性状直接影响肥料增产效应[37]。pH值对长江流域小麦氮、磷和钾肥的增产效应均具有显著影响 (P < 0.05),效应值随着土壤pH值的增加而降低。pH值是影响土壤硝化作用最重要的环境因子之一,对土壤养分转化和微生物的群落结构具有调节作用,高pH值导致土壤中氨挥发和硝化作用显著增加,大量氮素以NH3的形式挥发,造成氮损失,影响作物的养分吸收,从而对作物产量造成影响[38]。土壤有机质和土壤矿质养分含量是表征土壤肥力的重要指标[39],有机质和速效磷含量对小麦施磷增产效应具有显著影响 (P = 0.01),且呈负相关关系,土壤肥力越高,基础养分供应量越高,则施肥效应相对越弱[11],同理,土壤碱解氮含量最低时施氮效应最高,速效钾含量最低时施钾效应最高。土壤有机质含量对施氮和施钾的增产效应影响不显著,但存在一定差异,这与土壤碱解氮和速效钾含量存在一定联系,速效养分含量较低的土壤具有较高的肥料增产效应。如有机质含量 > 20.0 g/kg的土壤具有较高的氮肥增产效应,因为该有机质水平土壤碱解氮含量 (98.9 ± 45.1 mg/kg) 低于 < 15.0 g/kg和15.0~20.0 mg/kg两个有机质含量水平的土壤 (分别为103.2 ± 35.5 mg/kg和112.7 ± 33.8 mg/kg)。三个有机质含量水平 (从低到高) 土壤的速效钾含量分别为122.5 ± 68.5、98.5 ± 44.5和118.8 ± 59.2 mg/kg,钾肥增产效应在有机质含量15.0~20.0 g/kg的土壤最高。土壤全磷、全钾、速效磷及速效钾对小麦施氮增产效应影响显著 (P < 0.05),则说明在土壤肥力和理化性质基本一致时,磷肥和钾肥的用量也会影响小麦的施氮效应。养分之间的作用是相互的,陈雨露等[40]研究表明施磷可显著提高小麦营养器官氮素转运量和籽粒产量等参数,而适宜的钾肥施用量也可促进小麦对氮素的吸收利用并提高产量[41]。在生产中确定施肥量除了需要考虑作物的养分需求外,还需要考虑土壤的基础养分供应和养分间的相互作用,与此同时,长江流域冬小麦需要更加科学地适合小农户经营模式的推荐施肥方法,才能协调作物养分的供需平衡,减少养分损失,保证小麦增产的同时提高肥料利用率。

      • 长江流域冬小麦施用氮肥、磷肥和钾肥可显著增加小麦产量,增产率分别为66.0%、18.0%和10.0%。不同基础地力水平下施用氮、磷和钾肥的增产效应具有显著差异,均以低肥力土壤 (< 2.0 t/hm2) 的增产效应最高,分别为134.2%、30.0%和12.0%。长江流域各省份冬小麦的施肥增产效应均表现为正效应,但存在显著差异,各省份施用氮、磷和钾肥的增产范围分别为35.8%~136.0%、10.2%~39.1%和4.4%~19.1%。土壤pH值对小麦增产效应具有显著影响,施肥增产效益随着pH增加而降低。土壤有机质含量对小麦施磷增产效应具有显著影响。土壤全磷、全钾、碱解氮、有效磷及速效钾含量对小麦施氮增产效应影响显著;土壤全磷和速效磷含量对小麦施磷增产效应影响显著;土壤速效钾含量对小麦施钾增产效应影响显著。

    参考文献 (41)
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