0 引言
【研究意义】通过“绿色革命”和集约化耕种等措施,中国主要粮油作物产量自建国以来均大幅提升[1-4]。然而,由于人口增长和粮食消费结构变化等因素,世界粮油需求仍不断增长。研究表明,到2050年全球粮食产量至少要比2005年增加60%—110%才能满足人类消费和牲畜饲料对粮食的需求[5]。据LI等[4]预测,到2030年,中国的粮食产量至少要比2011年增长35.8%才能保证粮食自给。黄壤是中国中亚热带湿润区的地带性土壤,保障黄壤区粮油产量安全关系着地区发展与经济民生,地区粮油的高产、稳产和可持续生产更符合国家粮食安全的战略目标。【前人研究进展】前人研究[6-7]指出,影响中国粮食产量的关键因素是粮食播种面积、化肥施用量和播面单产。然而,由于黄壤区主要是山地丘陵地貌,耕地后备资源严重不足,耕地面积总量不可能大幅度增加;同时,目前中国单位面积化肥施用量已超过作物实际需求[8],过量施肥导致肥料利用率降低[9],作物产量不稳定性和不可持续性增加[10],并导致生态环境问题[11-12]和资源浪费[13],结合当前“化肥零增长”要求,化肥投入量也不可能大幅增加;因此,只有通过耕地保育,提升单位面积土壤生产能力,保证产量的稳定和可持续才是未来黄壤区粮食安全的出路。李忠芳等[14]和曾祥明等[15]通过长期定位试验发现,作物的施肥产量与基础地力显著正相关,地力越高,作物施肥产量越高。FAN等[16]、李忠芳等[17]、梁涛等[18]采用地力贡献率评价了基础地力对施肥产量的贡献,表明地力贡献率与基础地力呈显著正相关,基础地力越高,作物产量越高,地力对施肥的产量贡献率越大。梁涛等[18]研究表明,区域基础地力越高的土壤在施肥和良好管理下所获得的产量潜力越高,施肥产量的可持续性和稳定性越高。基础地力的研究为指导区域合理的耕地保育和作物绿色生产提供了依据。【本研究切入点】评估基础地力对黄壤区粮油高产、稳产和可持续生产的影响,对确保地区粮食安全和实现区域作物绿色生产有重要意义。然而,目前针对黄壤粮油作物基础地力现状的研究未见报道,对地区粮食安全影响如何尚不清晰。【拟解决的关键问题】选取2006—2013年测土配方施肥项目在黄壤区开展的3 515个田间试验,对黄壤区马铃薯、油菜、玉米和水稻4种主要的粮油作物基础地力产量和地力贡献率特征进行评估,揭示基础地力对黄壤区粮油产量高产、稳产和可持续生产的影响,为黄壤耕地地力保育和区域作物绿色生产提供依据。1 材料与方法
1.1 调查数据来源
本研究以黄壤分布面积最广、耕地比重较大的贵州、四川和重庆3个省市为研究区,调查了研究区黄壤分布区2006—2013年全国测土配方施肥项目开展的3 515个田间试验（马铃薯434个、油菜525个、玉米1 318个、水稻1 238个）。试验点分布于调查区典型的粮油种植区域（图1）,各试验点选择具有代表性的土壤肥力地块（土壤基础性质见表1）进行试验。每个试验在同一地块开展一季试验,试验开始前为农民常规施肥管理。调查了每个试验点无肥对照（CK）和氮磷钾肥（N2P2K2）处理的作物产量数据,对照处理不施用任何肥料,氮磷钾肥处理按照试验点当地测土配方施肥推荐氮磷钾肥料用量施用。试验由试验点当地的农技部门开展,试验的肥料、作物品种、田间操作和产量测定等均参照农业部《测土配方施肥技术规范》[19]进行。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1不同作物试验点分布
-->Fig. 1Geographical distribution of on-farm trials sites for different crops
-->
Table 1
表1
表1不同作物试验点土壤基础性质
Table 1The basic properties of soils at on-farm trials sites for different crops
| 作物 Crop | 样本数 Site number | 有机质 SOM (g·kg-1) | 全氮 Total N (g·kg-1) | 有效磷 Available P (mg·kg-1) | 速效钾 Available K (mg·kg-1) | pH |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 马铃薯 Potato | 434 | 31.5±16.5 | 1.80±0.65 | 20.3±15.2 | 136±88 | 4.0-9.0 |
| 油菜 Rapeseed | 525 | 34.8±18.5 | 2.00±0.80 | 18.2±12.9 | 111±66 | 4.3-8.6 |
| 玉米 Maize | 1318 | 29.3±13.0 | 1.75±0.60 | 20.8±17.2 | 137±99 | 3.8-8.7 |
| 水稻 Rice | 1238 | 31.6±15.1 | 1.90±1.10 | 17.4±15.0 | 109±67 | 3.9-8.5 |
新窗口打开
1.2 数据处理与分析
本研究基于作物估计方法[16]进行土壤基础地力评估,土壤基础地力产量以作物无肥对照处理产量来评价;氮磷钾肥处理产量代表养分供应充足下的现实生产力。为了评价基础地力对作物施肥产量的贡献,计算地力贡献率（RCsoil）[16,18]。
式中,YCK为无肥对照处理产量,YN2P2K2为氮磷钾肥处理产量。
采用线性回归[18]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。边界线分析方法被广泛用于描述现实产量与潜在产量的差距和评估产量限制因子[21-23]。边界线拟合方法如下：
Yp=
式中,Yp是边界线预测产量,Yatt是区域氮磷钾肥处理可获得的最高预测产量,K、R为方程常数。
根据边界线拟合得到的最高产量（Yatt）计算产量差（yield gap）。
式中,Ygap是产量差,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。
作物产量的稳定性和可持续性是反映作物产量安全的重要指标。作物产量的稳定性用稳定性指数SI（stability index）衡量,SI 值越低表明产量越稳定[24];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。计算方法如下：
式中,STD(YN2P2K2)、AVE(YN2P2K2)和YN2P2K2-max分别为氮磷钾肥处理产量的标准差、平均值和最大值。
采用Excel 2016、Sigmaplot12.5、ArcGIS10.3软件进行数据统计分析和作图。
2 结果
2.1 粮油作物基础地力产量及地力贡献率特征
不同粮油作物的基础地力统计结果（表2）表明,黄壤区马铃薯基础地力产量在1.2—33.9 Mg·hm-2,平均基础地力产量10.8 Mg·hm-2;地力贡献率在17.3%—99.6%,平均地力贡献率50.8%。油菜基础地力产量在0.19—2.74 Mg·hm-2,平均基础地力1.13 Mg·hm-2;地力贡献率在11.6%—98.7%,平均地力贡献率49.0%。玉米基础地力在0.74—10.61 Mg·hm-2,平均基础地力4.57 Mg·hm-2;地力贡献率在16.0%—99.9%,平均地力贡献率59.0%。水稻基础地力在1.58—9.98 Mg·hm-2间,平均基础地力5.73 Mg·hm-2;地力贡献率在36.9%—99.7%,平均地力贡献率70.8%。Table 2
表2
表2不同粮油作物基础地力及地力贡献率
Table 2Inherent soil productivity and contribution rate of soil productivity for grain and oil crops
| 作物 Crop | 基础地力 Inherent soil productivity (Mg·hm-2) | 地力贡献率 Contribution rate of inherent soil productivity (%) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 最小值 Min | 最大值 Max | 平均值 Average | 标准差 Standard error | 最小值 Min | 最大值 Max | 平均值 Average | 标准差 Standard error | |
| 马铃薯 Potato | 1.2 | 33.9 | 10.8 | 5.1 | 17.3 | 99.6 | 50.8 | 16.8 |
| 油菜 Rapeseed | 0.19 | 2.74 | 1.13 | 0.48 | 11.6 | 98.7 | 49.0 | 17.5 |
| 玉米 Maize | 0.74 | 10.61 | 4.57 | 1.49 | 16.0 | 99.9 | 59.0 | 15.5 |
| 水稻 Rice | 1.58 | 9.98 | 5.73 | 1.26 | 36.9 | 99.7 | 70.8 | 12.6 |
新窗口打开
2.2 基础地力产量对地力贡献率的影响
随着基础地力产量的提升,作物地力贡献率逐渐增加（图2）。当马铃薯基础地力由<6 Mg·hm-2上升到>24 Mg·hm-2时,地力贡献率从46.5%上升至81.2%。当油菜基础地力由<0.5 Mg·hm-2上升到>2 Mg·hm-2时,地力贡献率从23.1%上升至79.2%。当玉米基础地力由<2 Mg·hm-2上升到>8 Mg·hm-2时,地力贡献率从30.2%上升至86.5%。当水稻基础地力由<2 Mg·hm-2上升到>8 Mg·hm-2时,地力贡献率从63.3%上升至85.3%。表明随着基础地力的提升,土壤基础地力对施肥产量的贡献呈上升趋势。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2基础地力产量对地力贡献率的影响
-->Fig. 2Effect of inherent soil productivity on contribution rate of soil productivity
-->
2.3 基础地力对作物施肥产量及产量差的影响
作物氮磷钾肥处理与基础地力产量的拟合直线显示（图3,表3）,马铃薯、油菜、玉米和水稻4种粮油作物现实生产力与基础地力拟合直线决定系数分别达0.472、0.284、0.382和0.366（P<0.001）,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。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3基础地力对粮油作物施肥产量的影响
-->Fig. 3Effect of inherent soil productivity on fertilization yield of grain and oil crops
-->
Table 3
表3
表3基础地力与施肥产量的直线拟合和边界线分析
Table 3Linear fitting and boundary line analysis of inherent soil productivity and fertilization yield
| 作物 Crop | 直线Straight line | 边界线 Boundary line | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 方程Equation | R2 | P | 方程Equation | Yatt | R2 | P | |
| 马铃薯 Potato | YN2P2K2=10.2+1.07×YCK | 0.472 | <0.001 | Yp= 42.8/(1+8.76×exp(-0.525×YCK)) | 42.8 | 0.974 | <0.001 |
| 油菜 Rapeseed | YN2P2K2=1.57+0.665×YCK | 0.284 | <0.001 | Yp =4.07/(1+2.61×exp(-2.89×YCK)) | 4.07 | 0.904 | <0.001 |
| 玉米 Maize | YN2P2K2 =4.93+0.614×YCK | 0.382 | <0.001 | Yp =11.8/(1+4.17×exp(-1.35×YCK)) | 11.8 | 0.963 | <0.001 |
| 水稻 Rice | YN2P2K2 =4.35+0.663×YCK | 0.366 | <0.001 | Yp =12.4/(1+15.7×exp(-1.01×YCK)) | 12.4 | 0.955 | <0.001 |
新窗口打开
边界线分析结果表明（图3,表3）,马铃薯、油菜、玉米、水稻4种粮油作物符合边界线拟合（P<0.001）。马铃薯、油菜、玉米和水稻的施肥高产潜力分别为42.8、4.07、11.8和12.4 Mg·hm-2。
不同基础地力分级下作物产量差分析结果表明（图4）,随着基础地力的提升,不同作物产量差均呈降低趋势。当马铃薯基础地力由<6 Mg·hm-2上升到>24 Mg·hm-2时,产量差从32.6 Mg·hm-2降低至8.3 Mg·hm-2。当油菜基础地力由<0.5 Mg·hm-2上升到>2 Mg·hm-2时,产量差从2.34 Mg·hm-2降低至1.22 Mg·hm-2。当玉米基础地力由<2 Mg·hm-2上升到>8 Mg·hm-2时,产量差从6.05 Mg·hm-2降低至1.46 Mg·hm-2。当水稻基础地力由<2 Mg·hm-2上升到>8 Mg·hm-2时,产量差从9.49 Mg·hm-2降低至2.38 Mg·hm-2。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4基础地力对作物施肥产量差的影响
-->Fig. 4Effect of inherent soil productivity on fertilization yield gap of grain and oil crops
-->
2.4 基础地力对作物施肥产量稳定性和可持续性的影响
作物施肥产量的稳定性和可持续性随着地力的变化而变化（图5）。不同作物由低地力到高地力,施肥产量的可持续性指数均呈上升趋势,而稳定性指数均降低;当马铃薯基础地力由<6 Mg·hm-2上升到>24 Mg·hm-2时,产量稳定性指数从0.599降低至0.181,可持续性指数从0.134上升至0.656;当油菜基础地力由<0.5 Mg·hm-2上升到>2 Mg·hm-2时,产量稳定性指数从0.297降低至0.153,可持续性指数从0.447上升至0.600;当玉米基础地力由<2 Mg·hm-2上升到>8 Mg·hm-2时,产量稳定性指数从0.245降低至0.070,可持续性指数从0.487上升至0.788;当水稻基础地力由<2 Mg·hm-2上升到>8 Mg·hm-2时,产量稳定性指数从0.189降低至0.087,可持续性指数从0.667上升至0.745。表明基础地力越高,作物施肥可获得的产量稳定性和可持续性越高,有利于粮油作物的稳产和可持续生产。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5不同作物土壤基础地力对作物产量稳定性（SI）和可持续性（SYI）的影响
-->Fig. 5Effect of inherent soil productivity on stability indexes (SI) and sustainable yield indexes (SYI) of fertilization yield for grain and oil crops
-->
3 讨论
3.1 粮油作物基础地力特征
以往对基础地力的研究主要集中于点位长期试验的土壤地力评估及地力演变分析[17,25-26],并不能反映区域土壤基础地力的真实值;对于区域基础地力的评价主要集中于水稻、玉米和小麦三大粮食作物[16,18,27],对于油料作物和第四大粮食作物马铃薯基础地力的评价鲜有报道。本研究对黄壤区马铃薯、油菜、玉米和水稻4种粮油作物基础地力进行了评价。结果显示,黄壤区马铃薯、油菜、玉米和水稻基础地力产量分别为10.8、1.13、4.57和5.73 Mg·hm-2,地力贡献率分别为50.8%、49.0%、59.0%和70.8%。不同作物地力贡献率以水稻最高,玉米次之,油菜的最低,此结果与夏圣益[28]开展的多点试验结果一致;这可能是由于水耕条件下水热环境更稳定,促进了土壤养分释放和水稻养分吸收,有利于水稻产量的形成[29];同时,山地丘陵地区水稻多种植于地形低洼地,是区域水分养分的汇集区[30],径流和灌溉等环境养分带入较多[31],导致施肥的贡献降低,地力贡献率高于旱地作物;此外,水稻和玉米根系是须根系,毛细根发达,根表面积大,能够充分吸收土壤养分,而油菜根系为直根系,对土壤的养分吸收能力较弱[32],因而油菜地力贡献率较低。就玉米和水稻而言,两者平均基础地力产量和平均地力贡献率均高于全国平均水平[33],其原因一方面可能与研究区光温水条件较好、气候生产潜力较高等气候环境因素有关[34];另一方面,黄壤区种植结构较为单一,主要以单作为主[35],而全国其他粮油主产区复种指数较高[36],长期的持续耕种导致土壤基础地力降低;此外,黄壤区农业气象灾害发生率较其他粮食主产区低[37],更有利于地力的发挥和作物产量的形成。本研究对黄壤区马铃薯、油菜、玉米和水稻的础地力产量和地力贡献率的评估结果反映了区域粮油作物地力特征,为地区粮油作物的绿色生产提供了依据。但是,当前黄壤区基础地力的时空特征尚不明晰,尤其是对低基础地力土壤的空间分布分析较少,成为今后研究的重点。3.2 提升土壤地力,实现区域作物绿色生产
3 515个田间试验结果分析显示,4种粮油作物施肥产量与基础地力产量呈极显著正相关关系（图3）,这与李忠芳等[14],乔磊等[27]对水稻的研究基本一致,表明基础地力在提高粮油产量上占有重要地位。缩减产量差被认为是实现粮食安全的重要途径。以往的研究表明,通过优化水肥管理[38]和先进的农业技术推广[39]等措施能够缩减产量差。本研究发现,提升土壤地力也是缩减产量差的有效途径,表现为随着基础地力产量的提升,作物获得区域高产潜力的产量差逐渐降低（图4）,表明通过提升土壤地力,可以缩减产量差,实现区域作物高产,为今后缩减产量差途径研究提供了新的方向。土壤生产力的稳定性和可持续性是实现区域粮食安全的必要条件,本研究结果显示（图5）,随着地力的提升,作物施肥产量的稳定性和可持续性均提高,表明地力提升能够促进产量趋于稳定并持续生产,研究结果与梁涛等[18]对大区域的统计结果一致。提升黄壤地力对区域作物高产、稳产和可持续生产至关重要,因此寻求黄壤地力提升有效途径成为实现区域绿色生产的的关键点。研究指出,黄壤具有冷、酸、瘦（缺磷）和黏等障碍,是黄壤低地力的主要因素[40]。由此,提升黄壤地力关键是通过良好的土壤管理,进行土壤培肥,改良土壤障碍因素。进行土壤改良培肥有诸多方法,如实行合理耕作[40-41]、合理施肥[42]和施用调理剂[43]等措施在黄壤改良培肥均见诸报道。然而,以往的黄壤改良培肥研究主要针对黄壤单一或多肥力因子,鲜少有进行黄壤综合肥力提升的报道研究,缺乏造成黄壤地力低的障碍因素定量分析及长期地力演变研究,这是今后研究的重点。4 结论
黄壤区马铃薯、油菜、玉米和水稻基础地力产量分别为10.8、1.13、4.57和5.73 Mg·hm-2,地力贡献率分别为50.8%、49.0%、59.0%和70.8%。随着基础地力的提升,作物施肥产量提升,产量差降低,地力贡献率、产量的稳定性和可持续性均提升。基础地力提升有利于作物区域高产、稳产和可持续生产。致谢：本研究原始数据资料来自贵州、四川和重庆等省市开展的全国测土配方施肥项目,项目具体实施由各省市土壤肥料工作总站牵头,各市州县的农委、土壤肥料工作站等农技部门具体实施。在此,对这些长期在基层一线工作的农业工作者们表示感谢。
The authors have declared that no competing interests exist.
