0 引言
【研究意义】磷素是重要的农业生产资源,对作物的生命体结构组成、生长发育和组织代谢发挥着关键作用[1-2]。但是,大量磷肥施入土壤后由于固定而导致土壤磷库不断增加,不仅降低磷肥利用效率,还极易进入水体造成环境污染[3-5]。因而磷素的合理施用与优化配置一直是养分管理与环境保护领域的研究热点。作物施肥的增产效应是反映施肥措施是否合理的重要指标,也是优化养分管理的重要依据[6-8]。吉林省作为中国重要的粮食生产基地,每年农田的磷肥（P2O5）投入接近40万吨,其中约70%施用于玉米[9]。因此,明确吉林省不同生态区玉米施用磷肥的增产效应及其差异是实现区域磷肥资源优化管理和配置的重要基础。【前人研究进展】玉米对磷素较为敏感,缺磷显著影响其生长和产量,而适量施磷条件下玉米根系发达,根系活力显著提高,植株生长健壮,产量水平较高[10-12]。国内研究者已在玉米施磷的增产机理、磷素的吸收利用、适宜的磷肥用量与施用方式、土壤磷素有效性及其形态转化等方面进行了大量研究[13-16],但大多是基于某一地区的单个试验而开展的机理和技术研究。区域研究方面,中国农业科学院土壤肥料研究所[17]总结了20世纪80年代中国各个区域玉米的磷肥施用效果,其中,单位磷肥的增产效应以东北地区的13.1 kg·kg-1为最高,之后为西北、黄淮海和长江中下游地区,而北部高原和西南地区相对较低。张福锁等[18]总结2001—2005年全国试验发现,玉米平均施磷114 kg·hm-2,磷肥平均农学利用率为7.5 kg·kg-1。何萍等[19]利用2010—2012年间的373个养分专家系统试验分析了中国北方7省玉米的施肥产量效应,发现施磷增产量在11—5 381 kg·hm-2之间,其中黑龙江的最高（1 463 kg·hm-2）,而山东的最低（376 kg·hm-2）。单燕等[20]收集2005—2009年“3414”数据评估了陕西省不同区域玉米的施肥效应,发现渭北旱塬的施磷量和增产效果显著高于关中灌区和陕南秦巴山区,而土壤磷素盈余也明显较多。李文彪等[21]总结2006—2008年内蒙古河套灌区的236个春玉米“3414”试验,发现区域的平均磷肥农学利用率为9.9 kg·kg-1,且随产量水平增加而逐渐提高。【本研究切入点】已有的玉米区域施磷效应研究大多集中于省域尺度,生态区及更小尺度上的区域研究还相对较少,同时研究方法上主要为简单的数据统计描述,还缺乏较深入的对比与分析。目前,吉林省玉米施肥研究中还缺少区域的宏观效应研究,尤其是对不同生态区之间以及县域尺度上玉米的施磷反应和磷肥利用效率差异缺乏明确掌握。【拟解决的关键问题】本研究基于2005—2013年测土配方施肥项目在吉林省开展的玉米“3414”田间试验,评价不同县市玉米施磷的产量反应和磷肥利用效率,明确吉林省玉米施磷效应在生态区及县域尺度上的差异,并利用大数据分析区域间地力差异对增产效应的影响,以期为区域磷肥的科学管理与合理配置提供依据。1 材料与方法
1.1 研究区概况
吉林省根据地形、气候和植被等条件可分为三大生态区,即东部湿润山区、中部半湿润平原区和西部半干旱平原区（图1-A）[22]。东部湿润山区为长白山至大黑山的多山地带,降水丰沛（年均700—1 000 mm）,大部分地区长期为森林植被系统,土壤主要为暗棕壤和白浆土等,呈酸性或微酸性,农田耕作开垦历史较短。中部半湿润平原区主要为松花江冲积平原,降水适中（年均500—700 mm）,光照和积温适中,土壤主要为黑土、黑钙土等,肥力较高,耕作开垦时间相对较长。西部半干旱平原区主要为嫩江冲积平原,降水较少（年均350—500 mm）,土壤主要为黑钙土、草甸土和风沙土,还存在大面积的盐碱地,土壤肥力相对较低。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1吉林省玉米生态区划分（A）与施磷量的县域差异（B）
-->Fig.1Ecological regions and regional differences in P fertilizer application rate of maize in Jilin province
-->
本研究整理2005—2013年国家测土配方施肥项目在吉林省布置的玉米“3414”田间试验共1 110个,其中东、中、西三大生态区分别为266、567和277个[22]。东、中、西生态区的试验田块耕层土壤的平均有效磷含量分别为43.7 mg·kg-1（4.7—153.9 mg·kg-1）、31.8 mg·kg-1（4.4—103.0 mg·kg-1）和13.1 mg·kg-1（1.4—73.2 mg·kg-1）,其他土壤理化性质详见文献[22]。为方便进行地区间比较,本研究将全省分为48个县市级单位（县、县级市、市辖区等）,东、中、西生态区分别有20、18和10个县（市）（图1-A）。
1.2 试验设计与分析
研究选取“3414”田间试验中的处理4（N2P0K2）和处理6（N2P2K2）,分别记为不施磷（-P）和施磷（+P）处理。吉林省不同地区施磷处理的磷肥（P2O5）用量差异明显（图1-B）,整体上自东向西逐渐提高。东部地区75%的县（市）玉米施磷量低于63 kg·hm-2,仅有和龙县和柳河县超过70 kg·hm-2,全区平均为62.2 kg·hm-2;中部地区除德惠市和东丰县外施磷量均高于63 kg·hm-2,平均为72.0 kg·hm-2,其中以磐石县最高（79.7 kg·hm-2）;西部地区所有县市的施磷量均高于63 kg·hm-2,平均达72.2 kg·hm-2,最高为前郭县（80.5 kg·hm-2）,而最低为大安市（67.7 kg·hm-2）。除施磷量差异外,所有试验两处理的氮、钾肥用量一致,东、中、西部地区的平均氮肥（N）用量分别为155.2、177.0和162.1 kg·hm-2,平均钾肥（K2O）用量分别为69.9、74.4和67.6 kg·hm-2。磷肥试验的试验时间与地点、土壤类型与理化性质、供试品种与肥料以及施肥方法、样品采集分析与产量测定方法、参数计算等均与氮肥试验一致[22]。
采用Excel 2013软件计算和处理试验数据,用SPSS 17.0软件进行统计分析。其中,用两因素方差分析研究生态区和施磷处理对玉米产量的影响,采用最小显著差异法（LSD法）检验处理间产量在P<0.05水平的差异显著性;用协方差分析研究不同生态区之间玉米施磷增产量、增产率、农学利用率和产量贡献率的差异并进行多重比较检验生态区间施磷增产效果在P<0.05水平的差异显著性,各指标的协变量分别为不施磷产量、不施磷产量、施磷量和施磷产量。采用ArcGIS 9.3软件制作地图。
2 结果
2.1 施磷对吉林省不同生态区玉米产量的影响
生态区差异和施用磷肥对吉林省玉米产量均有显著影响（图2）,方差分析显示两者有显著的交互作用。不同生态区中以中部地区的玉米产量最高,东部地区次之,西部地区最低。不施磷条件下,吉林省东、中、西部地区玉米平均产量分别为8.4 t·hm-2（4.1—15.4 t·hm-2）、9.3 t·hm-2（4.3—15.8 t·hm-2）和7.7 t·hm-2（3.5—12.6 t·hm-2）,而施磷条件下分别为9.8 t·hm-2（5.3—16.9 t·hm-2）、10.5 t·hm-2（5.4—15.8 t·hm-2）和9.4 t·hm-2（4.3—14.9 t·hm-2）。可见,施用磷肥后东、西部地区与中部地区之间的产量差有所缩小。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2吉林省不同生态区玉米施磷的产量效应
不同小写字母表示施磷处理间差异显著（P<0.05）,*表示生态区之间差异显著（P<0.05）。每个箱型上下的线段分别为25%和75%分位值,箱内实线和虚线分别表示中值和平均值
-->Fig. 2Maize yield response to P fertilizer in different ecological zones of Jilin province
The different lowercase letters above boxes indicate significant differences between -P and +P treatments at P<0.05, and * indicate significant differences between ecological zones at P<0.05. The upper and lower limits of each box represent 25% and 75% values, the horizontal solid and dashed lines inside the box indicate median and mean values, respectively
-->
县域尺度上的差异显示（图3-A）,不施磷条件下玉米产量以中部地区整体较高,所有县（市）均在8.0 t·hm-2以上,且56%的县（市）超过9.2 t·hm-2,其中最高为东丰县的11.3 t·hm-2,而最低的磐石县也达到8.1 t·hm-2;东部地区65%的县（市）产量高于8.0 t·hm-2,最高为辉南县（10.4 t·hm-2）,最低则为靖宇县（6.8 t·hm-2）;西部地区产量整体较低且县（市）间存在较大差距,其中前郭县为全区和全省最高（11.8 t·hm-2）,长岭县则在全区和全省均为最低（6.5 t·hm-2）。施用磷肥后,各生态区县域的玉米平均产量均大幅提高（图3-B）,中部地区形成连片的高值区域,除德惠市（8.8 t·hm-2）外各县（市）产量均超过9.2 t·hm-2,且22.2%的县（市）达到11.6 t·hm-2以上,最高为吉林市（12.7 t·hm-2）;东部地区60%的县（市）产量高于9.2 t·hm-2,最高为辉南县（12.3 t·hm-2）;西部地区70%的县（市）产量超过9.2 t·hm-2,最高为松原市（12.1 t·hm-2）,而最低仍为长岭县（8.2 t·hm-2）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3吉林省玉米不施磷（A）与施磷（B）处理产量的区域差异
-->Fig. 3Regional differences of maize yield in Jilin province in the -P (A) and +P (B) treatments
-->
2.2 吉林省玉米施磷增产效果的区域差异
吉林省不同生态区中,西部地区玉米施磷的增产效果最好,平均增产1.7 t·hm-2,增幅达24.7%,协方差分析结果显示其显著高于东部和中部地区（表1）。分析县域差异发现（图4）,全省施磷增产效果最高的县（市）为中部的四平市,增产达2.23 t·hm-2（38.4%）。西部的前郭县施磷增产效果为全省最低,仅增产0.11 t·hm-2（0.9%）。但是,西部地区一半以上县（市）施磷增产超过1.5 t·hm-2,60%的县（市）增产率高于20个百分点,因此整体增产效果较好。东部地区施磷增产超过1.5 t·hm-2和20个百分点的县（市）比例分别为35%和30%,其中以靖宇县最高（增产2.04 t·hm-2,增幅31.4%）。尽管四平市增产效果为全省最高,但中部地区其他的县（市）普遍较低,施磷增产超过1.5 t·hm-2和20个百分点的县（市）比例分别为28%和17%,整体上增产效果显著低于西部地区。Table 1
表1
表1吉林省不同生态区玉米的增产效果和磷肥利用效率
Table 1Yield increases and P fertilizer use efficiencies of maize in different ecological zones of Jilin province
| 地区 Region | 项目 Item | 增产量 Yield increase (t·hm-2) | 增产率 Yield increase rate (%) | 农学利用率 Agronomic efficiency (kg·kg-1) | 肥料贡献率 Fertilizer contribution rate (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 东部湿润山区EHMA | 范围Range | -1.2-4.7 | 0-68.6 | 0-79.1 | 0-40.7 |
| (n=266) | 平均值±标准差Mean±SD | 1.4 ± 1.0 | 18.4 ± 13.3 | 23.2 ± 15.1 | 14.6 ± 8.9 |
| 中部半湿润平原区CSPA | 范围Range | -1.8-6.9 | 0-134.3 | 0-92.7 | 0-57.3 |
| (n=567) | 平均值±标准差Mean±SD | 1.2 ± 0.9 | 14.5 ± 11.9 | 17.5 ± 12.1 | 11.9 ± 7.7 |
| 西部半干旱平原区WSPA | 范围Range | -1.1-5.5 | 0-89.7 | 0-65.8 | 0-47.3 |
| (n=277) | 平均值±标准差Mean±SD | 1.7 ± 1.1 | 24.7 ± 17.5 | 24.1 ± 14.9 | 18.3 ± 10.8 |
| 单因素方差分析 One-way ANOVA (P) | 自变量 Independent variable | <0.001** | <0.001** | <0.001** | <0.001** |
| 协方差分析 UNIANOVA (P) | 自变量 Independent variable | 0.012* | <0.001** | <0.001** | <0.001** |
| 协变量 Concomitant variable | <0.001** | <0.001** | 0.004** | 0.456 ns | |
| 多重比较结果Multiple comparisons results (P) | ENMA VS CSPA | 0.909 ns | 0.858 ns | <0.001 ** | <0.001 ** |
| ENMA VS WSPA | 0.005 ** | <0.001 ** | <0.001 ** | <0.001 ** | |
| CSPA VS WSPA | 0.015 * | <0.001 ** | 0.073 ns | <0.001 ** |
新窗口打开
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4吉林省玉米施磷增产量（A）与增产率（B）的区域差异
-->Fig. 4Regional differences in yield increase (A) and yield increase rate (B) of P fertilizer applied to maize in Jilin province
-->
2.3 吉林省不同生态区玉米磷肥利用效率差异
吉林省玉米施用磷肥的农学利用率在不同区域之间存在明显差异。县域尺度上（图5）,磷肥农学利用率存在较大差异,西部地区的前郭县为全省最低（1.4 kg·kg-1）,但全区70%的县（市）高于18 kg·kg-1,因而整体上农学利用率最高。东部地区珲春市的磷肥农学利用率为全省最高（35.2 kg·kg-1）,全区超过18 kg·kg-1的县（市）比例达到60%,且在东中部的蛟河市、桦甸市、辉南县、靖宇县和抚松县等形成连片的高值区域,但东南部的通化市、通化县以及东北部的敦化市和龙井市相对偏低。中部地区磷肥农学利用率最高为永吉县（26.6 kg·kg-1）,而最低为德惠市（6.5 kg·kg-1）,全区仅44%的县（市）高于18 kg·kg-1。生态区尺度上（表1）,尽管东部地区的磷肥农学利用率绝对值较高而中部地区较低,但是东部地区施磷量偏低而中部地区施肥量偏高,因此协方差分析结果显示东部地区单位施磷量的增产效果其实低于中、西部地区。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5吉林省玉米施磷农学利用率（A）和肥料贡献率（B）的区域差异
-->Fig. 5Regional differences in agronomic efficiency (A) and fertilizer contribution rate (B) of P fertilizer applied to maize in Jilin province
-->
吉林省玉米施用磷肥的肥料贡献率在生态区尺度上以西部最高,东部次之,中部地区最低（表1）。全省磷肥贡献率的最高、最低值均在西部地区（图5-B）,分别为大安市（23.6%）和前郭县（0.9%）,而该生态区70%的县（市）磷肥贡献率高于12%,整体的平均表现最好。东部地区也有70%的县（市）磷肥贡献率高于12%,但县域差异分布与农学利用率类似,东中部存在连片高值区域而东北部、东南部偏低。中部地区的县（市）磷肥贡献率普遍较低,全区仅33.3%的县（市）磷肥贡献率在12%以上。
2.4 吉林省不同生态区土壤基础供磷能力与玉米施磷产量、磷肥贡献率的关系
不施磷条件下,作物产量的高低可反映土壤的基础供磷能力。图6显示,吉林省三大生态区玉米施磷产量与基础产量间均存在极显著的正相关关系。施磷产量随基础产量的增加而逐渐提高,说明增加土壤基础供磷能力有利于施肥后获得高产。各生态区回归方程的决定系数在0.623—0.739之间,说明吉林省玉米施磷产量60%以上的变异来自土壤基础供磷能力的不同。回归方程的斜率反映出土壤基础供磷能力对玉米施磷产量的影响程度,不同生态区之间回归方程斜率的差异说明玉米施磷效应受到生态区环境条件的影响。其中,西部地区土壤基础供磷能力对玉米产量的影响程度明显低于东、中部地区。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图6吉林省不同生态区玉米施磷产量与基础产量的关系
虚线为1:1线
-->Fig. 6Relationships between maize yields in the -P and +P treatments in different ecological zones of Jilin province
The dash line indicate 1:1 line
-->
吉林省三大生态区磷肥贡献率与玉米基础产量间均存在显著的对数关系（图7）。但是,不同生态区之间回归方程的曲线斜率也存在明显差异,其高低顺序为西部>东部>中部,表明随基础产量的提高,西部地区磷肥对玉米产量贡献的降幅更大,而中部地区则相对较小。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图7吉林省不同生态区玉米磷肥贡献率与基础产量的关系
-->Fig. 7Relationships between maize yield in -P treatment and +P fertilizer contribution rate in different ecological zones of Jilin province
-->
3 讨论
适量磷肥供应可促进玉米前期发根,是保证植株健壮和后期高产的重要基础[10-12]。本研究显示,吉林省东、中、西三大生态区玉米施用磷肥对产量的贡献率分别为14.6%、11.9%和18.3%,说明施用磷肥在目前吉林省玉米生产中发挥着重要作用,停止施用磷肥造成的减产将超过11%。目前,东、中、西部地区玉米施磷的农学利用率分别为23.2、17.5和24.1 kg·kg-1,远高于全国平均水平（7.5 kg·kg-1）,也明显高于陕西渭北旱塬地区（10.5 kg·kg-1）和内蒙古河套灌区（9.9 kg·kg-1）[18, 20-21]。东、中、西部地区玉米施磷的偏生产力分别为158.7、148.1和131.1 kg·kg-1,也均高于中国和世界的平均水平（72.4和119.0 kg·kg-1）[18, 23]。可见,吉林省玉米的磷肥利用率已在国内处于较高水平。王晓慧等[24]研究发现,中国北方目前主推的高产春玉米品种大多为磷低效型品种,因此在当前国家实施化肥零增长战略、探索绿色增产模式的形势下,进一步提高吉林省玉米磷肥利用率还需以养分管理为主要途径。比较不同生态区玉米的施磷反应与磷肥利用效率发现,西部地区磷肥的增产效果、农学利用率和肥料贡献率总体上相对较高。一般来说,区域间作物产量与施肥反应的差异主要来自于气候、地形、土壤等自然原因以及施肥、种植等人为因素[25-26]。相比东、中部地区,吉林西部地区的自然条件相对较差,常年降水偏少,土壤以砂性土和盐碱土居多,养分含量相对较低[27]。本研究中,西部地区农田土壤平均有效磷含量为13.1 mg·kg-1,仅相当于东、中部地区的30%和41.2%。土壤水分和磷素供应不足的双重胁迫会对玉米生长发育造成极大限制[27],因而西部地区不施磷条件下玉米的平均产量偏低,仅为7.7 t·hm-2,远低于东、中部地区的8.4和9.3 t·hm-2。相比水分条件较好、土壤磷素较为丰富的东、中部地区,施用磷肥可有效缓解西部地区由于水分不足和磷素含量偏低而造成的土壤磷营养缺乏,提高磷素有效性,因而获得了较好的增产效果,农学利用效率也显著较高。
与氮肥试验结果类似[22],吉林省在县域尺度上的玉米施磷效应和磷肥利用效率差异巨大。如西部地区的大安市与洮南市,两地区平均土壤有效磷含量分别为8.2和18.7 mg·kg-1,不施磷基础产量分别为6.8和8.8 t·hm-2,而施磷后产量分别增加至8.9和9.7 t·hm-2,导致前者施磷的增产效果、农学利用率和磷肥贡献率明显更高。因此,区域磷素养分管理也需进一步细化,兼顾大区域与小环境,保证肥料合理分配,促进全面高产高效。另外本研究发现,吉林省不同生态区之间玉米整体的施磷效应表现与氮肥试验明显不同[22]。施氮的增产效果和氮肥利用效率以东部地区明显高于中、西部地区,而磷肥表现则以西部地区明显较好。随不施氮产量增加,西部地区施氮产量的增幅较其他地区明显偏高,氮肥贡献率的降幅则相对较低。磷肥试验的结果刚好相反,随不施磷产量的增加,西部地区施磷产量的增幅明显低于其他地区,而磷肥贡献率的降幅则相对较高。这表明,尽管施用氮肥对于西部地区玉米生产的绝对贡献力更高,但磷肥的相对贡献力更大。可见,不同生态区之间对于不同养分的管理策略也需要区别对待和适当调整。当前,吉林省西部地区玉米生产相比东、中部地区,在保障氮肥合理施用的基础上应更重视磷肥的管理,而磷肥利用效率的提升也需综合考虑水分供应,氮肥施用及栽培管理等其他因素[28-30]。
4 结论
施用磷肥在当前吉林省玉米生产中具有显著增产作用,东、中、西三大生态区平均分别增产1.4 t·hm-2（18.4%）、1.2 t·hm-2（14.5%）和1.7 t·hm-2（24.7%）。施磷对东、中、西三大生态区产量的贡献平均分别为14.6%、11.9%和18.3%。不同生态区玉米施磷产量效应和磷肥利用效率存在较大差异,西部地区产量水平相比东、中部地区偏低,但施磷的增产效果、农学利用率和产量贡献率总体上相对较高。随土壤基础供磷能力的增加,西部地区施磷产量的增幅和磷肥贡献率的降幅较其他地区更为明显。因此,吉林省西部地区玉米生产较其他地区应重视磷肥的管理和调控,并结合其他栽培管理措施提高产量水平和磷肥利用效率。The authors have declared that no competing interests exist.
