王 寅,高 強(qiáng)*,李翠蘭,焉 莉,馮國(guó)忠,王少杰,劉振剛,宋立新,房 杰
(1 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130118;2 吉林省土壤肥料總站,長(zhǎng)春 130012)
我國(guó)土壤鉀素具有南低北高、東低西高的規(guī)律性分布特征,東北地區(qū)土壤鉀素含量相對(duì)豐富[1]。但是,隨著高產(chǎn)作物品種的大范圍應(yīng)用以及廣大農(nóng)戶長(zhǎng)期以來(lái)忽視施用鉀肥,近年來(lái)東北地區(qū)土壤鉀普遍出現(xiàn)虧缺,對(duì)作物生產(chǎn)造成負(fù)面影響,并在一些區(qū)域成為養(yǎng)分限制因素[2-5]。另一方面,我國(guó)鉀肥資源相對(duì)緊缺,長(zhǎng)期依賴進(jìn)口,并一度受到國(guó)際鉀礦壟斷企業(yè)聯(lián)盟的高價(jià)供應(yīng)限制,嚴(yán)重影響了國(guó)家糧食安全與社會(huì)穩(wěn)定[6-7]。因此,明確作物施用鉀肥的增產(chǎn)效應(yīng)及生態(tài)區(qū)差異,對(duì)優(yōu)化鉀肥的區(qū)域配置與施用、提高鉀肥資源利用效率及糧食生產(chǎn)能力具有重要意義。
玉米對(duì)鉀素的需求量較大,生產(chǎn)百公斤籽粒植株的鉀素吸收量在1.84~2.77 kg之間,遠(yuǎn)高于磷素而與氮素接近[8-12]。大量單點(diǎn)試驗(yàn)或長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究表明,合理施鉀可促進(jìn)玉米生長(zhǎng)發(fā)育,提高光合作用和同化物轉(zhuǎn)運(yùn)能力,增強(qiáng)植株抗病、抗旱和抗倒伏能力,提高玉米產(chǎn)量及籽粒品質(zhì)[13-20]。區(qū)域研究方面,20世紀(jì)40年代和60年代的兩次全國(guó)性肥效試驗(yàn)均表明我國(guó)多數(shù)地區(qū)作物施用鉀肥無(wú)明顯增產(chǎn)作用[1,21]。1981—1983年開(kāi)展的第三次全國(guó)肥效試驗(yàn)中,玉米施鉀增產(chǎn)效應(yīng)以黃淮海地區(qū)最高,每公斤鉀肥 (K2O) 平均增產(chǎn)10 kg,其后依次為華南 (6.6 kg)、長(zhǎng)江中下游 (3.8 kg) 和東北地區(qū) (1.6 kg),而西北、北部高原和青藏高原地區(qū)無(wú)增產(chǎn)效果[21]。張福鎖等[22]總結(jié)2001—2005年河北、天津和陜西100個(gè)田間試驗(yàn)表明,玉米平均施鉀116 kg/hm2,平均鉀肥農(nóng)學(xué)利用率為5.7 kg/kg。何萍等[23]基于2010—2012年間北方七省373個(gè)田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),玉米施鉀可增產(chǎn)9~4079 kg/hm2,以遼寧最高 (1532 kg/hm2) 而山東最低 (383 kg/hm2)。單燕等[24]分析陜西省“3414”玉米肥效試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),全省平均施鉀量?jī)H19.7 kg/hm2,土壤鉀素呈嚴(yán)重虧缺狀況。而渭北旱塬地區(qū)玉米施鉀平均可增產(chǎn)7.9%,平均產(chǎn)量貢獻(xiàn)率和農(nóng)學(xué)利用率分別為7.0%和9.5 kg/kg[25]。綜上可見(jiàn),不同地區(qū)和年代間玉米施鉀的增產(chǎn)效應(yīng)存在明顯差異。吉林省作為我國(guó)玉米主產(chǎn)省,尚缺乏對(duì)區(qū)域尺度上玉米施鉀效應(yīng)現(xiàn)狀的了解,不同生態(tài)區(qū)之間施鉀效應(yīng)的差異也不清楚,難以為區(qū)域鉀肥的優(yōu)化管理和高效利用提供指導(dǎo)。本研究通過(guò)分析2005—2013年間吉林省“3414”玉米田間試驗(yàn)數(shù)據(jù),研究生態(tài)區(qū)及縣域尺度上玉米施鉀的產(chǎn)量反應(yīng)和鉀肥利用效率,分析玉米施鉀效應(yīng)對(duì)土壤基礎(chǔ)供鉀能力的響應(yīng)差異,為區(qū)域鉀肥的優(yōu)化配置與高效施用提供參考。
本研究整理2005—2013年測(cè)土配方施肥項(xiàng)目在吉林省開(kāi)展的1110個(gè)“3414”玉米田間試驗(yàn),選取處理6 (N2P2K2) 和處理8 (N2P2K0),分別記為施鉀(+K) 和不施鉀 (-K) 處理。鉀肥試驗(yàn)的研究范圍、區(qū)域劃分及試驗(yàn)數(shù)量與氮肥、磷肥試驗(yàn)一致[26-27],東、中、西三大區(qū)域試驗(yàn)田塊耕層土壤平均速效鉀含量分別為116 mg/kg (24~374 mg/kg)、130 mg/kg(34~320 mg/kg) 和 123 mg/kg (42~292 mg/kg),其他土壤理化性質(zhì)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[26-27]。不同地區(qū)玉米的鉀肥(K2O) 用量差異明顯 (圖1)。中部地區(qū)施鉀量整體上明顯較高,所有縣市均高于66 kg/hm2,77.8%的縣市超過(guò)74 kg/hm2,平均達(dá)74.4 kg/hm2(變異系數(shù)為5%),最高為公主嶺市 (80.4 kg/hm2) 而最低為扶余市(66.9 kg/hm2)。西部地區(qū)平均施鉀量為69.9 kg/hm2(變異系數(shù)為13%),縣域間差異較大,最高的前郭縣達(dá)77.0 kg/hm2而最低的通榆縣僅47.5 kg/hm2。東部地區(qū)施鉀量整體偏低,平均為67.6 kg/hm2(變異系數(shù)為9%),20%的縣市高于74.4 kg/hm2而30%的縣市低于66 kg/hm2。除施鉀量差異外,所有試驗(yàn)兩處理的氮、磷肥用量一致,東、中、西部地區(qū)的平均氮肥 (N) 用量分別為155、177和162 kg/hm2,平均磷肥 (P2O5) 用量分別為62.2、72.0和72.2 kg/hm2。
鉀肥試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間與地點(diǎn)、土壤類型與理化性質(zhì)、供試品種與肥料以及施肥方法、樣品采集分析與產(chǎn)量測(cè)定方法、參數(shù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析等與氮、磷肥試驗(yàn)一致[26-27]。其中,各參數(shù)的具體計(jì)算方法如下:
鉀肥農(nóng)學(xué)利用率 (agronomic efficiency of K fertilizer,AE,kg/kg),指單位施鉀量所增加的作物籽粒產(chǎn)量,即AE = (Y-Y0)/F,Y為施鉀區(qū)作物產(chǎn)量,Y0為無(wú)鉀區(qū)作物產(chǎn)量,F(xiàn)為施鉀量。
鉀肥偏生產(chǎn)力 (partial factor productivity of K fertilizer,PFP,kg/kg),指投入單位鉀肥所生產(chǎn)的作物籽粒產(chǎn)量,即PFP =Y/F。
鉀肥貢獻(xiàn)率 (K fertilizer contribution rate) =(Y-Y0)/Y× 100%。
吉林省玉米產(chǎn)量受施用鉀肥和區(qū)域差異的顯著影響,但交互作用不顯著 (圖2)。不論施鉀與否,各區(qū)域玉米產(chǎn)量高低順序均為:中部 > 東部 > 西部。不施鉀條件下,東、中、西部玉米平均產(chǎn)量分別為8.44 t/hm2(3.29~14.5 t/hm2)、9.45 t/hm2(3.77~15.3 t/hm2) 和 8.11 t/hm2(3.89~12.84 t/hm2),東、西部與中部的產(chǎn)量差分別為1.01和1.35 t/hm2。施鉀后三大區(qū)域玉米平均產(chǎn)量分別增至9.75 t/hm2(5.27~16.90 t/hm2)、10.51 t/hm2(5.40~15.84 t/hm2) 和 9.41 t/hm2(4.31~14.90 t/hm2),東、西部與中部的產(chǎn)量差減小,分別為0.75和1.09 t/hm2。
圖 1 吉林省玉米施鉀量的縣域差異Fig. 1 County scale differences in K fertilization rate of maize in Jilin Province
圖 2 吉林省不同區(qū)域玉米施鉀的產(chǎn)量效應(yīng)Fig. 2 Maize yield responses to K fertilizer in different regions of Jilin Province
圖3顯示,吉林省中部各縣市玉米產(chǎn)量明顯較高,且縣域間變異較小 (-K和+K處理下均為10%)。相比中部地區(qū),東部地區(qū)玉米產(chǎn)量較低、縣域間變異略高 (變異系數(shù)分別為11%和12%),而西部地區(qū)產(chǎn)量總體偏低,且縣域間差異較大 (變異系數(shù)分別為14%和17%)。-K處理吉林省玉米產(chǎn)量最高的縣市為中部的前郭縣 (11.9 t/hm2),最低為東部的靖宇縣 (6.5 t/hm2) (圖3A)。全省范圍內(nèi)有14個(gè)縣市玉米產(chǎn)量高于9.3 t/hm2,其中東、中、西部分別有3、9和2個(gè),占各地區(qū)總縣市比例分別為15%、50%和20%。中部地區(qū)所有縣市玉米產(chǎn)量均高于8.0 t/hm2,而東、西部地區(qū)分別有6個(gè)和3個(gè)縣市低于8.0 t/hm2,占比均為30%。+K處理全省所有縣市玉米產(chǎn)量均超過(guò)8.0 t/hm2,最高為中部的吉林市 (12.7 t/hm2),最低則為西部的長(zhǎng)嶺縣 (8.2 t/hm2) (圖3B)。玉米產(chǎn)量高于9.3 t/hm2的縣市數(shù)量增加至36個(gè),東、中、西部分別有12、17和7個(gè),占比分別為60%、95%和70%。分析發(fā)現(xiàn),玉米基礎(chǔ)產(chǎn)量與施鉀產(chǎn)量在縣域間存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系,方程為y= 0.915x+ 1881 (y為施鉀產(chǎn)量,x為基礎(chǔ)產(chǎn)量),決定系數(shù)達(dá)0.832。
吉林東、中、西部玉米施鉀的增產(chǎn)量平均分別為1.31、1.06和1.30 t/hm2,平均增幅分別為18.1%、12.2%和17.4% (表1)。協(xié)方差分析表明,三大區(qū)域間玉米施鉀的增產(chǎn)量無(wú)顯著差異,而增幅以東部顯著高于中部。東部玉米施鉀的增產(chǎn)量和增幅在縣域間存在較大變異,變異系數(shù)分別為55%和56% (圖4)。全省施鉀增產(chǎn)反應(yīng)最高和最低的縣市均在東部,分別為靖宇縣 (增產(chǎn)2.38 t/hm2,39.0%) 和龍井市 (增產(chǎn)0.15 t/hm2,3.1%),全區(qū)施鉀增產(chǎn)超過(guò)1.4 t/hm2和增幅超過(guò)16.0%的縣市比例均占35%。西部玉米施鉀的增產(chǎn)量和增幅在縣域間也有較大變異,變異系數(shù)分別為43%和45%,增產(chǎn)效應(yīng)最高為鎮(zhèn)賚縣 (增產(chǎn)1.96 t/hm2,27.9%) 而最低為前郭縣 (增產(chǎn)0.26 t/hm2,2.2%),施鉀增產(chǎn)超過(guò)1.4 t/hm2和增幅超過(guò)16.0%的縣市比例分別為30%和50%。相比東、西部,中部縣域間玉米施鉀的增產(chǎn)量和增幅變異明顯較小,變異系數(shù)分別為31%和30%,增產(chǎn)效應(yīng)最高為舒蘭市 (增產(chǎn)1.58 t/hm2,17.9%) 而最低為磐石縣 (增產(chǎn)0.61 t/hm2,8.0%)。中部施鉀增產(chǎn)超過(guò)1.4 t/hm2和增幅超過(guò)16.0%的縣市比例分別為16.7%和5.6%,均低于東、西部。
圖 3 吉林省玉米不同縣域的不施鉀產(chǎn)量 (A) 與施鉀產(chǎn)量 (B) 及其相關(guān)關(guān)系Fig. 3 Maize yields in -K (A) and +K (B) treatments and their relationship in the different counties of Jilin Province
表1 吉林省不同區(qū)域玉米施鉀的增產(chǎn)效果和鉀肥利用率Table 1 Maize yield increase and K fertilizer use efficiency in the different regions of Jilin Province
圖 4 吉林省不同縣域玉米施鉀的增產(chǎn)量 (A) 與增產(chǎn)率 (B)Fig. 4 Maize yield increase (A) and yield increase rate (B) of K fertilizer applied in the different counties of Jilin Province
以農(nóng)學(xué)利用率和肥料貢獻(xiàn)率表征鉀肥利用率,吉林東、中、西部玉米施鉀的平均農(nóng)學(xué)利用率分別為19.7、14.6和20.2 kg/kg,而平均肥料貢獻(xiàn)率分別為13.9%、10.2%和13.6%。協(xié)方差分析顯示,東部玉米施鉀的農(nóng)學(xué)利用率和肥料貢獻(xiàn)率顯著高于中、西部。鉀肥農(nóng)學(xué)利用率區(qū)域差異顯示 (圖5A),全省最高、最低值分別為東部的靖宇縣 (35.7 kg/kg) 和西部的前郭縣 (3.4 kg/kg)。東、中、西部鉀肥農(nóng)學(xué)利用率在縣域間的變異系數(shù)分別為48.3%、30.2%和40.8%,中部明顯較低。三大區(qū)域鉀肥農(nóng)學(xué)利用率高于14 kg/kg的縣市比例分別為65%、50%和80%,東、西部分別有25%和40%的縣市鉀肥農(nóng)學(xué)利用率高于22 kg/kg,而中部所有縣市均低于22 kg/kg。圖5B顯示,全省鉀肥貢獻(xiàn)率最高和最低的縣市與農(nóng)學(xué)利用率一致,分別為東部的靖宇縣 (26.7%) 和西部的前郭縣 (2.1%)。各區(qū)域鉀肥貢獻(xiàn)率在縣域間的變異情況以中部 (27.0%) 明顯低于東、西部 (分別為48.4%和39.3%)。東、中、西部鉀肥貢獻(xiàn)率高于7%的縣市比例分別為85%、77.8%和90%,而高于13%的縣市比例分別為35%、5.6%和50%,中部均相對(duì)較低。
-K處理玉米產(chǎn)量水平可表征土壤基礎(chǔ)供鉀能力。分析發(fā)現(xiàn),吉林省各生態(tài)區(qū)域玉米+K與-K處理產(chǎn)量間均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系 (圖6),線性回歸方程決定系數(shù)在0.616~0.757之間,說(shuō)明土壤基礎(chǔ)供鉀能力差異是玉米施鉀產(chǎn)量主要的變異來(lái)源。隨-K處理玉米產(chǎn)量增加,各區(qū)域+K處理產(chǎn)量也均隨之提高,可見(jiàn)較高的土壤基礎(chǔ)供鉀能力是施肥后獲得高產(chǎn)的基礎(chǔ)。而且,東、中、西部回歸方程的斜率大小明顯不同,說(shuō)明不同區(qū)域土壤基礎(chǔ)供鉀能力對(duì)玉米施鉀產(chǎn)量的影響程度存在差異。相比中、西部,東部土壤基礎(chǔ)供鉀能力對(duì)玉米+K處理產(chǎn)量的影響相對(duì)較小。
吉林省不同區(qū)域玉米施鉀的肥料貢獻(xiàn)率與-K處理產(chǎn)量間均存在顯著的對(duì)數(shù)關(guān)系 (圖7)。肥料貢獻(xiàn)率隨-K處理產(chǎn)量的增加而逐漸下降,表明土壤基礎(chǔ)供鉀能力的提高減少了玉米對(duì)外源鉀肥的依賴。相比中、西部,東部鉀肥貢獻(xiàn)率與-K處理產(chǎn)量間回歸方程的曲線斜率明顯較大,說(shuō)明隨土壤基礎(chǔ)供鉀能力的提高其鉀肥貢獻(xiàn)率的降幅更大。
鉀是土壤中含量最高的大量營(yíng)養(yǎng)元素,但是受母質(zhì)、氣候等成土條件的影響,不同地區(qū)土壤鉀素的豐缺狀況差異很大[28]。一般認(rèn)為,我國(guó)東北地區(qū)土壤鉀素含量普遍較為豐富,作物施鉀的增產(chǎn)效果較低。1980年代全國(guó)化肥試驗(yàn)協(xié)作網(wǎng)在東北地區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果顯示,玉米施用1 kg N、P2O5、K2O可平均分別增產(chǎn)15.7、13.1和1.6 kg,鉀肥的增產(chǎn)效果遠(yuǎn)低于氮、磷肥[21]。但是,近年來(lái)東北地區(qū)土壤鉀素含量開(kāi)始下降,玉米施鉀增產(chǎn)的相關(guān)報(bào)道也逐漸增多[2-3,29-30]。究其原因,主要是由于高產(chǎn)作物品種的大范圍施用以及農(nóng)戶長(zhǎng)期以來(lái)忽視鉀肥的補(bǔ)充施用所致[3-4]。本研究結(jié)果顯示,吉林省東、中、西生態(tài)區(qū)目前每施用1 kg K2O玉米平均分別增產(chǎn)19.7、14.6和20.2 kg,相比30多年前增加了8.1~11.6倍[21]。目前,三大生態(tài)區(qū)玉米施鉀的平均產(chǎn)量增幅分別為18.1%、12.2%和17.4%,平均產(chǎn)量貢獻(xiàn)率分別為13.9%、10.2%和13.6%,已接近施用磷肥的產(chǎn)量增幅和產(chǎn)量貢獻(xiàn)率[27]??梢?jiàn),施用鉀肥已成為保障吉林省玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)不可忽視的重要措施。目前,我國(guó)玉米生產(chǎn)提倡通過(guò)增密種植實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增效[31],因此更需重視鉀肥的合理施用以提高植株抗病和抗倒伏能力。
圖 5 吉林省不同縣域玉米施鉀的農(nóng)學(xué)利用率 (A) 和肥料貢獻(xiàn)率 (B)Fig. 5 Agronomic efficiency (A) and fertilizer contribution rate (B) of K fertilizer in the different counties of Jilin Province
圖 6 吉林省不同區(qū)域玉米施鉀產(chǎn)量與不施鉀產(chǎn)量的關(guān)系Fig. 6 Relationships between maize yields in +K and -K treatments in different regions of Jilin Province
圖 7 吉林省不同區(qū)域玉米鉀肥貢獻(xiàn)率與-K處理產(chǎn)量的關(guān)系Fig. 7 Relationships between K fertilizer contribution rate and maize yield in -K treatment in different regions of Jilin Province
影響鉀肥肥效的因素包括氣候條件、耕作制度、土壤鉀素供應(yīng)能力、氮磷肥施用狀況以及鉀肥品種與施用技術(shù)等,其中土壤鉀素肥力狀況是最重要的因素[1]。本研究發(fā)現(xiàn),吉林省東部地區(qū)土壤速效鉀含量較中、西部地區(qū)略低,而施鉀量水平也相對(duì)較低,因此其單位鉀肥的增產(chǎn)效應(yīng)相對(duì)較好,產(chǎn)量增幅高于中部地區(qū),農(nóng)學(xué)利用效率和鉀肥貢獻(xiàn)率顯著高于中、西部地區(qū)。另外,由于長(zhǎng)白山對(duì)季風(fēng)的阻擋作用,吉林東部地區(qū)降雨較多而光照偏少,玉米較易遭受低溫、澇害及寡照的不利影響[32]。施鉀可提高玉米的光合作用及同化物運(yùn)輸,并增強(qiáng)植株的抗逆性和抗倒伏能力[1,13,18-19],因而有助于東部地區(qū)玉米獲得較高的增產(chǎn)效應(yīng)。本研究還顯示,隨著土壤基礎(chǔ)供鉀能力的提高,東部地區(qū)玉米施鉀產(chǎn)量的增幅和鉀肥貢獻(xiàn)率的降幅明顯高于其他地區(qū)。這也反映出東部地區(qū)土壤供鉀能力較弱,而玉米產(chǎn)量對(duì)外源鉀肥的依賴程度更高。目前,隨著復(fù)合肥及玉米專用肥的推廣應(yīng)用,東部地區(qū)農(nóng)戶忽視鉀肥施用的狀況有所改善[6,33]。但是,該地區(qū)仍需進(jìn)一步加強(qiáng)平衡施肥理念和技術(shù)的宣傳推廣,積極合理地施用鉀肥并結(jié)合秸稈還田等措施提高土壤鉀的供應(yīng)能力。
施肥增產(chǎn)效應(yīng)的高低是指導(dǎo)區(qū)域作物科學(xué)養(yǎng)分管理的重要依據(jù)[12,34-35]。結(jié)合已有的氮、磷肥研究[26-27]及本研究鉀肥試驗(yàn)的結(jié)果可見(jiàn),吉林省不同生態(tài)區(qū)及縣域尺度上玉米施肥的增產(chǎn)效應(yīng)、肥料利用效率差異顯著,而且不同養(yǎng)分在不同區(qū)域的效應(yīng)表現(xiàn)也不一致?;谧匀粴夂驐l件、土壤基礎(chǔ)供肥能力及作物的肥效反應(yīng),吉林省玉米生產(chǎn)應(yīng)實(shí)行差異化的生態(tài)區(qū)養(yǎng)分管理策略??傮w上,中部半濕潤(rùn)平原區(qū)應(yīng)以維持作物需求為標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格控制化肥施用量,尤其是氮、磷的投入以減少養(yǎng)分盈余與環(huán)境損失;東部濕潤(rùn)山區(qū)應(yīng)適當(dāng)增加氮、鉀肥用量,并配合抗逆栽培措施以減少逆境影響,提高光、溫利用效率;西部地區(qū)應(yīng)重視磷肥的科學(xué)施用,同時(shí)積極探索和推廣高效抗旱補(bǔ)水與水肥一體化技術(shù)以發(fā)揮水肥耦合效應(yīng)。另外,吉林省乃至整個(gè)東北地區(qū)目前農(nóng)田有機(jī)肥的施用比例都非常低[4],應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)牧系統(tǒng)資源的綜合管理與循環(huán)利用,研究并推廣適合不同生態(tài)區(qū)的畜禽糞便與作物秸稈還田利用技術(shù),在培肥地力的同時(shí)減少環(huán)境污染,促進(jìn)高產(chǎn)高效綠色可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展。
吉林省東、中、西部地區(qū)玉米施鉀平均分別增產(chǎn) 1.31 t/hm2(18.1%)、1.06 t/hm2(12.2%) 和 1.30 t/hm2(17.4%),平均農(nóng)學(xué)利用率分別為19.7、14.6和20.2 kg/kg,平均肥料貢獻(xiàn)率分別為13.9%、10.2%和13.6%。不同區(qū)域之間玉米施鉀的增產(chǎn)量無(wú)顯著差異,而增幅以東部顯著高于中部,農(nóng)學(xué)利用率和肥料貢獻(xiàn)率以東部顯著高于中、西部。各區(qū)域玉米施鉀產(chǎn)量與基礎(chǔ)產(chǎn)量間均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,而鉀肥貢獻(xiàn)率與基礎(chǔ)產(chǎn)量間均存在顯著的負(fù)對(duì)數(shù)關(guān)系。隨土壤基礎(chǔ)供鉀能力提高,東部玉米施鉀產(chǎn)量的增幅和鉀肥貢獻(xiàn)率的降幅明顯高于中、西部。