黃少輝，賈良良，楊云馬，劉克桐

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邊界線法解析冀中南麥區(qū)基礎(chǔ)地力產(chǎn)量的土壤養(yǎng)分影響因子

黃少輝1,3，賈良良1※，楊云馬1，劉克桐2

（1. 河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所，石家莊 050051；2. 河北省農(nóng)業(yè)廳土壤肥料總站，石家莊 050021； 3. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

基礎(chǔ)地力產(chǎn)量是表征土壤生產(chǎn)能力的重要指標(biāo)，對(duì)基礎(chǔ)地力產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分影響因子的研究可為河北省中南部冬小麥產(chǎn)區(qū)地力提升及增產(chǎn)提供指導(dǎo)和理論依據(jù)。該文利用河北省2006—2013年測(cè)土配方施肥項(xiàng)目布置的876個(gè)示范試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究了河北中南部冬小麥基礎(chǔ)地力產(chǎn)量、產(chǎn)量差及基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率，利用邊界線分析方法，將農(nóng)田土壤養(yǎng)分因子對(duì)基礎(chǔ)地力產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率進(jìn)行了定量化，解析了土壤養(yǎng)分影響因子。結(jié)果表明：河北冬小麥基礎(chǔ)地力產(chǎn)量在1 080～7 404 kg/hm2之間；以最高產(chǎn)量為參照，各試驗(yàn)點(diǎn)的基礎(chǔ)地力產(chǎn)量差為69～6 324 kg/hm2（平均值為2 831 kg/hm2）?；A(chǔ)地力對(duì)農(nóng)戶產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率均值為71.1%，基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率隨基礎(chǔ)地力產(chǎn)量的增加而提高，呈顯著正相關(guān)關(guān)系，基礎(chǔ)地力小麥產(chǎn)量每提高1 000 kg/hm2，基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率提高8%。應(yīng)用邊界線分析方法對(duì)土壤養(yǎng)分因子與基礎(chǔ)地力產(chǎn)量進(jìn)行分析，土壤pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀5種土壤養(yǎng)分因子與邊界點(diǎn)均有較好的擬合關(guān)系（2分別為0.837、0.881、0.750、0.682和0.951），土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分對(duì)基礎(chǔ)地力產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率以有機(jī)質(zhì)、pH值和堿解氮最高，分別為16.6%、10.9%和10.5%，速效鉀和有效磷的貢獻(xiàn)率分別為4.1%和2.9%，河北省農(nóng)田土壤培肥時(shí)應(yīng)優(yōu)先提升有機(jī)質(zhì)與堿解氮，并優(yōu)先調(diào)節(jié)土壤pH。河北省冬小麥田土壤在pH值8.1、有機(jī)質(zhì)24.6 g/kg、堿解氮120.6 mg/kg、有效磷12.4 mg/kg、速效鉀89 mg/kg時(shí)養(yǎng)分效率最高，是農(nóng)田土壤最優(yōu)養(yǎng)分目標(biāo)。邊界線方法能夠?qū)^(qū)域尺度基礎(chǔ)地力產(chǎn)量土壤養(yǎng)分影響因子進(jìn)行分析，可為農(nóng)田土壤培肥指明方向。

土壤；肥力；邊界線分析；基礎(chǔ)地力；產(chǎn)量；影響因子

0 引 言

土壤基礎(chǔ)地力是影響作物產(chǎn)量的重要因素，常以不施肥下作物產(chǎn)量來表征[1-2]。土壤基礎(chǔ)地力產(chǎn)量差是衡量土壤基礎(chǔ)地力高低最直觀、最可靠的指標(biāo)。通過低產(chǎn)田改造，中國糧食產(chǎn)量可增加390億kg，潛力巨大[3]。河北省中南部是中國小麥主產(chǎn)區(qū)之一，產(chǎn)量位居全國第5[4]，常年播種面積240萬hm2，占全國9.7%，這一區(qū)域?qū)ΡＵ先珖Z食安全非常重要。河北省小麥?zhǔn)┓柿扛?、養(yǎng)分效率低、環(huán)境減排壓力大，尤其是在當(dāng)前國家實(shí)施“化肥零增長(zhǎng)”戰(zhàn)略，提高土壤基礎(chǔ)生產(chǎn)能力是在少投入化肥的情況下保證高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要途徑。因此，提升這一區(qū)域的基礎(chǔ)地力水平成為重要的研究課題。曾祥明等[5]通過長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究指出基礎(chǔ)地力越高，作物施肥產(chǎn)量越高。對(duì)基礎(chǔ)地力差異的研究可以為區(qū)域合理保育耕地、可持續(xù)生產(chǎn)提供指導(dǎo)。土壤基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率是指不施肥處理作物產(chǎn)量與施肥處理作物產(chǎn)量的百分比，可以評(píng)價(jià)農(nóng)田土壤供應(yīng)養(yǎng)分的能力，對(duì)作物產(chǎn)量有顯著的影響[6]。湯勇華等[7]研究指出中國小麥、玉米和水稻產(chǎn)量的地力貢獻(xiàn)率分別為43.06%、51.06%和61.93%。梁濤等[1-2,8]研究表明基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率與基礎(chǔ)地力呈顯著正相關(guān)系，基礎(chǔ)地力越高，作物可獲得產(chǎn)量越高，地力對(duì)施肥的產(chǎn)量貢獻(xiàn)率越大。有研究指出，土壤基礎(chǔ)地力產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分有顯著的相關(guān)關(guān)系。魯艷紅等[9]通過對(duì)紅壤長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的研究指出，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀是影響土壤基礎(chǔ)地力差異的主要養(yǎng)分因子；趙秀娟等[10]通過對(duì)褐土區(qū)的研究指出，有效磷、速效鉀以及有機(jī)質(zhì)是褐土區(qū)基礎(chǔ)地力差異的主要影響因素。定量化土壤基礎(chǔ)地力養(yǎng)分因子對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)對(duì)改善土壤肥力、提高基礎(chǔ)產(chǎn)量水平具有重要意義。邊界線（boundary line）的概念在1972年由Webb[11]首先提出，他指出在任何2個(gè)有著因果關(guān)系的變量中都有1條存在于數(shù)據(jù)體邊界上的、表示群體中最佳表現(xiàn)的線，稱為邊界線。邊界線分析（boundary line analysis）可從復(fù)雜的多因素中孤立出某個(gè)因素，廣泛應(yīng)用于分析單因素對(duì)產(chǎn)量的限制程度，適用性較好，土壤、農(nóng)戶管理等因素都可分析[12-14]。近年來邊界線分析方法在作物和生態(tài)學(xué)等學(xué)科研究中廣泛應(yīng)用，Wang等[15]利用邊界線分析方法解析了生物因素、管理措施、土壤養(yǎng)分狀況及地膜措施對(duì)非洲咖啡種植的影響； Abravan等[16]利用邊界線分析方法指出在伊朗東部地區(qū)油菜種植中最佳施肥量為N 122 kg/hm2，P2O549 kg/hm2，K2O 34 kg/hm2和S 40 kg/hm2。在中國也有所應(yīng)用，梁海波等[17]在海南木薯產(chǎn)區(qū)的木薯產(chǎn)量差影響因素進(jìn)行分析后指出，肥料N、P2O5、K2O對(duì)產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率分別為6.3%、11.0%和6.3%；郝曉然[18]對(duì)河北省夏玉米高產(chǎn)田限制因素的解析中，也應(yīng)用邊界線分析方法定量化土壤肥力因子對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率，最高為有效磷、有機(jī)質(zhì)和速效鉀，分別為16%、12%和12%。目前，針對(duì)土壤基礎(chǔ)地力產(chǎn)量及土壤基礎(chǔ)地力產(chǎn)量差的邊界線分析方法應(yīng)用較少，尤其是針對(duì)河北小麥產(chǎn)區(qū)基礎(chǔ)地力產(chǎn)量及養(yǎng)分因子對(duì)基礎(chǔ)地力產(chǎn)量的限制方面研究更少。因此，本研究以河北省2006—2013年測(cè)土配方施肥數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用產(chǎn)量差及邊界線方法進(jìn)行研究，擬解決以下問題：1）明確河北冬小麥土壤基礎(chǔ)地力產(chǎn)量、土壤基礎(chǔ)地力產(chǎn)量差及基礎(chǔ)地力對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率；2）定量化土壤養(yǎng)分因子對(duì)基礎(chǔ)地力產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率，以期為河北省小麥產(chǎn)區(qū)地力提升提供指導(dǎo)與理論依據(jù)，并為解析產(chǎn)量影響因素提供方法參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本文以河北冬小麥種植區(qū)為研究區(qū)域，主要包括冀中南平原區(qū)和太行山山前平原區(qū)，面積約為240萬hm2。這些地區(qū)土壤肥沃，年均降雨量在500 mm左右，但小麥生育期降雨量?jī)H100 mm左右，無霜期170～190 d，常年積溫4 200～4 800 ℃，熱量光照充足，主要種植模式是冬小麥-夏玉米輪作。土壤類型包括潮土、褐土、棕壤等河北省主要土壤類型。

本研究選取2006—2013年測(cè)土配方項(xiàng)目在河北省布置的田間示范所取得的876個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)（非定位試驗(yàn)，每年會(huì)選取不同的試驗(yàn)點(diǎn)），示范試驗(yàn)點(diǎn)分布如圖1所示。試驗(yàn)所選點(diǎn)位前10年歷史種植模式均為小麥玉米輪作，一年兩熟。且每個(gè)點(diǎn)位均可灌溉。示范試驗(yàn)設(shè)置不施肥、農(nóng)戶施肥和配方施肥3個(gè)處理，每個(gè)處理面積大于0.067 hm2，不設(shè)重復(fù)，除施肥外其他管理3個(gè)處理保持一致。本研究選取不施肥和農(nóng)戶習(xí)慣施肥2個(gè)處理來研究基礎(chǔ)產(chǎn)量及基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率，其中涉及的示范點(diǎn)耕層土壤情況為pH值6.5～9.3、有機(jī)質(zhì)0.6～60.2 g/kg、堿解氮10～198 mg/kg、有效磷0.3～59 mg/kg、速效鉀17～293 mg/kg（表1）。農(nóng)戶習(xí)慣施肥以化肥為主，平均氮肥投入量289 kg/hm2，磷肥（P2O5）127 kg/hm2，鉀肥（K2O）63 kg/hm2，農(nóng)戶間施肥差異較大（表1）。研究區(qū)域2006—2013年平均降雨量為482 mm，小麥生長(zhǎng)季降雨量分別為157.0、212.2、80.1、65.3、53.1、82.3、94.6 mm，平均為106.4 mm；灌溉管理中每年10月中旬造墑播種（灌水40 mm左右），第2年3月下旬返青期灌水70 mm左右，5月灌漿期灌水70 mm左右，保證小麥生育期水分充足。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)分布圖

表1 土壤化學(xué)指標(biāo)與施肥量統(tǒng)計(jì)特征值

1.2 樣品采集與測(cè)試

土壤樣品采集在每年10月上旬（夏玉米收獲后）進(jìn)行，各處理之字形選取9取樣點(diǎn)，采集0～20 cm耕層土壤，組成混合代表樣，除去雜物后風(fēng)干，碾碎過篩后進(jìn)行測(cè)試。土壤養(yǎng)分參考鮑士旦[19]提供的方法進(jìn)行測(cè)試，其中pH采用電位法（水土比5∶1），堿解氮采用1.0 mol/L NaOH擴(kuò)散法，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀采用1.0 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法，有機(jī)質(zhì)采用外加熱重鉻酸鉀容量法進(jìn)行測(cè)定。小麥產(chǎn)量為實(shí)測(cè)產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

基礎(chǔ)地力用不施用任何肥料的作物產(chǎn)量來表征[1-2]，本研究以不施肥區(qū)小麥產(chǎn)量表示。

基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率指基礎(chǔ)地力產(chǎn)量占施肥后總產(chǎn)量的百分比，即基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率=不施肥區(qū)產(chǎn)量/農(nóng)戶常規(guī)施肥區(qū)產(chǎn)量×100%[6,10]。

基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率分布頻率指某一特定貢獻(xiàn)率范圍內(nèi)的樣本數(shù)占總樣本數(shù)的百分比，即基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率分布頻率%=某貢獻(xiàn)率范圍內(nèi)樣本數(shù)/總樣本數(shù)×100%[20]。

本研究選取土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量及土壤pH值5個(gè)肥力指標(biāo)作為影響因子進(jìn)行解析，此5個(gè)指標(biāo)也被稱為“基礎(chǔ)五項(xiàng)”，具有較高普遍性，是土壤基礎(chǔ)肥力情況的反映，其與基礎(chǔ)地力產(chǎn)量有很大相關(guān)性，且在土壤培肥或土壤肥力演變的研究中也多是以此5個(gè)指標(biāo)為研究重點(diǎn)。

本研究使用邊界線分析方法對(duì)土壤養(yǎng)分因子對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率進(jìn)行解析。如圖2所示，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軸均有一個(gè)對(duì)應(yīng)的最高值（某一養(yǎng)分因子對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量最高的點(diǎn)），此點(diǎn)稱為邊界點(diǎn)，將所有點(diǎn)的邊界點(diǎn)尋找出來（按照養(yǎng)分因子排序后，利用Excel表格中的if公式求出），邊界點(diǎn)擬合不同的方程后可得這些點(diǎn)的邊界線，之后再進(jìn)行如下分析[16-17]：1）以876組數(shù)據(jù)中不施肥區(qū)最高產(chǎn)量為基準(zhǔn)，計(jì)算與每個(gè)產(chǎn)量點(diǎn)的差值即為基礎(chǔ)地力產(chǎn)量差（產(chǎn)量差=最高產(chǎn)量-實(shí)際產(chǎn)量）；2）將某點(diǎn)的土壤養(yǎng)分因子數(shù)值代入邊界線方程中可以得到此點(diǎn)的模擬產(chǎn)量；3）找出最高模擬產(chǎn)量，由于最高模擬產(chǎn)量與這一點(diǎn)的模擬產(chǎn)量的差值是由此因子造成的，因此定義為此因子可解釋的產(chǎn)量差；4）此因子可解釋的產(chǎn)量差占基礎(chǔ)地力產(chǎn)量差的百分比則為該因子對(duì)基礎(chǔ)地力產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率；5）求出所有點(diǎn)對(duì)應(yīng)的該因子對(duì)基礎(chǔ)地力產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率，再求平均值即為此因子對(duì)基礎(chǔ)地力產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率。

圖2 邊界線分析示意圖

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

本文采用Excel 2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、整理、分析，采用SPSS 18進(jìn)行相關(guān)性分析，采用SAS軟件進(jìn)行二次加平臺(tái)曲線擬合，應(yīng)用Excel 2007軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 河北省冬小麥基礎(chǔ)地力產(chǎn)量與產(chǎn)量差

河北省基礎(chǔ)地力小麥產(chǎn)量在1 080～＜7 404 kg/hm2之間，平均值為4 573 kg/hm2，產(chǎn)量在4 500～＜6 000 kg/hm2之間的試驗(yàn)點(diǎn)分布頻率最高，為44.5%（表 2）。以最高產(chǎn)量為參照，與對(duì)應(yīng)每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的差值，作為基礎(chǔ)地力產(chǎn)量差，其范圍在69～6 324 kg/hm2，平均值為2 831 kg/hm2，占基礎(chǔ)地力產(chǎn)量均值的61.9%，產(chǎn)量差在2 000～＜3 000 kg/hm2之間的試驗(yàn)點(diǎn)分布頻率最高，為34.9%（表2）。因此，提升基礎(chǔ)地力，消除基礎(chǔ)地力產(chǎn)量差，河北省有很大提升空間。

表2 河北小麥基礎(chǔ)地力產(chǎn)量與基礎(chǔ)地力產(chǎn)量差分布頻率

2.2 河北省冬小麥基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率

河北省冬小麥基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率在26.8%～99.5%之間，平均值為71.1%，其分布頻率如表3所示，基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率分布最高的區(qū)間為75%～＜85%，占總樣本數(shù)的29.9%，其次為65%～＜75%，占總樣本數(shù)的24.2%?？梢?，基礎(chǔ)地力是河北省小麥產(chǎn)量的重要貢獻(xiàn)因素之一。

表3 河北小麥基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率分布頻率

基礎(chǔ)地力產(chǎn)量可反映土壤基礎(chǔ)供肥能力，將基礎(chǔ)地力小麥產(chǎn)量與基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率作圖，結(jié)果如圖3所示：基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率隨基礎(chǔ)地力小麥產(chǎn)量的增加而提高，符合顯著線性關(guān)系（=0.008+33.782，2=0.513，<0.01），即土壤供肥能力與基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率存在顯著線性正相關(guān)關(guān)系，基礎(chǔ)地力小麥產(chǎn)量每提高1 000 kg/hm2，基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率提高8%。說明基礎(chǔ)地力越高，基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率越大，對(duì)肥料依賴程度越低。

圖3 基礎(chǔ)地力產(chǎn)量與基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率的響應(yīng)關(guān)系

2.3 基礎(chǔ)養(yǎng)分因子對(duì)基礎(chǔ)地力產(chǎn)量差異的貢獻(xiàn)率

采用邊界線分析方法，對(duì)基礎(chǔ)養(yǎng)分因子與基礎(chǔ)地力產(chǎn)量進(jìn)行分析，5種基礎(chǔ)養(yǎng)分因子與小麥基礎(chǔ)產(chǎn)量的邊界線擬合結(jié)果如圖4所示，其中土壤pH值可擬合為二次曲線，有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀，可擬合為二次加平臺(tái)曲線，決定系數(shù)（2）分別為0.837、0.881、0.750、0.682和0.951，均達(dá)到極顯著水平（<0.01）。由邊界線擬合所得5種基礎(chǔ)養(yǎng)分因子對(duì)基礎(chǔ)地力產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率中，以有機(jī)質(zhì)最高，pH值與堿解氮次之，分別為16.6%、10.9%和10.5%，再次為速效鉀與有效磷，分別為4.1%和2.9%（表4）。根據(jù)邊界線擬合得到5種土壤養(yǎng)分因子特征值，分別為pH 值8.1、有機(jī)質(zhì)24.6 g/kg、堿解氮120.6 mg/kg、有效磷12.4 mg/kg、速效鉀89.0 mg/kg（表4），在此養(yǎng)分含量下，對(duì)應(yīng)的模型擬合產(chǎn)量分別為7 359、7 383、7 422、7 267和7 406 kg/hm2。在此特征值附近時(shí)，土壤養(yǎng)分效率最高。低肥力土壤進(jìn)行農(nóng)田土壤培肥時(shí)，應(yīng)將5種養(yǎng)分因子含量增加至特征值附近，低于特征值時(shí)養(yǎng)分含量不足，高于特征值時(shí)易造成養(yǎng)分浪費(fèi)；高肥力土壤進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，可將5種養(yǎng)分因子含量維持在特征值附近，可保證作物養(yǎng)分的高效。即在本研究條件下，河北省冬小麥生產(chǎn)時(shí)，此特征值為河北省農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量目標(biāo)。

圖4 基礎(chǔ)養(yǎng)分與基礎(chǔ)地力產(chǎn)量的響應(yīng)關(guān)系

表4 基礎(chǔ)養(yǎng)分對(duì)基礎(chǔ)地力產(chǎn)量差異的貢獻(xiàn)率

3 討 論

3.1 基礎(chǔ)地力產(chǎn)量及基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率

基礎(chǔ)地力產(chǎn)量是衡量基礎(chǔ)地力高低最可靠、最直觀、最易接受的指標(biāo)，是土壤培肥的重要指標(biāo)[10]。基礎(chǔ)地力在產(chǎn)量形成中的貢獻(xiàn)率在50%以上（平均值71.1%），研究土壤基礎(chǔ)地力生產(chǎn)力對(duì)提高作物產(chǎn)量有重要作用[21]。有研究指出，西南地區(qū)玉米基礎(chǔ)地力產(chǎn)量平均為4 400 kg/hm2，基礎(chǔ)地力對(duì)施肥產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為57.1%[22]，低于本研究結(jié)論，與土壤類型與氣候條件有關(guān)。黃興成等[23]研究發(fā)現(xiàn)黃壤區(qū)馬鈴薯、油菜、玉米和水稻基礎(chǔ)地力產(chǎn)量分別為10 800、1 130、4 570和5 730 kg/hm2，地力貢獻(xiàn)率分別為50.8%、49.0%、59.0%和70.8%，水稻結(jié)果與本研究相近。有研究指出，河北平原高產(chǎn)記錄與農(nóng)戶產(chǎn)量間的產(chǎn)量差達(dá)3 410 kg/hm2[24]，本研究表明河北省冬小麥基礎(chǔ)地力產(chǎn)量平均為4 573 kg/hm2，以農(nóng)戶施肥為標(biāo)準(zhǔn)，基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率為71.1%，基礎(chǔ)地力產(chǎn)量差的平均值達(dá)2 831 kg/hm2，占基礎(chǔ)地力產(chǎn)量均值的61.9%。這說明河北平原小麥產(chǎn)量差形成的很大因素，來自于基礎(chǔ)地力的差異。

基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率與基礎(chǔ)地力產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，肥料貢獻(xiàn)率與基礎(chǔ)地力產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)[17-19]。王寅等[25]通過對(duì)吉林省玉米施肥效果的研究指出肥料施用對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率隨土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)能力的提高而下降，培肥土壤可減少玉米種植中對(duì)外源肥料的需求。張祥明等[26]也發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)地力越高的稻田越容易獲得高產(chǎn)，而且施肥增產(chǎn)幅度越來越低。提升土壤基礎(chǔ)地力可增加可以挖掘農(nóng)田生產(chǎn)潛力、增加產(chǎn)量，并且能將肥料用量控制在適宜范圍內(nèi)，降低農(nóng)業(yè)環(huán)境污染，建立環(huán)境友好種植模式[27-29]。

3.2 基礎(chǔ)地力產(chǎn)量影響因素

影響基礎(chǔ)地力產(chǎn)量的因素主要有氣候、土壤和栽培管理3個(gè)方面，相較于土壤和栽培管理措施，氣候因素是不可控因素，其對(duì)產(chǎn)量及產(chǎn)量差的影響較復(fù)雜。對(duì)其研究在大區(qū)域尺度上有一定意義，但在給定的區(qū)域內(nèi)，影響基礎(chǔ)地力產(chǎn)量的因素以土壤條件及栽培管理措施為主，如劉建剛等[30]對(duì)田塊尺度的研究指出不同田塊之間的產(chǎn)量差異主要由土壤及管理措施等可控因素造成的。水分條件對(duì)產(chǎn)量的形成有巨大影響[31]，本研究中所選試驗(yàn)地塊均為保灌條件，且生育期灌溉充分，可以充分維持作物生長(zhǎng)的條件，在本研究中不作為影響因子進(jìn)行研究。對(duì)于土壤條件，有研究指出基礎(chǔ)地力與土壤速效鉀、有機(jī)質(zhì)、有效磷、全氮等土壤養(yǎng)分因子密切相關(guān)[32-33]，張存嶺等[34]指出淮北砂姜黑土基礎(chǔ)地力產(chǎn)量和基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率主要受土壤有機(jī)質(zhì)和有效磷含量的影響，速效鉀含量尚不是限制因子。本研究?jī)H從土壤肥力方面，以邊界線方法為基礎(chǔ)，定量化土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分因子（pH值、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀）對(duì)基礎(chǔ)地力產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率，發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)、pH值和堿解氮對(duì)基礎(chǔ)地力產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率最高，為16.6%、10.9%和10.5%，速效鉀和有效磷分別為4.1%和2.9%。這與湯勇華等[7]對(duì)北方冬小麥基礎(chǔ)地力的研究一致，均認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)是最大的影響因素。本研究對(duì)基礎(chǔ)地力產(chǎn)量的養(yǎng)分影響因子的解析說明土壤有機(jī)質(zhì)、pH值和堿解氮是影響河北省小麥基礎(chǔ)地力產(chǎn)量的主要影響因素。

3.3 邊界線分析方法結(jié)果的可靠性與實(shí)用性

邊界線作為一種新的方法，其最主要優(yōu)勢(shì)在于能將單一因素的影響從多種復(fù)雜因素中孤立出來，從而解析限制因素，并量化單一因素對(duì)產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率。對(duì)于其結(jié)果的可靠性與實(shí)用性應(yīng)進(jìn)行深入的探討。以本研究為例，指出有機(jī)質(zhì)、pH值和堿解氮是影響河北省小麥基礎(chǔ)地力產(chǎn)量的主要影響因素，其結(jié)果與大多數(shù)人的研究結(jié)果一致[7,10,18]。同時(shí)本研究通過對(duì)邊界線特征值的分析，指出最優(yōu)土壤養(yǎng)分目標(biāo)為pH值8.1、有機(jī)質(zhì)24.6 g/kg、堿解氮120.6 mg/kg、有效磷12.4 mg/kg、速效鉀89.0 mg/kg，均與張福鎖[35]對(duì)土壤養(yǎng)分等級(jí)的劃分相一致，此養(yǎng)分目標(biāo)均處在中或較高等級(jí)，土壤處于此等級(jí)時(shí)，養(yǎng)分利用率高，需投入肥料量較少。因此邊界線分析方法結(jié)果較可靠，實(shí)用性強(qiáng)。

但根據(jù)作者的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于邊界線分析方法的應(yīng)用也需要首先進(jìn)行思考，應(yīng)首先對(duì)某一因素的作用效果有一個(gè)大致的判斷，從而選擇相應(yīng)的模型進(jìn)行模擬邊界線，再看決定系數(shù)是否符合要求。如土壤養(yǎng)分中有機(jī)質(zhì)、速效鉀、有效磷與土壤的關(guān)系應(yīng)為線性加平臺(tái)或者二次加平臺(tái)的關(guān)系，若只是以單純的二次或三次曲線模擬會(huì)造成結(jié)果與常規(guī)認(rèn)知有所差別，造成結(jié)果的不準(zhǔn)確。

4 結(jié) 論

1）河北冬小麥基礎(chǔ)地力產(chǎn)量平均值為4 573 kg/hm2，產(chǎn)量在4 500～6 000 kg/hm2之間的試驗(yàn)點(diǎn)分布頻率最高，為44.5%，基礎(chǔ)地力產(chǎn)量差均值為2 831 kg/hm2，占基礎(chǔ)地力產(chǎn)量的61.9%。

2）河北冬小麥平均基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率為71.1%，基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率隨基礎(chǔ)地力小麥產(chǎn)量的增高而升高，符合顯著性線性關(guān)系，基礎(chǔ)地力小麥產(chǎn)量每提高1 000 kg/hm2，基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率提高8%。

3）5種基礎(chǔ)養(yǎng)分對(duì)基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率由高到低分別為有機(jī)質(zhì)16.6%、pH值10.9%、堿解氮10.5%、速效鉀4.1%和有效磷2.9%，河北小麥生產(chǎn)土壤培肥應(yīng)以調(diào)節(jié)土壤pH 值，提升有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量為重點(diǎn)。

4）由邊界線分析得出河北省小麥區(qū)土壤配肥目標(biāo)為pH值8.1、有機(jī)質(zhì)24.6 g/kg、堿解氮120.6 mg/kg、有效磷12.4 mg/kg、速效鉀89.0 mg/kg。

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Analysis on soil nutrient influencing factors of winter wheat yield gaps of basic soil productivity by boundary line method in central and southern Hebei province

Huang Shaohui1,3, Jia Liangliang1※, Yang Yunma1, Liu Ketong2

(1.,,050051,; 2.,050021,; 3.,,100081,)

Basic soil productivity is an important indicator of soil production ability and it can ensure wheat yield stabilization for food security. The improvement of basic soil productivity can increase the production potential of farmland, increase the yield, control the amount of fertilizer in the appropriate range, reduce agricultural environmental pollution, and establish an environmental-friendly cropping pattern. Basic soil productivity can be characterized by crop yield without fertilization and has significant correlation with soil nutrients. Central and southern Hebei province is one of the main wheat producing areas in China. The analysis of yield nutrient influencing factors will benefit the soil fertility improvement and yield increasing in Hebei Province. Using 876 winter wheat demonstration field trails’ data, which come from the national soil testing and fertilizer formulation project in Hebei province from 2006 to 2013, we studied the basic wheat yield and basic yield gaps distributions and analyzed the basic yield contribution rates. Soil fertility index including soil organic matter, available nitrogen, available phosphorus, available potassium and soil pH were selected as influencing factors of yield in this study. We quantified the contribution rates of each soil nutrient factor to the basic yield gap of soil productivity by using the boundary line analysis method. The result showed that the yield of basic soil productivity was between 1 080 and 7 404 kg/hm2with an average of 4 573 kg/hm2. Compared with the maximum yield, the yield gap was from 69 to 6 324 kg/hm2with the mean value of 2 831 kg/hm2. The average contribution rate of basic soil productivity was 71.1%. There was great potential to increase grain yield. The contribution rates of basic soil productivity were significantly positively correlated with the increase of basic yield. When the basic yield increased by 1 000 kg/hm2, the soil contribution rates increased by 8%. The increase of soil basic soil productivity led to the increase of contribution rates of basic soil productivity. Models were constructed by boundary line analysis to fit the relationships between soil nutrient factors and basic soil productivity. We found that the yield boundary point of the soil nutrient factors all had good fitting relationships. The pH simulation was quadratic curve, and soil organic matter, available nitrogen, available phosphorus and available potassium were quadratic platform curve. The soil organic matter had the highest contribution rate to the basis soil productivity yield gaps, which was 16.6%, followed by pH and available nitrogen with the contribution rate of 10.9% and 10.5%, respectively. The contribution rates of available potassium and available phosphorus were 4.1% and 2.9%, respectively. The results suggest that the soil organic matter, pH and available nitrogen may be the primary factors improving fertility in Hebei province. The boundary line analysis also showed that the soil nutrient factors of pH value 8.1, organic matter 24.6 g/kg, available nitrogen 120.6 mg/kg, available phosphorus 12.4 mg/kgand available potassium 89 mg/kgwere suitable for obtaining high yield of winter wheat. The boundary line analysis can be used to analyze regional scale soil nutrient factors for yield limiting, and guide the direction of soil fertility improvement for increasing basic yield productivity.

soils; fertility; boundary line analysis; basic soil productivity; yield; influencing factors

2018-08-22

2019-02-10

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0200105，2017YFD02017070）；河北省自然科學(xué)基金（C2016301025）；河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境與綠色增長(zhǎng)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目

黃少輝，博士生，主要從事土壤質(zhì)量調(diào)控及養(yǎng)分管理方面研究。Emall：shaohui1988@sina.com

賈良良，研究員，博士，主要從事農(nóng)田養(yǎng)分管理方面研究。Emall：jiall@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.017

S158.3；S512.1

A

1002-6819(2019)-06-0141-08

黃少輝，賈良良，楊云馬，劉克桐. 邊界線法解析冀中南麥區(qū)基礎(chǔ)地力產(chǎn)量的土壤養(yǎng)分影響因子[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(6)：141－148. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.017 http://www.tcsae.org

Huang Shaohui, Jia Liangliang, Yang Yunma, Liu Ketong. Analysis on soil nutrient influencing factors of winter wheat yield gaps of basic soil productivity by boundary line method in central and southern Hebei Province [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(6): 141－148. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.017 http://www.tcsae.org