王 寅，高 強*，李翠蘭，焉 莉，馮國忠，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)利用重點實驗室，長春 130118；2 吉林省土壤肥料總站，長春 130012）

我國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)戶長期以來忽視施用鉀肥，近年來東北地區(qū)土壤鉀普遍出現(xiàn)虧缺，對作物生產(chǎn)造成負面影響，并在一些區(qū)域成為養(yǎng)分限制因素[2-5]。另一方面，我國鉀肥資源相對緊缺，長期依賴進口，并一度受到國際鉀礦壟斷企業(yè)聯(lián)盟的高價供應(yīng)限制，嚴重影響了國家糧食安全與社會穩(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，遠高于磷素而與氮素接近[8-12]。大量單點試驗或長期定位試驗研究表明，合理施鉀可促進玉米生長發(fā)育，提高光合作用和同化物轉(zhuǎn)運能力，增強植株抗病、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40年代和60年代的兩次全國性肥效試驗均表明我國多數(shù)地區(qū)作物施用鉀肥無明顯增產(chǎn)作用[1,21]。1981—1983年開展的第三次全國肥效試驗中，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個田間試驗表明，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個田間試驗發(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”玉米肥效試驗發(fā)現(xiàn)，全省平均施鉀量僅19.7 kg/hm2，土壤鉀素呈嚴重虧缺狀況。而渭北旱塬地區(qū)玉米施鉀平均可增產(chǎn)7.9%，平均產(chǎn)量貢獻率和農(nóng)學(xué)利用率分別為7.0%和9.5 kg/kg[25]。綜上可見，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。吉林省作為我國玉米主產(chǎn)省，尚缺乏對區(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)。本研究通過分析2005—2013年間吉林省“3414”玉米田間試驗數(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。

1 材料與方法

本研究整理2005—2013年測土配方施肥項目在吉林省開展的1110個“3414”玉米田間試驗，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。鉀肥試驗的研究范圍、區(qū)域劃分及試驗數(shù)量與氮肥、磷肥試驗一致[26-27]，東、中、西三大區(qū)域試驗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)詳見文獻[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74 kg/hm2，平均達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。

鉀肥試驗的試驗時間與地點、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)量測定方法、參數(shù)計算與統(tǒng)計分析等與氮、磷肥試驗一致[26-27]。其中，各參數(shù)的具體計算方法如下：

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。

鉀肥貢獻率 (K fertilizer contribution rate) =(Y-Y0)/Y× 100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 吉林省不同區(qū)域玉米施鉀的產(chǎn)量效應(yīng)

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，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個和3個縣市低于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，東、中、西部分別有12、17和7個，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0.832。

2.2 吉林省不同區(qū)域玉米施鉀的增產(chǎn)效果

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1.4 t/hm2和增幅超過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1.4 t/hm2和增幅超過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1.4 t/hm2和增幅超過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

2.3 吉林省不同區(qū)域玉米的鉀肥利用率

以農(nóng)學(xué)利用率和肥料貢獻率表征鉀肥利用率，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%，中部均相對較低。

2.4 吉林省不同區(qū)域玉米施鉀產(chǎn)量、鉀肥貢獻率與土壤基礎(chǔ)供鉀能力的關(guān)系

-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，說明不同區(qū)域土壤基礎(chǔ)供鉀能力對玉米施鉀產(chǎn)量的影響程度存在差異。相比中、西部，東部土壤基礎(chǔ)供鉀能力對玉米+K處理產(chǎn)量的影響相對較小。

吉林省不同區(qū)域玉米施鉀的肥料貢獻率與-K處理產(chǎn)量間均存在顯著的對數(shù)關(guān)系 (圖7)。肥料貢獻率隨-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外源鉀肥的依賴。相比中、西部，東部鉀肥貢獻率與-K處理產(chǎn)量間回歸方程的曲線斜率明顯較大，說明隨土壤基礎(chǔ)供鉀能力的提高其鉀肥貢獻率的降幅更大。

3 討論

鉀是土壤中含量最高的大量營養(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]。一般認為，我國東北地區(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年代全國化肥試驗協(xié)作網(wǎng)在東北地區(qū)的試驗結(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)效果遠低于氮、磷肥[21]。但是，近年來東北地區(qū)土壤鉀素含量開始下降，玉米施鉀增產(chǎn)的相關(guān)報道也逐漸增多[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)戶長期以來忽視鉀肥的補充施用所致[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)量貢獻率[27]?？梢?，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，我國玉米生產(chǎn)提倡通過增密種植實現(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較低，因此其單位鉀肥的增產(chǎn)效應(yīng)相對較好，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率顯著高于中、西部地區(qū)。另外，由于長白山對季風(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輸，并增強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)仍需進一步加強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]及本研究鉀肥試驗的結(jié)果可見，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，中部半濕潤平原區(qū)應(yīng)以維持作物需求為標準嚴格控制化肥施用量，尤其是氮、磷的投入以減少養(yǎng)分盈余與環(huán)境損失；東部濕潤山區(qū)應(yīng)適當增加氮、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，同時積極探索和推廣高效抗旱補水與水肥一體化技術(shù)以發(fā)揮水肥耦合效應(yīng)。另外，吉林省乃至整個東北地區(qū)目前農(nóng)田有機肥的施用比例都非常低[4]，應(yīng)加強農(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)，在培肥地力的同時減少環(huán)境污染，促進高產(chǎn)高效綠色可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展。

4 結(jié)論

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，而鉀肥貢獻率與基礎(chǔ)產(chǎn)量間均存在顯著的負對數(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率的降幅明顯高于中、西部。