土壤养分相对较高与最大量下的最小因子效应

2011-03-01褚清河潘根兴史海平

山西农业科学 2011年7期

褚清河，潘根兴，史海平

（1.山西省农业科学院农业资源与经济研究所，山西太原 030006；2.南京农业大学生态环境研究所，江苏南京 210095；3.山西省农业科学院玉米研究所，山西忻州 034000）

施肥技术研究起始于德国著名化学家李比希提出最小因子律[1-3]以后，它的提出对施肥量与作物产量函数关系及氮、磷、钾单施的定量研究起了重要的指导作用，对农业生产的发展产生了划时代的影响。但由于最小因子理论并非指导作物高产的施肥理论，因此，施肥技术由氮、磷、钾单施走向氮、磷、钾配合施用遇到的理论问题是至今最小因子理论无法解释的[4-5]。如氮、磷、钾配合施用是否氮、磷、钾均为最小因子，氮、磷或氮、磷、钾配合施用是否存在一个最佳施肥比例，同一作物不同地块或同一地块种植不同作物是一个施肥比例还是几个施肥比例。事实上，最小因子律是养分归还学说的一个具体内容，它是在不同地块施同等量有机肥后产量不同作出的推论。它在农业生产中实质性的指导意义就是恢复轮作开始的肥力和大田产量，指导农民花费最小的劳力和财力维持土地的肥力和自然产量。李比希在农耕的自然规律中作了明确的论述，土壤地力恢复的最根本在于用施肥的办法给土壤补偿那些含量最小而相对消耗量很大的营养物质。

最小因子律是德国著名化学家李比希1843年在《化学在农业和生理学上的应用》第3版中提出的，其核心内容是:“田间作物产量的增减和厩肥中所供给的矿质养分成比例，当一种必须的养分短缺或不足时，其他养分虽多，作物也不能生长”。20 a后，作者对该定义进行了修正（第7版）:“每块田，有一个或几个营养物质的含量是最低量，而有一个或另外一些营养物质的含量是最大量的，作物产量与这些最低量的营养物质呈紧密的相关关系。这些营养物质就是石灰、钾、磷酸、镁或者其他营养物质，处在最低量的营养物质支配产量并决定其高产和持续稳产[6]”。显然，李比希最小因子律修正前后具有较大的差异。首先，修正后的最小因子不再是一个，而是一个或一些，其次对最小的描述也不再是缺乏和不足，而是最大量条件下的最低量，但在缺乏和不足的情况下，最小因子律并不成立。然而，修正后最小因子律中“隐含了土壤养分供应类型与施肥配比的平衡施肥概念”，对此进行深入研究有助于解释氮、磷、钾配合施用的理论和技术问题，为此，针对土壤养分缺乏与最大量条件下的最小因子效应和配施效应问题，我们在小麦、玉米的氮、磷单施与配施试验研究的基础上，2010年在山西西北部的丘陵山区旱地谷子上又进行了试验。

1 材料和方法

1.1 供试土壤与取样

玉米试验于1995，1996年分别在忻州和长治进行；小麦试验于2003年分别在娄烦和忻州进行；谷子肥料试验于2010年在娄烦县米峪镇乡进行。供试土类均为褐土性土。

试验前采取0～20 cm表层土壤混合样品，土壤风干处理后进行基本养分性质测定。

1.2 供试作物及品种

供试作物为玉米、小麦和谷子。

供试玉米品种为农大60，4月20日播种，9月25日收获；供试小麦品种为晋春13号，播种量 263 kg/hm2，3月 24日播种，7月 10日收获；供试谷子品种为晋谷26号，生育期100～114 d，5月15日播种，10月5日收获。

1.3 供试材料

小麦、谷子试验氮肥选用尿素（N 46%），玉米试验氮肥选用硝铵（N 34%），磷肥均为普通过磷酸钙（P2O514%），钾肥为氯化钾（K2O60%）。

1.4 试验地土壤养分含量及试验方案

1.4.1 试验地土壤化验结果娄烦小麦试验田:有机质（重铬酸钾容量法）11.0 g/kg，碱解氮（碱解扩散法）22.93 mg/kg，有效磷（碳酸氢钠浸提法-钼蓝法）3.59 mg/kg，有效钾（醋酸铵浸提-火焰光度计法）95 mg/kg；娄烦谷子试验田:有机质8.21 g/kg，碱解氮 54.9 mg/kg，有效磷 2.58 mg/kg，有效钾133.0 mg/kg；忻州小麦试验田:有机质16.1 g/kg，碱解氮 43.4 mg/kg，有效磷 24.3 mg/kg，有效钾145.0 mg/kg；忻州1995年玉米试验田:有机质14.2 g/kg，碱解氮57.9 mg/kg，有效磷1.0 mg/kg，有效钾108.0 mg/kg；长治1996年玉米试验田:有机质19.6 g/kg，碱解氮30.3 mg/kg，有效磷8.7 mg/kg，有效钾133.0 mg/kg。

1.4.2 试验方案娄烦小麦试验设8个处理，处理 1.空白对照；处理 2.N0P120；处理 3.N120P0；处理4.N60P60；处理5.N180P180；处理6.N120P120；处理7.N120P80；处理8.N120P180。娄烦谷子试验共设9个处理，处理1.空白对照；处理2.N60P0K60；处理3.N0P90K60；处理 4.N120P0K120；处理 5.N0P180K120；处理6.N60P90K60；处理 7.N120P180K120；处理 8.N180P270K180；处理9.N240P360K240。忻州小麦田间试验设9个处理，处理 1.空白对照；处理 2.N99P0；处理 3.N0P66；处理 4.N99P66；处理 5.N99P99；处理 6.N198P132；处理7.N199.5P199.5；处理 8.N198P297；处理 9.N297P198。1995 年忻州和1996年长治玉米试验均为13个处理，其中忻州为:处理1.空白对照；处理2.N90P0；处理3.N0P90；处理 4.N30P30；处理 5.N60P60；处理 6.N90P45；处理 7.N90P60；处理 8.N90P90；处理 9.N90P135；处理 10.N135P90；处理 11.N120P120；处理 12.N90P180；处理 13.N150P150；长治为:处理 1.空白对照；处理 2.N0P75；处理 3.N0P112.5；处理 4.N112.5P75；处理 5.N112.5P112.5；处理 6.N112.5P168.8；处理 7.N75P0；处理 8.N150P112.5；处理9.N225P150；处理 10.N75P50；处理 11.N300P200；处理 12.N112.5P0；处理 13.N112.5P337.5。N，P，K 后数字分别为每公顷施用的纯N，P2O5，K2O的数量，单位为kg。试验小区面积为33.34 m2，随机排列，3次重复。所有处理氮磷钾肥料实行播种前一次施用，中耕管理同农民常规方法。

1.5 统计分析

各试验小区均单采单收，记载产量。数据处理用Microsoft Excel 2000进行，统计与显著性检测在SPSS11.0软件上进行。进行F检验，新复极差检验处理间显著性设P＜0.05和P＜0.01。

2 结果与分析

2.1 平衡与不平衡土壤养分类型下的最小因子效应

土壤在种植作物后，按《化学在农业和生理学上的应用》第3版中的定义，土壤氮、磷、钾养分中必然有一个为最小因子，而且增施最小因子以外的其他因素并不能提高产量，但大田作物试验结果并非如此。小麦、谷子和玉米氮、磷单施与氮、磷、钾配合施用的产量试验结果如表1所示。对表1中不同试验点处理的产量结果进行方差分析，娄烦小麦试验F=40.26**（F0.01=4.28），谷子试验 F值为 132.9**，忻州小麦试验 F=6.3**（F0.01=3.89），忻州玉米试验 F 值为 6.642**，长治玉米试验F值为4.577**（F0.01=3.03），均达到极显著差异水平。土壤养分化验结果表明，娄烦土壤种植小麦与忻州土壤种植玉米，土壤养分供应就氮、磷而言均属平衡土壤养分供应类型[7]；按土壤养分丰缺标准对娄烦和忻州试验田土壤氮、磷、钾养分含量进行综合评价，土壤钾为最大量营养物质，氮、磷均为最小因子，划分结果与李比希《化学在农业和生理学上的应用》第3版中把最小因子定义为一个的结论显然不相符合，小麦、玉米氮、磷单施的试验结果也不支持最小因子仅为一个的结论。试验结果表明，小麦、玉米田间试验无论单施氮、还是单施磷，均较对照显著增产。

由表1可知，2003年娄烦小麦氮、磷单施产量分别为4966.7，4433.3 kg/hm2，分别较对照增产33.6%和19.3%；1995年忻州玉米氮、磷单施产量分别为6260，6973 kg/hm2，分别较对照增加9.8%和22.3%。小麦、玉米产量均以氮、磷（P2O5）1∶1配合施用的处理6和处理8最高，产量分别为5666.7，7391 kg/hm2，显著高于氮、磷单施的产量结果。分析表明，李比希《化学在农业和生理学上的应用》第3版中把最小因子定义为一个的结论并不成立，而修正后的第7版中将最小因子定义为一个或几个无疑是对最小因子理论的完善和重要贡献。在钾为最大量营养物质，氮、磷均为最小因子的平衡土壤养分类型上，氮磷配合施用产量最高，试验结果也与修正后最小因子律的表述相一致。但修正后的最小因子律并不适用于忻州和长治试验地养分类型上种植小麦和玉米的情况。

表1 小麦、谷子、玉米不同施肥处理产量结果 kg/hm2

忻州小麦试验田和长治玉米试验田，碱解氮含量分别为 43.4，30.3 mg/kg，土壤有效磷（P2O5）含量分别为24.3，8.7 mg/kg，土壤有效钾含量分别为145.0，133.0 mg/kg。按养分丰缺指标判断，土壤磷、钾含量应为最大量的营养物质，土壤氮为最低量的营养物质，就氮磷而言，土壤氮、磷养分供应对于小麦和玉米均为氮低磷高的不平衡供应类型[3]。李比希在《化学在农业和生理学上的应用》第7版中将“其他养分虽多，作物也不能生长”修正为“处在最低量的营养物质支配产量并决定其高产和持续稳产”。按此定义增加土壤中最大含量的营养物质自然不可能提高作物产量，但试验结果并不支持这一结论。

表1中忻州小麦试验结果，在氮为最低量营养物质的情况下，单施氮较对照显著增产，小麦产量为2852.5 kg/hm2，较对照增产63.3%，单施磷不具有显著增产效果；但小麦产量仍以氮、磷配合施用的处理4最高，小麦产量为4097.0kg/hm2，显著高于单施氮的处理2和单施磷的处理3，分别提高43.6%和100.4%；但长治玉米试验增施土壤为最大量营养物质的磷也较对照显著增产，而且也以氮、磷配合施用的玉米产量最高。玉米单施土壤养分相对较高的磷75，112.5kg/hm2，玉米产量分别为8173，8490 kg/hm2，分别较不施肥对照增加13.3%和17.7%，单施氮75，112.5 kg/hm2，玉米产量分别为8550，8678 kg/hm2，分别较不施肥对照增加18.5%和20.3%，玉米产量以氮磷比1∶0.667配合施用的处理4为最高，玉米产量达9140 kg/hm2，且单施最低量营养物质的氮和单施最大量营养物质磷间的增产效果未到达显著差异水平。由此可见，作物施肥并非增加最小因子以外的其他营养物质不能再提高产量，也并非处于最低量的营养物质决定其高产和持续稳产。土壤种植作物，无论平衡土壤养分类型还是不平衡土壤养分类型，产量均以氮、磷配合施用产量最高，且氮磷配合施用的最佳施肥比例截然不同。同时表明，修正后的最小因子律只有在最低量营养物质是趋于0的极限含量，而最大量的营养物质是趋于对作物产生毒害时的养分含量时才成立。这是因为忻州小麦和长治玉米试验地虽然磷含量较高，但并未达到单因子毒害的含量水平，而且单施磷是否具有显著增产效果，不仅与土壤速效磷含量有关，而且在很大程度上还取决于当年的降水情况，并非单纯取决于土壤养分。在土壤有效磷含量较高且降水较好的情况下，通常由于土壤供磷状况改善而单施磷肥的增产效果减小[8]，而干旱也使磷肥的增产效果减小[9]；但氮磷配合施用，除氮磷施肥比例的增产效应外，氮、磷肥播前混合后施用显然增加了磷肥的溶解性。这可从娄烦2010年谷子氮磷肥效试验得到说明。

娄烦县年平均降水量425.6mm，通常2—7月多年平均降水量为247.6 mm，但2010年降水量仅为137.6 mm，属严重干旱的年份。娄烦谷子试验地土壤有效磷含量仅2.58 mg/kg，为极度缺乏，应为最低量的营养物质；碱解氮含量相对较高，为54.9 mg/kg，但在施钾60 kg/hm2的情况下，施氮60 kg/hm2较对照不施肥显著增产（表1），谷子产量到达2253 kg/hm2，较对照增产34%，进一步说明并非增加最小因子以外的其他营养物质不能再提高产量。而在施钾60 kg/hm2的情况下，施最低量营养物质P2O590 kg/hm2的处理3并未较对照显著增产，说明施磷肥的增产效果并不完全取决于土壤磷素养分的含量高低，它还与干旱有很大关系。但氮、磷、钾以最佳比例配合施用的处理6仍较氮、钾配合施用的处理2和磷、钾配合施用的处理3显著增产，分别增加25.7%和52.7%。说明在土壤磷素养分为最低量，而氮含量相对较高的情况下，也以氮、磷配合施用增产效果较好。氮、磷、钾配合施用具有很好的增产效果，而单施磷肥未表现出显著增产效果，除干旱原因外，主要是施钾降低了氮、磷的施肥效果，这可通过配合施用中用差减法计算的单施氮、磷的施肥效应加以说明。

用差减法计算的单施P2O590 kg的增产量为579 kg/hm2（处理6减处理2之差），而磷、钾配合施用（处理3）仅较对照增产175 kg/hm2；同样用差减法计算的单施N 60 kg/hm2的增产量为977 kg/hm2（处理6减处理3），而氮、钾配合施用（处理2）仅较对照增产573 kg/hm2，表明在土壤有效钾含量等于或大于133 mg/kg的土壤上施钾，不仅不增产，相反还可能造成减产。分析说明，氮、磷和钾具有不同的施肥性质，氮、磷无论在高含量还是低含量下，要获得高产都必须施用，而钾只有在缺乏的情况下施用才具有好的增产效果。这可通过引用黄淮海平原主要作物优化施肥和土壤培肥技术[10]的研究结果进一步说明。

由表2可知，在全部试验地块中，土壤有效磷含量均在15.3 mg/kg以上，最高达31.4 mg/kg。综合玉米对氮、磷养分的需求考虑，多数土壤供磷相对高于氮或土壤氮、磷供应均属高含量水平，如果把大于15.3 mg/kg以上的磷含量当作李比希所说的最大含量的营养物质，按此单施磷显然就不应有较好的增产效果，但试验结果单施磷240 kg/hm2，增产量高者达5295 kg/hm2，增产量低者仅450 kg/hm2，可见最小因子律所指的最大量应是营养物质的极限含量，在这种含量情况下该理论才成立。同时进一步说明，钾和氮、磷具有不同的施肥性质，在任何土壤养分情况下，作物高产都必须施用氮、磷肥，钾则不然。由于时代的局限性，修正后的最小因子律没有也不可能考虑氮、磷和钾具有不同施肥性质。

表2 1986年黄淮海平原玉米不同土壤养分类型氮磷肥料试验较对照增产结果 kg/hm2

2.2 土壤养分最高和最低量下的组合类型与最佳施肥比例

分析表明，氮、磷、钾养分的最小因子效应不仅与土壤养分的含量有关，而且与肥料的施肥性质密切相关。如钾在高含量时增施钾不具有增产效果，而土壤磷处于高含量时，虽然在一些情况下单施磷不具有显著增产效果，但氮、磷配施则较单施氮、磷显著增产。这就说明李比希修正后的最小因子律，只有在其最大量的营养物质是对作物产生毒害的极限含量，而最低量营养物质又是趋于0的含量时才成立。然而这种状况在实践中是很少存在的，更多的情况应该是相对较高与缺乏或不足的养分组合形式。因此，最小因子律作为养分归还学说的重要内容，它并不能作为高产施肥的理论。但李比希最小因子理论隐含的土壤养分存在形式和相应施肥比例的概念对建立作物高产施肥理论仍具有重要价值。土壤养分存在形式就是指平衡与不平衡土壤养分类型。

娄烦种植小麦试验田为钾含量高与氮、磷含量低的土壤养分类型。从表1可以看出，在等氮量条件下不同氮、磷施肥比例处理的小麦产量具有显著差异。处理6，7和8的氮肥施用量均为120 kg/hm2，但小麦产量以氮、磷等量施用的处理6经济高效，处理6的小麦产量显著高于等氮量条件下施肥比例为1∶0.667的处理7，小麦产量虽与等氮量下施肥比例为1∶1.5的处理8差异不显著，但处理8较处理6每公顷多施磷肥60 kg，说明1∶1是该试验地养分条件下种植小麦的最佳氮、磷施肥比例。忻州小麦试验田为氮低、磷钾含量较高的土壤养分类型，该试验田种植小麦的最佳施肥比例与娄烦截然不同。

忻州小麦试验田按钾与氮、磷施肥性质不同的原则考虑，土壤钾为最大量营养物质不需施用，在这一前提下就氮磷而言，土壤养分为氮低、磷高的养分类型，因此，该试验田种植小麦的氮、磷最佳施肥比例为1∶0.667。由表1可知，忻州小麦试验所有处理中，小麦产量以处理4最高，每公顷小麦产量为4097.0 kg，该处理每公顷施纯N 99 kg，P2O566 kg，氮、磷施用比例为1∶0.667，小麦产量显著高于每公顷纯N施用量为99 kg和P2O599 kg（氮磷比例为1∶1）的处理5的产量水平，虽与氮、磷比例相等的处理6、处理9以及氮、磷施用比例较其大的处理8的产量水平无显著差异，但总施肥量却远小于其他3个处理，可见1∶0.667是土壤钾为最大量，氮相对磷较低的土壤养分条件下种植小麦较为适宜的氮磷施肥比例。忻州与长治玉米试验田分别为平衡和不平衡土壤养分类型，氮磷最佳施肥比例也同样为1∶1和1∶0.667，这就清楚地表明，当氮、磷同为最低量或磷为最大量而氮为最低量时，作物高产与否是由二者共同决定的，单施任何一种很难取得高产和持续稳产，而同时提高二者的供应强度，必然存在一个合理配施比例的问题。由于氮、磷养分含量最低和最高的组合形式不同，氮、磷肥料施用的配比也必然不同。因此，修正后的最小因子律再补充钾为最大量时不施钾，氮、磷任何土壤条件下都需施用的施肥原则，该理论就将成立并应用于指导作物高产施肥。

2.3 氮磷最佳施肥比例条件下的最大施肥量变化规律及其意义

自从1843年李比希提出最小因子律以来，国内外学者就对施肥量与产量的函数关系进行过大量的研究。但在所有的研究设计中均未考虑施肥比例对产量的影响，试验方法不遵从单一差异原则[11]，因此，所得施肥量与产量函数关系图形无论是指数还是抛物线的结论均有失科学性。

娄烦2003年小麦试验表明，在施肥处理的氮、磷比例差异大的情况下，施肥量与产量就不具有确定的函数关系。对等氮用量下的处理3，7，6和8分别以每公顷磷肥用量为横坐标，以每公顷小麦产量为纵坐标作图并进行抛物线回归分析。从图1可以看出，不同处理的散点呈不规则分布，抛物线回归分析复相关系数为R2=0.7621，未到达显著水平。但在最佳氮、磷施肥比例条件下，施氮量与小麦产量呈抛物线关系。以氮磷比例为1∶1的处理1，4，6和处理5的施氮量为横坐标，以小麦产量为纵坐标作图并进行相关分析（图 2）。

从图2可以看出，在氮磷比例为1∶1的情况下，各处理施肥量与小麦产量的交点则规律性地分布在曲线上，复相关系数为R2=0.9978**，复相关检验达到极显著水平，小麦施氮量与产量的图形为抛物线图形，充分说明氮、磷施用比例左右施肥量和小麦产量的函数关系[12]。但这并不意味着施肥量与产量的函数关系就一定为抛物线关系，因为这种数学分析只能说明方法分析的结果，并不能从理论上说明其原因，也没有考虑处理1是在土壤供肥不合理条件下取得的产量，而其他处理则是在合理供肥条件下获得的产量，二者的产量不具有同一性质。施肥量与产量呈抛物线关系的理论依据是报酬递减律，而报酬递减律是在试验方法没有考虑施肥比例的情况下得出的结论，在最佳氮、磷施肥比例条件下边际产量基本为一常数[13]。

2010年娄烦谷子试验也表明，在最佳施肥比例条件下，谷子施肥量与产量的曲线图形为2条相交直线（图3）[14-15]。从图3可以看出，谷子施肥量与产量的图形基本上是由处理6，7，8构成的直线与处理8，9构成的直线的相交直线图形。2条相交直线的交点即为谷子的最高产量施肥量。分别对处理6，7，8和处理8，9的施肥量和产量进行直线回归分析，处理6，7，8施氮量与谷子产量的直线方程为 y＝2497＋5.417x，R2＝0.997**，达到极显著差异水平；处理8，9施氮量与谷子产量直线方程为y＝3584－0.567x，R2＝1**，求得2条相交直线方程的解为182 kg/hm2，即为谷子最高产量施氮量。同样对忻州玉米氮磷最佳施肥比例为1∶1的处理4，5，8，11的氮磷施肥总量为横坐标，玉米产量为纵坐标作图，从图4可以看出，其曲线图形与谷子相似。处理4，5，8的直线方程为 y＝9.1333x＋5766，R2＝0.996，达到显著标准，处理8，11的直线方程为y＝9098－9.4333x，R2＝1，求得2条相交直线方程的解为179.46 kg/hm2，即最高产量的氮、磷施肥量均为89.7 kg/hm2，与试验设计的最高产量施肥量完全吻合。分析表明，在最佳施肥比例与最高产量施肥量范围内，谷子、玉米产量均随施肥量的增加呈线性增加，最大施肥量后呈负相关变化，说明施肥量主要是满足作物苗期的土壤养分供应强度，而施肥比例则是调节土壤养分供应由不平衡供应转化为平衡供应或保持土壤原有供肥均衡性的同时，提高土壤养分供应强度[16]。

3 结论与讨论

最小因子律至今被广大学者认为是施肥的经典理论，但实际上它是养分归还学说的一个具体内容，并非高产施肥理论。李比希在《化学在农业和生理学上的应用》一书的第2部分“农耕的自然规律”中，首先提出了养分补偿学说，其目的就是要恢复被大田作物耗损了的地力和轮作周期初的大田作物产量。但是否需要归还作物带走的全部营养元素，李比希认为，“土壤地力的恢复最根本的在于用施肥的方法给土壤补偿那些含量最小而相对消耗量又很大的营养物质”，据此提出了最小因子律。显然最小因子律恢复耗损了的大田作物产量，不仅与要获得地力潜在最高产量的高产施肥不具有同样的目的意义，而且修正前后的最小因子律在所述条件下并不成立，至少可以说不完善或不具有普遍意义，也不能对国内外氮、磷、钾肥料由单施走向氮、磷或氮、磷、钾配合施用从理论上给以科学解释。

由于时代的局限性，李比希最小因子律把肥料的单施效应完全归功于土壤最小因子，没有也不可能考虑氮、磷、钾施肥性质不同导致的不同施肥效果，也没有把施肥比例与施肥量看作同样重要的施肥要素。研究表明，土壤氮、磷养分无论是处于最低量、还是处于最大量（除达到毒害剂量），多数情况下单施任一因子的肥料均具有增产效果，相反有时单施相对最小的养分因子则不具显著增产效果，但任何土壤养分条件下，氮、磷均以配合施用作物产量最高；而钾肥只有在土壤有效钾含量较低时才具有增产效果，土壤有效钾含量大于130 mg/kg，无论是单施还是与氮、磷配合施用均不具有较好的增产效果，相反还会降低氮、磷肥效。因此，修正后的最小因子律只有在补充钾为最大量时不施，氮、磷任何土壤养分条件下都需施用的施肥原则，修正后的最小因子律才将成立并应用于指导作物高产施肥。

李比希最小因子律对于施肥技术研究仍然具有重要的理论价值和意义，就在于它“隐含了土壤养分供应类型与施肥配比的平衡施肥概念”。研究表明，在土壤钾为最大量，氮、磷为最低量的情况下，氮、磷以1∶1配合施用小麦产量最高；而在钾和磷为最大量，氮为最低量的情况下，由于土壤有效钾含量大于130 mg/kg，施钾不具有增产效果，而氮、磷以1∶0.667配合施用小麦产量最高，较氮、磷单施分别增产43.6%和100.4%，玉米与小麦具有同样的规律，说明土壤种植作物存在土壤养分组合类型和最佳施肥比例。在最佳施肥比例条件下，小麦、玉米产量随施肥量的增加呈线性增加，超过临界施肥量，这种关系演变为负直线相关关系。从中可以得出，施肥量主要是满足作物苗期的土壤养分供应强度，而施肥比例则是调节土壤养分供应由不平衡供应转化为平衡供应或在保持土壤原有供肥均衡性的同时，提高土壤养分供应强度。

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