吉林省玉米施钾增产效应及区域差异

王 寅，高 强*，李翠兰，焉 莉，冯国忠，王少杰，刘振刚，宋立新，房 杰

（1 吉林农业大学资源与环境学院/吉林省商品粮基地土壤资源可持续利用重点实验室，长春 130118；2 吉林省土壤肥料总站，长春 130012）

我国土壤钾素具有南低北高、东低西高的规律性分布特征，东北地区土壤钾素含量相对丰富[1]。但是，随着高产作物品种的大范围应用以及广大农户长期以来忽视施用钾肥，近年来东北地区土壤钾普遍出现亏缺，对作物生产造成负面影响，并在一些区域成为养分限制因素[2-5]。另一方面，我国钾肥资源相对紧缺，长期依赖进口，并一度受到国际钾矿垄断企业联盟的高价供应限制，严重影响了国家粮食安全与社会稳定[6-7]。因此，明确作物施用钾肥的增产效应及生态区差异，对优化钾肥的区域配置与施用、提高钾肥资源利用效率及粮食生产能力具有重要意义。

玉米对钾素的需求量较大，生产百公斤籽粒植株的钾素吸收量在1.84～2.77 kg之间，远高于磷素而与氮素接近[8-12]。大量单点试验或长期定位试验研究表明，合理施钾可促进玉米生长发育，提高光合作用和同化物转运能力，增强植株抗病、抗旱和抗倒伏能力，提高玉米产量及籽粒品质[13-20]。区域研究方面，20世纪40年代和60年代的两次全国性肥效试验均表明我国多数地区作物施用钾肥无明显增产作用[1,21]。1981—1983年开展的第三次全国肥效试验中，玉米施钾增产效应以黄淮海地区最高，每公斤钾肥 (K2O) 平均增产10 kg，其后依次为华南 (6.6 kg)、长江中下游 (3.8 kg) 和东北地区 (1.6 kg)，而西北、北部高原和青藏高原地区无增产效果[21]。张福锁等[22]总结2001—2005年河北、天津和陕西100个田间试验表明，玉米平均施钾116 kg/hm2，平均钾肥农学利用率为5.7 kg/kg。何萍等[23]基于2010—2012年间北方七省373个田间试验发现，玉米施钾可增产9～4079 kg/hm2，以辽宁最高 (1532 kg/hm2) 而山东最低 (383 kg/hm2)。单燕等[24]分析陕西省“3414”玉米肥效试验发现，全省平均施钾量仅19.7 kg/hm2，土壤钾素呈严重亏缺状况。而渭北旱塬地区玉米施钾平均可增产7.9%，平均产量贡献率和农学利用率分别为7.0%和9.5 kg/kg[25]。综上可见，不同地区和年代间玉米施钾的增产效应存在明显差异。吉林省作为我国玉米主产省，尚缺乏对区域尺度上玉米施钾效应现状的了解，不同生态区之间施钾效应的差异也不清楚，难以为区域钾肥的优化管理和高效利用提供指导。本研究通过分析2005—2013年间吉林省“3414”玉米田间试验数据，研究生态区及县域尺度上玉米施钾的产量反应和钾肥利用效率，分析玉米施钾效应对土壤基础供钾能力的响应差异，为区域钾肥的优化配置与高效施用提供参考。

1 材料与方法

本研究整理2005—2013年测土配方施肥项目在吉林省开展的1110个“3414”玉米田间试验，选取处理6 (N2P2K2) 和处理8 (N2P2K0)，分别记为施钾(+K) 和不施钾 (-K) 处理。钾肥试验的研究范围、区域划分及试验数量与氮肥、磷肥试验一致[26-27]，东、中、西三大区域试验田块耕层土壤平均速效钾含量分别为116 mg/kg (24～374 mg/kg)、130 mg/kg(34～320 mg/kg) 和 123 mg/kg (42～292 mg/kg)，其他土壤理化性质详见文献[26-27]。不同地区玉米的钾肥(K2O) 用量差异明显 (图1)。中部地区施钾量整体上明显较高，所有县市均高于66 kg/hm2，77.8%的县市超过74 kg/hm2，平均达74.4 kg/hm2(变异系数为5%)，最高为公主岭市 (80.4 kg/hm2) 而最低为扶余市(66.9 kg/hm2)。西部地区平均施钾量为69.9 kg/hm2(变异系数为13%)，县域间差异较大，最高的前郭县达77.0 kg/hm2而最低的通榆县仅47.5 kg/hm2。东部地区施钾量整体偏低，平均为67.6 kg/hm2(变异系数为9%)，20%的县市高于74.4 kg/hm2而30%的县市低于66 kg/hm2。除施钾量差异外，所有试验两处理的氮、磷肥用量一致，东、中、西部地区的平均氮肥 (N) 用量分别为155、177和162 kg/hm2，平均磷肥 (P2O5) 用量分别为62.2、72.0和72.2 kg/hm2。

钾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、参数计算与统计分析等与氮、磷肥试验一致[26-27]。其中，各参数的具体计算方法如下：

钾肥农学利用率 (agronomic efficiency of K fertilizer，AE，kg/kg)，指单位施钾量所增加的作物籽粒产量，即AE = (Y-Y0)/F，Y为施钾区作物产量，Y0为无钾区作物产量，F为施钾量。

钾肥偏生产力 (partial factor productivity of K fertilizer，PFP，kg/kg)，指投入单位钾肥所生产的作物籽粒产量，即PFP =Y/F。

钾肥贡献率 (K fertilizer contribution rate) =(Y-Y0)/Y× 100%。

2 结果与分析

2.1 吉林省不同区域玉米施钾的产量效应

吉林省玉米产量受施用钾肥和区域差异的显著影响，但交互作用不显著 (图2)。不论施钾与否，各区域玉米产量高低顺序均为：中部 ＞ 东部 ＞ 西部。不施钾条件下，东、中、西部玉米平均产量分别为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)，东、西部与中部的产量差分别为1.01和1.35 t/hm2。施钾后三大区域玉米平均产量分别增至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)，东、西部与中部的产量差减小，分别为0.75和1.09 t/hm2。

图 1 吉林省玉米施钾量的县域差异Fig. 1 County scale differences in K fertilization rate of maize in Jilin Province

图 2 吉林省不同区域玉米施钾的产量效应Fig. 2 Maize yield responses to K fertilizer in different regions of Jilin Province

图3显示，吉林省中部各县市玉米产量明显较高，且县域间变异较小 (-K和+K处理下均为10%)。相比中部地区，东部地区玉米产量较低、县域间变异略高 (变异系数分别为11%和12%)，而西部地区产量总体偏低，且县域间差异较大 (变异系数分别为14%和17%)。-K处理吉林省玉米产量最高的县市为中部的前郭县 (11.9 t/hm2)，最低为东部的靖宇县 (6.5 t/hm2) (图3A)。全省范围内有14个县市玉米产量高于9.3 t/hm2，其中东、中、西部分别有3、9和2个，占各地区总县市比例分别为15%、50%和20%。中部地区所有县市玉米产量均高于8.0 t/hm2，而东、西部地区分别有6个和3个县市低于8.0 t/hm2，占比均为30%。+K处理全省所有县市玉米产量均超过8.0 t/hm2，最高为中部的吉林市 (12.7 t/hm2)，最低则为西部的长岭县 (8.2 t/hm2) (图3B)。玉米产量高于9.3 t/hm2的县市数量增加至36个，东、中、西部分别有12、17和7个，占比分别为60%、95%和70%。分析发现，玉米基础产量与施钾产量在县域间存在极显著的线性相关关系，方程为y= 0.915x+ 1881 (y为施钾产量，x为基础产量)，决定系数达0.832。

2.2 吉林省不同区域玉米施钾的增产效果

吉林东、中、西部玉米施钾的增产量平均分别为1.31、1.06和1.30 t/hm2，平均增幅分别为18.1%、12.2%和17.4% (表1)。协方差分析表明，三大区域间玉米施钾的增产量无显著差异，而增幅以东部显著高于中部。东部玉米施钾的增产量和增幅在县域间存在较大变异，变异系数分别为55%和56% (图4)。全省施钾增产反应最高和最低的县市均在东部，分别为靖宇县 (增产2.38 t/hm2，39.0%) 和龙井市 (增产0.15 t/hm2，3.1%)，全区施钾增产超过1.4 t/hm2和增幅超过16.0%的县市比例均占35%。西部玉米施钾的增产量和增幅在县域间也有较大变异，变异系数分别为43%和45%，增产效应最高为镇赉县 (增产1.96 t/hm2，27.9%) 而最低为前郭县 (增产0.26 t/hm2，2.2%)，施钾增产超过1.4 t/hm2和增幅超过16.0%的县市比例分别为30%和50%。相比东、西部，中部县域间玉米施钾的增产量和增幅变异明显较小，变异系数分别为31%和30%，增产效应最高为舒兰市 (增产1.58 t/hm2，17.9%) 而最低为磐石县 (增产0.61 t/hm2，8.0%)。中部施钾增产超过1.4 t/hm2和增幅超过16.0%的县市比例分别为16.7%和5.6%，均低于东、西部。

图 3 吉林省玉米不同县域的不施钾产量 (A) 与施钾产量 (B) 及其相关关系Fig. 3 Maize yields in -K (A) and +K (B) treatments and their relationship in the different counties of Jilin Province

表1 吉林省不同区域玉米施钾的增产效果和钾肥利用率Table 1 Maize yield increase and K fertilizer use efficiency in the different regions of Jilin Province

图 4 吉林省不同县域玉米施钾的增产量 (A) 与增产率 (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 吉林省不同区域玉米的钾肥利用率

以农学利用率和肥料贡献率表征钾肥利用率，吉林东、中、西部玉米施钾的平均农学利用率分别为19.7、14.6和20.2 kg/kg，而平均肥料贡献率分别为13.9%、10.2%和13.6%。协方差分析显示，东部玉米施钾的农学利用率和肥料贡献率显著高于中、西部。钾肥农学利用率区域差异显示 (图5A)，全省最高、最低值分别为东部的靖宇县 (35.7 kg/kg) 和西部的前郭县 (3.4 kg/kg)。东、中、西部钾肥农学利用率在县域间的变异系数分别为48.3%、30.2%和40.8%，中部明显较低。三大区域钾肥农学利用率高于14 kg/kg的县市比例分别为65%、50%和80%，东、西部分别有25%和40%的县市钾肥农学利用率高于22 kg/kg，而中部所有县市均低于22 kg/kg。图5B显示，全省钾肥贡献率最高和最低的县市与农学利用率一致，分别为东部的靖宇县 (26.7%) 和西部的前郭县 (2.1%)。各区域钾肥贡献率在县域间的变异情况以中部 (27.0%) 明显低于东、西部 (分别为48.4%和39.3%)。东、中、西部钾肥贡献率高于7%的县市比例分别为85%、77.8%和90%，而高于13%的县市比例分别为35%、5.6%和50%，中部均相对较低。

2.4 吉林省不同区域玉米施钾产量、钾肥贡献率与土壤基础供钾能力的关系

-K处理玉米产量水平可表征土壤基础供钾能力。分析发现，吉林省各生态区域玉米+K与-K处理产量间均存在极显著正相关关系 (图6)，线性回归方程决定系数在0.616～0.757之间，说明土壤基础供钾能力差异是玉米施钾产量主要的变异来源。随-K处理玉米产量增加，各区域+K处理产量也均随之提高，可见较高的土壤基础供钾能力是施肥后获得高产的基础。而且，东、中、西部回归方程的斜率大小明显不同，说明不同区域土壤基础供钾能力对玉米施钾产量的影响程度存在差异。相比中、西部，东部土壤基础供钾能力对玉米+K处理产量的影响相对较小。

吉林省不同区域玉米施钾的肥料贡献率与-K处理产量间均存在显著的对数关系 (图7)。肥料贡献率随-K处理产量的增加而逐渐下降，表明土壤基础供钾能力的提高减少了玉米对外源钾肥的依赖。相比中、西部，东部钾肥贡献率与-K处理产量间回归方程的曲线斜率明显较大，说明随土壤基础供钾能力的提高其钾肥贡献率的降幅更大。

3 讨论

钾是土壤中含量最高的大量营养元素，但是受母质、气候等成土条件的影响，不同地区土壤钾素的丰缺状况差异很大[28]。一般认为，我国东北地区土壤钾素含量普遍较为丰富，作物施钾的增产效果较低。1980年代全国化肥试验协作网在东北地区的试验结果显示，玉米施用1 kg N、P2O5、K2O可平均分别增产15.7、13.1和1.6 kg，钾肥的增产效果远低于氮、磷肥[21]。但是，近年来东北地区土壤钾素含量开始下降，玉米施钾增产的相关报道也逐渐增多[2-3,29-30]。究其原因，主要是由于高产作物品种的大范围施用以及农户长期以来忽视钾肥的补充施用所致[3-4]。本研究结果显示，吉林省东、中、西生态区目前每施用1 kg K2O玉米平均分别增产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，三大生态区玉米施钾的平均产量增幅分别为18.1%、12.2%和17.4%，平均产量贡献率分别为13.9%、10.2%和13.6%，已接近施用磷肥的产量增幅和产量贡献率[27]。可见，施用钾肥已成为保障吉林省玉米高产稳产不可忽视的重要措施。目前，我国玉米生产提倡通过增密种植实现增产增效[31]，因此更需重视钾肥的合理施用以提高植株抗病和抗倒伏能力。

图 5 吉林省不同县域玉米施钾的农学利用率 (A) 和肥料贡献率 (B)Fig. 5 Agronomic efficiency (A) and fertilizer contribution rate (B) of K fertilizer in the different counties of Jilin Province

图 6 吉林省不同区域玉米施钾产量与不施钾产量的关系Fig. 6 Relationships between maize yields in +K and -K treatments in different regions of Jilin Province

图 7 吉林省不同区域玉米钾肥贡献率与-K处理产量的关系Fig. 7 Relationships between K fertilizer contribution rate and maize yield in -K treatment in different regions of Jilin Province

影响钾肥肥效的因素包括气候条件、耕作制度、土壤钾素供应能力、氮磷肥施用状况以及钾肥品种与施用技术等，其中土壤钾素肥力状况是最重要的因素[1]。本研究发现，吉林省东部地区土壤速效钾含量较中、西部地区略低，而施钾量水平也相对较低，因此其单位钾肥的增产效应相对较好，产量增幅高于中部地区，农学利用效率和钾肥贡献率显著高于中、西部地区。另外，由于长白山对季风的阻挡作用，吉林东部地区降雨较多而光照偏少，玉米较易遭受低温、涝害及寡照的不利影响[32]。施钾可提高玉米的光合作用及同化物运输，并增强植株的抗逆性和抗倒伏能力[1,13,18-19]，因而有助于东部地区玉米获得较高的增产效应。本研究还显示，随着土壤基础供钾能力的提高，东部地区玉米施钾产量的增幅和钾肥贡献率的降幅明显高于其他地区。这也反映出东部地区土壤供钾能力较弱，而玉米产量对外源钾肥的依赖程度更高。目前，随着复合肥及玉米专用肥的推广应用，东部地区农户忽视钾肥施用的状况有所改善[6,33]。但是，该地区仍需进一步加强平衡施肥理念和技术的宣传推广，积极合理地施用钾肥并结合秸秆还田等措施提高土壤钾的供应能力。

施肥增产效应的高低是指导区域作物科学养分管理的重要依据[12,34-35]。结合已有的氮、磷肥研究[26-27]及本研究钾肥试验的结果可见，吉林省不同生态区及县域尺度上玉米施肥的增产效应、肥料利用效率差异显著，而且不同养分在不同区域的效应表现也不一致。基于自然气候条件、土壤基础供肥能力及作物的肥效反应，吉林省玉米生产应实行差异化的生态区养分管理策略。总体上，中部半湿润平原区应以维持作物需求为标准严格控制化肥施用量，尤其是氮、磷的投入以减少养分盈余与环境损失；东部湿润山区应适当增加氮、钾肥用量，并配合抗逆栽培措施以减少逆境影响，提高光、温利用效率；西部地区应重视磷肥的科学施用，同时积极探索和推广高效抗旱补水与水肥一体化技术以发挥水肥耦合效应。另外，吉林省乃至整个东北地区目前农田有机肥的施用比例都非常低[4]，应加强农牧系统资源的综合管理与循环利用，研究并推广适合不同生态区的畜禽粪便与作物秸秆还田利用技术，在培肥地力的同时减少环境污染，促进高产高效绿色可持续农业发展。

4 结论

吉林省东、中、西部地区玉米施钾平均分别增产 1.31 t/hm2(18.1%)、1.06 t/hm2(12.2%) 和 1.30 t/hm2(17.4%)，平均农学利用率分别为19.7、14.6和20.2 kg/kg，平均肥料贡献率分别为13.9%、10.2%和13.6%。不同区域之间玉米施钾的增产量无显著差异，而增幅以东部显著高于中部，农学利用率和肥料贡献率以东部显著高于中、西部。各区域玉米施钾产量与基础产量间均存在显著的正相关关系，而钾肥贡献率与基础产量间均存在显著的负对数关系。随土壤基础供钾能力提高，东部玉米施钾产量的增幅和钾肥贡献率的降幅明显高于中、西部。