吉林是我国玉米种植大省，2013年种植面积和总产量分别为36万公顷和2776万吨，占全国的9.6%和12.7%，平均单产达到7.93 t/hm²，为全国最高^[1]。吉林玉米主产区主要土壤类型为黑土、黑钙土等，具有腐殖质层厚、有机质含量高、养分丰富、团粒发达、保水保肥能力强等特点，对玉米生长非常有利^[2]。但是，随着开垦年限增加和近30年玉米连作，黑土区土壤肥力退化已成为不争事实^[2-3]。除粗放的耕作方式和种植习惯外，农民过量和不平衡的施肥措施也是导致土壤质量下降、产量不稳定的重要原因^[4]。李红莉等^[5]研究显示，我国玉米单产在2000~2007年间增长了7.9%，而单位面积肥料用量增加了29.0%，其中氮肥增加了37.3%，说明肥料利用率和经济收益明显下降。吉林省统计数据显示，1978年至2013年全省玉米种植面积和总产分别提高了1.3倍和4.7倍，而同期的化肥施用量从16.7万吨增长至216.8万吨，提高了近13倍^[6]。大量研究已证实，过量和不合理的施肥不仅影响作物生产，降低肥料利用效率^[7]，还会引发水体富营养化、土壤酸化及大气活性氮增加等一系列环境问题^[8-10]。因此，根据作物生长发育特点和土壤条件为农户提供合理的养分管理建议，实现农业生产的高产高效优质是广大科研工作者和农技推广人员一直以来的工作重点和努力方向。

由于土壤肥力、作物产量水平和施肥习惯差异较大，不同地区之间作物养分管理措施的推荐和实施基础也显著不同^[11-13]。20世纪80年代，全国化肥试验网在我国29个省、市、区的18种作物上进行了大量肥料试验，明确了当时条件下不同区域的作物肥效状况与肥料利用效率，对当地作物的合理施肥指导以及国家肥料生产供应政策提供了基础信息^[14]。30多年来，我国的土壤肥力状况、作物品种和施肥水平均发生了巨大变化，而当前区域尺度上较宏观的作物施肥基础信息并不清楚，限制了区域养分管理指导工作的开展。2005年起，国家在全国范围内开展了测土配方施肥项目，各地区各级农技推广部门采集测试了大量土壤样品，并布置了大量的“3414”作物施肥田间试验，因此可以利用这些大样本的田间试验数据开展内容丰富的施肥相关研究工作^[15-16]。张智等^[17]利用292个“3414”肥料试验，分析了四川省不同地区水稻施用氮肥的增产效益、氮素需求特征与氮肥的利用效率。刘芬等^[18]通过总结184个“3414”肥料试验，研究了渭北地区春玉米施用氮、磷、钾肥的增产、增收效果以及肥料利用效率现状。黄亿等^[19]基于61个“3414”肥料试验，建立了四川中部丘陵区油菜的土壤养分丰缺指标和相应的推荐施肥量。单燕等^[20]整理测土配方施肥项目的7416个土壤数据和913个“3414”肥料试验数据，评估了陕西省玉米种植区土壤肥力状况与施肥效应。本研究通过收集整理测土配方施肥项目在吉林省布置的大量“3414”肥料试验，研究当前生产条件下吉林省玉米施用氮、磷、钾肥的增产效果、经济效益和肥料利用率，并对土壤基础养分状况与肥料贡献率的关系进行分析，旨在明确吉林省玉米的施肥效果与肥料利用现状，为玉米科学施肥管理与决策提供参考。

本研究选取2005~2013年国家测土配方施肥项目在吉林省布置的春玉米“3414”田间试验，共计1110个。研究区域涵盖吉林省所有县、市、州，主要土壤类型包括黑土、黑钙土、白浆土、暗棕壤、冲积土和草甸土等，试验区耕层土壤pH 3.7~8.9(平均6.6±1.0)、有机质5.6~123.5 g/kg (平均25.3±15.1 g/kg)、碱解氮36.1~392.2 mg/kg (平均136.0±56.9 mg/kg)、有效磷1.4~153.9 mg/kg (平均30.1±23.2 mg/kg)、速效钾24.0~374.1 mg/kg (平均125.4±48.4 mg/kg)。供试玉米品种主要包括先玉335、郑单958、吉单198、丹玉638、良玉11、郝育21等。

本研究所含试验处理选自“3414”试验设计中的处理1(N₀P₀K₀)、处理2(N₀P₂K₂)、处理4(N₂P₀K₂)、处理6(N₂P₂K₂)和处理8(N₂P₂K₀)。其中，N₂P₂K₂施肥量是由当地农业技术专家或农技推广人员根据目标产量水平、作物养分需求、田块土壤肥力状况以及当地施肥习惯等进行综合确定，代表当地的最佳施肥水平^[16]，本研究所收集数据中，氮肥用量为N 40.1~319.5 kg/hm²，平均168.0±24.5 kg/hm²；磷肥用量为P₂O₅ 30.0~150.0 kg/hm²，平均69.7±9.3 kg/hm²；钾肥用量为K₂O 22.5~180.0 kg/hm²，平均71.6±10.0 kg/hm²，各缺素处理不施用相应的肥料，其余施肥量与同一试验的NPK处理保持一致。试验所用肥料分别为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P₂O₅ 12%)和氯化钾(K₂O 60%)。氮肥的40%和全部的磷、钾肥做基肥，剩余的60%氮肥于玉米七叶期进行追施，其他田间管理均与当地农民习惯保持一致。

玉米播种前，各试验点取0-20 cm耕层土壤测定其基本化学性质。用电位法测pH（水土比2.5 :1）；有机质测定用重铬酸钾容量法；碱解氮用1 mol/L NaOH扩散法；有效磷测定用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法；速效钾测定用1 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法^[21]。

玉米成熟后，对各试验点所有小区去掉边行后进行实打实收测产。

采用以下公式计算相关参数^[22-24]：

肥料农学效率(agronomic efficiency, AE, kg/kg)指单位施肥量所增加的玉米产量，即，AE=(Y -Y₀)/F，Y为施肥区玉米产量，Y₀为无肥区玉米产量，F为施肥量。

肥料偏生产力(partial factor productivity, PFP, kg/kg)指投入单位肥料所生产的玉米产量，即，PFP=Y/F，Y为施肥区玉米产量，F为施肥量。

肥料贡献率(fertilizer contribution rate, FCR)指施用肥料增加的产量占总产量的百分比，即，FCR=(施肥区产量-无肥区产量)/施肥区产量×100%。

施肥利润(Net profit, yuan/hm²)定义为产值与施肥成本之差：利润=玉米产量×玉米价格-施肥量×肥料价格。

产投比(input-output ratio)=施肥利润/施肥成本

采用Excel 2010软件计算和处理试验数据，用SPSS 17.0软件统计分析，LSD法检验处理间在P < 0.05水平的差异显著性。

氮、磷、钾肥施用显著影响吉林省玉米的籽粒产量(图 1)。不施肥条件下，全省玉米产量范围1.85~14.3 t/hm²，平均6.6 t/hm²。施肥后玉米产量均显著提高，以N₂P₂K₂处理最高，产量范围为4.31~16.9 t/hm²，平均达10.1 t/hm²，较CK处理平均增产34.7%。各缺素处理中，以N₂P₂K₀处理玉米产量较高，达3.29~15.3 t/hm²，平均8.9 t/hm²，其次为N₂P₀K₂处理(平均8.7 t/hm²，范围3.51~15.8 t/hm²)，而N₀P₂K₂处理相对较低(平均7.7 t/hm²，范围2.40~13.5 t/hm²)。在其他两种养分施用基础上，玉米增施氮、磷、钾肥平均分别增产2.36 t/hm²(35.1%)、1.39 t/hm²(18.0%)和1.18 t/hm²(14.9%)。

图1(Fig. 1)

图1 吉林省施用氮、磷、钾肥的玉米产量 Fig. 1 Maize yields affected by application of N, P and K fertilizers in Jilin Province [注（Note）:箱形框中的实线和正方形分别表示数据集的平均值和中值，上下边界分别表示数据集的25%和75%位分数，上下水平短线表示数据集的5%和95%区间，箱外上下圆点分别表示数据集的最小值和最大值The horizontal solid lines and squares inside boxes indicate the mean and the median of dataset, the upper and lower limits of box represent 25% and 75% of dataset, the upper and lower short lines outside box indicate the 5% and 95% of dataset, the upper and lower dots outside box indicate the minimum and maximum, respectively.]

分析增产量和增产率分布状况发现(图 2)，吉林省玉米施用氮、磷、钾肥分别有99.1%、94.9%和91.1%的试验点表现出增产效果，增产超过5%的试验点比例分别为95.6%、83.9%和75.9%。施氮后，61.1%的试验点增产在1.0~3.0 t/hm²之间，26.3%的试验点增产超过3.0 t/hm²，增产率分布在5%~35%的试验点占59.8%，甚至有6.7%的试验点增产超过80%。施磷的增产量范围主要在0.6~1.8 t/hm²之间(占49.3%)，增产超过3 t/hm²占6.0%，施钾后大部分试验点增产量在0~1.8 t/hm²(占69.1%)，有4.5%的试验增产超过3.0 t/hm²。磷、钾肥施用的增产率范围均主要在5%~25%，分别占总试验数的60.1%和60.4%。结果表明，玉米施用氮肥的增产效果最显著，应在氮磷钾肥配施的基础上重视氮肥的施用。

图2(Fig. 2)

图2 吉林省玉米施氮、磷、钾肥的增产量和增产率分布频率 Fig. 2 Distribution frequency of maize yield increase and relative rate by applying N, P and K fertilizers in Jilin Province

施肥不仅为获得高产，也应考虑成本投入和经济效益(表 1)。不施肥条件下，吉林省玉米的平均产值为12.1×10³ yuan/hm²。施用氮、磷、钾肥增加了玉米种植的成本投入，不同处理的平均增量在0.70×10³~1.39×10³ yuan/hm²之间，但产值相比CK处理均显著提高。NPK处理玉米的产值、施肥利润和产投比均为最高，平均分别为18.6×10³ yuan/hm²、5.07×10³ yuan/hm²和3.7。各缺素处理的经济效益相比NPK处理显著下降，尤其是-N处理，其施肥利润不足NPK处理的1/3，产投比仅为2.2，说明其施肥的经济回报偏低。在其他养分施用基础上，增施氮、磷、钾肥的平均施肥利润分别为3.68×10³、2.24×10³、和1.80×10³ yuan/hm²，产投比分别为5.5、7.1和5.2。可见，氮磷钾配施条件下玉米的经济效益最佳，磷钾肥基础上增施氮肥可获得较高利润，而氮钾肥基础上增施磷肥的产投比更高。

表1(Table 1)

表1 施肥对吉林省玉米经济效益的影响(× 103 yuan/hm2) Table 1 Effects of the application of N, P and K fertilizers on economic benefit of maize in Jilin Province

表1 施肥对吉林省玉米经济效益的影响(× 103 yuan/hm2) Table 1 Effects of the application of N, P and K fertilizers on economic benefit of maize in Jilin Province 处理 Treatment 产值Gross income 施肥成本Fertilizer cost 施肥利润Net profit 产投比Input-output ratio 范围Range 平均值Mean 范围Range 平均值Mean 范围Range 平均值Mean 范围Range 平均值Mean CK 3.41~26.5 12.1 ± 3.4 e N2P2K2 7.96~31.3 18.6 ± 3.3 a 0.59~2.82 1.39 ± 0.17 a –1.78~17.5 5.07 ± 2.92 a 0~13.8 3.7 ± 2.1 a N0P2K2 4.43~25.0 14.2 ± 3.4 d 0.34~1.51 0.70 ± 0.08 d –7.34~10.3 1.39 ± 1.87 d 0~16.9 2.2 ± 2.4 d N2P0K2 6.50~29.2 16.0 ± 3.4 c 0.37~2.25 1.06 ± 0.13 b –5.80~16.1 2.83 ± 2.82 c 0~14.3 2.8 ± 2.6 c N2P2K0 6.09~28.3 16.4 ± 3.3 b 0.38~1.88 1.02 ± 0.13 c –3.85~16.6 3.27 ± 2.78 b 0~14.7 3.3 ± 2.7 b 注（Note）:玉米市场价格按1.85 yuan/kg计, N、P2O5、K2O为价格分别为4.1、4.75和5.2 yuan/kg计The market prices are 1.85 yuan/kg for maize, 4.1 yuan/kg for N, 4.75 yuan/kg for P2O5 and 5.2 yuan/kg for K2O.

目前，吉林省玉米在氮磷钾配施条件下其总养分的平均农学效率、偏生产力和肥料贡献率分别为11.4 kg/kg (0~35.9 kg/kg)、32.8 kg/kg (14.3~63.9 kg/kg)和34.7%(0~80.2%)(图 3)。各项指标分布状况显示，NPK处理总养分的农学效率有95.9%的试验点高于5 kg/kg，主要在10~15 kg/kg之间，占总数的34.9%；偏生产力大部分试验点集中于25~40 kg/kg之间，占总数的79.8%；肥料贡献率超过15%的试验点占总数的94.1%，54.1%的试验点分布于25%~45%之间。

图3(Fig. 3)

图3 吉林省玉米氮磷钾肥配施的农学效率、偏生产力和肥料贡献率的分布频率 Fig. 3 Distribution frequency of agronomic efficiency, partial factor productivity, and fertilizer contribution rate of maize in Jilin Province under the balanced NPK fertilization

通过比较NPK处理和缺素处理，可分析氮、磷、钾单一养分的肥料利用率(图 4)。目前，吉林省玉米增施氮、磷、钾肥的平均农学效率分别为N 14.3 kg/kg (N 0~78.6 kg/kg)、P₂O₅ 20.5 kg/kg (P₂O₅ 0~92.7 kg/kg)和K₂O 17.2 kg/kg (K₂O 0~74.2 kg/kg)，平均偏生产力分别为N 61.1 kg/kg (N 26.9~187.3 kg/kg)、P₂O₅ 146.4 kg/kg (P₂O₅ 60.2~368.9 kg/kg)和K₂O 142.4 kg/kg (K₂O 61.5~317.9 kg/kg)，平均肥料贡献率分别为23.4%(0~73.8%)、14.1%(0~57.3%)和11.9%(0~62.3%)。不同养分的农学效率和偏生产力高低趋势一致，均以磷素 > 钾素 > 氮素，而肥料贡献率则以氮素显著于磷素和钾素。

图4(Fig. 4)

图4 吉林省玉米氮、磷、钾肥的农学效率、偏生产力和肥料贡献率 Fig. 4 Agronomic efficiency, partial factor productivity and contribution rate of N, P and K fertilizers in maize in Jilin Province

不施肥处理的作物产量可视作土壤基础供肥能力的一种反映，而缺素处理产量也能在较大程度上反映土壤对某一养分的基础供应能力。图 5显示，NPK配施处理的总养分肥料贡献率随CK处理产量的增加呈现明显的下降趋势，模型拟合结果均符合显著的对数函数关系(R²=0.601**)。氮、磷、钾单一养分的肥料贡献率与相应缺素处理产量之间也有类似表现，其中以氮肥贡献率与-N处理产量的相关程度最高(R²=0.460**)，且氮肥贡献率随-N处理产量增加的下降斜率也最大。结果说明，肥料施用对产量的贡献率随土壤基础养分供应能力的提高而下降，因此增加对土壤的培肥可减少玉米种植中对外源肥料的需求。

图5(Fig. 5)

图5 吉林省玉米土壤基础供肥能力与肥料贡献率的关系 Fig. 5 Relationships between soil indigenous nutrient supply and fertilizer contribution rate of maize in Jilin Province

本研究显示，吉林省玉米在氮磷钾配施条件下平均产量为10.1 t/hm²，相应的氮、磷、钾肥用量平均分别为N 168.0 kg/hm²、P₂O₅ 69.7 kg/hm²和K₂O 71.6 kg/hm²，总施肥量为309.3 kg/hm²。这与吉林省地方标准DB 22/T 2073-2014《玉米施肥技术规程》中的推荐施肥量非常接近(中等地力条件下，目标产量为9.0~10.5 t/hm²时，吉林省玉米推荐施用N 170~190 kg/hm²、P₂O₅ 70~80 kg/hm²和K₂O 60~70 kg/hm²)^[25]，同时也与前人在吉林不同地区的研究结果基本相符^[26-29]。因此，本研究结果可在较大程度上反映吉林省玉米的施肥效果与肥料利用率现状，可为该地区玉米的科学施肥研究与决策提供参考依据。

肥料利用率是养分管理研究中非常重要的评价指标，以往我国主要采用肥料的养分表观回收率进行表征，但在目前土壤和环境养分供应量增大、化肥增产效益下降的情况下，偏生产力更适宜作为评价肥料利用效率的指标^[30]。已有研究发现，目前我国玉米在试验条件下的平均氮、磷、钾肥偏生产力分别为51.6 kg/kg N、72.4 kg/kg P₂O₅和64.7 kg/kg K₂O^[7]，而世界平均水平分别为57.8 kg/kg N、119.0 kg/kg P₂O₅和136.0 kg/kg K₂O^[31]。本研究显示，当前吉林春玉米的平均氮、磷、钾肥偏生产力分别为61.1 kg/kg N、146.4 kg/kg P₂O₅和142.4 kg/kg K₂O，不仅明显高于全国平均水平，也超过了世界平均水平。其中，氮素偏生产力较美国的65 kg/kg N还有一定差距^[30]。农学效率也是重要的肥料效率指标，反映施肥的增产效果。目前，我国玉米在试验条件下的氮、磷、钾肥农学效率分别为9.8~11.2 kg/kg N、7.5~9.5 kg/kg P₂O₅和5.7~9.2 kg/kg K₂O^{[7, 32]}，而吉林省玉米平均分别为14.3 kg/kg N、20.5 kg/kg P₂O₅和17.2 kg/kg K₂O，均明显高于全国平均水平，但氮素农学效率与世界平均水平(N 24 kg/kg)相比还偏低^[33]。可见，现阶段生产条件下吉林省玉米的增产效果和肥料利用率与全国平均水平相比较高，而在氮素管理的节肥增效方面还有提升空间。

众多研究显示，世界粮食作物施用化肥对产量的贡献率在30%~50%，而我国玉米施肥的平均产量贡献率为46.2%^{[14, 23, 31, 34-35]}。刘芬等^[18]研究显示，目前渭北旱塬地区玉米施用氮、磷、钾肥对产量的贡献率分别为23.0%、12.6%和7.0%。本研究中，吉林省玉米的平均氮、磷、钾肥贡献率分别为23.4%、14.1%和11.9%，与刘芬等^[18]在陕西的研究结果接近，而氮磷钾配施的平均产量贡献率为34.7%，低于全国平均水平。这可能是因为吉林省地处黑土带，大多数地区土壤肥力在全国处于相对较高水平，导致外源肥料施用对产量的贡献相对较低。另外发现，玉米施肥的产量贡献率随土壤肥力提升而显著下降，说明维持较高的土壤肥力可减少对外源肥料的需求。在目前国家大力实施化肥零增长战略背景下，吉林省应通过推广平衡施肥、保护性耕作、秸秆还田等技术措施进行土壤培肥，促进农田地力提升而减少化肥施用，提高肥料利用率和环境效益，维持玉米产量处于一个稳定水平。

吉林省玉米施肥的增产增收效果显著，其中以NPK处理最佳，平均产量和施肥利润分别为10.1 t/hm²和5.07×10³ yuan/hm²。增施氮、磷、钾肥可平均分别增产2.36 t/hm²(35.1%)、1.39 t/hm²(18.0%)和1.18 t/hm²(14.9%)，平均分别增收3.68×10 ³、2.24×10 ³、和1.80×10³ yuan/hm²。当前生产条件下，吉林省玉米的平均氮、磷、钾肥农学效率分别为14.3 kg/kg N、20.5 kg/kg P₂O₅和17.2 kg/kg K₂O，平均偏生产力分别为61.1 kg/kg N、146.4 kg/kg P₂O₅和142.4 kg/kg K₂O，平均肥料贡献率分别为23.4%、14.1%和11.9%。玉米施肥对产量的贡献率随土壤基础肥力的提高而显著下降，其趋势符合对数函数关系。尽管吉林省玉米施肥的增产效果和肥料利用率在国内相对较高，但仍应重视氮肥管理以稳产增效，现阶段应继续大力推广平衡适量施肥的理念及相应技术，改变农民过量施肥观念，在实现作物增产的同时提高肥料效率和土壤肥力水平。