中国农业科学 2009,42(7):2407-2414
Scientia Agricultura Sinica doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2009.07.020
长期施肥下中国主要粮食作物产量的变化
李忠芳1,2，徐明岗1，张会民1,3，张文菊1，高 静1
（1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部植物营养与养分循环重点开放实验室，北京 100081；2贺州学院，广西贺州 542800；
3河南科技大学农学院，河南洛阳 471003）
摘要：【目的】阐明长期不同施肥下中国主要粮食作物产量变化态势及其差异，为评价和建立长期施肥模式、促进粮食持续生产提供依据。【方法】对中国主要长期试验不施肥（CK）、施化肥（NPK）、化肥配施有机肥（NPKM）
3个处理的玉米、小麦、水稻等粮食作物产量700多组数据进行整理和统计分析。【结果】长期不施肥的玉米和
小麦产量总体上表现为极显著（P＜0.05）下降趋势，年下降量分别为110.9和33.4 kg·hm-2，而水稻产量基本保
持稳定。施用化肥，玉米、小麦和水稻的产量均呈极显著（P＜0.01）下降趋势，年平均下降量分别为90.9、48.5
和25.3 kg·hm-2。化肥配施有机肥，3种作物的产量随时间没有显著变化，均比较稳定，与NPK比较，玉米、小麦
和水稻产量变异系数分别降低了8%、4%和3%。3种作物比较，小麦和玉米产量年际间变异较大，而水稻产量相对
稳定。施肥的作物产量与不施肥的作物产量（反映土壤基础地力）呈极显著（P＜0.01）正相关，基础地力产量每
增加一个单位，施肥产量增加量NPKM处理比NPK处理小0.12～0.31 kg·hm-2·a-1，表明长期施用化肥作物产量对基
础地力的依赖程度高于化肥配施有机肥（NPKM）。【结论】中国农田长期不施肥或施用化肥的作物产量变化趋势为
玉米和小麦下降，水稻基本稳定；化肥配施有机肥具有明显的增产和稳产效果，是农业生产可持续性的施肥模式。
关键词：长期施肥；小麦；玉米；水稻；产量趋势
Grain Yield Trends of Different Food Crops Under Long-Term Fertilization in China
LI Zhong-fang1,2, XU Ming-gang1, ZHANG Hui-min1,3, ZHANG Wen-ju1, GAO Jing1
(1Key Laboratory of Plant Nutrition and Nutrient Cycling, Ministry of Agriculture/Agricultural Resources and Regional Planning
Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081; 2Hezhou College, Hezhou 542800, Guangxi; 3College of
Agronomy, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, Henan)
Abstract: 【Objective】The study was conducted to reveal the difference and dynamic of grain yield in China under long-term fertilization, and to provide scientific references for evaluating and establishing long-term fertilization mode. 【Method】 Grain yield
trends of rice, wheat and maize crops in different treatments (unfertilized control, fertilizer NPK, and fertilizer NPK plus manure,
i.e., NPKM) under long-term fertilization were investigated and 700 sets of data were included. 【Result】It was discovered that
grain yield of unfertilized maize and wheat showed a very significant (P＜0.01) declining trend, the decline rates (per year) were
-110.9 kg·hm-2 and -33.4 kg·hm-2, respectively, while rice yield was stable. Yield trends of the all three crops in NPK treatment
decreased significantly (P＜0.05) with year, the yield decline rates of maize, wheat and rice were -90.9 kg·hm-2, -48.5 kg·hm-2 and
-25.3 kg·hm-2, respectively. Grain yields of 3 crops were stable under NPKM fertilization. The coefficients of variation (CV%) of
maize, wheat and rice decreased by 8%, 4% and 3% in NPKM treatment, respectively, compared with those of NPK treatment. The
yields of wheat and maize varied greatly with year, while that of rice was stable relatively. A significantly positive correlation
between the fertilized and unfertilized crop yields was found. When the yields of unfertilized crops increased by one unit, the
magnitude of yields increased in NPKM treatments decreased by 0.12-0.31 kg·hm-2·a-1 compared with those in NPK treatments. The
收稿日期：2008-08-08；接受日期：2009-02-17
基金项目：国家“十一五”重点科技支撑计划项目（2006BAD05B09、2006BAD25B07、2006BAD02A14）、基础性工作专项项目（2007FY220400）
作者简介：李忠芳（1976－），男，广西贺州人，博士研究生，研究方向为植物营养及土壤肥力。E-mail：lizhongfang08@https://www.doczj.com/doc/fe16489238.html,。通信作者徐明岗（1961－），男，陕西武功人，研究员，博士，研究方向为土壤肥力与培育。Tel：010-********；E-mail：mgxu@https://www.doczj.com/doc/fe16489238.html,
2408 中国农业科学42卷
crop yields under long-term NPK fertilization was more dependent on soil basic fertility than that of NPKM fertilization. 【Conclusion】The yield declining trends were observed in wheat and maize crops with no fertilizer or chemical fertilizers alone, while that of rice was relatively stable. Chemical fertilizer in combination with manure is a more effective fertilization to improve and maintain the grain yield, and it is strongly recommended for sustainable agriculture.
Key words: long-term fertilization; wheat; maize; rice; grain yield trend
0 引言
【研究意义】产量是进行作物生产的直接目的，在注重可持续发展的今天人们不能只关心当季的产量，还需通过长期试验研究产量变化的趋势特征，发展可持续性农业。【前人研究进展】通过长期定位试验，可以对连续施肥过程中土壤养分的消耗或累积情况及其它因子的变化规律进行研究，长期施肥条件下作物产量的变化趋势反映了土壤肥力等因素的变化特征。通过分析产量趋势研究土壤质量的问题，Ladha 等[1]分析了亚洲的部分稻麦轮作长期试验中作物产量的变化趋势，认为产量下降问题比较严重，而且存在土壤退化等问题。有研究表明肥料单独施用均表现出产量降低的趋势，而化肥配合有机肥产量表现为增长趋势[2]。而Manna等[3]研究了30年的长期定位试验表明，在大豆-小麦轮作中持续施用NPKM和NPK+Ca 可以维持作物产量，并且不存在土壤质量的退化问题。Lithourgidis等[4]对连续种植冬小麦的产量变化趋势研究也表明小麦产量尽管表现出时间上的差异性，但在所有供试土壤中均未发现作物产量显著的下降趋势。国内研究者多数基于某种土壤类型或某一区域分析作物产量趋势来分析其施肥的合理性[5-6]，Fan等[5]分析了中国黄土高原长期施肥试验中产量与有机质间的关系，认为尽管配合施用化肥在一定程度上保持了作物的产量，但对于土壤有机碳的储存来说并不是一个理想的施肥方案。徐明岗等[6]研究认为中国长期施肥基础地力贡献率逐年下降，灰漠土玉米季的基础地力贡献率15年下降了47%；冬、春小麦的地力贡献率分别下降了40%和23%。【本研究切入点】中国对长期施肥条件下作物产量效应及变化趋势进行了较多研究[5-14]，这些研究大多是针对某一区域内产量效应、变化趋势及其与施肥的关系，而对全国范围内不同施肥模式下作物产量的变化趋势研究较少，本文对中国长期施肥中40个试验点连续多年不同施肥及不同作物产量的变化趋势及变异进行了分析。【拟解决的关键问题】通过产量变化趋势，阐明不施肥（CK）、施化肥（NPK）和化肥配施有机肥（NPKM）的作物产量变化特征及其差异性，为建立合理的施肥模式、促进粮食持续生产提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
从20世纪80年代开始，中国建立了许多长期施肥试验[6-15]。本文主要收集了中国典型农田21个长期肥料试验的数据（其中进贤水田又分为有机肥试验点和有机肥化肥试验点），同时收集已经发表的相关文献[7-20]中的19个试验点的数据作为补充，这些试验涉及中国11个主要土壤类型。研究选取其中长期不施肥（CK）、施化肥（NPK）和化肥配施有机肥（NPKM）处理的水稻、小麦、玉米一系列的产量700多组数据进行统计分析。这些长期试验开始的时间为1980－1989年，其数据为20年左右试验结果。长期定位试验所用化肥以尿素、普通过磷酸钙和氯化钾或硫酸钾为主。一般每季作物施氮肥（N）120～180 kg·hm-2，平均150 kg·hm-2，磷肥（P2O5）60～150 kg·hm-2，平均80 kg·hm-2，钾肥（K2O）75～160 kg·hm-2，平均116 kg·hm-2。有机肥北方以堆肥为主，施用量为30～75 t·hm-2，大多每年只施基肥1次；南方以猪厩肥为主，施猪粪15～22.5 t·hm-2或稻草4.5～6 t·hm-2，大多每年施2次；也有施新鲜绿肥20～25 t·hm-2，每年1次。磷钾化肥和有机肥作底肥施，氮肥按当地习惯分2～3次施用。种植制度长江以南为双季稻-冬季休闲；长江流域为一季中稻，冬季种小麦或其它；华北地区为冬小麦和夏玉米一年两熟；东北和西北主要为春（冬）小麦、春玉米等，一年一熟。试验点包括了中国主要土壤类型和农作制度（表1）。
1.2 试验方法
利用DPS v6.85专业版和Excel 2003统计分析了长期不施肥与施肥的3种作物产量变化特征及其关系，根据产量变化情况计算出产量在时间（年）序列上的变化速率及直线相关系数[21]。
2 结果与分析
2.1 长期不施肥作物产量及其变化
7期李忠芳等：长期施肥下中国主要粮食作物产量的变化 2409
表1 长期肥料试验点概况
Table 1 The basic information of the long-term experiments
地点Site
东经
Longitude
(°E)
北纬
Latitude
(°N)
土壤类型
Soil type
轮作制度
Cropping system
年熟制
Crop per
year
起止期
Period
(year)
黑龙江哈尔滨 Harbin, Heilongjiang 126.6 45.7 黑土Black soil 小麦 Wheat－大豆－玉米
Wheat－soybean－maize
1 1981-2006
新疆乌鲁木齐 Urumqi, Xinjiang 87.8 43.8 灰漠土
Grey desert soil 玉米－小麦
Maize－wheat
1 1990-2005
吉林公主岭 Gongzhuling, Jilin 124.8 43.5 黑土Black soil 玉米 Maize 1 1990-2005
北京昌平 Changping, Beijing 116.2 40.2 潮土Fluvo-aquic soil小麦－玉米
Wheat－maize
2 1991-2005
甘肃张掖 Zhangye, Gansu 100.5 38.9 灌漠土 Irrigated
desert soil 小麦－小麦－玉米
Wheat－wheat－maize
1 1982-2001
山西寿阳 Shouyang, Shanxi 113.1 38.0 褐土 Cinnamon soil玉米 Maize 1 1992-2004
甘肃平凉 Pingliang, Gansu 107.5 35.3 黑垆土Black soil 玉米－小麦 Maize－wheat 1
1981-2007 河南郑州 Zhengzhou, Henan 113.7 34.8 潮土Fluvo-aquic soil小麦－玉米Wheat－maize 2
1991-2005 陕西杨凌 Yangling, Shaanxi 108.0 34.3 褐土Cinnamon soil 小麦－玉米Wheat－maize 2
1992-2005 江苏徐州 Xuzhou, Jiangsu 117.1 34.2 潮土Fluvo-aquic soil小麦－玉米Wheat－maize 2
1981-1998 四川遂宁 Suining, Sichuan 104.1 30.7 紫色土 Purplish soil水稻－小麦Rice－wheat 2
1982-2006 浙江杭州 Hangzhou, Zhejiang 120.4 30.4 水稻土Paddy soil 大麦－水稻－水稻
Barley－rice－rice
3 1991-2000
湖北武昌 Wuchang, Hubei 114.2 30.4 水稻土Paddy soil 水稻－小麦 Rice－wheat 2
1982-2004 重庆 Chongqing 106.4 30.4 紫色土Purplish soil 水稻－小麦 Rice－wheat 2
1982-2005 江西进贤旱地Jinxian, Jiangxi (Dry land) 116.3 28.3 红壤Red soil 玉米 Maize 2 1986-2007
江西进贤水田Jinxian, Jiangxi (Paddy field) 116.3 28.3 水稻土Paddy soil 早稻－晚稻 Early-rice－late-rice 2 1981-2007
江西南昌 Nanchang, Jiangxi 116.3 28.3 水稻土Paddy soil 早稻－晚稻 Early-rice－late-rice 2 1984-2006
湖南望城 Wangcheng, Hunan 112.0 28.0 水稻土Paddy soil 早稻－晚稻 Early-rice－late-rice 2 1981-2007
湖南祁阳 Qiyang, Hunan 111.9 26.8 红壤 Red soil 小麦－玉米 Wheat－maize 2
1991-2007 福建白沙 Baisha, Fujian 119.3 26.0 红壤Red soil 早稻－晚稻 Early-rice－late-rice 2 1983-2006
不施肥的作物平均产量是3种处理（CK、NPK
和NPKM）中最低的，玉米、小麦和水稻产量分别为
4 026、1 405和3 407 kg·hm-2（表2），不施肥作物产
量总体为逐年下降的趋势，其变化幅度为每年 －11.5～－110.9 g·hm-2，3种作物间差别较大（图1）。不施肥不同作物的产量变化趋势不同。不施肥的
玉米和小麦产量呈显著下降趋势，其中玉米下降速率
最大，平均每年下降110.9 kg·hm-2，其次为小麦（平
均每年下降33.4 kg·hm-2）；水稻产量随试验年份的延
长变化不显著（图1）。这说明不施肥作物产量的变
表2 不同作物产量变化及变异系数
Table 2 Yield trends and coefficients of variation (CV%) of crops
产量年变化量Yield trend per year (kg·hm-2·a-1)产量变异系数Yield CV (%) 平均产量 Average yield (kg·hm-2)
作物
Crops
CK NPK NPKM CK NPK
NPKM CK
NPK
NPKM 玉米Maize -110.9** -90.9** 1.9 62.5 38.1 30.1 4026b 7184a 7774a
小麦Wheat -33.4** -48.5* -24.4 54.1 44.7 40.8 1405b 4112a 4487a
水稻Rice -11.5 -25.3* -14.6 26.9 21.6 18.6 3407b 5451a 5991a
*为5%显著水平,** 为1%极显著水平。数据后不同小写字母表示5%显著性差异。下同
* Indicate significant difference at 5% level, ** Indicate significant difference at 1% level. Different small letter indicate significant difference at 5% level. The
same as below
2410 中国农业科学42卷
图1 不施肥玉米、小麦和水稻产量变化趋势
Fig. 1 Maize, wheat and rice yield trends in unfertilized treatment
化趋势是旱地下降，水田基本稳定。但是水稻产量的稳定性是在低产水平条件下的，平均产量只有 3.4 t·hm-2，小麦和玉米的产量也较低分别为 1.4和 4.0 t·hm-2（表2）。
对不施肥3种作物产量的变异情况（表2）分析表明，旱地作物玉米和小麦产量的变异系数较大，分别为62.5%和54.1%，而水稻产量的变异系数只有26.9%。说明3种作物产量的稳定性从大到小的顺序依次为水稻、小麦和玉米。2.2 长期施化肥作物产量及其变化
化肥配施作物产量比不施肥产量显著提高，玉米、小麦和水稻的增产率分别为78%、193%和60%（表2）。不同作物产量随时间变化的趋势较一致。施用化肥玉米、小麦和水稻的产量变化都呈显著下降趋势，平均每年分别下降90.9、48.5和25.3 kg·hm-2，其中玉米产量下降速率最大（图2）。玉米、小麦和水稻3种作物施用化肥产量分别为7.2、4.1、5.5 t·hm-2，均比不施肥产量显著提高（表2），表明施化肥的增产作用
图2施化肥玉米、小麦和水稻产量变化趋势Fig. 2 Maize, wheat and rice yield trend in NPK treatment
明显。
对施化肥3种作物产量的变异情况分析表明，旱地作物玉米和小麦的变异系数较大，平均分别为38.1%和44.7%，而水稻产量的变异系数只有21.6%，施化肥3种作物产量的变异系数均低于相应不施肥处理。与不施肥相比，玉米、小麦和水稻产量的变异系数分别降低了23.4%、9.4%和4.3%，表明3种作物施化肥作物产量的稳定性有所提高，其中玉米施用化肥较不施肥产量稳定性的提高效果在3种作物中是最明
显的。
2.3 长期化肥配施有机肥的作物产量及其变化
化肥配施有机肥比不施肥极显著地提高了作物产量，玉米、小麦和水稻的增产率分别为93%、219% 和75%，与施NPK相比，作物产量也有所提高，但
未达到显著水平（表2）。化肥配合有机肥3种作物
的产量都比较稳定，无显著变化趋势（图3）。与施
7期李忠芳等：长期施肥下中国主要粮食作物产量的变化 2411
用化肥相比，施NPKM的作物产量趋势得到明显的改变，由原来的显著下降趋势到稳定或略有提高，其中对小麦和玉米的作用较明显。与不施肥相比，化肥配施有机肥也使玉米和小麦的产量趋势得到改变，由原来的极显著下降到略有提高，而对水稻产量趋势影响不大。
对长期化肥配施有机肥的3种作物产量的变异情况分析表明，其变异系数较施化肥处理又有所降低，也更明显低于不施肥处理。说明施NPKM作物产量的稳定性得到提高，是3种施肥中稳定性最好的。
图3 化肥有机肥配施玉米、小麦和水稻产量变化趋势Fig. 3 Maize, wheat and rice yield trend in NPKM treatment
2.4 不施肥与施肥作物产量的关系
分别对不施肥与施肥玉米、小麦和水稻产量间的相关分析表明，不施肥与施肥作物产量之间存在极显著正相关关系（图4～6）。不施肥的产量反映了土壤基础肥力（或地力）的差异，因此，这种密切相关关系说明土壤的基础地力和环境因素影响作物施肥肥效的发挥。回归方程斜率（不施肥产量每增加一个单位对应施肥产量的增加值）的大小可以反映基础地力对施肥产量的效应大小，换言之，反映了施肥作物产量对基础地力和环境的依赖程度。在同一土壤环境中作物施肥产量随着不施肥产量的提高而增加。不管是玉米、小麦还是水稻都是NPK处理的斜率较大，不施肥
图4 玉米不施肥产量与施肥产量变化关系
Fig. 4 The relationships between the unfertilized and fertilized
maize yields 图5小麦不施肥产量与施肥产量变化关系
Fig. 5 The relationships between the unfertilized and fertilized wheat yields
图6 水稻不施肥产量与施肥产量变化关系
Fig. 6 The relationships between the unfertilized and fertilized rice yields
2412 中国农业科学42卷
产量每增加一个单位对应NPK产量的增加值高于NPKM，提高幅度为0.12～0.31 kg·hm-2·a-1，表明 NPK 处理作物产量对基础地力和环境的依赖程度高于NPKM，在施NPK肥基础上增施有机肥降低了作物对基础地力和环境的依赖程度，其效果在玉米（斜率降低了0.31 kg·hm-2·a-1）中最好，其次依次为小麦和水稻（斜率降低了0.12～0.17 kg·hm-2·a-1）。
3 讨论
旱地作物玉米和小麦不施肥产量随时间呈显著下降趋势，水稻产量较稳定。不施肥的作物产量是土壤基础肥力和环境的综合表现，在一定环境中不施肥产量可以反映土壤基础肥力状况。所以本研究中不施肥下作物产量的变化特征表明，长期耕作中国土壤基础地力变化趋势是旱地为下降，水田基本稳定。这可能是因为淹水环境的水热条件优于旱作环境[22]，由于水稻种植区域多是低洼地，是养分汇集地区，灌溉水较其它作物大，相对补充养分多，导致施肥与否的影响相对不显著。另外王德建等[13]认为在稻麦轮作中氮素的淋洗损失主要发生在麦季。一般研究认为施用化肥作物产量为下降趋势[2,5,18]；也有研究者认为不同施肥间产量没有明显的变化趋势[4]。本研究结果表明，施化肥3种作物的产量呈显著下降趋势，其中玉米的下降速率最大（图2）。这可能是研究区域及作物轮作方式不同所致，如Fan等[5]研究区域是中国黄土高原，而Ladha等[1]仅就亚洲的稻麦轮作进行研究。本研究中施化肥作物产量呈下降趋势的原因，各地趋势不相同，北方产量普遍稳定，而南方如祁阳、南昌、徐州等试验点施化肥产量为显著的下降趋势，研究[16,23]认为施氮引起土壤酸化导致产量下降。而本研究是综合了南北方产量总体趋势。对于化肥配施有机肥3种作物产量的稳定性（图3），在不同土壤肥力条件下秸秆还田的作用虽然不同，有些在前期还出现减产的现象，但从长期而言（大于15年）没有出现显著下降趋势。其原因是减少了氮的淋失，提高耕层氮含量，利于土壤肥力提高[24]。这说明了增施有机肥对维持作物高产的作用[25]。
通过比较作物产量变化趋势来研究增施有机肥在不同作物间的差异目前尚无相关资料。本研究认为增施有机肥可以明显提高玉米和小麦的产量趋势，而对水稻的效果不明显。产量变异系数分析表明，施用有机肥的增产和稳产效果表现为旱地优于水田。这表明增施有机肥对提高小麦和玉米产量稳定性的效果优于水稻。这可能与施用的有机肥在透气条件下易转化成活性有机质有关[6]。
综合比较3种施肥处理的作物产量变异系数可知，施肥可以提高产量的稳定性，特别是玉米产量变异系数降低至30.1%，表明施肥对提高玉米的稳产性效果优于小麦和水稻。不同作物产量的变异系数比较，在3种施肥方式中旱地作物变异系数较大（玉米为30.1%，小麦为40.8%），而水稻（18.6%）较小，其稳定性为水稻大于小麦和玉米。
施肥与不施肥作物产量呈显著的正相关，不施肥产量增加一个单位施肥产量增加量，NPKM比NPK 小0.12～0.31 kg·hm-2·a-1，长期施用化肥作物产量对基础地力的依赖程度高于NPKM。3种作物对环境和土壤基础肥力的依赖程度为小麦和玉米大于水稻。这与水稻产量具有较好的稳定性是一致的，而且水稻产量的变异系数小于小麦和玉米也表明这一点（表2），即水稻产量具有较好的稳产性，受气候因素影响较小[20]。另外，增施有机肥降低玉米对基础肥力依赖的作用大于对小麦和水稻的作用，即施用有机肥对玉米的增产效果优于小麦和水稻，其原因还有待进一步研究。
总之，旱地作物小麦和玉米的产量处理间及年际间变异较大，其产量对施肥响应大，而水稻产量相对稳定，其产量变化受施肥影响较小。施肥可以提高作物产量及其稳定性，还可以改变作物产量下降趋势，其中化肥配施有机肥的稳产和增产效果优于单施化肥。建议要深入研究作物产量可持续性问题可引入产量可持续性指数（SYI）[2]等参数，这对当代农业的发展具有重要意义。
4 结论
长期施肥下中国粮食作物产量的变化为旱地作物产量下降，水田作物产量基本稳定。（此处删除一段，请确定）长期不施肥，玉米和小麦产量总体上表现为下降趋势，年平均下降量分别是110.9和33.4 kg·hm-2，而水稻产量相对稳定；施用化肥，玉米、小麦和水稻的年产量呈显著下降趋势，平均年下降量分别为90.9、48.5和25.3 kg·hm-2，也不是理想的施肥模式；化肥配施有机肥3种作物产量稳定无显著上升或下降趋势，是较好施肥的模式。另增施有机肥可提高作物产量的稳定性尤其对旱地作物效果更好。
作物施肥与不施肥产量呈显著的正相关，不施肥产量增加一个单位的施肥产量增加量NPKM比NPK 小0.12～0.31 kg·hm-2·a-1，长期施用化肥作物产量对基
7期李忠芳等：长期施肥下中国主要粮食作物产量的变化 2413
础地力的依赖程度高于NPKM。长期施肥小麦和玉米产量年际间变异较大，而水稻产量较稳定。施肥可以明显降低产量变异系数，其中化肥配施有机肥产量变异最小，说明化肥配施有机肥也提高了产量的稳定性。所以要建立配合施用化肥和有机肥的高产稳产模式。
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（责任编辑李云霞）