趙 亮， 張賀翠， 廉小平， 陸廣濤， 朱利泉*

(1西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，重慶 400715；2 廣西壯族自治區(qū)德?？h土肥工作站，廣西百色 533700)

喀斯特地形區(qū)水稻測土配方施肥指標(biāo)體系研究

趙 亮1，2， 張賀翠1， 廉小平1， 陸廣濤2， 朱利泉1*

(1西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，重慶 400715；2 廣西壯族自治區(qū)德?？h土肥工作站，廣西百色 533700)

土壤養(yǎng)分； 豐缺指標(biāo)； 推薦施肥； 相對產(chǎn)量； “3414”試驗

20世紀(jì)就有很多國內(nèi)外學(xué)者在耕地的土壤養(yǎng)分平衡、土壤肥力穩(wěn)定等方面進行了很多試驗。20世紀(jì)40年代，國外學(xué)者認(rèn)為農(nóng)作物的養(yǎng)分吸收量或者作物產(chǎn)量與土壤中的有效礦物質(zhì)的測試值之間有很好的關(guān)聯(lián)，而且可以通過數(shù)學(xué)模型進行模擬[1]。國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的測土施肥配方的探索，提出了具有創(chuàng)造性意義的各種技術(shù)[2-9]，并且利用“3414”試驗構(gòu)建了花生、油菜、小麥、水稻等不同作物在不同地區(qū)的施肥方法和施肥量體系[10-14]。廣西壯族自治區(qū)在上世紀(jì)的80年代也在田間試驗的基礎(chǔ)上提出了稻田有效磷、速效鉀豐缺指標(biāo)，為當(dāng)?shù)嘏浞绞┓始夹g(shù)的推廣及應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)[15]。但是過去30多年中，耕地的使用情況發(fā)生了巨大變化，當(dāng)前迫切需要建立新的施肥體系。國家農(nóng)業(yè)部2005年開始在廣西開展實施“測土配方施肥”項目，旨在摸清本地耕地地力水平、土壤主要養(yǎng)分含量、主要養(yǎng)分的豐缺指標(biāo)、建立測土配方施肥指標(biāo)體系。廣西自開展測土配方工作以來，到2013年止，積累了大量的“3414”試驗樣本，而由于廣西壯族自治區(qū)內(nèi)各個生態(tài)區(qū)域的自然地理條件差別較大，本研究選擇典型喀斯特地貌類型的地區(qū)進行研究，擬建立廣西喀斯特地形區(qū)水稻測土配方施肥指標(biāo)體系，以指導(dǎo)喀斯特地貌類型地區(qū)的水稻合理施肥。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本試驗數(shù)據(jù)來源于具有典型喀斯特地貌的德保縣。由于喀斯特地貌的原因，德?？h域內(nèi)的耕地存在以下幾個特征：1)山石所占國土面積份額大，可耕種土地有限。據(jù)2011年國土局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，德?？h域總國土面積達(dá)到2559.32 hm2，山地面積占78.4%，農(nóng)用耕地面積僅占國土面積的7.4%。2)耕地的海拔有顯著的差異，造成當(dāng)?shù)氐牧Ⅲw化農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀?？h域內(nèi)從東南至西北的海拔逐步增高，最低海拔為240 m，最高海拔為1616 m，當(dāng)?shù)馗鶕?jù)海拔差異來發(fā)展林業(yè)、特色水果、中草藥、煙草等。3)當(dāng)?shù)爻赏聊纲|(zhì)復(fù)雜，土壤類型數(shù)目眾多且相互交織分布。根據(jù)二次普查的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)?shù)毓灿?個土類，20個亞類，71個土種。東凌鄉(xiāng)、巴頭鄉(xiāng)主要分布有棕泥土、鐵子土和碳酸鹽漬水稻土，縣域西北部的都安鄉(xiāng)、敬德鎮(zhèn)主要分布著由石灰?guī)r和砂頁巖發(fā)育而成的棕泥土、黃泥土、壤土田、棕泥田，縣域中部的城關(guān)鎮(zhèn)，主要分布著由石灰?guī)r和第四紀(jì)紅土發(fā)育而成的棕泥土、棕色石灰土、黃泥土和碳酸鹽漬水稻土，縣域東南部的龍光鄉(xiāng)、燕垌鄉(xiāng)主要分布著由砂頁巖、洪積物發(fā)育而來的沙泥土、沙泥田、潮泥田等。4)縣域的土壤主要由砂頁巖和石灰?guī)r發(fā)育而來。石灰?guī)r的成土速度緩慢，土壤呈堿性，耕層厚度薄，由于日益嚴(yán)重的掠奪式土地利用，造成水土流失問題非常嚴(yán)重，開始出現(xiàn)石漠化。

1.2 試驗設(shè)計

研究地區(qū)中已經(jīng)進行了44個水稻“3414”方案完全試驗?！?414”試驗即：3個因素、4個水平和14個處理。其中3個因素指的是氮素、磷素和鉀素，4個水平指的是0水平(不施肥)，1水平(當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥的一半)，2水平(當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥)，3水平(當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥的1.5倍)。14個處理分別為： 1)N0P0K0、 2)N0P2K2、3)N1P2K2、4)N2P0k2、5)N2P1K2、6)N2P2K2、7)N2P3K2、8)N2P2K0、9)N2P2K1、10)N2P2K3、11)N3P2K2、12)N1P1K2、13)N1P2K1、14)N2P1K1。N、P2O5、K2O的當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥量分別是165、65、120 kg/hm2。同一試驗點的14個處理采用區(qū)組排列法[16]，小區(qū)面積20 m2。試驗的肥料施用量及用法見表1。試驗區(qū)周圍設(shè)1 m寬以上的保護行，其他的栽培管理措施與大田生產(chǎn)一致。供試品種選用當(dāng)?shù)卮竺娣e種植的良種。試驗田作物收獲時各小區(qū)單收單稱，分別記錄產(chǎn)量鮮重和曬干重量。

表1 試驗各處理氮、磷、鉀肥施肥量及施肥方法(kg/20m2)Table 1 The N，P and K fertilizer rates and application methods in each treatment

1.3 土壤養(yǎng)分分析方法

每個試驗區(qū)試驗實施前，按規(guī)范取一個混合基礎(chǔ)土樣。土壤主要理化性狀采用常規(guī)方法測定[16]，速效鉀含量采用乙酸銨浸提—原子吸收分光光度計法，有效磷采用碳酸氫鈉提取—鉬銻抗比色法，全氮采用凱氏定氮法，有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化—電容法，pH值采用電位法。

1.4 土壤養(yǎng)分分級指標(biāo)

根據(jù)“3414”試驗點的耕地土壤礦質(zhì)元素測試值與作物相對產(chǎn)量的關(guān)系建立土壤的養(yǎng)分豐缺指標(biāo)。以區(qū)組內(nèi)缺素區(qū)產(chǎn)量除以區(qū)組內(nèi)最高產(chǎn)量計算相對產(chǎn)量，用相對產(chǎn)量與相應(yīng)的土壤養(yǎng)分建立線性方程式。以相對產(chǎn)量90%、83%、77%、71% 和65%將土壤養(yǎng)分劃分為6個等級: 極高、高、較高、中、低和極低。

1.5 施肥指標(biāo)體系的確定

用三元二次方程、一元二次方程、線性加平臺的模型進行最佳施肥量模擬[17]，根據(jù)模擬效果來確定最佳模型，利用邊際效應(yīng)計算出每個試驗區(qū)最佳施肥量[18]。

其中，三元二次方程模擬為，

y=b0+b1x1+b2x12+b3x2+b4x22+b5x3+b6x32+b7x1x2+b8x1x3+b9x2x3

(1)

式中：x1、x2、x3分別為N、P2O5、K2O施用量；y代表水稻產(chǎn)量。如果式中一次項為正，二次項為負(fù)，且F檢驗顯著，則方程模擬成功。邊際效應(yīng)可以簡化為邊際成本等于邊際收益，即dy·yp=dx·xp，可以根據(jù)這個公式計算經(jīng)濟最佳產(chǎn)量施肥量，以x1、x2、x3為變量，雙邊求導(dǎo)，得出：

b1+2b2x1+b7x2+b8x3=x1p/yp

(2)

b3+2b4x2+b7x1+b9x3=x2p/yp

(3)

b5+2b6x3+b8x1+b9x2=x3p/yp

(4)

式中：yp和x1p、x2p、x3p分別代表水稻、N、P2O5和K2O的價格，將水稻、肥料價格和(1)式中的系數(shù)bi值代入到(2)(3)(4)方程中，解方程組可得最佳施肥量。

一元二次方程模擬為：

y=a+bx+cx2

(5)

式中：x為肥料用量；y為水稻產(chǎn)量。選用處理6)、8)、9)、10)的產(chǎn)量模擬K2O的推薦用量，選用處理4)、5)、6)、7)的產(chǎn)量模擬P2O5的推薦用量，選用處理2)、3)、6)、11)的產(chǎn)量模擬N的推薦用量。如果式中的b為正系數(shù)，c為負(fù)系數(shù)，且F檢驗顯著，則方程模擬成功，邊際效應(yīng)可以簡化為邊際成本等于邊際收益，即dy·yp=dx·xp，可以根據(jù)這個公式計算經(jīng)濟最佳產(chǎn)量施肥量，以x為變量，雙邊求導(dǎo)，得出：

b+2cx=xp/yp

(6)

式中:yp為水稻價格，xp為肥料價格，把水稻、肥料價格和c值、b值代入上述方程，解方程得到最佳施肥用量。

線性加平臺方程模擬為：

y=a+bx(x≤C)

(7)

y=P(x>C)

(8)

式中:P為最高產(chǎn)量(即平臺產(chǎn)量)，C為最佳產(chǎn)量施肥量(直線與平臺的交點)，x為肥料用量，y為水稻產(chǎn)量。

在進行實際運算時，糧食和肥料價格均以當(dāng)時市價為準(zhǔn)[3]。價格分別為：K2O 5.2 yuan/kg，P2O55.1 yuan/kg、N 5.4 yuan/kg、稻谷 3.1 yuan/kg。

最后將44個試驗點的最佳施肥量與其對應(yīng)的土壤養(yǎng)分含量建立對數(shù)模型，用于模擬在任意養(yǎng)分含量下的最佳肥料施用量，建立施肥指標(biāo)體系。

1.6 施肥指標(biāo)體系驗證

10個驗證試驗用于驗證施肥體系的有效性，其中每個試驗包括1個測土配方施肥區(qū)(測土配方施肥，用O表示)，1個農(nóng)民習(xí)慣施肥區(qū)(按照農(nóng)戶的習(xí)慣進行施肥，用T表示)，1個對照區(qū)(不施肥，用CK表示)，田間措施與“3414”試驗完全相同。在水稻播種四十天后，對秧苗進行取樣，用NBT還原法測量SOD活性[19], 愈創(chuàng)木酚法測量POD活性[20], 紫外吸收法測量CAT含量[21], 分光光度計法[22]測量葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量。所有圖、表制作， 最佳施肥量計算， 方程集合均用Excel軟件進行，處理間顯著性差異分析使用DPS進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)分分級指標(biāo)體系的建立

在獲取44個試驗點的數(shù)據(jù)之后，建立土壤全氮、有效磷和速效鉀含量與相對產(chǎn)量的模型(圖1)。

分別把相對產(chǎn)量65%、71%、77%、83%、90%代入這3個方程，最后得到5個土壤全氮、有效磷和有效鉀分級指標(biāo)值。利用這五個指標(biāo)將德?？h的耕地全氮和速效鉀分為了6個等級，有效磷分為5個等級(表2)，即，極低、低、中、較高、高、極高。

2.2 氮磷鉀推薦施肥量的確定

在利用三元二次方程對44個“3414”田間試驗進行最佳施肥模擬的時候發(fā)現(xiàn)，三元二次方程擬合成功率低于20%，而利用一元二次方程分別對鉀、磷、氮進行模擬，成功率大幅度提高，分別為84%、 86%、 68%。推薦施肥量和土壤全氮、有效磷、速效鉀之間的模擬關(guān)系見圖2。

根據(jù)表2的養(yǎng)分分級指標(biāo)和圖2中的模擬公式，計算得到各試驗點的最佳施肥推薦量(表3)。

2.3 驗證試驗農(nóng)藝與生化指標(biāo)

測土配方施肥驗證區(qū)與農(nóng)民常規(guī)施肥區(qū)相比，每畝總有效穗數(shù)、每穗實粒數(shù)都有所增加。在10組驗證試驗中，有7組作物產(chǎn)量顯著高于農(nóng)戶習(xí)慣施肥區(qū)，其中有3組有效分蘗數(shù)、株高、每穗實粒數(shù)顯著高于農(nóng)戶習(xí)慣施肥區(qū)(表4)。此外，從水稻苗期的生化指標(biāo)(表5)可以看到，T處理和O處理的生化指標(biāo)普遍高于CK處理，而且差異顯著。但是T處理和O處理之間的生化指標(biāo)差異顯著的實驗組不是很多，盡管也有普遍的差異性存在。

3 討論

土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)對于測土配方施肥具有十分重要的意義。李娟等[10]將土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)劃分為3個等級；孫義祥等[23]則將指標(biāo)劃分為4個等級。廣西喀斯特地貌所特有的復(fù)雜成土母質(zhì)和地形條件造成地塊間的土壤養(yǎng)分含量差別很大，地塊間肥沃程度差別懸殊，土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)過于粗獷會

土壤養(yǎng)分Soilnutrient等級Grade土壤養(yǎng)分含量Soilnutrientcontent試驗點數(shù)Sitenumber肥料推薦量(kg/hm2)RecommendednutrientrateN很低Verylow1.211.283N234241低Low1.281.753N202234中等Medium1.752.2119N178202較高Higher2.212.6710N158178高High2.673.225N139158極高Veryhigh>3.224N0139P2O5很低Verylow———低Low3.55.501P2O595110中等Medium5.5011.7014P2O57095較高Higher11.7017.8513P2O55570高High17.8525.0012P2O54455極高Veryhigh>25.004P2O5044K2O很低Verylow6.9919.503K2O146191低Low19.5037.104K2O117146中等Medium37.1054.608K2O101117較高Higher54.6072.1010K2O89101較高High72.1092.505K2O7889極高Veryhigh>92.5014K2O078

注(Note): 土壤全氮單位含量為g/kg, 有效磷和速效鉀含量單位為mg/kg The unit for soil total N content is g/kg, for available P and K are mg/kg.

已有研究大多以行政區(qū)域作為推薦的范圍[13,23]。然而在相同行政區(qū)域內(nèi)經(jīng)常會有不同的生態(tài)區(qū)域，使用同樣施肥指標(biāo)體系是不合理的。為了保證施肥指標(biāo)體系的效用性和針對性，我們選擇了典型喀斯特地形區(qū)作為研究區(qū)域。

土壤中氮素主要來源是有機質(zhì)，全氮含量與有機質(zhì)含量相關(guān)密切。全氮含量代表著土壤氮素的總儲量和供氮潛力，與有機質(zhì)一樣是土壤肥力的主要指標(biāo)之一，故在本研究中采用了全氮含量來作為氮素高低的指標(biāo)。

表4 測土配方施肥驗證區(qū)水稻農(nóng)藝性狀Table 4 Agronomic characteristics and yield of rice in the testify plots using recommended fertilization

注(Note): 同一小區(qū)內(nèi)，不同處理間測試值后邊的字母不相同時表示差異顯著(P<0.05)Values followed by different letters in a plot are significatly different among treatments(P<0.05).

表5 驗證小區(qū)水稻苗期生化指標(biāo)Table 5 Biochemical indexes of rice seedlings in testify plots

表6 第二次普查和本試驗期間土壤養(yǎng)分含量的變化Table 6 Variation of nutrients in farmlands at present and during the second national soil survey

4 結(jié)論

2) 在本次的10個驗證試驗中，有7組試驗點的最佳施肥區(qū)的水稻產(chǎn)量顯著高于農(nóng)戶習(xí)慣施肥區(qū)的產(chǎn)量。主要原因為有效分蘗數(shù)、每穗實粒數(shù)、株高的增加，證明了技術(shù)體系的有效性和可行性。

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Research on optimum fertilizer application for lowland rice in karst area

ZHAO Liang1, 2, ZHANG He-cui1, LIAN Xiao-ping1, LU Guang-tao2, ZHU Li-quan1*

(1CollegeofAgronomyandBiologyTechnology,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China;2Soil&FertilizerStationofDebao,Baise,Guangxi533700,China)

【Objectives】Fertilization Indexes System was set up in Karst areas, the recommended rice fertilization system was then put forward and the reliability was verified, for the aim of high efficiency resources use and yield.【Method】 Forty four sets of the “3414” field experiment results were counted in the karst area of Guangxi province in China. The relative yields of 65%, 71%, 77%, 83% and 90% were used to divide the soil mineral N and readily available K into 6 grades, available P into 5 grades. The optimum N, P and K fertilizer rates were separately calculated using mathematics models of QEV3, QEV1and LPP. Logarithmic models were used to simulate the correlation between the soil mineral nutrient contents and the optimum fertilizer rates. Ten fields were chosen for verification tests and laboratory analysis. The chlorophyll a, chlorophyll b, carotenoid contents, the activity of CAT, POD and SOD were tested at seedling stage. The yield components of rice and yield were investigated finally.【Result】 The 6 grades of soil mineral N availability are 1.21-1.28, 1.28-1.75, 1.75-2.21, 2.21-2.67, 2.67-3.22 and >3.22 g/kg, the corresponding N fertilizer rates are set as: 234-241, 202-234, 178-202, 158-178, 139-158 and 0-139 kg/hm2respectively. The 5 grades of soil mineral P availability are 3.5-5.50, 5.50-11.70, 11.70-17.85, 17.85-25.00 and >25.00 mg/kg, the corresponding P2O5fertilizer rates are 95-110, 70-95, 55-70, 44-55 and 0-44 kg/hm2respectively. The 6 grades of soil mineral K availability are 6.99-19.50, 19.50-37.10, 37.10-54.60, 54.60-72.10, 72.10-92.50, >92.50 mg/kg, and the corresponding K2O fertilizer rates are 146-191, 117-146, 101-117, 89-101, 78-89 and 0-78 kg/hm2respectively. The plant height, grain number per panicle, filled grain number per panicle, POD and SOD activities showed significant differences among the different rates of N, P and K fertilizer input rates in the 10 field experiments, indicating the Fertilization Indexes System is applicable to fertilization recommendation.【Conclusions】The Fertilization Indexes System could be helpful in the practical fertilization in farmland according to its soil mineral N, P and K levels. The method could be used for reference to build the similar fertilization system and the results also could be used in similar karst area to guide fertilization practice.

soil nutrient; nutrient deficiency index; relative yield; optimum fertilization; “3414” test

2014-04-18 接受日期： 2014-05-30 網(wǎng)絡(luò)出版日期： 2015-05-07

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)經(jīng)費(XDJK2013D018，XDJK2013C121)； 重慶市自然基金重點項目(cstc2012jjB80010)； 重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計劃(cstc2013jcyjA0198)資助。

趙亮(1984—)，男，河北衡水人，碩士研究生，主要從事土地整理和植物營養(yǎng)生理生化研究。E-mail：shouwang_zhao@163.com * 通信作者 E-mail：zhuliquan@swu.edu.cn

S511.062

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1008-505X(2015)04-1056-10