王秋菊，李鵬緋，劉 峰，焦 峰，姜 輝

（1．黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2．黑龍江省土壤環(huán)境與植物營養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150086；3．黑龍江省農(nóng)墾總局建三江分局，前進(jìn)農(nóng)場現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中心，黑龍江 富錦 156331；4．黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163319；5．黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)院科研處，黑龍江 哈爾濱 150086）

三江平原是黑龍江省主要水稻產(chǎn)區(qū)，2017年水田面積225.93萬hm2，占黑龍江省水稻總面積的60%［1］。白漿土是三江平原地區(qū)主要耕地土壤，占全區(qū)耕地面積的25.27%［2］。白漿土作為旱田土壤，由于土體中存在瘠薄緊實(shí)的白漿層，土壤易旱易澇，抗災(zāi)能力弱，作物產(chǎn)量低而不穩(wěn)；改為水田后，原來障礙的白漿層變?yōu)楸Ｋ畬?，從根本上解決了白漿土旱澇問題，低產(chǎn)土壤變?yōu)榉€(wěn)產(chǎn)土壤。但白漿土黑土層薄、養(yǎng)分儲量少，水稻生產(chǎn)中每年都要施入大量氮肥以維持高產(chǎn)，水稻生產(chǎn)中為片面追求產(chǎn)量而盲目大量施肥現(xiàn)象十分普遍，不僅導(dǎo)致肥料利用率低，而且生產(chǎn)效益下降［3］。三江平原水田開辟時間短，多為30～40年，有的甚至只有幾年，總體看白漿土辟為水田后土壤肥力呈增加趨勢，即隨種稻年限增加，土壤有機(jī)質(zhì)呈上升趨勢，種稻10年后，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加5.52 g·kg-1，種稻20年后土壤有機(jī)質(zhì)增加7.51 g·kg-1［4-5］。水稻施肥要根據(jù)土壤肥力變化特征而相應(yīng)調(diào)整，才能實(shí)現(xiàn)肥料高效利用，達(dá)到高產(chǎn)、高效之目的。

為提高肥料的增產(chǎn)效益，農(nóng)業(yè)部相繼組織開展了測土配方施肥項(xiàng)目，為指導(dǎo)科學(xué)施肥提供了很好的理論依據(jù)［6］。但在具體實(shí)施方面，由于普遍存在的取樣、化驗(yàn)分析以及田間試驗(yàn)誤差的累積效應(yīng)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)與作物產(chǎn)量相關(guān)性不良，因此，用土壤養(yǎng)分含量為基礎(chǔ)確定施肥量方法的測土配方施肥技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在很大風(fēng)險［7-9］。在作物所需的三要素中，氮肥對水稻產(chǎn)量影響最大［10-12］，水稻缺氮產(chǎn)量會降低20%～30%。我國水稻氮肥用量高，利用率也明顯低于其他水稻主產(chǎn)國［13-15］，特別是過量投入氮肥導(dǎo)致水稻倒伏、貪青，甚至招致嚴(yán)重病蟲害而大幅度減產(chǎn)的現(xiàn)象時有發(fā)生，不僅降低產(chǎn)量和品質(zhì)，還浪費(fèi)資源、污染環(huán)境［16-18］。另外，大量施用氮肥導(dǎo)致邊際生產(chǎn)率下降，效益降低［19-20］。由此可見，科學(xué)地施用氮肥對于提高水稻產(chǎn)量和品質(zhì)、增加農(nóng)民收入具有重要意義。

本文以三江平原的草甸白漿土為供試土壤，以氮肥用量為切入點(diǎn)開展氮肥優(yōu)化技術(shù)研究。通過匯總多點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出氮肥用量—水稻產(chǎn)量對應(yīng)關(guān)系，提出草甸白漿土水稻氮肥優(yōu)化施用技術(shù)，并在大面積生產(chǎn)上進(jìn)行驗(yàn)證，為草甸白漿土水稻科學(xué)施氮提供可靠的技術(shù)參考。本研究各個試驗(yàn)點(diǎn)在同一區(qū)域內(nèi)，氣候條件一致，土壤均為草甸白漿土，研究成果可直接應(yīng)用于指導(dǎo)當(dāng)?shù)厮臼┓省?/p>

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)在黑龍江農(nóng)墾總局建三江分局前進(jìn)農(nóng)場境內(nèi)10個管理區(qū)草甸白漿土上進(jìn)行，前進(jìn)農(nóng)場位于三江平原腹地，地處北緯 47°34′，東經(jīng) 132°17′。每個管理區(qū)一個試驗(yàn)點(diǎn)，共10個試驗(yàn)點(diǎn)，各試驗(yàn)點(diǎn)位置及具體情況見表1。

表1 試驗(yàn)地點(diǎn)及基本情況

1.2 供試土壤

草甸白漿土是前進(jìn)農(nóng)場的主要水田土壤，也是三江平原白漿土的典型代表。草甸白漿土土壤剖面特征見圖1，土壤剖面由4個發(fā)生層次構(gòu)成：第一層是黑土層，平均厚度為15～25 cm，有機(jī)質(zhì)豐富，適合于作物的生長發(fā)育；第二層是白漿層，平均厚度18～22 cm，土壤緊實(shí)、片狀結(jié)構(gòu)，是作物根系生長的障礙層次；第三層是淀積層，平均厚度45～55 cm，小核狀結(jié)構(gòu)，土質(zhì)粘重；第四層是母質(zhì)層，為黃色粘土，厚度5～11 m［21］。各試驗(yàn)地點(diǎn)草甸白漿土的化學(xué)性質(zhì)見表2。土壤有機(jī)質(zhì)為32.12～48.23 g·kg-1，堿解氮為113.86～199.51 mg·kg-1，有效磷為11.09～36.97 mg·kg-1，速效鉀為 113.86 ～ 199.51 mg·kg-1。

圖1 草甸白漿土剖面

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年實(shí)施，借鑒了‘3414’試驗(yàn)的設(shè)計(jì)施肥量，共設(shè)置4個氮素施肥水平，分別為N0：不施氮處理，N1：施氮46.65 kg·hm-2，N2：施氮93.15 kg·hm-2，N3：施氮 139.80 kg·hm-2，開展氮肥不同施用量試驗(yàn)。小區(qū)面積200 m2，每個處理3次重復(fù)，具體田間施肥量見表3。

施肥方式：氮肥施用按照基肥、蘗肥和穗肥3個時期施入，氮肥總量的40%作為基肥施入，氮肥總量的30%作為蘗肥施入，氮肥總量的30%作為穗肥施入；磷肥的施用量按照五氧化二磷65.25 kg·hm-2作為基肥一次施入；鉀肥的施用量按照氧化鉀67.5 kg·hm-2施入，總量的60%作為基肥施入，總量的40%作為穗肥施入。

1.4 調(diào)查項(xiàng)目與方法

土壤樣品采樣：每個小區(qū)按照S型取樣方法取5點(diǎn)，取0～20 cm土層土壤，5點(diǎn)土壤混合后按照四分法留500 g左右土樣帶回實(shí)驗(yàn)室備用。

植株樣品取樣：在水稻成熟期，每個處理按照對角線法選擇3個點(diǎn)，每點(diǎn)取代表性植株樣品10株，每小區(qū)30株，分離莖稈和籽粒，烘干后測定生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，粉碎待測化學(xué)養(yǎng)分。

表2 各個供試地點(diǎn)土壤基本情況

表3 不同氮素施用量試驗(yàn) （kg·hm-2）

土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定；堿解氮采用擴(kuò)散吸收法測定；土壤有效磷含量采用碳酸氫鈉提取比色法測定［22］；速效鉀含量采用乙酸銨浸提-原子吸收光譜法測定；植株采用硫酸-過氧化氫消煮，全氮采用凱氏定氮法，全磷采用鉬銻抗釩鉬黃比色法，全鉀采用原子吸收分光光度法測定［23］。

水稻產(chǎn)量測定：水稻成熟后每區(qū)按隨機(jī)法取3點(diǎn)，每點(diǎn)1 m2進(jìn)行考種測產(chǎn)。為消除不同處理含水量差異，采用谷物水分測定儀分別測定籽實(shí)含水量，并折合成14%含水量計(jì)算產(chǎn)量。

收獲指數(shù)=單位面積籽實(shí)產(chǎn)量（經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量）/單位面積生物產(chǎn)量×100%

氮肥農(nóng)學(xué)利用效率=（施氮區(qū)水稻產(chǎn)量-無氮區(qū)水稻產(chǎn)量）/施氮量氮肥偏生產(chǎn)力=施氮區(qū)水稻產(chǎn)量/總施氮量邊際生產(chǎn)力=單位面積產(chǎn)量變量/單位面積肥料變量

1.5 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2003及DPS 6.85處理數(shù)據(jù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥用量與水稻產(chǎn)量關(guān)系

表4為各供試地點(diǎn)水稻產(chǎn)量平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。從表4看出，在一定施氮范圍內(nèi)，隨氮肥施用量增加，水稻產(chǎn)量呈增加趨勢；但當(dāng)?shù)适┯昧砍^93.15 kg·hm-2時，水稻產(chǎn)量呈下降趨勢。各點(diǎn)水稻產(chǎn)量與施氮量的關(guān)系變化趨勢一致，不同施氮量處理水稻產(chǎn)量差異極顯著。

由于各點(diǎn)水稻產(chǎn)量隨施氮水平變化趨勢一致，將各點(diǎn)水稻產(chǎn)量平均值與施氮量數(shù)據(jù)進(jìn)行模型擬合，得出結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，氮肥施用量與水稻產(chǎn)量呈2次函數(shù)關(guān)系，水稻產(chǎn)量隨施氮量增加而升高，并達(dá)到最高值，然后隨施氮量再升高產(chǎn)量下降。將圖中2次函數(shù)方程求導(dǎo)計(jì)算可求得水稻最高產(chǎn)量時的施氮量為101.50 kg·hm-2，該施氮量下的最高理論產(chǎn)量值為8 279.70 kg·hm-2；當(dāng)施氮量超過101.50 kg·hm-2時，水稻產(chǎn)量下降。龍瑞平等［24］研究也得出類似結(jié)論。

表4 水稻產(chǎn)量平均值與標(biāo)準(zhǔn)差

圖2 氮素施用量與水稻產(chǎn)量關(guān)系

從表5中看出，與不施氮處理比，施氮處理水稻的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量明顯增加。施氮量為93.15 kg·hm-2水平時，水稻的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量最高，不同施氮量處理間水稻生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量差異極顯著，增產(chǎn)幅度間差異也達(dá)到極顯著水平，按照水稻增產(chǎn)幅度高低順序的氮肥用量依次為N2＞N3＞N1；從收獲指數(shù)看，施氮量為0、46.65、93.15 kg·hm-2水平水稻收獲指數(shù)沒有明顯差異，施氮量為139.80 kg·hm-2水平水稻收獲指數(shù)最大；從氮肥的農(nóng)學(xué)利用效率看，隨氮肥施用量增加，氮素農(nóng)學(xué)利用效率降低，邊際生產(chǎn)力也下降，符合報(bào)酬遞減規(guī)律。

表5 氮素供應(yīng)效率分析

2.2 氮肥用量與水稻氮素累積量關(guān)系

水稻成熟后分別取樣分析秸稈和籽實(shí)氮含量，并計(jì)算出水稻秸稈和籽實(shí)氮素累積量。從圖3看出，氮肥施用量與植株氮素累積量關(guān)系符合2次函數(shù)關(guān)系，擬合系數(shù)為0.470 7（n=40）。由此推算出氮肥施用量超過98.34 kg·hm-2時，植株氮素累積量開始下降。此外，從氮肥施用量對水稻秸稈和籽粒含氮量影響（表6）看出，隨著氮肥用量增加，籽實(shí)氮素含量呈增加趨勢，當(dāng)?shù)视昧繛?39.70 kg·hm-2時，水稻籽粒含氮量下降，不同施氮量對籽粒含氮量影響不顯著；籽粒氮素累積量除施氮量為46.60 kg·hm-2和139.70 kg·hm-2之間不顯著外，其余處理間差異極顯著。莖稈含氮量在施氮量46.60 kg·hm-2和93.15 kg·hm-2間差異顯著，其他處理間差異不顯著；在施氮量為93.15 kg·hm-2時，莖稈氮素累積量顯著或極顯著高于其他處理，其他各處理間差異不顯著。

圖3 氮肥施用量與植株累積量的關(guān)系

表6 氮肥用量對水稻秸稈和籽實(shí)含氮量和累積量的影響

2.3 氮素累積量與水稻產(chǎn)量關(guān)系

從圖4、5看出，植株氮素累積量、籽粒氮素累積量與水稻產(chǎn)量關(guān)系符合2次函數(shù)模型。對植株氮素累積量、籽粒氮素累積量與水稻產(chǎn)量的關(guān)系模型進(jìn)行求導(dǎo)計(jì)算后得出，當(dāng)植株氮素累積量超過167.79 kg·hm-2，籽粒氮素累積量超過97.32 kg·hm-2時，水稻產(chǎn)量開始呈降低趨勢。說明氮素累積量過高，不僅不會增產(chǎn)，還會導(dǎo)致水稻減產(chǎn)，因此，作物高產(chǎn)要控制氮素的吸入量，需要通過控制氮素施用量來調(diào)整。

圖4 氮素累積量與水稻產(chǎn)量關(guān)系

圖5 籽粒氮素累積量與水稻產(chǎn)量關(guān)系

2.4 草甸白漿土氮肥推薦用量及驗(yàn)證效果

從上面分析看出，水稻產(chǎn)量與氮素累積量、施氮量密切相關(guān)。根據(jù)氮素用量與產(chǎn)量的函數(shù)模型關(guān)系，在不考慮用工和機(jī)械用具費(fèi)用的前提下，以肥料、稻谷的價格可以計(jì)算出草甸白漿土的最佳施氮量，結(jié)果如表7所示。白漿土上水稻最佳產(chǎn)量的施氮量為97.56 kg·hm-2，得出水稻理論產(chǎn)量7 909.43 kg·hm-2，此時水稻可取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，在水稻生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)將目標(biāo)產(chǎn)量設(shè)定在8 000 kg·hm-2為宜。

表7 白漿土最佳氮肥用量

按照施氮量與水稻產(chǎn)量的2次函數(shù)模型推出的水稻施氮量與產(chǎn)量的關(guān)系，設(shè)計(jì)了大田示范的施氮量和預(yù)計(jì)的目標(biāo)產(chǎn)量。于2017年開展了大面積示范驗(yàn)證，從大田示范驗(yàn)證結(jié)果（表8）可以看出，水稻生產(chǎn)中測得實(shí)際產(chǎn)量與目標(biāo)產(chǎn)量接近，說明草甸白漿土氮素最佳推薦用量符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，可以作為指導(dǎo)三江平原草甸白漿土水稻施肥的技術(shù)參考。

表8 2017年大面積示范結(jié)果

3 討論

3.1 本研究屬于經(jīng)驗(yàn)公式法范疇，是在同一類土壤、肥力相同的假定條件下，將多點(diǎn)試驗(yàn)的平均結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)公式擬合，并根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量計(jì)算出氮肥用量。這種方法與日本目前廣泛應(yīng)用的目標(biāo)產(chǎn)量法相類似。所不同的是，日本的目標(biāo)產(chǎn)量法是根據(jù)生產(chǎn)單位產(chǎn)量所吸收的氮素量、氮肥利用率以及土壤氮素供應(yīng)量等參數(shù)來確定氮肥總量的［25］。同樣具有簡單易行，便于推廣的特點(diǎn)。但缺點(diǎn)是適應(yīng)范圍窄，即使相同土壤類型肥力也有不同，農(nóng)民在應(yīng)用時要根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)調(diào)整。

3.2 測土配方施肥技術(shù)理論依據(jù)可靠，但在通過試驗(yàn)確定參數(shù)的過程中，由于一些試驗(yàn)地肥力不均，特別是在樣品采集、分析過程中的諸多誤差逐級累加［18］，導(dǎo)致結(jié)果與實(shí)際不一致。韓芳［26］認(rèn)為測土配方施肥很多基礎(chǔ)工作不牢，不可靠；秦明等［27］、劉雪梅［28］、肖靜芳［29］認(rèn)為測土配方施肥在實(shí)際操作過程中存在著農(nóng)技推廣隊(duì)伍專業(yè)不強(qiáng)、結(jié)構(gòu)不合理等問題，導(dǎo)致檢測結(jié)果偏差大，土樣的養(yǎng)分情況不能真實(shí)反映土壤營養(yǎng)成分，測土配方施肥技術(shù)與田間作物需肥不配套，不能真正指導(dǎo)施肥。本試驗(yàn)的土壤養(yǎng)分與空白區(qū)水稻產(chǎn)量關(guān)系也不顯著（圖6、7），主要與上述問題密切相關(guān)。大量試驗(yàn)證明作物產(chǎn)量與土壤肥力水平正相關(guān)［30-33］，此試驗(yàn)土壤養(yǎng)分和水稻產(chǎn)量的關(guān)系恰恰說明試驗(yàn)點(diǎn)之間的管理水平、地力水平、采樣等的誤差很大。與之相比，本研究通過對多點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析后得到的結(jié)果可靠性更強(qiáng)。但這種方法田間工作量大，任務(wù)繁重，也需要每隔3～5年進(jìn)行一次調(diào)整。

圖6 土壤堿解氮與水稻產(chǎn)量的關(guān)系

圖7 土壤有機(jī)質(zhì)與水稻產(chǎn)量關(guān)系

3.3 本研究結(jié)果是在目前推薦磷鉀肥總量以及目前施肥方法條件下取得的，今后應(yīng)隨著施肥方法發(fā)生改變或地力水平的變化進(jìn)行不斷完善和調(diào)整。比如，在側(cè)條施肥條件下，隨著氮肥利用率的提高，施肥量應(yīng)適當(dāng)減少；或者當(dāng)土壤肥力再度發(fā)生變化時，適當(dāng)調(diào)整施肥量。本文只針對白漿土的氮肥推薦用量開展研究，在磷肥、鉀肥方面也應(yīng)開展相關(guān)研究，用于指導(dǎo)磷、鉀肥施用。當(dāng)然不同類型土壤肥力和供肥能力差異很大，推薦施肥應(yīng)因土壤而有差異，在其他類型土壤上也有待于開展相關(guān)研究。

4 結(jié)論

4.1 草甸白漿土是三江平原地區(qū)主要水田土壤，水稻產(chǎn)量與氮素累積量、施氮量均呈2次曲線關(guān)系；氮素累積量與施氮量呈2次曲線關(guān)系。

4.2 植株氮素累積量為167.79 kg·hm-2、籽粒氮素累積量為97.32 kg·hm-2，水稻可獲得最高產(chǎn)量。

4.3 施氮量為101.50 kg·hm-2，水稻最高理論產(chǎn)量值為 8 279.70 kg·hm-2；施肥量為 97.56 kg·hm-2，水稻理論產(chǎn)量為7 909.43 kg·hm-2，水稻可取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

4.4 草甸白漿土最佳推薦氮肥用量為100 kg·hm-2，符合當(dāng)前地力水平及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，可以達(dá)到高產(chǎn)兼高效的生產(chǎn)目標(biāo)。