楊勝玲， 黃興成， 李 渝， 劉彥伶， 張雅蓉， 張文安， 蔣太明

(1.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院， 貴州 貴陽 550025； 2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料研究所， 貴州 貴陽 550006； 3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站， 貴州 貴陽 550006； 4.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 茶葉研究所， 貴州 貴陽 550006)

0 引言

【研究意義】水稻是我國重要的糧食作物，保證其生產(chǎn)安全是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要問題。隨著水稻新品種的應(yīng)用、肥料投入的增加和栽培技術(shù)水平的提高，我國水稻單位面積產(chǎn)量不斷得到提高，從1961年的2 079 kg/hm2增加到2017年的6 909 kg/hm2[1]。但隨著糧食產(chǎn)量的提高，化肥施用量也在不斷增加[2]，有機(jī)肥施用量在總養(yǎng)分投入中所占比例逐漸減少，導(dǎo)致肥料增產(chǎn)效應(yīng)低、耕地質(zhì)量下降等系列問題[3-4]。為此，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出“化肥零增長行動(dòng)方案”，通過有機(jī)肥替代化肥實(shí)現(xiàn)化肥減施增效。有機(jī)無機(jī)肥配施是合理利用資源、增強(qiáng)土壤肥力、防止土壤功能退化、保證作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的施肥體制[5-7]，也是滿足我國糧食生產(chǎn)安全需求、實(shí)現(xiàn)生態(tài)農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的重要措施。因此，探究長期有機(jī)無機(jī)肥合理配置，提升土壤肥力及水稻產(chǎn)量，對(duì)指導(dǎo)合理施肥具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】長期定位研究表明，長期單施化肥會(huì)降低土壤有機(jī)質(zhì)含量[8]，有機(jī)無機(jī)肥配施及單施有機(jī)肥提高土壤養(yǎng)分的作用顯著優(yōu)于單施化肥[9]，較單施化肥處理，有機(jī)無機(jī)肥配施能提高耕層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷以及速效鉀等養(yǎng)分含量，提升土壤肥力水平[10]，增強(qiáng)供肥能力，從而減少養(yǎng)分流失、促進(jìn)作物營養(yǎng)器官對(duì)養(yǎng)分吸收利用，提高作物產(chǎn)量[10-13]。在等氮量投入條件下，相較于單施化肥處理，有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)作物的增產(chǎn)效果更為顯著，可增產(chǎn)4%～20%[14-15]，最高可達(dá)60%[16]，并隨著有機(jī)肥的累積施用，其作用愈明顯[1]。有機(jī)無機(jī)肥配施比例的差異影響作物的增產(chǎn)效應(yīng)，各個(gè)地域土壤性質(zhì)不同，最佳的有機(jī)肥替代比例也不同[17]。相較于單施化肥，在30%有機(jī)肥替代處理下，水稻產(chǎn)量最高[18]；也有研究認(rèn)為，40%有機(jī)肥配施化肥增產(chǎn)效果最好[19]；有機(jī)肥替代比例為10%～30%時(shí)，可使水稻增產(chǎn)8 242～11 654 kg/hm2[20]；替代比例為30%～70%時(shí)，水稻產(chǎn)量提高6.15%～7.75%[21]。有機(jī)無機(jī)肥配施較單施化肥促進(jìn)作物增產(chǎn)的同時(shí)提高了產(chǎn)量穩(wěn)定性[22-23]，穩(wěn)定性增幅可達(dá)25.91%～59.78%[21]，作物產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)分布在0.712～0.798、作物產(chǎn)量變異系數(shù)分布在10.8%～13.0%，使作物維持較高的產(chǎn)量穩(wěn)定性[24]，促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性生產(chǎn)[25]?！狙芯壳腥朦c(diǎn)】黃壤性水稻土是貴州水稻種植的主要耕地類型，目前長期施肥對(duì)作物產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的研究多集中在有機(jī)無機(jī)肥配施與單施化肥對(duì)比上，關(guān)于不同有機(jī)無機(jī)肥比例配施的研究相對(duì)較少，黃壤地區(qū)兼顧作物產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分適宜的有機(jī)無機(jī)肥配施比例尚不清楚。【擬解決的關(guān)鍵問題】以黃壤長期定位試驗(yàn)為依托，在化肥減施基礎(chǔ)上，選取不同比例的有機(jī)無機(jī)肥配施處理，分析水稻產(chǎn)量、土壤養(yǎng)分及產(chǎn)量因子的相互關(guān)系，探究提升水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量穩(wěn)定性的最佳施肥方式，為黃壤地區(qū)合理施肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)，是始于1994年的農(nóng)業(yè)農(nóng)村部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站的長期定位監(jiān)測基地。地處黔中丘陵區(qū)，土壤類型為黃壤性水稻土，海拔1 071 m，年均氣溫15.3℃，年均日照時(shí)數(shù)1 354 h，相對(duì)濕度75.5%，全年無霜期270 d，年降水量1 100～1 200 mm，1994年耕層(0～20 cm)土壤有機(jī)質(zhì)44.9 g/kg，全氮1.96 g/kg，有效磷13.4 mg/kg，速效鉀294 mg/kg，pH 6.75。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以黃壤肥力與肥效長期定位監(jiān)測基地為平臺(tái)，采用大區(qū)對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)，小區(qū)面積為201 m2(35.7m×5.6m)，各小區(qū)用水泥埂分隔。選取常規(guī)化肥(NPK)、低量有機(jī)肥替代化肥(1/4M+3/4NP)、中量有機(jī)肥替代化肥(1/2M+1/2NP)、全量有機(jī)肥替代化肥(M)和全量有機(jī)肥化肥配施(MNPK)5個(gè)施肥替代處理，以常規(guī)化肥(NPK)為對(duì)照，各處理施肥情況見表1。選擇2016—2019年水稻種植田塊(品種為茂優(yōu)601)，分析不同替代處理水稻產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分的變化。水稻栽培方式為育苗移栽，小區(qū)種植規(guī)格為23行×174列。

表1 1995—2019年不同處理的年均肥料施用量

1.3 測定指標(biāo)

1.3.1 水稻產(chǎn)量與產(chǎn)量因子 水稻產(chǎn)量為2016—2019年水稻田間實(shí)際產(chǎn)量。產(chǎn)量因子數(shù)據(jù)為2019年測定獲得，水稻收獲時(shí)，每個(gè)處理劃分為3個(gè)取樣重復(fù)小區(qū)，每小區(qū)選取長勢均勻的10穴水稻進(jìn)行貼地收割，風(fēng)干后測定水稻有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率及千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因子[26]。

1.3.2 土壤理化性質(zhì) 土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)為2016—2019年測定的平均值。水稻收獲后采集0～20 cm耕層土樣，每個(gè)處理劃分3個(gè)取樣小區(qū)，采用5點(diǎn)取樣法取樣，土樣經(jīng)風(fēng)干、研磨和過篩處理后待測。重鉻酸鉀外加熱法測定有機(jī)質(zhì)含量，半微量凱氏法測定全氮含量，NaHCO3法測定有效磷含量，火焰光度法測定速效鉀含量[27]。

1.3.3 產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)和變異系數(shù) 產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)SYI(sustainable yield index)和產(chǎn)量變異系數(shù)CV(coefficient variation)是表示作物產(chǎn)量穩(wěn)定性的參數(shù)[28-29]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007和IBM SPSS 23.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理水稻的產(chǎn)量表現(xiàn)

從圖1看出，不同施肥處理水稻產(chǎn)量差異顯著。不同有機(jī)無機(jī)肥配施比例處理中，以1/4M+3/4NP處理水稻產(chǎn)量最高，其次為1/2M+1/2NP處理，M和NPK處理產(chǎn)量較低。等比例有機(jī)無機(jī)肥配施處理中，1/2M+1/2NP處理水稻產(chǎn)量明顯低于MNPK處理。與NPK處理相比，有機(jī)肥部分替代化肥(1/4M+3/4NP和1/2M+1/2NP)和全量有機(jī)肥化肥配施(MNPK)均能顯著提高水稻產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度分別為12.97%、11.02%和24.97%。

注：圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.2 不同處理水稻產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性

根據(jù)各處理水稻產(chǎn)量與變異系數(shù)及可持續(xù)性指數(shù)的平均值劃分象限(圖2)表明，1/4M+3/4NP和MNPK處理分別處于圖中Q4、Z2象限，NPK和M處理分別處于圖中Q1、Z3象限，1/2M+1/2NP處理處于圖中Q2、Z4象限，各處理的變異系數(shù)依次為NPK>M>1/2M+1/2NP>MNPK>1/4M+3/4NP，可持續(xù)指數(shù)依次為1/4M+3/4NP>MNPK>1/2M+1/2NP >M> NPK。說明，NPK處理的水稻產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性均最低，施用有機(jī)肥的各處理產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性指數(shù)均較NPK處理提高，其中，以1/4M+3/4NP處理增幅最大。

圖2 水稻產(chǎn)量與變異系數(shù)和可持續(xù)性指數(shù)響應(yīng)關(guān)系(2016—2019年)

2.3 不同處理水稻的產(chǎn)量構(gòu)成因子

從表2可知，施用有機(jī)肥的各處理有效穗數(shù)為MNPK>M>1/4M+3/4NP>1/2M+1/2NP，分別較NPK處理增加26.86%、17.77%、13.22%和3.72%，其中，MNPK處理較NPK處理差異達(dá)顯著水平。結(jié)實(shí)率以NPK處理最高，分別比1/4M+3/4NP、MNPK、M、1/2M+1/2NP處理高8.52%、14.96%、15.10%和26.88%，與1/2M+1/2NP、M、MNPK處理差異達(dá)顯著水平。結(jié)實(shí)率和千粒重各處理間差異不顯著。

表2 不同施肥處理水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子(2019年)

2.4 水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子與產(chǎn)量的相關(guān)性

從表3看出，水稻有效穗數(shù)與產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)為0.819，呈極顯著正相關(guān)；有效穗數(shù)對(duì)產(chǎn)量直接影響作用的直接通徑系數(shù)為0.659，達(dá)極顯著水平。表明有效穗數(shù)是直接影響水稻產(chǎn)量的主要因素。因此，在施肥應(yīng)用中，能有效提高有效穗的施肥處理可大幅提高水稻產(chǎn)量。

表3 水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)和通徑(2019年)

2.5 不同處理土壤的養(yǎng)分含量

從表4可知，較NPK處理，1/4M+3/4NP、1/2M+1/2NP、M和MNPK處理的全氮含量分別增加12.71%、9.32%、25.85%和36.02%，M和MNPK處理與NPK處理差異達(dá)顯著水平；有效磷含量分別增加34.70%、27.92%、23.28%和85.21%，MNPK處理與NPK處理差異達(dá)顯著水平。土壤有機(jī)質(zhì)含量排序?yàn)镸NPK>M>1/4M+3/4NP>NPK>1/2M+1/2NP，較NPK處理，1/4M+3/4NP和M處理提高幅度較小，MNPK處理土壤有機(jī)質(zhì)含量增加29.48%，差異達(dá)顯著水平。

表4 不同施肥處理的土壤養(yǎng)分(2016—2019年)

2.6 土壤養(yǎng)分、產(chǎn)量、產(chǎn)量因子及穩(wěn)定性關(guān)系

由表5可知，有機(jī)質(zhì)分別與其他養(yǎng)分含量呈顯著正相關(guān)，全氮與速效鉀養(yǎng)分含量呈極顯著正相關(guān)。各土壤養(yǎng)分含量與CV系數(shù)及SYI指數(shù)相關(guān)性均不顯著，SYI指數(shù)與產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系，除有效磷外，水稻有效穗數(shù)與其他養(yǎng)分含量呈極顯著或顯著性相關(guān)，有效磷與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)。

表5 土壤養(yǎng)分與產(chǎn)量、產(chǎn)量因子及穩(wěn)定性的相關(guān)系數(shù)(2016—2019年)

3 討論

長期施用有機(jī)肥的各處理水稻產(chǎn)量均較單施化肥有不同程度提升，與前人研究結(jié)果[5,28]一致。從不同有機(jī)肥替代化肥比例看，25%有機(jī)肥替代化肥的1/4M+3/4NP處理增產(chǎn)幅度最大，50%有機(jī)肥替代化肥的1/2M+1/2NP處理次之，100%有機(jī)肥替代化肥的M處理效果最差。其原因可能是在水稻生長前期，有機(jī)肥作底肥，速效養(yǎng)分少，有機(jī)肥緩慢的肥效無法及時(shí)滿足作物快速生長對(duì)養(yǎng)分的需求，低量有機(jī)無機(jī)肥配施既可發(fā)揮有機(jī)肥的培肥作用，又可發(fā)揮化肥速效養(yǎng)分作用，協(xié)調(diào)水稻整個(gè)生育前期和后期養(yǎng)分的供應(yīng)，滿足水稻對(duì)養(yǎng)分的需求[25]。在等比例有機(jī)肥替代的1/2M+1/2NP處理和MNPK處理之間進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，全量有機(jī)無機(jī)肥配施的MNPK處理水稻產(chǎn)量最高。

在小麥和玉米上的研究表明，有機(jī)無機(jī)肥配施顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)等有效養(yǎng)分含量，促使作物產(chǎn)量及產(chǎn)量穩(wěn)產(chǎn)性較單施化肥顯著提高[30-31]。張國榮等[32-33]研究也得出類似結(jié)論。研究表明，有機(jī)無機(jī)肥配施產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù)(SYI)分布在0.792～0.921，變異系數(shù)(CV)分布在3.91%～9.54%，單施化肥和單施有機(jī)肥的SYI分布在0.769～0.785，CV分布在10.65%～13.78%。說明有機(jī)無機(jī)肥配施能降低產(chǎn)量波動(dòng)性，使作物產(chǎn)量、產(chǎn)量穩(wěn)定性維持在相對(duì)較高水平，與前人研究結(jié)果[34-35]類似。此外，在有機(jī)無機(jī)肥配施各處理中，以25%有機(jī)肥替代的1/4M+3/4NP處理穩(wěn)定性最好，全量有機(jī)肥化肥配施的MNPK處理次之。這可能是有機(jī)無機(jī)肥配施增加了土壤有效養(yǎng)分，土壤養(yǎng)分含量提高后可以持續(xù)提供水稻生長發(fā)育所需養(yǎng)分，避免外界因素導(dǎo)致水稻產(chǎn)量波動(dòng)，為水稻可持續(xù)性生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)2016—2019年水稻產(chǎn)量差異性，對(duì)2019年水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，有效穗數(shù)對(duì)產(chǎn)量的影響最大，與前人研究結(jié)果[36]一致。本研究以有機(jī)無機(jī)配施的MNPK處理的有效穗數(shù)最高，其原因可能是在水稻營養(yǎng)生長時(shí)期施一定量的化肥，增加了土壤速效養(yǎng)分含量，滿足水稻生育前期分蘗對(duì)養(yǎng)分的需求，為有效穗數(shù)的形成奠定基礎(chǔ)；在水稻生殖生長時(shí)期，施用有機(jī)肥有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累，保證了水稻幼穗分化和灌漿結(jié)實(shí)期養(yǎng)分供應(yīng)的穩(wěn)定，使水稻的穗數(shù)和穗粒結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)[37-38]。作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)在于種植多穗型品種，利用有效分蘗，增加成穗率，進(jìn)而提升產(chǎn)量[39]，最終實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。因此，產(chǎn)量的增加主要是由于有效穗數(shù)的增加，在保證穗數(shù)的基礎(chǔ)上，通過合理協(xié)調(diào)穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重等產(chǎn)量因子可實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)的目標(biāo)[37,40]。

在本研究中，較單施化肥處理，有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)土壤各養(yǎng)分含量均有提升，與前人研究結(jié)果[41]類似。土壤有機(jī)質(zhì)主要來源于有機(jī)肥，并隨著有機(jī)肥的增加而增加[32]。此外，有機(jī)肥比化肥更有利于土壤氮素積累，提高土壤氮庫容量[42]。有機(jī)肥中鉀易于轉(zhuǎn)化而不被土壤所固定，從而促進(jìn)作物根系對(duì)鉀的吸收[43]。有機(jī)肥中有機(jī)物質(zhì)的分解，加快其自身含有的有機(jī)態(tài)磷的分解釋放，增加土壤磷含量[44]。水稻產(chǎn)量與土壤肥力呈顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤肥力越高，越有利于水稻吸收養(yǎng)分，水稻的產(chǎn)量也就越高[45]。本研究得出，有效穗數(shù)是水稻產(chǎn)量的直接產(chǎn)量構(gòu)成因子，與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀養(yǎng)分呈顯著或極顯著正相關(guān)，說明有機(jī)無機(jī)肥配施促進(jìn)土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀養(yǎng)分的積累，有利于有效穗數(shù)的增加，進(jìn)而提升產(chǎn)量。

4 結(jié)論

與單施化肥NPK處理相比，施用有機(jī)肥的各處理均能明顯增加土壤養(yǎng)分含量，提高土壤肥力，以有機(jī)無機(jī)配施效果較為顯著。其中，長期低量有機(jī)肥替代化肥的1/4M+3/4NP處理，在滿足化肥減施的基礎(chǔ)上，增加水稻有效穗數(shù)，使水稻產(chǎn)量、產(chǎn)量穩(wěn)定性及可持續(xù)性保持在較高水平，是黃壤性水稻土上實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和可持續(xù)生產(chǎn)目標(biāo)較優(yōu)的施肥模式。