劉國輝，鄒文秀，王 偉，韓曉增，張義軍，馬云橋

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保護站,黑龍江 哈爾濱 150031；2.中國科學院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,黑龍江 哈爾濱 150081；3.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與環(huán)境資源研究所,黑龍江 哈爾濱 150086；4.黑龍江倍豐農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料集團有限公司,黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引 言

在耕地資源有限的情況下，化肥在保障糧食安全中起到非常重要的支撐作用[1-2]。我國人均耕地面積0.093 hm2，為世界平均水平的42%，美國的15.7%。因此我們必須通過提高作物的單產(chǎn)來滿足人們對糧食的不斷需求，而施肥能夠為作物提供充足的養(yǎng)分供應，已經(jīng)成為提高作物單產(chǎn)的重要措施之一[1]。在20世紀80年代來自全國5000多個肥效試驗的研究結果顯示合理施用化肥水稻、小麥和玉米的產(chǎn)量較無肥處理增產(chǎn)48%[3]，但是近年來隨著化肥施用量的不斷增加，施肥的增產(chǎn)效果表現(xiàn)出降低的趨勢[4]，化肥利用率不高[2]。據(jù)統(tǒng)計1980年以來我國糧食產(chǎn)量增加了約85%，但是化肥施用量卻增加了4.5倍，其增速超過了糧食產(chǎn)量的增速。受“施肥越多、產(chǎn)量越高”等觀念的影響，施肥量過高是導致化肥利用率低的最主要原因。研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)隨著氮肥施用量的增加我國主要糧食作物的氮肥利用率均在下降[4]。長期不合理施肥，導致土壤中氮、磷、鉀養(yǎng)分比例失衡[5]，不但限制了作物產(chǎn)量的提高，而且還引起了一系列的生態(tài)環(huán)境問題[6]。探索科學合理的施肥量和施肥方式已經(jīng)成為越來越多研究學者關注的焦點[7-9]，為了實現(xiàn)維持作物產(chǎn)量和提高肥料利用率的雙重目標，優(yōu)化平衡施肥已經(jīng)逐漸被農(nóng)戶采用[10]。但是關于黑土區(qū)中部優(yōu)化平衡施肥后肥料利用率的相關研究還鮮有報道。

眾所周知，黑土是一種自然肥力很高的土壤，但是黑土開墾后由于過度墾殖及不合理利用導致黑土肥力快速下降、物理結構惡化和生物功能退化[11]，限制了黑土綜合糧食生產(chǎn)能力的穩(wěn)定與提高。與第二次土壤普查時的數(shù)據(jù)相比，黑土農(nóng)田土壤有機碳含量下降了12%[12]。黑土退化已經(jīng)引起了從中央到地方各級政府部門的高度重視，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部聯(lián)合國家發(fā)展改革委員會、財政部、國土資源部、環(huán)境保護部、水利部于2017年發(fā)布了《東北黑土地保護規(guī)劃綱要(2017-2030)》，旨在通過生物、工程、農(nóng)藝等措施遏制黑土退化、持續(xù)提高黑土耕地質(zhì)量。通過一系列有效技術和模式的落地和實施，黑土肥力得到了一定程度的提高[13]。土壤肥力通過影響蓄納、穩(wěn)定供應養(yǎng)分的能力和微生物活性及根系生長等，進而影響作物對養(yǎng)分的吸收利用[14]。黑土耕地地力提高后玉米和大豆產(chǎn)量對肥料的響應還鮮有報道。本研究選擇了已經(jīng)連續(xù)三年實施黑土地保護利用措施的地塊，開展玉米和大豆的肥料利用率研究，旨在揭示黑土肥力培育對肥料利用率的影響，同時為區(qū)域養(yǎng)分專家系統(tǒng)提供參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗于2020年在東北黑土區(qū)中部黑龍江省海倫市(N47°25′，E126°46′)進行。研究區(qū)域?qū)儆诖箨懶约撅L氣候區(qū)，冬季寒冷干燥、夏季高溫多雨，雨熱同季，年均氣溫1.5 ℃，近50年大氣降水平均值為550 mm，70%以上集中在7-9月份，無霜期125 d。土壤類型為中厚黑土，質(zhì)地為壤黏土，以2∶1型黏土礦物為主[15]。試驗地塊2017-2019年連續(xù)實施了玉米秸稈深混還田構建肥沃耕層技術，即每年秋季玉米收獲后，采用螺旋式犁壁犁進行秸稈全量還田，還田深度為0～35 cm，2020年春季取樣測定土壤的基礎化學性質(zhì)見表1。與陸欣春等[8]2015年測定的樣品數(shù)據(jù)相比，土壤有機質(zhì)及養(yǎng)分含量均表現(xiàn)為增加。

表1 試驗區(qū)土壤基礎化學性質(zhì)Table 1 Basic chemical properties of experimental soil

1.2 試驗設計

本研究設置了4個處理，分別是平衡施肥(NPK)、缺氮(PK)、缺磷(NK)和缺鉀(NP)，三次重復，隨機排列。小區(qū)面積46.8 m2(12 m×3.9 m)。供試大豆品種東生17，5月11日播種，密度為24萬株·hm-2；供試玉米品種為墾沃6，5月11日播種，密度為6.5萬株·hm-2。玉米和大豆不同處理施肥量見表2。氮肥施用的是尿素，N含量46%；磷肥施用的是過磷酸鈣，P2O5含量15%；鉀肥施用的是硫酸鉀，K2O含量52%。大豆施肥方式為所有肥料均作為底肥在播種時一次性施入；玉米的施肥方式是氮肥1/3，所有磷鉀肥作為底肥在播種時施入，2/3氮肥在拔節(jié)期施入。田間管理方式按當?shù)爻Ｒ?guī)管理進行。

表2 不同處理大豆和玉米的施肥量Table 2 Fertilization rates of maize and soybean under different treatments kg·hm-2

1.3 樣品采集與測定

2020年玉米和大豆成熟后，于10月3日采集植物樣品測產(chǎn)和樣品養(yǎng)分含量的測定。大豆每個小區(qū)隨機采集3個2 m2、玉米每個小區(qū)隨機采集3個5 m2進行測產(chǎn)；每個小區(qū)采集大豆2株或者玉米1株進行植株樣品養(yǎng)分含量的測定。大豆按照莖、葉、莢皮、籽粒4部分器官分樣，玉米按葉、莖稈、苞皮、穗軸和籽粒5部分器官分樣，均在105 ℃下殺青30 min，80 ℃烘干至恒重。用粉樣機將烘干植株樣品粉碎，密封保存，以備植株氮、磷、鉀養(yǎng)分含量的測定。

采用H2SO4-H2O2消煮法制備待測液，全氮含量采用凱氏定氮法測定，全磷含量用釩鉬黃比色法測定，全鉀含量測定火焰光度法測定[8]。

1.4 計算與統(tǒng)計分析

氮(磷、鉀)素利用率=100%×(施氮區(qū)植株地上部氮積累量-空白區(qū)地上植株氮積累量)/施氮量

氮(磷、鉀)農(nóng)學利用率=100%×(施氮區(qū)產(chǎn)量-空白區(qū)產(chǎn)量)/施氮量

氮(磷、鉀)產(chǎn)量反應=施氮區(qū)產(chǎn)量-空白區(qū)產(chǎn)量

氮(磷、鉀)相對產(chǎn)量=100%×空白區(qū)產(chǎn)量/施氮區(qū)產(chǎn)量

采用Excel 2017進行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)分析。

2 結果

2.1 平衡施肥對玉米和大豆產(chǎn)量的影響

施肥對玉米和大豆產(chǎn)量的影響見圖1，不同處理玉米和大豆的產(chǎn)量均表現(xiàn)為NPK>NP NK>PK。與PK處理相比，NPK、NP和NPK處理玉米產(chǎn)量分別顯著提高了35.2%、27.1%和10.2%(P<0.05)；大豆產(chǎn)量分別顯著提高了21.9%、19.1%和5.62%(P<0.05)。NPK和NP處理間玉米、大豆產(chǎn)量沒有顯著差異(P>0.05)；NK處理較NPK和NP處理玉米產(chǎn)量分別顯著減少了22.7%和15.3%(P<0.05)，大豆產(chǎn)量分別顯著減少了15.4%和12.7%(P<0.05)。

注：不同小寫字母表述處理間在P<0.05水平上差異顯著。下同。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between treatments at P<0.05.The same is as below.圖1 施肥處理對玉米和大豆產(chǎn)量的影響Fig.1 Effects of fertilization on maize and soybean yields

2.2 玉米和大豆的肥料利用率和農(nóng)學利用率

玉米和大豆的肥料利用率和農(nóng)學利用效率見圖2。玉米和大豆的氮素利用率分別為38.3%和40.8%，磷素利用效率分別是23.9%和20.1%，鉀素利用率分別為44.2%和38.3%。玉米和大豆的氮素農(nóng)學利用率分別為19.4%和14.0%，磷素農(nóng)學利用率分別是29.74%和7.27%，鉀素農(nóng)學利用率分別為13.6%和1.8%。配對T檢驗結果顯示玉米和大豆間在肥料利用率及農(nóng)學利用率上均顯著差異(P<0.05，表3)玉米的氮素和磷素利用率較大豆顯著降低了1.97和5.12個百分點，而鉀素利用率顯著增加了5.85個百分點；玉米的氮、磷和鉀素農(nóng)學利用率較大豆顯著提高了5.30、22.5和11.8個百分點(圖2)。

圖2 玉米和大豆的肥料利用率及農(nóng)學利用率Fig.2 Fertilizer use efficiency and agronomic use efficiency of maize and soybean

表3 玉米和大豆肥料利用率和農(nóng)學利用率的T檢驗Table 3 T test of fertilizer use efficiency and agronomic use efficiency with maize and soybean

2.3 玉米和大豆肥料產(chǎn)量反應和相對產(chǎn)量

玉米和大豆的肥料產(chǎn)量反應是玉米和大豆養(yǎng)分專家系統(tǒng)中的必要參數(shù)[16]。玉米和大豆的肥料產(chǎn)量反應表現(xiàn)為N>P>K(圖3)，說明了氮素對作物產(chǎn)量形成的貢獻是最大的。玉米的氮素產(chǎn)量反應是磷素和鉀素的1.41倍和4.37倍，大豆氮素產(chǎn)量反應是磷素和鉀素的1.35倍和1.19倍。肥料的相對產(chǎn)量表現(xiàn)出與肥料產(chǎn)量反應相反的趨勢(圖3)，即N

圖3 肥料產(chǎn)量反應和肥料相對產(chǎn)量Fig.3 Response of fertilizer to maize and soybean yield and relative maize and soybean yield

表4 肥料產(chǎn)量反應和肥料相對產(chǎn)量的T檢驗Table 4 T test of fertilizer response to maize and soybean yield,and relative maize and soybean yield

2.4 經(jīng)濟效益分析

根據(jù)實地調(diào)查，研究區(qū)域平均地租費用7 000元·hm-2，玉米和大豆除了化肥以后的農(nóng)資和機械投入成本分別是4 173元·hm-2和2 680元·hm-2，不同處理化肥成本投入見表5。玉米的收益在4 057～8 939元·hm-2之間，不同處理表現(xiàn)為NPK>NP>NK>PK，與PK處理相比，NPK、NK和NP處理效益分別增加了120%、98.4%和25.8%；大豆的收益在3 136～5 855元·hm-2之間，不同處理表現(xiàn)為NP>NPK>NK>PK，與PK處理相比，NPK、NK和NP處理收益分別增加了86.3%、86.7%和20.3%。值得注意的是，對于大豆來說，NK處理的效益大于NPK處理。

表5 不同處理玉米和大豆經(jīng)濟效益分析Table 5 Economic benefit of soybean and maize with different fertilizer treatments yuan·hm-2

3 討論

平衡施肥是維持作物產(chǎn)量的重要的因素之一[17]。本研究中在NPK平衡施肥條件下，玉米和大豆的產(chǎn)量均達到了最大值，顯著高于PK和NP處理，但是與NP處理差異不顯著(圖1)，說明研究區(qū)域玉米和大豆的產(chǎn)量對氮肥和磷肥較為敏感。從肥料產(chǎn)量反應和相對產(chǎn)量(圖3)也可以看出，氮肥和磷肥在研究區(qū)域作物生產(chǎn)中具有重要作用。研究已經(jīng)證實土壤有機質(zhì)和全氮是維持黑土農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)與發(fā)展的重要因素[18]，氮肥施用是快速、有效的提高土壤氮素含量的有效措施。雖然20多年來長期大量磷肥施用導致黑土中有效磷含量大幅增加[18]，但是東北黑土區(qū)春季氣溫低導致作物苗期土壤中磷的有效性較低，不能夠滿足作物對磷素的需求，影響作物苗期生長，從而降低產(chǎn)量[19]，因此，磷肥作為基肥在黑土上施用是非常必要的。雖然較高水平的有效磷是作物獲得作物高產(chǎn)的關鍵因子，但是由過量磷肥施用導致土壤中磷素盈余可能引發(fā)磷素的淋溶，進而加劇地表水體的富營養(yǎng)化[20]。黑土鉀素含量相對豐富，黑土開墾前期，由于忽視了鉀肥的施用導致土壤速效鉀含量在1988-1997年呈現(xiàn)下降的趨勢，自2002年以來鉀肥的大量施用導致土壤中速效鉀含量得到積累和增加[18]。從本研究結果可以看出，目前黑土中速效鉀的含量在不施用鉀肥的情況下至少能夠維持一年作物產(chǎn)量不顯著降低?，F(xiàn)階段黑土的持續(xù)供鉀能力還需要進一步的研究。

化肥對糧食的增產(chǎn)作用在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中是不可替代的，從1980年開始，我國化肥施用量以每年4%的速度增長，但近20多年，我國化肥施用量持續(xù)增加，糧食產(chǎn)量卻始終增加緩慢[2,12]，按照《中國農(nóng)業(yè)年鑒》，從20世紀90年代至今，糧食產(chǎn)量僅從4 000 kg·hm-2增加至4 600 kg·hm-2，而化肥施用量則從2.59×107t增加至4.8×107t[21]?；适┯昧康牟粩嘣黾訃乐叵拗屏嘶世眯实奶岣摺Ｎ覈饕Z食作物的平均氮、磷和鉀素利用率為27.5%、11.6%和31.3%[2]。本研究區(qū)域的肥料利用率高于全國平均水平(圖2)，其主要原因之一是肥料施用量低于其他省份，同時黑土耕地地力提升也是肥料利用率較高的主要調(diào)控因子。孫波等提出了除了精準施肥、替代施肥和施用高效肥料提高肥料利用率外，培育和提升耕地地力已經(jīng)成為長期穩(wěn)定提高養(yǎng)分利用效率的途徑[14]?？等辗宓韧ㄟ^對20世紀80年代以來國家級耕地質(zhì)量長期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理和分析發(fā)現(xiàn)，黑土農(nóng)田經(jīng)過10～26年的演變，土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀呈上升的趨勢[18]，說明黑土耕地地力通過一系列黑土地保護利用技術的實施正在逐步提升[13]，助力了化肥利用率的提高。

基于肥料產(chǎn)量反應、相對產(chǎn)量和農(nóng)學效率進行推薦施肥的養(yǎng)分專家系統(tǒng)(NE)已經(jīng)進行了大面積應用，并被證實可以顯著提高玉米產(chǎn)量和經(jīng)濟效益[22]。徐新朋等基于東北2001-2012年期間多點的田間試驗數(shù)據(jù)提供的參數(shù)構建了玉米專家養(yǎng)分專家系統(tǒng)[16]，但是養(yǎng)分專家系統(tǒng)是假定在相同的氣候條件下，土壤基礎地力將決定缺素區(qū)的產(chǎn)量[22]，因此及時更新系統(tǒng)內(nèi)土壤基礎地力、肥料產(chǎn)量反應、相對產(chǎn)量和農(nóng)學效率等重要參數(shù)對提高養(yǎng)分專家系統(tǒng)在推薦施肥方面的準確性具有十分重要的意義。本研究為玉米和大豆養(yǎng)分專家系統(tǒng)提供了中厚黑土上的重要參數(shù)，為該系統(tǒng)在區(qū)域內(nèi)的推廣應用奠定基礎。

4 結論

基于黑土區(qū)中部玉米和大豆田間肥料試驗研究發(fā)現(xiàn)，平衡施肥能夠維持玉米和大豆產(chǎn)量和提高玉米經(jīng)濟效益，氮磷處理大豆經(jīng)濟效益高于其他處理；肥料產(chǎn)量反應和相對產(chǎn)量結果均顯示對玉米和大豆產(chǎn)量影響最大的氮素、其次是磷素，然后鉀素。在施肥量相對較少和耕地地力水平提升的雙重影響下玉米和大豆肥料利用率高于全國平均水平。本研究為黑土區(qū)玉米和大豆養(yǎng)分專家系統(tǒng)的進一步完善提供了重要參數(shù)。