環(huán)渤海鹽堿化潮土區(qū)夏玉米施肥效應(yīng)及肥料利用率

劉全鳳， 馬 茜， 劉 貞， 楊慧民， 王素敏， 王俊霞， 金會(huì)賞， 楊振立

(1.滄州市農(nóng)林科學(xué)院，河北滄州 061001； 2.滄州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北滄州 061001；3.河北省農(nóng)林科學(xué)院，河北石家莊 050051)

環(huán)渤海鹽堿化潮土，土壤肥力低，各養(yǎng)分不平衡，理化性狀差[1]，夏玉米抗鹽堿能力強(qiáng)，加之該地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同期，夏季的高溫多雨對(duì)土壤中的鹽堿有一定的淋洗作用，一定程度上減少了鹽堿對(duì)作物的危害，同時(shí)能滿足夏玉米整個(gè)生育期對(duì)水的需求，歷來(lái)在濱海鹽堿地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著極其重要的作用[2]。近年來(lái)，由于化肥的大量施用，土壤養(yǎng)分輸入量遠(yuǎn)高于作物生長(zhǎng)需要量，土壤養(yǎng)分逐漸積累導(dǎo)致供肥能力隨之增加，肥料養(yǎng)分增產(chǎn)的效應(yīng)逐漸減弱[3-5]，而盲目施肥導(dǎo)致農(nóng)田土壤氮磷養(yǎng)分的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)隨之增大[6-7]。目前，平衡施肥是國(guó)內(nèi)外計(jì)算推薦施肥用量的重要理論依據(jù)[8-9]。肥料產(chǎn)量效應(yīng)受作物品種、土壤養(yǎng)分含量、土壤母質(zhì)、氣候條件等多因素的影響[10]，本研究以環(huán)渤海鹽堿化潮土為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)該地區(qū)夏玉米氮磷鉀肥的肥料效應(yīng)研究，從肥料-作物-土壤系統(tǒng)中宏觀計(jì)算氮磷鉀的輸入-輸出平衡狀況，統(tǒng)計(jì)肥料利用率，為該地區(qū)夏玉米科學(xué)施肥和建立生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)為前提的可持續(xù)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

2015年于河北滄州海興國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)二隊(duì)開(kāi)展田間試驗(yàn)。該地區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，降雨主要集中在6—9月，一般占年降雨量的 80%左右，土壤屬于鹽堿化中壤質(zhì)潮土，土壤理化性狀見(jiàn)表1。

表1 土壤理化性狀

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

不同處理的養(yǎng)分投入量見(jiàn)表2。其中N、P、K肥分別由尿素(N 46%)、過(guò)磷酸鈣(P2O512%)、硫酸鉀(K2O 50%)提供。磷、鉀肥1次全部底施翻入土內(nèi)，氮肥基追比為1 ∶1，大喇叭口期進(jìn)行追施。試驗(yàn)小區(qū)面積30 m2，隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次。供試玉米品種為鄭單958，行距60 cm，株距 25 cm，試驗(yàn)田均按常規(guī)進(jìn)行管理。

表2 不同施肥處理養(yǎng)分含量

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 植株養(yǎng)分含量測(cè)定 植株樣品整株取樣裝網(wǎng)袋放入烘箱中，105 ℃殺青30 min后，于65 ℃烘至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量，粉碎，過(guò)篩。樣品經(jīng) H2SO4-H2O2消煮后定容，過(guò)濾，全氮用凱氏定氮法測(cè)定；全磷用釩鉬黃比色法測(cè)定；全鉀用火焰光度計(jì)測(cè)定。

1.3.2 測(cè)產(chǎn) 每個(gè)小區(qū)單打單收，田間直接測(cè)定產(chǎn)量，取 1 kg 籽粒樣品，烘干后計(jì)算含水量，再通過(guò)含水量折算出實(shí)際產(chǎn)量。

1.3.3 計(jì)算方法

肥料增產(chǎn)率=(全肥區(qū)作物產(chǎn)量-缺素區(qū)作物產(chǎn)量)/缺素區(qū)作物產(chǎn)量×100%；

單位肥料用量增產(chǎn)量=(全肥區(qū)作物產(chǎn)量-缺素區(qū)作物產(chǎn)量)/肥料用量×100%；

土壤供氮(或磷鉀)能力(相對(duì)產(chǎn)量)=不施氮(或磷鉀)處理產(chǎn)量/施氮(或磷鉀)處理產(chǎn)量×100%；

表觀平衡=(肥料輸入量-作物輸出量)/作物輸出量×100%；

實(shí)際平衡=(輸入量+土壤供給量-輸出量)/作物輸出量×100%；

氮磷鉀籽粒表觀利用率=[施氮區(qū)籽粒吸收氮(或磷鉀)量-無(wú)氮區(qū)籽粒吸收氮(或磷鉀)量]/施氮(磷鉀)量×100%；

氮(磷鉀)表觀利用率=[施氮區(qū)地上部吸收氮(或磷鉀)量-無(wú)氮區(qū)地上部吸收氮(或磷鉀)量]/施氮(磷鉀)量×100%；

農(nóng)學(xué)效率=[施氮(磷、鉀)區(qū)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量-無(wú)氮(磷、鉀)區(qū)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量]/施氮(磷鉀)量×100%。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

采用Microsoft Excel 2007軟件和SPSS 17.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥量對(duì)夏玉米產(chǎn)量的影響

從表3可以看出，鹽堿化潮土土壤基礎(chǔ)產(chǎn)量為 3 785.1 kg/hm2，全肥處理(NPK)產(chǎn)量達(dá)到7 777.3 kg/hm2。不同的施肥處理，由于肥料配比不同，產(chǎn)量上表現(xiàn)出差異性，-N、-P、-K處理的相對(duì)產(chǎn)量分別相當(dāng)于全肥處理的 77.4%、81.5%、80.0%。從夏玉米相對(duì)產(chǎn)量可以看出，該試驗(yàn)地鹽堿化潮土的氮、磷、鉀養(yǎng)分的豐缺程度均處于中等水平(相對(duì)產(chǎn)量在75%～95%)，與NPK處理相比，-N、-P、-K處理不同程度地降低了夏玉米的產(chǎn)量。1/2 N、1/2 P、1/2 K處理的產(chǎn)量分別相當(dāng)于全肥處理的94.4%、95.8%、94.5%，表明該地區(qū)夏玉米提高產(chǎn)量的土壤養(yǎng)分限制因子為：N>K、P。

作物對(duì)肥料響應(yīng)可以通過(guò)肥料增產(chǎn)率和單位肥料用量增產(chǎn)量來(lái)進(jìn)行表征。從表4可以看出，氮肥、磷肥、鉀肥的增產(chǎn)率分別為29.17%、22.73%、25.00%，氮肥、磷肥、鉀肥增收籽粒量為12.56、21.50、13.17 kg/kg。表明氮肥仍是鹽堿化潮土區(qū)玉米增產(chǎn)首要因子，也可以看出磷肥對(duì)夏玉米增產(chǎn)的重要性。

2.2 不同氮磷鉀水平下夏玉米養(yǎng)分收支平衡狀況

不同施肥處理土壤氮磷鉀收支平衡狀況見(jiàn)表5。土壤氮素收支平衡狀況，氮用量為180 kg/hm2(NPK)時(shí)，作物輸出氮為155.28 kg/hm2， 氮素收支表觀平衡盈余 15.92%；如果考慮土壤供氮量116.08 kg/hm2，氮素實(shí)際盈余90.67%；當(dāng)?shù)视昧繛?0 kg/hm2時(shí)，氮素收支表觀平衡為盈余 -34.26%，實(shí)際盈余57.52%。

表3 氮磷鉀肥對(duì)夏玉米產(chǎn)量的影響

表4 玉米對(duì)氮磷鉀肥的響應(yīng)特點(diǎn)

土壤磷素收支平衡為磷用量60 kg/hm2時(shí)，作物輸出磷為24.07 kg/hm2，土壤供磷17.63 kg/hm2，土壤磷素收支表觀平衡盈余8.85%，土壤磷素實(shí)際盈余82.09%；磷用量為 30 kg/hm2時(shí)，磷素收支表觀平衡盈余-37.35%，實(shí)際盈余49.96%。

土壤鉀素收支平衡為鉀用量120、60 kg/hm2時(shí)，土壤表觀平衡分別為盈余-44.54%、-60.50%，考慮到土壤供鉀117.07 kg/hm2后，土壤鉀實(shí)際盈余分別為20.67%、32.38%。

土壤供應(yīng)某種養(yǎng)分的能力，用相對(duì)產(chǎn)量來(lái)表示，土壤供應(yīng)氮、磷、鉀的能力分別為77.4%、81.5%、80.0%(表3)，土壤供氮、磷、鉀的量分別為116.08、17.63、117.07 kg/hm2(表5)。

表5 土壤氮磷鉀養(yǎng)分表觀收支平衡

2.3 夏玉米的經(jīng)濟(jì)效益分析

采用二次型函數(shù)式y(tǒng)=ax2+bx+c，模擬玉米籽粒產(chǎn)量與土壤殘留氮+施入氮的關(guān)系，用A表示，綜合考慮產(chǎn)量利潤(rùn)和氮肥施用成本，模擬毛收入-氮肥價(jià)格與土壤殘留氮+施入氮的關(guān)系，用B表示。從表6可以看出，氮肥經(jīng)擬合，得方程A：y=-0.042x2+27.40x+3 429.6(R2=0.996 0**)，當(dāng)施氮量x=-b/(2a)籽粒產(chǎn)量y得到最大值，計(jì)算可知，最大籽粒產(chǎn)量時(shí)土壤殘留氮+施入氮為326.19 kg/hm2，去除土壤殘留氮，需要施氮量為210.11 kg/hm2；B：y=-0.063 4x2+37.106x+5 608.8(R2=0.991 7**)，最大經(jīng)濟(jì)效益時(shí)土壤殘留氮+施入氮為292.63 kg/hm2，經(jīng)濟(jì)最佳施入氮為 176.55 kg/hm2。按照同方法，磷肥的最高產(chǎn)量施肥量為 76.97 kg/hm2，經(jīng)濟(jì)最佳施肥量為72.34 kg/hm2。鉀肥的最高產(chǎn)量施肥量為 141.06 kg/hm2，經(jīng)濟(jì)最佳施肥量為 119.72 kg/hm2。

表6 不同肥料的回歸方程

注：玉米：1.5元/kg；N：4.0元/kg；P2O5：3.7元/kg；K2O：5.2元/kg。

2.4 氮磷鉀肥的利用率

從表7可以看出，1/2N、NPK處理氮肥籽粒表觀利用率分別為18.01%、14.35%，氮素表觀利用率分別為23.14%、21.78%，全肥處理(NPK)比1/2N處理氮肥表觀利用率降低1.36百分點(diǎn)，全量氮肥(NPK)處理，氮肥農(nóng)學(xué)效率為 9.76 kg/kg，氮肥用量減半，農(nóng)學(xué)效率為14.68 kg/kg；對(duì)于磷肥，全肥處理比1/2P處理磷肥利用率降低5.34百分點(diǎn)，磷肥農(nóng)學(xué)效率減少29.98 kg/kg；對(duì)于鉀肥，全肥處理比1/2K處理鉀肥利用率降低2.32百分點(diǎn)，鉀肥農(nóng)學(xué)效率減少 7.02 kg/kg。

表7 不同處理氮磷鉀肥的利用率

3 討論與結(jié)論

試驗(yàn)地鹽堿化潮土的氮、磷、鉀養(yǎng)分的豐缺程度均處于中等水平(相對(duì)產(chǎn)量在 75%～95%)，該地區(qū)夏玉米提高產(chǎn)量的土壤養(yǎng)分限制因子為：N>K、P。雖然肥料效應(yīng)不高，但施肥仍能明顯提高玉米的產(chǎn)量，不同肥料的減半處理不同程度降低了夏玉米的產(chǎn)量。NPK處理時(shí)，土壤氮磷鉀收支平衡狀況為土壤氮素實(shí)際盈余90.67%，土壤磷素實(shí)際盈余82.09%，土壤鉀素實(shí)際盈余為20.67%。土壤供氮、磷、鉀的能力分別為77.4%、81.5%、80.0%，土壤供氮、磷、鉀的量分別為116.08、17.63、117.07 kg/hm2。氮、磷、鉀肥的增產(chǎn)率分別為 29.17%、22.73%、25.00%，氮、磷、鉀肥增收籽粒量為 12.56、21.50、13.17 kg/kg，表明氮肥仍是鹽堿化潮土區(qū)玉米增產(chǎn)的首要因子，同時(shí)可以看出磷肥對(duì)夏玉米增產(chǎn)的重要性，該試驗(yàn)區(qū)土壤顯堿性，影響了磷肥的活性。

閆湘等通過(guò)對(duì)2002—2005年全國(guó)165 個(gè)田間試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得出，中國(guó)主要糧食作物( 小麥、水稻、玉米) 的氮肥當(dāng)季利用率平均 28.7%，磷肥當(dāng)季利用率平均13.1%，鉀肥當(dāng)季利用率平均 27.3%[11]。張福鎖等總結(jié) 2001—2005 年間河北省和天津市區(qū)域82 個(gè)玉米試驗(yàn)結(jié)果，玉米N、P2O5、K2O平均用量為171、110、119 kg/hm2，產(chǎn)量水平5 100～6 710 kg/hm2，氮、磷、鉀利用率分別為26.3%、12.6%、32.4%[12]。在本試驗(yàn)條件下，氮磷鉀肥的利用率隨著氮、磷、鉀肥用量的降低而明顯提高，與 NPK處理比較，1/2N、1/2P、1/2K處理氮磷鉀利用率分別提高 1.36、5.34、2.32百分點(diǎn)，因此，在滿足作物生長(zhǎng)需求的前提下，降低肥料用量是提高肥料利用率的主要途徑，本結(jié)論與董若征等的研究結(jié)果[13]一致。NPK處理氮、磷、鉀肥利用率分別為21.78%、24.58%、22.95%，磷肥利用率顯著高于張福鎖等的試驗(yàn)結(jié)果，可能是由于磷肥用量下降所致，氮肥、鉀肥的利用率有不同程度的降低，這與土壤的鹽堿化有一定關(guān)系，鹽堿化土壤結(jié)構(gòu)差，保水保肥能力都有所減弱，加上玉米生長(zhǎng)水熱同期，肥料養(yǎng)分的淋溶、揮發(fā)損失都增強(qiáng)，所以要重視緩控釋肥或增效肥料的施用，降低總養(yǎng)分的投入量。

作物通過(guò)吸收土壤中的養(yǎng)分來(lái)滿足其生長(zhǎng)發(fā)育的需要，其中包括土壤部分和肥料部分，如何從肥料-作物-土壤系統(tǒng)中確定合理推薦施肥量是提高肥料利用率、實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)高效、降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的決定性因素[14-16]。20世紀(jì)80年代土壤肥力水平普遍較低時(shí)，推薦施肥量的理論與技術(shù)主要基于目標(biāo)產(chǎn)量估算施肥量或通過(guò)肥料效應(yīng)函數(shù)計(jì)算經(jīng)濟(jì)合理施肥量[17-19]，近年來(lái)，盲目施用化肥，土壤氮磷鉀逐漸積累導(dǎo)致土壤供肥能力隨之增加，肥料的增產(chǎn)效應(yīng)降低，肥料產(chǎn)量效應(yīng)曲線的曲率變小，因此，由肥料效應(yīng)函數(shù)計(jì)算出的經(jīng)濟(jì)最佳或經(jīng)濟(jì)合理施肥量的數(shù)值偏高[20]。本試驗(yàn)中綜合考慮玉米產(chǎn)量、利潤(rùn)、肥料成本和養(yǎng)分在土壤中的殘留，通過(guò)數(shù)學(xué)模擬獲得夏玉米一元二次效應(yīng)方程，得出夏玉米氮肥、磷肥、鉀肥最高產(chǎn)量施肥量分別為210.11、76.97、141.06 kg/hm2；最佳經(jīng)濟(jì)施肥量分別為176.55、72.34、119.72 kg/hm2。由于經(jīng)濟(jì)施肥量受肥料和農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格的影響，不同年份會(huì)有所變化，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中可作為合理施肥的參考依據(jù)。

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