土壤肥力質(zhì)量與施氮量對(duì)小麥氮肥利用效率的綜合定量關(guān)系研究*

陸曉松 于東升? 徐志超 黃晶晶 周聰聰 孫 波

（1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008）（2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

太湖稻麥輪作農(nóng)區(qū)是我國(guó)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)地區(qū)，對(duì)我國(guó)的糧食安全有著重要作用［1］。據(jù)報(bào)道，為實(shí)現(xiàn)糧食高產(chǎn)目標(biāo)，太湖地區(qū)農(nóng)田長(zhǎng)期過(guò)量施肥，導(dǎo)致土壤氮素大量殘留，氮肥利用率較低［2-3］。氮肥利用率低不僅導(dǎo)致氮肥的增產(chǎn)效益下降，同時(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成危害［4-5］。因此，如何減少氮肥損失，提高氮肥利用率，是該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的重要問(wèn)題［6］。

減少氮肥施用量是提高氮肥利用率最為簡(jiǎn)單直接的手段［7-8］。Brentrup和Palliere［9］在洛桑實(shí)驗(yàn)站通過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施氮量為244 kg·hm-2時(shí)，作物的氮肥利用率為57%，當(dāng)?shù)适┯昧繙p少至48～96 kg·hm-2，氮肥利用率提高至63%～69%，但土壤肥力氮和產(chǎn)量會(huì)很低，無(wú)法保證產(chǎn)量穩(wěn)定和土壤氮素平衡。顯然，過(guò)量減少施氮量不利于耕地土壤氮素的補(bǔ)充以及糧食增產(chǎn)，保證農(nóng)作物需求和氮肥供應(yīng)之間的最大平衡是提高氮肥利用效率的必要條件［10］。

土壤肥力對(duì)氮肥利用率具有顯著影響作用。李銳［11］、廖育林等［12］研究認(rèn)為，高肥力農(nóng)田具有較低肥力農(nóng)田更高的氮積累量和氮肥偏生產(chǎn)力，但其氮肥利用率均小于低肥力農(nóng)田。丁哲利等［13］研究認(rèn)為，在相同的優(yōu)化施肥模式或施氮量下，土壤肥力較高的農(nóng)田作物氮肥利用率高于低肥力農(nóng)田。土壤肥力對(duì)氮肥利用率影響結(jié)論還存在分歧，原因在于研究分析的土壤肥力因素較為單一，多集中在土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等單因素營(yíng)養(yǎng)成分與氮肥利用率的關(guān)系研究［14-16］，需研究土壤綜合肥力對(duì)氮素利用率的影響［17］。

李雅劍［18］研究表明，土壤綜合基礎(chǔ)肥力提升有利于玉米產(chǎn)量和氮肥利用率的同步提高；張軍［19］研究顯示，在相同土壤綜合肥力下，施氮量增加有利于小麥增產(chǎn)；隨著土壤綜合肥力水平提升，適宜施氮量減小，最優(yōu)氮肥利用率提高。目前已開(kāi)展的這些土壤綜合肥力與施氮量對(duì)作物氮肥利用率的影響研究，對(duì)這兩種因素影響分析均是相互獨(dú)立進(jìn)行的，他們對(duì)氮肥利用率的綜合影響定量關(guān)系、相對(duì)貢獻(xiàn)率大小等問(wèn)題，目前并不清楚，迫切需要研究和回答。

因此，本文在太湖流域典型區(qū)，通過(guò)不同綜合土壤肥力質(zhì)量田塊的小麥氮肥肥效試驗(yàn)，分析施氮量與土壤肥力綜合質(zhì)量指數(shù)對(duì)小麥產(chǎn)量、氮肥利用率的共同影響和作用關(guān)系，揭示他們對(duì)產(chǎn)量和氮肥利用率的相對(duì)貢獻(xiàn)率，為多因素協(xié)同提升氮肥利用效率提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

常熟市位于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、交通便利的蘇南太湖地區(qū)，地理坐標(biāo)為120°33′E～121°03′E，31°33′N～31°50′N，面積為1 276 km2（圖1），屬長(zhǎng)江沖積平原。常熟市2016年平均氣溫為17.4 ℃，降雨量為1 824 mm，處于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。成土母質(zhì)主要為長(zhǎng)江沖積物、古老沖積的黃土狀物質(zhì)、湖泊沉積物以及石英砂巖的殘積、坡積物。土壤類型主要包括水稻土、潮土和黃棕壤等。農(nóng)業(yè)播種面積68.4×104hm2，其中糧食作物面積占70.04%、蔬菜瓜果類面積占20.58%、油料作物面積占6.14%。全年糧食作物單產(chǎn)為6.73×103kg·hm-2，小麥和水稻的單產(chǎn)分別為4.25×106kg·hm-2和9.32×103kg·hm-2；全年農(nóng)作物化肥總施用量約為24.41×103kg，平均農(nóng)作物化肥施用量357 kg·hm-2［20］。

圖1 研究區(qū)及試驗(yàn)田地理位置Fig. 1 Geographical location of the research area and the experimental fields

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)常熟市耕地主要土壤類型及肥力質(zhì)量的走訪調(diào)研，2016年11月在常熟市6個(gè)自然村選擇8塊小麥-水稻的輪作試驗(yàn)田S1～S8（圖1），分別播種揚(yáng)麥-16號(hào)小麥。其中，S1、S2、S3試驗(yàn)田土壤類型為潴育型水稻土，S4、S5、S6田塊為潛育型水稻土，S7、S8田塊為灰潮土。

在每個(gè)試驗(yàn)田設(shè)置 4 個(gè)不同施氮量水平處理：N0、N1、N2、N3，分別代表施氮量 0、100、200、260 kg·hm-2，按4:2:4分別作為基肥、拔節(jié)肥、穗肥追肥。施用的氮肥為尿素（含氮率46.4%），磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）均作為基肥按60 kg·hm-2一次性施用，N0組不施用磷肥和鉀肥。每個(gè)施氮量水平處理各設(shè)置3個(gè)重復(fù)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積為4 m×5 m。

2017年6月初小麥成熟后收割、測(cè)定生物量，同時(shí)采集地上部分小麥植株生物樣品。將植株分秸桿和籽粒兩部分，在烘箱75 ℃ ，烘干至恒重，然后粉碎，利用H2SO4-H2O2消煮、凱氏定氮法測(cè)定秸稈和籽粒全氮含量。

1.3 試驗(yàn)田土壤肥力綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)

試驗(yàn)田塊土壤肥力評(píng)價(jià)采用隸屬度函數(shù)綜合質(zhì)量指數(shù)法，一般步驟包括：獲取評(píng)價(jià)指標(biāo)、確定指標(biāo)權(quán)重、計(jì)算土壤肥力綜合質(zhì)量指數(shù)和土壤肥力等級(jí)劃分［21］。2016年10月，基于土壤類型、耕地類型以及樣點(diǎn)空間分布均勻性考慮，在研究區(qū)共采集195個(gè)耕地表層土壤樣品，用于獲取指標(biāo)權(quán)重，建立該縣域土壤肥力綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)體系［22］。為使試驗(yàn)田塊土壤肥力綜合質(zhì)量指數(shù)與該縣域土壤肥力綜合質(zhì)量指數(shù)具有等同性和可比性，試驗(yàn)田塊土壤肥力綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系、指標(biāo)權(quán)重和隸屬度等，均采用與該縣域相同的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)體系［22］。

土壤肥力綜合質(zhì)量指數(shù)（IFI）計(jì)算公式如下：

式中，IFI(i)表示土壤肥力綜合質(zhì)量指數(shù)。i為評(píng)價(jià)單元。j為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在本研究中取值范圍為1～8，最大值N等于8。權(quán)重wij為第i個(gè)評(píng)價(jià)單元、第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。Fij為第i個(gè)評(píng)價(jià)單元、第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度。

試驗(yàn)開(kāi)始前，在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)按梅花法分別采集0～20 cm表層土壤混合樣，共采集96個(gè)土壤樣品。采用《土壤農(nóng)化分析》［23］及《土壤調(diào)查實(shí)驗(yàn)室分析方法》［24］對(duì)土壤樣品進(jìn)行理化分析，分析項(xiàng)目有全氮（TN）、全鉀（TK）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）、有機(jī)質(zhì)（SOM）、pH、砂粒（Sand）、黏粒（Clay）含量等8個(gè)指標(biāo)，均作為土壤肥力綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。8個(gè)試驗(yàn)田的土壤肥力綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)均采用所在試驗(yàn)小區(qū)平均值參與評(píng)價(jià)。

1.4 氮肥利用效率計(jì)算方法

氮肥利用率(NRE)=（施氮區(qū)小麥地上部分吸氮量－不施氮區(qū)小麥地上部吸氮量）/ 施氮量×100%。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析方法

利用R-studio軟件對(duì)小麥產(chǎn)量、氮肥利用率與氮肥施用量和土壤肥力綜合質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行多元回歸擬合分析。由于土壤肥力綜合質(zhì)量指數(shù)為無(wú)量綱數(shù)值（0～1），為便于回歸擬合方程參數(shù)的比較，氮肥施用量采用無(wú)量綱的施氮比（nr）取代，即實(shí)際施氮量與最大施氮量（260 kg·hm-2）的比值（0～1）。在擬合過(guò)程中，通過(guò)對(duì)不同函數(shù)和多項(xiàng)式的擬合優(yōu)度（R2,P）比較，選擇確定最佳多元回歸擬合方程。其他數(shù)據(jù)分析和制圖采用Excel 2010完成。

2 結(jié) 果

2.1 試驗(yàn)區(qū)土壤理化性質(zhì)及綜合肥力質(zhì)量指數(shù)

表1為8個(gè)試驗(yàn)田土壤理化性質(zhì)和土壤肥力綜合質(zhì)量指數(shù)。根據(jù)各土壤理化性質(zhì)指標(biāo)隸屬度函數(shù)，SOM、TN、TK、AK、AP為戎上型指標(biāo)，即數(shù)值越大，肥力指數(shù)越高［22］。其中，土壤SOM含量最高的田塊S6較含量最低的田塊S7高出120%；土壤TN含量最高的田塊S8較最低的田塊S7高出96%；各試驗(yàn)田TK含量差別較小，含量最高的田塊S8較含量最低的田塊S1高出22%；AK含量較高的田塊S2較含量最低的田塊S3高出86%；各試驗(yàn)田AP含量差別較大，其中最高的田塊S5為含量最低田塊S3的21倍。

土壤pH、Sand、Clay均為峰型函數(shù)，即數(shù)值距離特定的指標(biāo)適宜值越近，肥力指數(shù)越高［23］。土壤pH適宜值為7，其中S8距離適宜值最近，高于適宜值2%，S1距離適宜值最遠(yuǎn)，低于適宜值25%。Sand適宜值為35%，S1距離適宜值最近，低于適宜值3%，S3距離適宜值最遠(yuǎn)，高于適宜值20%；Clay的適宜值為25%，S5和S7分別距離適宜值最近和最遠(yuǎn)，低于適宜值15%和48%。S5的土壤肥力指數(shù)最大，較最小的田塊S7高出79%。

表1 試驗(yàn)田土壤理化性質(zhì)及肥力綜合指數(shù)Table1 Soil physical and chemical properties and integrated quality index of soil fertility in experimental fields

2.2 相同肥力不同施氮量的小麥產(chǎn)量和氮肥利用率

由不同施氮量時(shí)各試驗(yàn)田小麥產(chǎn)量（圖2a）可以看出，施氮量在N0～N3時(shí)，S5試驗(yàn)田的小麥產(chǎn)量均最大；施氮量在N1時(shí)，S4試驗(yàn)田產(chǎn)量最小，其余N0、N2、N3施氮量下，S3試驗(yàn)田小麥產(chǎn)量最小。由不同施氮量時(shí)小麥NRE（圖2b）可以看出，在施氮量為N1時(shí)，S3試驗(yàn)田小麥NRE最大，S8試驗(yàn)田小麥NRE最??；在施氮量為N2和N3時(shí)，S7試驗(yàn)田小麥NRE最大，S6試驗(yàn)田小麥NRE最小。

小麥產(chǎn)量和氮肥利用率隨氮肥增加的變化結(jié)果顯示，施氮量在N0～N2范圍內(nèi)，各試驗(yàn)田小麥產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增大，施氮量從N2增加至N3時(shí)，小麥產(chǎn)量不再增大，S2、S6、S7試驗(yàn)田甚至出現(xiàn)明顯的產(chǎn)量減??；而小麥氮肥利用率則隨著施氮量的增加不斷減小。已有研究表明，隨著施氮量的增加，不同肥力等級(jí)的小麥均表現(xiàn)出NRE下降的趨勢(shì)，這與本研究的結(jié)果一致［24-27］。由此可見(jiàn)，施氮量200 kg·hm-2已達(dá)到或接近小麥適宜施氮量，氮肥對(duì)小麥增產(chǎn)的效益顯著下降，此時(shí)再增加氮肥施用量無(wú)益于小麥增產(chǎn)，并且會(huì)導(dǎo)致氮肥利用率進(jìn)一步降低。

圖2 不同施氮量下小麥產(chǎn)量和氮肥利用率Fig. 2 Wheat yield and nitrogen recovery rate relative to nitrogen application rate

2.3 相同施氮量不同肥力的小麥產(chǎn)量和氮肥利用率

小麥產(chǎn)量隨土壤肥力指數(shù)變化趨勢(shì)特征（圖3a）表明，在相同施氮量下，隨著土壤肥力指數(shù)的升高，小麥產(chǎn)量呈上升趨勢(shì)，而小麥NRE隨土壤肥力指數(shù)升高呈現(xiàn)減小趨勢(shì)（圖3b）。

圖3 不同土壤肥力水平下小麥產(chǎn)量及氮肥利用率Fig.3 Wheat yield and nitrogen recovery rate relative to soil fertility

對(duì)小麥產(chǎn)量和NRE與土壤肥力綜合質(zhì)量指數(shù)IFI的相關(guān)性分析結(jié)果顯示，在不施氮（N0）情況下，小麥產(chǎn)量與IFI呈顯著相關(guān)（P＜0.05）；當(dāng)施氮量增加至N1～N3時(shí)，小麥產(chǎn)量與IFI相關(guān)性不顯著（P＞0.05），隨著施氮量增加，其相關(guān)性不斷減弱（表2）。

小麥NRE與IFI的相關(guān)性也表現(xiàn)出類似特征。當(dāng)施氮量為N1和N2時(shí)，小麥NRE與IFI呈顯著相關(guān)（P＜0.05）；當(dāng)施氮量為N3時(shí)，小麥NRE與IFI的相關(guān)性不顯著（P＞0.05）（表2）。表明在施用氮肥的條件下，小麥產(chǎn)量和NRE與基礎(chǔ)肥力關(guān)系受到嚴(yán)重干擾，土壤肥力不再是單一控制產(chǎn)量和NRE高低的主控因子。其主要原因是，隨著施氮量的增加，小麥從氮肥中獲取氮素增產(chǎn)的量不斷增大，而對(duì)基礎(chǔ)肥力中的氮素利用率不斷減小［16］。

表2 小麥產(chǎn)量和氮肥利用率與土壤肥力綜合質(zhì)量指數(shù)的相關(guān)性Table 2 Correlation analysis of wheat yield and nitrogen recovery rate with integrated quality index of soil fertility

2.4 土壤肥力綜合質(zhì)量指數(shù)和施氮量與小麥產(chǎn)量及氮肥利用率的綜合定量關(guān)系

R-studio軟件多元回歸擬合結(jié)果表明，小麥產(chǎn)量（Yield）和氮肥利用率（NRE）的最佳擬合函數(shù)分別為一次和二次多項(xiàng)式（式（2）和式（3））。其中，nr和ifi均為無(wú)量綱值，取值范圍為0～1。

土壤肥力綜合質(zhì)量指數(shù)IFI和施氮量NA與小麥產(chǎn)量綜合定量關(guān)系表明（式（2）），IFI和NA共同提升有利于小麥產(chǎn)量增加，但不利于小麥氮肥利用率NRE的提高（式（3）），兩者對(duì)小麥產(chǎn)量和NRE的綜合作用呈現(xiàn)出相反的特征。如何解決這對(duì)矛盾，迫切需要開(kāi)展深入研究。

分析擬合方程自變量nr和ifi的回歸系數(shù)發(fā)現(xiàn)，式（2）和式（3）的ifi系數(shù)絕對(duì)值均大于nr系數(shù)絕對(duì)值，表明在增減相同單位的幅度下，土壤肥力綜合質(zhì)量指數(shù)對(duì)小麥產(chǎn)量（圖4a）和NRE（圖4b）變化影響力大于施氮量，回歸系數(shù)比值即相對(duì)貢獻(xiàn)率比值分別為1.09∶1和1.32∶1。因此，通過(guò)提升土壤綜合肥力、削減氮肥施用量，實(shí)現(xiàn)糧食與生態(tài)安全雙重目標(biāo)，培育和提升耕地土壤質(zhì)量顯得更為基本和重要。

圖4 小麥產(chǎn)量和氮肥利用率與土壤肥力綜合質(zhì)量指數(shù)及施氮量關(guān)系的擬合趨勢(shì)面Fig.4 Trend surface of the fitting for relationships of wheat yield and nitrogen recovery rate with integrated quality index of soil fertility and nitrogen application rate

3 結(jié) 論

田間試驗(yàn)研究表明，在土壤肥力綜合質(zhì)量指數(shù)相同時(shí)，隨著施氮量增加，小麥產(chǎn)量增大、NRE減??；當(dāng)施氮量超過(guò)200 kg·hm-2時(shí)，小麥產(chǎn)量增大趨勢(shì)減弱，部分試驗(yàn)田小麥產(chǎn)量減小，小麥NRE則不斷減小，表明施氮量200 kg·hm-2已達(dá)到或接近研究區(qū)小麥適宜施氮量。在施氮量相同時(shí)，隨著土壤肥力指數(shù)提高，小麥產(chǎn)量增大，NRE不斷減??；施氮量越高，小麥產(chǎn)量和NRE與土壤肥力綜合質(zhì)量指數(shù)的相關(guān)性越小，表明土壤基礎(chǔ)肥力發(fā)揮作用減弱。土壤肥力綜合質(zhì)量指數(shù)和施氮量與小麥產(chǎn)量及氮肥利用率存在顯著的綜合定量關(guān)系。施氮量和土壤肥力綜合質(zhì)量指數(shù)共同提升有利于增加小麥產(chǎn)量，但不利于提升小麥氮肥利用率NRE，對(duì)小麥產(chǎn)量和氮肥利用率的綜合作用矛盾突出；土壤肥力綜合質(zhì)量指數(shù)對(duì)小麥產(chǎn)量和NRE的影響力大于施氮量，兩者對(duì)產(chǎn)量和NRE相對(duì)貢獻(xiàn)率比值分別為1.09∶1和1.32∶1。因此，通過(guò)提升土壤綜合肥力質(zhì)量、削減氮肥施用量，實(shí)現(xiàn)糧食與生態(tài)安全雙重目標(biāo)，培育和提升耕地土壤質(zhì)量顯得更為基本和重要。