中國(guó)南方甘蔗土壤全氮豐缺指標(biāo)與適宜施氮量初步研究

鐘培閣，孫洪仁，張吉萍，呂玉才，王應(yīng)海

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193；2.北京六凱農(nóng)業(yè)科技有限公司北京 100095；3.凱風(fēng)新農(nóng)（北京）科技有限公司，北京 100095；4.東方智感（浙江）科技股份有限公司，杭州 311200）

0 引言

土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法是測(cè)土施肥的經(jīng)典方法。許多學(xué)者對(duì)我國(guó)諸多區(qū)域主要作物的土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)開展了研究，但針對(duì)甘蔗的相關(guān)研究較少。王獻(xiàn)華[1]采用盆栽試驗(yàn)法對(duì)廣西甘蔗土壤有效磷豐缺指標(biāo)進(jìn)行了初步探討；唐栓虎等[2]研究了華南坡崗地甘蔗土壤有效磷和速效鉀豐缺指標(biāo)；黃振瑞[3]建立了粵西甘蔗土壤堿解氮、有效磷和速效鉀土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)推薦施肥體系。絕大部分地區(qū)甘蔗測(cè)土施肥尚無(wú)據(jù)可依。孫洪仁研究團(tuán)隊(duì)[4-11]采用零散實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整合法，成功創(chuàng)建了中國(guó)北方紫花苜蓿、中國(guó)農(nóng)牧交錯(cuò)帶燕麥和中國(guó)北方甜菜土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)。本研究擬采用零散實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整合法進(jìn)行中國(guó)南方甘蔗土壤全氮豐缺指標(biāo)與適宜施氮量研究，為我國(guó)南方甘蔗測(cè)土施氮提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 中國(guó)南方甘蔗土壤全氮養(yǎng)分豐缺指標(biāo)

利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)資源，收集中國(guó)南方開展的甘蔗施肥試驗(yàn)文獻(xiàn)。選擇含有施肥前試驗(yàn)地土壤全氮含量、缺氮處理產(chǎn)量及全肥處理產(chǎn)量3項(xiàng)指標(biāo)的文獻(xiàn)，并提取以上數(shù)據(jù)。利用式（1）計(jì)算甘蔗缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量。

式（1）中R為“缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量”，Y-N為“缺氮處理產(chǎn)量”，Y為“全肥處理產(chǎn)量”。

理論上，施肥前土壤全氮含量越高，獲得的缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量越高；反之，施肥前土壤全氮含量越低，獲得的缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量越低。利用Excel軟件，選擇適當(dāng)模型建立甘蔗缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤全氮含量回歸方程。為了適當(dāng)提高推薦施肥精準(zhǔn)度，參考“測(cè)土施肥土壤養(yǎng)分豐缺分級(jí)改良方案”[12]，確定第1～11級(jí)缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量下限依次為100%、90%、80%……20%、10%和0%。將各級(jí)別缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量起始點(diǎn)數(shù)值0%、10%、20%……80%、90%和100%，作為因變量值（y）分別代入本研究建立的甘蔗缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤全氮含量回歸方程，反向計(jì)算得到的土壤全氮含量（x）即為各豐缺級(jí)別的起點(diǎn)指標(biāo)。超出缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量和土壤全氮含量試驗(yàn)范圍的外推數(shù)據(jù)，低端和高端分別保留1個(gè)。

1.2 中國(guó)南方甘蔗推薦施肥量

采用“養(yǎng)分平衡—地力差減法”確定適宜施肥量的新應(yīng)用公式（2）[13]和“土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法之不同豐缺級(jí)別土壤適宜施肥量檢索表”[14]，確定各豐缺級(jí)別甘蔗土壤的適宜施氮量。

式（2）中F為“適宜施氮量”，A為“目標(biāo)產(chǎn)量甘蔗氮素移出量”，R為“缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量”，E為“氮肥當(dāng)季利用率”。

單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量甘蔗氮素（N）移出量確定為1.9 kg/t[15]。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)狀，確定甘蔗目標(biāo)產(chǎn)量10 個(gè)，分別為45、60、75、90、105、120、135、150、165 和180 t/hm2。選取各豐缺級(jí)別的缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量下限作為該級(jí)別之甘蔗缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量，第1 級(jí)為100%，第2 級(jí)為90%，第3級(jí)為80%，……，第11級(jí)為0%。設(shè)置3個(gè)甘蔗氮肥當(dāng)季利用率，分別為30%、40%和50%。

2 結(jié)果與分析

2.1 中國(guó)南方甘蔗施氮試驗(yàn)文獻(xiàn)及與土壤全氮豐缺指標(biāo)研究相關(guān)信息

搜集到在中國(guó)南方開展的同時(shí)含有“土壤全氮含量”、“缺氮處理產(chǎn)量”和“全肥處理產(chǎn)量”的甘蔗施氮試驗(yàn)文獻(xiàn)28篇（2000—2009年8篇，2010—2019年20篇）[16-43]，提取出配套數(shù)據(jù)60組，進(jìn)而獲得“土壤全氮含量”和根據(jù)公式（1）計(jì)算“甘蔗缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量”配套數(shù)據(jù)60對(duì)（表1）。

表1 甘蔗施氮試驗(yàn)文獻(xiàn)中與土壤全氮豐缺指標(biāo)研究相關(guān)信息Table 1 Relevant information about the research of soil total N abundance-deficiency index in literature of sugarcane fertilization experiment

續(xù)表1 Continued Table 1

2.2 中國(guó)南方甘蔗土壤全氮含量與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量回歸方程

剔除5 對(duì)明顯不合理數(shù)據(jù)，利用55對(duì)配套數(shù)據(jù)建立“土壤全氮含量”（x）與“缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量”（y）回歸方程，分別采用直線和自然對(duì)數(shù)兩種模型進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖1 和表2 所示。土壤全氮含量試驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍為0.15～1.61 g/kg，甘蔗缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍為51.76%～100.78%。

圖1 中國(guó)南方甘蔗土壤全氮含量與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量回歸曲線Fig.1 The regression curve between soil total N and relative yield of no N fertilizer treatment for sugarcane in south China

表2 中國(guó)南方甘蔗土壤豐缺級(jí)別第1～7 級(jí)起訖點(diǎn)土壤全氮含量(g/kg)Table 2 The starting and ending point values of soil total N contents for the first to seventh grade of the abundance-deficiency level in sugarcane in the south of China(g/kg)

2.3 中國(guó)南方甘蔗土壤全氮豐缺指標(biāo)

利用缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量和土壤全氮含量回歸方程，計(jì)算中國(guó)南方甘蔗土壤豐缺級(jí)別第1～7 級(jí)起訖點(diǎn)土壤全氮含量，如表2 所示。100%～50%的缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量值對(duì)應(yīng)計(jì)算得到的是土壤全氮豐缺級(jí)別第1～7級(jí)的起點(diǎn)指標(biāo)。采用直線和自然對(duì)數(shù)兩種類型回歸方程的計(jì)算結(jié)果差別明顯。利用直線型回歸方程計(jì)算的結(jié)果中，缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量50%對(duì)應(yīng)的土壤全氮含量為負(fù)值。利用自然對(duì)數(shù)型回歸方程計(jì)算的結(jié)果中，缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量90%～100%對(duì)應(yīng)的土壤全氮含量為外推數(shù)據(jù)。利用直線型回歸方程計(jì)算得到的缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量50%～60%對(duì)應(yīng)的土壤全氮含量皆明顯低于自然對(duì)數(shù)型。利用直線型回歸方程計(jì)算得到的缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量80%對(duì)應(yīng)的土壤全氮含量略高于自然對(duì)數(shù)型，但二者頗為接近。利用直線型回歸方程計(jì)算得到的缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量95%和100%對(duì)應(yīng)的土壤全氮含量皆明顯低于自然對(duì)數(shù)型。舍棄負(fù)值和超出試驗(yàn)范圍的外推數(shù)據(jù)后，再根據(jù)公式（2）計(jì)算得到中國(guó)南方甘蔗土壤全氮1～7 級(jí)豐缺指標(biāo)的適宜施氮量，如表3所示。

表3 中國(guó)南方甘蔗土壤全氮豐缺指標(biāo)及不同目標(biāo)產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的適宜施氮量（N，kg/hm2）Table 3 Abundance-deficiency index of soil total N content and appropriate fertilizer application rates corresponding to target cane yield for sugarcane in the south of China

2.4 中國(guó)南方不同豐缺級(jí)別甘蔗土壤適宜施氮量

表3列出了中國(guó)南方甘蔗不同目標(biāo)產(chǎn)量和不同肥料利用率下不同豐缺級(jí)別土壤的適宜施氮量。適宜施氮量與土壤全氮豐缺級(jí)別及氮肥當(dāng)季利用率呈直線負(fù)相關(guān)，與甘蔗目標(biāo)產(chǎn)量則呈現(xiàn)直線正相關(guān)。當(dāng)?shù)世寐?0%、甘蔗目標(biāo)產(chǎn)量45～180 t/hm2時(shí)，土壤全氮豐缺級(jí)別第1～7級(jí)的適宜施氮量范圍依次為0～0、21～86、43～171、64～257、86～342、107～428 和128～513 kg/hm2；當(dāng)?shù)世寐侍岣叩?0%，適宜施氮量范圍依次為0～0、17～68、34～137、51～205、68～274、86～342、103～410 kg/hm2，比40%氮肥利用率分別節(jié)省施氮量0～0、4～18、9～34、13～52、18～68、21～86、25～105 kg/hm2。假如南方某地測(cè)得土壤全氮含量為1.64 g/kg，當(dāng)?shù)世寐?0%時(shí)，要達(dá)到甘蔗目標(biāo)產(chǎn)量90 t/hm2，那么由此推算適宜施氮量應(yīng)為86 kg/hm2。

3 討論

3.1 直線和自然對(duì)數(shù)模型的比較

自然對(duì)數(shù)模型在作物缺素處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分含量回歸方程建立中應(yīng)用最為廣泛，而使用直線模型的研究則相對(duì)較少[41-46]。本研究結(jié)果表明，直線模型存在豐缺級(jí)別低端指標(biāo)數(shù)值為負(fù)的不合理問(wèn)題，而自然對(duì)數(shù)模型存在豐缺級(jí)別高端指標(biāo)外推且偏高的問(wèn)題。采用自然對(duì)數(shù)模型計(jì)算土壤養(yǎng)分豐缺級(jí)別之中、低端指標(biāo)較為理想，而對(duì)于高端指標(biāo)，直線模型計(jì)算結(jié)果可能更為符合實(shí)際情況。

3.2 自然對(duì)數(shù)模型最高豐缺級(jí)別土壤缺素處理相對(duì)產(chǎn)量下限的選擇

從理論上講，土壤缺素處理相對(duì)產(chǎn)量下限應(yīng)為100%，此時(shí)無(wú)需施肥也可達(dá)到目標(biāo)產(chǎn)量。但在本研究自然對(duì)數(shù)模型得到的結(jié)果中，對(duì)應(yīng)于缺素處理相對(duì)產(chǎn)量100%之最高豐缺級(jí)別土壤養(yǎng)分含量指標(biāo)過(guò)高，與正常認(rèn)知有些不相符，并且在針對(duì)其他作物的研究中也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象[44-52]。自然對(duì)數(shù)模型缺素處理相對(duì)產(chǎn)量95%對(duì)應(yīng)的土壤養(yǎng)分含量與直線模型缺素處理相對(duì)產(chǎn)量100%對(duì)應(yīng)的土壤養(yǎng)分含量較為接近。因此，可選用95%來(lái)代替100%作為自然對(duì)數(shù)模型最高豐缺級(jí)別土壤缺素處理相對(duì)產(chǎn)量下限。

3.3 中國(guó)南方甘蔗土壤全氮豐缺指標(biāo)

孫洪仁等[7，44-46]的研究表明，中國(guó)燕麥、玉米、小麥和馬鈴薯缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量70%和80%對(duì)應(yīng)的土壤全氮含量范圍分別為0.6～1.4和0.9～2.0 g/kg。本中國(guó)南方甘蔗相應(yīng)研究結(jié)果皆介于其范圍之間。

3.4 中國(guó)南方甘蔗適宜施氮量

黃振瑞[3]針對(duì)粵西甘蔗的氮素推薦施用量為0～390 kg/hm2，本研究之甘蔗適宜施氮量范圍較其為大。本研究涉及文獻(xiàn)[16-43]針對(duì)甘蔗目標(biāo)產(chǎn)量為40～190 t/hm2的氮素推薦施用量為69～656 kg/hm2。本研究之氮素適宜施用量與其接近。

4 結(jié)論

本研究建立了中國(guó)南方甘蔗土壤全氮豐缺指標(biāo)，確定了不同目標(biāo)產(chǎn)量和不同氮肥當(dāng)季利用率情形下不同豐缺級(jí)別的甘蔗適宜施氮量，為我國(guó)南方甘蔗測(cè)土施氮提供了科學(xué)依據(jù)。