黑土區(qū)中部玉米和大豆肥料利用率研究

劉國(guó)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(hù)站,黑龍江 哈爾濱 150031；2.中國(guó)科學(xué)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(xué)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(tuán)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(guó)人均耕地面積0.093 hm2，為世界平均水平的42%，美國(guó)的15.7%。因此我們必須通過(guò)提高作物的單產(chǎn)來(lái)滿足人們對(duì)糧食的不斷需求，而施肥能夠?yàn)樽魑锾峁┏渥愕酿B(yǎng)分供應(yīng)，已經(jīng)成為提高作物單產(chǎn)的重要措施之一[1]。在20世紀(jì)80年代來(lái)自全國(guó)5000多個(gè)肥效試驗(yàn)的研究結(jié)果顯示合理施用化肥水稻、小麥和玉米的產(chǎn)量較無(wú)肥處理增產(chǎn)48%[3]，但是近年來(lái)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(shì)[4]，化肥利用率不高[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)1980年以來(lái)我國(guó)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(guò)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(guò)高是導(dǎo)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(guó)主要糧食作物的氮肥利用率均在下降[4]。長(zhǎng)期不合理施肥，導(dǎo)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(wèn)題[6]。探索科學(xué)合理的施肥量和施肥方式已經(jīng)成為越來(lái)越多研究學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[7-9]，為了實(shí)現(xiàn)維持作物產(chǎn)量和提高肥料利用率的雙重目標(biāo)，優(yōu)化平衡施肥已經(jīng)逐漸被農(nóng)戶采用[10]。但是關(guān)于黑土區(qū)中部?jī)?yōu)化平衡施肥后肥料利用率的相關(guān)研究還鮮有報(bào)道。

眾所周知，黑土是一種自然肥力很高的土壤，但是黑土開(kāi)墾后由于過(guò)度墾殖及不合理利用導(dǎo)致黑土肥力快速下降、物理結(jié)構(gòu)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(shí)的數(shù)據(jù)相比，黑土農(nóng)田土壤有機(jī)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(jí)政府部門的高度重視，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部聯(lián)合國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)、財(cái)政部、國(guó)土資源部、環(huán)境保護(hù)部、水利部于2017年發(fā)布了《東北黑土地保護(hù)規(guī)劃綱要(2017-2030)》，旨在通過(guò)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(guò)一系列有效技術(shù)和模式的落地和實(shí)施，黑土肥力得到了一定程度的提高[13]。土壤肥力通過(guò)影響蓄納、穩(wěn)定供應(yīng)養(yǎng)分的能力和微生物活性及根系生長(zhǎng)等，進(jìn)而影響作物對(duì)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(duì)肥料的響應(yīng)還鮮有報(bào)道。本研究選擇了已經(jīng)連續(xù)三年實(shí)施黑土地保護(hù)利用措施的地塊，開(kāi)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(duì)肥料利用率的影響，同時(shí)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(yàn)于2020年在東北黑土區(qū)中部黑龍江省海倫市(N47°25′，E126°46′)進(jìn)行。研究區(qū)域?qū)儆诖箨懶约撅L(fēng)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(wú)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(yàn)地塊2017-2019年連續(xù)實(shí)施了玉米秸稈深混還田構(gòu)建肥沃耕層技術(shù)，即每年秋季玉米收獲后，采用螺旋式犁壁犁進(jìn)行秸稈全量還田，還田深度為0～35 cm，2020年春季取樣測(cè)定土壤的基礎(chǔ)化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。與陸欣春等[8]2015年測(cè)定的樣品數(shù)據(jù)相比，土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量均表現(xiàn)為增加。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤基礎(chǔ)化學(xué)性質(zhì)Table 1 Basic chemical properties of experimental soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)置了4個(gè)處理，分別是平衡施肥(NPK)、缺氮(PK)、缺磷(NK)和缺鉀(NP)，三次重復(fù)，隨機(jī)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(wàn)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(wàn)株·hm-2。玉米和大豆不同處理施肥量見(jiàn)表2。氮肥施用的是尿素，N含量46%；磷肥施用的是過(guò)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(shí)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(shí)施入，2/3氮肥在拔節(jié)期施入。田間管理方式按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理進(jìn)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(cè)定

2020年玉米和大豆成熟后，于10月3日采集植物樣品測(cè)產(chǎn)和樣品養(yǎng)分含量的測(cè)定。大豆每個(gè)小區(qū)隨機(jī)采集3個(gè)2 m2、玉米每個(gè)小區(qū)隨機(jī)采集3個(gè)5 m2進(jìn)行測(cè)產(chǎn)；每個(gè)小區(qū)采集大豆2株或者玉米1株進(jìn)行植株樣品養(yǎng)分含量的測(cè)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(jī)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(cè)定。

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

1.4 計(jì)算與統(tǒng)計(jì)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(xué)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(yīng)=施氮區(qū)產(chǎn)量-空白區(qū)產(chǎn)量

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

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

2 結(jié)果

2.1 平衡施肥對(duì)玉米和大豆產(chǎn)量的影響

施肥對(duì)玉米和大豆產(chǎn)量的影響見(jiàn)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(méi)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(duì)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(xué)利用率

玉米和大豆的肥料利用率和農(nóng)學(xué)利用效率見(jiàn)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(xué)利用率分別為19.4%和14.0%，磷素農(nóng)學(xué)利用率分別是29.74%和7.27%，鉀素農(nóng)學(xué)利用率分別為13.6%和1.8%。配對(duì)T檢驗(yàn)結(jié)果顯示玉米和大豆間在肥料利用率及農(nóng)學(xué)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(gè)百分點(diǎn)，而鉀素利用率顯著增加了5.85個(gè)百分點(diǎn)；玉米的氮、磷和鉀素農(nóng)學(xué)利用率較大豆顯著提高了5.30、22.5和11.8個(gè)百分點(diǎn)(圖2)。

圖2 玉米和大豆的肥料利用率及農(nóng)學(xué)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(xué)利用率的T檢驗(yàn)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(yīng)和相對(duì)產(chǎn)量

玉米和大豆的肥料產(chǎn)量反應(yīng)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(yīng)表現(xiàn)為N>P>K(圖3)，說(shuō)明了氮素對(duì)作物產(chǎn)量形成的貢獻(xiàn)是最大的。玉米的氮素產(chǎn)量反應(yīng)是磷素和鉀素的1.41倍和4.37倍，大豆氮素產(chǎn)量反應(yīng)是磷素和鉀素的1.35倍和1.19倍。肥料的相對(duì)產(chǎn)量表現(xiàn)出與肥料產(chǎn)量反應(yīng)相反的趨勢(shì)(圖3)，即N

圖3 肥料產(chǎn)量反應(yīng)和肥料相對(duì)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(yīng)和肥料相對(duì)產(chǎn)量的T檢驗(yàn)Table 4 T test of fertilizer response to maize and soybean yield,and relative maize and soybean yield

2.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)實(shí)地調(diào)查，研究區(qū)域平均地租費(fèi)用7 000元·hm-2，玉米和大豆除了化肥以后的農(nóng)資和機(jī)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(jiàn)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(duì)于大豆來(lái)說(shuō)，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(jì)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(dá)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(shuō)明研究區(qū)域玉米和大豆的產(chǎn)量對(duì)氮肥和磷肥較為敏感。從肥料產(chǎn)量反應(yīng)和相對(duì)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(shí)土壤有機(jī)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(lái)長(zhǎng)期大量磷肥施用導(dǎo)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(dǎo)致作物苗期土壤中磷的有效性較低，不能夠滿足作物對(duì)磷素的需求，影響作物苗期生長(zhǎng)，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(guān)鍵因子，但是由過(guò)量磷肥施用導(dǎo)致土壤中磷素盈余可能引發(fā)磷素的淋溶，進(jìn)而加劇地表水體的富營(yíng)養(yǎng)化[20]。黑土鉀素含量相對(duì)豐富，黑土開(kāi)墾前期，由于忽視了鉀肥的施用導(dǎo)致土壤速效鉀含量在1988-1997年呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，自2002年以來(lái)鉀肥的大量施用導(dǎo)致土壤中速效鉀含量得到積累和增加[18]。從本研究結(jié)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(jìn)一步的研究。

化肥對(duì)糧食的增產(chǎn)作用在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中是不可替代的，從1980年開(kāi)始，我國(guó)化肥施用量以每年4%的速度增長(zhǎng)，但近20多年，我國(guó)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(guó)農(nóng)業(yè)年鑒》，從20世紀(jì)90年代至今，糧食產(chǎn)量?jī)H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?yán)重限制了化肥利用效率的提高。我國(guó)主要糧食作物的平均氮、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(guó)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(shí)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(zhǔn)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(zhǎng)期穩(wěn)定提高養(yǎng)分利用效率的途徑[14]?？等辗宓韧ㄟ^(guò)對(duì)20世紀(jì)80年代以來(lái)國(guó)家級(jí)耕地質(zhì)量長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析發(fā)現(xiàn)，黑土農(nóng)田經(jīng)過(guò)10～26年的演變，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀呈上升的趨勢(shì)[18]，說(shuō)明黑土耕地地力通過(guò)一系列黑土地保護(hù)利用技術(shù)的實(shí)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(yīng)、相對(duì)產(chǎn)量和農(nóng)學(xué)效率進(jìn)行推薦施肥的養(yǎng)分專家系統(tǒng)(NE)已經(jīng)進(jìn)行了大面積應(yīng)用，并被證實(shí)可以顯著提高玉米產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益[22]。徐新朋等基于東北2001-2012年期間多點(diǎn)的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)提供的參數(shù)構(gòu)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(chǔ)地力將決定缺素區(qū)的產(chǎn)量[22]，因此及時(shí)更新系統(tǒng)內(nèi)土壤基礎(chǔ)地力、肥料產(chǎn)量反應(yīng)、相對(duì)產(chǎn)量和農(nóng)學(xué)效率等重要參數(shù)對(duì)提高養(yǎng)分專家系統(tǒng)在推薦施肥方面的準(zhǔn)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(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

基于黑土區(qū)中部玉米和大豆田間肥料試驗(yàn)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(jì)效益，氮磷處理大豆經(jīng)濟(jì)效益高于其他處理；肥料產(chǎn)量反應(yīng)和相對(duì)產(chǎn)量結(jié)果均顯示對(duì)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(duì)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(guó)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(jìn)一步完善提供了重要參數(shù)。