2015, Vol. 302. 福建省农田建设与土壤肥料技术推广总站，福建 福州 350003；
3. 大田县土壤肥料技术推广站，福建 大田 366100；
4. 南平市土肥站，福建 南平 353000
, ZHANG Ming-qing1
, YAO Bao-quan2, SHEN Jin-quan2, HANG Zhande3, ZHENG Lin-hua4, KONG Qing-bo1 2. Fujian Cropland Construction and Soil and Fertilizer Station, Fuzhou, Fujian 350003, China；
3. Datian Soil and Fertilizer Technology Popularization Station, Datian, Fujian 366100,China；
4. Nanping Soil and Fertilizer Technology Popularization Station, Nanping, Fujian 35300,China
为促进增产增收、改善稻米品质和提高养分利用效率，水稻养分管理技术一直受到人们的广泛关注和研究[1, 4]。福建省在20世纪80~90年代进行早稻和晚稻氮、磷、钾肥效试验，提出了稻田速效氮、磷、钾丰缺指标[5]以及推荐施肥量和比例[6]，为当时水稻推荐施肥提供了指标依据。测土配方施肥是我国当前大力推广应用的实用技术，对进一步提高单季稻产量和节本增效，实现化肥用量零增长具有重要的现实意义。李娟等[7]和孔庆波等[8]根据“3414”设计方案完成的大量氮磷钾肥效试验结果，分别建立了早稻和晚稻氮磷钾施肥指标[7,8]，为早、晚稻测土配方施肥技术的推广应用提供了技术依据。由于以往单季稻面积较小，试验研究资料不多，有关单季稻推荐施肥量至今鲜见系统总结报道。
近年来，随着农业种植结构调整，福建省单季稻面积占水稻种植面积的比例不断增加。由于单季稻在生育期间的光温条件明显有别于早稻和晚稻，生育期较长，稻谷产量普遍较高，氮磷钾肥效及其适宜用量也有明显差异，因此，本研究根据2009年以来在单季稻上完成的289个氮磷钾肥效田间试验结果，应用肥料效应函数法[9]探讨单季稻氮磷钾推荐施肥量及其指标，旨在为单季稻测土配方施肥技术提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验设计试验采用“3414”设计方案，氮磷钾各4个水平，14个处理，即：(1)N0P0K0；(2)N0P2K2；(3)N1P2K2；(4)N2P0K2；(5)N2P1K2；(6)N2P2K2；(7)N2P3K2；(8)N2P2K0；(9)N2P2K1；(10)N2P2K3；(11)N3P2K2；(12)N1P1K2；(13)N1P2K1；(14)N2P1K1。其中，“2”水平分别表示N、P2O5、K2O的当地建议施肥量，“0”水平表示不施肥，“1”水平的施肥量为“2”水平的50%，“3”水平的施肥量为“2”水平的150%。“2”水平的肥料用量为N150 kg·hm-2、P2O560 kg·hm-2和K2O105 kg·hm-2，各试验点根据产量和土壤肥力水平进行适当调整，其他处理水平的施肥量按相应比例折算。试验地分散于全省各地单季稻主产区，选择当地代表性的土壤类型和肥力水平的地块作为试验田。
各试验点采用多点分散不设重复和区组排列的试验方法，小区面积13~20 m2，同一个试验的小区面积相同。供试品种选用当地种植的水稻良种，试验时间在2009年至2014年的单季稻生产季节内进行。氮肥用尿素(N46%)，磷肥用过磷酸钙(P2O5 12%)，钾肥则用氯化钾(K2O 60%)。基肥中的氮钾肥占总用量的40%~50%，磷肥做基肥，全层深施，余下的氮钾肥分别做分蘖肥和拔节肥施用。试验区周围设1m宽以上的保护行，其他的栽培管理措施与大田生产一致。供试水稻收获时各小区单收单称，分别记录产量鲜重和晒干重。
1.2 土样采集和测定每个田间试验实施前，按规范方法采集一个混合基础土样。用常规方法[10]测定土壤主要理化性状，其中，pH为电位法，有机质为重铬酸钾容量法，碱解氮为碱解扩散法，Olsen-P为0.5 mol·L-1碳酸氢钠提取-钼锑抗比色，速效钾为1 mol·L-1乙酸铵提取-火焰光度计测定。全省各区域供试土壤基本性状见表 1。
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表 1 供试土壤主要理化性状 Tab.1 Physical and chemical properties of soils tested |
试验资料采用MATLABR2014a软件的统计工具箱进行统计分析和建模，肥效模型采用三元二次多项式，参数估计方法采用最小二乘法结合Monte Carlo法[11]，绘图则用MATLAB语言编程完成。文中若干指标计算方法如下：氮、磷、钾化肥的增产率=[处理(6)产量—缺素区产量]/处理(6)产量×100；相对产量=缺素区产量/处理(6)产量。
2 结果与分析 2.1 土壤基础肥力和氮、磷、钾肥对稻谷产量的影响土壤肥力等级的合理划分是实现因土定量施肥量的重要依据之一。20世纪90年代初配方施肥研究表明，以空白区产量水平划分土壤肥力等级是最简便的有效方法[12]，且划分为3级或4级就已足够[9]。因此，将稻田肥力划分为“高”、“中”、“低”3个等级。在289个肥效试验中，空白区产量水平变化幅度在3 375~9 455 kg·hm-2。为确保各区域不同土壤肥力等级均有适宜数量的试验点分布，将空白区产量高于7 500 kg·hm-2的土壤肥力水平定为“高”，空白区产量在7 500~6 000 kg·hm-2的土壤肥力水平定为“中”，空白区产量小于6 000 kg·hm-2则定为“低”。
将同属于中亚热带山区的闽北、闽西、闽西北和闽东合并成一类，而同属于南亚热带地区的闽东南地区合并为另一类，以此对试验资料进行归纳总结。按照上述土壤肥力等级方法，将各试验点的处理(1)和处理(6)产量结果进行归类统计，结果见表 2。全省单季稻空白区产量为(5 782±1 212)kg·hm-2，处理(6)平均产量为(8 235±1 152)kg·hm-2，土壤对稻谷产量的平均贡献率为70.2%，低于早稻、晚稻的平均值[7,8]。这与福建省单季稻大多种植于远离村镇和海拔较高的稻田，土壤肥力水平较低的事实一致。
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表 2 不同肥力等级土壤和氮磷钾化肥对单季稻产量的影响 Tab.2 Yields of mid-season rice in response to N, P and K fertilizationson soils of varied fertilities |
土壤对稻谷产量贡献率与土壤肥力等级密切相关，全省“高”、“中”、“低”肥力等级的土壤对稻谷产量贡献率平均分别为80.5%、75.4%和63.6%。但是，不同区域由于生产条件不同，土壤对稻谷产量的贡献率有一定差异。统计表明，山区片区的土壤贡献率平均仅为69.7%，而闽东南平原丘陵区则为72.7%。山区稻田“高”、“中”、“低”肥力等级土壤基础肥力对稻谷产量贡献率平均分别为81.6%、75.2%和62.8%，而闽东南平原丘陵区则分别为77.1%、76.0%和68.0%。
用配对法进行t测验(表 2)表明，施用氮、磷、钾化肥的增产效果达到极显著水平，平均增产率分别达到22.6%、15.5%和15.6%，增产效果明显高于早晚稻[7,8]，而且中低产田的化肥平均增产效果高于高产田。无论是山区还是沿海地区，氮肥对单季稻的平均增产效果相当，分别增产21.9%和21.0%，但磷肥的增产效果是山区大于沿海地区，平均分别增产15.7%和13.9%，而钾肥则反之，平均分别增产15.2%和16.4%。因此，化肥优先用于中低产田、磷肥优先用于山区稻田、钾肥优先用于沿海地区稻田则可发挥最大的增产作用。
2.2 土壤基础肥力与施肥目标产量的关系目标产量是确定推荐施肥量的关键参数之一。由于福建境内地形地貌复杂，闽西、闽北和闽东是地处中亚热带的山区，而闽东南是地处南亚热带的沿海平原和丘陵区，生产条件和产量水平有明显差异。因此，将全省划分为闽北(南平市)、闽西北(三明市)、闽西(龙岩市)、闽东(宁德市)和闽东南(福州市、莆田市、泉州市和漳州市)等5个片区。根据“以地定产式”[13]的研究思路，将试验处理(1)的空白区产量(X)与处理(6)的推荐施肥区产量(Y)进行回归建模(表 3)。结果表明，两者之间存在显著水平的线性关系。因此，在应用上可根据各片区的回归方程式，通过空白区产量测算施肥的目标产量，反之亦然。
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表 3 空白区产量与平衡施肥区产量的回归方程 Tab.3 Regression equation between yields atcontrol and fertilized fields |
按照上述区域划分方法或稻田肥力“高”、“中”和“低”3个等级标准，对落在相同肥力等级内的各片区试验点，分别计算相同处理的氮、磷、钾施肥量和产量的相应平均值，建立各片区不同土壤肥力等级的三元二次多项式综合肥效模型。统计显著性检验和模型典型性判别[14]结果表明，建立的18个三元二次多项式肥效模型(略去具体肥效模型)的R2均达到统计显著水平，而且均为典型肥效模型。
以每公斤N 4.3元、P2O5 5元、K2O 6元和稻谷2.0元的平均市场价为依据，用边际产量导数法计算推荐施肥量，结果见表 4。全省单季稻最高施肥量平均为N185 kg·hm-2、P2O5 74 kg·hm-2和K2O133 kg·hm-2，氮磷钾比例为1∶0.4∶0.7；推荐施肥量平均为N160 kg·hm-2、P2O5 59 kg·hm-2和K2O122 kg·hm-2，三要素比例为1∶0.4∶0.8。由于不同土壤肥力等级因供肥能力和产量水平不同，以及不同生产区域的生产条件和生产水平差异，氮磷钾推荐施肥量有明显差别(表 4)。因此，在施肥实践中可根据各生产区域的稻田土壤肥力等级或者空白区产量水平或者施肥目标产量水平，确定氮磷钾推荐施肥量。表 4的结果为单季稻推荐施肥起到了宏观指导的作用，也可为单季稻配方肥的研制提供农艺配方。
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表 4 不同土壤肥力等级和目标产量的单季稻氮磷钾推荐施肥量 Tab.4 Recommendedfertilization for single-cropping rice onsoils of different fertilities or for varied targeted yields |
如何根据土壤测定结果提出适宜的氮磷钾施用量，是测土配方施肥工作中的一个关键技术环节。国内众多相关研究[7, 9]指出，在试验研究区域内只要建立了土测值与推荐施肥量的回归关系式即可达到目的。因此，按照上述区域划分方法，对289个氮磷钾肥效试验结果分别建立三元二次多项式肥效模型，求得各试验点的氮磷钾推荐施肥量；然后，分别以基础土样碱解氮、Olsen-P、速效钾的测定结果为X轴，以相应的氮、磷、钾推荐施肥量为Y轴，得到氮、磷、钾土测值与其推荐施肥量的散点图。回归分析表明，二者间的关系满足指数模型，即Y =a exp(bx)，18个氮、磷、钾的回归方程(表 5)均达到统计显著水平。
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表 5 土测值与单季稻推荐施肥量的计算式 Tab.5 Mathematic models ontested soil conditions vs.recommended fertilization |
因此，在应用上可以根据相关区域建立的回归方程式，利用土壤测定值来测算推荐施肥量。表 5结果还根据散点图的分散程度，给出了各区域95%置信区间的氮磷钾推荐施肥量的可调整幅度。例如，闽北某块稻田的土壤碱解氮测定值为200 mg·kg-1，则根据相应区域的碱解氮与氮肥推荐用量的回归方程计算，得到氮肥推荐用量为142 kg·hm-2，实际施氮量可在(142±30) kg·hm-2范围内调整。因此，表 5的结果对单季稻合理施肥起到了微观指导的作用。
3 讨论与结论氮磷钾推荐施肥量的确定方法及其指标是测土配方施肥技术的核心内容，关系到该项技术的科学性和应用成效。由于施肥指标具有时效性[15]，而且在不同土壤类型、气候条件、作物品种和产量水平等条件下的推荐施肥量是不同的[16]，研究和制定满足当前农业生产需求的推荐施肥量及其指标，是当前测土配方施肥技术的重要研究课题。
本研究根据福建省在单季稻上完成的289个氮磷钾肥效试验结果，应用肥料效应函数法建立了福建单季稻氮磷钾推荐施肥量指标，主要包括：(1)不同土壤肥力等级和目标产量的氮磷钾推荐施肥量和比例；(2)土壤碱解氮、Olsen-P和速效钾测定值的对应推荐施肥量计算式。其中，第1个技术内容框定了因土和因产量施肥的原则，所确定的施肥量起到了合理施肥的宏观指导作用，并为单季稻配方肥研发提供了农艺配方；第2个技术内容则提供了根据土测值测算推荐施肥量的转换依据，起到了因土施肥的微观指导作用。
土壤肥力等级的合理划分，是多年多点肥效试验资料归纳总结的基础，也是因土施肥的重要依据。周鸣铮[17]和陆允甫等[18]建议将土壤肥力等级划分为5级，即“极低”、“低”、“中”、“高”和“极高”；由于作物生长受众多因素的影响从而产生的年度间产量变化幅度，足以掩盖被划分得过细的肥力级差，黄德明[19]和金耀青等[9]认为，肥力指标划分为3级或4级就已足够。为此，本文将单季稻土壤肥力划分为“高”、“中”、“低”3个等级，即：空白区产量高于7500 kg·hm-2的土壤肥力水平定为“高”，空白区产量在7 500~6 000 kg·hm-2的土壤肥力水平定为“中”，空白区产量小于6 000 kg·hm-2则定为“低”。该划分方法确保了各区域不同土壤肥力等级均有适宜数量试验点分布，有利于试验资料归纳总结。
多年多点田间肥料试验结果，反映了相应区域内不同土壤肥力水平下的作物施肥效应，如何进行归纳总结并进而提出推荐施肥技术是个重要研究课题。近30年来，国内外学者先后提出了回归系数平均法[20]、分类回归综合法[21]、多因素聚类综合法[22]、空白区产量等级归类法[12]等方法。其中，根据空白区产量等级对多年多点试验资料进行归类总结因方法简便实用，近年来得到了广泛应用[12, 13, 29]。本研究根据空白区产量划分土壤肥力等级，对多年多点肥效试验资料进行归纳总结和建模。结果表明，化肥应优先用于中低产田，磷肥应优先用于山区稻田，而钾肥应优先用于沿海地区稻田，这一结论符合福建单季稻生产实际。再者，采用该法建立的18个三元二次多项式肥效模型，均达到统计显著水平，而且均为典型肥效模型，提高了田间试验的有效性。
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