用土壤全氮與有機(jī)質(zhì)建立油菜測(cè)土施氮指標(biāo)體系的研究

姜麗娜，王 強(qiáng)，單英杰，符建榮，馬軍偉，葉 靜，俞巧鋼

(1浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所，杭州310021;2浙江省土肥站，杭州310020)

我國(guó)的測(cè)土施肥研究已有五十多年的歷史［1］，上世紀(jì)80年代在理論和技術(shù)上取得了較大的成果，2005年開始的測(cè)土施肥行動(dòng)，又更進(jìn)一步推動(dòng)了測(cè)土施肥的研究。土壤肥力指標(biāo)法是在我國(guó)推廣應(yīng)用的主要測(cè)土施肥方法，具有簡(jiǎn)易、快速和價(jià)廉的特點(diǎn)［2］，在大量肥效田間試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立土壤速效養(yǎng)分豐缺指標(biāo)體系，再根據(jù)不同肥力水平下養(yǎng)分用量試驗(yàn)建立施肥函數(shù)確定經(jīng)濟(jì)施肥量，構(gòu)成完整的測(cè)土施肥指標(biāo)體系。應(yīng)用測(cè)土施肥指標(biāo)體系可在作物種植前通過測(cè)定土壤養(yǎng)分含量確定經(jīng)濟(jì)施肥量。我國(guó)現(xiàn)階段磷、鉀等大都采用指標(biāo)體系法。但由于土壤速效氮含量與作物氮肥效應(yīng)的相關(guān)性不穩(wěn)定而難以建立測(cè)土施氮指標(biāo)體系，目前施氮推薦中還一直用“定產(chǎn)定氮法”、“目標(biāo)產(chǎn)量法”等方法［3－6］，實(shí)際上不能做到測(cè)土施氮。速效氮雖然是當(dāng)季供氮能力的指標(biāo)，但受土壤水分、氣候條件等影響變異較大，而全氮和有機(jī)質(zhì)則是土壤供氮潛力指標(biāo)，在當(dāng)季供氮能力測(cè)試值不穩(wěn)定時(shí)，采用較為穩(wěn)定的供氮潛力指標(biāo)是測(cè)土施氮可探索的途徑。在近年全國(guó)測(cè)土施肥行動(dòng)中，土壤全氮、土壤有機(jī)質(zhì)含量是田間試驗(yàn)土壤必測(cè)的項(xiàng)目，各地都積累了大量的土壤全氮、土壤有機(jī)質(zhì)的數(shù)據(jù)與田間試驗(yàn)產(chǎn)量結(jié)果，用土壤全氮和土壤有機(jī)質(zhì)建立測(cè)氮施肥指標(biāo)體系有較大的可行性。一直以來，對(duì)土壤全氮和土壤有機(jī)質(zhì)含量與田間試驗(yàn)不施氮處理的相對(duì)產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)分析的研究較少，特別是用全氮、有機(jī)質(zhì)作為測(cè)土施氮指標(biāo)的更少。本文通過對(duì)浙江省近年來大量油菜的田間試驗(yàn)結(jié)果和土壤測(cè)試結(jié)果的回歸分析，嘗試用土壤全氮、有機(jī)質(zhì)作為油菜供氮豐缺和推薦經(jīng)濟(jì)施肥量的指標(biāo)，并客觀地評(píng)價(jià)土壤全氮和有機(jī)質(zhì)作為測(cè)土施肥指標(biāo)的優(yōu)劣，篩選出合適的測(cè)定指標(biāo)，建立浙江省油菜測(cè)土施氮指標(biāo)體系。

1 材料與方法

1.1 田間試驗(yàn)

2006至2010 年在全省各油菜主產(chǎn)區(qū)布置油菜氮肥效應(yīng)及氮肥用量田間試驗(yàn)39個(gè)，各試驗(yàn)點(diǎn)的供試土壤類型及0—20 cm耕層土壤的農(nóng)化性狀見表1。各試驗(yàn)點(diǎn)種植的油菜主要品種為浙雙72等當(dāng)?shù)赝茝V品種，育苗移栽，前茬作物為水稻。試驗(yàn)采用“3414”方案(包括部分實(shí)施“3414”試驗(yàn))及肥效和用量綜合試驗(yàn)方案(試驗(yàn)處理11～13個(gè))，其中與氮肥效應(yīng)及氮肥施用量有關(guān)的處理為：空白(N0)、N1、N2(OPT)、N3，部分試驗(yàn)加設(shè) N4處理，試驗(yàn)中氮肥用量以N2為預(yù)設(shè)最佳處理，N1、N3和N4分別為N2用量的0.5、1.5和2倍。各地采用的最佳施肥量預(yù)設(shè)值在180～240 kg/hm2之間，根據(jù)各地土壤肥力狀況有所差異。

1.2 土壤養(yǎng)分測(cè)定

試驗(yàn)前采集基礎(chǔ)土樣進(jìn)行各項(xiàng)養(yǎng)分含量測(cè)定。有機(jī)質(zhì)采用油浴加熱，重鉻酸鉀氧化容量法;pH采用電位法，土液比1∶2.5;全氮采用凱氏蒸餾法;有效磷用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計(jì)法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法：

根據(jù)缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量(%)=缺氮處理產(chǎn)量/最佳處理產(chǎn)量×100，計(jì)算各試驗(yàn)中缺氮處理相對(duì)于預(yù)設(shè)最佳處理的相對(duì)產(chǎn)量，再用缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤有機(jī)質(zhì)及土壤全氮測(cè)定值進(jìn)行回歸分析，根據(jù)不同相對(duì)產(chǎn)量水平，確定土壤供氮能力豐缺指標(biāo)。同時(shí)計(jì)算每一個(gè)試驗(yàn)的氮肥效應(yīng)曲線(二次曲線)，從效應(yīng)曲線按邊際效應(yīng)R=0計(jì)算最佳施肥量。對(duì)各試驗(yàn)點(diǎn)的最佳施氮量與土壤有機(jī)質(zhì)和全氮進(jìn)行回歸分析，計(jì)算在不同供氮能力水平上的經(jīng)濟(jì)施肥量，最終形成測(cè)土施氮指標(biāo)體系。比較回歸方程的決定系數(shù)，以R2=0.49為最小回歸預(yù)測(cè)精度，篩選合適的測(cè)定指標(biāo)。用DPS軟件進(jìn)行相關(guān)及回歸統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 浙江省油菜主要養(yǎng)分限制因子

全省39個(gè)油菜試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)(表2)，預(yù)設(shè)最佳施肥處理產(chǎn)量在1008～3569 kg/hm2之間，平均為2394 kg/hm2。缺氮處理平均產(chǎn)量為1253 kg/hm2，平均相對(duì)產(chǎn)量?jī)H為最佳處理的52.7%，施氮平均增產(chǎn)1068 kg/hm2，平均增產(chǎn)率達(dá)130．2%，單位氮平均增產(chǎn)量為5.5 kg。全省磷、鉀肥效應(yīng)明顯小于氮肥，施磷、鉀肥平均增產(chǎn)率分別為50.2%和11.9%，缺磷、鉀處理平均相對(duì)產(chǎn)量分別為76.0%和94.6%。表明氮是浙江省油菜種植土壤的主要養(yǎng)分限制性因子，且施氮效應(yīng)變化范圍較大，通過合理施氮可進(jìn)一步提高氮肥增產(chǎn)潛能。浙江省油菜大部分與水稻輪作，生育期長(zhǎng)，且大部分時(shí)間都在冬春低溫季節(jié)，土壤供氮能力較低，合理施氮對(duì)油菜高產(chǎn)高效和保障浙江省食用油自給十分重要。

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表2 浙江省油菜施肥的增產(chǎn)效應(yīng)Table 2 Yield increase effect of fertilization in Zhejiang Province

2.2 油菜種植區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)與土壤全氮的相關(guān)性

土壤全氮和有效氮是土壤供氮能力的指標(biāo)，而土壤有機(jī)質(zhì)一直來都被認(rèn)為是與土壤供氮能力高度相關(guān)的指標(biāo)，占土壤氮素80%以上的有機(jī)態(tài)氮結(jié)合在有機(jī)質(zhì)中。對(duì)全省油菜試驗(yàn)點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤全氮含量回歸分析結(jié)果表明，回歸方程Y=0.0627X－0.1704，R2=0.7744＊＊，兩者之間有高度的線性相關(guān)(圖1)，驗(yàn)證了土壤有機(jī)質(zhì)含量高的土壤全氮含量也高，有機(jī)質(zhì)雖然不是直接的供氮指標(biāo)，但可作為土壤供氮潛力指標(biāo)。這與徐明崗［7］、張啟新［8］、王志強(qiáng)［9］、陳學(xué)昌［10］等對(duì)有機(jī)質(zhì)與全氮相關(guān)性的研究相一致，由于土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定方法相對(duì)于全氮分析方法穩(wěn)定和簡(jiǎn)便，顧嗣芹［11］等還用土壤有機(jī)質(zhì)來估算土壤全氮。重鉻酸鉀法是測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量的常規(guī)方法，準(zhǔn)確、穩(wěn)定和易于為基層測(cè)試人員掌握的優(yōu)點(diǎn)，用有機(jī)質(zhì)作為土壤供氮指標(biāo)在測(cè)土施氮中應(yīng)用有較大的可行性。

2.3 土壤有機(jī)質(zhì)、全氮與土壤供氮能力的回歸函數(shù)模型

圖1 油菜種植土壤有機(jī)質(zhì)與全氮的相關(guān)Fig．1 Correlation between soil OM and soil total N in rapeseed planting area

土壤對(duì)作物的供氮能力大小一般可用不施氮處理的相對(duì)產(chǎn)量來表示，土壤測(cè)氮指標(biāo)與不施氮處理的相對(duì)產(chǎn)量之間的相關(guān)或回歸分析是確定測(cè)氮指標(biāo)是否可作為土壤供氮能力指標(biāo)的常用方法。對(duì)油菜試驗(yàn)中土壤有機(jī)質(zhì)與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量(圖2)、土壤全氮與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量之間進(jìn)行回歸分析(圖3)，結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量、土壤全氮與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量之間擬合指數(shù)曲線模型，回歸函數(shù)分別為 Y=20.157e0.4413X，Y=10.882e0.045X，回歸決定系數(shù)R2分別為0.5887和0.3365，達(dá)極顯著水平。決定系數(shù)R2表示X與Y間的回歸平方和占總平方和的比率，決定系數(shù)越高，表示回歸程度越高，用X預(yù)測(cè)Y的精度也越高，一般決定系數(shù)要求大于0.49，才能保證回歸預(yù)測(cè)精度。從兩個(gè)函數(shù)方程決定系數(shù)看，土壤有機(jī)質(zhì)與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量的回歸決定程度較高，達(dá)到0.5857，而土壤全氮與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量的回歸決定程度只有0.3365，全氮含量變化引起缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量變化的只有34%，而大部分是由于另外原因引起，比較的結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)作為土壤供氮能力的測(cè)試指標(biāo)優(yōu)于土壤全氮，而土壤全氮作為供氮能力的指標(biāo)其可靠程度較低。

2.4 土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮與油菜經(jīng)濟(jì)施肥量的相關(guān)性

在氮素豐缺指標(biāo)確定后，對(duì)不同供氮水平下的施肥參數(shù)的確定十分重要，確定了不同供氮水平下的經(jīng)濟(jì)施肥量，才可最終根據(jù)土壤全氮及有機(jī)質(zhì)的測(cè)定值進(jìn)行推薦施肥。對(duì)39個(gè)油菜氮肥用量試驗(yàn)配置氮肥效應(yīng)二次曲線，計(jì)算邊際效應(yīng)等于零時(shí)的經(jīng)濟(jì)施肥量，有23個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的氮肥效應(yīng)曲線符和拋物線型二次曲線，且計(jì)算所得的經(jīng)濟(jì)施肥量在0～610 kg/hm2范圍內(nèi)。對(duì)經(jīng)濟(jì)施肥量與土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮進(jìn)行回歸分析，結(jié)果表明(圖4、圖5)，土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮與經(jīng)濟(jì)施氮量適合對(duì)數(shù)模型(Y=a+blnX);回歸方程有機(jī)質(zhì)為 Y=1392.9－314.25LnX，全氮為 Y=427.81－191.77LnX，其決定系數(shù)R2分別為0.6896和0.314，曲線擬合都達(dá)極顯著水平。比較兩個(gè)回歸方程的決定系數(shù)R2表明，土壤有機(jī)質(zhì)與經(jīng)濟(jì)施肥量的回歸決定程度明顯高于土壤全氮和經(jīng)濟(jì)施肥量的回歸決定程度，土壤全氮與經(jīng)濟(jì)施肥量的對(duì)數(shù)曲線相關(guān)度只達(dá)到中等，而土壤有機(jī)質(zhì)與經(jīng)濟(jì)施肥量達(dá)到高度的對(duì)數(shù)曲線相關(guān)度，結(jié)果與土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮與相對(duì)產(chǎn)量回歸決定程度的結(jié)果相一致，表明土壤有機(jī)質(zhì)更適于作測(cè)土施氮指標(biāo)。

2.5 油菜測(cè)土施氮指標(biāo)體系

根據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)含量與油菜缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量的函數(shù)曲線建立油菜土壤供氮豐缺指標(biāo)，把土壤供氮能力劃分為四個(gè)等級(jí)，以缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量＜50%為極低、50～75%為低、75% ～95%為中等、＞95%為高，計(jì)算不同級(jí)別供氮能力對(duì)應(yīng)的土壤有機(jī)質(zhì)含量。根據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)與經(jīng)濟(jì)施氮量的回歸函數(shù)方程，計(jì)算各級(jí)供氮能力下的經(jīng)濟(jì)施氮量，構(gòu)成了浙江省油菜測(cè)氮施肥指標(biāo)體系(表3)。

3 討論

根據(jù)土壤供氮能力合理施用氮肥是保證作物高產(chǎn)、提高氮肥利用率、減少農(nóng)業(yè)面源污染的關(guān)鍵，而合適的供氮測(cè)試指標(biāo)的選擇和氮肥用量推薦是國(guó)內(nèi)外測(cè)土施氮的難點(diǎn)，至今也沒有適于各種土壤的令人滿意的氮的測(cè)試方法、指標(biāo)和參數(shù)［6］。本研究結(jié)果表明，在土壤供氮潛力指標(biāo)中，土壤有機(jī)質(zhì)明顯優(yōu)于土壤全氮作為油菜測(cè)氮豐缺指標(biāo)，這是基于土壤有機(jī)質(zhì)與土壤供氮能力及經(jīng)濟(jì)施肥量有較好的回歸決定度，但在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中以土壤有機(jī)質(zhì)直接作為測(cè)土施氮指標(biāo)很少有報(bào)道。李生秀［12］、李菊梅［13］等研究認(rèn)為全氮、有機(jī)質(zhì)能穩(wěn)定地反映旱地土壤供氮能力，作物生育期愈長(zhǎng)的作物相關(guān)性愈好，但很多研究者認(rèn)為土壤全氮與有機(jī)質(zhì)含量過于穩(wěn)定、含量變化小很難在實(shí)際中應(yīng)用［14－16］，這可能是國(guó)內(nèi)外很少用土壤全氮、有機(jī)質(zhì)作為測(cè)土施氮指標(biāo)的主要原因之一。我國(guó)現(xiàn)階段的測(cè)土施肥以總量推薦為主，在作物種植前采樣測(cè)定土壤的供肥指標(biāo)，對(duì)照養(yǎng)分豐缺指標(biāo)，確定土壤的供肥能力，進(jìn)行全生育期氮肥總量推薦，土壤全生育期供肥潛力十分重要，尤其是在油菜作物生育期長(zhǎng)，前季作物水稻種植后，土壤中殘留的無機(jī)氮較少，可礦化氮起的作用較大，土壤有機(jī)質(zhì)作為供氮潛力指標(biāo)在油菜測(cè)土施肥中應(yīng)用有一定的理論基礎(chǔ)。本文中全氮與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量的回歸決定度明顯低于土壤有機(jī)質(zhì)，可能與測(cè)試數(shù)據(jù)大部分來自基層測(cè)定，土壤全氮的測(cè)試方法較復(fù)雜其誤差較大有關(guān)。土壤全氮是否適合作油菜的測(cè)土施肥指標(biāo)，還有待于更進(jìn)一步的研究。

表3 浙江省油菜測(cè)氮施肥指標(biāo)Table 3 The critical index of soil N fertility and recommendation fertilization rate in the rapeseed planting regions

根據(jù)土壤供氮水平，推薦合理的施氮量，是測(cè)土施肥指標(biāo)體系建立的重要部分，很多依據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定施肥范圍，再按供肥級(jí)別等量劃分。本文以氮肥用量田間試驗(yàn)結(jié)果的二次多項(xiàng)式函數(shù)來確定經(jīng)濟(jì)施肥量，多點(diǎn)試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)施肥量與土壤測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行回歸，得出不同供氮水平下的施氮量，這是比較可靠的確定指標(biāo)體系中推薦施肥量的方法，結(jié)果使用范圍較廣，避免了少量試驗(yàn)結(jié)果只適合小范圍地區(qū)的弊病。但采用該方法進(jìn)行大量試驗(yàn)匯總時(shí)，經(jīng)常會(huì)有經(jīng)濟(jì)施氮量出現(xiàn)負(fù)值及過高與實(shí)際不符的情況，特別是在不設(shè)重復(fù)的“3414”試驗(yàn)中出現(xiàn)的比例較高，一個(gè)處理的誤差，可使計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生明顯的波動(dòng)。在本文的研究中，雖然有39個(gè)試驗(yàn)，但施肥函數(shù)計(jì)算經(jīng)濟(jì)施肥量在合理范圍內(nèi)的只有23個(gè)，負(fù)值及過高值都應(yīng)剔除，否則將會(huì)影響到推薦結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在今后布置更多的田間試驗(yàn)，尤其在有機(jī)質(zhì)含量低和含量高的地區(qū)布置試驗(yàn)更加重要，隨著試驗(yàn)量的不斷增加，將使指標(biāo)體系更加完善。

4 結(jié)論

本文在匯總分析近年來浙江省多點(diǎn)油菜氮肥效應(yīng)試驗(yàn)、氮肥用量試驗(yàn)油菜產(chǎn)量和土壤分析測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過回歸分析確定氮肥效應(yīng)、經(jīng)濟(jì)施氮量和土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮之間的函數(shù)模型，嘗試用土壤全氮和土壤有機(jī)質(zhì)建立油菜測(cè)土施氮指標(biāo)體系?；貧w分析結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)與油菜缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量較好地?cái)M合指數(shù)曲線，Y=20.157e0.4413X，土壤有機(jī)質(zhì)與經(jīng)濟(jì)施氮量間的對(duì)數(shù)回歸曲線Y= －314.25LnX+1392.9，兩曲線的回歸決定系數(shù)分別為R2=0.5887，和R2=0.6896，符合回歸預(yù)測(cè)精度要求，土壤有機(jī)質(zhì)可成為油菜種植田土壤供氮能力豐缺指標(biāo)和推薦經(jīng)濟(jì)施氮量的指標(biāo)，而土壤全氮與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量、油菜經(jīng)濟(jì)施氮量回歸曲線雖然可擬合為Y=10.882e0.045X和Y=－191.77LnX+427.81，但回歸決定系數(shù)R2=0.3365和R2=0.314，不能滿足預(yù)測(cè)精度，不適合成為土壤供氮能力和推薦經(jīng)濟(jì)施氮量的指標(biāo)。在回歸分析的基礎(chǔ)上，耦合土壤供氮豐缺指標(biāo)和推薦經(jīng)濟(jì)施氮參數(shù)，構(gòu)建完善了浙江省油菜測(cè)土施氮指標(biāo)體系。在生產(chǎn)中應(yīng)用該指標(biāo)體系，可在油菜種植前采樣測(cè)定農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)，對(duì)照豐缺指標(biāo)，方便地確定農(nóng)田的經(jīng)濟(jì)施氮量，為油菜的高產(chǎn)和高效提供營(yíng)養(yǎng)保障。

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