蘇州市吳中區(qū)土壤地力評估及適宜氮肥投入量估算

韓雪梅 張蓉蓉 俞映倞

摘要：確定稻田的適宜氮肥投入量是保障耕地持續(xù)生產(chǎn)力和減少農(nóng)業(yè)面源污染的關鍵，而土壤地力直接影響著作物產(chǎn)量與氮投入關系。以江蘇省蘇州市吳中區(qū)稻田系統(tǒng)為對象，調查了當前水稻的氮肥投入現(xiàn)狀及產(chǎn)量水平，并對土壤地力進行了定量評估。在此基礎上，因地制宜地設定針對不同土壤地力的生產(chǎn)目標，給出了不同土壤地力下的適宜氮肥推薦用量及氮肥施用類型，并估算出吳中區(qū)現(xiàn)有土壤條件下，高地力田塊推薦產(chǎn)量為7.50～9.00 t/hm2，對應適宜氮肥投入量為140～240 kg/hm2;中地力田塊推薦產(chǎn)量為6.00～8.25 t/hm2，對應適宜氮肥投入量為130～230 kg/hm2;低地力田塊推薦產(chǎn)量為5.25～7.50 t/hm2，對應適宜氮肥投入量為130～200 kg/hm2。

關鍵詞：稻田;土壤地力;水稻產(chǎn)量;氮肥投入量;估算

中圖分類號： ? 文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）07-0256-05

氮肥施用帶來了新中國成立后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的飛增，1949—1998年我國糧食年總產(chǎn)量與化肥氮年使用量呈顯著相關性。然而，將近30年的肥料投入數(shù)據(jù)以10年為1個計算單位進行比對，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)效率邊際遞減現(xiàn)象顯著，即糧食總增產(chǎn)比例明顯下落而化肥用量卻依舊增長迅速[1]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2010年我國化肥氮平均施用量高達346.1 kg/hm2，遠超過發(fā)達國家設置的安全上限225 kg/hm2[2];而氮肥的當季表觀利用率不足40%[3]，與發(fā)達國家高達60%的化肥利用率相差甚遠。過量的化肥投入在增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本、造成資源浪費的同時，也帶來了面源污染等環(huán)境問題[4]。研究數(shù)據(jù)表明，十一五期間，長江、黃河和珠江水體中無機氮輸入量達到97.5萬t，其中90%來自農(nóng)業(yè)，而氮肥貢獻占了50%[5]。由此可見，農(nóng)田氮肥的過量投入是造成水體富營養(yǎng)化的主要原因之一。

江蘇省蘇州市吳中區(qū)陸地面積近750 km2，是聞名遐邇的“魚米之鄉(xiāng)”，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)歷史可上溯千年。現(xiàn)該區(qū)域多數(shù)稻田為國家永久性保護耕地，因此，稻田土壤生產(chǎn)力的持續(xù)性對該區(qū)域糧食生產(chǎn)有著極為重要的意義。吳中區(qū)位于長江三角洲平原水網(wǎng)區(qū)，境內河道湖泊眾多，水網(wǎng)密布，縱橫交錯，位于東太湖之出口。吳中區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與河網(wǎng)以及太湖水環(huán)境息息相關。對此，吳中區(qū)將農(nóng)業(yè)面源污染治理寫進了“十三五”農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃當中，推進“兩減六治三提升”專項行動方案，從“種-養(yǎng)-生”多個途徑實施農(nóng)業(yè)面源污染治理。據(jù)2018年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，吳中區(qū)現(xiàn)有水稻種植涉及9大鎮(zhèn)、43個行政村，面積達1 493 hm2，占吳中區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)土地面積的一半以上。因此，確定稻田的適宜氮肥投入量成為落地“兩減”工作的關鍵。

由于吳中區(qū)水稻種植面積大，土壤地力均一性較差，僅用一個氮肥建議投入量容易出現(xiàn)減產(chǎn)或者面源污染削減不到位的風險，如氮肥建議量偏高，則高地力田塊可能依然氮流失嚴重，如氮肥建議量偏低，則低地力地塊水稻產(chǎn)量潛力不能發(fā)揮，影響產(chǎn)量。按照《測土配方施肥技術規(guī)范》中“3414”實驗對每個地塊進行實測、估算[6-7]，由于工作量大，實際操作起來比較困難。而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者最想得知的信息是，依據(jù)田塊的現(xiàn)階段條件施用多少氮肥是適宜的。針對這一問題，本研究以因地制宜、一域一策為導向，通過對吳中區(qū)典型稻田系統(tǒng)土壤養(yǎng)分含量以及作物地上部分養(yǎng)分吸收量的測定，劃分土壤地力等級，并由此確定不同地力等級條件下作物對當季氮肥的利用情況，針對不同目標（產(chǎn)量及環(huán)境目標），在考慮到不同肥料品種有效性的前提下，估算適宜氮肥投入量，從而切實解決“以什么為標準去估算氮肥需求”“現(xiàn)狀條件下，各生產(chǎn)目標分別能減多少氮肥”等問題。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究以江蘇省蘇州市吳中區(qū)為研究區(qū)域，該區(qū)域地處長江三角洲腹地太湖流域，擁有60%的太湖水域面積（約 1 459 hm2），降水充沛（年降水量超過1 100 mm以上），四季分明。該區(qū)域稻田土壤多為湖積土，耕作層厚15～20 cm。研究主要以2018年水稻收獲后土壤樣品的相關指標為數(shù)據(jù)依據(jù)，為下一季的氮肥投入提供理論支持。

1.2 樣品的采集與分析

1.2.1 樣品采集區(qū)域的選擇 本研究選取吳中區(qū)具有較大水稻種植面積的5個鎮(zhèn)2個街道（車坊鎮(zhèn)、甪直鎮(zhèn)、金庭鎮(zhèn)、胥口鎮(zhèn)、臨湖鎮(zhèn)、橫涇街道、越溪街道），對其下屬的32個行政村進行代表性稻田系統(tǒng)土壤樣品及作物樣品的采集。采樣涉及區(qū)域2018年水稻種植面積超過28 350畝，涵蓋吳中區(qū)水稻種植面積的95.6%，能夠全面反映吳中區(qū)的稻田現(xiàn)況。共采集土壤樣品73個，其中車坊鎮(zhèn)19個（1個無氮處理）、甪直鎮(zhèn)19個、金庭鎮(zhèn)3個、胥口鎮(zhèn)3個、臨湖鎮(zhèn)5個（1個無氮處理）、越溪街道13個、橫涇街道11個（1個無氮處理）;采集植株樣品26個，其中車坊鎮(zhèn)8個（1個無氮處理）、甪直鎮(zhèn)10個、臨湖鎮(zhèn)5個（1個無氮處理）、橫涇街道2個（1個無氮處理），南粳46樣品22個，蘇香粳100樣品1個，武運粳樣品2個，嘉33樣品1個。

1.2.2 代表性稻田氮肥投入數(shù)據(jù)的統(tǒng)計 分別向生產(chǎn)者詢問每個涉樣田塊2018年稻季氮肥的施用情況，包括投入肥料的種類以及投入量。對于養(yǎng)分含量不確定的肥料進行現(xiàn)場取樣、帶回，烘干并記錄含水量后，用凱氏定氮法[8]測定其氮含量，以便用于氮投入總量的計算。

1.2.3 土壤樣品的采集與分析 樣品采集于2018年水稻收獲季節(jié)10月下旬至11月上旬。土壤樣品采集按照梅花形采樣方法，在典型地塊選擇5個點位采集耕作層（表層15～20 cm）土壤，形成大于1 kg混合土壤樣品1個。所有土壤樣品分為2份：一份自然風干至恒質量后，過100目篩（0.149 mm 孔徑），用于土壤pH值、總氮含量、有機質含量的測定[8];一份4 ℃冷藏，以備后續(xù)驗證。

1.2.4 植株樣品的采集與分析 為保證樣品的對應性，植株樣品與土壤樣品同時采集。在對應田塊選取1 m2樣方，收割后脫粒用于計算產(chǎn)量。將籽粒和秸稈分開，80 ℃烘干至恒質量，分別稱質量計算其各部分生物量與含水量，再研磨過100目篩，用凱氏定氮法測定各部分氮素含量。

1.3 數(shù)據(jù)計算與處理

1.3.1 植株氮肥利用效率的計算

NUE=Nplant÷Ninput×100%。

式中：NUE為植株氮肥利用效率，Nplant為植株樣品氮吸收量（kg/hm2），Ninput為氮肥投入量（kg/hm2）。

1.3.2 產(chǎn)量吸收關系的計算

RNP=Nplant÷Y;RNI=Ninput÷Y。

式中：RNP為單位水稻產(chǎn)量所需作物養(yǎng)分吸收量（kg/t）;Y為每公頃水稻產(chǎn)量（t/hm2）;RNI為單位水稻產(chǎn)量所需氮肥投入量（kg/t）。

1.3.3 適宜氮肥投入量的計算 以推薦產(chǎn)量為計算基準，以純氮投入為計算考量。采用養(yǎng)分平衡法，即將作物目標產(chǎn)量與地力產(chǎn)量間差量部分的需肥量視為需求量，通過施肥來填補土壤養(yǎng)分供應不足的問題。計算公式為：

Napp=（Ya-Ys）×R′NP÷NUE′。

式中：Napp為適宜氮肥投入量（kg/hm2）;Ya為推薦產(chǎn)量（t/hm2）;Ys為無氮地塊產(chǎn)量（t/hm2）;R′NP為某種土壤地力條件下的單位水稻產(chǎn)量所需作物養(yǎng)分吸收量范圍;NUE′為某種土壤地力條件下的植株氮肥利用效率范圍。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理 研究中土壤及植株相關數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel軟件進行統(tǒng)計、制圖。分級后原為標定的影像圖片采用ArcGIS Pro進行繪制。

2 結果與分析

2.1 土壤地力的評估

土壤地力評估以土壤大量養(yǎng)分含量為數(shù)據(jù)基礎，選取土壤有機質、總氮以及pH值作為評估因素。按照第二次土壤普查養(yǎng)分標準等級，分別對土壤樣品的有機質、總氮以及pH值進行等級劃分并賦分。在此基礎上，根據(jù)累計得分進行土壤養(yǎng)分屬性的綜合等級劃分，確定土壤地力等級，并以此分析各行政鎮(zhèn)乃至全區(qū)養(yǎng)分不同等級分布情況。

2.1.1 土壤有機質、總氮含量及pH值 土壤有機質是土壤的重要組成部分，能直接提供作物所需的大量元素和微量元素等多種養(yǎng)分，并對土壤水、熱、氣等因素起著重要的調節(jié)作用，提高土壤緩沖以及保肥、保水能力，是評估地力的重要指標。如圖1所示，吳中區(qū)土壤樣品的有機質平均含量為22.30 g/kg，分布在6.90～49.17 g/kg之間，變異系數(shù)為42%。

各行政鎮(zhèn)間土壤有機質含量差異較大。其中，車坊鎮(zhèn)、甪直鎮(zhèn)及橫涇街道土壤有機質含量平均值超過20 g/kg，金庭鎮(zhèn)則不足15 g/kg。土壤有機質含量達到Ⅰ和Ⅱ級的樣品數(shù)量占總采樣樣本的42%，Ⅳ級和Ⅴ級的占44%（表1）。

氮素作為作物生長最為重要的營養(yǎng)元素，主要來源于土壤和肥料的供給。雖然土壤中氮形態(tài)多變，但土壤氮庫容量反映了土壤的供養(yǎng)能力，是衡量土壤地力的重要指標。如圖1所示，本次所取土壤樣品總氮平均含量1.33 g/kg，分布在0.49～2.65 g/kg之間，變異系數(shù)為39%。本研究涉及行政鎮(zhèn)中總氮平均值均低于2 g/kg，其中車坊鎮(zhèn)、甪直鎮(zhèn)及橫涇街道土壤有機質含量平均值超過1.5 g/kg，金庭鎮(zhèn)則不足 1 g/kg。土壤總氮含量達到Ⅰ級和Ⅱ級的樣本數(shù)量占總采樣樣本的40%，Ⅳ級和Ⅴ級的占52%（表1）。土壤總氮基本和有機質含量趨勢保持一致。

土壤pH值是土壤環(huán)境酸堿度的直接體現(xiàn)，它的高低影響土壤中微生物的種群、養(yǎng)分的轉運與貯存以及大量元素形態(tài)間的轉化過程。如圖1所示，本次所取土壤樣品平均pH值6.07，分布在4.89～7.87之間，變異系數(shù)為12%。行政鎮(zhèn)間差異并不大，車坊鎮(zhèn)及橫涇街道土壤出現(xiàn)了一定程度的酸化。

2.1.2 土壤地力等級的劃分 在土壤有機質、總氮及pH值分級的基礎上，對每個樣品對應等級進行賦分，并根據(jù)綜合得分重新劃分等級，實現(xiàn)土壤養(yǎng)分等級的綜合評估。結果如圖2所示，本次所取土壤樣品中76%分布在Ⅱ級和Ⅲ級上，整體農(nóng)田土壤養(yǎng)分狀況良好。由行政鎮(zhèn)區(qū)來看，多個鎮(zhèn)區(qū)土壤地力等級跨度在3個以上，表明土壤地力空間差異較大。其中，車坊鎮(zhèn)、甪直鎮(zhèn)、越溪街道及臨湖鎮(zhèn)均發(fā)現(xiàn)少量Ⅰ級較高地力土壤（共占7%），甪直鎮(zhèn)、胥口鎮(zhèn)和金庭鎮(zhèn)則存在少量Ⅳ級低地力土壤。

2.2 現(xiàn)有氮肥投入現(xiàn)狀

本次研究發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)者對肥期肥料施用量均有詳細記錄，但生產(chǎn)者習慣性在打藥除草時不定期增加肥料量，卻并不把這部分肥料記錄在案（表2部分數(shù)據(jù)可能存在偏低現(xiàn)象），存在一定盲目性。其次，由于生產(chǎn)者對當前農(nóng)田土壤地力情況不了解，對肥料種類的選擇較為隨意，對不同肥料所對應的氮投入情況并不清楚。如，施用有機肥的農(nóng)戶并未考慮有機肥本身氮含量較低的情況，僅自我判定投入量已經(jīng)近千斤了;而施用全化肥（尿素或配方肥）的生產(chǎn)者則從量上認為自己的肥料投入量是不夠的，時常進行不定期補用。在管理大力提倡減投減排的大環(huán)境下， 部分以高產(chǎn)為目的的生產(chǎn)者與管理部門在肥料施用問題上存在矛盾，全區(qū)在肥料投入管理方面尚存很大改善空間。

2.3 產(chǎn)量及植株養(yǎng)分利用情況

2.3.1 產(chǎn)量及氮肥利用效率 水稻產(chǎn)量與當季肥料投入情況無顯著關系（數(shù)據(jù)未展現(xiàn)），但與地力情況密切相關，高地力條件更容易產(chǎn)生較高的水稻產(chǎn)量。如表3所示，Ⅰ級地力條件下的平均產(chǎn)量較Ⅱ、Ⅲ級提高了10%以上。臨湖鎮(zhèn)、橫涇街道以及車坊鎮(zhèn)的無氮處理數(shù)據(jù)分別體現(xiàn)了低地力（臨湖鎮(zhèn)）、中地力（橫涇街道）以及高地力（車坊鎮(zhèn)）條件下的基礎地力產(chǎn)量，數(shù)值分別為2.85、3.35、3.90 t/hm2?？梢姷亓η闆r對產(chǎn)量起到了決定性作用。另一方面，植株樣品地上部分對當季氮肥的利用效率在42%～54%區(qū)間，且Ⅰ級地力條件下的當季氮肥利用率最低，Ⅳ級地力條件下其次（表3）。

2.3.2 產(chǎn)量吸收關系 單位產(chǎn)量氮肥投入量隨著地力的降低而降低， 說明氮肥投入在地力低時較地力高對產(chǎn)量的促進作用更顯著（圖3）。另一方面，單位產(chǎn)量作物氮吸收量數(shù)值雖然也有隨著地力降低而降低的趨勢，但總體相對穩(wěn)定，這與本次所取水稻樣品80%以上為同一品種有關。

2.4 適宜氮肥投入量的估算

調查顯示，吳中區(qū)現(xiàn)有水稻肥料種類主要有純化肥、有機無機復混肥以及純有機肥3種。

2.4.1 生產(chǎn)目標、肥料種類及對應推薦產(chǎn)量范圍的確定 根據(jù)不同肥料種類對土壤地力以及養(yǎng)分有效性貢獻的不同。在現(xiàn)階段調查結果基礎上，3年內，推薦高地力區(qū)域以高產(chǎn)為主要目標兼顧養(yǎng)分減投，以純化肥和有機無機復混肥為主要肥料種類;中地力區(qū)則以穩(wěn)產(chǎn)為主要目標兼顧養(yǎng)分減投和土壤培肥，3種肥料種類均可選用;低地力區(qū)更為強調培肥土壤和穩(wěn)產(chǎn)，推薦有機無機復混肥和純有機肥交替施用的方式。各肥料種類及生產(chǎn)目標下推薦產(chǎn)量范圍如表4所示。

2.4.2 基于推薦產(chǎn)量對應適宜氮肥投入量的估算 在確定地力、肥料種類的條件下，以高/穩(wěn)產(chǎn)及減排2個目的為落腳點，分別計算其適宜氮肥投入量范圍。結果如表5所示，高地力條件下，考慮到肥料種類中速效成分的損失差異，有機無機復混肥的氮投入量可以較低于純化肥形式;中地力條件下，純化肥及有機無機復混肥的推薦施肥范圍與高地力條件下相同，而純有機肥模式下，由于肥料當季有效性較低，推薦適當提高氮肥投入量;低地力條件下，則主要以培肥土壤為主要目的。

3 討論與結論

吳中區(qū)稻田土壤普遍存在土壤有機質和總氮含量較低的現(xiàn)象，部分土壤已呈現(xiàn)酸化趨勢。稻田作為淹水厭氧體系，理論上氮肥投入對土壤酸化的推動作用不如旱地顯著[9-10]。然而，不少耕作時間較長的老田不僅土壤有機質和總氮含量較低，土壤也同時呈現(xiàn)弱酸化現(xiàn)象，這說明此前的耕作帶來了土壤養(yǎng)分的虧空，很可能伴隨著養(yǎng)分的不適宜投放[11]。研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)生產(chǎn)者在每次打藥除草時，會再次添加尿素用于養(yǎng)分補給。然而，補給養(yǎng)分后的水分管理卻較為粗放。這一過程不僅帶來了大量氮肥發(fā)生流失，更使得土壤中鹽基離子易隨水流失[10]，土壤團聚體結構發(fā)生破壞[12]。前期也有研究報道長期施化肥易導致土壤地力呈下降趨勢[13]。近年吳中區(qū)通過填塘等行為恢復出一部分稻田，然而這些稻田耕作層土壤多來自于荒地的外運土，土壤有機質和總氮含量自然不高。因此，邊生產(chǎn)邊進行土壤培肥，顯得十分重要。

近年來政府大力推廣的秸稈還田及有機無機肥配施[14-15]能夠較好地滿足生產(chǎn)培肥兩手抓的目的。研究數(shù)據(jù)顯示，作物地上對當季化肥氮的吸收利用比例在42%～54%之間，而秸稈的持氮量占到近一半，若有效實施全量秸稈還田，可進一步歸還當季18%～27%的氮肥回到土壤。雖然還田秸稈中的養(yǎng)分并非作物直接吸收利用的速效形態(tài)，但卻為農(nóng)業(yè)耕作的持續(xù)發(fā)展提供了“藏糧于地”的物料基礎[16]。

研究發(fā)現(xiàn)土壤地力較當季氮肥投入對產(chǎn)量的影響更為顯著，與前人研究結果一致。李銳發(fā)現(xiàn)基礎地力對水稻的有效穗數(shù)量影響最大，而基礎地力較高的田塊往往分蘗數(shù)較多[17]。雖然合理有效的栽培措施能夠減少地力差異帶來的產(chǎn)量差異，但高地力耕地始終具有較高的產(chǎn)量潛力?；A地力可以通過影響水稻氮肥利用效率影響著水稻產(chǎn)量。研究Ⅰ級地力等級土壤的氮肥利用效率并不高，而土壤處于Ⅱ和Ⅲ地力等級稻田的氮肥利用效率均超過了50%。此前研究認為，高地力條件下如氮肥投入量過高，植株易發(fā)生奢侈吸收[17-18]，本研究采樣中確實也存在高地力區(qū)的水稻倒伏現(xiàn)象。中高地力及中地力條件下較高的氮肥利用效率則說明，適宜氮肥投入量能夠有效提高肥料利用效率，而土壤地力條件是尋找適宜氮肥投入量的前提條件。

本研究以當年土壤和植株數(shù)據(jù)作為測算依據(jù)，僅選取原有田間試驗中的空白處理，利用當年數(shù)據(jù)對各斑塊土壤地力水平進行初步劃分，并將肥料種類作為決定推薦產(chǎn)量的亞級條件，兼顧吳中區(qū)的“兩減”任務，根據(jù)生產(chǎn)目標的不同（產(chǎn)量目標和環(huán)境目標）設置推薦產(chǎn)量區(qū)間范圍，使得估算過程對試驗處理依賴較?。▋H需空白處理相關數(shù)據(jù)），而估算結果更具可靠性，使用更為簡易。當然，對氮肥投入量的估算并不是一勞永逸的事，是一個需要不斷監(jiān)測動態(tài)調整的過程，單次估算，僅能作為3年內的參考，仍需長期不斷的定向監(jiān)測，及時掌握各斑塊土壤地力的演變趨勢，從而對適宜氮肥投入量進行調整，確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性。

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