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    蘇州市吳中區(qū)土壤地力評估及適宜氮肥投入量估算

    2019-09-17 07:32韓雪梅張蓉蓉俞映倞
    江蘇農(nóng)業(yè)科學 2019年7期
    關鍵詞:水稻產(chǎn)量估算稻田

    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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