長期測土配方定位施肥對稻麥產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的影響

吳晶， 李新峰， 徐巡軍， 吳錫琪， 孫曉瑜， 施林林

(1.張家港市常陰沙現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園區(qū)管理委員會, 江蘇 張家港 215623； 2.張家港市耕地質(zhì)量保護(hù)站, 江蘇 張家港 215600；3.蘇州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 江蘇 蘇州 215105)

“洪范八政，食為政首”，我國用9%的耕地養(yǎng)活了20%的人口，為此習(xí)近平總書記提出“要像保護(hù)大熊貓那樣保護(hù)耕地”，嚴(yán)守我國耕地紅線，堅持“量質(zhì)并重，用養(yǎng)結(jié)合”?；适潜ＷC糧食安全的最重要途徑之一[1-3]，適當(dāng)施肥能有效提高耕地地力，但過度施用化肥，極易引起土壤酸化、板結(jié)、鹽堿化及養(yǎng)分失衡等嚴(yán)重問題[4-7]。為此，我國于2005年開始推廣測土配方施肥技術(shù)，通過對區(qū)域土壤樣品的測試分析，參考作物需肥規(guī)律和土壤供肥能力等基本參數(shù)，制定具有區(qū)域適應(yīng)性的氮磷鉀等元素的施肥方案[8]。

測土配方施肥可有效提高我國的肥料利用率。研究表明，我國氮磷鉀肥的平均利用率僅為30%，主要原因是過量施肥和運(yùn)籌方式不合理[9]。王金鳳等[10]通過測土配方施肥，夏玉米氮磷鉀利用率分別提高26.38%、10.15%和23.62%。周萍等[11]通過測土配方施肥，水稻氮磷鉀利用率分別提高5.92%、1.25%和13.93%。錢衛(wèi)飛等[12]通過測土配方施肥，水稻氮磷鉀利用率分別提高7.0%、5.6%和2.4%。同時，在“碳達(dá)峰”和“碳中和”背景下，測土配方施肥具有巨大的減少碳排放空間，有研究估算我國通過測土配方施肥技術(shù)可減少碳排放290萬t，遠(yuǎn)高于滴灌技術(shù)的28萬～77萬t，高于沼氣發(fā)酵技術(shù)的234萬t[13]。

江蘇張家港市屬于沿江發(fā)達(dá)地區(qū)，土壤砂性較高，保水保肥性能差。歷史上農(nóng)戶養(yǎng)成了大量施用化肥的習(xí)慣，不僅肥料利用率低，也常導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染[14]。為解決上述問題，張家港市較早推廣了測土配方施肥技術(shù)，并取得了顯著成效[12,15]。但長期測土配方施肥是否顯著影響區(qū)域內(nèi)作物產(chǎn)量和土壤理化特性等問題的報道尚不系統(tǒng)。本研究通過長期測土配方定位施肥試驗(yàn)，重點(diǎn)比較常規(guī)施肥與測土配方施肥作物產(chǎn)量和土壤理化因子的差異。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況與試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)地點(diǎn)位于江蘇省張家港市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園區(qū)(120°48′11″E、31°51′36″N)，試驗(yàn)開展于2014—2021年。試驗(yàn)開始前為稻麥農(nóng)田，土壤類型為砂壤土，有機(jī)質(zhì)含量為22.1 g·kg-1，全氮含量為0.8 g·kg-1，全磷含量為0.75 g·kg-1，全鉀含量為13.0 g·kg-1，堿解氮含量為115.3 mg·kg-1，速效磷含量為11.5 mg·kg-1，速效鉀含量為75.6 mg·kg-1，pH為8.1。

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)設(shè)計，共3個處理，每個處理重復(fù)3次。處理包括常規(guī)施肥處理(CF)，測土配方施肥處理(TF)，以及無肥對照處理(CK)，稻麥季施肥量如表1，其中測土配方施肥量為試驗(yàn)區(qū)域測土配方推薦施肥量平均值。試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)參考常規(guī)生產(chǎn)，稻麥秸稈全量還田。

表1 長期定位觀測施肥量

試驗(yàn)小區(qū)長6.6 m，寬6 m，面積39.6 m2，四周筑有水泥田埂防止串肥，同時建有水泥硬質(zhì)溝渠，每個小區(qū)獨(dú)立灌排。

1.2 田間實(shí)施

試驗(yàn)除施肥不同外，其余農(nóng)藝措施均參考當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶常規(guī)操作。水稻采用人工模擬機(jī)插，株行距為30 cm×12 cm，秧齡為3葉1心。小麥采用人工條播方式，每667 m2用量10 kg。稻麥品種均為當(dāng)?shù)刂髟云贩N，并根據(jù)稻麥種植要求進(jìn)行病蟲草害的化學(xué)防治。

1.3 測定方法

作物收獲后，對試驗(yàn)小區(qū)稻麥實(shí)產(chǎn)進(jìn)行稱重測量，產(chǎn)量折合為14%含水率后測算稻麥產(chǎn)量。土壤理化性質(zhì)分析參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[16]，其中土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法，土壤全氮采用凱氏定氮法，土壤全磷采用硫酸-高氯酸消解鉬銻抗比色法，土壤全鉀采用氫氧化鈉熔融法，土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，土壤速效磷采用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法，土壤速效鉀采用乙酸銨浸提火焰分光光度法。

1.4 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)收集采用Excel 2010，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS 17.0，繪圖采用Sigmaplot 14.0。采用方差分析比較處理間作物產(chǎn)量與土壤理化指標(biāo)差異，顯著水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥量與稻麥產(chǎn)量

長期測土配方施肥降低了施氮量，其中稻季施氮量降低64.5 kg·hm-2，麥季施氮量降低70.5 kg·hm-2；降低了施磷量，其中稻季施磷量降低18 kg·hm-2，麥季施磷量降低28.5 kg·hm-2；增加了稻季施鉀量，稻季施鉀量增加24 kg·hm-2，麥季施鉀量持平。

不同施肥處理水稻產(chǎn)量在實(shí)驗(yàn)期內(nèi)均為增加趨勢，CF處理水稻產(chǎn)量范圍為7 275～1 032 kg·hm-2，平均產(chǎn)量為8 745 kg·hm-2；TF處理水稻產(chǎn)量范圍為7 140～10 125 kg·hm-2，平均產(chǎn)量為8 490 kg·hm-2；CK處理水稻產(chǎn)量范圍為4 275～6 645 kg·hm-2，平均產(chǎn)量為5 580 kg·hm-2。方差分析表明，CF和TF處理間水稻產(chǎn)量無顯著差異，但CF和TF處理水稻產(chǎn)量顯著高于CK處理水稻產(chǎn)量(圖1)。

圖1 長期不同施肥水稻產(chǎn)量動態(tài)

不同施肥處理小麥產(chǎn)量在試驗(yàn)期內(nèi)隨年份波動，其中CF處理小麥產(chǎn)量范圍為6 240～7 320 kg·hm-2，平均產(chǎn)量為6 645 kg·hm-2；TF處理小麥產(chǎn)量范圍為6 165～7 035 kg·hm-2，平均產(chǎn)量為6 480 kg·hm-2；CK處理小麥產(chǎn)量范圍為3 750～5 310 kg·hm-2，平均產(chǎn)量為4 665 kg·hm-2。方差分析表明，CF與TF處理間小麥產(chǎn)量無顯著差異，但CF和TF處理小麥產(chǎn)量顯著高于CK處理小麥產(chǎn)量(圖2)。

圖2 長期不同施肥小麥產(chǎn)量動態(tài)

2.2 土壤理化性質(zhì)

長期施肥有效促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)含量，CF處理土壤有機(jī)質(zhì)含量高于TF和CK處理，但CF與TF處理間土壤有機(jī)質(zhì)含量無顯著差異。CF處理土壤有機(jī)質(zhì)含量變幅為22.1～29.0 g·kg-1，平均土壤有機(jī)質(zhì)含量為26.6 g·kg-1；TF處理土壤有機(jī)質(zhì)含量變幅為22.1～28.3 g·kg-1，平均土壤有機(jī)質(zhì)含量為25.8 g·kg-1；CK處理土壤有機(jī)質(zhì)含量變幅為22.1～23.4 g·kg-1，平均土壤有機(jī)質(zhì)含量為22.8 g·kg-1(圖3)。

圖3 長期不同施肥土壤有機(jī)質(zhì)含量動態(tài)

長期施肥促進(jìn)了土壤全氮含量，CF處理土壤全氮高于TF和CK處理，但兩者并無顯著差異。CF處理土壤全氮含量變幅為0.8～1.4 g·kg-1，平均土壤全氮含量為1.2 g·kg-1；TF處理土壤全氮含量變幅為0.8～1.4 g·kg-1，平均土壤全氮含量為1.1 g·kg-1；CK處理土壤全氮含量變幅為0.8～1.0 g·kg-1，平均土壤全氮含量為0.9 g·kg-1(圖4)。

圖4 長期不同施肥土壤全氮含量動態(tài)

長期施肥土壤全磷含量呈增長趨勢，無肥處理土壤全磷含量有降低趨勢。CF處理土壤全磷含量高于TF和CK處理，且在第5年和第7年CF處理土壤全磷含量顯著高于TF處理土壤全磷含量。CF處理土壤全磷含量變幅為0.75～0.82 g·kg-1，平均土壤全磷含量為0.78 g·kg-1；TF處理土壤全磷含量變幅為0.75～0.79 g·kg-1，平均土壤全磷含量為0.77 g·kg-1；CK處理土壤全磷含量變幅為0.73～0.75 g·kg-1，平均土壤全磷含量為0.74 g·kg-1(圖5)。

圖5 長期不同施肥土壤全磷含量動態(tài)

長期施肥土壤全鉀含量呈增長趨勢，無肥處理土壤全鉀含量有降低趨勢，TF處理土壤全鉀高于CF和CK處理含量。CF處理土壤全鉀含量變幅為13.0～13.4 g·kg-1，平均土壤全鉀含量為13.2 g·kg-1；TF處理土壤全鉀含量變幅為13.0～13.5 g·kg-1，平均土壤全鉀含量為13.3 g·kg-1；CK處理土壤全鉀含量變幅為12.9～13.0 g·kg-1，平均土壤全鉀含量為13.0 g·kg-1(圖6)。

圖6 長期不同施肥土壤全鉀含量動態(tài)

長期施肥土壤堿解氮含量呈增長趨勢，無肥處理土壤堿解氮含量持續(xù)降低，方差分析表明，CF和TF處理土壤堿解氮含量顯著高于CK處理，CF處理土壤堿解氮含量高于TF處理，且在第5年和第8年有顯著差異。CF處理土壤堿解氮含量變幅為120.0～156.0 mg·kg-1，平均土壤堿解氮含量為136.7 mg·kg-1；TF處理土壤堿解氮含量變幅為115.3～144.3 mg·kg-1，平均土壤堿解氮含量為128.1 mg·kg-1；CK處理土壤堿解氮含量變幅為86.0～121.0 mg·kg-1，平均土壤堿解氮含量為97.2 mg·kg-1(圖7)。

圖7 長期不同施肥土壤堿解氮含量動態(tài)

長期施肥土壤速效磷含量呈增長趨勢，無肥處理土壤速效磷含量持續(xù)降低，方差分析表明，CF和TF處理土壤速效磷含量顯著高于CK處理，CF處理土壤速效磷含量高于TF處理，且在第3、4、5、6年有顯著差異。CF處理土壤速效磷含量變幅為11.5～18.9 mg·kg-1，平均土壤速效磷含量為16.4 mg·kg-1；TF處理土壤速效磷含量變幅為11.5～17.8 mg·kg-1，平均土壤速效磷含量為17.8 mg·kg-1；CK處理土壤速效磷含量變幅為4～11.5 mg·kg-1，平均土壤速效磷含量為6.3 mg·kg-1(圖8)。

圖8 長期不同施肥土壤速效磷含量動態(tài)

長期施肥土壤速效鉀含量呈增長趨勢，無肥處理土壤速效鉀含量持續(xù)降低，方差分析表明，CF和TF處理土壤速效鉀含量顯著高于CK處理，TF處理土壤速效鉀含量高于CF處理，且在第2、5、6、7、8年有顯著差異。CF處理土壤速效鉀含量變幅為75.6～83.4 mg·kg-1，平均土壤速效鉀含量為80.3 mg·kg-1；TF處理土壤速效鉀含量變幅為75.6～88.8 mg·kg-1，平均土壤速效鉀含量為82.7 mg·kg-1；CK處理土壤速效鉀含量變幅為69.9～75.6 mg·kg-1，平均土壤速效鉀含量為72.6 mg·kg-1(圖9)。

圖9 長期不同施肥土壤速效鉀含量動態(tài)

3 討論

針對張家港市土壤養(yǎng)分及稻麥需肥特點(diǎn)，測土配方施肥主要降低了氮磷肥施用量，但增加了鉀肥施用量(表1)。Shen等[17]對蘇州太湖地區(qū)長期定位施肥的結(jié)果也表明，蘇州地區(qū)土壤普遍氮磷肥偏高，而鉀肥偏低。因此，本研究中8年的測土配方施肥量具有代表性。

連續(xù)8年的TF處理稻麥產(chǎn)量與CF處理稻麥產(chǎn)量無顯著差異，表明試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)測土配方施肥量合理科學(xué)，測土配方施肥對稻麥產(chǎn)量有較高的穩(wěn)定性[18-19]。

土壤有機(jī)質(zhì)是耕地地力的代表性指標(biāo)，土壤有機(jī)質(zhì)含量高則農(nóng)田供肥能力強(qiáng)。本研究中CF處理與TF處理土壤有機(jī)質(zhì)含量均隨種植年限延長而增加，表明長期施肥有利于促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)含量提升[20]。CF處理土壤有機(jī)質(zhì)含量略高于TF處理，可能原因是CF處理氮磷施用量及稻麥產(chǎn)量略高于TF處理，導(dǎo)致CF處理中稻麥殘茬、秸稈、根系等有機(jī)碳輸入量高于TF處理[21]。

土壤全氮、全磷、堿解氮和速效磷含量變化趨勢與土壤有機(jī)質(zhì)類似，長期大量施氮磷是造成CF處理土壤全氮、全磷、堿解氮和速效磷含量高于TF處理的主要原因。同時，盡管CF處理有較高的氮磷含量，但CF處理稻麥產(chǎn)量與TF處理并無顯著差異，表明本地區(qū)過量施氮已產(chǎn)生邊際效應(yīng)，應(yīng)加大測土配方施肥力度，進(jìn)一步降低氮磷肥施用量，提高氮磷利用率[22]。

土壤全鉀與速效鉀含量變化與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷略有不同，通過土壤診斷分析本研究區(qū)域土壤鉀元素虧缺，通過連續(xù)8年的鉀肥補(bǔ)充，TF處理土壤全鉀和速效鉀含量高于CF處理。盡管通過連續(xù)土壤補(bǔ)鉀尚未顯著提升稻麥產(chǎn)量，但有效扭轉(zhuǎn)了區(qū)域內(nèi)土壤鉀素不足的困境，有效避免了土壤缺鉀對稻麥生產(chǎn)的潛在風(fēng)險[23]。

4 小結(jié)

通過對張家港沿江地區(qū)連續(xù)8年的長期測土配方定位施肥試驗(yàn)，明確了以下三點(diǎn)：(1)現(xiàn)有測土配方施肥技術(shù)稻麥產(chǎn)量具有較高穩(wěn)定性，稻麥產(chǎn)量與常規(guī)施肥無顯著差異，稻麥平均產(chǎn)量分別可達(dá)8 490 kg·hm-2和6 480 kg·hm-2；(2)測土配方施肥顯著降低了氮磷施用量，年均氮磷施用量可分別降低135 kg·hm-2和46.5 kg·hm-2；(3)通過稻季增施鉀肥24 kg·hm-2，測土配方施肥有效提升了土壤全鉀和速效鉀含量，進(jìn)一步降低了鉀元素虧缺導(dǎo)致的稻麥減產(chǎn)風(fēng)險。