基于“3414”试验的早稻施肥效应与推荐肥料研究

叶祥盛，文建平

(1.华中农业大学 资源与环境学院，湖北 武汉 430070;2.江西省吉安市农业局，江西 吉安 343000)

肥料施用在保障国家粮食安全中占据非常重要的地位，对粮食增产的贡献率中占50%以上［1－2］。我国是世界最大的化肥生产国和消费国，目前化肥施用量接近世界总量的1/3［3－4］。然而，在施肥实践中增肥不增产或增产不增收、土壤养分过量累积、养分利用效率下降和面源污染等问题日显突出［5］。由此导致农业生产成本过高、农民农业生产积极性下降、过量施肥引起的环境风险等，严重地制约了中国农业生产和生态环境的可持续发展。为了解决这个问题，我国从2005年开始开展测土配方施肥研究，其核心技术包括“测土、配方、配肥、供应、施肥指导”五个环节，以实现作物高产、肥料高效、环境友好和农业可持续发展。利用测土配方施肥的成果，建立我国不同生态区作物土壤养分分级指标，并确定作物相应的推荐施肥量是实现上述目标的关键［6］。土壤养分指标法是指采集耕层土壤进行有效养分测定，然后根据测定值属于哪个肥力等级，判断该土壤中某营养元素丰缺程度，以此决定需要施肥量，是目前国际上最通用的推荐施肥方法［7－9］，也是当前全国测土配方施肥工作中主推的施肥方法之一。农业部2008年3月制定的《测土配方施肥技术规范》，建议把相对产量＜50%划分为极低等级、50%～60%为低等级、60% ～70%为较低等级、70% ～80%为中等级、80% ～90%为较高等级、＞95%为高等级。我国在20世纪80年代开展的第二次全国土壤普查中，建立了主要土壤的类型和主要大田作物土壤养分分级指标［10－12］，极大地推动了当时配方施肥技术的发展。20多年来，随着我国农业生产体制的转变，以及大田作物品种、产量水平、栽培方式、施肥方式和土壤肥力等方面的变化［13－14］。原来的技术指标体系已不能完全适应当前生产需求，需要修正、并建立新的技术指标体系［15］。因此，全国在不同农业生态区、不同作物体系进行了大量的“3414”田间试验。“3414”试验设计和方案最先由农业部从国外引进向全国测土施肥项目推荐，全国试验区统一执行，其含义为氮、磷、钾3个肥料因素，每个因素4个施肥水平，共14个处理的肥料试验方案。水稻是江西省吉安市的主要粮食作物，其主要种植双季稻，也有少量的单季稻。本研究以试验点土壤肥力为依据，通过田间试验，研究最佳施肥量和最佳施肥配比，主要报告吉安市早稻“3414”田间试验的施肥效应及推荐的最佳施肥量，为吉安水稻生产实现高产高效的科学施肥技术提供依据，也为我国其它地区水稻高效施肥技术的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验数据来源于江西省吉安市13个测土配方施肥项目县(市、区)共14个试验点连续3年(2008—2010年)的早稻“3414”试验，同一个点在同一田块进行。包括井冈山市、吉州区、青原区、新干县、永丰县、吉安县、万安县、吉水县、永新县、安福县、泰和县、峡江县和遂川县。各地土壤肥力为:pH在4.48 ～5.49，平均为 4.98;有机质含量在 26.1 ～34.4 g/kg，平均为 30.2 g/kg;碱解氮在 116.3 ～209.7 mg/kg，平均为162.9 mg/kg;有效磷在 11.7 ～30.6 mg/kg，平均为 21.1 mg/kg;速效钾在 61.2 ～123.4 mg/kg，平均为92.3 mg/kg。土壤样品采集在试验前进行，采样深度0～20 cm，同一地块随机多点取样形成混合样。试验的早稻品种为当地主要种植品种，包括金优463、湘丰优402、早优11、株两优02、淦鑫203、早糥二号、湘早籼7号、湘早籼45号、陆两优28和嘉早324等。

“3414”试验为氮、磷、钾3个肥料因素，每个肥料因素设置4个施肥水平，共14个处理的肥料试验，不设重复，以多点多年为基础数据统计试验效果。4个施肥水平分别为:0水平(不施肥，作为对照)，2水平(当地最佳施肥量的近似值)，1水平=2水平×0.5(施肥不足水平)，3水平=2水平×1.5(施肥过量水平)。14 个处理分别为:(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，各处理中 N，P，K的下角标0，1，2，3分别表示4个施肥水平。各县(市、区)水稻“3414”试验连续3年2水平氮(N)、磷(P2O5)、钾肥(K2O)的施用量见表1。各试验小区面积均为20 m2，各小区采用单打单收获取产量。

1.2 数据处理及方法

1.2.1 建立土壤N、P、K养分分级指标 采用农业部推荐的“3414”试验数据处理和统计方法，根据水稻产量结果计算出相对产量，以直线方程获得相对产量与对应土壤速效养分测试值之间的数学关系式。最后计算出相对产量50%、60%、70%、80%、90%和95%的土壤养分含量，以此划分土壤养分分级指标。

表1 江西省吉安市水稻“3414”试验2水平肥料施用量Tab.1 The fertilizer rates of the second level on rice“3414”field experiments in Ji’an，Jiangxi

相对产量的计算方法:将单因素处理试验中缺素区产量与最高产量区产量相比较得出相对产量，即N试验处理⑵、⑶、⑹、⑾中缺氮处理⑵的产量与最高产量相比较，获得氮的相对产量。同样，P试验处理⑷、⑸、⑹、⑺中缺磷处理⑷的产量与最高产量相比较;K试验处理⑻、⑼、⑹、⑽中缺钾处理⑻的产量与最高产量相比较。

1.2.2 氮、磷、钾肥推荐施肥量的计算方法 氮、磷、钾肥推荐施肥量的计算参考王圣瑞等［16］、Cerrato和Blackmer［17］的方法。首先对吉安市2008—2010年所有“3414”试验数据进行分析，设定早稻产量为目标y，肥料用量为变量x，分别采用三元二次、一元二次和线性加平台肥料效应模型进行模拟，选择合适的肥效模型，然后根据肥效模型计算每个试验点最高产量时氮、磷、钾肥的施用量和通过边际效应分析确定每个试验点的最佳经济时氮、磷、钾肥施肥量。

选择三元二次肥料效应模型进行拟合，所采用的方程为:

(1)式中，y为籽粒产量，x1、x2和x3分别为N、P2O5和K2O用量。如果上述方程拟合成功(二次项系数为负值，一次项系数为正值，F检验显著)，根据边际收益(dy/Py)等于边际成本(dx/Px)的原则，即dy/dx=Py/Px计算最佳经济施肥量，分别以 x1、x2、x3为变量，对方程(1)两边求导，得到下面方程组:

Px1、Px2、Px3和Py分别为N、P2O5、K2O和粮食价格，把三元二次方程系数bi值、肥料和粮食价格代入上述方程组，解方程组即可得到最佳氮、磷、钾肥用量。

选择一元二次肥料效应模型进行拟合，所采用的方程为:

(5)式中，y为籽粒产量，x为肥料用量，a为截距，b为一次回归系数，c为二次回归系数，选用处理⑵、⑶、⑹、⑾的产量结果模拟氮肥的推荐用量，选用处理⑷、⑸、⑹、⑺的产量结果模拟磷肥的推荐用量，选用处理⑹、⑻、⑼、⑽的产量结果模拟钾肥的推荐用量，如果上述方程模拟成功(二次项系数为负值，一次项系数为正值，F检验显著)，根据边际收益等于边际成本的原则，即dy/dx=Py/Px计算最佳经济施肥量。以x为变量，对方程两边求导，得到方程:

Px为养分N、P2O5或K2O的价格，Py为粮食价格，把一次回归系数b值、二次回归系数c值、肥料和粮食价格代入上述方程，解方程即可得到最佳氮、磷、钾肥用量。

选择线性加平台肥料效应模型进行拟合，所采用的方程为:

(3)和(4)式中，y为籽粒产量，x为肥料用量，a为截距，b为回归系数，C为直线与平台的交点(即最佳施肥量)，p为平台产量(即最高籽粒产量)。

计算时，N、P 、K 肥以 N、P2O5和 K2O 计，2008 年平均价格分别为5.2，6.7，6.7 元/kg，早稻价格为1.9 元/kg，2009 年肥料平均价格4.6，6.0，5.7 元/kg，早稻价格为 1.9 元/kg，2010 年肥料平均价格为4.1，5.8，5.3元/kg，早稻价格为2.1元/kg(肥料价格和粮食价格以吉安市市场价格均值计算)。最后对每个试验点土壤速效养分含量与对应的最佳施肥量进行分析，从而确定在不同的养分分级水平下适宜的推荐施肥量。所有方程的拟合、最佳施肥量的计算以及图表制作均采用Excel 2003软件和“3414”实验分析器SG－2.2。

图1 早稻缺氮相对产量与土壤碱解氮含量关系(n=42)Fig.1 The relationship between soil alkali nitrogen content and rice relative yield

2 结果与分析

2.1 速效氮、磷、钾养分分级指标的建立

2.1.1 土壤碱解氮分级指标的建立 根据江西省吉安市早稻试验缺氮处理的相对产量与试验前土壤碱解氮含量作散点图，并求得直线回归方程(图1)。

14个试验点3年土壤碱解氮含量与缺氮处理早稻相对产量建立的模型关系式为Y=0.1722X+50.191，其相关系数为0.475(r0.05=0.288，n=42)，相关性达到显著水平。本试验所有早稻试验缺氮处理相对产量在62.8% ～89.9%，平均为76.35%，将相对产量60%、70%、80%和90%带入直线方程，求出对应的土壤碱解氮含量分别为57.0，115.0，173.1，231.2 mg/kg，即为土壤碱解氮分级指标值。因此，本研究将土壤碱解氮分为4级:相对产量在60% ～70%，土壤碱解氮含量在57.0～115.0 mg/kg为低等级;相对产量在70% ～80%，土壤碱解氮含量在115.0～173.1 mg/kg为中等级;相对产量在80% ～90%，土壤碱解氮含量在173.1～231.2 mg/kg为较高等级;相对产量大于90%，土壤碱解氮含量大于231.2 mg/kg为高等级。考虑到实际操作简便，将土壤碱解氮指标值进一步简化，即土壤碱解氮含量低于60 mg/kg的土壤为较低等级，在60～110 mg/kg的土壤为低等级，在110～170 mg/kg的土壤为中等级，在170～230 mg/kg的土壤为较高等级，大于230 mg/kg为高等级。

2.1.2 土壤有效磷分级指标的建立 根据江西省吉安市早稻试验缺磷处理的相对产量与试验前土壤有效磷含量作散点图，并求得直线回归方程(图2)。

图2 早稻缺磷相对产量与土壤有效磷含量关系(n=42)Fig.2 The relationship between soil available phosphorus content and rice relative yield

14个试验点3年土壤有效磷含量与缺磷处理早稻相对产量建立的模型关系式为Y=0.1885X+91.805，其相关系数为 0.350(r0.05=0.288，n=42)，相关性达到显著水平。本试验所有早稻试验点缺磷处理相对产量在91.1% ～100%，平均值为95.8%，将相对产量95%带入直线方程，求出对应的土壤有效磷含量16.9 mg/kg，即为土壤有效磷分级指标值。因此，将土壤有效磷分2级，即缺磷处理相对产量在90% ～95%，土壤有效磷含量在10～16.9 mg/kg为较高等级;缺磷处理相对产量高于95%，土壤有效磷含量高于16.9 mg/kg为高等级。考虑到实际操作的方便性，将土壤有效磷的指标值进一步简化，即土壤有效磷含量低于10～17 mg/kg的土壤为较高等级，高于17 mg/kg的土壤为高等级。

2.1.3 土壤速效钾分级指标的建立 根据江西省吉安市早稻试验缺钾处理的相对产量与试验前土壤速效钾含量作散点图，并求得直线回归方程(图3)。14个试验点3年土壤速效钾含量与缺钾处理早稻相对产量建立的模型关系式为Y=0.0886X+82.785，其相关系数为 0.409(r0.05=0.288)，相关性达到显著水平。本试验所有早稻试验点缺钾处理相对产量在83.0% ～94.9%，平均值为 90.8%，将相对产量90%和95%带入直线方程，求出对应的土壤速效钾含量分别为81.5和138.0 mg/kg，即为土壤速效钾分级指标值。因此，本研究将土壤速效钾的分为3级，相对产量在80% ～90%，土壤速效钾含量在60～81.5 mg/kg为中等级;相对产量在90% ～95% ，土壤速效钾含量81.5～138.0 mg/kg为较高等级;相对产量在95%以上，土壤速效钾含量大于138.0 mg/kg为高等级。考虑到实际操作简便，将土壤速效钾指标值进一步简化，即土壤速效钾含量在60～80 mg/kg中等级，介于80～140 mg/kg为较高等级，大于140 mg/kg为高等级。

图3 早稻缺钾相对产量与土壤速效钾含量关系(n=42)Fig.3 The relationship between soil available potassium content and relative yield of rice

2.2 确定氮肥、磷肥和钾肥的推荐施用量

对江西省吉安市3年“3414”试验进行三元二次回归分析，42个试验模拟成功仅有3个，成功率仅为7%。氮、磷、钾分别进行一元二次拟合，氮拟合成功31个，成功率为74%;磷拟合成功5个，成功率为12%;钾拟合成功19个，成功率为45%。对于分别采用一元二次方程拟合不成功的试验点再用线性加平台方程进行拟合，氮拟合成功6个，成功率为55%;磷拟合成功22个，成功率为59%;钾拟合成功14个，成功率为42%(表2)。对所有方程拟合不成功且增产效果不明显的点，本研究设定最佳施肥量为0;对于推荐施肥量高于试验的最高施肥量的点，设定试验的最高施肥量为推荐施肥量。

2.2.1 氮肥推荐施用量指标体系的建立 在江西省吉安市14个试验点三年42个“3414”试验中，试验点土壤碱解氮含量在110～170 mg/kg，属于中等级的试验35个，肥料效应方程计算的氮肥推荐用量为152～196 kg/hm2，平均为173 kg/hm2;试验点土壤碱解氮含量在170～230 mg/kg，属于较高等级的试验7个，肥料效应方程计算的氮肥推荐用量为118～162 kg/hm2，平均为136 kg/hm2。同时，42个试验点氮肥最高施肥量为196～291 kg/hm2，平均值为263 kg/hm2，因而取施氮量260 kg/hm2为极低等级的土壤推荐施肥量为上限。考虑到实际操作的简便，等级划分进行适当调整后确定了在不同碱解氮分级指标范围内氮肥推荐施肥量(表3)。

2.2.2 磷肥推荐施用量指标体系的建立 在江西省吉安市14个试验点三年42个“3414”试验中，试验点土壤有效磷含量为10～17 mg/kg，属于较高等级的试验有21个，肥料效应方程计算的磷肥推荐用量为34～67 kg/hm2，平均为51 kg/hm2;试验点土壤有效磷含量大于17 mg/kg，属于高等级的试验有21个，肥料效应方程计算的磷肥推荐用量为0～34 kg/hm2，平均为28 kg/hm2。同时，42个试验点磷肥最高施肥量为35～116 kg/hm2，平均值为91 kg/hm2，因而取90 kg/hm2为高等级土壤推荐施肥量为上限。考虑到实际操作的简便，等级划分进行适当调整后确定了在不同有效磷分级指标范围内磷肥推荐施肥量(表4)。2.2.3 钾肥推荐施用量指标体系的建立 在江西省吉安市14个试验点3年的42个“3414”试验中，试验点土壤速效钾含量小于80 mg/kg，属于中等级的试验有12个，肥料效应方程计算的钾肥推荐用量为94～121 kg/hm2，平均为113 kg/hm2;试验点土壤速效钾含量80～140 mg/kg，属于较高等级的试验有30个，肥料效应方程计算的钾肥推荐用量为54～92 kg/hm2，平均为76 kg/hm2。同时，42个试验点钾肥最高施肥量为105～156 kg/hm2，平均值为131 kg/hm2，因而取130 kg/hm2为高等级土壤推荐施肥量为上限。考虑到实际操作的简便，等级划分进行适当调整后确定了在不同速效钾分级指标范围内钾肥推荐施肥量(表5)。

表2 42个“3414”田间试验施肥效应方程拟合成功率比较Tab.2 Comparison on the percentage of successful fertilization effect models for forty-two“3414”field experiments

表3 土壤碱解氮分级指标和氮肥推荐施用量Tab.3 The alkali nitrogen classification indexes and nitrogen fertilizer recommendation rates

表4 土壤有效磷分级指标和磷肥推荐施用量Tab.4 The available phosphorus classification indexes and phosphorus fertilizer recommendation rates

表5 土壤速效钾分级指标和钾肥推荐施用量Tab.5 The available potassium classification indexes and potassium fertilizer recommendation rates

3 讨论与结论

3.1 土壤养分分级指标

建立合理的土壤养分分级指标是有效利用土壤养分测试值进行推荐施肥的基础，缺素区相对产量是制定土壤养分分级指标的重要参数［9］。国内外科研工作者曾用不同的相对产量值进行土壤分级，特别是农业部2008年3月制定的《测土配方施肥技术规范》，建议把相对产量＜50%划分为极低等级、50% ～60%为低等级、60% ～70%为较低等级、70% ～80%为中等级、80% ～90%为较高等级、＞95%为高等级。本文42个试验中碱解氮的含量虽然较高(116～209 mg/kg)，但相对产量(60% ～90%)却很低，施用氮肥增产效果非常明显。其原因一方面当前推广杂交高产水稻对氮的需求较多，因此，相应土壤碱解氮丰缺临界值也随之提高。有效磷含量分布在11～31 mg/kg，按土壤有效磷丰缺指标属于高等级水平［19］，相对产量均较高，为90% －100%。42个田间试验中，有6个试验施磷肥没有增产，占14%，另有16个试验增产效果不明显，占44%。可见江西省吉安市水稻土有效磷含量比较丰富，施磷效果不明显，在生产实践中要因土酌情施用磷肥。速效钾含量较高(61～119 mg/kg)，相对产量为(85% ～95%)，施用钾肥有一定的增产效果。施钾效果好于施磷，在实践生产中，要注意增施钾肥。由此可见施用氮肥效果大于钾肥，钾肥又大于磷肥。

3.2 施肥模型的选择与推荐施肥

施肥效应模型的建立与应用是施肥技术研究的一个重要方面。本文研究采用采用三元二次模型、一元二次方程或一元一次方程加平台模型进行拟合，结果发现采用三元二次模型拟合试验成功率低，仅为7%。因此，所有结果均采用一元二次方程或一元一次方程加平台模型拟合。结合以往研究分析，导致三元二次模型拟合试验成功率低的原因可能有几点:①“3414”试验的2水平设计为最佳施肥量，即当地最佳施肥量的近似值，但有些试验点把握不准确，有些甚至与实际需求的最佳施肥量有较大的差距。②水稻大田管理较难，有些试验点施肥量可以严格控制，但排灌控制不严，甚至有漫排和漫灌现象，导致窜肥和肥料损失现象严重，可能是导致试验成功率低的一个主要原因。③“3414”试验方案的主要特点就是多年多点试验结果的综合分析，它的一个不足就是难以统一品种，均以当地推广品种为主，这样种植品种的差异也可能导致一定的不确定性。④三元二次模型同时涉及3个变量，因素越多条件越难控制，误差也就越大，这也是其拟合成功率低的原因之一。因此，总体肥料效应不能按三元二次肥料效应回归模型拟合，这与以往许多报道相一致［6，16，18］。因而，本研究试验点全部采用一元二次模型进行拟合，对一元二次模型拟合不成功的，使用线性加平台模型进行拟合。对模型计算出的推荐施肥量高于试验最高施肥量的点，设定试验最高施肥量为最佳施肥量，对于拟合均不成功且增产效果不明显的点，设定最佳施肥量为0。江西省吉安市缺氮相对产量(60% ～90%)很低，推荐最佳施肥量为120～240 kg/hm2，施用氮肥增产效果非常显著;缺磷相对产量(90% －100%)高，推荐最佳施肥量为0～70 kg/hm2，施磷效果不明显，在生产实践中要因土酌情施用磷肥。缺钾相对产量(85% ～95%)较高，推荐最佳施肥量为50～120 kg/hm2，施用钾肥有一定的增产效果。本文根据产量数据及其建立的一元二次模型推荐的施肥量中，氮推荐(最高)，磷、钾施肥量与目前农作物生产高产高效的施肥水平相近，而推荐(最高)氮肥施用量偏高。说明，农业生产中氮肥高效合理施用、及其与其它农艺栽培措施相结合的技术研究有待进一步深入提高，这对减氮增效、提供肥料利用率具有很大的潜力。

3.3 “3414”试验方案的应用价值

“3414”试验是目前我国测土配方项目研究采用的主要试验方案，其主要涉及氮、磷、钾三大养分因素，每因素4个处理，以当地最佳施肥量的近似值或农民习惯施肥量为基准水平，增设空白、减量和增量水平，比较各处理的肥料效应，进一步根据土壤基础肥力，给出合理或最佳的推荐施肥量。试验设计比较理想、合理，再加上不设重复，因此试验工作相对简单。但田间试验涉及很多影响因素，试验没有重复，一年一点的结果难以说明试验结果的可靠性和准确性。所以应用“3414”试验开展肥效试验研究，必需通过多年多点试验，屏蔽区域土壤和年份等误差，给出合理可信的推荐施肥量。本研究利用3年42个田间试验，研究结果对当地水稻施肥有较好的指导和参考意义。

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