长期不同施肥对甘蔗产量稳定性、肥料贡献率 及养分流失的影响

区惠平，周柳强，黄金生，曾艳，朱晓晖，谢如林，谭宏伟，黄碧燕



长期不同施肥对甘蔗产量稳定性、肥料贡献率 及养分流失的影响

区惠平1，周柳强1，黄金生1，曾艳1，朱晓晖1，谢如林1，谭宏伟2，黄碧燕3

（1广西农业科学院农业资源与环境研究所，南宁 530007；2广西农业科学院，南宁 530007；3广西壮族自治区农业生态与资源保护总站，南宁 530000）

【目的】分析长期不同施肥对甘蔗产量稳定性、肥料贡献率及氮磷养分地表径流流失的影响，明确其对甘蔗产量、肥料利用及环境效应，为南方赤红壤蔗区合理施肥，维持甘蔗高产、稳产及降低环境污染，改善农田生态系统质量提供依据。【方法】以长期肥料径流定位监测试验为基础，选取不施肥（CK）、推荐施肥（OPT）、过量施氮（OPT+N）、过量施磷（OPT+P）4个处理，分析甘蔗蔗茎8年产量变化、肥料贡献率及氮磷地表径流流失量。【结果】在种植的前4年，CK处理甘蔗蔗茎产量急剧下降，之后保持在50 t·hm-2并趋于平衡。施肥处理不同年份间波动性较大，但在相同年份内波动较小。与CK相比，施肥显著提高甘蔗蔗茎产量和稳定性，8年平均，蔗茎产量施肥处理增幅均高达70%以上。施肥处理下，蔗茎产量OPT与OPT+P处理差异不显著，但显著高于OPT+N处理。蔗茎产量稳定性三者间均差异不显著。蔗地地力贡献率在试验前4年急剧下降，肥料贡献率急剧上升。之后，两者均基本稳定在50%左右。肥料贡献率及肥料农学利用率OPT处理均显著高于或相当于OPT+N和OPT+P处理。施肥显著提高氮磷养分地表径流流失量。过量施入氮磷肥显著增加相应氮磷流失量，但对氮（磷）肥径流流失率无显著影响。【结论】长期过量施入氮磷化肥不仅没有增产、稳产优势，还造成养分流失。推荐施肥是南方赤红壤蔗区兼顾甘蔗高产稳产、高肥料贡献率及低养分流失的较好施肥模式。

氮肥；磷肥；甘蔗产量；稳定性；肥料贡献率；养分流失

0 引言

【研究意义】农田生态系统的高产、稳产、高效、环境友好是国家粮食安全与可持续发展的关键。但在农业生产活动中，肥料施用仍存在许多不合理现象，造成作物产量稳定性差、肥料利用率低、资源浪费、养分流失和面源污染等一系列问题。因此，探讨田块尺度上作物产量、肥料利用及环境效应对合理施肥具有重要意义。【前人研究进展】在作物产量效应方面，冀建华等[1]采用AMMI模型分析25年定位施肥，发现均衡施化肥有效提高双季稻产量及产量的稳定性。而32年连续不施肥，小麦产量稳定性差[2]。门明新等[3]采用多种稳定性指数方法分析7年定位试验，发现小麦和玉米产量效应与施肥量有明显相关性，但产量稳定性与施肥量无明显关系，与氮、磷、钾肥配比明显相关。在地力贡献率、肥料贡献率及肥料农学利用率方面，门明新等[3]基于7年定位试验，发现不施氮肥，土壤氮自然供给力第1年降到59%，第2年为43%，此后稳定在40%左右。不施磷肥，土壤磷自然供给力第1年降至72%，第3年为55%，之后保持在55%左右。不施钾肥，土壤钾自然供给力第1年降为93%，第3年76%，之后基本不变。朱洪勋等[4]研究发现，黄潮土地力贡献率由1981年试验初的76.2%降至1995年的34.4%。王定勇等[5]根据定位试验，得出紫色土冬小麦地力贡献率在46.2%—55.2%。贡付飞等[6]根据基础地力产量模拟值与相应施肥实测产量模拟值的比值，计算出潮土冬小麦种植18年后NPK处理的地力贡献率为42.5%。在养分径流流失方面，大部分研究结果认为，施肥提高径流液氮磷浓度，但氮磷流失负荷因不同的土壤类型、作物类型、气候而异[7-9]。【本研究切入点】甘蔗是中国重要的糖料作物，其面积占全国常年糖料作物面积的85%以上[10]。广西水热条件丰富，是中国第一大甘蔗种植省区，无论是甘蔗栽培面积还是蔗糖产量占全国的比例均超过60%。但受地形条件的制约，70%以上的甘蔗种植在坡耕地[11]。甘蔗施肥量农户间差异很大，平均纯氮投入量370.5 kg∙hm-2，其中，小于300 kg∙hm-2的占37%，300—450 kg∙hm-2的占40%，大于450 kg∙hm-2的占23%。平均磷肥（P2O5）投入量166.5 kg∙hm-2，小于150 kg∙hm-2的占58%，150—225 kg∙hm-2的占27%，大于225 kg∙hm-2的占15%[12]。根据谭宏伟等[13]推荐的甘蔗施肥量，过量施入氮磷肥普遍存在。然而，过量施氮磷下引起的甘蔗产量、肥料农学利用率及环境的长期综合效应不清楚。【拟解决的关键问题】通过对甘蔗不同施肥方式进行8年监测，从产量、肥料贡献率、农学利用率及地表径流氮磷养分流失系统分析在分别过量施入氮、磷肥用量的前提下，南方赤红壤区甘蔗产量的稳定性及环境效应，进而明确推荐施肥下南方赤红壤区农田生态系统质量的优劣，为田块尺度上改进甘蔗-土壤系统内的养分调控，减少因过量施肥造成的养分资源浪费以及防治面源污染，促进蔗糖业持续发展奠定理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在广西武鸣区广西农业科学院里建基地（N 23°14′49.0″，E 108°2′50.2″）进行，试验区地处亚热带，属典型的湿润季风气候，海拔120 m，光热资源充足，年均气温21.7℃，年均日照时数1 660 h，年均降雨量1 300 mm，降水量分布不均，多集中在7—9月。

1.2 供试材料

1.2.1 供试作物 种植的甘蔗品种2008—2010年为新台糖22，2011—2013年为桂糖28，2014—2015年为桂糖29。

1.2.2 供试土壤 试验地耕层土壤为赤红壤，试验开始前其理化性质为：pH（H2O）5.68，有机质20.1 g·kg-1，全氮0.85 g·kg-1，全磷0.12 g·kg-1，铵态氮5.58 mg·kg-1，硝态氮0.9 mg·kg-1，速效磷11 mg·kg-1，速效钾53 mg·kg-1。

1.3 试验设计

共设4个处理：（1）无肥处理（CK）；（2）推荐施肥（OPT）；（3）过量施氮（OPT+N），氮肥施用量为OPT处理的1.5倍，磷钾肥施用量同OPT处理；（4）过量施磷（OPT+P），磷肥施用量为OPT处理的1.5倍，氮钾肥施用量同OPT处理。3次重复，随机排列。小区面积24 m2（长8 m，宽3 m），坡度5°。小区四周筑水泥作永久性田埂（宽12 cm，高40 cm，地下埋深30 cm），以减少水分在小区间串流、测渗。每个小区外对应1个独立的容积为1.5 m3的径流收集池（长3 m、宽1 m、深0.5 m），池内设有标尺杆，用于计量产流量。径流池上盖有盖子，以防雨水进入径流池。小区设置凹槽连通径流收集池。

试验始于2008年2月至2016年1月，共种植了8茬甘蔗。种植制度为1年新植蔗2年宿根蔗。其中，2008、2011和2014年均为新植年份，2009、2012和2015年为第一年宿根、2010和2013年为第二年宿根。新植时，按1 m行距种植，每小区种植3行，每行48段双芽蔗茎节，品字型双行种植。新植蔗于每年2月底种植，来年1月中下旬收获，宿根蔗于每年2月底破垄，来年1月中旬收获。

OPT处理氮磷钾肥不实行统一定量，每年具体施肥量根据上茬土壤速效养分水平，甘蔗氮、磷、钾养分吸收量及目标产量等因素调整（表1）。各处理施用的氮磷钾肥均分别为尿素、钙镁磷肥（P2O518%）和氯化钾。新植蔗氮钾肥分3次施用，基肥、分蘖肥和伸长肥分别各占20%、30%和50%。宿根蔗氮钾肥分2次施用，分蘖肥和伸长肥各占30%和70%。新植蔗和宿根蔗磷肥均做基肥一次施用。基肥施于甘蔗种植沟底，然后盖层细土（5 cm），分蘖肥与伸长肥采用撒施方式施于种植沟两旁，再培土。全生育期均无灌溉，为典型雨养农业。病虫害管理与当地甘蔗种植保持一致。

表1 推荐施肥（OPT）处理的肥料施用量

1.4 测定项目与方法

1.4.1 蔗茎样品的采集与测定 于收获期将各小区的甘蔗全部平地收获，脱叶，砍去尾梢，按实收株数测产蔗茎产量。

1.4.2 径流水样的采集和测定 在甘蔗生长周期内采集。原则上于每次降雨产流后当天采集径流水样，遇多天连续小雨，则在产生的径流池水量达到径流池体积的80%后，计算1次径流量，但最大间隔一般不超过7 d。采样前，先记录径流池内的径流水面高度，然后用清洁工具充分搅匀径流池中的径流水，迅速用500 mL塑料瓶5 s内收集径流池内水。取样后，清洗径流池内的泥沙，以备收集下次降雨后的径流。径流水样带回实验室放入4℃冰箱保存，用于总氮（TN）和总磷（TP）测定。TN用过硫酸钾氧化-紫外分光光度计法测定[14]；TP用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法[15]测定。

1.4.3 计算方法 甘蔗产量稳定性分别以统计学上的变异系数（coefficient of variation，CV）和可持续产量指数（sustainable yield index，SYI）表示，CV越大说明产量稳定性越低，SYI指数越高则说明该系统的稳定性和可持续越好。计算公式分别为[2]：

土壤地力贡献率、肥料贡献率与农学利用率的计算[16-17]。

土壤地力贡献率（%）=不施肥处理产量/施肥处理最高产量×100；

肥料贡献率（%）=（施肥处理产量-不施肥处理产量）/施肥处理产量×100；

农学利用率（kg·kg-1）=（施肥处理产量-不施肥处理产量）/（施氮量+施磷量+施钾量）×100；

肥料径流流失率（%）=（施肥处理氮（磷）流失量-不施肥处理氮（磷）流失量）/施氮（磷）量×100。

1.5 数据分析

用Microsoft Excel 2007整理数据，DPS 7.5软件分析数据，Origin 8.0软件作图。不同处理间多重比较采用Duncan新复极差法（= 0.05）。

2 结果

2.1 长期不同施肥下的甘蔗产量

由图1可以看出，随着种植年限的延长，在种植的前4年，CK处理甘蔗蔗茎产量急剧下降，后略有回升，并保持在50 t·hm-2，而施肥处理不同年份间的波动较大，呈锯齿状，但在相同年份内波动趋势基本相同，即同时上升或下降。

由图1还可以看出，OPT、OPT+N和OPT+P处理均比CK显著提高甘蔗产量，8年平均蔗茎产量提高幅度分别为83.0%、72.6%和77.5%，增幅高达70%以上。说明该区获得甘蔗高产必须施肥，施肥是提高蔗区土壤生产力的重要途径。8年蔗茎平均产量，OPT处理与OPT+P处理相当，但显著高于OPT+N处理，说明持续过量施入磷肥对产量无显著影响，但过量施入氮肥会导致甘蔗减产。

2.2 长期不同施肥下的甘蔗蔗茎产量稳定性及可持续性

表2表明，甘蔗蔗茎产量的变异系（CV）以CK处理最大，显著高于施肥处理。相反，施肥处理的SYI指数显著高于CK处理。不同施肥处理（OPT、OPT+N和OPT+P）间的CV及SYI均无显著差异。说明当施肥量充足的时候，过量施入氮磷肥对蔗茎产量的稳定性与可持续性无提高优势。

表2 长期不同施肥对甘蔗蔗茎产量变异系数及可持续性产量指数的影响

数据后不同小写字母表示不同处理在＜0.05水平上差异显著。下同

The small letters in the table indicate the data in different treatments are significantly different at the level＜0.05. The same as below

2.3 长期不同施肥下的土壤地力贡献率及肥料贡献率

土壤地力贡献率是反映土壤生产能力的指标，而肥料贡献率是肥料对作物产量的贡献率，把CK处理的产量视为土壤（地力）对产量的贡献，以其为基准进行计算，反映年投入肥料的生产能力的指标[17]。图2表明，土壤地力贡献率在试验的前4年由76.9%急剧下降至42.7%，之后回升至49.1%，并保持在50%左右浮动；长期施肥处理的肥料贡献率与地力贡献率呈显著负相关（＜0.05），前4年由19.3%—23.1%急剧增加至56.7%—57.3%，3年后逐渐下降，6年后在47%范围内波动平衡。可见，赤红壤的养分供应能力随着甘蔗种植年限的延长而下降，甘蔗产量对肥料的依赖作用逐渐增加，直至50%左右时趋于平衡。

图柱上不同小写字母表示不同处理在P＜0.05水平上呈显著差异。下同

图2 长期不同施肥对土壤地力贡献率与肥料贡献率的影响

图2还可以看出，8年肥料平均贡献率OPT处理与OPT+P处理均无显著差异（＞0.05）。但显著高于OPT+N处理（＜0.05）。说明过量施入磷肥对肥料的贡献率影响不大，但过量施入氮肥降低了肥料贡献率。

2.4 长期过量施入氮磷化肥的甘蔗肥料农学利用率

农学利用率是指单位施入养分量（N+P2O5+K2O）生产的经济收获物，反映了单位养分量增加作物产量的能力[17]。由表3可以看出，不同施肥处理肥料农学利用率的变幅为1.71—9.14 kg∙kg-1。8年平均，OPT处理显著高于OPT+N处理43.4%和OPT+P处理16.0%（＜0.05）。说明过量施入氮磷肥降低肥料农学利用率，降幅尤以过量施氮最大。

表3 长期不同施肥对甘蔗肥料农学利用率的影响

2.5 蔗地地表径流氮磷流失量和肥料径流流失率

由图3可以看出，与CK相比，施肥显著提高蔗地地表径流氮磷流失量（＜0.05），施肥处理8年氮平均流失量和磷平均流失量分别显著提高123%—195%和64%—117%。施肥处理下，氮流失量以OPT+N处理最高，显著高于OPT+P和OPT处理（＜0.05），而OPT+P处理不同年份或显著高于或相当于 OPT处理。磷流失量以OPT+P处理最高，8年平均分别高于OPT+N和OPT处理23.6%和32.0%（＜0.05），而OPT+N和OPT处理磷流失量相当，说明过量施入氮磷肥增加相应氮磷养分的地表径流流失量。

从表4可以看出，施肥处理氮肥径流流失率和磷肥径流流失率基本保持在5%以下。除了2008和2013年，其他年份，OPT、OPT+N和OPT+P 3个处理氮肥径流流失率和磷肥径流流失率均无显著差异。

3 讨论

3.1 施肥与甘蔗产量

作物生产的主要目标是提高产量[18]。产量的年际波动图可从时间上分析产量变化过程及趋势。不施肥的作物产量是土壤基础地力和环境的综合表现，在一定环境中不施肥作物的产量变化可以反映土壤基础地力演变状况。本试验结果显示，CK处理在试验前4年甘蔗蔗茎产量急剧下降，4年后虽略有波动，但年际波动较为缓和，这主要与土壤基础地力的稳定性有关。众多研究表明，有机质是土壤基础地力的主要影响因素[6,19-20]，其易分解组分经过矿化和腐殖化形成的腐殖质稳定性高，分解缓慢。本研究中，由于土壤基础地力处于中等水平（有机质20.1 g·kg-1），因此，在经过一定年限后，土壤基础地力贡献率仍可稳定在一个较高水平（50%）。另一方面，农田下垫面大气氮沉降对作物产量的贡献作用在不断增强[21]。

图3 长期不同施肥对蔗地地表径流氮磷流失量的影响

表4 长期不同施肥对肥料径流流失率的影响

3个施肥处理蔗茎产量年际波动均较为剧烈，呈锯齿状，但在相同年份内波动趋势相同。将一个轮作年度内的甘蔗产量分别与月降雨量进行分析，发现新台糖22的产量与9月份的降雨量呈极显著相关，而桂糖28号与当年5月份的降雨量呈极显著相关（数据未列出），因此，当施肥量充足的时候，甘蔗蔗茎产量的时间动态变化可能与不同甘蔗品种对生长季节的气候敏感度不同有关。这在其他研究中已经得到证实[22-23]。

甘蔗年均产量差异可反映施肥对甘蔗产量影响的长期积累效果。试验结果显示，与CK相比，施肥均能显著提高甘蔗蔗茎产量，说明施肥是南方赤红壤蔗区甘蔗产量提高的关键。从8年甘蔗蔗茎的平均产量来看，OPT处理与OPT+P处理相当，但显著高于OPT+N处理。说明过量施磷对甘蔗产量无显著影响，但过量施氮会降低甘蔗产量。这与廖文华等[24]在潮褐土蔬菜上的研究结果一致，究其原因与土壤供磷强度有关。当土壤供磷水平较高或高于一定值时，增施磷肥会降低磷肥利用效率，引起作物无增产效应[25-26]。本研究中，OPT与OPT+P处理均能较CK显著提升土壤速效磷含量，尤其OPT+P处理，磷在土壤中的累积量更大，土壤供磷强度增加，从而导致两者产量无显著差异。而过量施氮容易降低旗叶光合速率、群体冠层光合速率和作物生长速率从而抑制产量[27]。

综合比较4个处理甘蔗蔗茎产量的稳定性和可持续性，CK的甘蔗蔗茎产量CV最大，SYI最小，而施肥则可有效降低CV，提高SYI。说明不施肥条件下甘蔗的抗逆性较差，易造成产量大幅波动，施肥则有利于降低环境、生物与人为因素等对产量的影响，维持该生态系统的稳定性[28]。施肥处理间的CV和SYI均无显著差异，说明施肥虽然是增产的主要因素，但当施肥量已经充足的时候，过量施入氮磷肥并不增强蔗茎产量的稳定性。这与门明新等[3]的研究一致。

3.2 施肥与地力贡献率、肥料贡献率、肥料农学利用率

现代作物生产必须根据作物的施肥效应合理配置肥料资源，在保证作物高产的前提下，提高地力及肥料利用效率[17]。长期、多点、多区域的肥料试验证明，肥料贡献率及肥料农学利用率受作物类型、土壤条件、气候、施肥措施和其他因素的影响[17,29]。本研究结果显示，OPT处理与OPT+P处理8年肥料的平均贡献率无显著差异（＜0.05），但显著高于OPT+N处理。肥料8年平均农学利用率OPT处理显著高于OPT+N和OPT+P处理，说明长期高量施入氮磷肥不仅造成肥料贡献率和农学利用率的下降，还可能成为环境污染的潜在威胁因子。

3.3 施肥与径流养分流失、肥料径流流失率

研究结果显示，施肥对蔗地氮排放负荷的短暂性增加有很大的贡献[8]。年施入N 94 kg∙hm-2较180 kg∙hm-2可显著降低蔗地地表径流氮损失[9]。土壤侵蚀是蔗地磷流失的一个重要机制，径流水中89%的磷以颗粒态形式存在[30]。蔗地地表径流水的水质与径流沉淀物密切相关[31]。这些结果说明施肥可能通过作用于土壤肥力而影响径流养分损失。

本研究结果表明，施肥显著提高蔗地地表径流氮磷流失量，尤其过量施入氮磷肥会显著提高相应氮磷养分的径流流失量。这主要是在同一气候、土壤条件下，养分投入量是影响径流水中氮磷养分浓度高低的主要原因[32]。本试验结果还显示，OPT、OPT+N和OPT+P处理的氮（磷）肥径流流失率相当，即推荐施肥在氮（磷）流失量方面虽然比过量施氮和过量施磷处理显著下降，但氮（磷）肥径流流失率却未有一致表现。原因是推荐施肥在降低氮（磷）流失量的同时相应降低了氮（磷）肥的投入量。

4 结论

长期推荐施肥有利于提高甘蔗产量及其稳定性，而过量施氮、过量施磷对甘蔗产量及其稳定性无显著提高作用。相反，降低了肥料贡献率和农学利用率，促进了相应养分的径流流失量。因此，过量施氮和过量施磷不仅没有增产、稳产优势，还显著造成资源浪费和养分流失。在南方赤红壤蔗区，推荐施肥是一种兼顾甘蔗稳产高产和径流养分流失低的较好施肥措施。

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（责任编辑 李云霞）

Effects of Long-Term Different Fertilization on Sugarcane Yield Stability, Fertilizer Contribution Rate and Nutrition Loss

OU HuiPing1, ZHOU LiuQiang1, HUANG JinSheng1, ZENG Yan1, ZHU XiaoHui1, XIE RuLin1, TAN HongWei2, HUANG BiYan3

(1Agricultural Resources and Environmental Research Institute, Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning 530007;2Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning 530007;3Agricultural Ecology and Resource Protection Central Station, Guangxi Autonomous Region, Nanning 530000)

【Objective】This study was conducted to explore the response of the sugarcane yield stability, fertilizer contribution rate and N, P loss in runoff under long-term different fertilization, with an aim to provide scientific references for establishing the optimal fertilization pattern and promoting the sustainable production of sugarcane as well as the quality of agroecosystem improvement.【Method】Four different fertilization treatments (non-fertilization (CK), optimum fertilization (OPT), application of 50% N increase based on OPT (OPT+N) and application of 50% P2O5increase based on OPT (OPT+P)) were chosen from an 8-years fertilization filed experiment. The changes of annual sugarcane stem yield, fertilizer contribution rate and N, P loss in runoff were investigated. 【Result】At the first 4 years of planting, sugarcane yield declined sharply, and then kept equilibrium around 50 t·hm-2, while fertilization treatments showed a fluctuation in different years, and kept the same trend in the same year. Fertilization significantly increased the sugarcane yield and its stability. With an average of 8 years, sugarcane yield under fertilizer treatments was 70% higher than that under CK. However, there was no significant increase between OPT and OPT+N treatments in sugarcane yield, while OPT was higher than OPT+N treatment. There was no significant difference among fertilizer treatments in sugarcane yield stability. The soil contribution rate in sugarcane field declined sharply at the first 4 years of planting, while fertilizer contribution rate showed the opposite trend, and then both of them basically stabled at around 50%. Both of fertilizer contribution rate and agronomic efficiency in OPT treatment were significantly higher than or equal to OPT+N and OPT+P treatments. Fertilization significantly increased N and P runoff loss. Excessive application of N and P fertilizer significantly increased the corresponding N and P loss, but not N (P) fertilizer loss rate. 【Conclusion】 Excessive application of N and P not only had no advantage in sugarcane yield and its stability, but also resulted in waste of resources and increase of nutrient loss. OPT treatment was a better fertilization model for high and stable yield of sugarcane, high fertilizer contribution rate and low nutrient loss.

N fertilizer; P fertilizer; sugarcane yield; stability; fertilizer contribution rate; nutrient loss

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.10.012

2017-06-27；

2017-09-30

农业部科技专项（201003014、201203030、201203021）、广西农科院项目（2015JZ10、2015JM32、2015YT30、2015YT38）、桂科合14125008-2-156，广西自然科技基金（2015GXNSFAA139098）

区惠平，E-mail：ouhuiping2006@163.com。通信作者谭宏伟，E-mail：hongwei_tan@163.com