三江平原草甸白浆土水田氮肥优化研究及应用——以前进农场为例

王秋菊，李鹏绯，刘 峰，焦 峰，姜 辉

（1．黑龙江省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2．黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150086；3．黑龙江省农垦总局建三江分局，前进农场现代农业发展中心，黑龙江 富锦 156331；4．黑龙江八一农垦大学，黑龙江 大庆 163319；5．黑龙江农业科学院科研处，黑龙江 哈尔滨 150086）

三江平原是黑龙江省主要水稻产区，2017年水田面积225.93万hm2，占黑龙江省水稻总面积的60%［1］。白浆土是三江平原地区主要耕地土壤，占全区耕地面积的25.27%［2］。白浆土作为旱田土壤，由于土体中存在瘠薄紧实的白浆层，土壤易旱易涝，抗灾能力弱，作物产量低而不稳；改为水田后，原来障碍的白浆层变为保水层，从根本上解决了白浆土旱涝问题，低产土壤变为稳产土壤。但白浆土黑土层薄、养分储量少，水稻生产中每年都要施入大量氮肥以维持高产，水稻生产中为片面追求产量而盲目大量施肥现象十分普遍，不仅导致肥料利用率低，而且生产效益下降［3］。三江平原水田开辟时间短，多为30～40年，有的甚至只有几年，总体看白浆土辟为水田后土壤肥力呈增加趋势，即随种稻年限增加，土壤有机质呈上升趋势，种稻10年后，土壤有机质含量增加5.52 g·kg-1，种稻20年后土壤有机质增加7.51 g·kg-1［4-5］。水稻施肥要根据土壤肥力变化特征而相应调整，才能实现肥料高效利用，达到高产、高效之目的。

为提高肥料的增产效益，农业部相继组织开展了测土配方施肥项目，为指导科学施肥提供了很好的理论依据［6］。但在具体实施方面，由于普遍存在的取样、化验分析以及田间试验误差的累积效应导致土壤养分数据与作物产量相关性不良，因此，用土壤养分含量为基础确定施肥量方法的测土配方施肥技术在实际应用中存在很大风险［7-9］。在作物所需的三要素中，氮肥对水稻产量影响最大［10-12］，水稻缺氮产量会降低20%～30%。我国水稻氮肥用量高，利用率也明显低于其他水稻主产国［13-15］，特别是过量投入氮肥导致水稻倒伏、贪青，甚至招致严重病虫害而大幅度减产的现象时有发生，不仅降低产量和品质，还浪费资源、污染环境［16-18］。另外，大量施用氮肥导致边际生产率下降，效益降低［19-20］。由此可见，科学地施用氮肥对于提高水稻产量和品质、增加农民收入具有重要意义。

本文以三江平原的草甸白浆土为供试土壤，以氮肥用量为切入点开展氮肥优化技术研究。通过汇总多点试验结果总结出氮肥用量—水稻产量对应关系，提出草甸白浆土水稻氮肥优化施用技术，并在大面积生产上进行验证，为草甸白浆土水稻科学施氮提供可靠的技术参考。本研究各个试验点在同一区域内，气候条件一致，土壤均为草甸白浆土，研究成果可直接应用于指导当地水稻施肥。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验在黑龙江农垦总局建三江分局前进农场境内10个管理区草甸白浆土上进行，前进农场位于三江平原腹地，地处北纬 47°34′，东经 132°17′。每个管理区一个试验点，共10个试验点，各试验点位置及具体情况见表1。

表1 试验地点及基本情况

1.2 供试土壤

草甸白浆土是前进农场的主要水田土壤，也是三江平原白浆土的典型代表。草甸白浆土土壤剖面特征见图1，土壤剖面由4个发生层次构成：第一层是黑土层，平均厚度为15～25 cm，有机质丰富，适合于作物的生长发育；第二层是白浆层，平均厚度18～22 cm，土壤紧实、片状结构，是作物根系生长的障碍层次；第三层是淀积层，平均厚度45～55 cm，小核状结构，土质粘重；第四层是母质层，为黄色粘土，厚度5～11 m［21］。各试验地点草甸白浆土的化学性质见表2。土壤有机质为32.12～48.23 g·kg-1，碱解氮为113.86～199.51 mg·kg-1，有效磷为11.09～36.97 mg·kg-1，速效钾为 113.86 ～ 199.51 mg·kg-1。

图1 草甸白浆土剖面

1.3 试验设计

试验于2016年实施，借鉴了‘3414’试验的设计施肥量，共设置4个氮素施肥水平，分别为N0：不施氮处理，N1：施氮46.65 kg·hm-2，N2：施氮93.15 kg·hm-2，N3：施氮 139.80 kg·hm-2，开展氮肥不同施用量试验。小区面积200 m2，每个处理3次重复，具体田间施肥量见表3。

施肥方式：氮肥施用按照基肥、蘖肥和穗肥3个时期施入，氮肥总量的40%作为基肥施入，氮肥总量的30%作为蘖肥施入，氮肥总量的30%作为穗肥施入；磷肥的施用量按照五氧化二磷65.25 kg·hm-2作为基肥一次施入；钾肥的施用量按照氧化钾67.5 kg·hm-2施入，总量的60%作为基肥施入，总量的40%作为穗肥施入。

1.4 调查项目与方法

土壤样品采样：每个小区按照S型取样方法取5点，取0～20 cm土层土壤，5点土壤混合后按照四分法留500 g左右土样带回实验室备用。

植株样品取样：在水稻成熟期，每个处理按照对角线法选择3个点，每点取代表性植株样品10株，每小区30株，分离茎秆和籽粒，烘干后测定生物产量和经济产量，粉碎待测化学养分。

表2 各个供试地点土壤基本情况

表3 不同氮素施用量试验 （kg·hm-2）

土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定；碱解氮采用扩散吸收法测定；土壤有效磷含量采用碳酸氢钠提取比色法测定［22］；速效钾含量采用乙酸铵浸提-原子吸收光谱法测定；植株采用硫酸-过氧化氢消煮，全氮采用凯氏定氮法，全磷采用钼锑抗钒钼黄比色法，全钾采用原子吸收分光光度法测定［23］。

水稻产量测定：水稻成熟后每区按随机法取3点，每点1 m2进行考种测产。为消除不同处理含水量差异，采用谷物水分测定仪分别测定籽实含水量，并折合成14%含水量计算产量。

收获指数=单位面积籽实产量（经济产量）/单位面积生物产量×100%

氮肥农学利用效率=（施氮区水稻产量-无氮区水稻产量）/施氮量氮肥偏生产力=施氮区水稻产量/总施氮量边际生产力=单位面积产量变量/单位面积肥料变量

1.5 数据分析

用Excel 2003及DPS 6.85处理数据及试验数据的相关性分析。

2 结果与分析

2.1 氮肥用量与水稻产量关系

表4为各供试地点水稻产量平均值和标准差。从表4看出，在一定施氮范围内，随氮肥施用量增加，水稻产量呈增加趋势；但当氮肥施用量超过93.15 kg·hm-2时，水稻产量呈下降趋势。各点水稻产量与施氮量的关系变化趋势一致，不同施氮量处理水稻产量差异极显著。

由于各点水稻产量随施氮水平变化趋势一致，将各点水稻产量平均值与施氮量数据进行模型拟合，得出结果如图2所示。从图2中可以看出，氮肥施用量与水稻产量呈2次函数关系，水稻产量随施氮量增加而升高，并达到最高值，然后随施氮量再升高产量下降。将图中2次函数方程求导计算可求得水稻最高产量时的施氮量为101.50 kg·hm-2，该施氮量下的最高理论产量值为8 279.70 kg·hm-2；当施氮量超过101.50 kg·hm-2时，水稻产量下降。龙瑞平等［24］研究也得出类似结论。

表4 水稻产量平均值与标准差

图2 氮素施用量与水稻产量关系

从表5中看出，与不施氮处理比，施氮处理水稻的生物产量和经济产量明显增加。施氮量为93.15 kg·hm-2水平时，水稻的生物产量和经济产量最高，不同施氮量处理间水稻生物产量和经济产量差异极显著，增产幅度间差异也达到极显著水平，按照水稻增产幅度高低顺序的氮肥用量依次为N2＞N3＞N1；从收获指数看，施氮量为0、46.65、93.15 kg·hm-2水平水稻收获指数没有明显差异，施氮量为139.80 kg·hm-2水平水稻收获指数最大；从氮肥的农学利用效率看，随氮肥施用量增加，氮素农学利用效率降低，边际生产力也下降，符合报酬递减规律。

表5 氮素供应效率分析

2.2 氮肥用量与水稻氮素累积量关系

水稻成熟后分别取样分析秸秆和籽实氮含量，并计算出水稻秸秆和籽实氮素累积量。从图3看出，氮肥施用量与植株氮素累积量关系符合2次函数关系，拟合系数为0.470 7（n=40）。由此推算出氮肥施用量超过98.34 kg·hm-2时，植株氮素累积量开始下降。此外，从氮肥施用量对水稻秸秆和籽粒含氮量影响（表6）看出，随着氮肥用量增加，籽实氮素含量呈增加趋势，当氮肥用量为139.70 kg·hm-2时，水稻籽粒含氮量下降，不同施氮量对籽粒含氮量影响不显著；籽粒氮素累积量除施氮量为46.60 kg·hm-2和139.70 kg·hm-2之间不显著外，其余处理间差异极显著。茎秆含氮量在施氮量46.60 kg·hm-2和93.15 kg·hm-2间差异显著，其他处理间差异不显著；在施氮量为93.15 kg·hm-2时，茎秆氮素累积量显著或极显著高于其他处理，其他各处理间差异不显著。

图3 氮肥施用量与植株累积量的关系

表6 氮肥用量对水稻秸秆和籽实含氮量和累积量的影响

2.3 氮素累积量与水稻产量关系

从图4、5看出，植株氮素累积量、籽粒氮素累积量与水稻产量关系符合2次函数模型。对植株氮素累积量、籽粒氮素累积量与水稻产量的关系模型进行求导计算后得出，当植株氮素累积量超过167.79 kg·hm-2，籽粒氮素累积量超过97.32 kg·hm-2时，水稻产量开始呈降低趋势。说明氮素累积量过高，不仅不会增产，还会导致水稻减产，因此，作物高产要控制氮素的吸入量，需要通过控制氮素施用量来调整。

图4 氮素累积量与水稻产量关系

图5 籽粒氮素累积量与水稻产量关系

2.4 草甸白浆土氮肥推荐用量及验证效果

从上面分析看出，水稻产量与氮素累积量、施氮量密切相关。根据氮素用量与产量的函数模型关系，在不考虑用工和机械用具费用的前提下，以肥料、稻谷的价格可以计算出草甸白浆土的最佳施氮量，结果如表7所示。白浆土上水稻最佳产量的施氮量为97.56 kg·hm-2，得出水稻理论产量7 909.43 kg·hm-2，此时水稻可取得最大的经济效益。因此，在水稻生产中应当将目标产量设定在8 000 kg·hm-2为宜。

表7 白浆土最佳氮肥用量

按照施氮量与水稻产量的2次函数模型推出的水稻施氮量与产量的关系，设计了大田示范的施氮量和预计的目标产量。于2017年开展了大面积示范验证，从大田示范验证结果（表8）可以看出，水稻生产中测得实际产量与目标产量接近，说明草甸白浆土氮素最佳推荐用量符合农业生产实际，可以作为指导三江平原草甸白浆土水稻施肥的技术参考。

表8 2017年大面积示范结果

3 讨论

3.1 本研究属于经验公式法范畴，是在同一类土壤、肥力相同的假定条件下，将多点试验的平均结果进行数学公式拟合，并根据目标产量计算出氮肥用量。这种方法与日本目前广泛应用的目标产量法相类似。所不同的是，日本的目标产量法是根据生产单位产量所吸收的氮素量、氮肥利用率以及土壤氮素供应量等参数来确定氮肥总量的［25］。同样具有简单易行，便于推广的特点。但缺点是适应范围窄，即使相同土壤类型肥力也有不同，农民在应用时要根据自身经验调整。

3.2 测土配方施肥技术理论依据可靠，但在通过试验确定参数的过程中，由于一些试验地肥力不均，特别是在样品采集、分析过程中的诸多误差逐级累加［18］，导致结果与实际不一致。韩芳［26］认为测土配方施肥很多基础工作不牢，不可靠；秦明等［27］、刘雪梅［28］、肖静芳［29］认为测土配方施肥在实际操作过程中存在着农技推广队伍专业不强、结构不合理等问题，导致检测结果偏差大，土样的养分情况不能真实反映土壤营养成分，测土配方施肥技术与田间作物需肥不配套，不能真正指导施肥。本试验的土壤养分与空白区水稻产量关系也不显著（图6、7），主要与上述问题密切相关。大量试验证明作物产量与土壤肥力水平正相关［30-33］，此试验土壤养分和水稻产量的关系恰恰说明试验点之间的管理水平、地力水平、采样等的误差很大。与之相比，本研究通过对多点试验数据进行数学分析后得到的结果可靠性更强。但这种方法田间工作量大，任务繁重，也需要每隔3～5年进行一次调整。

图6 土壤碱解氮与水稻产量的关系

图7 土壤有机质与水稻产量关系

3.3 本研究结果是在目前推荐磷钾肥总量以及目前施肥方法条件下取得的，今后应随着施肥方法发生改变或地力水平的变化进行不断完善和调整。比如，在侧条施肥条件下，随着氮肥利用率的提高，施肥量应适当减少；或者当土壤肥力再度发生变化时，适当调整施肥量。本文只针对白浆土的氮肥推荐用量开展研究，在磷肥、钾肥方面也应开展相关研究，用于指导磷、钾肥施用。当然不同类型土壤肥力和供肥能力差异很大，推荐施肥应因土壤而有差异，在其他类型土壤上也有待于开展相关研究。

4 结论

4.1 草甸白浆土是三江平原地区主要水田土壤，水稻产量与氮素累积量、施氮量均呈2次曲线关系；氮素累积量与施氮量呈2次曲线关系。

4.2 植株氮素累积量为167.79 kg·hm-2、籽粒氮素累积量为97.32 kg·hm-2，水稻可获得最高产量。

4.3 施氮量为101.50 kg·hm-2，水稻最高理论产量值为 8 279.70 kg·hm-2；施肥量为 97.56 kg·hm-2，水稻理论产量为7 909.43 kg·hm-2，水稻可取得最大的经济效益。

4.4 草甸白浆土最佳推荐氮肥用量为100 kg·hm-2，符合当前地力水平及农业生产实际，可以达到高产兼高效的生产目标。