黑土区中部玉米和大豆肥料利用率研究

刘国辉，邹文秀，王 伟，韩晓增，张义军，马云桥

(1.黑龙江省农业环境与耕地保护站,黑龙江 哈尔滨 150031；2.中国科学院 东北地理与农业生态研究所,黑龙江 哈尔滨 150081；3.黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所,黑龙江 哈尔滨 150086；4.黑龙江倍丰农业生产资料集团有限公司,黑龙江 哈尔滨 150028)

0 引 言

在耕地资源有限的情况下，化肥在保障粮食安全中起到非常重要的支撑作用[1-2]。我国人均耕地面积0.093 hm2，为世界平均水平的42%，美国的15.7%。因此我们必须通过提高作物的单产来满足人们对粮食的不断需求，而施肥能够为作物提供充足的养分供应，已经成为提高作物单产的重要措施之一[1]。在20世纪80年代来自全国5000多个肥效试验的研究结果显示合理施用化肥水稻、小麦和玉米的产量较无肥处理增产48%[3]，但是近年来随着化肥施用量的不断增加，施肥的增产效果表现出降低的趋势[4]，化肥利用率不高[2]。据统计1980年以来我国粮食产量增加了约85%，但是化肥施用量却增加了4.5倍，其增速超过了粮食产量的增速。受“施肥越多、产量越高”等观念的影响，施肥量过高是导致化肥利用率低的最主要原因。研究已经发现随着氮肥施用量的增加我国主要粮食作物的氮肥利用率均在下降[4]。长期不合理施肥，导致土壤中氮、磷、钾养分比例失衡[5]，不但限制了作物产量的提高，而且还引起了一系列的生态环境问题[6]。探索科学合理的施肥量和施肥方式已经成为越来越多研究学者关注的焦点[7-9]，为了实现维持作物产量和提高肥料利用率的双重目标，优化平衡施肥已经逐渐被农户采用[10]。但是关于黑土区中部优化平衡施肥后肥料利用率的相关研究还鲜有报道。

众所周知，黑土是一种自然肥力很高的土壤，但是黑土开垦后由于过度垦殖及不合理利用导致黑土肥力快速下降、物理结构恶化和生物功能退化[11]，限制了黑土综合粮食生产能力的稳定与提高。与第二次土壤普查时的数据相比，黑土农田土壤有机碳含量下降了12%[12]。黑土退化已经引起了从中央到地方各级政府部门的高度重视，农业农村部联合国家发展改革委员会、财政部、国土资源部、环境保护部、水利部于2017年发布了《东北黑土地保护规划纲要(2017-2030)》，旨在通过生物、工程、农艺等措施遏制黑土退化、持续提高黑土耕地质量。通过一系列有效技术和模式的落地和实施，黑土肥力得到了一定程度的提高[13]。土壤肥力通过影响蓄纳、稳定供应养分的能力和微生物活性及根系生长等，进而影响作物对养分的吸收利用[14]。黑土耕地地力提高后玉米和大豆产量对肥料的响应还鲜有报道。本研究选择了已经连续三年实施黑土地保护利用措施的地块，开展玉米和大豆的肥料利用率研究，旨在揭示黑土肥力培育对肥料利用率的影响，同时为区域养分专家系统提供参数。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验于2020年在东北黑土区中部黑龙江省海伦市(N47°25′，E126°46′)进行。研究区域属于大陆性季风气候区，冬季寒冷干燥、夏季高温多雨，雨热同季，年均气温1.5 ℃，近50年大气降水平均值为550 mm，70%以上集中在7-9月份，无霜期125 d。土壤类型为中厚黑土，质地为壤黏土，以2∶1型黏土矿物为主[15]。试验地块2017-2019年连续实施了玉米秸秆深混还田构建肥沃耕层技术，即每年秋季玉米收获后，采用螺旋式犁壁犁进行秸秆全量还田，还田深度为0～35 cm，2020年春季取样测定土壤的基础化学性质见表1。与陆欣春等[8]2015年测定的样品数据相比，土壤有机质及养分含量均表现为增加。

表1 试验区土壤基础化学性质Table 1 Basic chemical properties of experimental soil

1.2 试验设计

本研究设置了4个处理，分别是平衡施肥(NPK)、缺氮(PK)、缺磷(NK)和缺钾(NP)，三次重复，随机排列。小区面积46.8 m2(12 m×3.9 m)。供试大豆品种东生17，5月11日播种，密度为24万株·hm-2；供试玉米品种为垦沃6，5月11日播种，密度为6.5万株·hm-2。玉米和大豆不同处理施肥量见表2。氮肥施用的是尿素，N含量46%；磷肥施用的是过磷酸钙，P2O5含量15%；钾肥施用的是硫酸钾，K2O含量52%。大豆施肥方式为所有肥料均作为底肥在播种时一次性施入；玉米的施肥方式是氮肥1/3，所有磷钾肥作为底肥在播种时施入，2/3氮肥在拔节期施入。田间管理方式按当地常规管理进行。

表2 不同处理大豆和玉米的施肥量Table 2 Fertilization rates of maize and soybean under different treatments kg·hm-2

1.3 样品采集与测定

2020年玉米和大豆成熟后，于10月3日采集植物样品测产和样品养分含量的测定。大豆每个小区随机采集3个2 m2、玉米每个小区随机采集3个5 m2进行测产；每个小区采集大豆2株或者玉米1株进行植株样品养分含量的测定。大豆按照茎、叶、荚皮、籽粒4部分器官分样，玉米按叶、茎秆、苞皮、穗轴和籽粒5部分器官分样，均在105 ℃下杀青30 min，80 ℃烘干至恒重。用粉样机将烘干植株样品粉碎，密封保存，以备植株氮、磷、钾养分含量的测定。

采用H2SO4-H2O2消煮法制备待测液，全氮含量采用凯氏定氮法测定，全磷含量用钒钼黄比色法测定，全钾含量测定火焰光度法测定[8]。

1.4 计算与统计分析

氮(磷、钾)素利用率=100%×(施氮区植株地上部氮积累量-空白区地上植株氮积累量)/施氮量

氮(磷、钾)农学利用率=100%×(施氮区产量-空白区产量)/施氮量

氮(磷、钾)产量反应=施氮区产量-空白区产量

氮(磷、钾)相对产量=100%×空白区产量/施氮区产量

采用Excel 2017进行数据整理，采用SPSS 19.0进行数据分析。

2 结果

2.1 平衡施肥对玉米和大豆产量的影响

施肥对玉米和大豆产量的影响见图1，不同处理玉米和大豆的产量均表现为NPK>NP NK>PK。与PK处理相比，NPK、NP和NPK处理玉米产量分别显著提高了35.2%、27.1%和10.2%(P<0.05)；大豆产量分别显著提高了21.9%、19.1%和5.62%(P<0.05)。NPK和NP处理间玉米、大豆产量没有显著差异(P>0.05)；NK处理较NPK和NP处理玉米产量分别显著减少了22.7%和15.3%(P<0.05)，大豆产量分别显著减少了15.4%和12.7%(P<0.05)。

注：不同小写字母表述处理间在P<0.05水平上差异显著。下同。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between treatments at P<0.05.The same is as below.图1 施肥处理对玉米和大豆产量的影响Fig.1 Effects of fertilization on maize and soybean yields

2.2 玉米和大豆的肥料利用率和农学利用率

玉米和大豆的肥料利用率和农学利用效率见图2。玉米和大豆的氮素利用率分别为38.3%和40.8%，磷素利用效率分别是23.9%和20.1%，钾素利用率分别为44.2%和38.3%。玉米和大豆的氮素农学利用率分别为19.4%和14.0%，磷素农学利用率分别是29.74%和7.27%，钾素农学利用率分别为13.6%和1.8%。配对T检验结果显示玉米和大豆间在肥料利用率及农学利用率上均显著差异(P<0.05，表3)玉米的氮素和磷素利用率较大豆显著降低了1.97和5.12个百分点，而钾素利用率显著增加了5.85个百分点；玉米的氮、磷和钾素农学利用率较大豆显著提高了5.30、22.5和11.8个百分点(图2)。

图2 玉米和大豆的肥料利用率及农学利用率Fig.2 Fertilizer use efficiency and agronomic use efficiency of maize and soybean

表3 玉米和大豆肥料利用率和农学利用率的T检验Table 3 T test of fertilizer use efficiency and agronomic use efficiency with maize and soybean

2.3 玉米和大豆肥料产量反应和相对产量

玉米和大豆的肥料产量反应是玉米和大豆养分专家系统中的必要参数[16]。玉米和大豆的肥料产量反应表现为N>P>K(图3)，说明了氮素对作物产量形成的贡献是最大的。玉米的氮素产量反应是磷素和钾素的1.41倍和4.37倍，大豆氮素产量反应是磷素和钾素的1.35倍和1.19倍。肥料的相对产量表现出与肥料产量反应相反的趋势(图3)，即N

图3 肥料产量反应和肥料相对产量Fig.3 Response of fertilizer to maize and soybean yield and relative maize and soybean yield

表4 肥料产量反应和肥料相对产量的T检验Table 4 T test of fertilizer response to maize and soybean yield,and relative maize and soybean yield

2.4 经济效益分析

根据实地调查，研究区域平均地租费用7 000元·hm-2，玉米和大豆除了化肥以后的农资和机械投入成本分别是4 173元·hm-2和2 680元·hm-2，不同处理化肥成本投入见表5。玉米的收益在4 057～8 939元·hm-2之间，不同处理表现为NPK>NP>NK>PK，与PK处理相比，NPK、NK和NP处理效益分别增加了120%、98.4%和25.8%；大豆的收益在3 136～5 855元·hm-2之间，不同处理表现为NP>NPK>NK>PK，与PK处理相比，NPK、NK和NP处理收益分别增加了86.3%、86.7%和20.3%。值得注意的是，对于大豆来说，NK处理的效益大于NPK处理。

表5 不同处理玉米和大豆经济效益分析Table 5 Economic benefit of soybean and maize with different fertilizer treatments yuan·hm-2

3 讨论

平衡施肥是维持作物产量的重要的因素之一[17]。本研究中在NPK平衡施肥条件下，玉米和大豆的产量均达到了最大值，显著高于PK和NP处理，但是与NP处理差异不显著(图1)，说明研究区域玉米和大豆的产量对氮肥和磷肥较为敏感。从肥料产量反应和相对产量(图3)也可以看出，氮肥和磷肥在研究区域作物生产中具有重要作用。研究已经证实土壤有机质和全氮是维持黑土农业可持续生产与发展的重要因素[18]，氮肥施用是快速、有效的提高土壤氮素含量的有效措施。虽然20多年来长期大量磷肥施用导致黑土中有效磷含量大幅增加[18]，但是东北黑土区春季气温低导致作物苗期土壤中磷的有效性较低，不能够满足作物对磷素的需求，影响作物苗期生长，从而降低产量[19]，因此，磷肥作为基肥在黑土上施用是非常必要的。虽然较高水平的有效磷是作物获得作物高产的关键因子，但是由过量磷肥施用导致土壤中磷素盈余可能引发磷素的淋溶，进而加剧地表水体的富营养化[20]。黑土钾素含量相对丰富，黑土开垦前期，由于忽视了钾肥的施用导致土壤速效钾含量在1988-1997年呈现下降的趋势，自2002年以来钾肥的大量施用导致土壤中速效钾含量得到积累和增加[18]。从本研究结果可以看出，目前黑土中速效钾的含量在不施用钾肥的情况下至少能够维持一年作物产量不显著降低。现阶段黑土的持续供钾能力还需要进一步的研究。

化肥对粮食的增产作用在我国农业生产中是不可替代的，从1980年开始，我国化肥施用量以每年4%的速度增长，但近20多年，我国化肥施用量持续增加，粮食产量却始终增加缓慢[2,12]，按照《中国农业年鉴》，从20世纪90年代至今，粮食产量仅从4 000 kg·hm-2增加至4 600 kg·hm-2，而化肥施用量则从2.59×107t增加至4.8×107t[21]。化肥施用量的不断增加严重限制了化肥利用效率的提高。我国主要粮食作物的平均氮、磷和钾素利用率为27.5%、11.6%和31.3%[2]。本研究区域的肥料利用率高于全国平均水平(图2)，其主要原因之一是肥料施用量低于其他省份，同时黑土耕地地力提升也是肥料利用率较高的主要调控因子。孙波等提出了除了精准施肥、替代施肥和施用高效肥料提高肥料利用率外，培育和提升耕地地力已经成为长期稳定提高养分利用效率的途径[14]。康日峰等通过对20世纪80年代以来国家级耕地质量长期监测数据进行整理和分析发现，黑土农田经过10～26年的演变，土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾呈上升的趋势[18]，说明黑土耕地地力通过一系列黑土地保护利用技术的实施正在逐步提升[13]，助力了化肥利用率的提高。

基于肥料产量反应、相对产量和农学效率进行推荐施肥的养分专家系统(NE)已经进行了大面积应用，并被证实可以显著提高玉米产量和经济效益[22]。徐新朋等基于东北2001-2012年期间多点的田间试验数据提供的参数构建了玉米专家养分专家系统[16]，但是养分专家系统是假定在相同的气候条件下，土壤基础地力将决定缺素区的产量[22]，因此及时更新系统内土壤基础地力、肥料产量反应、相对产量和农学效率等重要参数对提高养分专家系统在推荐施肥方面的准确性具有十分重要的意义。本研究为玉米和大豆养分专家系统提供了中厚黑土上的重要参数，为该系统在区域内的推广应用奠定基础。

4 结论

基于黑土区中部玉米和大豆田间肥料试验研究发现，平衡施肥能够维持玉米和大豆产量和提高玉米经济效益，氮磷处理大豆经济效益高于其他处理；肥料产量反应和相对产量结果均显示对玉米和大豆产量影响最大的氮素、其次是磷素，然后钾素。在施肥量相对较少和耕地地力水平提升的双重影响下玉米和大豆肥料利用率高于全国平均水平。本研究为黑土区玉米和大豆养分专家系统的进一步完善提供了重要参数。