长期施肥对黄壤性水稻土综合肥力和水稻产量的影响

黄兴成 杨叶华 李渝 刘彦伶 张雅蓉 朱华清 熊涵 蒋太明

摘要：【目的】評价长期不同施肥处理对西南地区黄壤性水稻土综合肥力和水稻产量的影响，为西南稻区土壤培肥和作物产能提升提供科学参考。【方法】依托农业农村部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站的长期定位试验，选取10个不同施肥处理：不施肥（CK）、单施氮肥（N）、施氮磷肥（NP）、施氮钾肥（NK）、施磷钾肥（PK）、平衡化肥（NPK）、25%有机肥替代化肥（3/4NP+1/4M）、50%有机肥替代化肥（1/2NP+1/2M）、单施有机肥（M）、有机肥化肥配施（NPK+M），测试各处理2016—2020年作物产量和耕层土壤养分，运用改进的内梅罗指数法对土壤综合肥力进行估算，采用随机森林回归评估土壤性质对综合肥力的影响，基于稳定性指数和可持续性指数评估不同施肥管理下水稻产量的稳定性和可持续性特征，通过路径分析明确施肥对土壤肥力和作物产量的影响。【结果】长期不同施肥处理对黄壤性水稻土综合肥力有明显影响，土壤综合肥力指数以N处理最低，NPK+M处理最高；长期施用有机肥各处理（3/4NP+1/4M、1/2NP+1/2M、M、NPK+M）的土壤综合肥力指数显著高于CK和施化肥处理（N、NP、NK、NPK）（P<0.05，下同）。随机森林回归结果表明，土壤有效磷和有机质含量是影响土壤综合肥力指数的重要影响因素，相对重要性分别为32.1%和25.0%。水稻产量结果表明，有机肥部分替代化肥（3/4NP+1/4M和1/2NP+1/2M）和NPK+M处理的水稻产量显著高于CK、N和NK处理。施用有机肥各处理（3/4NP+1/4M、1/2NP+1/2M、M、NPK+M）在获得水稻高产的同时，水稻产量的稳定性和可持续性也较高；CK、N和NK处理水稻产量较低，且产量稳定性和可持续性低。土壤综合肥力指数与水稻产量密切相关，路径分析结果表明，长期施用磷肥和有机肥促进了黄壤性水稻土综合肥力提升，并促进作物增产；当季施用氮肥和磷肥促进水稻增产。【结论】长期施用有机肥和磷肥可提升黄壤性水稻土综合肥力，并维持水稻高产、稳产和可持续性。土壤有效磷和有机质含量是影响黄壤性水稻土综合肥力高低的重要养分指标。

关键词：土壤综合肥力指数；稳定性指数；可持续性指数；随机森林回归；路径分析

中图分类号：S146                              文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2023）02-0506-10

Abstract：【Objective】To evaluate the effects of long-term different fertilization treatments on the comprehensive fertility and rice yield of yellow paddy soil in southwest China，and to provide scientific reference for farmland soil fertilization and crop productivity enhancement in southwest China. 【Method】The study was based on the long-term fertilization experiment by the Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation and Agricultural Environment （Guizhou），Ministry of Agriculture and Rural Affairs. The ten fertilization treatments includedno fertilization （CK）， single application of nitrogen fertilizer （N）， nitrogen and phosphorus fertilizer （NP）， nitrogen and potassium fertilizer （NK）， phosphorus and potassium fertilizer （PK）， balanced fertilizer （NPK）， 25% organic fertilizer replacement fertilizer （3/4NP+1/4M）， 50% organic fertilizer replacement fertilizer （1/2NP+1/2M）， single application of organic fertilizer （M）， combined application of organic fertilizer and chemical fertilizer（NPK+ M）. The rice yields and top soil properties collected from 2016 to 2020 were measured，and the change trends of soil fertility was assessed using the improved Nemoro index （IFI）. Random forest regression was used to assess the importance of soil property indexes on integrated soil fertility. The stability and sustainability characteristics of rice yield under different fertilization management were assessed based on stability index and sustainability index，and the effect of different fertilizer applications on soil fertility and crop yield was clarified by path analysis. 【Result】Long-term different fertilizer managements had obvious effects on integrated fertility （IFI）in yellow paddy soil. The lowest IFI was in the treatment N and the highest in the treatment NPK+M. The IFI of each treatment with long-term application of organic fertilizer （3/4NP+1/4M，1/2NP+1/2M，M，NPK+M）were significantly higher than CK and each treatment with chemical fertilizer （N，NP，NK，NPK）（P<0.05， the same below）. Random forest regression analysis showed that soil available phosphorus and soil organic matter content were important influencing factors on soil integrated fertility index，with relative importance of 32.1% and 25.0%，respectively.The results of rice yield showed that the rice yield of partial replacement of chemical fertilizer by organic fertilizer （3/4NP+1/4M and 1/2NP+1/2M）and NPK+M were significantly higher than those of treatments CK，NK and N. Rice yield stability and sustainability were higher in each treatment （3/4NP+1/4M，1/2NP+1/2M，M，and NPK+M）with organic ferti-lizer application while achieving high yields；rice yields were lower in the CK，N，and NK treatments and yield stability and sustainability were lower. Soil integrated fertility index was closely related to rice yield. The path analysis showed that long-term application of phosphorus fertilizer and organic fertilizer promoted the integrated fertility of yellow paddy soils and increased crop yield；short-term application of nitrogen fertilizer and phosphorus fertilizer promoted rice yield increase. 【Conclusion】Long-term application of organic fertilizer and phosphorus fertilizer improves soil integrated fertility of yellow paddy soil，and maintain high，stable and sustainable rice grain yield. Available phosphorus and soil organic matter are the most important soil indicators affecting the integrated fertility of yellow paddy soil.

Key words： integrated soil fertility index； stability index； sustainability index； random forest regression； pathway analysis

Foundation items： National Natural Science Foundation of China（31860132）； Guizhou Provincial Science and Technology Foundation（QKHJC〔2020〕1Y411）； Project for Technological Innovation of Guizhou Academy of Agricultural Sciences（QNKKJCX〔2022〕09）； Special Supplementary Funds for National Natural Science Foundation Projects of Guizhou Academy of Agricultural Sciences（QNKYGJHBZ〔2021〕26）

0 引言

【研究意义】土壤肥力是支撑农作物高产稳产的基础（Qiao et al.，2022）。由于人类不合理的土地利用和耕作管理，全球农田土壤肥力退化问题日趋严重，威胁着人类粮食安全和可持续发展（Bai et al.，2008；Lal，2015；Yin et al.，2022）。只有通过良好可持续的土壤管理，减少土壤退化，提升土壤肥力，才能保障人类社会不断增长的粮食需求（潘根兴等，2015；Wall and Six，2015）。黄壤性水稻土是我国西南山地的典型农业土壤类型，确定黄壤性水稻土土壤肥力的限制因素及优化管理措施，对于该区域良好的土壤养分管理和可持续水稻生产均具有重要意义。【前人研究进展】施肥是影响土壤肥力和作物产量的主要管理措施，科学合理的施肥能有效提升农田土壤肥力和作物产量（徐一兰等，2017；杨胜玲等，2021）。目前，已有较多学者针对不同生态区和土壤类型研究了施肥模式对土壤肥力及水稻产量的影响（Dong et al.，2012；宋美芳等，2018；柳開楼等，2019；姜恒鑫等，2022），为我国各稻区水稻生产因地制宜合理施肥提供了科学指导。研究指出，长期不施肥或不均衡施用化肥会导致红壤区稻田土壤质量退化，水稻产量降低；平衡施用化肥或施有机肥可提高土壤有效磷、速效钾和有机质含量，提升土壤质量指数，进而提高水稻产量（聂军等，2010；Dong et al.，2012；胡中泽等，2021）。长期不施肥和单一施肥会导致紫色土综合肥力指数降低，水稻产量下降；而平衡施用化肥和施用有机肥能提升土壤综合肥力，提高水稻产量（陈轩敬等，2016）。长期施肥会改变土壤养分的有效性，也会改变土壤养分平衡。Shi等（2015）对太湖流域稻田土壤磷平衡研究表明，长期不施肥或施氮钾肥导致土壤磷亏缺，而施用化学磷肥和有机肥的土壤磷素实现盈余；黄金生等（2016）通过10年的定位试验发现，长期不施肥或不施钾肥导致土壤速效钾含量降低；鲁艳红等（2017）研究证实，长期单施化肥或不施肥导致土壤磷活化系数降低，施用有机肥促进磷的有效性提升；许海敏等（2021）通过9年的定位试验发现，不施肥、施氮磷肥和平衡化肥处理的稻田土壤，每年钾素亏缺分别为167.7、220.0和176.3 kg/ha。综合来看，只有通过长期科学的施肥管理，才能维持和提升土壤肥力，并提升水稻产量（李文昭等，2021；Wang et al.，2021）。【本研究切入点】目前，不同施肥模式对黄壤性水稻土土壤肥力及其对作物产量的影响主要集中在短期和单一养分指标的研究，尚缺乏长期不同施肥模式对黄壤性水稻土综合肥力影响的系统报道。【拟解决的关键问题】依托农业农村部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站的长期定位试验，采用改进的内梅罗指数法，评价长期不同施肥处理下土壤综合肥力的变异特征，分析影响土壤肥力的主要养分指标，以期为西南稻区农田土壤培肥和作物产能提升提供科学参考。

1 材料与方法

1. 1 试验地概况及试验材料

试验地位于贵州省贵阳市花溪区贵州省农业科学院（东经106°39'52''，北纬26°29'49''）。土壤类型为水稻土类黄泥田土种。长期定位试验开始于1995年，1995年试验前耕层（0～20 cm）土壤性质：pH 6.75、有机质44.5 g/kg、全氮1.96 g/kg、碱解氮134.0 mg/kg、全磷1.0 g/kg、有效磷13.4 mg/kg、全钾11.5 g/kg、速效钾294.0 mg/kg。本研究选取2016—2020年的水稻产量和土壤数据进行分析。2016年水稻品种为籼优108，2017—2020年水稻品种为茂优601。

1. 2 试验方法

采用大区对比试验设计，种植模式为一季中稻。长期定位试验共有14个处理，本研究选择其中与长期施肥相关的10个处理：不施肥（CK）、单施氮肥（N）、施氮磷肥（NP）、施氮钾肥（NK）、施磷钾肥（PK）、平衡化肥（NPK）、25%有机肥替代化肥（3/4NP+1/4M）、50%有机肥替代化肥（1/2NP+1/2M）、单施有机肥（M）、有机肥化肥配施（NPK+M），不同施肥处理施肥量见表1。试验用化肥为尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O5 12%）和氯化钾（K2O 60%），有机肥为牛厩肥（含C 104.0 g/kg、N 2.7 g/kg、P2O5 1.3 g/kg、K2O 6.0 g/kg）。化学氮肥分2次施入（返青肥40%、分蘖肥60%），磷肥、钾肥和有机肥在水稻移栽前作为基肥一次性施入。试验小区面积201 m2，小区间用水泥田埂分开，独立排灌。

1. 3 测定指标及方法

每年试验前采用“S”形采样法采集0～20 cm土层土壤样品，每小区采集15钻土壤样品，混合均匀，去除根系和杂质，带回室内风干保存。参照《土壤农化分析》（鲍士旦，2000）测定土壤pH、有机质（SOM）、全氮（TN）、碱解氮（AN）、全磷（TP）、有效磷（AP）、全钾（TK）和速效钾（AK）。水稻黄熟期收获计产，收获后的水稻籽粒自然晒干去杂后称量籽粒产量。

1. 4 指标计算和统计分析

基于改进的内梅罗指数法进行土壤综合肥力评估（包耀贤等，2012）。参考陈轩敬等（2016）选取pH、有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾和速效钾8项土壤指标计算土壤综合肥力。参考全国第二次土壤普查分级标准（全国土壤普查办公室，1998）（表2），对土壤各养分指标进行分级标准化。

养分分肥力系数（IFIi）计算公式：

[IFIi=x/xa                                                 x≤xa1+（x?xa）/（xb?xa）    xaxc]

式中，IFIi是土壤单一指标养分分肥力系数；x为土壤养分指标值；xa、xb和xc為指标等级阈值。

根据养分分肥力系数计算养分综合肥力指数（IFI）：

[IFI=AveIFIi2+Min（IFIi）22×（n?1）n]

式中，IFI为土壤综合肥力指数；Ave（IFIi）和Min（IFIi）分别为所有养分指标分肥力系数的平均值和最小值；n表示参与计算的养分指标数（n=8）。

随机森林回归模型是由一系列不同的回归树（CART）组成基于多个分类树的算法，被广泛应用于建立回归模型和确定特征重要性（Guo et al.，2015；Keerthan et al.，2019）。本研究建立了土壤综合肥力和土壤养分指标的随机森林回归模型，采用数据样本7∶3的比例分层随机分成训练集与验证集。

作物产量的稳定性用稳定性指数（SI）衡量，SI值越低表明产量越稳定（Pan et al.，2009）；作物产量的可持续性采用可持续性指数（SYI）衡量，SYI值越大表明产量的可持续性越高（梁涛等，2015）。计算方法如下：

[SI=Std（Yield）Ave（Yield）]

[SYI=AveYield?Std（Yield）Max（Yield）]

式中， Std（Yield）、Ave（Yield）和Max（Yield）分别为不同处理2016—2020年产量的标准差、平均值和最大值。

采用路径分析评估肥料氮、肥料磷、肥料钾和有机肥施用对水稻产量的效应，将长期施肥通过影响土壤综合肥力变异导致的水稻产量差异定义为施肥的长期效应，当季施肥直接影响的水稻产量差异定义为施肥的短期效应。

采用Excel 2019、SigmaPlot 12.5进行数据统计分析和作图，采用SPSSPRO进行随机森林回归和路径分析。

2 结果与分析

2. 1 不同施肥处理的土壤综合肥力指数特征

长期不同施肥处理的土壤综合肥力指数结果（图1）表明，施用有机肥各处理（3/4NP+1/4M、1/2NP+1/2M、M、NPK+M）的土壤综合肥力指数较高，4个处理间差异不显著（P>0.05，下同），但均显著高于除PK外的其他化肥处理（P<0.05，下同），N和NK处理的综合肥力指数相对较低。与试验开始前（1995年）的土壤综合肥力指数（1.815）比较，施用有机肥（3/4NP+1/4M、1/2NP+1/2M、M、NPK+M）各处理的土壤综合肥力指数分别提高2.07%、2.23%、2.28%和2.78%，NPK、N、PK、NK、NP处理和CK的土壤综合肥力指数分别降低3.08%、6.67%、0.99%、6.66%、2.88%和5.15%。表明施用有机肥有利于黄壤性水稻土综合肥力的维持和提高，施化肥或不施肥导致土壤综合肥力降低。

2. 2 土壤综合肥力指数的影响因素分析

随机森林回归分析结果表明，有效磷对土壤综合肥力指数的影响远大于其他因素，重要性达32.1%；其次为土壤有机质对土壤综合肥力指数影响较大，重要性为25.0%；碱解氮、全钾、全磷、全氮、速效钾和pH的重要性相对较低，分别为11.4%、8.4%、8.3%、7.8%、5.2%和1.8%（图2）。

2. 3 不同处理的水稻产量及其稳定性和可持续性

由图3可看出，长期不同施肥处理的水稻产量差异显著。以有机肥和化肥配施各处理（3/4NP+1/4M、1/2NP+1/2M、NPK+M）的水稻产量较高，年均产量分别为9.67、9.47和10.77 t/ha；其次是M、NPK、NP和PK处理，年均产量分别为8.96、8.82、8.63和8.50 t/ha；CK和N、NK处理的水稻产量最低，年均产量分别为6.92、7.26和6.20 t/ha。表明有机肥化肥配施有利于水稻获得高产，而施化肥特别是不施磷肥的水稻产量较低。

比较不同处理水稻产量与产量的稳定性和可持续性，结果（图4）表明，NPK和施用有机肥（3/4NP+1/4M、1/2NP+1/2M、M和NPK+M）各处理水稻产量较高，稳定性指数较低，可持续性指数较高，表明其产量稳定性和可持续性较高；CK、NK和N处理的水稻产量较低，稳定性指数较高，可持续性指数较低，表明其产量稳定性和可持续性较低。

2. 4 作物产量与土壤综合肥力指数和施肥的关系

比较不同施肥处理作物产量与土壤综合肥力指数的响应关系，结果（图5）表明，施用有机肥各处理（3/4NP+1/4M、1/2NP+1/2M、M、NPK+M）具有较高的土壤综合肥力指数，同时水稻产量较高；CK、NK和N处理的土壤综合肥力指数较低，且水稻产量也较低；NP和NPK处理水稻产量较高，但土壤综合肥力较低。

图6的路径分析结果表明，长期施用磷肥和有机肥能直接提高土壤综合肥力，肥料磷和有机肥与土壤综合肥力指数的路径系数分别为0.561和0.420。水稻当季产量与土壤综合肥力指数、肥料磷、肥料氮呈直接正作用，路径系数分别为0.593、0.476和0.188；水稻当季产量与短期有机肥施用呈直接负作用，路径系数为-0.225。长期施用磷肥和有机肥通过提升土壤综合肥力，从而间接提高水稻产量；短期的磷肥和氮肥施用有助于提升水稻产量；本研究中有机肥采用替代化肥的方式施入，表明短期有机肥替代会降低水稻产量。

3 讨论

3. 1 长期施肥对土壤肥力的影响

提升土壤肥力是保障我国粮食安全和维持农业可持续发展的重要保证（赵伟霞等，2022）。科学合理的施肥是维持和提高土壤肥力的基础。本研究结果表明，长期施肥改变了黄壤性水稻土综合肥力特征，施用有机肥促进了土壤综合肥力指数提升，而不施肥或施化肥会造成土壤肥力退化。前人研究指出，长期偏施氮肥会造成土壤酸化，不施磷钾肥会因作物带走养分导致土壤磷钾库容亏缺，从而降低土壤肥力（宋美芳等，2018；李文昭等，2021）。徐新朋（2015）通过分析稻田土壤—作物系统养分平衡發现，生产1000 kg水稻籽粒，地上部干物质养分需求分别为14.8 kg氮、3.8 kg磷和15.0 kg钾。通过平衡施用化肥，能维持土壤氮磷钾库容平衡，从而维持土壤肥力（Zhang et al.，2010）。与单施化肥比较，施用有机肥能降低土壤容重，提高土壤有机质和全氮含量，提高磷钾有效性，从而提升土壤肥力（包耀贤等，2012；温延臣等，2015；陈轩敬等，2016）。同时，有机肥氮的缓慢释放，能增加微生物氮固持，降低氮素挥发和淋洗损失，提高土壤氮素肥力（陈香碧等，2020）。由于地区间土壤特性的差异，前人对于土壤综合肥力的主要影响因素评估存在差异。陈轩敬等（2016）分析表明，有机质、全氮和全磷含量是影响紫色土综合肥力的主要影响指标。黄兴成等（2018）研究表明，黄壤旱地影响土壤肥力的主要因素是土壤pH、碱解氮、全磷和全钾含量。王乐等（2020）研究证实，潮土土壤肥力和生产力主要受有机质、有效磷等因素影响较大。魏勇等（2022）的研究结果表明，土壤有机质、速效磷和碱解氮是重庆花椒园地土壤肥力的主要限制因子。本研究结果表明，影响黄壤性水稻土土壤综合肥力最重要的因素是有效磷含量。究其原因，可能是黄壤区土壤受气候和长期降雨影响，风化淋溶和富铝化作用强烈，导致土壤中有效性较高的Ca2-P向有效性低的O-P、Fe-P、Al-P转化，土壤磷素有效性降低（张邦喜等，2016）。施用磷肥能提升土壤磷素库容，施用有机肥能提升土壤磷酸酶活性从而提升有效磷含量（刘彦伶等，2022）。值得注意的是，长期施用磷肥和有机肥通过改变微生物对磷的周转和改变磷的吸附解析状态（刘彦伶等，2021，2022），可能导致土壤有效磷含量快速提升，增加磷向环境水体迁移的风险（刘京，2015）。因此，必须通过合理施用有机肥和磷肥，以维持和提高黄壤性水稻土的有效磷含量，并保障黄壤区土壤肥力提升和环境安全的协同。

3. 2 施肥对水稻产量及其稳定性和可持续性的影响

施肥的主要目标是提高作物产量，并保障作物产量的稳定和可持续。本研究结果表明，不施肥或施用化肥不平衡会导致水稻低产，平衡施用化肥和施用有机肥会提高水稻产量，同时产量的稳定性和可持续性也较高。氮和磷是水稻前期分蘖形成的重要营养元素，氮磷供应不足会导致水稻分蘖芽的伸长受抑制，导致水稻减产（Umehara et al.，2010；Liu et al.，2011）；钾素缺乏会导致水稻根系生长受抑制，降低水稻养分吸收，光合同化物转运受抑制，导致籽粒千粒重降低（徐晓明等，2016）。水稻对氮磷钾养分的吸收存在交互作用，平衡的养分供应能维持水稻各生育期的营养需求，促进水稻前期分蘖生长，增加有效穗数，同时促进水稻小穗分化，提高穗粒数，保障生育后期籽粒灌浆，提高千粒重，从而维持水稻高产（燕金香等，2017；储成才等，2021）。施用有机肥能为水稻提供小分子有机氮素，促进水稻根系吸收有机氮，并通过土壤氨化过程缓慢而持续释放矿质氮，满足水稻正常生长的氮素需求（陈香碧等，2020）。有机肥还能提高微生物对磷的周转，提高有机磷含量，从而提高磷对水稻的有效性，增加水稻花前和花后磷素和干物质累积，促进作物高产（尹岩等，2012；刘彦伶等，2019）。同时，施用有机肥能向土壤中提供大量有机物质，并通过降低作物对气候和品种的敏感性，从而维持水稻产量的稳定性（李笑笑，2021；Qiao et al.，2022）。然而，也有学者指出，在等养分替代下，短期内过高的有机肥替代化肥可能导致作物减产（黄兴成等，2022；肖大康等，2022），作物产量稳定性和可持续性指数降低（魏猛等，2017）。这可能是由于当季有机肥养分释放速率较慢，限制了作物的养分吸收。一般而言，当季的鸡粪、猪粪、牛粪的净矿化量平均占施用有机氮总量的21.0%、19.1%和13.1%，有机肥回收率仅约30.0%（李玲玲，2011）。

3. 3 土壤肥力对水稻产量的影响

作物产量的高低受土壤肥力和当季施肥状况的共同作用，科学合理的施肥对于提升土壤肥力和保障水稻高产具有重要意义。本研究发现，水稻当季产量与长期施肥后土壤综合肥力指数呈直接正向作用。有研究指出，稻田基础地力贡献率较高，水稻当季产量中地力贡献率占60%～80%，肥料贡献率占20%～40%（李忠芳等，2015；梁涛等，2015），提升土壤基础地力对于实现水稻产量的高产、稳产和可持续具有重要作用（黄兴成等，2017）。长期施肥条件下，稻田土壤肥力呈动态变化，平衡施用化肥能维持土壤养分积累，从而提升水稻的养分供应，提高水稻产量（Zhang et al.，2010；Wang et al.，2021）。本研究结果表明，施用有机肥和磷肥可通过维持和提高黄壤性水稻土土壤综合肥力而间接提升水稻产量。刘彦伶等（2019）指出，磷是制约黄壤生产力的重要限制因子，长期不施磷肥导致土壤磷的耗竭，严重制约水稻产量和磷吸收量的提高。因此，通过合理施用有机肥和磷肥，才能持续保障黄壤性水稻土土壤肥力提升和短期水稻养分需求的平衡，进而保障水稻高产。

4 结论

长期施用有机肥促进了黄壤性水稻土土壤综合肥力提升，不施肥或单施化肥导致土壤综合肥力降低。有效磷和有机质含量是影响黄壤性水稻土综合肥力的重要养分指标。合理施用有机肥可维持较高的水稻产量及产量的稳定性和可持续性。长期施用有机肥通过间接提升土壤综合肥力而提高水稻产量，施用磷肥可通过提高土壤肥力长期效应和当季施肥短期效应的共同作用来提升水稻产量。

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（责任编辑 王 暉）