辽河平原玉米高产养分的肥料效应研究

辽河平原玉米高产养分的肥料效应研究

1土壤养分资源磷和钾是植物需要的三个养分之一。为了满足对作物和钾的需求，是建立高生产力稳定耕地生态系统的重要举措之一。所谓潜在养分,就是储存在土壤中,暂时不能被作物吸收利用但最终却能被作物吸收的养分。磷钾的共同特点是潜在养分在总量中占的比重较大,尤其是磷更是如此。施入土壤的磷钾肥也不同程度地转化为潜在态,土壤潜在养分的一部分亦可以转化成有效态。这种转化平衡关系与土壤养分的供给和作物生长有着密切的关系。近年来,随着复种指数的增加和单位面积产量的提高,我国许多地区土壤已明显地表现出缺磷钾症状,目前我国有70%的农田处于缺磷状态,南方土壤普遍表现出缺钾症状,从目前我国的国情和资源占有量来看,还不能把作物从土壤中摄取的磷钾全部归还,导致我国缺磷钾土壤面积逐年扩大。辽河平原是我国重要的单季稻产区,也是重要的商品粮基地,施磷可表现出明显的增产效应,局部地区施K有效;因此有关我国辽河平原农业区土壤磷、钾素肥力的问题,已普遍引起了农业生态学家和土壤学家的关注。本文以1990～1994年田间定位试验的为基础,探讨辽河平原土壤磷钾的自然释放速度和不同施肥制度下的肥料效应以及建立宏大的养分库,为辽河平原农业持续发展提供科学依据。2研究区域和方法2.1南果梨酒的生态习性田间试验在中国科学院沈阳生态实验站进行(41°32′N,122°23′E),该站处于下辽河平原中部偏东,属暖温带湿润半湿润大陆性季风气候,四季分明,雨热同季,夏天炎热,冬天寒冷。年平均温度7～8℃,夏季平均气温24℃,最高温度39.3℃,最低温度-33.1℃。年均≥10℃活动积温为3300～3400℃,无霜期147～168d。年降雨量平均600～700mm,年蒸发量1480～1756mm。2.2试验领域的基本信息试验地土壤为草甸棕壤,其主要理化性质见1。2.3施肥及秸秆还田田间试验:试验自1990年开始,为中长期试验,以观察不同施肥处理的中长期效应,试验设5个处理如下:Ⅰ.CK,对照,不施任何肥料;Ⅱ.N1P1,氮、磷小剂量,年施肥料量为N-115kg·hm-2,P-37.5kg·hm-2;Ⅲ.N2P2,氮、磷大剂量,年施肥料量为N-155kg·hm-2,P-55.5kg·hm-2;Ⅳ.N2P2K,氮、磷肥用量同处理Ⅲ,同时施用K肥,年施K肥量为75.0kg·hm-2;Ⅴ.N2P2+秸秆,氮、磷肥用量同处理Ⅲ,同时结合秸秆还田,其还田量为5250kg·hm-2。试验重复4次,轮作方式为玉米-玉米-玉米-大豆,作物品种分别为玉米(沈单7号);大豆(铁丰24号),小区面积为126m2(14m×9m),供试氮肥为辽河化肥厂生产的尿素,经实测含N46.0%;供试磷肥为辽阳化肥厂生产的过磷酸钙,经实测含P为7.4%(相当于P2O5为17.0%),K肥为苏联产氯化钾,其氯化钾含量为95%,为保证每年用肥质量相同,保存了足够数量的供试肥料,使试验区每年用肥均来自同批产品。1993年种植大豆未施N肥。各小区产量均单打单收,籽实及秸秆产量分别计重,另选取代表株用于测定籽实、秸秆及根的养分含量,大豆收获时叶片均已凋落,故大豆秸秆产量中未包括落叶部分,根据另一试验测定大豆落叶量可相当于地上部分产量的30%。2.4植物-植物-木纳格土壤全氮-凯氏法;全磷(P)-Na2CO3融熔,钥锑抗还原比色法;全钾(K)-NaOH融熔,火焰光度法,速效钾(K)-NH4Cl浸提,火焰光度法,速效磷(P)-Olsen法;植物全氮-凯氏法,植物全磷(P)-硫酸消解,钼兰比色法;植物全钾(K)-三酸消解,火焰光度法。3结果与分析3.1不同施肥处理对作物产量的影响1990～1994年5个施肥处理作物的产量和每种作物(玉米4年,大豆1年)的平均产量分别列表2、表3,前者在于比较不同施肥处理,每年的作物产量差异,后者则着重了解两种作物分别对N、P和K肥的反应。在土壤速效P和速效K含量分别为9.0和92mg·kg-1情况下,N、P肥同时施用对玉米具有较好的增产作用,增产幅度在30%左右,对于不施N肥的大豆,单施P肥可增产20%,而P,K肥混合施用或通过秸秆补偿一定量K则可使增产幅度达到45%。研究表明,下辽河平原的钾肥无论对玉米的经济学产量,还是对生物学产量,增产作用均不明显。但对大豆的经济学产量和生物学产量却都有一定的增产作用。从作物稳产角度而言,无论是对玉米产量的变异分析,还是对5年总的产量变异分析,施用钾肥获通过秸秆补偿一定量钾对作物均有一定的稳产作用。两种作物对K肥的反应是不一样的,种植玉米时施K无效,表明92mg·kg-1的速效K含量已能够满足当地玉米的高产需要而无需施用K肥,因此在农业生产中,只要施够足量的N、P肥就可以获得高产。但大豆的情况与玉米不同,P、K肥对大豆均有明显的增产作用,其中尤以K肥表现突出,通过比较磷肥用量相同的三个处理可以发现,施用化学K肥或通过秸秆补偿K,可以在单施P肥增产的基础上再增产25%左右,同时田间试验表明,施用P37.5kg·hm-2在下辽河平原的草甸棕壤上就可以满足大豆对P的需求而无须再增加P的投入,此时应该考虑的是K的投入。施用化肥结合秸秆还田处理(处理Ⅴ),在5年的试验中,无论对玉米还是大豆均达到了较高的经济产量和生物学产量,这样一种施肥制度在该地区不缺P、K的情况下是应该极力提倡的,因为它既可以满足作物生长过程中对养分的需求,又可改变土壤的物理性状,同时对轮作制中的大豆年份又储存了一定量的K供大豆生长,满足大豆丰产高产的需要。3.2吸收养养分与吸收p、k的关系成熟种子及茎叶中的养分浓度时常受养分供给水平所影响,同时年际之间气候条件不同也可影响植株体内养分的浓度含量,在本试验的5年分析观测中,玉米籽实和秸秆中的N、P浓度明显受土壤供N、P水平影响,但各自的表现又不完全一样。随着土壤供N能力的增加,籽实秸秆中N的浓度等幅度提高,并且同一处理年际间的波动非常小;对于P素而言,随着施P量的增加,秸秆中P浓度增加的幅度要大于籽实中P浓度增加幅度,表明在丰P状态下,作物对P的奢侈吸收多产生在秸秆部分,作物体内P在年际间也有一定的波动;对于玉米籽实和秸秆中K虽然年际之间有一定的波动,但不受土壤供K能力影响,这一方面玉米对K不存在奢侈吸收现象,另一方面该土壤K素肥力较高,完全能满足作物生长需要而不必施K。对于大豆而言,P的情形与玉米相似而K则不同,随着土壤供K能力的增加,无论是籽实,还是秆壳其K的浓度均增加。除了土壤养分供给水平、气候条件外,作物本身的生长好坏,作物品种均影响养分在籽实及茎叶中的分配比例,每形成单位籽实产量所需的养分量也因此会有一定的波动。从表4可以看出,土壤供给水平对作物体内养分浓度的影响。根据作物的生物学产量,产品的干率以及产品中的养分浓度即可计算得出各处理每年吸收的养分量(表5)。在本试验中生物学产量包括籽实,秸秆和根,秸秆中包括茎、叶、穗皮和豆荚等,由于大豆收获时已落叶,大豆叶片未能包括在内,因此对于大豆来说,其吸收养分量不包括叶片含有的养分量,估计测定值较真值约低10%～15%左右。由表5可见,各处理年吸收养分量之间的差异与产量之间的差异是相似的,不过其收获养分量之间的差异程度远较产量为大,同时不同的养分其表现是不一样的,例如处理Ⅲ平均年吸收N量为对照(处理Ⅰ)的150.0%,吸收P量为对照的142.0%,吸收K量为对照的118.0%,而其产量则为对照的134.0%;处理Ⅳ平均年吸收N量为对照的156.0%,P为对照的149.0%,K为对照的141.0%,但产量仅为对照的135.0%;这说明,籽实产量的增长与养分的消耗不是等比例的,尤以NP表现的更为明显,K次之,每一成籽实产量的增长需要消耗一成以上的N、P量,而K则不确定,其主要原因是由于养分供应状况改善提高作物产量的同时也提高了产品中养分的浓度的缘故,而K的不确定,则表明,该土壤具有充足的钾源供作物生长利用。比较不同作物间的年收获养分量(表6),玉米和大豆的表现是完全不同的,对玉米而言,在平均每年吸收N121～195kg·hm-2,吸收P为19～29kg·hm-2,吸收K在50～60kg·hm-2。由于大豆产量低得多,故年吸收P量即使在高产情况下也不过是玉米的2/3,当产量为中等水平年时,其收获P量仅为玉米的一半左右。年吸收K量在高产情况下可达到玉米的90%,即使在中等产量时也可达到2/3水平。但由于大豆的固N习性使其吸收N量明显高于玉米,为165～240kg·hm-2。通常认为大豆茬具有较高的土壤肥力是由于其改善了土壤的N素供应状况,但从大豆收获磷量明显低于玉米,豆茬土壤的供磷状况或许优于玉米茬,即豆茬在改善了土壤的供N状况同时,也改变了土壤的供P状况。3.3土壤速效p、k量p的变化及残留肥料pk有效性的转化表7为试验开始前第一次施用肥料后当年以及历年作物收获后耕层土壤的速效P和速效K含量。试验地地处下辽河平原,是我国农业的高产地区,土壤肥力比较高,尤其是速效K的含量更是如此,达到90mg·kg-1左右,土壤速效P含量达到10mg·kg-1,表明该土壤丰K不缺P。不同施肥处理经若干年后土壤速效P含量有明显变化,对照处理在连续5年不施肥情况下土壤速效P略有下降,但由于试验开始时该土壤的P素肥力比较好,故下降的幅度比较小,这表明,以前施过P的土壤,其残效作用可以维持很长时间,起到保护土壤P素平衡的作用。每年低剂量的NP肥施用(处理Ⅱ),土壤速效P含量有明显的改善,达到丰P水平,每年高剂量NP肥施用(处理Ⅲ、Ⅳ、V)经过5年的试验其速效P含量均达到20mg·kg-1以上的富P水平,在此期间,该三个处理始终保持着较高的作物产量。另外在试验中还发现,除对照处理以外,其余的4个处理在1994年土壤速效P水平均有所下降,与1993年相比,大约下降1.4～4.3mg·kg-1,造成这一现象的原因主要是由于1994年下辽河平原发生了几十年一遇的洪灾,田间土壤长期处于饱和状态,表层土壤的速效P可能随水分运动进人底层和随水排除本系统而未被检测出来。由于供拭试土壤速效钾K的含量比较高,表层土壤的速效K含量在5年的试验过程中处于一种波动状态,需要说明的是,1994年土壤速效磷含量较高的原因可能是由于该年作物产量极低,作物吸收的钾只是明显偏低,因此大量的钾留存在土壤中。根据1990～1994年中的P、K肥用量,作物收获移出P、K量以及土壤速效PK库在5年中的增减量,便可估算土壤中残留肥料PK有效性的转化情况如(表8、表9)。5年中处理Ⅱ共施P187.50kg·hm-2,其中24.95kg·hm-2为作物吸收利用,尚有162.55kg·hm-2P留存耕层土壤之中。根据耕层土壤速效P库增长情况可知残留肥料磷中有19.92kg·hm-2进入了速效磷库,占残留量的12.0%,其余88.0%以上残留肥料P进入了迟效P库。同样可计算处理Ⅲ、Ⅳ经过5年施P之后,进入速效P库的分别占残留肥料P的17.0%和11.0%,绝大部分进入了迟效P库,Mattinglg等总结英国洛桑试验站的一些短期和长期试验结果认为,在短期施肥情况下,有较高比例的肥料残留P进人了速效库(如3年25.0%),但长期施肥情况下该比例下降,如施P55年,仅有10.0%进入速效P库。采用相同的计算方法可粗略地估算连续5年不施肥情况下土壤P释放速效,由于该土壤在试验开始前曾施用过P肥,因此不能认为作物吸收P的全部均来自土壤自然风化过程中的P释放,有一部分来自以前施入P肥的残留P,同时还要假设5年中作物吸P的85.0%来自0～20cm土层,然后可粗略估计如下,5年土壤总供P量为86.0kg·hm-2,来自0～20cm土层的占73.0kg,其中来自速效库2.2kg,占耕层土壤供P的3%,来自迟效库70.8kg,占耕层土壤供P的97%。在本试验中的不施肥区,作物平均每吸取的17kg·hm-2·年-1的速率显然超过了土壤中P从迟效库向速效P库转化的速率,其结果是5年中耕层土壤的速效P库下降了1mg·kg-1。同理,处理Ⅳ5年共施K肥375.0kg·hm-2,其中93.75kg为作物吸收利用,贮存在耕层中的尚有281.25kg,其中进人速效K库为51.36kg,仅占残留肥料K的18.26%,其余81.74%均进入到土壤迟效K库中。同时与估算连续5年不施P肥土壤P库释放速率一样,可以估算土壤K库的释放速率,但与P不同的是虽然该土壤从未施过K肥,但施用过有机肥,因此同样不能认为作物吸收的K全部来自土壤自然风化过程,有一部分来自有机肥料中的残留K。同时由于K的垂直迁移较P易于发生,作物吸收的K来自0～20cm土层以下所占比重必然增加,表层仅占70.0%左右,5年不施肥土壤总供K量为228.0kg·hm-2,来自0～20cm土层的K占160.0kg·hm-2,其中来自速效库17kg,占耕层土壤供K的11.0%,来自迟效库为143kg,占耕层供K的89.0%。由于作物吸收的K超过了土壤中迟效K库向速效K库转移的量,故土壤速效K量下降了近7个mg·kg-1。4不同施肥处理对土壤肥力的影响田间试验表明N、P肥在下辽河平原对玉米具有极好的增产作用,但K肥对玉米不表现增产效果。但P、K肥对大豆增产效果明显。土壤速效P含量在试验前后有了明显变化,均达到丰P富P水平(不施肥的除