花生测土配方施肥指标体系研究

花生测土配方施肥指标体系研究

花生是福建的主要肥料，年种植约11万公斤。这是福建省现在研究和推广土壤施肥的主要原因之一。测土配方施肥是根据作物需肥规律、土壤供肥特性和肥料效应,在有机肥为基础的条件下,提出氮磷钾等养分的适宜用量和比例以及相应的施肥技术。因此,在实际应用中,测土配方施肥包括测土和提出施肥建议两个程序。根据土壤测定结果提出施肥建议,其依据是作物施肥指标体系,因而施肥指标体系是花生测土配方施肥的核心技术。近30年来,我国广大土壤肥料科技工作者积极引进、吸收和消化国外先进技术,开展大规模的测土配方施肥技术研究,先后创造性地提出了各种配方施肥方法[2~6]。研究表明,就定量水平而言,建立在肥料效应函数-养分丰缺指标法基础上的配方施肥技术,因其具有科学性和严密性使推荐施肥量和配方达到优化水平。在20世纪90年代中期加拿大钾磷研究所资助下,福建应用“土壤养分状况系统研究法”对花生平衡施肥技术进行了探讨,明确了花生种植地土壤氮磷钾养分状况、磷钾吸附特性和平均氮磷钾最佳用量和比例,为当时花生测土配方施肥技术推广应用提供了科学依据,但养分指标具有时效性。本文根据近年来完成的众多花生氮磷钾肥效试验结果,以肥料效应函数-养分丰缺指标法为主体,建立完整的花生施肥指标体系,以期为当前福建花生测土配方施肥技术的推广应用提供科学依据。1材料和方法1.1测土配方施肥试验方案为了探讨土壤氮磷钾丰缺指标,在国际植物营养研究所(IPNI)合作项目中开展了养分限制因子试验(Opt试验)。设5个处理即(1)不施肥,(2)平衡施肥(NPK),(3)不施氮肥(PK),(4)不施磷肥(NK),(5)不施钾肥(NP)。平衡施肥推荐施肥量(N-P2O5-K2O,kg/hm2)是75-60-90。为研究花生氮磷钾最佳用量,采用三因素五水平回归最优设计,氮磷钾各设5个水平,12个处理,即(1)N0.5P0.5K1;(2)N0.5P0.5K0;(3)N0.14P0.14K0.75;(4)N0.86P0.14K0.75;(5)N0.14P0.86K0.75;(6)N0.86P0.86K0.75;(7)N1P0.5K0.25;(8)N0P0.5K0.25;(9)N0.5P1K0.25;(10)N0.5P0K0.25;(11)N0.5P0.5K0.5;(12)N0P0K0。“1”表示试验设计的最大施肥量,分别是N120kg/hm2、P2O590kg/hm2和K2O135kg/hm2,各处理的施肥量按下标比例折算。在国家测土配方施肥项目中,采用“3414”试验方案,氮磷钾各设4个水平,14个处理,即:(1)N0P0K0,(2)N0P2K2,(3)N1P2K2,(4)N2P0K2,(5)N2P1K2,(6)N2P2K2,(7)N2P3K2,(8)N2P2K0,(9)N2P2K1,(10)N2P2K3,(11)N3P2K2,(12)N1P1K2,(13)N1P2K1,(14)N2P1K1。其中,“2”水平表示N、P2O5、K2O的推荐用量,与上述Opt试验相同;“0”水平为不施肥;“1”水平的用量为“2”水平的50%,“3”水平的用量为“2”水平的150%。1.2试验地和试验材料Opt试验采用3次或4次重复,三因素五水平回归最优设计的试验采用3次重复,随机区组排列,“3414”设计方案则采用多点分散不设重复和区组排列的试验方法。小区面积20~25m2,同一个试验的小区面积相同。试验地分布于闽东南花生主产区,选择当地具有代表性的土壤类型和肥力水平的地块作为试验田。供试品种选用当地大面积种植的良种,试验时间都在当地正常农业生产季节内进行。氮肥选用尿素(N46%),磷肥选用过磷酸钙(P2O512%),钾肥用氯化钾(K2O60%)。施肥方法是:基肥中氮钾肥占总用量的50%,磷肥做基肥,全层深施;余下的氮钾肥在苗期做追肥施用,开浅沟施肥后覆土。试验区周围设1m宽以上的保护行,其它的栽培管理措施与大田生产一致。试验田作物收获时各小区单收,分别记录产量鲜重和干重。1.3提取-火焰光度计测定每个试验在实施前,按规范方法各取一个混合基础土样。采用常规方法测定土壤主要理化性状,其中,pH为电位法,有机质为重铬酸钾容量法,碱解氮为碱解扩散法,有效磷为0.5mol/L碳酸氢钠提取-钼锑抗比色,速效钾为1mol/L乙酸铵提取-火焰光度计测定。各供试土壤pH为5.9±0.6,有机质为16.6±5.2g/kg,碱解氮、Olsen-P和速效钾含量分别为95.0±26.3mg/kg、31.8±26.3mg/kg和54.6±30.3mg/kg。1.4指标测定及模型建立试验结果采用MATLAB软件进行方差分析和回归分析,作物肥效模型采用二次多项式,参数估计方法采用最小二乘法或MonteCarlo法,绘图则采用MATLAB语言编程完成。文中若干指标计算方法如下:氮、磷、钾化肥的增产效果=(平衡施肥区产量-缺素区产量)÷平衡施肥区产量×100;相对产量=缺素区产量÷平衡施肥区产量。2结果与分析2.1试验结果及效果福建花生种植地主要是水旱轮作地和常年缺水的旱地,土壤肥力较低。近年来,在IPNI合作项目和测土配方施肥项目中,具有缺素区处理的田间试验共完成了194个。对这些氮磷钾肥效试验结果用配对法t值测定,表明有显著水平的增产效果(表1)。尽管花生能够固氮,但要获得较高产量,施用适宜的氮肥平均可增产18.4%,三要素的增产效果是N>K>P,与20世纪90年代的研究结果一致。2.2土壤肥力等级的划分以及目标产量的确定2.2.1以空白区花生产量水平变化为标准“因土施肥”是测土配方施肥技术的基本原则之一。由于不同肥力水平的土壤对花生产量和最佳施肥量等都有明显的影响,因而对花生种植地土壤肥力水平合理分等划级是实施因土施肥的重要前提。在土壤肥力等级划分方法中,杨守春等人研究表明,以空白区产量水平划分是较可靠的方法。金耀青等人认为肥力等级划分为3级或4级就已足够。自2006年以来完成的43个肥效试验中,空白区花生产量的变化幅度为600~4485kg/hm2。因此,以无肥区产量高于3000kg/hm2的种植地土壤肥力定为“高”,产量在3000kg/hm2至1500kg/hm2的土壤肥力定为“中”,产量低于1500kg/hm2的土壤肥力定为“低”。表2的统计结果表明,不同土壤肥力等级的花生空白区和氮磷钾平衡施肥区产量水平有明显的差别,土壤对花生产量的贡献率随土壤肥力等级的提高而增加;土壤对花生产量的平均贡献率是66.1%。2.2.2福建花生氮磷钾平衡施肥量表的建立目标产量是确定花生推荐施肥量的主要依据之一,因而成为测土配方施肥的关键参数。在20世纪80年代国内提出“以地定产”式,用于根据土壤肥力水平确定目标产量。近年来“3414”试验完成的43个花生氮磷钾肥效田间试验表明,空白区产量与氮磷钾平衡施肥区产量之间存在显著水平的线性关系,即:Y=1077+1.040X(n=43,F=105.3**),其中,X和Y分别表示空白区产量和平衡施肥区产量(kg/hm2)。回归关系式的建立,为福建花生测土配方施肥确定目标产量提供了一个较为精确的计算式,从而把经验性估产提高到计量水平。有了该回归关系式,不仅可以通过空白区产量(X)推算目标产量(Y),还可根据农户施肥区产量反向估算空白区产量,从而给实际应用带来了方便。2.3碱解氮、olsen-p和慢速钾、“平均比”和“日比”土壤速效氮磷钾丰缺指标法是测土配方施肥的经典方法,土壤速效氮磷钾丰缺指标是测土配方施肥的关键技术参数之一,是确定是否需要施肥的主要依据。根据氮、磷、钾缺素区产量和平衡施肥区产量分别计算氮、磷、钾的相对产量,与相应的基础土壤碱解氮、Olsen-P、速效钾含量测定值,在坐标图上绘制散点图,结果见图1。表明,由于花生对氮磷钾的营养特性不同,碱解氮、Olsen-P和速效钾的各点分布趋势有明显差别。因而,碱解氮校验曲线选择对数模型,Olsen-P校验曲线选择指数模型,速效钾校验模型采用幂指数模型。结果表明3个回归方程的F值均达到极显著水平(图1)。金耀青等人认为,土壤肥力指标划分为3级或4级就已足够。因此,将土壤速效氮磷钾含量分为“高”、“中”和“低”3个等级,即相对产量达到90%以上定为“高”,在90%~75%时定为“中”,低于75%时定为“低”,各肥力等级的相应速效氮磷钾指标见表3。结果表明,花生相对产量达到90%时,土壤碱解氮、有效磷和速效钾的临界指标分别是136mg/kg、21mg/kg和90mg/kg。与各试验点基础土壤测定值相比,土壤碱解氮和速效钾含量属于“中”、“低”水平的土样分别占83.7%和84.9%,而土壤Olsen-P含量属于“高”水平的土样数占46.3%,与花生氮磷钾肥效试验结果一致(表3)。2.4田间试验结果分析不同土壤肥力等级的氮磷钾最佳用量和比例是花生测土配方施肥的关键参数,可对花生合理施肥起到宏观调控和指导配方肥开发的作用。施肥模型是确定氮磷钾推荐用量的主要方法,本文选用三元二次多项式模型拟合肥料试验结果。由于田间试验不可避免地受到许多不可控因子的影响,使试验结果产生误差,在建模前先将各点试验结果按二次多项式模型进行回归分析,剔除统计不显著的试验点。结果表明,三因素回归最优设计和“3414”设计的试验分别有12个和34个肥效试验资料是可用的。根据花生种植地土壤肥力“高”、“中”、“低”三个等级的划分标准,将各肥力等级内的各试验点的施肥量和产量,用最小二乘法或MonteCarlo法进行参数估计,建立花生施肥模型,结果见表4。表明采用上述建模方法,无论是应用三因素回归最优设计还是“3414”方案设计,所建立的区域肥效模型的R2均达到统计显著水平,说明这些肥效模型都是可用的。2.4.2施肥量的推荐对通过显著性检验的肥效模型进行典型性判别,表明“3414”设计的“高”肥力等级和三因素回归最优设计的“低”肥力等级的花生区域肥效模型属于非典型式,其余肥效模型属于典型式。对典型式采用边际产量导数法求最高施肥量,以每千克N4.3元、P2O55元、K2O4元和花生4.0元的市场价计,结合边际产量导数法求经济施肥量;对非典型式则以试验所得最高产量为目标产量,在试验施肥量范围内,采用MonteCarlo法推荐施肥。表5是2种试验设计所建立肥效模型的平均推荐施肥量和预计产量。结果表明,花生的平均最高施肥量是N115kg/hm2、P2O571kg/hm2、K2O131kg/hm2,预测产量为3563kg/hm2,氮磷钾比例为1∶0.61∶1.14;经济施肥量是N98kg/hm2、P2O555kg/hm2、K2O103kg/hm2,预测产量为3436kg/hm2,氮磷钾比例为1∶0.56∶1.05。不同土壤肥力等级的氮磷钾最高施肥量或经济施肥量存在较大的差异。高肥力等级土壤由于供肥强度较大,所需氮磷钾用量相对较低;中等肥力等级土壤供肥能力较差,要获得较高的花生产量,需要较高的施肥量;低肥力等级土壤障碍因子较多,花生产量较低,需肥量也较低。2.5土测值与推荐施肥量关系式的建立如何根据土壤速效氮磷钾测定值确定作物推荐施肥量,是测土配方施肥技术工作中需要解决的一个实际应用问题。在20世纪80年代配方施肥研究中,建立了土测值与推荐施肥量的回归关系式,从而达到用土测值来预测具体地块推荐施肥量的目的。近年来在闽东南花生主产区完成的田间试验所建立的肥效模型的推荐施肥量和相应试验点的土测值,表明二者之间满足指数回归方程(图2),3个回归方程均达到显著水平,结果见表6。有了土测值与施肥量的关系式,就可以根据土测值预测具体地块的推荐施肥量,起到微观指导的作用。标准误Se分布在11.2~22.1kg/hm2之间,平均为16.4kg/hm2。3讨论和结论3.1土壤肥力等级土壤速效氮磷钾养分肥力分级是校验研究的重要内容。土壤速效氮磷钾丰缺指标分级主要是根据生产实践对精度的需要,以及校验曲线的高度和斜率特征等因素而确定。从测土配方施肥的角度看,似乎级数越多施肥就越精确。周鸣铮和陆允甫等人建议将土壤肥力等级划分为5级,即“极低”、“低”、“中”、“高”和“极高”,但黄德明和金耀青等人认为,由于作物生长受众多因素的影响从而产生的年度间产量变化幅度,足以掩盖被划分得过细的肥力级差,肥力指标划分为3级或4级就已足够。因而,本文根据氮磷钾肥效田间试验结果以及考虑到基层应用上的方便,将土壤速效氮磷钾养分肥力划分为“高”、“中”、“低”3个等级。3.2碱解氮丰缺指标的确定校验曲线模型是制定养分丰缺指标的主要方法。众多研究表明,校验曲线虽然同属于指数模型或对数模型,但研究发现,在相同测定方法和作物下,不同区域确定的养分临界指标竟有两倍之差,给推荐施肥造成困惑。应用图1相同的试验资料,分别采用对数模型、指数模型和幂函数模型拟合试验结果,回归方程均能达到统计显著水平,但对数模型确定的高产临界指标分别为碱解氮136mg/kg、Olsen-P37mg/kg和速效钾94mg/kg;指数模型确定的高产临界指标分别为Olsen-P21mg/kg,碱解氮和速效钾校验模型则无解;幂函数模型确定的高产临界指标则分别为Olsen-P31mg/kg和速效钾90mg/kg,碱解氮校验模型无解。结果表明,同一组试验数据,不同校验模型确定的丰缺指标有很大差异甚至无解。因而,如何选择最佳校验模型是个重要问题。图1的结果表明,虽然花生能够固氮,但多数情况下产量对氮素营养很敏感,各点分布特征满足对数模型。而磷素则不同,过多的磷素在多数情况下对产量表现出既不增产也不减产的趋势,在试验结果范围内出现一个明显的平台现象,各点分布特征满足指数模型。钾存在奢侈吸收现象,较高钾素供应在产量上也不会出现明显减产现象,各点分布特征介于氮磷养分之间,而满足幂函数模型。需要指出的是,由于碱解氮指标本身存在的问题,从国内已总结的大量试验数据和本文的试验结果看,土壤碱解氮与作物相对产量基本无法建立数学关系。考虑到试验资料来自不同县级土肥部门及其实验室,加上田间试验受众多不可控因素的影响以及土壤取样和测定过程的误差等问题,同时考虑到当前测土配方施肥工作的需要,在碱解氮校验曲线回归建模前,剔除12.5%的试验点。结果表明,各点分布的整体即可满足对数模型所描述的动态特征,本文以此办法建立土壤碱解氮丰缺指标。研究结果还表明,无论是20世纪80~90年代还是本文的丰缺指标研究结果,“低”肥力等级的碱解氮和速效钾的指标值都偏低,主要是由于在“低”肥力部分的检验曲线的斜率过大造成的,如何在校验研究中克服这一缺陷,有待今后进一步探讨。3.3花生最佳施肥方案国内在20世纪80年代的研究表明,就定量水平而言,肥料效应函数-养分丰缺指标法配方施肥技术,因其科学性和严密性可使推荐施肥达