长期不同施肥对黄绵土雨养农业区作物产量和养分效率的影响

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　　摘要 以黄绵土雨养农业区长达37年（1981—2018）的土壤肥料长期定位试验为基础，选取其中2年，研究在黄绵土雨养农业区长期不同施肥对冬油菜、冬小麦产量和养分效率的影响。结果表明，施用有机肥和化肥的作物籽粒产量较不施肥（CK）明显增加，以有机肥配施化肥增产效应更显著。冬油菜和冬小麦的产量均以MNPK产量最高为2 576.1 和5 542.2 kg/hm2，均比不施任何肥料（CK）高552.01%和207.77%，其肥料贡献率为84.66%和67.67%，地上部N、P、K携出量均最多，分别为冬油菜（130.49、19.86 、130.18 kg/hm2），冬小麦（136.39 、27.76 、86.12 kg/hm2）。冬油菜中N、P、K的收获指数分别为氮的收获指数在NPK为最高2.8%，其次在CK为2.79%，而P和K均为对照最高分别为3.8%和0.83%，冬小麦均为单施N最高分别为0.77%、0.75%、0.83%。N、P、K肥的表观利用率冬油菜为单施有机肥最高107%，P和K均以NPK最高分别为20%和130.13%，冬小麦表观利用率均以N、K最高为55.53%、56.72%，P是MN为最高27.54%，其余处理均在配施有机肥后有不同程度的降低。
　　关键词 长期施肥，黄绵土，作物产量，养分效率
　　中图分类号 S158文献标识码 A文章编号 0517-6611（2020）06-0131-05
　　Abstract Based on 37 years （1981-2018）of experiments on soil fertilizer in rainfed agricultural area of loessal soil， the effects of longterm different fertilization treatments on crop yield and nutrient efficiency of winter wheat and winter rape were studied. The results showed that the grain yield of the crops with organic fertilizer and chemical fertilizer were significantly higher than that of the control group （CK） without fertilizer， and that the yieldincreasing effect of organic fertilizer combined with chemical fertilizer was more significant.The highest yield of both winter rape and winter wheat were 2 576.1  and 5 542.2 kg/hm2 with MNPK.Both were 552.01% and 207.77% higher than CK （without any fertilizer）， and their fertilizer contribution rates were 84.66% and 67.67% respectively.The uptakes of N， P and K all reached the highest aboveground. The uptakes of N， P and K of the winter rape were 130.49，19.86 kg/hm2， and 130.18 kg/hm2  while their uptakes of the winter wheat are 136.39 ， 27.76 and 86.12 kg/hm2 respectively.The harvest indexes of N， P and K of winter rape are as follows： N was the highest in NPK 2.8%，followered by in CK 2.79% while the harvest indexes of P and K were 3.8% and 0.83% respectively.The highest N values of winter wheat were 0.77%， 0.75% and 0.83% respectively in single organic fertilizer.The apparent utilization ratio of N， P and K in winter rape were as follwers： single organic fertilizer reached 107%， while P and K reached their highest of 20% and 130.13% in NPK. The apparent utilization ratio of winter wheat were N 55.53% ， K 56.72 %， and P reached highest 27.54% in MN.The other treatments were all reduced in different degrees after applying organic fertilizer.
　　Key words Longterm fertilization，Loessal soil，Crop yield，Nutrient efficiency
　　在黄土高原黄绵土雨养农业区影响作物产量的主要限制因子是降雨和施肥，在土壤水分有限的情况下，施肥成为提高作物产量的主要手段。20世纪80年代以来，随着化肥工业的兴起，人们通过大量施用化肥提高粮食产量，化肥在粮食生产中发挥了巨大作用[1]。根据联合国粮农组织（FAO）的相关资料，发展中国家，施肥可提高作物产量51.4%。我国约为40%[2]。目前農业生产实践中，为了片面追求产量，存在长期偏施氮磷钾，有机肥的施用较少或不施，不仅造成了养分资源浪费、肥料贡献率低，而且导致肥料增产效应和产量均有所下降[3]。这对肥料的的合理应用提出了更高的要求。长期定位试验具有时间的长期性和定位性等特点，信息量丰富，准确可靠，能为农业发展提供决策依据[4]。笔者以37年（1981—2018年）的土壤肥料长期定位试验为基础，研究长期不同施肥对作物产量和养分效率（吸收、运输、利用）的影响，为促进区域内农业生产和生态平衡提供科学依据。 　　1 材料与方法
　　1.1 试验地概况
　　试验于1981年在甘肃省天水市农业科学研究所中梁试验站试验地进行（104°5′E、34°05′N），属半干旱山区，海拔1 650 m，年平均气温为11.5 ℃，降水量500～600 mm，无霜期185 d。土壤为中壤黄绵土，pH 8.54，耕层含有机质11.87 g/kg、全氮0.82 g/kg、全磷0.66 g/kg、全钾16.60 g/kg、速效氮73.0 mg/kg、速效磷8.6 mg/kg、速效钾190 mg/kg、有机碳9.14 g/kg。
　　1.2 试验材料
　　冬油菜为天油8号，冬小麦为天选50号（天水市农业科学研究所提供），供试有机肥为精鸡粪（全氮、全磷和全钾的平均含量分别为0.3%、0.12%和1.11%），氮肥为尿素（N 46.4%），磷肥为普通过磷酸钙（P2O512%），钾肥为硫酸钾（K2O 50%）。
　　1.3 试验设计
　　试验采用裂区设计，主处理为施用有机肥（M）和不施用有机肥（M0），副处理为不施化肥（CK）、单施氮肥（N）、氮磷肥配合施用（NP）、氮磷钾配合施用（NPK）。小区长8.33 m，宽4.00 m，小区面积33.3 m2，重复3次，随机区组排列。施有机肥7 500 kg/hm2（干重）、N 150 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2。所有肥料均作基肥，于冬小麦播种前结合整地一次性施入。播种量450万粒/hm2，行距16.5 cm，人工开沟条播。其他管理措施同当地大田。轮作方式，2年小麦1年冬油菜。
　　1.4 样品采集
　　在成熟期每小区选取20株能代表本小区小麦（油菜）生长状况的小麦（油菜）植株，连根拔起，籽粒和秸秆分离用于生物学性状考察，其余全小区单收计产。
　　1.5 测定项目与方法
　　土壤质地的测定采用吸管法，土壤pH采用蒸馏水浸提（1.0∶2.5），pH计测定，土壤有机碳含量采用重铬酸钾容重法测定，乘以校正系数1.1，全氮含量采用开氏法测定。全磷和全钾含量采用NaHCO3熔融，钼锑抗比色法和火焰光度法测定，Olsen-P采用0.5 mol/L、pH 8.5的NaHCO3浸提，钼锑抗比色法，碱解氮含量用解扩散法测定，速效钾含量采用1mol的醋酸氨浸提，火焰光度法测定。以上指标具体分析方法参见土壤农业化学分析方法[5]。
　　肥料对产量的贡献率=（施肥区产量-无肥区产量）/ 施肥区产量×100%
　　养分吸收量=籽粒产量×籽粒养分含量+秸秆产量×秸秆养分含量
　　肥料表观利用率=（施肥区作物氮（磷、钾）素吸收量）-不施肥处理作物氮（磷、钾）素吸收量）/施肥量×100%
　　氮（磷钾）素收获指数（%）=籽粒氮（磷钾）积累总量/植株氮（磷钾）素积累总量
　　1.6 数据分析
　　试验数据采用DPS 7.05处理，表格全部采用Excel 2007。
　　2 结果与分析
　　2.1 长期施肥对作物产量的影响
　　由表1可知，从2种作物的籽粒产量看，长期不同施肥处理增产效应差异明显，单施N和M增产效果最小，冬油菜增产率分别为149.39%和102.54%，冬小麥增产率分别为117.22%和66.66%，不管是冬油菜还是冬小麦肥料单施的增产效果不如肥料配施。冬油菜、冬小麦都是NPK增产效果最好，增产率分别是497.57%和177.78%，其次是NP，增产率分别为411.47%和162.77%，NP配施有机肥后增产效果更显著，分别为459.56%和201.67%，有机肥配施NPK后增产率为552.01%和207.77%。在相同施肥水平下，配施有机肥增产较不配施有机肥增产。
　　从历年试验可以看出，作物的籽粒产量MNPK、MNP、NPK肥配施这3个处理产量差异不显著且增产率不同，其主要原因是历年施用的有机肥质量参差不齐，引起作物产量年际间的波动。俄胜哲等[6]研究表明氮肥的平均增产效应高于磷、钾肥，施用钾肥可增产小麦产量和提高土壤速效钾含量，但从投入和产出方面考虑不经济。因此，在黄土高原黄绵土雨养农业区冬小麦和冬油菜栽培上对钾肥的投入可以考虑适量减少投入或隔年施用是一种比较经济施肥方式。
　　2.2 长期施肥对作物养分效率的影响
　　2.2.1 长期施肥对作物氮吸收效率的影响。由表2可知，各施肥处理均能不同程度提高冬油菜和冬小麦籽粒和秸秆的含氮量，所有处理的籽粒氮含量和累积量均大于秸秆且氮含量均高于对照处理，NPK配施的氮含量高于单施N肥和NP配施。
　　与对照相比，N、NP、NPK处理的冬油菜地上部氮携出量分别提高62.76%、124.98%、127.38%，M、MN、MNP、MNPK处理分别提高了119.71%、127.87%、129.44%、130.49%，所有处理与对照差异均达显著水平。NP、NPK配施的冬油菜地上部氮携出量较单施N肥分别提高62.22%、64.62%，MNP、MNPK配施较MN配施分别提高了1.57%、2.62%，差异显著。相同施肥水平下，施有机肥处理较不施有机肥处理分别提高了65.11%、4.46%、3.11%，差异显著。
　　与对照相比，N、NP、NPK处理的冬小麦地上部氮携出量分别提高了84.49%、112.95%、118.6%，M、MN、MNP、MNPK处理分别提高了54.83%、117.83%、128.81%、136.39%，所有处理与对照差异均达显著水平。NP、NPK配施的冬小麦地上部氮携出量较单施N肥分别提高了28.46%、34.11%，MNP、MNPK配施较MN配施分别提高了10.98%、18.56%，差异显著。相同施肥水平下，施有机肥处理较不施有机肥处理分别提高了33.34%、15.86%、17.79%，可见，施氮可以促进冬油菜吸收和储存的氮素向籽粒中转移，肥料配施对油菜地上部氮携出量有显著的增加作用，化肥有机肥配施效果更佳。 　　2.2.2 长期施肥对作物磷吸收效率的影响。
　　由表3可知，冬油菜、冬小麦磷素吸收受不同施肥处理的影响明显，施P显著增加了冬油菜冬小麦的磷含量和磷累积量。与氮含量的变化趋势一致，不同施肥处理的冬油菜冬小麦磷含量和磷累积量也是籽粒大于秸秆。
　　与对照相比，N、NP、NPK处理的冬小麦地上部磷携出量分别提高了108.6%、379.75%、457.47%，M、MN、MNP、MNPK处理的冬小麦地上部磷携出量分别提高了114.68%、244.05%、511.90%、702.19%，差异均达显著水平。在相同施肥水平下，施有机肥处理冬小麦地上部携出量较不施有机肥明显增加，分别提高了64.93%、27.55%、26.07%。施P处理冬小麦地上部磷携出量均较不施P处理高，NP与NPK处理间、MNP与MNPK处理间差异均显著。
　　与对照相比，N、NP、NPK处理的冬油菜地上部磷携出量分别提高了144.26%、524.26%、638.3%，M、MN、MNP、MNPK处理的冬油菜地上部磷携出量分别提高了104.26%、288.51%、623.4%、745.11%，差异达极显著水平。在相同施肥水平下，施有机肥处理冬油菜地上部携出量较不施有机肥明显增加，分别提高了59.06%、15.88%、14.47%。施磷肥处理冬小麦地上部磷携出量均较不施磷肥处理高，NP与NPK处理间、MNP与MNPK处理间差异显著。
　　2.2.3 长期施肥对作物钾吸收效率的影响。
　　冬油菜、冬小麦钾含量和累积量的变化与N、P变化不一致，表现为秸秆大于籽粒（表4）。不管是籽粒和秸秆冬油菜钾含量各处理间变化不大。肥料配施的冬油菜地上部K携出量显著大于肥料单施。
　　与对照相比，N、NP、NPK处理的冬小麦地上部钾携出量分别提高了149.04%、424.06%和567.11%，M、MN、MNP、MNPK处理则分别提高了109.88%、299.01%、524.35%和625.22%，差异均达显著水平。配施钾肥后冬油菜地上部钾携出量显著增加，NPK较N、NP处理分别提高了167.87%、27.3%，MNPK较MN、MNP处理提高了89.57%、21.15%，差异均达显著水平。在相同施肥水平下，施有机肥处理冬油菜地上部钾携出量较不施有机肥分别提高了60.22%、19.14%和13.39%，差异显著。
　　与对照相比，N、NP、NPK处理的冬小麦地上部钾携出量分别提高了104.66%、165.75%和188.73%，M、MN、MNP、MNPK处理则分别提高了84.56%、202.31%、242.72%和282.08%，差异均达显著水平。配施钾肥后冬小麦地上部钾携出量显著增加，NPK较N、NP处理分别提高了41.08%、8.65%，MNPK较MN、MNP处理分别提高了26.39%、11.48%，差异均达显著水平。在相同施肥水平下，施有机肥处理冬小麦地上部钾携出量较不施有机肥分别提高了47.71%、28.96%和32.33%，差异显著。
　　长期不施钾肥主要靠有机肥供给来满足冬小麦对钾素的需求，土壤和有机肥含钾丰富，施用有机肥后冬油菜、冬小麦籽粒和秸秆总钾吸收量显著提高。
　　养分收获指数是指籽粒中養分累积量和地上部分吸收总量的比值，该指标反映了所吸收的养分向籽粒中转移状况[7]。不同施肥处理对冬油菜、冬小麦养分收获指数影响不同。
　　冬油菜氮的收获指数除氮磷钾配施比对照高0.01百分点外，其余处理均比对照低，最低的为单施氮和有机肥配施氮磷比对照低0.15百分点，磷和钾的收获指数均以对照最高，磷养分收获指数最低的为有机肥配施氮磷比对照低1.1百分点，钾养分收获指数最低的为有机肥配施氮磷和有机肥配施氮磷钾肥。
　　冬小麦单施N肥氮、磷、钾的收获指数最佳，氮、磷、钾比对照分别提高了0.02、0.03、0.2百分点，氮磷配施、有机肥、有机肥配施氮肥与对照基本相同，而氮磷钾配施、有机肥配施氮磷、有机肥配施氮磷钾肥均比对照低0.02百分点，NP配施N、P、K的养分收获指数与对照基本相同，NPK配施N的养分收获指数降低0.02百分点，P的养分收获指数降低了0.01百分点，而K与对照变化不大，M处理N的养分收获指数与对照相比变化不大，而P的养分收获指数下降了0.07百分点，K下降了0.01百分点，MN配施N的养分收获指数与对照相比变化不大，而P和钾的养分收获指数均下降了0.01百分点，MNP、MNPK配施N、P、K的养分收获指数均有不同程度的下降（表5）但其籽粒和秸秆的养分累积量均有不同程度的增加。有机肥配施氮磷钾肥养分的收获指数普遍下降，可能与收获时茎叶和籽粒所含养分较多，作物籽粒合成所需的养分量比较充足，致使作物茎秆养分向籽粒转运缓慢或不转移造成。
　　2.3 长期施肥对作物养分表观利用率的影响
　　2.3.1 长期施肥对作物氮肥表观利用率的影响。
　　我国主要氮肥品种尿素和碳铵，其利用率9%～72%，平均值在30%～41%，大部分在30%～35%[8]。在不施有机肥处理下，冬油菜和冬小麦氮素的肥料表观利用率以单施氮肥最低，为对照的26.42%和32.79%，肥料配施后肥料利用率显著升高，冬油菜NPK和NP处理肥料利用率分别为69.5%和67.9%，冬小麦NPK和NP处理肥料利用率分别为55.53%和51.76%，配施有机肥后，单施有机肥处理冬油菜氮素利用率最高为107.31%，而冬小麦单施有机肥处理为所有处理中氮素表观利用率最低为25.69%，冬油菜 MN、MNP、MNPK处理之间变化不大，分别为43.64%、44.3%、44.73。MNP、MNPK配施氮素表观利用率较不施有机肥下降，分别为44.3%和44.73%，冬小麦MNP、MNPK配施氮素利用率较不施有机肥下降，分别为38.96%和42.12%（表6）。 　　2.3.2 长期施肥对作物磷肥表观利用率的影响。
　　磷肥与氮肥不同，施入土壤后，大部分累积在土壤剖面中[9]，因此，磷肥的当季利用率一般只有10%～25%，而75%～90%的磷肥以不同形态的磷酸盐积累在土壤剖面中[10]。冬小麦和冬油菜磷素表观利用率以单施有机肥最低，为12.94%和7%，NPK配施高于NP配施，MNP、MNPK配施后则有下降趋势（表6）。
　　2.3.3 长期施肥对作物钾肥表观利用率的影响。
　　研究表明，在油菜生产中进行科学施用钾肥的表观利用率达60%[11]，中国三大粮食作物肥料利用率研究指出小麦钾肥当季利用率一般为44%。该研究结果表明冬油菜冬小麦钾素表观利用率趋于一致以单施有机肥最低，为5.69%、5.72%，NPK配施最高，为130.13%、56.72%，配施有机肥后急剧下降至27.69%、15.58%（表6）。
　　3 讨论
　　从试验籽粒产量结果看冬油菜和冬小麦所有施肥处理均比CK增产，单施氮肥和有机肥对作物增产效应最小分别为149.39、102.54%（冬油菜）和117.22、66.66%（冬小麦），氮、氮磷、氮磷钾配施有机肥均比配施有机肥产量高，作物产量在MNPK时最高分别为2 576.1 kg/hm2（冬油菜）和5 542.2 kg/hm2（冬小麦），均比对照（不施任何肥料）高552.01%和207.77%，其肥料贡献率为84.66%和67.67%。因此，农业生产中在化肥合理配合施用的基础上配施有机肥具有十分重要的意义。
　　该研究中，不施任何肥料时小麦产量最低，植株养分吸收量小，土壤中氮、磷养分严重亏缺且氮、磷、钾养分不平衡。土壤中长期单施氮肥会导致作物生长所必需的其他营养元素比例严重失调，不利于作物对其他养分的充分利用。氮磷钾化肥平衡配施养分含量大于缺素处理及养分单施处理，有机肥与化肥配施（MN、MNP、MNPK）养分携带量更高[12]。作物氮、磷素吸收受不同施肥处理影响明显，显著增加了冬油菜和冬小麦的磷含量和磷累积量，其携出量冬油菜、冬小麦基本表现与产量一致，最高为有机肥配施氮磷钾肥，最低为CK，且不同施肥处理的冬油菜、冬小麦氮、磷含量和氮、磷累积量也是籽粒大于秸秆，而冬油菜、冬小麦钾含量和累积量的变化与氮磷不一致，表现为秸秆大于籽粒，其携出量与作物籽粒产量趋于一致，不管是籽粒和秸秆冬油菜钾含量各处理间变化不大。肥料配施的冬油菜地上部钾携出量显著大于肥料单施，土壤氮磷钾的携出量其基本和作物产量呈正相关，而氮磷钾不同元素间回收率明显不同，总体来看，氮回收率>磷回收率>钾回收率[13]。
　　作物籽粒中的养分一方面来源于根系吸收养分的直接供应[14]，另一方面是营养器官中的养分转移。氮和磷主要累积在籽粒中，与之相反，钾则主要累积在秸秆中[15]，因此，作物籽粒形成过程中，也是籽粒中氮和磷大量累积的过程。而养分的收获指数在一定程度上体现了作物营养器官的养分向籽粒转移的效率，由于该试验不同的施肥处理秸秆和籽粒养分含量和累积量均远大于CK，因此在作物籽粒形成过程中，营养器官向籽粒的转运均较低，表现在养分的收获指数上MNPK等相对较低，可能与收获时茎叶和籽粒所含养分均较多，作物籽粒合成所需的养分量比较充足，致使作物茎秆养分向籽粒转运缓慢或不转移造成，具体原因有待深入研究。
　　不同施肥处理对作物表观利用率的影响显著，有机肥化肥配施后肥料表观利用率下降。Bridgham等[16]研究表明，在一定程度上随着土壤养分有效性的降低，植物的养分利用效率增大，但若土壤养分有效性下降到一定程度后，就会降低养分的利用率。该研究结果表明，冬油菜和冬小麦氮素的肥料表观利用率以单施氮肥最低，为对照的26.42%和32.79%，肥料配施后肥料利用率显著升高，最高氮磷钾配施为对照的69.5%（冬油菜）和55.53%（冬小麦），无论冬油菜或冬小麦有机肥配施氮磷和氮磷钾后氮素表观利用率较不施有机肥下降分别为44.3%和44.73%（冬油菜）、38.96%和42.12%（冬小麦）。冬小麦和冬油菜磷素表观利用率以单施有机肥最低，为12.94%和7%，和氮素表观利用率相同，NPK配施高于NP配施，MNP、MNPK配施后则有下降趋势。冬油菜冬小麦钾素表观利用率趋于一致以单施有机肥最低，为5.69%、5.72%，NPK配施最高，为130.13%、56.72%，配施有机肥后急剧下降至27.69%、15.58%。
　　因此，在保持土壤生產力的同时，在提高养分利用率和资源节约上考虑，合理施用有机肥和减施磷钾肥料或隔年施用磷钾肥在该地区农业生产上是一条可以探索的途径。
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