三江平原草甸白漿土水田氮肥優化研究及應用
——以前進農場為例

王秋菊，李鵬緋，劉 峰，焦 峰，姜 輝

（1．黑龍江省農業科學院土壤肥料與資源環境研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2．黑龍江省土壤環境與植物營養重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086；3．黑龍江省農墾總局建三江分局，前進農場現代農業發展中心，黑龍江 富錦 156331；4．黑龍江八一農墾大學，黑龍江 大慶 163319；5．黑龍江農業科學院科研處，黑龍江 哈爾濱 150086）

三江平原是黑龍江省主要水稻產區，2017年水田面積225.93萬hm2，占黑龍江省水稻總面積的60%［1］。白漿土是三江平原地區主要耕地土壤，占全區耕地面積的25.27%［2］。白漿土作為旱田土壤，由于土體中存在瘠薄緊實的白漿層，土壤易旱易澇，抗災能力弱，作物產量低而不穩；改為水田后，原來障礙的白漿層變為保水層，從根本上解決了白漿土旱澇問題，低產土壤變為穩產土壤。但白漿土黑土層薄、養分儲量少，水稻生產中每年都要施入大量氮肥以維持高產，水稻生產中為片面追求產量而盲目大量施肥現象十分普遍，不僅導致肥料利用率低，而且生產效益下降［3］。三江平原水田開辟時間短，多為30～40年，有的甚至只有幾年，總體看白漿土辟為水田后土壤肥力呈增加趨勢，即隨種稻年限增加，土壤有機質呈上升趨勢，種稻10年后，土壤有機質含量增加5.52 g·kg-1，種稻20年后土壤有機質增加7.51 g·kg-1［4-5］。水稻施肥要根據土壤肥力變化特征而相應調整，才能實現肥料高效利用，達到高產、高效之目的。

為提高肥料的增產效益，農業部相繼組織開展了測土配方施肥項目，為指導科學施肥提供了很好的理論依據［6］。但在具體實施方面，由于普遍存在的取樣、化驗分析以及田間試驗誤差的累積效應導致土壤養分數據與作物產量相關性不良，因此，用土壤養分含量為基礎確定施肥量方法的測土配方施肥技術在實際應用中存在很大風險［7-9］。在作物所需的三要素中，氮肥對水稻產量影響最大［10-12］，水稻缺氮產量會降低20%～30%。我國水稻氮肥用量高，利用率也明顯低于其他水稻主產國［13-15］，特別是過量投入氮肥導致水稻倒伏、貪青，甚至招致嚴重病蟲害而大幅度減產的現象時有發生，不僅降低產量和品質，還浪費資源、污染環境［16-18］。另外，大量施用氮肥導致邊際生產率下降，效益降低［19-20］。由此可見，科學地施用氮肥對于提高水稻產量和品質、增加農民收入具有重要意義。

本文以三江平原的草甸白漿土為供試土壤，以氮肥用量為切入點開展氮肥優化技術研究。通過匯總多點試驗結果總結出氮肥用量—水稻產量對應關系，提出草甸白漿土水稻氮肥優化施用技術，并在大面積生產上進行驗證，為草甸白漿土水稻科學施氮提供可靠的技術參考。本研究各個試驗點在同一區域內，氣候條件一致，土壤均為草甸白漿土，研究成果可直接應用于指導當地水稻施肥。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗在黑龍江農墾總局建三江分局前進農場境內10個管理區草甸白漿土上進行，前進農場位于三江平原腹地，地處北緯 47°34′，東經 132°17′。每個管理區一個試驗點，共10個試驗點，各試驗點位置及具體情況見表1。

表1 試驗地點及基本情況

1.2 供試土壤

草甸白漿土是前進農場的主要水田土壤，也是三江平原白漿土的典型代表。草甸白漿土土壤剖面特征見圖1，土壤剖面由4個發生層次構成：第一層是黑土層，平均厚度為15～25 cm，有機質豐富，適合于作物的生長發育；第二層是白漿層，平均厚度18～22 cm，土壤緊實、片狀結構，是作物根系生長的障礙層次；第三層是淀積層，平均厚度45～55 cm，小核狀結構，土質粘重；第四層是母質層，為黃色粘土，厚度5～11 m［21］。各試驗地點草甸白漿土的化學性質見表2。土壤有機質為32.12～48.23 g·kg-1，堿解氮為113.86～199.51 mg·kg-1，有效磷為11.09～36.97 mg·kg-1，速效鉀為 113.86 ～ 199.51 mg·kg-1。

圖1 草甸白漿土剖面

1.3 試驗設計

試驗于2016年實施，借鑒了‘3414’試驗的設計施肥量，共設置4個氮素施肥水平，分別為N0：不施氮處理，N1：施氮46.65 kg·hm-2，N2：施氮93.15 kg·hm-2，N3：施氮 139.80 kg·hm-2，開展氮肥不同施用量試驗。小區面積200 m2，每個處理3次重復，具體田間施肥量見表3。

施肥方式：氮肥施用按照基肥、蘗肥和穗肥3個時期施入，氮肥總量的40%作為基肥施入，氮肥總量的30%作為蘗肥施入，氮肥總量的30%作為穗肥施入；磷肥的施用量按照五氧化二磷65.25 kg·hm-2作為基肥一次施入；鉀肥的施用量按照氧化鉀67.5 kg·hm-2施入，總量的60%作為基肥施入，總量的40%作為穗肥施入。

1.4 調查項目與方法

土壤樣品采樣：每個小區按照S型取樣方法取5點，取0～20 cm土層土壤，5點土壤混合后按照四分法留500 g左右土樣帶回實驗室備用。

植株樣品取樣：在水稻成熟期，每個處理按照對角線法選擇3個點，每點取代表性植株樣品10株，每小區30株，分離莖稈和籽粒，烘干后測定生物產量和經濟產量，粉碎待測化學養分。

表2 各個供試地點土壤基本情況

表3 不同氮素施用量試驗 （kg·hm-2）

土壤有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定；堿解氮采用擴散吸收法測定；土壤有效磷含量采用碳酸氫鈉提取比色法測定［22］；速效鉀含量采用乙酸銨浸提-原子吸收光譜法測定；植株采用硫酸-過氧化氫消煮，全氮采用凱氏定氮法，全磷采用鉬銻抗釩鉬黃比色法，全鉀采用原子吸收分光光度法測定［23］。

水稻產量測定：水稻成熟后每區按隨機法取3點，每點1 m2進行考種測產。為消除不同處理含水量差異，采用谷物水分測定儀分別測定籽實含水量，并折合成14%含水量計算產量。

收獲指數=單位面積籽實產量（經濟產量）/單位面積生物產量×100%

氮肥農學利用效率=（施氮區水稻產量-無氮區水稻產量）/施氮量氮肥偏生產力=施氮區水稻產量/總施氮量邊際生產力=單位面積產量變量/單位面積肥料變量

1.5 數據分析

用Excel 2003及DPS 6.85處理數據及試驗數據的相關性分析。

2 結果與分析

2.1 氮肥用量與水稻產量關系

表4為各供試地點水稻產量平均值和標準差。從表4看出，在一定施氮范圍內，隨氮肥施用量增加，水稻產量呈增加趨勢；但當氮肥施用量超過93.15 kg·hm-2時，水稻產量呈下降趨勢。各點水稻產量與施氮量的關系變化趨勢一致，不同施氮量處理水稻產量差異極顯著。

由于各點水稻產量隨施氮水平變化趨勢一致，將各點水稻產量平均值與施氮量數據進行模型擬合，得出結果如圖2所示。從圖2中可以看出，氮肥施用量與水稻產量呈2次函數關系，水稻產量隨施氮量增加而升高，并達到最高值，然后隨施氮量再升高產量下降。將圖中2次函數方程求導計算可求得水稻最高產量時的施氮量為101.50 kg·hm-2，該施氮量下的最高理論產量值為8 279.70 kg·hm-2；當施氮量超過101.50 kg·hm-2時，水稻產量下降。龍瑞平等［24］研究也得出類似結論。

表4 水稻產量平均值與標準差

圖2 氮素施用量與水稻產量關系

從表5中看出，與不施氮處理比，施氮處理水稻的生物產量和經濟產量明顯增加。施氮量為93.15 kg·hm-2水平時，水稻的生物產量和經濟產量最高，不同施氮量處理間水稻生物產量和經濟產量差異極顯著，增產幅度間差異也達到極顯著水平，按照水稻增產幅度高低順序的氮肥用量依次為N2＞N3＞N1；從收獲指數看，施氮量為0、46.65、93.15 kg·hm-2水平水稻收獲指數沒有明顯差異，施氮量為139.80 kg·hm-2水平水稻收獲指數最大；從氮肥的農學利用效率看，隨氮肥施用量增加，氮素農學利用效率降低，邊際生產力也下降，符合報酬遞減規律。

表5 氮素供應效率分析

2.2 氮肥用量與水稻氮素累積量關系

水稻成熟后分別取樣分析秸稈和籽實氮含量，并計算出水稻秸稈和籽實氮素累積量。從圖3看出，氮肥施用量與植株氮素累積量關系符合2次函數關系，擬合系數為0.470 7（n=40）。由此推算出氮肥施用量超過98.34 kg·hm-2時，植株氮素累積量開始下降。此外，從氮肥施用量對水稻秸稈和籽粒含氮量影響（表6）看出，隨著氮肥用量增加，籽實氮素含量呈增加趨勢，當氮肥用量為139.70 kg·hm-2時，水稻籽粒含氮量下降，不同施氮量對籽粒含氮量影響不顯著；籽粒氮素累積量除施氮量為46.60 kg·hm-2和139.70 kg·hm-2之間不顯著外，其余處理間差異極顯著。莖稈含氮量在施氮量46.60 kg·hm-2和93.15 kg·hm-2間差異顯著，其他處理間差異不顯著；在施氮量為93.15 kg·hm-2時，莖稈氮素累積量顯著或極顯著高于其他處理，其他各處理間差異不顯著。

圖3 氮肥施用量與植株累積量的關系

表6 氮肥用量對水稻秸稈和籽實含氮量和累積量的影響

2.3 氮素累積量與水稻產量關系

從圖4、5看出，植株氮素累積量、籽粒氮素累積量與水稻產量關系符合2次函數模型。對植株氮素累積量、籽粒氮素累積量與水稻產量的關系模型進行求導計算后得出，當植株氮素累積量超過167.79 kg·hm-2，籽粒氮素累積量超過97.32 kg·hm-2時，水稻產量開始呈降低趨勢。說明氮素累積量過高，不僅不會增產，還會導致水稻減產，因此，作物高產要控制氮素的吸入量，需要通過控制氮素施用量來調整。

圖4 氮素累積量與水稻產量關系

圖5 籽粒氮素累積量與水稻產量關系

2.4 草甸白漿土氮肥推薦用量及驗證效果

從上面分析看出，水稻產量與氮素累積量、施氮量密切相關。根據氮素用量與產量的函數模型關系，在不考慮用工和機械用具費用的前提下，以肥料、稻谷的價格可以計算出草甸白漿土的最佳施氮量，結果如表7所示。白漿土上水稻最佳產量的施氮量為97.56 kg·hm-2，得出水稻理論產量7 909.43 kg·hm-2，此時水稻可取得最大的經濟效益。因此，在水稻生產中應當將目標產量設定在8 000 kg·hm-2為宜。

表7 白漿土最佳氮肥用量

按照施氮量與水稻產量的2次函數模型推出的水稻施氮量與產量的關系，設計了大田示范的施氮量和預計的目標產量。于2017年開展了大面積示范驗證，從大田示范驗證結果（表8）可以看出，水稻生產中測得實際產量與目標產量接近，說明草甸白漿土氮素最佳推薦用量符合農業生產實際，可以作為指導三江平原草甸白漿土水稻施肥的技術參考。

表8 2017年大面積示范結果

3 討論

3.1 本研究屬于經驗公式法范疇，是在同一類土壤、肥力相同的假定條件下，將多點試驗的平均結果進行數學公式擬合，并根據目標產量計算出氮肥用量。這種方法與日本目前廣泛應用的目標產量法相類似。所不同的是，日本的目標產量法是根據生產單位產量所吸收的氮素量、氮肥利用率以及土壤氮素供應量等參數來確定氮肥總量的［25］。同樣具有簡單易行，便于推廣的特點。但缺點是適應范圍窄，即使相同土壤類型肥力也有不同，農民在應用時要根據自身經驗調整。

3.2 測土配方施肥技術理論依據可靠，但在通過試驗確定參數的過程中，由于一些試驗地肥力不均，特別是在樣品采集、分析過程中的諸多誤差逐級累加［18］，導致結果與實際不一致。韓芳［26］認為測土配方施肥很多基礎工作不牢，不可靠；秦明等［27］、劉雪梅［28］、肖靜芳［29］認為測土配方施肥在實際操作過程中存在著農技推廣隊伍專業不強、結構不合理等問題，導致檢測結果偏差大，土樣的養分情況不能真實反映土壤營養成分，測土配方施肥技術與田間作物需肥不配套，不能真正指導施肥。本試驗的土壤養分與空白區水稻產量關系也不顯著（圖6、7），主要與上述問題密切相關。大量試驗證明作物產量與土壤肥力水平正相關［30-33］，此試驗土壤養分和水稻產量的關系恰恰說明試驗點之間的管理水平、地力水平、采樣等的誤差很大。與之相比，本研究通過對多點試驗數據進行數學分析后得到的結果可靠性更強。但這種方法田間工作量大，任務繁重，也需要每隔3～5年進行一次調整。

圖6 土壤堿解氮與水稻產量的關系

圖7 土壤有機質與水稻產量關系

3.3 本研究結果是在目前推薦磷鉀肥總量以及目前施肥方法條件下取得的，今后應隨著施肥方法發生改變或地力水平的變化進行不斷完善和調整。比如，在側條施肥條件下，隨著氮肥利用率的提高，施肥量應適當減少；或者當土壤肥力再度發生變化時，適當調整施肥量。本文只針對白漿土的氮肥推薦用量開展研究，在磷肥、鉀肥方面也應開展相關研究，用于指導磷、鉀肥施用。當然不同類型土壤肥力和供肥能力差異很大，推薦施肥應因土壤而有差異，在其他類型土壤上也有待于開展相關研究。

4 結論

4.1 草甸白漿土是三江平原地區主要水田土壤，水稻產量與氮素累積量、施氮量均呈2次曲線關系；氮素累積量與施氮量呈2次曲線關系。

4.2 植株氮素累積量為167.79 kg·hm-2、籽粒氮素累積量為97.32 kg·hm-2，水稻可獲得最高產量。

4.3 施氮量為101.50 kg·hm-2，水稻最高理論產量值為 8 279.70 kg·hm-2；施肥量為 97.56 kg·hm-2，水稻理論產量為7 909.43 kg·hm-2，水稻可取得最大的經濟效益。

4.4 草甸白漿土最佳推薦氮肥用量為100 kg·hm-2，符合當前地力水平及農業生產實際，可以達到高產兼高效的生產目標。