1. 引言
测土配方施肥是以土壤测试和田间试验结果为基础,根据作物需肥规律、土壤供肥性能和肥料效应,在合理施用有机肥的基础上,提出氮、磷、钾及中量、微量元素的施用品种、数量、施用时期及施用方法 [1] 。我国肥料效应相对较低,利用率氮肥为30%~35%,磷肥为10%~25%,钾肥为35%~50% [2] ;而农业先进发达国家氮肥利用率为40%~60% [3] 。诸多的研究表明,“3414”肥料效应田间试验是获得作物最佳施肥量的有效方法 [4] [5] [6] [7] ,更是提高肥料效率的必要途径。自2005年全国启动测土配方施肥项目以来,各地对不同作物的“3414”肥料效应研究较多,湖北利川在甘蓝、魔芋上也有报道 [8] [9] ,但在水稻上暂无研究。按湖北省耕肥总站的统一安排,为探索高海拔稻区水稻科学施肥配方,2022年在湖北利川中部盆地海拔1100 m左右的水稻主产区设置“3414”肥效试验,现将结果报告如下。
2. 材料和方法
2.1. 试验时间与地点
时间为2022年4月~10月,地点在凉雾乡庄屋村3组,地处东经108.82367˚、北纬30.22417˚、海拔1069 m。土壤是石英砂岩发育的浅硅砂泥田,试验前取样检测,pH 5.82、有机质32.3 g/kg、全氮1.88 mg/kg、有效磷28.5 mg/kg、速效钾135.6 mg/kg;呈酸性,肥力水平高,按《湖北省耕地质量分级标准》(鄂耕肥[2018] 16号)整体处于2级水平,在利川水田肥力水平中有较强的代表性。
2.2. 供试材料与作物
肥料:尿素,N ≥ 46%;过磷酸钙,P2O5 ≥ 12%;氯化钾,K2O ≥ 60%。
作物:水稻,品种为香稻——T优6135。
2.3. 试验设计与管理
根据水稻的需肥规律、利川水田的肥力水平及水稻施肥习惯,按“降氮稳磷增钾”的原则确定氮磷钾推荐施肥水平。按“3414”完全试验方案设14个处理,3次重复,随机区组排列,各处理内容见表1。小区面积10 m × 2.1 m = 21 m2,小区间筑高 × 宽 = 30 cm × 30 cm田埂覆膜间隔,保证不串肥串水,区组间留60 cm通道,便于田间观察。
2022年4月8日播种,塑料棚保温旱育方式育苗;5月20日移栽,移栽规格26 cm × 16 cm,亩密度16,000蔸;移栽前按处理设计施入肥料,处理1不施;5月27日,用细土拌除草剂撒施防除田间杂草;始穗期防稻飞虱、稻纵卷叶螟及穗胫稻瘟。10月6日收获,按小区单打单收,计实产。收获前田间调查水稻株高、亩有效穗等指标,并按小区取样测量穗长、穗粒数、实粒数、结实率、千粒重等性状,检测稻谷、稻草全氮磷钾含量。
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Table 1. Calculation of fertilizer application rates for different treatments
表1. 不同处理肥料施用量计算表
2.4. 数据统计与分析
试验结果采用Excel进行数据分析,作F检验,新复极差法比较处理间差异。拟合氮磷钾三要素的一元、二元、三元二次回归方程,计算水稻最佳及最高产量氮磷钾的施用量,再结合大面积调查结果及不同区域水田肥力水平,推荐利川水稻氮磷钾的合理用量范围。
3. 结果与分析
3.1. 不同处理对水稻产量及效益的影响
由表2可知,试验田基础地力较高,贡献率(无肥区产量/施肥区产量)在65.72%~100.51%之间。处理8 (中氮磷无钾)稻谷产量最高,其次分别是处理11 (高氮中磷钾)、处理14 (高氮低磷钾),推荐施肥处理6居第5位,处理2 (无氮中磷钾)最低,无肥区居倒数第2位。各施肥处理比不施肥增产−2.1~216.9 kg/亩,增幅−0.51%~52.16%。方差分析处理间差异极显著,区组间差异不显著;新复极差检验,不施肥与无氮中磷钾差异不显著,与其它处理差异显著至极显著;几个低氮处理之间差异不显著,且与中氮磷低钾差异不显著,低氮磷中钾与中氮磷高钾达显著水平;几个中、高氮处理之间水稻产量差异不显著。
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Table 2. Analysis of rice yield under different treatments
表2. 不同处理水稻产量分析表
注:多重比较,处理间无相同小写字母,差异显著;无相同大写字母,差异极显著。
生产一亩水稻,肥料以外的投入在800元左右,肥料N、P2O5、K2O的单价按5.43、6.67、9.67元/kg计算,稻谷单价按3.0元/kg计算,亩收入1241.4~1898.4元,亩投入800~1050.23元,亩肥料投入0~250.23元,亩净收益304.68~993.22元,产投比在1.33~2.10之间,效益排位与产量排位略有差异(表3)。
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Table 3. Analysis of benefits of different treatments on rice
表3. 不同处理水稻效益分析表
3.2. 氮磷钾增产效应分析
3.2.1. 缺素及交互效应分析
将表2中1、2、4、8、6处理提出,组成不施肥、缺氮、缺磷、缺钾和推荐施肥结果表4。试验田基础肥力产量为稻谷415.9 kg/亩,相对产量70.05%,试验地肥力中等,不施肥减产率29.95%,土壤供肥能力为70.05%。缺氮、缺磷、缺钾的相对产量分别为69.70%、100.52%、106.59%,三种肥料对水稻产量的影响为氮 > 磷 > 钾,与吴寿华等 [10] 、金昆等 [11] 的研究结果相似,氮营养左右了水稻产量、磷钾基本无影响。与不施肥相比,增产幅度由高到低是N2P2K0、N2P0K2、N2P2K2、N0P2K2,分别为52.15%、43.50%、42.75%、−0.50%。说明氮磷交互效应最高,其次是氮钾、氮磷钾,交互效应相当,磷钾无交互效应,与张志才等 [12] 、曹伟等 [13] 的研究结果相似。
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Table 4. Analysis of nitrogen, phosphorus, and potassium deficiency and interaction effects
表4. 氮磷钾缺素及交互效应分析表
3.2.2. 单因素分析
根据氮、磷、钾施肥量与水稻产量作曲线图(图1)可见,氮肥呈半边抛物线,氮肥用量与水稻单产尚未达到峰值,说明推荐氮肥用量偏低。磷肥用量与水稻产量的关系基本呈直线,钾肥用量与水稻产量的关系呈波状变化,进一步证明磷、钾对水稻单产影响很小。
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Figure 1. Relationship between nitrogen, phosphorus, and potassium fertilizer application and rice yield
图1. 氮磷钾施肥量与水稻产量关系图
3.3. 氮磷钾肥料效应方程拟合与推荐施肥量确定
3.3.1. 一元二次效应方程拟合
将表2数据按氮、磷、钾三因素分解,氮抽取2、3、6、11处理,磷抽取4、5、6、7处理,钾抽取8、9、6、10处理,按Y = aX2 + bX + c一元二次回归模型进行回归分析,在Excel中绘制N (P2O5、K2O)的施用量及稻谷产量的散点图,勾选显示公式及R2值,拟合水稻产量(Y)与各养分因子(X)施用量的效应方程。氮的效应方程基本呈“抛物线”(图2),相关系数为1,达极显著水平;磷、钾拟合不成功,二次偏回归系数 > 0,呈倒“抛物线”,相关系数分别为0.827、0.822,也未达显著水平(df = 4 − 2 = 2时r0.05 = 0.950、r0.01 = 0.990)。
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Figure 2. Univariate quadratic regression model of nitrogen fertilizer application and rice yield
图2. 氮肥用量与稻谷产量一元二次回归模型图
对氮的一元二次效应方程求x的一价导数,按b + 2aX = 0、b + 2aX = Px/Py分别求取最大、最佳施氮量,预测稻谷最高、最佳产量,结果见表5。最高与最佳施氮量差异不大,而水稻的最高与最佳产量基本没有差别。
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Table 5. Prediction results of the application of the monovariate quadratic effect equation (kg/mu)
表5. 一元二次效应方程应用预测结果(kg/亩)
注:水稻价格按3元/kg计算,氮肥单价(以N计算)为5.43元/kg。
3.3.2. 二元二次效应方程拟合
将表2数据分别抽取2、3、4、5、6、7、11、12处理,2、3、6、8、9、10、11、13处理,4、5、6、7、8、9、10、14处理,按二元二次回归模型Y = a0 + a1X1 + a2X2 + a3X1X1 + a4X2X2 + a5X1X2分别拟合氮(N)磷(P)、氮钾(K)或磷钾二因素与水稻产量(Y)的效应方程,再利用Excel中数据分析的回归,求回归方程的回归统计R2 (R Square)、方差分析F值和系数,系数(Coefficients)栏中a0为截距(Intercept)、a1为(X Variable 1)、a2为(X Variable 2)……an为(X Variable n),回归时Y值输入区域为稻谷产量矩阵Y,X值输入区域为施肥量系数矩阵X (如表6中a1, a2, a3, ∙∙∙, an),结果见表7。
也可用矩阵法计算二元二次、三元二次回归方程系数,以拟合N、P二元二次回归方程为例:
矩阵A = X'X (矩阵X由表6中a0~a5组成,X'为X的转置矩阵);
矩阵B = X'Y (矩阵Y由表6中稻谷亩产量组成);
矩阵C = A−1 (A−1为A的逆矩阵);
矩阵a = CB (该矩阵就是回归方程的系数a0, a1, a2, ∙∙∙, an)。
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Table 6. Sorting table of fertilization amount and yield results by solving NP binary quadratic regression equation coefficients
表6. NP二元二次回归方程系数求解施肥量与产量结果整理表
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Table 7. Fitting results of the binary quadratic effect equation between rice yield and fertilization rate
表7. 水稻产量与施肥量二元二次效应方程拟合结果表
注:F0.05(5,2) = 19.30、F0.01(5,2) = 99.30,“**”表示差异极显著,下同。
对表7中二元二次效应方程求一阶导数,得到以下三个方程组。
① NP组:
;
② NK组:
;
③ PK组:
。
最佳施肥量及产量计算:因dY/dX = Px/Py时(尿素、过磷酸钙、氯化钾单价分别为2500、800、5800元/吨,Px分别表示N、P2O5、K2O的单价5.43、6.67、9.67元/kg,Py表示稻谷单价3.0元/kg),Y有最佳效益值,代入① ② ③并求解,得到亩最佳施肥量及相应水稻产量。由④ ⑤ ⑥可知,水稻N、P2O5、K2O亩最佳用量分别在9.43~21.24 kg、1.71~14.84 kg、9.91~19.57 kg之间,变幅皆较大;稻谷亩最佳产量585.3~597.0 kg,差异较小。
矩阵法求二元一次方程的解:用函数MINVERSE求N、P系数(或N、K系数,P、K系数)矩阵的逆矩阵,再用函数MMULT求逆矩阵与常数项矩阵的积,即为N、P(或N、K,P、K)的解。
④ NP组:
,代入NP二元一次效应方程YNP = 585.9 kg/亩;
⑤ NK组:
,YNK = 597.0 kg/亩;
⑥ PK组:
,YPK = 585.3 kg/亩。
最高产量及施肥量计算:dY/dX = 0时,Y有最高产量,代入① ② ③方程组求解,得到亩最高施肥量及产量。由⑦ ⑧ ⑨可知,水稻最高产量的N、P2O5、K2O亩用量分别在11.52~21.02 kg、3.52~14.47 kg、5.52~13.53 kg之间,差距较大,氮、磷与最佳用量相当,钾用量反而大幅度低于最佳用量;稻谷的最高产量577.52~623.4 kg,与最佳产量相差不大。
⑦ NP组:
,YNP = 587.4kg/亩;
⑧ NK组:
,YNK = 623.4kg/亩;
⑨ PK组:
,YPK = 577.5kg/亩。
NP、NK、PK为0水平时,稻谷亩产分别为341.4、515.6、690.0 kg,最优交互作用下分别可提高稻谷亩产246.0、107.8、−104.7 kg,进一步验证了NP交互效应高于NK,PK无交互效应。
3.3.3. 三元二次效应方程拟合
用三元二次模型:Y = b0 + b1N + b2P + b3K + b4N2 + b5P2 + b6K2 + b7NP + b8NK + b9PK进行回归分析,得到水稻产量(Y)与N(N)、P(P2O5)、K(K2O)养分施用量的三元二次效应方程。
Y = 416.8 + 24.63N + 8.33P − 9.36K − 0.46N2 + 0.29P2 + 0.25K2 − 1.14NP + 0.17NK + 0.13PK。R2 = 0.9836,F = 26.69** (F0.05(9,4) = 6.00、F0.01(9,4) = 14.66)
按最大边际效应求偏导函数,dY/dX = 0时,Y有最高产量;dY/dX = Px/Py时,Y有最佳效益值。依然用矩阵求三元一次方程的解,函数MINVERSE求N、P、K系数矩阵的逆矩阵,函数MMULT求逆矩阵与常数项矩阵的积,即为N、P、K的解。
水稻最高产量及施肥量、最佳施肥量及产量结果见⑩ ⑪。N、P的最高施肥量与最佳施肥量相差极小,K的最佳施肥量反而大于最高施肥量,与二元一次效应函数计算结算一致;最高产量与最佳产量也相差很小。最佳施肥量N:P2O5:K2O = 13.38:11.84:17.54与试验前推荐施肥量12-6-10差异较大,推荐用量肥料总量不足,特别是磷钾偏低,须加大施肥量。
⑩
,Y最高 = 602.3 kg/亩;
⑪
,Y最佳 = 592.1 kg/亩。
二元、三元二次效应方程计算的氮磷钾用量与缺素分析、单因素分析的结果相差较大,主要表现在缺素分析、单因素分析磷钾效应都很小,而二元二次、三元二次计算的磷钾施用量反而较高。
3.4. 不同处理水稻生育期及生物学性状变化
3.4.1. 不同处理水稻生育期变化
在水稻各生育期观察,不施肥和不施氮肥处理水稻的株高明显低于其它处理,分蘖期分蘖相对较少,拔节期开始出现脱肥现象,叶片颜色逐渐变黄,株高也明显低于其它处理。拔节期开始略提前,后期出现早衰,提前成熟,大田生育期缩短一周左右。随着氮肥用量增加,水稻生育期呈上升之势(表8)。
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Table 8. Record of rice growth period at experimental sites
表8. 试验点水稻生育期记载表
3.4.2. 不同处理水稻生物学性状变化
收获时调查水稻的株高、有效穗、穗长、穗粒、实粒、千粒重等指标,结果见表9。经方差分析和新复极差多重比较,不施肥和不施氮肥处理的株高显著低于其它处理,氮水平越高差异越明显,氮高磷钾中等的处理11与其它处理株高差异显著;有效穗、穗长、穗实粒数、结实率及千粒重各处理间差异未达到显著水平。计算的理论产量与实产排位差异较大。
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Table 9. Questionnaire on economic characters of rice under different treatments
表9. 不同处理水稻经济性状调查表
3.5. 肥料利用率计算
收获时取稻谷及稻草样测试其全氮、全磷、全钾含量,并利用公式“肥料当季利用率 = (施肥区产量 − 无肥区产量) × 作物养分含量/当季施肥量”计算氮、磷、钾肥利用率及肥料综合利用率,结果见表10、表11。推荐施肥处理6氮磷钾总养分综合利用率为29.57%,水平较低;13个施肥处理的氮磷钾综合利用率平均为27.99%;肥料综合利用率最高为51.71%,即中氮中磷无钾处理8;其次分别是中氮无磷中钾处理4、高氮中磷中钾处理11、中氮低磷中钾处理5、中氮中磷低钾处理9,这三个处理肥料利用率都在30%~40%;再次是推荐施肥处理6、中氮低磷低钾处理14、低氮中磷中钾处理3、中氮高磷中钾处理7、低氮中磷低钾处理13、中氮中磷高钾处理10,这六个处理肥料利用率在20%~30%;低氮低磷中钾处理12的肥料利用率低于20%;最低为无氮中磷中钾处理2,肥料利用率仅为3.13%。
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Table 10. Analysis of comprehensive utilization efficiency of fertilizers under different treatments
表10. 不同处理肥料综合利用率分析表
抽取磷钾推荐水平,氮分别为0、1、2、3水平的四个处理,计算的氮肥利用率在27.55%~39.17%之间,明显低于陈兴维等 [14] 在重庆长寿的研究结果,但高于冯静等 [15] 在湖北钟祥的研究结果;抽取氮钾推荐水平,磷分别为0、1、2、3水平的四个处理,计算磷肥利用率基本为零;抽取氮磷推荐水平,钾分别为0、1、2、3水平的四个处理,计算钾肥利用率皆为负值。氮肥施肥量与利用率基本呈负相关趋势。
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Table 11. Calculation of nitrogen, phosphorus, and potassium fertilizer utilization efficiency
表11. 氮磷钾肥料利用率计算表
4. 结论与讨论
4.1. 讨论
湖北利川水田多颁布在海拔1100 m左右的二高山,因温光资源相对不足,亩产在500 kg左右,试验田最高亩产达到632.8 kg,说明推荐的施肥配方较为合理,同时,试验田肥力水平高。试验田为石英砂岩母质发育的浅硅砂泥田,呈酸性,有机质、全氮、有效磷、速效钾含量都处于《湖北省耕地质量分级标准》的2级水平;基础地力高,不施肥稻谷产量占施肥处理的65%以上。
本次试验氮肥效应最高,磷钾肥基本无效应,这与利川水稻大面积生产的实际结果不完全一致,多数水田的磷钾效应较高,有点甚至高于氮肥效应。这应该与水田磷钾含量较低有关,因此在指导水稻施肥中还是要注重磷钾肥的配合施肥。试验田化肥利用率低,氮肥利用率与全国水平相当,但离近期要达到45%的目标要求差距还较大;特别是磷钾肥利用率基本为零,提升空间还很大。
利川水稻生产劳动力投入占比大,占总投入的70%左右;正常年份,效益在500元/亩左右,目前的千家万户分散种植模式基本无效益可言;“农业的根本出路在于机械化”,只有迅速加快高标准农田建设,“山水林田路”统一规划,集中连片、排灌配套,提高机械化作业水平,适度规模种植,利用高海拔、富硒带地域优势,打造优质特色产品,提升产品附加值,水稻产业的发展才会持续稳定,粮食安全才会有保障。
4.2. 结论
1) 试验田的基础地力较高,不施肥亩产为415.9 kg,贡献率65.72%~100.51%。不同施肥水平稻谷产量在413.9~632.8 kg/亩之间,亩收入1241.4~1898.4元,亩净收入为304.68~993.22元,产投比1.33~2.10。N2P2K0 (无钾)产量最高,比无肥区增产超过50%,比利川的平均水平增产20%以上,氮磷交互作用最高;N0P2K2 (无氮)最低,略低于无肥区产量,磷钾基本无交互作用;N2P0K2 (无磷)居第四,比推荐的N2P2K2 (中等氮磷钾)还高,氮钾交互作用中等偏上。氮肥用量基本左右了本次试验稻谷产量,无氮、低氮处理皆居倒数几位,高氮、中氮处理则居前几位。
2) 化肥利用率整体较低,氮肥为27.55%~39.17%,磷肥利用率基本为零,钾肥利用率皆为负值;肥料综合利用率平均为27.99%,氮磷钾推荐施肥综合利用率为29.57%,中氮中磷无钾最高51.71%,无氮中磷中钾最低仅为3.13%。肥料效应氮肥 > 磷肥 > 钾肥,不施氮肥稻谷减产30%左右,而不施磷钾肥对稻谷产量基本无影响;氮肥用量对水稻生育期及株高影响较大,随着氮肥用量增加水稻生育期加长,株高增高。
3) 拟合的一元二次方程,氮肥效应有意义,曲线图呈较典型抛物线,极显著相关,计算的最佳及最高施N量差异不大,在18~20 kg/亩,水稻产量也相当,在625 kg/亩左右;拟合的NP二元二次方程相关性极显著,NK、PK二元二次方程相关性不显著,计算的N、P2O5、K2O最高及最佳用量差异较大,分别为9~22、2~15、5~20 kg/亩,稻谷产量为580~630 kg/亩;拟合的三元二次方程相关性极显著,计算的N、P2O5、K2O最高及最佳用量差异较小,分别为13~16、11~13、10~19 kg/亩,稻谷产量为600 kg/亩左右。以上结果明显高于福建 [10] 、安徽 [16] 等地的试验结论,这应与利川海拔高、温光资源不足,肥料的利用率相对较低有关。
4) 结合利川水稻大面积生产实际,目标产量可确定为600~750 kg/亩,推荐N、P2O5、K2O用量18~25、10~15、16~22 kg/亩,根据水田的肥力水平进行适度调整。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。