张国发,侯朋福,章建伟,,周燕,徐磊,李刚华,丁艳锋*

(1.南京农业大学农学院/江苏省现代作物生产协同创新中心,江苏 南京 210095;2.大庆师范学院生物工程学院, 黑龙江 大庆 163712;3.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所,江苏 南京 210014)

施肥是保证作物养分需求和产量形成的重要途径,矿质营养理论是指导施肥的理论基础[1-2]。大量研究证实,氮素营养具有易流失和低残留特点,不施氮肥会显著降低作物产量,过量施氮又会导致氮素的大量流失,降低肥料利用率并污染环境[3-4]。而施入土壤中的磷肥大部分转变为难溶态或作物难利用形态,作物对磷的利用率较低,导致农田土壤磷素富集[5-7]。已有研究者基于定位试验从土壤磷素演变、累积与形态转化等方面开展研究,为磷肥科学管理提供了重要理论支撑[8]。张会民等[9]基于长期定位试验指出,长期施肥条件下作物钾肥的农学效率在不同试验年限、施肥方式、土壤类型和作物类型中表现不同,并与土壤速效钾含量及变化有关。巨晓棠等[10]指出,作物氮肥的适宜用量需要综合考虑土壤基础肥力尤其是土壤肥力持续供应能力(地力消耗)。就土壤生产功能而言,土壤基础生产力的现实表现是评价其生产可持续性的最直观反映,也是因地制宜制定栽培管理措施,指导科学施肥的重要依据。因此,在常规施肥基础上限制某一种或者多种养分投入(养分限投,restricted nutrient input),开展养分限投下土壤基础生产力及其持续供应的生产潜力评估具有重要意义。

稻麦轮作是最重要的农业生产体系之一,主要分布在东亚和南亚地区[11]。我国稻麦轮作种植主要分布在长江中下游地区。与单纯水作或旱作系统不同,该种植制度频繁的水旱轮作塑造了独特的土壤变化特性[12-14]。以磷为例,由于水分管理的特殊性,该种植系统中稻季淹水环境的土壤磷有效性高于麦季,鲁如坤等[15-16]也提出水旱轮作体系“旱重水轻”的磷肥管理方法。因此,稻-麦轮作体系中2种作物在养分限投条件下的土壤基础生产力变化值得关注。目前,对土壤持续基础生产力进行解析并应用于精确施肥理论的研究还相对匮乏。本研究基于长江下游稻麦轮作系统氮、磷、钾养分限投的多年定位试验,对土壤基础生产力随养分限投年限的变化特征进行分析,以期为稻麦轮作体系下土壤生产可持续性的科学评价及生产实践中的合理施肥决策提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验设置在南京农业大学水稻栽培课题组丹阳试验站(E 119°28′,N 31°54′),位于长江下游典型的稻麦轮作区。从2009年小麦季至2018年水稻季开展养分管理模式的定位试验。定位试验前耕层土壤基础肥力如下:有机质17.15 g·kg-1,全氮0.97 g·kg-1,全磷0.5 g·kg-1,全钾11 g·kg-1,速效磷13.6 mg·kg-1,速效钾93.5 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验以当地常规施肥模式(NPK)为对照,设置4种周年养分限投模式:不施氮肥(氮肥限投,0N)、不施磷肥(磷肥限投,0P)、不施钾肥(钾肥限投,0K)、氮磷钾肥均不施(氮磷钾肥限投,0NPK)。其中NPK与0N从2009年开始,其他处理从2012年开始。

水稻季常规施肥处理的氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)用量分别为300、150、240 kg·hm-2,氮肥分基肥、分蘖肥、促花肥和保花肥4次施用,质量比为4∶2∶2∶2;磷、钾肥分基肥和拔节肥各50% 2次施用。小麦季常规施肥处理的氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)用量分别为225、105、105 kg·hm-2,氮肥分基肥、越冬肥、返青肥和拔节肥4次施用,质量比为4∶2∶2∶2;磷、钾肥分基肥和拔节肥2次施用,用量均分别为60和 45 kg·hm-2。养分限投处理除不施限投养分外,其余养分投入量及投入比例同当地常规施肥。

供试小麦品种为‘扬麦16号’(2009—2013年)、‘扬麦20’(2014—2018年),整个试验期间的小麦播种量均为225 kg·hm-2,撒播方式播种。供试水稻品种为‘武运粳23号’(为定位试验前江苏省主推品种),人工硬盘育秧,移栽秧龄在20 d左右,移栽行、株距分别为30、13.3 cm,密度为1.67万穴·667 m-2左右,每穴2～3苗进行定植,小区面积为7 m×4.5 m。在水稻整地前,用塑料薄膜覆盖每个小区田埂,并将薄膜压至犁底层,防止肥料渗漏。每个小区单设进、排水口,干湿交替灌溉,其他田间管理措施均采用高产方式统一管理。

1.3 测定指标

1.3.1 稻麦产量在水稻和小麦收获前,每个小区普查60穴茎蘖数,调查单位面积有效穗数。按普查结果,计算出每穴平均茎蘖数,并以此为依据,取3穴代表性植株,考察每穗粒数、空瘪粒数和千粒重,通过每穗总粒数和空瘪粒数计算结实率。按13.5%含水量折算标准作物产量。

1.3.2 稻麦养分吸收量于水稻和小麦的成熟期,调查各小区茎蘖数,按平均茎蘖数取3穴代表性植株,按茎、叶和穗分样装袋。样品105 ℃恒温下杀青30 min后,80 ℃下烘干至恒重,称重后粉碎测植株氮、磷、钾含量。将粉碎的植株样品用H2SO4-H2O2高温消解后,凯氏蒸馏法测定植株全氮含量,钼锑抗比色法测定植株全磷含量,原子吸收分析仪测定植株全钾含量。

1.4 数据分析

由于作物产量和养分吸收除受养分投入、土壤肥力影响,还与当年气候条件密切相关。为减小不同年份气候条件影响产生的误差,按下列方法对相关指标进行归一化处理后按实际处理年限对所有实际监测年份的数据变化趋势进行分析:

常规数据分析处理和绘图分别使用Microsoft Excel 2007和Origin 8.0软件,用SPSS 16.0统计软件进行方差分析。

图1 使用Min-Max Normalization方法分析不同养分限投处理的作物产量Fig.1 Crop yields of different nutrient restriction treatments analyzed with Min-Max Normalization method 1)0N:不施氮肥No N-fertilizer input;0NPK:不施氮磷钾肥No NPK-fertilizer input;0P:不施磷肥No P-fertilizer input;0K:不施钾肥No K-fertilizer input;NPK:常规施肥Conventional fertilization. 2)不同小写字母表示同一变量下不同养分限投处理差异显著(P<0.05)。Different small letters indicate significant difference of different nutrient restriction treatments under the same variable(P<0.05). 下同。The same below.

2 结果与分析

2.1 养分限投对作物产量的影响

分析所有监测年份养分限投下的作物产量,结果(图1)表明,2个氮肥限投处理(0N、0NPK)的水稻、小麦产量均较低,并显著低于NPK、0P和0K处理。0N和0NPK处理的水稻产量分别较NPK、0P、0K处理降低40%、46%、46%和41%、47%、44%,小麦产量分别降低80%、77%、83%和83%、81%、85%。对于同一作物,0N和0NPK这2个处理间产量无显著差异。与NPK相比,0K和0P处理的水稻产量均未降低;0K的小麦产量与NPK无显著差异,0P的小麦产量则显著降低了13%,但其产量显著高于0N和0NPK处理。说明水稻、小麦的产量受氮肥的影响最大,受钾肥影响较弱;而小麦产量还受磷肥的显著影响,但其影响程度小于氮肥。

为进一步明确土壤持续生产力,结合图1结果,分析了水稻产量随氮肥限投年限的动态变化及小麦产量随氮肥、磷肥限投年限的动态变化(图2)。结果表明,随氮肥限投年限延长,水稻产量持续下降,并可以用多项式方程进行描述(y=1.84-0.32x+0.01x2,P<0.01)。小麦产量则随氮肥、磷肥限投年限延长均呈先下降后升高的变化趋势,也可以用多项式方程描述(氮素拟合显著)。

图2 使用Min-Max Normalization方法分析作物产量随养分限投年限的变化动态Fig.2 Dynamics of crop yield with nutrient restriction years analyzed with Min-Max Normalization method

2.2 养分限投对水稻养分吸收的影响

图3结果表明,氮是限制水稻养分吸收的最关键元素,0N和0NPK处理的水稻对氮、磷、钾养分的吸收量均最低,并显著低于NPK、0P和0K处理。0N处理的水稻氮、磷、钾养分吸收量分别降低67%、57%、55%(较NPK处理),67%、52%、57%(较0P处理),64%、55%、37%(较0K处理);0NPK处理的氮、磷、钾养分吸收量分别降低63%、55%、50%(较NPK处理),64%、50%、53%(较0P处理),60%、53%、31%(较0K处理)。0P处理对水稻氮、磷、钾养分吸收均无显著影响。0K处理的水稻钾吸收量显著低于NPK和0P处理,分别降低28%和32%,但显著高于0N和0NPK处理。

图3 使用Min-Max Normalization方法分析不同养分限投处理的水稻养分吸收量Fig.3 Rice nutrient uptakes of different nutrient restriction treatments analyzed with Min-Max Normalization method

结合图3结果,对水稻氮、磷、钾养分吸收随氮肥限投年限的动态变化特征进行分析(图4)。结果表明,水稻对氮、磷、钾养分的吸收量均随氮肥限投年限延长而持续下降,并可以用多项式方程进行描述(氮吸收量:y=2.11-0.64x+0.05x2,P<0.01;磷吸收量:y=1.73-0.39x+0.02x2,P<0.01;钾吸收量:y=2.33-0.80x+0.07x2,P<0.01)。与氮肥限投年限的水稻养分吸收变化表现不同,水稻对钾的吸收则随钾肥限投年限增加而增加,并可用对数方程描述(y=0.61+0.89lnx,P<0.05)。

图4 使用Min-Max Normalization方法分析水稻养分吸收随养分限投年限的变化动态Fig.4 Dynamics of rice nutrient uptake with nutrient restriction years analyzed with Min-Max Normalization method

2.3 养分限投对小麦养分吸收的影响

图5结果表明,0N和0NPK处理的小麦氮、磷、钾养分吸收量相当,并显著低于NPK、0P和0K处理。0N处理的小麦氮、磷、钾养分吸收量分别降低81%、69%、81%(较NPK处理),79%、57%、76%(较0P处理),79%、63%、67%(较0K处理);0NPK处理的氮、磷、钾养分吸收量分别降低84%、77%、86%(较NPK处理),83%、68%、82%(较0P处理),83%、73%、76%(较0K处理)。与NPK处理相比,小麦磷、钾吸收对养分限投的响应与产量表现并不完全一致。0P和0K处理对小麦氮素吸收无显著影响,但均同时降低了小麦对磷、钾的吸收,磷肥限投的磷、钾吸收量分别减少27%和23%,钾肥限投分别减少17%和38%。此外,0P和0K处理的小麦磷吸收量无显著差异,但0K处理的小麦钾吸收量显著低于0P处理。

图5 使用Min-Max Normalization方法分析不同养分限投处理的小麦养分吸收量Fig.5 Wheat nutrient uptakes of different nutrient restriction treatments analyzed with Min-Max Normalization method

对小麦养分吸收随养分限投年限的动态变化特征进行分析,结果(图6)表明,小麦养分吸收随养分限投年限增加未表现出规律性变化,拟合方程均不显著(P>0.05)。但小麦养分吸收变化趋势受限投养分影响,小麦对氮、磷、钾养分的吸收量均随氮肥限投年限呈先降低后升高的趋势,磷吸收量随磷肥限投年限同样呈现先下降后升高的趋势,钾吸收量随钾肥限投年限延长呈下降趋势。

图6 使用Min-Max Normalization方法分析小麦养分吸收随养分限投年限的变化动态Fig.6 Dynamics of wheat nutrient uptake with nutrient restriction years analyzed with Min-Max Normalization method

3 讨论

3.1 养分限投对作物产量的影响

Guo等[17]研究证实,氮肥管理对水稻籽粒产量有显著影响,且不受试验地点和年份的影响。本研究结果也显示,与常规施肥(NPK)相比,连续不施氮肥(0N)的水稻、小麦产量显著降低,表明氮是限制水稻、小麦产量的最主要养分,在作物生长和产量形成中具有决定性作用。连续不施磷肥处理(0P)的小麦产量显著低于常规施肥处理(NPK)和不施钾肥处理(0K);而连续不施钾肥(0K)和不施磷肥处理(0P)水稻产量均未降低。这可能与稻麦轮作制度下频繁的水旱轮作塑造的独特土壤变化特性有关[12-14],在稻季水作条件下,土壤中Fe-P、Ca-P等解析增加了土壤磷的有效性,且淹水条件利于土壤磷向根系扩散[16];淹水环境下土壤钾的有效性同样提高[12]。而在麦季旱作环境下,磷重新被土壤吸附和固持,制约根系对磷的吸收,成为小麦生长的限制因子[12]。朱文斌等[18]在太湖地区稻麦轮作农田周年尺度的研究也证实,麦季施磷稻季不施磷的施肥方式可以保证周年作物产量。

本研究中,随氮肥限投年限延长,水稻产量持续下降。与前述分析一致,结果突出了氮素在作物生长和产量形成中的决定作用[17]。此外,与水稻表现不同,小麦产量随氮肥、磷肥限投年限先下降后升高,这可能与小麦群体建成特点和本地区气候特征有关。长江下游地区处于亚热带季风气候区,降水频度大、地下水位高,小麦生产中的水分管理以排水降渍为主,且小麦生长季降雨的随机性较强[19],如小麦播种出苗期遇到连续降雨天气,出苗就会受到较大影响,进而影响小麦群体建成。严磊等[20]结合降雨分析和文献统计研究发现,小麦出苗期(12月)是太湖地区麦田的径流高发期,这说明此期较易发生渍害而影响小麦出苗。与水稻依赖分蘖的发生构建群体不同,小麦田主要通过高播种量保证群体构建和生产[21]。因此,是否因田间气候条件的不确定性减弱了小麦产量对养分限投年限的响应,还需要进一步研究。

3.2 养分限投对作物养分吸收的影响

本试验中,氮肥限投处理(0N,0NPK)的水稻氮、磷、钾养分吸收量均较低,且均随氮肥限投年限延长持续下降,表明氮肥是限制水稻养分吸收的最关键元素。氮肥的施用对水稻生长和植株养分吸收具有决定作用[22],不施氮肥不仅会影响水稻分蘖发生,并由于生育后期光合功能受限而显著影响水稻生长及养分的吸收利用[17,21,23]。磷肥限投(0P)未影响水稻养分吸收,这可能与水稻生长本身需磷较低[24],以及在稻季淹水条件下,利于土壤磷的扩散及有效性提高[16]有关。钾肥限投(0K)降低了水稻钾素的吸收,其主要原因可能是植物吸钾量较大[25],尽管淹水环境下提高了土壤钾素的有效性[12],但钾肥限投导致土壤钾素供给不足,从而降低了水稻对钾的吸收。值得注意的是,水稻钾吸收量随钾肥限投年限增加呈现增加趋势,这可能与土壤钾的释放特性有关[25-27]。鲍士旦等[26-27]研究指出,水稻吸收的钾约有39%～73%来自土壤非交换性钾。而土壤非交换性钾的释放同时受土壤矿物学性质、颗粒大小、水分状况、植物根系及微生物活动、非交换性钾含量、施肥等诸多因素影响[25]。由于研究手段等因素限制,目前对土壤钾素固定及释放机制的研究相对薄弱,钾肥限投是否对土壤钾周转产生某种激发效应(补偿机制),尚未见相关报道,在今后的研究中值得关注。

本研究小麦养分吸收结果表明,限投氮肥的2个处理(0N,0NPK)小麦氮、磷、钾养分吸收量均较低,与水稻表现一致,说明氮肥也是限制小麦养分吸收的关键元素,在作物生长中起决定作用[2,24]。而磷肥限投(0P)和钾肥限投(0K)处理均同时降低了小麦对磷、钾的吸收,可能是由于这2个处理的氮肥供应充足,小麦生物量较高,对磷、钾的需求量也增加,而水旱轮作制度下旱季土壤可利用磷、钾的量低于水稻季,这种高需求与低供应之间的不平衡制约了磷、钾肥限投处理下小麦对磷、钾养分的吸收。本研究中,小麦养分吸收未随养分限投年限增加表现出规律性变化,但小麦氮磷钾养分吸收随氮肥限投年限的变化、磷吸收量随磷肥限投年限的变化均呈先下降后升高的趋势。说明田间气候条件的不确定性[19-21]及小麦生长特性减弱了小麦养分吸收对氮肥和磷肥限投年限的响应。小麦钾吸收量随钾肥限投年限增加呈下降趋势,与水稻钾吸收量的趋势相反。水田环境下钾素限投年限增加可能对土壤钾周转产生激发效应(补偿机制),而在麦季旱作条件下钾肥限投年限增加可能对土壤钾周转产生保护效应(固定为主)。这进一步验证了在稻麦轮作制度下,农田频繁的水旱轮作塑造了独特的土壤变化特性[12-14],且水田和旱田土壤钾素固定及释放机制存在差异。小麦钾素吸收量随磷素限投年限同样呈下降趋势,表明麦季磷、钾肥之间可能存在一定的协同效应,磷肥限投可能对钾肥的周转存在潜在的控制效应,这突出了旱地条件下平衡施肥对维持作物养分供应具有重要作用[8,12,16]。本试验结果为水旱轮作下土壤钾素周转对养分限投的响应机制提出了新的命题。

综上所述,肥料投入显著影响长江下游典型稻麦轮作农田作物的产量形成和养分吸收,氮是限制水稻、小麦产量和养分吸收的最重要养分,水稻钾的吸收受钾肥限投影响。磷肥限投显著影响小麦产量和磷钾吸收。钾肥限投对小麦产量无显著影响,但会降低小麦对磷、钾的吸收。在一定年限内,土壤的养分供应可缓冲磷、钾限投对作物生产的不利影响,在稻麦轮作耕作体系中,根据不同作物设定限投养分不影响作物产量。