湖北省水稻施肥效果及肥料利用效率現狀研究

王偉妮,魯劍巍*,陳 防,魯明星,李 慧,李小坤

(1華中農業大學資源與環境學院,湖北武漢430070;2中國科學院武漢植物園,湖北武漢430074;3湖北省土壤肥料工作站,湖北武漢430070)

湖北省是水稻主產區,全省水稻種植面積占糧食總播種面積的50%以上,產量占70%,商品量占80%[1],水稻生產好壞直接關系到農業增產增效和農民增收。施肥是稻作栽培體系中不可或缺的環節,在水稻增產、農民增收、農業增效上發揮著重要的作用。然而,長期以來,湖北省水稻生產中普遍存在施肥狀況不清、施肥效果不明的問題,導致施肥不合理的現象時有發生。主要表現在氮肥用量偏高、氮磷鉀比例不合理等方面;同時還有相當部分田塊各種養分用量不足的問題存在[2]。肥料的不合理施用,以及近幾年持續上漲的化肥價格,導致了水稻產量及經濟效益徘徊不前甚至下降,挫傷了農民的種糧積極性。為了解近幾年湖北省水稻合理施肥的增產、增收現狀,明確施肥的作用并研究和推廣應用科學施肥技術,2006年至2008年在湖北省17個縣(市、區)分別布置了早、中、晚稻的田間肥效試驗,研究在當前生產條件下平衡施用氮、磷、鉀肥對水稻產量及經濟效益的影響,明確當前生產條件下施肥對水稻產量的貢獻率及肥料的農學利用率情況,以期為解決水稻施肥不合理的問題和為湖北省水稻高效生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2006至2008年在湖北省團風、浠水、武穴 、黃梅 、黃陂 、大冶 、鄂州 、孝昌 、天門 、仙桃 、洪湖 、荊州、赤壁、麻城、安陸、曾都、沙洋共 17個縣(市、區)布置水稻田間試驗251個,其中早稻試驗54個,中稻試驗136個,晚稻試驗61個。各試驗點的土壤類型均為水稻土,供試土壤的基本性狀見表1。

供試水稻品種均為目前適應各地生產的高產優質品種,其中早稻主要是金優402、鄂早18、中優974、原豐 1號等;中稻主要有Ⅱ優838、兩優培九、揚兩優6號、崗優725等;晚稻主要是中九優288、金優928、鄂晚17號、金優207等。早稻試驗前茬作物為晚稻或油菜,中稻前茬為油菜,晚稻前茬為早稻。

各地試驗均設:不施肥對照(CK)和氮、磷、鉀肥配施(NPK)2個處理。所有試驗點NPK處理的肥料用量如表2所示。氮肥用尿素(含N 46%),磷肥用過磷酸鈣(含P2O512%),鉀肥用氯化鉀(含K2O 60%)。其中氮肥60%作基肥,40%作追肥(均分兩次追施),磷、鉀肥全作基肥。試驗小區面積20 m2,3次重復,隨機區組排列。

表1 供試土壤的基本性狀Table 1 Some basic properties of soils in field experiments

表2 早、中、晚稻的施肥量(kg/hm2)Table 2 Fertilizer application rate design of early,mid and late-season rice

1.2 測定項目與方法

各小區產量采用單收單打測產。

土壤養分:在每季水稻移栽前,各試驗取表層(0—20 cm)土壤樣品測定土壤pH、有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量。土壤pH用電位法,有機質用外加熱重鉻酸鉀容量法,堿解氮用1.0 mol/L NaOH擴散法,速效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法,速效鉀用1mol/L NH4OAc浸提—火焰光度法進行測定[3]。

肥料貢獻率與農學利用率的計算[2,4-6]:

肥料貢獻率(Fertilizer contribution rate,FCR)=(施肥區產量-無肥區產量)/施肥區產量×100%;

肥料農學利用率(Agronomic efficiency,AE)=(施肥區產量-無肥區產量)/(施N量+施P2O5量+施K2O量)。

肥料與稻谷平均價格的計算:因不同年份及不同地點的肥料價格與稻谷價格各不相同,故在考慮不同年份及不同地點試驗數目的基礎上,加權計算肥料和稻谷的平均價格。計算步驟如下:

首先將每一年所有試驗點的肥料及稻谷價格求平均值;然后求出每一年試驗數目與三年試驗數目的比值,該比值即每年肥料及稻谷價格的權重;最后將每一年肥料及稻谷的平均價格與相應年份的權重相乘,所得三年的乘積之和即為2006～2008年的肥料及稻谷平均價格。

試驗數據用EXCEL進行計算處理。

2 結果與分析

2.1 早、中、晚稻施肥的增產效果研究

2006至2008年,在湖北省布置的251個試驗中,平衡施用氮、磷、鉀肥對早、中、晚稻產量的影響(表3)可以看出,CK處理的稻谷產量變幅在1295～9267 kg/hm2之間,施用氮、磷、鉀肥后的稻谷產量在3050～11635 kg/hm2之間,說明施用氮、磷、鉀肥可以顯著提高水稻產量。目前湖北省早、中、晚稻不同試驗點的施肥效果差異很大,其中施肥增產量最小值為135 kg/hm2,最大值為6650 kg/hm2;增產率最小值為1.9%,最大值為166.2%。另外,不同季節水稻的產量結果變幅較大,若不考慮施肥對產量的影響,僅就水稻類型而言,中稻的產量明顯高于早稻和晚稻,這可能是湖北省近年來中稻種植面積遠遠大于早稻和晚稻的原因之一。

表3 早、中、晚稻的施肥增產效果Table 3 Effect of fertilizer application on early,mid and late-season rice yields

將早、中、晚稻的增產量和增產率分別劃分5個等級,計算每個等級下增產量和增產率的試驗點百分比,進一步了解目前湖北省早、中、晚稻施肥的增產量和增產率頻率分布情況。從圖1A、B可以看出,早稻在增產量處于2000～ 3000 kg/hm2之間最高,其試驗點分布頻率為40.7%,而且有16.7%的試驗增產量超過了3000 kg/hm2;另外,超過一半的試驗增產率達到了50%以上,其中增產率大于100%的試驗占11.1%。中稻有36.8%的試驗增產量集中在2000～3000 kg/hm2之間,有28.0%的試驗增產量超過了3000 kg/hm2;近1/3的試驗增產率大于50%。晚稻在增產量處于1000～2000 kg/hm2之間的分布頻率最高,為45.9%;增產率大于50%的試驗占27.9%。可見,湖北省水稻平衡施用氮、磷、鉀肥的增產效果明顯,且早稻和中稻的施肥效果優于晚稻。

2.2 早、中、晚稻施肥的經濟效益研究

現代農業生產不應只單純追求水稻的最高產量,更應該注重施肥對水稻經濟效益的影響(表4)。251個試驗 CK處理的產值范圍是1877～ 14457 Yuan/hm2,NPK處理的產值范圍是 4422～ 18151 Yuan/hm2。與施肥對水稻產量的影響類似,不同試驗點的施肥效益(即水稻產值扣除肥料成本)變異范圍也很大。最大值為 9042 Yuan/hm2,最小值為-1087 Yuan/hm2,說明有少數試驗出現了增產不增收的現象。但總的來說,水稻施肥可以顯著提高經濟效益,且中稻的施肥效益明顯高于早稻和晚稻。

分析湖北省早、中、晚稻施肥的經濟效益頻率分布情況(圖2A),發現早稻在施肥效益處于2000～3000 Yuan/hm2之間的頻率最高,為29.6%,而且有14.8%的試驗施肥效益大于3000 Yuan/hm2;中稻有22.8%的試驗施肥效益集中在 1000～ 2000 Yuan/hm2之間,超過1/3的試驗施肥效益大于3000 Yuan/hm2;晚稻在施肥效益處于0～1000 Yuan/hm2之間的分布頻率最高,為32.8%。另外,早、中、晚稻分別有9.3%、5.9%和11.5%的試驗施肥效益為負值,即施肥后的稻谷產量雖然有所增加,但扣除肥料成本后的經濟效益反而低于不施肥處理。

圖1 早、中、晚稻施肥增產量和增產率頻率分布圖Fig.1 Frequency distributions of yield increase and increase rates with fertilizer in early,mid and late-season rice

表4 早、中、晚稻的施肥增收效果(Yuan/hm2)Table 4 Effect of fertilizer application on early,mid and late-season rice profits

產投比即為NPK處理的產值與肥料成本的比值。圖2B看出,早稻和晚稻的產投比主要集中在5.0～ 9.0之間,其分布頻率分別為 64.8%和72.2%;而中稻有60.3%的試驗產投比集中在7.0～11.0之間,且有11.0%的試驗產投比大于13.0。結果表明,與早稻和晚稻相比,中稻施肥的產投比相對較高,可以獲得更高的經濟效益。

圖2 早、中、晚稻施肥效益和產投比頻率分布圖Fig.2 Frequency distributions of net profits and VCR with fertilizer in early,mid and late-season rice

2.3 早、中、晚稻的肥料貢獻率與農學利用率研究

肥料貢獻率是反映年投入肥料的生產能力的指標[4]。把CK處理的產量視為土壤(地力)對產量的貢獻,以其為基準進行相關計算(表5)。從表中看出,肥料對水稻產量的貢獻率變幅較大,在1.9～62.4%之間;而3種不同季節水稻的肥料貢獻率平均值大約均為30%,即相對應的地力貢獻率大約為70%。分析圖3A發現,早稻在肥料貢獻率≤20%區間的試驗點最多,占27.8%,且有35.2%的試驗肥料貢獻率＞40%;中稻和晚稻在肥料貢獻率20～30%區間的試驗點最多,分布頻率分別為34.6%和37.7%,在＞40%區間的試驗點分別占17.6%和13.1%。

農學利用率也叫農藝利用率,它表示施用肥料的每千克N、P2O5、K2O增產稻谷的能力,指作物施肥后增加的產量與施肥量的比值[5-7]。本文計算氮、磷、鉀肥農學利用率所用的施肥量為氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥用量之和。分析表5,湖北省水稻氮、磷、鉀肥農學利用率的變幅在 0.5～ 21.2 kg/kg之間,中稻的農學利用率相對較高,這與其施肥后的增產量較大有關。圖3B為農學利用率的頻率分布狀況,早、中、晚稻在農學利用率3～6 kg/kg區間的試驗點最多,分布頻率分別為33.3%、33.8%和37.7%,而且分別有29.7%、32.4%和13.1%的試驗農學利用率大于9 kg/kg。

表5 早、中、晚稻的肥料貢獻率與農學利用率Table 5 Fertilizer contribution rate and agronomic efficiency of early,mid and late-season rice

圖3 早、中、晚稻肥料貢獻率和農學利用率頻率分布圖Fig.3 Frequency distributions of fertilizer contribution rate and AE on early,mid and late-season rice

3 討論與結論

本研究的目的是了解平衡施用氮、磷、鉀肥對水稻產量和經濟效益的影響,因此,在確定每個試驗的肥料用量時考慮到了湖北省水稻生產中的不合理施肥問題,基本保證了每個試驗氮、磷、鉀肥的合理施用。湖北省2003年和2004年農戶施肥情況為:早、中、晚稻肥料用量分別為N 170～ 182、178～179、172～191 kg/hm2,P2O554～66、91～103 、17～32 kg/hm2,K2O 38～ 65 、45～72、49～86 kg/hm2[2]。與本試驗設計的肥料平均用量(表3)相比,早、中、晚稻的農戶習慣施N量均高于本研究的平均施N量,而習慣施K2O量均低于本研究的平均施K2O量。說明本試驗設計是在合理施肥的基礎上研究水稻的施肥效果及肥料利用效率。

水稻產量的穩定增長受諸多因素影響[8],如水分的管理[9]、品種的選用、病蟲害的防治[10]及氮、磷、鉀肥的平衡施用[11]等。其中,平衡施用氮、磷、鉀肥是確保水稻高產的有效措施之一,它通過改善水稻的經濟性狀提高水稻產量[12-14]。本研究表明,目前湖北省早、中、晚稻在不同縣(市、區)的施肥效果差異很大,但 251個試驗的產量結果均表現為NPK ＞CK,即早 、中、晚稻施用氮、磷、鉀肥后的產量都有不同程度的增加。盡管有20個試驗因基礎土壤養分含量豐富或氣候環境、栽培條件等的影響,施肥后稻谷的增產量較低,出現了增產不增收的現象,但其余231個試驗施肥后的增產、增收效果明顯。NPK處理與CK處理相比,每公頃最多可增產6650 kg,扣除肥料成本后的純收入最高為9042元。說明在湖北省水稻生產中,氮、磷、鉀肥平衡施用技術應該進行大面積的推廣應用。

水稻生產不僅受施肥措施限制,而且對不同的生長季節響應也不一致。本研究中,3種不同季節水稻施肥后的增產、增收效果均表現為中稻＞早稻＞晚稻。與CK處理相比,NPK處理早、中、晚稻每公頃分別增產2153、2445和1908 kg,分別增收1691、2413和1413元,表明水稻的施肥效果具有季節性差異。中稻增產效果最好可能是因為其全生育期最長,個體生長量大,增產量相對最高;早稻和晚稻的生育期均較短,早稻施肥效果優于晚稻的原因可能是栽種早稻的土壤通過一季休閑后,土壤中各種養分的有效性提高,而晚稻是在早稻收獲之后立即耕種,時間間隔較短,不利于土壤中各種有效養分含量的增加[15]。

申建波等[2]指出,土壤的基礎肥力越高,作物的生產潛力就越大,越容易獲得高產,如果土壤肥力水平較低,即使通過合理的施肥也難以獲得更高的產量。湖北省2005年水稻生產的肥料貢獻率為35%,地力貢獻率為65%[2]。本文研究的2006～2008年水稻的肥料貢獻率為 29.4%,地力貢獻率為70.6%,與2005年相比,地力貢獻率有所提高,說明土壤的肥力水平比以前有所提高。可能是因為近幾年在湖北省開展的測土配方施肥行動[16]與秸稈還田工程[17]提高了稻田土壤的肥力水平,在很大程度上提高了土壤地力對水稻產量的貢獻率。

本研究看出,湖北省不同試驗點的肥料農學利用率差異很大,最低僅為0.5 kg/kg,最高可達21.2 kg/kg;3種類型水稻的農學利用率大小順序為中稻＞早稻＞晚稻。在水稻實際生產中,氮、磷、鉀肥配施能夠增加稻谷產量,提高經濟效益,但并不是“施肥越多,產量就越高”。施肥過量反而會導致肥料利用率的下降,并造成一系列的環境問題[18-20]。因此,應根據各地實際情況調整肥料用量,合理施肥,以實現水稻高效生產的目的。

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