用土壤全氮與有機質建立油菜測土施氮指標體系的研究

姜麗娜，王 強，單英杰，符建榮，馬軍偉，葉 靜，俞巧鋼

(1浙江省農業科學院環境資源與土壤肥料研究所，杭州310021;2浙江省土肥站，杭州310020)

我國的測土施肥研究已有五十多年的歷史［1］，上世紀80年代在理論和技術上取得了較大的成果，2005年開始的測土施肥行動，又更進一步推動了測土施肥的研究。土壤肥力指標法是在我國推廣應用的主要測土施肥方法，具有簡易、快速和價廉的特點［2］，在大量肥效田間試驗基礎上建立土壤速效養分豐缺指標體系，再根據不同肥力水平下養分用量試驗建立施肥函數確定經濟施肥量，構成完整的測土施肥指標體系。應用測土施肥指標體系可在作物種植前通過測定土壤養分含量確定經濟施肥量。我國現階段磷、鉀等大都采用指標體系法。但由于土壤速效氮含量與作物氮肥效應的相關性不穩定而難以建立測土施氮指標體系，目前施氮推薦中還一直用“定產定氮法”、“目標產量法”等方法［3－6］，實際上不能做到測土施氮。速效氮雖然是當季供氮能力的指標，但受土壤水分、氣候條件等影響變異較大，而全氮和有機質則是土壤供氮潛力指標，在當季供氮能力測試值不穩定時，采用較為穩定的供氮潛力指標是測土施氮可探索的途徑。在近年全國測土施肥行動中，土壤全氮、土壤有機質含量是田間試驗土壤必測的項目，各地都積累了大量的土壤全氮、土壤有機質的數據與田間試驗產量結果，用土壤全氮和土壤有機質建立測氮施肥指標體系有較大的可行性。一直以來，對土壤全氮和土壤有機質含量與田間試驗不施氮處理的相對產量進行相關分析的研究較少，特別是用全氮、有機質作為測土施氮指標的更少。本文通過對浙江省近年來大量油菜的田間試驗結果和土壤測試結果的回歸分析，嘗試用土壤全氮、有機質作為油菜供氮豐缺和推薦經濟施肥量的指標，并客觀地評價土壤全氮和有機質作為測土施肥指標的優劣，篩選出合適的測定指標，建立浙江省油菜測土施氮指標體系。

1 材料與方法

1.1 田間試驗

2006至2010 年在全省各油菜主產區布置油菜氮肥效應及氮肥用量田間試驗39個，各試驗點的供試土壤類型及0—20 cm耕層土壤的農化性狀見表1。各試驗點種植的油菜主要品種為浙雙72等當地推廣品種，育苗移栽，前茬作物為水稻。試驗采用“3414”方案(包括部分實施“3414”試驗)及肥效和用量綜合試驗方案(試驗處理11～13個)，其中與氮肥效應及氮肥施用量有關的處理為：空白(N0)、N1、N2(OPT)、N3，部分試驗加設 N4處理，試驗中氮肥用量以N2為預設最佳處理，N1、N3和N4分別為N2用量的0.5、1.5和2倍。各地采用的最佳施肥量預設值在180～240 kg/hm2之間，根據各地土壤肥力狀況有所差異。

1.2 土壤養分測定

試驗前采集基礎土樣進行各項養分含量測定。有機質采用油浴加熱，重鉻酸鉀氧化容量法;pH采用電位法，土液比1∶2.5;全氮采用凱氏蒸餾法;有效磷用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計法測定。

1.3 數據處理方法：

根據缺氮處理相對產量(%)=缺氮處理產量/最佳處理產量×100，計算各試驗中缺氮處理相對于預設最佳處理的相對產量，再用缺氮處理相對產量與土壤有機質及土壤全氮測定值進行回歸分析，根據不同相對產量水平，確定土壤供氮能力豐缺指標。同時計算每一個試驗的氮肥效應曲線(二次曲線)，從效應曲線按邊際效應R=0計算最佳施肥量。對各試驗點的最佳施氮量與土壤有機質和全氮進行回歸分析，計算在不同供氮能力水平上的經濟施肥量，最終形成測土施氮指標體系。比較回歸方程的決定系數，以R2=0.49為最小回歸預測精度，篩選合適的測定指標。用DPS軟件進行相關及回歸統計分析。

2 結果與分析

2.1 浙江省油菜主要養分限制因子

全省39個油菜試驗統計(表2)，預設最佳施肥處理產量在1008～3569 kg/hm2之間，平均為2394 kg/hm2。缺氮處理平均產量為1253 kg/hm2，平均相對產量僅為最佳處理的52.7%，施氮平均增產1068 kg/hm2，平均增產率達130．2%，單位氮平均增產量為5.5 kg。全省磷、鉀肥效應明顯小于氮肥，施磷、鉀肥平均增產率分別為50.2%和11.9%，缺磷、鉀處理平均相對產量分別為76.0%和94.6%。表明氮是浙江省油菜種植土壤的主要養分限制性因子，且施氮效應變化范圍較大，通過合理施氮可進一步提高氮肥增產潛能。浙江省油菜大部分與水稻輪作，生育期長，且大部分時間都在冬春低溫季節，土壤供氮能力較低，合理施氮對油菜高產高效和保障浙江省食用油自給十分重要。

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表2 浙江省油菜施肥的增產效應Table 2 Yield increase effect of fertilization in Zhejiang Province

2.2 油菜種植區土壤有機質與土壤全氮的相關性

土壤全氮和有效氮是土壤供氮能力的指標，而土壤有機質一直來都被認為是與土壤供氮能力高度相關的指標，占土壤氮素80%以上的有機態氮結合在有機質中。對全省油菜試驗點土壤有機質含量和土壤全氮含量回歸分析結果表明，回歸方程Y=0.0627X－0.1704，R2=0.7744＊＊，兩者之間有高度的線性相關(圖1)，驗證了土壤有機質含量高的土壤全氮含量也高，有機質雖然不是直接的供氮指標，但可作為土壤供氮潛力指標。這與徐明崗［7］、張啟新［8］、王志強［9］、陳學昌［10］等對有機質與全氮相關性的研究相一致，由于土壤有機質的測定方法相對于全氮分析方法穩定和簡便，顧嗣芹［11］等還用土壤有機質來估算土壤全氮。重鉻酸鉀法是測定土壤有機質含量的常規方法，準確、穩定和易于為基層測試人員掌握的優點，用有機質作為土壤供氮指標在測土施氮中應用有較大的可行性。

2.3 土壤有機質、全氮與土壤供氮能力的回歸函數模型

圖1 油菜種植土壤有機質與全氮的相關Fig．1 Correlation between soil OM and soil total N in rapeseed planting area

土壤對作物的供氮能力大小一般可用不施氮處理的相對產量來表示，土壤測氮指標與不施氮處理的相對產量之間的相關或回歸分析是確定測氮指標是否可作為土壤供氮能力指標的常用方法。對油菜試驗中土壤有機質與缺氮處理相對產量(圖2)、土壤全氮與缺氮處理相對產量之間進行回歸分析(圖3)，結果表明，土壤有機質與缺氮處理相對產量、土壤全氮與缺氮處理相對產量之間擬合指數曲線模型，回歸函數分別為 Y=20.157e0.4413X，Y=10.882e0.045X，回歸決定系數R2分別為0.5887和0.3365，達極顯著水平。決定系數R2表示X與Y間的回歸平方和占總平方和的比率，決定系數越高，表示回歸程度越高，用X預測Y的精度也越高，一般決定系數要求大于0.49，才能保證回歸預測精度。從兩個函數方程決定系數看，土壤有機質與缺氮處理相對產量的回歸決定程度較高，達到0.5857，而土壤全氮與缺氮處理相對產量的回歸決定程度只有0.3365，全氮含量變化引起缺氮處理相對產量變化的只有34%，而大部分是由于另外原因引起，比較的結果表明，土壤有機質作為土壤供氮能力的測試指標優于土壤全氮，而土壤全氮作為供氮能力的指標其可靠程度較低。

2.4 土壤有機質、土壤全氮與油菜經濟施肥量的相關性

在氮素豐缺指標確定后，對不同供氮水平下的施肥參數的確定十分重要，確定了不同供氮水平下的經濟施肥量，才可最終根據土壤全氮及有機質的測定值進行推薦施肥。對39個油菜氮肥用量試驗配置氮肥效應二次曲線，計算邊際效應等于零時的經濟施肥量，有23個試驗點的氮肥效應曲線符和拋物線型二次曲線，且計算所得的經濟施肥量在0～610 kg/hm2范圍內。對經濟施肥量與土壤有機質、土壤全氮進行回歸分析，結果表明(圖4、圖5)，土壤有機質、土壤全氮與經濟施氮量適合對數模型(Y=a+blnX);回歸方程有機質為 Y=1392.9－314.25LnX，全氮為 Y=427.81－191.77LnX，其決定系數R2分別為0.6896和0.314，曲線擬合都達極顯著水平。比較兩個回歸方程的決定系數R2表明，土壤有機質與經濟施肥量的回歸決定程度明顯高于土壤全氮和經濟施肥量的回歸決定程度，土壤全氮與經濟施肥量的對數曲線相關度只達到中等，而土壤有機質與經濟施肥量達到高度的對數曲線相關度，結果與土壤有機質、土壤全氮與相對產量回歸決定程度的結果相一致，表明土壤有機質更適于作測土施氮指標。

2.5 油菜測土施氮指標體系

根據土壤有機質含量與油菜缺氮處理相對產量的函數曲線建立油菜土壤供氮豐缺指標，把土壤供氮能力劃分為四個等級，以缺氮處理相對產量＜50%為極低、50～75%為低、75% ～95%為中等、＞95%為高，計算不同級別供氮能力對應的土壤有機質含量。根據土壤有機質與經濟施氮量的回歸函數方程，計算各級供氮能力下的經濟施氮量，構成了浙江省油菜測氮施肥指標體系(表3)。

3 討論

根據土壤供氮能力合理施用氮肥是保證作物高產、提高氮肥利用率、減少農業面源污染的關鍵，而合適的供氮測試指標的選擇和氮肥用量推薦是國內外測土施氮的難點，至今也沒有適于各種土壤的令人滿意的氮的測試方法、指標和參數［6］。本研究結果表明，在土壤供氮潛力指標中，土壤有機質明顯優于土壤全氮作為油菜測氮豐缺指標，這是基于土壤有機質與土壤供氮能力及經濟施肥量有較好的回歸決定度，但在國內外文獻中以土壤有機質直接作為測土施氮指標很少有報道。李生秀［12］、李菊梅［13］等研究認為全氮、有機質能穩定地反映旱地土壤供氮能力，作物生育期愈長的作物相關性愈好，但很多研究者認為土壤全氮與有機質含量過于穩定、含量變化小很難在實際中應用［14－16］，這可能是國內外很少用土壤全氮、有機質作為測土施氮指標的主要原因之一。我國現階段的測土施肥以總量推薦為主，在作物種植前采樣測定土壤的供肥指標，對照養分豐缺指標，確定土壤的供肥能力，進行全生育期氮肥總量推薦，土壤全生育期供肥潛力十分重要，尤其是在油菜作物生育期長，前季作物水稻種植后，土壤中殘留的無機氮較少，可礦化氮起的作用較大，土壤有機質作為供氮潛力指標在油菜測土施肥中應用有一定的理論基礎。本文中全氮與缺氮處理相對產量的回歸決定度明顯低于土壤有機質，可能與測試數據大部分來自基層測定，土壤全氮的測試方法較復雜其誤差較大有關。土壤全氮是否適合作油菜的測土施肥指標，還有待于更進一步的研究。

表3 浙江省油菜測氮施肥指標Table 3 The critical index of soil N fertility and recommendation fertilization rate in the rapeseed planting regions

根據土壤供氮水平，推薦合理的施氮量，是測土施肥指標體系建立的重要部分，很多依據經驗確定施肥范圍，再按供肥級別等量劃分。本文以氮肥用量田間試驗結果的二次多項式函數來確定經濟施肥量，多點試驗的經濟施肥量與土壤測試指標進行回歸，得出不同供氮水平下的施氮量，這是比較可靠的確定指標體系中推薦施肥量的方法，結果使用范圍較廣，避免了少量試驗結果只適合小范圍地區的弊病。但采用該方法進行大量試驗匯總時，經常會有經濟施氮量出現負值及過高與實際不符的情況，特別是在不設重復的“3414”試驗中出現的比例較高，一個處理的誤差，可使計算結果產生明顯的波動。在本文的研究中，雖然有39個試驗，但施肥函數計算經濟施肥量在合理范圍內的只有23個，負值及過高值都應剔除，否則將會影響到推薦結果的實際應用價值。在今后布置更多的田間試驗，尤其在有機質含量低和含量高的地區布置試驗更加重要，隨著試驗量的不斷增加，將使指標體系更加完善。

4 結論

本文在匯總分析近年來浙江省多點油菜氮肥效應試驗、氮肥用量試驗油菜產量和土壤分析測試結果的基礎上，通過回歸分析確定氮肥效應、經濟施氮量和土壤有機質、土壤全氮之間的函數模型，嘗試用土壤全氮和土壤有機質建立油菜測土施氮指標體系。回歸分析結果表明，土壤有機質與油菜缺氮處理相對產量較好地擬合指數曲線，Y=20.157e0.4413X，土壤有機質與經濟施氮量間的對數回歸曲線Y= －314.25LnX+1392.9，兩曲線的回歸決定系數分別為R2=0.5887，和R2=0.6896，符合回歸預測精度要求，土壤有機質可成為油菜種植田土壤供氮能力豐缺指標和推薦經濟施氮量的指標，而土壤全氮與缺氮處理相對產量、油菜經濟施氮量回歸曲線雖然可擬合為Y=10.882e0.045X和Y=－191.77LnX+427.81，但回歸決定系數R2=0.3365和R2=0.314，不能滿足預測精度，不適合成為土壤供氮能力和推薦經濟施氮量的指標。在回歸分析的基礎上，耦合土壤供氮豐缺指標和推薦經濟施氮參數，構建完善了浙江省油菜測土施氮指標體系。在生產中應用該指標體系，可在油菜種植前采樣測定農田土壤有機質，對照豐缺指標，方便地確定農田的經濟施氮量，為油菜的高產和高效提供營養保障。

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