土壤肥力質量與施氮量對小麥氮肥利用效率的綜合定量關系研究*

陸曉松 于東升? 徐志超 黃晶晶 周聰聰 孫 波

（1 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008）（2 中國科學院大學，北京 100049）

太湖稻麥輪作農區是我國農業高產地區，對我國的糧食安全有著重要作用［1］。據報道，為實現糧食高產目標，太湖地區農田長期過量施肥，導致土壤氮素大量殘留，氮肥利用率較低［2-3］。氮肥利用率低不僅導致氮肥的增產效益下降，同時對生態環境造成危害［4-5］。因此，如何減少氮肥損失，提高氮肥利用率，是該地區農業生產面臨的重要問題［6］。

減少氮肥施用量是提高氮肥利用率最為簡單直接的手段［7-8］。Brentrup和Palliere［9］在洛桑實驗站通過長期試驗研究發現，當施氮量為244 kg·hm-2時，作物的氮肥利用率為57%，當氮肥施用量減少至48～96 kg·hm-2，氮肥利用率提高至63%～69%，但土壤肥力氮和產量會很低，無法保證產量穩定和土壤氮素平衡。顯然，過量減少施氮量不利于耕地土壤氮素的補充以及糧食增產，保證農作物需求和氮肥供應之間的最大平衡是提高氮肥利用效率的必要條件［10］。

土壤肥力對氮肥利用率具有顯著影響作用。李銳［11］、廖育林等［12］研究認為，高肥力農田具有較低肥力農田更高的氮積累量和氮肥偏生產力，但其氮肥利用率均小于低肥力農田。丁哲利等［13］研究認為，在相同的優化施肥模式或施氮量下，土壤肥力較高的農田作物氮肥利用率高于低肥力農田。土壤肥力對氮肥利用率影響結論還存在分歧，原因在于研究分析的土壤肥力因素較為單一，多集中在土壤有機質、氮、磷、鉀等單因素營養成分與氮肥利用率的關系研究［14-16］，需研究土壤綜合肥力對氮素利用率的影響［17］。

李雅劍［18］研究表明，土壤綜合基礎肥力提升有利于玉米產量和氮肥利用率的同步提高；張軍［19］研究顯示，在相同土壤綜合肥力下，施氮量增加有利于小麥增產；隨著土壤綜合肥力水平提升，適宜施氮量減小，最優氮肥利用率提高。目前已開展的這些土壤綜合肥力與施氮量對作物氮肥利用率的影響研究，對這兩種因素影響分析均是相互獨立進行的，他們對氮肥利用率的綜合影響定量關系、相對貢獻率大小等問題，目前并不清楚，迫切需要研究和回答。

因此，本文在太湖流域典型區，通過不同綜合土壤肥力質量田塊的小麥氮肥肥效試驗，分析施氮量與土壤肥力綜合質量指數對小麥產量、氮肥利用率的共同影響和作用關系，揭示他們對產量和氮肥利用率的相對貢獻率，為多因素協同提升氮肥利用效率提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

常熟市位于經濟發達、交通便利的蘇南太湖地區，地理坐標為120°33′E～121°03′E，31°33′N～31°50′N，面積為1 276 km2（圖1），屬長江沖積平原。常熟市2016年平均氣溫為17.4 ℃，降雨量為1 824 mm，處于中亞熱帶季風氣候區。成土母質主要為長江沖積物、古老沖積的黃土狀物質、湖泊沉積物以及石英砂巖的殘積、坡積物。土壤類型主要包括水稻土、潮土和黃棕壤等。農業播種面積68.4×104hm2，其中糧食作物面積占70.04%、蔬菜瓜果類面積占20.58%、油料作物面積占6.14%。全年糧食作物單產為6.73×103kg·hm-2，小麥和水稻的單產分別為4.25×106kg·hm-2和9.32×103kg·hm-2；全年農作物化肥總施用量約為24.41×103kg，平均農作物化肥施用量357 kg·hm-2［20］。

圖1 研究區及試驗田地理位置Fig. 1 Geographical location of the research area and the experimental fields

1.2 田間試驗設計

依據常熟市耕地主要土壤類型及肥力質量的走訪調研，2016年11月在常熟市6個自然村選擇8塊小麥-水稻的輪作試驗田S1～S8（圖1），分別播種揚麥-16號小麥。其中，S1、S2、S3試驗田土壤類型為潴育型水稻土，S4、S5、S6田塊為潛育型水稻土，S7、S8田塊為灰潮土。

在每個試驗田設置 4 個不同施氮量水平處理：N0、N1、N2、N3，分別代表施氮量 0、100、200、260 kg·hm-2，按4:2:4分別作為基肥、拔節肥、穗肥追肥。施用的氮肥為尿素（含氮率46.4%），磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）均作為基肥按60 kg·hm-2一次性施用，N0組不施用磷肥和鉀肥。每個施氮量水平處理各設置3個重復試驗小區，每個試驗小區面積為4 m×5 m。

2017年6月初小麥成熟后收割、測定生物量，同時采集地上部分小麥植株生物樣品。將植株分秸桿和籽粒兩部分，在烘箱75 ℃ ，烘干至恒重，然后粉碎，利用H2SO4-H2O2消煮、凱氏定氮法測定秸稈和籽粒全氮含量。

1.3 試驗田土壤肥力綜合質量評價

試驗田塊土壤肥力評價采用隸屬度函數綜合質量指數法，一般步驟包括：獲取評價指標、確定指標權重、計算土壤肥力綜合質量指數和土壤肥力等級劃分［21］。2016年10月，基于土壤類型、耕地類型以及樣點空間分布均勻性考慮，在研究區共采集195個耕地表層土壤樣品，用于獲取指標權重，建立該縣域土壤肥力綜合質量評價體系［22］。為使試驗田塊土壤肥力綜合質量指數與該縣域土壤肥力綜合質量指數具有等同性和可比性，試驗田塊土壤肥力綜合質量評價的指標體系、指標權重和隸屬度等，均采用與該縣域相同的評價方法和指標體系［22］。

土壤肥力綜合質量指數（IFI）計算公式如下：

式中，IFI(i)表示土壤肥力綜合質量指數。i為評價單元。j為評價指標，在本研究中取值范圍為1～8，最大值N等于8。權重wij為第i個評價單元、第j個評價指標的權重。Fij為第i個評價單元、第j個評價指標的隸屬度。

試驗開始前，在每個試驗小區按梅花法分別采集0～20 cm表層土壤混合樣，共采集96個土壤樣品。采用《土壤農化分析》［23］及《土壤調查實驗室分析方法》［24］對土壤樣品進行理化分析，分析項目有全氮（TN）、全鉀（TK）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）、有機質（SOM）、pH、砂粒（Sand）、黏粒（Clay）含量等8個指標，均作為土壤肥力綜合質量評價指標。8個試驗田的土壤肥力綜合質量評價指標均采用所在試驗小區平均值參與評價。

1.4 氮肥利用效率計算方法

氮肥利用率(NRE)=（施氮區小麥地上部分吸氮量－不施氮區小麥地上部吸氮量）/ 施氮量×100%。

1.5 數據統計與分析方法

利用R-studio軟件對小麥產量、氮肥利用率與氮肥施用量和土壤肥力綜合質量指數進行多元回歸擬合分析。由于土壤肥力綜合質量指數為無量綱數值（0～1），為便于回歸擬合方程參數的比較，氮肥施用量采用無量綱的施氮比（nr）取代，即實際施氮量與最大施氮量（260 kg·hm-2）的比值（0～1）。在擬合過程中，通過對不同函數和多項式的擬合優度（R2,P）比較，選擇確定最佳多元回歸擬合方程。其他數據分析和制圖采用Excel 2010完成。

2 結 果

2.1 試驗區土壤理化性質及綜合肥力質量指數

表1為8個試驗田土壤理化性質和土壤肥力綜合質量指數。根據各土壤理化性質指標隸屬度函數，SOM、TN、TK、AK、AP為戎上型指標，即數值越大，肥力指數越高［22］。其中，土壤SOM含量最高的田塊S6較含量最低的田塊S7高出120%；土壤TN含量最高的田塊S8較最低的田塊S7高出96%；各試驗田TK含量差別較小，含量最高的田塊S8較含量最低的田塊S1高出22%；AK含量較高的田塊S2較含量最低的田塊S3高出86%；各試驗田AP含量差別較大，其中最高的田塊S5為含量最低田塊S3的21倍。

土壤pH、Sand、Clay均為峰型函數，即數值距離特定的指標適宜值越近，肥力指數越高［23］。土壤pH適宜值為7，其中S8距離適宜值最近，高于適宜值2%，S1距離適宜值最遠，低于適宜值25%。Sand適宜值為35%，S1距離適宜值最近，低于適宜值3%，S3距離適宜值最遠，高于適宜值20%；Clay的適宜值為25%，S5和S7分別距離適宜值最近和最遠，低于適宜值15%和48%。S5的土壤肥力指數最大，較最小的田塊S7高出79%。

表1 試驗田土壤理化性質及肥力綜合指數Table1 Soil physical and chemical properties and integrated quality index of soil fertility in experimental fields

2.2 相同肥力不同施氮量的小麥產量和氮肥利用率

由不同施氮量時各試驗田小麥產量（圖2a）可以看出，施氮量在N0～N3時，S5試驗田的小麥產量均最大；施氮量在N1時，S4試驗田產量最小，其余N0、N2、N3施氮量下，S3試驗田小麥產量最小。由不同施氮量時小麥NRE（圖2b）可以看出，在施氮量為N1時，S3試驗田小麥NRE最大，S8試驗田小麥NRE最??；在施氮量為N2和N3時，S7試驗田小麥NRE最大，S6試驗田小麥NRE最小。

小麥產量和氮肥利用率隨氮肥增加的變化結果顯示，施氮量在N0～N2范圍內，各試驗田小麥產量隨著施氮量的增加而增大，施氮量從N2增加至N3時，小麥產量不再增大，S2、S6、S7試驗田甚至出現明顯的產量減?。欢←湹世寐蕜t隨著施氮量的增加不斷減小。已有研究表明，隨著施氮量的增加，不同肥力等級的小麥均表現出NRE下降的趨勢，這與本研究的結果一致［24-27］。由此可見，施氮量200 kg·hm-2已達到或接近小麥適宜施氮量，氮肥對小麥增產的效益顯著下降，此時再增加氮肥施用量無益于小麥增產，并且會導致氮肥利用率進一步降低。

圖2 不同施氮量下小麥產量和氮肥利用率Fig. 2 Wheat yield and nitrogen recovery rate relative to nitrogen application rate

2.3 相同施氮量不同肥力的小麥產量和氮肥利用率

小麥產量隨土壤肥力指數變化趨勢特征（圖3a）表明，在相同施氮量下，隨著土壤肥力指數的升高，小麥產量呈上升趨勢，而小麥NRE隨土壤肥力指數升高呈現減小趨勢（圖3b）。

圖3 不同土壤肥力水平下小麥產量及氮肥利用率Fig.3 Wheat yield and nitrogen recovery rate relative to soil fertility

對小麥產量和NRE與土壤肥力綜合質量指數IFI的相關性分析結果顯示，在不施氮（N0）情況下，小麥產量與IFI呈顯著相關（P＜0.05）；當施氮量增加至N1～N3時，小麥產量與IFI相關性不顯著（P＞0.05），隨著施氮量增加，其相關性不斷減弱（表2）。

小麥NRE與IFI的相關性也表現出類似特征。當施氮量為N1和N2時，小麥NRE與IFI呈顯著相關（P＜0.05）；當施氮量為N3時，小麥NRE與IFI的相關性不顯著（P＞0.05）（表2）。表明在施用氮肥的條件下，小麥產量和NRE與基礎肥力關系受到嚴重干擾，土壤肥力不再是單一控制產量和NRE高低的主控因子。其主要原因是，隨著施氮量的增加，小麥從氮肥中獲取氮素增產的量不斷增大，而對基礎肥力中的氮素利用率不斷減?。?6］。

表2 小麥產量和氮肥利用率與土壤肥力綜合質量指數的相關性Table 2 Correlation analysis of wheat yield and nitrogen recovery rate with integrated quality index of soil fertility

2.4 土壤肥力綜合質量指數和施氮量與小麥產量及氮肥利用率的綜合定量關系

R-studio軟件多元回歸擬合結果表明，小麥產量（Yield）和氮肥利用率（NRE）的最佳擬合函數分別為一次和二次多項式（式（2）和式（3））。其中，nr和ifi均為無量綱值，取值范圍為0～1。

土壤肥力綜合質量指數IFI和施氮量NA與小麥產量綜合定量關系表明（式（2）），IFI和NA共同提升有利于小麥產量增加，但不利于小麥氮肥利用率NRE的提高（式（3）），兩者對小麥產量和NRE的綜合作用呈現出相反的特征。如何解決這對矛盾，迫切需要開展深入研究。

分析擬合方程自變量nr和ifi的回歸系數發現，式（2）和式（3）的ifi系數絕對值均大于nr系數絕對值，表明在增減相同單位的幅度下，土壤肥力綜合質量指數對小麥產量（圖4a）和NRE（圖4b）變化影響力大于施氮量，回歸系數比值即相對貢獻率比值分別為1.09∶1和1.32∶1。因此，通過提升土壤綜合肥力、削減氮肥施用量，實現糧食與生態安全雙重目標，培育和提升耕地土壤質量顯得更為基本和重要。

圖4 小麥產量和氮肥利用率與土壤肥力綜合質量指數及施氮量關系的擬合趨勢面Fig.4 Trend surface of the fitting for relationships of wheat yield and nitrogen recovery rate with integrated quality index of soil fertility and nitrogen application rate

3 結 論

田間試驗研究表明，在土壤肥力綜合質量指數相同時，隨著施氮量增加，小麥產量增大、NRE減?。划斒┑砍^200 kg·hm-2時，小麥產量增大趨勢減弱，部分試驗田小麥產量減小，小麥NRE則不斷減小，表明施氮量200 kg·hm-2已達到或接近研究區小麥適宜施氮量。在施氮量相同時，隨著土壤肥力指數提高，小麥產量增大，NRE不斷減??；施氮量越高，小麥產量和NRE與土壤肥力綜合質量指數的相關性越小，表明土壤基礎肥力發揮作用減弱。土壤肥力綜合質量指數和施氮量與小麥產量及氮肥利用率存在顯著的綜合定量關系。施氮量和土壤肥力綜合質量指數共同提升有利于增加小麥產量，但不利于提升小麥氮肥利用率NRE，對小麥產量和氮肥利用率的綜合作用矛盾突出；土壤肥力綜合質量指數對小麥產量和NRE的影響力大于施氮量，兩者對產量和NRE相對貢獻率比值分別為1.09∶1和1.32∶1。因此，通過提升土壤綜合肥力質量、削減氮肥施用量，實現糧食與生態安全雙重目標，培育和提升耕地土壤質量顯得更為基本和重要。