福建花生氮磷鉀推薦施肥與有機肥替代化肥潛力研究

李娟 張立成 張華 章明清 姚寶全

摘要：[目的]為提高花生施肥效益，實現減量增效的目標，在花生氮磷鉀施肥限量標準研究基礎上，探討有機肥替代化肥的最佳施肥模式。[方法]根據近年來在福建花生主產區開展的105個田間肥效試驗結果，應用系統聚類分析結合類別間差異顯著性檢驗技術，確定花生最佳施肥類別數;構建各施肥類別的二元非結構肥效模型，確定推薦施肥量，并開展田間試驗驗證和有機肥替代化肥潛力的研究。[結果]在各施肥類別間的氮磷鉀施肥效應具有顯著水平差異條件下，福建花生可劃分為高產田、中產田、中低產田和低產田等4個施肥類別;高產田的花生施肥效應遠高于其他類型田塊，中產田及以下的耕地類型應進行土壤改良培肥，才能充分發揮施肥增產潛力。針對各耕地施肥類別對應的氮磷鉀田間肥效試驗結果構建的4個三元非結構肥效模型均屬于典型式，由此建立了基于農學效應的花生氮磷鉀推薦施肥量。34個大田對比試驗表明，化肥推薦施肥的花生產量平均比習慣施肥增產10.2%，肥料成本下降63元·hm^-2，凈增收2877元·hm^-2;平均氮、磷減肥幅度分別為24.9%、38.1%，但增加鉀肥用量79.3%。有機肥替代25%化肥處理的產量最高，平均比化肥推薦施肥增產10.6%，凈增收1595元·hm^-2。[結論]在推薦施肥基礎上，有機肥替代25%化肥是花生減肥增效最佳施肥模式。

關鍵詞：花生;施肥類別;化肥;有機肥;推薦施肥;施肥模式

中圖分類號：S147.2文獻標志碼：A 文章編號：1008-0384（2020）05-0480-09

0引言

（研究意義）花生是我國的主要油料作物之一，在福建省常年種植面積達到6.7萬hm²。山東、湖北和廣東等省份花生主產區的眾多農戶施肥狀況的調查研究均表明，農戶在花生栽培中普遍存在氮磷肥用量偏高，鉀肥用量偏低，三要素比例失調;大多采用一次性施肥，普遍不施有機肥等不合理施肥現象，造成花生固氮功能減弱、土壤養分失衡，從而導致花生施肥效益下降和一系列環境問題。因此，探討花生減肥增效技術，對進一步提高花生產量和施肥效益、改善花生品質等具有重要意義。（前人研究進展）研究表明，有機無機肥配施對紅壤旱地的花生生理特性、產量和品質具有顯著的促進作用，合理施用氮肥有利于提高花生品質，合理施用化肥或化肥配施有機肥還能改善和提高土壤肥力水平。近十余年來，我國各地花生主產區針對氮磷鉀施肥指標進行了許多深入研究，為當地花生測土配方施肥技術的推廣應用提供了科學依據。福建省自20世紀90年代中期以來，應用“土壤養分狀況系統研究法”對花生平衡施肥技術進行了探討;根據眾多“3414”氮磷鉀田間肥效試驗結果，構建了花生氮磷鉀施肥指標體系。（本研究切入點）但相關研究是針對化肥推薦施肥技術，有關有機肥替代潛力的研究尚未涉及，同時，推薦施肥所用模型為三元二次多項式函數，可能存在推薦用量偏高的問題。（擬解決的關鍵問題）本文根據課題組前期提出的三元非結構肥效模型，對近10年來完成的花生氮磷鉀田間肥效試驗結果進行總結與建模，并在此基礎上，探討有機肥替代化肥的潛力，旨在為福建花生減肥增效技術的推廣應用提供施肥技術依據。

1 材料與方法

1.1 花生氮磷鉀田間肥效試驗

近10年來，在福建花生主產區完成了105個氮磷鉀田間肥效試驗。試驗采用“3414”方案，氮磷鉀各4個水平，設14個處理，即：（1）N₀P₀K₀;（2）N₀P₂K₂;（3）N₁P₂K₂;（4）N₂P₀K₂;（5）N₂P₁K₂;（6）N₂P₂K₂;（7）N₂P₃K₂;（8）N₂P₂K₀;（9）N₂P₂K₁;（10）N₂P₂K₃;（11）N₃P₂K₂;（12）N₁P₁K₂;（13）N₁P₂K₁;（14）N₂P₁K₁。其中，“2”水平表示花生在試驗前的N、P₂O₅、K₂O推薦用量，“0”水平為不施肥;“1”水平施肥量為“2”水平的50%，“3”水平施肥量為“2”水平的150%。試驗采用多點分散不設重復和隨機區組排列的方法。選擇當地具有代表性的土壤類型和肥力水平的地塊作為試驗田，小區面積20～25m²，同一個試驗點小區面積相同。全省布點情況和處理（6）施肥量見表1.

在各點試驗實施前，按照規范方法采集1個耕層混合基礎土樣，用常規方法測定供試土壤主要理化性狀（表1）。105個土樣的測定結果為：pH（5.2±1.8），有機質（19.82±8.03）g·kg^-1，堿解氮（116.2±41.2）mg·kg^-1，有效磷（31.7±20.0）mg·kg^-1，速效鉀（63.2±36.5）mg·kg^-1。供試土壤包括旱地土壤的赤沙土和稻田土壤的灰泥田、黃泥田等耕作土壤類型（土屬）。相關田間試驗設計、土樣采集和測定方法等，與文獻[18]相同或相似，不再贅述。

在氮磷鉀施肥限量標準研究基礎上，在花生主產區選擇代表性田塊設置了34個大田對比示范試驗，供試土壤主要理化性狀為：pH（5.4±1.0），有機質（20.31±5.93）g.kg^-1，堿解氮（113.6±25.9）mg·kg^-1，有效磷（37.7±30.0）mg·kg^-1，速效鉀（64.8±46.2）mg·kg^-1。每個大田示范設空白、習慣施肥和推薦施肥3個處理，不設重復，每個小區60m²。相關地市的供試土壤主要理化性狀和習慣施肥與推薦施肥的施肥量見表2，氮磷肥減肥幅度分別平均為24.9%、38.1%，鉀肥增加幅度平均值為79.3%。相關田間示范土樣采集和測定、施肥方法與氮磷鉀“3414”田間肥效試驗相同。

1.2 有機肥替代化肥潛力的田間試驗

2018～019年課題組在南安市和晉江市花生主產區設置4個不同施肥模式田間試驗。其中，習慣施肥的施肥量以表2的34個大田示范區習慣施肥量平均值為依據;推薦施肥的施肥量則以花生氮磷鉀施肥限量標準研究結果為依據，結合當地生產實際適當調整。試驗設5個處理（表3），3次重復，隨機區組排列，每個小區面積15m²。試驗地選擇灰泥田、赤沙土等土壤類型和代表性肥力水平的地塊作為試驗田，供試土壤主要理化性狀見表4.試驗區周圍設l m寬以上的保護行。供試花生品種選用當地大面積種植的良種，試驗時間為每年3月中旬至7月底。

氮磷鉀肥料分別選用尿素（N46%）、過磷酸鈣（P₂O₅12%）和氯化鉀（K2060%），有機肥選用商品有機肥（N+P₂0₅+K20≥5%）。處理（1）空白區不施任何肥料。處理（2）和處理（3）的基肥為50%的尿素，100%的過磷酸鈣，30%氯化鉀;處理（4）和處理（5）的基肥則為100%的有機肥，化肥施用比例與處理（2）和處理（3）相同。追肥則分2次施用，即：在苗期追肥50%的尿素和30%鉀肥;在始花期追施40%鉀肥。施肥方式均為基肥全層深施，結合整地時進行;追肥采用穴施，結合中耕除草。其他栽培管理措施與當地大田生產一致。

試驗實施前，按照規范方法采集1個耕層混合基礎土樣。花生收獲時，各小區單收單稱，分別記錄莢果、莖葉鮮重產量和曬干重產量;每個處理各小區分別采集代表性莢果和莖葉樣品各約2kg，分別準確稱取鮮重和曬干重。樣品用于測定氮磷鉀含量等指標。

1.3 試驗數據的整理與計算

對105個花生氮磷鉀田間肥效試驗結果進行歸納總結時，為確保各個花生施肥類別間的施肥效應具有統計顯著水平差異，采用歐氏距離一離差平方和法進行系統聚類分析，并結合類別間施肥效應差異顯著性的F值檢驗方法，確定花生氮磷鉀施肥類別的數量;然后針對各施肥類別對應的試驗點，分別構建三元肥效模型。

由于三元非結構肥效模型較好克服了三元二次多項式肥效模型的設定偏誤和多重共線性的缺陷，推薦施肥量普遍略低于多項式模型，本文采用該模型擬合花生相關試驗結果：

Y=A（N₀+N）（P₀+P）（K₀+K）e^-c1N-c2P-c3K（1）

其中，N₀、P₀、K₀分別表示供試土壤的氮、磷、鉀供肥當量，以N、P₂O₅、K₂O養分形態計量，計量單位為kg·hm^-2;C₁、c₂、C₃分別表示施用氮、磷、鉀養分的增產效應系數;A表示施肥量等于零時土壤肥力與作物產量之間的轉換系數，綜合反映了試驗地的土壤生產力。該模型在一定施肥量范圍內存在一個產量峰值，由此分別計算最高產量施肥量和經濟產量施肥量。

本研究的系統聚類分析和施肥類別間差異顯著性檢驗采用MATLAB R2015b軟件的統計分析工具箱完成，三元非結構肥效模型構建則使用MATLABR2015b軟件的nlinfit功能函數進行參數估計、顯著性檢驗和模型典型性判別。

2 結果與分析

2.1 花生氮磷鉀施肥類別和施肥效應

根據花生主產區完成的105個氮磷鉀田間肥效試驗結果，應用歐氏距離一離差平方和法系統聚類分析結合類別間差異顯著性檢驗的方法，定量確定花生氮磷鉀施肥類別數量。結果表明，若將花生施肥類別劃分為5個或以上，則最少有一對施肥類別間產量效應差異不顯著，導致分類結果無效;若劃分3個或2個施肥類別，雖然各施肥類別間的產量效應差異可以達到顯著水平，但對全省區域而言，則因類別數過少而使推薦施肥精確度不夠;若將花生施肥類別數劃分為4個，這時類別l和類別2、類別3、類別4之間的F值分別為43.9、136.7、52.5;類別2與類別3、類別4之間的F值分別為54.2、195.5;類別3與類別4之間的F值則為202.9，各施肥類別間的施肥產量效應均有顯著水平差異，分類結果有效。因此，福建花生主產區的最佳施肥類別數量為4個。

依據4個施肥類別各自空白區和處理（6）的產量水平，從“高產”到“低產”分別命名為“高產田”“中產田”“中低產田”和“低產田”（表5），其中處理（6）平衡施肥的花生莢果平均產量為3880kz·hm^-2，土壤對花生莢果的平均貢獻率為63.3%;低產田土壤的貢獻率最低，平均只有59.5%，其他3類則大致在63.0%～64.4%。氮、磷、鉀化肥的平均增產率分別為24.2%、17.1%和19.2%，增產效果是N>K>p.從施肥的單位面積增產量看，與對照相比，處理（6）平衡施肥的增產量與土壤肥力水平成正比，高產田的增產量平均為2190kg·hm^-2，低產田則只有866kg·hm^-2;高產田的氮磷鉀化肥增產量分別為1776、1101、1593kg·hm^-2，高于其他施肥類別的l倍以上。結果顯示，高產田的花生施肥效應遠高于其他類型田塊;中產田及以下的耕地類型應進行土壤改良培肥，才能充分發揮花生施肥增產潛力。

2.2 基于農學效應的花生氮磷鉀推薦施肥

在花生氮磷鉀施肥類別定量分類基礎上，根據各施肥類別對應的試驗點及其氮磷鉀田間肥效試驗結果，應用三元非結構肥效模型建立氮磷鉀施肥效應模型（表6）。結果表明，4個三元非結構肥效模型均達到統計顯著水平以上，且模型均屬于典型式，可用于花生推薦施肥。因此，根據表6的建模結果，應用三元非結構肥效模型推薦施肥計算式，計算花生莢果最高產量施肥量，并以每kgN4.3元、P₂O₅5元、K₂O 5元和莢果6元的市場均價計算經濟施肥量。表7的結果顯示，在95%置信區間下，各施肥類別的目標產量或空白區產量幾乎不出現重疊。因此，在實際應用中，可根據表7的施肥目標產量或者空白區產量確定具體田塊所屬的施肥類別及其推薦施肥量。

平均而言，花生最高產量施肥量加權平均為N99kg·hm^-2、P₂O₅6l kg·hm^-2、K₂O 108噸。hm^-2，預計產量為3759kg·hm^-2;經濟施肥量加權平均則為N90kg·hm^-2、P20554kg·hm^-2，K₂O 95kg·hm^-2，預計產量為3745kg·hm^-2，氮磷鉀適宜比例為1：0.6：1.1.

2.3 化肥推薦施肥對花生產量和施肥效益的影響

閩東南地區的34個田間示范結果（表8）表明，與空白區產量相比，無論是推薦施肥還是習慣施肥，花生產量都獲得顯著提高;推薦施肥調整了習慣施肥的氮磷鉀施用量和比例，花生莢果產量平均增產10.2%。以每kgN4.3元、P₂O₅元、K₂O₅元和莢果6元的市場均價計算，推薦施肥的肥料成本較習慣施肥下降63元·hm^-2，凈增收達到2877元·hm^-2。因此，表7提出的花生氮磷鉀施肥限量標準具有較好的增產增收效果。

2.4 花生有機肥替代化肥潛力

為進一步降低表7的花生化肥施用量，在花生種植地代表性土壤上設置了有機肥替代化肥潛力田間試驗。產量結果（表9）表明，習慣施肥、推薦施肥、有機肥替代部分化肥處理的花生莢果產量都比空白區處理獲得顯著的增產效果，但增產幅度差異較大。其中，在推薦施肥基礎上，有機肥替代25%化肥處理的產量最高，且均顯著高于習慣施肥，平均增產18.9%;除灰泥田試驗點與推薦施肥產量持平外，其他3個試驗點的產量顯著高于化肥推薦施肥，4個試驗平均增產10.6%。

以每kR N 4.3元、P₂O₅5元、K₂O 5元、莢果6元和商品有機肥800元·t^-1的市場均價計算不同施肥模式的肥料成本和產量效益（表9）。結果表明，扣除化肥成本，與習慣施肥相比，化肥推薦施肥、有機肥替代25%化肥的處理均使花生獲得增產增收，平均凈增收分別提高2614、4029元·hm^-2;與化肥推薦施肥相比，有機肥替代25%化肥處理平均凈增收1595元·hm^-2。但有機肥替代50%化肥的處理，由于增產幅度較小，且大幅度增加肥料成本，凈增收明顯下降，甚至低于習慣施肥。

3 討論

3.1 氮磷鉀施肥類別的定量分類

在推薦施肥領域，如何對多年多點田間肥效試驗結果進行合理分類總結，提出不同土壤肥力等級或者施肥目標產量下的推薦施肥技術，歷來是重要的研究課題。福建花生種植地分布在閩東南和閩西地區，常年種植面積11萬hm²左右，種植區域較小，區內生產條件和一般產量水平差異不大。為此，將花生種植區域作為一個整體進行系統聚類分析，并對分類結果的方差協方差矩陣進行差異顯著性檢驗。這種方法的優點是花生氮磷鉀施肥效應在不同施肥類別間具有顯著水平差異，確保了分類結果的有效性。

在推薦施肥服務區域內，土壤肥力水平或者目標產量應該劃分為多少個等級，即劃分成多少個施肥類別，至今仍然懸而未決。由于施肥量和作物產量的關系不是確定性關系，施肥類別間在統計學上應該具有顯著水平的差異，才能保證分類結果的有效性。迄今不少學者研究提出了許多肥料試驗資料的分類或聚類方法，具有簡潔、實用和易于理解的優點，但類別間是否具有顯著性差異均未進行統計檢驗。本文結合方差協方差矩陣差異顯著性檢驗技術，從定量角度較好地解決了施肥類別到底應該劃分多少個等級的問題。

3.2 三元肥效模型選擇及其計量結果

本研究根據花生各施肥類別的對應田間肥效試驗結果，應用三元非結構肥效模型建立氮磷鉀肥效模型，得到各施肥類別的推薦施肥量。在測土配方施肥中，常用三元二次多項式肥效模型建立氮磷鉀肥效方程和計算推薦施肥量。但是，已有研究表明，二次多項式模型的推薦施肥量普遍偏高。

課題組曾在10年前，根據當時花生氮磷鉀田間肥效試驗結果，應用三元二次多項式肥效模型探討花生推薦施肥。由于最高施肥量不受價格因素的影響，本研究采用非結構肥效模型推薦的全省平均最高施肥量，與當時采用三元二次多項式肥效模型得到的全省花生平均最高施肥量相比，氮、磷、鉀推薦用量分別降低了13.9%、14.1%和17.6%;即使是經濟施肥量，氮、磷、鉀的推薦用量也分別下降了8.2%、1.8%和7.8%。因此，三元非結構肥效模型的推薦施肥量較好地克服了三元二次多項式肥效模型推薦施肥量偏高的問題，有利于減肥增效技術的推廣應用。

3.3 化肥與有機肥配施進一步提高花生產量

105個花生氮磷鉀肥效試驗表明，福建省高產田的花生施肥效應高于其他類型田塊的l倍以上，顯示中產田及以下的耕地類型需進行土壤改良培肥，才能充分發揮花生施肥增產潛力。34個田間示范結果表明，推薦施肥的花生莢果產量比習慣施肥平均增產10.2%，肥料成本下降63元·hm^-2，凈增收2877元。hm^-2。但在化肥推薦施肥基礎上，有機肥替代25%化肥的施肥模式使花生莢果產量進一步增產10.6%，平均凈增收進一步提高1595元·hm^-2。

坡耕地是福建省花生主要種植區域，坡耕地農耕歷史悠久，利用強度大，加上不合理的坡地利用方式，水土流失嚴重。土壤和施肥管理粗放，導致土壤酸化嚴重，土壤有機質含量普遍偏低。本研究顯示，花生種植區配施有機肥顯著改善了土壤生產力，有利于發揮花生施肥的增產潛力。