水稻大配方小調整中氮素指標體系重構研究

楊 敏，陳秀虎，李 果，皮曉娟，郭 峰，胡結文，彭啟華，吳國虹

（1. 清遠職業技術學院，廣東 清遠 511510； 2. 連州市高山綠稻米業有限公司，廣東 連州 513400）

廣東省是全國13個糧食主產省之一，水稻作為廣東省最主要的糧食作物，每年稻谷產量占糧食作物產量的比例平均保持在76%以上［1］。2005年國家重點推廣的測土配方施肥技術，在降低水稻生產成本、提高產量、保障糧食安全等方面發揮了重要作用。廣東省在測土配方施肥工作中取得了多項成果［2］，特別是施肥專家系統的創建，對全省測土配方施肥工作具有重要的推動與指導作用。前人研究結果表明，合理的氮肥施用量和配比能保證水稻更好地進行生理代謝，在水稻產量和品質形成過程中起著決定性作用［3］。因此，氮素指標體系的構建是施肥配方研制與調整的核心。2009年，張橋等［4］基于2007—2008年廣東省多個市（縣）60多個“3414”試驗點的數據，建立了廣東省測土配方施肥專家系統氮素指標體系。由于水稻品種繁多、栽培環境多樣，大配方相關技術參數不能準確地反映各地方的現實情況［5］，很難做到精準施肥。2010年譚藝超等［6］的研究也顯示，施肥專家系統大配方具有區域適合性和指導性，各地依據實際生產對大配方進行調整具有重要的意義。按照《測土配方施肥技術規范》［7］，目前施肥配方的研究與調整建立在田間試驗基礎之上，在實際工作中存在著田間試驗操作技術難度大、成本高、用時長、農民配合度差和多點試驗工作難推進等實際問題。本研究從實際生產入手，將土壤堿解氮與施氮量統稱為土壤速效氮，并作為一個研究因素，利用配方施肥產量計算土壤速效氮利用率，代替田間試驗得到的土壤氮素養分校正系數和氮肥當季利用率；依據大配方的土壤豐缺指標函數，計算無氮肥產量。在生產條件下重構配方的氮素指標體系，為快速、有效地對大配方進行小調整提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地在廣東省連州市九陂鎮白石村，地處東經112°22′，北緯 24°44′，主要為丘陵和盆地，亞熱帶季風性氣候，年均日照時數1510.6 h，年平均降雨量1606 mm。

1.2 試驗地生產模式

選擇10個村民小組作為研究試驗地。試驗地采用“公司+基地+農戶”的生產經營模式，高山綠稻米業有限公司統一配置水稻品種、指導配方施肥、收購稻谷、記錄相關生產數據。水稻品種為美香占2號，產量為春季稻產量。

1.3 試驗地土壤堿解氮的測定

2021年11月，晚稻收割后、下一季作物備耕開始前，每個村民小組選擇6個具有代表性的水稻田，每個地塊按照“S”形布點法采集5個土樣，共采集土樣300份。采樣時，清除土壤表層雜物，采集耕層0~20 cm的土壤。每個采樣單元采集的5個土樣混勻后，四分法取約1.0 kg，10個采樣單元共獲得 60 份待測混合土樣。經風干、磨細、去雜、過篩處理后，作為分析樣品備用。按照《土壤農化分析》［8］中的測定方法，檢測土壤的主要養分含量，具體數值如表1所示。

表1 白石村10個村民小組水稻種植土壤 主要營養成分的理化性狀

1.4 生產施肥大配方簡介

生產施肥配方源于廣東省專家施肥系統，由連州市土壤肥料站推薦。該專家系統是基于廣東省多個市（縣）的水稻“3414”田間肥效試驗建立的，試驗點包含連州市九陂鎮。該配方的目標產量設計為7500 kg/hm2，氮素施用量170.25 kg/hm2、磷素施用量55.73 kg/hm2、鉀素施用量137.55 kg/hm2。

1.5 研究方法

1.5.1 重構氮素指標體系的數據來源 （1）大配方“3414”試驗結果；（2）配方施肥的生產數據；（3）水稻生產土壤的檢測數據；（4）引用文獻中審定美香占2號品種的生產試驗數據，詳細信息如圖1所示。

圖1 基礎數據來源

1.5.2 重構氮素指標體系的技術路線 （1）利用廣東省大配方“3414”得到的水稻土壤有效氮豐缺指標函數［4］：y= 21.914lnx-19.401，依據土壤堿解氮含量計算水稻生產的相對產量和實際配方生產的產量，計算無氮肥區產量；（2）利用生產施氮量、土壤堿解氮含量和實際配方施肥產量，計算土壤速效氮利用率；（3）依據配方施肥產量和品種審定生產試驗產量，確定調整配方的目標產量；利用測土配方施肥的目標產量理論，計算出小配方施氮量，具體路徑如圖2所示。

圖2 小配方調整中氮素體系構建的技術路線

2 結果與分析

2.1 配方施肥水稻產量與土壤堿解氮含量

2021年10個村民小組早稻水稻配方施肥的實際產量在5868.0~6115.5 kg/hm2之間，平均值為（6040.65±70.62） kg/hm2，具體情況如表2所示。實際生產的平均產量與大配方目標產量7500 kg/hm2相比，偏低了17.6%，與品種審定產量5643.2 kg/hm2相比，高出6.6%。依據《測土配方施肥技術規范》［7］，大配方目標產量設計過高。晚稻收割后采樣，測定水稻田土壤的堿解氮含量（表2）。

表2 白石村10個村民小組配方施肥水稻產量和土壤堿解氮含量

2.2 土壤速效氮與利用率

土壤堿解氮與大配方生產施氮量合稱為土壤速效氮。其中，試驗地土壤堿解氮含量如表2所示，生產大配方統一的氮素施用量為170.25 kg/hm2。試驗地土壤速效氮含量見表3。

表3 白石村10個村民小組土壤速效氮含量 mg/kg

土壤速效氮肥利用率是水稻吸收利用的氮素與土壤速效氮之比，代替土壤養分校正系數和肥料當季利用率，用作氮素指標體系重構的技術參數，在生產條件下，重構配方調整的氮素體系。依據表2中配方施肥的稻谷產量和表3中的土壤速效氮含量數據，計算水稻配方施肥條件下，實際生產的土壤速效氮利用率（v），白石村10個村民小組的速效氮利用率如表4所示。計算公式為：

式（1）中：v表示土壤速效氮利用率（%）；PN表示配方施肥產量，即按區域大配方施肥后的稻谷產量（kg/hm2）；2.25表示每形成100 kg稻谷所吸收的氮素量（kg/100 kg）；MN表示土壤速效氮，即土壤堿解氮含量（mg/kg）×2.25（每公頃耕作層土壤的重量換算系數）與施氮量（kg/hm2）之和（kg/hm2）；100表示單位換算系數。

表4 白石村10個村民小組在配方施肥的生產條件下土壤速效氮的利用率 %

由表4可知，白石村土壤速效氮平均利用率為（34.22±2.26）%，與董穩軍等［9］對廣東省60年氮肥的平均利用率為32.50%的研究結果接近，說明在重構小配方氮素體系中使用土壤速效氮利用率替代肥料當季利用率計算配方的施氮量是可行的。

2.3 無氮肥產量

2.3.1 計算相對產量 利用廣東省大配方“3414”試驗的水稻土壤有效氮豐缺指標函數［4］（式2）和土壤堿解氮含量計算相對產量，公式為：

式（2）中：y表示相對產量，即無氮肥產量與配方施肥產量之比；x表示土壤堿解氮含量（mg/kg）。

2.3.2 計算無肥區產量 將式（2）計算得出的相對產量和表2 配方施肥產量代入式（3），得到無氮肥區產量，公式為：

式（3）中：PN0表示無氮肥產量（kg/hm2）；y表示相對產量；PN表示配方施肥產量（kg/hm2）。

白石村10個村民小組試驗地無氮肥區產量如表5所示。

2.4 目標產量

依據《測土配方施肥技術規范》［7］，目標產量可利用施肥區前3年平均單產和年遞增率為基礎確定目標產量。本研究中，由于水稻品種是第1年新引種的，其目標產量以品種審定產量和生產產量為依據進行確定，具體做法如下：把品種審定產量向上浮動10%后與配方施肥的實際產量計算得出平均值，取與之接近且方便計算的數值作為目標產量。如美香占2號審定編號是“粵審稻2006009”，其審定產量為5643.2 kg/hm2，向上浮動10%為6207.5 kg/hm2，配方施肥的實際產量是6040.65 kg/hm2，兩者平均值為6124.1 kg/hm2，取6150.0 kg/hm2作為目標產量。這與梁中堯等［10-11］對美香占2號的研究結果一致。

2.5 施肥量與施氮函數

2.5.1 施肥量的計算 氮素施用量的計算方法依據目標產量法演化而來，將化肥當季利用率替換成土壤速效氮利用率，計算公式為：

式（4）中：YN表示肥料的氮素施用量（kg/hm2）；M表示目標產量（kg/hm2）；PN0表示無氮肥產量（kg/hm2）；2.25表示每形成100 kg稻谷所吸收的氮素量（kg/100 kg）；v表示土壤速效氮利用率；100表示單位換算系數。

利用公式（4）計算10個村民小組的平均施氮量為（77.9±10.0） kg/hm2，具體結果如表6所示。

表5 白石村10個村民小組依據大配方函數計算出的研究地塊無氮肥產量 kg/hm2

表6 白石村10個村民小組大配方小調整氮素體系重構的氮素施用量 kg/hm2

2.5.2 施氮量的函數公式 參考毛達如等［12-13］的報道，二次模型不同變換式都能較好地反映肥料效應的規律，但二次多項式施肥模型推薦施肥量偏高，本研究提倡采用相交直線施肥模型。以表2土壤堿解氮為自變量，表5氮素施用量為因變量，得到的函數式為：

3 討論

基于生產實際和廣東省大配方的“3414”試驗結果，對大配方氮素體系開展重構研究，在生產條件下完成大配方的小調整，具有理論邏輯和實踐依據。

3.1 理論依據

（1）配方施肥生產可以理解為大配方的驗證試驗，所以生產數據等同于驗證試驗數據，并具有更為實用的研究價值。

（2）九陂鎮是張橋等［4］對廣東省進行大配方“3414”試驗的基地之一，引用其土壤有效氮豐缺指標函數，依據《測土配方施肥技術規范》，對大配方生產進行小調整，具有內在的邏輯性。

（3）水稻生產的土壤是一個動態平衡的內循環體系，可從以下2個方面進行理解：

一是施用的外源肥料與土壤中原有的營養素共同作用形成一個新的土壤動態平衡體系，這個新的動態平衡體系影響著作物生物量的形成，很難分清楚這種影響是由土壤自身供肥或是外源施肥引起的［14］。從這個角度出發，可把土壤養分校正系數和肥料當季利用率合并為土壤速效養分利用率進行研究。

二是耕作土壤的基本養分含量保持相對穩定，且決定水稻的基本產量。據李忠芳等［15-16］的研究報道，土壤氮素養分基本保持穩定，在長期施肥生產中略有提升，但總體趨于穩定。這可能是生產施用氮肥后，氮素融入土壤，一部分被土壤固定，一部分仍然以堿解氮形態存在于土壤中，成為土壤速效氮相對穩定的因素之一。施入土壤中的氮肥，除了被土壤吸收利用外，還會通過氨揮發、硝化—反硝化、淋溶和徑流等方式進入環境，造成大氣、土層和水體污染［17］，其循環路線如圖3所示。

圖3 水稻生產中土壤有效氮素養分的動態平衡 微循環示意圖

3.2 實踐依據

3.2.1 土壤堿解氮與無肥區產量呈極顯著的相關性 以表2中土壤堿解氮為自變量，表5中無氮肥區產量為因變量，建立的二次回歸函數關系式為：

式（6）顯示，土壤堿解氮與水稻基礎產量之間呈極顯著的相關性。據陳盈等［18］研究可知，氮素是水稻生產中最為敏感的元素，是影響水稻產量和品質的重要因子。另據喬磊等［19］報道，土壤基礎地力與水稻基礎產量呈顯著正相關。在基礎地力高的土壤中，水稻產量的變異系數降低，產量更加穩定。可見，利用廣東省大配方“3414”試驗的土壤有效氮豐缺指標函數推算無肥區產量具有可行性。

3.2.2 土壤速效氮與配方施肥產量間呈極顯著的相關性 以表3 土壤速效氮為自變量，表2配方施肥產量為因變量，建立二次回歸函數關系式為：

式（7）顯示，土壤速效氮與水稻施肥產量之間呈極顯著的相關性，表明土壤速效氮是影響稻谷產量的決定性因素。合理施肥是決定水稻增產的主要手段，但也并非施肥越多產量越高。當施肥達到一定量后，繼續施肥，產量不增反而下降［20-21］。水稻的產量是由內因和外因共同作用的結果，而且內因起決定性作用。當施肥過量后，作物會對肥料奢侈吸收，達到一定值后會造成傷害。合理施氮是提高水稻產量與品質的最有效途徑［22-23］。因此，把土壤堿解氮與生產施用的氮肥合并為土壤速效氮進行試驗設計是可行的。

3.2.3 土壤堿解氮與土壤速效氮利用率呈極顯著的相關性 以土壤堿解氮為自變量，土壤速效氮利用率為因變量，建立的函數式為

式（8）顯示，土壤堿解氮與土壤速效氮利用率之間呈極顯著的相關性。結果表明，土壤堿解氮和生產施用的氮肥融為一體，在水稻生產中共同發揮作用。同等施肥情況下，土壤堿解氮含量越高，土壤速效氮濃度就越高，其利用率就越低，揮發流失增大，因此，在生產中掌握好施肥量具有重要意義。

在生產條件下完成大配方的小調整過程中，影響試驗結果的因素需要進行深入研究。（1）應基于水稻生產土壤基礎肥力保持相對穩定開展，但在生產實踐中可能有一些意想不到的因素導致土壤養分失衡；（2）在實際生產中，稻谷產量除受氮素影響外，還受到其他因素的影響；（3）利用大配方產量和土壤速效氮計算的土壤速效氮利用率可能低于配方所需的最佳值，因為施氮量與速效氮利用率呈負相關，大配方生產的施氮量偏高，當小配方施氮量向下調整后，土壤速效氮的利用率理論上會有所升高。

4 結論

研究表明，在廣東省連州市九陂鎮白石村水稻生產中，施肥大配方氮素指標體系具有區域適合性，但目標產量偏高，氮肥施用量過大，對其調整具有重要的生產意義。依據生產數據和大配方試驗成果，在生產條件下重構氮素指標體系，具有理論邏輯和生產依據，為生產大配方的快速、便捷調整提供了思路。