湖北省水稻施肥效果及肥料利用效率现状研究

王伟妮,鲁剑巍*,陈 防,鲁明星,李 慧,李小坤

(1华中农业大学资源与环境学院,湖北武汉430070;2中国科学院武汉植物园,湖北武汉430074;3湖北省土壤肥料工作站,湖北武汉430070)

湖北省是水稻主产区,全省水稻种植面积占粮食总播种面积的50%以上,产量占70%,商品量占80%[1],水稻生产好坏直接关系到农业增产增效和农民增收。施肥是稻作栽培体系中不可或缺的环节,在水稻增产、农民增收、农业增效上发挥着重要的作用。然而,长期以来,湖北省水稻生产中普遍存在施肥状况不清、施肥效果不明的问题,导致施肥不合理的现象时有发生。主要表现在氮肥用量偏高、氮磷钾比例不合理等方面;同时还有相当部分田块各种养分用量不足的问题存在[2]。肥料的不合理施用,以及近几年持续上涨的化肥价格,导致了水稻产量及经济效益徘徊不前甚至下降,挫伤了农民的种粮积极性。为了解近几年湖北省水稻合理施肥的增产、增收现状,明确施肥的作用并研究和推广应用科学施肥技术,2006年至2008年在湖北省17个县(市、区)分别布置了早、中、晚稻的田间肥效试验,研究在当前生产条件下平衡施用氮、磷、钾肥对水稻产量及经济效益的影响,明确当前生产条件下施肥对水稻产量的贡献率及肥料的农学利用率情况,以期为解决水稻施肥不合理的问题和为湖北省水稻高效生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2006至2008年在湖北省团风、浠水、武穴 、黄梅 、黄陂 、大冶 、鄂州 、孝昌 、天门 、仙桃 、洪湖 、荆州、赤壁、麻城、安陆、曾都、沙洋共 17个县(市、区)布置水稻田间试验251个,其中早稻试验54个,中稻试验136个,晚稻试验61个。各试验点的土壤类型均为水稻土,供试土壤的基本性状见表1。

供试水稻品种均为目前适应各地生产的高产优质品种,其中早稻主要是金优402、鄂早18、中优974、原丰 1号等;中稻主要有Ⅱ优838、两优培九、扬两优6号、岗优725等;晚稻主要是中九优288、金优928、鄂晚17号、金优207等。早稻试验前茬作物为晚稻或油菜,中稻前茬为油菜,晚稻前茬为早稻。

各地试验均设:不施肥对照(CK)和氮、磷、钾肥配施(NPK)2个处理。所有试验点NPK处理的肥料用量如表2所示。氮肥用尿素(含N 46%),磷肥用过磷酸钙(含P2O512%),钾肥用氯化钾(含K2O 60%)。其中氮肥60%作基肥,40%作追肥(均分两次追施),磷、钾肥全作基肥。试验小区面积20 m2,3次重复,随机区组排列。

表1 供试土壤的基本性状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 测定项目与方法

各小区产量采用单收单打测产。

土壤养分:在每季水稻移栽前,各试验取表层(0—20 cm)土壤样品测定土壤pH、有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量。土壤pH用电位法,有机质用外加热重铬酸钾容量法,碱解氮用1.0 mol/L NaOH扩散法,速效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法,速效钾用1mol/L NH4OAc浸提—火焰光度法进行测定[3]。

肥料贡献率与农学利用率的计算[2,4-6]:

肥料贡献率(Fertilizer contribution rate,FCR)=(施肥区产量-无肥区产量)/施肥区产量×100%;

肥料农学利用率(Agronomic efficiency,AE)=(施肥区产量-无肥区产量)/(施N量+施P2O5量+施K2O量)。

肥料与稻谷平均价格的计算:因不同年份及不同地点的肥料价格与稻谷价格各不相同,故在考虑不同年份及不同地点试验数目的基础上,加权计算肥料和稻谷的平均价格。计算步骤如下:

首先将每一年所有试验点的肥料及稻谷价格求平均值;然后求出每一年试验数目与三年试验数目的比值,该比值即每年肥料及稻谷价格的权重;最后将每一年肥料及稻谷的平均价格与相应年份的权重相乘,所得三年的乘积之和即为2006～2008年的肥料及稻谷平均价格。

试验数据用EXCEL进行计算处理。

2 结果与分析

2.1 早、中、晚稻施肥的增产效果研究

2006至2008年,在湖北省布置的251个试验中,平衡施用氮、磷、钾肥对早、中、晚稻产量的影响(表3)可以看出,CK处理的稻谷产量变幅在1295～9267 kg/hm2之间,施用氮、磷、钾肥后的稻谷产量在3050～11635 kg/hm2之间,说明施用氮、磷、钾肥可以显著提高水稻产量。目前湖北省早、中、晚稻不同试验点的施肥效果差异很大,其中施肥增产量最小值为135 kg/hm2,最大值为6650 kg/hm2;增产率最小值为1.9%,最大值为166.2%。另外,不同季节水稻的产量结果变幅较大,若不考虑施肥对产量的影响,仅就水稻类型而言,中稻的产量明显高于早稻和晚稻,这可能是湖北省近年来中稻种植面积远远大于早稻和晚稻的原因之一。

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

将早、中、晚稻的增产量和增产率分别划分5个等级,计算每个等级下增产量和增产率的试验点百分比,进一步了解目前湖北省早、中、晚稻施肥的增产量和增产率频率分布情况。从图1A、B可以看出,早稻在增产量处于2000～ 3000 kg/hm2之间最高,其试验点分布频率为40.7%,而且有16.7%的试验增产量超过了3000 kg/hm2;另外,超过一半的试验增产率达到了50%以上,其中增产率大于100%的试验占11.1%。中稻有36.8%的试验增产量集中在2000～3000 kg/hm2之间,有28.0%的试验增产量超过了3000 kg/hm2;近1/3的试验增产率大于50%。晚稻在增产量处于1000～2000 kg/hm2之间的分布频率最高,为45.9%;增产率大于50%的试验占27.9%。可见,湖北省水稻平衡施用氮、磷、钾肥的增产效果明显,且早稻和中稻的施肥效果优于晚稻。

2.2 早、中、晚稻施肥的经济效益研究

现代农业生产不应只单纯追求水稻的最高产量,更应该注重施肥对水稻经济效益的影响(表4)。251个试验 CK处理的产值范围是1877～ 14457 Yuan/hm2,NPK处理的产值范围是 4422～ 18151 Yuan/hm2。与施肥对水稻产量的影响类似,不同试验点的施肥效益(即水稻产值扣除肥料成本)变异范围也很大。最大值为 9042 Yuan/hm2,最小值为-1087 Yuan/hm2,说明有少数试验出现了增产不增收的现象。但总的来说,水稻施肥可以显著提高经济效益,且中稻的施肥效益明显高于早稻和晚稻。

分析湖北省早、中、晚稻施肥的经济效益频率分布情况(图2A),发现早稻在施肥效益处于2000～3000 Yuan/hm2之间的频率最高,为29.6%,而且有14.8%的试验施肥效益大于3000 Yuan/hm2;中稻有22.8%的试验施肥效益集中在 1000～ 2000 Yuan/hm2之间,超过1/3的试验施肥效益大于3000 Yuan/hm2;晚稻在施肥效益处于0～1000 Yuan/hm2之间的分布频率最高,为32.8%。另外,早、中、晚稻分别有9.3%、5.9%和11.5%的试验施肥效益为负值,即施肥后的稻谷产量虽然有所增加,但扣除肥料成本后的经济效益反而低于不施肥处理。

图1 早、中、晚稻施肥增产量和增产率频率分布图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

产投比即为NPK处理的产值与肥料成本的比值。图2B看出,早稻和晚稻的产投比主要集中在5.0～ 9.0之间,其分布频率分别为 64.8%和72.2%;而中稻有60.3%的试验产投比集中在7.0～11.0之间,且有11.0%的试验产投比大于13.0。结果表明,与早稻和晚稻相比,中稻施肥的产投比相对较高,可以获得更高的经济效益。

图2 早、中、晚稻施肥效益和产投比频率分布图Fig.2 Frequency distributions of net profits and VCR with fertilizer in early,mid and late-season rice

2.3 早、中、晚稻的肥料贡献率与农学利用率研究

肥料贡献率是反映年投入肥料的生产能力的指标[4]。把CK处理的产量视为土壤(地力)对产量的贡献,以其为基准进行相关计算(表5)。从表中看出,肥料对水稻产量的贡献率变幅较大,在1.9～62.4%之间;而3种不同季节水稻的肥料贡献率平均值大约均为30%,即相对应的地力贡献率大约为70%。分析图3A发现,早稻在肥料贡献率≤20%区间的试验点最多,占27.8%,且有35.2%的试验肥料贡献率＞40%;中稻和晚稻在肥料贡献率20～30%区间的试验点最多,分布频率分别为34.6%和37.7%,在＞40%区间的试验点分别占17.6%和13.1%。

农学利用率也叫农艺利用率,它表示施用肥料的每千克N、P2O5、K2O增产稻谷的能力,指作物施肥后增加的产量与施肥量的比值[5-7]。本文计算氮、磷、钾肥农学利用率所用的施肥量为氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥用量之和。分析表5,湖北省水稻氮、磷、钾肥农学利用率的变幅在 0.5～ 21.2 kg/kg之间,中稻的农学利用率相对较高,这与其施肥后的增产量较大有关。图3B为农学利用率的频率分布状况,早、中、晚稻在农学利用率3～6 kg/kg区间的试验点最多,分布频率分别为33.3%、33.8%和37.7%,而且分别有29.7%、32.4%和13.1%的试验农学利用率大于9 kg/kg。

表5 早、中、晚稻的肥料贡献率与农学利用率Table 5 Fertilizer contribution rate and agronomic efficiency of early,mid and late-season rice

图3 早、中、晚稻肥料贡献率和农学利用率频率分布图Fig.3 Frequency distributions of fertilizer contribution rate and AE on early,mid and late-season rice

3 讨论与结论

本研究的目的是了解平衡施用氮、磷、钾肥对水稻产量和经济效益的影响,因此,在确定每个试验的肥料用量时考虑到了湖北省水稻生产中的不合理施肥问题,基本保证了每个试验氮、磷、钾肥的合理施用。湖北省2003年和2004年农户施肥情况为:早、中、晚稻肥料用量分别为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]。与本试验设计的肥料平均用量(表3)相比,早、中、晚稻的农户习惯施N量均高于本研究的平均施N量,而习惯施K2O量均低于本研究的平均施K2O量。说明本试验设计是在合理施肥的基础上研究水稻的施肥效果及肥料利用效率。

水稻产量的稳定增长受诸多因素影响[8],如水分的管理[9]、品种的选用、病虫害的防治[10]及氮、磷、钾肥的平衡施用[11]等。其中,平衡施用氮、磷、钾肥是确保水稻高产的有效措施之一,它通过改善水稻的经济性状提高水稻产量[12-14]。本研究表明,目前湖北省早、中、晚稻在不同县(市、区)的施肥效果差异很大,但 251个试验的产量结果均表现为NPK ＞CK,即早 、中、晚稻施用氮、磷、钾肥后的产量都有不同程度的增加。尽管有20个试验因基础土壤养分含量丰富或气候环境、栽培条件等的影响,施肥后稻谷的增产量较低,出现了增产不增收的现象,但其余231个试验施肥后的增产、增收效果明显。NPK处理与CK处理相比,每公顷最多可增产6650 kg,扣除肥料成本后的纯收入最高为9042元。说明在湖北省水稻生产中,氮、磷、钾肥平衡施用技术应该进行大面积的推广应用。

水稻生产不仅受施肥措施限制,而且对不同的生长季节响应也不一致。本研究中,3种不同季节水稻施肥后的增产、增收效果均表现为中稻＞早稻＞晚稻。与CK处理相比,NPK处理早、中、晚稻每公顷分别增产2153、2445和1908 kg,分别增收1691、2413和1413元,表明水稻的施肥效果具有季节性差异。中稻增产效果最好可能是因为其全生育期最长,个体生长量大,增产量相对最高;早稻和晚稻的生育期均较短,早稻施肥效果优于晚稻的原因可能是栽种早稻的土壤通过一季休闲后,土壤中各种养分的有效性提高,而晚稻是在早稻收获之后立即耕种,时间间隔较短,不利于土壤中各种有效养分含量的增加[15]。

申建波等[2]指出,土壤的基础肥力越高,作物的生产潜力就越大,越容易获得高产,如果土壤肥力水平较低,即使通过合理的施肥也难以获得更高的产量。湖北省2005年水稻生产的肥料贡献率为35%,地力贡献率为65%[2]。本文研究的2006～2008年水稻的肥料贡献率为 29.4%,地力贡献率为70.6%,与2005年相比,地力贡献率有所提高,说明土壤的肥力水平比以前有所提高。可能是因为近几年在湖北省开展的测土配方施肥行动[16]与秸秆还田工程[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对水稻产量的贡献率。

本研究看出,湖北省不同试验点的肥料农学利用率差异很大,最低仅为0.5 kg/kg,最高可达21.2 kg/kg;3种类型水稻的农学利用率大小顺序为中稻＞早稻＞晚稻。在水稻实际生产中,氮、磷、钾肥配施能够增加稻谷产量,提高经济效益,但并不是“施肥越多,产量就越高”。施肥过量反而会导致肥料利用率的下降,并造成一系列的环境问题[18-20]。因此,应根据各地实际情况调整肥料用量,合理施肥,以实现水稻高效生产的目的。

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