我国水稻土壤有效磷和速效钾丰缺指标与适宜磷钾施用量研究

2018-10-18孙洪仁张吉萍冮丽华吕玉才王应海

中国稻米 2018年5期

孙洪仁张吉萍冮丽华吕玉才王应海

（1中国农业大学草地研究所，北京100193；2凯风新农（北京）科技有限公司，北京 100095；3北京薯网农业科学研究院，北京100043；4北京东方润泽生态科技股份有限公司，北京100086；第一作者：sunhongren@cau.edu.cn）

我国于20世纪80年代开始开展水稻土壤有效磷和速效钾丰缺指标研究[1-4]。进入21世纪以来，水稻土壤有效磷和速效钾丰缺指标与适宜养分施用量研究报道数量明显增加。但需要明确回答的问题依然很多。如30年来水稻土壤有效磷和速效钾丰缺指标是否已经发生明显变化；哪些区域水稻土壤有效磷和速效钾丰缺指标业已建立起来，是否还存在研究空白区域；不同区域的水稻土壤有效磷及速效钾丰缺指标的差异究竟有多大；我国水稻土壤有效磷和速效钾丰缺级别的分布状况怎么样；学者们采用的丰缺指标分级方案各不相同，如何进行比较；一些研究只是建立了土壤有效磷和速效钾丰缺指标，并未给出适宜养分施用量[1-11]，如何予以解决；不同丰缺级别土壤的水稻适宜养分施用量范围等等。本研究系统地总结了我国开展的水稻土壤有效磷和速效钾丰缺指标与适宜养分施用量研究结果，试图对上述问题予以探讨。

1 材料与方法

1.1 土壤有效磷和速效钾丰缺指标

搜集我国水稻土壤有效磷和速效钾丰缺指标研究文献，从中提取水稻缺素处理相对产量与土壤有效养分含量回归方程，以及水稻缺素处理相对产量和土壤有效养分含量的范围。

选用如下土壤有效养分丰缺分级方案[12]：第7至1级缺素处理相对产量范围分别为＜50%、50%～60%、60% ～70% 、70% ～80% 、80% ～90% 、90% ～100% 和 ≥100%。

将水稻土壤有效养分丰缺分级方案中各个级别的缺素处理相对产量的起讫点数值（50%、60%、70%、80%、90%和100%）分别代入缺素处理相对产量与土壤有效养分含量回归方程，计算土壤有效磷和速效钾含量，所得数值即为相应级别土壤有效磷和速效钾丰缺指标的起讫点。超出试验范围的外推数据，允许在高端和低端各保留1个。

1.2 磷钾施用量

采用式⑴[13-14]计算水稻适宜养分施用量。

式⑴中，F为“水稻适宜养分施用量”，A为“水稻目标产量移出养分量”，R为“缺素处理相对产量”，E为“养分当季利用率”。

选取每个丰缺级别缺素处理相对产量的下限作为这个级别的缺素处理相对产量，第7至1级分别为40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%。

水稻单位经济产量移出磷（P2O5）和钾（K2O）的数量通常分别在7～11 kg/t和18～30 kg/t之间，本研究确定为9 kg/t和24 kg/t[11，15-17]。全国各地水稻产量差异很大，双季稻低者不到5 t/hm2，单季稻高者可达15 t/hm2以上，确定如下 8 个目标产量：4.5、6.0、7.5、9.0、10.5、12.0、13.5和 15.0 t/hm2。水稻8个目标产量移出磷（P2O5）的数量依次确定为 40.5、54.0、67.5、81.0、94.5、108.0、121.5 和 135.0 kg/hm2，移出钾（K2O）的数量依次确定为 108、144、180、216、252、288、324 和 360 kg/hm2。

我国水稻磷和钾的当季利用率变异范围很大，本研究设置3个磷当季利用率：10%、20%和30%，3个钾当季利用率：40%、50%和60%。

2 结果与分析

2.1 水稻缺磷处理相对产量与土壤有效磷含量回归方程

搜集提取出17个省、直辖市、自治区水稻缺磷处理相对产量与土壤Olsen-P、M3-P、ASI-P和Bray-P含量回归方程的数量依次为37、1、2和1个，合计41个（表 1）。

31个回归方程采用自然对数模型，4个采用直线模型，4个采用幂函数模型，1个采用抛物线模型，1个采用反函数模型。样本数量（试验点数）＜15、15～20、21～30、31～60、61～120、121～300、＞300 个和原文献未注明的研究数量分别为 5、5、9、16、4、0、1 和 1 个。38 个回归方程达到极显著水平（P＜0.01），1个达到显著水平（P＜0.05），2个原文献未注明。决定系数≥0.5、＜0.5和原文献未注明者依次为28、7和6个。

土壤 Olsen-P 含量下限≤3、4～6、7～10、11～15、16～20、＞20 mg/kg和原文献未注明的研究数量依次为7、5、14、3、0、1 和 7 个；上限≤20、21～30、31～40、41～50、51～100、＞100 mg/kg 和原文献未注明者依次为 6、7、3、5、8、1和7个。

缺磷处理相对产量的下限为＜50%、50%～59%、60%～69%、70%～79%、≥80%和原文献未注明者分别为3、4、17、8、3和 6个；上限为 95%～99%、≥100%和原文献未注明的研究数量分别为6、29和6个。

辽宁、福建、广东和云南4省的水稻缺磷处理相对产量与土壤有效磷含量回归方程研究较为系统，江苏、浙江、安徽、广西和四川5省（自治区）开展的研究工作较多，黑龙江、吉林、山东、河南、江西、湖南、重庆和宁夏8省（直辖市、自治区）开展了一些市域和县域研究，其他地区未见报道。

2.2 水稻土壤有效磷丰缺指标

建立17个省、市、自治区水稻土壤有效磷丰缺指标41套，其中Olsen-P 37套、M3-P 1套、ASI-P 2套、Bray-P 1套（表2）。35项注明了缺磷处理相对产量或土壤有效磷含量范围的研究，32项含外推数据，其中两端皆含有者11套，仅一端含有者21套；低端不含者3套，高端不含者24套。不用外推数据，分级数量2、3、4、5、6和 7个者分别为 2、9、7、13、1 和 3套，第 1～7 级划出比例依次为 69%、100%、100%、80%、57%、17%和9%。

采用外推数据，第1级Olsen-P含量下限≤35、36～50和＞50 mg/kg的丰缺指标数量分别为23、6和8个，第7级Olsen-P含量上限≤3、4～6和≥7 mg/kg者分别为20、14和3个。第1级M3-P含量129 mg/kg，第7级0.2 mg/kg。第1级ASI-P含量40～45 mg/kg，第7级3～7 mg/kg。第1级 Bray-P含量 266 mg/kg，第 7级17 mg/kg。

黑龙江虎林、山东临沂、山东郯城、安徽蚌埠、浙江宁波河谷平原、江西余干、福建泰宁和广西合浦水稻土壤Olsen-P丰缺指标很高，第1级下限大于50 mg/kg。吉林东辽、江苏射阳、江苏洪泽、江苏句容、四川宜宾翠屏和重庆长寿水稻土壤Olsen-P丰缺指标很低，第1级下限不超过20 mg/kg。江苏徐州贾汪、江苏扬州江都、湖南益阳赫山、湖南湘潭、福建山区、福建沿海平原水稻土壤Olsen-P丰缺指标亦较低，第1级下限21～25 mg/kg。

福建山区水稻土壤的Olsen-P丰缺指标与沿海平原十分接近。福建早稻和晚稻的土壤Olsen-P丰缺指标亦十分接近。浙江宁波河谷平原水稻土壤Olsen-P丰缺指标明显高于滨海平原。

2.3 不同有效磷丰缺级别土壤水稻适宜施磷量

土壤有效磷丰缺级别与水稻适宜施磷量线性负相关（表3）。以第2级的适宜施磷量为基数，每降低1个级别，水稻适宜施磷量提高1倍，第3～7级的水稻适宜施磷量分别是第2级的2～6倍。目标产量与水稻适宜施磷量呈线性正相关。磷肥当季利用率与水稻适宜施磷量呈线性负相关。

表1 我国水稻土壤有效磷含量与缺磷处理相对产量回归方程

土壤有效磷丰缺级别第1级的水稻适宜施磷量最低，为0。磷肥当季利用率10%、水稻目标产量15 t/hm2、土壤有效磷丰缺级别第7级之水稻适宜施磷量最高，≥810 kg/hm2。

磷肥当季利用率20%、水稻目标产量4.5～15.0 t/hm2时，土壤有效磷丰缺级别第1～7级的适宜施磷量范围依次为 0、20～68、41～135、61～203、81～270、101～338 和 122～405 kg/hm2。

磷肥当季利用率10%时，土壤磷素收支平衡点（磷素施入量等于磷素移出量）为土壤有效磷丰缺级别之第2级；磷肥当季利用率20%和30%时，土壤磷素收支平衡点依次为第3和第4级。

表2 我国水稻土壤有效磷丰缺指标

2.4 水稻土壤缺钾处理相对产量与土壤速效钾含量回归方程

搜集提取出18个省、市、自治区水稻缺钾处理相对产量与土壤NH4OAc-K、M3-K和ASI-K含量回归方程的数量依次为39、1和2个，合计42个（表4）。

31个回归方程采用自然对数模型，1个采用常用对数模型，4个采用直线模型，4个采用幂函数模型，1个采用抛物线模型，1个采用反函数模型。样本数量（试验点数）＜15、15～20、21～30、31～60、61～120、121～300和＞300 个的研究数量分别为 7、2、10、16、6、0 和 1 个。41个回归方程达到极显著水平（P＜0.01），1个达到显著水平（P＜0.05）。决定系数≥0.5、＜0.5和原文献未注明者依次为29、9和4个。

表3 我国水稻不同丰缺级别土壤适宜施磷量

土壤速效钾含量下限≤20、21～40、41～60、61～80、81～100、＞100 mg/kg和原文献未注明的研究数量依次为 6、10、9、6、2、2 和 7 个；上限≤150、151～200、201～250、251～300、＞300 mg/kg 和原文献未注明者依次为5、14、6、7、3 和 7 个。

缺钾处理相对产量的下限为＜50%、50%～59%、60%～69%、70%～79%、≥80%和原文献未注明者分别为3、7、9、15、3和 5个；上限为 95%～99%、≥100%和原文献未注明的研究数量分别为6、31和5个。

辽宁、湖北、福建、广东、云南和贵州6省的水稻缺钾处理相对产量与土壤速效钾含量回归方程研究最为系统，江苏、安徽、广西和四川4省、自治区开展的研究工作较多，黑龙江、吉林、山东、浙江、河南、湖南、重庆和宁夏8省、市、自治区开展了一些市域和县域研究，其他地区皆为空白。

2.5 水稻土壤速效钾丰缺指标

建立18个省、市、自治区水稻土壤速效钾丰缺指标42套，其中NH4OAc-K 39套、M3-K 1套、ASI-K 2套（表5）。37项注明了缺钾处理相对产量或土壤速效钾含量范围的研究，34项含外推数据，其中两端皆含有者11套，仅一端含有者23套；低端不含者3套，高端不含者27套。不用外推数据，分级数量2、3、4、5、6和 7个者分别为 4、10、14、5、1和 3 套，第 1～7级划出比例依次为65%、97%、100%、78%、30%、14%和8%。

采用外推数据，第1级NH4OAc-K含量下限100～150、151～200、201～250、251～300、301～350 和 351～400 mg/kg 的丰缺指标数量分别为 8、17、3、3、2 和 2 个，第7级 NH4OAc-K 含量上限≤30、31～50和＞50 mg/kg者分别为27、9和3个。第1级M3-K含量＞400 mg/kg，第7级M3-K含量＜30 mg/kg。第1和第7级ASI-K含量分别介于100～250和30～50 mg/kg之间。

辽宁、湖北、广东、福建泰宁和安徽淮南大通水稻土壤NH4OAc-K丰缺指标第1级很高，下限大于或接近300 mg/kg。川中丘陵区、重庆长寿、山东郯城和广西德保水稻土壤NH4OAc-K丰缺指标第1级很低，下限介于100～125 mg/kg之间。

福建山区水稻土壤的NH4OAc-K丰缺指标略高于沿海平原。福建早稻土壤的NH4OAc-K丰缺指标略高于晚稻。浙江宁波滨海平原水稻土壤NH4OAc-K丰缺指标略高于河谷平原。

表4 我国水稻土壤速效钾含量与缺钾处理相对产量回归方程

2.6 不同速效钾丰缺级别土壤水稻适宜施钾量

土壤速效钾丰缺级别与水稻适宜施钾量线性负相关（表6）。以第2级的适宜施钾量为基数，每降低1个级别，水稻适宜施钾量提高1倍，第3～7级的水稻适宜施钾量分别是第2级的2～6倍。目标产量与水稻适宜施钾量线性正相关。钾肥当季利用率与水稻适宜施钾量线性负相关。

土壤速效钾丰缺级别第1级的水稻适宜施钾量最低，为0。钾肥当季利用率40%、水稻目标产量15 t/hm2、土壤速效钾丰缺级别第7级之水稻适宜施钾量最高，≥540 kg/hm2。

表5 我国水稻土壤速效钾丰缺指标

钾肥当季利用率50%、水稻目标产量4.5～15.0 t/hm2时，土壤速效钾丰缺级别第1～7级的适宜施钾量范围依次为 0、22～72、43～144、65～216、86～288、108～360 和 130～432 kg/hm2。

钾肥当季利用率40%时，土壤钾素收支平衡点（钾素施入量等于钾素移出量）为土壤速效钾丰缺级别之第5级；钾肥当季利用率50%和60%时，土壤钾素收支平衡点依次为第6和第7级。

3 讨论与结论

3.1 我国水稻土壤有效磷和速效钾丰缺指标的历史变化、区域差异与空白区域

关于土壤磷素丰缺指标20世纪80年代的研究结果表明，全国各地水稻缺磷处理相对产量90%的Olsen-P 含量指标为 13 mg/kg（n=5）（6～20 mg/kg）[1-3]。本研究21世纪初全国各地之相应指标为21 mg/kg（2.5～46 mg/kg）（n=36）。与原指标相比，新指标提高趋势明显，但差异不显著。新指标出现提高趋势的原因可能是单产水平明显提高所致。

关于土壤钾素丰缺指标研究20世纪80年代的研究表明，全国各地水稻缺钾处理相对产量90%的NH4OAc-K 含量指标为 126 mg/kg（100～189 mg/kg）（n=5）。本研究21世纪初全国各地之相应指标为106 mg/kg（21～202 mg/kg）（n=36）[1-4]。与原指标相比，新指标存在降低趋势，但差异不显著。

如前所述，水稻土壤有效磷和速效钾丰缺指标不同区域之间差异颇大。区域差异的成因可能有以下两项：一是土壤类型不同，供肥特点存在差异；二是水稻单产水平不同，养分需求强度存在差异。

本研究亦表明，我国18个省、市、自治区开展了水稻土壤有效磷或速效钾丰缺指标研究，仅辽宁、福建、广东和云南的研究较为系统，其他省区尚存在许多研究空白区域。

3.2 我国水稻土壤有效磷和速效钾丰缺级别的分布

本研究表明，在注明缺磷处理相对产量或土壤有效磷含量范围的35项研究中，不用外推数据，第2和第3级划出比例很高（100%），第4级亦较高（80%），第6和第7级极低（＜20%），第1和第5级亦较低（＜70%）。在注明缺钾处理相对产量或土壤速效钾含量范围的37项研究中，不用外推数据，第2和第3级划出比例很高（97%和100%），第4级亦较高（78%），第1级较低（65%），第5、第6和第7级很低（8%～30%）。

由此可见，我国水稻缺磷和缺钾处理相对产量大多介于70%～100%之间；水稻土壤有效磷和速效钾丰缺级别集中在第2～4级，水稻土壤缺磷和钾较为普遍。

3.3 土壤养分丰缺指标研究中试验点数的要求和外推数据的采用

土壤养分丰缺指标研究要求试验点数20个以上是学者们较为一致的观点[17，51-52]。若每个级别要求3个以上试验点，则5～7个级别至少需要15～21个试验点。本研究的83个回归方程中，试验点数不足21个的有19个，比例为23%。

外推数据能否采用，学者观点并不一致。本研究允许在高端和低端各保留1个外推数据，结果大多较为靠谱。但山东临沂、山东郯城、安徽蚌埠、江西余干、福建泰宁和广西合浦的最高级别土壤Olsen-P含量超过75 mg/kg则较为离谱。辽宁M3-P和广东Bray-P最高级别分别达到129 mg/kg和266 mg/kg亦明显偏高。由此看来，外推数据可以谨慎采用，但应予以注明。

3.4 我国水稻适宜施磷量和施钾量

张福锁等[16]针对江苏、湖北、湖南、安徽、广东和东北地区目标产量4.5～10.5 t/hm2水稻的推荐施磷量为0～188 kg/hm2。本研究涉及文献[18-46]的研究表明，全国各地目标产量4.5～10.5 t/hm2水稻的推荐施磷量亦为0～188 kg/hm2。本研究相应目标产量之第1～5级水稻适宜施磷量与上述推荐指标十分接近。

张福锁等[16]针对江苏、湖北、湖南、安徽、广东和东北地区目标产量4.5～10.5 t/hm2水稻的推荐施钾量为0～205 kg/hm2，本研究相应目标产量之第1～5级水稻适宜施钾量与之相当。本研究涉及文献[18-26，28，30，32-52]的研究表明，全国各地目标产量4.5～10.5 t/hm2水稻的推荐施钾量为0～263 kg/hm2，本研究相应目标产量之第1～6级水稻适宜施钾量与其十分接近。