利用QUEFTS 模型估算辽宁省水稻氮、磷和钾养分需求量

张 宇，刘小虎*，姜文婷，韩晓日，王 颖，包启平，柳 迪

（1．沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁 沈阳 110866；2．辽宁省土壤肥料总站，辽宁 沈阳 110034）

我国作为水稻种植大国，提高水稻产量对于保障我国乃至全球粮食安全至关重要，科学施肥是保障水稻高产稳产的重要途径［1］。然而，现行农户水稻管理中过度或不平衡施肥问题十分严重［2-3］。准确估计水稻养分需求对于指导其推荐施肥，优化养分管理具有重要意义［4］。为此我国开展了大量相关研究，并创建出一系列准确获取作物养分特征参数的方法。如构建基于作物反应的养分动态模型、作物生长模型、叶绿素仪测定法等［5-9］。但这些方法大多是基于单独或少数试验点，而我国地域辽阔、环境气候类型多样、小农户经营管理模式下土壤养分变异较大，所以不能作为指导我国不同区域水稻推荐施肥的有效参数［10］。另一方面，多数传统方法只考虑了单一营养元素，忽略了营养元素之间的相互作用，具有一定的局限性［11］。因此，构建基于科学推荐施肥、养分精确管理的作物区域养分需求参数，成为现阶段我国水稻种植过程中急需解决的重要问题。

QUEFTS 模型（Quantitative Evaluation of the Fertility of Tropical Soils）最初由 Janssen 等［12］提出，用于估计热带地区不施肥土壤的玉米产量，进行地力评价，后经修正后用于估测一定目标产量下的养分需求［13］。QUEFTS模型以大量田间试验数据为基础，能有效避免因少数试验点对估测结果产生偏差。并充分考虑氮、磷和钾三大营养元素间的交互作用，通过量化不同目标产量下的养分需求，为推荐施肥提供支持［14］。目前，QUEFTS模型已经成功应用于国外的小麦［15-16］、玉米［13，17］和水稻［18-20］等多种不同作物。在我国，也成为估测玉米［21］和小麦［22-23］养分需求的有效方法，并进一步的应用于推荐施肥与养分管理［24-25］，但在水稻上的应用还鲜有报道。与以往研究不同，本试验强调在区域尺度上（辽宁省）应用QUEFTS模型，通过拟合不同目标产量下水稻氮、磷和钾养分需求曲线，分析辽宁省2006～2011年间水稻产量、养分吸收量等产效特征，估计不同目标产量下水稻的养分需求，旨在为辽宁省水稻种植合理施肥提供养分需求参数，为其安全高效生产提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

数据来源于2006～2011年间辽宁省测土配方施肥“3414”试验中60个水稻试验点的300次田间试验。试验分布在辽宁省水稻主产区（38°43′N～43°26′N，118°53′E～125°46′E），采用多年多点分散试验。该地区气候类型为温带大陆性季风气候，年均气温为7.0～8.5℃，年平均无霜期在130 ～ 200 d，年均降水量在 433.5 ～ 1 077.8 mm之间。该地区的土壤类型为简育湿润淋溶土，其化学性质如下：pH值平均为5.56～7.91，有机碳含量平均为4.8～11.3 g/kg。碱解氮、有效磷、速效钾的含量平均为65.54～120.68、12.6～48.58、86.58 ～ 142.83 mg/kg。

1.2 试验设计

本研究数据来源于2006～2011年辽宁省水稻测土配方施肥“3414”试验数据，肥力涵盖高、中、低3个等级。“3414”推荐施肥试验设计方案如表1所示（水稻试验的“2”水平肥料设计量：氮肥用量为210～270 kg/hm2；磷肥用量为60 ～ 90 kg/hm2；钾肥用量为 90 ～ 120 kg/hm2）。本文使用“3414”推荐施肥试验中1、2、4、6、8处理的籽粒产量、茎秆产量、养分吸收量等试验数据。

表1 辽宁省水稻“3414”试验方案

具体试验处理如下：（1）不施用肥料（CK）；（2）最优施肥量（OPT）：氮、磷和钾用量分别为210 ～ 270、60 ～ 90、90 ～ 120 kg/hm2；（3） 不 施用氮肥（N0）：试验区中仅施磷肥（60～90 kg/hm2）和钾肥（90 ～ 120 kg/hm2）；（4）不施用磷肥（P0）：试验区中仅施氮肥（210～270 kg/hm2）和钾肥（90～120 kg/hm2）；（5）不施用钾肥（K0）：试验区中仅施氮肥（210～270 kg/hm2）和磷肥（60～90 kg/hm2）。

肥料的施用方法是将1/3氮肥作为底肥施用，2/3的氮肥作为追肥，磷肥和钾肥作为基肥一次性施入。氮、磷和钾肥分别使用尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O516%）和硫酸钾（K2O 50%）。试验点小区面积为30～40 m2之间，水稻品种根据当地的条件自主选择。9月下旬进行作物收获和计产，同时采集作物植株样本，测定氮、磷、钾等养分含量。

1.3 建模方法

建模步骤如下：

（1）在QUEFTS模型使用前，首先应对数据进行分析处理，包括作物籽粒产量、收获指数（Harvest index，HI，kg/kg）、地上部氮、磷和钾吸收量以及养分内在效率（Internal efficiency，IE，kg/kg）等。

（2）筛选数据并剔除异常值。应用QUEFTS模型时，数据库不应受到养分供应以外的生物或非生物胁迫。收获指数（HI）是筛选数据的重要指标，当HI小于0.4时，通常认为受到养分供应以外其他因素的影响。因此，剔除HI ＜ 0.4的所有数据。

（3）定义籽粒产量与氮、磷、钾吸收关系的边界线。两条边界线的斜率分别表示特定养分的最大积累量（Maximum nutrient accumulation，a）和最大稀释量（Maximum nutrient dilution，d）。在本试验中，边界a值与d值分别选择内在效率（IE）上下2.5%、5%、7.5%进行分析讨论。

（4）应用Excel求解出不同目标产量下作物最佳养分吸收量，并应用QUEFTS模型进行曲线拟合。

计算公式：使用以下公式计算收获指数（HI），养分内在效率（IE）和吨粮养分吸收（RIE）：

其中：Y—籽粒产量；DM—地上部总产量； UN/P/K—地上部氮、磷、钾养分吸收量。

2 结果与分析

2.1 水稻产量与养分吸收特征

如表2所示，在辽宁省水稻的60个试验点中，籽粒产量平均为 7 242 kg/hm2，较 2010 年我国水稻单产（6 441 kg/hm2）高出约12%，但与世界主要产稻国相比，仍有较大差距［26-27］。籽粒产量变异程度较大，范围在 3 158 ～ 11 339 kg/hm2之间，并呈现出正态分布特征（图1），在6 500～7 000 kg/hm2（21.0%）和 7 000 ～ 8 000 kg/hm2（21.3%）范围内集中分布，在较高或较低的产量范围内呈低频分布。水稻籽粒中平均氮、磷和钾养分含量为11.34、2.57和3.18 g/kg，变化范围分别在6.64～ 18.36、1.61～4.64和1.11～ 6.74 g/kg之间。作物地上部氮、磷和钾的吸收量平均为127.2、28.0 和160.0 kg/hm2，变化范围在52.0～256.6、11.7～54.9和60.9～356.0 kg/hm2之间，较大的变异范围可能是环境条件、土壤肥力及人为管理等差异所导致。氮、磷和钾的收获指数平均为0.65、0.67和0.15。也就是说，约有65%的氮、67%的磷和15%的钾分布在作物地上部的籽粒中，其余皆分布在秸秆中。值得注意的是，秸秆中的钾含量相对较高，比籽粒中高出84.4%。

表2 2006～2011年辽宁省水稻养分吸收特征

图1 辽宁省水稻产量分布情况（n=300）

2.2 数据筛选

由于涵盖了较为广泛的种植区域和环境气候条件，数据存在较大的变异范围，因此，需进行数据筛选剔除。收获指数（HI，kg/kg）作为QUEFTS模型筛选数据库的重要指标，当HI小于0.4时，通常认为作物受到养分以外其他生物或非生物胁迫［24-25］。因此，需剔除 HI ＜ 0.4 的所有数据。如表2所示，辽宁省水稻平均HI为0.53，范围从0.34～0.74，其中大多数HI分布在0.4至0.6之间（图2）。剔除数据约占所有数据的8%，剩余278组的水稻数据中籽粒产量平均为7 262 kg/hm2，变 异 范围 在 5 962 ～ 11 339 kg/hm2之间。

图2 辽宁省水稻收获指数分布情况

2.3 内在效率参数分析

养分内在效率（IE，kg/kg）和吨粮养分吸收（RIE，kg/t）均为表征产量与养分吸收关系的重要参数。IE定义为单位养分吸收下可生产的籽粒产量。表3统计了水稻氮、磷和钾的IE和RIE值。其中氮、磷和钾的平均IE分别为59.5、270.9 和49.4 kg/kg，变化范围分别在32.7～95.6、151.5～477.6和20.5～137.8 kg/kg之间。氮、磷和钾的平均RIE 分别为 17.6、3.9 和 22.3 kg/t，即每生产 1 000 kg水稻籽粒产量时，氮、磷和钾养分需求平均为17.6、3.9和22.3 kg。变化范围分别在10.5～ 30.6、2.1～6.6和7.3～48.7 kg/kg之间。本研究中吨粮钾素吸收量（RIEK）明显要高于其他已有报道［18-19］。说明辽宁省水稻在当前养分管理措施下，钾肥的施用没有被有效利用，钾素存在着较为明显的奢侈吸收现象。

表3 辽宁省水稻内在效率（IE）和内在效率倒数（RIE）

2.4 QUEFTS模型参数选择

在使用QUEFTS模型前，应先确定氮、磷和钾的最大养分积累边界（a）和最大稀释边界（d）。本文中，以养分内在效率上下2.5%、5%、7.5%作为最大养分积累边界（a）和最大稀释边界（d）来进行最终边界的选择（表4）。当水稻的潜在产量设定为 14 000 kg/hm2时，应用 QUEFTS 模型模拟3组参数下不同目标产量的养分吸收曲线。从图3可看出，不同的3组参数下养分吸收曲线基本相同，只有在接近潜在产量时才发生略微变异。同时，3组参数的最大养分积累边界和最大养分稀释边界之间包括的范围也不相同，其中参数为内在效率上下2.5%的范围更大。因此，选择IE上下2.5%（参数I）所对应的a值和d值作为估测最佳养分需求的最终参数，此时N、P和K的a和d值分别为：38.2和 84.1 kg/kg、173.2 和 404.0 kg/kg、28.8和 86.8 kg/kg。

表4 水稻氮、磷和钾的最大积累（a）和最大稀释（d）系数

2.5 最佳养分需求量估算

QUEFTS模型以大量田间试验数据为基础，避免因少数试验点对估测结果产生的偏差。并充分考虑氮、磷和钾三大营养元素间的交互作用，具有普遍意义。应用QUEFTS模型拟合辽宁省水稻在不同潜在产量和目标产量（8 000 ～ 14 000 kg/hm2）下养分需求曲线。如图4所示，结果显示为线性-抛物线-平台曲线关系，所需养分在目标产量达到潜在产量60%～70%前均呈线性增长，此时生产单位籽粒产量地上部养分需求是一致的。对辽宁省水稻而言，生产1 000 kg籽粒产量，地上部氮、磷和钾的养分需求分别为16.3、3.5和18.4 kg ，N∶P∶K为4.66∶1∶5.26。相应地，氮、磷和钾的内在效率分别为61.2、286.2、54.4 kg/kg。当作物目标产量超过产量潜力的60%～70%时，作物养分吸收曲线显示为抛物线-平台曲线，此时单位籽粒产量的增加需要更多的氮、磷和钾养分量。与Xu等［4］在中国水稻的调查研究相比，本研究中辽宁省水稻氮素的内在效率略高，而钾素的内在效率却明显低于我国水稻的平均水平，说明辽宁省钾素存在奢侈性吸收，过度施钾或者不平衡施钾可能是造成这一现象的主要原因，因此优化钾肥用量、改善钾素管理成为在辽宁省水稻种植中急需解决的重要问题。

图3 不同参数a和d值下水稻籽粒与养分吸收关系

图4 QUEFTS模型模拟不同目标产量下辽宁省水稻的氮、磷和钾养分吸收

3 结论

辽宁省水稻籽粒产量平均为7 242 kg/hm2，较2010 年我国水稻单产（6 441 kg/hm2）高出约 12%，高产稳产仍然是未来相当长一段时间内本地区水稻种植的首要目标。水稻氮、磷和钾养分吸收存在较大变异，这可能是由于环境条件、土壤肥力及人为管理等差异所导致。因此，就辽宁省水稻种植而言，单独或少数的试验点不能作为大面积甚至区域上推荐施肥的依据。

应用QUEFTS模型拟合了辽宁省水稻在不同潜在产量和目标产量（8 000 ～ 14 000 kg/hm2）下氮、磷和钾养分需求曲线。拟合结果显示为线性-抛物线-平台曲线，当目标产量达到潜在产量60%～70%范围以内时，所需养分均呈现出线性增长，此时生产1 000 kg籽粒产量地上部氮、磷和钾养分需求量，分别为16.3、3.5和18.4 kg，N∶P∶K为4.66∶1∶5.26。相应的氮、磷和钾内在效率（IE）分别为61.2、286.2、54.4 kg/kg。本次研究为辽宁省水稻种植合理施肥提供养分需求参数。同时，为估算不同地区其他作物的养分需求提供一种新的研究方法。