我国籽实和饲草谷子土壤氮素丰缺指标和推荐施氮量

2022-08-31朱凯迪孙洪仁张吉萍冮丽华吕玉才王国军魏登峰

草地学报 2022年8期

朱凯迪，孙洪仁, 张吉萍, 冮丽华, 吕玉才, 王国军, 魏登峰

(1. 北京理工大学外国语学院, 北京 102401； 2. 中国农业大学草业科学与技术学院, 北京 100193； 3. 北京六凯农业科技有限公司, 北京 100095； 4. 北京薯网农业科学研究院, 北京 100043； 5. 深圳六园企业发展有限公司, 广东深圳 518038；6. 敖汉旗惠隆杂粮种植农民专业合作社, 内蒙古敖汉 024300)

谷子[Setariaitalic(L.) Beauv.]是起源于我国的古老农作物，具有耗水少、抗旱耐瘠、营养丰富均衡、粮饲兼用、农耕文明底蕴深厚等特征，是旱作生态农业的主栽作物。目前我国谷子种植面积近80万hm2，产量近240万t[1]。肥料是作物的“粮食”。高产优质的籽实和饲草谷子生产离不开合理施肥。施肥不足会导致产量和质量下降。施肥过量不仅会降低质量，而且还会引发倒伏和病害等，造成减产。科学施肥不仅可以提高谷子产量、质量和效益，而且能够有效保护耕地、水系和大气生态环境。因此，科学确定谷子施肥量对谷子生产具有重要意义。

R. H. Bray创建的土壤养分丰缺指标法在全世界的大多数国家得到了广泛应用，是测土推荐施肥的经典和标准方法[2]。20世纪80年代，我国从三大作物开始进行作物土壤养分丰缺指标推荐施肥系统研究[3-4]，至今已经建立了诸如水稻、小麦、玉米等一些作物的若干区域土壤养分丰缺指标推荐施肥系统[5-7]。但针对谷子的相关研究十分薄弱，仅王纪泽等[8]对赤峰谷子土壤有效磷丰缺指标进行了初步研究。

建立作物土壤养分丰缺指标推荐施肥系统的研究工程颇为庞大，需要大量的资金支持和专家投入，而谷子等诸多小作物的科研投入强度较小，难以支撑大规模土壤养分丰缺指标推荐施肥系统研究。近来，中国农业大学孙洪仁团队创建了由“零散实验数据整合法”、“土壤养分丰缺分级改良方案”及“养分平衡―地力差减法新应用公式”所构成的作物土壤养分丰缺指标推荐施肥系统研究新方法，有效地克服了上述科研投入强度不足问题，并成功建立了中国北方紫花苜蓿、中国南方甘蔗土壤、中国北方甜菜和中国农牧交错带燕麦养分丰缺指标推荐施肥系统[9-15]。

本研究拟采用作物土壤养分丰缺指标推荐施肥系统研究的新方法，开展我国谷子土壤氮素丰缺指标和推荐施氮量研究，旨在为我国谷子测土施肥提供科学依据。

1 材料与方法

搜集我国开展的籽实谷子、干草谷子和青贮谷子施氮实验文献。选择含有土壤氮素含量(碱解氮、全氮或有机质)、施氮处理产量及缺氮处理产量(未施氮肥，其它养分施用量与施氮处理相同)的文献，并提取这些研究数据。再借助式(1)计算籽实或饲草谷子缺氮处理相对产量。

R-N=Y-N÷YN

(1)

式中：R-N为缺氮处理相对产量，Y-N为缺氮处理产量，YN为施氮处理产量。

利用Excel软件，选择适当模型分别建立谷子缺氮处理相对产量与土壤碱解氮、全氮和有机质含量回归方程。利用所得回归方程和土壤养分丰缺分级改良方案[16]分别对土壤碱解氮、全氮和有机质进行丰缺级别的划分。若出现外推数据，高低两端各自至多保留1个。

采用“养分平衡—地力差减法新应用公式”[17-18]计算推荐施氮量。

FN=AN×(1-R-N)÷EN

(2)

式中：FN为推荐施氮量，AN为目标产量养分移出量，R-N为缺氮处理相对产量，EN为养分当季利用率。

以文献为主要依据，确定籽实谷子、干草谷子和青贮谷子的单位经济产量氮素移出量(N)依次为40,20 和7 kg·t-1[19-20]。

依据各地气候条件、土壤状况、谷子品种和栽培措施，结合相关文献[21-62]将我国谷子产区3种形态经济产品的单位面积目标产量分别设置7个档次，籽实谷子为3.00，3.75，4.50，5.25，6.00，6.75和7.50 t·hm-2，干草谷子为6.0，7.5，9.0，10.5，12.0，13.5和15.0 t·hm-2，青贮谷子为15，20，25，30，35，40和45 t·hm-2；进而依次确定3种形态经济产品的单位面积目标产量氮素移出量(N)，籽实谷子为120，150，180，210，240，270和300 kg·hm-2，干草谷子为120，150，180，210，240，270和300 kg·hm-2，青贮谷子为105，140，175，210，245，280和315 kg·hm-2。

选取各个丰缺级别的缺素处理相对产量下限，用于该级别推荐施肥量计算。设置3个氮肥当季利用率，分别为30%，40%和50%。

2 结果与分析

2.1 我国谷子施氮实验文献及与土壤氮素丰缺指标研究相关信息

搜集到在我国开展的含有土壤碱解氮(或全氮和有机质)含量和缺氮处理的谷子施氮实验文献总计42篇。其中1980—1989年2篇[21-22]，1990—1999年9篇[23-31]，2000—2009年4篇[32-35]、2010—2020年27篇[36-62]；盆栽实验2篇[33,46]，余者为田间实验。上述研究涉及县域28个，品种至少45个，土壤类型至少19个。从上述文献中分别提取出土壤碱解氮、全氮和有机质含量与缺氮处理和施氮处理产量数据139，120和146组，进而分别得到土壤碱解氮、全氮和有机质含量与缺氮处理相对产量配套数据139，120和146对。我国谷子施氮实验文献中与土壤氮素丰缺指标研究的相关信息列于表1。

表1 我国谷子施氮实验文献中与丰缺指标研究相关信息Table 1 The relevant information about rich-lack index from N fertilization experimental literature for millets in China

续表1

2.2 我国谷子土壤氮素含量与缺氮处理相对产量回归方程

剔除少量明显偏离群体数据对后，建立我国谷子土壤碱解氮、全氮和有机质含量与缺氮处理相对产量回归方程如图1和式(3)～(5)所示。回归方程皆达到了极显著水平(P<0.01)。

图1 我国谷子缺氮处理相对产量与土壤养分含量相关性Fig.1 The regression relation between relative yield without N fertilizer treatment and the concentration of Soil nutrient for millets in China

y=15.161ln(x)+16.522
(r=0.5413,n=121,P<0.01)

(3)

y=15.059ln(x)+82.25
(r=0.4833,n=105,P<0.01)

(4)

y=11.331ln(x)+50.151
(r=0.5285,n=125,P<0.01)

(5)

2.3 我国谷子土壤氮素丰缺指标

借助式(3)～(5)计算出缺氮处理相对产量100%，95%，90%，80%,……,10%对应的土壤碱解氮含量依次为246.2，177.0，127.3，65.8，34.0，17.6，9.1，4.7，2.4，1.3和0.7 mg·kg-1，土壤全氮含量依次为3.25，2.33，1.67，0.86，0.44，0.23，0.12，0.06，0.03，0.02和0.01 g·kg-1，土壤有机质含量依次为81.4，52.4，33.7，13.9，5.8，2.4，1.0，0.4，0.2，0.07和0.03 g·kg-1。依据高端和低端分别至多保留1个外推数据原则，舍弃超出限额的外推数据，得到我国谷子土壤碱解氮、全氮和有机质丰缺指标如表2所示。

表2 我国谷子土壤碱解氮、全氮和有机质丰缺指标Table 2 The abundance-deficiency index of alkaline hydrolysis nitrogen,total nitrogen and organic matter for millets in China

2.4 我国谷子推荐施氮量

我国籽实谷子、干草谷子、青贮谷子推荐施氮量分别列于表3至表5。谷子推荐施肥量与土壤氮素丰缺级别的关系为线性负相关，丰缺级别越高，适宜施氮量越低，直至为零。谷子推荐施氮量与目标产量呈正相关关系，目标产量越高，推荐施氮量越高。谷子推荐施氮量与氮肥当季利用率呈线性负相关关系，氮肥当季利用率越低，推荐施氮量越高。当目标产量档次、土壤养分丰缺级别和氮肥当季利用率一致时，籽实谷子、干草谷子和青贮谷子的推荐施氮量颇为接近。

表3 我国籽实谷子在不同目标产量以及不同氮肥当季利用率情形下不同丰缺级别土壤的推荐施氮量Table 3 Recommended N fertilizer application rate of different abundance-deficiency level soils under different target yields and different fertilizer use efficiency in current season for grain millets in China 单位：kg·hm-2

表4 我国干草谷子在不同目标产量以及不同氮素当季利用率情形下不同丰缺级别土壤的推荐施氮量Table 4 Recommended N fertilizer application rate of different abundance-deficiency level soils under different target yields and different fertilizer use efficiency in current season for millet hay in China 单位：kg·hm-2

表5 我国青贮谷子在不同目标产量以及不同氮素当季利用率情形下不同丰缺级别土壤的推荐施氮量Table 5 Recommended N fertilizer application rate of different abundance-deficiency level soils under different target yields and different fertilizer use efficiency in current season for millets silage in China 单位：kg·hm-2

当氮肥当季利用率40%时，目标产量3～7.5 t·hm-2籽实谷子第1～9级土壤推荐施氮量分别为0，30～75，60～150，90～225，120～300，150～375，180～450，210～525和240～600 kg·hm-2；目标产量6～15 t·hm-2干草谷子第1～9级土壤推荐施氮量依次为0，30～75，60～150，90～225，120～300，150～375，180～450，210～525和240～600 kg·hm-2；目标产量15～45 t·hm-2青贮谷子第1～9级土壤推荐施氮量分别为0，26～79，53～158，79～236，105～315，131～394，158～473，184～551和210～630 kg·hm-2。

3 讨论

3.1 我国谷子缺氮处理相对产量与土壤氮素含量回归方程的建立

影响作物施肥反应的因素较多，如气候、水分、土壤类型、耕作制度、环境胁迫等。为了解决这个问题，在土壤养分丰缺指标研究中，Bray[2]创造性地提出了缺素处理相对产量这一指标，用以替代反应作物施肥效果的绝对产量增加值。然而，缺素处理相对产量这一指标并非不受上述因素影响，只不过是与绝对产量增加值相比，所受影响相对较小而已。如果实验研究数据量足够大，则宜依据自然区域、土壤类型、耕作制度等进行分别研究。例如，澳大利亚[63-64]就是这样做的，效果也很好。

土壤养分丰缺指标法创始人R. H. Bray[2]和我国的权威专家[3-4,65-66]，都认为作物缺素处理相对产量与土壤养分含量回归方程的样本数量宜在20个以上。澳大利亚规定作物缺素处理相对产量与土壤养分含量回归方程的最小样本数量不少于9个[67]。本研究样本数量103～125个，符合基本要求。

关于实验研究数据处理和取舍，澳大利亚[63-64,67]做出了颇为详尽的规定。本研究的做法是，在利用Excel表制作缺氮处理相对产量与土壤氮素含量回归关系图的过程中，剔除少量明显偏离群体数据。这样做的优点是有利于最大限度的保证样本数量。

澳大利亚[67]规定，作物缺素处理相对产量与土壤养分含量回归方程的相关系数不得低于0.2，实践上大多介于0.25～0.7之间。本研究所得回归方程的相关系数为0.5左右，与其相符。

3.2 我国谷子土壤氮素丰缺指标

谷子土壤氮素丰缺指标研究未见报道。张福锁等[20]将我国谷子土壤有机质最高级别下限(缺素处理相对产量95%)指标确定为20 g·kg-1，本研究之外推结果(52.4 g·kg-1)明显高于该设定下限。我国玉米[5]、小麦[6]和水稻[7]缺氮处理相对产量100%对应的土壤有机质指标研究结果集中于30～60 g·kg-1，本研究之外推结果(81 g·kg-1)明显高于上述研究结果。

我国玉米[5]、小麦[6]、水稻[7]、燕麦[13]和甘蔗[15]缺氮处理相对产量100%对应的土壤全氮指标范围为2.0～5.0 g·kg-1，本研究结果(3.1 g·kg-1)在此范围内。我国玉米[5]、小麦[6]、水稻[7]、燕麦[13]和甜菜[14]缺氮处理相对产量100%对应的土壤碱解氮指标范围为150～600 mg·kg-1，本研究结果(250 mg·kg-1)亦在此范围之内。