福建甘薯氮磷钾推荐施肥与有机肥替代化肥技术模式

2022-12-05张立成张世昌潘住财张民生林明贤章明清

福建农业学报 2022年8期

李娟，张立成，张华，张世昌，潘住财，张民生，林明贤，章明清

（1.福建省农业科学院土壤肥料研究所，福建福州 350013；2.福建省农田建设与土壤肥料技术推广站，福建福州 350003；3.福建省南安市农业局，福建南安 362300；4.福建省云霄县土肥站，福建云霄 363300；5.福建省漳浦县土壤肥料技术推广站，福建漳浦 363200）

0 引言

【研究意义】甘薯是我国重要的粮食、工业原料和饲料作物，是福建省种植面积位居第二的大田农作物，常年种植面积17万hm2[1]。福建甘薯种植大部分集中在山区和沿海丘陵坡耕地，土壤贫瘠，有机质含量偏低。因此，探讨甘薯的化肥和化肥配施有机肥的施肥技术，对进一步提高甘薯产量和施肥效益等具有重要生产意义。【前人研究进展】近年来，我国甘薯养分管理技术研究取得长足进展，在施肥现状调研[2-3]、养分吸收和营养特性[4-6]、化肥推荐施肥或化肥配施有机肥对产量和品质影响[7-12]等方面进行了许多深入研究，为甘薯合理施肥提供了重要依据。然而，相关研究的试验规模普遍偏小，甘薯不同生产条件的施肥指标体系和能直接用于指导区域施肥的科技成果尚少。自2005年以来，在全国测土配方施肥项目推动下，福建省对不同目标产量的甘薯推荐施肥量、施肥时期和施肥方法等方面进行了较为深入的研究，构建了甘薯氮磷钾施肥指标体系[13-16]，为甘薯测土配方施肥技术推广应用提供了技术支撑。【本研究切入点】以往相关研究的推荐施肥计量模型依据是三元二次多项式函数，但这种模型存在推荐用量偏高的问题[17]；已有的研究是针对化肥推荐施肥技术，有机肥替代化肥潜力的研究尚少涉及。【拟解决的关键问题】根据本课题组近年提出的三元非结构肥效模型[18]，总结近10年来完成的甘薯氮磷钾田间肥效试验结果，构建不同目标产量下的甘薯氮磷钾推荐施肥量。在此基础上，探讨有机肥替代化肥的最佳技术模式，旨在为福建甘薯化肥减施增效技术推广应用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 甘薯氮磷钾“3414”设计田间肥效试验

近10年来，本课题组在福建甘薯主产区完成了110个氮磷钾田间肥效试验。试验采用“3414”设计方案，氮磷钾各4个水平，共14个处理，即：（1）N0P0K0；（2）N0P2K2；（3）N1P2K2；（4）N2P0K2；（5）N2P1K2；（6）N2P2K2；（7）N2P3K2；（8）N2P2K0；（9）N2P2K1；（10）N2P2K3；（11）N3P2K2；（12）N1P1K2；（13）N1P2K1；（14）N2P1K1。其中，“2”水平表示试验前的推荐施肥量，分别为N 180 kg·hm-2、P2O560 kg·hm-2和 K2O 225 kg·hm-2，“0”水平为不施肥，“1”水平施肥量为“2”水平的 50%，“3”水平施肥量为“2”水平的150%。按照测土配方施肥田间试验规范，试验采用随机区组排列和多点分散不设重复的方法。选择当地具有代表性的土壤类型和肥力水平的地块作为试验田，小区面积20～25 m2，同一个试验小区面积相同。试验分散设置在福建各地市的甘薯主产区。

试验肥料分别选用尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O512%）和氯化钾（K2O 60%）。甘薯施肥分为基肥、苗期追肥和薯块膨大期追肥3次施用。其中，基肥时氮肥、钾肥施用量占总施用量的50%，磷肥则占总用量的100%。苗期追肥在薯苗插植后约20 d施用，氮肥用量占总施肥量的35%；钾肥用量占总施肥量的20%。薯块膨大初期追施剩余的15%氮肥和30%钾肥。基肥采用全层深施，结合整地时进行；追肥采用开浅沟施用，结合中耕培土。供试甘薯品种选用当地大面积种植的良种，试验时间均在当地甘薯正常生产季节进行。试验区周围设1 m宽以上的保护行，其他的栽培管理措施与当地大田生产一致。

试验实施前，在试验地以“S”型布点，采集一个耕层混合基础土样1 kg。用常规方法[19]测定供试土壤主要理化性状（表1）。供试土壤包括旱地土壤的灰赤沙土、赤沙土和稻田土壤的灰沙田、黄泥田等主要耕作土壤类型（土属）。甘薯收获时，各小区单收单称，分别记录薯块鲜重产量。

表1 供试土壤主要理化性状Table 1 Major physiochemical properties of soils at test fields

1.2 甘薯有机肥替代化肥田间试验

为完成化肥减施增效技术项目研究，近年来在甘薯主产区选择代表性田块设置了14个有机肥替代化肥田间试验。试验设5个处理（表2），其中，习惯施肥以测土配方施肥项目在全省甘薯生产施肥现状调查结果的平均施肥量为依据，推荐施肥则以上述甘薯“3414”设计氮磷钾田间肥效试验的平均推荐施肥量为依据；处理3、处理4和处理5是在等量氮磷钾基础上设置的处理，全省统一实施方案。供试土壤的主要理化性状见表1。

表2 甘薯有机肥替代化肥田间试验设计Table 2 Field experiment design on sweet potato grown under NPK fertilization with organic manure

试验设3次重复，每个小区20 m2，随机区组排列。有机肥作基肥一次性施用，其他相关田间试验实施方法、供试土壤、土样采集和测定、田间施肥管理措施和产量验收等，与上述“3414”设计的田间试验实施方法相同。

1.3 甘薯化肥减施增效主推技术的田间示范

在甘薯氮磷钾推荐施肥和有机肥替代化肥田间试验基础上，为加快化肥减施增效技术的推广应用，近年来在甘薯主产区设置了76个化肥推荐施肥技术模式示范田和16个有机肥替代化肥技术模式示范田。其中，化肥推荐施肥技术模式的示范田设置了CK、习惯施肥和化肥推荐施肥对比，有机肥替代化肥技术模式示范田则设CK、习惯施肥和有机肥替代25%化肥对比。示范田的化肥推荐施肥量以甘薯不同施肥类别的经济施肥量为依据，有机肥替代25%化肥的施肥量以上述有机肥替代化肥试验结果为依据，肥料种类与表2的相关处理相同。

示范田分散设置在各地市甘薯主产区。每个处理300 m2，不设重复。供试土壤的主要理化性状见表1。田间示范供试土壤选择、土样采集和测定、田间施肥管理措施和产量验收与上述“3414”设计的田间试验实施方法相同，不再赘述。

1.4 试验数据处理

在甘薯“3414”设计的氮磷钾田间肥效试验结果汇总时，为确保各施肥类别间的施肥效应具有显著差异，采用欧氏距离-离差平方和法系统聚类分析结合类别间施肥效应差异显著性检验技术[20-21]，确定甘薯最佳施肥类别数量；然后针对各施肥类别对应的试验点，分别构建三元肥效模型，并计算推荐施肥量。

由于三元非结构肥效模型较好地克服了三元二次多项式肥效模型的设定偏误和多重共线性的缺陷，推荐施肥量普遍低于多项式模型[17]，故本研究采用该模型拟合相关试验结果：

其中，N0、P0、K0分别表示供试土壤的氮、磷、钾供肥当量，并以N、P2O5、K2O养分形态计量，计量单位为 kg·hm-2；c1、c2、c3分别表示施用氮、磷、钾养分的增产效应系数；N、P、K表示N、P2O5、K2O养分用量；A表示施肥量等于零时土壤肥力与作物产量之间的转换系数，综合反映了试验地的土壤生产力。该模型在一定施肥量范围内存在一个产量峰值，由此分别计算最高产量施肥量和经济产量施肥量[18]。

本研究的系统聚类分析、施肥类别间差异显著性检验和相关产量统计采用MATLAB R2019b全功能免费试用版软件的统计工具箱完成，三元非结构肥效模型典型性判别则使用MATLAB 语言编程计算。双侧检验，检验水准α=0.05。

2 结果与分析

2.1 甘薯的氮磷钾施肥类别和施肥效应

对110个氮磷钾田间肥效试验结果进行统计分析，结果表明，若将甘薯施肥类别划分为5个或5个以上，则最少有一对施肥类别间施肥效应差异不显著，导致分类结果无效；若施肥类别划分为3个或2个，虽然各施肥类别间的施肥效应可达到显著差异，但对区域甘薯生产而言，尚嫌施肥类别数过少而使推荐施肥针对性较差。若将施肥类别数划分为4个，这时类别1与类别2、类别3、类别4之间的F值分别为13.1**、66.9**、97.6**，类别2与类别3、类别4之间的F值分别为135.8**、232.5**，类别3与类别4之间的F值则为31.0**，显示各施肥类别间的施肥效应均有显著差异，分类结果有效。因此，福建甘薯主产区的最佳施肥类别数量为4个。

根据空白区和处理（6）的产量水平，4个施肥类别从高产到低产分别命名为高产田、中产田、中低产田和低产田等4种类型。表3的统计结果表明，处理（6）平衡施肥的薯块加权平均产量为29 779 kg·hm-2，土壤对产量的贡献率为56.4%；氮磷钾化肥的加权平均增产率分别为23.1%、17.7%和25.0%，显示氮钾肥的增产效果相当，都明显高于磷肥，与供试土壤速效氮磷钾丰缺状况（表1）一致。其中，髙、中、中低以及低产田的氮肥平均增产率分别为38.2%、33.8%、34.2%和27.6%；磷肥的平均增产率分别为10.4%、17.2%、17.1%和19.4%，钾肥则分别为13.2%、23.7%、21.9%和28.5%。结果表明，高产田的氮肥效应明显高于其他类型田块，但中、低产田类型的磷钾肥增产效应明显高于高产田。

表3 甘薯氮磷钾施肥类别及各类别的施肥效应Table 3 Sweet potato field classes for NPK fertilization study and resulting tuber yields

2.2 不同施肥类别的甘薯氮磷钾推荐施肥量

根据各施肥类别对应的甘薯氮磷钾田间肥效试验结果，分别建立三元非结构肥效模型（表4）。结果表明，4个三元非结构肥效模型均达到统计显著水平以上，R2达到0.927 2以上，模型均为典型式，可用于甘薯推荐施肥。

表4 甘薯不同施肥类别的氮磷钾三元非结构肥效模型Table 4 Ternary non-structural fertilization response models for sweet potato cultivated on fields of different classes

因此，根据三元非结构肥效模型推荐施肥的计算式[18]，计算甘薯最高产量施肥量（表5），以每kgN 6.0元、P2O55元、K2O 5元和薯块1.5元的市场均价计算经济施肥量。平均而言，最高产量施肥量加权平均为 N 175 kg·hm-2、P2O566 kg·hm-2、K2O 239 kg·hm-2，预期薯块产量为28 595 kg·hm-2；经济施肥量加权平均则为 N 160 kg·hm-2、P2O562 kg·hm-2、K2O 212 kg·hm-2，预期产量为28 513 kg·hm-2，氮磷钾适宜比例为1∶0.4∶1.3。

表5 基于农学效应的甘薯氮磷钾推荐施肥量Table 5 Limit standards of NPK fertilization based on agronomic effects for sweet potato cultivation

因此，在实际应用中，可根据表5的施肥目标产量结合空白区产量水平，确定具体田块所属的施肥类别及其最佳氮磷钾养分投入量。

2.3 有机肥替代化肥对薯块产量和经济效益的影响

为降低甘薯施肥的化肥投入数量，近年来在甘薯主产区不同施肥类别田块上设置了14个有机肥替代化肥的田间试验（表6）。结果表明，与空白区相比，不同施肥处理的薯块产量都有显著增产作用，但增产效果有明显差异。其中，在推荐施肥基础上采用有机肥替代25%化肥养分处理的薯块产量最高，均显著高于习惯施肥，髙、中、中低以及低产田分别增产7.7%、9.4%、16.3%和24.8%，加权平均增产18.2%。除了中低产田施肥类别的有机肥替代25%化肥养分处理与推荐施肥产量没有差异外，其他3个施肥类别的薯块产量均显著高于化肥推荐施肥；从高产到低产的不同施肥类别分别增产3.9%、5.8%、9.4%和19.6%，加权平均增产13.0%。但是，有机肥替代50%化肥养分的处理，除了低产田施肥类别外，其他3个施肥类别的薯块产量均低于化肥推荐施肥。

以上述相同的肥料和薯块价格以及商品有机肥800元·t-1的市场均价，计算不同施肥模式的肥料成本和施肥效益（表6）。结果表明，与空白区相比，不同施肥模式的甘薯均获得增产增收。与化肥推荐施肥相比，有机肥替代25%化肥处理的加权平均净增收1 802元·hm-2，但有机肥替代50%化肥处理，除了低产田施肥类别外，其他施肥类别由于增产幅度较小，且大幅度增加肥料成本，净增收均低于化肥推荐施肥。

表6 不同有机肥替代化肥比例对甘薯产量和施肥效益的影响Table 6 Sweet potato yield and economic benefits under varied percentages of organic manure replacement on NPK application

2.4 甘薯化肥减施增效技术田间示范效果

田间示范结果显示，与不施肥相比，习惯施肥、化肥推荐施肥以及有机肥替代25%化肥的施肥模式的薯块产量都获得显著提高。在N、P2O5投入量比习惯施肥下降16.7%和47.4%以及K2O投入量提高94.0%的条件下，79个化肥推荐施肥田间示范（表7）表明，高、中、中低和低产田的4个施肥类别的薯块产量分别比习惯施肥增产7.0%、5.5%、10.3%和17.3%，加权平均增产7.9%。在推荐施肥基础上，16个有机肥替代25%化肥田间示范（表7）结果显示，4个施肥类别的薯块产量比习惯施肥分别增产7.1%、11.3%、11.8%和25.0%，加权平均增产11.3%。化肥推荐施肥比习惯施肥加权平均净增收3 394元·hm-2，有机肥替代25%化肥的加权平均净增收则为 4 192 元·hm-2。

表7 化肥减施增效示范田的甘薯产量和施肥效益Table 7 Sweet potato yield and economic benefit on demonstration field with fertilizer reduction and efficiency improvement

因此，甘薯化肥推荐施肥具有较好的增产增收效果，在推荐施肥基础上有机肥替代25%化肥可进一步提高甘薯产量和净增收。

3 讨论

作为世界上重要的粮食、工业原料和饲料作物的甘薯，中国是最大生产国。联合国粮农组织（FAO）统计表明，2018 年中国甘薯种植总面积为237.93万hm2，占世界种植面积的29.0%，总产占到世界的57.0%[22]。但长期以来，我国对甘薯的营养特性和施肥技术研究和推广应用重视不够。长江中下游薯区472个甘薯农户的施肥现状调查[2]显示，在肥料结构上，目前仍然以45%通用型复合肥投入为主，施用专用配方肥和有机肥的农户比例只有4.0%和23.9%。安徽省48个农户的调查[23]表明，80%以上的农户以硫酸钾型复合肥为主，没有专用肥和有机肥投入。福建泉州市200个种植大户的调查[24]表明，甘薯施肥中存在氮磷钾养分过量与不足并存，N∶P2O5∶K2O 为 1∶0.46∶0.33，钾肥失调比例最大。目前的甘薯施肥现状普遍存在配方肥和有机肥施用不足、氮磷钾用量和比例失调、施肥时期和方法不合理等现象。因此，对现有的众多甘薯施肥试验研究结果进行归纳总结，制定方便实用的甘薯施肥技术规范，对指导广大种植户科学施肥具有重要的生产意义。

在对多年多点田间肥效试验进行归纳总结时，针对服务区域内要划分多少个有意义的施肥类别（土壤肥力等级）是首先要解决的问题。迄今不少学者已经研究提出了许多分类或聚类方法[25-27]，但类别间的施肥效应是否具有显著差异均未进行统计检验。本研究根据110个甘薯氮磷钾田间肥效试验结果，应用系统聚类方法结合方差协方差矩阵差异显著性检验技术[20-21]，从定量角度较好地解决了施肥类别到底应该划分多少个等级的问题。结果表明，福建甘薯种植地可以划分为高产田、中产田、中低产田和低产田4种施肥类别。这种方法的优点是，不同施肥类别间的氮磷钾施肥效应具有显著水平差异，确保了分类结果的有效性。

在此基础上，本研究根据各施肥类别的甘薯田间肥效试验结果建立了三元非结构肥效模型，得到各施肥类别的推荐施肥量。在以往研究中，通常根据田间试验结果建立三元二次多项式肥效模型和计算推荐施肥量[28]。但是，已有研究指出多项式模型的推荐施肥量普遍偏高[17,29]。章明清等[15]建立了三元二次多项式肥效模型，得到全省甘薯平均最高施肥量分别为 N199 kg·hm-2、P2O580 kg·hm-2和 K2O 259 kg·hm-2。由于最高施肥量不受价格因素的影响，与全省平均最高施肥量相比，三元非结构肥效模型的氮、磷、钾养分平均推荐用量分别降低了12.1%、17.5%和7.7%。因此，三元非结构肥效模型较好地克服了三元二次多项式肥效模型推荐施肥量偏高的问题，更好地满足了化肥减施增效的时代需求。

我国甘薯主要种植在丘陵坡地，土壤肥力较低。众多研究表明，增施有机肥对提高土壤肥力水平、促进甘薯高产稳产和改善薯块品质等具有重要作用[7,11-12,30]。但有机肥的增产效应因生产条件和土壤肥力状况等不同而存在差异[31-32]。坡耕地是福建甘薯主要种植区域，利用强度大，土壤贫瘠和酸化，有机质含量普遍偏低。14个有机肥替代化肥田间试验表明，在当前土壤肥力水平下，在推荐施肥基础上以有机肥替代25%化肥的技术模式具有最佳的增产增收效果。这主要归因于配施有机肥料，提高了土壤有机碳和土壤全氮含量以及提升了土壤养分有效性等[33-34]。

田间示范表明，76个化肥推荐施肥示范田的甘薯平均产量比习惯施肥增产7.9%，净增收3 394元·hm-2。在推荐施肥基础上配施适当比例的有机肥可进一步提高甘薯产量和净增收，16个有机肥替代25%化肥处理比习惯施肥增产11.3%，净增收则为4 192元·hm-2。因此，2种化肥减施增效技术模式均有较好的增产增收效果，甘薯生产者可根据当地土壤肥力性状和肥源状况选用不同技术模式。