我国甜菜土壤有效磷丰缺指标与适宜施磷量研究

摘要： 【目的】甜菜是重要的糖料作物，土壤磷素供应和磷肥施用影响甜菜的产量和品质。为此，我们开展甜菜土壤有效磷丰缺指标与适宜施磷量研究。【方法】采用“零散实验数据整合法”建立我国甜菜相对产量与土壤有效磷含量回归方程。以“甜菜”“施肥”“磷”为主题词，在中国知网检索到相关论文44 篇，剔除低质量试验数据后，共获得104 组包含不施磷和施磷处理甜菜产量数据，及对应的土壤有效磷含量数据，建立不施磷甜菜相对产量与土壤有效磷含量之间的回归方程。参考“土壤养分丰缺分级改良方案”将土壤有效磷含量分为7 级，将各节点不施磷甜菜相对产量带入建立的回归方程，计算出每个节点的土壤有效磷含量，作为甜菜土壤有效磷分级指标。采用“养分平衡—地力差减法新公式”，依据目标产量和磷肥利用率，计算了不同丰缺等级土壤的甜菜适宜施磷量。【结果】我国甜菜缺磷处理相对产量与土壤有效磷含量回归方程为：y=14.169 Ln（x）+46.679（R2=0.3242，n=104，Plt;0.01）。我国甜菜土壤有效磷由高到低分为7 个等级，对应的有效磷含量依次为≥44、22～44、11～22、6～11、3～6、1.5～3 和lt;1.5 mg/kg。当甜菜目标产量为30～90 t/hm2、磷肥利用率为15%～35% 时，有效磷第1～7 级土壤的适宜施磷量分别为0、13～90、26～180、39～270、51～360、64～450、77～540 kg/hm2。【结论】鉴于收集采用的数据样本量大且来源于高质量试验，本研究建立的我国甜菜缺磷处理相对产量与土壤有效磷含量之间的回归方程具有很好的可信度，依据该方程确定了土壤有效磷丰缺指标，进而若干目标产量和磷肥利用率下不同丰缺等级土壤的甜菜适宜施磷量得以推荐。

关键词： 甜菜； 测土施肥； 土壤有效磷； 丰缺指标； 施磷量

甜菜是重要的糖料作物。近十年来，我国甜菜种植面积波动于14 万hm2 至22 万hm2，产量780 万t～1200 万t[1]。合理施肥是甜菜高产、优质、高效和可持续发展的基础。施肥不足，难以实现甜菜生产目标；施肥过量，不仅徒增成本，还会降低甜菜产量、质量和效益，并且对土壤、大气和水体等生态环境造成污染，进而危害人类身体健康。因此，需要科学确定甜菜施肥量。肥料效应函数法、养分平衡—地力差减法、养分平衡—土壤有效养分校正系数法和土壤养分丰缺指标法是确定施肥量的基本方法。Bray 创建的土壤养分丰缺指标法，因其拥有时间有效性长、地域有效性广、简便易行等三大优势，故被全球广泛采用[2−3]。我国土壤养分丰缺指标研究起步较晚[4−5]，始于20 世纪80 年代。截至目前，三大作物[6−8]和马铃薯[9]等的土壤养分丰缺指标推荐施肥系统已经建立起来[6−9]。然而，关于甜菜土壤养分丰缺指标推荐施肥系统研究，颇为薄弱。20 世纪80 年代初，戴庆林等[10]率先开展了内蒙古西部地区甜菜土壤水解氮和有效磷丰缺指标探索。时隔30 年后，梁靖[11]利用33 个“3414”施肥试验，研究了内蒙古察哈尔右翼前旗甜菜土壤氮磷钾丰缺指标。随后，孙洪仁团队研发了作物土壤养分丰缺指标推荐施肥系统研究新方法，并利用该方法对我国北方甜菜土壤氮磷钾丰缺指标及氮磷钾适宜施用量进行了初步研究[ 1 2 − 1 4 ]。该新方法由“零散实验数据整合法”、“土壤养分丰缺分级改良方案”和“养分平衡—地力差减法新应用公式”构成。本研究拟采用该新方法，开展全国甜菜土壤有效磷丰缺指标和适宜施磷量研究，旨在为全国甜菜测土施磷提供科学依据。

1 材料与方法

采用“零散实验数据整合法”[15]建立我国甜菜缺磷处理相对产量与土壤有效磷含量回归方程。具体做法是利用中国知网数据库资源，采用“甜菜”“施肥”“磷”为主题词，检索全国各地开展的甜菜磷肥试验文献，以试验有缺磷处理并测定土壤有效磷含量为标准对文献进行了筛选，提取文献中的土壤有效磷含量、施磷处理和缺磷处理产量数据，对有若干施磷量处理之试验，选取最高产量数据，首先按照公式（1） 计算甜菜缺磷处理相对产量，然后建立甜菜缺磷处理相对产量与土壤有效磷含量的回归方程。

RP = Y-P／YP （1）

式中，R−P 为缺磷处理相对产量（无量纲），Y−P、YP 分别为缺磷、施磷处理产量（t/hm2）。

参考“土壤养分丰缺分级改良方案”[15−16]将土壤有效磷含量分为7 级，将改良方案中各丰缺等级节点之缺素处理相对产量数值，代入甜菜缺磷处理相对产量与土壤有效磷含量回归方程，即可求出各个丰缺等级对应的土壤有效磷含量范围。

采用“养分平衡—地力差减法新应用公式”计算不同目标产量、不同肥料利用率情形下不同丰缺等级土壤的甜菜适宜施磷量[15， 17]，新公式的核心变革是引入变量“缺素处理相对产量”与“土壤养分丰缺分级方案”联系起来。计算公式如下：

FP=Yt × Pu ×（1-R-P）=EP （2）

式中，FP 为甜菜适宜施磷量（P2O5，kg/hm2），Yt 为目标产量（t/hm2），Pu 为单位经济产量磷素吸收量（P2O5，kg/t），R−P 为缺磷处理相对产量（无量纲），EP 为磷肥利用率（无量纲）。

光、热、温、气、水、土等自然条件对甜菜产量影响巨大。我国地域辽阔，自然条件迥异，甜菜的生产水平差异颇大。根据我国甜菜当前的生产实际状况，确定9 个目标产量：30、37.5、45、52.5、60、67.5、75、82.5 和90 t/hm2。水肥管理模式对肥料利用率具有很大影响，如旱作雨养模式下，施肥次数很少，磷肥利用率一般在15% 以下；滴灌+水肥一体化模式下，水肥同步，施肥次数亦颇多，磷肥利用率可高达35% 以上。依据我国甜菜之水肥管理实践，确定5 个磷肥利用率：15%、20%、25%、30% 和35%。依据前人的研究结果[11， 18−25]，确定我国甜菜单位经济产量磷素吸收量（P2O5） 为1.5 kg/t。

2 结果与分析

2.1 我国甜菜施磷试验文献及与土壤有效磷丰缺指标研究相关信息

搜集到符合条件的甜菜施磷文献44 篇[10， 18， 20， 22， 26−65]，其中1970—1979 年1 篇[18]、1980—1989 年8 篇[10， 20， 26−31]、1990—1999 年8 篇[22， 32−38]、2000—2009 年6 篇[39−44]、2010—2019 年16 篇[45−60]、2020—2023 年5 篇[61−65]。44 篇文献除1 篇采用盆栽方法外[59]，余者均为田间试验。土壤有效磷测定方法除1 篇采用ASI 法外[42]，其余均采用Olsen 法。文献中共提取出甜菜缺磷处理产量、施磷处理产量和土壤有效磷含量数据119 组，进而得到缺磷处理相对产量与土壤有效磷含量配套数据119 对，涉及品种近30 个，土壤类型20 余个，旗县市区近40 个。依据上述文献，我国甜菜土壤有效磷含量范围为2～67 mg/kg，缺磷处理甜菜的相对产量范围为27.36%～101.11%，磷肥施用量范围为32～497 kg/hm2。

2.2 我国甜菜土壤有效磷丰缺指标

采用获得的119 对数据，我国甜菜缺磷处理相对产量（y） 与土壤有效磷含量（x） 的关系见图1，其回归方程（图1） y=14.169 Ln（x）+46.679 （n=104） 的相关系数高达0.5694，达到Plt;0.001 显著水平。利用图中的回归公式计算，缺磷处理甜菜相对产量分别为100%、95%、90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10% 和0% 时，对应的土壤有效磷含量依次为4 3 . 0 9、3 0 . 2 8、2 1 . 2 7、10.50、5.19、2.56、1.26、0.62、0.31、0.15、0.08 和0.04 mg/kg。弃用大部分外推数据后，得到我国甜菜土壤有效磷丰缺指标如表1 所示。

2.3 我国甜菜适宜施磷量

甜菜适宜施磷量（P2O5） 与土壤有效磷等级呈线性负相关，等级越高，土壤有效磷含量越高，适宜施磷量越低，直至不需施磷。甜菜适宜施磷量与磷肥利用率线性负相关，磷肥利用率越高，适宜施磷量越低。甜菜适宜施磷量与目标产量线性正相关，目标产量越高，适宜施磷量越高。磷肥利用率15%～35%、目标产量30、37.5、45、52.5、60、67.5、75、82.5 和90 t/hm2 时，土壤有效磷含量从第1 到第7 级的适宜施磷量范围分别为0、13～90、26～180、39～270、51～360、64～450 和77～540 kg/hm2（表2）。

3 讨论

3.1 我国甜菜缺磷处理相对产量与土壤有效磷含量回归方程的可靠性

采用“零散实验数据整合法”建立作物缺素处理相对产量和土壤养分含量回归方程，首先要解决的问题是如何进行文献选取和数据剔除。关于文献选取和数据处理，澳大利亚[66]对试验质量的规定颇为详尽：如试验施磷量处理仅有1 个，不利于找到施磷处理的“最高产量”，偏离“最高产量”的风险较大；再如通过肥料效应方程推算的最高产量大大高于实测产量，而采用“20% 封顶原则”[Y模拟最大=Y实测最大+0.2×（Y模拟最大−Y缺素）] 进行调整时，这样的试验应该皆归为低质量类。选择试验数据时首先摒弃试验质量低的文献。本研究在利用Excel 表制作回归关系图的过程中，剔除了少量严重偏离群体的数据，以最大限度保证回归方程使用的数据来自合格的试验。

用于进行回归分析的散点图，理论上土壤有效磷含量数据分布越均匀越好。建立土壤养分丰缺指标的通用做法是针对某种作物和养分，大量采集土壤样品，测试养分含量之后，选择土壤养分含量差异较大并拉开梯度的地块数十个，统一设计施肥处理及施肥量，开展试验获得施肥和缺素处理产量数据，建立作物缺素处理相对产量和土壤养分含量回归方程，进而计算出土壤养分丰缺指标[15， 24， 67]。与经典的通用做法相比较， 本研究采用的“零散实验数据整合法”无法选择和设计试验地点，以检索的数据绘制的散点图土壤有效磷分布不够均匀，土壤有效磷含量≥20 mg/kg 者占比颇低，对研究结果的精准性或多或少会造成一定影响。

土壤养分丰缺指标法创始人Bray[ 2 − 3 ]和我国专家[4−5， 24， 67]一致认为，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，澳大利亚规定最小样本数量不宜少于8 个[68]。采用“零散实验数据整合法”建立作物缺素处理相对产量与土壤养分含量回归方程时，样本数量100 个以上较为合适，样本数量越多，回归方程越成熟稳定，反之则易发生剧烈波动[69]。之所以要求的数据这么多，可能与下列原因有关：1）“零散实验数据整合法”所整合的诸多施肥试验皆为独立开展，无总体规划，具体的试验设计和操作方法没有统一规范；2） 研究的时间跨度大，长达数十年之久；3） 我国幅员辽阔，气候、土壤类型多样，生产模式和水平众多。如果样本数量足够大，则可依据自然区域、土壤类型、生产模式、生产水平及年代等进行分别研究[69−70]。本研究样本数量在剔除15 个不合格的试验数据后，保留了104 个，符合基本要求，我们建立的回归方程的R2 值为0.3242，相对产量与土壤有效磷含量之间的相关性达到0.001 显著水平，证实了方程的可信度。虽然如此，本研究所得回归方程的相关系数和决定系数在田间试验中仍属于中等水平。若进一步提高回归方程的相关水平，则需在较短的时间内，如3～5 年，投入较大的人力、物力和财力，在全国各地同时大量开展统一设计的含有缺磷处理的甜菜施磷试验。

3.2 我国甜菜土壤有效磷丰缺指标推荐施肥系统应用的可行性

在我国进行了大量土壤磷素丰缺指标的研究，玉米[6]、水稻[7]、小麦[8]、马铃薯[9]、燕麦[71]、甘蔗[72]、苹果[73]、棉花[74]、苜蓿[70]、谷子[75]、大麦[76]和西瓜[77]缺磷处理相对产量90% 对应的土壤有效磷指标集中于12～35 mg/kg。在甜菜上，孙洪仁等[12]提出我国北方甜菜获得缺磷处理相对产量95%、90%、80%、70% 和60% 对应的土壤有效磷指标依次为43、30、15、7 和4 mg/kg，本研究对全国试验数据的整合结果较低，分别为31、22、11、6 和3 mg/kg，与梁靖[11]提出的内蒙古察哈尔右翼前旗甜菜土壤有效磷指标较为接近。考虑到本研究采用的甜菜土壤有效磷丰缺指标的样本数量约为孙洪仁等[12]研究的3 倍，可以认定本研究结果较为可靠。

根据本研究建立的回归方程进行外推，结果表明，当土壤有效磷含量低至0.04 mg/kg 时，甜菜缺磷处理相对产量为0%。在我们之前的试验中，推平流动沙丘新建的农田土壤基本测不到有效磷含量，在这样的土壤上种植甜菜，不施磷肥几乎没有产量，与本回归方程的外推结果一致。另外，土壤有效磷指标超过上限时，应该考虑生态环境阈值，一般认为不宜超过上限。本研究甜菜土壤最高丰缺级别土壤有效磷指标为44 mg/kg，与诸多大田作物相近，无超越生态环境阈值之虞[78]。

我国甜菜田间试验[10−11， 18−20， 22−23， 26−65]中的施磷量为32～497 kg/hm2。本研究以磷肥利用率35%、30%、25%、20%、15% 为前提确定的施磷量范围依次为0～231、0～270、0～324、0～405、0～540 kg/hm2，与科学家们在甜菜施磷试验中采用的施磷量较为接近，可以认为比较可信。

4 结论

我国甜菜土壤有效磷丰缺指标由高到低可定为7 级，对应的有效磷含量（Olsen-P） 依次为≥44、22～44、11～22、6～11、3～6、1.5～3 和lt;1.5 mg/kg。依据当前我国甜菜生产水平，目标产量30～90 t/hm2、磷肥利用率15%～35% 时，第1～7 级土壤适宜施磷量分别为0、13～90、26～180、39～270、51～360、64～450、77～540 kg/hm2。

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基金项目：国家现代农业产业技术体系建设项目（CARS-34）。