朱凱迪， 孫洪仁, 張吉萍, 冮麗華, 呂玉才, 王國(guó)軍, 魏登峰

(1. 北京理工大學(xué)外國(guó)語(yǔ)學(xué)院, 北京 102401； 2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 北京 100193； 3. 北京六凱農(nóng)業(yè)科技有限公司, 北京 100095； 4. 北京薯網(wǎng)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院, 北京 100043； 5. 深圳六園企業(yè)發(fā)展有限公司, 廣東 深圳 518038；6. 敖漢旗惠隆雜糧種植農(nóng)民專業(yè)合作社, 內(nèi)蒙古 敖漢 024300)

谷子[Setariaitalic(L.) Beauv.]是起源于我國(guó)的古老農(nóng)作物，具有耗水少、抗旱耐瘠、營(yíng)養(yǎng)豐富均衡、糧飼兼用、農(nóng)耕文明底蘊(yùn)深厚等特征，是旱作生態(tài)農(nóng)業(yè)的主栽作物。目前我國(guó)谷子種植面積近80萬(wàn)hm2，產(chǎn)量近240萬(wàn)t[1]。肥料是作物的“糧食”。高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的籽實(shí)和飼草谷子生產(chǎn)離不開(kāi)合理施肥。施肥不足會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量和質(zhì)量下降。施肥過(guò)量不僅會(huì)降低質(zhì)量，而且還會(huì)引發(fā)倒伏和病害等，造成減產(chǎn)?？茖W(xué)施肥不僅可以提高谷子產(chǎn)量、質(zhì)量和效益，而且能夠有效保護(hù)耕地、水系和大氣生態(tài)環(huán)境。因此，科學(xué)確定谷子施肥量對(duì)谷子生產(chǎn)具有重要意義。

R. H. Bray創(chuàng)建的土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法在全世界的大多數(shù)國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用，是測(cè)土推薦施肥的經(jīng)典和標(biāo)準(zhǔn)方法[2]。20世紀(jì)80年代，我國(guó)從三大作物開(kāi)始進(jìn)行作物土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)研究[3-4]，至今已經(jīng)建立了諸如水稻、小麥、玉米等一些作物的若干區(qū)域土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)[5-7]。但針對(duì)谷子的相關(guān)研究十分薄弱，僅王紀(jì)澤等[8]對(duì)赤峰谷子土壤有效磷豐缺指標(biāo)進(jìn)行了初步研究。

建立作物土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)的研究工程頗為龐大，需要大量的資金支持和專家投入，而谷子等諸多小作物的科研投入強(qiáng)度較小，難以支撐大規(guī)模土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)研究。近來(lái)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)孫洪仁團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了由“零散實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整合法”、“土壤養(yǎng)分豐缺分級(jí)改良方案”及“養(yǎng)分平衡―地力差減法新應(yīng)用公式”所構(gòu)成的作物土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)研究新方法，有效地克服了上述科研投入強(qiáng)度不足問(wèn)題，并成功建立了中國(guó)北方紫花苜蓿、中國(guó)南方甘蔗土壤、中國(guó)北方甜菜和中國(guó)農(nóng)牧交錯(cuò)帶燕麥養(yǎng)分豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)[9-15]。

本研究擬采用作物土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)研究的新方法，開(kāi)展我國(guó)谷子土壤氮素豐缺指標(biāo)和推薦施氮量研究，旨在為我國(guó)谷子測(cè)土施肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

搜集我國(guó)開(kāi)展的籽實(shí)谷子、干草谷子和青貯谷子施氮實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)。選擇含有土壤氮素含量(堿解氮、全氮或有機(jī)質(zhì))、施氮處理產(chǎn)量及缺氮處理產(chǎn)量(未施氮肥，其它養(yǎng)分施用量與施氮處理相同)的文獻(xiàn)，并提取這些研究數(shù)據(jù)。再借助式(1)計(jì)算籽實(shí)或飼草谷子缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量。

R-N=Y-N÷YN

(1)

式中：R-N為缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量，Y-N為缺氮處理產(chǎn)量，YN為施氮處理產(chǎn)量。

利用Excel軟件，選擇適當(dāng)模型分別建立谷子缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量回歸方程。利用所得回歸方程和土壤養(yǎng)分豐缺分級(jí)改良方案[16]分別對(duì)土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)進(jìn)行豐缺級(jí)別的劃分。若出現(xiàn)外推數(shù)據(jù)，高低兩端各自至多保留1個(gè)。

采用“養(yǎng)分平衡—地力差減法新應(yīng)用公式”[17-18]計(jì)算推薦施氮量。

FN=AN×(1-R-N)÷EN

(2)

式中：FN為推薦施氮量，AN為目標(biāo)產(chǎn)量養(yǎng)分移出量，R-N為缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量，EN為養(yǎng)分當(dāng)季利用率。

以文獻(xiàn)為主要依據(jù)，確定籽實(shí)谷子、干草谷子和青貯谷子的單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量氮素移出量(N)依次為40,20 和7 kg·t-1[19-20]。

依據(jù)各地氣候條件、土壤狀況、谷子品種和栽培措施，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[21-62]將我國(guó)谷子產(chǎn)區(qū)3種形態(tài)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品的單位面積目標(biāo)產(chǎn)量分別設(shè)置7個(gè)檔次，籽實(shí)谷子為3.00，3.75，4.50，5.25，6.00，6.75和7.50 t·hm-2，干草谷子為6.0，7.5，9.0，10.5，12.0，13.5和15.0 t·hm-2，青貯谷子為15，20，25，30，35，40和45 t·hm-2；進(jìn)而依次確定3種形態(tài)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品的單位面積目標(biāo)產(chǎn)量氮素移出量(N)，籽實(shí)谷子為120，150，180，210，240，270和300 kg·hm-2，干草谷子為120，150，180，210，240，270和300 kg·hm-2，青貯谷子為105，140，175，210，245，280和315 kg·hm-2。

選取各個(gè)豐缺級(jí)別的缺素處理相對(duì)產(chǎn)量下限，用于該級(jí)別推薦施肥量計(jì)算。設(shè)置3個(gè)氮肥當(dāng)季利用率，分別為30%，40%和50%。

2 結(jié)果與分析

2.1 我國(guó)谷子施氮實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)及與土壤氮素豐缺指標(biāo)研究相關(guān)信息

搜集到在我國(guó)開(kāi)展的含有土壤堿解氮(或全氮和有機(jī)質(zhì))含量和缺氮處理的谷子施氮實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)總計(jì)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]；盆栽實(shí)驗(yàn)2篇[33,46]，余者為田間實(shí)驗(yàn)。上述研究涉及縣域28個(gè)，品種至少45個(gè)，土壤類型至少19個(gè)。從上述文獻(xiàn)中分別提取出土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量與缺氮處理和施氮處理產(chǎn)量數(shù)據(jù)139，120和146組，進(jìn)而分別得到土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量配套數(shù)據(jù)139，120和146對(duì)。我國(guó)谷子施氮實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)中與土壤氮素豐缺指標(biāo)研究的相關(guān)信息列于表1。

表1 我國(guó)谷子施氮實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)中與豐缺指標(biāo)研究相關(guān)信息Table 1 The relevant information about rich-lack index from N fertilization experimental literature for millets in China

續(xù)表1

續(xù)表1

續(xù)表1

2.2 我國(guó)谷子土壤氮素含量與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量回歸方程

剔除少量明顯偏離群體數(shù)據(jù)對(duì)后，建立我國(guó)谷子土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量回歸方程如圖1和式(3)～(5)所示?；貧w方程皆達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)。

圖1 我國(guó)谷子缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分含量相關(guān)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 我國(guó)谷子土壤氮素豐缺指標(biāo)

借助式(3)～(5)計(jì)算出缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量100%，95%，90%，80%,……,10%對(duì)應(yīng)的土壤堿解氮含量依次為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，土壤全氮含量依次為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，土壤有機(jī)質(zhì)含量依次為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。依據(jù)高端和低端分別至多保留1個(gè)外推數(shù)據(jù)原則，舍棄超出限額的外推數(shù)據(jù)，得到我國(guó)谷子土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)豐缺指標(biāo)如表2所示。

表2 我國(guó)谷子土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)豐缺指標(biāo)Table 2 The abundance-deficiency index of alkaline hydrolysis nitrogen,total nitrogen and organic matter for millets in China

2.4 我國(guó)谷子推薦施氮量

我國(guó)籽實(shí)谷子、干草谷子、青貯谷子推薦施氮量分別列于表3至表5。谷子推薦施肥量與土壤氮素豐缺級(jí)別的關(guān)系為線性負(fù)相關(guān)，豐缺級(jí)別越高，適宜施氮量越低，直至為零。谷子推薦施氮量與目標(biāo)產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系，目標(biāo)產(chǎn)量越高，推薦施氮量越高。谷子推薦施氮量與氮肥當(dāng)季利用率呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，氮肥當(dāng)季利用率越低，推薦施氮量越高。當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)量檔次、土壤養(yǎng)分豐缺級(jí)別和氮肥當(dāng)季利用率一致時(shí)，籽實(shí)谷子、干草谷子和青貯谷子的推薦施氮量頗為接近。

表3 我國(guó)籽實(shí)谷子在不同目標(biāo)產(chǎn)量以及不同氮肥當(dāng)季利用率情形下不同豐缺級(jí)別土壤的推薦施氮量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 單位：kg·hm-2

表4 我國(guó)干草谷子在不同目標(biāo)產(chǎn)量以及不同氮素當(dāng)季利用率情形下不同豐缺級(jí)別土壤的推薦施氮量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 單位：kg·hm-2

表5 我國(guó)青貯谷子在不同目標(biāo)產(chǎn)量以及不同氮素當(dāng)季利用率情形下不同豐缺級(jí)別土壤的推薦施氮量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 單位：kg·hm-2

當(dāng)?shù)十?dāng)季利用率40%時(shí)，目標(biāo)產(chǎn)量3～7.5 t·hm-2籽實(shí)谷子第1～9級(jí)土壤推薦施氮量分別為0，30～75，60～150，90～225，120～300，150～375，180～450，210～525和240～600 kg·hm-2；目標(biāo)產(chǎn)量6～15 t·hm-2干草谷子第1～9級(jí)土壤推薦施氮量依次為0，30～75，60～150，90～225，120～300，150～375，180～450，210～525和240～600 kg·hm-2；目標(biāo)產(chǎn)量15～45 t·hm-2青貯谷子第1～9級(jí)土壤推薦施氮量分別為0，26～79，53～158，79～236，105～315，131～394，158～473，184～551和210～630 kg·hm-2。

3 討論

3.1 我國(guó)谷子缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤氮素含量回歸方程的建立

影響作物施肥反應(yīng)的因素較多，如氣候、水分、土壤類型、耕作制度、環(huán)境脅迫等。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)研究中，Bray[2]創(chuàng)造性地提出了缺素處理相對(duì)產(chǎn)量這一指標(biāo)，用以替代反應(yīng)作物施肥效果的絕對(duì)產(chǎn)量增加值。然而，缺素處理相對(duì)產(chǎn)量這一指標(biāo)并非不受上述因素影響，只不過(guò)是與絕對(duì)產(chǎn)量增加值相比，所受影響相對(duì)較小而已。如果實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)量足夠大，則宜依據(jù)自然區(qū)域、土壤類型、耕作制度等進(jìn)行分別研究。例如，澳大利亞[63-64]就是這樣做的，效果也很好。

土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法創(chuàng)始人R. H. Bray[2]和我國(guó)的權(quán)威專家[3-4,65-66]，都認(rèn)為作物缺素處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分含量回歸方程的樣本數(shù)量宜在20個(gè)以上。澳大利亞規(guī)定作物缺素處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分含量回歸方程的最小樣本數(shù)量不少于9個(gè)[67]。本研究樣本數(shù)量103～125個(gè)，符合基本要求。

關(guān)于實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)處理和取舍，澳大利亞[63-64,67]做出了頗為詳盡的規(guī)定。本研究的做法是，在利用Excel表制作缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤氮素含量回歸關(guān)系圖的過(guò)程中，剔除少量明顯偏離群體數(shù)據(jù)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是有利于最大限度的保證樣本數(shù)量。

澳大利亞[67]規(guī)定，作物缺素處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分含量回歸方程的相關(guān)系數(shù)不得低于0.2，實(shí)踐上大多介于0.25～0.7之間。本研究所得回歸方程的相關(guān)系數(shù)為0.5左右，與其相符。

3.2 我國(guó)谷子土壤氮素豐缺指標(biāo)

谷子土壤氮素豐缺指標(biāo)研究未見(jiàn)報(bào)道。張福鎖等[20]將我國(guó)谷子土壤有機(jī)質(zhì)最高級(jí)別下限(缺素處理相對(duì)產(chǎn)量95%)指標(biāo)確定為20 g·kg-1，本研究之外推結(jié)果(52.4 g·kg-1)明顯高于該設(shè)定下限。我國(guó)玉米[5]、小麥[6]和水稻[7]缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量100%對(duì)應(yīng)的土壤有機(jī)質(zhì)指標(biāo)研究結(jié)果集中于30～60 g·kg-1，本研究之外推結(jié)果(81 g·kg-1)明顯高于上述研究結(jié)果。

我國(guó)玉米[5]、小麥[6]、水稻[7]、燕麥[13]和甘蔗[15]缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量100%對(duì)應(yīng)的土壤全氮指標(biāo)范圍為2.0～5.0 g·kg-1，本研究結(jié)果(3.1 g·kg-1)在此范圍內(nèi)。我國(guó)玉米[5]、小麥[6]、水稻[7]、燕麥[13]和甜菜[14]缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量100%對(duì)應(yīng)的土壤堿解氮指標(biāo)范圍為150～600 mg·kg-1，本研究結(jié)果(250 mg·kg-1)亦在此范圍之內(nèi)。

3.3 中國(guó)谷子推薦施氮量

張福鎖等[20]針對(duì)目標(biāo)產(chǎn)量3～6 t·hm-2之北方旱地籽實(shí)谷子的推薦施氮量為0～240 kg·hm-2。本文引用谷子施氮實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)[21-62]的推薦施氮量為35～400 kg·hm-2。當(dāng)?shù)十?dāng)季利用率為40%時(shí)，本研究第1～6級(jí)土壤的推薦施氮量與其大體相當(dāng)。

干草谷子和青貯谷子推薦施氮量研究未見(jiàn)報(bào)道。本研究表明，當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)量檔次、土壤養(yǎng)分豐缺級(jí)別和氮肥當(dāng)季利用率一致時(shí)，籽實(shí)谷子、干草谷子和青貯谷子的推薦施氮量頗為接近。鑒于干草谷子和青貯谷子與籽實(shí)谷子生產(chǎn)對(duì)包括氮素在內(nèi)的養(yǎng)分需求差別不是很大，可以認(rèn)定本干草谷子和青貯谷子推薦施氮量研究結(jié)果較為可靠。

4 結(jié)論

本研究成功建立了我國(guó)谷子缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤氮素含量回歸方程，確定了我國(guó)谷子土壤氮素豐缺指標(biāo)，給出了若干目標(biāo)產(chǎn)量和氮肥利用率情形下不同氮素豐缺級(jí)別土壤的推薦施氮量，初步建立了我國(guó)籽實(shí)和飼草谷子土壤氮素豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)，為我國(guó)谷子測(cè)土施氮奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。