長期施肥稻田土壤基礎地力和養分利用效率變化特征

廖育林，魯艷紅，聶　軍，謝　堅，周　興，楊曾平

（1 湖南省土壤肥料研究所，湖南長沙 410125；2 農業部湖南耕地保育科學觀測實驗站，湖南長沙 410125）

長期施肥稻田土壤基礎地力和養分利用效率變化特征

廖育林1，2，魯艷紅1，2，聶軍1，2*，謝堅1，2，周興1，楊曾平1，2

（1 湖南省土壤肥料研究所，湖南長沙 410125；2 農業部湖南耕地保育科學觀測實驗站，湖南長沙 410125）

【目的】研究長期不同施肥措施對土壤基礎地力和氮磷鉀養分吸收利用效率的影響，探明土壤基礎地力和氮、磷、鉀養分吸收利用效率的相互關系。【方法】采集雙季水稻種植制度下 33年長期定位施肥試驗的不施肥（CK）、施氮磷鉀肥（NPK）和氮磷鉀肥配施稻草（NPKS）3 個處理的土壤，設置施肥與不施肥盆栽試驗，監測水稻產量、土壤基礎地力產量和基礎地力貢獻率、水稻氮磷鉀養分吸收量、氮磷鉀養分利用效率，分析氮、磷、鉀利用效率對土壤基礎地力貢獻率的響應。【結果】早晚稻土壤基礎地力產量和基礎地力貢獻率三個處理土壤大小順序均為 NPKS＞NPK＞CK，NPKS 處理土壤早晚稻兩季平均基礎地力產量和基礎地力貢獻率較 CK處理土壤分別增加 113.8% 和 93.7%，NPK 處理分別增加 100.7% 和 81.9%。在同一施肥水平條件下，早、晚稻均以土壤基礎地力較高的 NPKS 處理氮、磷、鉀肥偏生產力，土壤養分依存率，氮、磷、鉀素收獲指數較高，氮、磷、鉀肥回收利用率，肥料農學效率，肥料對產量的貢獻率則較低。回歸分析表明，氮、磷肥回收利用率，氮、磷、鉀肥農學效率，氮、鉀素生理利用率均隨土壤基礎地力貢獻率的提高呈顯著或極顯著降低；氮、磷、鉀肥偏生產力，氮、磷、鉀素土壤依存率隨土壤基礎地力貢獻率的提高呈顯著或極顯著提高。【結論】長期施氮磷鉀肥或長期氮磷鉀肥配施稻草均能提高土壤基礎地力，以長期氮磷鉀肥配施稻草的效果更顯著。在較高基礎地力土壤上生產，可以在保證作物高產穩產的情況下實現減量化施肥，實現農業生產的可持續性。

長期施肥；稻田土壤；土壤基礎地力；養分利用效率

隨著我國人口增長和經濟發展，保證糧食安全已成為亟待解決的問題。我國耕地存在中低產田面積大、障礙因子多等問題［1］，嚴重制約了糧食生產潛力的發揮。基礎地力是指在特定立地條件、土壤剖面理化性狀、農田基礎設施建設水平下，經過多年水肥培育后，當季旱地無水肥投入、水田無養分投入時的土壤生產能力［2］。長期不同施肥會使土壤基礎地力朝著不同方向發展，中低產田改良過程也是土壤地力培育和提升過程。據估算，通過低產田改造可實現增加糧食產量 390 億公斤，潛力巨大［3］。因此，通過合理施肥提高土壤質量和土地生產力，調控農田基礎地力及與肥料高效和作物高產有關的重要過程，不僅可保證作物高產穩產的情況下實現減量化施肥，而且對挖掘農田生產潛力、增加水稻產量、提高養分利用效率、優化養分資源管理和實現農業可持續發展具有現實指導意義。

施肥是水稻穩產增產的重要途徑，也是土壤基礎地力培育的重要措施。長期合理均衡施肥能緩慢培育或維持土壤肥力，否則可能導致作物產量下降、土壤養分比例失衡、養分耗竭［4-5］。提升農田基礎地力對農作物高產穩產非常重要，基礎地力越高，作物產量也越高；土壤基礎地力的提高還可減少對化肥的依賴，減少環境的負擔［6］。以往長期施肥研究較多集中在對作物養分吸收、養分利用效率和土壤肥力的影響等方面，但對基礎地力與作物養分吸收和肥料利用效率相互關系的研究還鮮有報道。

農田基礎地力研究大多基于長期定位試驗的不施肥處理，由于長期不施肥土壤處于一種長期養分消耗狀態，其產量只能反映長期不施肥條件下的土壤基礎地力狀況，不能反映農田的實際基礎地力狀況［2］。因此，有研究利用裂區法將原有長期施肥小區進行劃分，如曹承富等［7］在長期定位試驗基礎上增設多年連續施肥與當年不施肥處理來研究長期不同施肥對砂姜黑土土壤基礎地力的影響。該方法可以較為客觀地研究長期不同施肥措施下土壤基礎地力的變化。由于大部分長期定位試驗小區面積不大，特別是我國南方水田長期定位試驗，采用裂區法將對農藝操作帶來諸多不便，也會對長期定位試驗造成不可恢復的破壞。因此，本研究以 33年66 季水稻種植后的不同施肥處理土壤為基礎，進行施肥與不施肥對比盆栽試驗，以當季不施肥產量表示基礎地力產量，以當季不施肥產量與施肥產量的比值表示基礎地力貢獻率，較為客觀準確地研究長期不同施肥早晚稻產量和土壤基礎地力貢獻率的差異，分析長期不同施肥模式對氮磷鉀肥養分吸收利用效率和對土壤氮磷鉀養分依存率的差異，探討氮磷鉀肥養分利用效率、土壤氮磷鉀養分依存率與土壤基礎地力的相互關系，闡明長期施肥稻田土壤基礎地力變化和氮磷鉀養分利用效率及其響應機制，為雙季稻田土壤的地力培育和合理施肥提供基礎數據和理論支持。

1　材料與方法

1.1試驗設計

長期定位施肥試驗點位于湖南省長沙市望城區黃金鄉（28°37′N、112°80′E，海拔 100 m），定位試驗開始于 1981年。供試土壤為第四紀紅土發育的水稻土（粉質輕粘土，土壤分類為普通簡育水耕人為土）。定位試驗前 0—15 cm 土壤的主要化學性狀為：pH6.6、土壤有機質 34.7 g/kg、全氮 2.05 g/kg、全磷0.66 g/kg、全鉀 14.1 g/kg、堿解氮 151.0 mg/kg、有效磷 10.2 mg/kg、速效鉀 62.3 mg/kg［8］。

本試驗選擇的 3 個處理土壤包括：不施肥料（CK）、氮磷鉀化肥（NPK）和氮磷鉀 化肥配施稻草（NPKS）。在 1981～2013年期間，氮肥（N）按早稻150 kg/hm2和晚稻 180 kg/hm2施入；磷肥（P）按早稻、晚稻各 38.7 kg/hm2施入；鉀肥（K）按早稻、晚稻各 99.6 kg/hm2施入；稻草按每年4.2 t/hm2（折合養分 N 42.8 kg/hm2、P 5.6 kg/hm2和 K 109.2 kg/hm2）施入。

本研究的盆栽試驗于 2014年在湖南省農業科學院盆栽試驗場進行。2013年晚稻收獲后采集長期定位試驗 CK、NPK 和 NPKS 三種處理的耕層土壤（0—15 cm）進行裝盆。在長期施肥處理土壤基礎上設置常規施肥（施 NPK 化肥，CF）和不施肥（NF）處理，5次重復。試驗采用的陶瓷盆缽高 32.0 cm、直徑 20.0 cm，用于盆栽試驗的土壤風干過 5 mm 篩，混合均勻后按每盆 10.0 kg 土裝盆，浸水兩天使土壤完全濕潤后再施基肥。盆栽試驗氮肥（N）按早稻1.38 g/pot 和晚稻 1.60 g/pot 施入；磷肥（P）按早稻、晚稻各 0.35 g/pot 施入；鉀肥（K）按早稻、晚稻各0.89 g/pot 施入。插秧時每盆 3 穴，化肥品種、水稻品種、農事操作方式和時間與長期定位施肥試驗一致［9-10］。盆栽試驗前 3 個處理土壤的基本理化性狀見表1。

表1　長期施肥處理土壤的基本理化性狀Table 1　Physical and chemical properties of paddy soils under long-term fertilizer treatments

1.2樣品采集與測定

水稻成熟后每個盆缽單獨測產。盆栽試驗前采集定位試驗 CK、NPK 和 NPKS 三個處理的耕層（0—15 cm）土樣，用于基本理化性狀的測定。早、晚稻成熟期采集植株樣品用于測定籽粒和稻草的氮、磷、鉀含量。植株氮、磷、鉀養分和土壤有機質、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀的含量采用常規分析法測定［11］。

1.3數據處理

基礎地力產量（yield of basic soil productivity，BSPY）=不施肥區籽粒產量

基礎地力貢獻率（contribution rate of basic soil productivity to yield，BSPCR）=不施肥區籽粒產量/施肥區籽粒產量

肥料貢獻率（fertilizer contribution rate）=（施肥區籽粒產量-不施肥區籽粒產量）/施肥區籽粒產量

籽粒養分吸收量（nutrition accumulation by grain）=籽粒產量×籽粒養分含量

地上部養分總吸收量（total nutrition accumulation）=籽粒產量×籽粒養分含量+秸稈產量×秸稈養分含量

肥料回收利用率（fertilizer recovery efficiency）=（施肥區地上部養分吸收量-不施肥區地上部養分吸收量）/施肥量

肥料農學效率（agronomic efficiency of fertilizer）=（施肥區籽粒產量-不施肥區籽粒產量）/施肥量

肥料偏生產力（partial factor productivity of applied fertilizer）=施肥區籽粒產量/施肥量

養分生理利用率（physiology efficiency of nutrient）=（施肥區籽粒產量-不施肥區籽粒產量）/（施肥區地上部養分吸收量-不施肥區地上部養分吸收量）

土壤氮（磷、鉀）依存率［soil nitrogen（phosphorus、potassium）dependent rate，SNDR（SPDR，SKDR）］=不施肥區地上部吸氮（磷、鉀）量/施肥區地上部吸氮（磷、鉀）量×100%

氮（磷、鉀）素收獲指數［Nitrogen（phosphorus，potassium）harvest index，NHI（PHI， KHI）］=籽粒吸氮（磷、鉀）量/地上部吸氮（磷、鉀）量

數據處理及分析采用 Microsoft Excel 2003 和DPS 7.5 等數據處理系統。

2　結果與分析

2.1長期不同施肥處理對土壤基礎地力的影響

2.1.1長期不同施肥處理對基礎地力產量和施肥處理產量的影響長期不同施肥模式對基礎地力產量有顯著影響（圖1）。3 個處理的早晚稻基礎地力產量（不施肥產量）均表現為 NPKS＞NPK＞CK。經過 33年66季水稻種植后，與 CK 處理相比，NPK 處理早、晚稻基礎地力產量分別提高 38.5% 和 88.7%，NPKS 處理分別提高 68.1% 和 123.5%；且 CK 與 NPK、NPKS 處理間土壤的早晚稻基礎地力產量差異均達到顯著水平（P＜0.05）。說明長期施 NPK 肥或長期NPK 肥配施稻草有利于維持和提高土壤基礎地力產量，長期不施肥則導致土壤基礎地力產量降低。

施肥處理的早晚稻產量也表現為 NPKS＞NPK＞CK（圖1），CK 處理與 NPK 和 NPKS 處理間產量差異均達到顯著水平（P＜0.05）。說明在相同施肥條件下，基礎地力越高的土壤其作物高產潛力越大。進一步分析發現，施用相同用量肥料時基礎地力低的土壤其早晚稻增產幅度大于基礎地力高的土壤，長期定位試驗 CK 處理土壤上施用氮磷鉀肥，早晚稻產量較不施肥分別提高 265.3% 和 259.4%；NPK 處理土壤上早晚稻分別提高 180.1% 和 110.7%；NPKS處理土壤上早晚稻分別提高 136.6% 和 89.6%。

圖1　長期不同施肥處理土壤基礎地力產量和施肥產量Fig.1　Effects of fertilization on early rice and late rice yields in different treatments of long-term trial

2.1.2長期不同施肥對基礎地力貢獻率和肥料貢獻率的影響經過 33年66 季水稻種植后，長期不同施肥處理對紅壤性水稻土基礎地力貢獻率影響有明顯差異（圖2）。早晚稻土壤基礎地力貢獻率均表現為NPKS＞NPK＞CK，NPKS、NPK 與 CK 處理間差異達到顯著水平（P＜0.05）。與 CK 處理相比，NPK 處理早稻基礎地力貢獻率增加 8.4 個百分點，提高30.5%，NPKS 處理增加 14.9 個百分點，提高54.5%；晚稻 NPK 處理增加 19.7 個百分點，提高70.8%，NPKS 處理增加 25.0 個百分點，提高90.1%。說明長期氮磷鉀肥配合施用或有機無機肥配施有利于土壤基礎地力貢獻率的維持或提高，而長期不施肥則導致土壤基礎地力貢獻率降低。

圖2　長期不同施肥土壤基礎地力貢獻率和肥料貢獻率Fig.2　Contribution rate of basic soil productivity and fertilizer to rice yield in different treatments of long-term trial

長期不同施肥處理土壤的早、晚稻肥料貢獻率表現為 CK＞NPK＞NPKS（圖2），處理間差異均達顯著水平（P＜0.05）。CK、NPK 和 NPKS 處理土壤肥料對早稻產量的貢獻率分別為 72.6%、64.3% 和57.7%，肥料對晚稻產量的貢獻率分別為 72.2%、52.6% 和 47.2%。肥料對早晚稻的貢獻率隨土壤基礎地力的提高而降低。

2.2長期不同施肥土壤雙季水稻氮磷鉀養分吸收利用

2.2.1長期不同施肥土壤雙季水稻氮素吸收量、利用效率和土壤氮素依存率長期不同施肥對雙季水稻氮素養分吸收積累量、氮素養分利用效率和土壤氮素依存率有明顯影響（表2）。盆栽試驗條件下無論施肥或不施肥，籽粒吸氮量和地上部吸氮量施肥處理的土壤均表現為 NPKS＞NPK＞CK。

表2　長期不同施肥土壤雙季水稻氮吸收利用指標Table 2　Indexes of nitrogen uptake and use efficiencies in rice affected by long-term fertilization

在施肥量相同條件下，3 個處理土壤的早、晚稻氮肥農學效率均表現為 CK＞NPK＞NPKS，隨土壤基礎地力的提高而降低；早、晚稻氮肥偏生產力、土壤氮素依存率表現為 NPKS＞NPK＞CK，隨土壤基礎地力的提高而增加；早稻氮素生理利用率在89.3～97.2 kg/kg 之間，晚稻在 64.0～81.7 kg/kg 之間；早稻氮肥回收利用率在 37.5%～44.2% 之間，均表現為 CK＞NPK＞NPKS，隨土壤基礎地力提高有所降低，晚稻氮肥回收利用率在 35.0%～38.4% 之間，CK 和 NPK 處理高于 NPKS 處理，但早、晚稻不同基礎地力土壤上氮肥回收利用率的差異均沒有達到顯著水平。

在不施肥條件下，早稻氮收獲指數在 0.59～0.68之間變化，晚稻氮收獲指數在 0.48～0.59 之間變化，且均隨土壤基礎地力的提高而提高；在相同施肥條件下早稻氮收獲指數在 0.71～0.75 之間變化，晚稻在 0.56～0.61 之間變化，早、晚稻均以較高基礎地力土壤上較高。

2.2.2長期不同施肥土壤雙季水稻磷素吸收量、利用效率和土壤磷素依存率雙季水稻磷養分吸收利用受長期不同施肥方式影響明顯（表3）。無論施肥與否，3 個處理籽粒吸磷量和地上部吸磷量均表現為 NPKS＞NPK＞CK，且 NPK 和 NPKS 處理與 CK 處理間的差異顯著（P＜0.05）。

在施相同用量肥料條件下，3 個處理土壤的早、晚稻磷肥農學效率均表現為 CK＞NPK＞NPKS，隨土壤基礎地力的提高而降低；早、晚稻磷肥偏生產力、土壤磷素依存率隨土壤基礎地力的提高而增加；早、晚稻均以長期 NPK 處理土壤的磷素生理利用率最高；早稻磷肥回收利用率在 29.4%～32.0% 之間變化，晚稻磷肥回收利用率在 27.2%～34.5% 之間變化，均以長期不施肥土壤最高。

表3　長期不同施肥水稻磷吸收利用指標Table 3　Indexes of phosphorus uptake and use efficiencies in rice affected by long-term fertilization

在不施肥條件下，早稻磷收獲指數在 0.74～0.78之間，晚稻氮收獲指數在 0.62～0.71 之間，早稻隨土壤基礎地力變化不顯著，晚稻隨土壤基礎地力提高而提高。施用相同用量肥料時早稻磷收獲指數在0.80～0.86 之間，晚稻在 0.73～0.76 之間，早稻隨土壤基礎地力提高而降低，晚稻變化規律不明顯。早晚稻不同基礎地力土壤上施 NPK 肥處理的磷素收獲指數均高于相應的不施肥處理。

2.2.3長期不同施肥土壤雙季水稻鉀素吸收量、利用效率和土壤鉀素依存率由表4可見，長期不同施肥對早、晚稻籽粒吸鉀量、地上部吸鉀量均有顯著影響。無論施肥還是不施肥，除早稻籽粒吸鉀量外，3個處理土壤的籽粒吸鉀量及地上部吸鉀量均表現為NPKS＞NPK＞CK（P＜0.05）。

在施相同用量肥料條件下，3 個處理土壤的早、晚稻鉀肥農學效率均表現為 CK＞NPK＞NPKS，隨土壤基礎地力的提高而降低；早、晚稻鉀肥偏生產力、土壤鉀素依存率表現為 NPKS＞NPK＞CK，隨土壤基礎地力的提高而增加；早稻鉀素生理利用率在 151.1～162.2 kg/kg 之間，晚稻在 103.9～120.3 kg/kg 之間，不同基礎地力土壤間差異均不顯著；早稻鉀肥回收利用率為 34.3%～38.5%，晚稻為 38.0%～46.7%，早晚稻均表現為 CK＞NPK＞NPKS，鉀肥回收利用率均隨土壤基礎地力提高而降低。

在不施肥條件下，早稻鉀素收獲指數在 0.17～0.29之間，晚稻鉀素收獲指數在 0.16～0.36 之間，早稻以NPK處理土壤的鉀素收獲指數較高，晚稻鉀素收獲指數隨土壤基礎地力的提高而提高；施用相同用量肥料時，早稻鉀收獲指數在 0.28～0.31 之間，晚稻 3 個處理土壤鉀素收獲指數均為 0.23，早、晚稻鉀素收獲指數隨土壤基礎地力的變化規律不明顯。

表4　長期不同施肥水稻鉀吸收利用指標Table 4　Indexes of potassium uptake and use efficiencies affected by long-term fertilization

2.3雙季水稻氮磷鉀利用效率及土壤養分依存率對土壤基礎地力貢獻率的響應

分析兩季水稻氮磷鉀養分利用效率、土壤養分依存率與早晚稻基礎地力貢獻率的相關性 表5表明，氮、磷、鉀肥回收利用率，氮、磷、鉀肥農學效率，氮、磷、鉀養分生理利用率均隨土壤基礎地力的提高而降低，氮磷鉀肥偏生產力、土壤氮磷鉀養分依存率隨土壤基礎地力的提高而提高。土壤基礎地力貢獻率隨土壤養分含量的增加而提高。其中，土壤基礎地力貢獻率與氮肥回收利用率、氮肥農學效率、磷肥農學效率、鉀肥農學效率、土壤氮素依存率、土壤磷素依存率、土壤鉀素依存率的相關性達到極顯著水平（P＜0.01），與磷肥回收率、氮素生理利用率、鉀素生理利用率、磷肥偏生產力、鉀肥偏生產力的相關性達顯著水平（P＜0.05）。

早晚稻的氮肥施用量不同，而早晚稻的磷鉀肥施用量相同，導致氮肥農學效率和偏生產力與土壤基礎地力貢獻率擬合方程的決定系數（R2）與磷、鉀肥擬合方程的決定系數不一致（表5）。進一步分析相同氮肥施用量條件下氮肥農學效率與土壤基礎地力貢獻率的關系發現：早稻氮肥農學效率（y）與土壤基礎地力貢獻率（x）擬合方程為 y=-0.4296x+52.061，n=9，R2=0.8502**；晚稻擬合方程為 y=-0.2965x+39.272，n=9，R2=0.9232**；早稻氮肥偏生產力（y）與土壤基礎地力貢獻率（x）擬合方程為 y=0.21x+49.622，n=9，R2=0.4084；晚稻擬合方程為y=0.2743x+35.315，n=9，R2=0.7748**。表明在同一施氮水平下，氮肥偏生產力也隨著土壤基礎地力的提高顯著或極顯著提高。

3　討論

3.1長期不同施肥對雙季稻田土壤基礎地力的影響

長期不同施肥模式對農田土壤基礎地力的變化有著重要影響，長期平衡施肥和長期有機無機肥配合施用有利于土壤基礎地力提升，長期不施肥則會導致土壤基礎地力下降［12］。貢付飛等［2］發現在冬小麥-夏玉米輪作制度下 18年連續施用 NPK 肥、NPK 配施有機肥、NPK 配施秸稈基礎地力產量分別增加29.6%、42.4% 和 53.7%，而長期不施肥則導致基礎地力產量下降；黃欠如等［13］通過 23年長期施肥試驗研究發現長期不施肥紅壤性水稻土地力貢獻率在試驗前 10年以較快速率下降，之后地力貢獻率呈上升趨勢，但第 23年仍較第 1年的地力貢獻率降低9.4%。本研究的結果也表明，長期不同施肥模式下的土壤基礎地力存在顯著差異，與 33年不施肥處理相比，長期施 NPK 肥土壤早、晚稻基礎地力產量、基礎地力貢獻率均顯著提高，而長期 NPK 肥配施稻草的提高效果更為顯著。這證明長期均衡施用 NPK肥，尤其是有機無機肥長期配合施用是維持和提高土壤基礎地力的重要措施。

表5　肥料利用率、土壤養分依存率（y）與土壤基礎地力貢獻率（x）的直線回歸（n=18）Table 5　Linear regression of fertilizer use efficiency and soil nutrient dependency（y）with the soil fertility contribution rate（x）

3.2土壤不同基礎地力的雙季水稻產量效應

地力因素是制約糧食單產提高的主要因素之一，土壤地力水平不但影響不施肥地塊產量（基礎地力產量），對施肥條件下的產量也有很大影響。夏圣益［14］認為基礎地力高的土壤作物獲得高產的潛力大，而基礎地力低的土壤只有在較高施肥水平下才能獲得較高的產量。因此，對于水稻生產來講，通過稻田土壤基礎地力的培育，既可以提高基礎地力產量，也可提高正常施肥水平下的水稻產量。本研究結果表明，無論施肥與否，3 個長期不同施肥處理土壤早、晚稻產量均表現為 NPKS＞NPK＞CK。這一結果也表明，在同一目標產量水平下，基礎地力高的土壤的施肥量低于基礎地力低的土壤，說明通過土壤基礎地力的培育和提升可以在達到保證作物產量目標的同時適當降低肥料施用量，因此，通過培肥土壤，提高耕地質量和土地生產力，實現 “藏糧于地”。

3.3土壤基礎地力和長期不同施肥模式對水稻氮磷鉀養分吸收利用效率的影響

施肥的直接目的是作物增產，但通過施肥實現糧食高產穩產的同時，還要兼顧養分資源的優化管理及養分高效利用。長期不同施肥模式對作物養分吸收有重要影響，陳磊等［15］研究表明，與不施肥相比，長期施化肥或化肥與有機肥配施能極顯著地促進作物氮、磷、鉀吸收；冀建華等［16］發現黃泥田上25年施 NPK 肥雙季稻累計吸氮量較長期不施肥處理大幅度提高；朱霞等［17］通過在黑土區研究發現化肥與有機肥長期配施顯著提高土壤供氮能力，增加植株吸氮量。本研究的結果也表明，長期施 NPK 肥或 NPK肥配施稻草有利于提高早、晚稻植株氮、磷、鉀養分吸收量，在 33年不同施肥處理土壤上種植水稻，無論施肥與否，3 個長期不同施肥處理土壤上早、晚稻籽粒和地上部氮、磷、鉀養分吸收量均表現為NPKS＞NPK＞CK，這進一步表明長期均衡施肥，尤其是有機無機肥長期配合施用不僅能維持雙季水稻較高產量，還對作物養分吸收具有促進作用。

不同研究者對長期不同施肥影響作物養分吸收利用效率的看法不一致，羅照霞等［18］研究認為與施NPK 化肥相比，長期 NPK 化肥與有機肥配施降低了氮、鉀肥回收利用率，與單施 N 或 NP 肥相比，NPK 配施則提高氮肥回收利用率；高靜等［19］研究我國 6 種旱地上種植小麥發現，長期平衡施用 NPK 化肥和有機無機肥配施對提高磷肥回收率效果顯著；羅龍皂等［20］認為在黃壤上長期有機肥和化肥混施可提高氮肥利用率，且 NPK 肥配施提高鉀肥利用率的效果優于有機肥和化肥配施。導致這些研究結果不一致的原因可能與土壤類型、作物種類及具體的施肥處理設置差異等原因有關，同時也由于這些研究結論一般是采用長期定位試驗的施肥處理與對照處理的試驗數據計算得出養分利用效率，通常情況下長期試驗對照是處于養分長期耗竭下的對照，而不是經過多年水肥培育后形成當前基礎地力水平土壤的當季對照，因而也不能真實地反映當前基礎地力土壤條件下的作物養分利用率。本研究采集 33年不同施肥處理的 3 個處理土壤進行盆栽試驗，能更客觀地揭示土壤經過多年水肥培育形成不同基礎地力后，對作物養分利用效率的影響。本試驗結果表明，相同施肥量條件下，土壤基礎地力高的土壤早、晚稻氮、磷、鉀肥偏生產力，土壤養分依存率，氮、磷、鉀素收獲指數也較高，氮、磷、鉀肥回收利用率，肥料農學效率，肥料對產量的貢獻率則較低。這表明土壤基礎地力越高，氮磷鉀養分供應能力越強，作物對肥料養分的依賴性減小。因此，通過多年水肥培育，土壤基礎地力提升到較高水平后可適當減少肥料投入，在達到維持作物高產穩產目的的同時提高肥料利用效率。

土壤在長期連續不同施肥過程中基礎地力發生變化，形成不同地力水平，將 33年不同施肥模式土壤作為一個整體研究土壤基礎地力，使水稻產量隨基礎地力“水漲船高”效應現象變得直觀和容易理解，規避了土壤基礎地力變化的復雜化學行為。當前大部分長期定位試驗的面積不大，尤其是我國南方水田長期定位試驗，采用裂區法將對農藝操作帶來諸多不便，也會對長期定位試驗造成破壞，通過采集長期不同施肥措施下的土壤進行施肥與不施肥的對比盆栽試驗，研究長期不同施肥措施下土壤基礎地力變化和氮磷鉀養分吸收利用效率差異及其相互關系顯得更為現實。因此，研究長期施肥管理措施下土壤基礎地力演變過程中或發生變化后的作物氮磷鉀養分吸收利用效率對土壤基礎地力的響應，無論對于土壤不同基礎地力水平下作物施肥量的確定，還是基礎地力培育和提升適宜程度的衡量均有指導意義；但對33年三種施肥模式下土壤基礎地力的動態變化機制，基礎地力定向培育與合理施肥量的關系，土壤基礎地力構成的土壤養分有效性時間長短或穩定性等均有待今后進一步研究。

4　結論

經過連續 33年66 季水稻長期不同施肥后，紅壤性水稻土基礎地力發生明顯變化，長期不施肥（CK）、長期施 NPK 肥（NPK）和長期 NPK 肥配施稻草（NPKS）3 個處理土壤的基礎地力產量和基礎地力貢獻率均表現為 NPKS＞NPK＞CK。長期施 NPK 肥或長期 NPK 肥配施稻草均有利于土壤基礎地力的提高，且長期 NPK 肥配施稻草的提升效果更明顯。

無論施肥或不施肥，早晚稻產量均隨土壤基礎地力的提高而增加。基礎地力高的土壤上作物獲得高產的潛力大。目標產量相同時基礎地力高的土壤所需施肥量較低，而基礎地力低的土壤對肥料養分的依賴性較強，只有在較高施肥水平下才能獲得較高的產量。

氮、磷、鉀肥回收利用率，農學效率，氮、磷、鉀生理利用率均隨土壤基礎地力的提高而降低，氮、磷、鉀肥偏生產力，土壤氮、磷、鉀養分依存率均隨土壤基礎地力的提高而提高。土壤基礎地力越高，土壤本身氮磷鉀養分供應能力越強，作物對肥料養分的依賴性越小，在較高的土壤基礎地力條件下生產可適當減少肥料施用量，也可滿足作物高產穩產，同時提高肥料利用效率。

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Effects of long-term fertilization on basic soil productivity and nutrient use efficiency in paddy soils

LIAO Yu-lin1，2，LU Yan-hong1，2，NIE Jun1，2*，XIE Jian1，2，ZHOU Xing1，YANG Zeng-ping1，2
（1 Soil and Fertilizer Institute of Hunan Province， Changsha 410125， China； 2 Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation in Hunan， Ministry of Agriculture of China， Changsha 410125， China）

【Objectives】This paper is to study the effects of long-term fertilization on basic soil productivity（BSP）， NPK nutrient use efficiency and their relationship in reddish paddy soil under double-cropping rice system.【Methods】A pot experiment based on a long-term fertilizer application was conducted. Three treatments of long-term fertilization were designed including no fertilizer， NPK application and NPK plus rice straws to monitor the impacts of these treatments on yield， BSP（basic soil productivity）yield， BSP contribution rate， NPK absorption rate by rice plants， NPK use efficiency of double-cropping rice， and to analyze the response of NPK use efficiency to BSP contribution rate.【Results】The order of BSP yield and BSP contribution rate for the three treatments was: NPKS＞NPK＞CK. The BSP yield and BSP contribution rate in double-season rice were increased by 113.8% and 93.7%， respectively， in the NPKS comparing to those in the CK and increased by 100.7% and 81.9%， respectively， in the NPK comparing to the CK. At the same fertilizer application rate， NPFP（N partial factor productivity）， PPFP（P partial factor productivity）， KPFP（K partial factor productivity）， SNDR（soil N dependent rate）， SPDR（soil P dependent rate）， SKDR（soil K dependent rate）， NHI（N harvest index）， PHI（P harvest index）and KHI（K harvest index）in the NPKS treatment soil were relatively higher comparing to other treatments， whereas NRE（N recovery efficiency）， PRE（P recovery efficiency）， KRE（K recovery efficiency），NAE（N agronomic efficiency）， PAE（P agronomic efficiency）， KAE（K agronomic efficiency）and FCR（fertilizer contribution rate）in the NPKS treatment were relatively lower in the three treatments. NRE， PRE， NAE， PAE，KAE， NPE（N physiology efficiency）and KPE（K physiology efficiency）decreased significantly with the increase of BSPCR（contribution rate of basic soil productivity to yield）， while NPFP， PPFP， KPFP， SNDR， SPDR， SKDR increased significantly with the increasing of BSPCR.【Conclusions】Long-term chemical fertilizers application（NPK）， especially long-term chemical fertilizer application combined with rice straw（NPKS）could significantly increase the basic soil productivity. In soils with high basic soil productivity， fertilizer application rate can be reduced under the premise of keeping high or stable crop yield and increasing fertilizer use efficiency.

long-term fertilization； paddy soil； basic soil productivity； nutrient use efficiency

S153.6

A

1008-505X（2016）05-1249-10

2015-07-20接受日期：2015-11-29

日期：2016-05-04

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）項目（2011CB100501）；國家“十二五”科技支撐計劃項目（2012BAD05B05，2013B AD07B11）；國際植物營養研究所（IPNI）項目（Hunan-17）資助。

廖育林（1975—），男，湖南新化人，博士，副研究員，主要從事植物營養與施肥原理方面的研究。

E-mail：ylliao2006@126.com。* 通信作者 E-mail：junnie@foxmail.com