長期不同施肥對甘蔗產量穩定性、肥料貢獻率 及養分流失的影響

區惠平，周柳強，黃金生，曾艷，朱曉暉，謝如林，譚宏偉，黃碧燕

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長期不同施肥對甘蔗產量穩定性、肥料貢獻率 及養分流失的影響

區惠平1，周柳強1，黃金生1，曾艷1，朱曉暉1，謝如林1，譚宏偉2，黃碧燕3

（1廣西農業科學院農業資源與環境研究所，南寧 530007；2廣西農業科學院，南寧 530007；3廣西壯族自治區農業生態與資源保護總站，南寧 530000）

【目的】分析長期不同施肥對甘蔗產量穩定性、肥料貢獻率及氮磷養分地表徑流流失的影響，明確其對甘蔗產量、肥料利用及環境效應，為南方赤紅壤蔗區合理施肥，維持甘蔗高產、穩產及降低環境污染，改善農田生態系統質量提供依據。【方法】以長期肥料徑流定位監測試驗為基礎，選取不施肥（CK）、推薦施肥（OPT）、過量施氮（OPT+N）、過量施磷（OPT+P）4個處理，分析甘蔗蔗莖8年產量變化、肥料貢獻率及氮磷地表徑流流失量。【結果】在種植的前4年，CK處理甘蔗蔗莖產量急劇下降，之后保持在50 t·hm-2并趨于平衡。施肥處理不同年份間波動性較大，但在相同年份內波動較小。與CK相比，施肥顯著提高甘蔗蔗莖產量和穩定性，8年平均，蔗莖產量施肥處理增幅均高達70%以上。施肥處理下，蔗莖產量OPT與OPT+P處理差異不顯著，但顯著高于OPT+N處理。蔗莖產量穩定性三者間均差異不顯著。蔗地地力貢獻率在試驗前4年急劇下降，肥料貢獻率急劇上升。之后，兩者均基本穩定在50%左右。肥料貢獻率及肥料農學利用率OPT處理均顯著高于或相當于OPT+N和OPT+P處理。施肥顯著提高氮磷養分地表徑流流失量。過量施入氮磷肥顯著增加相應氮磷流失量，但對氮（磷）肥徑流流失率無顯著影響。【結論】長期過量施入氮磷化肥不僅沒有增產、穩產優勢，還造成養分流失。推薦施肥是南方赤紅壤蔗區兼顧甘蔗高產穩產、高肥料貢獻率及低養分流失的較好施肥模式。

氮肥；磷肥；甘蔗產量；穩定性；肥料貢獻率；養分流失

0 引言

【研究意義】農田生態系統的高產、穩產、高效、環境友好是國家糧食安全與可持續發展的關鍵。但在農業生產活動中，肥料施用仍存在許多不合理現象，造成作物產量穩定性差、肥料利用率低、資源浪費、養分流失和面源污染等一系列問題。因此，探討田塊尺度上作物產量、肥料利用及環境效應對合理施肥具有重要意義。【前人研究進展】在作物產量效應方面，冀建華等[1]采用AMMI模型分析25年定位施肥，發現均衡施化肥有效提高雙季稻產量及產量的穩定性。而32年連續不施肥，小麥產量穩定性差[2]。門明新等[3]采用多種穩定性指數方法分析7年定位試驗，發現小麥和玉米產量效應與施肥量有明顯相關性，但產量穩定性與施肥量無明顯關系，與氮、磷、鉀肥配比明顯相關。在地力貢獻率、肥料貢獻率及肥料農學利用率方面，門明新等[3]基于7年定位試驗，發現不施氮肥，土壤氮自然供給力第1年降到59%，第2年為43%，此后穩定在40%左右。不施磷肥，土壤磷自然供給力第1年降至72%，第3年為55%，之后保持在55%左右。不施鉀肥，土壤鉀自然供給力第1年降為93%，第3年76%，之后基本不變。朱洪勛等[4]研究發現，黃潮土地力貢獻率由1981年試驗初的76.2%降至1995年的34.4%。王定勇等[5]根據定位試驗，得出紫色土冬小麥地力貢獻率在46.2%—55.2%。貢付飛等[6]根據基礎地力產量模擬值與相應施肥實測產量模擬值的比值，計算出潮土冬小麥種植18年后NPK處理的地力貢獻率為42.5%。在養分徑流流失方面，大部分研究結果認為，施肥提高徑流液氮磷濃度，但氮磷流失負荷因不同的土壤類型、作物類型、氣候而異[7-9]。【本研究切入點】甘蔗是中國重要的糖料作物，其面積占全國常年糖料作物面積的85%以上[10]。廣西水熱條件豐富，是中國第一大甘蔗種植省區，無論是甘蔗栽培面積還是蔗糖產量占全國的比例均超過60%。但受地形條件的制約，70%以上的甘蔗種植在坡耕地[11]。甘蔗施肥量農戶間差異很大，平均純氮投入量370.5 kg?hm-2，其中，小于300 kg?hm-2的占37%，300—450 kg?hm-2的占40%，大于450 kg?hm-2的占23%。平均磷肥（P2O5）投入量166.5 kg?hm-2，小于150 kg?hm-2的占58%，150—225 kg?hm-2的占27%，大于225 kg?hm-2的占15%[12]。根據譚宏偉等[13]推薦的甘蔗施肥量，過量施入氮磷肥普遍存在。然而，過量施氮磷下引起的甘蔗產量、肥料農學利用率及環境的長期綜合效應不清楚。【擬解決的關鍵問題】通過對甘蔗不同施肥方式進行8年監測，從產量、肥料貢獻率、農學利用率及地表徑流氮磷養分流失系統分析在分別過量施入氮、磷肥用量的前提下，南方赤紅壤區甘蔗產量的穩定性及環境效應，進而明確推薦施肥下南方赤紅壤區農田生態系統質量的優劣，為田塊尺度上改進甘蔗-土壤系統內的養分調控，減少因過量施肥造成的養分資源浪費以及防治面源污染，促進蔗糖業持續發展奠定理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在廣西武鳴區廣西農業科學院里建基地（N 23°14′49.0″，E 108°2′50.2″）進行，試驗區地處亞熱帶，屬典型的濕潤季風氣候，海拔120 m，光熱資源充足，年均氣溫21.7℃，年均日照時數1 660 h，年均降雨量1 300 mm，降水量分布不均，多集中在7—9月。

1.2 供試材料

1.2.1 供試作物 種植的甘蔗品種2008—2010年為新臺糖22，2011—2013年為桂糖28，2014—2015年為桂糖29。

1.2.2 供試土壤 試驗地耕層土壤為赤紅壤，試驗開始前其理化性質為：pH（H2O）5.68，有機質20.1 g·kg-1，全氮0.85 g·kg-1，全磷0.12 g·kg-1，銨態氮5.58 mg·kg-1，硝態氮0.9 mg·kg-1，速效磷11 mg·kg-1，速效鉀53 mg·kg-1。

1.3 試驗設計

共設4個處理：（1）無肥處理（CK）；（2）推薦施肥（OPT）；（3）過量施氮（OPT+N），氮肥施用量為OPT處理的1.5倍，磷鉀肥施用量同OPT處理；（4）過量施磷（OPT+P），磷肥施用量為OPT處理的1.5倍，氮鉀肥施用量同OPT處理。3次重復，隨機排列。小區面積24 m2（長8 m，寬3 m），坡度5°。小區四周筑水泥作永久性田埂（寬12 cm，高40 cm，地下埋深30 cm），以減少水分在小區間串流、測滲。每個小區外對應1個獨立的容積為1.5 m3的徑流收集池（長3 m、寬1 m、深0.5 m），池內設有標尺桿，用于計量產流量。徑流池上蓋有蓋子，以防雨水進入徑流池。小區設置凹槽連通徑流收集池。

試驗始于2008年2月至2016年1月，共種植了8茬甘蔗。種植制度為1年新植蔗2年宿根蔗。其中，2008、2011和2014年均為新植年份，2009、2012和2015年為第一年宿根、2010和2013年為第二年宿根。新植時，按1 m行距種植，每小區種植3行，每行48段雙芽蔗莖節，品字型雙行種植。新植蔗于每年2月底種植，來年1月中下旬收獲，宿根蔗于每年2月底破壟，來年1月中旬收獲。

OPT處理氮磷鉀肥不實行統一定量，每年具體施肥量根據上茬土壤速效養分水平，甘蔗氮、磷、鉀養分吸收量及目標產量等因素調整（表1）。各處理施用的氮磷鉀肥均分別為尿素、鈣鎂磷肥（P2O518%）和氯化鉀。新植蔗氮鉀肥分3次施用，基肥、分蘗肥和伸長肥分別各占20%、30%和50%。宿根蔗氮鉀肥分2次施用，分蘗肥和伸長肥各占30%和70%。新植蔗和宿根蔗磷肥均做基肥一次施用。基肥施于甘蔗種植溝底，然后蓋層細土（5 cm），分蘗肥與伸長肥采用撒施方式施于種植溝兩旁，再培土。全生育期均無灌溉，為典型雨養農業。病蟲害管理與當地甘蔗種植保持一致。

表1 推薦施肥（OPT）處理的肥料施用量

1.4 測定項目與方法

1.4.1 蔗莖樣品的采集與測定 于收獲期將各小區的甘蔗全部平地收獲，脫葉，砍去尾梢，按實收株數測產蔗莖產量。

1.4.2 徑流水樣的采集和測定 在甘蔗生長周期內采集。原則上于每次降雨產流后當天采集徑流水樣，遇多天連續小雨，則在產生的徑流池水量達到徑流池體積的80%后，計算1次徑流量，但最大間隔一般不超過7 d。采樣前，先記錄徑流池內的徑流水面高度，然后用清潔工具充分攪勻徑流池中的徑流水，迅速用500 mL塑料瓶5 s內收集徑流池內水。取樣后，清洗徑流池內的泥沙，以備收集下次降雨后的徑流。徑流水樣帶回實驗室放入4℃冰箱保存，用于總氮（TN）和總磷（TP）測定。TN用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度計法測定[14]；TP用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法[15]測定。

1.4.3 計算方法 甘蔗產量穩定性分別以統計學上的變異系數（coefficient of variation，CV）和可持續產量指數（sustainable yield index，SYI）表示，CV越大說明產量穩定性越低，SYI指數越高則說明該系統的穩定性和可持續越好。計算公式分別為[2]：

土壤地力貢獻率、肥料貢獻率與農學利用率的計算[16-17]。

土壤地力貢獻率（%）=不施肥處理產量/施肥處理最高產量×100；

肥料貢獻率（%）=（施肥處理產量-不施肥處理產量）/施肥處理產量×100；

農學利用率（kg·kg-1）=（施肥處理產量-不施肥處理產量）/（施氮量+施磷量+施鉀量）×100；

肥料徑流流失率（%）=（施肥處理氮（磷）流失量-不施肥處理氮（磷）流失量）/施氮（磷）量×100。

1.5 數據分析

用Microsoft Excel 2007整理數據，DPS 7.5軟件分析數據，Origin 8.0軟件作圖。不同處理間多重比較采用Duncan新復極差法（= 0.05）。

2 結果

2.1 長期不同施肥下的甘蔗產量

由圖1可以看出，隨著種植年限的延長，在種植的前4年，CK處理甘蔗蔗莖產量急劇下降，后略有回升，并保持在50 t·hm-2，而施肥處理不同年份間的波動較大，呈鋸齒狀，但在相同年份內波動趨勢基本相同，即同時上升或下降。

由圖1還可以看出，OPT、OPT+N和OPT+P處理均比CK顯著提高甘蔗產量，8年平均蔗莖產量提高幅度分別為83.0%、72.6%和77.5%，增幅高達70%以上。說明該區獲得甘蔗高產必須施肥，施肥是提高蔗區土壤生產力的重要途徑。8年蔗莖平均產量，OPT處理與OPT+P處理相當，但顯著高于OPT+N處理，說明持續過量施入磷肥對產量無顯著影響，但過量施入氮肥會導致甘蔗減產。

2.2 長期不同施肥下的甘蔗蔗莖產量穩定性及可持續性

表2表明，甘蔗蔗莖產量的變異系（CV）以CK處理最大，顯著高于施肥處理。相反，施肥處理的SYI指數顯著高于CK處理。不同施肥處理（OPT、OPT+N和OPT+P）間的CV及SYI均無顯著差異。說明當施肥量充足的時候，過量施入氮磷肥對蔗莖產量的穩定性與可持續性無提高優勢。

表2 長期不同施肥對甘蔗蔗莖產量變異系數及可持續性產量指數的影響

數據后不同小寫字母表示不同處理在＜0.05水平上差異顯著。下同

The small letters in the table indicate the data in different treatments are significantly different at the level＜0.05. The same as below

2.3 長期不同施肥下的土壤地力貢獻率及肥料貢獻率

土壤地力貢獻率是反映土壤生產能力的指標，而肥料貢獻率是肥料對作物產量的貢獻率，把CK處理的產量視為土壤（地力）對產量的貢獻，以其為基準進行計算，反映年投入肥料的生產能力的指標[17]。圖2表明，土壤地力貢獻率在試驗的前4年由76.9%急劇下降至42.7%，之后回升至49.1%，并保持在50%左右浮動；長期施肥處理的肥料貢獻率與地力貢獻率呈顯著負相關（＜0.05），前4年由19.3%—23.1%急劇增加至56.7%—57.3%，3年后逐漸下降，6年后在47%范圍內波動平衡。可見，赤紅壤的養分供應能力隨著甘蔗種植年限的延長而下降，甘蔗產量對肥料的依賴作用逐漸增加，直至50%左右時趨于平衡。

圖柱上不同小寫字母表示不同處理在P＜0.05水平上呈顯著差異。下同

圖2 長期不同施肥對土壤地力貢獻率與肥料貢獻率的影響

圖2還可以看出，8年肥料平均貢獻率OPT處理與OPT+P處理均無顯著差異（＞0.05）。但顯著高于OPT+N處理（＜0.05）。說明過量施入磷肥對肥料的貢獻率影響不大，但過量施入氮肥降低了肥料貢獻率。

2.4 長期過量施入氮磷化肥的甘蔗肥料農學利用率

農學利用率是指單位施入養分量（N+P2O5+K2O）生產的經濟收獲物，反映了單位養分量增加作物產量的能力[17]。由表3可以看出，不同施肥處理肥料農學利用率的變幅為1.71—9.14 kg?kg-1。8年平均，OPT處理顯著高于OPT+N處理43.4%和OPT+P處理16.0%（＜0.05）。說明過量施入氮磷肥降低肥料農學利用率，降幅尤以過量施氮最大。

表3 長期不同施肥對甘蔗肥料農學利用率的影響

2.5 蔗地地表徑流氮磷流失量和肥料徑流流失率

由圖3可以看出，與CK相比，施肥顯著提高蔗地地表徑流氮磷流失量（＜0.05），施肥處理8年氮平均流失量和磷平均流失量分別顯著提高123%—195%和64%—117%。施肥處理下，氮流失量以OPT+N處理最高，顯著高于OPT+P和OPT處理（＜0.05），而OPT+P處理不同年份或顯著高于或相當于 OPT處理。磷流失量以OPT+P處理最高，8年平均分別高于OPT+N和OPT處理23.6%和32.0%（＜0.05），而OPT+N和OPT處理磷流失量相當，說明過量施入氮磷肥增加相應氮磷養分的地表徑流流失量。

從表4可以看出，施肥處理氮肥徑流流失率和磷肥徑流流失率基本保持在5%以下。除了2008和2013年，其他年份，OPT、OPT+N和OPT+P 3個處理氮肥徑流流失率和磷肥徑流流失率均無顯著差異。

3 討論

3.1 施肥與甘蔗產量

作物生產的主要目標是提高產量[18]。產量的年際波動圖可從時間上分析產量變化過程及趨勢。不施肥的作物產量是土壤基礎地力和環境的綜合表現，在一定環境中不施肥作物的產量變化可以反映土壤基礎地力演變狀況。本試驗結果顯示，CK處理在試驗前4年甘蔗蔗莖產量急劇下降，4年后雖略有波動，但年際波動較為緩和，這主要與土壤基礎地力的穩定性有關。眾多研究表明，有機質是土壤基礎地力的主要影響因素[6,19-20]，其易分解組分經過礦化和腐殖化形成的腐殖質穩定性高，分解緩慢。本研究中，由于土壤基礎地力處于中等水平（有機質20.1 g·kg-1），因此，在經過一定年限后，土壤基礎地力貢獻率仍可穩定在一個較高水平（50%）。另一方面，農田下墊面大氣氮沉降對作物產量的貢獻作用在不斷增強[21]。

圖3 長期不同施肥對蔗地地表徑流氮磷流失量的影響

表4 長期不同施肥對肥料徑流流失率的影響

3個施肥處理蔗莖產量年際波動均較為劇烈，呈鋸齒狀，但在相同年份內波動趨勢相同。將一個輪作年度內的甘蔗產量分別與月降雨量進行分析，發現新臺糖22的產量與9月份的降雨量呈極顯著相關，而桂糖28號與當年5月份的降雨量呈極顯著相關（數據未列出），因此，當施肥量充足的時候，甘蔗蔗莖產量的時間動態變化可能與不同甘蔗品種對生長季節的氣候敏感度不同有關。這在其他研究中已經得到證實[22-23]。

甘蔗年均產量差異可反映施肥對甘蔗產量影響的長期積累效果。試驗結果顯示，與CK相比，施肥均能顯著提高甘蔗蔗莖產量，說明施肥是南方赤紅壤蔗區甘蔗產量提高的關鍵。從8年甘蔗蔗莖的平均產量來看，OPT處理與OPT+P處理相當，但顯著高于OPT+N處理。說明過量施磷對甘蔗產量無顯著影響，但過量施氮會降低甘蔗產量。這與廖文華等[24]在潮褐土蔬菜上的研究結果一致，究其原因與土壤供磷強度有關。當土壤供磷水平較高或高于一定值時，增施磷肥會降低磷肥利用效率，引起作物無增產效應[25-26]。本研究中，OPT與OPT+P處理均能較CK顯著提升土壤速效磷含量，尤其OPT+P處理，磷在土壤中的累積量更大，土壤供磷強度增加，從而導致兩者產量無顯著差異。而過量施氮容易降低旗葉光合速率、群體冠層光合速率和作物生長速率從而抑制產量[27]。

綜合比較4個處理甘蔗蔗莖產量的穩定性和可持續性，CK的甘蔗蔗莖產量CV最大，SYI最小，而施肥則可有效降低CV，提高SYI。說明不施肥條件下甘蔗的抗逆性較差，易造成產量大幅波動，施肥則有利于降低環境、生物與人為因素等對產量的影響，維持該生態系統的穩定性[28]。施肥處理間的CV和SYI均無顯著差異，說明施肥雖然是增產的主要因素，但當施肥量已經充足的時候，過量施入氮磷肥并不增強蔗莖產量的穩定性。這與門明新等[3]的研究一致。

3.2 施肥與地力貢獻率、肥料貢獻率、肥料農學利用率

現代作物生產必須根據作物的施肥效應合理配置肥料資源，在保證作物高產的前提下，提高地力及肥料利用效率[17]。長期、多點、多區域的肥料試驗證明，肥料貢獻率及肥料農學利用率受作物類型、土壤條件、氣候、施肥措施和其他因素的影響[17,29]。本研究結果顯示，OPT處理與OPT+P處理8年肥料的平均貢獻率無顯著差異（＜0.05），但顯著高于OPT+N處理。肥料8年平均農學利用率OPT處理顯著高于OPT+N和OPT+P處理，說明長期高量施入氮磷肥不僅造成肥料貢獻率和農學利用率的下降，還可能成為環境污染的潛在威脅因子。

3.3 施肥與徑流養分流失、肥料徑流流失率

研究結果顯示，施肥對蔗地氮排放負荷的短暫性增加有很大的貢獻[8]。年施入N 94 kg?hm-2較180 kg?hm-2可顯著降低蔗地地表徑流氮損失[9]。土壤侵蝕是蔗地磷流失的一個重要機制，徑流水中89%的磷以顆粒態形式存在[30]。蔗地地表徑流水的水質與徑流沉淀物密切相關[31]。這些結果說明施肥可能通過作用于土壤肥力而影響徑流養分損失。

本研究結果表明，施肥顯著提高蔗地地表徑流氮磷流失量，尤其過量施入氮磷肥會顯著提高相應氮磷養分的徑流流失量。這主要是在同一氣候、土壤條件下，養分投入量是影響徑流水中氮磷養分濃度高低的主要原因[32]。本試驗結果還顯示，OPT、OPT+N和OPT+P處理的氮（磷）肥徑流流失率相當，即推薦施肥在氮（磷）流失量方面雖然比過量施氮和過量施磷處理顯著下降，但氮（磷）肥徑流流失率卻未有一致表現。原因是推薦施肥在降低氮（磷）流失量的同時相應降低了氮（磷）肥的投入量。

4 結論

長期推薦施肥有利于提高甘蔗產量及其穩定性，而過量施氮、過量施磷對甘蔗產量及其穩定性無顯著提高作用。相反，降低了肥料貢獻率和農學利用率，促進了相應養分的徑流流失量。因此，過量施氮和過量施磷不僅沒有增產、穩產優勢，還顯著造成資源浪費和養分流失。在南方赤紅壤蔗區，推薦施肥是一種兼顧甘蔗穩產高產和徑流養分流失低的較好施肥措施。

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（責任編輯 李云霞）

Effects of Long-Term Different Fertilization on Sugarcane Yield Stability, Fertilizer Contribution Rate and Nutrition Loss

OU HuiPing1, ZHOU LiuQiang1, HUANG JinSheng1, ZENG Yan1, ZHU XiaoHui1, XIE RuLin1, TAN HongWei2, HUANG BiYan3

(1Agricultural Resources and Environmental Research Institute, Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning 530007;2Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning 530007;3Agricultural Ecology and Resource Protection Central Station, Guangxi Autonomous Region, Nanning 530000)

【Objective】This study was conducted to explore the response of the sugarcane yield stability, fertilizer contribution rate and N, P loss in runoff under long-term different fertilization, with an aim to provide scientific references for establishing the optimal fertilization pattern and promoting the sustainable production of sugarcane as well as the quality of agroecosystem improvement.【Method】Four different fertilization treatments (non-fertilization (CK), optimum fertilization (OPT), application of 50% N increase based on OPT (OPT+N) and application of 50% P2O5increase based on OPT (OPT+P)) were chosen from an 8-years fertilization filed experiment. The changes of annual sugarcane stem yield, fertilizer contribution rate and N, P loss in runoff were investigated. 【Result】At the first 4 years of planting, sugarcane yield declined sharply, and then kept equilibrium around 50 t·hm-2, while fertilization treatments showed a fluctuation in different years, and kept the same trend in the same year. Fertilization significantly increased the sugarcane yield and its stability. With an average of 8 years, sugarcane yield under fertilizer treatments was 70% higher than that under CK. However, there was no significant increase between OPT and OPT+N treatments in sugarcane yield, while OPT was higher than OPT+N treatment. There was no significant difference among fertilizer treatments in sugarcane yield stability. The soil contribution rate in sugarcane field declined sharply at the first 4 years of planting, while fertilizer contribution rate showed the opposite trend, and then both of them basically stabled at around 50%. Both of fertilizer contribution rate and agronomic efficiency in OPT treatment were significantly higher than or equal to OPT+N and OPT+P treatments. Fertilization significantly increased N and P runoff loss. Excessive application of N and P fertilizer significantly increased the corresponding N and P loss, but not N (P) fertilizer loss rate. 【Conclusion】 Excessive application of N and P not only had no advantage in sugarcane yield and its stability, but also resulted in waste of resources and increase of nutrient loss. OPT treatment was a better fertilization model for high and stable yield of sugarcane, high fertilizer contribution rate and low nutrient loss.

N fertilizer; P fertilizer; sugarcane yield; stability; fertilizer contribution rate; nutrient loss

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.10.012

2017-06-27；

2017-09-30

農業部科技專項（201003014、201203030、201203021）、廣西農科院項目（2015JZ10、2015JM32、2015YT30、2015YT38）、桂科合14125008-2-156，廣西自然科技基金（2015GXNSFAA139098）

區惠平，E-mail：ouhuiping2006@163.com。通信作者譚宏偉，E-mail：hongwei_tan@163.com