長期施肥對旱地谷子產量和養分利用效率的影響

王曉軍 孫玉琴 楊軍學 王勇 張曉娟 張尚沛 羅世武 李凱 程炳文

摘要：在長期定位試驗的基礎上，研究寧南旱作區谷子連作施肥對產量、土壤養分變化和利用效率的影響。結果表明，T4處理（施氮肥175.0 kg/hm2、磷肥112.5 kg/hm2、鉀肥90.0 kg/hm2）增產效果最好，產量為8 656.9 kg/hm2，總吸氮量也最大，比T3處理（施氮肥125.0 kg/hm2、磷肥75.0 kg/hm2、鉀肥60.0 kg/hm2）增加了2.6 g/kg，比T5處理（施氮肥225.0 kg/hm2、磷肥225.0 kg/hm2、鉀肥120.0 kg/hm2）增加了4.6 g/kg;T4處理的氮肥利用效率、氮肥偏生產力、氮肥農學效率、氮肥生產效率分別為38.57%、49.47 kg/kg、40.49 kg/kg、104.98 kg/kg，在不同施肥水平下的變化趨勢是不一致的;施肥明顯改變了耕層土壤養分的含量和土壤養分在剖面的分布，速效氮含量隨著施肥水平的增加而緩慢變化，在20 cm土層處，施肥處理的速效氮含量較CK增加了9.96%～26.55%。

關鍵詞：定位施肥試驗;谷子;土壤養分;養分利用效率;養分吸收量

中圖分類號：S515.062文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）21-0133-04

收稿日期：2018-07-25

基金項目：國家谷子高粱產業技術體系（編號：CARS-06-13.5-A18）。

作者簡介：王曉軍（1983—），男，寧夏西吉人，碩士，助理研究員，研究方向為植物營養與測土配方施肥。E-mail：1449820235@qq.com。

通信作者：程炳文，研究員，主要從事谷子糜子土壤與肥料研究。E-mail：792483123@qq.com。

寧夏南部山區屬于旱作農業雨養區域，水資源短缺、土壤肥力低下、土壤貧瘠是制約當地農業生產的主要因素[1-2]，水分、養分既是限制該區農業發展的主要因子，也是反映該區土壤質量變化的重要指標[3]。長期定位施肥試驗在研究耕地養分循環與管理、土壤肥力演變、作物需肥規律及平衡施肥等方面具有重要的科學價值和意義[4-5]，以長期定位試驗為手段，能夠對土壤質量的變化和發展趨勢、肥料效應及地力變化等進行系統研究[6]。賴慶旺等研究發現，長期施用化學肥料會破壞土壤結構，使土壤質量和土地生產能力下降[7];楊生茂等的研究表明，連續施用化肥可有效增加表層土壤有機碳[8-10];沈善敏等報道，長期定位試驗是全面了解農田生態系統的重要場所，能有效評估肥料利用率的高低，解釋施肥對土壤肥力和環境質量的影響因子，通過長期施肥能很好地培肥土壤，建立土壤養分庫[11-15]。本試驗通過7年的長期定位試驗，分析施用化肥對谷子產量、養分吸收及土壤肥力關系的影響，探討養分的利用效率，以期為完善寧夏旱作農業區合理培肥土壤技術、增加谷子產量、有效指導農業生產提供依據。

1材料與方法

1.1試驗區概況

試驗于2011年在寧夏農林科學院固原分院頭營科研基地（106°44′E、36°44′N）進行。海拔1 550 m，年降水量200～350 mm，冬春干旱，降水一般集中在7—9月，四季多風，年蒸發量為1 650 mm，≥10 ℃積溫為2 800～3 500 ℃，年無霜期為150～200 d。試驗地平坦，土壤類型為湘黃土，理化性質如下：速效磷含量38.5 mg/kg，速效鉀含量168 mg/kg，有機質含量7.38 g/kg，堿解氮含量66.0 mg/kg，全氮含量0.61 g/kg，全磷含量0.79 g/kg，全鉀含量14.6 g/kg，pH值8.63。前茬作物收獲后施入底肥，秋耕、耙耱。

1.2供試材料

供試材料為尿素（含46.4%N）、重過磷酸鈣（含43%P2O5）、硫酸鉀（含45% K2O）。供試品種為隴谷11號，于2014年4月10日播種，9月23日收獲。肥料于播前撒施后翻入土中，田間管理同大田。

1.3試驗設計

在長期定位試驗的基礎上，選擇2014年谷子連作施肥的5個處理（表1），2次重復，小區面積為30 m2（6 m×5 m）。

1.4測定項目與方法

分別于播種前和收獲后采集各處理0～100 cm的土壤樣品，每20 cm為1層，自然風干后，分別過1、0.25 mm篩，供測定養分分析用。土壤有機質含量用重鉻酸鉀外加熱法測定，土壤有機質含量=土壤有機碳含量×1.724;全氮含量用凱氏定氮法測定;速效氮含量用堿解擴散法測定;速效鉀含量用火焰光度計法測定;全鉀含量用NaOH熔融-火焰光度法測定;全磷含量用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定。植物樣品經H2SO4-H2O2消煮后，N含量采用凱氏定氮法測定;P含量采用鉬藍比色法測定;K含量采用火焰光度法測定[16]。測定結果以風干基表示。

1.5數據處理與分析

采用Excel 2007和DPS 2.0軟件進行數據統計和分析。

2結果與分析

2.1施肥對谷子產量的影響

由圖1可知，長期不同施肥處理對谷子產量影響顯著，T1處理（CK）谷子產量為1 570.8 kg/hm2，T4處理產量達到最大值，為8 656.9 kg/hm2，T4施肥條件比T1、T2（產量為3 275.0 kg/hm2）、T3（產量為5 399.4 kg/hm2）、T5（產量為6 874.2 kg/hm2）分別增產7 086.1、5 381.9、3 257.5、1 782.7 kg/hm2，增產率分別為451.11%、164.33%、6033%、25.93%，且達到極顯著水平。通過產量（y）與施肥量（x）之間的擬合公式y=-417.19x2+4 102.0x-2 561.7（r2=0884 4）可以看出，只有NPK各肥料之間達到最佳施肥處理才能獲得最高的產量和經濟效益，也符合報酬遞減規律。

2.2施肥對谷子養分吸收的影響

2.2.1施肥對谷子氮吸收量的影響

由表2可知，T2處理谷子籽粒氮吸收量最大，與其他處理相比差異顯著;T2、T3、T4、T5處理總吸氮量分別比CK增加了4.85%、-12.14%、1.94%、-2.91%。

（1）莖稈吸氮量，T2和T3處理與CK相比差異顯著，T2處理吸氮量為8.3 g/kg，比T3處理增加了247%，T5和T1處理之間差異不顯著，而與T2、T3處理之間差異顯著。（2）葉片吸氮量，T4處理吸氮量為15.1 g/kg，與其余各處理之間差異均達顯著水平，比T2處理增加了1527%，比T3處理增加了6.34%，比T5處理增加了20.80%。

2.2.2施肥對谷子磷吸收量的影響

由表2可知，谷子總吸磷量差異在各處理間達到顯著水平，T3處理谷子總吸磷量為15.0 g/kg，比T1處理增加31.58%，比T2處理增加7.91%，比T4處理增加了4.90%，比T5處理增加了26.05%。

（1）籽粒吸磷量，總體都有所增加，T4處理谷子籽粒吸磷量最大，為6.3 g/kg，較CK增加了43.18%，只有T5處理最低，為5.2 g/kg，較CK增加了0.8 g/kg。（2）莖稈吸磷量，T5處理谷子莖稈吸磷量最少，各處理間差異顯著，T4比T5處理增加了0.5 g/kg。（3）葉片吸磷量，T4處理葉片吸磷量為3.2 g/kg，較CK增加了0.9 g/kg。（4）根吸磷量，T3處理根吸磷量最大，為4.4 g/kg。

2.2.3施肥對谷子鉀吸收量的影響

由表2可知，谷子總吸鉀量最大的是T2處理，為111.0 g/kg，較T3處理增加了20.52%，較T4處理增加了17.21%。

（1）籽粒吸鉀量，T4和T5處理之間無顯著差異，較CK減少了18.31%，T3處理最大，為11.7 g/kg。（2）莖稈吸鉀量，T2處理最大，為46.9 g/kg，較CK增加了4.0 g/kg。（3）葉片吸鉀量，T3和T5處理較CK分別減少了22.78%、11.81%，T2處理葉片吸鉀量最大，為26.1 g/kg。（4）根吸鉀量，T1、T2、T5處理間無顯著差異，T3處理較CK減少了30.37%，T4處理較CK減少了13.33%。

2.3施肥對谷子土壤養分的影響

由表3可知，施肥對谷子土壤養分含量有明顯的影響。在同一施肥水平下，上層（0～20 cm）土壤養分含量明顯高于下層（20～40 cm），同時，在0～20 cm土層施氮磷鉀肥處理下土壤養分含量明顯高于CK。具體分析0～100 cm土壤剖面養分含量變化，可以看出施肥對不同深度土層養分的影響。

2.3.1土壤速效氮含量

由圖2可知，施肥對土壤耕層速效氮含量增加極為明顯，且隨著施肥量的增加變化幅度較大，在60 cm耕層處土壤養分含量快速下降，各處理的含量均高于CK?80 cm以下土壤速效氮含量減少?且變化基本趨于平緩，隨著施氮量的增加，土壤速效氮累積。

2.3.2土壤速效鉀含量

由圖3可知，施肥使土壤速效鉀含量增加明顯，在0～20 cm耕層土壤速效鉀含量較大（140～170 mg/kg，CK為137 mg/kg），施肥處理較CK增加2.19%～24.09%。隨著土壤深度的增加，60 cm耕層處土壤速效鉀含量變化基本一致。

2.3.3土壤全氮含量

由圖4可知，施肥顯著提高土壤耕層中全氮的含量。不同施肥處理下，隨著深度的增加，土壤全氮含量下降明顯，在60 cm耕層處土壤剖面全氮含量變化趨勢一致，各處理含量均高于CK，T2、T3、T4、T5處理分別比CK增加20.00%、33.33%、43.33%、16.67%，同樣在80 cm處，各施肥處理變化不大，但是CK卻有減少，主要是由于谷子在灌漿期急需大量養分，導致CK土壤全氮含量急劇減少。

2.3.4土壤全磷含量

由圖5可知，施肥增加了0～20 cm土層中全磷的含量，隨著施磷量的增加，耕層全磷累積量增

加，T2、T3、T4、T5處理分別比CK增加21.31%、22.95%、32.79%、18.03%。土壤全磷累積量（y）和施磷量（x）的關系為y=0.000 9x+3.168 3（r2=0.305 7），全磷含量在40 cm處快速下降，且呈現出穩定趨勢，說明施肥對40 cm土層以下全磷含量影響不大。

2.3.5土壤全鉀含量

由圖6可知，施肥對0～40 cm耕層中土壤全鉀含量影響較大，在不同施肥處理下，隨著深度的增加，土壤全鉀含量變化幅度較小，在40 cm耕層以下，各處理土壤全鉀含量較CK均有所增加，但是增加幅度不大。說明施鉀肥對40 cm以下耕層土壤全鉀含量影響不大。

2.3.6土壤有機碳含量

由圖7可知，不同施肥處理后土壤有機碳含量變化明顯，8年不施肥土壤貧瘠，土壤有機碳含量在0～20 cm深度僅為2.8 g/kg，而各施肥處理的有機碳含量均有不同程度的變化，在0～20 cm耕層，T2、T3、T4、T5處理較CK分別增加了96.07%、109.29%、95.00%、117.14%，在

20～40 cm 耕層，T2、T3、T4、T5處理較CK分別增加了58.12%、99.01%、132.51%、118.23%，60 cm耕層以下土壤有機碳含量變化不大，說明培肥對土壤有機碳含量增加方面的作用不容忽視。

2.4施肥對谷子肥料利用效率的影響

肥料利用率（nitrogen recovery efficiency，簡稱NRE）反映了作物對土壤中氮的利用程度。由表4可知，T3處理氮肥利用效率與T2、T4處理差異顯著，T5處理谷子對土壤中氮肥的回收利用效率最小，但是在長期施肥的情況下，由于基數偏高，所測氮肥利用效率已不能反映其現實的狀況[17-18]。

氮肥偏生產力（nitrogen partial factor productivity，簡稱NPFP）指單位投入的肥料氮所能生產的作物籽粒產量。由表4可知，試驗部分處理間差異不顯著，T4較T2、T3、T5處理分別僅增加了5.80、6.28、18.91 kg/kg。說明T5處理對氮肥偏生產力的影響較小。

氮肥農學效率是指單位施氮量對谷子籽粒產量增加的反映。表4表明，各處理之間氮肥農學效率差異顯著，T4處理的氮肥農學效率最高，分別較T2、T3、T5處理增加了17.77、9.87、16.92 kg/kg。

氮肥生理效率是指作物地上部吸收1 kg肥料中的氮所獲得的籽粒產量的增加量。表4顯示，試驗各處理間差異顯著，T2處理的氮肥生理效率最低，為20.05 kg/kg，僅占T3處理的10.48%，占T4處理的19.10%，占T5處理的3.78%。

通過以上分析可知，肥料利用率、氮肥偏生產力、氮肥農學效率、氮肥生理效率在不同施肥水平下的變化趨勢與產量變化是不一致的。T4處理的產量最大，為8 656.9 kg/hm2，然而T2處理氮肥利用效率最高，但產量不高，為3 275.0 kg/hm2，T5處理在施氮肥225.0 kg/hm2、磷肥225.0 kg/hm2、鉀肥120.0 kg/hm2 條件下的產量才達到6 874.2 kg/hm2，氮肥利用效率只有4.44%，說明高肥不一定能夠增加作物的產量。

3結論與討論

氮磷鉀肥配合施用可明顯增加谷子產量，T4處理比不施肥增產7 086.1 kg/hm2，增產率為451.11%，比T5處理增產1 782.7 kg/hm2，通過產量與施肥量之間的擬合公式y=-417.19x2+4 102.0x-2 561.7（r2=0.884 4）可以看出，只有T4處理的NPK各肥料之間達到最佳施肥處理。

長期施肥明顯提高了谷子植株各個器官對氮、磷、鉀養分的吸收量，谷子籽粒吸氮量為18.1～21.6 g/kg，吸磷量為45.2～6.3 g/kg，吸鉀量為5.8～11.7 g/kg;谷子莖稈吸氮量為6.2～8.3 g/kg，吸磷量為1.4～2.5 g/kg，吸鉀量為40.7～46.9 g/kg;谷子葉片吸氮量為12.5～15.1 g/kg，吸磷量為2.3～3.0 g/kg，吸鉀量為18.3～26.1 g/kg。

從提高谷子產量、合理利用肥料的角度來看，氮肥利用效率這一指標具有實際意義[19]。但是，由于谷子收獲部位為籽粒，所以要綜合考慮氮肥利用率、氮肥偏生產力、農學效率和氮肥生理效率，這樣才能較準確地反映氮肥在谷子體內的吸收和利用狀況。本試驗中施氮肥75.0 kg/hm2、磷肥37.5 kg/hm2、鉀肥30.0 kg/hm2處理的氮肥利用率最高，但是產量卻最低，施氮肥175.0 kg/hm2、磷肥112.5 kg/hm2、鉀肥90.0 kg/hm2處理的氮肥利用率次之，產量最高，造成這一問題的原因有待進一步探索。

參考文獻：

[1]攝曉燕，謝永生，郝明德，等. 黃土旱塬長期施肥對小麥產量及養分平衡的影響[J]. 干旱地區農業研究，2009，27（6）：27-32.

[2]黨廷輝，高長青，彭琳，等. 長武旱塬輪作與肥料長期定位試驗[J]. 水土保持研究，2003，10（1）：61-64，103.

[3]Hayen S R J. Labile organic matter as an indicator of organic matter quality in arable and pastoral soils in New Zealand[J]. Soil Biology and Biochemistry，2000，32（2）：211-219.

[4]沈善敏. 長期土壤肥力試驗的科學價值[J]. 植物營養與肥料學報，1995，1（1）：1-9.

[5]徐明崗，于榮，孫小鳳，等. 長期施肥對我國典型土壤活性有機質及碳庫管理指數的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2006，12（4）：459-465.

[6]張淑香，張文菊，沈仁芳，等. 我國典型農田長期施肥土壤肥力變化與研究展望[J]. 植物營養與肥料學報，2015，21（6）：1389-1393.

[7]賴慶旺，李茶茍，黃慶海. 紅壤性水稻土無機肥連施與土壤結構特性的研究[J]. 土壤學報，1992，29（2）：168-174.

[8]楊生茂，李鳳民，索東讓，等. 長期施肥對綠洲農田土壤生產力及土壤硝態氮積累的影響[J]. 中國農業科學，2005，38（10）：2043-2052.

[9]林葆，林繼雄，李家康. 長期施肥的作物產量和土壤肥力變化[J]. 植物營養與肥料學報，1994（1）：6-18.

[10]李平儒. 長期不同施肥對塿土有機碳及活性碳的影響[D]. 楊凌：西北農林科技大學，2010.

[11]沈善敏. 中國土壤肥力[M]. 北京：中國農業出版社，1998.

[12]黨廷輝. 黃土旱塬區輪作培肥試驗研究[J]. 土壤侵蝕與水土保持學報，1998，4（3）：44-47，66.

[13]欽繩武，顧益初，朱兆良. 潮土肥力演變與施肥作用的長期定位試驗初報[J]. 土壤學報，1998，35（3）：367-375.

[14]劉杏蘭，高宗，劉存壽，等. 有機-無機肥配施的增產效應及對土壤肥力影響的定位研究[J]. 土壤學報，1996，33（2）：138-142，144-147.

[15]李科江，張素芳，賈文竹，等. 半干旱區長期施肥對作物產量和土壤肥力的影響[J]. 植物營養與肥料學報，1999，5（1）：21-25.

[16]鮑士旦. 土壤農化分析[M]. 3版. 北京：中國農業出版社，2000.

[17]張福鎖，王激清，張衛峰，等. 中國主要糧食作物肥料利用率現狀與提高途徑[J]. 土壤學報，2008，45（5）：915-924.

[18]趙云英，謝永生，郝明德. 施肥對黃土旱塬區黑壚土土壤肥力及硝態氮累積的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2009，15（6）：1273-1279.

[19]符建榮. 控釋氮肥對水稻的增產效應及提高肥料利用率的研究[J]. 植物營養與肥料學報，2001，7（2）：145-152.