我國籽實和飼草谷子土壤氮素豐缺指標和推薦施氮量

朱凱迪， 孫洪仁, 張吉萍, 冮麗華, 呂玉才, 王國軍, 魏登峰

(1. 北京理工大學外國語學院, 北京 102401； 2. 中國農業大學草業科學與技術學院, 北京 100193； 3. 北京六凱農業科技有限公司, 北京 100095； 4. 北京薯網農業科學研究院, 北京 100043； 5. 深圳六園企業發展有限公司, 廣東 深圳 518038；6. 敖漢旗惠隆雜糧種植農民專業合作社, 內蒙古 敖漢 024300)

谷子[Setariaitalic(L.) Beauv.]是起源于我國的古老農作物，具有耗水少、抗旱耐瘠、營養豐富均衡、糧飼兼用、農耕文明底蘊深厚等特征，是旱作生態農業的主栽作物。目前我國谷子種植面積近80萬hm2，產量近240萬t[1]。肥料是作物的“糧食”。高產優質的籽實和飼草谷子生產離不開合理施肥。施肥不足會導致產量和質量下降。施肥過量不僅會降低質量，而且還會引發倒伏和病害等，造成減產。科學施肥不僅可以提高谷子產量、質量和效益，而且能夠有效保護耕地、水系和大氣生態環境。因此，科學確定谷子施肥量對谷子生產具有重要意義。

R. H. Bray創建的土壤養分豐缺指標法在全世界的大多數國家得到了廣泛應用，是測土推薦施肥的經典和標準方法[2]。20世紀80年代，我國從三大作物開始進行作物土壤養分豐缺指標推薦施肥系統研究[3-4]，至今已經建立了諸如水稻、小麥、玉米等一些作物的若干區域土壤養分豐缺指標推薦施肥系統[5-7]。但針對谷子的相關研究十分薄弱，僅王紀澤等[8]對赤峰谷子土壤有效磷豐缺指標進行了初步研究。

建立作物土壤養分豐缺指標推薦施肥系統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度較小，難以支撐大規模土壤養分豐缺指標推薦施肥系統研究。近來，中國農業大學孫洪仁團隊創建了由“零散實驗數據整合法”、“土壤養分豐缺分級改良方案”及“養分平衡―地力差減法新應用公式”所構成的作物土壤養分豐缺指標推薦施肥系統研究新方法，有效地克服了上述科研投入強度不足問題，并成功建立了中國北方紫花苜蓿、中國南方甘蔗土壤、中國北方甜菜和中國農牧交錯帶燕麥養分豐缺指標推薦施肥系統[9-15]。

本研究擬采用作物土壤養分豐缺指標推薦施肥系統研究的新方法，開展我國谷子土壤氮素豐缺指標和推薦施氮量研究，旨在為我國谷子測土施肥提供科學依據。

1 材料與方法

搜集我國開展的籽實谷子、干草谷子和青貯谷子施氮實驗文獻。選擇含有土壤氮素含量(堿解氮、全氮或有機質)、施氮處理產量及缺氮處理產量(未施氮肥，其它養分施用量與施氮處理相同)的文獻，并提取這些研究數據。再借助式(1)計算籽實或飼草谷子缺氮處理相對產量。

R-N=Y-N÷YN

(1)

式中：R-N為缺氮處理相對產量，Y-N為缺氮處理產量，YN為施氮處理產量。

利用Excel軟件，選擇適當模型分別建立谷子缺氮處理相對產量與土壤堿解氮、全氮和有機質含量回歸方程。利用所得回歸方程和土壤養分豐缺分級改良方案[16]分別對土壤堿解氮、全氮和有機質進行豐缺級別的劃分。若出現外推數據，高低兩端各自至多保留1個。

采用“養分平衡—地力差減法新應用公式”[17-18]計算推薦施氮量。

FN=AN×(1-R-N)÷EN

(2)

式中：FN為推薦施氮量，AN為目標產量養分移出量，R-N為缺氮處理相對產量，EN為養分當季利用率。

以文獻為主要依據，確定籽實谷子、干草谷子和青貯谷子的單位經濟產量氮素移出量(N)依次為40,20 和7 kg·t-1[19-20]。

依據各地氣候條件、土壤狀況、谷子品種和栽培措施，結合相關文獻[21-62]將我國谷子產區3種形態經濟產品的單位面積目標產量分別設置7個檔次，籽實谷子為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；進而依次確定3種形態經濟產品的單位面積目標產量氮素移出量(N)，籽實谷子為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。

選取各個豐缺級別的缺素處理相對產量下限，用于該級別推薦施肥量計算。設置3個氮肥當季利用率，分別為30%，40%和50%。

2 結果與分析

2.1 我國谷子施氮實驗文獻及與土壤氮素豐缺指標研究相關信息

搜集到在我國開展的含有土壤堿解氮(或全氮和有機質)含量和缺氮處理的谷子施氮實驗文獻總計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]；盆栽實驗2篇[33,46]，余者為田間實驗。上述研究涉及縣域28個，品種至少45個，土壤類型至少19個。從上述文獻中分別提取出土壤堿解氮、全氮和有機質含量與缺氮處理和施氮處理產量數據139，120和146組，進而分別得到土壤堿解氮、全氮和有機質含量與缺氮處理相對產量配套數據139，120和146對。我國谷子施氮實驗文獻中與土壤氮素豐缺指標研究的相關信息列于表1。

表1 我國谷子施氮實驗文獻中與豐缺指標研究相關信息Table 1 The relevant information about rich-lack index from N fertilization experimental literature for millets in China

續表1

續表1

續表1

2.2 我國谷子土壤氮素含量與缺氮處理相對產量回歸方程

剔除少量明顯偏離群體數據對后，建立我國谷子土壤堿解氮、全氮和有機質含量與缺氮處理相對產量回歸方程如圖1和式(3)～(5)所示。回歸方程皆達到了極顯著水平(P<0.01)。

圖1 我國谷子缺氮處理相對產量與土壤養分含量相關性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 我國谷子土壤氮素豐缺指標

借助式(3)～(5)計算出缺氮處理相對產量100%，95%，90%，80%,……,10%對應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，土壤有機質含量依次為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。依據高端和低端分別至多保留1個外推數據原則，舍棄超出限額的外推數據，得到我國谷子土壤堿解氮、全氮和有機質豐缺指標如表2所示。

表2 我國谷子土壤堿解氮、全氮和有機質豐缺指標Table 2 The abundance-deficiency index of alkaline hydrolysis nitrogen,total nitrogen and organic matter for millets in China

2.4 我國谷子推薦施氮量

我國籽實谷子、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別的關系為線性負相關，豐缺級別越高，適宜施氮量越低，直至為零。谷子推薦施氮量與目標產量呈正相關關系，目標產量越高，推薦施氮量越高。谷子推薦施氮量與氮肥當季利用率呈線性負相關關系，氮肥當季利用率越低，推薦施氮量越高。當目標產量檔次、土壤養分豐缺級別和氮肥當季利用率一致時，籽實谷子、干草谷子和青貯谷子的推薦施氮量頗為接近。

表3 我國籽實谷子在不同目標產量以及不同氮肥當季利用率情形下不同豐缺級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 我國干草谷子在不同目標產量以及不同氮素當季利用率情形下不同豐缺級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 我國青貯谷子在不同目標產量以及不同氮素當季利用率情形下不同豐缺級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

當氮肥當季利用率40%時，目標產量3～7.5 t·hm-2籽實谷子第1～9級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；目標產量6～15 t·hm-2干草谷子第1～9級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；目標產量15～45 t·hm-2青貯谷子第1～9級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 我國谷子缺氮處理相對產量與土壤氮素含量回歸方程的建立

影響作物施肥反應的因素較多，如氣候、水分、土壤類型、耕作制度、環境脅迫等。為了解決這個問題，在土壤養分豐缺指標研究中，Bray[2]創造性地提出了缺素處理相對產量這一指標，用以替代反應作物施肥效果的絕對產量增加值。然而，缺素處理相對產量這一指標并非不受上述因素影響，只不過是與絕對產量增加值相比，所受影響相對較小而已。如果實驗研究數據量足夠大，則宜依據自然區域、土壤類型、耕作制度等進行分別研究。例如，澳大利亞[63-64]就是這樣做的，效果也很好。

土壤養分豐缺指標法創始人R. H. Bray[2]和我國的權威專家[3-4,65-66]，都認為作物缺素處理相對產量與土壤養分含量回歸方程的樣本數量宜在20個以上。澳大利亞規定作物缺素處理相對產量與土壤養分含量回歸方程的最小樣本數量不少于9個[67]。本研究樣本數量103～125個，符合基本要求。

關于實驗研究數據處理和取舍，澳大利亞[63-64,67]做出了頗為詳盡的規定。本研究的做法是，在利用Excel表制作缺氮處理相對產量與土壤氮素含量回歸關系圖的過程中，剔除少量明顯偏離群體數據。這樣做的優點是有利于最大限度的保證樣本數量。

澳大利亞[67]規定，作物缺素處理相對產量與土壤養分含量回歸方程的相關系數不得低于0.2，實踐上大多介于0.25～0.7之間。本研究所得回歸方程的相關系數為0.5左右，與其相符。

3.2 我國谷子土壤氮素豐缺指標

谷子土壤氮素豐缺指標研究未見報道。張福鎖等[20]將我國谷子土壤有機質最高級別下限(缺素處理相對產量95%)指標確定為20 g·kg-1，本研究之外推結果(52.4 g·kg-1)明顯高于該設定下限。我國玉米[5]、小麥[6]和水稻[7]缺氮處理相對產量100%對應的土壤有機質指標研究結果集中于30～60 g·kg-1，本研究之外推結果(81 g·kg-1)明顯高于上述研究結果。

我國玉米[5]、小麥[6]、水稻[7]、燕麥[13]和甘蔗[15]缺氮處理相對產量100%對應的土壤全氮指標范圍為2.0～5.0 g·kg-1，本研究結果(3.1 g·kg-1)在此范圍內。我國玉米[5]、小麥[6]、水稻[7]、燕麥[13]和甜菜[14]缺氮處理相對產量100%對應的土壤堿解氮指標范圍為150～600 mg·kg-1，本研究結果(250 mg·kg-1)亦在此范圍之內。

3.3 中國谷子推薦施氮量

張福鎖等[20]針對目標產量3～6 t·hm-2之北方旱地籽實谷子的推薦施氮量為0～240 kg·hm-2。本文引用谷子施氮實驗文獻[21-62]的推薦施氮量為35～400 kg·hm-2。當氮肥當季利用率為40%時，本研究第1～6級土壤的推薦施氮量與其大體相當。

干草谷子和青貯谷子推薦施氮量研究未見報道。本研究表明，當目標產量檔次、土壤養分豐缺級別和氮肥當季利用率一致時，籽實谷子、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谷子生產對包括氮素在內的養分需求差別不是很大，可以認定本干草谷子和青貯谷子推薦施氮量研究結果較為可靠。

4 結論

本研究成功建立了我國谷子缺氮處理相對產量與土壤氮素含量回歸方程，確定了我國谷子土壤氮素豐缺指標，給出了若干目標產量和氮肥利用率情形下不同氮素豐缺級別土壤的推薦施氮量，初步建立了我國籽實和飼草谷子土壤氮素豐缺指標推薦施肥系統，為我國谷子測土施氮奠定了科學基礎。