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长期施肥对旱地谷子产量和养分利用效率的影响

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王晓军孙玉琴杨军学王勇张晓娟张尚沛罗世武李凯程炳文

摘要：在长期定位试验的基础上，研究宁南旱作区谷子连作施肥对产量、土壤养分变化和利用效率的影响。结果表明，T4处理（施氮肥175.0 kg/hm2、磷肥112.5 kg/hm2、钾肥90.0 kg/hm2）增产效果最好，产量为8 656.9 kg/hm2，总吸氮量也最大，比T3处理（施氮肥125.0 kg/hm2、磷肥75.0 kg/hm2、钾肥60.0 kg/hm2）增加了2.6 g/kg，比T5处理（施氮肥225.0 kg/hm2、磷肥225.0 kg/hm2、钾肥120.0 kg/hm2）增加了4.6 g/kg;T4处理的氮肥利用效率、氮肥偏生产力、氮肥农学效率、氮肥生产效率分别为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趋势是不一致的;施肥明显改变了耕层土壤养分的含量和土壤养分在剖面的分布，速效氮含量随着施肥水平的增加而缓慢变化，在20 cm土层处，施肥处理的速效氮含量较CK增加了9.96%～26.55%。

关键词：定位施肥试验;谷子;土壤养分;养分利用效率;养分吸收量

中图分类号：S515.062文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）21-0133-04

收稿日期：2018-07-25

基金项目：国家谷子高粱产业技术体系（编号：CARS-06-13.5-A18）。

作者简介：王晓军（1983—），男，宁夏西吉人，硕士，助理研究员，研究方向为植物营养与测土配方施肥。E-mail：1449820235@qq.com。

通信作者：程炳文，研究员，主要从事谷子糜子土壤与肥料研究。E-mail：792483123@qq.com。

宁夏南部山区属于旱作农业雨养区域，水资源短缺、土壤肥力低下、土壤贫瘠是制约当地农业生产的主要因素[1-2]，水分、养分既是限制该区农业发展的主要因子，也是反映该区土壤质量变化的重要指标[3]。长期定位施肥试验在研究耕地养分循环与管理、土壤肥力演变、作物需肥规律及平衡施肥等方面具有重要的科学价值和意义[4-5]，以长期定位试验为手段，能够对土壤质量的变化和发展趋势、肥料效应及地力变化等进行系统研究[6]。赖庆旺等研究发现，长期施用化学肥料会破坏土壤结构，使土壤质量和土地生产能力下降[7];杨生茂等的研究表明，连续施用化肥可有效增加表层土壤有机碳[8-10];沈善敏等报道，长期定位试验是全面了解农田生态系统的重要场所，能有效评估肥料利用率的高低，解释施肥对土壤肥力和环境质量的影响因子，通过长期施肥能很好地培肥土壤，建立土壤养分库[11-15]。本试验通过7年的长期定位试验，分析施用化肥对谷子产量、养分吸收及土壤肥力关系的影响，探讨养分的利用效率，以期为完善宁夏旱作农业区合理培肥土壤技术、增加谷子产量、有效指导农业生产提供依据。

1材料与方法

1.1试验区概况

试验于2011年在宁夏农林科学院固原分院头营科研基地（106°44′E、36°44′N）进行。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，四季多风，年蒸发量为1 650 mm，≥10 ℃积温为2 800～3 500 ℃，年无霜期为150～200 d。试验地平坦，土壤类型为湘黄土，理化性质如下：速效磷含量38.5 mg/kg，速效钾含量168 mg/kg，有机质含量7.38 g/kg，碱解氮含量66.0 mg/kg，全氮含量0.61 g/kg，全磷含量0.79 g/kg，全钾含量14.6 g/kg，pH值8.63。前茬作物收获后施入底肥，秋耕、耙耱。

1.2供试材料

供试材料为尿素（含46.4%N）、重过磷酸钙（含43%P2O5）、硫酸钾（含45% K2O）。供试品种为陇谷11号，于2014年4月10日播种，9月23日收获。肥料于播前撒施后翻入土中，田间管理同大田。

1.3试验设计

在长期定位试验的基础上，选择2014年谷子连作施肥的5个处理（表1），2次重复，小区面积为30 m2（6 m×5 m）。

1.4测定项目与方法

分别于播种前和收获后采集各处理0～100 cm的土壤样品，每20 cm为1层，自然风干后，分别过1、0.25 mm筛，供测定养分分析用。土壤有机质含量用重铬酸钾外加热法测定，土壤有机质含量=土壤有机碳含量×1.724;全氮含量用凯氏定氮法测定;速效氮含量用碱解扩散法测定;速效钾含量用火焰光度计法测定;全钾含量用NaOH熔融-火焰光度法测定;全磷含量用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定。植物样品经H2SO4-H2O2消煮后，N含量采用凯氏定氮法测定;P含量采用钼蓝比色法测定;K含量采用火焰光度法测定[16]。测定结果以风干基表示。

1.5数据处理与分析

采用Excel 2007和DPS 2.0软件进行数据统计和分析。

2结果与分析

2.1施肥对谷子产量的影响

由图1可知，长期不同施肥处理对谷子产量影响显著，T1处理（CK）谷子产量为1 570.8 kg/hm2，T4处理产量达到最大值，为8 656.9 kg/hm2，T4施肥条件比T1、T2（产量为3 275.0 kg/hm2）、T3（产量为5 399.4 kg/hm2）、T5（产量为6 874.2 kg/hm2）分别增产7 086.1、5 381.9、3 257.5、1 782.7 kg/hm2，增产率分别为451.11%、164.33%、6033%、25.93%，且达到极显著水平。通过产量（y）与施肥量（x）之间的拟合公式y=-417.19x2+4 102.0x-2 561.7（r2=0884 4）可以看出，只有NPK各肥料之间达到最佳施肥处理才能获得最高的产量和经济效益，也符合报酬递减规律。

2.2施肥对谷子养分吸收的影响

2.2.1施肥对谷子氮吸收量的影响

由表2可知，T2处理谷子籽粒氮吸收量最大，与其他处理相比差异显著;T2、T3、T4、T5处理总吸氮量分别比CK增加了4.85%、-12.14%、1.94%、-2.91%。

（1）茎秆吸氮量，T2和T3处理与CK相比差异显著，T2处理吸氮量为8.3 g/kg，比T3处理增加了247%，T5和T1处理之间差异不显著，而与T2、T3处理之间差异显著。（2）叶片吸氮量，T4处理吸氮量为15.1 g/kg，与其余各处理之间差异均达显著水平，比T2处理增加了1527%，比T3处理增加了6.34%，比T5处理增加了20.80%。

2.2.2施肥对谷子磷吸收量的影響

由表2可知，谷子总吸磷量差异在各处理间达到显著水平，T3处理谷子总吸磷量为15.0 g/kg，比T1处理增加31.58%，比T2处理增加7.91%，比T4处理增加了4.90%，比T5处理增加了26.05%。

（1）籽粒吸磷量，总体都有所增加，T4处理谷子籽粒吸磷量最大，为6.3 g/kg，较CK增加了43.18%，只有T5处理最低，为5.2 g/kg，较CK增加了0.8 g/kg。（2）茎秆吸磷量，T5处理谷子茎秆吸磷量最少，各处理间差异显著，T4比T5处理增加了0.5 g/kg。（3）叶片吸磷量，T4处理叶片吸磷量为3.2 g/kg，较CK增加了0.9 g/kg。（4）根吸磷量，T3处理根吸磷量最大，为4.4 g/kg。

2.2.3施肥对谷子钾吸收量的影响

由表2可知，谷子总吸钾量最大的是T2处理，为111.0 g/kg，较T3处理增加了20.52%，较T4处理增加了17.21%。

（1）籽粒吸钾量，T4和T5处理之间无显著差异，较CK减少了18.31%，T3处理最大，为11.7 g/kg。（2）茎秆吸钾量，T2处理最大，为46.9 g/kg，较CK增加了4.0 g/kg。（3）叶片吸钾量，T3和T5处理较CK分别减少了22.78%、11.81%，T2处理叶片吸钾量最大，为26.1 g/kg。（4）根吸钾量，T1、T2、T5处理间无显著差异，T3处理较CK减少了30.37%，T4处理较CK减少了13.33%。

2.3施肥对谷子土壤养分的影响

由表3可知，施肥对谷子土壤养分含量有明显的影响。在同一施肥水平下，上层（0～20 cm）土壤养分含量明显高于下层（20～40 cm），同时，在0～20 cm土层施氮磷钾肥处理下土壤养分含量明显高于CK。具体分析0～100 cm土壤剖面养分含量变化，可以看出施肥对不同深度土层养分的影响。

2.3.1土壤速效氮含量

由图2可知，施肥对土壤耕层速效氮含量增加极为明显，且随着施肥量的增加变化幅度较大，在60 cm耕层处土壤养分含量快速下降，各处理的含量均高于CK?80 cm以下土壤速效氮含量减少?且变化基本趋于平缓，随着施氮量的增加，土壤速效氮累积。

2.3.2土壤速效钾含量

由图3可知，施肥使土壤速效钾含量增加明显，在0～20 cm耕层土壤速效钾含量较大（140～170 mg/kg，CK为137 mg/kg），施肥处理较CK增加2.19%～24.09%。随着土壤深度的增加，60 cm耕层处土壤速效钾含量变化基本一致。

2.3.3土壤全氮含量

由图4可知，施肥显著提高土壤耕层中全氮的含量。不同施肥处理下，随着深度的增加，土壤全氮含量下降明显，在60 cm耕层处土壤剖面全氮含量变化趋势一致，各处理含量均高于CK，T2、T3、T4、T5处理分别比CK增加20.00%、33.33%、43.33%、16.67%，同样在80 cm处，各施肥处理变化不大，但是CK却有减少，主要是由于谷子在灌浆期急需大量养分，导致CK土壤全氮含量急剧减少。

2.3.4土壤全磷含量

由图5可知，施肥增加了0～20 cm土层中全磷的含量，随着施磷量的增加，耕层全磷累积量增

加，T2、T3、T4、T5处理分别比CK增加21.31%、22.95%、32.79%、18.03%。土壤全磷累积量（y）和施磷量（x）的关系为y=0.000 9x+3.168 3（r2=0.305 7），全磷含量在40 cm处快速下降，且呈现出稳定趋势，说明施肥对40 cm土层以下全磷含量影响不大。

2.3.5土壤全钾含量

由图6可知，施肥对0～40 cm耕层中土壤全钾含量影响较大，在不同施肥处理下，随着深度的增加，土壤全钾含量变化幅度较小，在40 cm耕层以下，各处理土壤全钾含量较CK均有所增加，但是增加幅度不大。说明施钾肥对40 cm以下耕层土壤全钾含量影响不大。

2.3.6土壤有机碳含量

由图7可知，不同施肥处理后土壤有机碳含量变化明显，8年不施肥土壤贫瘠，土壤有机碳含量在0～20 cm深度仅为2.8 g/kg，而各施肥处理的有机碳含量均有不同程度的变化，在0～20 cm耕层，T2、T3、T4、T5处理较CK分别增加了96.07%、109.29%、95.00%、117.14%，在

20～40 cm 耕层，T2、T3、T4、T5处理较CK分别增加了58.12%、99.01%、132.51%、118.23%，60 cm耕层以下土壤有机碳含量变化不大，说明培肥对土壤有机碳含量增加方面的作用不容忽视。

2.4施肥对谷子肥料利用效率的影响

肥料利用率（nitrogen recovery efficiency，简称NRE）反映了作物对土壤中氮的利用程度。由表4可知，T3处理氮肥利用效率与T2、T4处理差异显著，T5处理谷子对土壤中氮肥的回收利用效率最小，但是在长期施肥的情况下，由于基数偏高，所测氮肥利用效率已不能反映其现实的状况[17-18]。

氮肥偏生产力（nitrogen partial factor productivity，简称NPFP）指单位投入的肥料氮所能生产的作物籽粒产量。由表4可知，试验部分处理间差异不显著，T4较T2、T3、T5处理分别仅增加了5.80、6.28、18.91 kg/kg。说明T5处理对氮肥偏生产力的影响较小。

氮肥农学效率是指单位施氮量对谷子籽粒产量增加的反映。表4表明，各处理之间氮肥农学效率差异显著，T4处理的氮肥农学效率最高，分别较T2、T3、T5处理增加了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肥料中的氮所获得的籽粒产量的增加量。表4显示，试验各处理间差异显著，T2处理的氮肥生理效率最低，为20.05 kg/kg，仅占T3处理的10.48%，占T4处理的19.10%，占T5處理的3.78%。

通过以上分析可知，肥料利用率、氮肥偏生产力、氮肥农学效率、氮肥生理效率在不同施肥水平下的变化趋势与产量变化是不一致的。T4处理的产量最大，为8 656.9 kg/hm2，然而T2处理氮肥利用效率最高，但产量不高，为3 275.0 kg/hm2，T5处理在施氮肥225.0 kg/hm2、磷肥225.0 kg/hm2、钾肥120.0 kg/hm2 条件下的产量才达到6 874.2 kg/hm2，氮肥利用效率只有4.44%，说明高肥不一定能够增加作物的产量。

3结论与讨论

氮磷钾肥配合施用可明显增加谷子产量，T4处理比不施肥增产7 086.1 kg/hm2，增产率为451.11%，比T5处理增产1 782.7 kg/hm2，通过产量与施肥量之间的拟合公式y=-417.19x2+4 102.0x-2 561.7（r2=0.884 4）可以看出，只有T4处理的NPK各肥料之间达到最佳施肥处理。

长期施肥明显提高了谷子植株各个器官对氮、磷、钾养分的吸收量，谷子籽粒吸氮量为18.1～21.6 g/kg，吸磷量为45.2～6.3 g/kg，吸钾量为5.8～11.7 g/kg;谷子茎秆吸氮量为6.2～8.3 g/kg，吸磷量为1.4～2.5 g/kg，吸钾量为40.7～46.9 g/kg;谷子叶片吸氮量为12.5～15.1 g/kg，吸磷量为2.3～3.0 g/kg，吸钾量为18.3～26.1 g/kg。

从提高谷子产量、合理利用肥料的角度来看，氮肥利用效率这一指标具有实际意义[19]。但是，由于谷子收获部位为籽粒，所以要综合考虑氮肥利用率、氮肥偏生产力、农学效率和氮肥生理效率，这样才能较准确地反映氮肥在谷子体内的吸收和利用状况。本试验中施氮肥75.0 kg/hm2、磷肥37.5 kg/hm2、钾肥30.0 kg/hm2处理的氮肥利用率最高，但是产量却最低，施氮肥175.0 kg/hm2、磷肥112.5 kg/hm2、钾肥90.0 kg/hm2处理的氮肥利用率次之，产量最高，造成这一问题的原因有待进一步探索。

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