王偉妮,魯劍巍*,陳 防,魯明星,李 慧,李小坤

(1華中農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院,湖北武漢430070;2中國科學院武漢植物園,湖北武漢430074;3湖北省土壤肥料工作站,湖北武漢430070)

湖北省是水稻主產(chǎn)區(qū),全省水稻種植面積占糧食總播種面積的50%以上,產(chǎn)量占70%,商品量占80%[1],水稻生產(chǎn)好壞直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效和農(nóng)民增收。施肥是稻作栽培體系中不可或缺的環(huán)節(jié),在水稻增產(chǎn)、農(nóng)民增收、農(nóng)業(yè)增效上發(fā)揮著重要的作用。然而,長期以來,湖北省水稻生產(chǎn)中普遍存在施肥狀況不清、施肥效果不明的問題,導(dǎo)致施肥不合理的現(xiàn)象時有發(fā)生。主要表現(xiàn)在氮肥用量偏高、氮磷鉀比例不合理等方面;同時還有相當部分田塊各種養(yǎng)分用量不足的問題存在[2]。肥料的不合理施用,以及近幾年持續(xù)上漲的化肥價格,導(dǎo)致了水稻產(chǎn)量及經(jīng)濟效益徘徊不前甚至下降,挫傷了農(nóng)民的種糧積極性。為了解近幾年湖北省水稻合理施肥的增產(chǎn)、增收現(xiàn)狀,明確施肥的作用并研究和推廣應(yīng)用科學施肥技術(shù),2006年至2008年在湖北省17個縣(市、區(qū))分別布置了早、中、晚稻的田間肥效試驗,研究在當前生產(chǎn)條件下平衡施用氮、磷、鉀肥對水稻產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的影響,明確當前生產(chǎn)條件下施肥對水稻產(chǎn)量的貢獻率及肥料的農(nóng)學利用率情況,以期為解決水稻施肥不合理的問題和為湖北省水稻高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2006至2008年在湖北省團風、浠水、武穴 、黃梅 、黃陂 、大冶 、鄂州 、孝昌 、天門 、仙桃 、洪湖 、荊州、赤壁、麻城、安陸、曾都、沙洋共 17個縣(市、區(qū))布置水稻田間試驗251個,其中早稻試驗54個,中稻試驗136個,晚稻試驗61個。各試驗點的土壤類型均為水稻土,供試土壤的基本性狀見表1。

供試水稻品種均為目前適應(yīng)各地生產(chǎn)的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種,其中早稻主要是金優(yōu)402、鄂早18、中優(yōu)974、原豐 1號等;中稻主要有Ⅱ優(yōu)838、兩優(yōu)培九、揚兩優(yōu)6號、崗優(yōu)725等;晚稻主要是中九優(yōu)288、金優(yōu)928、鄂晚17號、金優(yōu)207等。早稻試驗前茬作物為晚稻或油菜,中稻前茬為油菜,晚稻前茬為早稻。

各地試驗均設(shè):不施肥對照(CK)和氮、磷、鉀肥配施(NPK)2個處理。所有試驗點NPK處理的肥料用量如表2所示。氮肥用尿素(含N 46%),磷肥用過磷酸鈣(含P2O512%),鉀肥用氯化鉀(含K2O 60%)。其中氮肥60%作基肥,40%作追肥(均分兩次追施),磷、鉀肥全作基肥。試驗小區(qū)面積20 m2,3次重復(fù),隨機區(qū)組排列。

表1 供試土壤的基本性狀Table 1 Some basic properties of soils in field experiments

表2 早、中、晚稻的施肥量(kg/hm2)Table 2 Fertilizer application rate design of early,mid and late-season rice

1.2 測定項目與方法

各小區(qū)產(chǎn)量采用單收單打測產(chǎn)。

土壤養(yǎng)分:在每季水稻移栽前,各試驗取表層(0—20 cm)土壤樣品測定土壤pH、有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量。土壤pH用電位法,有機質(zhì)用外加熱重鉻酸鉀容量法,堿解氮用1.0 mol/L NaOH擴散法,速效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法,速效鉀用1mol/L NH4OAc浸提—火焰光度法進行測定[3]。

肥料貢獻率與農(nóng)學利用率的計算[2,4-6]:

肥料貢獻率(Fertilizer contribution rate,FCR)=(施肥區(qū)產(chǎn)量-無肥區(qū)產(chǎn)量)/施肥區(qū)產(chǎn)量×100%;

肥料農(nóng)學利用率(Agronomic efficiency,AE)=(施肥區(qū)產(chǎn)量-無肥區(qū)產(chǎn)量)/(施N量+施P2O5量+施K2O量)。

肥料與稻谷平均價格的計算:因不同年份及不同地點的肥料價格與稻谷價格各不相同,故在考慮不同年份及不同地點試驗數(shù)目的基礎(chǔ)上,加權(quán)計算肥料和稻谷的平均價格。計算步驟如下:

首先將每一年所有試驗點的肥料及稻谷價格求平均值;然后求出每一年試驗數(shù)目與三年試驗數(shù)目的比值,該比值即每年肥料及稻谷價格的權(quán)重;最后將每一年肥料及稻谷的平均價格與相應(yīng)年份的權(quán)重相乘,所得三年的乘積之和即為2006～2008年的肥料及稻谷平均價格。

試驗數(shù)據(jù)用EXCEL進行計算處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 早、中、晚稻施肥的增產(chǎn)效果研究

2006至2008年,在湖北省布置的251個試驗中,平衡施用氮、磷、鉀肥對早、中、晚稻產(chǎn)量的影響(表3)可以看出,CK處理的稻谷產(chǎn)量變幅在1295～9267 kg/hm2之間,施用氮、磷、鉀肥后的稻谷產(chǎn)量在3050～11635 kg/hm2之間,說明施用氮、磷、鉀肥可以顯著提高水稻產(chǎn)量。目前湖北省早、中、晚稻不同試驗點的施肥效果差異很大,其中施肥增產(chǎn)量最小值為135 kg/hm2,最大值為6650 kg/hm2;增產(chǎn)率最小值為1.9%,最大值為166.2%。另外,不同季節(jié)水稻的產(chǎn)量結(jié)果變幅較大,若不考慮施肥對產(chǎn)量的影響,僅就水稻類型而言,中稻的產(chǎn)量明顯高于早稻和晚稻,這可能是湖北省近年來中稻種植面積遠遠大于早稻和晚稻的原因之一。

表3 早、中、晚稻的施肥增產(chǎn)效果Table 3 Effect of fertilizer application on early,mid and late-season rice yields

將早、中、晚稻的增產(chǎn)量和增產(chǎn)率分別劃分5個等級,計算每個等級下增產(chǎn)量和增產(chǎn)率的試驗點百分比,進一步了解目前湖北省早、中、晚稻施肥的增產(chǎn)量和增產(chǎn)率頻率分布情況。從圖1A、B可以看出,早稻在增產(chǎn)量處于2000～ 3000 kg/hm2之間最高,其試驗點分布頻率為40.7%,而且有16.7%的試驗增產(chǎn)量超過了3000 kg/hm2;另外,超過一半的試驗增產(chǎn)率達到了50%以上,其中增產(chǎn)率大于100%的試驗占11.1%。中稻有36.8%的試驗增產(chǎn)量集中在2000～3000 kg/hm2之間,有28.0%的試驗增產(chǎn)量超過了3000 kg/hm2;近1/3的試驗增產(chǎn)率大于50%。晚稻在增產(chǎn)量處于1000～2000 kg/hm2之間的分布頻率最高,為45.9%;增產(chǎn)率大于50%的試驗占27.9%?？梢?湖北省水稻平衡施用氮、磷、鉀肥的增產(chǎn)效果明顯,且早稻和中稻的施肥效果優(yōu)于晚稻。

2.2 早、中、晚稻施肥的經(jīng)濟效益研究

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不應(yīng)只單純追求水稻的最高產(chǎn)量,更應(yīng)該注重施肥對水稻經(jīng)濟效益的影響(表4)。251個試驗 CK處理的產(chǎn)值范圍是1877～ 14457 Yuan/hm2,NPK處理的產(chǎn)值范圍是 4422～ 18151 Yuan/hm2。與施肥對水稻產(chǎn)量的影響類似,不同試驗點的施肥效益(即水稻產(chǎn)值扣除肥料成本)變異范圍也很大。最大值為 9042 Yuan/hm2,最小值為-1087 Yuan/hm2,說明有少數(shù)試驗出現(xiàn)了增產(chǎn)不增收的現(xiàn)象。但總的來說,水稻施肥可以顯著提高經(jīng)濟效益,且中稻的施肥效益明顯高于早稻和晚稻。

分析湖北省早、中、晚稻施肥的經(jīng)濟效益頻率分布情況(圖2A),發(fā)現(xiàn)早稻在施肥效益處于2000～3000 Yuan/hm2之間的頻率最高,為29.6%,而且有14.8%的試驗施肥效益大于3000 Yuan/hm2;中稻有22.8%的試驗施肥效益集中在 1000～ 2000 Yuan/hm2之間,超過1/3的試驗施肥效益大于3000 Yuan/hm2;晚稻在施肥效益處于0～1000 Yuan/hm2之間的分布頻率最高,為32.8%。另外,早、中、晚稻分別有9.3%、5.9%和11.5%的試驗施肥效益為負值,即施肥后的稻谷產(chǎn)量雖然有所增加,但扣除肥料成本后的經(jīng)濟效益反而低于不施肥處理。

圖1 早、中、晚稻施肥增產(chǎn)量和增產(chǎn)率頻率分布圖Fig.1 Frequency distributions of yield increase and increase rates with fertilizer in early,mid and late-season rice

表4 早、中、晚稻的施肥增收效果(Yuan/hm2)Table 4 Effect of fertilizer application on early,mid and late-season rice profits

產(chǎn)投比即為NPK處理的產(chǎn)值與肥料成本的比值。圖2B看出,早稻和晚稻的產(chǎn)投比主要集中在5.0～ 9.0之間,其分布頻率分別為 64.8%和72.2%;而中稻有60.3%的試驗產(chǎn)投比集中在7.0～11.0之間,且有11.0%的試驗產(chǎn)投比大于13.0。結(jié)果表明,與早稻和晚稻相比,中稻施肥的產(chǎn)投比相對較高,可以獲得更高的經(jīng)濟效益。

圖2 早、中、晚稻施肥效益和產(chǎn)投比頻率分布圖Fig.2 Frequency distributions of net profits and VCR with fertilizer in early,mid and late-season rice

2.3 早、中、晚稻的肥料貢獻率與農(nóng)學利用率研究

肥料貢獻率是反映年投入肥料的生產(chǎn)能力的指標[4]。把CK處理的產(chǎn)量視為土壤(地力)對產(chǎn)量的貢獻,以其為基準進行相關(guān)計算(表5)。從表中看出,肥料對水稻產(chǎn)量的貢獻率變幅較大,在1.9～62.4%之間;而3種不同季節(jié)水稻的肥料貢獻率平均值大約均為30%,即相對應(yīng)的地力貢獻率大約為70%。分析圖3A發(fā)現(xiàn),早稻在肥料貢獻率≤20%區(qū)間的試驗點最多,占27.8%,且有35.2%的試驗肥料貢獻率＞40%;中稻和晚稻在肥料貢獻率20～30%區(qū)間的試驗點最多,分布頻率分別為34.6%和37.7%,在＞40%區(qū)間的試驗點分別占17.6%和13.1%。

農(nóng)學利用率也叫農(nóng)藝利用率,它表示施用肥料的每千克N、P2O5、K2O增產(chǎn)稻谷的能力,指作物施肥后增加的產(chǎn)量與施肥量的比值[5-7]。本文計算氮、磷、鉀肥農(nóng)學利用率所用的施肥量為氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥用量之和。分析表5,湖北省水稻氮、磷、鉀肥農(nóng)學利用率的變幅在 0.5～ 21.2 kg/kg之間,中稻的農(nóng)學利用率相對較高,這與其施肥后的增產(chǎn)量較大有關(guān)。圖3B為農(nóng)學利用率的頻率分布狀況,早、中、晚稻在農(nóng)學利用率3～6 kg/kg區(qū)間的試驗點最多,分布頻率分別為33.3%、33.8%和37.7%,而且分別有29.7%、32.4%和13.1%的試驗農(nóng)學利用率大于9 kg/kg。

表5 早、中、晚稻的肥料貢獻率與農(nóng)學利用率Table 5 Fertilizer contribution rate and agronomic efficiency of early,mid and late-season rice

圖3 早、中、晚稻肥料貢獻率和農(nóng)學利用率頻率分布圖Fig.3 Frequency distributions of fertilizer contribution rate and AE on early,mid and late-season rice

3 討論與結(jié)論

本研究的目的是了解平衡施用氮、磷、鉀肥對水稻產(chǎn)量和經(jīng)濟效益的影響,因此,在確定每個試驗的肥料用量時考慮到了湖北省水稻生產(chǎn)中的不合理施肥問題,基本保證了每個試驗氮、磷、鉀肥的合理施用。湖北省2003年和2004年農(nóng)戶施肥情況為:早、中、晚稻肥料用量分別為N 170～ 182、178～179、172～191 kg/hm2,P2O554～66、91～103 、17～32 kg/hm2,K2O 38～ 65 、45～72、49～86 kg/hm2[2]。與本試驗設(shè)計的肥料平均用量(表3)相比,早、中、晚稻的農(nóng)戶習慣施N量均高于本研究的平均施N量,而習慣施K2O量均低于本研究的平均施K2O量。說明本試驗設(shè)計是在合理施肥的基礎(chǔ)上研究水稻的施肥效果及肥料利用效率。

水稻產(chǎn)量的穩(wěn)定增長受諸多因素影響[8],如水分的管理[9]、品種的選用、病蟲害的防治[10]及氮、磷、鉀肥的平衡施用[11]等。其中,平衡施用氮、磷、鉀肥是確保水稻高產(chǎn)的有效措施之一,它通過改善水稻的經(jīng)濟性狀提高水稻產(chǎn)量[12-14]。本研究表明,目前湖北省早、中、晚稻在不同縣(市、區(qū))的施肥效果差異很大,但 251個試驗的產(chǎn)量結(jié)果均表現(xiàn)為NPK ＞CK,即早 、中、晚稻施用氮、磷、鉀肥后的產(chǎn)量都有不同程度的增加。盡管有20個試驗因基礎(chǔ)土壤養(yǎng)分含量豐富或氣候環(huán)境、栽培條件等的影響,施肥后稻谷的增產(chǎn)量較低,出現(xiàn)了增產(chǎn)不增收的現(xiàn)象,但其余231個試驗施肥后的增產(chǎn)、增收效果明顯。NPK處理與CK處理相比,每公頃最多可增產(chǎn)6650 kg,扣除肥料成本后的純收入最高為9042元。說明在湖北省水稻生產(chǎn)中,氮、磷、鉀肥平衡施用技術(shù)應(yīng)該進行大面積的推廣應(yīng)用。

水稻生產(chǎn)不僅受施肥措施限制,而且對不同的生長季節(jié)響應(yīng)也不一致。本研究中,3種不同季節(jié)水稻施肥后的增產(chǎn)、增收效果均表現(xiàn)為中稻＞早稻＞晚稻。與CK處理相比,NPK處理早、中、晚稻每公頃分別增產(chǎn)2153、2445和1908 kg,分別增收1691、2413和1413元,表明水稻的施肥效果具有季節(jié)性差異。中稻增產(chǎn)效果最好可能是因為其全生育期最長,個體生長量大,增產(chǎn)量相對最高;早稻和晚稻的生育期均較短,早稻施肥效果優(yōu)于晚稻的原因可能是栽種早稻的土壤通過一季休閑后,土壤中各種養(yǎng)分的有效性提高,而晚稻是在早稻收獲之后立即耕種,時間間隔較短,不利于土壤中各種有效養(yǎng)分含量的增加[15]。

申建波等[2]指出,土壤的基礎(chǔ)肥力越高,作物的生產(chǎn)潛力就越大,越容易獲得高產(chǎn),如果土壤肥力水平較低,即使通過合理的施肥也難以獲得更高的產(chǎn)量。湖北省2005年水稻生產(chǎn)的肥料貢獻率為35%,地力貢獻率為65%[2]。本文研究的2006～2008年水稻的肥料貢獻率為 29.4%,地力貢獻率為70.6%,與2005年相比,地力貢獻率有所提高,說明土壤的肥力水平比以前有所提高。可能是因為近幾年在湖北省開展的測土配方施肥行動[16]與秸稈還田工程[17]提高了稻田土壤的肥力水平,在很大程度上提高了土壤地力對水稻產(chǎn)量的貢獻率。

本研究看出,湖北省不同試驗點的肥料農(nóng)學利用率差異很大,最低僅為0.5 kg/kg,最高可達21.2 kg/kg;3種類型水稻的農(nóng)學利用率大小順序為中稻＞早稻＞晚稻。在水稻實際生產(chǎn)中,氮、磷、鉀肥配施能夠增加稻谷產(chǎn)量,提高經(jīng)濟效益,但并不是“施肥越多,產(chǎn)量就越高”。施肥過量反而會導(dǎo)致肥料利用率的下降,并造成一系列的環(huán)境問題[18-20]。因此,應(yīng)根據(jù)各地實際情況調(diào)整肥料用量,合理施肥,以實現(xiàn)水稻高效生產(chǎn)的目的。

[1]湖北省統(tǒng)計局.農(nóng)村統(tǒng)計年鑒[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,1990-2003.Hubei Statistics Bureau.Rural statistical yearbook[M].Beijing:China Statistics Press,1990-2003.

[2]申建波,張福鎖.水稻養(yǎng)分資源綜合管理理論與實踐[M].北京:中國農(nóng)業(yè)大學出版社,2006.23,205,236-263.Shen J B,Zhang F S.Theory and practice of nutrient resources management on rice[M].Beijing:China Agricultural University Press,2006.23,205,236-263.

[3]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2000.30-107.Bao S D.Soil agricultural-chemical analysis[M].Beijing:China A-gricultural Press,2000.30-107.

[4]宇萬太,趙鑫,張璐,馬強.長期施肥對作物產(chǎn)量的貢獻[J].生態(tài)學雜志,2007,26(2):2040-2044.Yu W T,Zhao X,Zhang L,Ma Q.Contribution of long-term fertilization to crop yield[J].Chin.J.Ecol.,2007,26(2):2040-2044.

[5]吳萍萍,劉金劍,周毅,等.長期不同施肥制度對紅壤稻田肥料利用率的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學報,2008,14(2):277-283.Wu P P,Liu J J,Zhou Y et al.Effects of different long term fertilizing systems on fertilizer use efficiency in red paddy soil[J].Plant Nutr.Fert.Sci.,2008,14(2):277-283.

[6]彭少兵,黃見良,鐘旭華,等.提高中國稻田氮肥利用率的研究策略[J].中國農(nóng)業(yè)科學,2002,35(9):1095-1103.Peng S B,Huang J L,Zhong X H et al.Research strategy in improving fertilizer-nitrogen use efficiency of irrigated rice in China[J].Sci.Agric.Sin.,2002,35(9):1095-1103.

[7]Yadav R L.Assessing on-farm efficiency and economics of fertilizerN,P and K in rice wheat systems of India[J].Field Crop Res.,2003,81:39-51.

[8]Haefele S M,Wopereis M C S,Ndiaye M K et al.Internal nutrient efficiencies,fertilizer recovery rates and indigenous nutrient supply of irrigated lowland rice in Sahelian West Africa[J].Field Crop Res.,2003,80:19-32.

[9]龔少紅,崔遠來,黃介生,李亞龍.不同水肥處理條件下水稻生理指標及產(chǎn)量變化規(guī)律[J].節(jié)水灌溉,2005,(2):1-4.Gong S H,Cui Y L,Huang JS,Li Y L.Change law of physiological indices and yield for paddy rice under different water and nitrogen supply[J].Water Sav.Irrig.,2005,(2):1-4.

[10]曾憲軍,彭建偉,張素芬,等.新型農(nóng)用藥肥對水稻施用效果的研究[J].湖南農(nóng)業(yè)科學,2004,(3):32-33,39.Zeng X J,Peng J W,Zhang S F et al.A Study on the effect of new agricultural officinal-fertilizer on rice[J].Hunan Agric.Sci.,2004,(3):32-33,39.

[11]周衛(wèi)軍,王凱榮,張光遠,謝小立.施肥進步在紅壤稻作區(qū)水稻增產(chǎn)中的貢獻及其對土壤肥力的影響[J].土壤通報,2002,33(3):197-201.Zhou W J,Wang K R,Zhang G Y,Xie X L.Contribution of fertilization development in rice-yieldincrease and effects on soil fertility in red paddy area[J].Chin.J.Soil Sci.,2002,33(3):197-201.

[12]程正娥.氮、磷、鉀肥配合施用對水稻的增產(chǎn)效果[J].耕作與栽培,1999,(6):53-54.Cheng Z E.Effect of N,P and K fertilizer combined application on rice grain yield[J].Till.Cult.,1999,(6):53-54.

[13]汪森富,陳洪亮,劉輝.氮、磷、鉀平衡施用對水稻產(chǎn)量及化肥利用率的影響[J].耕作與栽培,2002,(3):38-39.Wang S F,ChenH L,Liu H.Effect of balance applying N,P and K on rice and fertilizeruse efficiency[J].Till.Cult.,2002,(3):38-39.

[14]王義芳,梅桂芳,丁波,等.氮、磷、鉀不同配比對水稻產(chǎn)量及其性狀的影響[J].大麥與谷類科學,2007,(4):46-48.Wang Y F,Mei G F,Ding B et al.Effects of different rational ratio of N,P and K fertilizer on yield and yield characters of rice[J].Barley Cereal Sci.,2007,(4):46-48.

[15]李成亮,何園球,王艷玲,劉曉利.氮、磷、鉀肥對紅壤區(qū)水稻增產(chǎn)效應(yīng)的影響[J].中國水稻科學,2007,21(2):179-184.Li C L,He Y Q,Wang Y L,Liu X L.Effect of N,P and K fertilizer application on rice grain yield in red paddy soil[J].Chin.J.Rice Sci.,2007,21(2):179-184.

[16]向習軍,吳躍明,王建平,等.測土配方施肥技術(shù)研究與應(yīng)用[J].湖南農(nóng)業(yè)科學,2006,(3):73-74,76.Xiang X J,Wu Y M,Wang J P et al.Research and application of soil testing and fertilizer recommendations technology[J].Hunan A-gric.Sci.,2006,(3):73-74,76.

[17]徐國偉,吳長付,劉輝,等.秸稈還田與實地氮肥管理對水稻產(chǎn)量及品質(zhì)的影響[J].中國農(nóng)學通報,2006,22(10):209-215.Xu G W,Wu C F,LiuH et al.Effect of straw residue returned and site-specific nitrogen management on yield and quality of rice[J].Chin.Agric.Sci.Bull.,2006,22(10):209-215.

[18]張福鎖,王激清,張衛(wèi)峰,等.中國主要糧食作物肥料利用率現(xiàn)狀與提高途徑[J].土壤學報,2008,45(5):915-924.Zhang F S,Wang J Q,Zhang W F et al.Nutrient use efficiencies of major cereal crops in China andmeasures for improvement[J].Acta Pedol.Sin.,2008,45(5):915-924.

[19]Zeng S C,Su Z Y,Chen B G et al.Nitrogen and phosphorus runoff losses from orchard soils in South China as affected by fertilization depths and rates[J].Pedosphere,2008,18(1):45-53.

[20]Cui Z L,Chen X P,Li J L et al.Effect of N fertilization on grain yield of winter wheat and apparent N losses[J].Pedosphere,2006,16(6):806-812.