高宏艷，索全義，鄭海春，郜翻身

（1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018；2 內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤肥料和節(jié)水農(nóng)業(yè)工作站，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010；3 內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010037）

構(gòu)建區(qū)域施肥管理體系是根據(jù)不同地域土壤養(yǎng)分狀況進(jìn)行精確施肥管理的重要途徑。根據(jù)土壤養(yǎng)分管理分區(qū)的情況，科學(xué)合理地確定肥料的投入量，不僅可以有效地提高肥料的利用率，促進(jìn)土壤生產(chǎn)潛力的發(fā)揮，而且還能夠提高作物產(chǎn)量和改善作物品質(zhì)[1-4]。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同研究區(qū)域進(jìn)行了大量的分區(qū)施肥管理研究，在土壤養(yǎng)分管理分區(qū)時(shí)，采用的方法和分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)各有不同，未形成統(tǒng)一的方法。以中小尺度為研究對(duì)象時(shí)，通常采用模糊c-均值聚類法、K均值聚類法等定量分析法[5-6]，而針對(duì)大尺度的施肥區(qū)劃多數(shù)是基于定性分析[7-8]，綜合考慮土壤、氣候等環(huán)境因素，并參考生態(tài)分區(qū)或種植業(yè)分區(qū)等區(qū)劃類型，而缺乏定量分析的理論支撐。研究表明，土壤養(yǎng)分管理分區(qū)可以有效區(qū)分土壤養(yǎng)分的空間變異性，可以將不同管理分區(qū)土壤養(yǎng)分的均值作為變量施肥的依據(jù)[9-10]。土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法是區(qū)域養(yǎng)分分級(jí)和分區(qū)的經(jīng)典方法，適合應(yīng)用于有大量田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)和土壤測(cè)試數(shù)據(jù)支撐的區(qū)域。根據(jù)不同作物、不同土壤養(yǎng)分條件確定最佳肥料用量的方法也多種多樣，大致可以分為基于土壤養(yǎng)分的推薦施肥方法和基于作物的推薦施肥方法兩大類[11]。最經(jīng)典的肥料推薦方法主要是肥料效應(yīng)函數(shù)法和目標(biāo)產(chǎn)量法，而肥料效應(yīng)函數(shù)法又是平衡施肥中廣泛應(yīng)用的一種方法，也是養(yǎng)分管理中確定推薦施肥量的常用方法[12-13]。

內(nèi)蒙古西遼河平原土壤肥沃，耕地面積廣，種植的主要糧食作物是玉米，素有“北方糧倉(cāng)”之稱[14]，對(duì)該區(qū)域土壤養(yǎng)分進(jìn)行分區(qū)管理是玉米科學(xué)施肥的基礎(chǔ)，也是摸清區(qū)域土壤養(yǎng)分特征的重要手段，對(duì)于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重要的意義[15]。但是，由于西遼河平原耕地面積大且地塊分散，不能實(shí)現(xiàn)每個(gè)地塊土壤養(yǎng)分的測(cè)試。土壤養(yǎng)分在空間分布上表現(xiàn)出一定的空間異質(zhì)性，而傳統(tǒng)的區(qū)域推薦施肥方法不能滿足空間數(shù)據(jù)分析的需要，存在一定的局限性，且缺少空間上的直觀展示效果?；谶@個(gè)原因，將GIS方法與土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法、肥料效應(yīng)函數(shù)法等經(jīng)典方法結(jié)合起來，劃分土壤養(yǎng)分的分級(jí)和制定準(zhǔn)確的施肥方案。本研究借助地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS手段，將分散的土壤點(diǎn)狀養(yǎng)分測(cè)試結(jié)果，賦值到面域，依托土壤養(yǎng)分的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行分區(qū)管理，并以大量的玉米“3414”肥料試驗(yàn)為基礎(chǔ)，采用土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法結(jié)合GIS方法，構(gòu)建了不同土壤養(yǎng)分分區(qū)的玉米施肥體系，旨在探索科學(xué)的區(qū)域施肥推薦方法和先進(jìn)的養(yǎng)分管理技術(shù)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)施肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)源

研究中數(shù)據(jù)為內(nèi)蒙古西遼河平原2009年15421個(gè)土壤樣品的堿解氮、有效磷、速效鉀測(cè)試數(shù)據(jù)和143個(gè)玉米“3414”試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分布于開魯縣 (Kailu Country，KL)、科爾沁區(qū) (Horqin District，HQ)、科爾沁左翼后旗 (簡(jiǎn)稱科左后旗，Horqin Left Back Banner，HLB)、科爾沁左翼中旗 (簡(jiǎn)稱科左中旗，Horqin Left Middle Banner，HLM)、奈曼旗 (Naiman Banner，NM)。以上數(shù)據(jù)均來自農(nóng)業(yè)農(nóng)村部測(cè)土配方施肥項(xiàng)目 (土壤采樣點(diǎn)分布見圖1)，“3414”試驗(yàn)點(diǎn)分布見圖2。

圖1 土壤采樣點(diǎn)分布圖Fig. 1 Distribution map of soil sampling points

圖2 試驗(yàn)點(diǎn)分布圖Fig. 2 Distribution map of test points

1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

1.2.1 經(jīng)濟(jì)最佳施肥量和最高產(chǎn)量施肥量的計(jì)算方法用Excel軟件作回歸分析，分別模擬143個(gè)玉米“3414”試驗(yàn)的氮、磷、鉀肥料用量 (純量) 和相應(yīng)處理玉米產(chǎn)量的一元二次效應(yīng)函數(shù)。將符合肥料報(bào)酬遞減律和一元二次函數(shù)曲線特點(diǎn)的方程，進(jìn)行邊際效應(yīng)分析，采用微分求導(dǎo)法[16]計(jì)算經(jīng)濟(jì)最佳施肥量和最高產(chǎn)量施肥量。

1.2.2 相對(duì)產(chǎn)量計(jì)算方法 相對(duì)產(chǎn)量是指在不施某種肥料時(shí)，作物單位面積的籽粒產(chǎn)量與施用所有肥料時(shí)單位面積產(chǎn)量的比值，常用百分?jǐn)?shù)來表示。研究中采用3種不同的方法計(jì)算相對(duì)產(chǎn)量，通過對(duì)比得出最優(yōu)相對(duì)產(chǎn)量。相對(duì)產(chǎn)量1 (RY1) 是肥料效應(yīng)函數(shù)中無肥區(qū)產(chǎn)量與最經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的比值；相對(duì)產(chǎn)量2(RY2) 是肥料效應(yīng)函數(shù)中無肥區(qū)產(chǎn)量與最高產(chǎn)量的比值；相對(duì)產(chǎn)量3 (RY3) 是無肥區(qū)產(chǎn)量與N2P2K2處理區(qū)產(chǎn)量的比值。

1.2.3 土壤養(yǎng)分空間插值方法 采用普通克里格插值法 (Ordinary Kriging)[17]對(duì)土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量進(jìn)行空間插值，該方法是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，通過對(duì)已知樣本點(diǎn)賦權(quán)重來求得未知樣本點(diǎn) (區(qū)域) 的值，其計(jì)算公式為：Z(χ0)=n∑i=1 λiZ(χi)，式中，Z(χ0) 是未知樣點(diǎn)χ0處的估計(jì)值，Z(χi) 是已知采樣點(diǎn) χi處的實(shí)測(cè)值，λi為第 i個(gè)已知采樣點(diǎn)對(duì)未知樣點(diǎn)的影響權(quán)重系數(shù)，n為搜索半徑內(nèi)已知采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

1.3 軟件平臺(tái)

應(yīng)用SPSS軟件和Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和散點(diǎn)圖的制作。應(yīng)用ArcMap 10.5軟件進(jìn)行GIS圖件制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 確定經(jīng)濟(jì)最佳施肥量和最高產(chǎn)量施肥量

通過玉米“3414”試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算經(jīng)濟(jì)最佳施肥量和最高產(chǎn)量施肥量，用于對(duì)比不同方法計(jì)算相對(duì)產(chǎn)量的差異以及為推薦區(qū)域施肥量提供點(diǎn)狀數(shù)據(jù)。按照等距離法將經(jīng)濟(jì)最佳施肥量和最高產(chǎn)量施肥量分別劃分為5個(gè)等級(jí)區(qū)間，統(tǒng)計(jì)不同等級(jí)區(qū)間分布的試驗(yàn)數(shù)量占比 (表1)。

由表1可知，西遼河平原玉米的經(jīng)濟(jì)最佳施N、P2O5、K2O量和最高產(chǎn)量施N、P2O5、K2O量均存在較大變幅，在不同的施肥量等級(jí)區(qū)間均有分布且分布不均，因此，需要對(duì)西遼河平原地區(qū)進(jìn)行分區(qū)施肥管理。

表1 不同產(chǎn)量目標(biāo)施肥量等級(jí)的試驗(yàn)數(shù)量占比Table 1 Proportion of test number at different levels of fertilizer

2.2 建立土壤有效養(yǎng)分的豐缺指標(biāo)

2.2.1 劃分相對(duì)產(chǎn)量等級(jí) 以往內(nèi)蒙古劃分土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)，將相對(duì)產(chǎn)量取值65%定為低級(jí)，相對(duì)產(chǎn)量取值90%定為高級(jí)[18]。經(jīng)過計(jì)算統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)相對(duì)產(chǎn)量小于70%和大于90%時(shí)，所對(duì)應(yīng)的土壤養(yǎng)分含量在實(shí)際中分布很少，沒有實(shí)際劃分意義。因此，我們將西遼河平原土壤有效養(yǎng)分的豐缺指標(biāo)調(diào)整為相對(duì)產(chǎn)量85%和75%。

2.2.2 土壤堿解氮、有效磷、速效鉀豐缺指標(biāo) 分別模擬3種不同方法確定的相對(duì)產(chǎn)量與各試驗(yàn)點(diǎn)的土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。

選擇F值和R2較大的函數(shù)關(guān)系式用于計(jì)算各養(yǎng)分的豐缺指標(biāo)。將75%、85%分別代入相對(duì)產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的函數(shù)關(guān)系式中，即得到了土壤堿解氮、有效磷、速效鉀的豐缺指標(biāo) (表2)。由表2可知，堿解氮 ≤ 69.5 mg/kg為低級(jí)，69.5～107.9 mg/kg為中級(jí)，＞107.9 mg/kg為高級(jí)。有效磷 ≤ 4.18 mg/kg為低級(jí)，4.18～10.40 mg/kg為中級(jí)，＞10.40 mg/kg為高級(jí)。速效鉀 ≤ 90.3 mg/kg為低級(jí)，90.3～152.5 mg/kg為中級(jí)，＞152.5 mg/kg為高級(jí)。

表2 不同相對(duì)產(chǎn)量劃分的土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)Table 2 Soil nutrient abundance index of different relative yields

2.3 建立經(jīng)濟(jì)最佳施肥量與土壤有效養(yǎng)分含量的施肥模型

各試驗(yàn)點(diǎn)經(jīng)濟(jì)最佳肥料用量與土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量存在對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系 (圖3)。

將土壤堿解氮、有效磷、速效鉀的豐缺指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的土測(cè)值分別代入到圖3 N、P2O5、K2O最佳施肥量的施肥模型中，可以得到相應(yīng)的N、P2O5、K2O的經(jīng)濟(jì)最佳肥料用量，根據(jù)內(nèi)蒙古西遼河平原土壤養(yǎng)分的極大值和極小值確定經(jīng)濟(jì)合理施肥的區(qū)間取值范圍 (表3)。

表3 不同豐缺指標(biāo)下玉米最佳N、P2O5、K2O肥料用量Table 3 Maize optimal fertilizer use under different ranges of soil nutrient content

圖3 玉米最佳氮磷鉀肥經(jīng)濟(jì)施用量與土壤養(yǎng)分含量的函數(shù)關(guān)系圖Fig. 3 The function relationship between optimal nutrient rate and soil available nutrient content

2.4 構(gòu)建區(qū)域施肥管理體系

將西遼河平原15421個(gè)土壤樣品的堿解氮、有效磷、速效鉀測(cè)試值進(jìn)行空間插值。按照土壤堿解氮、有效磷、速效鉀的豐缺指標(biāo)，對(duì)西遼河平原耕地土壤的堿解氮、有效磷、速效鉀含量水平進(jìn)行高、中、低等級(jí)的賦值。將耕地圖與行政區(qū)劃圖疊加，形成耕地土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量水平分布圖，并在Arcgis10.5軟件中進(jìn)行疊加處理，形成堿解氮、有效磷、速效鉀的豐缺水平組合圖。根據(jù)西遼河平原土壤氮磷鉀養(yǎng)分豐缺水平組合分布圖，將每個(gè)管理單元的土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量代入土壤測(cè)試值與最佳施肥量的函數(shù)關(guān)系式，得到每個(gè)管理單元玉米的最佳N、P2O5、K2O肥料用量。統(tǒng)計(jì)分析內(nèi)蒙古西遼河平原每種土壤氮磷鉀養(yǎng)分豐缺水平組合的平均N、P2O5、K2O肥料用量，將平均值作為該組合的N、P2O5、K2O肥料用量，并用不同的顏色顯示，生成了西遼河平原不同土壤養(yǎng)分分區(qū)玉米的N、P2O5、K2O最佳肥料用量圖(圖4)。

從圖4可以看出，西遼河平原耕地土壤養(yǎng)分狀況以低氮-中磷-中鉀的面積占比最高，為42.4%，即土壤堿解氮含量 ≤ 69.5 mg/kg、有效磷4.18～10.4 mg/kg、速效鉀90.3～152.5 mg/kg；其次是中氮-中磷-中鉀組合、中氮-中磷-高鉀組合、低氮-低磷-低鉀組合，耕地面積占比分別為14.1%、13.5%、10.2%，以上4種組合的面積占比之和為80.2%，其他14種組合的面積占比只有19.8%，說明內(nèi)蒙古西遼河平原耕地的整體養(yǎng)分狀況以這4種組合方式為主，且耕地土壤堿解氮、有效磷、速效鉀養(yǎng)分含量空間分布不均勻，需要根據(jù)耕地土壤的不同養(yǎng)分狀況進(jìn)行合理的推薦施肥。由圖4可知，該4種土壤養(yǎng)分組合模式下，種植玉米所需的最佳N、P2O5、K2O用量 (kg/hm2) 組合分別為202-110-58、168-107-57、164-102-47、218-130-68。

圖4 西遼河平原土壤養(yǎng)分分區(qū)及氮磷鉀肥料最佳用量Fig. 4 Soil nutrient zoning and the optimal fertilizer rate in Xiliao River Plain

3 討論

采用科學(xué)的方法對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行分區(qū)是養(yǎng)分管理最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。向德明等[19]采用GPS和模糊C-均值聚類相結(jié)合的方法，將湘西植煙區(qū)劃分為3個(gè)土壤養(yǎng)分管理區(qū)。張?jiān)瀑F等[20]將土壤無機(jī)氮、有效磷、速效鉀作為數(shù)據(jù)源，運(yùn)用聚類分析的方法對(duì)研究地塊進(jìn)行了養(yǎng)分管理分區(qū)。近年來，我國(guó)學(xué)者也有針對(duì)灌區(qū)農(nóng)作物使用豐缺指標(biāo)法進(jìn)行推薦施肥的研究[21-23]。付瑩瑩等[24]、劉芬等[25]采用豐缺指標(biāo)法和肥料效應(yīng)函數(shù)法建立了關(guān)中灌區(qū)夏玉米、冬小麥的豐缺指標(biāo)體系，并確定了不同肥力水平下的平均推薦施肥量。土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法是國(guó)際上最通用的測(cè)土配方施肥方法[26-27]，也是中國(guó)進(jìn)行測(cè)土配方施肥工作所形成的較為成熟的方法之一。本研究中將傳統(tǒng)方法與GIS方法相結(jié)合，從空間上全方位的將耕地土壤堿解氮、有效磷、速效鉀的養(yǎng)分進(jìn)行了區(qū)域劃分，并根據(jù)養(yǎng)分的空間分布狀況確定了氮、磷、鉀肥料的用量，具有較好的空間展示效果，實(shí)現(xiàn)了土壤養(yǎng)分和推薦施肥的區(qū)域化管理。

在土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)的相關(guān)研究中，學(xué)者們確定豐缺指標(biāo)分級(jí)時(shí)采用的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一。在測(cè)土配方施肥技術(shù)要覽中，相對(duì)產(chǎn)量小于50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的養(yǎng)分含量為極低，50%～75%為低，75%～90%為中等，90%～95%為高，大于95%為極高，推薦使用該分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)[28]。由于研究區(qū)域土壤養(yǎng)分含量水平不同，在劃分豐缺指標(biāo)時(shí)會(huì)出現(xiàn)缺少極低或極高等級(jí)的情況，學(xué)者對(duì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) (臨界值)做了不同程度的調(diào)整。陳新平等[29]以相對(duì)產(chǎn)量50%、75%和95%作為劃分土壤養(yǎng)分的豐缺標(biāo)準(zhǔn)，將我國(guó)農(nóng)田的大量元素養(yǎng)分劃分為極低、低、中、高4個(gè)等級(jí)。黃億等[30]在構(gòu)建川中丘陵區(qū)油菜施肥指標(biāo)體系時(shí)，以相對(duì)產(chǎn)量75%、80%、85%、90%為標(biāo)準(zhǔn)，將土壤有效磷的豐缺程度劃分為低、較低、中、較高、高5個(gè)等級(jí)。戢林等[31]以水稻相對(duì)產(chǎn)量75%、80%、85%、90%和95%為標(biāo)準(zhǔn)，將川中丘陵區(qū)土壤有效養(yǎng)分劃分為低、較低、中、較高和高5個(gè)等級(jí)。本研究依據(jù)第二次土壤普查的標(biāo)準(zhǔn)初步判斷西遼河平原灌區(qū)耕地土壤養(yǎng)分的水平屬于中氮中磷中鉀，缺少較低和較高含量水平的類型。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在西遼河平原的143個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)中，與相對(duì)產(chǎn)量小于70%和大于90%相對(duì)應(yīng)的土壤養(yǎng)分在實(shí)際中的分布很少，因此，把相對(duì)產(chǎn)量的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)定為75%、85%，將土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)劃分為低、中、高三級(jí)。由于不能充分覆蓋土壤養(yǎng)分肥力的分布區(qū)間范圍，這可能是因?yàn)槲鬟|河平原常年大量施用化學(xué)肥料，致使耕地土壤養(yǎng)分肥力水平有所提高，玉米的相對(duì)產(chǎn)量也有所提高。但是化學(xué)肥料的長(zhǎng)期施用破壞了土壤結(jié)構(gòu)，使得土壤養(yǎng)分沒有出現(xiàn)極高的含量，因此，大于90%的作物相對(duì)產(chǎn)量也極少。這個(gè)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與其他學(xué)者的標(biāo)準(zhǔn)不同，經(jīng)過驗(yàn)證表明該分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)適合西遼河平原的土壤養(yǎng)分分級(jí)。

學(xué)者們通過相對(duì)產(chǎn)量分級(jí)建立了不同作物的土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)，但是在計(jì)算相對(duì)產(chǎn)量時(shí)采用的方法也不同。大部分學(xué)者用無肥區(qū)產(chǎn)量與全肥區(qū)產(chǎn)量的比值來計(jì)算相對(duì)產(chǎn)量[30,32]。也有學(xué)者用“3414”試驗(yàn)中無肥區(qū)產(chǎn)量與4個(gè)處理中最高產(chǎn)量的比值來計(jì)算相對(duì)產(chǎn)量[33]。本研究中在劃分土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)時(shí)，采用3種不同的方法計(jì)算了相對(duì)產(chǎn)量，不同方法得到的相對(duì)產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分的函數(shù)模型的模擬效果不同，氮肥、磷肥、鉀肥的相對(duì)產(chǎn)量分別以RY3、RY2、RY1的擬合效果最優(yōu)。由于研究對(duì)象的不同，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的不同，沒有形成統(tǒng)一的相對(duì)產(chǎn)量的計(jì)算方法。因此，需要根據(jù)不同研究對(duì)象的特點(diǎn)來確定適宜的計(jì)算方法。豐缺指標(biāo)的高中低分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一，應(yīng)該根據(jù)研究區(qū)域土壤養(yǎng)分的高低和具體的分布特征，來確定合理的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

在西遼河平原，以75%和85%的相對(duì)產(chǎn)量作為劃分土壤有效氮磷鉀高中低豐缺指標(biāo)的臨界值更為合理。按照此標(biāo)準(zhǔn)，土壤堿解氮、有效磷、速效鉀最主要的組合方式為低氮-中磷-中鉀、中氮-中磷-中鉀、中氮-中磷-高鉀組合，面積占比分別為42.4%、14.1%、13.5%，對(duì)應(yīng)的玉米所需的最佳N、P2O5、K2O用量 (kg/hm2) 組合分別為202-110-58、168-107-57、164-102-47。