柳開(kāi)樓，黃 晶，張會(huì)民*，韓天富，黃慶海，余喜初，李大明，胡惠文，葉會(huì)財(cái)，胡志華，馬常寶，薛彥東

（1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2 江西省紅壤研究所/國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心/農(nóng)業(yè)部江西耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，江西南昌 330046；3 祁陽(yáng)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站/中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，湖南祁陽(yáng) 426182；4 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)保護(hù)中心，北京 100125）

紅壤稻田主要分布在江西、湖南、湖北、浙江等省份，這些地區(qū)的水稻生產(chǎn)對(duì)國(guó)家的糧食安全至關(guān)重要。近年來(lái)，隨著秸稈還田、冬季綠肥種植等技術(shù)的推廣，該區(qū)域的土壤肥力總體上得到了改善[1,2]。研究表明，在化肥施用量相同的情況下，提高土壤肥力可以明顯促進(jìn)作物增產(chǎn)[3]。同時(shí)，土壤肥力的提升還可以有效降低水稻產(chǎn)量對(duì)外源肥料的依存率。很多長(zhǎng)期試驗(yàn)結(jié)果表明，配施有機(jī)肥可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)土壤肥力和產(chǎn)量的雙提高，而不合理的化肥施用則導(dǎo)致土壤肥力和作物產(chǎn)量的顯著降低[4–7]。因此，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)的化肥“零增長(zhǎng)”目標(biāo)，通過(guò)提高土壤肥力來(lái)保證作物高產(chǎn)就顯得十分重要。

土壤肥力質(zhì)量是衡量土壤能夠提供作物生長(zhǎng)所需各種養(yǎng)分能力的重要指標(biāo)。以往的研究主要通過(guò)Fuzzy、全量數(shù)據(jù)集、最小數(shù)據(jù)集等方法對(duì)土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)，進(jìn)而采用土壤肥力質(zhì)量指數(shù)來(lái)量化土壤肥力水平[4,8–10]。包耀賢等[11]在研究長(zhǎng)期施肥下土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然因子分析法、相關(guān)系數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法均適用，但應(yīng)首選內(nèi)梅羅指數(shù)法，最后選相關(guān)系數(shù)法。鄧紹歡等[8]研究表明，冷浸田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的最小數(shù)據(jù)集為pH、全氮、有效錳、Fe2+、C/N、線蟲(chóng)數(shù)量等6個(gè)指標(biāo)?？傊壳暗难芯恐饕性谕寥婪柿|(zhì)量評(píng)價(jià)方法的比較及其在不同土壤類型的適應(yīng)性上，但也有研究關(guān)注土壤肥力質(zhì)量與作物產(chǎn)量[12–13]及產(chǎn)量穩(wěn)定性[14]的相互關(guān)系，Liu等[13]研究認(rèn)為，水稻產(chǎn)量與土壤肥力質(zhì)量指數(shù)可以用線性方程進(jìn)行擬合，即水稻產(chǎn)量始終隨著土壤肥力質(zhì)量指數(shù)的增加而增加。而包耀賢等[15]的研究則表明，作物產(chǎn)量與土壤肥力質(zhì)量指數(shù)呈極顯著“S”型波爾茲曼生長(zhǎng)模型關(guān)系，即當(dāng)土壤肥力提高到一定程度時(shí)作物產(chǎn)量趨于穩(wěn)定。然而，這些研究?jī)H僅表明土壤肥力質(zhì)量指數(shù)與作物產(chǎn)量及產(chǎn)量穩(wěn)定性具有顯著關(guān)系，卻沒(méi)有對(duì)土壤肥力質(zhì)量指數(shù)與作物產(chǎn)量的量化關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證。因此，本研究基于紅壤稻田長(zhǎng)期肥料定位試驗(yàn)，在多年土壤肥力數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，采用Fuzzy方法對(duì)不同施肥處理的土壤肥力質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，構(gòu)建土壤肥力質(zhì)量指數(shù)與水稻相對(duì)產(chǎn)量的量化關(guān)系，并進(jìn)一步結(jié)合進(jìn)賢縣域的數(shù)據(jù)對(duì)土壤肥力質(zhì)量指數(shù)和相對(duì)產(chǎn)量的量化關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證，以期明確土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)對(duì)水稻生產(chǎn)的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

進(jìn)賢紅壤稻田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)設(shè)在江西省進(jìn)賢縣江西省紅壤研究所試驗(yàn)基地 (116°20′24″E、28°15′30″ N)，縣域稻田土壤調(diào)研選擇江西省南昌市進(jìn)賢縣，該地區(qū)為典型低丘地形 (海撥25～30 m，坡度5°)。中亞熱帶季風(fēng)氣候，無(wú)霜期約289天，年均降雨量約1537 mm，年均蒸發(fā)量約1150 mm，年均氣溫約18.0℃。

1.2 紅壤稻田長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)

進(jìn)賢紅壤稻田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)始于1981年，供試土壤為第四紀(jì)紅粘土發(fā)育的中度潴育型水稻土，其剖面構(gòu)型為A–P–W1–W2–C。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)耕層土壤pH 6.9、有機(jī)碳16.3 g/kg、全氮1.49 g/kg、全磷0.48 g/kg、全鉀10.39 g/kg、有效磷 (NaHCO3-P) 4.15 mg/kg、速效鉀 (NH4OAc-K) 80.52 mg/kg、粘粒 (＜ 0.001 mm)24.1%。共設(shè)9個(gè)處理，具體處理和施肥量見(jiàn)表1，每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)排列，小區(qū)面積46.7 m2。早稻、晚稻施肥量各占50%，氮磷鉀化肥分別為尿素、鈣鎂磷肥、氯化鉀，有機(jī)肥料為早稻季施紫云英 (來(lái)源于冬季小區(qū)內(nèi)種植的紫云英)，其鮮重22500 kg/hm2，含水量為70%，有機(jī)碳含量為467 g/kg，氮磷鉀含量分別為4.0 g/kg、1.1 g/kg和3.5 g/kg；晚稻季施豬糞，其鮮重22500 kg/hm2，含水量為75%，有機(jī)碳含量為340 g/kg，氮磷鉀含量分別為6.0 g/kg、4.5 g/kg和5.0 g/kg；氮肥60% 作基肥，其余40% 與全部的鉀肥作追肥于水稻返青后施用；磷肥和有機(jī)肥全部作基肥。小區(qū)間用50 cm水泥田埂隔開(kāi)，地表下埋深30 cm，地表上20 cm，灌水后和降雨前封堵小區(qū)缺口，以防串水串肥。雙季稻種植制，密度為20 cm × 20 cm。所有小區(qū)的播種、移栽、施肥、打藥和灌溉等日常管理措施保持一致并與當(dāng)?shù)亓?xí)慣相同。水稻品種每5年更換一次。

表1 紅壤稻田長(zhǎng)期試驗(yàn)各處理的施肥量 [kg/(hm2·a)]Table 1 Fertilizer application amounts in each treatment of the long-term experiment in red paddy soil

1.3 進(jìn)賢縣域紅壤稻田土壤調(diào)研

進(jìn)賢縣位于江西省南昌市，水稻土是進(jìn)賢縣主要的耕作土壤。水稻種植模式為早稻–晚稻–冬閑，面積達(dá)763.0 km2，占該縣糧食種植總面積的89%，是鄱陽(yáng)湖流域具有代表性的水稻種植區(qū)域。以進(jìn)賢縣第二次土壤普查的點(diǎn)位為基礎(chǔ)[16]，在充分考慮紅壤稻田空間分布和晚稻種植分布狀況的基礎(chǔ)上，同時(shí)兼顧高、中、低產(chǎn)量的合理布設(shè)及空間上相對(duì)均勻的原則在全縣共布設(shè)58個(gè)采樣點(diǎn)，其中白圩鄉(xiāng)6個(gè)點(diǎn)，池溪鄉(xiāng)4個(gè)點(diǎn)，二塘鄉(xiāng)4個(gè)點(diǎn)，架橋鄉(xiāng)2個(gè)點(diǎn)，李渡鎮(zhèn)3個(gè)點(diǎn)，羅溪鄉(xiāng)1個(gè)點(diǎn)，梅莊鎮(zhèn)4個(gè)點(diǎn)，民和鎮(zhèn)3個(gè)點(diǎn)，南臺(tái)鄉(xiāng)農(nóng)場(chǎng)1個(gè)點(diǎn)，七里鄉(xiāng)1個(gè)點(diǎn)，前坊鎮(zhèn)2個(gè)點(diǎn)，泉嶺鄉(xiāng)1個(gè)點(diǎn)，三里鄉(xiāng)1個(gè)點(diǎn)，三陽(yáng)集鄉(xiāng)2個(gè)點(diǎn)，溫圳鎮(zhèn)3個(gè)點(diǎn)，文港鎮(zhèn)3個(gè)點(diǎn)，下埠集鄉(xiāng)5個(gè)點(diǎn)，衙前鄉(xiāng)2個(gè)點(diǎn)，張公鎮(zhèn)5個(gè)點(diǎn)，長(zhǎng)山晏鄉(xiāng)1個(gè)點(diǎn)，鐘陵鄉(xiāng)4個(gè)點(diǎn)。于2017年11月份分別采集耕層土壤樣品和測(cè)定晚稻產(chǎn)量。具體采樣點(diǎn)位見(jiàn)圖1。

在采樣過(guò)程中，通過(guò)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，進(jìn)賢縣雙季稻的氮磷鉀肥用量與長(zhǎng)期試驗(yàn)中2NPK處理基本相似，同時(shí)，由于冬季綠肥的大力推廣，溫圳鎮(zhèn)、泉嶺鄉(xiāng)等約50% 的稻田實(shí)施了紫云英種植和還田。而由于運(yùn)輸繁瑣和勞動(dòng)力缺乏，全縣已基本上沒(méi)有鮮豬糞還田方式，但是，由于豬糞沼氣工程的建設(shè)，在下埠集鄉(xiāng)、衙前鄉(xiāng)等有30% 左右的稻田進(jìn)行了豬糞源的沼渣還田。因此，長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的處理包含了目前進(jìn)賢縣域的主要施肥措施，表明長(zhǎng)期定位試驗(yàn)可以在一定程度上表征進(jìn)賢縣的施肥措施。

1.4 采樣與分析方法

1.4.1 水稻絕對(duì)產(chǎn)量 在早稻和晚稻成熟期收獲，各小區(qū)采取人工收割，脫粒后晾曬，稱重，換算成每年每公頃籽粒產(chǎn)量。進(jìn)賢縣域各個(gè)點(diǎn)位的晚稻產(chǎn)量測(cè)定為每個(gè)點(diǎn)位隨機(jī)收割3個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)1 m2，人工脫粒、晾曬、稱重。

圖1 進(jìn)賢縣域紅壤稻田采樣點(diǎn)分布Fig. 1 Sample sites in Jinxian County, Jiangxi Province

1.4.2 水稻相對(duì)產(chǎn)量 有處理的相對(duì)產(chǎn)量均為各處理的水稻年產(chǎn)量占當(dāng)年最高產(chǎn)量 (NPKM或2NPK處理) 的百分比。進(jìn)賢縣域各個(gè)點(diǎn)位的相對(duì)產(chǎn)量為各點(diǎn)位的晚稻產(chǎn)量占所有點(diǎn)位中最高產(chǎn)量的百分比。

1.4.3 土壤樣品采集 從1981年開(kāi)始，在每年晚稻收獲后取0—20 cm的土壤樣品，每小區(qū)隨機(jī)采集5個(gè)點(diǎn)，同一小區(qū)樣品混合后獨(dú)立分裝。進(jìn)賢縣域各點(diǎn)位的耕層土壤 (0—20 cm) 采集于2017年11月份進(jìn)行，每個(gè)點(diǎn)位隨機(jī)采集5個(gè)點(diǎn)，混合、風(fēng)干、研磨。

1.4.4 土壤pH、有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀測(cè)定 土壤pH為1∶2.5土水比浸提，用Mettler-toledo320 pH計(jì)測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)采用K2Cr2O7?H2SO4氧化法測(cè)定；有效磷采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法；速效鉀采用NH4OAc浸提—火焰光度計(jì)法。以上指標(biāo)測(cè)定的詳細(xì)步驟參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[17]。

1.4.5 土壤肥力質(zhì)量指數(shù)計(jì)算 在前人研究的基礎(chǔ)上[18–19]，本研究選用包括土壤pH、有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀共4項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)作為此次土壤肥力綜合評(píng)價(jià)的參考指標(biāo)。首先，對(duì)上述各項(xiàng)土壤肥力質(zhì)量指標(biāo)建立與之對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)，計(jì)算其隸屬度值，以此來(lái)表示各肥力指標(biāo)的狀態(tài)值。結(jié)合《土壤質(zhì)量指標(biāo)與評(píng)價(jià)》[18]和酸性土壤的具體實(shí)際，確定土壤pH值在隸屬度函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)X1、X2、X3和X4的相應(yīng)取值分別為4.5、5.5、6.0和7.0。土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀在隸屬度函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)X1的相應(yīng)取值分別為10 g/kg、5 mg/kg和50 mg/kg，X2的相應(yīng)取值分別為40 g/kg、20 mg/kg和150 mg/kg。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)得分函數(shù)類型[18–19]，可以得出各項(xiàng)肥力質(zhì)量指標(biāo)的隸屬度值。

權(quán)重的計(jì)算步驟為：1) 建立各肥力質(zhì)量指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)；2) 以某一肥力質(zhì)量指標(biāo)與其它肥力質(zhì)量指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)的平均值和所有肥力質(zhì)量指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值總和所得到的比值，以此確定為單項(xiàng)肥力質(zhì)量指標(biāo)在表征土壤肥力質(zhì)量中的貢獻(xiàn)率，即權(quán)重系數(shù)。

由加乘法則，得到評(píng)價(jià)土壤肥力質(zhì)量指數(shù)的綜合性指標(biāo)值SFI (soil fertility index)。計(jì)算公式為：

式中：SFI為土壤肥力質(zhì)量指數(shù)；Wi 和Ni表示第i種肥力質(zhì)量指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)和隸屬度值。

1.5 模型構(gòu)建與驗(yàn)證

以長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中2017 年各處理土壤肥力質(zhì)量指數(shù)和相對(duì)產(chǎn)量的一元一次擬合方程為模型，結(jié)合2017 年進(jìn)賢縣域稻田土壤肥力質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行相對(duì)產(chǎn)量的預(yù)測(cè)，并采用國(guó)際上常用的統(tǒng)計(jì)方法RMSE(root mean square error) 和RRMSE (relative root mean square error) 對(duì)相對(duì)產(chǎn)量的預(yù)測(cè)值和2017 年晚稻相對(duì)產(chǎn)量的實(shí)測(cè)值之間的符合度進(jìn)行檢驗(yàn)。具體公式如下：

式 (2) 和 (3) 中：Xo和Xs分別為實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值 (將縣域尺度的土壤肥力質(zhì)量指數(shù)代入長(zhǎng)期試驗(yàn)中2017年土壤肥力質(zhì)量指數(shù)與相對(duì)產(chǎn)量的擬合方程，從而獲得縣域尺度相對(duì)產(chǎn)量的預(yù)測(cè)值)；n為樣品數(shù)，且當(dāng)RRMSE ≤ 25% 時(shí)模型可用。

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2003，統(tǒng)計(jì)分析采用SAS 9.1，各處理水稻產(chǎn)量和土壤肥力質(zhì)量指數(shù)差異采用LSD進(jìn)行顯著性分析 (P ＜ 0.05)。土壤肥力質(zhì)量指數(shù)與相對(duì)產(chǎn)量的量化關(guān)系采用線性方程進(jìn)行擬合，采用ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行Kriging插值和圖形編輯及空間分析，制作進(jìn)賢縣域尺度的采樣圖、土壤pH、有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀、肥力質(zhì)量指數(shù)和晚稻產(chǎn)量基礎(chǔ)圖件。其余圖件采用Origin 8.1制作。

2 結(jié)果分析

2.1 不同施肥措施下紅壤稻田年產(chǎn)量變化

在紅壤雙季稻區(qū)，不同施肥處理顯著影響水稻產(chǎn)量 (圖 2)。在 1981、1985、1989、1995、2002、2005、2012和2017年，各處理均呈現(xiàn)出NPKM和2NPK最高，其次為NPK和NP處理，NK、N、P、K和CK處理較低。與CK處理相比，NPKM和2NPK處理的年均產(chǎn)量分別增加了71.6% 和59.1%；NPK和NP處理分別增加了36.5% 和26.8%；而N、P、K和NK處理則增加不顯著。同時(shí)，NPKM處理的年均產(chǎn)量也顯著高于NPK處理 (增幅為25.7%)。

2.2 不同施肥措施下紅壤稻田土壤肥力質(zhì)量指數(shù)演變

基于Fuzzy土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果表明，紅壤稻田不同施肥措施的土壤肥力質(zhì)量指數(shù)存在明顯差異 (圖3)，從1981年至2017年，均呈現(xiàn)出NPKM處理的土壤肥力質(zhì)量指數(shù)最高，其次為2NPK和NPK處理，而NP、P、NK、CK、N和K處理較低。與CK處理相比，NPKM、2NPK和NPK處理的年均土壤肥力質(zhì)量指數(shù)分別增加了64.1%、47.3%、27.7%，且NPKM處理比NPK處理增加了28.5%；但NP、NK、P、N和K處理則與CK相比無(wú)顯著差異。

2.3 土壤肥力質(zhì)量指數(shù)與水稻相對(duì)產(chǎn)量的相互關(guān)系

土壤肥力質(zhì)量顯著影響水稻產(chǎn)量。除了1981年之外，其余年份土壤肥力質(zhì)量指數(shù)與水稻相對(duì)產(chǎn)量均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系 (P ＜ 0.05)，且均可以用線性方程進(jìn)行擬合 (表2)。土壤肥力質(zhì)量指數(shù)每增加0.1 個(gè)單位，1985、1989、1995、2002、2005、2012和2017年水稻相對(duì)產(chǎn)量分別增加了8.7%、22.6%、8.9%、9.8%、7.2%、12.9% 和10.3%。

2.4 土壤肥力質(zhì)量指數(shù)與水稻相對(duì)產(chǎn)量的相互關(guān)系在縣域尺度上的應(yīng)用

2017年進(jìn)賢縣的土壤pH值在4.32～5.29之間，變異系數(shù)為4.29%，土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀分布范圍分別為11.37～49.89 g/kg、11.76～134.27 mg/kg和22.50～144.03 mg/kg，變異系數(shù)分別為19.58%、61.75% 和42.19%。全縣土壤pH、有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀的平均值分別為4.75、34.54 g/kg、39.37 mg/kg和61.94 mg/kg。在縣域尺度上，土壤pH和有機(jī)質(zhì)的分布趨勢(shì)大體相似 (圖4)。具體呈現(xiàn)出西部地區(qū) (架橋鎮(zhèn)和泉嶺鄉(xiāng)全部、溫圳鎮(zhèn)和文港鎮(zhèn)西部) 較高，東北部環(huán)湖地區(qū) (三里鄉(xiāng)、梅莊鎮(zhèn)和二塘鄉(xiāng)大部) 較低的趨勢(shì)；同時(shí)，東南部地區(qū) (下埠集鄉(xiāng)和衙前鄉(xiāng)大部) 的有機(jī)質(zhì)含量也顯著高于其他區(qū)域。但是，土壤有效磷和速效鉀的分布趨勢(shì)則明顯不同于pH和有機(jī)質(zhì)，有效磷含量較高的區(qū)域主要為東南部邊緣地區(qū) (衙前鄉(xiāng))、西部邊緣 (溫圳鎮(zhèn)的部分) 以及東北部鐘陵鄉(xiāng)和梅莊鎮(zhèn)的一小部分地區(qū)；速效鉀含量較高的區(qū)域主要為南部邊緣地區(qū) (下埠集鄉(xiāng)和衙前鄉(xiāng)的大部分地區(qū))、東北部的部分地區(qū) (梅莊鎮(zhèn)和三里鄉(xiāng)) 以及中部的部分地區(qū) (民和鎮(zhèn)、七里鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的小部分)；而西南大部分地區(qū)的有效磷和速效鉀含量均較低。

圖2 長(zhǎng)期施肥各處理的水稻年產(chǎn)量變化Fig. 2 Change of annual rice yield of different treatments under long-term fertilization

圖3 長(zhǎng)期施肥各處理土壤肥力質(zhì)量指數(shù)變化Fig. 3 Change of soil fertility index under different treatments in long-term fertilization

表2 土壤肥力質(zhì)量指數(shù) (y) 與水稻相對(duì)產(chǎn)量 (x) 擬合方程Table 2 The fitted equations between soil fertility index (x)and relative yield (y)

Fuzzy評(píng)價(jià)方法顯示，進(jìn)賢縣2017年的土壤肥力質(zhì)量指數(shù)在0.34～0.92之間，平均為0.56。圖5結(jié)果顯示，該區(qū)域土壤肥力質(zhì)量差異較大，土壤肥力質(zhì)量指數(shù)較高的區(qū)域主要有南部地區(qū) (衙前鄉(xiāng)和下埠集鄉(xiāng)大部分)、西部邊緣 (溫圳鎮(zhèn)和文港鎮(zhèn)的部分地區(qū)) 以及東北部 (梅莊鎮(zhèn)) 和中部 (民和鎮(zhèn)、七里鄉(xiāng))的小部分地區(qū)，而西南大部分地區(qū)和東部環(huán)湖地區(qū)的土壤肥力質(zhì)量指數(shù)較低。

進(jìn)賢縣2017年晚稻單產(chǎn)在3133～8833 kg/hm2之間，平均晚稻產(chǎn)量為5778 kg/hm2。圖6結(jié)果顯示，該區(qū)域水稻產(chǎn)量的分布趨勢(shì)主要呈現(xiàn)出中部地區(qū) (民和鎮(zhèn)、七里鄉(xiāng)和前坊鎮(zhèn))，東南部地區(qū) (下埠集鄉(xiāng)、衙前鄉(xiāng)、鐘陵鄉(xiāng)和池溪鄉(xiāng)) 和西部地區(qū) (架橋鎮(zhèn)、溫圳鎮(zhèn)、文港鎮(zhèn)) 的產(chǎn)量較高，而東北部環(huán)湖地區(qū)(三里鄉(xiāng)、梅莊鎮(zhèn)、二塘鄉(xiāng)和南臺(tái)鄉(xiāng))，中南部地區(qū)(張公鎮(zhèn)、白圩鄉(xiāng)、長(zhǎng)山晏鄉(xiāng)和李渡鎮(zhèn)) 的產(chǎn)量較低。

為進(jìn)一步驗(yàn)證土壤肥力質(zhì)量指數(shù)與水稻相對(duì)產(chǎn)量的擬合方程，在計(jì)算2017年進(jìn)賢縣域的土壤質(zhì)量指數(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合長(zhǎng)期試驗(yàn)中2017年的一元一次擬合方程 (y = 1.6263x ? 0.2298) 預(yù)測(cè)了2017年進(jìn)賢縣域的晚稻相對(duì)產(chǎn)量。圖7結(jié)果表明，預(yù)測(cè)的水稻相對(duì)產(chǎn)量與實(shí)際的水稻相對(duì)產(chǎn)量高度吻合 (R2為0.5268，P ＜ 0.01，RRMSE小于25%)，說(shuō)明采用典型點(diǎn)位的一元一次方程可以用來(lái)預(yù)測(cè)和評(píng)估該地區(qū)縣域尺度的水稻生產(chǎn)能力。

3 討論

圖4 進(jìn)賢縣域土壤pH、有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀含量Fig. 4 Distribution of soil pH and contents of soil organic matter, available phosphorus and potassium in Jinxian County

化肥配施有機(jī)肥是提高土壤肥力與作物產(chǎn)量的重要途徑[20]。在紅壤稻田上，不同施肥處理的水稻產(chǎn)量和土壤肥力質(zhì)量指數(shù)差異較大，但所有處理中均呈現(xiàn)出長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施的水稻產(chǎn)量和土壤肥力質(zhì)量指數(shù)最高，其水稻產(chǎn)量和土壤肥力質(zhì)量指數(shù)分別比化肥處理增加了28.8% 和26.9%。這與前人的研究結(jié)果一致[4,21–22]。原因主要是：1) 與化肥處理相比，有機(jī)無(wú)機(jī)肥處理氮磷鉀的養(yǎng)分投入量明顯高于化肥處理，充足的養(yǎng)分投入有利于增強(qiáng)水稻的養(yǎng)分吸收能力[23]，從而保障水稻高產(chǎn)。2) 有機(jī)無(wú)機(jī)肥處理可以顯著改善土壤物理結(jié)構(gòu)[24]，增加土壤有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀養(yǎng)分等肥力指標(biāo)[25–27]，而土壤肥力的提升是水稻增產(chǎn)的主要驅(qū)動(dòng)因子之一[28–30]。因此，投入有機(jī)肥是紅壤稻田實(shí)現(xiàn)“藏糧于土、藏糧于技”的關(guān)鍵。

圖5 進(jìn)賢縣域土壤肥力質(zhì)量指數(shù)分布Fig. 5 Distribution of soil fertility index in Jinxian County

圖6 進(jìn)賢縣域晚稻產(chǎn)量分布Fig. 6 Distribution of late rice yield in Jinxian County

圖7 預(yù)測(cè)與實(shí)際相對(duì)產(chǎn)量的一致性Fig. 7 Agreement of the predicted and measured values of relative yield

很多研究表明，土壤肥力質(zhì)量與作物產(chǎn)量存在顯著的相關(guān)關(guān)系[3,12–14]，在潛育化稻田上，土壤肥力質(zhì)量指數(shù)與產(chǎn)量的量化關(guān)系可以用線性方程進(jìn)行擬合[13]；然而，也有研究表明，土壤肥力質(zhì)量指數(shù)與水稻產(chǎn)量之間的量化關(guān)系用一元二次方程進(jìn)行擬合較好[14]，這主要與土壤肥力水平和障礙因子有關(guān)[13,31]，因?yàn)樽魑锂a(chǎn)量在土壤肥力增加到一定程度時(shí)逐漸趨于穩(wěn)定[13]。因此，研究水稻產(chǎn)量與土壤肥力質(zhì)量的量化關(guān)系可以為紅壤區(qū)的水稻生產(chǎn)潛力評(píng)估提供依據(jù)。前人研究表明，與絕對(duì)產(chǎn)量相比，相對(duì)產(chǎn)量可以通過(guò)削減年際間的產(chǎn)量變異 (氣候因子、品種特性等對(duì)產(chǎn)量的影響) 而更為準(zhǔn)確地表征某一區(qū)域的水稻產(chǎn)量變化[32]。在本研究中，紅壤稻田的土壤肥力質(zhì)量指數(shù)與水稻相對(duì)產(chǎn)量的正相關(guān)關(guān)系可以用線性方程進(jìn)行擬合，這與前人在南方水稻土上的結(jié)果相似[13,31]。說(shuō)明該區(qū)域的水稻土肥力質(zhì)量和水稻產(chǎn)量均未達(dá)到穩(wěn)定，這主要是由于本研究長(zhǎng)期試驗(yàn)中的水稻品種每隔5年更新一次主推品種，除了2倍氮磷鉀用量處理之外，其余處理的施肥用量則一直是1981年的水平，從而導(dǎo)致大部分處理的產(chǎn)量潛力沒(méi)有得到充分發(fā)揮[33]。通過(guò)線性方程發(fā)現(xiàn)，從1985年至2017年，當(dāng)土壤肥力質(zhì)量指數(shù)每增加0.1個(gè)單位，水稻相對(duì)產(chǎn)量增加7.2%～22.6%，但不同年代間水稻相對(duì)產(chǎn)量的增幅差異較大。這可能與本研究采用的土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)方法中數(shù)據(jù)集的指標(biāo)類型和數(shù)量有關(guān)，因?yàn)樵诒狙芯恐?，F(xiàn)uzzy方法計(jì)算的土壤肥力質(zhì)量指數(shù)僅僅考慮了土壤pH、有機(jī)質(zhì)和有效磷、速效鉀指標(biāo)，而有關(guān)土壤物理、生物學(xué)指標(biāo)則沒(méi)有予以考慮，從而導(dǎo)致本研究計(jì)算出的土壤肥力質(zhì)量指數(shù)可能不能準(zhǔn)確評(píng)估各施肥處理真實(shí)的土壤肥力質(zhì)量變化[34–35]，因此，有關(guān)長(zhǎng)期施肥的土壤肥力質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)還需進(jìn)一步優(yōu)化[36]。

在本研究中，2017年進(jìn)賢縣的土壤肥力質(zhì)量指數(shù)和晚稻產(chǎn)量的分布趨勢(shì)大體相似。具體呈現(xiàn)出西部地區(qū) (架橋鎮(zhèn)和泉嶺鄉(xiāng)全部、溫圳鎮(zhèn)和文港鎮(zhèn)西部) 和東南部地區(qū) (下埠集鄉(xiāng)和衙前鄉(xiāng)大部) 較高，其次為中部地區(qū) (前坊鎮(zhèn)、七里鄉(xiāng)、池溪鄉(xiāng)、民和鎮(zhèn)、羅溪鎮(zhèn)等)，而東北部環(huán)湖地區(qū) (三里鄉(xiāng)、梅莊鎮(zhèn)和二塘鄉(xiāng)大部) 較低。原因主要是秸稈還田、綠肥種植還田和有機(jī)肥施用等在全縣的相關(guān)鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有不同程度的應(yīng)用[2]；再加上水稻土類型、水稻品種等因素的影響，從而導(dǎo)致縣域尺度上土壤肥力質(zhì)量和水稻產(chǎn)量變化幅度較大。這與樊亞男等[37]的結(jié)果相似，但由于采用的土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)方法中數(shù)據(jù)集的指標(biāo)類型和數(shù)量不同，導(dǎo)致土壤肥力質(zhì)量指數(shù)的變化幅度不一。同時(shí)，長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)各處理的土壤肥力質(zhì)量指數(shù)的范圍 (0.34～0.97) 涵蓋了縣域尺度的土壤肥力質(zhì)量指數(shù)范圍 (0.34～0.92)。實(shí)地調(diào)研也發(fā)現(xiàn)，進(jìn)賢縣雙季稻的氮磷鉀肥用量與長(zhǎng)期試驗(yàn)中2倍氮磷鉀用量處理基本相似。這充分說(shuō)明，長(zhǎng)期施肥定位試驗(yàn)?zāi)軌蛟谝欢ǔ潭壬媳碚骺h域尺度的施肥模式和土壤肥力狀況。此外，相對(duì)產(chǎn)量可以在一定程度上去除氣候因子、品種特性等對(duì)水稻絕對(duì)產(chǎn)量的干擾[32]。在此基礎(chǔ)上，本研究進(jìn)一步利用長(zhǎng)期試驗(yàn)點(diǎn)位的線性方程模型，根據(jù)2017年進(jìn)賢縣域的土壤肥力質(zhì)量指數(shù)預(yù)測(cè)了對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的水稻相對(duì)產(chǎn)量，結(jié)果表明，水稻相對(duì)產(chǎn)量的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值高度吻合 (RRMSE均小于25%)。證明通過(guò)土壤肥力質(zhì)量指數(shù)可以較為準(zhǔn)確地評(píng)估某一區(qū)域的水稻產(chǎn)量變化趨勢(shì)。但是，在水稻生產(chǎn)中，除了土壤肥力之外，排灌條件、品種選擇等也是影響水稻產(chǎn)量的重要因子[38–40]，因此，基于土壤肥力質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行某一區(qū)域水稻生產(chǎn)能力的評(píng)估還有待深入研究和不斷完善。

4 結(jié)論

長(zhǎng)期化肥配施有機(jī)肥是提高紅壤稻田土壤肥力質(zhì)量與水稻產(chǎn)量的重要途徑。紅壤稻田土壤肥力質(zhì)量指數(shù)與水稻相對(duì)產(chǎn)量存在顯著的線性關(guān)系，土壤肥力質(zhì)量指數(shù)增加0.1個(gè)單位，水稻相對(duì)產(chǎn)量增加7.2%～22.6%?？h域尺度的驗(yàn)證結(jié)果表明，基于土壤肥力質(zhì)量指數(shù)預(yù)測(cè)的水稻相對(duì)產(chǎn)量和實(shí)際相對(duì)產(chǎn)量高度吻合，表明通過(guò)土壤肥力質(zhì)量指數(shù)能較為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)該地區(qū)縣域尺度的水稻生產(chǎn)力。