張 宇，劉小虎*，姜文婷，韓曉日，王 穎，包啟平，柳 迪

（1．沈陽農(nóng)業(yè)大學土地與環(huán)境學院，遼寧 沈陽 110866；2．遼寧省土壤肥料總站，遼寧 沈陽 110034）

我國作為水稻種植大國，提高水稻產(chǎn)量對于保障我國乃至全球糧食安全至關(guān)重要，科學施肥是保障水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要途徑［1］。然而，現(xiàn)行農(nóng)戶水稻管理中過度或不平衡施肥問題十分嚴重［2-3］。準確估計水稻養(yǎng)分需求對于指導其推薦施肥，優(yōu)化養(yǎng)分管理具有重要意義［4］。為此我國開展了大量相關(guān)研究，并創(chuàng)建出一系列準確獲取作物養(yǎng)分特征參數(shù)的方法。如構(gòu)建基于作物反應的養(yǎng)分動態(tài)模型、作物生長模型、葉綠素儀測定法等［5-9］。但這些方法大多是基于單獨或少數(shù)試驗點，而我國地域遼闊、環(huán)境氣候類型多樣、小農(nóng)戶經(jīng)營管理模式下土壤養(yǎng)分變異較大，所以不能作為指導我國不同區(qū)域水稻推薦施肥的有效參數(shù)［10］。另一方面，多數(shù)傳統(tǒng)方法只考慮了單一營養(yǎng)元素，忽略了營養(yǎng)元素之間的相互作用，具有一定的局限性［11］。因此，構(gòu)建基于科學推薦施肥、養(yǎng)分精確管理的作物區(qū)域養(yǎng)分需求參數(shù)，成為現(xiàn)階段我國水稻種植過程中急需解決的重要問題。

QUEFTS 模型（Quantitative Evaluation of the Fertility of Tropical Soils）最初由 Janssen 等［12］提出，用于估計熱帶地區(qū)不施肥土壤的玉米產(chǎn)量，進行地力評價，后經(jīng)修正后用于估測一定目標產(chǎn)量下的養(yǎng)分需求［13］。QUEFTS模型以大量田間試驗數(shù)據(jù)為基礎，能有效避免因少數(shù)試驗點對估測結(jié)果產(chǎn)生偏差。并充分考慮氮、磷和鉀三大營養(yǎng)元素間的交互作用，通過量化不同目標產(chǎn)量下的養(yǎng)分需求，為推薦施肥提供支持［14］。目前，QUEFTS模型已經(jīng)成功應用于國外的小麥［15-16］、玉米［13，17］和水稻［18-20］等多種不同作物。在我國，也成為估測玉米［21］和小麥［22-23］養(yǎng)分需求的有效方法，并進一步的應用于推薦施肥與養(yǎng)分管理［24-25］，但在水稻上的應用還鮮有報道。與以往研究不同，本試驗強調(diào)在區(qū)域尺度上（遼寧?。肣UEFTS模型，通過擬合不同目標產(chǎn)量下水稻氮、磷和鉀養(yǎng)分需求曲線，分析遼寧省2006～2011年間水稻產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收量等產(chǎn)效特征，估計不同目標產(chǎn)量下水稻的養(yǎng)分需求，旨在為遼寧省水稻種植合理施肥提供養(yǎng)分需求參數(shù)，為其安全高效生產(chǎn)提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

數(shù)據(jù)來源于2006～2011年間遼寧省測土配方施肥“3414”試驗中60個水稻試驗點的300次田間試驗。試驗分布在遼寧省水稻主產(chǎn)區(qū)（38°43′N～43°26′N，118°53′E～125°46′E），采用多年多點分散試驗。該地區(qū)氣候類型為溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫為7.0～8.5℃，年平均無霜期在130 ～ 200 d，年均降水量在 433.5 ～ 1 077.8 mm之間。該地區(qū)的土壤類型為簡育濕潤淋溶土，其化學性質(zhì)如下：pH值平均為5.56～7.91，有機碳含量平均為4.8～11.3 g/kg。堿解氮、有效磷、速效鉀的含量平均為65.54～120.68、12.6～48.58、86.58 ～ 142.83 mg/kg。

1.2 試驗設計

本研究數(shù)據(jù)來源于2006～2011年遼寧省水稻測土配方施肥“3414”試驗數(shù)據(jù)，肥力涵蓋高、中、低3個等級。“3414”推薦施肥試驗設計方案如表1所示（水稻試驗的“2”水平肥料設計量：氮肥用量為210～270 kg/hm2；磷肥用量為60 ～ 90 kg/hm2；鉀肥用量為 90 ～ 120 kg/hm2）。本文使用“3414”推薦施肥試驗中1、2、4、6、8處理的籽粒產(chǎn)量、莖稈產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收量等試驗數(shù)據(jù)。

表1 遼寧省水稻“3414”試驗方案

具體試驗處理如下：（1）不施用肥料（CK）；（2）最優(yōu)施肥量（OPT）：氮、磷和鉀用量分別為210 ～ 270、60 ～ 90、90 ～ 120 kg/hm2；（3） 不 施用氮肥（N0）：試驗區(qū)中僅施磷肥（60～90 kg/hm2）和鉀肥（90 ～ 120 kg/hm2）；（4）不施用磷肥（P0）：試驗區(qū)中僅施氮肥（210～270 kg/hm2）和鉀肥（90～120 kg/hm2）；（5）不施用鉀肥（K0）：試驗區(qū)中僅施氮肥（210～270 kg/hm2）和磷肥（60～90 kg/hm2）。

肥料的施用方法是將1/3氮肥作為底肥施用，2/3的氮肥作為追肥，磷肥和鉀肥作為基肥一次性施入。氮、磷和鉀肥分別使用尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O516%）和硫酸鉀（K2O 50%）。試驗點小區(qū)面積為30～40 m2之間，水稻品種根據(jù)當?shù)氐臈l件自主選擇。9月下旬進行作物收獲和計產(chǎn)，同時采集作物植株樣本，測定氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量。

1.3 建模方法

建模步驟如下：

（1）在QUEFTS模型使用前，首先應對數(shù)據(jù)進行分析處理，包括作物籽粒產(chǎn)量、收獲指數(shù)（Harvest index，HI，kg/kg）、地上部氮、磷和鉀吸收量以及養(yǎng)分內(nèi)在效率（Internal efficiency，IE，kg/kg）等。

（2）篩選數(shù)據(jù)并剔除異常值。應用QUEFTS模型時，數(shù)據(jù)庫不應受到養(yǎng)分供應以外的生物或非生物脅迫。收獲指數(shù)（HI）是篩選數(shù)據(jù)的重要指標，當HI小于0.4時，通常認為受到養(yǎng)分供應以外其他因素的影響。因此，剔除HI ＜ 0.4的所有數(shù)據(jù)。

（3）定義籽粒產(chǎn)量與氮、磷、鉀吸收關(guān)系的邊界線。兩條邊界線的斜率分別表示特定養(yǎng)分的最大積累量（Maximum nutrient accumulation，a）和最大稀釋量（Maximum nutrient dilution，d）。在本試驗中，邊界a值與d值分別選擇內(nèi)在效率（IE）上下2.5%、5%、7.5%進行分析討論。

（4）應用Excel求解出不同目標產(chǎn)量下作物最佳養(yǎng)分吸收量，并應用QUEFTS模型進行曲線擬合。

計算公式：使用以下公式計算收獲指數(shù)（HI），養(yǎng)分內(nèi)在效率（IE）和噸糧養(yǎng)分吸收（RIE）：

其中：Y—籽粒產(chǎn)量；DM—地上部總產(chǎn)量； UN/P/K—地上部氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收量。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻產(chǎn)量與養(yǎng)分吸收特征

如表2所示，在遼寧省水稻的60個試驗點中，籽粒產(chǎn)量平均為 7 242 kg/hm2，較 2010 年我國水稻單產(chǎn)（6 441 kg/hm2）高出約12%，但與世界主要產(chǎn)稻國相比，仍有較大差距［26-27］。籽粒產(chǎn)量變異程度較大，范圍在 3 158 ～ 11 339 kg/hm2之間，并呈現(xiàn)出正態(tài)分布特征（圖1），在6 500～7 000 kg/hm2（21.0%）和 7 000 ～ 8 000 kg/hm2（21.3%）范圍內(nèi)集中分布，在較高或較低的產(chǎn)量范圍內(nèi)呈低頻分布。水稻籽粒中平均氮、磷和鉀養(yǎng)分含量為11.34、2.57和3.18 g/kg，變化范圍分別在6.64～ 18.36、1.61～4.64和1.11～ 6.74 g/kg之間。作物地上部氮、磷和鉀的吸收量平均為127.2、28.0 和160.0 kg/hm2，變化范圍在52.0～256.6、11.7～54.9和60.9～356.0 kg/hm2之間，較大的變異范圍可能是環(huán)境條件、土壤肥力及人為管理等差異所導致。氮、磷和鉀的收獲指數(shù)平均為0.65、0.67和0.15。也就是說，約有65%的氮、67%的磷和15%的鉀分布在作物地上部的籽粒中，其余皆分布在秸稈中。值得注意的是，秸稈中的鉀含量相對較高，比籽粒中高出84.4%。

表2 2006～2011年遼寧省水稻養(yǎng)分吸收特征

圖1 遼寧省水稻產(chǎn)量分布情況（n=300）

2.2 數(shù)據(jù)篩選

由于涵蓋了較為廣泛的種植區(qū)域和環(huán)境氣候條件，數(shù)據(jù)存在較大的變異范圍，因此，需進行數(shù)據(jù)篩選剔除。收獲指數(shù)（HI，kg/kg）作為QUEFTS模型篩選數(shù)據(jù)庫的重要指標，當HI小于0.4時，通常認為作物受到養(yǎng)分以外其他生物或非生物脅迫［24-25］。因此，需剔除 HI ＜ 0.4 的所有數(shù)據(jù)。如表2所示，遼寧省水稻平均HI為0.53，范圍從0.34～0.74，其中大多數(shù)HI分布在0.4至0.6之間（圖2）。剔除數(shù)據(jù)約占所有數(shù)據(jù)的8%，剩余278組的水稻數(shù)據(jù)中籽粒產(chǎn)量平均為7 262 kg/hm2，變 異 范圍 在 5 962 ～ 11 339 kg/hm2之間。

圖2 遼寧省水稻收獲指數(shù)分布情況

2.3 內(nèi)在效率參數(shù)分析

養(yǎng)分內(nèi)在效率（IE，kg/kg）和噸糧養(yǎng)分吸收（RIE，kg/t）均為表征產(chǎn)量與養(yǎng)分吸收關(guān)系的重要參數(shù)。IE定義為單位養(yǎng)分吸收下可生產(chǎn)的籽粒產(chǎn)量。表3統(tǒng)計了水稻氮、磷和鉀的IE和RIE值。其中氮、磷和鉀的平均IE分別為59.5、270.9 和49.4 kg/kg，變化范圍分別在32.7～95.6、151.5～477.6和20.5～137.8 kg/kg之間。氮、磷和鉀的平均RIE 分別為 17.6、3.9 和 22.3 kg/t，即每生產(chǎn) 1 000 kg水稻籽粒產(chǎn)量時，氮、磷和鉀養(yǎng)分需求平均為17.6、3.9和22.3 kg。變化范圍分別在10.5～ 30.6、2.1～6.6和7.3～48.7 kg/kg之間。本研究中噸糧鉀素吸收量（RIEK）明顯要高于其他已有報道［18-19］。說明遼寧省水稻在當前養(yǎng)分管理措施下，鉀肥的施用沒有被有效利用，鉀素存在著較為明顯的奢侈吸收現(xiàn)象。

表3 遼寧省水稻內(nèi)在效率（IE）和內(nèi)在效率倒數(shù)（RIE）

2.4 QUEFTS模型參數(shù)選擇

在使用QUEFTS模型前，應先確定氮、磷和鉀的最大養(yǎng)分積累邊界（a）和最大稀釋邊界（d）。本文中，以養(yǎng)分內(nèi)在效率上下2.5%、5%、7.5%作為最大養(yǎng)分積累邊界（a）和最大稀釋邊界（d）來進行最終邊界的選擇（表4）。當水稻的潛在產(chǎn)量設定為 14 000 kg/hm2時，應用 QUEFTS 模型模擬3組參數(shù)下不同目標產(chǎn)量的養(yǎng)分吸收曲線。從圖3可看出，不同的3組參數(shù)下養(yǎng)分吸收曲線基本相同，只有在接近潛在產(chǎn)量時才發(fā)生略微變異。同時，3組參數(shù)的最大養(yǎng)分積累邊界和最大養(yǎng)分稀釋邊界之間包括的范圍也不相同，其中參數(shù)為內(nèi)在效率上下2.5%的范圍更大。因此，選擇IE上下2.5%（參數(shù)I）所對應的a值和d值作為估測最佳養(yǎng)分需求的最終參數(shù)，此時N、P和K的a和d值分別為：38.2和 84.1 kg/kg、173.2 和 404.0 kg/kg、28.8和 86.8 kg/kg。

表4 水稻氮、磷和鉀的最大積累（a）和最大稀釋（d）系數(shù)

2.5 最佳養(yǎng)分需求量估算

QUEFTS模型以大量田間試驗數(shù)據(jù)為基礎，避免因少數(shù)試驗點對估測結(jié)果產(chǎn)生的偏差。并充分考慮氮、磷和鉀三大營養(yǎng)元素間的交互作用，具有普遍意義。應用QUEFTS模型擬合遼寧省水稻在不同潛在產(chǎn)量和目標產(chǎn)量（8 000 ～ 14 000 kg/hm2）下養(yǎng)分需求曲線。如圖4所示，結(jié)果顯示為線性-拋物線-平臺曲線關(guān)系，所需養(yǎng)分在目標產(chǎn)量達到潛在產(chǎn)量60%～70%前均呈線性增長，此時生產(chǎn)單位籽粒產(chǎn)量地上部養(yǎng)分需求是一致的。對遼寧省水稻而言，生產(chǎn)1 000 kg籽粒產(chǎn)量，地上部氮、磷和鉀的養(yǎng)分需求分別為16.3、3.5和18.4 kg ，N∶P∶K為4.66∶1∶5.26。相應地，氮、磷和鉀的內(nèi)在效率分別為61.2、286.2、54.4 kg/kg。當作物目標產(chǎn)量超過產(chǎn)量潛力的60%～70%時，作物養(yǎng)分吸收曲線顯示為拋物線-平臺曲線，此時單位籽粒產(chǎn)量的增加需要更多的氮、磷和鉀養(yǎng)分量。與Xu等［4］在中國水稻的調(diào)查研究相比，本研究中遼寧省水稻氮素的內(nèi)在效率略高，而鉀素的內(nèi)在效率卻明顯低于我國水稻的平均水平，說明遼寧省鉀素存在奢侈性吸收，過度施鉀或者不平衡施鉀可能是造成這一現(xiàn)象的主要原因，因此優(yōu)化鉀肥用量、改善鉀素管理成為在遼寧省水稻種植中急需解決的重要問題。

圖3 不同參數(shù)a和d值下水稻籽粒與養(yǎng)分吸收關(guān)系

圖4 QUEFTS模型模擬不同目標產(chǎn)量下遼寧省水稻的氮、磷和鉀養(yǎng)分吸收

3 結(jié)論

遼寧省水稻籽粒產(chǎn)量平均為7 242 kg/hm2，較2010 年我國水稻單產(chǎn)（6 441 kg/hm2）高出約 12%，高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)仍然是未來相當長一段時間內(nèi)本地區(qū)水稻種植的首要目標。水稻氮、磷和鉀養(yǎng)分吸收存在較大變異，這可能是由于環(huán)境條件、土壤肥力及人為管理等差異所導致。因此，就遼寧省水稻種植而言，單獨或少數(shù)的試驗點不能作為大面積甚至區(qū)域上推薦施肥的依據(jù)。

應用QUEFTS模型擬合了遼寧省水稻在不同潛在產(chǎn)量和目標產(chǎn)量（8 000 ～ 14 000 kg/hm2）下氮、磷和鉀養(yǎng)分需求曲線。擬合結(jié)果顯示為線性-拋物線-平臺曲線，當目標產(chǎn)量達到潛在產(chǎn)量60%～70%范圍以內(nèi)時，所需養(yǎng)分均呈現(xiàn)出線性增長，此時生產(chǎn)1 000 kg籽粒產(chǎn)量地上部氮、磷和鉀養(yǎng)分需求量，分別為16.3、3.5和18.4 kg，N∶P∶K為4.66∶1∶5.26。相應的氮、磷和鉀內(nèi)在效率（IE）分別為61.2、286.2、54.4 kg/kg。本次研究為遼寧省水稻種植合理施肥提供養(yǎng)分需求參數(shù)。同時，為估算不同地區(qū)其他作物的養(yǎng)分需求提供一種新的研究方法。