• ISSN 1008-505X
  • CN 11-3996/S

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采用QUEFTS建立向日葵推荐施肥模型的养分特征参数研究

段玉 张君 梁俊梅 安昊 李焕春 王博

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采用QUEFTS建立向日葵推荐施肥模型的养分特征参数研究

    作者简介: 段玉 E-mail:duanyu63@aliyun.com;
  • 基金项目: 国家特色油料产业技术体系(CARS-14);国际植物营养研究所(IPNI)中国项目部资助;内蒙古科技计划项目(2019GG346)。

Using QUEFTS to calculate parameters needed for fertilizer recommendation on sunflower

  • 摘要:   【目的】  收集我国向日葵主产区的产量和施肥效应研究数据,构建基于产量反应与农学效率的推荐施肥模型,为向日葵科学施肥提供依据。  【方法】  收集整理了2002年以来在向日葵主要产区进行的向日葵肥料田间试验和公开发表的文献等共483个,运用Excel计算了产量反应、农学效率、肥料利用效率等特征参数。采用QUEFTS法预估了向日葵地上部N、P、K养分吸收。  【结果】  我国主要产区向日葵籽粒产量平均为3335 kg/hm2,秸秆产量平均为7223 kg/hm2,收获指数为0.32 kg/kg。籽粒中N、P和K养分含量平均分别为25.0、4.7和8.5 g/kg,秸秆中平均分别为8.4、1.2和32.8 g/kg,地上部N、P2O5和K2O养分吸收量平均值分别为145.7、55.1和318.5 kg/hm2。N、P2O5和K2O养分收获指数平均分别为0.59、0.66和0.11 kg/kg,施用N、P和K的内在效率 (IE) 分别为23.8、63.8和11.3 kg/kg,籽粒需要的养分吸收量 (RIE) 分别为43.2、16.4和94.9 kg/t。应用QUEFTS模型估算,目标产量为最高产量的60%~70%时,生产1 t籽粒地上部需要吸收N 40.8、P2O5 15.8和K2O 78.1 kg,N∶P2O5∶K2O养分需求比例为2.58∶1.00∶4.93。N、P和K肥的产量反应 (YR) 分别为621.9、467.0和361.3 kg/hm2。不施用N、P和K的地力产量 (RY) 分别为0.82 (n = 1071)、0.87 (n = 914) 和0.90 (n = 1108)。地力产量与施肥增产量之间呈显著的线性负相关,N、P和K地力产量与施肥产量关系的决定系数 (R2) 分别达到了0.712 (n = 1071)、0.693 (n = 914) 和0.763 (n = 1108)。向日葵N、P和K肥的增产量和农学效率二者间存在着显著的指数曲线关系,决定系数 (R2) 分别达到了0.634 (n = 1061)、0.697 (n = 905) 和0.702 (n = 1092)。其关系式为AEN = 0.015 2YRN0.879 6;AEP = 0.026 9YRP0.879 7;AEK = 0.022 9YRK0.900 9  【结论】  通过养分增产量与地力产量,及其与农学效率的相关关系可计算出养分需要量。氮肥推荐可依据氮肥的增产量和养分吸收量来确定,磷钾肥推荐除除考虑其增产量及吸收量外,还需考虑一定目标产量下地上部的养分移走量,上季残效和秸秆还田的归还量。
  • 图 1  向日葵产量与收获指数分布

    Figure 1.  Distribution of yield and harvest index of sunflower

    图 2  不同参数最大积累 (a) 和最大稀释边界 (d) 值下向日葵产量与地上部养分吸收的关系

    Figure 2.  Relationship between achene yield and aboveground nutrient uptake under different parameters the maximum nutrient accumulation boundary (a) and the maximum nutrient dilution boundary (d).

    图 3  QUEFTS模型拟合的不同潜在产量下的地上部最佳养分需求量

    Figure 3.  Optimal shoot nutrient requirements under different potential yields fitted by QUEFTS model

    图 4  向日葵N、P和K产量反应频率分布图

    Figure 4.  Distribution of yield response (YR) frequency of N,P and K in sunflower

    图 5  向日葵N、P和K相对产量比较图

    Figure 5.  Comparation of the relative yield (RY) of sunflower N,P and K

    图 6  向日葵相对产量与产量反应关系

    Figure 6.  Relationship between relative yield (RY) and yield response (YR) of sunflower

    图 7  向日葵N、P和K农学效率频率分布图

    Figure 7.  Frequency distribution of agricultural efficiency of sunflower N,P and K

    图 8  向日葵N、P和K回收率频率分布图

    Figure 8.  Frequency distribution of N,P and K recovery rates of sunflower

    图 9  向日葵N、P和K产量反应与土壤养分含量关系

    Figure 9.  Relationship between yield response of N,P and K and soil nutrient content in sunflower

    图 10  向日葵产量反应与农学效率关系

    Figure 10.  Relationship between yield response (YR) and agronomy efficiency (AE) of sunflower

    表 1  向日葵主产区土壤性状和养分施用水平 (n = 483)

    Table 1.  Soil properties and nutrient application rate of the main experimental area

    参数
    Parameter
    土壤理化性状 Soil property 施肥量 Fertilizer input (kg/hm2)
    pHOM (g/kg)全氮
    Aailable N (mg/kg)
    有效磷
    Olsen-P (mg/kg)
    速效钾
    Aailable K (mg/kg)
    NP2O5K2O
    范围 Range 6.57~9.7 1.5~54.1 6.5~223.0 3.8~65.3 N 0~546 0~366 0~450
    平均值 Mean 8.4 13.2 73.4 14.2 140 124.3 67.2 62.7
    低/Lower 25th 8.2 10.0 54.0 9.6 110 69.0 34.5 28.5
    中/Medium 50th 8.5 12.7 73.0 12.9 132 138.0 69.0 57.0
    高/Higher 75th 8.7 16.3 90.0 16.9 165 180.0 90.0 90.0
    注(Note):低 25th、中 50th、高 75th 分别代表四分位数中,位数从低向高依次排在第 25%、50% 和 75% 的数值 25th,50th and 75th represent the values ranking at the 25%,50% and 75% in the quartile.
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    表 2  向日葵养分吸收特征

    Table 2.  Nutrient uptake characteristics of sunflower

    参数
    Parameter
    样本数
    n
    平均值
    Mean
    标准差
    SD
    最小值
    Min

    Lower25th
    中值
    Medium50th

    Higher75th
    最大值
    Max
    籽粒产量 Achene yield (kg/hm2) 4655 3334.9 945.0 396.5 2758.5 3354.0 3948.0 7417.5
    秸秆产量 Straw yield (kg/hm2) 4228 7222.7 2166.2 718.8 5905.2 7296.3 8535.1 18853.0
    收获指数 Harvest index (kg/kg) 4228 0.32 0.04 0.15 0.29 0.31 0.34 0.54
    籽粒氮含量 N content of achene (g/kg) 4070 25.0 3.9 3.5 23.1 24.8 27.2 51.7
    籽粒P2O5含量 P content of achene (g/kg) 4046 4.7 1.1 1.1 3.9 4.5 5.3 11.6
    籽粒K2O含量 K content of achene (g/kg) 4064 8.5 3.4 1.6 6.6 7.2 9.1 59.7
    秸秆氮含量 N content of straw (g/kg) 4056 8.4 2.2 0.8 7.1 8.4 9.5 21.9
    秸秆P2O5含量 P content of straw (g/kg) 4046 1.2 0.4 0.1 0.9 1.1 1.3 5.0
    秸秆K2O含量 K content of straw (g/kg) 4064 32.8 7.8 5.6 29.1 33.8 37.3 63.7
    籽粒吸氮量 N uptake of achene (kg/hm2) 4057 85.1 28.67 9.5 66.2 83.1 103.0 222.9
    籽粒吸P2O5量 P2O5 uptake of achene (kg/hm2) 4047 36.1 13.39 4.4 26.7 35.2 43.6 113.1
    籽粒吸K2O量 K2O uptake of achene (kg/hm2) 4059 34.2 18.0 3.6 24.5 30.4 39.1 426.4
    秸秆吸氮量 N uptake of straw (kg/hm2) 4057 60.7 23.5 2.3 45.1 58.9 73.8 176.8
    秸秆吸P2O5量 P2O5 uptake of straw (kg/hm2) 4047 19.1 8.8 0.7 13.4 18.1 23.0 72.6
    秸秆吸K2O量 K2O uptake of straw (kg/hm2) 4059 284.7 103.1 20.7 218.6 289.5 349.4 426.4
    地上部氮吸收 N uptake of aboveground (kg/hm2) 4079 145.7 46.6 17.7 116.2 143.3 173.9 329.8
    地上P2O5吸收 P2O5 uptake of aboveground (kg/hm2) 4064 55.1 19.3 7.2 42.5 54.1 65.2 149.0
    地上K2O吸收 K2O uptake of aboveground (kg/hm2) 4076 318.5 111.0 24.5 248.6 321.3 384.6 1130.0
    氮收获指数 N harvest index (HIN) (kg/kg) 4056 0.59 0.08 0.09 0.55 0.59 0.63 0.95
    P2O5收获指数 P2O5 harvest index (HIP) (kg/kg) 4046 0.66 0.09 0.12 0.62 0.67 0.71 0.97
    K2O收获指数 K2O harvest index (HIK) (kg/kg) 4058 0.11 0.06 0.02 0.08 0.09 0.12 0.51
    注(Note):低 25th、中 50th、高 75th 分别代表四分位数中,位数从低向高依次排在第 25%、50% 和 75% 的数值 25th,50th and 75th represent the values ranking at the 25%,50% and 75% in the quartile.
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    表 3  向日葵养分内在效率 (IE) 和吨籽粒养分吸收量 (RIE) 描述统计

    Table 3.  Description statistics of internal efficiency (IE) and ton achene nutrient uptake (RIE) on sunflower

    参数
    Parameter
    样本数
    n
    平均值
    Mean
    标准差
    SD
    最小值
    Min

    Lower25th
    中值
    Medium50th

    Higher75th
    最大值
    Max
    IEN (kg/kg) 4086 23.8 3.9 6.6 21.8 23.7 25.3 55.0
    IEP (kg/kg) 4071 63.8 12.8 20.2 56.1 63.5 69.7 152.8
    IEK (kg/kg) 4083 11.3 3.9 2.9 9.5 10.4 12.0 43.8
    RIEN (kg/t) 4107 43.2 7.6 18.2 39.6 42.3 45.8 152.1
    RIEP (kg/t) 4097 16.4 4.0 6.5 14.3 15.7 17.8 49.4
    RIEK (kg/t) 4109 94.9 23.6 22.8 83.4 96.0 105.3 345.6
    注(Note):低 25th、中 50th、高 75th 分别代表四分位数中,位数从低向高依次排在第 25%、50% 和 75% 的数值 25th,50th and 75th represent the values ranking at the 25%,50% and 75% in the quartile.
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    表 4  向日葵地上部养分最大累积 (a) 和最大稀释边界 (d)

    Table 4.  Maximum nutrient accumulation (a) and maximum nutrient dilution (d) of sunflower aboveground

    养分
    Nutrient
    参数 Ⅰ Parameter Ⅰ参数 Ⅱ Parameter Ⅱ参数 Ⅲ Parameter Ⅲ
    a (2.5%)d (97.5%)a (5%)d (95%)a (7.5%)d (92.5%)
    N 16 32 18 30 19 28
    P 38 90 44 85 47 83
    K 7 20 8 17 8 16
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    表 5  QUEFTS模型拟合的不同产量水平下向日葵养分内在效率和吨籽粒养分吸收量

    Table 5.  Nutrient intrinsic efficiency (IE) and Ton achene nutrient uptake (RIE) of different achene yield levels fitted by QUEFTS model

    产量 (kg/hm2)
    Yield
    养分内在效率 Nutrient intrinsic efficiency (kg/kg)吨籽粒养分吸收 Ton achene nutrient uptake (kg/t)
    NP2O5K2ONP2O5K2O
    0 0 0 0 0 0 0
    1000 24.5 63.2 12.8 40.8 15.8 78.1
    2000 24.5 63.2 12.8 40.8 15.8 78.1
    3000 24.5 63.2 12.8 40.8 15.8 78.1
    4000 24.5 63.2 12.8 40.8 15.8 78.1
    5000 22.9 59.1 12.0 43.7 16.9 83.5
    6000 23.6 60.9 12.3 42.4 16.4 81.0
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    表 6  向日葵籽粒最大累积边界 (a) 和最大稀释边界 (d)

    Table 6.  Maximum nutrient accumulation boundary (a) and maximum nutrient dilution boundary (d) value on sunflower achene nutrient

    养分 Nutrienta (kg/kg)d (kg/kg)
    N 30 58
    P2O5 60 143
    K2O 45 170
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    表 7  QUEFTS模型拟合的不同产量水平下向日葵籽粒养分吸收量及其占地上部养分吸收的比例

    Table 7.  Nutrient uptake and the ratio of achene in total aboveground part of sunflower fitted by QUEFTS model

    产量水平
    Yield level
    (kg/hm2)
    地上部吸收量 (kg/hm2)
    Aboveground uptake
    籽粒吸收量 (kg/hm2)
    Achene uptake
    所占比例 (%)
    Percentage
    NP2O5K2ONP2O5K2ONP2O5K2O
    0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
    1000 40.8 15.8 78.1 22.5 10.1 10.7 55.0 64.0 13.7
    2000 81.7 31.7 156.2 44.9 20.3 21.4 55.0 64.0 13.7
    3000 122.5 47.5 234.4 67.4 30.4 32.1 55.0 64.0 13.7
    4000 163.4 63.3 312.5 89.9 40.5 42.9 55.0 64.0 13.7
    4200 171.6 66.5 328.1 94.5 42.6 45.1 55.1 64.1 13.7
    5000 218.3 84.6 417.4 120.4 54.3 57.4 55.2 64.2 13.8
    6000 254.2 98.5 486.2 214.4 96.6 102.3 84.3 98.1 21.0
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    表 8  向日葵相对产量和农学效率参数分级

    Table 8.  Classification of RY and AE of sunflower

    产量排位
    Yield ranking
    相对产量 Relative yield (kg/hm2) 农学效率 Agronomy efficiency (kg/kg)
    N (1 071) *P (914)K (1 108)N (1 061)P (905)K (1 092)
    低 Lower 25th 0.75 0.82 0.86 2.20 3.20 2.11
    中 Medium 50th 0.84 0.88 0.91 4.01 5.57 4.04
    高 Higher 75th 0.90 0.93 0.95 6.42 8.83 6.64
    注(Note):*括号内的数值为试验数据量 The values are test data count;低 25th、中 50th、高 75th 分别代表四分位数中,产量位数从低向高依次排在第 25%、50% 和 75% 的数值 25th,50th and 75th represent the values ranking at the 25%,50% and 75% in the quartile.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-23
  • 录用日期:  2020-01-09

采用QUEFTS建立向日葵推荐施肥模型的养分特征参数研究

    作者简介:段玉 E-mail:duanyu63@aliyun.com
  • 内蒙古自治区农牧业科学院资源环境与检测技术研究所,呼和浩特 010031
  • 基金项目: 国家特色油料产业技术体系(CARS-14);国际植物营养研究所(IPNI)中国项目部资助;内蒙古科技计划项目(2019GG346)。
  • 摘要:   【目的】  收集我国向日葵主产区的产量和施肥效应研究数据,构建基于产量反应与农学效率的推荐施肥模型,为向日葵科学施肥提供依据。  【方法】  收集整理了2002年以来在向日葵主要产区进行的向日葵肥料田间试验和公开发表的文献等共483个,运用Excel计算了产量反应、农学效率、肥料利用效率等特征参数。采用QUEFTS法预估了向日葵地上部N、P、K养分吸收。  【结果】  我国主要产区向日葵籽粒产量平均为3335 kg/hm2,秸秆产量平均为7223 kg/hm2,收获指数为0.32 kg/kg。籽粒中N、P和K养分含量平均分别为25.0、4.7和8.5 g/kg,秸秆中平均分别为8.4、1.2和32.8 g/kg,地上部N、P2O5和K2O养分吸收量平均值分别为145.7、55.1和318.5 kg/hm2。N、P2O5和K2O养分收获指数平均分别为0.59、0.66和0.11 kg/kg,施用N、P和K的内在效率 (IE) 分别为23.8、63.8和11.3 kg/kg,籽粒需要的养分吸收量 (RIE) 分别为43.2、16.4和94.9 kg/t。应用QUEFTS模型估算,目标产量为最高产量的60%~70%时,生产1 t籽粒地上部需要吸收N 40.8、P2O5 15.8和K2O 78.1 kg,N∶P2O5∶K2O养分需求比例为2.58∶1.00∶4.93。N、P和K肥的产量反应 (YR) 分别为621.9、467.0和361.3 kg/hm2。不施用N、P和K的地力产量 (RY) 分别为0.82 (n = 1071)、0.87 (n = 914) 和0.90 (n = 1108)。地力产量与施肥增产量之间呈显著的线性负相关,N、P和K地力产量与施肥产量关系的决定系数 (R2) 分别达到了0.712 (n = 1071)、0.693 (n = 914) 和0.763 (n = 1108)。向日葵N、P和K肥的增产量和农学效率二者间存在着显著的指数曲线关系,决定系数 (R2) 分别达到了0.634 (n = 1061)、0.697 (n = 905) 和0.702 (n = 1092)。其关系式为AEN = 0.015 2YRN0.879 6;AEP = 0.026 9YRP0.879 7;AEK = 0.022 9YRK0.900 9  【结论】  通过养分增产量与地力产量,及其与农学效率的相关关系可计算出养分需要量。氮肥推荐可依据氮肥的增产量和养分吸收量来确定,磷钾肥推荐除除考虑其增产量及吸收量外,还需考虑一定目标产量下地上部的养分移走量,上季残效和秸秆还田的归还量。

    English Abstract

    • 中国是继乌克兰、俄罗斯、阿根廷和罗马尼亚之后世界第五大向日葵生产国[1],目前年播种面积约100万hm2,年产量达270万t[2]。肥料是实现向日葵高产的物质保证,是影响向日葵产量和品质的主要因素之一。然而,在产量不断增加的同时农民盲目追求高产导致了肥料不合理施用,尤其是过量施肥等问题比较严重[3],据国家特色油料产业技术体系2017—2018年度对向日葵主要产区500个农户的调查表明,向日葵平均产量2735 kg/hm2,需要吸收氮 (N)、磷 (P2O5) 和钾 (K2O) 量分别为118、45和261 kg/hm2,而生产上N、P2O5和K2O的平均用量分别为176、114和56 kg/hm2,氮磷肥投入过剩,钾肥投入严重不足。肥料的过量或不合理施用不仅影响向日葵产量和品质[4-7],还降低了养分利用率,导致资源浪费,损失的养分进入环境还将对农田生态环境造成潜在威胁,直接影响农田可持续利用。目前,我国向日葵主产区的氮肥当季利用率为30%左右,磷肥当季利用率仅为10%~20%[8-11]。造成我国向日葵生产中过量施肥、不平衡施肥及肥料利用率低的主要原因是葵农没有按照“4R”施肥原则进行科学施肥,特别是缺少能够指导向日葵优质高产的推荐施肥方法。

      国内外在作物推荐施肥方面主要有地力分级法、目标产量法、肥料效应函数法等[12]。这些推荐施肥和养分管理方法在增加产量和提高肥料利用率方面发挥了重要作用。我国向日葵主要种植在北方地区,春季土壤化冻晚,农户种植管理模式导致土壤养分有较大的变异,测试费用高,种植茬口紧,土壤类型和气候等差异较大。另外,土壤氮素养分测试值与施氮肥的作物产量反应相关性低的问题也给氮素推荐带来了挑战。

      针对我国向日葵生产中过量施肥和不平衡施肥的现状,探索向日葵生产体系中施肥效应参数和推荐施肥技术体系,对于向日葵高产稳产和农田可持续利用,科学高效地利用肥料资源,以及绿色生产具有重要意义[13]

      • 向日葵籽实产量,地上部氮、磷、钾养分吸收,肥料施用量等数据来自2002年以来在向日葵主产区的田间试验、公开发表的文献、部分地区测土施肥试验资料,涵盖我国东北、华北、西北地区,基本覆盖全国向日葵主要种植区域,共有田间试验483个。具体的试验处理包括在不同的土壤类型和气候条件下的最佳养分管理处理和减素处理以及氮磷钾肥料量级试验等。试验地的土壤特性和施肥情况见表1

        表 1  向日葵主产区土壤性状和养分施用水平 (n = 483)

        Table 1.  Soil properties and nutrient application rate of the main experimental area

        参数
        Parameter
        土壤理化性状 Soil property 施肥量 Fertilizer input (kg/hm2)
        pHOM (g/kg)全氮
        Aailable N (mg/kg)
        有效磷
        Olsen-P (mg/kg)
        速效钾
        Aailable K (mg/kg)
        NP2O5K2O
        范围 Range 6.57~9.7 1.5~54.1 6.5~223.0 3.8~65.3 N 0~546 0~366 0~450
        平均值 Mean 8.4 13.2 73.4 14.2 140 124.3 67.2 62.7
        低/Lower 25th 8.2 10.0 54.0 9.6 110 69.0 34.5 28.5
        中/Medium 50th 8.5 12.7 73.0 12.9 132 138.0 69.0 57.0
        高/Higher 75th 8.7 16.3 90.0 16.9 165 180.0 90.0 90.0
        注(Note):低 25th、中 50th、高 75th 分别代表四分位数中,位数从低向高依次排在第 25%、50% 和 75% 的数值 25th,50th and 75th represent the values ranking at the 25%,50% and 75% in the quartile.
      • QUEFTS模型最初是由Janssen等[14]提出的土壤地力评价模型,通过预估热带地区不施肥土壤的玉米产量来评价地力,其重要特征是考虑了氮、磷和钾养分之间的相互作用。模型计算了土壤氮、磷和钾3种大量元素的基础供肥量,以及结合作物产量与养分吸收量之间的关系模拟作物一定目标产量下最佳的氮、磷和钾养分需求量以及养分限制下的生产力。Liu等[15]应用QUEFTS模型对黄淮海平原冬小麦-夏玉米目标产量与最佳养分吸收量进行了模拟。

        QUEFTS模型首先确定氮磷钾养分最大稀释边界、最大累积边界以及需要达到的产量潜力,然后结合Excel中的规划求解过程,求解出目标产量下的最佳养分吸收量,得出作物不同目标产量下的最佳养分吸收曲线,用于产量与养分吸收评价。这一方法在玉米、小麦和水稻中进行了研究,获得了很好的效果[16-21]

      • 收获指数 (HI) = 籽实产量/生物产量。反映了向日葵群体光合同化物转化为经济产品的能力。

        氮、磷、钾养分的收获指数 (HIN、HIP或HIK) 是向日葵籽实中的氮、磷、钾累积量与全株氮、磷、钾累积总量的比值。氮 (或磷、钾) 收获指数 (HIN) = 籽实中氮 (或磷、钾) 的积累量/全株氮 (或磷、钾) 积累总量。

        相对产量 = 缺素区籽实产量/全肥区籽实产量

        产量反应系数反映某一养分投入后的增产效果的高低,产量反应系数 = 1 − 相对产量

        产量反应 = 全肥区籽实产量 − 缺素区籽实产量,即全肥区籽实产量与减素处理籽实产量的差。

        养分内在效率 = 籽粒产量/地上部该养分吸收量,即,每单位地上部吸收的干物质养分 (N、P或K) 所生产的籽粒量,反映了地上部吸收的养分对籽粒产量形成的效率高低。

        吨籽粒养分吸收 (kg/t) =1000/养分内在效率,即,生产1 t籽粒地上部所吸收的氮、磷和钾养分量。

        肥料农学效率 (kg/kg) = (全肥区籽粒产量 − 缺素区籽粒产量) /养分投入量,即特定施肥条件下,施入单位养分增加的经济产量是施肥增产效应的综合体现,反映增施某种养分对产量作用的大小。

      • 向日葵的收获指数较低,平均值为0.32。从收获指数的分布来看,向日葵收获指数的主要数据点集中于0.25~0.45 kg/kg (图1)。

        图  1  向日葵产量与收获指数分布

        Figure 1.  Distribution of yield and harvest index of sunflower

      • 表2可看出,籽粒产量平均为3335 kg/hm2,变化范围为396~7418 kg/hm2。秸秆产量平均为7223 kg/hm2,变化范围为719~18853 kg/hm2。地上部氮、磷和钾养分吸收量平均值分别为145.7、55.1和318.5 kg/hm2,其变化范围分别为17.7~329.8、7.2~149.0和24.5~1130.0 kg/hm2。氮、磷、钾收获指数为0.59、0.66、0.11,说明氮和磷主要转移到籽粒中,钾主要是在茎叶中。

        表 2  向日葵养分吸收特征

        Table 2.  Nutrient uptake characteristics of sunflower

        参数
        Parameter
        样本数
        n
        平均值
        Mean
        标准差
        SD
        最小值
        Min

        Lower25th
        中值
        Medium50th

        Higher75th
        最大值
        Max
        籽粒产量 Achene yield (kg/hm2) 4655 3334.9 945.0 396.5 2758.5 3354.0 3948.0 7417.5
        秸秆产量 Straw yield (kg/hm2) 4228 7222.7 2166.2 718.8 5905.2 7296.3 8535.1 18853.0
        收获指数 Harvest index (kg/kg) 4228 0.32 0.04 0.15 0.29 0.31 0.34 0.54
        籽粒氮含量 N content of achene (g/kg) 4070 25.0 3.9 3.5 23.1 24.8 27.2 51.7
        籽粒P2O5含量 P content of achene (g/kg) 4046 4.7 1.1 1.1 3.9 4.5 5.3 11.6
        籽粒K2O含量 K content of achene (g/kg) 4064 8.5 3.4 1.6 6.6 7.2 9.1 59.7
        秸秆氮含量 N content of straw (g/kg) 4056 8.4 2.2 0.8 7.1 8.4 9.5 21.9
        秸秆P2O5含量 P content of straw (g/kg) 4046 1.2 0.4 0.1 0.9 1.1 1.3 5.0
        秸秆K2O含量 K content of straw (g/kg) 4064 32.8 7.8 5.6 29.1 33.8 37.3 63.7
        籽粒吸氮量 N uptake of achene (kg/hm2) 4057 85.1 28.67 9.5 66.2 83.1 103.0 222.9
        籽粒吸P2O5量 P2O5 uptake of achene (kg/hm2) 4047 36.1 13.39 4.4 26.7 35.2 43.6 113.1
        籽粒吸K2O量 K2O uptake of achene (kg/hm2) 4059 34.2 18.0 3.6 24.5 30.4 39.1 426.4
        秸秆吸氮量 N uptake of straw (kg/hm2) 4057 60.7 23.5 2.3 45.1 58.9 73.8 176.8
        秸秆吸P2O5量 P2O5 uptake of straw (kg/hm2) 4047 19.1 8.8 0.7 13.4 18.1 23.0 72.6
        秸秆吸K2O量 K2O uptake of straw (kg/hm2) 4059 284.7 103.1 20.7 218.6 289.5 349.4 426.4
        地上部氮吸收 N uptake of aboveground (kg/hm2) 4079 145.7 46.6 17.7 116.2 143.3 173.9 329.8
        地上P2O5吸收 P2O5 uptake of aboveground (kg/hm2) 4064 55.1 19.3 7.2 42.5 54.1 65.2 149.0
        地上K2O吸收 K2O uptake of aboveground (kg/hm2) 4076 318.5 111.0 24.5 248.6 321.3 384.6 1130.0
        氮收获指数 N harvest index (HIN) (kg/kg) 4056 0.59 0.08 0.09 0.55 0.59 0.63 0.95
        P2O5收获指数 P2O5 harvest index (HIP) (kg/kg) 4046 0.66 0.09 0.12 0.62 0.67 0.71 0.97
        K2O收获指数 K2O harvest index (HIK) (kg/kg) 4058 0.11 0.06 0.02 0.08 0.09 0.12 0.51
        注(Note):低 25th、中 50th、高 75th 分别代表四分位数中,位数从低向高依次排在第 25%、50% 和 75% 的数值 25th,50th and 75th represent the values ranking at the 25%,50% and 75% in the quartile.
      • 养分内在效率可以用于评估向日葵吸收的养分从植株向籽粒的转运能力。向日葵氮、磷和钾的内在效率IEN、IEP和IEK值 (表3) 分别平均为23.8、63.8和11.3 kg/kg,变化范围分别为6.6~55.0、20.2~152.8和2.9~43.8 kg/kg。

        表 3  向日葵养分内在效率 (IE) 和吨籽粒养分吸收量 (RIE) 描述统计

        Table 3.  Description statistics of internal efficiency (IE) and ton achene nutrient uptake (RIE) on sunflower

        参数
        Parameter
        样本数
        n
        平均值
        Mean
        标准差
        SD
        最小值
        Min

        Lower25th
        中值
        Medium50th

        Higher75th
        最大值
        Max
        IEN (kg/kg) 4086 23.8 3.9 6.6 21.8 23.7 25.3 55.0
        IEP (kg/kg) 4071 63.8 12.8 20.2 56.1 63.5 69.7 152.8
        IEK (kg/kg) 4083 11.3 3.9 2.9 9.5 10.4 12.0 43.8
        RIEN (kg/t) 4107 43.2 7.6 18.2 39.6 42.3 45.8 152.1
        RIEP (kg/t) 4097 16.4 4.0 6.5 14.3 15.7 17.8 49.4
        RIEK (kg/t) 4109 94.9 23.6 22.8 83.4 96.0 105.3 345.6
        注(Note):低 25th、中 50th、高 75th 分别代表四分位数中,位数从低向高依次排在第 25%、50% 和 75% 的数值 25th,50th and 75th represent the values ranking at the 25%,50% and 75% in the quartile.

        吨籽粒养分吸收量RIE值分别为43.2、16.4和94.9 kg/t,变化范围分别为18.2~152.1、6.5~49.4、22.8~345.6 kg/t。

      • QUEFTS模型假定有一个恒定的养分内在效率直到作物目标产量达到潜在产量的60%~70%。QUEFTS模型选择养分内在效率上下的2.5%、5.0%和7.5%作为最大养分累积边界 (a,kg/kg) 和最大养分稀释边界 (d,kg/kg) 参数进行最佳养分吸收估测。分别采用养分内在效率值的上下2.5%、5.0%和7.5%所对应的数值来获得向日葵的N、P和K的参数ad值 (表4)。

        表 4  向日葵地上部养分最大累积 (a) 和最大稀释边界 (d)

        Table 4.  Maximum nutrient accumulation (a) and maximum nutrient dilution (d) of sunflower aboveground

        养分
        Nutrient
        参数 Ⅰ Parameter Ⅰ参数 Ⅱ Parameter Ⅱ参数 Ⅲ Parameter Ⅲ
        a (2.5%)d (97.5%)a (5%)d (95%)a (7.5%)d (92.5%)
        N 16 32 18 30 19 28
        P 38 90 44 85 47 83
        K 7 20 8 17 8 16

        应用QUEFTS模型通过Excel表格中的规划求解模拟向日葵3组参数不同目标产量下养分吸收情况 (图2),3组参数只是缩短了最大累积和最大稀释边界间的距离,对养分吸收曲线影响较小,3组参数的养分吸收曲线非常接近,只是在接近潜在产量时有所差异,因此可以采用参数Ⅰ即养分内在效率的上下2.5%作为估测养分吸收的边界。

        图  2  不同参数最大积累 (a) 和最大稀释边界 (d) 值下向日葵产量与地上部养分吸收的关系

        Figure 2.  Relationship between achene yield and aboveground nutrient uptake under different parameters the maximum nutrient accumulation boundary (a) and the maximum nutrient dilution boundary (d).

      • 应用QUEFTS模型分别拟合向日葵不同潜在产量和目标产量下的氮、磷和钾的地上部最佳养分吸收需求 (图3)。结果显示,不论潜在产量为多少,当目标产量达到潜在产量的60%~70%时,生产每吨籽粒地上部养分需求是一致的,即目标产量所需的养分在达到潜在产量60%~70%前呈直线增长。QUEFTS模型拟合的地上部籽粒中的养分吸收以潜在产量为6 t/hm2为例。

        图  3  QUEFTS模型拟合的不同潜在产量下的地上部最佳养分需求量

        Figure 3.  Optimal shoot nutrient requirements under different potential yields fitted by QUEFTS model

        表5看出,生产1 t向日葵籽粒地上部吸收N 40.8 kg、P2O515.8 kg和K2O 78.1 kg,N、P2O5、K2O养分内在效率IE值分别为24.5 kg/kg、63.2 kg/kg和12.8 kg/kg,直线部分养分需求N : P2O5 : K2O的比例为2.58∶1.00∶4.93。

        表 5  QUEFTS模型拟合的不同产量水平下向日葵养分内在效率和吨籽粒养分吸收量

        Table 5.  Nutrient intrinsic efficiency (IE) and Ton achene nutrient uptake (RIE) of different achene yield levels fitted by QUEFTS model

        产量 (kg/hm2)
        Yield
        养分内在效率 Nutrient intrinsic efficiency (kg/kg)吨籽粒养分吸收 Ton achene nutrient uptake (kg/t)
        NP2O5K2ONP2O5K2O
        0 0 0 0 0 0 0
        1000 24.5 63.2 12.8 40.8 15.8 78.1
        2000 24.5 63.2 12.8 40.8 15.8 78.1
        3000 24.5 63.2 12.8 40.8 15.8 78.1
        4000 24.5 63.2 12.8 40.8 15.8 78.1
        5000 22.9 59.1 12.0 43.7 16.9 83.5
        6000 23.6 60.9 12.3 42.4 16.4 81.0
      • 籽粒养分吸收IE值的上下2.5%用于计算籽粒养分吸收氮、磷和钾的参数ad值 (表6)。经计算,籽粒养分吸收N、P2O5和K2O的参数ad值分别为30和58 kg/kg、60和143 kg/kg、45和170 kg/kg。

        表 6  向日葵籽粒最大累积边界 (a) 和最大稀释边界 (d)

        Table 6.  Maximum nutrient accumulation boundary (a) and maximum nutrient dilution boundary (d) value on sunflower achene nutrient

        养分 Nutrienta (kg/kg)d (kg/kg)
        N 30 58
        P2O5 60 143
        K2O 45 170

        QUEFTS模型拟合得出的籽粒养分吸收呈直线增长,直到目标产量达到潜在产量的60%~70%。目标产量在潜在产量的60%~70%以下时,生产1t籽粒时籽粒中所需的N、P2O5和K2O分别为22.5、10.1和10.7 kg;当目标产量达到潜在产量的70%时,籽粒中所需的N、P和K养分占整个地上部养分吸收的比例分别为55.1%、64.1%和13.7% (表7)。

        表 7  QUEFTS模型拟合的不同产量水平下向日葵籽粒养分吸收量及其占地上部养分吸收的比例

        Table 7.  Nutrient uptake and the ratio of achene in total aboveground part of sunflower fitted by QUEFTS model

        产量水平
        Yield level
        (kg/hm2)
        地上部吸收量 (kg/hm2)
        Aboveground uptake
        籽粒吸收量 (kg/hm2)
        Achene uptake
        所占比例 (%)
        Percentage
        NP2O5K2ONP2O5K2ONP2O5K2O
        0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
        1000 40.8 15.8 78.1 22.5 10.1 10.7 55.0 64.0 13.7
        2000 81.7 31.7 156.2 44.9 20.3 21.4 55.0 64.0 13.7
        3000 122.5 47.5 234.4 67.4 30.4 32.1 55.0 64.0 13.7
        4000 163.4 63.3 312.5 89.9 40.5 42.9 55.0 64.0 13.7
        4200 171.6 66.5 328.1 94.5 42.6 45.1 55.1 64.1 13.7
        5000 218.3 84.6 417.4 120.4 54.3 57.4 55.2 64.2 13.8
        6000 254.2 98.5 486.2 214.4 96.6 102.3 84.3 98.1 21.0
      • 产量反应 (YR) 是全肥区产量与缺素区产量的差。氮、磷和钾产量反应分别用YRN、YRP和YRK表示。从483个田间试验数据结果中得出,施氮肥的产量反应YRN最大,平均为621.9 kg/hm2,其中有73.7%的YRN位于200~800 kg/hm2。施用磷肥和钾肥的平均产量反应分别为467.0和361.3 kg/hm2,有73.9%的YRP在150~750 kg/hm2,有70.8%的YRK在450 kg/hm2以下 (图4)。

        图  4  向日葵N、P和K产量反应频率分布图

        Figure 4.  Distribution of yield response (YR) frequency of N,P and K in sunflower

        基础产量 (RY) 是缺素区产量与全肥区产量的比值。结果表明 (图5),向日葵平均氮、磷和钾的基础产量分别为0.82 (n = 1071)、0.87 (n = 914) 和0.90 (n = 1108)。可见,施氮肥的产量反应系数 (0.18) 最大,施氮的增产效果最为明显,其次是施磷肥的产量反应系数 (0.13),施钾肥的产量反应系数 (0.10) 最小。氮磷钾肥的增产效果表现为氮肥 > 磷肥 > 钾肥。

        图  5  向日葵N、P和K相对产量比较图

        Figure 5.  Comparation of the relative yield (RY) of sunflower N,P and K

      • 缺素区基础产量与施该养分的产量反应之间呈显著的线性负相关 (图6),氮、磷和钾的相对产量与产量反应关系的相关决定系数 (R2) 分别达到了0.712 (n = 1071)、0.693 (n = 914) 和0.763 (n = 1108)。

        图  6  向日葵相对产量与产量反应关系

        Figure 6.  Relationship between relative yield (RY) and yield response (YR) of sunflower

      • 农学效率是优化施肥的产量反应除以施肥量。氮、磷和钾农学效率分别用AEN、AEP和AEK表示。优化施肥管理的平均AEN、AEP和AEK分别为4.83 kg/kg (n = 1061)、6.31 kg/kg (n = 905) 和5.08 kg/kg (n = 1092),N的农学效率低于6.0 kg/kg的占全部观察数据的72.2%,而P和K的农学效率低于9 kg/kg的分别占所观察数据的76.1%和85.7% (图7)。

        图  7  向日葵N、P和K农学效率频率分布图

        Figure 7.  Frequency distribution of agricultural efficiency of sunflower N,P and K

      • 氮、磷和钾的当季回收率分别用REN、REP和REK表示。研究表明,向日葵氮、磷和钾肥的平均回收率分别30.6%、15.9%和48.6% (图8)。氮素回收率位于20%~50%的占全部观察数据的86.2%。磷素回收率有92.8%的观察数据低于30%。钾素回收率30%~75%的占全部观察数据的82.3%。

        图  8  向日葵N、P和K回收率频率分布图

        Figure 8.  Frequency distribution of N,P and K recovery rates of sunflower

      • 依据田间试验数据对相对产量进行四位点分级,以产量水平代表土壤供肥能力的等级,25%为低,50%为中等,75%为高,由此计算得出产量反应 (表8)。

        表 8  向日葵相对产量和农学效率参数分级

        Table 8.  Classification of RY and AE of sunflower

        产量排位
        Yield ranking
        相对产量 Relative yield (kg/hm2) 农学效率 Agronomy efficiency (kg/kg)
        N (1 071) *P (914)K (1 108)N (1 061)P (905)K (1 092)
        低 Lower 25th 0.75 0.82 0.86 2.20 3.20 2.11
        中 Medium 50th 0.84 0.88 0.91 4.01 5.57 4.04
        高 Higher 75th 0.90 0.93 0.95 6.42 8.83 6.64
        注(Note):*括号内的数值为试验数据量 The values are test data count;低 25th、中 50th、高 75th 分别代表四分位数中,产量位数从低向高依次排在第 25%、50% 和 75% 的数值 25th,50th and 75th represent the values ranking at the 25%,50% and 75% in the quartile.
      • 产量反应与土壤速效N、P和K含量间存在显著负相关 (图9)。土壤速效养分含量高则施肥的产量反应低,土壤速效养分低则施肥的产量反应高。随着土壤速效氮磷钾含量的升高,施肥产量反应降低,氮、磷、钾肥施肥产量与其土壤有效含量的决定系数依次为 (R2) 0.178 (n = 1071)、0.236 (n = 818)、0.259 (n = 1005)。

        图  9  向日葵N、P和K产量反应与土壤养分含量关系

        Figure 9.  Relationship between yield response of N,P and K and soil nutrient content in sunflower

      • 产量反应和农学效率之间存在显著的指数曲线关系 (图10),N、P和K的决定系数 (R2) 分别达到了0.634 (n = 1061)、0.697 (n = 905) 和0.702 (n = 1092)。其关系式为:AEN = 0.0152YRN0.8796;AEP = 0.0269YRP0.8797;AEK = 0.0229YRK0.9009

        图  10  向日葵产量反应与农学效率关系

        Figure 10.  Relationship between yield response (YR) and agronomy efficiency (AE) of sunflower

      • 向日葵产量和养分吸收存在很大变异性。向日葵籽实产量为 (3334.9 ± 1890.0) kg/hm2,秸秆产量为 (7225.6 ± 4332.4) kg/hm2,收获指数平均为0.32,低于水稻、小麦和玉米[13]。籽实中N和P2O5养分含量是秸秆中N和P2O5养分含量的3~4倍,秸秆中的K2O含量是籽实中K2O含量的近4倍,收获后N和P养分主要集中于籽实中,其养分收获指数平均值分别为0.59和0.66 kg/kg,钾素主要集中于秸秆中,籽实中K的收获指数为0.11 kg/kg,与Li等[24]的研究结果一致。地上部N、P2O5和K2O养分吸收量以吸钾量最多、氮次之、磷最少。籽粒N、P2O5和K2O养分吸收量 (RIE) 分别为43.2、16.4和94.9 kg/t。

        应用QUEFTS模型[14-15]可以拟合向日葵不同潜在产量下氮、磷和钾的地上部最佳养分吸收需求。达到潜在产量60%~70%时,籽粒地上部N、P2O5和K2O需要量分别为40.8、15.8和78.1 kg/t,直线部分N∶P2O5∶K2O养分需求比例为2.58∶1.00∶4.93。利用QUEFTS模型成功进行了玉米、小麦和水稻的养分需求模拟[16-21]

        向日葵施用氮、磷、钾肥的产量反应 (YR) 是平衡施肥需要考虑的重要参数之一,是推荐施肥的重要指标,产量反应不仅可以反映土壤供肥能力,同时还反映施肥效应。不施氮、磷和钾肥的相对产量 (RY) 也反映了施肥的效果。本研究表明,氮肥的增产效果最为明显,氮素仍然是产量的首要限制因子[8],灵活的管理措施和合适的施肥量能够提高产量,进而可以提高产量反应。对于一个特定地块或地点,产量反应依赖于气候和土壤供肥能力。

        相对产量与产量反应之间呈显著的线性负相关,N、P和K相对产量与产量反应关系的决定系数 (R2) 分别达到了0.712 (n = 1071)、0.693 (n = 914) 和0.763 (n = 1108)。一定目标产量下的产量反应等于产量反应系数乘以目标产量,产量反应= (1 – 相对产量) ×目标产量。

        土壤供肥能力为土壤在不施某种养分而其他养分供应充足条件下土壤中该种养分的供应能力,反映的是土壤中某种养分最基本的养分供应能力。土壤供肥能力与土壤质地、有机质、肥料用量和前季作物养分残留、环境带入的养分量 (如灌溉、干湿沉降等) 以及种植制度等密切相关。土壤供肥能力可通过不施某种养分处理的地上部该养分吸收量表示。向日葵的土壤养分供应虽然随着土壤养分含量增加而增加,但土壤速效氮、磷、钾含量与土壤潜在供应氮 (INS)、磷 (IPS) 和 钾 (IKS) 的能力之间相关性较弱,因此依据土壤养分测试值进行向日葵推荐施肥时需选择合适的施肥指标以建立良好的相关关系。

        本研究明确了向日葵施用氮磷钾肥的农学效率和养分回收率,氮、磷和钾的产量反应和农学效率及二者间存在着显著的相关关系,这些特征参数是向日葵推荐施肥的基础。向日葵养分专家推荐施肥模型后台数据库包含了十几年的田间试验数据,其利用作物的生长环境、各种土壤肥力指标 (质地、颜色、有机质含量和障碍因子等)、作物轮作体系以及当前作物产量等信息确定土壤养分的供应能力。在向日葵养分专家推荐施肥模型中,应用相对产量的大小来表示土壤供肥能力,进而确定产量反应。可以利用施氮肥产量反应与农学效率进行施氮肥推荐。对于磷钾肥除产量反应部分外,还需要考虑上季残效和秸秆还田情况确定。

      • 向日葵施用氮、磷、钾肥的产量反应与不施氮、磷和钾肥的基础产量呈显著相关,由基础产量和目标产量之差计算欲获得的增产量 (产量反应);由产量反应和农学效率二者间相关关系可计算得出农学效率。

        氮肥推荐可直接依据氮肥的产量反应和农学效率来确定 (施氮量 = 产量反应/农学效率)。磷钾肥推荐除产量反应外,还需要考虑归还目标产量下的地上部养分移走量、上季残效和秸秆还田情况确定。

    参考文献 (24)
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