• ISSN 1008-505X
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长期施肥红壤稻田肥力与产量的相关性及县域验证

刘淑军 李冬初 高菊生 黄晶 余泓 李照全 文炯 张会民

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长期施肥红壤稻田肥力与产量的相关性及县域验证

    作者简介: 刘淑军 E-mail:liushujun@caas.cn;
    通讯作者: 张会民, E-mail:zhanghuimin@caas.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划课题 (2016YFD0300901,2016YFD0300902,2017YFD0800101);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项 (161032019035,1610132020021);国家水稻产业技术体系项目 (CARS-01-83)。

Correlation of red paddy soil fertility with rice yield under long-term fertilization and county verification

    Corresponding author: ZHANG Hui-min, E-mail:zhanghuimin@caas.cn
  • 摘要:   【目的】  土壤肥力是水稻生产可持续发展的基础资源,研究长期施肥下红壤稻田土壤肥力变化特征,以及土壤肥力质量指数 (SFI) 和水稻产量之间的相关性,以期科学指导红壤稻田土壤培肥和评估区域水稻产量。  【方法】  本研究基于1982年开始的红壤稻田长期定位实验,采用模糊评判法计算不同施肥处理的SFI,建立SFI和水稻产量之间的拟合方程,并结合典型县域数据对拟合方程进行验证。  【结果】  经过30年的培肥,M (有机肥)、NKM (氮钾肥 + 有机肥)、NPM (氮磷肥 + 有机肥)、PKM (磷钾肥 + 有机肥)、NPKM (氮磷钾肥 + 有机肥)、NPK (氮磷钾肥) 处理的SFI随施肥年限均呈缓慢线性增长趋势,年均增长0.0035~0.0136,而不施肥对照的SFI逐年下降。PKM和NPKM处理的年均SFI最高,比CK处理分别增加了70.6%和68.4%。5个施有机肥处理的年均SFI均高于单施化肥的NPK处理。线性拟合结果发现,1984、1988、1994、1998、2004、2008、2012年等7个年份的年均SFI与年均水稻绝对产量、相对产量呈显著线性正相关关系 (P < 0.05),相关系数分别为0.708、0.683。县域尺度的验证结果表明,基于SFI预测的水稻绝对产量、相对产量与实际的绝对产量和相对产量 (RRMSE均小于25%) 均高度相符。  【结论】  有机肥的投入是红壤稻田提高土壤肥力的有效措施,红壤丘陵双季稻区,SFI和水稻产量之间存在显著的线性正相关关系,且SFI和水稻产量尚有一定的提升潜力。通过SFI和水稻产量的关系模型预测评估该稻区县域的水稻产量是可行的。
  • 图 1  长期不同施肥处理的土壤肥力质量指数 (SFI) 变化趋势

    Figure 1.  The change of soil fertility index (SFI) under different long-term fertilization

    图 2  长期不同施肥处理的年均土壤肥力质量指数

    Figure 2.  The annual average SFI under long-term fertilization

    图 3  土壤肥力质量指数与水稻绝对产量、相对产量的关系

    Figure 3.  The relationship between SFI and absolute yield and relative yield

    图 4  祁阳县土壤肥力指标的空间分布

    Figure 4.  The spatial distribution of soil fertility indicator in Qiyang County

    图 5  祁阳县土壤肥力质量指数和水稻年产量的空间分布

    Figure 5.  The spatial distribution of SFI and annual grain yield in Qiyang County

    图 6  绝对产量、相对产量的预测值与实测值的相互关系

    Figure 6.  The relationships between predicted and measured values of absolute yield and relative yield

    表 1  土壤肥力参评指标隶属度函数的拐点值

    Table 1.  Turning point values of soil fertility indicator

    肥力指标
    Soil fertility indicator
    拐点值Turning point value
    X1X2X3X4
    pH 4.5 5.5 6.0 7.0
    有机质 Organic matter (g/kg) 10 40
    碱解氮 Available N (mg/kg) 100 200
    有效磷 Available P (mg/kg) 5 20
    速效钾 Available K (mg/kg) 50 150
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    表 2  土壤肥力参评指标权重系数

    Table 2.  Weight coefficient of soil fertility indicator

    土壤肥力指标
    Soil fertility indicator
    1984198819941998200420082012权重系数
    Weight coefficient
    pH 0.227 0.198 0.188 0.169 0.215 0.158 0.193 0.193
    有机质 Organic matter 0.165 0.199 0.197 0.171 0.206 0.232 0.208 0.197
    碱解氮 Available N 0.226 0.198 0.199 0.238 0.188 0.215 0.203 0.210
    有效磷 Available P 0.206 0.203 0.203 0.213 0.203 0.188 0.187 0.201
    速效钾 Available K 0.176 0.202 0.212 0.209 0.188 0.207 0.209 0.200
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    表 3  祁阳县土壤肥力指标描述性统计分析

    Table 3.  Descriptive statistical analysis of soil fertility indicator in Qiyang county

    肥力指标
    Soil fertility indicator
    极小值
    Min
    极大值
    Max
    均值
    Mean
    变异系数(%)
    CV
    标准误
    SD
    方差
    Variance
    偏度
    Skewness
    峰度
    Kurtosis
    pH 3.90 8.50 6.31 18.76 0.025 1.40 0.18 –1.44
    有机质 OM (g/kg) 0.90 66.40 33.46 35.17 0.25 138.49 0.086 –0.39
    碱解氮 AvailableN (mg/kg) 3.00 390.00 176.11 38.57 1.44 4614.38 0.76 1.22
    有效磷 Available P (mg/kg) 0.50 54.40 13.07 73.45 0.20 92.12 2.11 5.52
    速效钾 Available K (mg/kg) 5.00 143.00 42.08 62.84 0.56 699.20 1.70 3.09
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    [7] 陈琨秦鱼生喻华康思文樊红柱曾祥忠涂仕华 . 不同肥料/改良剂对冷泥田水稻生长、养分吸收及土壤性质的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2015.0325
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    [11] 王飞林诚李清华何春梅李昱林新坚 . 长期不同施肥对南方黄泥田水稻子粒品质性状与土壤肥力因子的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2011.0175
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    [13] 廖育林郑圣先*鲁艳红谢坚聂军向艳文2 . 长期施钾对红壤水稻土水稻产量及土壤钾素状况的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2009.0618
    [14] 鲁艳红纪雄辉郑圣先廖育林 . 施用控释氮肥对减少稻田氮素径流损失和提高水稻氮素利用率的影响 . 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2008.0313
    [15] 李菊梅徐明岗秦道珠李冬初宝川靖和八木一行 . 有机肥无机肥配施对稻田氨挥发和水稻产量的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2005.0109
    [16] 王玄德石孝均宋光煜 . 长期稻草还田对紫色水稻土肥力和生产力的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2005.0303
    [17] 高明张磊魏朝富谢德体 . 稻田长期垄作免耕对水稻产量及土壤肥力的影响研究. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2004.0402
    [18] 王伯仁徐明岗黄佳良陈永安陈典豪文石林赵秉强张夫道 . 红壤旱地长期施肥下土壤肥力及肥料效益变化研究. 植物营养与肥料学报,
    [19] 张电学韩志卿王介元陈洪斌 . 燕山山麓平原高产粮区长期施肥对作物产量和土壤肥力的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2000.0304
    [20] 姜丽娜詹长庚毛美飞叶静 . 施肥对红壤稻田硫素演变及供硫能力的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2000.0308
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  • 收稿日期:  2019-11-04

长期施肥红壤稻田肥力与产量的相关性及县域验证

    作者简介:刘淑军 E-mail:liushujun@caas.cn
    通讯作者: 张会民, zhanghuimin@caas.cn
  • 1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室,北京 100081
  • 2. 中国农业科学院衡阳红壤实验站/祁阳农田生态系统国家野外试验站,湖南祁阳 426182
  • 3. 祁阳县农业农村局,湖南祁阳 426100
  • 4. 岳阳市环境监测中心,湖南岳阳 414000
  • 5. 岳阳市农业科学研究院,湖南岳阳 414000
  • 基金项目: 国家重点研发计划课题 (2016YFD0300901,2016YFD0300902,2017YFD0800101);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项 (161032019035,1610132020021);国家水稻产业技术体系项目 (CARS-01-83)。
  • 摘要:   【目的】  土壤肥力是水稻生产可持续发展的基础资源,研究长期施肥下红壤稻田土壤肥力变化特征,以及土壤肥力质量指数 (SFI) 和水稻产量之间的相关性,以期科学指导红壤稻田土壤培肥和评估区域水稻产量。  【方法】  本研究基于1982年开始的红壤稻田长期定位实验,采用模糊评判法计算不同施肥处理的SFI,建立SFI和水稻产量之间的拟合方程,并结合典型县域数据对拟合方程进行验证。  【结果】  经过30年的培肥,M (有机肥)、NKM (氮钾肥 + 有机肥)、NPM (氮磷肥 + 有机肥)、PKM (磷钾肥 + 有机肥)、NPKM (氮磷钾肥 + 有机肥)、NPK (氮磷钾肥) 处理的SFI随施肥年限均呈缓慢线性增长趋势,年均增长0.0035~0.0136,而不施肥对照的SFI逐年下降。PKM和NPKM处理的年均SFI最高,比CK处理分别增加了70.6%和68.4%。5个施有机肥处理的年均SFI均高于单施化肥的NPK处理。线性拟合结果发现,1984、1988、1994、1998、2004、2008、2012年等7个年份的年均SFI与年均水稻绝对产量、相对产量呈显著线性正相关关系 (P < 0.05),相关系数分别为0.708、0.683。县域尺度的验证结果表明,基于SFI预测的水稻绝对产量、相对产量与实际的绝对产量和相对产量 (RRMSE均小于25%) 均高度相符。  【结论】  有机肥的投入是红壤稻田提高土壤肥力的有效措施,红壤丘陵双季稻区,SFI和水稻产量之间存在显著的线性正相关关系,且SFI和水稻产量尚有一定的提升潜力。通过SFI和水稻产量的关系模型预测评估该稻区县域的水稻产量是可行的。

    English Abstract

    • 红壤性水稻土是我国南方最主要的土壤类型之一。红壤地区有广阔的水稻种植面积、充实的水热资源、巨大的农业生产潜力,为我国粮食安全做出了重大的贡献。但红壤性水稻土受成土母质、耕作方式、不合理施肥等因素影响,中低产田面积依然占较大比例,土壤肥力水平总体偏低[1]。研究表明,长期施用有机肥、氮磷钾化肥与有机肥长期配施等,均可以提高土壤肥力[2-3]。土壤肥力作为水稻丰产的基础,肥力质量影响着水稻的生产和发展[4],因此,研究土壤肥力对水稻生产可持续发展有着重要的作用。

      土壤肥力质量作为土壤质量的中心,反映诸多土壤肥力要素的综合作用,在气候条件、生产技术等相对一致的范围内,土壤肥力质量是影响土壤生产力 (土壤产出农产品的能力[5]) 的重要因素[6]。土壤肥力评价是通过众多已知土壤指标反映肥力综合水平的过程[7]。近年来,土壤肥力质量的评价方法主要有专家打分法、综合土壤质量指数、模糊综合评判法、多变量指示克里格法等[8]。林圣玉等[9]选取了土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、pH值等10个评价指标,用模糊数学隶属度函数模型对鄱阳湖区坡耕地土壤肥力质量进行了综合评价。是众多土壤肥力要素综合作用的反映

      目前的研究主要集中在土壤肥力质量的评价方法比较和肥力分级[10],也有关于土壤肥力质量指数和水稻产量量化关系的研究。李方敏等[11]将土壤肥力综合指数与水稻籽粒产量进行线性回归,结果表明土壤肥力综合指数和水稻籽粒产量之间达极显著水平;包耀贤等[12]研究发现土壤肥力质量指数和作物相对产量间符合“S”型波尔兹曼生长曲线。以上研究只表明土壤肥力质量指数和水稻产量之间存在拟合关系,但缺乏对两者之间关系的验证,因此,未能利用长期监测结果进行科学指导农业生产。本研究以红壤稻田有机无机肥配施长期定位实验的数据为基础,运用模糊评判法计算不同施肥处理的土壤肥力质量指数,建立土壤肥力质量指数和水稻产量之间的拟合方程,结合祁阳县的县域数据对拟合方程进行验证,运用土壤肥力质量指数和水稻产量之间的关系模型指导红壤丘陵双季稻区的土壤培肥管理和生产力评估。

      • 本研究中 基于1982年在湖南省祁阳县官山坪中国农业科学院红壤实验站 (26.45° N,111.5232° E) 开始长期定位试验,该区海拔150~170 m,地处中亚热带地区,年均气温18℃、≥ 10℃积温5600℃,年降水量1255 mm、年蒸发量1470 mm、无霜期300天,年日照时数1610 h。稻田土壤为第四纪红色粘土发育的红黄泥,1982年开始时0—20 cm土层土壤pH 5.97、有机碳12.2 g/kg、全氮1.5 g/kg、碱解氮158.0 mg/kg、全磷0.48 g/kg、有效磷9.6 mg/kg、全钾14.2 g/kg、速效钾65.9 mg/kg,属中低肥力水平[13]

      • 试验设7个处理:1) 有机肥 (M);2) 氮、钾化肥 + 有机肥 (NKM);3) 氮、磷化肥 + 有机肥 (NPM);4) 磷、钾化肥 + 有机肥 (PKM);5) 氮、磷、钾化肥 + 有机肥 (NPKM);6) 氮、磷、钾化肥 (NPK);7) 不施肥处理 (CK,2000年增加)。1982年早稻进行匀地,晚稻开始试验。种植模式为稻-稻-冬闲。有机肥为腐熟新鲜牛粪,养分含量为多年均值,含N 0.32%、P2O5 0.25%、K2O 0.15%,处理中氮肥为尿素N 72.5 kg/hm2,磷肥为过磷酸钙P2O5 56.3 kg/hm2,钾肥为氯化钾K2O 33.8 kg/hm2,有机肥为牛粪22500 kg/hm2,所有肥料作底肥一次性施入,早、晚稻施肥量一致。小区面积27 m2,每个处理3次重复,随机排列,各小区之间用水泥埂隔开。

      • 验证试验在祁阳县开展,祁阳县地处湖南省西南部,主要土壤类型为红壤[14]。祁阳县稻田种植面积为4.03万公顷,农业生产主要以“双季稻”模式为主[15]。本文研究数据来自2010年祁阳县耕地质量调查的数据,包括祁阳县2010年的水稻年产量和水稻土pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾等养分数据,共计2241个点,其中八宝镇191个点、白水镇362个点、大村甸镇103个点、大忠桥镇303个点、龚家坪镇176个点、观音滩镇96个点、黄泥塘镇129个点、梅溪镇109个点、潘市镇64个点、七里桥镇5个点、三口塘镇165个点、文明铺镇118个点、浯溪镇76个点、下马渡镇2个点、肖家村镇155个点、羊角塘镇187个点。采样点的分布呈现西部多于东部,因西部的乡镇为祁阳县的主要水稻种植区,水稻种植面积广,而东部的乡镇不是水稻的主要种植区,水稻种植面积小,因此少量的取样点也能代表该区域的水稻土肥力状况和水稻产量。

        特异值的存在影响土壤变量的空间分布,对祁阳县域数据的筛选,通过3σ准则处理特异值,即样本平均值加减三倍标准差,在此区间以外的数据均定为特异值,然后分别用正常最大值和正常最小值代替特异值[16]。特异值的识别利用WPS 2019进行。

      • 每年早、晚稻收获时,分小区收割,脱粒后晾晒,称重,得到的产量为绝对产量,年产量为每年的早、晚稻绝对产量之和。所有处理的水稻年产量占当年最高年产量 (NPKM处理) 的百分比为相对产量。祁阳县各点的相对产量为各点的水稻年产量占所有点中最高年产量的百分比。

        每年收获晚稻后,各小区按“S”形采样法采集0—20 cm的土壤样品,风干过筛后测定土壤的理化性质[17]。土壤pH用pH计测定 (1∶2.5土水比浸提);有机质用K2Cr2O7-H2SO4氧化法测定;碱解氮用碱解扩散法测定;有效磷用Olsen法测定;速效钾用NH4OAc浸提―火焰光度计法测定。

      • 参考以往评价指标的选择[18],同时综合考虑本实验中土壤的特点以及所收集祁阳县水稻土的养分数据,本研究选取pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾5个指标,建立红壤稻田土壤肥力质量评价指标体系。首先计算各参评指标的隶属度值。根据土壤肥力指标与作物生长效应曲线将隶属度函数分为两种类型,其中有机质、碱解氮、有效磷、速效钾属于S型 (正相关型) 隶属度函数,pH属于抛物线型 (梯型) 隶属度函数[19]。根据红壤酸性土壤肥力特性[4],结合《土壤质量指标与评价》[20],确定参评指标的拐点值 (表1)。再将各肥力指标值分别代入隶属度函数得到隶属度值。

        表 1  土壤肥力参评指标隶属度函数的拐点值

        Table 1.  Turning point values of soil fertility indicator

        肥力指标
        Soil fertility indicator
        拐点值Turning point value
        X1X2X3X4
        pH 4.5 5.5 6.0 7.0
        有机质 Organic matter (g/kg) 10 40
        碱解氮 Available N (mg/kg) 100 200
        有效磷 Available P (mg/kg) 5 20
        速效钾 Available K (mg/kg) 50 150

        权重系数表示各肥力指标对土壤肥力的贡献,此研究中采用因子分析法计算各参评指标的权重系数[12]。首先采用因子分析得到各参评指标的公因子方差,然后计算各参评指标公因子方差占公因子方差总和的比值,即为各参评指标的权重系数。为更加准确地表述指标间的相互关系,本研究将1984、1988、1994、1998、2004、2008、2012年的各指标权重系数均值作为土壤肥力参评指标的最终权重系数[21-22] (表2)。

        表 2  土壤肥力参评指标权重系数

        Table 2.  Weight coefficient of soil fertility indicator

        土壤肥力指标
        Soil fertility indicator
        1984198819941998200420082012权重系数
        Weight coefficient
        pH 0.227 0.198 0.188 0.169 0.215 0.158 0.193 0.193
        有机质 Organic matter 0.165 0.199 0.197 0.171 0.206 0.232 0.208 0.197
        碱解氮 Available N 0.226 0.198 0.199 0.238 0.188 0.215 0.203 0.210
        有效磷 Available P 0.206 0.203 0.203 0.213 0.203 0.188 0.187 0.201
        速效钾 Available K 0.176 0.202 0.212 0.209 0.188 0.207 0.209 0.200

        将各参评指标的隶属度值和权重系数相乘后再进行累加,即可得到基于模糊综合评价的土壤肥力质量指数SFI (soil fertility index),其计算公式如下[23]

        ${\rm{SFI}}=\sum\limits_{i = 1}^n { (q_i \times w_i) } $

        式中:qi是第i项土壤肥力参评指标的隶属度值;wi是第i项土壤肥力参评指标的权重系数;n代表参评指标的个数。

      • 以长期试验1984、1988、1994、1998、2004、2008、2012年各处理的年均土壤肥力质量指数和年均水稻绝对产量、相对产量的一元一次拟合方程为模型,结合2010年祁阳县各点的稻田土壤肥力质量指数,预测绝对产量、相对产量。同时采用RMSE (均方根误差) 和RRMSE (相对均方根误差) 对产量预测值和实测值之间的符合度进行检验,且当RRMSE ≤ 25%时模型可用。

        数据处理采用WPS 2019进行。用DPS v7.05和SPSS 20.0进行统计分析,LSD对各处理的土壤肥力质量指数差异进行显著性分析 (P < 0.05)。用Origin 2020作图及线性方程拟合土壤肥力质量指数和产量之间的量化关系。采用ArcGIS 10.5进行Kriging插值和图形编辑,制作祁阳县土壤肥力指标、土壤肥力质量指数和水稻年产量的空间分布图。

      • 图1表示红壤稻田不同施肥处理的SFI变化趋势,CK处理是2000年新增的处理,因此SFI从2004年开始。纵观整个变化趋势,M、NKM、NPM、PKM、NPKM、NPK处理的SFI随施肥年限均呈缓慢线性增长趋势,年均增长0.0035~0.0136 (斜率),其中NPM、PKM处理呈显著增长趋势。CK处理因作物消耗加之无肥料供给,SFI呈下降趋势。

        图  1  长期不同施肥处理的土壤肥力质量指数 (SFI) 变化趋势

        Figure 1.  The change of soil fertility index (SFI) under different long-term fertilization

        年均SFI以CK处理最低,PKM、NPKM处理最高 (图2),与CK处理相比,PKM、NPKM、NPM、NKM处理的年均SFI增加了44.6%~70.6%,达显著差异水平。单施化肥的NPK处理年均SFI为0.48,高于CK处理,低于施用有机肥的M、NKM、NPM、PKM、NPKM处理。

        图  2  长期不同施肥处理的年均土壤肥力质量指数

        Figure 2.  The annual average SFI under long-term fertilization

      • 作物产量作为土壤生产力的直观表现,在一定程度上能真实反映土壤综合肥力水平。因此常采用SFI与作物产量间的相关性,验证评价结果的适宜性、正确性[24]。本试验的拟合结果见图3。1984、1988、1994、1998、2004、2008、2012等7个年份的年均SFI与年均水稻绝对产量、相对产量均呈显著线性正相关关系 (P < 0.05)。表明采用上述评价指标和评价方法计算所得SFI值可真实反映长期试验的土壤肥力综合水平,评价结果具有高度代表性。

        图  3  土壤肥力质量指数与水稻绝对产量、相对产量的关系

        Figure 3.  The relationship between SFI and absolute yield and relative yield

      • 2010年祁阳县的土壤性质为:pH6.31、有机质33.46 g/kg、碱解氮176.1 mg/kg、有效磷13.07 mg/kg和速效钾42.08 mg/kg。根据全国第二次土壤普查养分分级标准[11],有机质和碱解氮为二级,属于高水平;有效磷为三级,属于中上水平;速效钾为五级,属于低水平。总的来看,祁阳县土壤缺钾严重。5个肥力指标的变异系数分别为18.8%、35.2%、38.6%、73.5%和62.8%,pH的变异系数最小,有效磷的变异系数最大。pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾分布范围分别为3.9~8.5、0.9~66.4 g/kg、3.0~390.0 mg/kg、0.5~54.4 mg/kg和5.0~143.0 mg/kg,极大值和极小值之间差异明显,表明各地区之间土壤养分含量存在明显的差异。偏度、峰度分别刻画了样点养分含量相对于中心位置的倾斜程度以及样本的分散程度,一般来说,较高峰度意味着样点养分含量有较大的分散性且区域间差异大[25]。pH、有机质、碱解氮的偏度趋于0,较有效磷、速效钾而言,这3个肥力指标总体上的分布更往均值集中。pH、有机质、碱解氮的峰度也小于有效磷、速效钾,在分布上更集中,区域间差异小 (表3)。

        表 3  祁阳县土壤肥力指标描述性统计分析

        Table 3.  Descriptive statistical analysis of soil fertility indicator in Qiyang county

        肥力指标
        Soil fertility indicator
        极小值
        Min
        极大值
        Max
        均值
        Mean
        变异系数(%)
        CV
        标准误
        SD
        方差
        Variance
        偏度
        Skewness
        峰度
        Kurtosis
        pH 3.90 8.50 6.31 18.76 0.025 1.40 0.18 –1.44
        有机质 OM (g/kg) 0.90 66.40 33.46 35.17 0.25 138.49 0.086 –0.39
        碱解氮 AvailableN (mg/kg) 3.00 390.00 176.11 38.57 1.44 4614.38 0.76 1.22
        有效磷 Available P (mg/kg) 0.50 54.40 13.07 73.45 0.20 92.12 2.11 5.52
        速效钾 Available K (mg/kg) 5.00 143.00 42.08 62.84 0.56 699.20 1.70 3.09

        为了更直观和准确地反映祁阳县土壤肥力指标、SFI和水稻年产量的空间分布特征,本文应用ArcGIS对土壤肥力指标、SFI和产量进行Kriging插值,得到肥力指标、SFI和水稻年产量的空间分布图。

        图4可知,pH和有机质空间分布特征相似,较高区域主要分布在北部、中西部和东北角一部分,较低区域在东南角,整体趋势均表现为自北向南逐渐降低。碱解氮的整体分布表现为西部高于东部,其中最高区域主要分布于中西部和西南部。有效磷较高区域位于中部以北一小块区域,中西和西南部较低,整体表现为东部高于西部。速效钾总体呈现北部高于南部,最高区域分布于中部和东北角,较低区域位于西南部。

        图  4  祁阳县土壤肥力指标的空间分布

        Figure 4.  The spatial distribution of soil fertility indicator in Qiyang County

        采用模糊评判法计算祁阳县SFI,土壤肥力参评指标的选取和长期试验保持一致,包括土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾共5项土壤肥力指标。评价结果显示,祁阳县2010年的SFI在0.1~0.92之间,变异系数为23.8%,均值为0.51。祁阳县2010年水稻的年产量分布范围为1800~14700 kg/hm2,变异系数为26.6%,均值为11050 kg/hm2。SFI和水稻年产量的空间分布特征相似,呈现从北部到南部逐渐降低的趋势,其中西北角、中部的肥力和产量高,东南角低 (图5)。

        图  5  祁阳县土壤肥力质量指数和水稻年产量的空间分布

        Figure 5.  The spatial distribution of SFI and annual grain yield in Qiyang County

      • 为进一步验证SFI与水稻绝对产量、相对产量的拟合方程,以2010年祁阳县的SFI为基础,采用图3的一元一次拟合方程 (y = 14858.9 x + 1618.9,y = 109.1 x + 19.3),分别预测了2010年祁阳县的水稻绝对产量、相对产量。结果表明,预测的水稻绝对产量与实际的绝对产量 (R2为0.406,P < 0.01,RRMSE小于25%) 高度相符,预测的相对产量与实际的相对产量 (R2为0.406,P < 0.01,RRMSE小于25%) 也高度相符,说明一元一次拟合方程可以用来预测和评估县域尺度的水稻生产能力。

        图  6  绝对产量、相对产量的预测值与实测值的相互关系

        Figure 6.  The relationships between predicted and measured values of absolute yield and relative yield

      • 水稻产量和土壤肥力水平关系密切,合理施肥作为维持、提升土壤肥力水平的主要措施,也是作物高产优质的重要保证。在众多培肥措施中,最有效的途径就是有机物或有机肥的投入[26]。张淑香等[27]提出长期有机无机肥配施及秸秆还田,土壤有机质呈显著上升趋势,30年平均上升幅度南方旱地和长江流域水田平均为24%。查燕等[28]研究发现有机肥或秸秆与化肥配施能有效提高农田基础地力产量和基础地力贡献率,增加有机物料投入是农田基础地力培育的最佳施肥措施。

        长期定位试验是研究提高土壤肥力质量的有效途径[4]。本试验经过30年的培肥,M、NKM、NPM、PKM、NPKM、NPK处理的SFI随施肥年限均呈缓慢线性增长趋势,CK处理的SFI呈下降趋势。谢军等[29]研究表明,不施肥CK处理土壤肥力质量指数呈下降趋势,施肥处理能够提高土壤肥力质量指数。其原因是在无肥料投入情况下,作物连年生长消耗土壤中的养分,导致土壤肥力逐年下降[12, 30]。年均SFI以PKM、NPKM处理最高,而单施化肥的NPK处理,低于其他5个施用有机肥的处理。因此,化肥与有机肥配施以及单施有机肥比单施化肥更能有效提高红壤稻田SFI。其原因主要是化肥与有机肥配施以及单施有机肥都可以提高土壤的pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾含量[26, 28, 31-33],而相对来说,化肥的施用对土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量的增加幅度有限[26, 32]

      • 作物产量是土壤质量的综合反映,也是土壤培肥的一个重要指标[34]。土壤肥力综合评价是众多土壤肥力单项指标的综合定量化过程,采用综合肥力指数可较好地反映土壤综合肥力水平的高低[24],两者之间量化关系的研究,能为红壤丘陵双季稻区的水稻产量评估提供理论支持。杨帆等[24]和李方敏等[11]均研究发现水稻产量与SFI之间呈显著线性正相关关系。本研究结果显示,年均SFI与年均水稻绝对产量、相对产量呈显著线性正相关关系。从图3可以看出,随着SFI的增加,水稻的绝对产量和相对产量并未趋于稳定,一直在增长,说明土壤肥力的产量潜力并未发挥出来。可能原因主要是长期试验的施肥量一直停留在1982年的水平,相对于当前的施肥水平来说较低。长期试验早、晚稻两季的N、P2O5、K2O年施用量分别为145、112.6、67.6 kg/hm2,各施肥处理年均水稻产量范围为9244~12508 kg/hm2。而湖南地区当前的常规施肥量两季共施用N 330 kg/hm2、P2O5 135 kg/hm2、K2O 240 kg/hm2,水稻年产量为13292 kg/hm2[35],其氮、磷、钾用量分别为长期试验的2.3倍、1.2倍、3.6倍,年产量为长期试验的1.1~1.4倍。长期试验的施肥水平和水稻年产量均低于湖南地区的常规水平。可见,长期试验红壤稻田的水稻土肥力质量和水稻产量均未达到稳定,从而导致大部分处理的产量潜力没有得到充分发挥[36]

        为保证长期试验拟合方程在县域尺度预测的代表性,采用模糊评判法计算祁阳县的SFI所选取的参评指标和长期试验保持一致。在本研究中,祁阳县2010年的SFI平均值为0.51,肥力水平中等[37]。肥力高的区域主要分布在西北角和中部,结合祁阳县的地形图可知,占据祁阳县西北角肥力较高区域的乡镇主要是文明铺镇、大村甸等乡镇,中部为大忠桥镇、白水镇等乡镇,这几个镇均为祁阳县的水稻高产创建示范区,养分投入合理,耕作管理规范,有机无机配施、绿肥还田等措施在该地区大面积推广,有利于土壤肥力的提高。祁阳县水稻年产量的空间分布特征和SFI相似,除去以上几个原因,祁阳县中部有湘江通过,土壤母质为河流沉积物,该母质发育的土壤疏松通气性好,有利于作物根系的氮蓄积和根系的发育,从而促进地上部生长及产量形成[38],由河流沉积物所构成的湘北滨湖平原就是我国的七大商品粮生产基地之一[39]。2010年祁阳县5个肥力指标的变异系数以pH最小,有效磷最大,其主要原因是各地区的磷肥施用状况不一致,且磷肥的当季利用率低,土壤中的磷不易迁移等使较多的磷残留在土壤中,从而导致土壤中磷分布不均匀[37]。5个肥力指标、SFI和水稻年产量具有明显的区域差异,其原因除了和土壤母质有关以外,秸秆还田、绿肥还田、有机肥的施用等各种培肥土壤的措施在祁阳县各个地区推广应用程度不一,各个地区水稻品种的差异也是导致肥力指标、SFI和水稻年产量区域差异明显的主要原因[29]。将长期试验水稻产量和SFI的关系模型在祁阳县区域的验证结果表明,通过SFI预测评估红壤丘陵双季稻区县域的水稻产量是可行的。但是,影响水稻产量的因子有很多,除了土壤肥力以外,还有气候[40]、品种、管理措施等多种因子,通过扩大验证区域和增加更多因子预测评估区域的水稻产量也是今后研究发展的方向。

      • 有机肥的投入是红壤稻田提高土壤肥力的有效措施,经过30年的培肥,土壤肥力质量指数 (SFI) 随施肥年限呈缓慢线性增长趋势,年均增长0.0035~0.0136。红壤丘陵双季稻区,SFI和水稻产量之间存在显著线性正相关关系,且SFI和水稻产量均尚有一定的提升潜力。基于SFI和水稻产量的关系模型,在县域尺度上预测的水稻产量与实际产量高度相符,通过SFI预测评估该稻区县域的水稻产量是可行的,但此模型仅从土壤肥力角度考虑对产量的影响,以后可通过增加土壤环境质量和健康质量等指标进一步优化模型,从而为高标准农田质量评价和保障粮食高产稳产提供参考。

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