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长期不同施肥模式下赤红壤旱地轮作体系内花生甘薯产量的稳定性研究

李娟 张立成 章明清 王煌平 张辉 张永春

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长期不同施肥模式下赤红壤旱地轮作体系内花生甘薯产量的稳定性研究

    作者简介: 李娟E-mail:lj-95@163.com;
    通讯作者: 章明清, E-mail:zhangmq2001@163.com ; 张永春, E-mail:yczhang66@sina.com
  • 基金项目: 国家甘薯产业技术体系资助 (CARS-10-B9)

Yield stability of peanut and sweet potato under long-term combined application of chemical and organic fertilizers in latosolic red soil

    Corresponding author: ZHANG Ming-qing, E-mail:zhangmq2001@163.com ;ZHANG Yong-chun, E-mail:yczhang66@sina.com
  • 摘要:   【目的】  研究不同施肥模式下赤红壤旱地花生–甘薯轮作制中两种作物产量的稳定性,可从不同角度加深理解合理养分管理技术的增产机理。  【方法】  化肥定位试验和化肥配施有机肥定位试验在闽东南典型赤红壤旱地分别连续进行了15年和13年,种植制度均为花生和甘薯轮作。化肥定位试验处理包括农民习惯施肥、推荐施肥以及在推荐施肥基础上去掉N、P、K的处理,以不施肥为对照;化肥有机肥定位试验处理包括农民习惯施肥、推荐施肥以及以商品有机肥、猪粪和稻草替代推荐1/3施氮量处理,以不施肥为对照。根据历年花生和红薯产量,计算了产量的可持续性指数和变异指数,构建一元灰色线性模型,计算了不同施肥模式的长期趋势产量。  【结果】  长期化肥定位试验中,推荐施肥处理的花生和甘薯产量均值显著高于其它5个处理,在长期有机无机配合试验中,三个有机无机配施处理的产量均显著高于推荐施肥处理。花生和甘薯化肥推荐施肥的产量可持续指数 (SYI) 分别为0.729 ± 0.019和0.501 ± 0.028,化肥配施猪粪花生的SYI为0.689 ± 0.013,显著高于推荐施肥和化肥配施稻草处理,与配施商品有机肥差异不显著;化肥配施稻草甘薯的SYI为0.514 ± 0.029,显著高于推荐施肥处理和化肥配施商品有机肥处理,与化肥配施猪粪的差异不显著。一元灰色线性模型显示,化肥推荐施肥的花生和甘薯趋势产量均值分别为3780 kg/hm2和19408 kg/hm2,均显著高于其他化肥处理。化肥配施农家猪粪的花生趋势产量均值为3492 kg/hm2,显著高于推荐施肥和其余两个有机无机配施处理;化肥配施稻草处理甘薯的趋势产量均值为17567 kg/hm2,显著高于推荐施肥处理和化肥配施商品有机肥处理,与化肥配施农家猪粪处理没有显著差异。产量可持续系数较变异系数可更加有效地区分不同处理之间的产量波动差异,与产量的绝对高低没有关系。  【结论】  化肥推荐施肥有利于提高赤红壤旱地轮作体系中花生和甘薯的产量,用有机肥替代推荐施肥中氮肥的1/3可以进一步提高花生和甘薯的产量。有机无机配施不仅提高了作物的产量,还不同程度显著提高了产量的稳定性和长期增产趋势。化肥配施猪粪或商品有机肥均可以提高花生产量的稳定性和增产潜力,长期而化肥配合配施稻草或猪粪对甘薯产量及其稳定性最为有利。
  • 图 1  不同施肥模式甘薯累加产量的变化

    Figure 1.  Relationship between cumulative yields of sweet potato and experimental years

    表 1  花生–甘薯轮作制长期定位试验处理和施肥量 (kg/hm2)

    Table 1.  Treatments and fertilizer input (kg/hm2) in the two long-term peanut–sweet potato rotation experiments

    长期定位试验
    Long-term experiment
    处理编号
    Treatment number
    处理
    Treatment
    花生 Peanut甘薯 Sweet potato
    NP2O5K2O有机肥 ManureNP2O5K2O有机肥 Manure
    化肥
    Chemical fertilizer
    1CK000000
    2FP90457522545150
    3RF75609018045225
    4RF-N06090045225
    5RF-P750901800225
    6RF-K75600180450
    化肥和有机肥配施
    Chemical and organic fertilizer
    1CK00000000
    2RF7560900180602250
    3RF + CM5040601995120401504140
    4RF + PM50507165851203517715795
    5RF + S5057382745120511016600
    注(Note):FP—农民习惯施肥 Farmer's practice; RF—推荐施肥 Recommended fertilization; RF-N—推荐施肥减氮 Without N in the recommended fertilization; RF-P—推荐施肥减磷 Without P in the recommended fertilization; RF-K—推荐施肥减钾 Without K in the recommended fertilization; CM—商品有机肥 Commercial organic fertilizer (N + P2O5 + K2O ≥ 5%, N 1.7%); RF + CM、RF + PM 和 RF + S 分别表示推荐施氮量的 1/3 由商品有机肥、猪粪和稻草替代 RF + CM, RF + PM and RF + S represent the replacement of one-third of recommended N input with commercial organic manure, pig manure, and rice straw, respectively.
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    表 2  定位试验不同年限轮作体系中各施肥处理花生和甘薯的产量

    Table 2.  Yield of peanut and sweet potato in two different fertilization experiments and different experimental years

    长期试验
    Experiment
    处理
    Treatment
    花生 Peanut (kg/hm2, dry base)甘薯 Sweet potato (kg/hm2, fresh base)
    1~5年
    1–5 years
    6~10年
    6–10 years
    11~15年
    11–15 years*
    平均
    Mean
    1~5年
    1–5 years
    6~10年
    6–10 years
    11~15年
    11–15 years*
    平均
    Mean
    化肥**
    Chemical fertilizer application
    CK1503 ± 764 d776 ± 351 d984 ± 538 e1101 ± 603 e5649 ± 951 e6858 ± 2570 e7033 ± 1934 e6092 ± 2161 e
    FP3674 ± 324 ab2974 ± 659 ab3544 ± 277 b3411 ± 536 b15760 ± 1400 b17262 ± 5070 b16063 ± 3319 b16178 ± 3356 b
    RF4229 ± 305 a3367 ± 674 a4147 ± 399 a3936 ± 608 a18640 ± 1235 a20073 ± 6198 a18976 ± 3155 a19070 ± 3796 a
    RF-N2659 ± 623 c1747 ± 767 c2080 ± 481 d2183 ± 695 d10210 ± 1773 d10503 ± 2639 d10085 ± 1518 d10020 ± 2101 d
    RF-P3236 ± 492 bc2432 ± 649 b2791 ± 373 cd2829 ± 580 c13833 ± 2177 c14091 ± 4193 c14529 ± 2198 c13667 ± 2889 c
    RF-K3251 ± 392 b2336 ± 601 bc2870 ± 449 c2844 ± 594 c12989 ± 3017 cd13196 ± 3897 c12569 ± 2218 c12798 ± 2894 c
    化肥和有机肥配施***
    Chemical and organic fertilizer
    CK2151 ± 580 b986 ± 375 c1131 ± 200 c1449 ± 926 c5871 ± 1778 d8214 ± 1826 b7928 ± 3472 c6701 ± 2139 c
    RF3558 ± 523 a3000 ± 584 b3033 ± 1056 b3223 ± 532 b11490 ± 2409 c16905 ± 4107 a14640 ± 2077 b14250 ± 3831 b
    RF + CM3765 ± 536 a3160 ± 624 ab3217 ± 649 ab3393 ± 567 ab12457 ± 2921 bc18299 ± 3804 a15476 ± 1893 ab15355 ± 3950 b
    RF + PM4027 ± 478 a3308 ± 536 a3478 ± 675 a3613 ± 540 a13116 ± 2837 b19337 ± 3722 a19643 ± 3647 a16681 ± 4563 ab
    RF + S3646 ± 483 a2927 ± 577 b3226 ± 638 ab3269 ± 546 b14624 ± 2518 a19464 ± 5762 a17829 ± 1447 ab17085 ± 4370 a
    注(Note):*—化肥有机肥配合试验为第三阶段时间为 11~13 年; **—化肥长期地位试验花生产量方差分析的处理间 F 值和年际间 F 值分别为 213.9 和 26.8; 甘薯产量的处理间 F 值和年际间 F 值则分别为 161.8 和 21.7; ***—化肥有机肥配合长期定位试验的花生产量方差分析的处理间和年际间的 F 值分别为 132.8 和 23.4; 甘薯产量的处理间和年际间的 F 值则分别为 60.6 和 15.4; 同列数据后不同字母表示同一试验处理间差异达 5% 显著水平。*—The period for the chemical and organic fertilizer combination experiment was 11 to 13 years; **—In the chemical fertilization experiment, the inter-treatment and inter-annual F values for peanut yield were 213.9 and 26.8, and those of sweet potato yield were 161.8 and were 21.7, respectively; ***—In the chemical and organic fertilizer combination experiment, the inter-treatment and inter-annual F values for peanut yield were 132.8 and 23.4, and those of sweet potato were 60.6 and 15.4, respectively. Values followed by different small letters in each column indicate significant differences among treatments in the same experiment at 0.05 level. FP—农民习惯施肥 Farmer's practice; RF—推荐施肥 Recommended fertilization; RF-N—推荐施肥减氮 Without N in the recommended fertilization; RF-P—推荐施肥减磷 Without P in the recommended fertilization; RF-K—推荐施肥减钾 Without K in the recommended fertilization; CM—商品有机肥 Commercial organic fertilizer (N + P2O5 + K2O ≥ 5%, N 1.7%); RF + CM、RF + PM 和 RF + S分别表示推荐施氮量的 1/3 由商品有机肥、猪粪和稻草替代 RF + CM, RF + PM and RF + S represent the replacement of one-third of recommended N input with commercial organic manure, pig manure, and rice straw, respectively.
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    表 3  长期不同施肥处理对轮作体系中花生和甘薯产量可持续性指数的影响

    Table 3.  Effects of different fertilization patterns on sustainable yield index (SYI) of peanut and sweet potato

    化肥长期定位试验 Chemical fertilizer experiment化肥有机肥配施长期定位试验 Chemical and organic fertilizer experiment
    处理 Treatment花生 Peanut甘薯 Sweet potato处理 Treatment花生 Peanut甘薯 Sweet potato
    CK 0.101 ± 0.006 e 0.128 ± 0.020 e CK 0.117 ± 0.004 c 0.182 ± 0.003 d
    FP 0.631 ± 0.014 b 0.421 ± 0.016 b RF 0.605 ± 0.012 b 0.421 ± 0.011 c
    RF 0.729 ± 0.019 a 0.501 ± 0.028 a RF+CM 0.630 ± 0.023 ab 0.462 ± 0.011 b
    RF-N 0.324 ± 0.032 d 0.262 ± 0.008 d RF+PM 0.689 ± 0.013 a 0.492 ± 0.023 ab
    RF-P 0.491 ± 0.021 c 0.355 ± 0.022 c RF+S 0.609 ± 0.033 b 0.514 ± 0.029 a
    RF-K 0.492 ± 0.020 c 0.328 ± 0.013 c
    FF value 1380.4** 288.5** FF value 359.7** 216.5**
    注(Note):FP—农民习惯施肥 Farmer's practice; RF—推荐施肥 Recommended fertilization; RF-N—推荐施肥减氮 Without N in the recommended fertilization; RF-P—推荐施肥减磷 Without P in the recommended fertilization; RF-K—推荐施肥减钾 Without K in the recommended fertilization; CM—商品有机肥 Commercial organic fertilizer (N + P2O5 + K2O ≥ 5%, N 1.7%); RF + CM、RF + PM和RF + S 分别表示推荐施氮量的 1/3 由商品有机肥、猪粪和稻草替代 RF + CM, RF + PM and RF + S represent the replacement of one-third of recommended N input with commercial organic manure, pig manure, and rice straw, respectively. 同列数据后不同字母表示同一试验处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different small letters in each column indicate significant differences among treatments at 0.05 level.
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    表 4  轮作系统中长期不同施肥处理的花生和甘薯产量趋势灰色线性模型

    Table 4.  Linear grey model of peanut and sweet potato yield trends as affected by fertilization patterns

    定位试验
    Experiment
    处理
    Treatments
    花生 Peanut甘薯 Sweet potato
    Y = a + btF
    F value
    R2b的95%置信区间
    95% confidence interval of b
    Y = a + btF
    F value
    R2b的95%置信区间
    95% confidence interval of b
    化肥
    Chemical fertilizer experiment
    CKY = 2598 + 889t1055.5**0.988829~948Y = –2844 + 6472t1263.7**0.9906078~6865
    FPY = 1095 + 3276t6928.3**0.9983191~3361Y = –2322 + 16477t3258.2**0.99615853~17100
    RFY = 1096 + 3780t5363.0**0.9983668~3891Y = –3980 + 19408t4234.4**0.99718763~20052
    RF-NY = 2715 + 1959t2578.9**0.9951876~2042Y = 1403 + 10072t3567.3**0.9969708~10436
    RF-PY = 2162 + 2650t5583.1**0.9982574~2727Y = 1270 + 13678t3089.7**0.99613147~14210
    RF-KY = 1993 + 2652t3663.2**0.9962557~2747Y = 2989 + 12637t2934.5**0.99612133~13141
    化肥有机肥配施
    Chemical and organic fertilizer experiment
    CKY = 4208 + 1159t606.2**0.9821056~1263Y = –1209 + 6818t1153.8**0.9916376~7260
    RFY = 1990 + 3093t8566.9**0.9993028~3158Y = –7392 + 14807t1728.1**0.99414023~15591
    RF + CMY = 1951 + 3276t9789.1**0.9993203~3349Y = –7286 + 15901t1683.4**0.99415048~16754
    RF + PMY = 1905 + 3492t9474.6**0.9993413~3571Y = –10408 + 17177t1252.5**0.99116109~18245
    RF + SY = 1581 + 3154t10332.0**0.9993086~3222Y = –7092 + 17567t2231.6**0.99516749~18386
    注(Note):一元回归方程中,Y 表示产量,t表示试验年限,b表示斜率,即为年际趋势产量。In the unitary regression equation, Y is the yield, t is the experimental years, b is the slope, indicating the inter-annual yield trend. FP—农民习惯施肥 Farmer's practice; RF—推荐施肥 Recommended fertilization; RF-N—推荐施肥减氮 Without N in the recommended fertilization; RF-P—推荐施肥减磷 Without P in the recommended fertilization; RF-K—推荐施肥减钾 Without K in the recommended fertilization; CM—商品有机肥 Commercial organic fertilizer (N + P2O5 + K2O ≥ 5%, N 1.7%); RF + CM、RF + PM 和 RF + S 分别表示推荐施氮量的 1/3 由商品有机肥、猪粪和稻草替代 RF + CM, RF + PM and RF + S represent the replacement of one-third of recommended N input with commercial organic manure, pig manure, and rice straw, respectively.
    **—P < 0.01.
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    表 5  长期不同施肥处理下轮作体系中花生和甘薯产量的变异系数和可持续性指数 (SYI)

    Table 5.  The coefficient of variation (CV) and sustainable yield index of peanut and sweet potato under different treatments in two long-term experiments

    定位试验
    Experiment
    处理
    Treatment
    花生 Peanut甘薯 Sweet potato
    CV (%) SYICV (%) SYI
    化肥
    Chemicalfertilizer experiment
    CK55.3 ± 2.0 a0.175 ± 0.014 d36.9 ± 9.6 a0.339 ± 0.114 b
    FP15.7 ± 0.7 d0.711 ± 0.027 a22.1 ± 2.0 b0.500 ± 0.030 a
    RF15.6 ± 1.3 d0.730 ± 0.026 a21.4 ± 2.1 b0.501 ± 0.028 a
    RF-N32.5 ± 1.6 b0.407 ± 0.029 c21.8 ± 3.2 b0.579 ± 0.056 a
    RF-P21.1 ± 1.3 c0.579 ± 0.042 b22.4 ± 2.3 b0.523 ± 0.052 a
    RF-K21.3 ± 2.2 c0.598 ± 0.050 b23.4 ± 1.7 b0.519 ± 0.033 a
    FF value565.0**199.4**9.8**9.8**
    化肥有机肥配施
    Chemical and organic fertilizer experiment
    CK64.1 ± 1.0 a0.138 ± 0.004 b33.2 ± 1.2 a0.442 ± 0.030 b
    FP16.7 ± 0.7 b0.637 ± 0.018 a27.3 ± 2.2 b0.489 ± 0.020 ab
    RF + CM17.6 ± 2.1 b0.631 ± 0.034 a26.1 ± 0.6 b0.515 ± 0.005 a
    RF + PM15.4 ± 1.2 b0.670 ± 0.027 a27.6 ± 2.1 b0.507 ± 0.031 a
    RF + S17.3 ± 1.4 b0.643 ± 0.037 a26.0 ± 2.1 b0.513 ± 0.026 a
    FF value641.6**10.2**213.2**5.6*
    注(Note):FP—农民习惯施肥 Farmer's practice; RF—推荐施肥 Recommended fertilization; RF-N—推荐施肥减氮 Without N in the recommended fertilization; RF-P—推荐施肥减磷 Without P in the recommended fertilization; RF-K—推荐施肥减钾 Without K in the recommended fertilization; CM—商品有机肥Commercial organic fertilizer (N + P2O5 + K2O ≥ 5%,N 1.7%); RF + CM、RF + PM和RF + S分别表示推荐施氮量的1/3由商品有机肥、猪粪和稻草替代 RF + CM, RF + PM and RF + S represent the replacement of one-third of recommended N input with commercial organic manure, pig manure, and rice straw, respectively. 同列数据后不同小写字母表示同一定位试验处理间该指标差异显著达 P < 0.05 水平 Values followed by different small letters in each column indicate significant differences among treatments in the same experiment at 0.05 level.
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    表 6  一元线性回归对长期不同施肥处理花生和甘薯产量趋势的拟合精度

    Table 6.  Fitting accuracy of linear regression on the yield trendofpeanut and sweet potato under long-term fertilization

    长期定位试验
    Experiment
    处理
    Treatment
    花生 Peanut甘薯 Sweet potato
    FF valueR2FF valueR2
    化肥
    Chemical fertilizer application experiment
    CK1.90.1270.00.000
    FP0.00.0000.00.000
    RF0.10.0040.10.007
    RF-N1.50.1010.60.043
    RF-P1.30.0910.20.013
    RF-K0.50.0340.30.020
    化肥有机肥配施
    Chemical and organic fertilizer experiment
    CK8.3*0.4290.30.003
    FP5.2*0.3200.80.064
    RF + CM4.9*0.3080.70.060
    RF + PM4.70.2992.40.179
    RF + S2.00.1560.70.056
    注(Note):FP—农民习惯施肥 Farmer's practice; RF—推荐施肥Recommended fertilization; RF-N—推荐施肥减氮 Without N in the recommended fertilization; RF-P—推荐施肥减磷 Without P in the recommended fertilization; RF-K—推荐施肥减钾 Without K in the recommended fertilization; CM—商品有机肥 Commercial organic fertilizer (N + P2O5 + K2O ≥ 5%, N 1.7%); RF + CM、RF + PM 和 RF + S 分别表示推荐施氮量的 1/3 由商品有机肥、猪粪和稻草替代 RF + CM, RF + PM and RF + S represent the replacement of one-third of recommended N input with commercial organic manure, pig manure, and rice straw, respectively.
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  • 收稿日期:  2020-06-19

长期不同施肥模式下赤红壤旱地轮作体系内花生甘薯产量的稳定性研究

    作者简介:李娟E-mail:lj-95@163.com
    通讯作者: 章明清, zhangmq2001@163.com
    通讯作者: 张永春, yczhang66@sina.com
  • 1. 福建省农业科学院土壤肥料研究所,福建福州 350013
  • 2. 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所,江苏南京 210014
  • 基金项目: 国家甘薯产业技术体系资助 (CARS-10-B9)
  • 摘要:   【目的】  研究不同施肥模式下赤红壤旱地花生–甘薯轮作制中两种作物产量的稳定性,可从不同角度加深理解合理养分管理技术的增产机理。  【方法】  化肥定位试验和化肥配施有机肥定位试验在闽东南典型赤红壤旱地分别连续进行了15年和13年,种植制度均为花生和甘薯轮作。化肥定位试验处理包括农民习惯施肥、推荐施肥以及在推荐施肥基础上去掉N、P、K的处理,以不施肥为对照;化肥有机肥定位试验处理包括农民习惯施肥、推荐施肥以及以商品有机肥、猪粪和稻草替代推荐1/3施氮量处理,以不施肥为对照。根据历年花生和红薯产量,计算了产量的可持续性指数和变异指数,构建一元灰色线性模型,计算了不同施肥模式的长期趋势产量。  【结果】  长期化肥定位试验中,推荐施肥处理的花生和甘薯产量均值显著高于其它5个处理,在长期有机无机配合试验中,三个有机无机配施处理的产量均显著高于推荐施肥处理。花生和甘薯化肥推荐施肥的产量可持续指数 (SYI) 分别为0.729 ± 0.019和0.501 ± 0.028,化肥配施猪粪花生的SYI为0.689 ± 0.013,显著高于推荐施肥和化肥配施稻草处理,与配施商品有机肥差异不显著;化肥配施稻草甘薯的SYI为0.514 ± 0.029,显著高于推荐施肥处理和化肥配施商品有机肥处理,与化肥配施猪粪的差异不显著。一元灰色线性模型显示,化肥推荐施肥的花生和甘薯趋势产量均值分别为3780 kg/hm2和19408 kg/hm2,均显著高于其他化肥处理。化肥配施农家猪粪的花生趋势产量均值为3492 kg/hm2,显著高于推荐施肥和其余两个有机无机配施处理;化肥配施稻草处理甘薯的趋势产量均值为17567 kg/hm2,显著高于推荐施肥处理和化肥配施商品有机肥处理,与化肥配施农家猪粪处理没有显著差异。产量可持续系数较变异系数可更加有效地区分不同处理之间的产量波动差异,与产量的绝对高低没有关系。  【结论】  化肥推荐施肥有利于提高赤红壤旱地轮作体系中花生和甘薯的产量,用有机肥替代推荐施肥中氮肥的1/3可以进一步提高花生和甘薯的产量。有机无机配施不仅提高了作物的产量,还不同程度显著提高了产量的稳定性和长期增产趋势。化肥配施猪粪或商品有机肥均可以提高花生产量的稳定性和增产潜力,长期而化肥配合配施稻草或猪粪对甘薯产量及其稳定性最为有利。

    English Abstract

    • 农作物高产稳产和施肥模式的环境友好是农业可持续发展的关键,但其稳定性受到诸多因素的影响。在现实生产中,土壤养分管理存在偏施化肥、有机肥施用不足和养分比例失调等不合理现象,导致作物产量稳定性下降。因此,探讨在田块尺度上长期不同施肥模式对作物产量稳定性影响以及如何维持作物持续高产稳产具有重要意义。长期定位试验同时具备时间上的长期性和气候上的代表性,是评价农田生态系统可持续性的有效技术手段。Calderini等[1]和Verón等[2]通过回归模型分析了阿根廷等21个国家的产量趋势与稳定性;Ladha等[3]对33个长期肥料定位试验的总结表明,有85%试验点施用氮磷钾化肥的水稻和小麦产量保持稳定,6%试验点呈显著下降趋势;Manna等[4]研究表明,有机肥与化肥配施和平衡施用氮磷钾化肥可有效增加大豆–小麦轮作系统作物产量稳定性。我国北方不同区域和主要土壤类型长期施肥对小麦和玉米产量稳定性和可持续性的影响[5-11],及南方黄壤、红壤和水稻土等主要土壤类型长期施肥对水稻、玉米、甘薯产量稳定性和可持续性影响[12-18]均开展了许多深入系统研究,根据产量趋势指数、产量变异系数和产量可持续性指数等指标[19],研究结果大都揭示了长期氮磷钾推荐施肥或氮磷钾化肥配施有机肥有利于维持和提高土壤肥力,作物产量年际间变化幅度较小,有利于作物高产稳产,是维持农田生态系统系统可持续性的最优施肥模式。但在已有研究文献中,针对赤红壤旱地长期不同施肥模式对花生–甘薯轮作制产量效应的研究还鲜见报道,趋势产量指数、产量变异系数和产量可持续性指数对评价花生和甘薯产量稳定性的适宜性尚待深入探讨。

      花生和甘薯是福建省除了水稻以外种植面积最大的两种大田作物,常年种植面积分别在10万hm2和20万hm2左右。种植区域主要分布于闽东南沿海和闽西的丘陵耕地,花生–甘薯轮作制是该区域旱耕地的主要耕作制度,在区域农业生产中具有重要地位。为此,本研究根据闽东南赤红壤旱地花生–甘薯轮作制连续15年和13年不同施肥模式的两个定位试验的产量演变特征,探讨不同施肥模式对产量稳定性变化的影响及其定量评价方法,旨在为赤红壤旱地花生-甘薯轮作制实现高产稳产提供最佳养分管理技术依据。

      • 定位试验设置在福建省莆田市秀屿区笏石镇东华村,北纬25°19′4.31″,东经119°05′ 9.10″。地处北回归线北侧边缘,东濒海洋,属亚热带海洋性季风气候,日照充足,平均年太阳辐射量110.41千卡/cm2,年日照时数平均1996 h,年均日照率45%。气候温和湿润,年均气温16℃~21℃之间,年降雨量90~1300 mm,农业生产上适宜一年二熟制或三熟制作物栽培。两个定位试验田的供试土壤均为赤红壤发育的旱地土壤,母岩为花岗岩,土壤类型均为灰赤沙土,土层深厚,土壤质地为沙壤土。

      • 试验从2005年3月开始至2020年已有15年。采用常规方法[20]测定供试土壤主要理化性状为pH 5.90、有机质17.8 g/kg、全氮1.13 g/kg、全磷0.60 g/kg、全钾13.7 g/kg、缓效钾345 mg/kg、碱解氮128 mg/kg、Olsen-P 46.3 mg/kg、速效钾 86.1 mg/kg;代换性钙和镁含量分别为950 mg/kg和120 mg/kg,有效硫为10.4 mg/kg,有效硼和有效锌含量分别为0.40 mg/kg和3.20 mg/kg。试验设6个处理 (表1),其中,习惯施肥是根据试验农户的常年施肥习惯确定,推荐施肥则是根据花生、甘薯参考文献[21]确定。小区间用水泥筑永久性田埂作分离,其中田埂埋入地下30 cm,露出田面20 cm,各小区均有进出水口连接排灌水沟。试验设4次重复,随机区组排列,小区面积16.2 m2

        表 1  花生–甘薯轮作制长期定位试验处理和施肥量 (kg/hm2)

        Table 1.  Treatments and fertilizer input (kg/hm2) in the two long-term peanut–sweet potato rotation experiments

        长期定位试验
        Long-term experiment
        处理编号
        Treatment number
        处理
        Treatment
        花生 Peanut甘薯 Sweet potato
        NP2O5K2O有机肥 ManureNP2O5K2O有机肥 Manure
        化肥
        Chemical fertilizer
        1CK000000
        2FP90457522545150
        3RF75609018045225
        4RF-N06090045225
        5RF-P750901800225
        6RF-K75600180450
        化肥和有机肥配施
        Chemical and organic fertilizer
        1CK00000000
        2RF7560900180602250
        3RF + CM5040601995120401504140
        4RF + PM50507165851203517715795
        5RF + S5057382745120511016600
        注(Note):FP—农民习惯施肥 Farmer's practice; RF—推荐施肥 Recommended fertilization; RF-N—推荐施肥减氮 Without N in the recommended fertilization; RF-P—推荐施肥减磷 Without P in the recommended fertilization; RF-K—推荐施肥减钾 Without K in the recommended fertilization; CM—商品有机肥 Commercial organic fertilizer (N + P2O5 + K2O ≥ 5%, N 1.7%); RF + CM、RF + PM 和 RF + S 分别表示推荐施氮量的 1/3 由商品有机肥、猪粪和稻草替代 RF + CM, RF + PM and RF + S represent the replacement of one-third of recommended N input with commercial organic manure, pig manure, and rice straw, respectively.

        供试氮肥为尿素 (N 46%),磷肥为过磷酸钙 (P2O5 12%),钾肥为氯化钾 (K2O 60%),试验地不施有机肥。根据基础土壤有效养分测定结果,在适当年份补施必要的中微量元素肥料。花生施肥方法:基施为50%的氮肥和钾肥、100%的磷肥;50%的氮钾肥肥在苗期追施。甘薯的施肥方法为:基施50%的氮肥和钾肥、100%的磷肥;40%的氮肥在第一次追肥 (苗期) 施用;10%的氮和50%钾肥作第二次追肥 (夹边肥) 施用。每季作物收获时各小区单收单称,分别记录农产品鲜重和晒干重。

      • 试验从2007年3月开始至2020年共有13年,基础土样主要理化性状:pH 5.73、有机质17.1 g/kg、土壤全氮1.72 g/kg、全磷0.67 g/kg、全钾12.5 g/kg、缓效钾192 mg/kg,碱解氮151 mg/kg、Olsen-P 15.6 mg/kg、速效钾84.5 mg/kg;代换性钙和镁含量分别为1359 mg/kg和127 mg/kg,有效硫为16.3 mg/kg,有效硼和有效锌含量分别为1.00 mg/kg和2.10 mg/kg。试验包括5个处理 (表1),其中,处理2为供试花生和甘薯的化肥推荐施肥量[21];处理3中的供试有机肥由市场购入,其N + P2O5 + K2O ≥ 5%;处理4和处理5的供试有机肥为当地农家腐熟猪粪和稻草,猪粪养分含量为N 0.38%、P 0.16%和K 0.30% (干基),稻草养分为N 0.91%、P 0.13%和K 1.89% (干基)。处理3~5与处理2为等量氮磷钾设计,其中化学氮肥的1/3由有机肥替代。供试化肥同1.2.1。每个处理重复3次,随机区组排列,小区面积19.6 m2。田埂制作、供试花生和甘薯的施肥管理、收获和计产方法与化肥定位试验相同。

      • 产量稳定性指标采用植物生态学中常用的变异系数 (coefficient of variation,CV) 表示,衡量年际间产量的变异程度,CV值越大则说明产量稳定性越低。计算公式为[22]

        $CV = \frac{\sigma }{{\overline Y }} \times {\rm{100{\text \%} }}$

        产量可持续性采用可持续产量指数来表征,指数越高则说明该系统的可持续越好。计算公式为[23]

        $SYI = \frac{{\overline Y - \sigma }}{{Y_{\rm{max}}}}$

        式 (1) 和 (2) 中,σ为标准差 (kg/hm2),$\overline Y $为定位试验某一处理的产量均值 (kg/hm2),Ymax为该定位试验处理的最高产量 (kg/hm2)。

      • 现有文献资料中,产量趋势指数是根据年际产量与试验年限散点图拟合的趋势线,并依据斜率[年变化值,kg/ (hm2·yr)]大小来评价产量随着时间变化的状况[24]。但考虑到作物产量水平受到诸多不可控因子的影响,导致年际间实际产量水平出现较大的波动,直接用年际产量及其年份进行拟合难以得到具有统计学意义的回归模型。因此,将年际作物产量看成是灰色量,应用灰色系统理论的一次累加生产原理[25],建立一元灰色线性趋势模型。设Y是一次累加生成的作物产量 (kg/hm2),t为对应定位试验时间 (年),建立一元线性回归模型:

        $Y = a + bt$

        根据微积分原理,式 (3) 的导数等于b,即b为年际可得趋势产量均值。通过计算式 (3) 回归方程b值的置信区间,即可对不同施肥模式的作物趋势产量做出定量评价。

        本文采用MATLAB R2015b软件免费试用版进行数据处理。试验数据汇总、二因素方差分析和一元线性回归分析应用该软件的统计工具箱进行相关计算和统计分析[26];产量变异系数、产量可持续性指数和文中图形则采用MATLAB语言编程计算和绘制。显著性选用P < 0.05 水平。

      • 两个定位试验的花生和甘薯历年实收产量结果表明,不施肥处理在试验开始2~3年内产量迅速下降,过后则逐渐稳定在最低水平上,其它所有施肥处理的产量水平均高于该处理。在化肥施肥模式定位试验中,推荐施肥无论是花生还是甘薯的历年产量始终高于其它施肥模式,其次是习惯施肥。在化肥配施有机肥定位试验中,花生历年产量均是化肥配施猪粪处理高于其它处理;在2015年以前,化肥配施稻草的甘薯产量高于其它处理,但之后化肥配施猪粪处理的产量有高于配施稻草处理的趋势。表2结果显示,各处理第1~5年的平均产量明显高于第6~10年的平均产量,但化肥试验最近5年和化肥与有机肥配施试验最近3年的平均产量有上升的趋势。

        表 2  定位试验不同年限轮作体系中各施肥处理花生和甘薯的产量

        Table 2.  Yield of peanut and sweet potato in two different fertilization experiments and different experimental years

        长期试验
        Experiment
        处理
        Treatment
        花生 Peanut (kg/hm2, dry base)甘薯 Sweet potato (kg/hm2, fresh base)
        1~5年
        1–5 years
        6~10年
        6–10 years
        11~15年
        11–15 years*
        平均
        Mean
        1~5年
        1–5 years
        6~10年
        6–10 years
        11~15年
        11–15 years*
        平均
        Mean
        化肥**
        Chemical fertilizer application
        CK1503 ± 764 d776 ± 351 d984 ± 538 e1101 ± 603 e5649 ± 951 e6858 ± 2570 e7033 ± 1934 e6092 ± 2161 e
        FP3674 ± 324 ab2974 ± 659 ab3544 ± 277 b3411 ± 536 b15760 ± 1400 b17262 ± 5070 b16063 ± 3319 b16178 ± 3356 b
        RF4229 ± 305 a3367 ± 674 a4147 ± 399 a3936 ± 608 a18640 ± 1235 a20073 ± 6198 a18976 ± 3155 a19070 ± 3796 a
        RF-N2659 ± 623 c1747 ± 767 c2080 ± 481 d2183 ± 695 d10210 ± 1773 d10503 ± 2639 d10085 ± 1518 d10020 ± 2101 d
        RF-P3236 ± 492 bc2432 ± 649 b2791 ± 373 cd2829 ± 580 c13833 ± 2177 c14091 ± 4193 c14529 ± 2198 c13667 ± 2889 c
        RF-K3251 ± 392 b2336 ± 601 bc2870 ± 449 c2844 ± 594 c12989 ± 3017 cd13196 ± 3897 c12569 ± 2218 c12798 ± 2894 c
        化肥和有机肥配施***
        Chemical and organic fertilizer
        CK2151 ± 580 b986 ± 375 c1131 ± 200 c1449 ± 926 c5871 ± 1778 d8214 ± 1826 b7928 ± 3472 c6701 ± 2139 c
        RF3558 ± 523 a3000 ± 584 b3033 ± 1056 b3223 ± 532 b11490 ± 2409 c16905 ± 4107 a14640 ± 2077 b14250 ± 3831 b
        RF + CM3765 ± 536 a3160 ± 624 ab3217 ± 649 ab3393 ± 567 ab12457 ± 2921 bc18299 ± 3804 a15476 ± 1893 ab15355 ± 3950 b
        RF + PM4027 ± 478 a3308 ± 536 a3478 ± 675 a3613 ± 540 a13116 ± 2837 b19337 ± 3722 a19643 ± 3647 a16681 ± 4563 ab
        RF + S3646 ± 483 a2927 ± 577 b3226 ± 638 ab3269 ± 546 b14624 ± 2518 a19464 ± 5762 a17829 ± 1447 ab17085 ± 4370 a
        注(Note):*—化肥有机肥配合试验为第三阶段时间为 11~13 年; **—化肥长期地位试验花生产量方差分析的处理间 F 值和年际间 F 值分别为 213.9 和 26.8; 甘薯产量的处理间 F 值和年际间 F 值则分别为 161.8 和 21.7; ***—化肥有机肥配合长期定位试验的花生产量方差分析的处理间和年际间的 F 值分别为 132.8 和 23.4; 甘薯产量的处理间和年际间的 F 值则分别为 60.6 和 15.4; 同列数据后不同字母表示同一试验处理间差异达 5% 显著水平。*—The period for the chemical and organic fertilizer combination experiment was 11 to 13 years; **—In the chemical fertilization experiment, the inter-treatment and inter-annual F values for peanut yield were 213.9 and 26.8, and those of sweet potato yield were 161.8 and were 21.7, respectively; ***—In the chemical and organic fertilizer combination experiment, the inter-treatment and inter-annual F values for peanut yield were 132.8 and 23.4, and those of sweet potato were 60.6 and 15.4, respectively. Values followed by different small letters in each column indicate significant differences among treatments in the same experiment at 0.05 level. FP—农民习惯施肥 Farmer's practice; RF—推荐施肥 Recommended fertilization; RF-N—推荐施肥减氮 Without N in the recommended fertilization; RF-P—推荐施肥减磷 Without P in the recommended fertilization; RF-K—推荐施肥减钾 Without K in the recommended fertilization; CM—商品有机肥 Commercial organic fertilizer (N + P2O5 + K2O ≥ 5%, N 1.7%); RF + CM、RF + PM 和 RF + S分别表示推荐施氮量的 1/3 由商品有机肥、猪粪和稻草替代 RF + CM, RF + PM and RF + S represent the replacement of one-third of recommended N input with commercial organic manure, pig manure, and rice straw, respectively.

        处理和年际的二因素方差分析和LSD法多重比较结果 (表2) 表明,花生和甘薯化肥推荐施肥模式的产量均值显著高于其它施肥模式,其比习惯施肥平均分别增产13.3%和15.2%,比不施肥平均分别增产72.0%和68.1%。花生施用氮、磷、钾肥平均分别增产44.6%、28.1%和27.7%,甘薯则平均分别增产47.5%、28.3%和32.9%。花生和甘薯施氮肥的增产效果显著高于磷肥和钾肥;花生的磷、钾肥增产效果差异不显著,甘薯的钾肥增产效果则显著高于磷肥。在化肥配施有机肥定位试验中,化肥配施猪粪处理的花生产量显著高于化肥推荐施肥和化肥配施稻草处理,但与化肥配施商品有机肥处理的产量差异不显著;与化肥推荐施肥处理相比,化肥配施猪粪或商品有机肥或稻草处理的花生平均增产率分别为12.1%、5.3%和1.4%。化肥配施稻草处理的甘薯产量均值显著高于化肥推荐施肥和化肥配施商品有机肥处理,但与化肥配施猪粪处理的产量差异不显著;与化肥推荐施肥处理相比,化肥配施稻草或猪粪或商品有机肥处理的花生平均增产率分别为19.9%、17.1%和7.8%。

        因此,连续15年和13年的两个定位试验的产量均值表明,化肥推荐施肥处理的花生和甘薯产量较高,花生推荐施肥配施猪粪、甘薯推荐施肥施稻草或猪粪可进一步提高产量水平。

      • 根据表1中两个定位试验历年各处理花生和甘薯实收产量计算各重复小区的产量可持续性指数 (SYI) 结果 (表3),处理和年际二因素方差分析表明,在化肥定位试验中,花生和甘薯均以RF的SYI最大,分别为0.729 ± 0.019和0.501 ± 0.028,均显著高于FP处理;而FP处理的SYI显著高于RF-N、RF-P、RF-K处理;RF-N处理的SYI显著低于RF-P和RF-K,后两处理间的SYI差异不显著。在化肥有机肥配施定位试验中,RF + PM处理的花生产量SYI为0.689 ± 0.013,显著高于CK和RF,与RF + CM差异不显著;RF + S处理的甘薯SYI为0.514 ± 0.029,显著高于CK、RF和RF + CM,但与RF + PM差异不显著。

        表 3  长期不同施肥处理对轮作体系中花生和甘薯产量可持续性指数的影响

        Table 3.  Effects of different fertilization patterns on sustainable yield index (SYI) of peanut and sweet potato

        化肥长期定位试验 Chemical fertilizer experiment化肥有机肥配施长期定位试验 Chemical and organic fertilizer experiment
        处理 Treatment花生 Peanut甘薯 Sweet potato处理 Treatment花生 Peanut甘薯 Sweet potato
        CK 0.101 ± 0.006 e 0.128 ± 0.020 e CK 0.117 ± 0.004 c 0.182 ± 0.003 d
        FP 0.631 ± 0.014 b 0.421 ± 0.016 b RF 0.605 ± 0.012 b 0.421 ± 0.011 c
        RF 0.729 ± 0.019 a 0.501 ± 0.028 a RF+CM 0.630 ± 0.023 ab 0.462 ± 0.011 b
        RF-N 0.324 ± 0.032 d 0.262 ± 0.008 d RF+PM 0.689 ± 0.013 a 0.492 ± 0.023 ab
        RF-P 0.491 ± 0.021 c 0.355 ± 0.022 c RF+S 0.609 ± 0.033 b 0.514 ± 0.029 a
        RF-K 0.492 ± 0.020 c 0.328 ± 0.013 c
        FF value 1380.4** 288.5** FF value 359.7** 216.5**
        注(Note):FP—农民习惯施肥 Farmer's practice; RF—推荐施肥 Recommended fertilization; RF-N—推荐施肥减氮 Without N in the recommended fertilization; RF-P—推荐施肥减磷 Without P in the recommended fertilization; RF-K—推荐施肥减钾 Without K in the recommended fertilization; CM—商品有机肥 Commercial organic fertilizer (N + P2O5 + K2O ≥ 5%, N 1.7%); RF + CM、RF + PM和RF + S 分别表示推荐施氮量的 1/3 由商品有机肥、猪粪和稻草替代 RF + CM, RF + PM and RF + S represent the replacement of one-third of recommended N input with commercial organic manure, pig manure, and rice straw, respectively. 同列数据后不同字母表示同一试验处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different small letters in each column indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

        因此,RF + CM和RF + PM处理的花生产量可持续性指数没有显著差异,RF + PM和RF + S处理的甘薯产量可持续性指数之间没有显著差异。

      • 实现高产稳产是农业生产的关键目标之一,但由于作物产量水平受到众多不可控因素的影响,使历年实际产量水平出现较大幅度的随机波动,常规建模方法难以给出有统计学意义的定量评价指标。然而,根据灰色系统建模理论[25],若对同一个施肥模式的历年实收产量进行一次累加生成,在二维坐标上以对应试验时间 (年) 绘制散点图,例如以试验1的甘薯产量 (图1) 为例,表明二者间存在典型的线性关系。为此,应用式 (3) 模型进行一元线性回归分析 (表4)。

        图  1  不同施肥模式甘薯累加产量的变化

        Figure 1.  Relationship between cumulative yields of sweet potato and experimental years

        表 4  轮作系统中长期不同施肥处理的花生和甘薯产量趋势灰色线性模型

        Table 4.  Linear grey model of peanut and sweet potato yield trends as affected by fertilization patterns

        定位试验
        Experiment
        处理
        Treatments
        花生 Peanut甘薯 Sweet potato
        Y = a + btF
        F value
        R2b的95%置信区间
        95% confidence interval of b
        Y = a + btF
        F value
        R2b的95%置信区间
        95% confidence interval of b
        化肥
        Chemical fertilizer experiment
        CKY = 2598 + 889t1055.5**0.988829~948Y = –2844 + 6472t1263.7**0.9906078~6865
        FPY = 1095 + 3276t6928.3**0.9983191~3361Y = –2322 + 16477t3258.2**0.99615853~17100
        RFY = 1096 + 3780t5363.0**0.9983668~3891Y = –3980 + 19408t4234.4**0.99718763~20052
        RF-NY = 2715 + 1959t2578.9**0.9951876~2042Y = 1403 + 10072t3567.3**0.9969708~10436
        RF-PY = 2162 + 2650t5583.1**0.9982574~2727Y = 1270 + 13678t3089.7**0.99613147~14210
        RF-KY = 1993 + 2652t3663.2**0.9962557~2747Y = 2989 + 12637t2934.5**0.99612133~13141
        化肥有机肥配施
        Chemical and organic fertilizer experiment
        CKY = 4208 + 1159t606.2**0.9821056~1263Y = –1209 + 6818t1153.8**0.9916376~7260
        RFY = 1990 + 3093t8566.9**0.9993028~3158Y = –7392 + 14807t1728.1**0.99414023~15591
        RF + CMY = 1951 + 3276t9789.1**0.9993203~3349Y = –7286 + 15901t1683.4**0.99415048~16754
        RF + PMY = 1905 + 3492t9474.6**0.9993413~3571Y = –10408 + 17177t1252.5**0.99116109~18245
        RF + SY = 1581 + 3154t10332.0**0.9993086~3222Y = –7092 + 17567t2231.6**0.99516749~18386
        注(Note):一元回归方程中,Y 表示产量,t表示试验年限,b表示斜率,即为年际趋势产量。In the unitary regression equation, Y is the yield, t is the experimental years, b is the slope, indicating the inter-annual yield trend. FP—农民习惯施肥 Farmer's practice; RF—推荐施肥 Recommended fertilization; RF-N—推荐施肥减氮 Without N in the recommended fertilization; RF-P—推荐施肥减磷 Without P in the recommended fertilization; RF-K—推荐施肥减钾 Without K in the recommended fertilization; CM—商品有机肥 Commercial organic fertilizer (N + P2O5 + K2O ≥ 5%, N 1.7%); RF + CM、RF + PM 和 RF + S 分别表示推荐施氮量的 1/3 由商品有机肥、猪粪和稻草替代 RF + CM, RF + PM and RF + S represent the replacement of one-third of recommended N input with commercial organic manure, pig manure, and rice straw, respectively.
        **—P < 0.01.

        表4的回归分析表明,两个定位试验不同施肥模式的22个花生荚果、甘薯薯块累加产量的回归模型F值均达到极显著水平以上,且描述产量变异方差解释能力的拟合优度R2都高达98.2%以上,显示均具有极佳的拟合效果。供试作物年际趋势产量均值,即一元回归模型b值的参数估计结果表明,在化肥不同施肥模式定位试验中,花生和甘薯趋势产量均值大小顺序均为推荐施肥 > 习惯施肥 > 不施磷肥和不施钾肥 > 不施氮肥 > 不施肥。b值的95%置信区间表明,花生化肥推荐施肥的置信区间为3668~3891 kg/hm2,习惯施肥则为3191~3361 kg/hm2;甘薯推荐施肥的置信区间为18763~20052 kg/hm2,习惯施肥则为15853~17100 kg/hm2,显示推荐施肥和习惯施肥的产量在95%置信区间内不重叠,揭示了化肥推荐施肥的趋势产量显著高于习惯施肥。

        在化肥配施有机肥定位试验中,花生趋势产量均值大小顺序是化肥配施猪粪 > 化肥配施商品有机肥 > 化肥配施稻草 > 化肥推荐施肥 > 不施肥;甘薯趋势产量均值大小顺序是化肥配施稻草 > 化肥配施猪粪 > 化肥配施商品有机肥 > 化肥推荐施肥 > 不施肥。化肥配施猪粪处理的花生趋势产量的95%置信区间为3413~3571 kg/hm2,化肥配施商品有机肥处理的花生趋势产量则为3203~3349 kg/hm2,二者在该置信区间内不重叠,显示前者施肥处理的趋势产量显著高于后者。化肥配施猪粪、化肥配施稻草处理的甘薯趋势产量在95%置信区间里出现较大的重叠,而与化肥配施商品有机肥、化肥推荐施肥和不施肥等处理的趋势产量置信区间重叠很少或不重叠,揭示了化肥配施稻草或猪粪的甘薯趋势产量显著高于其它3种施肥处理。

      • 国内外的研究表明[27-28],产量可持续性指数 (SYI) 是评价不同养分管理系统可持续性的一个重要指标。应用 (2) 式计算不同施肥处理长期定位试验的产量可持续性,综合比较2个定位试验的结果表明,长期不施肥处理的花生和甘薯产量可持续性指数最小,说明不施肥条件下产量容易大幅波动;化肥推荐施肥处理的花生和甘薯可持续获得较高的产量,花生推荐施肥配施猪粪处理、甘薯推荐施肥配施稻草处理可进一步持续提高产量水平,而且具有最大的SYI值 (表4)。杨生茂等[29]和李秀英等[30]在玉米和小麦上研究表明,氮磷钾化肥推荐施肥和化肥配施有机肥均使产量稳产性显著提高。本研究表明,在推荐施肥基础上,等氮磷钾养分投入下的有机无机肥配施花生和甘薯产量年际间波动明显减少,产量可持续性指数显著高于单施化肥,具有较好的稳产性,与前人的相关研究结果[31-35]一致。

        从统计学的角度看,产量可持续性指数计算式的分母,Ymax取值应是计算产量均值和标准差的同一个产量系列的最大值,据此反映该产量数据系列的年际波动情况。按照该方法计算2个定位试验各施肥模式的SYI结果 (表5) 表明,在化肥不同施肥模式定位试验中,花生和甘薯的习惯施肥和推荐施肥的SYI指数均没有显著差异;在化肥配施有机肥定位试验中,不同配施模式间在花生和甘薯产量SYI同样均无显著差异。相关结果与表3不一致,其原因是SYI仅反映同一个施肥处理的历年产量数据波动情况,而与产量高低没有直接关系。

        表 5  长期不同施肥处理下轮作体系中花生和甘薯产量的变异系数和可持续性指数 (SYI)

        Table 5.  The coefficient of variation (CV) and sustainable yield index of peanut and sweet potato under different treatments in two long-term experiments

        定位试验
        Experiment
        处理
        Treatment
        花生 Peanut甘薯 Sweet potato
        CV (%) SYICV (%) SYI
        化肥
        Chemicalfertilizer experiment
        CK55.3 ± 2.0 a0.175 ± 0.014 d36.9 ± 9.6 a0.339 ± 0.114 b
        FP15.7 ± 0.7 d0.711 ± 0.027 a22.1 ± 2.0 b0.500 ± 0.030 a
        RF15.6 ± 1.3 d0.730 ± 0.026 a21.4 ± 2.1 b0.501 ± 0.028 a
        RF-N32.5 ± 1.6 b0.407 ± 0.029 c21.8 ± 3.2 b0.579 ± 0.056 a
        RF-P21.1 ± 1.3 c0.579 ± 0.042 b22.4 ± 2.3 b0.523 ± 0.052 a
        RF-K21.3 ± 2.2 c0.598 ± 0.050 b23.4 ± 1.7 b0.519 ± 0.033 a
        FF value565.0**199.4**9.8**9.8**
        化肥有机肥配施
        Chemical and organic fertilizer experiment
        CK64.1 ± 1.0 a0.138 ± 0.004 b33.2 ± 1.2 a0.442 ± 0.030 b
        FP16.7 ± 0.7 b0.637 ± 0.018 a27.3 ± 2.2 b0.489 ± 0.020 ab
        RF + CM17.6 ± 2.1 b0.631 ± 0.034 a26.1 ± 0.6 b0.515 ± 0.005 a
        RF + PM15.4 ± 1.2 b0.670 ± 0.027 a27.6 ± 2.1 b0.507 ± 0.031 a
        RF + S17.3 ± 1.4 b0.643 ± 0.037 a26.0 ± 2.1 b0.513 ± 0.026 a
        FF value641.6**10.2**213.2**5.6*
        注(Note):FP—农民习惯施肥 Farmer's practice; RF—推荐施肥 Recommended fertilization; RF-N—推荐施肥减氮 Without N in the recommended fertilization; RF-P—推荐施肥减磷 Without P in the recommended fertilization; RF-K—推荐施肥减钾 Without K in the recommended fertilization; CM—商品有机肥Commercial organic fertilizer (N + P2O5 + K2O ≥ 5%,N 1.7%); RF + CM、RF + PM和RF + S分别表示推荐施氮量的1/3由商品有机肥、猪粪和稻草替代 RF + CM, RF + PM and RF + S represent the replacement of one-third of recommended N input with commercial organic manure, pig manure, and rice straw, respectively. 同列数据后不同小写字母表示同一定位试验处理间该指标差异显著达 P < 0.05 水平 Values followed by different small letters in each column indicate significant differences among treatments in the same experiment at 0.05 level.

        在定位试验产量稳定性和可持续性评价中,产量变异系数也是常用指标。在两个长期定位中化肥定位试验的花生产量外,产量变异系数指标仅能明确区分化肥定位试验中不同施肥处理的花生产量的稳定性,难以区分而该定位试验的甘薯产量和化肥有机肥配合试验中的花生和甘薯产量的稳定性 (表5),显示该指标只能粗略地反映产量系列的波动状况。

        目前,许多文献巧妙地将Ymax改为同一个试验点各施肥处理得到的最高产量,较好地改善了SYI的应用价值,满足农田生态系统稳定性评价中的高产目标[36]。但是,式 (2) 模型终究是个经验式,在未来研究中Ymax取值的专业合理性还需要做更深入地阐述。

      • 在长期施肥定位试验中,产量变异系数和产量可持续性指数反映了不同施肥模式的历年作物产量波动状态,但在农业生产中,作物产量水平及其长期趋势更受人们关注。人们经常根据同一施肥模式的历年实际产量水平与对应试验年限构建一元线性趋势线,以确定年际产量的递增或递减状况[19]。按照该方法构建不同施肥模式的花生和甘薯年际产量的一元线性趋势线 (表6),回归分析表明,除了化肥配施有机肥定位试验的花生3个处理外,其它19个回归方程均未达到统计显著水平;描述产量变异方差解释能力的拟合优度R2都很小,即使能通过显著性检验的3个回归方程,R2值也小于43%,结果揭示了这种趋势线用于描述不同施肥模式的长期产量趋势没有统计学意义。其原因,在于作物产量是个随机变量,且年际间出现较大波动幅度,常规回归分析方法难以适应。

        表 6  一元线性回归对长期不同施肥处理花生和甘薯产量趋势的拟合精度

        Table 6.  Fitting accuracy of linear regression on the yield trendofpeanut and sweet potato under long-term fertilization

        长期定位试验
        Experiment
        处理
        Treatment
        花生 Peanut甘薯 Sweet potato
        FF valueR2FF valueR2
        化肥
        Chemical fertilizer application experiment
        CK1.90.1270.00.000
        FP0.00.0000.00.000
        RF0.10.0040.10.007
        RF-N1.50.1010.60.043
        RF-P1.30.0910.20.013
        RF-K0.50.0340.30.020
        化肥有机肥配施
        Chemical and organic fertilizer experiment
        CK8.3*0.4290.30.003
        FP5.2*0.3200.80.064
        RF + CM4.9*0.3080.70.060
        RF + PM4.70.2992.40.179
        RF + S2.00.1560.70.056
        注(Note):FP—农民习惯施肥 Farmer's practice; RF—推荐施肥Recommended fertilization; RF-N—推荐施肥减氮 Without N in the recommended fertilization; RF-P—推荐施肥减磷 Without P in the recommended fertilization; RF-K—推荐施肥减钾 Without K in the recommended fertilization; CM—商品有机肥 Commercial organic fertilizer (N + P2O5 + K2O ≥ 5%, N 1.7%); RF + CM、RF + PM 和 RF + S 分别表示推荐施氮量的 1/3 由商品有机肥、猪粪和稻草替代 RF + CM, RF + PM and RF + S represent the replacement of one-third of recommended N input with commercial organic manure, pig manure, and rice straw, respectively.

        针对这种状况,本研究将作物年际产量看成灰色量,根据灰色系统理论的一次累加生成原理[25],将有关施肥模式的年际产量逐年累加,与对应的试验年份进行一元线性回归分析。图1表4的结果表明,各施肥模式的年际累加产量与试验年限均呈现典型的线性关系,一元线性回归方程均达到极显著水平以上。结果揭示了花生和甘薯化肥推荐施肥的趋势产量显著高于习惯施肥;化肥配施猪粪的花生趋势产量显著高于其它施肥模式;化肥配施稻草或猪粪的甘薯趋势产量显著高于其它3种施肥模式,较好地解决了趋势产量的定量评价问题。

        灰色系统理论[25]认为,任何随机变量都是在一定幅值范围和一定时区内变化的灰色量,可通过累加生成等缓冲算子,弱化其不确定性,使离乱的原始数据中蕴涵的积分特性或规律清晰地呈现出来,实现对不确定性系统的运行行为和演化规律的正确描述。本文根据连续15年和13年的两个定位试验,对同一个施肥处理的历年产量数据经过一次累加生成,使各年际的离乱产量数据与试验年限呈现一条典型的线性关系,从而实现了对其精确拟合。这样,就能把趋势产量的确定建立在严格的定量技术基础上,使每个施肥模式的长期趋势产量估算都具有鲜明的统计学意义。

        本研究仅采用了最简单的一元灰色线性模型,在实际应用中还可以根据原始产量数据的长期动态特征,诸如具有上升或下降趋势的产量数列,构建GM (1,1) 模型或其改进模型,从而实现精确建模和定量分析。

      • 综合比较2个定位试验不同施肥模式的各年度产量均值、产量可持续性指数和趋势产量水平,化肥推荐施肥有利于提高赤红壤旱地花生–甘薯轮作制产量的稳定性,花生化肥推荐施肥配施猪粪、甘薯化肥推荐施肥配施稻草或猪粪可进一步提高长期趋势产量水平及其可持续性。

    参考文献 (36)
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