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水旱轮作区土壤养分循环及其肥力质量评价与作物施肥效应研究

刘金山  
【摘要】:水旱轮作系统是中国一个主要的作物生产系统,其显著特点是土壤水热条件的交替变化,使得该系统土壤性质、养分循环及能量流动、转换方面都明显不同于旱地或湿地生态系统,形成了一种特殊的生态系统。但是在这种耕作制度下,土壤肥力质量情况不清楚,土壤养分限制因子频发,作物施肥缺乏指导,导致施肥效应和农业产投比下降。因而探明水旱轮作制下土壤养分循环特征、养分限制因子及土壤肥力状况,进行水旱轮作区土壤肥力质量综合评价,并根据作物需肥规律和田间试验进行油菜和水稻施肥指导,从而提高作物产量、施肥效应、肥料利用率,对维持土壤生产力,确保食品、环境安全和推动农业可持续发展具有理论和实践意义。本研究以土壤调查、盆栽试验、田间试验等系统研究了水旱轮作土壤肥力变化特征、肥力现状及其评价、养分循环、氮磷钾施肥效应和作物推荐经济施肥量,建立了基于Visual Basic语言和ASP网络技术的水旱轮作区土壤肥力质量评价系统和油菜-水稻施肥指导系统(单机版和网络版)。主要研究结果如下: 1.调查分析了湖北省荆州区长期水旱轮作土壤肥力变化特征。结果表明荆州区土壤pH值自1981至2006年26年间下降了0.23个单位,土壤有机质含量从1981年的21.5 g kg-1下降至2006年的14.1 g kg-1,降幅达35.3%;土壤全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量则显著升高。土壤pH值降低主要是由偏施酸性和生理酸性肥料和长期大量施用氮肥等引起的,有机质含量的降低主要归因于绿肥种植面积和有机肥施用量的急剧减少。而土壤全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量显著升高是由氮、磷、钾肥施用量的急剧增加引起的。 2.调查评价了湖北省部分水旱轮作区土壤肥力现状及其肥力质量水平。结果表明,湖北省水旱轮作区土壤pH平均为6.01,部分地区土壤已严重酸化。土壤碱解氮含量平均值为120.3 mg kg-1,主要分布在 90 mg kg-1的区间内,说明湖北省水旱轮作区土壤碱解氮含量处于中等水平。土壤速效磷含量平均值为12.6 mg kg-1,其中速效磷含量处于极度缺乏的比例(5mg kg-1)为14.4%,说明土壤速效磷含量还处于较缺乏水平。土壤速效钾含量平均值为86.2 mg kg-1,其中处于极度缺乏的比例(50 mg kg-1)平均为20.8%,说明速效钾含量处于潜在缺乏水平。土壤有效钙、镁、硅、铁、锰、铜、锌和硫含量均较丰富,平均值分别为2680、244、176、117、25、3.2、1.9和42mg kg-1。有效硼和钼平均值分别为0.48和0.068 mg kg-1,处于缺乏水平。 湖北省部分水旱轮作区土壤对外加的磷、钾、硼元素有较强的吸附固定能力,平均吸附固定率分别为59.9%、31.6%、32.1%。而土壤对硫元素的吸附固定能力较弱(15.5%),对铜、锰、锌元素几乎不吸附固定。同时,湖北省水旱轮作区土壤的作物养分限制因子主要为氮、磷和钾。 基于土壤pH、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、全氮、全磷、全钾和有效铁、锰、铜、锌、钼、硼及阳离子交换量的全指标和模糊数学法的土壤肥力质量综合评价结果表明,湖北省水旱轮作区土壤肥力质量综合评价值的平均值为0.509,麻城市和荆州区土壤肥力质量以中等Ⅲ为主,洪湖市、赤壁市和沙洋县土壤肥力质量以良Ⅱ、中等Ⅲ为主,其中洪湖市土壤肥力质量以良Ⅱ等级为多,5个县市土壤肥力质量均无优Ⅰ和很差V等级。 应用主成分分析和相关系数法确定土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、有效硼、有效钼、有效锌为组成湖北省水旱轮作区土壤肥力质量评价的最小数据集的评价指标,并基于此最小数据集和模糊数学法的土壤肥力质量评价表明湖北省水旱轮作区土壤肥力质量评价值的平均值为0.441,赤壁、洪湖、荆州、麻城和沙洋等5个市(区、县)的土壤肥力质量以中等Ⅲ为主,差Ⅳ等级次之,5个县市土壤肥力质量均无优Ⅰ和很差V等级。 3.采用氮、磷、钾肥料田间小区试验研究了油菜和水稻的氮、磷、钾肥料效应及其推荐经济施用量。试验表明,施用氮、磷、钾肥改善了油菜和水稻的产量构成因子,提高了水稻和油菜的产量,其中施用氮肥和磷肥显著提高了油菜的产量。此外,氮肥施用的增产效果都远高于磷肥和钾肥,是油菜和水稻增产的首要因素。施用氮肥和磷肥能显著提高油菜和水稻的经济效应,施用钾肥虽能增加产出,但总体收益不高,甚至在水稻季出现亏损。同时,油菜季施磷、钾肥的增收效果要显著高于水稻季。 油菜和水稻的氮肥偏生产力(PFP)和农学利用率(AE)随着施氮量的增加而逐渐降低,氮肥吸收利用率(RE)则随着施氮量的增加先增加再下降。磷肥和钾肥的偏生产力、农学利用率和吸收利用率随着其施用量的增加而显著降低。油菜种植中磷肥和钾肥的肥料利用率要好于氮肥,水稻种植中氮肥和钾肥的肥料利用率要优于磷肥。此外,氮、磷、钾肥的肥料利用效率在油菜和水稻种植中有较大差异性,氮肥在水稻种植中的肥料利用率要高于油菜,而磷肥和钾肥在油菜种植中的肥料利用率要优于水稻。 一元二次和三元二次肥料效应方程表明湖北省油-稻轮作区油菜氮、磷、钾推荐经济施肥量为:氮肥施用量的范围为165-270 kgha-1,平均值为216kg ha-1;磷肥施用量的范围为(P205)68-118kg ha-1,平均值为93 kg ha-1;钾肥施用量的范围为(K20)42-147kg ah-1,平均值为100kg ha-1,氮、磷、钾配比为N:P2O5:K2O=1:0.43:0.46。而水稻推荐经济施肥量为:氮肥(N)170 kg ha-1、磷肥(P2O5)67 kg ha-1,钾肥(K2O)121kg ha-1,变异范围为氮肥(N)89-220 kg ha-1、磷肥(P2O5)39-97.5kg ha-1、钾肥(K2O)59-232 kg ha-1,氮、磷、钾配比为N:P2O5:K2O=1:0.39:0.71。由此推荐的水稻、油菜氮、磷、钾施用量要比农民习惯施肥增产和增收。具体表现为:油菜平均增产462 kg ha-1,增加净收入1570元ha-1,增产和增收率为16.9%;水稻平均增产1058 kg ha-1,增加净收入1693元ha-1,增产和增收率为14.6%。 4.采用Visual Basic程序语言和ASP网页技术分别建立了水旱轮作区土壤肥力质量评价系统和油菜-水稻施肥指导系统(单机版和网络版)。该系统都集成了基于最小数据集、模糊数学的土壤肥力评价和基于目标产量法、肥料效应函数法的油菜-水稻施肥指导,并提供了相关的知识供学习和查询。 5.采用盆栽试验研究了小麦-水稻、油菜-水稻两种不同水旱轮作模式土壤肥力变化、养分平衡特征。结果表明,与不种植作物处理(CKC)相比,种植作物不施肥处理(RCK、WCK)的土壤速效磷、速效钾含量和水溶性盐总量显著降低,土壤碱解氮、pH、有机质含量差异不显著。在施用氮、磷、钾肥(处理R、W)后,土壤速效钾、速效磷和水溶性盐总量含量与对照处理(RCK、WCK)差异显著,而土壤碱解氮、有机质、pH含量差异不显著。 油-稻、麦-稻轮作系统的氮、磷素均有盈余,盈余量分别为1380、561 mg pot-1(油-稻)和1899、582mg pof-1(麦-稻),而两种轮作系统的钾素均亏缺,亏缺量分别为27 mg pot-1(油-稻)和156 mg pot-1(麦-稻),油-稻轮作系统的氮、磷素盈余量和钾素亏缺量均低于麦-稻轮作系统。此外,油-稻盆栽和田间试验氮、磷、钾平衡状况有较大差异:油-稻盆栽试验均表现出氮、磷的盈余和钾的亏缺,而油-稻田间试验则表现出氮的盈余和钾素的亏缺,磷素基本平衡。


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