福建花生氮磷钾推荐施肥与有机肥替代化肥潜力研究

李娟 张立成 张华 章明清 姚宝全

摘要：[目的]为提高花生施肥效益，实现减量增效的目标，在花生氮磷钾施肥限量标准研究基础上，探讨有机肥替代化肥的最佳施肥模式。[方法]根据近年来在福建花生主产区开展的105个田间肥效试验结果，应用系统聚类分析结合类别间差异显著性检验技术，确定花生最佳施肥类别数;构建各施肥类别的二元非结构肥效模型，确定推荐施肥量，并開展田间试验验证和有机肥替代化肥潜力的研究。[结果]在各施肥类别间的氮磷钾施肥效应具有显著水平差异条件下，福建花生可划分为高产田、中产田、中低产田和低产田等4个施肥类别;高产田的花生施肥效应远高于其他类型田块，中产田及以下的耕地类型应进行土壤改良培肥，才能充分发挥施肥增产潜力。针对各耕地施肥类别对应的氮磷钾田间肥效试验结果构建的4个三元非结构肥效模型均属于典型式，由此建立了基于农学效应的花生氮磷钾推荐施肥量。34个大田对比试验表明，化肥推荐施肥的花生产量平均比习惯施肥增产10.2%，肥料成本下降63元·hm^-2，净增收2877元·hm^-2;平均氮、磷减肥幅度分别为24.9%、38.1%，但增加钾肥用量79.3%。有机肥替代25%化肥处理的产量最高，平均比化肥推荐施肥增产10.6%，净增收1595元·hm^-2。[结论]在推荐施肥基础上，有机肥替代25%化肥是花生减肥增效最佳施肥模式。

关键词：花生;施肥类别;化肥;有机肥;推荐施肥;施肥模式

中图分类号：S147.2文献标志码：A 文章编号：1008-0384（2020）05-0480-09

0引言

（研究意义）花生是我国的主要油料作物之一，在福建省常年种植面积达到6.7万hm²。山东、湖北和广东等省份花生主产区的众多农户施肥状况的调查研究均表明，农户在花生栽培中普遍存在氮磷肥用量偏高，钾肥用量偏低，三要素比例失调;大多采用一次性施肥，普遍不施有机肥等不合理施肥现象，造成花生固氮功能减弱、土壤养分失衡，从而导致花生施肥效益下降和一系列环境问题。因此，探讨花生减肥增效技术，对进一步提高花生产量和施肥效益、改善花生品质等具有重要意义。（前人研究进展）研究表明，有机无机肥配施对红壤旱地的花生生理特性、产量和品质具有显著的促进作用，合理施用氮肥有利于提高花生品质，合理施用化肥或化肥配施有机肥还能改善和提高土壤肥力水平。近十余年来，我国各地花生主产区针对氮磷钾施肥指标进行了许多深入研究，为当地花生测土配方施肥技术的推广应用提供了科学依据。福建省自20世纪90年代中期以来，应用“土壤养分状况系统研究法”对花生平衡施肥技术进行了探讨;根据众多“3414”氮磷钾田间肥效试验结果，构建了花生氮磷钾施肥指标体系。（本研究切入点）但相关研究是针对化肥推荐施肥技术，有关有机肥替代潜力的研究尚未涉及，同时，推荐施肥所用模型为三元二次多项式函数，可能存在推荐用量偏高的问题。（拟解决的关键问题）本文根据课题组前期提出的三元非结构肥效模型，对近10年来完成的花生氮磷钾田间肥效试验结果进行总结与建模，并在此基础上，探讨有机肥替代化肥的潜力，旨在为福建花生减肥增效技术的推广应用提供施肥技术依据。

1 材料与方法

1.1 花生氮磷钾田间肥效试验

近10年来，在福建花生主产区完成了105个氮磷钾田间肥效试验。试验采用“3414”方案，氮磷钾各4个水平，设14个处理，即：（1）N₀P₀K₀;（2）N₀P₂K₂;（3）N₁P₂K₂;（4）N₂P₀K₂;（5）N₂P₁K₂;（6）N₂P₂K₂;（7）N₂P₃K₂;（8）N₂P₂K₀;（9）N₂P₂K₁;（10）N₂P₂K₃;（11）N₃P₂K₂;（12）N₁P₁K₂;（13）N₁P₂K₁;（14）N₂P₁K₁。其中，“2”水平表示花生在试验前的N、P₂O₅、K₂O推荐用量，“0”水平为不施肥;“1”水平施肥量为“2”水平的50%，“3”水平施肥量为“2”水平的150%。试验采用多点分散不设重复和随机区组排列的方法。选择当地具有代表性的土壤类型和肥力水平的地块作为试验田，小区面积20～25m²，同一个试验点小区面积相同。全省布点情况和处理（6）施肥量见表1.

在各点试验实施前，按照规范方法采集1个耕层混合基础土样，用常规方法测定供试土壤主要理化性状（表1）。105个土样的测定结果为：pH（5.2±1.8），有机质（19.82±8.03）g·kg^-1，碱解氮（116.2±41.2）mg·kg^-1，有效磷（31.7±20.0）mg·kg^-1，速效钾（63.2±36.5）mg·kg^-1。供试土壤包括旱地土壤的赤沙土和稻田土壤的灰泥田、黄泥田等耕作土壤类型（土属）。相关田间试验设计、土样采集和测定方法等，与文献[18]相同或相似，不再赘述。

在氮磷钾施肥限量标准研究基础上，在花生主产区选择代表性田块设置了34个大田对比示范试验，供试土壤主要理化性状为：pH（5.4±1.0），有机质（20.31±5.93）g.kg^-1，碱解氮（113.6±25.9）mg·kg^-1，有效磷（37.7±30.0）mg·kg^-1，速效钾（64.8±46.2）mg·kg^-1。每个大田示范设空白、习惯施肥和推荐施肥3个处理，不设重复，每个小区60m²。相关地市的供试土壤主要理化性状和习惯施肥与推荐施肥的施肥量见表2，氮磷肥减肥幅度分别平均为24.9%、38.1%，钾肥增加幅度平均值为79.3%。相关田间示范土样采集和测定、施肥方法与氮磷钾“3414”田间肥效试验相同。

1.2 有机肥替代化肥潜力的田间试验

2018～019年课题组在南安市和晋江市花生主产区设置4个不同施肥模式田间试验。其中，习惯施肥的施肥量以表2的34个大田示范区习惯施肥量平均值为依据;推荐施肥的施肥量则以花生氮磷钾施肥限量标准研究结果为依据，结合当地生产实际适当调整。试验设5个处理（表3），3次重复，随机区组排列，每个小区面积15m²。试验地选择灰泥田、赤沙土等土壤类型和代表性肥力水平的地块作为试验田，供试土壤主要理化性状见表4.试验区周围设l m宽以上的保护行。供试花生品种选用当地大面积种植的良种，试验时间为每年3月中旬至7月底。

氮磷钾肥料分别选用尿素（N46%）、过磷酸钙（P₂O₅12%）和氯化钾（K2060%），有机肥选用商品有机肥（N+P₂0₅+K20≥5%）。处理（1）空白区不施任何肥料。处理（2）和处理（3）的基肥为50%的尿素，100%的过磷酸钙，30%氯化钾;处理（4）和处理（5）的基肥则为100%的有机肥，化肥施用比例与处理（2）和处理（3）相同。追肥则分2次施用，即：在苗期追肥50%的尿素和30%钾肥;在始花期追施40%钾肥。施肥方式均为基肥全层深施，结合整地时进行;追肥采用穴施，结合中耕除草。其他栽培管理措施与当地大田生产一致。

试验实施前，按照规范方法采集1个耕层混合基础土样。花生收获时，各小区单收单称，分别记录荚果、茎叶鲜重产量和晒干重产量;每个处理各小区分别采集代表性荚果和茎叶样品各约2kg，分别准确称取鲜重和晒干重。样品用于测定氮磷钾含量等指标。

1.3 试验数据的整理与计算

对105个花生氮磷钾田间肥效試验结果进行归纳总结时，为确保各个花生施肥类别间的施肥效应具有统计显著水平差异，采用欧氏距离一离差平方和法进行系统聚类分析，并结合类别间施肥效应差异显著性的F值检验方法，确定花生氮磷钾施肥类别的数量;然后针对各施肥类别对应的试验点，分别构建三元肥效模型。

由于三元非结构肥效模型较好克服了三元二次多项式肥效模型的设定偏误和多重共线性的缺陷，推荐施肥量普遍略低于多项式模型，本文采用该模型拟合花生相关试验结果：

Y=A（N₀+N）（P₀+P）（K₀+K）e^-c1N-c2P-c3K（1）

其中，N₀、P₀、K₀分别表示供试土壤的氮、磷、钾供肥当量，以N、P₂O₅、K₂O养分形态计量，计量单位为kg·hm^-2;C₁、c₂、C₃分别表示施用氮、磷、钾养分的增产效应系数;A表示施肥量等于零时土壤肥力与作物产量之间的转换系数，综合反映了试验地的土壤生产力。该模型在一定施肥量范围内存在一个产量峰值，由此分别计算最高产量施肥量和经济产量施肥量。

本研究的系统聚类分析和施肥类别间差异显著性检验采用MATLAB R2015b软件的统计分析工具箱完成，三元非结构肥效模型构建则使用MATLABR2015b软件的nlinfit功能函数进行参数估计、显著性检验和模型典型性判别。

2 结果与分析

2.1 花生氮磷钾施肥类别和施肥效应

根据花生主产区完成的105个氮磷钾田间肥效试验结果，应用欧氏距离一离差平方和法系统聚类分析结合类别间差异显著性检验的方法，定量确定花生氮磷钾施肥类别数量。结果表明，若将花生施肥类别划分为5个或以上，则最少有一对施肥类别间产量效应差异不显著，导致分类结果无效;若划分3个或2个施肥类别，虽然各施肥类别间的产量效应差异可以达到显著水平，但对全省区域而言，则因类别数过少而使推荐施肥精确度不够;若将花生施肥类别数划分为4个，这时类别l和类别2、类别3、类别4之间的F值分别为43.9、136.7、52.5;类别2与类别3、类别4之间的F值分别为54.2、195.5;类别3与类别4之间的F值则为202.9，各施肥类别间的施肥产量效应均有显著水平差异，分类结果有效。因此，福建花生主产区的最佳施肥类别数量为4个。

依据4个施肥类别各自空白区和处理（6）的产量水平，从“高产”到“低产”分别命名为“高产田”“中产田”“中低产田”和“低产田”（表5），其中处理（6）平衡施肥的花生荚果平均产量为3880kz·hm^-2，土壤对花生荚果的平均贡献率为63.3%;低产田土壤的贡献率最低，平均只有59.5%，其他3类则大致在63.0%～64.4%。氮、磷、钾化肥的平均增产率分别为24.2%、17.1%和19.2%，增产效果是N>K>p.从施肥的单位面积增产量看，与对照相比，处理（6）平衡施肥的增产量与土壤肥力水平成正比，高产田的增产量平均为2190kg·hm^-2，低产田则只有866kg·hm^-2;高产田的氮磷钾化肥增产量分别为1776、1101、1593kg·hm^-2，高于其他施肥类别的l倍以上。结果显示，高产田的花生施肥效应远高于其他类型田块;中产田及以下的耕地类型应进行土壤改良培肥，才能充分发挥花生施肥增产潜力。

2.2 基于农学效应的花生氮磷钾推荐施肥

在花生氮磷钾施肥类别定量分类基础上，根据各施肥类别对应的试验点及其氮磷钾田间肥效试验结果，应用三元非结构肥效模型建立氮磷钾施肥效应模型（表6）。结果表明，4个三元非结构肥效模型均达到统计显著水平以上，且模型均属于典型式，可用于花生推荐施肥。因此，根据表6的建模结果，应用三元非结构肥效模型推荐施肥计算式，计算花生荚果最高产量施肥量，并以每kgN4.3元、P₂O₅5元、K₂O 5元和荚果6元的市场均价计算经济施肥量。表7的结果显示，在95%置信区间下，各施肥类别的目标产量或空白区产量几乎不出现重叠。因此，在实际应用中，可根据表7的施肥目标产量或者空白区产量确定具体田块所属的施肥类别及其推荐施肥量。

平均而言，花生最高产量施肥量加权平均为N99kg·hm^-2、P₂O₅6l kg·hm^-2、K₂O 108吨。hm^-2，预计产量为3759kg·hm^-2;经济施肥量加权平均则为N90kg·hm^-2、P20554kg·hm^-2，K₂O 95kg·hm^-2，预计产量为3745kg·hm^-2，氮磷钾适宜比例为1：0.6：1.1.

2.3 化肥推荐施肥对花生产量和施肥效益的影响

闽东南地区的34个田间示范结果（表8）表明，与空白区产量相比，无论是推荐施肥还是习惯施肥，花生产量都获得显著提高;推荐施肥调整了习惯施肥的氮磷钾施用量和比例，花生荚果产量平均增产10.2%。以每kgN4.3元、P₂O₅元、K₂O₅元和荚果6元的市场均价计算，推荐施肥的肥料成本较习惯施肥下降63元·hm^-2，净增收达到2877元·hm^-2。因此，表7提出的花生氮磷钾施肥限量标准具有较好的增产增收效果。

2.4 花生有机肥替代化肥潜力

为进一步降低表7的花生化肥施用量，在花生种植地代表性土壤上设置了有机肥替代化肥潜力田间试验。产量结果（表9）表明，习惯施肥、推荐施肥、有机肥替代部分化肥处理的花生荚果产量都比空白区处理获得显著的增产效果，但增产幅度差异较大。其中，在推荐施肥基础上，有机肥替代25%化肥处理的产量最高，且均显著高于习惯施肥，平均增产18.9%;除灰泥田试验点与推荐施肥产量持平外，其他3个试验点的产量显著高于化肥推荐施肥，4个试验平均增产10.6%。

以每kR N 4.3元、P₂O₅5元、K₂O 5元、莢果6元和商品有机肥800元·t^-1的市场均价计算不同施肥模式的肥料成本和产量效益（表9）。结果表明，扣除化肥成本，与习惯施肥相比，化肥推荐施肥、有机肥替代25%化肥的处理均使花生获得增产增收，平均净增收分别提高2614、4029元·hm^-2;与化肥推荐施肥相比，有机肥替代25%化肥处理平均净增收1595元·hm^-2。但有机肥替代50%化肥的处理，由于增产幅度较小，且大幅度增加肥料成本，净增收明显下降，甚至低于习惯施肥。

3 讨论

3.1 氮磷钾施肥类别的定量分类

在推荐施肥领域，如何对多年多点田间肥效试验结果进行合理分类总结，提出不同土壤肥力等级或者施肥目标产量下的推荐施肥技术，历来是重要的研究课题。福建花生种植地分布在闽东南和闽西地区，常年种植面积11万hm²左右，种植区域较小，区内生产条件和一般产量水平差异不大。为此，将花生种植区域作为一个整体进行系统聚类分析，并对分类结果的方差协方差矩阵进行差异显著性检验。这种方法的优点是花生氮磷钾施肥效应在不同施肥类别间具有显著水平差异，确保了分类结果的有效性。

在推荐施肥服务区域内，土壤肥力水平或者目标产量应该划分为多少个等级，即划分成多少个施肥类别，至今仍然悬而未决。由于施肥量和作物产量的关系不是确定性关系，施肥类别间在统计学上应该具有显著水平的差异，才能保证分类结果的有效性。迄今不少学者研究提出了许多肥料试验资料的分类或聚类方法，具有简洁、实用和易于理解的优点，但类别间是否具有显著性差异均未进行统计检验。本文结合方差协方差矩阵差异显著性检验技术，从定量角度较好地解决了施肥类别到底应该划分多少个等级的问题。

3.2 三元肥效模型选择及其计量结果

本研究根据花生各施肥类别的对应田间肥效试验结果，应用三元非结构肥效模型建立氮磷钾肥效模型，得到各施肥类别的推荐施肥量。在测土配方施肥中，常用三元二次多项式肥效模型建立氮磷钾肥效方程和计算推荐施肥量。但是，已有研究表明，二次多项式模型的推荐施肥量普遍偏高。

课题组曾在10年前，根据当时花生氮磷钾田间肥效试验结果，应用三元二次多项式肥效模型探讨花生推荐施肥。由于最高施肥量不受价格因素的影响，本研究采用非结构肥效模型推荐的全省平均最高施肥量，与当时采用三元二次多项式肥效模型得到的全省花生平均最高施肥量相比，氮、磷、钾推荐用量分别降低了13.9%、14.1%和17.6%;即使是经济施肥量，氮、磷、钾的推荐用量也分别下降了8.2%、1.8%和7.8%。因此，三元非结构肥效模型的推荐施肥量较好地克服了三元二次多项式肥效模型推荐施肥量偏高的问题，有利于减肥增效技术的推广应用。

3.3 化肥与有机肥配施进一步提高花生产量

105个花生氮磷钾肥效试验表明，福建省高产田的花生施肥效应高于其他类型田块的l倍以上，显示中产田及以下的耕地类型需进行土壤改良培肥，才能充分发挥花生施肥增产潜力。34个田间示范结果表明，推荐施肥的花生荚果产量比习惯施肥平均增产10.2%，肥料成本下降63元·hm^-2，净增收2877元。hm^-2。但在化肥推荐施肥基础上，有机肥替代25%化肥的施肥模式使花生荚果产量进一步增产10.6%，平均净增收进一步提高1595元·hm^-2。

坡耕地是福建省花生主要种植区域，坡耕地农耕历史悠久，利用强度大，加上不合理的坡地利用方式，水土流失严重。土壤和施肥管理粗放，导致土壤酸化严重，土壤有机质含量普遍偏低。本研究显示，花生种植区配施有机肥显著改善了土壤生产力，有利于发挥花生施肥的增产潜力。