我国荞麦土壤钾素丰缺指标和适宜施钾量研究

Study on the abundance-deficiency index of buckwheat soil K and appropriate K application rates in China

摘要

为建立我国荞麦土壤钾素丰缺指标推荐施肥系统，在中国知网检索2001—2023年我国荞麦施钾的相关文献，提取土壤速效钾含量、全钾含量、施钾处理产量和缺钾处理产量等相关数据；采用“零散试验数据整合法”建立我国荞麦缺钾处理相对产量与土壤速效钾和全钾含量的回归方程；采用“土壤养分丰缺分级改良方案”对土壤速效钾和全钾含量进行分级；采用“养分平衡-地力差减法新应用公式”，计算不同目标产量、不同肥料利用率情形下不同丰缺级别土壤的荞麦适宜施钾量。结果表明：我国荞麦缺钾处理相对产量与土壤速效钾和全钾含量回归方程分别为：y＝14.008 ln（x）+23.513和y＝14.445 ln（x）+45.649。我国荞麦土壤速效钾第1―6级丰缺指标依次为≥236、≥116~236、≥57~116、≥28~57、≥14~28和＜14 mg/kg，土壤全钾第1―6级丰缺指标依次为≥44、≥22~44、≥11~22、≥6~11、≥3~6和＜3 g/kg。当荞麦目标产量在0.90~3.75 t/hm²、且钾肥利用率设定为40%~60%时，钾素丰缺级别第1—6级土壤的适宜施钾量范围分别为0、7~42、14~84、20~127、27~169和34~211 kg/hm²；钾肥利用率为60%、55%、50%、45%和40%的适宜施钾量范围依次为0~141、0~153、0~169、0~188和0~211 kg/hm²；目标产量为0.90、1.50、2.25、3.00和3.75 t/hm²的适宜施钾量范围分别为0~51、0~84、0~127、0~169和0~211 kg/hm²。

Abstract

In order to establish a recommended fertilization system based on the abundance-deficiency index of buckwheat soil K，CNKI articles related to buckwheat K fertilization in China since 2001-2023， and the data of soil available K （SAK） and soil total K （STK）， as well as the yield for K application treatment and without K fertilizer treatments （KFT） were extracted. Using the method of integrating scattered experimental data， two regression equations were established between the relative yield （RY） of buckwheat without KFT and the content of SAK and STK in China. The improvement plan for soil nutrient abundance-deficiency grading was adopted to classify the content of SAK and STK. Using the new application formula based on the methods of nutrient balance and projected yield minus soil fertility yield， the AKAR for buckwheat in different soil fertility levels under different target yields （TY） and fertilizer use efficiency （FUE） was calculated. The results showed that the RY of buckwheat without KFT and the content of SAK and STK in China are as follows： y＝14.008ln（x）+23.513 and y＝14.445ln（x）+45.649， respectively. The ADI of SAK for buckwheat in China for the 1^st to 6^th level were ≥236， ≥116-236， ≥57-116， ≥28-57， ≥14-28 and ＜14 mg/kg， respectively. The ADI of STK for buckwheat in China for the 1^st to 6^th level were ≥44， ≥22-44， ≥11-22， ≥6-11， ≥3-6 and <3 g/kg， respectively. When the TY of buckwheat was 0.90-3.75 t/hm²， the FUE of K was 40%-60%， and the soil K abundance-deficiency level （ADL） was from 1^st to 6^th， the AKAR for ADL from 1^st to 6^th were 0， 7-42， 14-84， 20-127， 27-169 and 34-211 kg/hm²， respectively. The AKAR for FUE of K as 60%， 55%， 50%， 45% and 40% are 0-141， 0-153， 0-169， 0-188 and 0-211 kg/hm²， respectively. The AKAR for target yields of 0.90， 1.50， 2.25， 3.00 and 3.75 t/hm² are 0-51， 0-84， 0-127， 0-169 and 0-211 kg/hm²， respectively.

Graphical abstract

关键词

荞麦 / 测土施肥 / 土壤速效钾 / 土壤全钾 / 丰缺指标 / 施肥量

Key words

buckwheat / soil testing and fertilizer recommendation / soil available K / soil total K / abundance-deficiency index / fertilizer application rate

荞麦是起源于我国的重要药食同源杂粮作物，主要分为甜荞（Fagopyrum esculentum Moench）和苦荞（F. tataricum Gaertn）2个栽培种。我国荞麦种植面积≥60余万hm²，产量≥50万余t，仅次于俄罗斯，位居世界第二^［1］。合理施肥是荞麦高产、优质、高效和可持续发展的前提基础。施肥不足，无以实现荞麦生产目标；施肥过量，不仅徒增成本，还会降低荞麦产量、质量和效益，并且对土壤、大气和水资源等生态环境造成污染，进而危害人类身体健康。因此，需要科学确定荞麦施肥量。

肥料效应函数法、养分平衡-地力差减法、养分平衡-土壤有效养分校正系数法和土壤养分丰缺指标法是确定作物施肥量的4种基本方法^［2-3］。Bray创建土壤养分丰缺指标法^［4-5］，因其拥有时间有效性长、地域有效性广、简便易行等三大优势，故被全球广泛采用。我国作物土壤养分丰缺指标推荐施肥系统研究起步较晚^［6-7］，始于20世纪80年代。水稻、玉米、小麦和马铃薯等一些重要作物的若干区域土壤养分丰缺指标推荐施肥系统已经建立起来^［8-11］。而荞麦土壤养分丰缺指标推荐施肥系统研究尚属空白。之所以包括荞麦在内的诸多小作物土壤养分丰缺指标推荐施肥系统研究颇为薄弱，是因为这些小作物的科研投入强度偏低，难以支撑需要大量资金支持和专家投入的土壤养分丰缺指标推荐施肥系统研究。中国农业大学孙洪仁团队于2013年创建了作物土壤养分丰缺指标推荐施肥系统研究新方法，以“零散试验数据整合法”、“土壤养分丰缺分级改良方案”和“养分平衡-地力差减法新应用公式”为核心的新方法^［12-14］，可以有效克服科研投入强度偏低问题。采用新方法，我国诸多小作物的土壤养分丰缺指标推荐施肥系统得以成功建立，如甜菜^［15］、苜蓿^［16］、苹果^［17］、谷子^［18］、桃^［19］、大麦^［20］和燕麦^［21］等。氮、磷、钾乃植物营养三要素，为土壤养分丰缺指标推荐施肥系统研究之重点所在。目前，关于荞麦土壤钾素丰缺指标和适宜施肥量的研究尚未见报道。本研究拟采用孙洪仁团队创建的新方法^［12-14］，以广大科研工作者在全国各地开展的荞麦施钾试验和荞麦需钾规律研究的数据为材料，开展我国荞麦土壤钾素丰缺指标和适宜施钾量研究，旨在建立我国荞麦土壤钾素丰缺指标推荐施肥系统，以期为我国荞麦测土施钾提供科学依据。

1　材料与方法

1.1　荞麦缺钾处理相对产量与土壤钾素含量回归方程的建立

1.1.1　零散试验数据整合法

采用“零散试验数据整合法”^［3］建立我国荞麦缺钾处理相对产量与土壤钾素含量回归方程。具体做法如下：1）通过在知网检索2001—2023年针对荞麦在全国各地出于各种目的开展的具有土壤钾素含量和缺钾处理的施钾试验文献；2）人工提取文献中的施钾处理和缺钾处理产量、土壤速效钾和全钾含量数据；3）计算荞麦缺钾处理相对产量；4）建立荞麦缺钾处理相对产量与土壤钾素含量回归方程。

1.1.2　荞麦施钾试验研究文献和数据

以“荞麦”“施肥”和“钾”为主题词，采用“荞麦”和“施肥”或 “荞麦”和“钾”等检索式，利用中国知网（CNKI）数据库资源，检索到我国开展的含有缺钾处理产量、施钾处理产量、土壤速效钾含量和全钾含量的荞麦施钾试验文献总计21篇^［22-42］。其中2001―2010年3篇^［22-24］、2011―2020年15篇^［25-39］、2021―2023年3篇^［40-42］；盆栽试验1篇^［35］，池栽试验2篇^{［37，39］}，其余均为田间试验。上述研究涉及品种20余个、土壤类型近10个、县区市旗15个。施钾处理施钾量范围为4~240 kg/hm²。剔除部分明显偏离群体和不合理数据后，获得土壤速效钾含量、缺钾处理产量和施钾处理产量数据45组，土壤全钾含量、缺钾处理产量和施钾处理产量数据23组。

1.2　我国荞麦土壤钾素丰缺分级

采用“土壤养分丰缺分级改良方案”^［3，12］对土壤钾素含量进行分级。该改良方案主要特点有二，一是统一和均等化各丰缺级别的缺素处理相对产量跨度为10%，二是确定100%作为最高丰缺级别的缺素处理相对产量下限；主要优点：1）土壤养分丰缺分级的主观随意性降至最低、客观决定性升至最高；2）不同丰缺级别土壤推荐施肥的精准度得以统一；3）整套分级方案的科学性和实践性得以兼顾；4）最高丰缺级别土壤的产量损失得以避免。将改良方案中各个丰缺级别节点之缺素处理相对产量数值代入荞麦缺钾处理相对产量与土壤钾素含量回归方程，即可求出各个丰缺级别对应的土壤钾素含量范围。

1.3　我国荞麦不同钾素丰缺级别土壤适宜施钾量的确定

1.3.1　养分平衡-地力差减法新应用公式

采用“养分平衡-地力差减法新应用公式”^［3，13］（式（1）），计算不同目标产量、不同肥料利用率情形下不同丰缺级别土壤的荞麦适宜施钾量。该新应用公式核心特征是引入变量“缺素处理相对产量”作为纽带与“土壤养分丰缺指标分级方案”联结起来。

F_K=Y_t×K_u×（1-R_-K）÷E_K（1）

式中：F_K为适宜施钾量，kg/hm²；Y_t为目标产量，t/hm²；K_u为单位经济产量钾素吸收量，kg/t；R_-K为缺钾处理相对产量；E_K为钾肥利用率，%。

1.3.2　新应用公式之参数确定

我国荞麦当前的生产实际状况，平均单产水平不足1 t/hm²，而高产田可达3.75 t/hm²以上^{［1，22-42］}。据此确定5个目标产量：0.90、1.50、2.25、3.00和3.75 t/hm²。水肥管理模式对肥料利用率具有很大影响，如旱作雨养模式下，施肥次数很少，钾肥利用率一般在40%以下；滴灌+水肥一体化模式下，水肥同步，施肥次数亦颇多，钾肥利用率可高达60%以上^［15-21］。依据我国荞麦水肥管理实践，确定5个钾肥利用率：40%、45%、50%、55%和60%。以文献［2，22，43-44］为主要依据，确定我国荞麦单位经济产量钾素吸收量（以K₂O计）为45 kg/t。目标产量和单位经济产量钾素吸收量之积为目标产量的钾素吸收量，5个荞麦目标产量钾素吸收量依次为40.50、67.50、101.25、135.00和168.75 kg/hm²。

2　结果与分析

2.1　我国荞麦缺钾处理相对产量与土壤钾素含量回归方程

由图1可知，土壤速效钾和土壤全钾与缺钾处理相对产量回归方程的决定系数（R² ）颇为接近，难分伯仲。土壤速效钾与缺钾处理相对产量散点图的数据点分布相对较为均匀，而土壤全钾与缺钾处理相对产量散点图的数据点集中于15~25 g/kg。

我国土壤荞麦缺钾处理相对产量与土壤速效钾、全钾含量2个回归方程如下，均为自然对数相关，皆达到了极显著水平。

y＝14.008ln（x）+23.513（r＝0.740 7，n＝45，P＜0.01）（2）

y＝14.445ln（x）+45.649（r＝0.719 7，n＝23，P＜0.01）（3）

式中：y为缺钾处理相对产量，数据范围为62.64%~107.33%；x分别为土壤速效钾含量和全钾含量，数据范围分别为21.65~202.00 mg/kg和4.1~41.0 g/kg。

2.2　我国荞麦土壤钾素丰缺指标

借助式（2）和（3）计算出缺钾处理相对产量100%、95%、90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%和10%对应的土壤速效钾含量依次为235.2、164.6、115.2、56.4、27.6、13.5、6.6、3.3、1.6、0.8和0.4 mg/kg，土壤全钾含量依次为43.1、30.5、21.6、10.8、5.4、2.7、1.4、0.7、0.4、0.2和0.1 g/kg。舍弃部分外推数据，得到我国荞麦土壤速效钾和全钾丰缺指标（表1）。其中，第6级在生产实践中极少出现。

2.3　我国荞麦适宜施钾量

由表2可知，目标产量0.90~3.75 t/hm²、钾肥利用率40%~60%时，第1―6级土壤的适宜施钾量分别为0、7~42、14~84、20~127、27~169和34~211 kg/hm²。目标产量0.90~3.75 t/hm²、土壤钾素丰缺级别第1―6级时，钾肥利用率60%、55%、50%、45%和40%的适宜施钾量范围依次为0~141、0~153、0~169、0~188和0~211 kg/hm²。钾肥利用率40%~60%、土壤钾素丰缺级别第1―6级时，目标产量0.90、1.50、2.25、3.00和3.75 t/hm²的适宜施钾量范围分别为0~51、0~84、0~127、0~169和0~211 kg/hm²。

3　讨论

3.1　文献及数据选取

采用“零散试验数据整合法”建立作物缺素处理相对产量和土壤养分含量回归方程，如何进行文献选取和数据剔除这个问题首当其冲。澳大利亚谷物研究与发展组织对于文献选取和数据处理的规定颇为详尽，比如对试验研究进行评估分级，质量低者可能予以弃用^［45］。本研究未对文献进行分类和分级，既不管研究目的是什么，亦无论采用何种研究方法—如盆栽和池栽，所有文献一律采用，但在进行回归分析时，剔除少量严重偏离群体的数据，保证了回归方程样本数量最大化。

3.2　回归方程样本数量

土壤养分丰缺指标法创始人Bray^［4-5］及谭金芳等^［2］、周鸣铮^［46］、黄德明^［47］、金耀青等^［48］都认为，作物缺素处理相对产量与土壤养分含量回归方程的样本数量宜在20个以上。澳大利亚谷物研究与发展组织规定最小样本数量不宜少于8个^［49］。孙洪仁等^［50］的研究表明，采用“零散试验数据整合法”建立作物缺素处理相对产量与土壤养分含量回归方程时，样本数量越多，回归方程越成熟稳定，反之则易发生剧烈波动。之所以如此，可能与下列原因有关：1）“零散试验数据整合法”所整合的诸多施肥试验皆为独立开展，无总体规划，具体的试验设计和操作方法没有统一规范；2）研究的时间跨度大，长达数十年之久；3）我国幅员辽阔，气候、土壤类型多样，生产模式和水平众多。如果样本数量足够大，则可依据自然区域、土壤类型、生产模式、生产水平及年代等进行分别研究^［50-52］。本研究样本数量23~45个，符合基本要求，但还不足以开展分区、分类或分代研究，因此尚需大力开展含有缺钾处理的荞麦施钾试验研究。

3.3　回归方程相关系数及决定系数

相关系数和决定系数越高，回归方程越完美。田间试验不可控因素较多，通常相关系数和决定系数远低于室内试验。而“零散实验数据整合法”三大特性：时间跨度大、空间幅员广、没有统一规范的试验设计和操作方法，也会导致散点图之数据点在回归曲线上下波动幅度加大，进而降低回归方程的相关系数和决定系数。但回归方程和曲线相当于动态平均值，只要样本数量足够多，还是颇为可信的。澳大利亚谷物研究与发展组织^［49］规定，作物缺素处理相对产量与土壤养分含量回归方程的相关系数不应低于0.2，实践上相关系数大多介于0.25~0.70，决定系数范围则为0.05~0.50。本研究所得回归方程的相关系数和决定系数分别为0.72~0.74和0.52~0.55，较为理想。

3.4　我国荞麦土壤速效钾丰缺指标

我国诸多区域水稻^［8］、玉米^［9］、小麦^［10］和马铃薯^［11］缺钾处理相对产量90%对应的土壤速效钾指标范围为80~200 mg/kg，本荞麦研究结果为116 mg/kg，介于其间。我国甜菜^［15］、苜蓿^［16］、苹果^［17］、谷子^［18］、桃^［19］、大麦^［20］和燕麦^［21］缺钾处理相对产量100%对应的土壤速效钾指标为170~400 mg/kg，本荞麦研究结果为236 mg/kg。

3.5　我国荞麦土壤全钾丰缺指标

关于作物土壤全钾丰缺指标研究，除孙洪仁等^{［18，20-21］}研究，尚未见其他报道。我国谷子^［18］、大麦^［20］和燕麦^［21］缺钾处理相对产量80%、90%和95%对应的土壤全钾含量指标初步研究结果依次为4~11、15~21和19~40 g/kg，本研究结果分别为11、22和31 g/kg，与其存在一定差异。考虑到荞麦研究样本数量明显多于谷子^［18］、大麦^［20］和燕麦^［21］，可靠性相对较高。若需进一步提高可靠性，今后可开展荞麦缺钾处理相对产量与土壤全钾含量回归关系研究。

3.6　我国荞麦适宜施钾量

本研究引用文献［22-42］的施钾量为4~240 kg/hm²。本研究结果发现：当目标产量0.9~3.75 t/hm²、且钾肥利用率在40%~60%时，第1―6级土壤的适宜施钾量分别为0、7~42、14~84、20~127、27~169和34~211 kg/hm²。本研究结果与已发文献［22-42］中采用的施钾量接近。

4　结论

利用已有荞麦施钾试验数据建立了我国荞麦缺钾处理相对产量与土壤速效钾和全钾含量回归方程，分别为：y＝14.008 ln（x）+23.513，y＝14.445 ln（x）+45.649。确定我国荞麦土壤钾素第1―6级丰缺指标，速效钾依次为≥236、≥116~236、≥57~116、≥28~57、≥14~28和＜14 mg/kg；全钾依次为≥44、≥22~44、≥11~22、≥6~11、≥3~6和＜3 g/kg。当荞麦目标产量0.90 ~3.75 t/hm²、钾肥利用率为40%~60%、土壤钾素丰缺级别第1―6级时，第1―6级土壤适宜施钾量范围分别为0、7~42、14~84、20~127、27~169和34~211 kg/hm²；钾肥利用率60%、55%、50%、45%和40%的适宜施钾量范围依次为0~141、0~153、0~169、0~188和0~211 kg/hm²；目标产量0.90、1.50、2.25、3.00和3.75 t/hm²的适宜施钾量范围分别为0~51、0~84、0~127、0~169和0~211 kg/hm²。

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基金资助

国家现代农业产业技术体系(CARS-34)