養(yǎng)分專家系統(tǒng)在雙季稻中的應(yīng)用和評價

柳開樓，李大明，胡志華，胡惠文，余喜初*，楊富強(qiáng)，葉會財，楊旭初，徐小林，黃慶海

（1．江西省紅壤研究所/江西省紅壤耕地保育重點實驗室/國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330046；2．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

南方地區(qū)的雙季稻在我國糧食生產(chǎn)上占據(jù)重要地位［1-4］］，但是，該地區(qū)的雙季稻種植普遍存在化肥施用不合理和肥料利用率偏低等現(xiàn)象［5-6］。自新中國成立以來，化肥在促進(jìn)我國糧食和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中起了不可替代的作用［7］。有研究表明，雖然雙季稻區(qū)（江西、湖南等）的化肥施用量明顯低于稻麥輪作種植區(qū)（江蘇、浙江等發(fā)達(dá)省份），但也存在化肥過量施用、盲目施用、種類搭配不合理等問題，其化肥總體利用率也不高［8-10］。以雙季稻區(qū)的江西省為例，2011年氮、磷、鉀、復(fù)合肥消費量比1995年分別增長了42.1%、87.9%、141.8%和204.2%［5，10-12］。但僅有15%的農(nóng)戶可以實現(xiàn)高產(chǎn)和氮肥的高效利用［10］。因此，研究如何提高雙季稻區(qū)的化肥利用率就顯得非常重要。

長期以來，國內(nèi)外圍繞科學(xué)施肥研究提出了很多推薦施肥方法，比如以土壤測試為基礎(chǔ)的測土配方施肥技術(shù)，該技術(shù)在雙季稻區(qū)的大面積示范推廣基本實現(xiàn)了平衡施肥，提高了化肥利用率，維持了水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)［13-15］。但是，由于土壤測試耗時耗力、周期性較長，且某些土壤速效養(yǎng)分不穩(wěn)定，其與水稻需肥量和產(chǎn)量相關(guān)性不強(qiáng)等問題［16-17］，從而影響了測土配方施肥技術(shù)的進(jìn)一步推廣。再加上我國的農(nóng)業(yè)主要以農(nóng)戶經(jīng)營為主體［18］，復(fù)種指數(shù)高，作物種植茬口緊，依據(jù)土壤測試指導(dǎo)施肥存在測試推薦不及時和成本高等難題。因此，研究開發(fā)適應(yīng)我國國情的推薦施肥技術(shù)就顯得十分迫切。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所與國際植物營養(yǎng)研究所合作研創(chuàng)了小麥、玉米和水稻等主要作物基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的推薦施肥方法［18-20］。同時結(jié)合計算機(jī)技術(shù)，建立問答式界面，把復(fù)雜的施肥原理簡化為農(nóng)技推廣部門和農(nóng)民方便使用的養(yǎng)分專家系統(tǒng)（Nutrient Expert），簡稱NE系統(tǒng)［21］。NE系統(tǒng)可以通過了解過去3～5年的產(chǎn)量水平和施肥歷史完成施肥推薦，既適合指導(dǎo)農(nóng)戶，也適合大面積區(qū)域推薦施肥［21］。前期的大量研究已經(jīng)表明，該方法可以同時實現(xiàn)小麥、玉米等作物的高產(chǎn)，增加肥料利用率和化肥減施的目標(biāo)［18-24］。但是，在雙季稻區(qū)，關(guān)于NE系統(tǒng)下水稻的產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收變化還有待進(jìn)一步研究，且NE系統(tǒng)的化肥減施效果還缺乏有效評估［16，25］。因此，本研究擬以NE系統(tǒng)為切入點，結(jié)合農(nóng)民習(xí)慣施肥和當(dāng)?shù)剞r(nóng)技部門推薦施肥，于2014～2016年開展了3年6季的田間試驗，并通過分析不同處理的水稻產(chǎn)量、氮磷鉀養(yǎng)分吸收量、化肥施用量和肥料偏生產(chǎn)力變化，從而為該地區(qū)的化肥減施增效提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究于2014～2016年在江西省進(jìn)賢縣開展了3年6季的田間試驗，該地處中亞熱帶，年均氣溫18.1℃，≥10℃積溫6 480℃，年降水量1 537 mm，年蒸發(fā)量 1 150 mm，無霜期約為 289 d，年日照時數(shù)1 950 h。試驗地分別位于進(jìn)賢縣張公鎮(zhèn)馬家村（116°10′48.04″E，28°21′18.54″N）、顏家村（116°9′23.22″E，28°21′56.37″N）和溫圳鎮(zhèn)何家村（116°6′12.93″E，28°20′14.98″N），其中馬家村為3塊田，顏家村和何家村各2塊田。試驗地土壤均為紅壤性水稻土，成土母質(zhì)為第四紀(jì)紅粘土。2014年試驗開始前耕層土壤肥力情況見表1。

表1 試驗前土壤肥力情況

1.2 試驗設(shè)計

試驗處理分別為：農(nóng)民習(xí)慣施肥處理（FP）；當(dāng)?shù)剞r(nóng)技部門推薦的測土配方施肥處理（ST）；基于NE系統(tǒng)的推薦施肥處理（NE）。小區(qū)面積60 m2，1次重復(fù)。

FP處理的施肥量來源于農(nóng)戶調(diào)查，肥料運籌為：磷肥全部作為基肥。氮肥40%做基肥，60%做分蘗肥施用。鉀肥50%做基肥，50%做分蘗肥施用。ST處理的施肥量來源于當(dāng)?shù)剞r(nóng)技站，肥料運籌與FP一致。NE 處理的施肥量來源于NE系統(tǒng)，NE 系統(tǒng)的原理是，用不施肥區(qū)的養(yǎng)分吸收或產(chǎn)量水平表征土壤基礎(chǔ)肥力，即地塊施肥后作物產(chǎn)量反應(yīng)越小，則土壤基礎(chǔ)肥力越高，肥料推薦量越低；反之則肥料推薦量越高。該方法在匯總過去十幾年全國范圍的水稻肥料田間試驗的基礎(chǔ)上，建立了基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的推薦施肥模型。此外，NE 系統(tǒng)還基于 4R 的養(yǎng)分管理原則，推薦合適的肥料品種和適宜的肥料用量，以及合適的施肥時間和恰當(dāng)?shù)奈恢谩＞唧w方法見文獻(xiàn)［21］。每季開始前，NE處理的施肥量均要根據(jù)上季的產(chǎn)量反應(yīng)等數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。NE、NE-N、NE-P和NE-K處理的肥料運籌為：磷肥全部作為基肥；氮肥40%做基肥，30%做分蘗肥，30%做穗肥施用；鉀肥50%做基肥，50%做分蘗肥施用。氮磷鉀的肥料種類為尿素（N 46.2%）、鈣鎂磷肥（P2O512.5%）和氯化鉀（K2O 60%）。種植制度為早稻-晚稻-冬閑。稻田病蟲害按當(dāng)?shù)亓?xí)慣采用農(nóng)藥進(jìn)行防治。

1.3 測定指標(biāo)

水稻產(chǎn)量：在早、晚稻成熟期每個小區(qū)實打?qū)嵤?，曬干稱重，從而獲得實際產(chǎn)量。

氮磷鉀養(yǎng)分吸收量：在早、晚稻成熟期每個小區(qū)采集5穴植株樣品，帶回室內(nèi)分成籽粒和秸稈，烘干稱重，研磨后測定籽粒和秸稈中的氮磷鉀含量，氮磷鉀含量的測定方法分別為凱氏定氮法、鉬銻抗比色法和火焰分光光度法［26］。并根據(jù)籽粒和秸稈的干物質(zhì)計算氮磷鉀養(yǎng)分吸收量。具體公式如下：

式（1）～（3）中，Nuptake、Puptake和Kuptake分 別為水稻氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收量（kg/hm2），Grain和Straw分別為水稻籽粒和秸稈干物質(zhì)（kg/hm2），Ngrain、Pgrain和Kgrain分別為水稻籽粒氮、磷、鉀含量（%），Nstraw、Pstraw和Kstraw分別為水稻秸稈氮、磷、鉀含量（%）。

化肥偏生產(chǎn)力（PFP）計算公式：

式（4）～（6）中，PFP-N、PFP-P和PFP-K分別為氮、磷、鉀肥的偏生產(chǎn)力（kg/kg），Yield為水稻籽粒產(chǎn)量（kg/hm2），Amount-N、Amount-P和Amount-K分別為N、P2O5和K2O的施肥量（kg/hm2）。

所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2003進(jìn)行處理，統(tǒng)計分析采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行，差異顯著性檢驗采用最小顯著差異法（LSD）于P ＜ 0.05水平上進(jìn)行，制圖采用Origin 8.1軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙季稻籽粒產(chǎn)量

在2014～2016年間，3年6季的水稻產(chǎn)量波動較大（圖1）。與FP和ST相比，NE處理可以顯著提高早、晚稻的籽粒產(chǎn)量（除了2014年）（圖1）。與FP處理相比，在2015和2016年NE處理的早稻產(chǎn)量分別增加了15.17%和32.74%，晚稻產(chǎn)量增加14.33%和19.25%。與ST處理相比，2015和2016年早稻季NE處理的增幅分別為13.04%和21.74%，晚稻季的增幅分別為11.26%和10.54%。且2015和2016年，NE處理的增產(chǎn)結(jié)果均呈現(xiàn)出早稻季高于晚稻季。

圖1 不同處理早、晚稻產(chǎn)量變化

2.2 雙季稻氮磷鉀養(yǎng)分吸收

3年6季中氮磷鉀的養(yǎng)分吸收規(guī)律與產(chǎn)量的結(jié)果相似（表2）。在不同處理間呈現(xiàn)出2015和2016年中NE處理的早、晚稻養(yǎng)分吸收量均顯著高于FP和ST處理。對于氮素吸收量，早稻季NE處理分別比FP處理增加了33.21%和25.16%，晚稻季的增幅為26.82%和22.09%；磷素吸收量和鉀素吸收量也呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，與FP處理相比，NE處理在早、晚稻的磷素吸收量分別增加了27.45%～29.57%和27.02%～38.60%，鉀素吸收量分別增加了16.59%～22.34%和14.24%～16.21%。但是，與NE處理的增產(chǎn)結(jié)果不同，養(yǎng)分吸收量則呈現(xiàn)出氮素為早稻高于晚稻，而磷、鉀則為早稻低于晚稻。

表2 不同處理早、晚稻養(yǎng)分吸收變化 （kg/hm2）

2.3 雙季稻化肥減施潛力分析

在本研究中，F(xiàn)P和ST的化肥施用量在3年6季均相同，而NE處理則由于每季均會根據(jù)上季的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，所以其化肥施用量每季均不同。圖2顯示，NE系統(tǒng)可以顯著降低氮磷鉀肥的施用量。與FP處理相比，在2014、2015和2016年NE處理的早稻季氮肥用量分別降低了29.15%、24.86%和27.63%，晚稻季的降幅分別為28.63%、28.15%和34.43%；早、晚稻磷肥用量的降幅分別為15.97%～37.05%和31.72%～44.75%；鉀肥用量的降幅分別為60.35%～66.22%和72.29%～74.02%。且NE處理的鉀肥用量也顯著低于ST處理。

2.4 雙季稻氮磷鉀肥偏生產(chǎn)力

在雙季稻區(qū)，3年6季中NE處理下氮磷鉀肥的偏生產(chǎn)力分別為 59.97、137.91和 101.26 kg/kg（表3），顯著高于FP處理（36.71、78.32和39.60 kg/kg）。對于氮肥偏生產(chǎn)力，在2014、2015和2016年NE處理的早稻季分別比FP提高了56.65%、53.26%和83.41%，晚稻季的增幅分別為48.77%、59.12%和81.86%；磷肥和鉀肥偏生產(chǎn)力也呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，與FP相比，3年間早、晚稻季NE處理的磷肥偏生產(chǎn)力分別增加了57.97%～76.31%和66.24%～115.83%，鉀肥偏生產(chǎn)力分別增加了113.25%～156.13%和160.88%～206.00%。

圖2 不同處理早、晚稻化肥施用量變化

表3 不同處理早、晚稻化肥偏生產(chǎn)力變化 （kg/kg）

3 討論

3.1 NE系統(tǒng)可以提高雙季稻產(chǎn)量

本研究中，NE系統(tǒng)可以在農(nóng)民習(xí)慣施肥的基礎(chǔ)上，根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量和土壤基礎(chǔ)肥力高低確定具體的氮磷鉀產(chǎn)量反應(yīng)，并結(jié)合氮磷鉀肥的農(nóng)學(xué)效率，在考慮秸稈還田等措施的基礎(chǔ)上進(jìn)行推薦施肥，再結(jié)合4R養(yǎng)分管理進(jìn)行肥料運籌。因此，與農(nóng)民習(xí)慣施肥相比，NE系統(tǒng)可以顯著提高雙季稻產(chǎn)量，其早、晚稻的產(chǎn)量增幅分別為15.17%～32.74%和14.33%和19.25%。同時，在考慮氮磷鉀肥的產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率進(jìn)行施肥量推薦的基礎(chǔ)上，NE系統(tǒng)也對測土配方數(shù)據(jù)進(jìn)行了兼容［21］，即當(dāng)有土壤測試數(shù)據(jù)時，NE系統(tǒng)會在推薦施肥時進(jìn)行養(yǎng)分豐缺的精準(zhǔn)判斷，從而更為準(zhǔn)確地推薦施肥量，因此，NE系統(tǒng)的水稻產(chǎn)量也顯著高于測土配方處理。但是，NE系統(tǒng)在早稻和晚稻上增產(chǎn)效果略有不同，原因可能與早、晚稻季的溫光條件存在差異有關(guān)，且早、晚稻連續(xù)種植下，其系統(tǒng)內(nèi)的氮磷鉀養(yǎng)分會存在累積效應(yīng)［27-28］。同時，在3年6季中，隨著NE系統(tǒng)的持續(xù)應(yīng)用，雙季稻的養(yǎng)分吸收量也呈現(xiàn)出NE處理顯著高于農(nóng)民習(xí)慣施肥處理。這與NE系統(tǒng)在小麥和玉米上的應(yīng)用結(jié)果相似［18-24］。但與作物對養(yǎng)分的奢侈吸收規(guī)律相反，原因之一是NE系統(tǒng)針對具體田塊，根據(jù)氮磷鉀肥的農(nóng)學(xué)效率和產(chǎn)量反應(yīng)進(jìn)行施肥量推薦，且每年每季均為根據(jù)上季的產(chǎn)量反應(yīng)等信息進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，其施肥量與當(dāng)季水稻養(yǎng)分需求高度吻合［16，25］。另一方面的原因是NE系統(tǒng)依據(jù)4R養(yǎng)分原理優(yōu)化了肥料運籌［25］，增加了氮肥中的穗肥施用，從而有效滿足了水稻開花后的養(yǎng)分需求。此外，NE系統(tǒng)的養(yǎng)分吸收量增加還可能與良好的根系生長和開花后的養(yǎng)分吸收轉(zhuǎn)運有關(guān)，但具體原因還有待進(jìn)一步研究。

3.2 雙季稻區(qū)的化肥減施潛力

在雙季稻區(qū)，與農(nóng)民習(xí)慣施肥相比，早、晚稻季NE系統(tǒng)中氮肥的減施比例分別為24.86%～29.15%和28.15%～34.43%，磷肥的減施比例分別為15.97%～37.05%和31.72%～44.75%，鉀肥的減施比例分別為60.35%～66.22%和72.29%～74.02%。這與其他人的研究結(jié)果相似［18-24］，且晚稻季的化肥減施比例明顯高于早稻季，這可能與早稻季的養(yǎng)分殘效有關(guān)［27-28］。但氮磷鉀肥的減施比例差異較大，原因可能與土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力［29］、水稻品種和種植模式有關(guān)。其中鉀肥的減施比例較高的原因還與本研究充分考慮了秸稈全量還田帶入的鉀和土壤養(yǎng)分平衡有關(guān)，但是，也有研究表明，在田間水源充足的情況下，釋放出來的秸稈鉀從土壤進(jìn)入水體比化肥鉀進(jìn)入水體有滯后性。從而可能影響了水稻對秸稈鉀素的吸收利用［30］，同時，全量還田下的秸稈腐解等問題可能會影響水稻苗期的生長［31］。因此，根據(jù)秸稈全量還田背景下推薦的鉀肥減施效果還有待進(jìn)一步研究。此外，NE系統(tǒng)在提高水稻產(chǎn)量的同時可以顯著降低氮磷鉀肥施用量的原因還與本研究中NE系統(tǒng)可以提高氮磷鉀肥的偏生產(chǎn)力有關(guān)。然而，由于本研究的化肥減施比例是根據(jù)3年6季的結(jié)果得出的，化肥長期減施下的水稻產(chǎn)量變化還有待進(jìn)一步跟蹤研究，以期更為客觀地指導(dǎo)該地區(qū)的化肥減施增效策略。

4 結(jié)論

在雙季稻區(qū)，NE系統(tǒng)可以通過優(yōu)化肥料運籌進(jìn)一步提升水稻產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收量和氮磷鉀肥的偏生產(chǎn)力。與農(nóng)民習(xí)慣施肥相比，NE系統(tǒng)下產(chǎn)量增加14.33%～32.74%，氮磷鉀吸收量分別增加了22.09%～ 33.21%、27.02%～ 38.60%和14.24%～22.34%；氮磷鉀肥的偏生產(chǎn)力分別增加了48.77%～83.41%、57.97%～115.83%和113.25%～206.00%。同時，NE系統(tǒng)下氮磷鉀肥分別比農(nóng)民習(xí)慣施肥降低了24.86%～34.43%、15.97%～44.75%和60.35%～74.02%。