養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥對(duì)湖北中稻產(chǎn)量和養(yǎng)分利用率的影響

劉東海 ，陳云峰 ，李雙來(lái) ，喬 艷 ，張 智 ，胡 誠(chéng) *

（1．湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所，湖北 武漢 430064；2．農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物肥料化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430064；3．農(nóng)業(yè)農(nóng)村部武漢黃棕壤生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，湖北 武漢 430064）

水稻是我國(guó)種植面積最大，產(chǎn)量最高，氮肥用量最多的糧食作物之一，而湖北省是我國(guó)水稻大省之一，水稻播種面積占糧食作物總播種面積的50%左右，稻谷產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)70%左右［1］。在水稻生產(chǎn)上由于施氮量過(guò)高，養(yǎng)分管理不當(dāng)，農(nóng)民施肥方式粗放，造成了肥料利用效率低，肥料流失和浪費(fèi)以及農(nóng)業(yè)的面源污染問(wèn)題，給環(huán)境帶來(lái)危害［2-3］。目前測(cè)土配方施肥是常用的施肥方法［4-5］，但是需要分析化驗(yàn)各種土壤養(yǎng)分指標(biāo)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。近年來(lái)，一種基于作物產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的農(nóng)田養(yǎng)分專家系統(tǒng)（Nutrient Expert，以下簡(jiǎn)稱NE），結(jié)合目標(biāo)產(chǎn)量、土壤性質(zhì)、氣候條件及養(yǎng)分管理措施等作物生產(chǎn)相關(guān)信息，在沒(méi)有土壤測(cè)試值情況下，利用QUEFTS（quantitative evaluation of the fertility of tropicals oils）模型，針對(duì)農(nóng)田快速生成個(gè)性化的施肥方案［6］，已經(jīng)在小麥［7-8］、玉米［9-11］、水稻［12］等多種作物上開展了農(nóng)田養(yǎng)分推薦。本研究從2013年開始在湖北進(jìn)行了多年多點(diǎn)的田間試驗(yàn)對(duì)水稻養(yǎng)分專家系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)，旨在土壤測(cè)試不及時(shí)或條件不具備情況下建立一種簡(jiǎn)便，適用于我國(guó)小農(nóng)戶為經(jīng)營(yíng)主體的中稻推薦施肥和養(yǎng)分管理方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

試驗(yàn)自2013年5月水稻種植季始，連續(xù)5年在中稻上試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖北省廣水市和赤壁市。廣水市供試土壤類型為黃棕壤，赤壁市供試土壤類型為紅壤，均是一季中稻，秸稈不還田。2013年廣水市和赤壁市分別布置4戶農(nóng)田；2014年廣水市和赤壁市分別布置5和4戶農(nóng)田；2015和2016年廣水市和赤壁市分別均布置5戶農(nóng)田；2017年赤壁布置5戶農(nóng)田。

1.2 試驗(yàn)區(qū)土壤基本理化性狀

中稻試驗(yàn)前取0～20 cm耕層土壤，常規(guī)法進(jìn)行理化性狀分析，結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)域土壤農(nóng)化性質(zhì)（樣本數(shù)n=42）

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

每季作物試驗(yàn)以農(nóng)戶為重復(fù)，每戶設(shè)置6個(gè)處理，每個(gè)處理30 m2。處理包括:1）NE:水稻養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥；2）NE-N:不施氮肥，磷鉀肥用量同NE處理；3）NE-P:不施磷肥，氮鉀肥用量同NE處理；4）NE-K:不施鉀肥，氮磷肥用量同NE處理；5）OPTS:當(dāng)?shù)剞r(nóng)技推廣部門推薦施肥處理；6）FP:農(nóng)民習(xí)慣施肥；施肥量見表2。2013到2017年共42戶農(nóng)田進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)前進(jìn)行農(nóng)戶施肥情況調(diào)查，運(yùn)行養(yǎng)分專家施肥推薦系統(tǒng)將各個(gè)農(nóng)戶的施肥情況、產(chǎn)量信息及相關(guān)生產(chǎn)條件進(jìn)行分析，提出當(dāng)?shù)刂械就扑]施肥用量。試驗(yàn)用氮肥為尿素（N 46.0%），磷肥為過(guò)磷酸鈣（P2O516%），鉀肥為氯化鉀（K2O 60%）。

表2 不同處理施肥量 （kg/hm2）

所有處理的耕作、除草、病蟲害防治等均按常規(guī)管理方式進(jìn)行。廣水市供試水稻雜交品種為兩優(yōu)766、Y兩優(yōu)1998、Ⅱ優(yōu)1128、Ⅱ優(yōu)188、Ⅱ優(yōu)476、崗優(yōu)188和苯兩優(yōu)9號(hào)。廣水市種植密度23.1萬(wàn)穴/hm2。磷、鉀肥在播種前作基肥一次性撒施?；Y穗肥比例為40∶30∶30。赤壁市供試水稻雜交品種為崗優(yōu)1577、明優(yōu)98、苯兩優(yōu)9號(hào)和晶兩優(yōu)534。赤壁市種植密度28.0萬(wàn)穴/hm2。磷、鉀肥在播種前作基肥一次性撒施?；Y穗肥比例為40∶30∶30。水稻均在5月25日左右插秧，9月24日左右收獲，小區(qū)全部收獲進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。

1.4 有關(guān)指標(biāo)計(jì)算

養(yǎng)分積累量（kg/hm2）=［非收獲物干重（kg/hm2）×非收獲物養(yǎng)分含量（g/kg）+籽粒干重（kg/hm2）×籽粒養(yǎng)分含量（g/kg）］/1000

肥料利用率（%）=（施肥區(qū)養(yǎng)分積累量－減素處理區(qū)養(yǎng)分積累量）/施肥量×100

肥料農(nóng)學(xué)效率（kg/kg）=（施肥區(qū)籽粒產(chǎn)量－減素處理區(qū)籽粒產(chǎn)量）/施肥量

施肥收益（元/hm2）=作物籽粒產(chǎn)量×籽粒價(jià)格-化肥成本

施肥產(chǎn)投比＝施肥收益／化肥投入

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 20和Excel 2007軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 推薦施肥對(duì)中稻產(chǎn)量的影響

從表3看出，在廣水市和赤壁市NE處理中稻產(chǎn)量最高，分別是8100和7425kg/hm2，比FP和OPTS處理均增產(chǎn)，但差異不顯著；其中NE-N處理中稻產(chǎn)量最低，只有6019和5754kg/hm2。施氮分別增產(chǎn)34.6%和29.0%，施磷肥分別增產(chǎn)15.4%和2.8%，施鉀肥分別增產(chǎn)1.7%和0.7%。

表3 不同處理對(duì)中稻產(chǎn)量的影響

2.2 推薦施肥對(duì)中稻經(jīng)濟(jì)效益的影響

從表4看出，NE-K施肥收益最高，其次是NE，NE-N施肥收益最差。在廣水市和赤壁市NE較FP分別增收343和1884元/hm2，NE較OPTS分別增收947和585元/hm2。在廣水市OPTS比FP欠收604元/hm2，而在赤壁市則增收1299元/hm2?；陴B(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥，在廣水市和赤壁市施用氮肥純收益分別是4546和3482元/hm2，施用磷肥純收益分別是2241和-29元/hm2，施用鉀肥純收益分別是-221和-292元/hm2，適量減少鉀肥投入，更有利于增收。NE產(chǎn)投比比FP和OPTS高。因此養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥（NE）有利于增產(chǎn)增收。

表4 中稻施肥的經(jīng)濟(jì)效益 （元/hm2）

2.3 推薦施肥對(duì)中稻氮磷鉀養(yǎng)分積累量的影響

在廣水市和赤壁市NE較FP植株氮積累量分別增加了6.6%和14.1%，植株磷積累量分別增加了5.2%和17.9%，植株鉀積累量分別增加了7.8%和0.9%；OPTS較FP植株氮積累量分別增加了3.3%和17.9%，植株磷積累量分別增加了8.2%和14.2%，植株鉀積累量分別增加了2.1%和9.2%。NE與OPTS促進(jìn)了中稻對(duì)氮、磷和鉀素養(yǎng)分的吸收利用。

表5 施肥對(duì)中稻養(yǎng)分積累量的影響 （kg/hm2）

2.4 基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥的肥料利用效率

表6可見，廣水市中稻氮、磷和鉀肥平均農(nóng)學(xué)效率分別為13.6、15.7和1.6kg/kg，赤壁市中稻氮、磷和鉀肥平均農(nóng)學(xué)效率分別為11.3、3.2和0.9kg/kg。廣水市中稻氮、磷和鉀肥平均當(dāng)季利用率分別為36.7%、4.9%和38.7%，赤壁市中稻氮、磷和鉀肥平均當(dāng)季利用率分別為42.8%、8.0%和17.0%。

表6 肥料的農(nóng)學(xué)效率和當(dāng)季利用率

2.5 推薦施肥對(duì)中稻氮、磷、鉀素平衡的影響

基于中稻秸稈未還田情況下，計(jì)算肥料投入與植株攜出養(yǎng)分平衡狀況（表7）。廣水市和赤壁市NE植株氮素平均攜出量分別為160.4和179.8kg/hm2，平均虧缺7.4和31.8kg/hm2，而FP平均攜出量分別為150.4和157.6kg/hm2，平均盈余為36.6和4.4kg/hm2，而OPTS平均攜出量分別為155.4和185.8kg/hm2，平均盈余為10.6和-12.8kg/hm2。廣水市和赤壁市NE、FP和OPTS植株磷素平均攜出量在31.0～36.5kg/hm2，盈余為23.3～63.0kg/hm2，廣水市和赤壁市NE、FP和OPTS植株鉀素平均攜出量207.9～311.9kg/hm2，平均虧缺115.2～222.9kg/hm2。

表7 中稻氮、磷、鉀素表觀平衡 （kg/hm2）

3 小結(jié)與討論

當(dāng)前，高量化肥投入導(dǎo)致了較高土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)［13］，并對(duì)環(huán)境安全構(gòu)成了潛在威脅，作物養(yǎng)分專家系統(tǒng)（NE）是基于作物產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率，能夠針對(duì)農(nóng)田快速生成個(gè)性化的施肥方案。本試驗(yàn)表明，廣水市中稻養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥NE比習(xí)慣施肥FP施氮肥低18.0%，磷肥高23.9%和鉀肥高8.9%情況下，中稻增產(chǎn)1.4%，差異不顯著。赤壁市中稻養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥NE比習(xí)慣施肥FP施氮、磷和鉀肥分別低8.8%、32.9%和44.1%的情況下，中稻增產(chǎn)6.9%，差異不顯著。NE雖然降低了氮肥用量，由于相應(yīng)增加了磷鉀肥的施用量，使農(nóng)田養(yǎng)分供應(yīng)更加均衡，提高了作物產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了節(jié)肥增效［12-14］。在廣水市和赤壁市NE較FP分別增收343和1 884元/hm2，無(wú)顯著差異。施用氮肥純收益分別是4 546和3 482元/hm2，施用磷肥純收益分別是2 241和-29元/hm2，施用鉀肥純收益分別是-221和-292元/hm2。在廣水市和赤壁市NE較FP 植株氮積累量分別增加了6.6%和14.1%，植株磷積累量分別增加了5.2%和17.9%，植株鉀積累量分別增加了7.8%和0.9%；基于中稻養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥的中稻氮肥利用效率高于全國(guó)平均水平［2］，磷肥和鉀肥利用效率低于全國(guó)平均水平，可能與試驗(yàn)地磷鉀含量高有關(guān)。廣水市和赤壁市NE植株氮素呈現(xiàn)虧缺，而FP植株氮素呈現(xiàn)盈余。廣水市和赤壁市NE、FP和OPTS植株磷素呈現(xiàn)盈余，廣水市和赤壁市NE、FP和OPTS植株鉀素呈現(xiàn)虧缺，因此秸稈還田對(duì)培肥地力有重要意義。