養(yǎng)分專家推薦施肥對(duì)山西小麥產(chǎn)量、效益及養(yǎng)分利用效率的影響

趙萍萍，王宏庭，于志勇，崔寶玉，賈俊芳

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031；2.襄汾縣農(nóng)作物原種場(chǎng)，山西襄汾041500）

肥料是作物的“糧食”，在作物生產(chǎn)中發(fā)揮著不可替代的支撐作用，但過量或不合理施肥往往會(huì)造成資源浪費(fèi)和肥料利用率低下，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不良影響，因此，用好肥料資源、提高肥料利用效率是關(guān)系到國(guó)家糧食安全和環(huán)境質(zhì)量的重大科技問題[1]。測(cè)土施肥技術(shù)[2-7]的推廣應(yīng)用對(duì)肥料養(yǎng)分的平衡施用發(fā)揮了較大作用，取得了較大的成就，但在我國(guó)人多地少、高度分散經(jīng)營(yíng)、土壤養(yǎng)分空間變異大、復(fù)種指數(shù)大、倒茬時(shí)間緊的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系中應(yīng)用，往往受技術(shù)、資金、人力、時(shí)效性等因素的影響，仍有其特殊的難度，存在許多不足。Nutrient Expert（NE）養(yǎng)分專家系統(tǒng)是一款基于計(jì)算機(jī)軟件的施肥決策系統(tǒng)，是近幾年由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源和農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所和國(guó)際植物營(yíng)養(yǎng)研究所（IPNI）共同牽頭，國(guó)內(nèi)多家科研院所近百人共同參與研發(fā)的作物推薦施肥平臺(tái)，能夠針對(duì)某一具體地塊或操作單元給出個(gè)性化的施肥方案，可以滿足當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下的不同用戶（技術(shù)推廣人員、種植大戶、家庭農(nóng)場(chǎng)、專業(yè)種植合作社及農(nóng)民）的需求，具備簡(jiǎn)單、實(shí)用、便于操作的特點(diǎn)[8]。目前，養(yǎng)分專家系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)多個(gè)省份開展驗(yàn)證應(yīng)用[9-13]。冬小麥?zhǔn)巧轿魇∽钪匾募Z食作物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016 年小麥的播種面積為67.294 萬hm2（占糧食作物播種面積的20.76%），小麥總產(chǎn)為273.41 萬t（占糧食總產(chǎn)的比例為20.74%）[14]，一些學(xué)者的研究表明，肥料的平衡施用是提高山西小麥產(chǎn)量的重要措施[15-17]。

本研究總結(jié)了小麥養(yǎng)分專家系統(tǒng)的推薦施肥在山西冬小麥主產(chǎn)區(qū)臨汾市堯都區(qū)和襄汾縣的3 a應(yīng)用效果，對(duì)冬小麥產(chǎn)量、收益、養(yǎng)分吸收及肥料利用率進(jìn)行了分析，以便為該系統(tǒng)在山西大面積的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

臨汾市是山西省冬小麥的主產(chǎn)區(qū)，屬半干旱溫帶大陸性氣候，多年平均氣溫在12.6 ℃左右，多年平均降水量為486 mm，無霜期190 d 左右。試驗(yàn)選擇在臨汾市襄汾縣西賈鄉(xiāng)義順村、襄汾縣農(nóng)作物原種場(chǎng)和堯都區(qū)喬李鎮(zhèn)南麻村進(jìn)行，土壤類型均為石灰性褐土，質(zhì)地為中壤。

1.2 試驗(yàn)材料

基于養(yǎng)分專家模型推薦和基于測(cè)土推薦所用肥料均為尿素（46%N）、粒狀過磷酸鈣（12%P2O5）和氯化鉀（60%K2O），農(nóng)民習(xí)慣施肥為復(fù)合肥。供試冬小麥品種為當(dāng)?shù)剡m播高產(chǎn)品種，如濟(jì)麥22 號(hào)、舜麥1718 和臨麥8050 等。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前實(shí)地調(diào)查收集了農(nóng)戶試驗(yàn)地塊近3 a 的冬小麥產(chǎn)量、習(xí)慣施肥用量、小麥品種、灌溉量等信息，采集了不同農(nóng)戶0～20 cm 耕層土壤樣品，用常規(guī)方法[18]分析了供試土壤的理化性質(zhì)。不同年份、不同農(nóng)戶的土壤理化性質(zhì)統(tǒng)計(jì)列于表1。

試驗(yàn)以田間小區(qū)方式進(jìn)行，共設(shè)7 個(gè)處理，分別為：FP.農(nóng)民習(xí)慣施肥；ST.基于土壤測(cè)試的肥料推薦或當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)部門的推薦量；NE.基于養(yǎng)分專家模型的肥料推薦；NE-N. 在NE 基礎(chǔ)上不施氮肥；NE-P. 在NE 基礎(chǔ)上不施磷肥；NE-K. 在NE 基礎(chǔ)上不施鉀肥；CK.不施任何肥料。試驗(yàn)處理不設(shè)重復(fù)，隨機(jī)排列，小區(qū)面積50 m2。不同試驗(yàn)?zāi)攴荨⒉煌r(nóng)戶施肥方案統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

表1 3 a 供試土壤的平均理化特性

表2 不同年份不同農(nóng)戶試驗(yàn)的平均施肥量 kg/hm2

冬小麥于每年10 月中旬播種，翌年6 月中旬 收獲。農(nóng)民習(xí)慣施肥全部基施，個(gè)別農(nóng)戶在小麥返青期追施尿素；其他試驗(yàn)處理的肥料按推薦方案施用，磷鉀肥和45%的氮肥于播前撒施作基肥施用，55%的氮肥于翌年3 月下旬小麥返青期結(jié)合中耕以條施方式施用或撒施結(jié)合灌溉施用。冬小麥生長(zhǎng)期間，澆入冬水、返青水和抽穗水各一次，鋤草、治蟲按當(dāng)?shù)亓?xí)慣。試驗(yàn)收獲時(shí)各處理分別采集植株樣品，采用常規(guī)方法[18]分析植株的全氮、全磷和全鉀含量。

2011—2012 年小麥生長(zhǎng)季在11 個(gè)農(nóng)戶承包地開展完成了冬小麥試驗(yàn)11 個(gè)；2012—2013 年小麥生長(zhǎng)季在18 個(gè)農(nóng)戶承包地開展完成冬小麥試驗(yàn)18 個(gè)；2013—2014 年小麥生長(zhǎng)季在10 個(gè)農(nóng)戶承包地開展完成冬小麥試驗(yàn)10 個(gè)，3 個(gè)小麥生長(zhǎng)季共完成冬小麥試驗(yàn)39 個(gè)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2010 和SPSS 10.0 軟件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

氮（磷、鉀）肥效應(yīng)＝施用氮（磷、鉀）肥的產(chǎn)量-不施氮（磷、鉀）肥的產(chǎn)量 （1）

產(chǎn)投比＝小麥產(chǎn)量×小麥價(jià)格/（氮肥施用量×氮肥價(jià)格＋磷肥施用量×磷肥價(jià)格＋鉀肥施用量×鉀肥價(jià)格） （2）

吸氮（磷、鉀）量（kg/hm2）＝小麥籽粒干物質(zhì)量×籽粒中氮（磷、鉀）含量＋小麥秸稈干物質(zhì)量×秸稈中氮（磷、鉀）含量 （3）

氮（磷、鉀）養(yǎng)分的內(nèi)部效率（kg/kg）＝產(chǎn)量/氮（磷、鉀）吸收量 （4）

氮（磷、鉀）肥偏生產(chǎn)力（kg/kg）＝產(chǎn)量/氮（磷、鉀）施用量 （5）

氮（磷、鉀）肥農(nóng)學(xué)效率（kg/kg）＝施肥效應(yīng)／氮（磷、鉀）施用量 （6）

氮（磷、鉀）養(yǎng)分的回收率＝（施氮（磷、鉀）區(qū)吸收量-不施氮（磷、鉀）區(qū)吸收量）/氮（磷、鉀）施用量×100% （7）

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

作物產(chǎn)量是評(píng)價(jià)肥料施用效果的重要參數(shù)。從表3 可以看出，不同農(nóng)戶、不同施肥處理的冬小麥產(chǎn)量在不同年份均存在一定差異。從冬小麥3 個(gè)生長(zhǎng)季的平均產(chǎn)量看，2013 年各處理產(chǎn)量均表現(xiàn)較高，2014 年產(chǎn)量表現(xiàn)較低，2012 年產(chǎn)量表現(xiàn)居中；就小麥產(chǎn)量的變異程度而言，各處理以2013 年產(chǎn)量變異最小，而2012，2014 年產(chǎn)量變異均較大，這主要受農(nóng)戶間的地力差異和氣候因子影響。從每個(gè)年份的養(yǎng)分專家推薦量NE 處理、測(cè)土施肥推薦量ST 處理與農(nóng)民習(xí)慣用量FP 處理的產(chǎn)量比較看，均存在一定差異，但產(chǎn)量差異均未達(dá)5%的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)顯著水平，3 a 總平均表現(xiàn)為ST＞FP＞NE，產(chǎn)量差異也未達(dá)顯著水平。這表明基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)的推薦施肥和基于土壤測(cè)試的推薦施肥在每個(gè)年份均可以取得與農(nóng)民習(xí)慣施肥相當(dāng)?shù)男←湲a(chǎn)量，但與農(nóng)民習(xí)慣施肥相比，2 種推薦方法的氮、磷化肥用量均減少，鉀肥用量則略有增加，其中，NE 較FP 平均減氮104 kg/hm2（38.2%），減磷29 kg/hm2（26.1%），增鉀38 kg/hm2（135.7%）；ST 較FP 平均減氮67 kg/hm2（24.6%），減磷25 kg/hm2（22.5%），增鉀47 kg/hm2（167.8%）?？梢姡琋E 和ST 的養(yǎng)分施用較農(nóng)民習(xí)慣更趨平衡，具有明顯的減肥效果，而且NE 的減施氮肥效果更為明顯。

表3 不同施肥處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

不施肥處理（CK）的產(chǎn)量可以用來表征不同農(nóng)戶地力的高低。從表3 可以看出，不同農(nóng)戶、不同年份的CK 產(chǎn)量均存在一定變異，2013 年的地力產(chǎn)量平均值較高，為7 482 kg/hm2，農(nóng)戶間變異較小，為15.3%。2012 年的地力產(chǎn)量表現(xiàn)較低，為6624kg/hm2，農(nóng)戶間變異較大，為22.4%，2014 年表現(xiàn)居中，3 a試驗(yàn)CK 的產(chǎn)量平均僅為7 057 kg/hm2，變異系數(shù)達(dá)18.6%。NE-N、NE-P、NE-K 處理的小麥產(chǎn)量在同一年份與NE 處理相比，產(chǎn)量也有不同程度的降低，其中，NE-N 處理較NE 處理產(chǎn)量在不同年份的減產(chǎn)幅度均明顯較大，而NE-P 和NE-K 處理產(chǎn)量與NE 處理比較，僅2013 年達(dá)到顯著水平，其他年份未達(dá)顯著水平。這表明氮磷鉀養(yǎng)分的平衡施用是冬小麥增產(chǎn)的重要保障措施，同時(shí)也是保持產(chǎn)量穩(wěn)定的重要措施。

用NE 處理與NE-N、NE-P、NE-K 處理產(chǎn)量的差值，可以分別表征氮、磷、鉀肥的施肥效應(yīng)。由表4可知，氮、磷、鉀的施肥效應(yīng)在不同試驗(yàn)農(nóng)戶間、不同年份均存在差異。氮肥施用的效應(yīng)在每個(gè)年份均表現(xiàn)相對(duì)較大，以2012 年氮肥效應(yīng)為最大，平均為1 359 kg/hm2，農(nóng)戶間變異為38.9%；2014 年氮肥效應(yīng)最小，平均為860 kg/hm2，變異系數(shù)為46.6%；3 個(gè)生長(zhǎng)季的氮肥效應(yīng)平均值為1 209 kg/hm2（n＝39），變異系數(shù)平均為41.9%。磷肥施用的效應(yīng)總體上低于氮肥，平均為582 kg/hm2，變異系數(shù)平均為50.6%。鉀肥施用的效應(yīng)基本與磷肥表現(xiàn)大體一致，平均為520 kg/hm2，但變異系數(shù)表現(xiàn)最大，平均達(dá)88.1%。這說明當(dāng)前限制山西臨汾冬小麥產(chǎn)量的養(yǎng)分因子表現(xiàn)為N＞P≈K，這與當(dāng)?shù)赝寥懒租涴B(yǎng)分較高（表1）相一致。

表4 不同年份氮、磷、鉀肥的平均效應(yīng)

2.2 3 種施肥處理對(duì)冬小麥?zhǔn)┓适找娴挠绊?/h3>

產(chǎn)投比為產(chǎn)出與投入的比值，是用來衡量施肥收益的靜態(tài)指標(biāo)，在收益相當(dāng)?shù)那闆r下，投入越少，產(chǎn)投比越大。由表5 可知，不同年份的3 種施肥處理的小麥產(chǎn)投比存在差異，對(duì)每一年份而言，3 個(gè)處理的產(chǎn)投比均顯現(xiàn)為NE＞ST＞FP，且NE 處理顯著高于FP 處理。3 a 平均結(jié)果顯示，NE 處理的產(chǎn)投比為10.5∶1，ST 處理的產(chǎn)投比為9.2∶1，均顯著高于農(nóng)民習(xí)慣施肥FP 處理（8.3∶1）。從產(chǎn)投比的變異程度看，ST 處理產(chǎn)投比的變異程度較NE 處理略高，均明顯低于FP 處理。這就表明養(yǎng)分專家推薦與測(cè)土施肥推薦均可以幫助農(nóng)民減少投入，增加收益，增加收益的穩(wěn)定性。

表5 3 種施肥處理的產(chǎn)投比（VCR）比較

2.3 3 種施肥處理對(duì)養(yǎng)分吸收及養(yǎng)分效率的影響

2.3.1 3 種施肥處理對(duì)氮磷鉀養(yǎng)分吸收的影響施肥在于促進(jìn)氮磷鉀養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而獲得產(chǎn)量。由表6 可知，F(xiàn)P、ST、NE 這3 種施肥體系下氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收在每年都沒有顯著差異，與3 個(gè)處理的產(chǎn)量表現(xiàn)一致。這表明FP 處理投入較高量的氮、磷肥并沒有增加氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收，ST 處理和NE 處理的施肥量較FP 處理少，卻均獲得與FP 處理相當(dāng)?shù)牡?、磷、鉀養(yǎng)分吸收量，這也暗示ST 和NE 處理較FP 處理有較高的養(yǎng)分利用效率。

表6 3 種施肥處理對(duì)氮磷鉀養(yǎng)分吸收的影響 kg/hm2

2.3.2 3 種施肥體系的養(yǎng)分內(nèi)部效率及偏生產(chǎn)力比較 養(yǎng)分內(nèi)部效率和偏生產(chǎn)力均是表征養(yǎng)分利用效率的參數(shù)，可以用來表征不同施肥體系的養(yǎng)分效率。其中，養(yǎng)分的內(nèi)部效率表征的是每吸收1 kg某養(yǎng)分獲得的產(chǎn)量，偏生產(chǎn)力表征的是每施用1 kg某肥料養(yǎng)分獲得的產(chǎn)量。由表7 可知，3 種施肥體系下的氮、磷、鉀養(yǎng)分平均的內(nèi)部效率差異較小，表明3 種施肥體系的養(yǎng)分吸收利用的機(jī)制是一致的。從養(yǎng)分的平均偏生產(chǎn)力看，3 種施肥體系的磷養(yǎng)分的偏生產(chǎn)力之間沒有顯著性差異，但FP 處理變異較大，這與農(nóng)戶間磷肥施用的盲目性和隨意性有關(guān)，ST 和NE 處理的變異相對(duì)較?。? 種施肥體系的氮養(yǎng)分的平均偏生產(chǎn)力之間存在顯著差異，NE處理的氮肥平均偏生產(chǎn)力最高，達(dá)50.4 kg/kg，其次為ST 處理，為41.3 kg/kg，F(xiàn)P 處理的氮肥偏生產(chǎn)力最低，為32.3 kg/kg；3 種施肥體系鉀肥的平均偏生產(chǎn)力也存在顯著差異，F(xiàn)P 處理顯著高于ST 和NE處理，ST 和NE 處理比較，NE 處理略高于ST 處理，但未達(dá)顯著水平。FP 處理的鉀肥偏生產(chǎn)力高的原因是農(nóng)民施鉀數(shù)量較少所致。

表7 3 種施肥處理的養(yǎng)分內(nèi)部效率及肥料的偏生產(chǎn)力比較 kg/kg

2.3.3 養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦的氮磷鉀養(yǎng)分回收率和農(nóng)學(xué)效率 肥料養(yǎng)分回收率和農(nóng)學(xué)效率也是評(píng)價(jià)肥料有效性的重要指標(biāo)，氮、磷肥效率的高低是影響環(huán)境質(zhì)量的重要因子，氮、磷肥施用效率高，對(duì)環(huán)境的影響相對(duì)較小，反之則影響較大。由表8 可知，NE 處理的氮肥回收率在不同年份表現(xiàn)基本一致，3 a 平均為33.9%；磷肥的回收率不同年份略有差異，2012 年表現(xiàn)較高，2013 年表現(xiàn)較低，2014 年居中，3 a 平均為14.9%；鉀肥的回收率與磷肥的回收率表現(xiàn)不同，2013 年較高，其次為2014 年，2012 年較低，3 a 平均為48.9%。就肥料的農(nóng)學(xué)效率而言，不同年份、不同肥料養(yǎng)分均存在一定差異。2012 年的氮肥農(nóng)學(xué)效率表現(xiàn)較高，2014 年表現(xiàn)較低，2013 年居中；2014 年的磷肥的農(nóng)學(xué)效率表現(xiàn)較高，2013 年表現(xiàn)較低，2012 年居中；鉀肥農(nóng)學(xué)效率較同年的氮、磷養(yǎng)分的農(nóng)學(xué)效率略低，平均在5.9～6.4 kg/kg。不同農(nóng)戶3 a 平均氮、磷、鉀農(nóng)學(xué)效率分別為7.6，7.5，6.2 kg/kg。

表8 養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦NE 的養(yǎng)分回收率和農(nóng)學(xué)效率

3 結(jié)論與討論

在農(nóng)田生產(chǎn)條件下，作物生長(zhǎng)發(fā)育往往受水、肥、氣、熱及栽培管理措施等因素的影響，在栽培管理措施相對(duì)一致的情況下，肥料投入的多少一定程度上影響作物的產(chǎn)量和收益，但肥料的投入多少與產(chǎn)量的關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。本研究3 a 完成的39 個(gè)試驗(yàn)中的NE 和ST 處理的氮、磷施肥量均顯著低于FP 處理，但獲得了與FP 處理相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)量，有力證明了這一點(diǎn)。農(nóng)民習(xí)慣盲目施肥，不注重養(yǎng)分的平衡施用，并不能帶來高收益，這從施肥產(chǎn)投比明顯的比較結(jié)果NE＞ST＞FP 得到證實(shí)。這與一些學(xué)者在河南、河北、山東開展小麥養(yǎng)分專家系統(tǒng)應(yīng)用取得的結(jié)果一致[9-11]，也進(jìn)一步表明只有合理施肥才是保障高產(chǎn)和高收益的關(guān)鍵。

作物的養(yǎng)分吸收是土壤養(yǎng)分供應(yīng)和肥料養(yǎng)分供應(yīng)的綜合效應(yīng)。3 種施肥體系下小麥產(chǎn)量間沒有顯著性差異，氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收量的差異也未達(dá)顯著水平，表明在一定生產(chǎn)條件下，獲得一定小麥產(chǎn)量的養(yǎng)分需求量是相對(duì)穩(wěn)定的，這也可從3 種施肥體系下氮、磷、鉀養(yǎng)分利用的內(nèi)部效率間沒有顯著性差異得到驗(yàn)證。但從肥料養(yǎng)分的偏生產(chǎn)力看，3 種施肥體系的氮養(yǎng)分的平均偏生產(chǎn)力存在顯著差異，NE 處理的氮肥平均偏生產(chǎn)力最高，達(dá)50.4 kg/kg，其次為ST 處理，為41.3 kg/kg，F(xiàn)P 處理的氮肥偏生產(chǎn)力最低，為32.3 kg/kg，這與3 種施肥體系中氮肥投入的顯著性差異密切相關(guān)，NE 處理推薦施氮量顯著低于FP 處理，可以顯著增加氮肥的偏生產(chǎn)力效率。從NE 處理推薦的養(yǎng)分回收率看，氮、磷、鉀肥當(dāng)季回收率3 a 平均分別為33.9%，14.9%和48.9%，均略高于張福鎖等[19]報(bào)道的氮肥回收率（28.2%）、磷肥回收率（10.2%）和鉀肥回收率（30.3%）。就農(nóng)學(xué)效率而言，氮、磷、鉀農(nóng)學(xué)效率3 a 平均分別為7.6，7.5，6.2 kg/kg，與張福鎖等[19]報(bào)道的氮、磷、鉀農(nóng)學(xué)效率分別為8.0，7.3，5.3 kg/kg 相近。

基于小麥養(yǎng)分專家系統(tǒng)（NE）推薦和基于測(cè)土推薦施肥（ST）與農(nóng)民習(xí)慣施肥相比，產(chǎn)量差異不明顯，但均顯著降低了施氮量和施磷量，適當(dāng)增加了鉀肥的投入量，較好地實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田養(yǎng)分平衡，保障了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。在當(dāng)前以農(nóng)戶經(jīng)營(yíng)為主的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，小麥養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦因其不需要進(jìn)行土壤取樣、測(cè)試分析，方法簡(jiǎn)便易行，有其獨(dú)特的特點(diǎn)，能夠在保證不減產(chǎn)的前提下有效地降低農(nóng)戶農(nóng)田養(yǎng)分投入量，降低過量投入化肥帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。因此，小麥養(yǎng)分專家系統(tǒng)是一款簡(jiǎn)單、實(shí)用的養(yǎng)分推薦方法，而且也可以作為測(cè)土配方施肥技術(shù)的補(bǔ)充，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。