養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥對蘇北地區(qū)水稻產(chǎn)量和肥料利用率的影響*

宋 蝶, 陳新兵, 董洋陽, 沙之敏, 徐新朋, 曹林奎**

養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥對蘇北地區(qū)水稻產(chǎn)量和肥料利用率的影響*

宋 蝶1, 陳新兵2, 董洋陽3, 沙之敏1, 徐新朋4, 曹林奎1**

(1. 上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院 上海 200240; 2. 江蘇省鹽城市大豐區(qū)光明食品集團(tuán)上海農(nóng)場有限公司 鹽城 224151; 3. 上海市松江區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心 上海 201613; 4. 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/農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100081)

蘇北地區(qū)水稻集約化種植體系中存在氮肥施用過量、施肥時(shí)期與肥料配比不合理、肥料利用率低等現(xiàn)象, 是農(nóng)民收益增加和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的限制因子。為科學(xué)、系統(tǒng)地指導(dǎo)蘇北地區(qū)稻田施肥, 提高水稻養(yǎng)分利用效率并降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn), 本研究基于地塊土壤性狀、產(chǎn)量目標(biāo)及養(yǎng)分管理措施等信息, 運(yùn)行水稻養(yǎng)分專家系統(tǒng)(Nutrient Expert System, NE)進(jìn)行施肥推薦, 并通過田間試驗(yàn)比較了NE推薦施肥對蘇北地區(qū)水稻產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益、養(yǎng)分吸收、肥料利用率的影響。試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理, 分別為水稻養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥(NE), 基于NE處理的減氮(NE-N)、減磷(NE-P)和減鉀(NE-K)處理, 以及農(nóng)民習(xí)慣施肥(FP)。結(jié)果表明: 與FP處理相比, NE處理的氮、磷肥偏生產(chǎn)力分別提高44.77%和6.32%, 其中氮肥偏生產(chǎn)力達(dá)到顯著水平(<0.05); 鉀肥偏生產(chǎn)力顯著降低33.55%(<0.05); 氮肥、鉀肥回收利用率顯著提高4.91%、19.35%, 磷肥回收利用率與FP處理基本相同。相比于FP處理, NE處理在減少氮肥投入, 保證氮、磷、鉀肥平衡施用的條件下, 水稻增產(chǎn)2.23%, 增收6.24%, 但差異不顯著; 水稻植株籽粒中磷和鉀積累量分別增加10.32%和51.63%, 其中后者達(dá)顯著水平(<0.05)。綜上所述, 水稻養(yǎng)分專家系統(tǒng)在蘇北地區(qū)依據(jù)地塊信息和智能化施肥系統(tǒng), 指導(dǎo)優(yōu)化了氮、磷、鉀肥的施用量和施用方法, 促進(jìn)了水稻對氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收和利用, 提高了肥料利用率, 具有較好的增產(chǎn)增收效果, 可以在蘇北地區(qū)推廣應(yīng)用。

水稻; 養(yǎng)分專家系統(tǒng); 產(chǎn)量; 肥料利用率; 蘇北地區(qū); 氮磷鉀肥

水稻()是我國播種面積最大、總產(chǎn)最多、單產(chǎn)最高的糧食作物, 在我國糧食生產(chǎn)和消費(fèi)中一直處于主導(dǎo)地位[1]。蘇北地區(qū)是國家大型商品糧基地——黃淮平原的重要組成部分, 調(diào)查數(shù)據(jù)顯示, 2015年蘇北地區(qū)水稻種植面積為128.37萬hm2, 占江蘇省水稻種植面積的57.29%[2]?；试谖覈Z食增產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用, 自1978年后伴隨著化肥用量快速上升, 農(nóng)作物單產(chǎn)和總量也大幅度提高[3]。農(nóng)民為了獲得作物高產(chǎn), 不合理甚至盲目過量施肥現(xiàn)象相當(dāng)普遍[4]。目前, 我國肥料的當(dāng)季利用率氮肥為30%~35%, 磷肥為10%~25%, 鉀肥為35%~50%[5]。Sui等[6]在江蘇的研究表明, 農(nóng)民在水稻季的平均施氮量達(dá)290 kg(N)?hm-2, 其氮素農(nóng)學(xué)效率僅有4.9~ 6.0 kg?kg-1。蘇北地區(qū)有57%的農(nóng)戶施氮過量[7]。從經(jīng)濟(jì)角度看, 肥料施用量如果超出適宜用量, 邊際產(chǎn)量將小于邊際成本, 從而直接導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失[8]。劉欽普[9]對江蘇氮磷鉀化肥投入的面源污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評價(jià), 結(jié)果表明, 對氮肥而言, 蘇北地區(qū)鹽城、淮安和宿遷3市處于重度風(fēng)險(xiǎn); 對磷肥而言, 蘇北地區(qū)連云港和宿遷處于重度環(huán)境風(fēng)險(xiǎn); 蘇北地區(qū)氮磷鉀肥比例嚴(yán)重失調(diào), 其中鹽城鉀肥施用明顯不足。過多的肥料損失已經(jīng)對環(huán)境產(chǎn)生了負(fù)面影響并導(dǎo)致糧食產(chǎn)量的停滯不前[10]。過量施用的氮肥會通過揮發(fā)、淋溶和徑流等途徑損失, 導(dǎo)致肥料利用率較低[11], 同時(shí)還會造成稻米品質(zhì)下降, 生產(chǎn)成本增加, 生態(tài)環(huán)境污染[12-13]。因此對蘇北地區(qū)水稻區(qū)進(jìn)行科學(xué)施肥十分必要。

目前國內(nèi)外推薦施肥方法主要有以土壤測試為基礎(chǔ)的測土推薦施肥(如目標(biāo)產(chǎn)量法、養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法和地力分級法等)和以作物反應(yīng)為基礎(chǔ)的推薦施肥(如葉色卡法/高光譜遙感分析/地上部冠層營養(yǎng)診斷法和肥料效應(yīng)函數(shù)法等)[14-15], 這些方法大多需要進(jìn)行土壤或植物取樣、實(shí)驗(yàn)室分析, 耗時(shí)費(fèi)力, 且難以形成“點(diǎn)對點(diǎn)”的推薦施肥, 在我國目前農(nóng)戶和小地塊條件下難以進(jìn)行推廣應(yīng)用[16-17]。

養(yǎng)分專家系統(tǒng)(nutrient expert system, NE)推薦施肥是以改進(jìn)的SSUM (site-specific nutrient management)和QUEFTS(quantitative evaluation of the fertility of tropical soils)模型參數(shù)為指導(dǎo)的養(yǎng)分管理和推薦施肥方法, 同時(shí)考慮大、中微量元素的全面平衡, 并應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)把復(fù)雜和綜合的養(yǎng)分管理原則智能化形成可為當(dāng)?shù)丶夹g(shù)推廣人員掌握的養(yǎng)分專家推薦施肥系統(tǒng)[14]。養(yǎng)分專家系統(tǒng)根據(jù)土壤性狀、產(chǎn)量目標(biāo)及養(yǎng)分管理措施等信息, 給出合理的氮磷鉀配比, 可以做到“點(diǎn)對點(diǎn)”的推薦施肥, 有效避免了不同地塊間土壤肥力等條件的差異[17], 并能在保持作物產(chǎn)量不降低或略有增加的情況下大幅度降低氮肥推薦施肥量, 提高養(yǎng)分利用率[18]。目前有關(guān)養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在東北和華北地區(qū)使用較為廣泛[15,17,19-20]。蘇北地區(qū)水稻面積大, 目前仍未展開適地研究。本研究分析了養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥對水稻產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益、養(yǎng)分吸收、肥料利用率以及土壤養(yǎng)分含量的影響, 以期明確水稻養(yǎng)分專家系統(tǒng)的推薦施肥效果, 為蘇北地區(qū)水稻的科學(xué)施肥提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年在江蘇省鹽城市大豐區(qū)川東農(nóng)場進(jìn)行。該地區(qū)位于亞熱帶與暖濕帶的過渡地帶, 四季分明, 氣溫適中, 雨量充沛, 適宜喜濕作物的生長。年平均氣溫14.1 ℃, 無霜期213 d, 常年降水量1 042.2 mm, 日照2 238.9 h。試驗(yàn)田土壤類型為水稻土, 土壤質(zhì)地為砂壤土, 成土母質(zhì)為海相沉積母質(zhì), 肥力水平中高級。試驗(yàn)前土壤基本理化性質(zhì)為pH 7.4, 有機(jī)質(zhì)18 g?kg-1, 全氮1.5 g?kg-1, 全磷1.1 g?kg-1, 全鉀1.7 g?kg-1, 有效磷82.4 mg?kg-1, 速效鉀135.7 mg?kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試水稻品種為‘淮稻5號’(由江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所于2000年育成)。試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理: NE為養(yǎng)分專家系統(tǒng)的推薦氮磷鉀肥施用量(N, 250 kg?hm-2; P2O5, 75 kg?hm-2; K2O, 120 kg?hm-2), 氮肥以3∶3∶2∶2的比例分別作為基肥、分蘗肥、平衡肥、促花肥施入, 磷肥在基肥時(shí)一次性施入, 鉀肥以1∶1∶1的比例分別在基肥、平衡肥、促花肥時(shí)施入; NE-N為在NE處理基礎(chǔ)上不施氮肥; NE-P為在NE處理基礎(chǔ)上不施磷肥; NE-K為在NE處理基礎(chǔ)上不施鉀肥; FP為農(nóng)民習(xí)慣施肥(N, 354 kg?hm-2; P2O5, 78 kg?hm-2; K2O, 78 kg?hm-2), 氮肥以26%、15%、19%、15%、25%的比例作為基肥、返青肥、分蘗肥、平衡肥、促花肥施入, 磷肥和鉀肥均以1∶1比例作為基肥、促花肥施入。各處理均為3次重復(fù), 隨機(jī)區(qū)組排列, 小區(qū)面積為205 m2。試驗(yàn)用氮肥為尿素(N 46%), 磷肥為過磷酸鈣(P2O516%), 鉀肥為硫酸鉀(K2O 50%), 復(fù)合肥為15-15-15復(fù)合肥。其中, NE、NE-N、NE-P、NE-K處理的氮、磷、鉀肥施用量、施用比例及施用時(shí)間根據(jù)作物品種、土壤肥力狀況、上年產(chǎn)量、施肥量、施肥次數(shù)、秸稈還田狀況等信息的輸入, 通過養(yǎng)分專家系統(tǒng)計(jì)算得出。所有處理依據(jù)養(yǎng)分專家推薦施肥結(jié)果, 基肥于6月16日在水稻移栽前施入土壤, 追肥為表面撒施, 其中返青肥、分蘗肥、平衡肥、促花肥分別于7月2日、7月10日、7月18日、7月27日撒施。田間管理按當(dāng)?shù)剞r(nóng)民種植習(xí)慣進(jìn)行。6月19日移栽, 11月1日收獲。不同處理具體施肥量見表1。

表1 不同處理的施肥種類及各時(shí)期的施肥量

1.3 樣品采集與測定

在水稻種植前和收獲后按照5點(diǎn)取樣法用土鉆分別采集0~20 cm耕層土, 去除植物與殘?bào)w和根系, 混合后分成兩部分放入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室測定。一部分鮮樣用于測定土壤含水率, 銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量; 另一部分放置于陰涼通風(fēng)處風(fēng)干, 經(jīng)研磨過篩后用于測定土壤全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量以及pH、電導(dǎo)率。土壤全氮采用凱氏定氮法測定; 土壤全磷全鉀采用濃HNO3-H2O2消解ICP法測定; 土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮采用氯化鉀浸提后分光光度法測定; 有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬酸銨比色法測定; 速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定。

在水稻收獲期, 每小區(qū)選3點(diǎn)各收獲1 m2水稻(地上部分), 裝入尼龍網(wǎng)袋, 曬干, 脫粒稱質(zhì)量, 以含水量14%折算小區(qū)產(chǎn)量。同時(shí)分別采取10株各小區(qū)代表性的水稻植株的地上部分, 分為籽粒和秸稈兩部分, 曬干粉碎后備用。采用凱氏定氮法測定植株全氮含量, 濃HNO3-H2O2消解ICP法測定植株全磷全鉀含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算方法

肥料增產(chǎn)率(%)=(施肥區(qū)籽粒產(chǎn)量-減素區(qū)籽粒產(chǎn)量)/減素區(qū)籽粒產(chǎn)量 (1)

肥料農(nóng)學(xué)效率(kg?kg-1)＝(施肥區(qū)籽粒產(chǎn)量-減素區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施肥量 (2)

肥料偏生產(chǎn)力(kg?kg-1)=稻谷產(chǎn)量/施肥量 (3)

籽粒養(yǎng)分積累量(kg?hm-2)=籽粒干重×籽粒養(yǎng)分含量 (4)

秸稈養(yǎng)分積累量(kg?hm-2)=秸稈干重×秸稈養(yǎng)分含量 (5)

肥料回收利用率(%)=(施肥區(qū)植株地上部養(yǎng)分積累量-減素區(qū)植物地上部養(yǎng)分積累量)/施肥量(6)

產(chǎn)投比=純收益/化肥投入 (7)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, SPSS22軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比較(LSD法), Origin 2017軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對水稻產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的影響

由表2可以看出, 基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥處理NE的水稻產(chǎn)量最高, 達(dá)7 891 kg?hm-2, 其次為農(nóng)民習(xí)慣施肥FP處理。NE處理比FP處理產(chǎn)量提高2.2%, 但未達(dá)顯著水平; 而FP處理比NE處理多施N 104 kg?hm-2, 造成了肥料的浪費(fèi)。減氮處理(NE-N)、減磷處理(NE-P)、減鉀處理(NE-K)的產(chǎn)量分別為6 300 kg?hm-2、6 990 kg?hm-2、6 685 kg?hm-2, 與NE處理相比, 缺氮處理減產(chǎn)20.16%, 缺磷處理減產(chǎn)11.41%, 缺鉀處理減產(chǎn)15.28%。通過計(jì)算, 可知NE處理的氮肥增產(chǎn)率為25.25%, 磷肥增產(chǎn)率為12.89%, 鉀肥增產(chǎn)率為18.04%, 氮鉀肥增產(chǎn)效果更為明顯。

從經(jīng)濟(jì)效益方面看, 5種施肥處理中, NE處理可明顯增加水稻的收益和純收益, NE的純收益分別較NE-N、NE-P和NE-K增加5 449 元?hm-2、3 280元?hm-2和4 224元?hm-2, NE的收益和純收益較FP分別增加2.2%和6.2%, 且產(chǎn)投比顯著提高57.6%。

表2 不同施肥處理對水稻產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的影響

稻米價(jià)格為4.1元?kg-1, N、P2O5、K2O和15-15-15復(fù)合肥價(jià)格分別為4.3元?kg-1、5.5元?kg-1、6.0元?kg-1和4.0元?kg-1。同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。The price of rice is 4.1 ￥?kg-1, the price of N, P2O5, K2O and 15-15-15 compound fertilizer is 4.3, 5.5, 6.0 and 4.0 ￥?kg-1, respectively. Different lowercase letters within the same column indicate significant differences among treatments (< 0.05).

2.2 不同施肥處理對水稻氮磷鉀吸收利用的影響

氮磷鉀肥配施能提高水稻中氮磷鉀養(yǎng)分積累量。對于水稻籽粒而言(圖1A), 不同處理中, FP處理氮積累量最大, 為114.65kg?hm-2; NE處理磷、鉀積累量最大, 分別為21.48kg?hm-2和18.56kg?hm-2。其中, NE處理的鉀積累量比FP顯著增加51.63%, 氮和磷積累量與FP處理相比有所變化但在統(tǒng)計(jì)學(xué)上未達(dá)到顯著性。NE-N的氮積累量與NE相比顯著降低21.85%; NE-P的氮、磷、鉀積累量比NE均有一定程度的減少但差異性不顯著; NE-K的鉀積累量與NE相比顯著降低24.20%。

對于水稻秸稈而言(圖1B), 不同處理中, FP處理氮、磷積累量最大, 分別為78.07kg?hm-2和14.84 kg?hm-2; NE處理鉀積累量最大, 為120.48 kg?hm-2。其中, NE-N處理的氮、磷、鉀積累量在各處理中均為最低。

圖1 不同施肥處理對水稻籽粒(A)和秸稈(B)養(yǎng)分積累量的影響

不同小寫字母表示同一養(yǎng)分不同處理間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters mean significant differences among treatments for the same nutrient (< 0.05).

2.3 不同施肥處理對肥料利用效率的影響

肥料偏生產(chǎn)力是指用某一特定肥料下的作物產(chǎn)量與施肥量的比值, 是反映當(dāng)?shù)赝寥阑A(chǔ)養(yǎng)分水平和化肥施用量綜合效應(yīng)的重要指標(biāo)。本研究中, NE處理的氮肥偏生產(chǎn)力顯著高于其他處理(表3), 為31.65 kg?kg-1, 比FP處理高44.77%; NE處理的磷肥偏生產(chǎn)力為105.21 kg?kg-1, 顯著高于NE-N處理和NE-K處理, 雖然NE處理比FP處理高6.32%, 但兩者在統(tǒng)計(jì)學(xué)上差異性不顯著; NE處理的鉀肥偏生產(chǎn)力為65.75 kg?kg-1, 分別比NE-N處理和NE-P處理高25.24%和12.88%, 但顯著低于FP處理(低33.55%), 這與FP處理的鉀肥施用量較養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦的鉀肥施用量低35%有關(guān)。

農(nóng)學(xué)效率作為評價(jià)肥效的指標(biāo)之一, 與土壤養(yǎng)分、肥料用量和養(yǎng)分管理等方面息息相關(guān)。NE處理磷肥農(nóng)學(xué)效率最高(表3), 為12.01 kg?kg-1; 鉀肥次之, 為10.05 kg?kg-1; 氮肥最低, 為6.36 kg?kg-1。而與FP處理相比, NE處理的氮肥和磷肥農(nóng)學(xué)效率有增加趨勢, 鉀肥農(nóng)學(xué)效率略有減少, 但二者并不存在顯著性差異。本試驗(yàn)中, NE處理的氮肥和鉀肥回收利用率分別比FP處理顯著提高4.91%和19.35%, 而磷肥回收利用率與FP處理相近。

表3 不同施肥處理對水稻肥料利用效率的影響

同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters within the same column indicate significant differences among treatments (< 0.05).

3 討論

3.1 養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥與產(chǎn)量以及經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)系

營養(yǎng)元素的均衡施用是實(shí)現(xiàn)水稻高效生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明, 氮和鉀分別是本地區(qū)水稻產(chǎn)量的前兩大限制因素。NE處理與FP處理相比, 在減少當(dāng)季氮肥投入量約30%的情況下, 水稻產(chǎn)量基本保持不變, 這與薛利紅等[21]提出的在太湖地區(qū)減少20%~40%的氮肥投入水稻不會減產(chǎn)的結(jié)論相符。侯云鵬等[19]研究報(bào)道在東北地區(qū)養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥相比農(nóng)民習(xí)慣施肥能夠增產(chǎn)1.37%~4.72%, 與本試驗(yàn)NE處理較FP處理水稻增產(chǎn)率為2.2%的結(jié)果一致。

此外, 由于養(yǎng)分專家系統(tǒng)具備精準(zhǔn)、便捷、時(shí)效性強(qiáng)的突出優(yōu)勢, 目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于不同土壤類型、不同作物品種的推薦施肥中。王宜倫、賈良良、楊富強(qiáng)等[15-16,22]分別在小麥()、玉米()、大豆()等作物上開展了養(yǎng)分專家系統(tǒng)的應(yīng)用研究, 均發(fā)現(xiàn)養(yǎng)分專家系統(tǒng)能夠有效增產(chǎn)2.6%~11.2%。并且與測土配方施肥[23]相比, 本試驗(yàn)NE處理水稻產(chǎn)量提高79~715 kg?hm-2。因此養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在操作便利、方案詳實(shí)的基礎(chǔ)上能夠增產(chǎn)增收。

3.2 養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥與肥料利用率的關(guān)系

肥料利用率和農(nóng)學(xué)效率是反映作物、土壤、肥料之間關(guān)系的動態(tài)參數(shù), 是科學(xué)施肥的重要參考指標(biāo)[24-25]。張福鎖等[26]對2001—2005年全國糧食主產(chǎn)區(qū)肥料利用率進(jìn)行了分析研究, 結(jié)果顯示, 水稻氮、磷、鉀肥農(nóng)學(xué)效率分別為10.4 kg?kg-1、9.0 kg?kg-1和6.3 kg?kg-1; 回收利用率分別為28.3%、13.1%、32.4%。閆湘等[27]研究結(jié)果顯示, 我國水稻平均施肥量為294.8 kg?hm-2, 氮、磷、鉀肥農(nóng)學(xué)效率分別為11.3 kg?kg-1、9.1 kg?kg-1和7.2 kg?kg-1; 回收利用率分別為27.3%、13.0%和28.1%。江蘇氮肥農(nóng)學(xué)效率普遍低于全國平均水平, 氮肥農(nóng)學(xué)效率最低為6.4 kg?kg-1[28]。蘇北地區(qū)氮肥、磷肥回收利用率均偏低, 可能與砂壤土質(zhì)容易造成肥料淋溶有關(guān), 且磷肥易與土壤中的鐵、鋁離子或鈣離子形成沉淀而積累[25]。本試驗(yàn)中, 相比于FP處理, NE處理在保證產(chǎn)量的基礎(chǔ)上降低了總肥料12.78%的投入, 其中氮肥的當(dāng)季施用量從354 kg?hm-2減少到250 kg?hm-2, 一定程度上提高了總肥料特別是氮肥和鉀肥的利用率。

養(yǎng)分專家系統(tǒng)在不同作物上應(yīng)用效果也有所差異。養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥玉米氮磷鉀的利用率在遼寧省較農(nóng)民習(xí)慣施肥分別提高14.5%、1.9%和9.5%[20]。小麥養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在河北省氮、磷、鉀肥利用率分別為31.7%、10.9%和31.0%, 氮肥偏生產(chǎn)力為47. 9 kg?kg-1[16]。大豆養(yǎng)分專家系統(tǒng)較農(nóng)戶習(xí)慣施肥處理, 氮素回收率提高17.8個(gè)百分點(diǎn)[22]。姬景紅等[29]也在黑龍江對水稻養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥進(jìn)行相關(guān)研究, 發(fā)現(xiàn)NE處理較農(nóng)民習(xí)慣施肥氮農(nóng)學(xué)效率和氮肥利用率分別增加1.9 kg?kg-1和1.7%, 其增加程度略低于本試驗(yàn)的結(jié)果。養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在不同地區(qū)對同一作物的應(yīng)用效果有所差異, 這可能與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和地理狀況相關(guān), 但與農(nóng)戶習(xí)慣施肥相比, 均提高了肥料的利用率。

3.3 養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥與土壤培肥的關(guān)系

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn), 養(yǎng)分專家推薦施肥能夠改善土壤養(yǎng)分狀況。在本試驗(yàn)中, NE處理土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均高于FP處理, 保證了水稻籽粒灌漿時(shí)的養(yǎng)分供應(yīng), 從而提高了水稻產(chǎn)量[30]。土壤肥力水平是決定肥料利用效率高低的基本因素, 土壤肥力水平較低時(shí), 施肥后的作物產(chǎn)量反應(yīng)大, 肥料利用率高; 而高肥力土壤肥料的產(chǎn)量反應(yīng)小, 肥料利用率也偏低[4]。將本地區(qū)土壤養(yǎng)分含量與土壤肥力標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較, 通過加權(quán)計(jì)算可知本試驗(yàn)區(qū)土壤綜合養(yǎng)分指數(shù)達(dá)75以上, 土壤屬于高肥力土壤, 因此在試驗(yàn)區(qū)的高肥力土壤條件下減少29.4%的氮肥當(dāng)季施用量是可行的, 同時(shí)可推測該地區(qū)某些肥料利用率和農(nóng)學(xué)效率低于全國水平, 可能與該地區(qū)土壤肥力水平相關(guān)。

4 結(jié)論

蘇北地區(qū)應(yīng)用水稻養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在當(dāng)季N 250 kg?hm-2、P2O575 kg?hm-2、K2O 120 kg?hm-2的情況下較農(nóng)民習(xí)慣施肥增產(chǎn)2.23%, 增收6.24%; 氮、磷、鉀肥偏生產(chǎn)力分別為31.65 kg?kg-1、105.21 kg?kg-1和65.75 kg?kg-1, 氮、磷、鉀肥農(nóng)學(xué)效率分別為6.36 kg?kg-1、12.01 kg?kg-1和10.05 kg?kg-1, 氮、磷、鉀肥回收利用率分別為21.74%、12.03%和23.42%。水稻養(yǎng)分專家系統(tǒng)在保證產(chǎn)量的基礎(chǔ)上可減少氮肥的當(dāng)季投入, 具有較好的增產(chǎn)增收效果, 有助于提高水稻籽粒中養(yǎng)分積累量和肥料回收利用率。養(yǎng)分專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了氮磷鉀的合理配施, 方法簡單易行且適合中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀, 是一項(xiàng)能夠兼顧產(chǎn)量、養(yǎng)分高效利用、環(huán)境保護(hù)且易于推廣的重要施肥措施。

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Effect of nutrient expert recommendation fertilization on rice yield and fertilizer use in northern Jiangsu Province*

SONG Die1, CHEN Xinbing2, DONG Yangyang3, SHA Zhimin1, XU Xinpeng4, CAO Linkui1**

(1. School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. Guangming Food Group Shanghai Farm Co., Ltd, Yancheng 224151, China; 3. Shanghai Songjiang District Agricultural Technology Extension Center, Shanghai 201613, China; 4. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China)

The overuse of nitrogen fertilizer, inadequate fertilization rate and time, and low fertilizer use efficiency in intensive agriculture have become the main limiting factors to farmers’ income and sustainable agricultural development in northern Jiangsu Province, China. In order to optimize fertilizer management, improve the nutrient use efficiency, and reduce environmental risks in paddy fields in this region, we conducted nutrient expert (NE)-based fertilizer recommendation based on soil properties, targeted yield, and nutrient management information. Field experiments were designed to investigate the effects of NE on rice yield, economic benefit, nutrient uptake, and fertilizer use efficiency.Five treatments were used in the experiments, including (1) nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer input calculated using NE, (2–4) eliminating nitrogen, phosphorous or potassium input in the NE treatment, and (5) farmers’ conventional fertilization (FP). Results showed that, when compared with the FP treatment, partial productivity of N and P2O5in the NE treatment was 44.77% (< 0.05) and 6.32% higher respectively, while partial productivity of K2O decreased significantly by 33.55% (< 0.05). The recovery efficiency of N and K2O in NE was significantly higher than that of FP by 4.91% and 19.35%, respectively; while the recovery efficiency of P2O5was approximately the same as that in FP. Where the NE treatment involved reducing nitrogen fertilizer input and ensuring the balanced application of phosphorus and potassium fertilizer, the rice yield and farmers’ income in this treatment were improved by 2.23% and 6.24%, respectively; however there were no significant differences compared to FP. The phosphorus and potassium accumulation in rice grains in the NE treatment had increased by 10.32% (> 0.05) and 51.63% (< 0.05), respectively. In conclusion, the use of NE-based recommendations resulted in an adequate ratio of N, P, and K, as well as optimizing fertilizer management, promoting the absorption and utilization of N, P, and K in rice, and improving rice yields and farmers’ income. Therefore, we highly recommend using the NE system for fertilizer management in rice paddy fields in the northern Jiangsu Province of China.

Rice; Nutrient expert system; Yield; Fertilizer utilization; Northern Jiangsu; N, P, K fertilizers

S14-33; S511

* 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2016YFD08011106)和上海市科技興農(nóng)推廣項(xiàng)目[滬農(nóng)科推字(2018)第4-7號]資助

曹林奎, 主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)面源污染防控。E-mail: clk@sjtu.edu.cn

宋蝶, 主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)。E-mail: lmtsd681@163.com

2019-07-08

2019-09-30

* This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD08011106) and the Shanghai Science and Technology Promotion Project [(2018) No. 4-7].

, E-mail: clk@sjtu.edu.cn

Jul. 8, 2019;

Sep. 30, 2019

10.13930/j.cnki.cjea.190506

宋蝶, 陳新兵, 董洋陽, 沙之敏, 徐新朋, 曹林奎. 養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥對蘇北地區(qū)水稻產(chǎn)量和肥料利用率的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2020, 28(1): 68-75

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