基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)的馬鈴薯推薦施肥效應(yīng)

梁俊梅，張 君，安 昊，景宇鵬，段 玉

（內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031）

馬鈴薯是中國四大糧食作物之一，是重要的商品糧和戰(zhàn)略儲備糧，發(fā)展馬鈴薯生產(chǎn)對保障國家糧食安全，促進國民經(jīng)濟發(fā)展和提高人民生活水平具有重要意義［1］。肥料是馬鈴薯的“糧食”，在馬鈴薯生產(chǎn)中發(fā)揮著不可代替的作用［2］。然而，目前馬鈴薯生產(chǎn)中也存在施肥過量、肥料配比及基追比不合理等現(xiàn)象，造成馬鈴薯生產(chǎn)成本增加，限制了馬鈴薯增產(chǎn)和增收［3-4］。因此，在馬鈴薯穩(wěn)產(chǎn)的前提下，如何科學合理施肥，提高馬鈴薯肥料利用效率，實現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效是目前馬鈴薯養(yǎng)分管理研究的重要內(nèi)容。前人對馬鈴薯的養(yǎng)分管理做了大量研究，主要以馬鈴薯養(yǎng)分需求及分配規(guī)律、馬鈴薯養(yǎng)分診斷為主［5-7］，而我國馬鈴薯生產(chǎn)以小農(nóng)戶生產(chǎn)為主［8］，上述技術(shù)對于生產(chǎn)的直接指導(dǎo)作用無法在短時間內(nèi)體現(xiàn)，因此現(xiàn)階段我國馬鈴薯生產(chǎn)急需一種操作性和實用型較強的養(yǎng)分管理指導(dǎo)技術(shù)，養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥是利用QUEFTS模型系統(tǒng)根據(jù)土壤質(zhì)地性狀、作物產(chǎn)量水平、養(yǎng)分管理措施及氣候條件等信息，利用數(shù)據(jù)庫已有的數(shù)據(jù)生成基于不同農(nóng)戶個性信息的目標產(chǎn)量、施肥最佳用量、施用時間和次數(shù)等［9-10］，適合以小農(nóng)戶經(jīng)營為主要經(jīng)營模式的我國現(xiàn)有的生產(chǎn)方式，而且其應(yīng)用簡單，操作界面直觀易懂，可幫助農(nóng)民實現(xiàn)增產(chǎn)增收的目標。為此，本研究通過兩年多點的大田試驗，在3個不同產(chǎn)量區(qū)間上驗證養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥方法在馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)內(nèi)蒙古武川縣的應(yīng)用效果，明確不同目標產(chǎn)量區(qū)間推薦施肥方法的適用性，為馬鈴薯科學的養(yǎng)分管理技術(shù)應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本概況

本研究于2017～2018年兩年在馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)內(nèi)蒙古武川縣進行，2017年生育期降水量為150.6 mm，降水量較少，是干旱年份；2018年生育期降水量為275.5 mm，為豐水年份。

2017和2018年分別在30戶進行相關(guān)試驗，2年共60戶農(nóng)戶。根據(jù)土壤肥力狀況和農(nóng)戶水肥管理情況劃分出高、中、低3個產(chǎn)量區(qū)間，目標產(chǎn)量分別為52、40和25 t/hm2，每年每個產(chǎn)量區(qū)間選擇施肥及灌溉習慣相近的10戶農(nóng)戶為試驗對象。試驗土壤均為栗鈣土。各產(chǎn)量區(qū)間土壤基本理化性狀如表1所示。

表1 不同研究區(qū)域土壤基礎(chǔ)理化性狀

1.2 試驗設(shè)計

2017～2018年在武川縣按照農(nóng)民習慣施肥劃分出的高、中、低產(chǎn)量區(qū)間各20個點，共60個點，低產(chǎn)田為旱作雨養(yǎng)模式，中產(chǎn)田和高產(chǎn)田均為高壟滴灌種植模式。每塊試驗地設(shè)置5個處理：（1）FP處理，為農(nóng)民習慣施肥；（2）NE處理，馬鈴薯養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥；（3）NE-N處理，在NE基礎(chǔ)上不施氮肥；（4）NE-P處理，在NE基礎(chǔ)上不施磷肥；（5）NE-K處理，在NE基礎(chǔ)上不施鉀肥。其中FP處理施肥量由農(nóng)戶習慣施肥情況確定，NE處理施肥量是通過農(nóng)戶田塊采集的土壤、作物和施肥信息，利用馬鈴薯養(yǎng)分專家系統(tǒng)軟件計算獲得。各地區(qū)FP處理和NE處理的馬鈴薯氮、磷、鉀肥具體用量見表2。

表2 基于養(yǎng)分專家施肥對不同田塊氮磷鉀施肥用量 （kg/hm2）

肥料選用尿素（N 46%），三料磷肥（P2O546%），磷酸二銨（N 18%，P2O546%）和氯化鉀（K2O 60%）。磷肥作基肥一次性施入，30%氮肥與50%鉀肥在播種時作基肥施入，其余氮肥和鉀肥在馬鈴薯開花期追施，NE和FP施肥方法和時間一致。其余田間管理措施保持一致。

所有試驗小區(qū)的面積均為60 m2，試驗馬鈴薯品種為康尼貝克。試驗播種時間為5月8～15日，收獲時間為9月15～25日。

1.3 樣品采集與分析

在馬鈴薯播種前采集0～20 cm土壤樣品，磨細過篩，分析測定土壤養(yǎng)分含量。收獲期每個試驗點每個處理進行測產(chǎn)，記錄測產(chǎn)面積，測產(chǎn)株數(shù)，測定大薯數(shù)、大薯重、小薯數(shù)和小薯重。各處理取植株樣品3株（分莖葉和塊莖），測莖葉干重，薯塊鮮重，切碎風干后，在70℃下烘干至恒重測薯塊干重，粉碎過0.2 mm篩測定莖葉和塊莖的氮磷鉀含量。其中全氮采用凱氏法，全磷采用釩鉬黃比色法，全鉀采用火焰光度法。

肥料農(nóng)學效率（t/hm2）=（施肥處理產(chǎn)量-不施肥處理產(chǎn)量）/施肥量

肥料回收率（%）=（施肥處理植物樣和塊莖養(yǎng)分積累量總和-不施肥處理植物樣和塊莖養(yǎng)分積累量總和）/施肥量×100

表觀養(yǎng)分平衡（t/hm2）=養(yǎng)分投入量-植物樣和塊莖養(yǎng)分積累量總和

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用 Excel 2016 進行數(shù)據(jù)計算和圖表繪制，用SPSS 25.0 進行方差分析，LSD法檢驗，處理間不同字母的差異顯著性為 P ＜ 0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同肥力水平養(yǎng)分專家推薦施肥對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

綜合2017～2018年兩年田間試驗高、中、低3個產(chǎn)量區(qū)間共60戶農(nóng)戶試驗結(jié)果顯示，不同產(chǎn)量區(qū)間NE處理較FP處理均有所增產(chǎn)，其中，中、高產(chǎn)量區(qū)間的NE處理較FP處理增產(chǎn)幅度達到顯著水平，低產(chǎn)田FP處理馬鈴薯的平均產(chǎn)量（19.7 t/hm2）與NE的平均產(chǎn)量（20.9 t//hm2）差異不顯著。低、中、高產(chǎn)量區(qū)間NE-N處理的產(chǎn)量分別為16.1、29.8和27.3 t//hm2，均顯著低于NE處理、FP處理以及NE-P、NE-K處理，這說明該地區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)中，氮肥投入對馬鈴薯產(chǎn)量的影響大于磷肥和鉀肥投入。NE-P和NE-K處理二者沒有顯著差異，但二者從低產(chǎn)沒有差異、中產(chǎn)有一點差異到高產(chǎn)時差異達到2.3 t/hm2，說明隨著馬鈴薯產(chǎn)量水平的提高鉀肥肥效增大。

表3 基于養(yǎng)分專家施肥對不同田塊產(chǎn)量的影響（t/hm2）

2.2 養(yǎng)分專家推薦施肥對不同肥力田塊馬鈴薯產(chǎn)量性狀的的影響

由表4可以看出，馬鈴薯養(yǎng)分專家施肥NE處理在低、中、高產(chǎn)量區(qū)間均可提高馬鈴薯單株結(jié)薯數(shù)、單株薯重和商品率。從單株結(jié)薯數(shù)來看，不論是低產(chǎn)、中產(chǎn)還是高產(chǎn)區(qū)間，養(yǎng)分專家推薦施肥NE處理均高于其他4個處理，且達到顯著水平。其中NE處理在中產(chǎn)田單株結(jié)薯數(shù)最高，每株4.0個塊莖。從單株薯重來看，低產(chǎn)區(qū)間NE處理單株薯較FP處理提高不顯著；在中產(chǎn)和高產(chǎn)區(qū)間，均是在NE處理下達到最高，且與其他處理達到顯著差異水平。從商品薯率來看，各產(chǎn)量區(qū)間均是在NE處理下達到最高，且中產(chǎn)區(qū)間NE處理下商品薯率為最高，達到74.2%。

表4 基于養(yǎng)分專家推薦施肥不同肥力田塊產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2.3 養(yǎng)分專家推薦施肥對不同肥力田塊養(yǎng)分吸收量的影響

從表5可以看出，施肥可顯著提高馬鈴薯養(yǎng)分吸收量。低產(chǎn)區(qū)間中，氮素吸收量表現(xiàn)為：NE處理高于FP處理，NE與NE-N、NE-P和NE-K之間差異達到了顯著水平。磷素積累量表現(xiàn)為：NE處理高于其他4個處理，NE處理與FP處理之間沒有顯著差異，而NE處理與NE-N、NE-P和NE-K處理之間達到了顯著水平。鉀素吸收量表現(xiàn)為：NE處理高于FP處理，NE處理與NE-N、NE-P和NE-K處理之間達到了顯著差異水平。NE處理氮、磷、鉀吸收量相比FP處理增加了5.34%、3.07%和20.56%。

表5 基于養(yǎng)分專家推薦施肥不同肥力田塊的養(yǎng)分吸收量 （kg/hm2）

中產(chǎn)區(qū)間中，氮、磷、鉀吸收量均是在NE處理下達到最高，NE處理與NE-N、NE-P和NE-K處理之間達到了顯著水平。NE處理與FP處理相比，氮、磷、鉀吸收量分別增加2.5%、5.4%和7.2%。

高產(chǎn)區(qū)間中，NE處理氮磷鉀吸收量為最高，NE處理與NE-N、NE-P和NE-K處理之間達到了顯著水平，NE處理較FP處理相比，氮、磷、鉀吸收量分別增加4.6%、15.4%和9.0%。由上可見，馬鈴薯養(yǎng)分專家推薦施肥可有效提高馬鈴薯的養(yǎng)分吸收量。

2.4 不同肥力水平下養(yǎng)分專家推薦施肥對肥料利用率的影響

以農(nóng)學效率和肥料回收率表征不同處理馬鈴薯的肥料利用效率，由表6可知，從60組不同產(chǎn)量區(qū)間試驗的平均值來看，低產(chǎn)區(qū)間NE處理的氮、磷、鉀肥的農(nóng)學效率（32.9、37.0和28.8 kg/kg）均高于FP處理（21.8、16.2和22.2 kg/kg），NE處理氮肥和磷肥的農(nóng)學效率顯著高于FP處理。中產(chǎn)區(qū)間NE處理的氮、磷、鉀肥農(nóng)學效率（42.0、43.2和33.3 kg/kg）均高于FP處理的氮、磷、鉀肥農(nóng)學效率（26.8、26.1和28.4 kg/kg），NE處理的氮肥和磷肥農(nóng)學效率與FP處理差異顯著。高產(chǎn)區(qū)間NE處理的氮磷鉀肥農(nóng)學效率（45.8、27.4和34.0 kg/kg）也高于FP處理的氮、磷、鉀肥農(nóng)學效率（29.2、26.1和24.3 kg/kg），但僅有氮肥農(nóng)學效率達到顯著水平。平均NE處理較FP處理的氮、磷、鉀肥的農(nóng)學效率分別提高14.3、13.1和7.1 kg/kg。

表6 不同處理養(yǎng)分利用效率及表觀平衡

馬鈴薯的氮、磷、鉀肥的平均回收率在低產(chǎn)區(qū)間FP處理（27.0%、13.1%和40.1%）低于NE處理（33.3%、16.5%和48.3%），且NE處理與FP處理的磷、鉀肥養(yǎng)分回收率均達到顯著差異水平。中產(chǎn)區(qū)間中，F(xiàn)P處理的氮、磷、鉀肥的平均回收率（29.2%、12.8%和45.3%）低于NE處理（36.0%、16.7%和51.9%），磷肥和鉀肥的養(yǎng)分平均回收率NE處理均顯著高于FP處理。高產(chǎn)區(qū)間中，氮、磷、鉀肥養(yǎng)分平均回收利用率均表現(xiàn)為NE處理高于FP處理，且氮磷鉀肥養(yǎng)分平均回收率均顯著高于FP處理。從平均值來看，NE處理較FP處理的氮、磷、鉀肥的回收率分別提高6.8%、3.4%和6.9%。

養(yǎng)分表觀平衡在一定程度上可以體現(xiàn)農(nóng)田養(yǎng)分盈虧狀況，通過對馬鈴薯農(nóng)田養(yǎng)分表觀平衡進行分析，對維持和提高馬鈴薯生產(chǎn)力，提高養(yǎng)分資源利用效率具有重要意義。由表6可知，NE處理的氮、磷、鉀肥的表觀平衡平均為16.3、64.8和-57.5 kg/hm2，F(xiàn)P處理的氮、磷、鉀肥的平均表觀平衡為44.0、57.7和-70.6 kg/hm2，NE處理較FP處理更為平衡，特別是氮素。

2.5 養(yǎng)分專家推薦施肥對不同肥力田塊經(jīng)濟效益的影響

由表7可知，合理施肥可顯著提高馬鈴薯收益和純收益，在3種不同區(qū)間的地塊上FP和NE處理的馬鈴薯收益和純收益因土壤肥力不同而變化規(guī)律也不同。在低產(chǎn)田中，NE處理較FP處理增收1 171.8元/hm2。在中產(chǎn)田中，NE處理較FP處理增收1 822.1元/hm2。在高產(chǎn)田中，NE處理較FP處理增收2 417.6元/hm2。3種不同產(chǎn)量區(qū)間上的馬鈴薯收益以及純收益均在NE處理下高于FP處理，可見，養(yǎng)分專家推薦施肥較農(nóng)民習慣施肥有良好的增產(chǎn)效果。

在低、中、高肥力土壤上，增施氮肥分別增收4 085.5、6 473.9和8 293.6元/hm2，表現(xiàn)為隨著肥力的提高施氮收益增加；增施磷肥增收2 352.3、4 482.1和3 845.5元/hm2，中肥力土壤上收益更高；增施鉀肥增收2 243.9、4 589.7和5 947.3元/hm2，隨著肥力增高施鉀效益也增加。

表7 不同處理對經(jīng)濟效益的影響 （元/hm2）

3 討論與結(jié)論

科學合理的養(yǎng)分管理技術(shù)是實現(xiàn)馬鈴薯高產(chǎn)和養(yǎng)分高效利用的關(guān)鍵。目前，我國主要研究和應(yīng)用的推薦施肥技術(shù)有測土配方和養(yǎng)分專家系統(tǒng)兩大類，其中養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在國內(nèi)的研究和應(yīng)用起步雖然相對較晚，但近年來發(fā)展迅速并不斷完善，已在很多地區(qū)和作物上取得了很好的應(yīng)用效果［11-14］，馬鈴薯上的相關(guān)研究結(jié)果也顯示出較好的適用性［15］。

本研究通過2年多點試驗比較了兩種推薦施肥方法在內(nèi)蒙古馬鈴薯生產(chǎn)上的應(yīng)用效果，結(jié)果顯示，相比FP處理，NE在多數(shù)試驗中均實現(xiàn)減少肥料的投入，尤其是氮肥的投入，而馬鈴薯的產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量仍保持較高水平的目標，最終降低馬鈴薯農(nóng)田氮盈余，減少了養(yǎng)分損失。

2年多點試驗結(jié)果顯示，NE處理養(yǎng)分專家系統(tǒng)在不同馬鈴薯產(chǎn)量區(qū)間中均表現(xiàn)出減少肥料用量，特別是氮肥用量，依然獲得了與農(nóng)民習慣施肥更高的產(chǎn)量，并且可顯著提高肥料利用率，降低氮素的盈余?？傮w而言，馬鈴薯養(yǎng)分專家推薦施肥方法在內(nèi)蒙古馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)的適用性較好，起到了減肥增產(chǎn)的良好效果，特別是在中產(chǎn)和高產(chǎn)區(qū)間，這可能是由于中產(chǎn)和高產(chǎn)區(qū)間地塊有灌溉條件，使得NE養(yǎng)分專家系統(tǒng)的推薦施肥效果更佳，但在對中、高產(chǎn)田進行比較時發(fā)現(xiàn)，高產(chǎn)田較中產(chǎn)田投入更多肥料的同時未能達到更高的預(yù)期產(chǎn)量，究其原因可能與灌溉制度、自然氣候條件等因素有關(guān)。因此，NE養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在內(nèi)蒙古馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)的中產(chǎn)和高產(chǎn)區(qū)間田塊適用性相對更好，但仍存在改進的空間，如能將灌溉制度、降水量、積溫等因素考慮在內(nèi)，可能更有利于提高施肥精準性和肥料利用效率。