養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥對冬小麥產(chǎn)量、養(yǎng)分轉運及肥料利用的影響*

王丹丹, 李嵐?jié)? 韓本高, 張 倩, 苗玉紅, 王宜倫

養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥對冬小麥產(chǎn)量、養(yǎng)分轉運及肥料利用的影響*

王丹丹, 李嵐?jié)? 韓本高, 張 倩, 苗玉紅, 王宜倫**

(河南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院 鄭州 450002)

為探究冬小麥科學施肥技術, 明確養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥對冬小麥產(chǎn)量、養(yǎng)分積累轉運與利用的影響, 于2018—2019年分別在河南省鶴壁市和新鄉(xiāng)市以冬小麥(鶴壁、新鄉(xiāng)試驗品種分別為‘鄭麥7698’和‘鄭麥366’)為試驗材料, 設置7個處理[農(nóng)民習慣施肥(FP)、當?shù)赝扑]施肥(ST)、養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥(NE)、在NE基礎上配施緩控釋氮肥(RNE)、在NE基礎上不施氮肥(NE-N)、在NE基礎上不施磷肥(NE-P)、在NE基礎上不施鉀肥(NE-K)], 探究不同施肥處理對冬小麥氮、磷、鉀養(yǎng)分轉運分配規(guī)律和肥料利用效率的影響。結果表明, 冬小麥氮、磷、鉀施肥量NE較FP處理分別降低16.2%、43.3%、-13.2%(鶴壁)和19.5%、48.0%、-57.9%(新鄉(xiāng)); 冬小麥產(chǎn)量NE與FP處理無顯著性差異, RNE與FP處理存在顯著性差異; NE、RNE較FP處理分別增產(chǎn)4.7%~6.6%、5.5%~9.6%(<0.05)。進一步研究表明, NE、RNE處理可顯著增加地上部植株養(yǎng)分含量和積累量(<0.05), 其花后干物質(zhì)積累量較FP處理增加9.2%~14.0%、11.9%~18.6%; 花前氮、磷素轉運量和鉀素轉運對籽粒鉀素積累貢獻率均有提高, 基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥的氮、磷、鉀肥平均利用效率分別為42.1%、19.2%、46.6%, 平均農(nóng)學效率分別為11.5 kg·kg?1、13.2 kg·kg?1、13.3 kg·kg?1。綜上可知, 小麥養(yǎng)分專家系統(tǒng)指導優(yōu)化了氮、磷、鉀肥的施用量和施用方法, 促進了小麥對氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收利用, 提高了肥料利用率, 具有良好的增產(chǎn)效果, 可以在河南地區(qū)推廣應用。

養(yǎng)分專家系統(tǒng); 冬小麥; 產(chǎn)量; 養(yǎng)分轉運與積累; 肥料利用率

小麥()是我國重要的糧食作物之一, 平均每年種植面積2 400萬hm2以上, 其產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展直接關系到國家糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1-2]。在小麥種植諸多管理措施中, 綠色、高效施肥是其中重要的一環(huán)。然而, 當前小麥生產(chǎn)中施肥不合理問題十分突出, 如氮肥施用過量、磷鉀肥投入偏少、施肥時期與肥料配比不合理等, 在肥料產(chǎn)投比降低的同時易引發(fā)一系列環(huán)境問題[3-4]。為順應國家減肥增效的發(fā)展戰(zhàn)略, 優(yōu)化施肥方式和提高肥料利用率對增強小麥產(chǎn)量與品質(zhì)效應以及實現(xiàn)可持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義。

王宜倫等[5]通過兩地田間試驗對小麥施肥效應進行研究, 指出優(yōu)化氮磷鉀肥配施可顯著促進冬小麥對氮磷鉀養(yǎng)分的吸收利用。對河北省多點連續(xù)4年的冬小麥試驗中進一步表明, 合理施肥可提高養(yǎng)分利用率[6]。同樣的結論在玉米()[7]、水稻()[8]等糧食作物以及山藥()[9]、馬鈴薯()[10]和大蔥(var.)[11]等經(jīng)濟作物上同樣得以印證和拓展, 再次表明合理施肥的重要性。研究表明, 平衡施肥不僅能夠穩(wěn)產(chǎn)增收, 還可有效降低環(huán)境污染風險[12-14]。截至目前, 在作物諸多平衡施肥技術中, 根據(jù)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量特性來判定作物營養(yǎng)豐缺狀況繼而確定合理、高效施肥策略的養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥(Nutrient Expert, 簡稱NE)是目前應用最廣、技術較為成熟的一種[5,7]。該方法原理是基于產(chǎn)量反應和農(nóng)學效率進行推薦施肥[15-18], 滿足了當前推薦施肥需求, 得到快速發(fā)展并廣泛應用, 是一種定點適應小農(nóng)戶生產(chǎn)管理方式的推薦施肥和養(yǎng)分管理方法。Chuan等[19]已從不同角度對NE系統(tǒng)的實用性和普適性進行探究, 認為基于NE的推薦施肥策略可有效避免施肥過量或不足等問題。Xu等[18]試驗表明, 基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥較農(nóng)民習慣施肥在增產(chǎn)的同時還大幅度提高了東北春玉米養(yǎng)分利用效率。Zhang等[20-22]在對蘿卜()、小麥和玉米分析后建立了養(yǎng)分管理專家系統(tǒng), 并通過田間試驗證了NE系統(tǒng)使作物產(chǎn)量、品質(zhì)、盈利能力和養(yǎng)分利用效率顯著提高。因此, 基于NE推薦施肥下的作物既可做到減肥不減產(chǎn), 實現(xiàn)節(jié)肥增效, 同時能顯著降低土壤養(yǎng)分盈余[14,23]。

前人基于NE系統(tǒng)的冬小麥平衡和優(yōu)化施肥報道已相對較多, 并從產(chǎn)量效應、經(jīng)濟效益和模型穩(wěn)定性等角度做了大量的工作, 取得了良好進展[5,7,10,18-22]。然而, 在基于NE系統(tǒng)明確小麥氮磷鉀最佳施肥量的基礎上, 進一步研究冬小麥全生育期氮磷鉀營養(yǎng)時序變化效應、花前/后干物質(zhì)和氮磷鉀營養(yǎng)積累與轉運特性, 并明確肥料利用率的報道則相對較少。因此, 本文通過冬小麥開展了不同施肥處理, 研究氮磷鉀不同配施對冬小麥產(chǎn)量和全生育期植株氮磷鉀時序變化的影響, 分析了冬小麥花前/花后干物質(zhì)和氮磷鉀養(yǎng)分積累和轉運及肥料利用率指標變化, 以期為冬小麥養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥指導生產(chǎn)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)域概況

試驗于2018年10月至2019年6月在河南省鶴壁市農(nóng)業(yè)科學院科研基地(114°17′E, 35°40′N)和新鄉(xiāng)市原陽縣河南農(nóng)業(yè)大學試驗基地(113°56′E, 35°6′N)同步進行。供試土壤類型鶴壁為黏質(zhì)潮土, 原陽為砂質(zhì)潮土, 兩地均屬于溫帶半濕潤性季風氣候, 多年平均氣溫和降雨量分別為14.5 ℃和650 mm左右。0~20 cm耕層土壤基礎化學性質(zhì)見表1。

1.2 試驗設計

試驗共設7個處理, 分別為: 基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥(Nutrient Expert, NE, 中國農(nóng)業(yè)科學院何萍研究員發(fā)布的安卓移動終端“手機和平板”網(wǎng)絡版本)、在NE基礎上不施氮肥(NE-N)、在NE基礎上不施磷肥(NE-P)、在NE基礎上不施鉀肥(NE-K)、NE中的氮肥為緩控釋肥(RNE, 50%包膜尿素、施肥量同NE)、當?shù)剞r(nóng)技部門推薦施肥(ST)和當?shù)剞r(nóng)民習慣施肥(FP)。各處理具體施肥信息如表2所示。每個處理3次重復, 小區(qū)面積為57.6 m2(寬×長=7.2 m×8.0 m), 隨機區(qū)組排列。

表1 試驗地土壤基本化學性質(zhì)

表2 不同施肥處理的冬小麥施肥量

供試肥料分別為普通尿素(N 46.0%)、包膜尿素(N 43.2%)、磷酸二銨(N-P2O5-K2O=15%-42%-0)、過磷酸鈣(P2O512.0%)和氯化鉀(K2O 60.0%)。此外, 農(nóng)民習慣施肥采用復混肥料(N-P2O5-K2O=18%-20%-7%,鶴壁)和(N-P2O5-K2O=17%-20%-5%, 新鄉(xiāng))的復合肥料。磷、鉀肥在播種前作為基肥一次性施入; 氮肥: RNE處理播種前一次性施入, 其他處理播種前施1/2, 拔節(jié)前期施1/2。供試冬小麥品種為‘鄭麥7698’(鶴壁)和‘鄭麥366’(新鄉(xiāng))。播種量為150 kg·hm–2, 田間管理按當?shù)剞r(nóng)民種植習慣進行。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土樣采集與分析

在冬小麥播種施肥前采集試驗地0~20 cm土壤樣品, 風干后過篩, 分別測定土壤pH(水土比2.5∶1,電極法)、有機質(zhì)(K2Cr2O7容量, 外加熱法)、堿解氮(堿解擴散法)、有效磷(NaHCO3浸提, 鉬藍比色法)和速效鉀(NH4OAC浸提, 火焰光度計法)含量[24]。

1.3.2 植株樣品采集與分析

試驗于2018年10月播種, 2019年6月收獲。分別于冬小麥分蘗期、拔節(jié)期、開花期和成熟期(鶴壁點為冬小麥播種后54 d、165 d、210 d和224 d, 新鄉(xiāng)點分別為63 d、162 d、219 d和235 d), 在各小區(qū)選取代表性1 m雙行小麥樣方(取樣方中小麥全部植株)。在105 ℃殺青30 min, 然后在65 ℃烘干至恒重, 用天平稱重, 計算生物量。將烘干樣品均勻混合粉碎, 采用濃H2SO4-H2O2消煮制備待測液, AA3流動注射分析儀測定植株和籽粒全氮含量, 鉬黃比色方法測定植株和籽粒全磷含量, 火焰光度計法測定植株和籽粒全鉀含量[24]。冬小麥成熟后, 在各小區(qū)選取長勢均勻的小麥樣方1.0 m2(寬×長=1.0 m×1.0 m), 取樣方內(nèi)小麥全部穗粒, 自然風干后于實驗室內(nèi)考種分析, 以含水量13.0%計算小麥產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

按照隋鵬祥等[25]和宋蝶等[26]的方法分別計算冬小麥養(yǎng)分相關指標, 具體如下:

養(yǎng)分積累量(kg?hm–2)=植株干物重×植株養(yǎng)分含量 (1)

肥料利用率(%)=(施肥區(qū)養(yǎng)分積累量?無肥區(qū)養(yǎng)分積累量)/施肥量×100% (2)

肥料農(nóng)學效率(kg?kg–1)=(施肥區(qū)作物產(chǎn)量-無肥區(qū)作物產(chǎn)量)/施肥量 (3)

開花期干物質(zhì)或養(yǎng)分轉運量(kg?hm–2)=開花期營養(yǎng)器官干物質(zhì)或養(yǎng)分積累量-成熟期營養(yǎng)器官干物質(zhì)或養(yǎng)分積累量 (4)

開花期干物質(zhì)或養(yǎng)分轉運率(%)=開花期干物質(zhì)或養(yǎng)分轉運量/開花期營養(yǎng)器官干物質(zhì)或養(yǎng)分積累量×100% (5)

花前營養(yǎng)器官干物質(zhì)或養(yǎng)分轉運對籽粒干物質(zhì)或養(yǎng)分積累貢獻率(%)=開花期干物質(zhì)或養(yǎng)分轉運量/籽粒干物質(zhì)或養(yǎng)分積累量×100% (6)

花后干物質(zhì)或養(yǎng)分積累量(kg?hm–2)=成熟期干物質(zhì)或養(yǎng)分積累量–開花期干物質(zhì)或養(yǎng)分積累量 (7)

花后干物質(zhì)或養(yǎng)分積累對籽粒干物質(zhì)或養(yǎng)分積累貢獻率(%)=100–花前積累干物質(zhì)或養(yǎng)分轉運對籽粒干物質(zhì)或養(yǎng)分積累貢獻率 (8)

干物質(zhì)或養(yǎng)分收獲指數(shù)=籽粒干物質(zhì)或養(yǎng)分積累量/成熟期地上部干物質(zhì)或養(yǎng)分積累量 (9)

采用Microsoft Excel 2016進行基礎數(shù)據(jù)輸入與前期處理; SPSS 20.0軟件進行試驗點與施肥處理間方差分析和顯著性檢驗(LSD法), 顯著性水平設定為<0.05、<0.01和<0.001; Origin 8.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥對冬小麥產(chǎn)量及其構成因子的影響

優(yōu)化施肥可顯著提高冬小麥產(chǎn)量(表3)。兩試驗地產(chǎn)量均以RNE處理最高, NE處理次之, FP處理最低。與FP處理相比, 鶴壁和新鄉(xiāng)點RNE處理產(chǎn)量增幅分別為5.5%和9.6%, NE處理分別為4.7%和6.6%(鶴壁點RNE處理達顯著水平, 其余處理未達顯著水平), 基于專家系統(tǒng)的推薦施肥(NE、RNE)與ST處理無顯著性差異。肥料減施處理兩地冬小麥產(chǎn)量均以NE-N處理最低, NE-K處理最高, 且后者較前者分別提高9.8%(鶴壁)和29.0%(新鄉(xiāng))。各處理間穗粒數(shù)和穗數(shù)變化趨勢與產(chǎn)量一致, 千粒重則無顯著差異。交互分析結果表明, 試驗地點對冬小麥穗粒數(shù)和穗數(shù)無顯著影響, 但對千粒重和產(chǎn)量則具有極顯著影響(<0.001); 處理除對千粒重無顯著影響效應外, 其余指標則均達極顯著水平(<0.001); 兩者交互作用對冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因子則均未達顯著水平。

表3 不同施肥處理對冬小麥產(chǎn)量及其構成因子的影響

各處理詳見表2。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一地點不同處理間在<0.05水平差異顯著; NS: 不顯著; *、**、***分別表示在<0.05、<0.01、<0.001水平上顯著。Description of each treatment is shown in the table 2. Values followed by different letters in the same column are significantly different in the same site (<0.05). *, ** and *** represent significant effects at<0.05,<0.01 and<0.001 probability levels, respectively; NS: no significant effect.

2.2 養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥對冬小麥植株養(yǎng)分含量的影響

不同施肥處理對冬小麥各生育期植株和籽粒氮磷鉀含量如圖1和圖2所示。施肥狀態(tài)下(FP、ST、NE、RNE)的植株和籽粒養(yǎng)分含量較高, 整體高于肥料減施(NE-N、NE-P、NE-K)。隨著生育期的推進, 兩個試驗地植株氮磷鉀含量整體均呈現(xiàn)降低趨勢。折線圖為生育期植株氮磷鉀含量狀況: 植株氮含量整體表現(xiàn)為ST>NE>RNE>FP; 植株磷含量各施肥處理以RNE處理最高, FP處理最低; 植株鉀含量整體表現(xiàn)為RNE>NE>ST>FP。柱狀圖為不同施肥水平條件下成熟期冬小麥籽粒氮磷鉀含量狀況: 籽粒氮含量鶴壁點以NE處理最高, RNE處理次之, FP處理最低, NE、RNE較FP處理氮含量增幅分別為5.9%、5.3%; 新鄉(xiāng)點則是ST處理最高, NE處理次之, FP處理最低, ST、NE較FP處理氮含量增幅分別為8.7%、6.1%。籽粒磷含量和鉀含量在兩地表現(xiàn)的趨勢一致, 均為RNE處理最高, NE處理次之, FP處理最低, 其中, NE、RNE較FP處理磷含量增幅分別為3.5%~5.6%、5.3%~6.5%, 鉀含量增幅分別為6.2%~11.1%、7.9%~11.1%。冬小麥不同施肥處理在鶴壁(圖1)和新鄉(xiāng)(圖2)整體呈現(xiàn)相同的趨勢, 基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥的植株/籽粒養(yǎng)分含量整體高于當?shù)剞r(nóng)民習慣施肥。

圖1 不同施肥處理對鶴壁冬小麥不同時期養(yǎng)分含量的影響

各處理詳見表2。圖A-C分別為不同時期冬小麥植株氮磷鉀含量, 圖D-F分別為冬小麥成熟期籽粒氮磷鉀含量。柱形圖不同小寫字母表示不同處理間在<0.05水平差異顯著。Description of each treatment is shown in the table 2. Figure A-C show the plant nitrogen, phosphorus and potassium contents of winter wheat at different times. Figure D-F show the grain nitrogen, phosphorus and potassium contents of winter wheat at maturity stage. Different lowercase letters mean significant differences among treatments (<0.05).

2.3 養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥對冬小麥干物質(zhì)轉運與積累特征的影響

施肥(FP、ST、NE、RNE)較肥料減施(NE-N、NE-P、NE-K)可顯著影響冬小麥花前干物質(zhì)轉運量和轉運率、花前干物質(zhì)轉運對籽粒干物質(zhì)積累貢獻率、花后干物質(zhì)積累量和花后干物質(zhì)積累對籽粒干物質(zhì)積累貢獻率(<0.05), 對收獲指數(shù)無顯著影響(表4)。地點和施肥處理互作顯著影響收獲指數(shù), 對其他指標無顯著影響。進一步研究分析, 在鶴壁養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥顯著影響了冬小麥花后干物質(zhì)積累量, NE、RNE較FP處理分別提高14.0%和11.9%, 較ST處理分別提高8.3%和6.3%; 在新鄉(xiāng)養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥顯著影響了冬小麥花前干物質(zhì)轉運量和花后干物質(zhì)積累量, NE、RNE較FP處理分別增加15.6%、17.1%和9.2%、18.6%, 與ST處理無顯著性差異。

圖2 不同施肥處理對新鄉(xiāng)冬小麥各時期養(yǎng)分含量的影響

各處理詳見表2。圖A-C分別為不同時期冬小麥植株氮磷鉀含量, 圖D-F分別為冬小麥成熟期籽粒氮磷鉀含量。柱形圖不同小寫字母表示不同處理間在<0.05水平上差異顯著。Description of each treatment is shown in the table 2. Figure A-C show the plant nitrogen, phosphorus and potassium contents of winter wheat at different times. Figure D-F show the grain nitrogen, phosphorus and potassium contents of winter wheat at maturity stage. Different letters mean significant differences among treatments (<0.05).

2.4 養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥對冬小麥養(yǎng)分吸收與利用特征的影響

2.4.1 氮素積累、轉運及對籽粒的貢獻率

由表5可知, 施氮可顯著提高冬小麥各生育期氮素積累量, 不同施肥處理顯著影響花前氮素轉運量(<0.05)。在鶴壁, 除花前氮素轉運量以外, 不同施肥處理顯著影響花后氮素積累量, 對其他指標無顯著影響, 其中NE、RNE處理的花前氮素轉運量和花后氮素積累量較FP處理分別提高6.2%、17.2%和26.1%、5.7%; 在新鄉(xiāng), 花前氮素轉運量和花后氮素積累量的變化趨勢與鶴壁點相同, 其中NE、RNE處理的花前氮素轉運量和花后氮素積累量較FP處理分別提高15.4%、13.3%和20.5%、16.2%, 除此之外, ST處理的花前氮素轉運率和花前氮素轉運對籽粒氮素積累貢獻率較其他處理顯著增加, 這可能與冬小麥的施肥量有關, 具體原因需要進一步探究。

2.4.2 磷素積累、轉運及對籽粒的貢獻率

施磷可顯著提高冬小麥各生育期磷素積累量, NE、RNE處理的磷素積累量較FP處理顯著提高, 不同施肥處理顯著影響花前磷素轉運量(表6)(<0.05)。在鶴壁, NE、RNE處理的花前磷素轉運量較FP處理分別提高47.2%、50.2%, 除花前磷素轉運量以外, 不同施肥處理還顯著影響花前磷素轉運率、花前磷素轉運對籽粒磷素積累貢獻率、花后磷素積累量和磷素積累對籽粒磷素積累貢獻率; 在新鄉(xiāng), NE、RNE處理的花前磷素轉運量較FP處理分別提高14.3%、12.9%, 除花前磷素轉運量外, 不同施肥處理(FP、ST、NE、RNE)對其他指標無顯著影響(<0.05)。

2.4.3 鉀素積累、轉運及對籽粒的貢獻率

施鉀可顯著提高冬小麥各生育期鉀素積累量, 在成熟期NE、RNE處理的鉀素積累量與FP處理無顯著影響, 不同施肥處理顯著影響花前鉀素轉運對籽粒鉀素積累貢獻率(<0.05)(表7)。在鶴壁, NE、RNE處理的花前鉀素轉運對籽粒鉀素積累貢獻率較FP處理分別提高13.5%、80.7%, 較ST處理分別提高?5.1%和51.0%, 不同施肥處理對其他指標沒有顯著性影響。在新鄉(xiāng), 不同施肥處理還對花前鉀素轉運量和花后鉀素積累對籽粒鉀素積累貢獻率存在顯著影響(<0.05); NE、RNE處理的花前鉀素轉運對籽粒鉀素積累貢獻率較FP處理分別提高90.1%、77.2%, 花后鉀素積累對籽粒鉀素積累貢獻率降低3.7.5%、32.4%。

表4 不同施肥處理對冬小麥開花前后營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉運及籽粒干物質(zhì)積累的影響

各處理詳見表2。DMR: 干物質(zhì)轉運量; DMRE: 干物質(zhì)轉運率; DMRCG: 干物質(zhì)轉運對籽粒干物質(zhì)積累貢獻率; DMA: 干物質(zhì)積累量; DMAC: 干物質(zhì)積累對籽粒干物質(zhì)積累貢獻率。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一地點不同處理間在<0.05水平差異顯著; NS: 不顯著; *、**、***分別表示在<0.05、<0.01和<0.001水平顯著。Description of each treatment is shown in the table 2. DMR: dry matter remobilization; DMRE: dry matter remobilization rate; DMRCG: contribution of dry matter remobilization to grain; DMA: dry matter accumulation; DMAC: contribution of dry matter accumulation to grain. Values followed by different lowercase letters in the same column are significantly different for the same place (<0.05). *, ** and *** represent significant effects at<0.05,<0.01 and<0.001 probability levels, respectively; NS: no significant effect.

2.5 養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥對冬小麥肥料利用效率的影響

由表8可知, 兩試驗區(qū)NE處理氮、磷、鉀肥平均肥料利用率和農(nóng)學效率分別是42.4%、19.1%、47.3%和11.3%、12.2%、12.4%, RNE處理氮、磷、鉀肥平均肥料利用率和農(nóng)學效率分別是41.8%、19.3%、45.9%和11.7%、14.2%、14.1%。冬小麥NE和RNE處理的N、P2O5和K2O肥料利用率和農(nóng)學效率并未存在顯著差異, 兩地肥效指標表現(xiàn)出相同的趨勢。

3 討論

3.1 產(chǎn)量效應與干物質(zhì)轉運和積累的關系

氮磷鉀肥平衡施用是實現(xiàn)作物高效生產(chǎn)的關鍵技術, 優(yōu)化和平衡施肥可顯著提高冬小麥成熟期產(chǎn)量[5-6]。試驗結果表明, 相比于肥料減施(NE-N, NE-P和NE-K)、農(nóng)民習慣(FP)和農(nóng)技部門推薦施肥(ST)處理, 基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)的推薦施肥(NE和RNE)均有較好的增產(chǎn)效應(表3), 這與王宜倫等[5]在小麥-玉米上施肥增產(chǎn)、且氮磷鉀肥平衡施用增產(chǎn)效果最好的結論相一致。NE與FP處理相比, 增施鉀肥的基礎上進行減氮減磷, 冬小麥產(chǎn)量較FP處理分別增產(chǎn)4.7%和6.6%, 與ST處理相比, 氮、磷、鉀肥的大幅度減施并沒有造成冬小麥減產(chǎn), 說明合理的氮磷鉀配施是冬小麥增產(chǎn)的關鍵[14]; 緩控施肥處理(RNE)較NE處理增產(chǎn)0.9%~2.7%, 減少施肥次數(shù)并未造成明顯減產(chǎn), 宋亞棟[27]研究說明合理配施緩控釋肥可以提高作物干物質(zhì)的積累和養(yǎng)分的吸收, 從而促進產(chǎn)量的提高。試驗地點顯著影響冬小麥的千粒重, 施肥處理對穗粒數(shù)和穗數(shù)具有極顯著影響。李嵐?jié)萚28]在小麥、玉米上的研究同樣驗證了冬小麥產(chǎn)量受地點和處理的雙重影響, 地點與處理互作無顯著影響, 不同施肥處理通過何種途徑造成產(chǎn)量因子的差異仍需要進一步探究。

表5 不同施肥處理對冬小麥氮素積累、轉運及對籽粒的貢獻率

各處理詳見表2。NR: 花前氮素轉運量; NRE: 花前氮素轉運率; NRCG:花前氮素轉運對籽粒氮素積累貢獻率; NA:花后氮素積累量; NAC: 氮素積累對籽粒氮素積累貢獻率。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一地點不同處理間在<0.05水平差異顯著; NS: 不顯著; *、**、***分別表示在<0.05、<0.01、<0.001水平上顯著。Description of each treatment is shown in the table 2. NR: N remobilization before anthesis; NRE: N remobilization efficiency before anthesis; NRCG: contribution of N remobilization to grain N before anthesis; NA: N accumulation after anthesis; NAC: contribution of N accumulation to grain after anthesis N. Values followed by different lowercase letters in the same column are significantly different for the same site (<0.05). *, ** and *** represent significant effects at<0.05,<0.01 and<0.001 probability levels, respectively; NS: no significant effect.

表6 不同施肥處理對冬小麥磷素積累、轉運及對籽粒的貢獻率

各處理詳見表2。PR: 花前磷素轉運量; PRE: 花前磷素轉運率; PRCG:花前磷素轉運對籽粒磷素積累貢獻率; PA:花后磷素積累量; PAC:磷素積累對籽粒磷素積累貢獻率。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一地點不同處理間在0.05水平上差異顯著; NS: 不顯著; *、**、***分別表示在0.05、0.01和0.001水平上顯著。Description of each treatment is shown in the table 2. PR: P remobilization before anthesis; PRE: P remobilization efficiency before anthesis; PRCG: contribution of P remobilization before anthesis to grain P; PA: P accumulation after anthesis; PAC: contribution of P accumulation after anthesis to grain P. Values followed by different lowercase letters in the same column are significantly different for the same site (<0.05). *, ** and *** represent significant effects at<0.05,<0.01 and<0.001 probability levels, respectively; NS: no significant effect.

表7 不同施肥處理對冬小麥鉀素積累、轉運及對籽粒的貢獻率

各處理詳見表2。KR: 花前鉀素轉運量; KRE: 花前鉀素轉運率; KRCG: 花前鉀素轉運對籽粒鉀素積累貢獻率; KA: 花后鉀素積累量; KAC: 鉀素積累對籽粒鉀素積累貢獻率。同列不同小寫字母表示同一地點不同處理間在0.05水平上差異顯著; NS: 不顯著; *、**、***分別表示在0.05、0.01和0.001水平上顯著。Description of each treatment is shown in the table 2. KR: K remobilization before anthesis; KRE: K remobilization efficiency before anthesis; KRCG: contribution of K remobilization before anthesis to grain K; KA: K accumulation after anthesis; KAC: contribution of K accumulation after anthesis to grain K. Values followed by different lowercase letters in the same column are significantly different for the same site (<0.05). *, ** and *** represent significant effects at<0.05,<0.01 and<0.001 probability levels, respectively; NS: no significant effect.

表8 不同施肥處理對冬小麥肥料效率指標的影響

各處理詳見表2。Description of each treatment is shown in the table 2.

作物花后干物質(zhì)和花前營養(yǎng)器官干物質(zhì)向籽粒的轉運會影響作物的產(chǎn)量[25]。在本研究中, NE、RNE處理干物質(zhì)轉運對籽粒干物質(zhì)積累平均貢獻率(DMRCG)分別為4.1%和3.6%。干物質(zhì)是小麥光合作用積累的產(chǎn)物, 籽粒產(chǎn)量所形成的物質(zhì)來源于干物質(zhì), 因此可以通過提高干物質(zhì)積累量增加冬小麥產(chǎn)量[27]。本試驗結果表明, 基于專家系統(tǒng)的推薦施肥顯著提高了冬小麥花后干物質(zhì)積累量, NE、RNE較FP處理分別提高9.2%~14.0%、11.9%~18.6%。王新民等[29]研究認為, 施用緩控施肥促進孕穗期后干物質(zhì)的迅速積累, 顯著提高冬小麥中后期干物質(zhì)的質(zhì)量, RNE較NE處理花后干物質(zhì)積累量(DMA)平均提高3.4%, 該結果進一步解釋了RNE處理可顯著提高冬小麥產(chǎn)量的原因。平衡施肥可使作物獲得充足、持續(xù)且均衡的養(yǎng)分供應, 在確保高產(chǎn)的同時, 又能有效促進養(yǎng)分的同化和轉運能力[14,25]。

3.2 肥料效應與養(yǎng)分轉運和積累的關系

氮磷鉀平衡施用利于作物對養(yǎng)分的吸收利用, 提高肥料利用效率[30]。肥料利用率、肥料農(nóng)學效率和肥料偏生產(chǎn)力是評價肥料綜合效應的重要參考指標[26,31]。張福鎖等[32]對全國糧食主產(chǎn)區(qū)進行的1 333個田間試驗結果顯示, 小麥氮、磷、鉀肥料利用率分別為28.2 kg?kg?1、10.7 kg?kg?1、30.3 kg?kg?1, 肥料農(nóng)學效率分別是8.0 kg?kg?1、7.3 kg?kg?1、5.3 kg?kg?1。本試驗中, 基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)的推薦施肥優(yōu)化了氮、磷、鉀肥配比, 促進冬小麥對氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收利用, NE、RNE處理的肥料利用率和農(nóng)學效率均高于全國平均水平, RNE較NE處理減少了施肥次數(shù), 卻并未降低冬小麥肥料利用效率(表8)和產(chǎn)量(表3)。柴婕等[33]研究表明土壤肥力水平?jīng)Q定肥料利用效率, 肥力越低施肥后的作物產(chǎn)量反應越大, 肥料利用率越高, 這可以用來解釋新鄉(xiāng)基礎肥力低而肥料利用效率高于鶴壁的原因。肥料利用效率的差異首先從養(yǎng)分轉運與積累角度進行分析, 數(shù)據(jù)表明氮磷鉀平衡施用可有效提高冬小麥籽粒中的養(yǎng)分含量(圖1, 圖2), 提高籽粒養(yǎng)分含量是提高冬小麥肥料利用率的途徑之一。進一步研究顯示, 施肥可顯著提高冬小麥各生育期養(yǎng)分積累量, 氮磷鉀均衡施肥可顯著提高冬小麥花前氮轉運量(NR)、磷轉運量(NP)和鉀素轉運對籽粒鉀素積累貢獻率(KRCG), 基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)的推薦施肥(NE、RNE)較FP處理NR、PR、KRCG平均值分別提高13.0%、31.5%和65.5%, 這與宋亞棟[27]在冬小麥上合理施肥提高前期養(yǎng)分積累量的研究一致, 隨鵬祥等[25]在春玉米的研究上也得到了同樣的結論。過量施肥會造成養(yǎng)分盈余, 導致資源嚴重浪費和環(huán)境污染, 施肥不足則影響開花期養(yǎng)分的吸收能力和灌漿期籽粒的結實。這也進一步說明了合理施肥的重要意義和養(yǎng)分專家系統(tǒng)的實用性。

4 結論

氮磷鉀合理配施有效提高冬小麥產(chǎn)量和肥料利用效率, 基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)的推薦施肥(NE、RNE)較當?shù)剞r(nóng)民習慣施肥(FP)優(yōu)化了氮磷鉀的配比, 氮、磷施用量分別降低16.2%~19.5%、43.3%~48.0%, 鉀肥適當提高13.2%~57.9%, 冬小麥產(chǎn)量分別增產(chǎn)4.7%~6.6%、5.5%~9.6%。NE和RNE處理還可顯著增加地上部植株養(yǎng)分含量和積累量, 以及花后干物質(zhì)積累量、花前氮磷素轉運量和鉀素轉運對籽粒鉀素積累貢獻率。綜上所述, 養(yǎng)分專家推薦施肥在保證產(chǎn)量的基礎上可以減少肥料的投入, 降低養(yǎng)分損失, 具有增產(chǎn)效應, 肥料利用效率較高。

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Effects of Nutrient Expert recommended fertilization on winter wheat yield, nutrient accumulation, transportation, and utilization*

WANG Dandan, LI Lantao, HAN Bengao, ZHANG Qian, MIAO Yuhong, WANG Yilun**

(College of Resources and Environment, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

The overuse of fertilizer, unreasonable fertilization rates, and low fertilizer use efficiency affect modern agricultural systems, limiting farmers’ income and development of sustainable agriculture in Henan Province, China. This study investigated the effect of the Nutrient Expert system on winter wheat yield, nutrient accumulation, transportation, and fertilizer utilization efficiency. Field experiments were conducted during the 2018–2019 growing season in Hebi and Xinxiang, Henan Province, with seven treatments: farmer conventional fertilization (FP), local official recommended fertilization (ST), Nutrient Expert recommended fertilization (NE), Nutrient Expert recommended fertilization with controlled-release N fertilizer (RNE), and the elimination of N, P, or K input in the NE treatment (NE-N, NE-P, and NE-K, respectively). Compared to the FP treatment, N, P, and K fertilizer rates in the NE treatment decreased by 16.2%, 43.3%, and ?13.2% in Hebi and 19.5%, 48.0%, ?57.9% in Xinxiang, respectively. The yields of the NE and RNE treatments were higher than those of FP by 4.7%–6.6% and 5.5%–9.6%, respectively; NE and FP did not differ significantly on yield, but the RNE yield was significantly higher than that of FP. Compared to the other treatments, NE and RNE also improved plant nutrition concentrations and accumulation during the growing season. The dry matter accumulation after anthesis in NE and RNE was significantly higher than that in FP (by 9.2%–14.0% and 11.9%–18.6%, respectively), and the contribution of N, P, and K remobilization to the grains before anthesis also increased significantly. The average fertilizer use efficiency of N, P, and K was 42.1%, 19.2%, and 46.6%, respectively, and the average agronomic efficiency was 11.5 kg·kg?1, 13.2 kg·kg?1, and 13.3 kg·kg?1, respectively, based on the Nutrient Expert system of winter wheat. In general, the Nutrient Expert recommended fertilization optimized the fertilizer management, promoted the absorption and utilization of N, P, and K, and improved the winter wheat yield and fertilizer utilization efficiency. Therefore, we encourage the use of the Nutrient Expert system for fertilizer management in the winter wheat fields of Henan Province, China.

Nutrient Expert system; Winter wheat; Yield; Nutrient transfer and accumulation; Fertilizer utilization rate

, E-mail: wangyilunrl@henau.edu.cn

Mar. 13, 2020;

Jul. 15, 2020

S143; S512

10.13930/j.cnki.cjea.200189

王丹丹, 李嵐?jié)? 韓本高, 張倩, 苗玉紅, 王宜倫. 養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥對冬小麥產(chǎn)量、養(yǎng)分轉運及肥料利用的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報(中英文), 2020, 28(11): 1692-1702

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* 國家“十三五”重點研發(fā)計劃項目(2017YFD0301106)資助

王宜倫, 主要從事作物營養(yǎng)與高效施肥技術研究。E-mail: wangyilunrl@henau.edu.cn

王丹丹, 從事作物營養(yǎng)與高效施肥技術研究。E-mail: 18437958711@163.com

2020-03-13

2020-07-15

* This work was funded by the National Key Research and Development Project of China (2017YFD0301106).