養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥提高梨果產量及品質

許晨陽，蒲全明，邱玉玲，張躍強，張 虹，段順遠，何新華*

（1 西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400716；2 四川省南充市農業(yè)科學院，四川南充 637000；3 云南省設計院集團城鄉(xiāng)規(guī)劃與生態(tài)環(huán)境設計研究院，云南昆明 650100；4 重慶農村土地交易所，重慶 400011）

梨是我國繼蘋果、柑橘之后的第三大栽培水果。2018年，我國梨樹栽培面積和產量分別占到世界的69%和68%[1]。肥料是梨樹生產中最重要的物質基礎之一，合理施肥不僅關系到梨果產量的提高和品質的改善，而且影響果園土壤肥力和經(jīng)濟效益[2]。近年來絕大多數(shù)果農在梨園生產中主要憑經(jīng)驗和習慣施肥，施肥比例失衡，帶來了很高的環(huán)境風險[3-4]。大量的肥料投入以及不合理的施肥也帶來了諸多問題，如梨園土壤酸化、有機質含量偏低、養(yǎng)分失衡、果品生理病害嚴重等問題[5-6]。研究也表明過量的氮肥投入會使果樹營養(yǎng)生長大于生殖生長而影響果實品質；同時導致地下水硝酸鹽污染和徑流流失以及水體氮富營養(yǎng)化[7-12]。所以迫切需要一種合理的土壤養(yǎng)分管理方式來指導農民降低肥料投入，提高肥料利用率，恢復土壤肥力，從而提高果實產量。

多年來，國內外通過研究提出了多種科學施肥方法，如以土壤測試為基礎的測土配方施肥。這種方法能提高施肥的準確性，降低施肥不足或不平衡對作物產量造成的影響，并在一定程度上提高梨的產量和單果質量[13-15]。但是由于土壤測試的長周期和高成本，仍然很難滿足我國一家一戶以小農戶為主的經(jīng)營單元及種植茬口緊的現(xiàn)實需求[16]。因此，急需另辟其它適合我國國情的推薦施肥方法。中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所和國際植物營養(yǎng)研究所近年來提出了基于產量反應和農學效率的推薦施肥方法，即結合計算機技術，建立問答式界面，把復雜的施肥原理簡化為農技推廣部門和農民方便使用的養(yǎng)分專家系統(tǒng) (Nutrient Expert)，簡稱NE系統(tǒng)[17]。NE系統(tǒng)通過了解農戶過去3～5年的施肥歷史和產量水平就可以完成施肥推薦。因此該方法特別適合我國以小農戶為經(jīng)營主體的國情，可以在有或沒有土壤測試條件下應用，是一種簡便易行的施肥方法。研究證明，NE系統(tǒng)推薦施肥方法能提高小麥、玉米、水稻的產量，達到減少化肥用量的目的[18-20]。但尚未發(fā)現(xiàn)NE系統(tǒng)在梨樹中的應用研究，本研究以2017—2019年3年的田間試驗，分析比較現(xiàn)行3種常見施肥技術 (農民習慣施肥、測土配方施肥和NE專家系統(tǒng)) 對梨果產量、品質、化肥利用率以及經(jīng)濟效益的影響差異，從而為NE系統(tǒng)在梨樹中的應用提供理論與實踐支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于2017—2019年在河北省安國市伍仁橋鎮(zhèn)北婁底村梨園進行，梨園面積為6500 m2，株行距為4 m × 5 m，株高 2.5 m 以內。梨品種為黃冠梨，樹齡20年處于盛果期，產量水平為30～40 t/hm2，成熟采收期為七月下旬到八月上旬。該地為溫帶季風氣候，年平均氣溫12.4℃，年平均降水量555.3 mm，年無霜期 208 天，平均蒸發(fā)量 1707 mm。試驗地處于平原，土壤類型為砂壤土，肥力中等。2017 年試驗開始前土壤的肥力狀況 (0—20 cm)為pH 7.6、堿解氮 80.7 mg/kg、有效磷 61.1 mg/kg、速效鉀 223 mg/kg，有機質 10.8 g/kg。

1.2 試驗設計

試驗設3個處理，分別為：農民習慣施肥(farmers’ practice，F(xiàn)P)；當?shù)剞r技部門推薦的測土配方施肥 (soil test，ST)；基于養(yǎng)分專家的推薦施肥(nutrient expert，NE)。每個處理設3次重復，每個重復5棵梨樹。年際間施肥總量見表1。FP施肥量來源于農戶調查，調查地點為河北省趙縣、深州、辛集3個地區(qū)共計160家農戶施肥信息，統(tǒng)計施肥量為：N 900±561 kg/hm2、P 264±192 kg/hm2和K 747±318 kg/hm2。其中施肥比例、施肥時間及位置按照當?shù)剞r民習慣，施肥方式為撒施。ST處理施肥量來源于當?shù)剞r技部門推薦提供，肥料分配與FP處理一致，3年的施肥量一致。NE處理的施肥量來源于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦 (簡稱NE系統(tǒng))。NE系統(tǒng)亦采用4R養(yǎng)分管理原則即正確的肥料品種 (right source)，正確的肥料用量 (right rate)，正確的施肥時間 (right time)，正確的位置 (right place) 給出合適的肥料品種及施肥時間，每年NE系統(tǒng)給出的推薦施肥量會根據(jù)上季的產量反應和農學效率做出適當?shù)恼{整和改動[17]。NE系統(tǒng)會根據(jù)產量反應和農學效率來表征土壤基礎肥力，肥力越低，推薦施肥量越高；反之，推薦施肥量越低 (表1)。NE系統(tǒng)推薦的氮素3年平均投入量比農民施肥 (FP)和測土施肥推薦 (ST) 分別降低了35.96%、28.32%，磷素比FP處理平均下降了28.8%，但比ST處理增加了20.59%，鉀素比FP和ST處理分別下降了57.92%、52.87%。

表 1 梨樹不同處理的施肥量 (kg/hm2)Table 1 Fertilization rates for pear trees in 2017–2019

養(yǎng)分專家系統(tǒng)根據(jù)梨樹生長發(fā)育時期，氮磷鉀肥料每年都分4次施用。具體為氮肥 (尿素)：30%基肥 (10月份，下同)，25%在萌芽期 (次年3月份，下同)、20%在果實膨大期 (次年5月份，下同)、25% 在壯果期 (次年 6 月份) 施用；磷肥 (過磷酸鈣)：50%基肥，20%在萌芽期、30%在果實膨大期施用；鉀肥 (硫酸鉀)：20%基肥，20%在萌芽期、30%在果實膨大期、30%在壯果期施用。施肥方式采用輪狀施肥，以樹冠的外圍0.5～2.5 m，開溝寬20～40 cm、深20—30 cm，將肥料與土壤適度混合后施入溝內，將溝填平。其中磷、鉀肥施入20—40 cm深的土層。梨園的病蟲害及雜草的防治按照當?shù)亓晳T進行。

1.3 取樣和測定方法

果實產量：準確計數(shù)每棵樹所結的果實總數(shù)，7月下旬梨果成熟期在每株梨樹上隨機取鮮果10～15個，分別稱重，取其平均值即為單果質量，以每棵樹的結果總數(shù)與這棵樹的平均單果重之積來計算單株產量，測得每個處理單株產量后，由單位面積株數(shù)計算單位面積鮮果產量。

果實品質測定：單果重，隨機稱取10個果實的重量，求其平均值 (g)；可滴定酸含量用NaOH中和滴定法測定；可溶性固形物含量采用阿貝折射儀測定法測定；維生素C (Vc)含量用2-6二氯靛酚滴定測定；可溶性糖含量用水楊酸法測定[18]。

氮磷鉀養(yǎng)分含量測定：在梨成熟期從每株樹樹冠的東、南、西、北 4個方向外圍中間各摘取新梢第7～8片功能葉20片，并選取大小相近、成熟度一致、無病蟲害及創(chuàng)傷的果實10個 (剪下果梗)。葉片和果實樣品洗凈后置于105℃烘箱內殺青15 min，70℃烘干至恒重；冷卻后用萬能粉碎機粉碎，放于密封袋內。果實葉片的氮、磷、鉀含量測定方法分別為凱氏定氮法、鉬銻抗比色法和火焰分光光度法[18]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

化肥農學效率 (AE) 計算公式 (以氮肥為例)：

式中：AE-N為氮肥的農學效率 (kg/kg)；Y(NPK)為施氮磷鉀肥處理的梨樹果實產量 (kg/hm2)；Y(–N)為不施氮肥的梨樹果實產量。

化肥偏生產力計算公式 (以氮肥為例)：

式中：PFP-N為氮肥偏生產力 (kg/kg)；Y為梨樹果實產量 (kg/hm2)。

經(jīng)濟效益為當年單位面積總收入 (果實產量 × 果實單價) 依次減去該處理單位面積肥料花費和人工費，修剪、灌溉及病蟲害防治等費用各處理基本一致。所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2016進行計算，統(tǒng)計分析采用SPSS 25.0軟件進行，差異顯著性檢驗采用最小差異法 (LSD)，P＜0.05為差異顯著，制圖采用Origin 2018 軟件完成。

2 結果與分析

2.1 梨樹葉片和果實的氮磷鉀養(yǎng)分吸收

2019年NE和ST施肥處理的葉片氮含量均顯著高于FP施肥處理，分別增加12.89%和14.68% (圖1a)。2017和2019年NE施肥處理的葉片磷含量顯著高于FP和ST施肥處理，2017年分別增加15.85%和22.57%，2019年分別增加12.89%和14.68%。2018年NE與ST施肥處理磷含量沒有顯著變化，但二者均顯著高于FP施肥處理，分別增加26.83%和26.90% (圖1a)。與FP處理相比，NE處理葉片氮、磷含量3年平均分別增加了8%和26%；果實中氮、磷、鉀3年平均分別增加了26%、68%和18%。NE施肥處理3年的果實鉀含量均顯著高于FP施肥處理。NE施肥處理的葉片鉀含量前兩年低于FP和ST施肥處理，而最后一年顯著高于FP和ST施肥處理，分別增加19.87%和19.73% (圖1b)。

圖 1 2017—2019年不同施肥處理下葉片與果實氮磷鉀養(yǎng)分含量變化Fig.1 Changes in nitrogen, phosphorus and potassium contents in the leaves and fruits of pears from 2017 to 2019

從圖1a還可看出，同一處理2017與 2018年葉片氮含量接近，但均顯著異低于 2019年。果實氮含量ST和FP兩個施肥處理年際間沒有顯著變化，NE施肥處理2018年果實氮含量顯著低于其他年份。葉片磷含量NE施肥處理3年間無顯著變化，ST施肥處理2018年顯著高于其余兩年，而FP施肥處理則是2017、2019年顯著高于2018年。果實磷含量在3年期間呈現(xiàn)不斷降低的趨勢，但FP處理3年降低未達到顯著水平，而ST施肥處理在2019年顯著降低，NE施肥處理則在2018年就已顯著降低。NE施肥處理的葉片鉀含量3年期間呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，并在2018和2019年均達到顯著差異水平，F(xiàn)P施肥處理和ST施肥處理則在2018年顯著增加達到峰值。3個處理的果實鉀含量3年均呈現(xiàn)降低趨勢，其中NE施肥處理2018、2019年達到顯著差異水平，ST施肥處理2019年達到顯著差異水平 (圖 1b)。

2.2 梨果實品質

3年的試驗，同年NE施肥處理的果實可溶性糖含量都顯著高于FP和ST施肥處理，增加幅度2017年為34%和26%，2018年為17%和7%，2019年為31%和30%；與FP處理相比，NE施肥處理3年平均果實中的可溶性糖含量和固酸比分別顯著提高了27%和10%，Vc含量提高了4.1%～24.1%；與ST處理相比，NE處理3年平均僅果實可溶性糖含量顯著提高了21%。同一年份3個處理的可滴定酸和可溶性固形物含量無顯著差異 (表2)。

同一施肥處理年際間果實可溶性糖和可滴定酸含量都沒有顯著差異，可溶性固形物含量年際間顯著差異，3 個處理均為2019 年＞2018 年＞2017 年，固酸比為2017 年≈2019 年＞2018 年；Vc 含量FP施肥處理2017年顯著高于2018和2019年，ST施肥處理3年沒有顯著差異，NE施肥處理2017和2018年均顯著高于2019年 (表2)。

表 2 2017—2019年不同施肥處理對果實品質的影響Table 2 Effects of fertilization on the fruit quality of pears from 2017 to 2019

2.3 果實產量及經(jīng)濟效益分析

在2017到2019年3年期間，與FP和ST施肥處理相比，NE施肥處理能顯著提高果實產量 (圖2)。在2017、2018和2019年3年期間，NE處理3年間梨果平均最高產量和產值分別為45.80 t/hm2和18.61萬元/hm2，NE施肥處理的果實產量每年分別比FP與ST施肥處理增加了15.56%、26.91%、20.33%和11.16%、15.23%、10.24%。此外，3年內無論FP、ST還是NE施肥處理，同一施肥處理下不同年際間果實產量都是2019年高于2017和2018年。

2017—2019年，NE施肥處理的經(jīng)濟效益顯著高于FP和ST施肥處理。相比于FP施肥處理，NE施肥處理經(jīng)濟效益3年分別提高了17%、29%和23%；相比于ST施肥處理，NE施肥處理的經(jīng)濟效益分別提高了11%、16%和11% (圖2)。

圖 2 2017—2019年不同施肥處理下的果實產量及經(jīng)濟效益變化Fig.2 Changes in fruit production and economic benefits of different fertilization treatments from 2017 to 2019

2.4 梨樹肥料農學效率和偏生產力變化

2.4.1 氮肥農學效率和偏生產力變化 由表3可以看出，NE與FP施肥處理相比，其2017、2018和2019年的氮肥農學效率 (AE-N) 分別提高了10.62、14.91和15.76 kg/kg；其偏生產力 (PFP-N) 分別提高了 35.54、33.21和40.82 kg/kg。

表 3 2017—2019年不同施肥處理下肥料養(yǎng)分農學效率和偏生產力變化Table 3 Changes in agronomic efficiency and partial factor productivity of different fertilizer application from 2017 to 2019

此外，在此3年期間同一施肥處理不同年份之間氮肥農學效率 (AE-N)和偏生產力 (PFP-N) 差異顯著，表現(xiàn)在FP施肥處理分別為2017年≈2019年＞2018年和2017年≈2018年≈2019年，在ST施肥處理都為2017年≈2018年≈2019年，以及在NE施肥處理下為2017年≈2018年≈2019年和2017年≈2018年＜2019年。

2.4.2 磷肥農學效率和偏生產力變化 由表3可知，NE與FP施肥處理相比，其2017、2018和2019 年的磷肥農學效率 (AE-P)和偏生產力 (PFP-P)分別提高了 15.31、21.51、23.03 kg/kg和41.17、39.32、46.13 kg/kg。

此外，在此3年期間同一施肥處理不同年份之間磷肥農學效率 (AE-P)和偏生產力 (PFP-P) 差異顯著，表現(xiàn)在 FP 處理為2017 年≈2019 年＞2018 年和2017 年≈2018 年≈2019 年，ST 處理都為2017 年＜2018年≈2019年，以及NE處理都為2017年≈2018 年＜2019 年。

2.4.3 鉀肥農學效率和偏生產力變化 根據(jù)表3可以得出，NE與FP施肥處理相比，其2017、2018和2019年的鉀肥農學效率 (AE-K) 分別提高了20.47、24.79和26.92 kg/kg，其偏生產力 (PFP-K) 分別提高了 84.12、82.11和64.21 kg/kg。

此外，在此3年期間同一施肥處理不同年份之間鉀肥農學效率 (AE-K)和偏生產力 (PFP-K) 差異顯著，表現(xiàn) FP 處理下為2019 年＞2017 年＞2018 年和2017 年≈2019 年＞2018 年，ST 處理都為2019 年＞2017 年≈2018 年，以及 NE 處理為2019 年＞2017 年≈2018 年和2017 年＞2018 年≈2019年。

3 討論

3.1 不同施肥處理對果實產量和經(jīng)濟效益的影響

研究結果表明，相比于農民習慣施肥 (FP)，NE施肥處理能顯著提高梨果產量，提升經(jīng)濟效益。2017—2019年，相比于FP施肥處理，NE施肥處理3年提高產量和經(jīng)濟效益分別為15.56%～26.91%和17%～29% (圖2)。同時養(yǎng)分專家系統(tǒng)在獲取地塊信息以及土壤類型及其等級基礎上，也對測土配方數(shù)據(jù)進行了兼容，并隨著每年的反饋進行調整，比測土配方施肥更加全面。因此NE施肥處理的產量也高于ST施肥處理。如柳開樓等[19]在雙季稻中的研究表明，與農民習慣施肥相比，養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥可以顯著提高雙季稻產量。王宜倫等[20]的研究表明NE施肥比農民習慣FP施肥夏玉米和冬小麥分別增產5.45%～10.12%和2.20%～3.59%。這些增產效果與本研究結果類似。但是養(yǎng)分專家系統(tǒng)提供的優(yōu)化方案能否以有機肥替代一部分化肥，以及能否在維持土壤養(yǎng)分平衡的基礎上穩(wěn)定或者繼續(xù)提高多年生果樹果實產量，需要進一步探究。

3.2 不同施肥處理對果實品質的影響

2017—2019年，3年里隨著NE施肥處理的持續(xù)優(yōu)化應用，2019年梨成熟期的葉片和果實的養(yǎng)分含量都呈現(xiàn)出NE施肥處理顯著高于FP施肥處理 (圖1)。這和養(yǎng)分專家系統(tǒng)在水稻、玉米和小麥等農作物上的研究結果相似[21-23]。NE施肥處理相比于FP施肥處理減少了肥料用量，梨的果實和葉片的養(yǎng)分含量卻顯著增加。原因可能是NE系統(tǒng)可以根據(jù)地塊信息、產量反應和氮磷鉀的農學效率進行施肥推薦，并能根據(jù)上一年的產量反應和農學效率等信息進行優(yōu)化和調整。因此比根據(jù)農民經(jīng)驗的FP施肥更精確，也更符合梨樹的養(yǎng)分需求。另外NE處理的施肥方案是基于4R的養(yǎng)分管理，包括肥料的種類、肥料用量、施肥時間以及施肥位置，優(yōu)化了肥料的施用。但養(yǎng)分含量增加的生理機制值得進一步研究。

與一年生糧食作物相比，除了產量之外，多年生梨樹的果實品質是影響食味口感和經(jīng)濟效益的一項重要指標。氮磷鉀養(yǎng)分是影響果實品質還原糖、可滴定酸、Vc和可溶性固形物含量的主要因素[24]。因此不同施肥處理對果實品質有著很大影響。如湯婷婷[25]對梨果經(jīng)濟性狀主成分分析的結果表明，在反映果實品質的6個性狀中，可溶性糖、可溶性固形物、可滴定酸含量為首要性狀?？扇苄怨绦挝锱c可滴定酸比值也是判斷果實成熟度的一個重要指標[26-27]。本研究中前兩年NE與FP施肥處理相比，固酸比均有小幅增加，而第3年顯著提高；Vc和可溶性糖含量分別提高4.1%～24.1%和17%～34% (表2)。因此與FP施肥處理相比，NE施肥處理可以提高果實品質；同時與ST施肥處理相比，NE施肥處理顯著提高可溶性糖含量，3年平均提高21% (表2)。喬永勝等[28]對玉露香梨不同氮水平的研究發(fā)現(xiàn)，N、P、K施肥量分別為300、105、210 kg/hm2時，果實品質最佳。該結果與本研究結果不完全一致，其主要原因可能在于：1) 試驗采用的梨品種不同，對肥料的需求不完全相同；2) 試驗地日照、降雨量以及溫度等具有一定差異；3) 試驗地土壤養(yǎng)分狀況與梨園管理措施不同。

3.3 不同施肥處理對肥料利用率的影響

科學合理施肥是果樹樹體正常生長及生產優(yōu)質果品的重要基礎[29-31]。養(yǎng)分利用率是評價施肥合理性最直接的指標[32]。因此提高肥料利用率是實現(xiàn)梨高產高效優(yōu)質的研究方向之一。農學效率和偏生產力是表征肥料利用率的常用指標，其與產量、施肥量和土壤肥力水平關系最為密切。本研究中，NE施肥處理能在提高梨產量的同時降低肥料用量，原因在于NE系統(tǒng)能提高氮磷鉀肥料的農學效率和偏生產力，這與在水稻、玉米、小麥中的研究[21，33-35]結果相似。最近，何雪菲等[36]對庫爾勒香梨的研究表明，隨著施氮水平的提高，15N 利用率呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，在適宜的施氮水平下 (300 kg/hm2) 表現(xiàn)出較高的氮肥利用率。

4 結論

基于產量反應和農學效率的養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥可以通過優(yōu)化黃冠梨肥料運籌提高梨果產量、品質、養(yǎng)分含量、經(jīng)濟效益。采用該方法推薦的氮磷鉀肥料用量比農民習慣施肥處理分別下降了35.96%、28.8%和57.92%，氮肥和鉀肥用量比測土配方施肥處理分別下降了28.32%和52.87%，而產量比農民習慣施肥處理提高了15.56%～26.91%，經(jīng)濟效益也提高了17%～29%，氮、磷和鉀農學效率分別增加10.62～15.76、15.31～23.03和20.47～26.95 kg/kg，偏生產力分別增加了33.21～40.82、39.32～46.13和64.21～84.12 kg/kg。與 FP 處理相比，NE處理3年平均果實中可溶性糖含量和固酸比分別顯著提高了27%和10%；與ST處理相比，NE處理僅可溶性糖含量顯著提高了21%。因此，養(yǎng)分專家系統(tǒng)在梨樹生產中具有很好的可行性。