基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在東北玉米上的長期綜合效應(yīng)

侯云鵬，孔麗麗，徐新朋，尹彩俠，張 磊，趙胤凱，劉志全，王立春

基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在東北玉米上的長期綜合效應(yīng)

侯云鵬1，孔麗麗1，徐新朋2，尹彩俠1，張 磊1，趙胤凱1，劉志全1，王立春1※

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室/吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，長春 130033； 2. 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，北京 100081）

為明確養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥對東北玉米產(chǎn)量與收益、肥料利用率與土壤養(yǎng)分的長期綜合效應(yīng)，于2012—2020年開展了田間定位試驗，共設(shè)置5處理：分別為1）不施肥（CK）；2）農(nóng)民習(xí)慣施肥（FP）；3）養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥（NE）；4）在NE基礎(chǔ)上配施緩/控釋氮肥（NER）；5）土壤測試推薦施肥（ST）。探究9 a間產(chǎn)量與收益、肥料利用率、土壤養(yǎng)分和養(yǎng)分平衡的變化規(guī)律。結(jié)果表明，NE和ST處理較FP處理顯著降低了氮磷肥用量（<0.05），顯著增加了鉀肥用量（<0.05）。與FP處理相比，NE、NER和ST處理提高了玉米產(chǎn)量、收益及其穩(wěn)定性。其中均以NE處理最高，之后依次為ST和NER處理。NE、NER和ST處理肥料平均回收利用率、農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力較FP處理分別提高了29.0%～40.1%（<0.05）、31.3%～44.3%（<0.05）和22.0%～31.7%（<0.05），且均以NE處理最高。與FP處理相比，NE、NER和ST處理提高了0～30 cm土壤無機(jī)氮含量，降低了>30～90 cm土壤無機(jī)氮和0～30 cm土壤有效磷含量，而不同施肥處理土壤速效鉀含量差異未達(dá)顯著水平（>0.05），其中NE處理與試驗起始養(yǎng)分含量最為接近。9 a養(yǎng)分平衡結(jié)果顯示，F(xiàn)P、NE、NER和ST處理氮、磷均表現(xiàn)為盈余，而鉀素表現(xiàn)為虧缺，且NE處理氮、磷盈余量和鉀虧缺量均為最低。綜上，與農(nóng)民習(xí)慣施肥和土壤測試推薦施肥相比，養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥不僅可提高玉米產(chǎn)量、收益和肥料利用效率，并可保持土壤養(yǎng)分穩(wěn)定。因此，它是一種適用于中國東北玉米的推薦施肥方法。

土壤；養(yǎng)分；肥料；養(yǎng)分專家系統(tǒng)；玉米產(chǎn)量；凈收入；肥料利用效率；養(yǎng)分平衡

0 引 言

東北是中國最大的春玉米種植區(qū)域，常年種植面積達(dá)1 655.42萬hm2，總產(chǎn)量11 591.8萬t，分別占中國玉米種植面積的40%和總產(chǎn)量的44.5%[1]，其高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對保證中國糧食安全舉足輕重[2]?；首鳛榧Z食的“糧食”，對玉米產(chǎn)量的提高發(fā)揮了重要作用[3-4]，但在提高玉米產(chǎn)量的同時，由于化肥的不合理投入，不僅導(dǎo)致土地產(chǎn)出效率處于較低水平[5-6]，同時還對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了不利影響，如溫室效應(yīng)和對水、土的環(huán)境污染[7-8]?？梢?，合理地進(jìn)行養(yǎng)分管理，在確保糧食產(chǎn)量同時，降低化肥對環(huán)境的影響顯得尤為重要。

目前國內(nèi)外養(yǎng)分管理主要依據(jù)以土壤測試[9-10]和作物反應(yīng)[11-12]為基礎(chǔ)推薦施肥。這些推薦施肥方法確定的養(yǎng)分管理措施在提高玉米產(chǎn)量、收益和肥料利用率方面發(fā)揮了積極作用。但這些方法普遍存在分析速度慢、時效性差、測試成本高等問題，而且在生產(chǎn)實踐中很難落實到每個生產(chǎn)主體上。因此，需要更加科學(xué)系統(tǒng)、靈活便利、適用于小農(nóng)戶的推薦施肥方法。養(yǎng)分專家系統(tǒng)（Nutrient Expert System，NE）是一種應(yīng)用地上部養(yǎng)分吸收或產(chǎn)量反應(yīng)表征土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力而建立的推薦施肥方法，其推薦施肥原理是基于作物產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率[13]，在有或無土壤測試條件下均可以應(yīng)用。該方法可有效避免土壤測試與作物產(chǎn)量反應(yīng)間相關(guān)性弱的問題，并可解決不同地塊間土壤肥力條件的差異，是一種適應(yīng)不同種植規(guī)模生產(chǎn)管理方式的推薦施肥方法[14]，得到廣泛應(yīng)用。

近年來基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在小麥、玉米、水稻、馬鈴薯等作物上開展諸多研究，取得了重要進(jìn)展。這些研究均表明，基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥策略可有效避免施肥過量或不足等問題，并使作物產(chǎn)量、收益和作物養(yǎng)分利用效率顯著提高[15-17]。但這些研究多集中在玉米產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益、肥料利用率和模型穩(wěn)定性等方面，缺乏對土壤有效養(yǎng)分變化特征的關(guān)注，且多集中在1～2 a的短期試驗，有關(guān)更長時間試驗條件下基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在東北玉米上的綜合效應(yīng)鮮見報道，而不同施肥模式下的施肥效應(yīng)以及土壤有效養(yǎng)分變化特征需要通過長期的定位試驗來評價。因此，本研究通過在吉林省中部地區(qū)開展的連續(xù)9 a定位試驗（2012—2020年），應(yīng)用產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益、肥料利用率和土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力等方面的綜合特征變化對不同施肥模式進(jìn)行綜合評價，其目標(biāo)是：1）明確養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥下的玉米產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益和養(yǎng)分吸收利用的變化特征；2）明確養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥對土壤有效養(yǎng)分（無機(jī)氮、有效磷和速效鉀）和養(yǎng)分收支平衡的長期影響，以期為東北地區(qū)玉米科學(xué)施肥和可持續(xù)高效施肥技術(shù)創(chuàng)新提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗于2012—2020年在吉林省公主嶺市陶家屯鎮(zhèn)（35°58′41″N，116°58′22″E）進(jìn)行。該地區(qū)位于吉林省中部地區(qū)，四季分明，雨熱同季。多年平均氣溫5.6 ℃，降雨量594.8 mm，無霜期144 d。供試土壤類型為黑土，質(zhì)地為砂壤，2012年試驗起始時土壤養(yǎng)分狀況為：有機(jī)質(zhì)21.28 g/kg，pH值6.32，堿解氮102.66 mg/kg、有效磷39.13 mg/kg、速效鉀112.42 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置5個處理，包括：1）不施肥（CK）；2）農(nóng)民習(xí)慣施肥措施：根據(jù)調(diào)查農(nóng)戶施肥與種植模式確定（FP）；3）使用養(yǎng)分專家系統(tǒng)軟件進(jìn)行肥料管理（NE），首先對農(nóng)戶進(jìn)行播前調(diào)查試驗地塊的質(zhì)地、顏色、肥料使用情況、秸稈處理方式和該地塊過去3～5 a玉米產(chǎn)量等信息，輸入NE系統(tǒng)得出肥料用量和施肥方法；4）使用養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥緩控釋氮肥一次性施用方案，50%包膜尿素+50%普通尿素（NER）；5）基于土壤測試推薦施肥（ST）；不同處理肥料用量及各時期施用比例見表1。每個處理重復(fù)3次，小區(qū)面積60 m2（長15.4 m×寬3.9 m），完全隨機(jī)排列。試驗用氮、磷、鉀肥分別為尿素（N 46%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）、樹脂包膜尿素（43% N，氮素釋放曲線為S型，釋放期為60 d）、重過磷酸鈣（46% P2O5）和氯化鉀（60% K2O）。供試玉米品種根據(jù)每年《吉林省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳關(guān)于發(fā)布吉林省農(nóng)業(yè)主導(dǎo)品種和主推技術(shù)的通知》選定，具體玉米品種分別為：先玉335（2012－2014年）、農(nóng)華101（2015－2019年）和富民108（2019－2020年）。種植密度分別為60 000株/hm2（2012－2014年）和65 000株/hm2（2015－2020年）。于4月28日－5月7日播種，9月28日－10月6日收獲。試驗開展過程中無人工灌溉，其他病蟲草害的防治措施均按當(dāng)?shù)亓?xí)慣方式進(jìn)行。

表1 不同處理肥料運籌

1.3 項目測定與方法

1.3.1 植株樣品采集與分析

玉米成熟期，在各小區(qū)隨機(jī)選取5株玉米，分為莖稈與籽粒兩部分，105 ℃烘箱中殺青 30 min后，調(diào)至65 ℃烘干至恒質(zhì)量，計算生物量。采用H2SO4-H2O2法消煮制備待測液，分別用凱氏定氮法、釩鉬黃比色法、火焰光度計法測定玉米植株和籽粒全氮、全磷、全鉀含量[18]。

1.3.2 土壤樣品采集與分析

每季玉米收獲后，采集0～90 cm土壤（30 cm為一層），每個小區(qū)采集5點，去除植物殘體與根系，同層次土壤混合后帶回實驗室，其中0～30 cm土壤分為兩部分，一部分放置于陰涼通風(fēng)處風(fēng)干，研磨過1 mm篩后測定土壤有效磷和速效鉀含量，另一部分與30～60 cm和60～90 cm土壤研磨過 5 mm篩后，測定土壤無機(jī)氮含量（NO3-N和NH4+N含量之和），土壤NO3-N和NH4+N含量采用2 mol/L KCl溶液（土液比1:5）震蕩浸提, 流動注射分析儀測定（FIAstar5000，F(xiàn)OSS，丹麥）。有效磷含量采用0.05 mol NaHCO3浸提，紫外分光光度計測定（用700 nm波長比色）；速效鉀含量采用醋酸銨浸提，火焰光度法測定[18]。

1.3.3 成熟期玉米產(chǎn)量測定

成熟期于各小區(qū)選取中間兩行玉米收獲，自然風(fēng)干后脫粒，測定春玉米籽粒含水率，并基于中國糧食安全儲藏標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定14.0%含水率，換算成玉米產(chǎn)量。

1.4 試驗數(shù)據(jù)處理

產(chǎn)量、凈收入的穩(wěn)定性和可持續(xù)性指數(shù) 以變異系數(shù)（Coefficient of Variation, CV）和可持續(xù)指數(shù)（Sustainable Index，SI）衡量年際間產(chǎn)量和凈收入的變異程度來確定產(chǎn)量和凈收入的穩(wěn)定性，CV值越大則說明產(chǎn)量和凈收入的穩(wěn)定性越低，SI 指數(shù)越高則說明該系統(tǒng)產(chǎn)量和凈收入的穩(wěn)定性可持續(xù)越好。計算公式為[19]

CV=/×100% （1）

SI=(?)/max（2）

式中為標(biāo)準(zhǔn)差，kg/hm2，為試驗中某一處理的產(chǎn)量或凈收入均值，max為所有年份中產(chǎn)量或凈收入的最大值。

養(yǎng)分收支平衡（kg/hm2）=地上部養(yǎng)分積累量－施肥量

凈收入（元/hm2）=玉米產(chǎn)量×玉米價格－生產(chǎn)投入成本（具體包括種子、肥料、農(nóng)藥、種植收獲人工成本）

肥料回收利用率（RE%）=（施肥區(qū)植株地上部養(yǎng)分積累量－不施肥區(qū)植株地上部養(yǎng)分積累量）/施肥量×100

肥料農(nóng)學(xué)利用率（AE，kg/kg）=（施肥區(qū)籽粒產(chǎn)量－不施肥區(qū)籽粒產(chǎn)量）/施肥量

肥料偏生產(chǎn)力（PFP，kg/kg）=施肥區(qū)籽粒產(chǎn)量/施肥量

不同年份間肥料利用效率可看作當(dāng)季肥料養(yǎng)分利用效率，將9 a平均肥料利用效率作為累積肥料利用效率進(jìn)行比較。玉米價格由根據(jù)每年玉米市場價格確定；生產(chǎn)投入成本由根據(jù)每年種子、肥料、農(nóng)藥價格和種植收獲人工成本確定。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016進(jìn)行整理，SigmaPlot 14.0軟件繪圖。SAS 9.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用LSD法在0.05水平下進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理施肥量比較

從肥料用量的分布情況結(jié)果可知（圖1），NE/NER和ST處理肥料總量無論最大值、最小值或均值均顯著低于FP處理（0.05）。在不同營養(yǎng)元素中，NE/NER和ST處理氮、磷肥用量均顯著低于FP處理（0.05），其中氮肥平均用量分別下降24.1%和15.6%，磷肥平均用量分別下降28.4%和18.0%，而鉀肥用量則顯著高于FP處理（0.05），平均用量分別提高24.9%和9.5%。與ST處理相比，NE/NER處理氮、磷用量分別降低10.1%和12.7%，鉀肥用量提高了14.1%，而肥料總量差異未達(dá)顯著水平（0.05）。

2.2 不同處理玉米產(chǎn)量、凈收入與穩(wěn)定性差異

試驗?zāi)攴荩ǎ┖褪┓侍幚恚ǎτ衩桩a(chǎn)量（∶= 46.23，<0.001；∶=1 754.65，<0.001）和凈收入（∶=532.52，<0.001；∶=1 661.70，<0.001）均具有顯著影響，且兩因素的互作效應(yīng)均達(dá)到了顯著水平（產(chǎn)量：=15.91，<0.001；凈收入：=9.49，<0.001，=135）。玉米產(chǎn)量雖然在不同年際間存在差異，但整體趨勢均表現(xiàn)一致，NE、NER和ST處理玉米產(chǎn)量在不同年份均顯著高于FP處理（<0.05；圖2），其中以NE處理玉米產(chǎn)量最高，9 a平均增幅為11.0%（表2）。在不同推薦施肥處理中，NE處理平均玉米產(chǎn)量顯著高于NER處理（<0.05），增幅達(dá)5.1%，但與ST處理差異不顯著（>0.05）。

經(jīng)濟(jì)效益方面，受不同年際玉米產(chǎn)量、玉米價格和生產(chǎn)投入成本的影響，凈收入雖然在不同年際間中存在差異，但整體趨勢均表現(xiàn)一致，NE、NER和ST處理凈收入在不同年份均顯著高于FP處理（<0.05），9 a平均增幅分別為14.3%、8.3%和11.0%。在不同推薦施肥處理中，NE處理平均凈收入顯著高于NER處理（<0.05），增幅達(dá)5.5%，但與ST處理差異不顯著（>0.05）。

在穩(wěn)定性方面，玉米產(chǎn)量CV值和凈收入CV值均以CK處理最高，相反SI指數(shù)則以CK處理最低。與FP處理相比，NE處理玉米產(chǎn)量CV值和凈收入CV值均顯著下降（<0.05），降幅分別為15.6%和11.9%。在不同推薦施肥處理中，NE處理較NER和ST處理顯著降低了玉米產(chǎn)量CV值和凈收入CV值（<0.05），其中玉米產(chǎn)量CV值降幅分別為14.1%和11.6%，凈收入CV值降幅分別為9.2%和7.2%；與FP處理相比，NE處理玉米產(chǎn)量SI指數(shù)和凈收入SI指數(shù)均顯著增加（<0.05），增幅分別為9.8%和12.9%。在不同推薦施肥處理中，NE處理玉米產(chǎn)量SI值和凈收入SI值均顯著高于NER處理（<0.05），增幅分別為5.9%和6.8%，但與ST處理差異不顯著（>0.05）。

表2 不同處理玉米產(chǎn)量、凈效益、變異系數(shù)及可持續(xù)性指數(shù)

2.3 不同處理養(yǎng)分吸收與利用效率

2.3.1 養(yǎng)分吸收

試驗?zāi)攴荩ǎ┖褪┓侍幚恚ǎτ衩椎ā? 181.59，<0.001；∶=8 803.87，<0.001）、磷（∶= 9.87，<0.001；∶=388.52，<0.001）、鉀積累量（∶= 11.18，<0.001；∶=461.18，<0.001，=135）均具有顯著影響，且兩因素的互作效應(yīng)均達(dá)到顯著水平（氮積累量：=55.35，<0.001；磷積累量：=2.62，<0.001；鉀積累量：=3.82，<0.001，=135）。玉米氮、磷、鉀積累量雖然在不同年際間存在差異，但整體趨勢均表現(xiàn)一致，不同推薦施肥處理間（NE、NER和ST）氮、磷、鉀積累量差異均未達(dá)顯著水平（>0.05；圖3和表3），與FP處理相比，NE、NER和ST處理玉米氮、磷積累量在不同年份均顯著提高（<0.05），其中氮積累量9 a平均增幅分別為11.6%、6.4%和8.8%，磷積累量9 a平均增幅分別為16.5%、10.7%和10.7%。而鉀積累量差異未達(dá)顯著水平（>0.05）。

表3 不同處理玉米平均氮、磷、鉀積累量

2.3.2 肥料利用效率

試驗?zāi)攴荩ǎ┖褪┓侍幚恚ǎτ衩追柿匣厥绽寐剩ā?1255.19，<0.001；∶=1346.64，<0.001）、農(nóng)學(xué)利用率（∶=253.52，<0.001；∶=166.40，<0.001）和偏生產(chǎn)力（∶=38.77，<0.001；∶= 375.88，<0.001）均具有顯著影響，且兩因素的互作效應(yīng)均達(dá)到顯著水平（肥料回收利用率：=5.46，<0.001；肥料農(nóng)學(xué)利用率：=2.86，<0.001；肥料偏生產(chǎn)力：=2.71，<0.001，=108）。玉米肥料利用效率雖然在不同年際間存在差異，但整體趨勢均表現(xiàn)一致，NE、NER和ST處理不同年際間肥料回收利用率、農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力均顯著高于FP處理（<0.05，圖4），9 a平均肥料回收利用率、農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力提高幅度分別為29.0%～40.1%、31.3%～44.3%和22.0%～31.7%（表4）。在不同推薦施肥處理中，NE處理肥料回收利用率、農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力均顯著高于NER和ST處理（<0.05）。其中肥料回收利用率分別提高5.7%和8.6%，農(nóng)學(xué)利用率分別提高9.2%和9.9%，偏生產(chǎn)力分別提高5.3%和7.9%。

表4 不同處理玉米平均肥料利用效率

2.4 不同處理土壤養(yǎng)分含量變化

2.4.1 土壤無機(jī)氮含量

試驗?zāi)攴荩ǎ┖褪┓侍幚恚ǎ┚鶎?～30 cm（∶=12.23，<0.001；∶=361.39，<0.001）、>30～60 cm（∶=9.79，<0.001；∶=298.3，<0.001）和>60～90 cm土壤無機(jī)氮含量（∶=7.36，<0.001；∶=209.43，<0.001）影響顯著，且兩因素的互作效應(yīng)均達(dá)到顯著水平（0～30 cm：=7.19，<0.001；>30～60 cm：=6.02，<0.001；>60～90 cm：=4.89，<0.001，=135）。不同層次土壤無機(jī)氮含量雖然在不同年際間存在差異，但整體趨勢均表現(xiàn)一致。NE、NER和ST處理0～30 cm 土壤無機(jī)氮含量均顯著高于FP處理（<0.05），其中以NER處理最高；而>30～60和>60～90 cm土壤無機(jī)氮含量均低于FP處理，其中>30～60 cm 土壤無機(jī)氮含量以NER處理降幅最高，>60～90 cm 土壤無機(jī)氮含量以NE處理降幅最高。在不同推薦施肥處理中，NER處理0～30 cm 土壤無機(jī)氮含量較NE和ST處理分別提高1.7%和13.6%；而ST處理的深層土壤>30～60和>60～90 cm無機(jī)氮含量較高，其中>30～60 cm較NE和NER處理分別提高了16.3%和23.0%，>60～90 cm分別提高了12.4%和5.5%。與試驗起始時相比，F(xiàn)P處理0～30 cm土壤無機(jī)氮含量顯著下降，而>30～90 cm土壤無機(jī)氮含量顯著增加；在不同推薦施肥處理中，ST處理0～30 cm土壤無機(jī)氮含量較試驗起始時有所下降，>30～90 cm土壤無機(jī)氮含量小幅提升；而NE和NER處理0～90 cm土壤無機(jī)氮含量變幅較小。

2.4.2 土壤有效磷和速效鉀含量

試驗?zāi)攴荩ǎ┖褪┓侍幚恚ǎ┚鶎ν寥烙行Я祝ā?27.35，<0.001；∶=419.41，<0.001，=135）和速效鉀含量（∶=46.97，<0.001；∶=29.63，<0.001，=135）影響顯著，且兩因素的互作效應(yīng)均達(dá)到顯著水平（有效磷含量：=11.34，<0.001；速效鉀含量：=4.65，<0.001；=135）。雖然不同年際間的土壤有效磷和速效鉀含量存在一定差異，但不同處理間的年季變化趨勢表現(xiàn)一致，F(xiàn)P處理土壤有效磷含量顯著高于NE、NER和ST處理（<0.05，圖6），9 a平均增幅分別為4.0%、6.1%和6.3%。而不同推薦施肥處理間（NE、NER和ST）土壤有效磷含量差異無顯著水平（>0.05）。不同施肥處理間土壤速效鉀含量差異未達(dá)顯著水平（>0.05）。與試驗起始時相比，F(xiàn)P處理土壤有效磷含量顯著提高（<0.05），并隨施肥年限的增加而增加，9 a平均增幅為5.4%；而NE、NER和ST處理土壤有效磷含量與試驗起始時差異未達(dá)顯著水平（>0.05）。與起始土壤速效鉀含量相比，各施肥處理均呈下降趨勢，但各施肥處理間的差異未達(dá)顯著水平（>0.05）。

2.5 不同處理氮磷鉀平衡

經(jīng)過9 a的連續(xù)種植（表5），CK處理的3種養(yǎng)分均表現(xiàn)為虧缺。而不同施肥處理氮、磷均表現(xiàn)為盈余。與FP處理相比，NE、NER和ST處理氮、磷盈余量均顯著下降（<0.05），其中以NE處理氮、磷盈余量最低，降幅分別為95.0%和90.8%。不同推薦施肥處理中，與NER和ST處理相比，NE處理氮盈余量分別降低67.1%和86.0%，磷盈余量分別降低50.7%和77.6%，差異均達(dá)顯著水平（<0.05）。鉀與氮磷不同，不同施肥處理均表現(xiàn)為虧缺，而NE和NER處理鉀虧缺量均顯著低于FP處理（<0.05）。降幅分別為30.8%和30.1%。不同推薦施肥處理中，NE和NER處理鉀虧缺量顯著低于ST處理（<0.05），降幅分別為27.2%和26.4%。

表5 不同處理氮磷鉀平衡（2012－2020年）

3 討 論

3.1 玉米產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益

養(yǎng)分均衡供應(yīng)可以促進(jìn)作物對養(yǎng)分的吸收、轉(zhuǎn)運及同化，并最終影響作物產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益[16,20]。本研究中，與FP處理相比，NE/NER和ST處理氮、磷肥平均用量顯著降低，雖然鉀肥用量高于FP處理，但施肥總量依然下降顯著（<0.05），且NE/NER處理較ST處理肥料總量無顯著性差異（圖1）。與此同時，NE、NER和ST處理通過平衡施肥，在降低肥料用量的同時，玉米產(chǎn)量和穩(wěn)定性顯著高于或不次于FP處理，而NE、NER和ST處理以較低的施肥成本和獲得較高的產(chǎn)量，其經(jīng)濟(jì)效益和穩(wěn)定性也顯著高于或不次于FP處理，且均以NE處理最高，后依次為ST和NER處理（圖2，表2）?？梢娀陴B(yǎng)分專家系統(tǒng)（NE）推薦施肥的效果優(yōu)于基于土壤測試推薦施肥方法。主要是由于兩種推薦施肥方法原理存在差異有關(guān)?；谕寥罍y試推薦施肥主要是通過土壤養(yǎng)分豐缺程度確定適宜肥料用量[21]，而相關(guān)研究表明[22]，土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分（氮、磷、鉀）供應(yīng)能力與土壤有效養(yǎng)分含量（堿解氮、有效磷和速效鉀）的相關(guān)性較弱，特別是氮素在土壤中損失途徑較多，且轉(zhuǎn)化過程復(fù)雜，往往土壤養(yǎng)分測試值不能反映真實的土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)能力，因此在推薦肥料用量存在一定的不確定性[23-24]。養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在估算作物一定目標(biāo)產(chǎn)量下的養(yǎng)分吸收量時，考慮了養(yǎng)分之間的相互作用，使模擬的產(chǎn)量與養(yǎng)分吸收關(guān)系曲線更接近于實測值[25]，并將施肥后的作物產(chǎn)量分為土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)產(chǎn)量和施肥所增加作物產(chǎn)量兩部分，結(jié)合上季作物的養(yǎng)分盈余情況和當(dāng)季作物收獲的養(yǎng)分移走量，實現(xiàn)養(yǎng)分供需平衡，保證了土壤養(yǎng)分的穩(wěn)定性[26]。同時養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥采用的是“4R”養(yǎng)分管理策略[27]，如在本研究中氮肥按基肥:分蘗肥:開花肥3:5:2比例分次施用，最大限度的優(yōu)化養(yǎng)分供給和作物需求間同步，因此總體表現(xiàn)相對更好。而NER處理中緩/控釋氮肥由于受不同年際間降雨量的影響，影響其釋放效果[28]，導(dǎo)致增產(chǎn)效果低于NE和ST處理。

3.2 養(yǎng)分吸收利用

肥料利用效率作為評價施肥是否合理的重要指標(biāo)之一，反映的是作物-土壤-肥料三者間關(guān)系的動態(tài)參數(shù)。由作物產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收總量和肥料投入量共同決定[29]。而作物養(yǎng)分積累是作物生長、根系吸收能力和土壤養(yǎng)分有效性動態(tài)變化的結(jié)果。是提高作物產(chǎn)量和肥料利用效率的基礎(chǔ)。相關(guān)研究表明[30]，氮磷鉀的平衡施用可促進(jìn)作物對養(yǎng)分的吸收與利用，進(jìn)而提高提高和肥料利用效率。本研究中，由于受不同年際間環(huán)境、肥料用量和產(chǎn)量變化的影響，養(yǎng)分吸收總量和肥料利用效率在各年際間變異性較大，但整體趨勢一致，NE、NER和ST處理氮、磷積累量和肥料利用率均高于FP處理（圖2，表2，圖3，表3）。這說明過量、不平衡施肥以及施肥方式不當(dāng)是造成農(nóng)民習(xí)慣施肥模式肥料利用效率低下的主要原因。NE、NER和ST三處理中，以NE處理肥料利用效率高于ST處理。主要是因為：1）相比于基于土壤測試推薦施肥，養(yǎng)分專家系統(tǒng)的肥料投入總量更為合理，氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）肥平均用量198、85和108 kg/hm2，與本研究小組前期研究推薦的肥料用量基本一致[31]。并且磷鉀推薦施肥量與陳新平等[32]倡導(dǎo)的磷鉀肥恒量監(jiān)控理念相符合；2）養(yǎng)分專家系統(tǒng)的氮肥運籌模式更為合理，無論是采用分次施氮或與緩控釋肥一次性配施方案，其養(yǎng)分供給和作物需求間的同步效果均優(yōu)于基于土壤測試推薦施肥，使其在肥料用量低于基于土壤測試推薦施肥條件下，獲得較高的玉米產(chǎn)量和養(yǎng)分積累量，進(jìn)而提高肥料利用效率。

3.3 土壤養(yǎng)分含量變化與養(yǎng)分收平衡

土壤不僅對作物生長起到支撐作用，同時也是肥料養(yǎng)分供給的主要媒介和作物養(yǎng)分的主要供給者[33]，當(dāng)投入養(yǎng)分超過作物需求，會導(dǎo)致養(yǎng)分殘留在土壤中或流失到環(huán)境中，對生態(tài)環(huán)境安全構(gòu)成威脅，而土壤中含量較低的營養(yǎng)元素因得不到及時補(bǔ)充，導(dǎo)致其養(yǎng)分耗竭，從而造成土壤養(yǎng)分的不均衡化。因此，判定施肥模式是否合理，除考慮肥料對作物產(chǎn)量、效益和利用率影響外，關(guān)注不同施肥模式土壤養(yǎng)分含量變化十分重要。本研究發(fā)現(xiàn)，與試驗起始時相比，F(xiàn)P處理氮、磷含量變幅較大，顯著提高了深層土壤無機(jī)氮含量和表層土壤有效磷含量，其中0～30 cm土壤無機(jī)氮含量顯著下降，而速效鉀含量與試驗起始時差異未達(dá)顯著水平（圖5，圖6）。說明農(nóng)民習(xí)慣施肥模式氮磷肥用量過大，遠(yuǎn)超過作物對氮磷養(yǎng)分的需求，且由于氮肥一次性基施，使氮素供應(yīng)和作物對氮的需求不匹配，進(jìn)而導(dǎo)致大量的氮素積累在土壤中，當(dāng)殘留氮超過土壤的固持能力，會逐漸淋洗到土壤深處，造成氮素?fù)p失[34]。而土壤中磷素雖然具有強(qiáng)烈的固定能力，但相關(guān)研究表明，當(dāng)土壤磷素過量累積時，也會引發(fā)環(huán)境風(fēng)險[35]。NE、NER和ST三處理土壤無機(jī)氮、有效磷和速效鉀含量變幅均低于FP處理，其中以NE處理變幅最小，后依次為NER和ST處理。進(jìn)一步證明了基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥模式使土壤養(yǎng)分供應(yīng)與玉米養(yǎng)分需求更趨于一致，可更好地維持土壤有效養(yǎng)分（無機(jī)氮、有效磷、速效鉀）的穩(wěn)定性。

土壤養(yǎng)分收支平衡反映了農(nóng)田土壤養(yǎng)分需求和平衡狀況，對養(yǎng)分資源管理具有重要作用。相關(guān)研究表明[36]，農(nóng)田土壤養(yǎng)分收支的平衡值與土壤有效養(yǎng)分含量間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，因此農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡的盈虧是決定土壤養(yǎng)分的消長的關(guān)鍵因素。魯如坤等[37]研究表明，農(nóng)田氮磷盈余率應(yīng)保持在20%以下時，不會對環(huán)境造成潛在威脅。本研究9 a農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡狀況看，F(xiàn)P處理氮磷支出量分別占投入量的66.5%和57.8%，投入量遠(yuǎn)超過了作物對氮磷養(yǎng)分的需求。而NE、NER和ST處理的氮磷支出量分別占投入量的85.7%～97.8%和79.0%～94.6%，氮磷養(yǎng)分投入量與作物需求量相近。其中以NE處理氮磷素盈余最低（表5）?？梢姡r(nóng)民習(xí)慣施肥模式造成了較高的土壤氮磷盈余，易對土壤環(huán)境產(chǎn)生威脅；而養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥可在滿足作物對氮、磷養(yǎng)分需求的同時，維持了土壤氮磷養(yǎng)分的平衡。鉀與氮磷不同，不同施肥處理鉀素平衡均表現(xiàn)為虧缺（表5）。肖克等[38]研究表明，當(dāng)前推薦鉀肥用量并不能彌補(bǔ)作物收獲帶走的鉀量，雖然東北地區(qū)土壤鉀庫豐富，但長期虧損會造成土壤鉀庫耗竭[38-39]。而增加鉀肥用量雖然可以減少土壤鉀素?fù)p失，但不能獲得較高的收益和鉀素利用效率。因此，應(yīng)通過秸稈還田或增施有機(jī)肥等手段提高鉀素資源投入來解決土壤鉀素虧缺，是最有效的途徑。

4 結(jié) 論

在東北玉米的長期田間定位推薦施肥試驗研究結(jié)果顯示，養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦依據(jù)4R原則在施肥量、施用時間和施用比例上根據(jù)玉米養(yǎng)分需求規(guī)律進(jìn)行了優(yōu)化，可在降低肥料用量的同時，提高玉米產(chǎn)量11.0%、提高凈收入14.3%，提高肥料回收率40.1%，并可保持土壤養(yǎng)分穩(wěn)定。在養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥基礎(chǔ)上采用緩/控釋氮肥的輕簡化施肥模式，仍然可獲得較高的收益。因此是一種適用于中國東北玉米的推薦施肥方法。

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Long-term comprehensive effects of recommended fertilization based on nutrient expert system of maize in Northeast China

Hou Yunpeng1, Kong Lili1, Xu Xinpeng2, Yin Caixia1, Zhang Lei1, Zhao Yinkai1, Liu Zhiquan1, Wang Lichun1※

(1./130033,; 2,100081,)

A long-term site-specific experiment of fertilizer recommendation from 2012 to 2020 was conducted to evaluate the comprehensive effects of nutrient expert decision support system on yield, benefit, fertilizer use efficiency, and soil nutrient of spring maize in northeast China. Five treatments included no-fertilizer (CK) as the control, currently traditional farmers’ practices (FP), fertilizer recommended using a nutrient expert system (NE), slow/controlled-release nitrogen fertilizer using the same rate as NE treatment (NER), and conventional fertilizer recommendation using soil testing (ST). The current study also investigated the long-term changes of maize yield, benefit, fertilizer use efficiency, the contents of inorganic N, available P, and available K in the soil, as well as the balance of nutrient input/output during the nine-year period. The results showed that the maximum, minimum, or mean values of fertilizer inputs in NE, NER,and ST treatments were all significantly lower than that of FP treatment (<0.05), respectively. In different nutrients, NE, NERand ST treatments significantly reduced the amounts of nitrogen (N) and phosphorus (P) fertilizers application (<0.05), but significantly increased the amount of potassium (K) fertilizer application (<0.05), compared with that of FP treatment, respectively. As compared to FP treatment, NE, NERand ST treatments significantly improved maize yield and net income. In which, NE treatment achieved the highest value, with the average increment by11.0% and14.3%, respectively. In all the treatments, NE treatment achieved the highest stability, and followed by ST and NERtreatment.The recovery efficiency, agronomic efficiency, and partial factor productivity in the NE, NER,and ST treatments were significantly higher than those in FP treatment, where increased by 29.0%-40.1%, 31.3%-44.3%, and 22.0%-31.7%, respectively. Specifically, the highest value was observed in NE treatment, followed by NERand ST treatments. Compared with FP treatment, NE, NERand ST treatments significantly improved the inorganic N content in 0-30 cm soil layer (<0.05), but significantly reduced inorganic N content in >30-90 cm soil layer (<0.05) and available P content in 0-30 cm soil layer (<0.05). But the soil available K content wasn’t significantly different (>0.05) among different fertilization treatments. The contents of soil inorganic N, available P, and available K in NE treatment were close to the initial testing values before planting. The nutrient input/output balance was obtained during the nine-year period, where the N and P balances were surplus under all fertilization treatments, whereas, the K balance was deficient. But the surplus of N, P, and the deficiency of K in NE treatment attained the lowest values, followed by NERand ST treatments. In conclusion, compared with farmers’ practices and the conventional fertilizer recommendation system, the NE fertilization recommendation system fully met the nutrient requirements of maize, with optimal fertilization rate, time, and ratio. Consequently, the NE fertilization recommendation system has the potential to improve maize yield, benefits, and fertilizer use efficiency, thereby maintaining the soil nutrient stability under the reduction of fertilizer application amount, compared with farmers’ practices. However, the simplified fertilization of slow/controlled-release nitrogen fertilizer in the NE fertilization recommendation system also obtained higher benefits, but reduced labor cost. Therefore, the NE system is an appropriate fertilizer recommendation for maize in northeast China.

soils; nutrient; fertilizers; nutrient expert system; maize yield; net income; fertilizer use efficiency; nutrient balance

侯云鵬，孔麗麗，徐新朋，等. 基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在東北玉米上的長期綜合效應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(19)：129-138.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.015 http://www.tcsae.org

Hou Yunpeng, Kong Lili, Xu Xinpeng, et al. Long-term comprehensive effects of recommended fertilization based on nutrient expert system of maize in Northeast China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(19): 129-138. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.015 http://www.tcsae.org

2021-03-24

2021-06-10

吉林省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程自由創(chuàng)新項目（CXGC2021ZY004）；國家重點研發(fā)計劃（2016YFD0701200）

侯云鵬，副研究員，研究方向為養(yǎng)分資源高效利用技術(shù)。Email：exceedfhvfha@163.com

王立春，博士，副研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向為玉米栽培。Email：wlc1960@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.015

S513

A

1002-6819(2021)-19-0129-10