養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥對大豆產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收利用的影響

韓本高， 樊燕鴿， 張 倩， 曾慶磊， 王宜倫

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450002； 2.河南省科學(xué)院化學(xué)研究所有限公司，鄭州 450000）

大豆是我國主要糧油兼用作物之一，在醫(yī)療、保健和動物飼料等行業(yè)具有廣泛用途［1-2］. 我國大豆產(chǎn)量的進(jìn)一步提高受氮、磷、鉀平衡施肥所影響［3-4］. 前人研究表明，優(yōu)化氮磷鉀配施可顯著提高大豆產(chǎn)量［5］，平衡施肥較不施氮顯著增產(chǎn)21.9%，不施磷大豆產(chǎn)量顯著降低15.4%［6］，大豆平衡施肥增產(chǎn)效果顯著，還可明顯提高品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益［7-9］.

根據(jù)土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況及作物養(yǎng)分吸收規(guī)律進(jìn)行平衡施肥是實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的重要措施［10-12］. 測土配方施肥是目前已推廣使用的推薦施肥方法［13］，根據(jù)土壤養(yǎng)分含量確定施肥量，制定施肥方案. 該方法過程煩瑣，需要大量土壤測試數(shù)據(jù)，不適合小農(nóng)戶作物生產(chǎn)［14］. 養(yǎng)分專家系統(tǒng)（Nutrient Expert，簡稱NE）是基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率，兼顧土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況及其他外在養(yǎng)分來源，并采用4R（right source，right rate，right time，and right place）養(yǎng)分管理策略的應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件施肥決策系統(tǒng)，該系統(tǒng)適合小農(nóng)戶個(gè)性化生產(chǎn)管理需求. 養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在國內(nèi)外玉米、小麥和水稻上均得到了應(yīng)用［15-17］，通過全國小麥、玉米、水稻主產(chǎn)區(qū)開展的1534個(gè)田間試驗(yàn)，驗(yàn)證了養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在提高作物產(chǎn)量和保護(hù)環(huán)境方面的優(yōu)越性［18］. 楊國富［19］基于大量田間肥料試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建了大豆養(yǎng)分專家系統(tǒng)，在黑龍江、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古的田間試驗(yàn)結(jié)果表明，大豆養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥可顯著提高產(chǎn)量和肥料利用效率，平衡土壤養(yǎng)分盈虧，增加農(nóng)民收益.呂繼龍等［20］在河南省、江蘇省和安徽省夏大豆上的效果研究表明，養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥較農(nóng)戶施肥顯著提高大豆產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，而基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥的氮、磷、鉀肥效應(yīng)及肥料利用效率未明確.

養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥效應(yīng)與土壤類型、氣候環(huán)境和種植習(xí)慣等密切相關(guān)，潮土區(qū)基于大豆養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥的氮、磷、鉀肥效應(yīng)、產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益及肥料利用效率的系統(tǒng)研究未見報(bào)道. 本文研究了養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥對豫北潮土區(qū)大豆產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益、養(yǎng)分積累及肥料利用率的影響，明確大豆養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥的氮磷鉀肥效應(yīng)、增產(chǎn)增收效果及肥料利用效率，為豫北潮土區(qū)大豆科學(xué)施肥提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年6月至10月在河南省原陽縣河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科研基地（113°43′E，35°10′N）進(jìn)行. 供試土壤為砂質(zhì)潮土，耕層土壤基本理化性質(zhì)為pH 7.87、有機(jī)質(zhì)12.95 g/kg、堿解氮91.35 mg/kg、有效磷10.48 mg/kg、速效鉀86.31 mg/kg.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理：養(yǎng)分專家系統(tǒng)（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院何萍研究員發(fā)布的安卓移動終端“手機(jī)和平板”網(wǎng)絡(luò)版本）推薦施肥（NE）、在NE基礎(chǔ)上不施氮肥（NE-N）、NE 基礎(chǔ)上不施磷肥（NE-P）、NE 基礎(chǔ)上不施鉀肥（NE-K）、當(dāng)?shù)剞r(nóng)技部門推薦施肥（ST）和農(nóng)戶施肥（FP）. 供試肥料為尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O516%）、氯化鉀（K2O 60%），農(nóng)戶施肥采用常規(guī)復(fù)合肥（15-15-15），各處理施肥量見表1. 所有肥料均于大豆苗期一次性開溝條施，供試大豆品種為‘豫豆22’，播種密度為20.5 萬株/hm2，小區(qū)面積32 m2，3 次重復(fù). 田間管理按當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣進(jìn)行.

表1 不同處理施肥量Tab.1 Fertilizer amount for different treatments

1.3 樣品采集與分析

大豆成熟期各小區(qū)分3次采樣，每次取長勢均勻的大豆植株10株，于實(shí)驗(yàn)室烘箱中105 ℃下殺青30 min，65 ℃下烘干，將籽粒和秸稈分別烘干稱重. 樣品粉碎后分別采用濃H2SO4-H2O2消煮，AA3流動注射分析儀（德國SEAL）測定全氮，鉬銻抗比色法測定全磷，火焰光度計(jì)法測定全鉀含量. 另于各小區(qū)隨機(jī)選取2 行15株大豆植株，選擇10株調(diào)查單株莢數(shù)、單株粒數(shù)及百粒重，并對15株大豆脫粒計(jì)產(chǎn).

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

收益（元/hm2）=產(chǎn)量×單價(jià)；

純收益（元/hm2）=總產(chǎn)值-肥料投入；

養(yǎng)分積累量（kg/hm2）=秸稈干重×秸稈養(yǎng)分含量+籽粒干重×籽粒養(yǎng)分含量；

肥料利用率（%）=（施肥區(qū)養(yǎng)分積累量-不施肥區(qū)養(yǎng)分積累量）/施肥量×100%；

農(nóng)學(xué)效率（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（kg/kg）＝施肥產(chǎn)量/總施肥量.

采用Microsoft Excel 2019處理數(shù)據(jù)，DPS 7.05軟件統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，利用LSD檢驗(yàn)95%水平上的差異顯著性.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對大豆產(chǎn)量及構(gòu)成因子的影響

由表2 可知，基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥（NE）夏玉米產(chǎn)量較不施氮（NE-N）增產(chǎn)24.59%、較不施磷（NE-P）增產(chǎn)16.14%、較不施鉀（NE-K）增產(chǎn)11.42%. NE較FP增產(chǎn)13.06%，與ST產(chǎn)量無顯著差異. 說明氮是影響大豆產(chǎn)量的主要養(yǎng)分，養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥較農(nóng)戶施肥增產(chǎn)顯著.

表2 不同處理對大豆產(chǎn)量及構(gòu)成因子的影響Tab.2 Effects of different treatments on soybean yield and constituent factors

表2結(jié)果分析表明，施肥對大豆單株莢數(shù)影響顯著，對單株粒數(shù)沒有影響，不施鉀肥顯著降低大豆百粒重. NE較缺素處理單株莢數(shù)提高6.94%～16.08%，說明豆莢數(shù)是影響大豆產(chǎn)量的主要因子，氮、磷、鉀配施可以提高大豆單株莢數(shù)，進(jìn)而提高產(chǎn)量.

2.2 不同處理對大豆經(jīng)濟(jì)效益的影響

由表3可以看出，NE大豆施肥收益最高，其次是ST處理，兩者之間差異不顯著，分別較FP增收14.32%和7.48%. 與肥料減施處理（NE-N、NE-P、NE-K）相比，養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥（NE）分別增收23.80%、16.04%、11.10%. 分析表明，氮磷鉀平衡施肥可提高大豆收益，養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥具有明顯的增收效應(yīng).

表3 不同處理對大豆經(jīng)濟(jì)效益的影響Tab.3 The impact of different treatments on soybean economic benefits

2.3 不同處理對大豆生物量的影響

由圖1可知，NE地上部生物量最高，其次是ST和FP. NE較FP地上部生物量提高8.97%，籽粒生物量顯著提高10.00%；較肥料減施（NE-N、NE-P、NE-K）處理籽粒生物量顯著提高11.39%～14.15%；秸稈生物量各施肥處理間無顯著差異. 養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥可促進(jìn)大豆地上部干物質(zhì)積累，提高籽粒生物量.

圖1 不同處理對大豆生物量的影響Fig.1 Effects of different treatments on soybean biomass

2.4 不同處理對大豆植株養(yǎng)分積累量的影響

從表4可以看出，施氮處理植株氮積累量較NE-N顯著提高17.35%～37.83%. NE植株氮積累量最高，ST次之，較FP分別增加13.88%和8.87%. NE、ST、FP植株磷積累量較NE-P顯著提高25.33%～29.05%，三者之間差異不顯著. ST植株鉀積累量最高，其次是NE，與FP三者無顯著差異，均顯著高于NE-K. 氮、磷、鉀配施促進(jìn)了大豆植株養(yǎng)分的吸收利用，養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥植株氮含量顯著高于農(nóng)戶施肥.

表4 不同處理對大豆植株養(yǎng)分積累量的影響Tab.4 Effects of different treatments on soybean plant nutrient accumulation

2.5 不同處理對大豆肥料利用效率的影響

由表5可知，NE化肥偏生產(chǎn)力最高，ST次之，分別較FP顯著提升13.08%和12.42%. 基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥（NE）處理下，缺素處理（NE-N、NE-P、NE）的農(nóng)學(xué)效率和肥料利用率如表6所示，結(jié)果表明，磷肥農(nóng)學(xué)效率最高，其次是氮肥、鉀肥，分別為21.84、11.14、11.04 kg/kg；氮肥料利用率最高，為44.99%，磷、鉀肥次之，分別為33.29%和26.31%.

表5 不同施肥處理化肥偏生產(chǎn)力Tab.5 Fertilizer partial productivity under different fertilization treatments

表6 基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥的肥料利用效率Tab.6 Fertilizer utilization efficiency based on nutrient expert system recommended fertilization

3 討論

氮磷鉀肥平衡施用是實(shí)現(xiàn)作物高效生產(chǎn)的重要保證. 養(yǎng)分專家系統(tǒng)（NE）以多年田間試驗(yàn)大數(shù)據(jù)庫為依托，建立了土壤養(yǎng)分供應(yīng)、作物產(chǎn)量反應(yīng)和肥料農(nóng)學(xué)效率的量化關(guān)系，不需進(jìn)行土壤測試即可進(jìn)行推薦施肥，快速生成基于農(nóng)戶不同個(gè)性信息的施肥方案［17］. 楊富強(qiáng)［19］基于大量肥效試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建了大豆養(yǎng)分專家系統(tǒng)，田間試驗(yàn)結(jié)果表明大豆養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥較農(nóng)戶施肥與測土配方施肥產(chǎn)量分別提高11.2 和3.2 個(gè)百分點(diǎn). 本研究結(jié)果表明，基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥，施氮增產(chǎn)24.59%，氮是本地區(qū)大豆產(chǎn)量的主要限制因素. NE和FP相比，提高了氮肥用量，降低了磷鉀肥用量，產(chǎn)量增加13.1個(gè)百分點(diǎn)，增收14.32%. 養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥優(yōu)化了氮、磷、鉀肥配比，較好地協(xié)調(diào)養(yǎng)分供應(yīng)和大豆養(yǎng)分需求的平衡，提高了肥料利用效率，實(shí)現(xiàn)了增產(chǎn)增收.

肥料利用率、肥料偏生產(chǎn)力和肥料農(nóng)學(xué)效率是科學(xué)施肥的重要指標(biāo)［21］. 養(yǎng)分專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了小農(nóng)戶經(jīng)營不具備土壤肥力測試下的施肥推薦，提高了作物產(chǎn)量和肥料利用效率［18］. 冬小麥養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥氮、磷、鉀肥利用率平均分別為31.7%、10.9%和31.0%［22］. 玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥氮、磷、鉀肥農(nóng)學(xué)效率分別為7.73、12.50、9.01 kg/kg［23］. 水稻養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥的氮、磷肥偏生產(chǎn)力較農(nóng)戶施肥提高44.77%和6.32%，氮、鉀肥回收利用率顯著提高4.91%和19.35%［24］. 呂繼龍等［20］對養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在夏大豆上的應(yīng)用研究表明，其氮、磷、鉀素吸收量較農(nóng)戶施肥分別提高了15.8%～41.3%、19.0%～35.5%和23.9%～27.3%.本試驗(yàn)中，NE化肥偏生產(chǎn)力較FP顯著提升13.08%，基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥的氮、磷、鉀肥利用率分別為44.99%、26.31%和33.29%，養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥肥料利用效率較高.

4 結(jié)論

豫北地區(qū)大豆養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥較農(nóng)戶施肥增產(chǎn)13.06%，增收14.32%，植株氮積累量提高13.88%，化肥偏生產(chǎn)力顯著提高13.08%. 大豆養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥根據(jù)產(chǎn)量水平、農(nóng)學(xué)效率和土壤養(yǎng)分狀況，結(jié)合4R養(yǎng)分管理策略，優(yōu)化了氮磷鉀養(yǎng)分配比，促進(jìn)了大豆養(yǎng)分吸收利用，提高了肥料利用效率，具有明顯的增產(chǎn)增收效果，可在豫北潮土區(qū)推廣應(yīng)用. 養(yǎng)分專家系統(tǒng)針對小農(nóng)戶經(jīng)營模式進(jìn)行“點(diǎn)對點(diǎn)”推薦施肥，是一種高效便捷、易于推廣的推薦施肥方法，結(jié)合化肥廠或配肥站，生產(chǎn)和推廣大豆專用配方肥將有助于大豆科學(xué)施肥.