摘要:為了減少長期大量施用化肥對寒地水稻土壤及環(huán)境的影響,基于產(chǎn)量及上季肥料殘效,依據(jù)養(yǎng)分專家系統(tǒng)(簡稱NE系統(tǒng))在寒地水稻上進行智能化推薦施肥,采用大區(qū)對比試驗設計設置不同施肥量,調(diào)查不同施肥處理對水稻生育期、產(chǎn)量構(gòu)成因子、理論產(chǎn)量、實測產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的影響,并分析不同施肥處理肥料偏生產(chǎn)力。結(jié)果表明,相較于農(nóng)民習慣施肥(FP)三大肥料(N-P2O5-K2O)施用量161,59和106 kg·hm-2 ,智能化推薦(N-P2O5-K2O)施肥量為 151,56和69 kg·hm-2 ,減施氮、磷、鉀純用量分別為10,3和37 kg·hm-2。各處理之間的生育進程、產(chǎn)量構(gòu)成因子、實際產(chǎn)量都存在一定差異且變化規(guī)律不明顯。處理2的成熟期最早,為9月1日,與FP的相差2 d;處理3三大肥料的PFP都是最高的,分別為73.98,199.49和161.91 kg·kg-1,比FP的分別高8.86,21.78和63.00 kg·kg-1。4個處理在減肥條件下均實現(xiàn)增產(chǎn),處理3實際增產(chǎn)最高,產(chǎn)量達到11 171.67 kg·hm-2,增產(chǎn)量686.73 kg·hm-2,增產(chǎn)率6.5%,各處理增產(chǎn)、肥料偏生產(chǎn)力高低順序相一致。說明通過增施生物有機肥能有效提高水稻的產(chǎn)量。
關鍵詞:寒地水稻;養(yǎng)分專家系統(tǒng);推薦施肥;生物有機肥;產(chǎn)量;偏生產(chǎn)力
收稿日期:2024-10-25
基金項目:國家重點研發(fā)計劃 (2023YFD2300402)。
第一作者:閔凡華(1982-),男,碩士,高級農(nóng)藝師,從事植物營養(yǎng)與高效施肥相關研究。E-mail: fanhua_666@126.com。
通信作者:何萍(1970-),女,博士,研究員,從事養(yǎng)分管理研究。E-mail: heping02@caas.cn。
NE系統(tǒng)提出的推薦施肥方案符合4R養(yǎng)分管理策略(最佳肥料品種、最佳用量、最佳施用時間和最佳施用位置),同時兼顧施肥的農(nóng)學、經(jīng)濟和環(huán)境效應。多點田間驗證試驗證實,NE系統(tǒng)推薦施肥兼顧科學性和實用性,且易于掌握,是一種能夠保障作物增產(chǎn)增收、提高肥料利用率和保護環(huán)境的科學推薦施肥方法。它具有優(yōu)化肥料種類和用量、提高水稻產(chǎn)量和肥料利用率、增加農(nóng)民收入的功能,是實現(xiàn)我國小農(nóng)戶推薦施肥行之有效的智能技術系統(tǒng)[1-2]。
王靜等[3]在砂姜黑土區(qū)連續(xù)2 a開展試驗,以常糯1號為材料,研究化肥減量配施秸稈和生物炭對水稻產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收、土壤總有機碳和微生物量碳等的影響,明確秸稈和生物炭在砂姜黑土區(qū)的節(jié)肥增產(chǎn)效果,并探討其調(diào)控土壤碳庫的內(nèi)在機制。結(jié)果表明,化肥減量20%配施生物炭或者氮鉀減量20%配施秸稈可增加或維持水稻產(chǎn)量,提高水稻對養(yǎng)分的吸收能力[3]。本研究采用NE 系統(tǒng)智能化推薦施肥技術,第一次在東北稻作區(qū)寒地水稻田開展試驗示范,通過減施常規(guī)三大肥料、增施生物有機肥,可以有效活化土壤養(yǎng)分,改良土壤理化性狀,保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境,并實現(xiàn)水稻增產(chǎn)增效,對東北寒地黑土農(nóng)業(yè)資源永續(xù)利用具有重要的現(xiàn)實意義。韓墨等[4]研究寒地水稻減施化肥增施有機肥結(jié)果表明,不減少化肥用量,增施1年量有機肥能夠促進水稻增產(chǎn);減少化肥用量10%,增施有機肥1年量,水稻稍有減產(chǎn);減少化肥用量10%,增施有機肥3年量增產(chǎn)效果最好。使用生物肥能夠一定程度上增加水稻產(chǎn)量,增施生物有機肥與常規(guī)施肥相比較,結(jié)實率和穴穗粒數(shù)指標顯著增加,能提高水稻的單株分蘗數(shù),能增加水稻的干物質(zhì)積累量,提高了水稻的收獲穗數(shù),為減量高效施肥技術的合理應用提供依據(jù)[5-7]。
許多研究結(jié)果表明,側(cè)深施肥方式可顯著提高水稻單位面積有效穗數(shù),從而顯著增加產(chǎn)量。側(cè)深施肥和點狀施肥產(chǎn)量均優(yōu)于全層施肥,氮肥運籌下基蘗同施優(yōu)于基蘗分施,其中以側(cè)深施肥、基蘗同施處理可獲得較高的產(chǎn)量[8-9]。劉夢紅等[10]研究表明,寒地水稻試驗中側(cè)深施肥較全層施肥增產(chǎn)7.49%。施肥量、穴內(nèi)插秧密度和二者的互作對不同類型寒地粳稻品種稻產(chǎn)量和品質(zhì)具有不同程度的影響,在發(fā)揮品種特性的前提下,可以通過協(xié)調(diào)施肥量和穴內(nèi)插秧密度來實現(xiàn)寒地粳稻高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)[11]。
由此可見,智能化推薦施肥技術可以合理調(diào)控氮、磷、鉀三大肥料施用量,同時增施生物有機肥,采用農(nóng)藝農(nóng)機農(nóng)戶相結(jié)合、良技良田良法相配套的方法,對東北常年連作的寒地稻田單一施用化學肥料增產(chǎn)效果非常明顯。本研究旨在通過NE 系統(tǒng)智能化推薦施肥技術,驗證其在佳木斯國家農(nóng)高區(qū)寒地水稻上應用效果,初步探索出最佳推薦施肥模式,為黑龍江省佳木斯地區(qū)水稻種植落實“三減”中的減肥措施并促進寒地水稻增產(chǎn)增效,以及下一步大面積示范推廣提供科學依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗地概況
試驗布設在黑龍江佳木斯國家農(nóng)業(yè)高新技術產(chǎn)業(yè)示范區(qū)管理委員會大興農(nóng)場第四管理區(qū)第22作業(yè)站,試驗面積16.73 hm2。土壤類型為草甸白漿土,肥力中上等,種植制度為一年一熟制,作物為水稻。土壤基本理化性狀為pH6.3,堿解氮161.4 mg·kg-1,有效磷29.8 mg·kg-1,速效鉀131.3 mg·kg-1,有機質(zhì)44.2 g·kg-1。2024年有效積溫2 640.4 ℃,無霜期133 d,屬于黑龍江省第二積溫帶四區(qū),年日照時數(shù)2 023.1 h,降雨量530.3 mm左右。
1.2 前期種植情況調(diào)查
通過對農(nóng)戶2023年種植情況進行調(diào)查,結(jié)果顯示,該區(qū)域稻田全年化學肥料(N-P2O5-K2O)施用量為161,59和106 kg·hm-2 ,施肥3次,第1次插秧期采用中化化肥側(cè)深施肥(21-15-16)375 kg·hm-2; 第2次返青期施農(nóng)墾瑞晨硫銨150 kg·hm-2、 云天化尿素(46%)150 kg·hm-2;第3次拔節(jié)期施
氯化鉀(62%)100 kg·hm-2。全區(qū)水稻平均產(chǎn)
量大約9.15 t·hm-2 。
1.3 材料
供試肥料為根力多摻混肥料(20-13-12),根力多生物科技股份有限公司生產(chǎn);海狀元生物有機肥(有效活菌數(shù)≥5.0億·g-1),青島海大生物集團股份有限公司生產(chǎn);黑魔粒復合肥料(15-15-15),含腐殖酸有機質(zhì)(腐殖酸+有機質(zhì)≥5%),宜都興發(fā)化工有限公司生產(chǎn);尿素(46% N),山東潤銀生物化工股份有限公司生產(chǎn);氯化鉀(62% K2O),中化集團生產(chǎn)。
供試水稻品種為龍粳31,粳稻品種,主莖11片葉。
1.4 方法
1.4.1 試驗設計
采用大區(qū)對比示范試驗設計,順序排列,共設5個處理,各處理2次重復。處理1為養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥(NE)100%氮肥,兩個試驗小區(qū)面積分別為1.98和1.56 hm2;處理2為NE 80%N+生物有機肥,小區(qū)面積分別為1.93和1.50 hm2;處理3為NE 100%N+生物有機肥+增密處理,增密處理是水稻插秧時插秧量平均每穴增加1株,小區(qū)面積分別為1.92和1.52 hm2;處理4為NE 100%N+增效肥,小區(qū)面積分別為1.58和1.50 hm2;對照為農(nóng)民習慣施肥(FP),小區(qū)面積分別為1.67和1.60 hm2。
試驗時間是2024年5月至9月,試驗各處理肥料施用具體時間分別是基肥5月9日-10日,分蘗肥6月3日,拔節(jié)肥7月5日。不同時期不同肥料施用量詳見表1。
嚴格按照試驗方案和生育時期進行施肥,基肥生物有機肥無人機施入,其他的以側(cè)深施肥施入,分蘗肥、拔節(jié)肥無人機施入。
1.4.2 調(diào)查項目及方法
試驗期間,按照寒地水稻田間調(diào)查標準方法調(diào)查水稻插秧至成熟各個生育時期;9月29日水稻成熟后,各處理小區(qū)選擇有代表性的田間調(diào)查取樣,分別調(diào)查單位面積平方米穗數(shù)、每穗實粒數(shù)、千粒重等理論產(chǎn)量構(gòu)成因子,計算理論產(chǎn)量;各小區(qū)選定有代表性的666.67 m2進行田間實收測產(chǎn),測定含水量,折算成14.5%水稻標準含水量,計算實際產(chǎn)量。
1.4.3 數(shù)據(jù)分析
試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007軟件進行整理、統(tǒng)計和分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 不同施肥處理水稻田間生育期分析
由表2可知,5月17日開始插秧,返青期為5月21日,隨著水稻返青后生育進程的不斷推進,各處理之間生育進程表現(xiàn)出一定的差異,但差異變化規(guī)律不明顯,處理2隨著生育進程的不斷推
進生育期逐漸提前。
通過田間調(diào)查對比分析,各處理之間生育進程差異較小,水稻分蘗期至齊穗期最多相差1 d;成熟期出現(xiàn)一定的差異,處理2的成熟期最早,為9月1日,與FP處理相差2 d,其他處理成熟期均為9月2日。
2.2 不同施肥處理對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子及理論產(chǎn)量的影響
由表3可知,各處理之間的穗數(shù)、穗實粒數(shù)、千粒重都存在一定的差異,且各處理的穗數(shù)、穗實粒數(shù)都高于FP處理,但變化規(guī)律不明顯。各智能化推薦施肥處理中處理3的穗數(shù)最多,達到535.05萬穗·hm-2,處理4最少,兩者之間相差14.70萬穗·hm-2;但在穗實粒數(shù)上,處理4的最多,達到92.8?!に?1,處理1的最少,為87.2?!に?1,千粒重則表現(xiàn)為處理3的最高,達到28.3 g,處理1與處理4的相一致,處理2的最低,與處理3相差0.6 g。
通過計算理論產(chǎn)量,各智能化推薦施肥處理的理論產(chǎn)量均高于FP處理,其中處理3的理論產(chǎn)量最高,達到11 506.34 kg·hm-2,與FP相比產(chǎn)量高1 087.89 kg·hm-2,理論增產(chǎn)率達到10.4%,處理1的理論產(chǎn)量最低,為10 974.60 kg·hm-2,比最高產(chǎn)量低531.74 kg·hm-2。各處理的理論產(chǎn)量高低順序為處理3>處理4>處理2>處理1>FP。
2.3 不同施肥處理水稻實測產(chǎn)量及經(jīng)濟效益分析
由表4可知,各智能化推薦施肥處理的實際產(chǎn)量都高于FP處理,相比較FP處理,處理3的實際產(chǎn)量最高,達到11 171.67 kg·hm-2,實際增產(chǎn)效果最好,增產(chǎn)量達到686.73 kg·hm-2,實際增產(chǎn)率6.5%,其次是處理2(11 040.82 kg·hm-2),處理4的實際產(chǎn)量最低,為10 748.38 kg·hm-2,與最高產(chǎn)量相差423.29 kg·hm-2,實際增產(chǎn)率2.5%,與最高的處理3相比減少3.79%。
直接對水稻實際收獲產(chǎn)量進行經(jīng)濟效益分析可以看出,相比較FP的,處理3的經(jīng)濟效益最高,凈增效益達到1 785.49元·hm-2,其次是處理2,凈增效益為1 445.29元·hm-2,處理4最低,與最高的相差1 100.53元·hm-2。綜上分析,試驗中各智能化推薦施肥處理的實際收獲產(chǎn)量、經(jīng)濟效益和凈增效益都高于FP處理,其中處理3和處理2的各項實際指標相對較好。
2.4 不同施肥處理肥料偏生產(chǎn)力(PFP)分析
由表5可知,各智能化推薦施肥處理水稻氮肥(N)、磷肥(P2O5)、鉀肥(K2O)的PFP值都高于FP處理,處理3氮肥(N)、磷肥(P2O5)、鉀肥(K2O)的PFP值均最高,分別為73.98,199.49和161.91 kg·kg-1,比FP的分別高8.86,21.78和63.00 kg·kg-1。各處理三大肥料PFP進行對比,高低順序是處理3>處理2>處理1>處理4>FP。綜合表中數(shù)據(jù)進行分析,氮肥(N)、磷肥(P2O5)、鉀肥(K2O)的PFP是磷肥(P2O5)>鉀肥(K2O)>氮肥(N),說明生產(chǎn)單位質(zhì)量的稻谷,水稻籽粒吸收的氮肥最多,其次是鉀肥,最少的是磷肥。
3 討論
本研究水稻插秧后遇到了持續(xù)約40 d的低溫天氣,一直到6月底氣溫才回升,前期低溫條件下水稻生長受到嚴重影響。6月20日,通過田間調(diào)查結(jié)果顯示,葉齡指標比正常年份慢1.0葉齡至1.5葉齡,水稻生育進程晚7~10 d,導致水稻分蘗期有效分蘗數(shù)減少,結(jié)實期田間有效穗數(shù)不足,成熟期水稻籽??瞻T率增加,千粒重下降,造成水稻收獲后特別是長粒水稻品種不同程度減產(chǎn)。本研究優(yōu)選當?shù)刂髟詢?yōu)質(zhì)高產(chǎn)圓粒粳稻品種龍粳31,在2024年前期天氣極其異常的情況下,有效降低了農(nóng)戶種植風險和田間試驗風險,結(jié)合良技、良田、良種、良法、良機的“五良”配套,可以在天氣異常年份大面積種植,既保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全,又能實現(xiàn)糧食穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn),對實際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的指導意義。
建立科學的養(yǎng)分推薦和管理方法對于保障作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、提高肥料利用率和保護環(huán)境具有重要意義。NE系統(tǒng)推薦施肥在保證作物產(chǎn)量的前提下,能夠科學平衡氮、磷和鉀肥的施用,提高肥料利用率和農(nóng)民收入,特別適合我國作物種植茬口緊、測土施肥不及時以及測試條件不具備的國情,是當前協(xié)調(diào)農(nóng)學、經(jīng)濟和環(huán)境的重要的推薦施肥方法[1-2]。水稻養(yǎng)分專家系統(tǒng)在蘇北地區(qū)依據(jù)地塊信息和智能化施肥系統(tǒng),指導優(yōu)化了氮、磷、鉀肥的施用量和施用方法,促進了水稻對氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收和利用,提高了肥料利用率,具有較好的增產(chǎn)增收效果[12]。本研究采用中國農(nóng)業(yè)科學院養(yǎng)分專家系統(tǒng)開展智能化推薦施肥技術,第一年在東北地區(qū)寒地水稻上試驗示范,2024年第一次開展實施取得了較好的田間試驗效果,其試驗結(jié)果也與前人的類似研究結(jié)果基本相一致[3-6,12]。
王素萍等[13]研究結(jié)果表明,在水稻上等施肥量情況下,有機肥替代化肥水稻產(chǎn)量增加5.63%~14.43%,同時化肥施用量降低了15.37%~46.16%,綜合考慮各方面經(jīng)濟因素,有機肥替代30%化肥經(jīng)濟效益最高,比農(nóng)民習慣施肥增收6 140.38元·hm-2。在東北一季稻的田間驗證結(jié)果顯示,與農(nóng)民習慣施肥和測土施肥相比,養(yǎng)分專家系統(tǒng)不僅可以節(jié)省土壤測試費用,而且推薦的施肥量、施用時間和比例都更加符合作物的養(yǎng)分需求,能夠平衡氮、磷和鉀肥料用量,其中產(chǎn)量分別較農(nóng)民習慣施肥處理和測土施肥處理增加了344和196 kg·hm-2,經(jīng)濟效益分別增加了1 043和537元·hm-2,同時提高了肥料利用效率,表明該方法在我國東北一季稻種植區(qū)進行施肥推薦更加方便可行[14]。
養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦的氮肥用量施用條件下,早、晚稻產(chǎn)量及氮素養(yǎng)分吸收量均達到最高,氮肥利用率也保持在較高水平[15]。
本研究在寒地水稻上通過開展智能化推薦施肥技術,通過NE系統(tǒng)推薦減施N 10 kg·hm-2,在NE 100%N前提條件下減施20%N或者NE 100%N推薦施用且密植,同時增施生物有機肥,實際產(chǎn)量增加5.3%~6.5%,這與上述兩者的研究結(jié)果也相一致。
化肥減量增效施用推薦施肥方法較農(nóng)戶習慣施肥方法具有明顯的節(jié)肥增產(chǎn)增收效果[16],化肥減量10%和30%,配施復合微生物菌肥均能提高水稻產(chǎn)量[17],減少氮肥總量的前提下,加大氮肥基施比例并配合基肥深施加少量撒施,是提高水稻產(chǎn)量和效益的適宜措施[18]。推薦施肥模式也較好地協(xié)調(diào)了土壤養(yǎng)分供應,提高了氮肥偏生產(chǎn)力,有利于菜-菜-稻輪作實現(xiàn)作物高產(chǎn)和氮肥的高效利用[19],有研究表明,與普通尿素一次性施用相比,控釋尿素平均可增加水稻產(chǎn)量10%以上[20]。由此可見,優(yōu)化水稻施肥模式、減肥增效及改良栽培技術仍是當前研究重點[21],肥料運籌上重視有機肥和化肥投入比例, 提高有機肥補貼力度,增加有機肥施用數(shù)量,開展有機肥替代化肥行動,鞏固秸稈還田成果,提高肥料養(yǎng)分利用率及土壤肥力,進一步減輕化肥施用強度[22]。
本研究僅選擇寒地稻田高產(chǎn)水平地塊開展試驗示范,并沒有在中產(chǎn)水平和低產(chǎn)水平地塊上開展試驗,所以試驗僅代表部分地塊類型的結(jié)果;此外,2024年前期遭遇多年不遇的連續(xù)長時間低溫天氣,這可能會影響水稻對各個品種肥料的正常吸收利用,其試驗結(jié)果也僅代表本年度天氣條件下的結(jié)果。下一步可以考慮在正常天氣年份下,分別在不同地力水平的田塊上開展試驗示范,并固定地塊連續(xù)開展兩年以上,最后將試驗結(jié)果進行統(tǒng)一對比分析,進一步驗證智能化推薦施肥技術的田間試驗效果。并在田間試驗的基礎上嘗試在佳木斯國家農(nóng)業(yè)高新技術產(chǎn)業(yè)示范區(qū)大面積推廣應用到實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,以期促進連作寒地水稻種植增產(chǎn)增效,在有效保障國家糧食安全的同時,實現(xiàn)寒地黑土農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
4 結(jié)論
不同施肥處理水稻生育期表現(xiàn)出一定的差異,但差異變化規(guī)律不明顯。不同智能化推薦施肥處理之間的產(chǎn)量構(gòu)成因子都存在一定差異,且穗數(shù)、穗實粒數(shù)都高于FP的,但變化規(guī)律不明顯,理論產(chǎn)量、實際產(chǎn)量都高于FP處理,處理3的實際產(chǎn)量最高,達到11 171.67 kg·hm-2,增產(chǎn)率6.5%,處理4的實際產(chǎn)量最低,為10 748.38 kg·hm-2。處理3氮肥(N)、磷肥(P2O5)、鉀肥(K2O)的PFP值均最高,分別為73.98,199.49和161.91 kg·kg-1。各處理實際產(chǎn)量高低順序與PFP高低順序相一致,均表現(xiàn)為處理3>處理2>處理1>處理4>FP。
對水稻實際收獲產(chǎn)量進行經(jīng)濟效益分析,處理3的經(jīng)濟效益最高,凈增效益達到1 785.49元·hm-2,處理4的最低,與處理3相差1 100.53元·hm-2。
綜合以上分析,通過NE 系統(tǒng)智能化推薦施肥技術第一年在佳木斯農(nóng)高區(qū)田間示范試驗初步驗證,寒地連作老稻田土壤中氮、磷、鉀大量養(yǎng)分具有一定的儲備,采取增密+增施生物有機肥或減氮+增施生物有機肥措施,都能明顯提高水稻的產(chǎn)量。
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Application Effects of Intelligent Fertilizer Recommendation Technology in Cold Rice
MIN Fanhua1,2, XU Xinpeng1, HE Ping1, WANG Xiya1, LI Qingbiao2, GUO Zhen2, YUAN Hailong2, ZHANG Ming2
(1.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081,China; 2.Management Committee of Jiamusi National Agricultural High-Tech Industry Demonstration Zone of Heilongjiang, Jiamusi 156300,China)
Abstract:In order to reduce the impact of long-term excessive use of chemical fertilizers on the soil and environment of cold rice. Intelligent fertilizer recommendation of according to the Nutrient Expert System (NE) based on yield and residual nutrients from previous season. Adopting a regional comparative experimental design with different fertilization rates, investigate the effects of different fertilization treatments on rice growth period, yield composition factors, theoretical yield, measured yield, and economic benefits, and analyze the partial factor productivity of fertilizer (PFP) under different fertilization treatments. The experimental results showed that compared with farmers used to three fertilizer (N-P2O5-K2O) application amount of 161,59,106 kg·ha-1, intelligent fertilizer recommendation (N-P2O5-K2O) application amount of 151,56,69 kg·ha-1, the reduced application amount of N, P2O5, K2O were 10, 3, 37 kg·ha-1. There were some differences among the development process, yield factors, the actual yield, and the variation was not obvious. The maturity stage of treatment 2 was the earliest on September 1st, two days prior to FP. The PFP of the three fertilizers were the highest on treatment 3, there were 73.98, 199.49, 161.91 kg·kg-1 , respectively. The higher than FP of 8.86,21.78,63.00 kg·kg-1 , respectively. The yield was increased of 4 treatments based on the condition of reducing fertilizer. The actual increase yield was the highest of treatment 3, the actual yield reached 11 171.67 kg·ha-1, the increasing yield of 686.73 kg·ha-1, the increasing rate of 6.5%. The order of increasing yield, PFP of 4 treatments were consistent. The yield of rice could be increased by applying bio-organic fertilizer.
Keywords:cold rice; Nutrient Expert System; fertilizer recommendation; bio-organic fertilizer; yield; partial factor productivity of fertilizer