徐新朋，魏 丹，李玉影，謝佳貴，劉雙全，侯云鵬，周 衛(wèi)，何 萍*

（1 北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所，北京市緩控釋肥料工程技術(shù)研究中心，北京 100097；2 中國(guó)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；3 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與環(huán)境資源研究所，黑龍江哈爾濱 150086；4 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，吉林長(zhǎng)春 130033）

基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的推薦施肥方法在東北春玉米上應(yīng)用的可行性研究

徐新朋1,2，魏 丹3，李玉影3，謝佳貴4，劉雙全3，侯云鵬4，周 衛(wèi)2，何 萍2*

（1 北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所，北京市緩控釋肥料工程技術(shù)研究中心，北京 100097；2 中國(guó)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；3 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與環(huán)境資源研究所，黑龍江哈爾濱 150086；4 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，吉林長(zhǎng)春 130033）

【目的】針對(duì)當(dāng)前我國(guó)玉米生產(chǎn)中肥料不合理施用帶來(lái)的肥料利用率低的現(xiàn)狀，以及我國(guó)小農(nóng)戶(hù)經(jīng)營(yíng)、測(cè)土施肥實(shí)現(xiàn)困難等問(wèn)題，建立基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的玉米推薦施肥方法，玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng) (Nutrient Expert for Hybrid Maize, NE)，研究其在東北春玉米上的應(yīng)用效果。 【方法】于 2010～2014 年共布置了 193 個(gè)田間試驗(yàn)，從產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面在東北春玉米種植區(qū)對(duì)玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行校正和改進(jìn)，包括肥料用量，產(chǎn)量，經(jīng)濟(jì)效益，氮 (N)、磷 (P) 和鉀 (K) 肥利用率和氮素?fù)p失等方面。試驗(yàn)包括5個(gè)處理，分別為農(nóng)民習(xí)慣施肥 (FP)，玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)的推薦施肥 (NE)，以及基于 NE 處理的減氮、減磷和減鉀處理?！窘Y(jié)果】NE平衡了肥料用量，顯著降低了氮肥和磷肥施用量，與 FP 相比分別降低了 43.5 (P ＜ 0.001) 和 23.6 kg/hm2(P ＜ 0.001)，降幅分別達(dá)到了 21.0% 和 27.0%，但增加了鉀肥用量 (8.3 kg/hm2, P = 0.001)。全部試驗(yàn) NE處理產(chǎn)量顯著高于 FP 處理 0.6 t/hm2，增產(chǎn)率為 5.2% (P ＜ 0.001)。5年平均經(jīng)濟(jì)效益 (GRF) NE 處理比 FP 處理增加 1466 yuan/hm2，增幅為 7.2% (P ＜ 0.001)，其中 1192 yuan/hm2是通過(guò)產(chǎn)量增加帶來(lái)的，占總增加量的81.3%。NE 處理的氮素農(nóng)學(xué)效率 (AEN)、氮素吸收利用率 (REN) 和氮素偏生產(chǎn)力 (PFPN) 比 FP 處理平均分別增加了 5.8 kg/kg、11.0 個(gè)百分點(diǎn)和 16.8 kg/kg，增幅分別達(dá)到了 53.8%、47.8% 和 29.6%；磷素農(nóng)學(xué)效率 (AEP)、磷素吸收利用率 (REP) 和磷素偏生產(chǎn)力 (PFPP) 平均分別增加了 12.3 kg/kg、13.5 個(gè)百分點(diǎn)和 44.0 kg/kg，增幅分別達(dá)到了 125.9%、87.5% 和 29.6%；鉀素農(nóng)學(xué)效率 (AEK) 和鉀素吸收利用率 (REK) 平均分別增加了 4.0 kg/kg 和13.8 個(gè)百分點(diǎn)，增幅分別達(dá)到了 30.2% 和 36.1%，但鉀素偏生產(chǎn)力 (PFPK) 降低了 22.4 kg/kg。三年定位試驗(yàn)氮肥施用量 NE 處理比 FP 處理共減少 102.8 kg/hm2，地上部氮素吸收量卻增加了 38.7 kg/hm2，氮素表觀損失降低了 78.5 kg/hm2，收獲期土壤氮素殘留降低了 63.0 kg/hm2，但 NE 處理的三年平均產(chǎn)量達(dá)到了 12.3 t/hm2，比 FP處理平均高 0.9 t/hm2。 【結(jié)論】近 5 年，共 193 個(gè)田間試驗(yàn)結(jié)果證明，采用基于玉米產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的推薦施肥方法不僅增加了產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，提高了肥料利用率，而且降低了氮素?fù)p失，在實(shí)踐上可以用于我國(guó)東北春玉米的施肥推薦。

養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)；產(chǎn)量反應(yīng)；農(nóng)學(xué)效率；養(yǎng)分利用率；氮素?fù)p失

化肥施用量的增加大幅度提高了我國(guó)玉米產(chǎn)量，但過(guò)量施肥也導(dǎo)致了土壤養(yǎng)分累積、肥料利用率低下，并帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題[1–3]。我國(guó)不同區(qū)域單位種植面積耕地氮和磷素均有盈余，其中氮素平均盈余率達(dá)到了 27.6%[4]。李紅莉等[5]的調(diào)查結(jié)果顯示，我國(guó)玉米單位面積化肥施用量 2007 年比2001 年增加了 29%，平均氮肥施用量達(dá)到了 N 273 kg/hm2。雖然目前推廣了一些推薦施肥技術(shù)來(lái)提高玉米產(chǎn)量和養(yǎng)分利用率，例如，依據(jù)土壤養(yǎng)分測(cè)試值和目標(biāo)產(chǎn)量計(jì)算施肥量[6–7]，優(yōu)化種植密度、水分和養(yǎng)分管理措施[8–9]，借助葉色卡和 SPAD 儀對(duì)玉米實(shí)施無(wú)損養(yǎng)分檢測(cè)[10–12]等。然而，如何更簡(jiǎn)便、快捷地推薦施肥和養(yǎng)分管理，并易于被農(nóng)民接受仍是當(dāng)前我國(guó)養(yǎng)分管理所面臨的挑戰(zhàn)。

許多國(guó)家都在開(kāi)始研究并更換當(dāng)前作物大面積地毯式的推薦施肥方法。Nutrient Expert (NE) 推薦施肥系統(tǒng)就是為了適應(yīng)當(dāng)前推薦施肥需求的背景下提出的一種定點(diǎn)的適應(yīng)小農(nóng)戶(hù)生產(chǎn)管理方式的推薦施肥和養(yǎng)分管理方法。NE 系統(tǒng)是在實(shí)地養(yǎng)分管理原則基礎(chǔ)上由國(guó)際植物營(yíng)養(yǎng)研究所 (IPNI) 提出，其原理是基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率進(jìn)行推薦施肥[13]，該方法已在東南亞一些國(guó)家得到應(yīng)用[14–15]。在印度尼西亞和菲律賓的試驗(yàn)結(jié)果顯示，應(yīng)用 NE 系統(tǒng)可顯著提高玉米產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益[15]。NE 系統(tǒng)于 2009 年由 IPNI 中國(guó)項(xiàng)目部引入中國(guó)，是在分析大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上結(jié)合QUEFTS 模型將中國(guó)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)加入到該系統(tǒng)中[16]，通過(guò)分析并建立作物產(chǎn)量反應(yīng)、農(nóng)學(xué)效率、相對(duì)產(chǎn)量和基礎(chǔ)土壤養(yǎng)分供應(yīng)等參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，根據(jù)中國(guó)的作物生長(zhǎng)規(guī)律、以及土壤和氣候特征發(fā)展而來(lái)的推薦施肥和養(yǎng)分管理方法[17–18]。NE系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)建立了小麥和玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)[17,19]，并進(jìn)行了大量田間試驗(yàn)，現(xiàn)已發(fā)布漢語(yǔ)版[13]。

NE 系統(tǒng)采用地上部產(chǎn)量反應(yīng)來(lái)表征土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)能力和作物生產(chǎn)能力，將土壤養(yǎng)分供應(yīng)看作一個(gè)“黑箱”，采用不施該養(yǎng)分地上部的產(chǎn)量或養(yǎng)分吸收來(lái)表征[20]，其目的是充分利用農(nóng)田的基礎(chǔ)養(yǎng)分資源、提供合理的養(yǎng)分用量，避免作物對(duì)養(yǎng)分的奢侈吸收或不足，在保持土壤肥力的同時(shí)，使養(yǎng)分脅迫降到最低并最終達(dá)到高產(chǎn)、高效的目的。如該系統(tǒng)中將玉米分為春玉米和夏玉米兩種不同生態(tài)類(lèi)型，形成兩組不同的施肥參數(shù)，因?yàn)槎唣B(yǎng)分吸收、輪作制度等都存在著很大差異。為此，本研究從 2010年開(kāi)始在東北進(jìn)行了多年多點(diǎn)的田間試驗(yàn)對(duì)玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)中春玉米部分進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)，旨在土壤測(cè)試不及時(shí)或條件不具備情況下建立一種簡(jiǎn)便、易懂、適合我國(guó)小農(nóng)戶(hù)為經(jīng)營(yíng)主體的玉米推薦施肥和養(yǎng)分管理方法。

1 材料與方法

1.1 玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)施肥原則

玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)中各參數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)源于我國(guó)2001～2012 年期間多點(diǎn)的田間試驗(yàn)。地上部和子粒的養(yǎng)分吸收量是應(yīng)用 QUEFTS 模型對(duì)產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，得出我國(guó)不同種植類(lèi)型玉米 (春玉米和夏玉米) 在不同潛在產(chǎn)量和目標(biāo)產(chǎn)量下的養(yǎng)分吸收曲線[16]。產(chǎn)量反應(yīng)由氮磷鉀全施處理和不施某種養(yǎng)分處理的產(chǎn)量差求得。相對(duì)產(chǎn)量由不施某種養(yǎng)分處理作物子粒產(chǎn)量與氮磷鉀全施的子粒產(chǎn)量比值獲得。土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)使用不施某種養(yǎng)分而其他養(yǎng)分供應(yīng)充足條件下該養(yǎng)分地上部的養(yǎng)分吸收量表示。在養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)中應(yīng)用相對(duì)產(chǎn)量的第 25 百分位數(shù)、中位數(shù)和第 75 百分位數(shù)所對(duì)應(yīng)的數(shù)值分別表示土壤肥力的低、中和高，進(jìn)而求得產(chǎn)量反應(yīng)[15]。通過(guò)分析產(chǎn)量反應(yīng)、農(nóng)學(xué)效率、土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)以及相對(duì)產(chǎn)量的分布特征并建立它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，為養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

在玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)中，氮肥推薦主要是依據(jù)氮素產(chǎn)量反應(yīng) (目標(biāo)產(chǎn)量與不施氮小區(qū)的產(chǎn)量差) 和氮素農(nóng)學(xué)效率確定，在有產(chǎn)量反應(yīng)相關(guān)試驗(yàn)時(shí)可將產(chǎn)量反應(yīng)數(shù)據(jù)直接填入系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)已有的關(guān)系式進(jìn)行氮肥推薦。在無(wú)氮素產(chǎn)量反應(yīng)數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)依據(jù)相應(yīng)的參數(shù)如可獲得產(chǎn)量、土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量和土壤障礙因子等信息確定土壤肥力和相對(duì)產(chǎn)量，再由可獲得產(chǎn)量得到產(chǎn)量反應(yīng)，并計(jì)算氮肥施用量。即無(wú)論目標(biāo)產(chǎn)量為多少，施氮量 = 產(chǎn)量反應(yīng)/農(nóng)學(xué)效率。

磷肥推薦除了產(chǎn)量反應(yīng)外，還考慮了養(yǎng)分平衡，如果有土壤磷素測(cè)試值，則根據(jù)磷素分級(jí)確定產(chǎn)量反應(yīng)。土壤磷為高時(shí)，產(chǎn)量反應(yīng)為低；土壤磷為中時(shí)，產(chǎn)量反應(yīng)為中；土壤磷為低時(shí)，產(chǎn)量反應(yīng)為高。如果沒(méi)有土壤磷素測(cè)試值時(shí)，則根據(jù)土壤肥力分級(jí)確定土壤磷素分級(jí)。土壤肥力確定同氮。如果土壤磷素分級(jí)為低，且前茬作物磷素平衡為高，磷產(chǎn)量反應(yīng)因素為中等；如果土壤磷素分級(jí)為中，且前茬作物磷素平衡為高，磷產(chǎn)量反應(yīng)因素為高等；如果土壤磷素分級(jí)為高，且前茬作物磷素平衡為低，磷產(chǎn)量反應(yīng)因素為中等，通過(guò)一系列的土壤磷素水平與前茬作物磷素平衡組合對(duì)磷素產(chǎn)量反應(yīng)等級(jí)進(jìn)行判定。不考慮前季作物殘留時(shí)，土壤磷素產(chǎn)量反應(yīng)因素等級(jí)同土壤磷素分級(jí)。在沒(méi)有磷素產(chǎn)量反應(yīng)數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)以上步驟估算，如果有產(chǎn)量反應(yīng)數(shù)據(jù)直接輸入。此時(shí)磷產(chǎn)量反應(yīng)：

磷素產(chǎn)量反應(yīng) = 可獲得產(chǎn)量 × 磷產(chǎn)量反應(yīng)因素；

磷素產(chǎn)量反應(yīng)因素 = 1 – 磷素相對(duì)產(chǎn)量。

磷肥推薦中的養(yǎng)分平衡部分是依據(jù) QUEFTS 模型得出的地上部和籽粒中的磷素吸收進(jìn)行計(jì)算，即維持土壤磷素平衡部分相當(dāng)于需要?dú)w還一定目標(biāo)產(chǎn)量下籽粒的養(yǎng)分移走量。因此，施磷量計(jì)算公式：

施磷量 = 產(chǎn)量反應(yīng)部分吸磷量 + 作物收獲移走磷量 (維持土壤肥力部分)

當(dāng)上季和當(dāng)季作物的綜合磷素平衡大于零時(shí)需要考慮磷素盈虧平衡，即：

施磷量 = 維持土壤磷素平衡部分 – 磷素綜合平衡 (上季作物磷素平衡 + 當(dāng)季作物磷素平衡) + 產(chǎn)量反應(yīng)部分

其中，如果維持土壤磷素平衡部分與磷素綜合平衡之差大于 0，施磷量則依據(jù)上述公式計(jì)算，如果維持土壤磷素平衡部分與磷素綜合平衡之差小于 0，施磷量則只為產(chǎn)量反應(yīng)部分。

施鉀量計(jì)算原理同磷。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于 2010～2014 年于東北春玉米主產(chǎn)區(qū)吉林、遼寧和黑龍江省三個(gè)省份進(jìn)行，5 年共計(jì) 193 個(gè)田間試驗(yàn)從產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)、農(nóng)學(xué)和環(huán)境效益對(duì)玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行校正和改進(jìn) (圖 1 和表 1)。為驗(yàn)證NE 的持續(xù)效益，從 2012 年試驗(yàn)中隨機(jī)挑選出 20 個(gè)進(jìn)行定位試驗(yàn)，吉林和黑龍江省各 10 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。玉米品種使用農(nóng)民所采用的品種，如鄭單 958、先玉335、吉單 27 等，與農(nóng)民設(shè)置相同的種植密度，密度設(shè)置來(lái)自玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)推薦，其設(shè)置范圍 為65000～75000 plant/hm2。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)分布圖Fig. 1 Distribution of experimental sites

表1 田間試驗(yàn)點(diǎn)信息Table 1 Site characteristics of the field experiments

每個(gè)試驗(yàn)處理包含：處理 1，玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)推薦施肥處理 (NE) 首先進(jìn)行農(nóng)戶(hù)問(wèn)卷調(diào)查，包括試驗(yàn)地塊過(guò)去 3～5 年的產(chǎn)量、施肥量、施肥措施、秸稈處理，是否施用有機(jī)肥和地塊的質(zhì)地、顏色等，將調(diào)查內(nèi)容輸入玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)形成施肥套餐；處理 2，農(nóng)民習(xí)慣施肥處理 (FP) 依據(jù)農(nóng)民自己的措施進(jìn)行管理，在農(nóng)民地里直接進(jìn)行，不單獨(dú)設(shè)置小區(qū)，記錄農(nóng)民所使用的肥料品種、施肥量、施肥次數(shù)等信息，收獲時(shí)采集樣品測(cè)定產(chǎn)量和養(yǎng)分含量等；處理 3、4、5 基于 NE 處理的不施氮、不施磷和不施鉀處理。NE 處理肥料使用尿素、過(guò)磷酸鈣和氯化鉀，F(xiàn)P 處理肥料為復(fù)合肥或摻混肥，具體依據(jù)農(nóng)民習(xí)慣而定。NE 處理的氮肥分兩次施用 (追肥時(shí)期在拔節(jié)期)，磷肥和鉀肥做基肥一次性施用，而FP 處理的氮、磷和鉀肥為一次性施用。NE 和 FP 處理的病蟲(chóng)害和草害控制使用相同標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)布置多個(gè)處理，每個(gè)處理不另設(shè)重復(fù)。定位試驗(yàn)中NE 和 FP 處理的面積大于 667 m2，減素小區(qū)的面積為 60 m2，減素小區(qū)位置在 NE 處理的基礎(chǔ)上每年變化位置，用于計(jì)算當(dāng)季肥料利用效率。

1.3 養(yǎng)分測(cè)定及數(shù)據(jù)分析

每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的樣品采集采用相同標(biāo)準(zhǔn)，在每個(gè)小區(qū)的中央位置隨機(jī)選取 3 個(gè) 10 m2的區(qū)域測(cè)定產(chǎn)量，并選取均勻的玉米 5～10 株測(cè)定水分含量，最終折合成含水量為 15.5% 的產(chǎn)量。取 3～10 株長(zhǎng)勢(shì)均勻的植株烘干測(cè)定子粒和秸稈的干物質(zhì)重，用于計(jì)算收獲指數(shù)，并選取一部分烘干樣品粉碎測(cè)定子粒和秸稈中 N、P 和 K 養(yǎng)分含量。秸稈和子粒中的全量氮、磷和鉀含量采用 H2SO4–H2O2方法消煮，并分別采用凱氏法、釩鉬黃比色法和原子吸收法測(cè)定。

在定位試驗(yàn)中，于播種前采集 0—30、30—60和 60—90 cm 土壤測(cè)定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，使用 0.01 mol/L 的 CaCl2浸提，土與浸提液的比例為1∶10，使用流動(dòng)分析儀測(cè)定。土壤含水量在 105℃ 烘干測(cè)定。計(jì)算總體養(yǎng)分平衡，用于評(píng)估施肥的合理性。

氮素吸收利用率 (N recovery efficiency, REN) = (施氮區(qū)植株地上部氮累積量 – 空白區(qū)地上部植株氮累積量)/施氮量 × 100%；

氮素農(nóng)學(xué)利用率 (agronomic efficiency of applied N, AEN) = (施氮區(qū)產(chǎn)量 – 空白區(qū)產(chǎn)量)/施氮量；

氮素偏生產(chǎn)力 (partial factor productivity of applied N, PFPN) = 施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量；

肥料花費(fèi) (total fertilizer cost, TFC) 為氮磷鉀肥料花費(fèi)總和；

凈效益 (gross return above fertilizer cost, GRF) 為收獲后的產(chǎn)量利潤(rùn)減去肥料成本。

氮素表觀損失的計(jì)算公式為：

氮素表觀損失 = 施氮量 + 土壤起始氮 + 土壤氮素凈礦化 – 作物地上部吸氮量 – 收獲后土壤殘留氮；

土壤氮礦化量 = 不施氮小區(qū)地上部吸氮量 + 不施氮小區(qū)土壤氮?dú)埩?– 不施氮小區(qū)起始氮；

磷和鉀養(yǎng)分利用率計(jì)算同氮。

數(shù)據(jù)采用 Excel 2007 和 SAS 軟件進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 節(jié)肥效益

施肥量結(jié)果顯示 (表 2)，F(xiàn)P 處理的施肥量非常不平衡。就每省的平均施氮量而言，遼寧和吉林的FP 施氮量顯著高于黑龍江，但三省的平均施氮量都要高于 NE 處理。遼寧、吉林和黑龍江三省的平均施氮量 FP 處理比 NE 處理分別高 51.0 (P ＜ 0.001)、66.4 (P ＜ 0.001) 和 8.7 kg/hm2(P = 0.072)。就三省年均施氮量而言，NE 處理都顯著低于 FP 處理，施氮量降低范圍為 26.3～57.1 kg/hm2，平均降低了 43.5 kg/hm2，降幅達(dá)到了 21.0%。所有試驗(yàn)中有 73.5% 的農(nóng)戶(hù)施氮量大于 180 kg/hm2，而大于 250 kg/hm2的占到了10.0%，最高施氮量達(dá)到了 280 kg/hm2。對(duì)于施磷量而言，遼寧和吉林的施磷量 NE 處理顯著低于 FP 處理，分別低 13.0 和 49.2 kg/hm2，而黑龍江兩處理間施磷量無(wú)顯著差異。FP 處理中施磷量大于 90 kg/hm2的占到了全部試驗(yàn)的 50.0%，而高于 120 kg/hm2的占到了 11.0%，最高施磷量則達(dá)到了 189 kg/hm2。FP處理每年的平均施磷量范圍為 82.7～92.4 kg/hm2，平均為 87.1 kg/hm2，而 NE 比 FP 處理年均降低范圍為11.1～31.2 kg/hm2，平均低 23.6 kg/hm2，降低幅度達(dá)到了 27.0%。對(duì)于施鉀量而言，吉林省 FP 處理高于NE 處理，遼寧和黑龍江則相反。每年的平均鉀肥用量 FP 處理的施用范圍為 64.9～75.6 kg/hm2，其中有24.0% 的農(nóng)戶(hù)施鉀量低于 50 kg/hm2，而 NE 處理的年均鉀肥用量范圍為 64.9～87.9 kg/hm2。就所有試驗(yàn)而言，NE 處理的施鉀量顯著高于 FP 處理 (P = 0.001)，增加了 8.3 kg/hm2，增幅為 12.2%。

表2 玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)與農(nóng)民習(xí)慣施肥的施肥量比較Table 2 Comparison of fertilizer use between Nutrient Expert for Hybrid Maize (NE) and farmers’ practices (FP)

2.2 產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益

產(chǎn)量結(jié)果顯示 (表 3)，三省的產(chǎn)量 NE 處理都顯著高于 FP 處理 (P ＜ 0.001)，增加了 0.4～0.8 t/hm2，提高了 3.5%～7.2%，其中黑龍江省增產(chǎn)最高，為0.8 t/hm2。玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)中，在下一季試驗(yàn)開(kāi)始前，應(yīng)用上一季的田間試驗(yàn)結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正和改進(jìn)。隨著玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，NE 處理和 FP 處理的產(chǎn)量差從 2010 年的 0.2 t/hm2增長(zhǎng)到了2014 年的 0.8 t/hm2。而 2012、2013 和 2014 三年的產(chǎn)量差相近，分別為 0.7、0.8 和 0.8 t/hm2，說(shuō)明玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)(NE)與農(nóng)民習(xí)慣施肥處理(FP)相比可以穩(wěn)定增加產(chǎn)量。就全部試驗(yàn)而言，NE 處理產(chǎn)量顯著高于 FP 處理產(chǎn)量 (P ＜ 0.001)，產(chǎn)量差為 0.6 t/hm2，增幅達(dá)到了 5.2%。

表3 玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)與農(nóng)民習(xí)慣施肥的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益比較Table 3 Comparison of grain yield and economic benefit between Nutrient Expert for Hybrid Maize (NE) and farmers’ practices (FP)

表 3 顯示，在黑龍江 NE 處理的化肥花費(fèi)要高于FP 處理(P ＜ 0.001)，因?yàn)?NE 處理的磷肥和鉀肥施用量高于 FP 處理，但遼寧和吉林 NE 處理的 TFC 要遠(yuǎn)低于 FP 處理 (P ＜ 0.001)，分別低 168 和 669 yuan/hm2。雖然遼寧省 NE 處理的施鉀量高于 FP 處理，但后者的氮肥和磷肥用量都顯著高于前者。NE 處理年均TFC 都低于 FP 處理，低 81～415 yuan/hm2，五年平均降低 274 yuan/hm2。NE 與 FP 處理相比，遼寧、吉林和黑龍江的平均 GRF 都顯著增加 (P ＜ 0.001)，分別高 1711、1502 和 1341 yuan/hm2，5年增加了 700～1956 yuan/hm2，平均增加了 1466 yuan/hm2，增幅為4.6%～8.8%，平均增幅為 7.2%，其中由增產(chǎn)帶來(lái)的GRF 為 1192 yuan/hm2，占總增加 GRF 的 81.3%。

2.3 肥料利用率

2.3.1 氮肥利用率 與 FP 處理相比，三省 NE 處理都顯著地提高了氮肥利用率 (表 4)，遼寧、吉林和黑龍江的氮素農(nóng)學(xué)效率 (AEN) 分別提高了 6.0、6.6 和 5.0 kg/kg，氮素回收率 (REN) 分別提高了 18.3、10.7 和6.7 個(gè)百分點(diǎn)，氮素偏生產(chǎn)率 (PFPN) 分別提高了19.0、23.9 和 6.4 kg/kg。NE 處理的年均 AEN 變化范圍為 11.7～21.5 kg/kg (平均 16.7 kg/kg)，REN 變化范圍為 30.8%～38.5% (平均 34.1%)，PFPN 變化范圍為66.4～88.2 kg/kg (平均 73.6 kg/kg)。FP 處理的年均AEN 變化范圍為 7.1～14.7 kg/kg (平均 10.9 kg/kg)，REN 為 17.6%～27.5% (平均 23.1%)，PFPN 為54.6～68.2 kg/kg (平均 56.8 kg/kg)。與 FP 處理相比，全部試驗(yàn) NE 處理的 AEN、REN 和 PFPN 分別增加了 5.8 kg/kg、11.0 個(gè)百分點(diǎn)和 16.8 kg/kg，增幅分別達(dá)到了 53.8%、47.8% 和 29.6%。

2.3.2 磷肥利用率 與 FP 處理相比，遼寧、吉林和黑龍江NE處理的磷素農(nóng)學(xué)效率 (AEP) 分別高 13.3、12.8 和 10.8 kg/kg，磷素回收率 (REP) 分別高 21.9、11.6 和 10.8 個(gè)百分點(diǎn) (表 5)。遼寧和吉林 NE 處理的磷素偏生產(chǎn)力 (PFPP) 顯著高于 FP 處理，分別高40.7 和 88.1 kg/kg，而黑龍江 NE 處理的 PFPP 低于FP 處理，低 15.0 kg/kg，但二者差異不顯著 (P = 0.067)。對(duì)每年磷肥利用率的平均值而言，NE 處理年均 AEP 變化范圍為 5.0～27.6 kg/kg (平均 22.0 kg/kg)，REP 變化范圍為 15.7%～35.7% (平均29.0%)，PFPP 變化范圍為 152.1～213.7 kg/kg (平均192.9 kg/kg)。FP 處理的年均 AEP 變化范圍為1.3～11.2 kg/kg (平均 9.7 kg/kg)，REP 變化范圍為7.9%～17.3% (平均 15.5%)，PFPP 變化范圍為141.6～154.9 kg/kg (平均 148.9 kg/kg)。就全部試驗(yàn)而言，與 FP 處理相比，NE 處理的 AEP、REP 和 PFPP分別增加了 12.3 kg/kg、13.5 個(gè)百分點(diǎn)和 44.0 kg/kg，增幅分別達(dá)到了 125.9%、87.5% 和 29.6%。

表4 玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)與農(nóng)民習(xí)慣施肥的氮肥利用率比較Table 4 Comparison of use efficiency of applied N between Nutrient Expert for Hybrid Maize (NE) and farmers’ practices (FP)

表5 玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)與農(nóng)民習(xí)慣施肥的磷肥利用率比較Table 5 Comparison of P use efficiency of applied P2O5between Nutrient Expert for Hybrid Maize (NE) and farmers’ practices (FP)

2.3.3 鉀肥利用率 三個(gè)省份 NE 處理的鉀素回收率(REK) 都顯著高于 FP 處理 (表 6)，遼寧、吉林和黑龍江分別高 20.7、15.1 和 8.0 個(gè)百分點(diǎn)；吉林和黑龍江 NE 處理的鉀素農(nóng)學(xué)效率 (AEK) 比 FP 處理分別高7.2 和 4.3 kg/kg，而遼寧則是前者低于后者，但二者差異不顯著 (P = 0.457)；吉林 NE 處理的鉀素偏生產(chǎn)力 (PFPK) 比 FP 處理高 34.8 kg/kg，但遼寧和黑龍江則是前者要低于后者，分別低 94.6 和 68.1 kg/kg，主要是因?yàn)槎?FP 處理的施鉀量較低。NE 處理的年均 AEK 變化范圍為 7.3～21.5 kg/kg (平均 17.3 kg/kg)，REK 變化范圍 為 30.3%～62.0% (平均51.8%)，PFPK 變化范圍為 139.4～169.7 kg/kg (平均159.8 kg/kg)。FP 處理的年均 AEK 變化范圍為4.2～18.8 kg/kg (平均 13.3 kg/kg)，REK 變化范圍為11.9%～45.6% (平均 38.0%)，PFPK 變化范圍為148.5～214.2 kg/kg (平均 182.2 kg/kg)。就全部試驗(yàn)而言，與 FP 處理相比，NE 處理的 AEK 和 REK 分別增加了 4.0 kg/kg 和 13.8 個(gè)百分點(diǎn)，增幅分別達(dá)到了30.2% 和 36.1%，但 PFPK 降低了 22.4 kg/kg。

表6 玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)與農(nóng)民習(xí)慣施肥的鉀肥利用率比較Table 6 Comparison of applied K2O use efficiency between Nutrient Expert for Hybrid Maize (NE) and farmers’ practices (FP)

表7 玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)與農(nóng)民習(xí)慣施肥的氮素平衡比較Table 7 Comparison of nitrogen balances between Nutrient Expert for Hybrid Maize (NE) and farmers’practices (FP)

2.4 氮素表觀損失

對(duì)玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)的持續(xù)環(huán)境效益研究結(jié)果顯示 (表 7)，氮肥用量 NE 處理比 FP 處理三年共少施 102.8 kg/hm2，但地上部氮素吸收卻增加了 38.7 kg/hm2。NE 處理顯著地降低了土壤氮素殘留，在2014 年 收獲時(shí) 0～90 cm 土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮累積量為 86.2 kg/hm2，而 FP 處理的則為 149.2 kg/hm2，對(duì)不同土壤剖面土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮累積量的研究顯示，有 57.5% 的氮素殘留位于 30 cm 以下，而如今我國(guó)東北玉米種植區(qū)的土壤耕層一般都低于 30 cm，這部分養(yǎng)分容易淋洗到更深層作物根系達(dá)不到的土壤或者地下水中，造成環(huán)境污染。雖然 NE 處理施氮量與作物氮吸收量之差表現(xiàn)為負(fù)值，3年總和為 – 49.5 kg/hm2，但較高的土壤氮素礦化量使得氮素供應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)作物需求，如果加上大氣干濕沉降等環(huán)境帶入的養(yǎng)分，NE 現(xiàn)有的施肥量足以維持土壤平衡和保持高產(chǎn)。FP 處理的施氮量比作物氮素吸收量高 92.0 kg/hm2，超出了 17.3%，較高的氮肥用量導(dǎo)致了 FP 處理氮素殘留比 NE 處理高 63.0 kg/hm2，3年總的氮素表觀損失 FP 處理比 NE 處理高 78.5 kg/hm2。NE 處理的三年平均產(chǎn)量達(dá)到了 12.3 t/hm2，比 FP 平均高 0.9 t/hm2，說(shuō)明 NE 系統(tǒng)具有顯著的持續(xù)效應(yīng)。

3 討論

日益增長(zhǎng)的人口對(duì)糧食需求不斷增加，使我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)。隨著各種技術(shù)融入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，各種依據(jù)土壤和植株測(cè)試進(jìn)行推薦施肥和養(yǎng)分管理的方法應(yīng)運(yùn)而生[11,21]，我國(guó)政府對(duì)測(cè)土配方施肥也給予支持。依據(jù)玉米主要生育期土壤氮素含量進(jìn)行根層養(yǎng)分調(diào)控，以及依據(jù)土壤測(cè)試和目標(biāo)產(chǎn)量法進(jìn)行養(yǎng)分管理等方法，在不增加氮肥施用量的情況下能夠顯著增加作物產(chǎn)量和養(yǎng)分利用率[7,22]。NE系統(tǒng)中的推薦施肥和養(yǎng)分管理采用的是“4R”養(yǎng)分管理策略，最大限度的優(yōu)化養(yǎng)分供給和作物需求間的關(guān)系，以達(dá)到養(yǎng)分平衡[23–25]。相對(duì)依據(jù)土壤測(cè)試的推薦施肥方法，NE 系統(tǒng)在沒(méi)有土壤測(cè)試值情況下可以依據(jù)作物地上部產(chǎn)量反應(yīng)或相對(duì)產(chǎn)量來(lái)表征土壤肥力進(jìn)行推薦施肥，并且根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量和氣候類(lèi)型如春玉米和夏玉米、灌溉和降雨等條件給出不同施肥推薦量。NE 系統(tǒng)可以依據(jù)前季土壤養(yǎng)分殘留、土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)、產(chǎn)量與養(yǎng)分吸收關(guān)系，以及產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率關(guān)系等對(duì)施肥量進(jìn)行調(diào)整。

NE 假定在相同的氣候條件下，基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)(或土壤基礎(chǔ)肥力) 將決定缺素區(qū)產(chǎn)量的高低[15]。當(dāng)前，高量化肥投入導(dǎo)致了較高土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)[26]，并對(duì)環(huán)境安全構(gòu)成了潛在威脅[1]。土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)來(lái)自于土壤礦化、灌溉水、大氣沉降、降雨、前季作物殘留和豆科植物固定等，可以通過(guò)不施某種養(yǎng)分小區(qū)測(cè)得[27]。NE 系統(tǒng)可以依據(jù)作物需求動(dòng)態(tài)的調(diào)整施肥量，其調(diào)整施肥量的依據(jù)是每年或每季的產(chǎn)量反應(yīng)、農(nóng)學(xué)效率和養(yǎng)分平衡，而不是一個(gè)恒定的施肥量。氣候的差異表明，應(yīng)該依據(jù)每個(gè)氣候區(qū)域特征形成不同的養(yǎng)分管理策略，這也是 NE 系統(tǒng)所考慮的主要方面之一。與 FP 處理相比，NE 平衡了肥料用量，提高了產(chǎn)量和凈效益，并降低了化肥消耗。前期的驗(yàn)證試驗(yàn)顯示，NE 處理與 FP 處理間的產(chǎn)量差呈逐年增加趨勢(shì)，而三年定位試驗(yàn) (2012～2014) 表明，NE 處理具有長(zhǎng)期的增產(chǎn)效果，產(chǎn)量平均增加了 0.9 t/hm2。雖然 NE 處理的施鉀量要高于FP 處理 (8.3 kg/hm2，P = 0.001)，但 NE 處理的高產(chǎn)和較低氮肥 (43.5 kg/hm2，P ＜ 0.001) 和磷肥 (23.6 kg/hm2，P ＜ 0.001) 施用量必然增加經(jīng)濟(jì)效益。

平衡施肥不僅增加了產(chǎn)量，并且顯著增加了肥料利用率。本研究中，NE 處理的肥料利用率要高于FP 處理，也高于一些研究中土壤養(yǎng)分測(cè)試結(jié)果[7]。Dobermann 等[28]的報(bào)道稱(chēng)，在低施氮量和優(yōu)化管理?xiàng)l件下，AEN 可達(dá)到 20～30 kg/kg。Gao 等[29]依據(jù)土壤肥力和目標(biāo)產(chǎn)量的方法在吉林省 737 個(gè)玉米試驗(yàn)得出，平均 AEN 為 13 kg/kg。本研究中吉林省 AEN 平均達(dá)到了 16.5 kg/kg，而黑龍江省的 AEN 平均已達(dá)到了 20 kg/kg。玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)中的平衡施肥降低了氮肥施用量，平衡了磷肥和鉀肥施用，提高了作物地上部作物養(yǎng)分吸收，NE 處理比 FP 處理地上部N、P 和 K 養(yǎng)分吸收量平均分別增加了 5.0%、6.6%和 8.1%，也是提高肥料利用效率的原因之一。本研究中 NE 處理的 AEN 和 REN 與 FP 處理相比增幅分別達(dá)到了 53.8% 和 47.8%，而 AEP 和 REP 增幅分別達(dá)到了 125.9% 和 87.5%。說(shuō)明根據(jù)該玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行推薦施肥可以顯著提高肥料利用效率。

當(dāng)施氮量超過(guò)作物需求時(shí)，氮素向環(huán)境中的損失就會(huì)增加，高量的氮肥投入已經(jīng)對(duì)環(huán)境構(gòu)成威脅[30]。大量的殘留氮在土壤中累積并逐漸地淋洗到根部以下，是氮素?fù)p失的重要途徑之一[1]。充分利用殘留在土壤中的氮素不僅可以提高氮肥利用率并且有助于評(píng)估和優(yōu)化玉米施氮量[31–32]。本研究中具有較高的潛在土壤氮素供應(yīng)能力，包括土壤礦化氮、較高的土壤氮素殘留 (NO3–-N + NH4+-N)、以及大氣沉降中的氮素。推薦施肥時(shí)必須考慮環(huán)境帶入的氮，而玉米養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)將土壤養(yǎng)分供應(yīng)看作一個(gè)“黑箱”，而不考慮養(yǎng)分來(lái)源，在 NE 推薦施肥中是非常重要的考慮因素之一。因此，NE 根據(jù)特定的地塊條件，綜合考慮氣候、土壤和管理因素可以給出合理的施肥量，并達(dá)到高產(chǎn)、高效的目的。

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Availability of fertilizer recommendation for spring maize based on yield response and agronomic efficiency in Northeast China

XU Xin-peng1,2, WEI Dan3, LI Yu-ying3, XIE Jia-gui4, LIU Shuang-quan3, HOU Yun-peng4, ZHOU Wei2, HE Ping2*
( 1 Institute of Plant Nutrient and Resources, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing Engineering Technology Research Center for Slow/Controlled-Release Fertilizer, Beijing 100097, China; 2 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 3 Institute of Soil Fertilizer and Environment Resources, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin 150086, China; 4 Agricultural Resources and Environment Research Institute, Jilin Academy of Agricultural Sciences, Changchun 130033, China )

Abstract: 【Objectives】Low nutrient use efficiency is mianly caused by irrational fertilization.Present fertilizer recommendation technologies based on soil test or plant diagnose are difficult to be used for smallholder farms due to constraints such as access, cost and timeliness in multiple cropping systems. A fertilizer recommendation method, Nutrient Expert for Hybrid Maize (NE), is established in base of yield response and agronomic efficiency.【Methods】 In this paper, 193 on-farm experiments were conducted in 2010–2014 to validate and optimize the effects of Nutrient Expert for Hybrid Maize from agronomic, economic and environmental aspects on spring maize in the Northeast China. Five treatments were designed in the maize field experiments, including (1) farmers' practices (FP), (2) nitrogen, phosphorous and potassium fertilizer input calculated using NE, (3–5) eliminating nitrogen, phosphorous or potassium input in the NE treatment, which were used for the calculation of nutrient use efficiencies. The grain yield, fertilizer cost, net profit, nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K) use efficiency and N loss were investigated at harvest. 【Results】N and P fertilizer input in NE treatment were significantly decreased by 43.5 and 23.6 kg/hm2than in FP, about 21.0% and 27% of decrease (P ＜0.001), while K fertilizer input was increased by 8.3 kg/hm2(P = 0.001). The grain yields in all the experimental sites were in average 0.6 kg/hm2higher in NE than in FP, with the increase rate of 5.2% (P ＜ 0.001), the averaged gross return was increased by 1466 yuan/hm2(P ＜ 0.001), of which, 1192 yuan/hm2was from grain increases, accounting for 81.3%. As compared to FP, NE increased agronomic efficiency (AE), recovery efficiency (RE) and partial factor productivity (PFP) of applied to N by 5.8 kg/kg (+ 53.8%)、11.0% (+ 47.8%) and 16.8 kg/kg (+ 29.6%), increased AE, RE and PFP of applied to P by 12.3 kg/kg (+ 125.9%)、13.5% (+ 87.5%) and 44.0 kg/kg (+ 29.6%), increased AE and RE of applied to K by 4.0 kg/kg (+ 30.2%) and 13.7% (+ 36.1%), but decreased PFPK by 22.4 kg/kg. Given to three-year total calculated N balance, N fertilizer application in NE was lower than in FP, decreased by 102.8 kg/hm2, but N uptake in the above-ground in NE was above 38.7 kg/hm2than in FP, the high N fertilizer input also led to N accumulation in the soil, the results indicated that the residual N at harvest in 2014 with NE significantly less than with FP, decreased by 63.0 kg/hm2. Furthermore, totaled 78.5 kg/hm2of apparent N loss was reduced by using NE than with FP across three-year. However, the yield in NE attained 12.3 t/hm2，increased by 0.9 t/hm2compared with FP. 【Conclusions】In summary, using Nutrient Expert for Hybrid Maize (NE) for fertilizer recommomdation not only increased grain yield, profit and nutrient use efficiency, but also reduced apparent N loss. The Nutrient Expert for Hybrid Maize, which based on yield response and agronomic efficiency, has proved to be a science-based, reliable and feasible method and can be used to make fertilizer recommendation for spring maize in the Northeast China.

Nutrient Expert system; yield response; agronomic efficiency; nutrient use efficiency; nitrogen loss

S143；S513.01

A

1008–505X(2016)06–1458–10

2016–01–14 接受日期：2016–03–27

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0200101）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31272243）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2013CB1274 05）；國(guó)際植物營(yíng)養(yǎng)研究所（IPNI）；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院–國(guó)際植物營(yíng)養(yǎng)研究所植物營(yíng)養(yǎng)創(chuàng)新研究聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（IARRP-2016-10）資助。

徐新朋（1984—），男，河北承德人，博士，主要從事養(yǎng)分管理研究。E-mail：xinpengxu@163.com

* 通信作者 E-mail: phe@ipni.net