魏建林 譚德水 鄭福麗 李燕 李國生 崔榮宗 肖建軍

摘要：針對傳統(tǒng)推薦施肥方法周期長、成本高及難以適合分散小地塊的弊端，本研究利用養(yǎng)分專家系統(tǒng)（Nutrient Expert）在山東省小麥-玉米輪作模式下進行3周年的推薦施肥試驗，通過作物產量、收益分析及表觀養(yǎng)分平衡計算，綜合評價養(yǎng)分專家系統(tǒng)的實際應用效果。試驗在143戶的小麥-玉米輪作地塊進行，設置空白處理（CK，不施肥）、農民習慣施肥處理（FP）、當?shù)毓俜酵扑]施肥處理（OPTS）和養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥處理（OPTE），比較不同施肥處理間產量、效益及養(yǎng)分平衡情況。結果表明：與不施肥相比，各施肥處理產量增加明顯，玉米增產幅度在15.1%～29.5%，小麥增產幅度在25.6%～37.2%。各施肥處理間產量無顯著性差異，但OPTE處理相比FP、OPTS處理養(yǎng)分投入量降低，提高了種植效益，產投比明顯高于其余兩個處理。養(yǎng)分表觀平衡計算結果表明，OPTE處理氮磷鉀養(yǎng)分盈余量同其他處理相比最小。綜合產量、效益及養(yǎng)分收支平衡各方面，養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥優(yōu)于傳統(tǒng)推薦施肥方法，在小麥玉米生產上能夠穩(wěn)產增收、降低環(huán)境污染風險。

關鍵詞：養(yǎng)分專家系統(tǒng)；推薦施肥；小麥-玉米輪作；產量效益；養(yǎng)分平衡

中圖分類號：S512.106.2+S513.106.2文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2018）02-0087-06

Abstract The current recommended fertilization methods have the disadvantages such as long period， high cost and not suitable for dispersing small plots. In this study， we conducted 3-year fertilization experiments recommended by the Nutrient Expert system for wheat and maize rotation crop in Pingyuan County， Shandong Province. Based on the analysis of crop yield performance， benefit and apparent nutrient balance calculation， the practical application effect of the Nutrient Expert system was comprehensively evaluated.The experiments were conducted in 143 households wheat-maize rotation plots， and four treatments were designed as no fertilization （CK）， traditional fertilization （FP）， local official recommended fertilization （OPTS） and Nutrient Expert recommend fertilization （OPTE）. The results showed that the yield of each fertilization treatment increased obviously compared to CK， and the yield of maize and wheat increased by 15.1%～29.5% and 25.6%～33.5% respectively. There was no significant difference in grain yield between different fertilization treatments.Compared with FP and OPTS， the OPTE treatment decreased the nutrient input and improved the planting efficiency， so it had obviously higher ratio of output to input.By nutrient apparent equilibrium calculation， we found that the nitrogen， phosphorus and potassium surplus of OPTE treatment was the minimum in all the treatments. In terms of comprehensively considering yield， profit and nutrient balance， the Nutrient Expert system was superior to the traditional recommended fertilization method， and could increase the yield and benefit and reduce the risk of environmental pollution in the production of wheat and maize.

Keywords Nutrient Expert system； Recommended fertilization； Wheat-maize rotation； Yield and benefit； Nutrientbalance

化肥的使用在糧食增產過程中功不可沒。人多地少的基本國情和人們對于糧食的需求日益增長，形成了我國特有的依靠化肥的大量投入來增加單產的農田高強度利用生產體系[1，2]。據(jù)估計，1978—2006 年間化肥投入對中國糧食產量的貢獻率達56.81%[3]，施用化肥在過去、現(xiàn)在和將來都是我國最有效的農產品增產措施之一[4]。但我國農戶在農業(yè)生產中的許多施肥行為是不合理的，主要表現(xiàn)在：化肥利用率不高；化肥投入的養(yǎng)分比例不平衡，氮素過量施用，磷、鉀素及中、微量元素肥料施用比例偏低等[5-8]。由此帶來的土壤板結、地力下降、面源污染、環(huán)境惡化和食品安全問題日趨凸顯[9-14]。

土壤肥料科學家在土壤養(yǎng)分管理和推薦施肥方面做了大量研究[15-20]。通過科學推薦施肥能夠根據(jù)作物生長需要和土壤養(yǎng)分狀況合理確定養(yǎng)分用量及比例等，但傳統(tǒng)施肥推薦方法大多是以土壤測試為基礎的，根據(jù)土壤的物理性狀、養(yǎng)分含量和作物目標產量來確定施肥，這種方法雖能做到肥料施用較為科學、合理，但土壤測試成本較高，需要時間也長，由于我國主要還是以分散的小農戶為經營單位，地塊間地力存在一定差異，要實現(xiàn)一家一戶的推薦施肥相當困難。針對以上弊端，國際植物營養(yǎng)研究所（IPNI）近些年開展了基于作物產量反應和農學效率的作物養(yǎng)分管理和推薦施肥方法研究[21]，該推薦方法原理是把土壤養(yǎng)分供應看作一個“黑箱”，用不施該養(yǎng)分地上部的產量或養(yǎng)分吸收來表征，利用已有作物養(yǎng)分吸收和產量關系，結合當?shù)貧夂颉h(huán)境及種植習慣等，確定施肥推薦相關參數(shù)，根據(jù)目標產量給出施肥數(shù)量和施肥方法。本研究通過在山東省進行3個輪作周期的小麥、玉米田間試驗，對養(yǎng)分專家系統(tǒng)（Nutrient Expert）進行驗證與評價，以此完善該專家推薦系統(tǒng)，并將其作為進一步推廣應用的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)域概況

試驗自2010年6月玉米種植季始，小麥玉米輪作模式下連續(xù)3年共6季作物試驗。試驗地點位于山東省德州市平原縣，屬于魯西北黃河沖積平原，土壤類型為潮土，質地輕壤。處于暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，年平均氣溫13.1℃，年平均降水量641.5 mm，當?shù)厮疂矖l件良好。主要種植模式為小麥玉米輪作。

1.2 試驗地塊土壤基本理化性狀

2010年6月玉米試驗前取0～20 cm耕層土壤樣品，常規(guī)法進行理化性狀分析，結果見表1。

1.3 試驗設計與方法

每季作物試驗以農戶為重復，每戶設4個處理，其中CK為不施肥處理，其余3個處理分別為養(yǎng)分專家推薦施肥處理（OPTE）、當?shù)剞r民習慣施肥處理（FP）和當?shù)剞r技推廣部門推薦施肥處理（OPTS）， 6個種植季共在143戶地塊上進行了田間試驗。試驗前進行農戶施肥情況調查，運行養(yǎng)分專家施肥推薦系統(tǒng)將各個農戶的施肥情況、產量信息及相關生產條件進行分析，提出當季作物推薦施肥處理（OPTE）肥料養(yǎng)分用量。

由于地塊限制，試驗小區(qū)面積在40～60 m2，3個試驗周期內玉米均在6月份播種，10月份收獲，小麥均在10月份播種，6月份收獲，品種為當?shù)刂魍破贩N。小區(qū)全部收獲進行測產。

產投比=施肥增產收益/施肥投入值；養(yǎng)分平衡采用表觀平衡法計算：平衡值=養(yǎng)分投入量-作物攜出量，正值表示盈余，負值表示虧缺。

2 結果與分析

2.1 不同推薦施肥方法的養(yǎng)分投入量情況

由表2看出，在玉米季試驗中，各年度OPTE處理比FP和OPTS處理氮平均投入量均有所減少，其中OPTE處理與FP處理相比減少30%左右。磷鉀的投入量年度間各處理不同，總體來看OPTE處理比另外兩個處理投入量降低。

由表3看出，在小麥季試驗中，OPTE處理比FP和OPTS處理氮磷平均投入量都有所減少，其中氮肥的投入量減少幅度較大，同F(xiàn)P處理相比減少40%左右，磷肥也有不同幅度減少，而鉀肥的投入量則有所增加。

2.2 不同推薦施肥方法對玉米產量、效益的影響

從3個年度玉米試驗產量結果（表4）看，不同農戶、不同年份的產量存在一定差異，從當年的產量平均結果看，與不施肥相比，各施肥處理產量增加明顯，OPTE增產幅度15.1%～29.5%，F(xiàn)P增產幅度17.8%～25.5%，OPTS增產幅度16.7%～29.0%。而OPTE、FP、OPTS間產量相差不大。統(tǒng)計分析結果顯示，同一年度各施肥處理與不施肥處理相比增產達極顯著水平，而不同施肥處理間產量均未達顯著水平。綜合3年結果分析，OPTE處理與FP處理相比玉米產量基本持平，從增產戶數(shù)比例看，至少有三分之一以上的農戶表現(xiàn)為增產。

從3個年度試驗結果（表5）看，與CK相比，各施肥處理玉米種植經濟收益每公頃增收2 537～3 236元，增收幅度15%～30%。各年度3個施肥處理間經濟收益差異不大，其中2010年度種植玉米收益OPTE處理略高于FP和OPTS處理，其余兩個年份均為FP處理略高于其他兩個處理。根據(jù)增收收益與肥料投入成本相比計算可知，OPTE處理產投比為2.10～3.27，OPTS處理產投比為1.37～2.01，F(xiàn)P處理產投比為1.67～1.94，綜合各年度結果來看，OPTE處理產投比均高于其余兩個施肥處理。

2.3 不同推薦施肥方法對小麥產量、效益的影響

從3個年度小麥試驗結果（表6）看，與CK相比各施肥處理小麥增產達極顯著性水平，增產幅度在25.6%～37.2%。2011年度OPTS處理與FP處理相比增產達顯著水平，而OPTE處理與FP處理之間無顯著差異，OPTE處理與OPTS處理之間也無顯著差異。2012年度和2013年度3個施肥處理間產量統(tǒng)計分析顯示均未達到顯著水平。OPTE處理相比FP每年均表現(xiàn)為50%以上的農戶增產?？傮w來看小麥產量OPTE比FP處理有增產的趨勢，但與FP和OPTS處理無顯著差異。

從小麥種植經濟效益結果（表7）分析看，與CK相比各施肥處理每公頃增收3 671～4 936元，增收幅度26%～37%。同一年度各施肥處理間經濟收益相差不大，在小麥生產上OPTE處理收益均高于FP處理，但略低于OPTS處理。 由產投比計算結果可知，OPTE處理產投比為2.38～3.27，OPTS處理產投比為1.65～2.36，F(xiàn)P處理產投比為1.83～2.04，綜合各年度結果來看，OPTE處理產投比均高于其余兩個施肥處理。

2.4 不同推薦施肥方法對養(yǎng)分表觀平衡的影響

各年份玉米試驗養(yǎng)分表觀平衡計算結果（表8）顯示，除2011年度OPTE處理磷鉀略有虧缺外，各年份其它處理氮磷鉀養(yǎng)分均表現(xiàn)為盈余，其中氮盈余量最大，磷鉀養(yǎng)分盈余相對較小。從不同處理來看，各年度中均以OPTE處理氮盈余量最小，F(xiàn)P處理的氮盈余量最大，高出OPTE處理61.5～130.0 kg/hm2。

各年份小麥試驗養(yǎng)分表觀平衡計算結果（表9）顯示，不同處理養(yǎng)分盈余量3年試驗結果綜合來看，OPTE處理平均氮盈余4.4 kg/hm2，磷盈余37.2 kg/hm2，鉀盈余47.0 kg/hm2。FP處理平均氮盈余137.6 kg/hm2，磷盈余82.8 kg/hm2，鉀盈余2.1 kg/hm2。OPTS處理平均氮盈余116.4 kg/hm2，磷盈余95.7 kg/hm2，鉀盈余25.4 kg/hm2。FP處理比OPTE處理氮平均盈余高出130.0 kg/hm2以上。

3 討論

基于作物產量反應和農學效率的作物養(yǎng)分管理和推薦施肥方法在我國主要以 IPNI 在中國的多年多點田間試驗為基礎，依據(jù)SSNM（site-specific nutrient management） 原 則 利 用 QUEFTS （quantitative evaluation of the fertility of tropical soils） 模型，在分析大量作物養(yǎng)分吸收和產量關系的基礎上進行參數(shù)調整而形成，因而可以在不同試驗地點、根據(jù)不同生態(tài)條件進行有針對性的合理推薦施肥，實現(xiàn)作物的高產高效。在國內應用已有較多報道[21-26]，利用該推薦施肥比當?shù)赝扑]施肥減少氮肥用量11.4%，比農民習慣施肥減少氮肥用量42.0%～55.6%，同時平衡了磷、鉀養(yǎng)分。雖然降低了氮肥用量，由于優(yōu)化了施肥方法和栽培管理技術，作物產量并沒有降低，實現(xiàn)了節(jié)肥增效。養(yǎng)分表觀平衡結果表明，基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥，氮磷鉀養(yǎng)分基本保持平衡或略有盈余，而當?shù)赝扑]施肥及農民施肥由于施肥量較大、養(yǎng)分比例不平衡等原因會導致養(yǎng)分盈余較多。

基于作物產量反應和農學效率的作物養(yǎng)分管理和推薦施肥方法同其他推薦施肥方法相比應用十分方便，只需將當?shù)氐纳a條件輸入計算機軟件中，計算機會根據(jù)目標產量計算出施肥數(shù)量和施肥方法，比較適合我國以分散小農戶為主要經營單元的農業(yè)生產體系，對于改變目前生產中普遍存在的重氮肥、輕磷鉀肥等不合理施肥現(xiàn)象造成的肥料回收率低、經濟效益下降、生態(tài)環(huán)境惡化等具有積極作用，對促進我國農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

4 結論

基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)的推薦施肥方法在山東省小麥、玉米生產上3年的田間驗證試驗可得出如下結論：

4.1 施肥是實現(xiàn)小麥、玉米產量的重要保證。與不施肥相比，各施肥處理產量增加明顯，玉米增產幅度在15.1%～29.5%，小麥增產幅度在25.6%～37.2%。

4.2 基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)的推薦施肥處理減少了氮養(yǎng)分投入，平衡了磷鉀養(yǎng)分投入，實現(xiàn)了與農民習慣施肥及當?shù)毓俜酵扑]施肥相持平的產量，提高了生產收益，并且減小了農業(yè)生產中氮素養(yǎng)分在土壤中的盈余，降低了過量投入化肥帶來的環(huán)境風險，因此具有較高的生態(tài)效益和社會效益。

4.3 基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)的推薦施肥處理在當?shù)匦←?、玉米生產上與農民習慣施肥及官方推薦施肥處理產量無明顯差異。從增產幅度的分布看當?shù)毓俜酵扑]施肥方案增產效果略優(yōu)于專家系統(tǒng)推薦施肥方案。

4.4 從糧食生產效益分析結果看，基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)的推薦施肥處理在當?shù)匦←湣⒂衩咨a上與農民習慣施肥相比增收效果明顯，產投比高于農民習慣施肥及當?shù)毓俜酵扑]施肥。

參 考 文 獻：

[1] 鐘茜，巨曉棠，張福鎖.華北平原冬小麥/夏玉米輪作體系對氮素環(huán)境承受力分析[J].植物營養(yǎng)與肥料學報，2006，12（3）：285-293.

[2] Liu X Y，He P，Jin J Y，et al.Yield gaps，soil indigenous nutrientsupply，and nutrient use efficiency of wheat in China[J].Agron.J.，2011，103：1452-1463.

[3] 王祖力，肖海峰.化肥施用對糧食產量增長的作用分析[J].農業(yè)經濟問題，2008（8）：65-68.

[4] 朱兆良，金繼運. 保障我國糧食安全的肥料問題[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報，2013，19（2）：259-273.

[5] 高祥照，馬文奇，杜森，等.我國施肥中存在問題的分析[J].土壤通報，2001，32（6）：258-261.

[6] 曾希柏，李菊梅.中國不同地區(qū)化肥施用及其對糧食生產的影響[J].中國農業(yè)科學，2004，37（3）：387-392.

[7] 張福鎖，王激清，張衛(wèi)峰，等.中國主要糧食作物肥料利用率現(xiàn)狀與提高途徑[J].土壤學報，2008，45（5）：915-924.

[8] 閆湘，金繼運，何萍，等.提高肥料利用率技術研究進展[J].中國農業(yè)科學，2008，41（2）：450-459.

[9] 曹志洪.施肥與水體環(huán)境質量——論施肥對環(huán)境的影響（2）[J].土壤，2003，35（5）：353-363.

[10]黃國勤，王興祥，錢海燕，等.施用化肥對農業(yè)生態(tài)環(huán)境的負面影響及對策[J].生態(tài)環(huán)境，2004，13（4）：656-660.

[11]張維理，武淑霞，冀宏杰，等.中國農業(yè)面源污染形勢估計及控制對策Ⅰ.21世紀初期中國農業(yè)面源污染的形勢估計[J].中國農業(yè)科學，2004，37（7）：1008-1017.

[12]段永惠，張乃明，張玉娟.施肥對農田氮磷污染物徑流輸出的影響研究[J].土壤，2005，37（1）：48-51.

[13]葉欣，李俊，王迎紅，等.華北平原典型農田土壤氧化亞氮的排放特征[J].農業(yè)環(huán)境科學學報，2005，24（6）：1186-1191.

[14]趙同科，張成軍，杜連鳳，等.環(huán)渤海七?。ㄊ校┑叵滤跛猁}含量調查[J].農業(yè)環(huán)境科學學報，2007，26（2）：779-783.

[15]楊守春.推薦施肥研究方法的幾個問題[J].土壤通報，1986，17（3）：104-106，103.

[16]黃德明.土壤測試推薦施肥技術中幾個問題的探討[J].土壤肥料，1990（2）：11-13.

[17]黃德明.十年來我國測土施肥的進展[J].植物營養(yǎng)與肥料學報，2003，9（4）：495-499.

[18]侯彥林，陳守倫. 施肥模型研究綜述[J].土壤通報，2004，35（4）：493-501.

[19]白由路，楊俐蘋，金繼運. 測土配方施肥原理與實踐[M].北京：中國農業(yè)出版社，2006.

[20]張福鎖.測土配方施肥技術要覽[M].北京：中國農業(yè)大學出版社，2008.

[21] 何萍，金繼運，Mirasol F P，等.基于作物產量反應和農學效率的推薦施肥方法[J].植物營養(yǎng)與肥料學報，2012，18（2）：499-505.

[22]徐新朋.基于產量反應和農學效率的玉米推薦施肥方法研究[D].北京：中國農業(yè)科學院，2012.

[23]王宜倫，李慧，張曉佳，等.不同質地潮土夏玉米推薦施肥方法研究[J].中國生態(tài)農業(yè)學報，2012，20（4）：402-407.

[24]何萍，徐新朋，仇少君，等. 我國北方玉米施肥產量效應和經濟效益分析[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報， 2014，20（6）： 1387-1394.

[25]侯云鵬，孔麗麗，尹彩俠，等. 養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥對吉林省玉米產量、養(yǎng)分吸收和利用的影響[J]. 吉林農業(yè)大學學報， 2013，35（5）： 563-567.

[26]王宜倫，白由路，王磊，等. 基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)的小麥-玉米推薦施肥效應研究[J]. 中國農業(yè)科學， 2015，48（22）： 4483-4492.