魏建林 譚德水 鄭福麗 李燕 李國(guó)生 崔榮宗 肖建軍

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)推薦施肥方法周期長(zhǎng)、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(jìn)行3周年的推薦施肥試驗(yàn)，通過作物產(chǎn)量、收益分析及表觀養(yǎng)分平衡計(jì)算，綜合評(píng)價(jià)養(yǎng)分專家系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果。試驗(yàn)在143戶的小麥-玉米輪作地塊進(jìn)行，設(shè)置空白處理（CK，不施肥）、農(nóng)民習(xí)慣施肥處理（FP）、當(dāng)?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(chǎn)量、效益及養(yǎng)分平衡情況。結(jié)果表明：與不施肥相比，各施肥處理產(chǎn)量增加明顯，玉米增產(chǎn)幅度在15.1%～29.5%，小麥增產(chǎn)幅度在25.6%～37.2%。各施肥處理間產(chǎn)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(chǎn)投比明顯高于其余兩個(gè)處理。養(yǎng)分表觀平衡計(jì)算結(jié)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(chǎn)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(chǎn)上能夠穩(wěn)產(chǎn)增收、降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。

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

中圖分類號(hào)：S512.106.2+S513.106.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：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(chǎn)過程中功不可沒。人多地少的基本國(guó)情和人們對(duì)于糧食的需求日益增長(zhǎng)，形成了我國(guó)特有的依靠化肥的大量投入來增加單產(chǎn)的農(nóng)田高強(qiáng)度利用生產(chǎn)體系[1，2]。據(jù)估計(jì)，1978—2006 年間化肥投入對(duì)中國(guó)糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率達(dá)56.81%[3]，施用化肥在過去、現(xiàn)在和將來都是我國(guó)最有效的農(nóng)產(chǎn)品增產(chǎn)措施之一[4]。但我國(guó)農(nóng)戶在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(jié)、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(xué)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(xué)推薦施肥能夠根據(jù)作物生長(zhǎng)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(cè)試為基礎(chǔ)的，根據(jù)土壤的物理性狀、養(yǎng)分含量和作物目標(biāo)產(chǎn)量來確定施肥，這種方法雖能做到肥料施用較為科學(xué)、合理，但土壤測(cè)試成本較高，需要時(shí)間也長(zhǎng)，由于我國(guó)主要還是以分散的小農(nóng)戶為經(jīng)營(yíng)單位，地塊間地力存在一定差異，要實(shí)現(xiàn)一家一戶的推薦施肥相當(dāng)困難。針對(duì)以上弊端，國(guó)際植物營(yíng)養(yǎng)研究所（IPNI）近些年開展了基于作物產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)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(yīng)看作一個(gè)“黑箱”，用不施該養(yǎng)分地上部的產(chǎn)量或養(yǎng)分吸收來表征，利用已有作物養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量關(guān)系，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颉h(huán)境及種植習(xí)慣等，確定施肥推薦相關(guān)參數(shù)，根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量給出施肥數(shù)量和施肥方法。本研究通過在山東省進(jìn)行3個(gè)輪作周期的小麥、玉米田間試驗(yàn)，對(duì)養(yǎng)分專家系統(tǒng)（Nutrient Expert）進(jìn)行驗(yàn)證與評(píng)價(jià)，以此完善該專家推薦系統(tǒng)，并將其作為進(jìn)一步推廣應(yīng)用的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

試驗(yàn)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(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)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(zhì)地輕壤。處于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫13.1℃，年平均降水量641.5 mm，當(dāng)?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(yàn)地塊土壤基本理化性狀

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

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

每季作物試驗(yàn)以農(nóng)戶為重復(fù)，每戶設(shè)4個(gè)處理，其中CK為不施肥處理，其余3個(gè)處理分別為養(yǎng)分專家推薦施肥處理（OPTE）、當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥處理（FP）和當(dāng)?shù)剞r(nóng)技推廣部門推薦施肥處理（OPTS）， 6個(gè)種植季共在143戶地塊上進(jìn)行了田間試驗(yàn)。試驗(yàn)前進(jìn)行農(nóng)戶施肥情況調(diào)查，運(yùn)行養(yǎng)分專家施肥推薦系統(tǒng)將各個(gè)農(nóng)戶的施肥情況、產(chǎn)量信息及相關(guān)生產(chǎn)條件進(jìn)行分析，提出當(dāng)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(yàn)小區(qū)面積在40～60 m2，3個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)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(dāng)?shù)刂魍破贩N。小區(qū)全部收獲進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。

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

2 結(jié)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(yàn)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(gè)處理投入量降低。

由表3看出，在小麥季試驗(yàn)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(duì)玉米產(chǎn)量、效益的影響

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

從3個(gè)年度試驗(yàn)結(jié)果（表5）看，與CK相比，各施肥處理玉米種植經(jīng)濟(jì)收益每公頃增收2 537～3 236元，增收幅度15%～30%。各年度3個(gè)施肥處理間經(jīng)濟(jì)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(gè)年份均為FP處理略高于其他兩個(gè)處理。根據(jù)增收收益與肥料投入成本相比計(jì)算可知，OPTE處理產(chǎn)投比為2.10～3.27，OPTS處理產(chǎn)投比為1.37～2.01，F(xiàn)P處理產(chǎn)投比為1.67～1.94，綜合各年度結(jié)果來看，OPTE處理產(chǎn)投比均高于其余兩個(gè)施肥處理。

2.3 不同推薦施肥方法對(duì)小麥產(chǎn)量、效益的影響

從3個(gè)年度小麥試驗(yàn)結(jié)果（表6）看，與CK相比各施肥處理小麥增產(chǎn)達(dá)極顯著性水平，增產(chǎn)幅度在25.6%～37.2%。2011年度OPTS處理與FP處理相比增產(chǎn)達(dá)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(gè)施肥處理間產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)分析顯示均未達(dá)到顯著水平。OPTE處理相比FP每年均表現(xiàn)為50%以上的農(nóng)戶增產(chǎn)?？傮w來看小麥產(chǎn)量OPTE比FP處理有增產(chǎn)的趨勢(shì)，但與FP和OPTS處理無顯著差異。

從小麥種植經(jīng)濟(jì)效益結(jié)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(jīng)濟(jì)收益相差不大，在小麥生產(chǎn)上OPTE處理收益均高于FP處理，但略低于OPTS處理。 由產(chǎn)投比計(jì)算結(jié)果可知，OPTE處理產(chǎn)投比為2.38～3.27，OPTS處理產(chǎn)投比為1.65～2.36，F(xiàn)P處理產(chǎn)投比為1.83～2.04，綜合各年度結(jié)果來看，OPTE處理產(chǎn)投比均高于其余兩個(gè)施肥處理。

2.4 不同推薦施肥方法對(duì)養(yǎng)分表觀平衡的影響

各年份玉米試驗(yàn)養(yǎng)分表觀平衡計(jì)算結(jié)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(duì)較小。從不同處理來看，各年度中均以O(shè)PTE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(yàn)養(yǎng)分表觀平衡計(jì)算結(jié)果（表9）顯示，不同處理養(yǎng)分盈余量3年試驗(yàn)結(jié)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(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的作物養(yǎng)分管理和推薦施肥方法在我國(guó)主要以 IPNI 在中國(guó)的多年多點(diǎn)田間試驗(yàn)為基礎(chǔ)，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(chǎn)量關(guān)系的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)調(diào)整而形成，因而可以在不同試驗(yàn)地點(diǎn)、根據(jù)不同生態(tài)條件進(jìn)行有針對(duì)性的合理推薦施肥，實(shí)現(xiàn)作物的高產(chǎn)高效。在國(guó)內(nèi)應(yīng)用已有較多報(bào)道[21-26]，利用該推薦施肥比當(dāng)?shù)赝扑]施肥減少氮肥用量11.4%，比農(nóng)民習(xí)慣施肥減少氮肥用量42.0%～55.6%，同時(shí)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(shù)，作物產(chǎn)量并沒有降低，實(shí)現(xiàn)了節(jié)肥增效。養(yǎng)分表觀平衡結(jié)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(dāng)?shù)赝扑]施肥及農(nóng)民施肥由于施肥量較大、養(yǎng)分比例不平衡等原因會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)分盈余較多。

基于作物產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)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(yīng)用十分方便，只需將當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)條件輸入計(jì)算機(jī)軟件中，計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量計(jì)算出施肥數(shù)量和施肥方法，比較適合我國(guó)以分散小農(nóng)戶為主要經(jīng)營(yíng)單元的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系，對(duì)于改變目前生產(chǎn)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(jīng)濟(jì)效益下降、生態(tài)環(huán)境惡化等具有積極作用，對(duì)促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

4 結(jié)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(chǎn)上3年的田間驗(yàn)證試驗(yàn)可得出如下結(jié)論：

4.1 施肥是實(shí)現(xiàn)小麥、玉米產(chǎn)量的重要保證。與不施肥相比，各施肥處理產(chǎn)量增加明顯，玉米增產(chǎn)幅度在15.1%～29.5%，小麥增產(chǎn)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(shí)現(xiàn)了與農(nóng)民習(xí)慣施肥及當(dāng)?shù)毓俜酵扑]施肥相持平的產(chǎn)量，提高了生產(chǎn)收益，并且減小了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(fēng)險(xiǎn)，因此具有較高的生態(tài)效益和社會(huì)效益。

4.3 基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)的推薦施肥處理在當(dāng)?shù)匦←湣⒂衩咨a(chǎn)上與農(nóng)民習(xí)慣施肥及官方推薦施肥處理產(chǎn)量無明顯差異。從增產(chǎn)幅度的分布看當(dāng)?shù)毓俜酵扑]施肥方案增產(chǎn)效果略優(yōu)于專家系統(tǒng)推薦施肥方案。

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

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