趙萍萍，王宏庭，于志勇，崔寶玉，賈俊芳

（1.山西省農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031；2.襄汾縣農作物原種場，山西襄汾041500）

肥料是作物的“糧食”，在作物生產(chǎn)中發(fā)揮著不可替代的支撐作用，但過量或不合理施肥往往會造成資源浪費和肥料利用率低下，對環(huán)境產(chǎn)生不良影響，因此，用好肥料資源、提高肥料利用效率是關系到國家糧食安全和環(huán)境質量的重大科技問題[1]。測土施肥技術[2-7]的推廣應用對肥料養(yǎng)分的平衡施用發(fā)揮了較大作用，取得了較大的成就，但在我國人多地少、高度分散經(jīng)營、土壤養(yǎng)分空間變異大、復種指數(shù)大、倒茬時間緊的農業(yè)生產(chǎn)體系中應用，往往受技術、資金、人力、時效性等因素的影響，仍有其特殊的難度，存在許多不足。Nutrient Expert（NE）養(yǎng)分專家系統(tǒng)是一款基于計算機軟件的施肥決策系統(tǒng)，是近幾年由中國農業(yè)科學院農業(yè)資源和農業(yè)區(qū)劃研究所和國際植物營養(yǎng)研究所（IPNI）共同牽頭，國內多家科研院所近百人共同參與研發(fā)的作物推薦施肥平臺，能夠針對某一具體地塊或操作單元給出個性化的施肥方案，可以滿足當前農業(yè)生產(chǎn)條件下的不同用戶（技術推廣人員、種植大戶、家庭農場、專業(yè)種植合作社及農民）的需求，具備簡單、實用、便于操作的特點[8]。目前，養(yǎng)分專家系統(tǒng)已在國內多個省份開展驗證應用[9-13]。冬小麥是山西省最重要的糧食作物。據(jù)統(tǒng)計，2016 年小麥的播種面積為67.294 萬hm2（占糧食作物播種面積的20.76%），小麥總產(chǎn)為273.41 萬t（占糧食總產(chǎn)的比例為20.74%）[14]，一些學者的研究表明，肥料的平衡施用是提高山西小麥產(chǎn)量的重要措施[15-17]。

本研究總結了小麥養(yǎng)分專家系統(tǒng)的推薦施肥在山西冬小麥主產(chǎn)區(qū)臨汾市堯都區(qū)和襄汾縣的3 a應用效果，對冬小麥產(chǎn)量、收益、養(yǎng)分吸收及肥料利用率進行了分析，以便為該系統(tǒng)在山西大面積的推廣應用提供理論依據(jù)和實踐指導。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

臨汾市是山西省冬小麥的主產(chǎn)區(qū)，屬半干旱溫帶大陸性氣候，多年平均氣溫在12.6 ℃左右，多年平均降水量為486 mm，無霜期190 d 左右。試驗選擇在臨汾市襄汾縣西賈鄉(xiāng)義順村、襄汾縣農作物原種場和堯都區(qū)喬李鎮(zhèn)南麻村進行，土壤類型均為石灰性褐土，質地為中壤。

1.2 試驗材料

基于養(yǎng)分專家模型推薦和基于測土推薦所用肥料均為尿素（46%N）、粒狀過磷酸鈣（12%P2O5）和氯化鉀（60%K2O），農民習慣施肥為復合肥。供試冬小麥品種為當?shù)剡m播高產(chǎn)品種，如濟麥22 號、舜麥1718 和臨麥8050 等。

1.3 試驗方法

試驗前實地調查收集了農戶試驗地塊近3 a 的冬小麥產(chǎn)量、習慣施肥用量、小麥品種、灌溉量等信息，采集了不同農戶0～20 cm 耕層土壤樣品，用常規(guī)方法[18]分析了供試土壤的理化性質。不同年份、不同農戶的土壤理化性質統(tǒng)計列于表1。

試驗以田間小區(qū)方式進行，共設7 個處理，分別為：FP.農民習慣施肥；ST.基于土壤測試的肥料推薦或當?shù)剞r業(yè)部門的推薦量；NE.基于養(yǎng)分專家模型的肥料推薦；NE-N. 在NE 基礎上不施氮肥；NE-P. 在NE 基礎上不施磷肥；NE-K. 在NE 基礎上不施鉀肥；CK.不施任何肥料。試驗處理不設重復，隨機排列，小區(qū)面積50 m2。不同試驗年份、不同農戶施肥方案統(tǒng)計如表2 所示。

表1 3 a 供試土壤的平均理化特性

表2 不同年份不同農戶試驗的平均施肥量 kg/hm2

冬小麥于每年10 月中旬播種，翌年6 月中旬 收獲。農民習慣施肥全部基施，個別農戶在小麥返青期追施尿素；其他試驗處理的肥料按推薦方案施用，磷鉀肥和45%的氮肥于播前撒施作基肥施用，55%的氮肥于翌年3 月下旬小麥返青期結合中耕以條施方式施用或撒施結合灌溉施用。冬小麥生長期間，澆入冬水、返青水和抽穗水各一次，鋤草、治蟲按當?shù)亓晳T。試驗收獲時各處理分別采集植株樣品，采用常規(guī)方法[18]分析植株的全氮、全磷和全鉀含量。

2011—2012 年小麥生長季在11 個農戶承包地開展完成了冬小麥試驗11 個；2012—2013 年小麥生長季在18 個農戶承包地開展完成冬小麥試驗18 個；2013—2014 年小麥生長季在10 個農戶承包地開展完成冬小麥試驗10 個，3 個小麥生長季共完成冬小麥試驗39 個。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2010 和SPSS 10.0 軟件進行了統(tǒng)計分析。

氮（磷、鉀）肥效應＝施用氮（磷、鉀）肥的產(chǎn)量-不施氮（磷、鉀）肥的產(chǎn)量 （1）

產(chǎn)投比＝小麥產(chǎn)量×小麥價格/（氮肥施用量×氮肥價格＋磷肥施用量×磷肥價格＋鉀肥施用量×鉀肥價格） （2）

吸氮（磷、鉀）量（kg/hm2）＝小麥籽粒干物質量×籽粒中氮（磷、鉀）含量＋小麥秸稈干物質量×秸稈中氮（磷、鉀）含量 （3）

氮（磷、鉀）養(yǎng)分的內部效率（kg/kg）＝產(chǎn)量/氮（磷、鉀）吸收量 （4）

氮（磷、鉀）肥偏生產(chǎn)力（kg/kg）＝產(chǎn)量/氮（磷、鉀）施用量 （5）

氮（磷、鉀）肥農學效率（kg/kg）＝施肥效應／氮（磷、鉀）施用量 （6）

氮（磷、鉀）養(yǎng)分的回收率＝（施氮（磷、鉀）區(qū)吸收量-不施氮（磷、鉀）區(qū)吸收量）/氮（磷、鉀）施用量×100% （7）

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對冬小麥產(chǎn)量的影響

作物產(chǎn)量是評價肥料施用效果的重要參數(shù)。從表3 可以看出，不同農戶、不同施肥處理的冬小麥產(chǎn)量在不同年份均存在一定差異。從冬小麥3 個生長季的平均產(chǎn)量看，2013 年各處理產(chǎn)量均表現(xiàn)較高，2014 年產(chǎn)量表現(xiàn)較低，2012 年產(chǎn)量表現(xiàn)居中；就小麥產(chǎn)量的變異程度而言，各處理以2013 年產(chǎn)量變異最小，而2012，2014 年產(chǎn)量變異均較大，這主要受農戶間的地力差異和氣候因子影響。從每個年份的養(yǎng)分專家推薦量NE 處理、測土施肥推薦量ST 處理與農民習慣用量FP 處理的產(chǎn)量比較看，均存在一定差異，但產(chǎn)量差異均未達5%的統(tǒng)計檢驗顯著水平，3 a 總平均表現(xiàn)為ST＞FP＞NE，產(chǎn)量差異也未達顯著水平。這表明基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)的推薦施肥和基于土壤測試的推薦施肥在每個年份均可以取得與農民習慣施肥相當?shù)男←湲a(chǎn)量，但與農民習慣施肥相比，2 種推薦方法的氮、磷化肥用量均減少，鉀肥用量則略有增加，其中，NE 較FP 平均減氮104 kg/hm2（38.2%），減磷29 kg/hm2（26.1%），增鉀38 kg/hm2（135.7%）；ST 較FP 平均減氮67 kg/hm2（24.6%），減磷25 kg/hm2（22.5%），增鉀47 kg/hm2（167.8%）?？梢姡琋E 和ST 的養(yǎng)分施用較農民習慣更趨平衡，具有明顯的減肥效果，而且NE 的減施氮肥效果更為明顯。

表3 不同施肥處理對冬小麥產(chǎn)量的影響

不施肥處理（CK）的產(chǎn)量可以用來表征不同農戶地力的高低。從表3 可以看出，不同農戶、不同年份的CK 產(chǎn)量均存在一定變異，2013 年的地力產(chǎn)量平均值較高，為7 482 kg/hm2，農戶間變異較小，為15.3%。2012 年的地力產(chǎn)量表現(xiàn)較低，為6624kg/hm2，農戶間變異較大，為22.4%，2014 年表現(xiàn)居中，3 a試驗CK 的產(chǎn)量平均僅為7 057 kg/hm2，變異系數(shù)達18.6%。NE-N、NE-P、NE-K 處理的小麥產(chǎn)量在同一年份與NE 處理相比，產(chǎn)量也有不同程度的降低，其中，NE-N 處理較NE 處理產(chǎn)量在不同年份的減產(chǎn)幅度均明顯較大，而NE-P 和NE-K 處理產(chǎn)量與NE 處理比較，僅2013 年達到顯著水平，其他年份未達顯著水平。這表明氮磷鉀養(yǎng)分的平衡施用是冬小麥增產(chǎn)的重要保障措施，同時也是保持產(chǎn)量穩(wěn)定的重要措施。

用NE 處理與NE-N、NE-P、NE-K 處理產(chǎn)量的差值，可以分別表征氮、磷、鉀肥的施肥效應。由表4可知，氮、磷、鉀的施肥效應在不同試驗農戶間、不同年份均存在差異。氮肥施用的效應在每個年份均表現(xiàn)相對較大，以2012 年氮肥效應為最大，平均為1 359 kg/hm2，農戶間變異為38.9%；2014 年氮肥效應最小，平均為860 kg/hm2，變異系數(shù)為46.6%；3 個生長季的氮肥效應平均值為1 209 kg/hm2（n＝39），變異系數(shù)平均為41.9%。磷肥施用的效應總體上低于氮肥，平均為582 kg/hm2，變異系數(shù)平均為50.6%。鉀肥施用的效應基本與磷肥表現(xiàn)大體一致，平均為520 kg/hm2，但變異系數(shù)表現(xiàn)最大，平均達88.1%。這說明當前限制山西臨汾冬小麥產(chǎn)量的養(yǎng)分因子表現(xiàn)為N＞P≈K，這與當?shù)赝寥懒租涴B(yǎng)分較高（表1）相一致。

表4 不同年份氮、磷、鉀肥的平均效應

2.2 3 種施肥處理對冬小麥施肥收益的影響

產(chǎn)投比為產(chǎn)出與投入的比值，是用來衡量施肥收益的靜態(tài)指標，在收益相當?shù)那闆r下，投入越少，產(chǎn)投比越大。由表5 可知，不同年份的3 種施肥處理的小麥產(chǎn)投比存在差異，對每一年份而言，3 個處理的產(chǎn)投比均顯現(xiàn)為NE＞ST＞FP，且NE 處理顯著高于FP 處理。3 a 平均結果顯示，NE 處理的產(chǎn)投比為10.5∶1，ST 處理的產(chǎn)投比為9.2∶1，均顯著高于農民習慣施肥FP 處理（8.3∶1）。從產(chǎn)投比的變異程度看，ST 處理產(chǎn)投比的變異程度較NE 處理略高，均明顯低于FP 處理。這就表明養(yǎng)分專家推薦與測土施肥推薦均可以幫助農民減少投入，增加收益，增加收益的穩(wěn)定性。

表5 3 種施肥處理的產(chǎn)投比（VCR）比較

2.3 3 種施肥處理對養(yǎng)分吸收及養(yǎng)分效率的影響

2.3.1 3 種施肥處理對氮磷鉀養(yǎng)分吸收的影響施肥在于促進氮磷鉀養(yǎng)分的吸收，進而獲得產(chǎn)量。由表6 可知，F(xiàn)P、ST、NE 這3 種施肥體系下氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收在每年都沒有顯著差異，與3 個處理的產(chǎn)量表現(xiàn)一致。這表明FP 處理投入較高量的氮、磷肥并沒有增加氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收，ST 處理和NE 處理的施肥量較FP 處理少，卻均獲得與FP 處理相當?shù)牡?、磷、鉀養(yǎng)分吸收量，這也暗示ST 和NE 處理較FP 處理有較高的養(yǎng)分利用效率。

表6 3 種施肥處理對氮磷鉀養(yǎng)分吸收的影響 kg/hm2

2.3.2 3 種施肥體系的養(yǎng)分內部效率及偏生產(chǎn)力比較 養(yǎng)分內部效率和偏生產(chǎn)力均是表征養(yǎng)分利用效率的參數(shù)，可以用來表征不同施肥體系的養(yǎng)分效率。其中，養(yǎng)分的內部效率表征的是每吸收1 kg某養(yǎng)分獲得的產(chǎn)量，偏生產(chǎn)力表征的是每施用1 kg某肥料養(yǎng)分獲得的產(chǎn)量。由表7 可知，3 種施肥體系下的氮、磷、鉀養(yǎng)分平均的內部效率差異較小，表明3 種施肥體系的養(yǎng)分吸收利用的機制是一致的。從養(yǎng)分的平均偏生產(chǎn)力看，3 種施肥體系的磷養(yǎng)分的偏生產(chǎn)力之間沒有顯著性差異，但FP 處理變異較大，這與農戶間磷肥施用的盲目性和隨意性有關，ST 和NE 處理的變異相對較?。? 種施肥體系的氮養(yǎng)分的平均偏生產(chǎn)力之間存在顯著差異，NE處理的氮肥平均偏生產(chǎn)力最高，達50.4 kg/kg，其次為ST 處理，為41.3 kg/kg，F(xiàn)P 處理的氮肥偏生產(chǎn)力最低，為32.3 kg/kg；3 種施肥體系鉀肥的平均偏生產(chǎn)力也存在顯著差異，F(xiàn)P 處理顯著高于ST 和NE處理，ST 和NE 處理比較，NE 處理略高于ST 處理，但未達顯著水平。FP 處理的鉀肥偏生產(chǎn)力高的原因是農民施鉀數(shù)量較少所致。

表7 3 種施肥處理的養(yǎng)分內部效率及肥料的偏生產(chǎn)力比較 kg/kg

2.3.3 養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦的氮磷鉀養(yǎng)分回收率和農學效率 肥料養(yǎng)分回收率和農學效率也是評價肥料有效性的重要指標，氮、磷肥效率的高低是影響環(huán)境質量的重要因子，氮、磷肥施用效率高，對環(huán)境的影響相對較小，反之則影響較大。由表8 可知，NE 處理的氮肥回收率在不同年份表現(xiàn)基本一致，3 a 平均為33.9%；磷肥的回收率不同年份略有差異，2012 年表現(xiàn)較高，2013 年表現(xiàn)較低，2014 年居中，3 a 平均為14.9%；鉀肥的回收率與磷肥的回收率表現(xiàn)不同，2013 年較高，其次為2014 年，2012 年較低，3 a 平均為48.9%。就肥料的農學效率而言，不同年份、不同肥料養(yǎng)分均存在一定差異。2012 年的氮肥農學效率表現(xiàn)較高，2014 年表現(xiàn)較低，2013 年居中；2014 年的磷肥的農學效率表現(xiàn)較高，2013 年表現(xiàn)較低，2012 年居中；鉀肥農學效率較同年的氮、磷養(yǎng)分的農學效率略低，平均在5.9～6.4 kg/kg。不同農戶3 a 平均氮、磷、鉀農學效率分別為7.6，7.5，6.2 kg/kg。

表8 養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦NE 的養(yǎng)分回收率和農學效率

3 結論與討論

在農田生產(chǎn)條件下，作物生長發(fā)育往往受水、肥、氣、熱及栽培管理措施等因素的影響，在栽培管理措施相對一致的情況下，肥料投入的多少一定程度上影響作物的產(chǎn)量和收益，但肥料的投入多少與產(chǎn)量的關系并不是簡單的正比關系。本研究3 a 完成的39 個試驗中的NE 和ST 處理的氮、磷施肥量均顯著低于FP 處理，但獲得了與FP 處理相當?shù)漠a(chǎn)量，有力證明了這一點。農民習慣盲目施肥，不注重養(yǎng)分的平衡施用，并不能帶來高收益，這從施肥產(chǎn)投比明顯的比較結果NE＞ST＞FP 得到證實。這與一些學者在河南、河北、山東開展小麥養(yǎng)分專家系統(tǒng)應用取得的結果一致[9-11]，也進一步表明只有合理施肥才是保障高產(chǎn)和高收益的關鍵。

作物的養(yǎng)分吸收是土壤養(yǎng)分供應和肥料養(yǎng)分供應的綜合效應。3 種施肥體系下小麥產(chǎn)量間沒有顯著性差異，氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收量的差異也未達顯著水平，表明在一定生產(chǎn)條件下，獲得一定小麥產(chǎn)量的養(yǎng)分需求量是相對穩(wěn)定的，這也可從3 種施肥體系下氮、磷、鉀養(yǎng)分利用的內部效率間沒有顯著性差異得到驗證。但從肥料養(yǎng)分的偏生產(chǎn)力看，3 種施肥體系的氮養(yǎng)分的平均偏生產(chǎn)力存在顯著差異，NE 處理的氮肥平均偏生產(chǎn)力最高，達50.4 kg/kg，其次為ST 處理，為41.3 kg/kg，F(xiàn)P 處理的氮肥偏生產(chǎn)力最低，為32.3 kg/kg，這與3 種施肥體系中氮肥投入的顯著性差異密切相關，NE 處理推薦施氮量顯著低于FP 處理，可以顯著增加氮肥的偏生產(chǎn)力效率。從NE 處理推薦的養(yǎng)分回收率看，氮、磷、鉀肥當季回收率3 a 平均分別為33.9%，14.9%和48.9%，均略高于張福鎖等[19]報道的氮肥回收率（28.2%）、磷肥回收率（10.2%）和鉀肥回收率（30.3%）。就農學效率而言，氮、磷、鉀農學效率3 a 平均分別為7.6，7.5，6.2 kg/kg，與張福鎖等[19]報道的氮、磷、鉀農學效率分別為8.0，7.3，5.3 kg/kg 相近。

基于小麥養(yǎng)分專家系統(tǒng)（NE）推薦和基于測土推薦施肥（ST）與農民習慣施肥相比，產(chǎn)量差異不明顯，但均顯著降低了施氮量和施磷量，適當增加了鉀肥的投入量，較好地實現(xiàn)了農田養(yǎng)分平衡，保障了農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。在當前以農戶經(jīng)營為主的農業(yè)生產(chǎn)中，小麥養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦因其不需要進行土壤取樣、測試分析，方法簡便易行，有其獨特的特點，能夠在保證不減產(chǎn)的前提下有效地降低農戶農田養(yǎng)分投入量，降低過量投入化肥帶來的環(huán)境風險。因此，小麥養(yǎng)分專家系統(tǒng)是一款簡單、實用的養(yǎng)分推薦方法，而且也可以作為測土配方施肥技術的補充，具有非常廣闊的應用前景。