养分专家系统推荐施肥对小麦玉米产量、效益及养分平衡的影响

2018-03-29魏建林谭德水郑福丽李燕李国生崔荣宗肖建军

山东农业科学 2018年2期

关键词：小麦

魏建林谭德水郑福丽李燕李国生崔荣宗肖建军

摘要：针对传统推荐施肥方法周期长、成本高及难以适合分散小地块的弊端，本研究利用养分专家系统（Nutrient Expert）在山东省小麦-玉米轮作模式下进行3周年的推荐施肥试验，通过作物产量、收益分析及表观养分平衡计算，综合评价养分专家系统的实际应用效果。试验在143户的小麦-玉米轮作地块进行，设置空白处理（CK，不施肥）、农民习惯施肥处理（FP）、当地官方推荐施肥处理（OPTS）和养分专家系统推荐施肥处理（OPTE），比较不同施肥处理间产量、效益及养分平衡情况。结果表明：与不施肥相比，各施肥处理产量增加明显，玉米增产幅度在15.1%～29.5%，小麦增产幅度在25.6%～37.2%。各施肥处理间产量无显著性差异，但OPTE处理相比FP、OPTS处理养分投入量降低，提高了种植效益，产投比明显高于其余两个处理。养分表观平衡计算结果表明，OPTE处理氮磷钾养分盈余量同其他处理相比最小。综合产量、效益及养分收支平衡各方面，养分专家系统推荐施肥优于传统推荐施肥方法，在小麦玉米生产上能够稳产增收、降低环境污染风险。

关键词：养分专家系统；推荐施肥；小麦-玉米轮作；产量效益；养分平衡

中图分类号：S512.106.2+S513.106.2文献标识号：A文章编号：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产过程中功不可没。人多地少的基本国情和人们对于粮食的需求日益增长，形成了我国特有的依靠化肥的大量投入来增加单产的农田高强度利用生产体系[1，2]。据估计，1978—2006 年间化肥投入对中国粮食产量的贡献率达56.81%[3]，施用化肥在过去、现在和将来都是我国最有效的农产品增产措施之一[4]。但我国农户在农业生产中的许多施肥行为是不合理的，主要表现在：化肥利用率不高；化肥投入的养分比例不平衡，氮素过量施用，磷、钾素及中、微量元素肥料施用比例偏低等[5-8]。由此带来的土壤板结、地力下降、面源污染、环境恶化和食品安全问题日趋凸显[9-14]。

土壤肥料科学家在土壤养分管理和推荐施肥方面做了大量研究[15-20]。通过科学推荐施肥能够根据作物生长需要和土壤养分状况合理确定养分用量及比例等，但传统施肥推荐方法大多是以土壤测试为基础的，根据土壤的物理性状、养分含量和作物目标产量来确定施肥，这种方法虽能做到肥料施用较为科学、合理，但土壤测试成本较高，需要时间也长，由于我国主要还是以分散的小农户为经营单位，地块间地力存在一定差异，要实现一家一户的推荐施肥相当困难。针对以上弊端，国际植物营养研究所（IPNI）近些年开展了基于作物产量反应和农学效率的作物养分管理和推荐施肥方法研究[21]，该推荐方法原理是把土壤养分供应看作一个“黑箱”，用不施该养分地上部的产量或养分吸收来表征，利用已有作物养分吸收和产量关系，结合当地气候、环境及种植习惯等，确定施肥推荐相关参数，根据目标产量给出施肥数量和施肥方法。本研究通过在山东省进行3个轮作周期的小麦、玉米田间试验，对养分专家系统（Nutrient Expert）进行验证与评价，以此完善该专家推荐系统，并将其作为进一步推广应用的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

试验自2010年6月玉米种植季始，小麦玉米轮作模式下连续3年共6季作物试验。试验地点位于山东省德州市平原县，属于鲁西北黄河冲积平原，土壤类型为潮土，质地轻壤。处于暖温带半湿润季风气候区，年平均气温13.1℃，年平均降水量641.5 mm，当地水浇条件良好。主要种植模式为小麦玉米轮作。

1.2 试验地块土壤基本理化性状

2010年6月玉米试验前取0～20 cm耕层土壤样品，常规法进行理化性状分析，结果见表1。

1.3 试验设计与方法

每季作物试验以农户为重复，每户设4个处理，其中CK为不施肥处理，其余3个处理分别为养分专家推荐施肥处理（OPTE）、当地农民习惯施肥处理（FP）和当地农技推广部门推荐施肥处理（OPTS）， 6个种植季共在143户地块上进行了田间试验。试验前进行农户施肥情况调查，运行养分专家施肥推荐系统将各个农户的施肥情况、产量信息及相关生产条件进行分析，提出当季作物推荐施肥处理（OPTE）肥料养分用量。

由于地块限制，试验小区面积在40～60 m2，3个试验周期内玉米均在6月份播种，10月份收获，小麦均在10月份播种，6月份收获，品种为当地主推品种。小区全部收获进行测产。

产投比=施肥增产收益/施肥投入值；养分平衡采用表观平衡法计算：平衡值=养分投入量-作物携出量，正值表示盈余，负值表示亏缺。

2 结果与分析

2.1 不同推荐施肥方法的养分投入量情况

由表2看出，在玉米季试验中，各年度OPTE处理比FP和OPTS处理氮平均投入量均有所减少，其中OPTE处理与FP处理相比减少30%左右。磷钾的投入量年度间各处理不同，总体来看OPTE处理比另外两个处理投入量降低。

由表3看出，在小麦季试验中，OPTE处理比FP和OPTS处理氮磷平均投入量都有所减少，其中氮肥的投入量减少幅度较大，同FP处理相比减少40%左右，磷肥也有不同幅度减少，而钾肥的投入量则有所增加。

2.2 不同推荐施肥方法对玉米产量、效益的影响

从3个年度玉米试验产量结果（表4）看，不同农户、不同年份的产量存在一定差异，从当年的产量平均结果看，与不施肥相比，各施肥处理产量增加明显，OPTE增产幅度15.1%～29.5%，FP增产幅度17.8%～25.5%，OPTS增产幅度16.7%～29.0%。而OPTE、FP、OPTS间产量相差不大。统计分析结果显示，同一年度各施肥处理与不施肥处理相比增产达极显著水平，而不同施肥处理间产量均未达显著水平。综合3年结果分析，OPTE处理与FP处理相比玉米产量基本持平，从增产户数比例看，至少有三分之一以上的农户表现为增产。

从3个年度试验结果（表5）看，与CK相比，各施肥处理玉米种植经济收益每公顷增收2 537～3 236元，增收幅度15%～30%。各年度3个施肥处理间经济收益差异不大，其中2010年度种植玉米收益OPTE处理略高于FP和OPTS处理，其余两个年份均为FP处理略高于其他两个处理。根据增收收益与肥料投入成本相比计算可知，OPTE处理产投比为2.10～3.27，OPTS处理产投比为1.37～2.01，FP处理产投比为1.67～1.94，综合各年度结果来看，OPTE处理产投比均高于其余两个施肥处理。

2.3 不同推荐施肥方法对小麦产量、效益的影响

从3个年度小麦试验结果（表6）看，与CK相比各施肥处理小麦增产达极显著性水平，增产幅度在25.6%～37.2%。2011年度OPTS处理与FP处理相比增产达显著水平，而OPTE处理与FP处理之间无显著差异，OPTE处理与OPTS处理之间也无显著差异。2012年度和2013年度3个施肥处理间产量统计分析显示均未达到显著水平。OPTE处理相比FP每年均表现为50%以上的农户增产。总体来看小麦产量OPTE比FP处理有增产的趋势，但与FP和OPTS处理无显著差异。

从小麦种植经济效益结果（表7）分析看，与CK相比各施肥处理每公顷增收3 671～4 936元，增收幅度26%～37%。同一年度各施肥处理间经济收益相差不大，在小麦生产上OPTE处理收益均高于FP处理，但略低于OPTS处理。由产投比计算结果可知，OPTE处理产投比为2.38～3.27，OPTS处理产投比为1.65～2.36，FP处理产投比为1.83～2.04，综合各年度结果来看，OPTE处理产投比均高于其余两个施肥处理。

2.4 不同推荐施肥方法对养分表观平衡的影响

各年份玉米试验养分表观平衡计算结果（表8）显示，除2011年度OPTE处理磷钾略有亏缺外，各年份其它處理氮磷钾养分均表现为盈余，其中氮盈余量最大，磷钾养分盈余相对较小。从不同处理来看，各年度中均以OPTE处理氮盈余量最小，FP处理的氮盈余量最大，高出OPTE处理61.5～130.0 kg/hm2。

各年份小麦试验养分表观平衡计算结果（表9）显示，不同处理养分盈余量3年试验结果综合来看，OPTE处理平均氮盈余4.4 kg/hm2，磷盈余37.2 kg/hm2，钾盈余47.0 kg/hm2。FP处理平均氮盈余137.6 kg/hm2，磷盈余82.8 kg/hm2，钾盈余2.1 kg/hm2。OPTS处理平均氮盈余116.4 kg/hm2，磷盈余95.7 kg/hm2，钾盈余25.4 kg/hm2。FP处理比OPTE处理氮平均盈余高出130.0 kg/hm2以上。

3 讨论

基于作物产量反应和农学效率的作物养分管理和推荐施肥方法在我国主要以 IPNI 在中国的多年多点田间试验为基础，依据SSNM（site-specific nutrient management）原则利用 QUEFTS （quantitative evaluation of the fertility of tropical soils）模型，在分析大量作物养分吸收和产量关系的基础上进行参数调整而形成，因而可以在不同试验地点、根据不同生态条件进行有针对性的合理推荐施肥，实现作物的高产高效。在国内应用已有较多报道[21-26]，利用该推荐施肥比当地推荐施肥减少氮肥用量11.4%，比农民习惯施肥减少氮肥用量42.0%～55.6%，同时平衡了磷、钾养分。虽然降低了氮肥用量，由于优化了施肥方法和栽培管理技术，作物产量并没有降低，实现了节肥增效。养分表观平衡结果表明，基于养分专家系统推荐施肥，氮磷钾养分基本保持平衡或略有盈余，而当地推荐施肥及农民施肥由于施肥量较大、养分比例不平衡等原因会导致养分盈余较多。

基于作物产量反应和农学效率的作物养分管理和推荐施肥方法同其他推荐施肥方法相比应用十分方便，只需将当地的生产条件输入计算机软件中，计算机会根据目标产量计算出施肥数量和施肥方法，比较适合我国以分散小农户为主要经营单元的农业生产体系，对于改变目前生产中普遍存在的重氮肥、轻磷钾肥等不合理施肥现象造成的肥料回收率低、经济效益下降、生态环境恶化等具有积极作用，对促进我国农业的可持续发展具有重要意义。

4 结论

基于养分专家系统的推荐施肥方法在山东省小麦、玉米生产上3年的田间验证试验可得出如下结论：

4.1 施肥是实现小麦、玉米产量的重要保证。与不施肥相比，各施肥处理产量增加明显，玉米增产幅度在15.1%～29.5%，小麦增产幅度在25.6%～37.2%。

4.2 基于养分专家系统的推荐施肥处理减少了氮养分投入，平衡了磷钾养分投入，实现了与农民习惯施肥及当地官方推荐施肥相持平的产量，提高了生产收益，并且减小了农业生产中氮素养分在土壤中的盈余，降低了过量投入化肥带来的环境风险，因此具有较高的生态效益和社会效益。

4.3 基于养分专家系统的推荐施肥处理在当地小麦、玉米生产上与农民习惯施肥及官方推荐施肥处理产量无明显差异。从增产幅度的分布看当地官方推荐施肥方案增产效果略优于专家系统推荐施肥方案。

4.4 从粮食生产效益分析结果看，基于养分专家系统的推荐施肥处理在当地小麦、玉米生产上与农民习惯施肥相比增收效果明显，产投比高于农民习惯施肥及当地官方推荐施肥。

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