基于养分专家系统的氮肥减施对大葱产量、品质及养分吸收利用的影响

马征 刘东升 魏建林 王连英 郭跃升 董艳红 刘福忠 崔荣宗

摘要：為科学指导山东章丘地区大葱施肥，合理评价养分专家系统（NE）在大葱种植上的化肥减施效果，本研究通过田间试验比较不同施氮量处理的养分积累、大葱产量及品质，分析施氮量对其经济效益、氮肥利用率和土壤硝态氮积累等指标的影响。试验共设置6个处理，分别为不施氮处理（CK）、大葱养分专家推荐施肥处理（NE）、NE基础上减施60%氮肥处理（40%NE）、NE基础上减施30%氮肥处理（70%NE）、NE基础上增施30%氮肥处理（130%NE）和NE基础上增施60%氮肥处理（160%NE）。结果表明，在磷、钾肥充足的前提下，随施氮量增加大葱产量上升8.87%～30.03%，NE基础上减施30%可实现95%的大葱产量。增施60%氮肥产量显著上升，但大葱硝酸盐含量显著上升20.31%，造成品质下降。NE处理氮肥农学效率平均为71.43 kg/kg，氮肥利用率平均为20.44%，160%NE氮肥利用率和氮肥农学效率均显著降低。减氮处理氮素积累量分别显著降低21.87%和10.83%，增氮处理大葱氮素积累量分别上升2.74%和7.81%，但差异不显著。130%NE与160%NE处理较NE处理土壤硝态氮累积量分别显著上升160.98%和140.35%。综上所述，NE系统可在章丘大葱种植中优化施肥量，实现化肥减施增效，促进养分的吸收利用，具有较好的增产效果。

关键词：养分专家系统;大葱;产量;氮肥减施;经济效益

中图分类号：S147.22：S633.106+.2  文献标识号：A  文章编号：1001-4942（2020）11-0009-06〖HJ*4/9〗

Effects of Nitrogen Fertilizer Reduction on Yield，

Quality and Nutrient Absorption and Utilization of Chinese

Spring Onion Based on Nutrient Expert System

Ma Zheng1， Liu Dongsheng2， Wei Jianlin1， Wang Lianying2，

Guo Yuesheng3， Dong Yanhong3， Liu Fuzhong4， Cui Rongzong1

〖WT5”BX〗（1. Institute of Agricultural Resources and Environment， Shandong Academy of Agricultural Sciences/

Key Laboratory of Agro-Environment of Huanghe-Huaihe-Haihe Plain， Ministry of Agriculture and Rural Affairs/

Key Laboratory of Wastes Matrix Utilization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs/ Shandong Provincial

Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer， Jinan 250100，China;

2.Wucheng Bureau of Agriculture and Rural Affairs， Wucheng 253300， China;

3. Soil and Fertilizer Station of Shandong Province， Jinan 250100，China;

4. Shandong Lanxin Environment Testing and Analysis Co.， Ltd.，Jinan 250100， China）

Abstract In order to optimize the fertilizer management， realize the effects of scientific fertilization on Zhangqiu Chinese spring onion， and reasonably evaluate the fertilizer reduction effect of the Nutrient Expert System， field experiments were conducted to study the effects of nitrogen fertilizer application rate on nutrient accumulation， yield， quality， economic benefit， nitrogen use efficiency and soil nitrate nitrogen accumulation. Six treatments were set as no nitrogen application （CK）， fertilization recommended by the Nutrient Expert System （NE）， nitrogen reduction of 60% based on NE （40%NE）， nitrogen reduction of 30% based on NE （70%NE）， nitrogen increase of 30% based on NE （130%NE）， and nitrogen increase of 60% based on NE （160%NE）. The results showed that based on sufficient phosphorus and potassium， the yield of Chinese spring onion increased by 8.87%～30.03% with the increase of nitrogen fertilizer. The N fertilizer could be reduced by 30% based on NE for 95% yield potential. The yield of 160%NE was significantly higher， but the quality of Chinese spring onion decreased because the nitrate nitrogen content significantly increased by 20.31%. The average nitrogen agronomic efficiency of NE treatment was 71.43 kg/kg， and the nitrogen use efficiency was 20.44%. The average agronomic efficiency and the fertilizer use efficiency significantly decreased under 160%NE treatment. The nitrogen accumulation of N rate decreasing treatment significantly decreased by 21.87% and 10.83%， respectively， while that of N rate increasing treatment increased by 2.74% and 7.81%， but they had no significant differences. The nitrate N accumulation of 130%NE and 160%NE significantly increased by 160.98% and 140.35%， respectively， compared with NE treatment. In conclusion， The NE system could optimize the ratio of nitrogen， phosphorus and potassium fertilizer for Chinese spring onion， increase efficiency while reducing nitrogen fertilizer， promote the absorption and utilization of nutrients， and have better effect on yield increase.

Keywords Nutrient Expert System; Chinese spring onion; Yield; Nitrogen fertilizer reduction;Economic benefit

大葱（Allium fistulosum L.）为百合科葱属，二、三年生草本植物，以叶片及叶鞘（假茎）为食用器官，是我国人民喜食的调味佳品。章丘大葱栽培历史悠久，因其棵大白长、脆嫩可口、适宜久藏特点，被誉为“葱中之王”，深受世界各地消费者喜爱。2003—2016年我国大葱种植面积一直稳定在54万公顷以上，2016年山东大葱种植面积为9.4万公顷，占总种植面积的17.12%[1]。大葱产业逐渐成为拉动当地农民增收的重要支柱产业，随着人民生活水平的不断提高和对富硒大葱等保健功能的认识，大葱的种植面积、产量及品质还会进一步的扩大和提高[1，2]。

前人研究表明，氮素在作物生长和产量形成中发挥着尤为重要的作用，且氮素对大葱产量的影响显著高于磷和钾，因此，长期以来大葱生产中存在氮肥施用过量、钾素不足等现象，影响大葱产量及品质，造成化肥利用率不高、生产成本增加、效益下降、环境风险加大等问题[3，4]。目前，农业部门高度重视化肥减施增效技术的研究及推广，推进精准施肥、调整化肥施用结构切实有效地减少化肥投入量、提高化肥的利用率和增产效果、降低环境负影响已成为农业生产中一项重要而紧迫的任务。

基于产量反应和农学效率的养分专家系统（nutrient expert system，NE）， 是在实地养分管理（site-specific nutrient management，SSNM）方法基础上，结合4R养分管理原则，针对特定农田和作物生长环境而制作的施肥决策系统[5-7]。与传统的地力分级法、目标产量法、肥料效应函数法和土壤测试等推荐施肥法相比，NE系统不但投入小，且省时省力。根据目标产量、土壤性状、气候条件及养分管理措施等作物生产信息，可快速推荐作物氮、磷、钾施肥量和施肥时期，生产实践中也克服了我国一家一户推广应用难度较大等问题[8，9]。养分专家系统目前已在水稻[10-12]、小麦[13-15]、玉米[16-18]等多种作物上应用，均有较好的减施增收效果，但养分专家系统在大葱氮肥减施上的应用鲜有报道。本试验基于养分专家系统推荐施肥量，以氮肥减施增效为目标，在多年大葱栽培地块上设置氮肥增减30%和60%的用量试验，研究其对大葱产量、品质、养分吸收积累及肥料利用效率的影响，以期进一步分析大葱养分专家系统的氮肥推荐量和减施潜力，为大葱科学施肥提供理论和技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及供试材料

试验于2018年在济南市章丘区枣园街道办事处庆元村进行（36°46′N，117°26′E）。供试土壤类型为褐土，表层质地中壤，地势平坦，地力均匀，水浇条件良好。土壤基本理化性状：pH值7.88，有机质15.77 g/kg、全氮0.75 g/kg、碱解氮72.50 mg/kg、有效磷82.56 mg/kg、速效钾188.0 mg/kg，土壤容重2.6 g/cm3。供试大葱品种为‘大梧桐。当地种植一般于6月中下旬定植葱苗，10月底至11月上旬收获。供试肥料为尿素（N含量46%）、重过磷酸钙（P2O5含量44%）、硫酸钾（K2O含量50%）。

1.2 试验设计

采用大田小区试验法，随机区组设计，设置6个处理，分别为：不施氮肥处理（CK）、养分专家推荐施氮肥处理（NE）、推荐施肥基础上减施60%氮肥处理（40%NE）、推荐施肥基础上减施30%氮肥处理（70%NE）、推荐施肥基础上增施30%氮肥处理（130%NE）和推薦施肥基础上增施60%氮肥处理（160%NE），各处理具体施肥量见表1。小区面积3.4 m×5.9 m=20 m2，重复3次。根据大葱生长发育规律和肥料特性，各处理施肥分基肥、缓苗肥、发棵肥、假茎充实肥4次进行，其中氮钾肥分4次平均施入，磷肥每次施用量依次分别占总施磷量的75%、15%、5%、5%;CK除不施氮肥外，肥料运筹与其他处理一致。2018年6月21日开沟施基肥，6月22日移栽葱苗，8月14日、8月28日、9月16日结合培土进行追肥。10月31日大葱收获。

1.3 样品采集与测定方法

大葱定植前与收获后按五点法采集0～30、30～60、60～90 cm土壤样品，鲜土样测定硝态氮（NO-3-N）和铵态氮（NH+4-N）含量。表层土（0～30 cm）风干后测定有机质含量、pH值、全氮、碱解氮以及有效磷和速效钾。连续流动分析仪法测定土壤硝态氮和铵态氮[19]。重铬酸钾容量法-外加热法测定土壤有机质，凯氏定氮法测定土壤全氮，碱解扩散法测定碱解氮，NaHCO3浸提-钼蓝比色法测定有效磷，NH4OAc浸提-火焰光度法测定速效钾。

大葱收获时取小区中间代表性样段整株葱鲜样10株，进行商品性状调查及品质分析。商品状调查指标包括株高、茎粗、假茎长;品质指标中可溶性固形物采用奥利龙0～20%手持糖度计测定，维生素C采用2，6-二氯酚靛酚滴定法[19]、硝酸盐采用紫外分光光度法[20] 测定。收获时各试验小区单独采收并测产。

1.4 数据分析

收益=单价×产量;纯收益=单价×产量-肥料投入及其他成本;产投比=纯收益/化肥投入;

养分积累量=收获物干重×收获物养分含量（%）;土壤硝态氮累积量（kg/hm2）=土层厚度（cm）×土壤容重（g/cm3）×硝态氮浓度（mg/kg）/10;

肥料利用率（%）=（施肥区养分积累量-减素区养分积累量）/施肥量×100;

氮肥农学效率（AEN）=（施肥区大葱产量-减素处理区大葱产量）/施肥量。

采用Microsoft Excel 2007进行数据统计，DPS软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 增减氮肥对大葱商品性状的影响

由表2可知，氮肥对大葱株高影响显著，随施氮量的增加株高呈增加趋势，各处理较CK显著增加4.50%～9.21%，其中氮肥减施30%、60%和增施30%处理株高与NE处理差异不显著。当氮肥增施60%时，株高显著高于其他处理。与NE相比，不施或减施氮肥大葱假茎长显著降低，CK、40%NE和70%NE处理分别降低10.92%、7.33%和5.98%。增施30%和60%氮肥处理大葱假茎长较NE处理并无显著差异。各施氮处理大葱茎粗较CK均有增加，但各处理间无显著差异。

2.2 增减氮肥对大葱产量及品质的影响

由表3可以看出，施氮量对大葱产量影响显著， CK产量仅为80 147.06 kg/hm2，施氮处理增产率在8.87%～30.03%之间。以NE处理为参照，增减30%氮肥处理产量无显著差异，其中70%NE处理产量降低4.98%，即减施30%氮处理可实现大葱95%产量潜力;130%NE处理产量仅增加1.05%。与NE处理相比，减施60%氮处理产量降低12.19%，增施60%NE处理产量上升4.88%，增减60%氮肥两处理间差异达显著水平。氮肥对大葱硝酸盐含量影响显著，硝酸盐含量随着施氮量的增加而上升，其中40%NE、70%NE、NE和130%NE处理间硝酸盐含量差异不显著，当施氮量继续增大，160%NE处理大葱硝酸盐含量较其他施氮处理平均显著提高20.31%。各处理大葱维生素C含量略有变化，但差异不显著。

2.3 增减氮肥对大葱经济效益的影响

由表4可知，与CK相比，各处理大葱纯收益随着施氮量的增加提高10.17%～34.06%。与NE相比，减氮处理纯收益均降低，70%NE处理纯收益降低5.53%，但差异不显著;而40%NE处理纯收益显著降低13.67%;增氮30%、60%处理纯收益较NE分别增加0.88%和5.05%，但差异均不显著。大葱产投比随施氮量的上升而降低。综合分析，NE处理可获得相对较高的经济效益，说明养分专家推荐施肥系统可保证大葱产量，同时达到节肥增效的目的。

2.4 增减氮肥对大葱养分积累量及氮肥利用率的影响

由表5可知，增施氮肥显著增加大葱对氮素的吸收，各施氮处理氮素积累量较CK增加26.14～74.06 kg/hm2。与NE相比， 40%NE和70%NE处理氮素积累量分别显著下降21.87%和10.83%;130%NE和160%NE处理大葱氮素积累量分别增加2.74%和7.81%，但未达到显著差异。各施氮处理磷素积累量较CK增加8.87%～25.20%。与NE相比，除40%NE处理外，其他处理大葱磷素积累量变化无显著差异;施氮肥可提高大葱钾素积累量14.80%～38.13%。与NE处理相比，减施氮肥大葱钾素积累降低6.41%～10.23%，但差异不显著。

植株氮肥利用情况与施肥量、产量及氮素积累量密切相关，本试验结果表明氮肥利用率随着氮肥施用量的增加而降低，各处理氮肥农学效率先上升后降低。当氮素施用水平达349.7 kg/hm2以上时，氮肥利用率和农学效率均明显降低。因此，合理的施氮量能实现大葱稳产，提高氮肥的农学效率，减少因过度施肥造成的利用率低及面源污染等问题。

2.5 增减氮肥对不同土层硝态氮含量的影响

由图1看出，不同施肥处理造成各土层硝态氮累积量差异显著。CK在各土层中土壤硝态氮含量最低。0～30 cm土层各处理土壤硝态氮累积量在30.17～60.81 kg/hm2之间，其中130%NE和160%NE处理较NE处理分别显著提高68.03%和49.46%;随着土层加深，除160%NE处理外，各处理在30～60 cm土层中土壤硝态氮累积量显著降低，而160%NE处理硝态氮累积量上升，并显著高于其他处理;除CK外，60～90 cm土层各处理土壤硝态氮累积量均有上升趋势，130%NE与160%NE处理较NE处理土壤硝态氮累积量分别显著上升160.98%和140.35%，表明过量施氮可造成土壤硝态氮的不断累积，NE处理可有效降低硝态氮向下淋洗程度。

3 讨论

研究表明，科学的推荐施肥方法是实现作物高产高效的重要措施。偏施氮肥不仅会因氮素投入过量而导致钾素不足，影响大葱产量和品质，还是造成肥料利用率低的主要因素，影响土壤养分积累，增加地下水硝酸盐污染等风险[21，22]。养分专家系统在全国范围内数万个有效肥料田间试验的基础上，建立起的基于产量反应和农学效率的推荐施肥系统，并在不同气候条件区开展了广泛应用。多年多点试验证明，NE系统可通过了解农户过去3～5年的产量水平和施肥历史完成施肥推荐，解决了农户土壤测试条件不具备及氮素推荐困难等难题，优化肥料运筹，提高肥料利用率，增加农民收入。苏瑞光等[23]比较了小麦养分专家系统和ASI法推荐施肥效果，发现两种方法较农民习惯施肥均有较好的增产增收效果，且NE系统根据简单易得的小麦生产相关信息可快速推荐施肥营养套餐，较ASI推荐施肥更快速简便。柳开楼等[24]评估了NE系统在双季稻区的化肥减施效果，发现与农民习惯施肥相比，早、晚稻季NE系统中氮肥的减施比例分别为24.86%～29.15%和28.15%～34.43%，磷肥的減施比例分别为15.97%～37.05%和31.72%～44.75%，钾肥的减施比例分别为60.35%～66.22%和72.29%～74.02%，且NE系统的水稻产量也显著高于测土配方处理。本研究建立的大葱养分专家系统，是通过大葱生产相关信息，利用后台已有的数据库，快速生成基于农户个性信息的施肥营养套餐。大葱养分专家系统推荐施肥优化了氮磷钾肥用量，较增减施氮处理既节约施肥成本又具有较好的增产增收效果。

张福锁[25]指出蔬菜生产中过量投入水肥现象非常普遍，氮肥施用量一般超过450 kg/hm2，设施蔬菜氮肥利用率不足15%，过量施氮造成的氮损失已对环境构成严重威胁。本研究中，大葱养分专家系统推荐施肥在保证作物产量前提下将氮肥施用量控制在一个合理的范围内，氮肥利用效率为20.44%，高于统计数据，说明NE推荐施肥可提高肥料利用效率。同时，研究发现减氮30%处理大葱产量可达NE处理的95%，收益仅降低5.53%，氮肥农学效率增加4.33 kg/kg，说明适当降低肥料用量是提高肥料利用效率的有效措施。在“化肥减施”的背景下，基于NE推荐大葱氮肥施用量控制在188～270 kg/hm2范围内可具有较好的增产增收效果。但在当前土壤高强度利用情况下，NE推荐氮肥施用量长期肥效仍需进一步验证。

4 结论

在章丘大葱主产区，大葱养分专家系统推荐施肥根据作物产量反应、养分农学效率、产量目标及养分管理措施等信息给出合理的氮磷钾用量和配比，是一种增产增收和提高肥料利用效率的有效方法，简便易行，能够在保证不减产的前提下有效地减少养分投入量，降低0～90 cm土层硝态氮积累量从而降低过量氮肥投入带来的环境风险，对于实现大葱科学施肥具有重要意义。

参 考 文 献：

[1] 中华人民共和国农业部.中国农业统计资料2002—2016[M]. 北京：中国农业出版社，2002-2016.

[2] 李炜蔷，张逸，石健，等. 硅对大葱矿质元素吸收、分配特性及产量和品质的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2016，22（2）：486-494.

[3] 石健， 李炜蔷， 侯丽丽，等. 养分专家系统在双季稻中的应用和评价[J]. 植物生理学报， 2015， 51（6）：847-852.

[4] 董飞，陈运起，刘世琦，等. 大葱需肥规律的研究[J]. 山东农业科学，2012，44（11）：66-70.

[5] Xu X P， He P， Yang F Q， et al. Methodology of fertilizer recommendation based on yield response and agronomic efficiency for rice in China[J]. Field Crops Research， 2017，206：33-42.

[6] 贾良良，杨军芳，孙彦铭，等. 小麦养分专家系统推荐施肥对河北省冬小麦产量、养分效率和环境效应的影响[J]. 中国土壤与肥料， 2017（5）：51-55.

[7] Chuan L M， He P， Pampolino M F， et al. Establishing a scientific basis for fertilizer recommendations for wheat in China： yield response and agronomic efficiency[J]. Field Crops Research， 2013，140：1-8.

[8] 仝利朋. 肥料效应函数的改良解法在黑土区玉米推荐施氮上的应用[D]. 哈尔滨：东北农业大学，2019.

[9] 杜君，孙克刚，白由路，等. 北方褐土区冬小麦养分平衡施肥参数研究[J]. 植物营养与肥料学报，2015，21（5）：1113-1122.

[10]宋蝶，陈新兵，董洋阳，等. 养分专家系统推荐施肥对苏北地区水稻产量和肥料利用率的影响[J]. 中国生态农业学报：中英文，2020， 28（1）： 68-75.

[11]柳开楼，李大明，余喜初，等. 基于养分专家系统评估双季稻区的氮肥减施潜力[J]. 中國稻米，2019，25（3）：44-48.

[12]刘东海，陈云峰，李双来，等.养分专家系统推荐施肥对湖北中稻产量和养分利用率的影响[J]. 中国土壤与肥料，2019 （4）：84-88.

[13]魏建林，谭德水，郑福丽，等. 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[J]. 山东农业科学，2018，50（2）：87-92.

[14]Sun Y M， Yang Y M， Yang J F， et al. Evaluation ofnutrient expert system in improving nutrient use efficiency and environmental benefits for winter wheat in the Hebei Plain[J]. IOP Conference Series： Earth and Environmental Science， 2018， 185 （1）：1-7.

[15]Pooniya V， Jat S L， Choudhary A K， et al. Nutrient expert assisted site-specific-nutrient-management： an alternative precision fertilization technology for maize-wheatcropping system in South-Asian Indo-Gangetic Plains[J]. Indian Journal of Agricultural Sciences， 2015，85（8）：996-1002.

[16]Xu X P， He P， Pampolino M F， et al. Narrowing yield gaps and increasing nutrient use efficiencies using the Nutrient Expert system for maize in Northeast China[J]. Field Crops Research， 2016， 194：75-82.

[17]包红静，邢月华，刘艳，等. 养分专家系统推荐施肥对玉米产量及肥料利用率的影响[J].辽宁农业科学， 2016（2）：74-76.

[18]孙彦铭，赵姗姗，韩宝文，等. 基于养分专家系统的农田养分管理技术在小麦玉米农田温室气体减排中的应用效果[J]. 中国土壤与肥料，2015（5）：13-18.

[19]鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京：中国农业科学技术出版社，2000.

[20]中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会，国家食品药品监督管理总局. 食品安全国家标准 食品中亚硝酸盐与硝酸盐的测定：GB 5009.33—2016[S]. 北京： 中国标准出版社，2016.

[21]徐钰，江丽华，林海涛，等. 氮素供应对章丘大葱生长和氮素营养的影响[J]. 西北农业学报，2013，22（4）：102-108.

[22]吕晓立，刘景涛，韩占涛，等. 甘肃秦王川灌区地下水硝酸盐污染特征及成因[J]. 干旱区资源与环境，2020，34（6）：139-145.

[23]苏瑞光，王宜伦，刘举，等. 养分专家系统推荐施肥对潮土冬小麦产量及养分吸收利用的影响[J]. 麦类作物学报，2014，34（1）：120-125.

[24]柳开楼，李大明，胡志华，等. 养分专家系统在双季稻中的应用和评价[J]. 中国土壤与肥料，2019（1）：184-189.

[25]张福锁.我国肥料产业与科学施肥战略研究报告[M].北京：中国农业大学出版社，2008：8，34.