养分专家系统推荐施肥对大豆产量及养分吸收利用的影响

韩本高， 樊燕鸽， 张 倩， 曾庆磊， 王宜伦

（1.河南农业大学资源与环境学院，郑州 450002； 2.河南省科学院化学研究所有限公司，郑州 450000）

大豆是我国主要粮油兼用作物之一，在医疗、保健和动物饲料等行业具有广泛用途［1-2］. 我国大豆产量的进一步提高受氮、磷、钾平衡施肥所影响［3-4］. 前人研究表明，优化氮磷钾配施可显著提高大豆产量［5］，平衡施肥较不施氮显著增产21.9%，不施磷大豆产量显著降低15.4%［6］，大豆平衡施肥增产效果显著，还可明显提高品质和经济效益［7-9］.

根据土壤养分供应状况及作物养分吸收规律进行平衡施肥是实现作物高产优质的重要措施［10-12］. 测土配方施肥是目前已推广使用的推荐施肥方法［13］，根据土壤养分含量确定施肥量，制定施肥方案. 该方法过程烦琐，需要大量土壤测试数据，不适合小农户作物生产［14］. 养分专家系统（Nutrient Expert，简称NE）是基于产量反应和农学效率，兼顾土壤养分供应状况及其他外在养分来源，并采用4R（right source，right rate，right time，and right place）养分管理策略的应用计算机软件施肥决策系统，该系统适合小农户个性化生产管理需求. 养分专家系统推荐施肥在国内外玉米、小麦和水稻上均得到了应用［15-17］，通过全国小麦、玉米、水稻主产区开展的1534个田间试验，验证了养分专家系统推荐施肥在提高作物产量和保护环境方面的优越性［18］. 杨国富［19］基于大量田间肥料试验数据构建了大豆养分专家系统，在黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古的田间试验结果表明，大豆养分专家系统推荐施肥可显著提高产量和肥料利用效率，平衡土壤养分盈亏，增加农民收益.吕继龙等［20］在河南省、江苏省和安徽省夏大豆上的效果研究表明，养分专家系统推荐施肥较农户施肥显著提高大豆产量和经济效益，而基于养分专家系统推荐施肥的氮、磷、钾肥效应及肥料利用效率未明确.

养分专家系统推荐施肥效应与土壤类型、气候环境和种植习惯等密切相关，潮土区基于大豆养分专家系统推荐施肥的氮、磷、钾肥效应、产量与经济效益及肥料利用效率的系统研究未见报道. 本文研究了养分专家系统推荐施肥对豫北潮土区大豆产量、经济效益、养分积累及肥料利用率的影响，明确大豆养分专家系统推荐施肥的氮磷钾肥效应、增产增收效果及肥料利用效率，为豫北潮土区大豆科学施肥提供依据.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年6月至10月在河南省原阳县河南农业大学科研基地（113°43′E，35°10′N）进行. 供试土壤为砂质潮土，耕层土壤基本理化性质为pH 7.87、有机质12.95 g/kg、碱解氮91.35 mg/kg、有效磷10.48 mg/kg、速效钾86.31 mg/kg.

1.2 试验设计

试验共设6个处理：养分专家系统（中国农业科学院何萍研究员发布的安卓移动终端“手机和平板”网络版本）推荐施肥（NE）、在NE基础上不施氮肥（NE-N）、NE 基础上不施磷肥（NE-P）、NE 基础上不施钾肥（NE-K）、当地农技部门推荐施肥（ST）和农户施肥（FP）. 供试肥料为尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O516%）、氯化钾（K2O 60%），农户施肥采用常规复合肥（15-15-15），各处理施肥量见表1. 所有肥料均于大豆苗期一次性开沟条施，供试大豆品种为‘豫豆22’，播种密度为20.5 万株/hm2，小区面积32 m2，3 次重复. 田间管理按当地农民习惯进行.

表1 不同处理施肥量Tab.1 Fertilizer amount for different treatments

1.3 样品采集与分析

大豆成熟期各小区分3次采样，每次取长势均匀的大豆植株10株，于实验室烘箱中105 ℃下杀青30 min，65 ℃下烘干，将籽粒和秸秆分别烘干称重. 样品粉碎后分别采用浓H2SO4-H2O2消煮，AA3流动注射分析仪（德国SEAL）测定全氮，钼锑抗比色法测定全磷，火焰光度计法测定全钾含量. 另于各小区随机选取2 行15株大豆植株，选择10株调查单株荚数、单株粒数及百粒重，并对15株大豆脱粒计产.

1.4 数据处理与统计分析

收益（元/hm2）=产量×单价；

纯收益（元/hm2）=总产值-肥料投入；

养分积累量（kg/hm2）=秸秆干重×秸秆养分含量+籽粒干重×籽粒养分含量；

肥料利用率（%）=（施肥区养分积累量-不施肥区养分积累量）/施肥量×100%；

农学效率（kg/kg）=（施肥区籽粒产量-不施肥区籽粒产量）/施肥量；

肥料偏生产力（kg/kg）＝施肥产量/总施肥量.

采用Microsoft Excel 2019处理数据，DPS 7.05软件统计分析数据，利用LSD检验95%水平上的差异显著性.

2 结果与分析

2.1 不同处理对大豆产量及构成因子的影响

由表2 可知，基于养分专家系统推荐施肥（NE）夏玉米产量较不施氮（NE-N）增产24.59%、较不施磷（NE-P）增产16.14%、较不施钾（NE-K）增产11.42%. NE较FP增产13.06%，与ST产量无显著差异. 说明氮是影响大豆产量的主要养分，养分专家系统推荐施肥较农户施肥增产显著.

表2 不同处理对大豆产量及构成因子的影响Tab.2 Effects of different treatments on soybean yield and constituent factors

表2结果分析表明，施肥对大豆单株荚数影响显著，对单株粒数没有影响，不施钾肥显著降低大豆百粒重. NE较缺素处理单株荚数提高6.94%～16.08%，说明豆荚数是影响大豆产量的主要因子，氮、磷、钾配施可以提高大豆单株荚数，进而提高产量.

2.2 不同处理对大豆经济效益的影响

由表3可以看出，NE大豆施肥收益最高，其次是ST处理，两者之间差异不显著，分别较FP增收14.32%和7.48%. 与肥料减施处理（NE-N、NE-P、NE-K）相比，养分专家系统推荐施肥（NE）分别增收23.80%、16.04%、11.10%. 分析表明，氮磷钾平衡施肥可提高大豆收益，养分专家系统推荐施肥具有明显的增收效应.

表3 不同处理对大豆经济效益的影响Tab.3 The impact of different treatments on soybean economic benefits

2.3 不同处理对大豆生物量的影响

由图1可知，NE地上部生物量最高，其次是ST和FP. NE较FP地上部生物量提高8.97%，籽粒生物量显著提高10.00%；较肥料减施（NE-N、NE-P、NE-K）处理籽粒生物量显著提高11.39%～14.15%；秸秆生物量各施肥处理间无显著差异. 养分专家系统推荐施肥可促进大豆地上部干物质积累，提高籽粒生物量.

图1 不同处理对大豆生物量的影响Fig.1 Effects of different treatments on soybean biomass

2.4 不同处理对大豆植株养分积累量的影响

从表4可以看出，施氮处理植株氮积累量较NE-N显著提高17.35%～37.83%. NE植株氮积累量最高，ST次之，较FP分别增加13.88%和8.87%. NE、ST、FP植株磷积累量较NE-P显著提高25.33%～29.05%，三者之间差异不显著. ST植株钾积累量最高，其次是NE，与FP三者无显著差异，均显著高于NE-K. 氮、磷、钾配施促进了大豆植株养分的吸收利用，养分专家系统推荐施肥植株氮含量显著高于农户施肥.

表4 不同处理对大豆植株养分积累量的影响Tab.4 Effects of different treatments on soybean plant nutrient accumulation

2.5 不同处理对大豆肥料利用效率的影响

由表5可知，NE化肥偏生产力最高，ST次之，分别较FP显著提升13.08%和12.42%. 基于养分专家系统推荐施肥（NE）处理下，缺素处理（NE-N、NE-P、NE）的农学效率和肥料利用率如表6所示，结果表明，磷肥农学效率最高，其次是氮肥、钾肥，分别为21.84、11.14、11.04 kg/kg；氮肥料利用率最高，为44.99%，磷、钾肥次之，分别为33.29%和26.31%.

表5 不同施肥处理化肥偏生产力Tab.5 Fertilizer partial productivity under different fertilization treatments

表6 基于养分专家系统推荐施肥的肥料利用效率Tab.6 Fertilizer utilization efficiency based on nutrient expert system recommended fertilization

3 讨论

氮磷钾肥平衡施用是实现作物高效生产的重要保证. 养分专家系统（NE）以多年田间试验大数据库为依托，建立了土壤养分供应、作物产量反应和肥料农学效率的量化关系，不需进行土壤测试即可进行推荐施肥，快速生成基于农户不同个性信息的施肥方案［17］. 杨富强［19］基于大量肥效试验数据构建了大豆养分专家系统，田间试验结果表明大豆养分专家系统推荐施肥较农户施肥与测土配方施肥产量分别提高11.2 和3.2 个百分点. 本研究结果表明，基于养分专家系统推荐施肥，施氮增产24.59%，氮是本地区大豆产量的主要限制因素. NE和FP相比，提高了氮肥用量，降低了磷钾肥用量，产量增加13.1个百分点，增收14.32%. 养分专家系统推荐施肥优化了氮、磷、钾肥配比，较好地协调养分供应和大豆养分需求的平衡，提高了肥料利用效率，实现了增产增收.

肥料利用率、肥料偏生产力和肥料农学效率是科学施肥的重要指标［21］. 养分专家系统实现了小农户经营不具备土壤肥力测试下的施肥推荐，提高了作物产量和肥料利用效率［18］. 冬小麦养分专家系统推荐施肥氮、磷、钾肥利用率平均分别为31.7%、10.9%和31.0%［22］. 玉米养分专家系统推荐施肥氮、磷、钾肥农学效率分别为7.73、12.50、9.01 kg/kg［23］. 水稻养分专家系统推荐施肥的氮、磷肥偏生产力较农户施肥提高44.77%和6.32%，氮、钾肥回收利用率显著提高4.91%和19.35%［24］. 吕继龙等［20］对养分专家系统推荐施肥在夏大豆上的应用研究表明，其氮、磷、钾素吸收量较农户施肥分别提高了15.8%～41.3%、19.0%～35.5%和23.9%～27.3%.本试验中，NE化肥偏生产力较FP显著提升13.08%，基于养分专家系统推荐施肥的氮、磷、钾肥利用率分别为44.99%、26.31%和33.29%，养分专家系统推荐施肥肥料利用效率较高.

4 结论

豫北地区大豆养分专家系统推荐施肥较农户施肥增产13.06%，增收14.32%，植株氮积累量提高13.88%，化肥偏生产力显著提高13.08%. 大豆养分专家系统推荐施肥根据产量水平、农学效率和土壤养分状况，结合4R养分管理策略，优化了氮磷钾养分配比，促进了大豆养分吸收利用，提高了肥料利用效率，具有明显的增产增收效果，可在豫北潮土区推广应用. 养分专家系统针对小农户经营模式进行“点对点”推荐施肥，是一种高效便捷、易于推广的推荐施肥方法，结合化肥厂或配肥站，生产和推广大豆专用配方肥将有助于大豆科学施肥.