基于产量反应和农学效率的马铃薯智能化推荐施肥

宁琳懿睿，仇少君，徐新朋，丁文成，赵士诚，何 萍，周 卫

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 / 北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室 /农业农村部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081）

马铃薯是全球重要的主粮作物之一，在保证粮食安全和提高农民收入方面发挥着重要作用。近年来，我国马铃薯产业不断扩大，已成为马铃薯生产和消费大国，种植面积和总产量均居世界第一，其中2021 年种植面积和产量分别占全球总种植面积和总产量的32%和25%[1-2]。为促进马铃薯产业发展，早在2016 年我国就印发了《全国马铃薯生产指导意见》，要求坚持“提质增效转方式、稳粮增收可持续”的工作主线[3]。为了提高马铃薯产量，提出了一系列优化农艺管理实践措施，如薄膜或秸秆覆盖、保护性耕作、病虫害防治、抗旱品种的选择等[4-8]。施肥是提高马铃薯块茎产量的有效途径，对马铃薯产量和品质的形成具有决定性作用，其贡献率可达50%[9]。然而，我国农田耕地分散，以小农户经营为主的管理方式较为随意，农民为追求高产往往不考虑土壤肥力状况，导致盲目施肥现象普遍存在[10]。长期过量施肥已是影响作物品质，引起土壤质量下降和农业面源污染等问题的主要诱因之一[11-12]。因此，在国家化肥减量行动方案中明确指出，要以持续推进科学施肥、促进化肥减量增效为目标导向，加快构建现代科学施肥技术体系，为乡村振兴提供有力支撑[13]。

优化马铃薯养分管理措施对提高农业可持续发展至关重要，可以最大限度地发挥作物产量潜力，并可以减少养分损失。传统的测土配方施肥技术围绕取土化验、农户调查、试验示范、配方肥推广等关键环节积极开展工作，取得了显著成效[14]。然而在试验质量控制、取样的代表性、土地耕种形式等方面均存在不确定性，未能建立农民容易掌握的完善施肥指标体系，忽视了农民将土壤测试数据转化为施肥决策中遇到的困难。为此，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所针对小农户为经营主体的生产模式，开展了作物养分管理和推荐施肥方法研究[15]，以中国多年多点的田间试验为基础，建立了作物产量、农学效率与相对产量等农学参数之间的内在联系，应用计算机信息技术将复杂的施肥理论转化为方便农户使用的马铃薯养分专家决策系统(Nutrient Expert, NE)[9,16]。因此，本研究基于马铃薯养分专家系统于2017—2020 年在全国马铃薯主产区开展了多点田间试验，验证了该方法的田间试验效果，对NE 系统进行了优化，旨在为马铃薯肥料高效施用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 马铃薯养分专家系统

马铃薯养分专家系统依据产量反应和农学效率间的关系原理，结合QUEFTS (quantitative evaluation of the fertility of tropical soils)模型模拟不同种植区马铃薯产量与养分吸收特征关系，进行推荐施肥和养分管理。系统采用作物施肥区较不施肥区的产量增量即产量反应来表征土壤基础养分供应能力，结合QUEFTS 模型通过分析作物地上部和籽粒的氮磷钾养分需求，求得不同目标产量下的作物最佳养分吸收量，依据施氮量=产量反应/农学效率获得不同目标产量下的施氮量推荐，依据施磷或施钾量=作物产量反应施磷或施钾量+维持土壤养分平衡的部分可获得不同目标产量下的施磷、钾肥量推荐[17]。

马铃薯养分专家系统以强大的数据库为支持，通过收集汇总2001—2020 年国际植物营养研究所中国项目部和研究团队在马铃薯主产区开展的田间肥效试验，以及此期间在学术期刊网(CNKI)上通过检索“马铃薯”、“马铃薯+产量”、“马铃薯+养分吸收”、“马铃薯+肥料利用率”等得到的公开发表的学术文章建立田间试验数据库。所有数据需满足以下标准：1)来自田间肥料试验；2)同时具有减素处理和氮磷钾全施处理；3)有明确的施肥量和产量。本研究数据库中马铃薯氮、磷和钾产量反应数据分别有1072、851 和1104 个。

1.2 田间验证试验

于2017—2020 年在我国马铃薯主产区开展了239 个田间试验，验证马铃薯养分专家系统的可行性，分别位于黑龙江(18)、吉林(11)、内蒙古(54)、山西(28)、甘肃(23)、四川(32)、云南(27)、贵州(34)、江西(12)等9 省份，从产量、经济、农学和环境效益方面对马铃薯养分专家系统进行校正和改进。所有试验采用统一处理，均包含6 个处理，分别为：1) 基于马铃薯养分专家系统推荐施肥处理，即NE 处理，播前调查试验地块马铃薯过去3 年产量、上季作物施肥量、有机肥施用和秸秆还田方式等；2)农民习惯施肥措施处理，即FP 处理，完全遵循试验地块农民的施肥措施，记录施肥量；3)基于土壤测试施肥，即ST 处理，如土壤测试不及时或条件不具备，使用当地农技推广部门推荐的施肥量；4)基于NE 处理的不施氮处理(NE-N)；5)基于NE 处理的不施磷处理(NE-P)；6)基于NE 处理的不施钾处理(NE-K)。田间试验肥料使用尿素、过磷酸钙、磷酸氢二铵、氯化钾和硫酸钾等。同一试验中各处理密度相同，且病虫草害防治进行统一管理。

于马铃薯收获期采用相同标准采集各试验处理样品，在每个小区中间位置收获两行区域(15～30 m2)测定马铃薯块茎产量，最终折合成含水量80%的产量。另外采集3～5 株代表性植株，分成块茎和秸秆两部分，于60℃下烘干至恒重后称重。将部分烘干植物样品粉碎后经H2SO4-H2O2消煮后，分别采用凯氏法、钒钼黄比色法和原子吸收法测定块茎和秸秆中的氮、磷和钾养分含量，用于计算植株养分累积量和肥料利用效率。

1.3 统计与分析

数据采用Excel 2020 进行分析处理，使用SPSS 17.0 软件对NE、FP 和ST 处理的施肥量、产量、净效益、肥料利用率和养分表观平衡在0.05 水平上进行ANOVA 分析，使用Sigmaplot 14.0 及Graphpad Prism 9.5 软件绘图。其相关计算如下，以NE 处理氮为例，磷和钾计算同氮，FP 和ST 处理计算同NE处理：

氮产量反应(N yield response, kg/hm2)=NE 产量-NE-N 产量；

氮相对产量(N relative yield)=NE-N 产量/NE 产量；

氮素回收利用率(N recovery efficiency, REN, %)=(NE 植株氮累积量-NE-N 植株氮累积量)/NE 施氮量×100，磷和钾分别用REP 和REK 表示；

氮素农学效率(N agronomic efficiency, AEN,kg/kg)=(NE 产量-NE-N 产量)/NE 施氮量，磷和钾分别用AEP 和AEK 表示；

氮素偏生产力(N partial factor productivity, PFPN,kg/kg)=NE 产量/NE 施氮量，磷和钾分别用PFPP 和PFPK 表示；

净效益(net profit, 元/hm2)=收获后产值-肥料成本；

氮素表观平衡(N balance, kg/hm2)=NE 施氮量-NE 块茎氮素吸收量；

块茎含水量(tuber water content, %)=(块茎鲜重-烘干后的块茎重)/块茎鲜重×100；

最终鲜重产量(tuber yield, t/hm2)=块茎鲜重/块茎含水量×80%；

式中：氮、磷和钾肥施用量分别以N、P2O5和K2O计算。

由于马铃薯在收获时其秸秆通常腐烂且不易收集，在计算表观养分平衡时，使用投入量与块茎带走的养分量差值计算。

2 结果与分析

2.1 产量反应和农学效率

就全部产量反应数据而言，我国马铃薯主产区施用氮、磷和钾肥的平均产量反应分别为8.1、4.8和5.2 t/hm2。氮肥仍然是限制马铃薯增产最重要的养分限制因子，其次为钾肥。施用氮、磷和钾肥的平均农学效率分别45.2、51.1 和35.1 kg/kg (图1)。

图1 马铃薯产量反应和农学效率分布Fig.1 The distribution of yield response and agronomic efficiency for potato

2.2 产量反应和相对产量

就数据库全部相对产量数据而言(图2a)，我国马铃薯主产区氮、磷和钾养分的平均相对产量分别为0.73、0.83 和0.82。说明当前我国马铃薯主产区的养分吸收主要还是来自于土壤。马铃薯养分专家系统推荐施肥在没有相关减素试验的地区，使用目标产量和相对产量对产量反应进行估测，因为产量反应与相对产量间存在着显著的线性负相关(图2b)。

图2 马铃薯相对产量分布及与产量反应关系(以氮为例)Fig.2 The relative yields of potatos and the resulted yield responses to fertilizer (N as case)

2.3 田间试验验证

2.3.1 施肥量 就平均施肥量而言(图3)，NE 处理氮、磷和钾肥施用量分别为183、98 和169 kg/hm2，FP 处理分别为242、145 和161 kg/hm2，ST 处理分别为191、100 和161 kg/hm2。与FP 处理相比，NE 处理的氮肥用量降低了24.4% (P＜0.001)、磷肥用量降低了32.3% (P＜0.001)，但增加了4.9% (P=0.161)的钾肥用量；与ST 处理相比，氮磷钾养分用量均无显著差异，但降低了4.2% (P=0.101)的氮肥用量和1.9% (P=0.651) 的磷肥用量，增加了4.9%(P=0.166) 的钾肥用量。FP 处理的施肥量变异性显著高于NE 和ST 处理，FP 处理中有74.1%的试验点施氮量大于180 kg/hm2，33.5%的试验点大于250 kg/hm2，最高施氮量达373 kg/hm2；施磷量中有64.4%的试验点大于100 kg/hm2，最高施磷量达到了225 kg/hm2；而有9.6%的试验点不施任何钾肥。与FP 处理相比，NE 处理平衡了氮磷钾肥用量。

图3 不同处理马铃薯施肥量Fig.3 Fertilizer application rates for potato under different treatments

2.3.2 产量及经济效益 产量结果(图4)显示，与FP 处理相比，NE 处理显著提高了马铃薯产量2.63 t/hm2，增幅为9.1% (P＜0.05)；而与ST 处理产量无显著差异，但增加了0.62 t/hm2，增幅为2.0%(P=0.512)。由于NE 处理降低了氮肥和磷肥用量，使得其肥料成本较FP 和ST 处理分别降低了494.5 和9.1元/hm2，且与FP 处理差异达显著水平(P＜0.001)。提高产量并降低肥料花销使得NE 处理的净收益最高，与FP 和ST 处理相比，分别提高了4283.4 和799.0元/hm2，增幅分别为8.9%和1.6%。与FP 处理相比，NE 处理增加的经济效益中有88.5%来自于产量增量。总体而言，NE 系统较FP 在马铃薯产量和经济效益上表现出明显优势。

图4 不同施肥处理马铃薯产量和净收益Fig.4 Potato yields and net profits under different fertilization treatments

2.3.3 养分利用率 就养分利用率总体数据而言(表1)，NE 与ST 处理的氮磷钾农学效率、回收率和偏生产力多无显著性差异，但多显著高于FP 处理。就农学效率而言，与FP 和ST 处理相比，NE 处理的AEN 分别提高了18.4 和4.3 kg/kg，AEP 分别提高了32.2 和7.5 kg/kg，AEK 分别提高了12.3 和2.6 kg/kg。所有试验中，NE 处理的氮、磷和钾农学效率大于40 kg/kg 的试验分别占全部试验数量的56.1%、57.0%和31.0%，而FP 中分别仅有23.0%、18.0%和17.6%。就回收率而言，NE 处理较FP 和ST 处理的REN 分别提高了11.5 和1.6 个百分点，REP 分别提高了5.0 和2.1 个百分点，REK 分别提高了9.1 和1.1 个百分点。所有试验中，NE 处理中有33.9%的试验数量氮肥回收利用率大于40%，23.8%的试验数量磷肥回收利用率大于20%，30.1%的试验数量钾肥回收利用率大于50%，而FP 中仅分别有16.7%、12.6% 和17.2%。就偏生产力而言，NE 处理较FP和ST 处理的PFPN 分别提高了37.3 和8.6 kg/kg，PFPP 分别提高了91.2 和15.6 kg/kg。NE 与FP 相比PFPK 提高了25.6 kg/kg，但与ST 相比略有降低。

表1 不同施肥处理马铃薯养分利用率Table 1 Nutrient use efficiencies of potato under different fertilization treatments

2.3.4 养分表观平衡 农田养分表观平衡检测结果(图5)表明，就平均值而言，3 个处理的氮素和磷素总体表现为正平衡，但NE 处理显著低于FP 处理，与ST 处理无显著差异。总体而言，NE 处理较FP 处理分别显著降低了氮和磷表观盈余量69.3 kg/hm2(P＜0.001)和52.5 kg/hm2(P＜0.001)，降幅分别达到了50.5%和49.6%；较ST 处理虽然差异未达到显著水平，但分别降低了氮和磷表观盈余量12.5 kg/hm2和4.2 kg/hm2，降幅分别为15.5%和7.3%。NE、FP 和ST处理的总体钾素表观平衡无显著差异，分别为-4.1、6.3 和5.1 kg/hm2。FP 处理的农户个人行为导致严重过量施肥和施肥不足问题同时存在，如有43.1%的试验点氮素表观盈余量大于150 kg/hm2，最高达337 kg/hm2，最低则为-111 kg/hm2；而磷肥表观盈余中大于100 kg/hm2的试验点占到了49.4%，最高达203 kg/hm2，最低则为-50 kg/hm2；而钾肥表观盈余结果显示，施肥过量和不足问题在各处理中同时存在，由于马铃薯是高耗钾作物，加之钾肥价格较高，如何既要考虑土壤固有钾的长久供应能力，又要考虑过量施钾的经济效益需要深入探讨。

图5 不同施肥处理养分表观平衡Fig.5 Nutrient apparent balance under different treatments

3 讨论

因地制宜、按需用肥是促进作物养分吸收、提高肥料利用效率和增加作物产量的必需条件之一。传统的测土配方施肥通过测试土壤养分和布置田间肥料用量试验，进而建立施肥量与作物产量间的量化关系进行施肥推荐已取得显著效果，然而由于地区间气候和土壤类型的差异，导致某一点位的施肥参数无法进行大面积推广应用。依据田间试验大数据，通过总结各农学参数间的联系，选取合适的指标参数建立施肥模型是当前开展科学施肥的趋势。作物养分吸收可以分为两部分，一部分来源于土壤本身的养分供应(包括土壤矿化以及环境带入的养分)，另一部分是由人为施肥输入。土壤养分供应能力是推荐施肥的关键参数之一，其决定肥料的投入程度。养分专家系统应用产量反应表征土壤内在养分供应状况，农学效率表征肥料增产效应，利用产量反应和农学效率间存在的显著二次曲线关系为推荐施肥提供依据。在一定气候条件和目标产量下，施肥后的产量反应越大，说明土壤基础养分供应能力越低，而此时获得的农学效率也就越高。由于不同种植区域气候特点和马铃薯品种的差异，导致产量反应也大相径庭[18]，不同马铃薯种植区域间的相对产量存在一定差异[19]，因此即使目标产量相同，NE系统使用相对产量和目标产量计算得出的产量反应也不相同，其肥料推荐用量也不相同。以马铃薯不同目标产量下氮肥推荐用量为例，当目标产量达到20、30、40、50 t/hm2时，南方和北方推荐施氮量范围分别为141～177 和128～177 kg/hm2、158～201和146～200 kg/hm2、171～226 和158～225 kg/hm2、182～254 和168～253 kg/hm2。NE 系统中使用优化施肥处理得到的农学效率进行推荐施肥，得出的施肥量更加合理。本研究施用氮、磷、钾肥的平均农学效率分别45.2、51.1 和35.1 kg/kg，这与胡志华等[20]的结果相近。NE 系统推荐施肥针对不同生态条件、目标产量和地力水平制定养分管理方案[19]，在实践中科学确定农田养分适宜用量，提高施肥效益。如本研究中云南省和山西省产量分别为25.1 和33.0 t/hm2，云南省平均氮、磷和钾产量反应分别为7.0 2、4.62 和5.08 t/hm2，山西省分别为7.89、2.97 和2.45 t/hm2，山西省较高的氮肥产量反应使得其氮肥推荐量(178 kg/hm2)要高于云南省(145 kg/hm2)，而对于磷和钾肥的推荐量而言，要考虑块茎带走养分所引起的土壤养分平衡问题，即使云南省有较高的磷钾产量反应，其磷和钾肥的推荐量(分别为82 和130 kg/hm2) 要低于山西省(分别为103 和141 kg/hm2)。

诸多研究表明，当前我国马铃薯种植区的化肥用量可减施20%以上[21-22]，主要需减施氮肥和磷肥用量。本研究中，NE 系统通过考虑目标产量和土壤养分供应能力确定的施肥量，较农民习惯氮、磷肥用量分别降低了24.4%和32.3%，但钾肥用量增加了4.9%，推荐结果既与已有试验一致，又关注到了长期钾肥施用不足带来的风险。如王小英等[23]调查结果显示，陕西省有96.6%的马铃薯种植户钾肥施用量不足，马铃薯种植区的土壤速效钾含量较往年明显下降[24]。本研究中甘肃地区的一些农户不施任何钾肥。马铃薯作为高耗钾作物，对钾素的需求量是氮素的两倍、磷素的4 倍[25]。NE 系统建议减施氮、磷肥、增施钾肥，这与李飞等[26]的研究结果一致。而董文等[27]研究表明，施钾与马铃薯产量的相关性不显著，这可能与较高的土壤钾素含量水平有关，导致施钾增产潜力较小。本研究中NE 系统推荐施肥提高了钾肥用量，从马铃薯种植区耕地可持续生产的角度出发考虑了土壤养分平衡。作物产量与土壤基础地力水平密切相关，土壤养分供应能力决定作物对养分的吸收强度。王迎男等[28]指出，作物产量与土壤基础地力呈显著正相关，在内蒙古马铃薯主产区其基础地力水平对产量的贡献率可达76.7%。此外，在合适的生长时期，土壤中充足的有效养分供应对于块茎膨大生长所需的营养尤为重要[29]。梁淑敏等[30]研究指出，追施尿素处理的马铃薯产量较不追施对照可提高26.3%，而NE 系统结合4R (正确肥料品种、用量、施肥时间、施肥位置)养分管理原则，通过简化操作界面更加智能化，可成为未来重要的施肥指导工具[31]。

科学评价肥料施用效果、准确分析施肥响应程度、搭配合理措施，对于实现马铃薯养分高效管理具有重要意义。然而，随着我国肥料资源的大量投入，导致土壤养分累积[32]，未充分考虑土壤基础养分供应也是导致肥料利用率低的主要原因之一。本研究中农民过量和不平衡的施肥现象，导致氮、磷和钾肥回收率分别仅有23.0%、9.2%和30.8%。合理调整氮磷钾养分配比是解决当前马铃薯肥料投入不平衡、农户施肥差异大、施肥量变异系数高的关键[33]。NE 推荐施肥系统依据每年或每季的产量反应、农学效率和养分平衡动态调整施肥量，而不是一个恒定的施肥量，其综合考虑氮磷钾3 种养分间的交互作用，根据作物养分需求给出施肥方案是及时且必要的。与传统测土配方施肥相比，NE 处理分别降低了4.2%和1.9%的氮磷肥用量，但其产量和经济效益分别提高了2.0%和1.6%，以内蒙古自治区最为明显，NE 处理较ST 处理分别降低了8.3%和1.7%的氮肥和磷肥用量，增加了14.2%的钾肥用量，其氮、磷和钾肥利用率分别提高3.8、4.2 和5.9 个百分点，产量和经济效益总体分别增加2.6%和2.5%。虽然不同地区间的养分利用效率提高幅度不同，但NE 推荐施肥均具有显著提升效应，如与FP 处理相比，南方混作区和北方一作区氮、磷、钾肥平均回收率分别提高了12.7、4.9、11.4 个百分点和10.5、5.2、6.9 个百分点。提高养分利用效率避免养分损失造成的环境风险是农业生产亟需解决的问题[14]，减少外源氮肥的投入是降低氮素径流损失和氨挥发消减的关键[34]，本研究中NE 系统推荐施肥除了在产量和经济效益方面表现出明显优势外，还降低了氮素和磷素的表观盈余量，在一定程度上降低了养分损失。研究结果显示，NE 处理较FP 处理的氮、磷素表观盈余量降幅分别达到了50.5% 和49.6%，较ST 处理降幅分别达15.5%和7.3%，该结果与井涛等[35]的研究结果相近。石晓华等[36]研究表明，在马铃薯种植季优化施肥较农民习惯措施的氮素表观损失量可减少1 倍。NE 系统能够在减少养分投入的基础上提高作物养分吸收，其氮、磷和钾养分累积量较FP 处理分别增加了9.5%、6.6% 和9.0%，较ST 处理分别增加了1.2%、4.2%和2.6% (数据未显示)，有效促进茎叶中的养分向块茎中转移[20]。除此之外，合理的肥料用量结合脲酶抑制剂[37]、肥料增效剂[38]等可进一步减少养分损失和增加肥效。合理的农艺措施在肥料减施增效、产能提升方面也发挥着重要作用，如优化灌溉和施肥频次[39-40]、生育期冠层光谱营养诊断[41-42]、深旋耕作措施[43-44]、新型肥料[45]、间套作及轮作[46-47]等。NE 系统聚焦合理肥料用量，虽然考虑了不同轮作体系下前茬作物养分残留，也根据不同地力水平和生产条件给出了肥料分次施用比例，但与这些农艺措施以及中微量元素结合得还不够紧密，还缺乏相关的田间验证试验，今后需加强此方面的研究工作。

4 结论

应用计算机信息技术将复杂的施肥原理转化成用户方便使用的马铃薯养分专家系统，并在全国马铃薯主产区开展了4 年共计239 个田间试验。实践结果表明马铃薯养分专家系统分别降低氮肥和磷肥用量24.4%和32.3%，平衡了钾肥用量，产量和经济效益分别增加2.63 t/hm2和4283.4 元/hm2，在提高马铃薯产量、经济效益和肥料利用率方面较传统测土施肥方法具有明显优势。在当前及今后相当长的时期内，仍需要进一步结合作物管理措施完善优化施肥参数，推广马铃薯养分专家系统在生产中的应用，促进我国化肥减量增效。