养分专家系统在双季稻中的应用和评价

柳开楼，李大明，胡志华，胡惠文，余喜初*，杨富强，叶会财，杨旭初，徐小林，黄庆海

（1．江西省红壤研究所/江西省红壤耕地保育重点实验室/国家红壤改良工程技术研究中心，江西 南昌 330046；2．中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

南方地区的双季稻在我国粮食生产上占据重要地位［1-4］］，但是，该地区的双季稻种植普遍存在化肥施用不合理和肥料利用率偏低等现象［5-6］。自新中国成立以来，化肥在促进我国粮食和农业生产发展中起了不可替代的作用［7］。有研究表明，虽然双季稻区（江西、湖南等）的化肥施用量明显低于稻麦轮作种植区（江苏、浙江等发达省份），但也存在化肥过量施用、盲目施用、种类搭配不合理等问题，其化肥总体利用率也不高［8-10］。以双季稻区的江西省为例，2011年氮、磷、钾、复合肥消费量比1995年分别增长了42.1%、87.9%、141.8%和204.2%［5，10-12］。但仅有15%的农户可以实现高产和氮肥的高效利用［10］。因此，研究如何提高双季稻区的化肥利用率就显得非常重要。

长期以来，国内外围绕科学施肥研究提出了很多推荐施肥方法，比如以土壤测试为基础的测土配方施肥技术，该技术在双季稻区的大面积示范推广基本实现了平衡施肥，提高了化肥利用率，维持了水稻高产稳产［13-15］。但是，由于土壤测试耗时耗力、周期性较长，且某些土壤速效养分不稳定，其与水稻需肥量和产量相关性不强等问题［16-17］，从而影响了测土配方施肥技术的进一步推广。再加上我国的农业主要以农户经营为主体［18］，复种指数高，作物种植茬口紧，依据土壤测试指导施肥存在测试推荐不及时和成本高等难题。因此，研究开发适应我国国情的推荐施肥技术就显得十分迫切。

中国农业科学院农业资源与农业区划研究所与国际植物营养研究所合作研创了小麦、玉米和水稻等主要作物基于产量反应和农学效率的推荐施肥方法［18-20］。同时结合计算机技术，建立问答式界面，把复杂的施肥原理简化为农技推广部门和农民方便使用的养分专家系统（Nutrient Expert），简称NE系统［21］。NE系统可以通过了解过去3～5年的产量水平和施肥历史完成施肥推荐，既适合指导农户，也适合大面积区域推荐施肥［21］。前期的大量研究已经表明，该方法可以同时实现小麦、玉米等作物的高产，增加肥料利用率和化肥减施的目标［18-24］。但是，在双季稻区，关于NE系统下水稻的产量和养分吸收变化还有待进一步研究，且NE系统的化肥减施效果还缺乏有效评估［16，25］。因此，本研究拟以NE系统为切入点，结合农民习惯施肥和当地农技部门推荐施肥，于2014～2016年开展了3年6季的田间试验，并通过分析不同处理的水稻产量、氮磷钾养分吸收量、化肥施用量和肥料偏生产力变化，从而为该地区的化肥减施增效提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究于2014～2016年在江西省进贤县开展了3年6季的田间试验，该地处中亚热带，年均气温18.1℃，≥10℃积温6 480℃，年降水量1 537 mm，年蒸发量 1 150 mm，无霜期约为 289 d，年日照时数1 950 h。试验地分别位于进贤县张公镇马家村（116°10′48.04″E，28°21′18.54″N）、颜家村（116°9′23.22″E，28°21′56.37″N）和温圳镇何家村（116°6′12.93″E，28°20′14.98″N），其中马家村为3块田，颜家村和何家村各2块田。试验地土壤均为红壤性水稻土，成土母质为第四纪红粘土。2014年试验开始前耕层土壤肥力情况见表1。

表1 试验前土壤肥力情况

1.2 试验设计

试验处理分别为：农民习惯施肥处理（FP）；当地农技部门推荐的测土配方施肥处理（ST）；基于NE系统的推荐施肥处理（NE）。小区面积60 m2，1次重复。

FP处理的施肥量来源于农户调查，肥料运筹为：磷肥全部作为基肥。氮肥40%做基肥，60%做分蘖肥施用。钾肥50%做基肥，50%做分蘖肥施用。ST处理的施肥量来源于当地农技站，肥料运筹与FP一致。NE 处理的施肥量来源于NE系统，NE 系统的原理是，用不施肥区的养分吸收或产量水平表征土壤基础肥力，即地块施肥后作物产量反应越小，则土壤基础肥力越高，肥料推荐量越低；反之则肥料推荐量越高。该方法在汇总过去十几年全国范围的水稻肥料田间试验的基础上，建立了基于产量反应和农学效率的推荐施肥模型。此外，NE 系统还基于 4R 的养分管理原则，推荐合适的肥料品种和适宜的肥料用量，以及合适的施肥时间和恰当的位置。具体方法见文献［21］。每季开始前，NE处理的施肥量均要根据上季的产量反应等数据进行调整和优化。NE、NE-N、NE-P和NE-K处理的肥料运筹为：磷肥全部作为基肥；氮肥40%做基肥，30%做分蘖肥，30%做穗肥施用；钾肥50%做基肥，50%做分蘖肥施用。氮磷钾的肥料种类为尿素（N 46.2%）、钙镁磷肥（P2O512.5%）和氯化钾（K2O 60%）。种植制度为早稻-晚稻-冬闲。稻田病虫害按当地习惯采用农药进行防治。

1.3 测定指标

水稻产量：在早、晚稻成熟期每个小区实打实收，晒干称重，从而获得实际产量。

氮磷钾养分吸收量：在早、晚稻成熟期每个小区采集5穴植株样品，带回室内分成籽粒和秸秆，烘干称重，研磨后测定籽粒和秸秆中的氮磷钾含量，氮磷钾含量的测定方法分别为凯氏定氮法、钼锑抗比色法和火焰分光光度法［26］。并根据籽粒和秸秆的干物质计算氮磷钾养分吸收量。具体公式如下：

式（1）～（3）中，Nuptake、Puptake和Kuptake分 别为水稻氮、磷、钾养分吸收量（kg/hm2），Grain和Straw分别为水稻籽粒和秸秆干物质（kg/hm2），Ngrain、Pgrain和Kgrain分别为水稻籽粒氮、磷、钾含量（%），Nstraw、Pstraw和Kstraw分别为水稻秸秆氮、磷、钾含量（%）。

化肥偏生产力（PFP）计算公式：

式（4）～（6）中，PFP-N、PFP-P和PFP-K分别为氮、磷、钾肥的偏生产力（kg/kg），Yield为水稻籽粒产量（kg/hm2），Amount-N、Amount-P和Amount-K分别为N、P2O5和K2O的施肥量（kg/hm2）。

所有数据均采用Excel 2003进行处理，统计分析采用SPSS 16.0软件进行，差异显著性检验采用最小显著差异法（LSD）于P ＜ 0.05水平上进行，制图采用Origin 8.1软件完成。

2 结果与分析

2.1 双季稻籽粒产量

在2014～2016年间，3年6季的水稻产量波动较大（图1）。与FP和ST相比，NE处理可以显著提高早、晚稻的籽粒产量（除了2014年）（图1）。与FP处理相比，在2015和2016年NE处理的早稻产量分别增加了15.17%和32.74%，晚稻产量增加14.33%和19.25%。与ST处理相比，2015和2016年早稻季NE处理的增幅分别为13.04%和21.74%，晚稻季的增幅分别为11.26%和10.54%。且2015和2016年，NE处理的增产结果均呈现出早稻季高于晚稻季。

图1 不同处理早、晚稻产量变化

2.2 双季稻氮磷钾养分吸收

3年6季中氮磷钾的养分吸收规律与产量的结果相似（表2）。在不同处理间呈现出2015和2016年中NE处理的早、晚稻养分吸收量均显著高于FP和ST处理。对于氮素吸收量，早稻季NE处理分别比FP处理增加了33.21%和25.16%，晚稻季的增幅为26.82%和22.09%；磷素吸收量和钾素吸收量也呈现出相似的规律，与FP处理相比，NE处理在早、晚稻的磷素吸收量分别增加了27.45%～29.57%和27.02%～38.60%，钾素吸收量分别增加了16.59%～22.34%和14.24%～16.21%。但是，与NE处理的增产结果不同，养分吸收量则呈现出氮素为早稻高于晚稻，而磷、钾则为早稻低于晚稻。

表2 不同处理早、晚稻养分吸收变化 （kg/hm2）

2.3 双季稻化肥减施潜力分析

在本研究中，FP和ST的化肥施用量在3年6季均相同，而NE处理则由于每季均会根据上季的结果进行调整和优化，所以其化肥施用量每季均不同。图2显示，NE系统可以显著降低氮磷钾肥的施用量。与FP处理相比，在2014、2015和2016年NE处理的早稻季氮肥用量分别降低了29.15%、24.86%和27.63%，晚稻季的降幅分别为28.63%、28.15%和34.43%；早、晚稻磷肥用量的降幅分别为15.97%～37.05%和31.72%～44.75%；钾肥用量的降幅分别为60.35%～66.22%和72.29%～74.02%。且NE处理的钾肥用量也显著低于ST处理。

2.4 双季稻氮磷钾肥偏生产力

在双季稻区，3年6季中NE处理下氮磷钾肥的偏生产力分别为 59.97、137.91和 101.26 kg/kg（表3），显著高于FP处理（36.71、78.32和39.60 kg/kg）。对于氮肥偏生产力，在2014、2015和2016年NE处理的早稻季分别比FP提高了56.65%、53.26%和83.41%，晚稻季的增幅分别为48.77%、59.12%和81.86%；磷肥和钾肥偏生产力也呈现出相似的规律，与FP相比，3年间早、晚稻季NE处理的磷肥偏生产力分别增加了57.97%～76.31%和66.24%～115.83%，钾肥偏生产力分别增加了113.25%～156.13%和160.88%～206.00%。

图2 不同处理早、晚稻化肥施用量变化

表3 不同处理早、晚稻化肥偏生产力变化 （kg/kg）

3 讨论

3.1 NE系统可以提高双季稻产量

本研究中，NE系统可以在农民习惯施肥的基础上，根据目标产量和土壤基础肥力高低确定具体的氮磷钾产量反应，并结合氮磷钾肥的农学效率，在考虑秸秆还田等措施的基础上进行推荐施肥，再结合4R养分管理进行肥料运筹。因此，与农民习惯施肥相比，NE系统可以显著提高双季稻产量，其早、晚稻的产量增幅分别为15.17%～32.74%和14.33%和19.25%。同时，在考虑氮磷钾肥的产量反应和农学效率进行施肥量推荐的基础上，NE系统也对测土配方数据进行了兼容［21］，即当有土壤测试数据时，NE系统会在推荐施肥时进行养分丰缺的精准判断，从而更为准确地推荐施肥量，因此，NE系统的水稻产量也显著高于测土配方处理。但是，NE系统在早稻和晚稻上增产效果略有不同，原因可能与早、晚稻季的温光条件存在差异有关，且早、晚稻连续种植下，其系统内的氮磷钾养分会存在累积效应［27-28］。同时，在3年6季中，随着NE系统的持续应用，双季稻的养分吸收量也呈现出NE处理显著高于农民习惯施肥处理。这与NE系统在小麦和玉米上的应用结果相似［18-24］。但与作物对养分的奢侈吸收规律相反，原因之一是NE系统针对具体田块，根据氮磷钾肥的农学效率和产量反应进行施肥量推荐，且每年每季均为根据上季的产量反应等信息进行调整和优化，其施肥量与当季水稻养分需求高度吻合［16，25］。另一方面的原因是NE系统依据4R养分原理优化了肥料运筹［25］，增加了氮肥中的穗肥施用，从而有效满足了水稻开花后的养分需求。此外，NE系统的养分吸收量增加还可能与良好的根系生长和开花后的养分吸收转运有关，但具体原因还有待进一步研究。

3.2 双季稻区的化肥减施潜力

在双季稻区，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%，磷肥的减施比例分别为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%。这与其他人的研究结果相似［18-24］，且晚稻季的化肥减施比例明显高于早稻季，这可能与早稻季的养分残效有关［27-28］。但氮磷钾肥的减施比例差异较大，原因可能与土壤养分供应能力［29］、水稻品种和种植模式有关。其中钾肥的减施比例较高的原因还与本研究充分考虑了秸秆全量还田带入的钾和土壤养分平衡有关，但是，也有研究表明，在田间水源充足的情况下，释放出来的秸秆钾从土壤进入水体比化肥钾进入水体有滞后性。从而可能影响了水稻对秸秆钾素的吸收利用［30］，同时，全量还田下的秸秆腐解等问题可能会影响水稻苗期的生长［31］。因此，根据秸秆全量还田背景下推荐的钾肥减施效果还有待进一步研究。此外，NE系统在提高水稻产量的同时可以显著降低氮磷钾肥施用量的原因还与本研究中NE系统可以提高氮磷钾肥的偏生产力有关。然而，由于本研究的化肥减施比例是根据3年6季的结果得出的，化肥长期减施下的水稻产量变化还有待进一步跟踪研究，以期更为客观地指导该地区的化肥减施增效策略。

4 结论

在双季稻区，NE系统可以通过优化肥料运筹进一步提升水稻产量、养分吸收量和氮磷钾肥的偏生产力。与农民习惯施肥相比，NE系统下产量增加14.33%～32.74%，氮磷钾吸收量分别增加了22.09%～ 33.21%、27.02%～ 38.60%和14.24%～22.34%；氮磷钾肥的偏生产力分别增加了48.77%～83.41%、57.97%～115.83%和113.25%～206.00%。同时，NE系统下氮磷钾肥分别比农民习惯施肥降低了24.86%～34.43%、15.97%～44.75%和60.35%～74.02%。