基于养分专家系统评估双季稻区的氮肥减施潜力

柳开楼李大明 余喜初* 胡惠文 熊华荣 胡志华叶会财 黄庆海

（1江西省红壤研究所/国家红壤改良工程技术研究中心，南昌330046；2进贤县张公镇农业技术推广综合站，江西进贤331717；第一作者：liukailou＠163.com；*通讯作者：yxchu＠163.com）

江西省是我国13个粮食主产省之一，又是全国仅有的两个不间断向国家提供商品粮的省份之一，水稻尤其是双季稻在该地区粮食生产上占据重要地位[1]。据统计，江西省双季稻种植面积307万hm2，占全省水稻种植总面积的89%，双季稻种植比例居全国前列[2-3]。化肥是重要的农业生产资料，是粮食的“粮食”。化肥在促进粮食和农业生产发展中起了不可替代的作用，虽然江西省的化肥施用量低于江苏、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，化肥总体利用率也不高[3-4]。调查资料显示，江西省2011年氮、磷、钾、复合肥消费量比1995年消费量分别增长了42.1%、87.9%、141.8%和204.2%；化肥消费结构以氮肥和复合肥为主[4]。江西早稻每hm2施氮量、施磷量、施钾量分别为 197.93 kg、93.34 kg、117.41 kg，晚稻每hm2施氮量、施磷量和施钾量分别为226.49 kg、84.96 kg和100.30 kg，仅有15%的农户可以实现高产和氮肥的高效利用[4]。近几年来，江西水稻种植中氮肥利用率一般在28%～38%之间，平均约为33%，提高氮肥利用效率有较大潜力[5]。

近年来，国内外围绕科学施肥研究提出了不少推荐施肥方法。目标产量法、养分丰缺指标法和地力分级法等以土壤测试为基础的推荐施肥法很大程度上实现了平衡施肥，但也存在着土壤测试值和校正系数等较难准确获得、某些速效养分稳定性与产量相关性差、针对性不强等问题[6]。同时，我国南方双季稻区复种指数高，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[5]。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、大豆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[7]。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[8]。养分专家系统通过了解过去3～5年的产量水平和施肥历史就可以完成施肥推荐，既适合指导农户，也适合大面积区域推荐施肥[9]。在江西省双季稻区，虽然前期已有研究表明，基于养分专家系统可以实现减肥增产和增效的目标[10]，但是，基于养分专家系统推荐的氮肥减量增效方案还缺乏有效的验证。因此，本研究针对高中低肥力的双季稻田，通过在养分专家系统推荐的施氮量基础上设置氮肥增减15%、30%和45%的用量试验，并分析了水稻产量及其与氮肥用量的量化关系，以期进一步验证养分专家系统的氮肥推荐量和减施潜力，从而为该地区的氮肥减施增效提供理论支撑。

表1不同试验点土壤肥力情况

表2高中低肥力水平氮肥梯度试验的化肥用量 （kg/hm2）

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于江西省进贤县，该地区位于江西省中部偏北，鄱阳湖南岸，抚河信河下游，地理上呈现三面环水的特点，气候属于亚热带季风湿润气候区，四季分明。年平均气温18.1℃，最冷月平均气温5.4℃，最热月平均气温30℃；雨量充沛，分布不均，年平均降雨量1 722.9 mm，其中4—6月降雨量780 mm，占全年降水量的45.3%，年平均蒸发量为1 414.6 mm。年平均相对湿度79%；年平均无霜期271.2 d，全年日照1 693.5 h。

本研究的田间试验于2018年分别设在进贤县的温圳镇何家村、张公镇马家村和张公镇颜家村，试验地土壤均为第四纪红壤发育的红壤性水稻土，土壤肥力参数见表1。徐建明等[11]研究表明，根据Fuzzy方法计算的土壤肥力指数可以综合反映土壤肥力状况[11]，因此，本研究在综合考虑土壤pH值、有机质、速效氮磷钾后进行了土壤肥力指数计算。结果表明，温圳镇何家村属于高肥力（肥力指数为0.76），张公镇马家村属于中肥力（肥力指数为0.67），张公镇颜家村属于低肥力（肥力指数低于0.45）。

1.2 试验设计

在高、中、低肥力的试验站点上，田间试验之前均进行了双季稻种植情况调查，了解往年施肥及产量情况，根据调查结果运行养分专家软件进行施肥推荐（NE处理），氮肥用量梯度试验的处理均按照NE用量进行增减15%、30%、45%处理和不施氮肥处理，各处理的具体肥料用量见表2。每个处理3次重复，小区面积40 m2。随机区组排列，不同小区之间用覆膜田埂隔开。试验中使用的肥料为尿素、钙镁磷肥、氯化钾。磷肥全部作为基肥；氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥为4∶3∶3的比例施用；钾肥按基肥∶穗肥为5∶5的比例施用。

1.3 测定指标和统计方法

在早晚稻成熟期每个小区单独收获，测定水稻籽粒产量。

所有数据均采用Excel 2003进行整理，采用SPSS 16.0进行统计分析，差异显著性采用LSD法（p＜0.05）。氮肥用量与水稻产量的相关关系采用一元二次方程进行拟合，所有图件均采用Origin 8.1进行制作。

图1氮肥用量梯度下早、晚稻产量变化

表3氮肥用量与早、晚稻产量的拟合方程及参数

2 结果分析

2.1 NE处理增减氮肥对水稻产量的影响

图1显示，在早季，高、中、低肥力等级上NE处理的产量分别为6 021.89、5 886.22和5 546.96 kg/hm2，晚季分别为 8 504.10、7 486.95 和 7 210.52 kg/hm2；而不施氮（NE-100%）处理的产量则显著低于NE处理及其余氮肥用量处理，且不同肥力等级上NE和NE-100%处理的早晚稻产量大体呈现出高肥力＞中肥力＞低肥力的趋势。与低肥力相比，高肥力的早晚稻产量分别提高8.56%和17.94%，中肥力的早晚稻产量增幅分别为2.30%和13.56%。与NE处理相比，在NE基础上氮肥减施45%和30%均显著降低了早晚稻产量。高、中、低肥力水平NE-45%处理的早稻产量分别比NE处理降低了11.17%、12.52%和11.01%，晚稻产量降幅分别为6.67%、4.28%和5.22%；高中肥力NE-30%处理的早稻产量分别比NE处理减低10.76%和8.05%（低肥力的氮肥减施30%处理早稻产量未显著降低），高中低肥力的晚稻产量降幅分别为5.10%、2.29%和2.03%。但是，在高、中、低肥力水平上，NE基础上氮肥减施15%以及增施15%、30%和45%均不能显著提高早晚稻产量。

2.2 氮肥用量与水稻产量量化关系

在高、中、低肥力等级上，氮肥用量与早晚稻产量的相互关系均可以用一元二次方程进行拟合（p＜0.05）。表3显示，不同肥力等级上早晚稻的产量潜力均呈现出高肥力＞中肥力＞低肥力的趋势，其中高肥力早晚稻产量潜力分别比中肥力增加了2.60%和13.80%，比低肥力增加了8.95%和16.86%。进一步计算表明，不同肥力等级上早晚稻的产量潜力对应的氮肥合理用量也呈现出高肥力大于中肥力和低肥力的趋势，与中肥力相比，高肥力早晚稻氮肥合理用量分别提高4.78%和30.82%；与低肥力相比，高肥力早晚稻氮肥合理用量分别提高6.16%和21.11%。

表4不同肥力等级氮肥最大减施潜力

2.3 高中低肥力水平氮肥减施潜力分析

在不同肥力等级上，本研究进一步计算了早晚稻95%产量潜力的施氮量（表4），结果表明，95%产量潜力对应的施氮量明显低于NE处理施氮量。高中低肥力早晚稻的氮肥减施比例分别为14.42%～30.14%和12.94%～34.07%，且高肥力的氮肥减施比例明显低于中肥力和低肥力。

3 讨论

在南方双季稻区，由于不同的地形地貌、利用年限和施肥、水分管理措施，导致该地区的土壤肥力等级不同[12]。有研究表明，不同肥力等级下水稻产量差异较大[10，13]。本研究通过采用养分专家系统，对高、中、低肥力等级双季稻田进行了早晚稻氮磷钾肥推荐施肥，早晚稻的产量呈现出高肥力大于中肥力和低肥力的趋势。这充分说明了高肥力稻田的增产能力。这主要与高肥力稻田土壤有机质和全氮含量等较高有关。而且前人研究表明，土壤有机质和全氮是影响水稻产量的关键因子[14-16]。余喜初等[16]基于长期施肥试验发现，土壤有机质与水稻产量呈显著正相关关系，当土壤有机碳提高1.0 g/kg，水稻产量可以增加415 kg/hm2。张旭博等[17]研究也表明，土壤有机碳每提升 1.0 g/kg，水稻增产约350 kg/hm2。因此，在南方双季稻区，建议用秸秆还田、绿肥翻压等措施提高稻作系统的碳投入[18-19]，从而有效培肥土壤肥力。

氮肥的合理施用对于实现南方双季稻的化肥减施增效意义重大。由于土壤养分供应不同，不同肥力等级稻田早晚稻的氮肥产量反应和养分吸收也差异较大[10，20]。何萍等[9]研究表明，土壤肥力越高，水稻的氮肥产量反应越小，即土壤供氮能力较高，推荐施氮量较低。本研究基于养分专家系统推荐的高、中、低肥力的氮肥用量也呈现出高肥力低于中低肥力的规律（早稻）。进一步通过一元二次方程分析，由于高肥力的产量潜力明显高于中低肥力，因此高肥力的氮肥合理用量也显著较高。与95%产量潜力对应的施氮量相比，高、中、低肥力水平上基于养分专家系统的施氮量可以将早晚稻季的氮肥减施比例控制在14.42%～30.14%和12.94%～34.07%，且高肥力的氮肥减施比例明显低于中肥力和低肥力。有研究表明，在相同的产量水平上，在高肥力等级上氮肥用量明显高于中低肥力[13，21]。因此，本研究认为，高肥力等级上维持水稻高产仍然需要较高的氮肥用量。但是，由于本研究试验周期较短，关于不同等级上氮肥减施比例的长期效果还有待进一步研究和验证。

4 结论

在南方双季稻区，养分专家推荐施肥处理的早晚稻产量大体呈现出高肥力＞中肥力＞低肥力的趋势。与养分专家推荐施肥相比，在养分专家推荐施肥基础上增施氮肥15%、30%和45%以及减施氮肥15%均不会显著影响早晚稻产量，但减施氮肥45%和30%则显著降低了早晚稻产量。进一步计算表明，不同肥力等级上早晚稻的产量潜力对应的氮肥合理用量也呈现出高肥力大于中肥力和低肥力的趋势，且高、中、低肥力水平上早晚稻季的氮肥减施比例分别为14.42%～30.14%和12.94%～34.07%。