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

刘东海 ，陈云峰 ，李双来 ，乔 艳 ，张 智 ，胡 诚 *

（1．湖北省农业科学院植保土肥研究所，湖北 武汉 430064；2．农业农村部废弃物肥料化利用重点实验室，湖北 武汉 430064；3．农业农村部武汉黄棕壤生态环境重点野外科学观测试验站，湖北 武汉 430064）

水稻是我国种植面积最大，产量最高，氮肥用量最多的粮食作物之一，而湖北省是我国水稻大省之一，水稻播种面积占粮食作物总播种面积的50%左右，稻谷产量占粮食总产70%左右［1］。在水稻生产上由于施氮量过高，养分管理不当，农民施肥方式粗放，造成了肥料利用效率低，肥料流失和浪费以及农业的面源污染问题，给环境带来危害［2-3］。目前测土配方施肥是常用的施肥方法［4-5］，但是需要分析化验各种土壤养分指标，费时费力。近年来，一种基于作物产量反应和农学效率的农田养分专家系统（Nutrient Expert，以下简称NE），结合目标产量、土壤性质、气候条件及养分管理措施等作物生产相关信息，在没有土壤测试值情况下，利用QUEFTS（quantitative evaluation of the fertility of tropicals oils）模型，针对农田快速生成个性化的施肥方案［6］，已经在小麦［7-8］、玉米［9-11］、水稻［12］等多种作物上开展了农田养分推荐。本研究从2013年开始在湖北进行了多年多点的田间试验对水稻养分专家系统进行验证和改进，旨在土壤测试不及时或条件不具备情况下建立一种简便，适用于我国小农户为经营主体的中稻推荐施肥和养分管理方法。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

试验自2013年5月水稻种植季始，连续5年在中稻上试验。试验地点位于湖北省广水市和赤壁市。广水市供试土壤类型为黄棕壤，赤壁市供试土壤类型为红壤，均是一季中稻，秸秆不还田。2013年广水市和赤壁市分别布置4户农田；2014年广水市和赤壁市分别布置5和4户农田；2015和2016年广水市和赤壁市分别均布置5户农田；2017年赤壁布置5户农田。

1.2 试验区土壤基本理化性状

中稻试验前取0～20 cm耕层土壤，常规法进行理化性状分析，结果见表1。

表1 试验区域土壤农化性质（样本数n=42）

1.3 试验设计与方法

每季作物试验以农户为重复，每户设置6个处理，每个处理30 m2。处理包括:1）NE:水稻养分专家系统推荐施肥；2）NE-N:不施氮肥，磷钾肥用量同NE处理；3）NE-P:不施磷肥，氮钾肥用量同NE处理；4）NE-K:不施钾肥，氮磷肥用量同NE处理；5）OPTS:当地农技推广部门推荐施肥处理；6）FP:农民习惯施肥；施肥量见表2。2013到2017年共42户农田进行田间试验。试验前进行农户施肥情况调查，运行养分专家施肥推荐系统将各个农户的施肥情况、产量信息及相关生产条件进行分析，提出当地中稻推荐施肥用量。试验用氮肥为尿素（N 46.0%），磷肥为过磷酸钙（P2O516%），钾肥为氯化钾（K2O 60%）。

表2 不同处理施肥量 （kg/hm2）

所有处理的耕作、除草、病虫害防治等均按常规管理方式进行。广水市供试水稻杂交品种为两优766、Y两优1998、Ⅱ优1128、Ⅱ优188、Ⅱ优476、岗优188和苯两优9号。广水市种植密度23.1万穴/hm2。磷、钾肥在播种前作基肥一次性撒施。基蘖穗肥比例为40∶30∶30。赤壁市供试水稻杂交品种为岗优1577、明优98、苯两优9号和晶两优534。赤壁市种植密度28.0万穴/hm2。磷、钾肥在播种前作基肥一次性撒施。基蘖穗肥比例为40∶30∶30。水稻均在5月25日左右插秧，9月24日左右收获，小区全部收获进行测产。

1.4 有关指标计算

养分积累量（kg/hm2）=［非收获物干重（kg/hm2）×非收获物养分含量（g/kg）+籽粒干重（kg/hm2）×籽粒养分含量（g/kg）］/1000

肥料利用率（%）=（施肥区养分积累量－减素处理区养分积累量）/施肥量×100

肥料农学效率（kg/kg）=（施肥区籽粒产量－减素处理区籽粒产量）/施肥量

施肥收益（元/hm2）=作物籽粒产量×籽粒价格-化肥成本

施肥产投比＝施肥收益／化肥投入

试验数据采用SPSS 20和Excel 2007软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 推荐施肥对中稻产量的影响

从表3看出，在广水市和赤壁市NE处理中稻产量最高，分别是8100和7425kg/hm2，比FP和OPTS处理均增产，但差异不显著；其中NE-N处理中稻产量最低，只有6019和5754kg/hm2。施氮分别增产34.6%和29.0%，施磷肥分别增产15.4%和2.8%，施钾肥分别增产1.7%和0.7%。

表3 不同处理对中稻产量的影响

2.2 推荐施肥对中稻经济效益的影响

从表4看出，NE-K施肥收益最高，其次是NE，NE-N施肥收益最差。在广水市和赤壁市NE较FP分别增收343和1884元/hm2，NE较OPTS分别增收947和585元/hm2。在广水市OPTS比FP欠收604元/hm2，而在赤壁市则增收1299元/hm2。基于养分专家系统推荐施肥，在广水市和赤壁市施用氮肥纯收益分别是4546和3482元/hm2，施用磷肥纯收益分别是2241和-29元/hm2，施用钾肥纯收益分别是-221和-292元/hm2，适量减少钾肥投入，更有利于增收。NE产投比比FP和OPTS高。因此养分专家系统推荐施肥（NE）有利于增产增收。

表4 中稻施肥的经济效益 （元/hm2）

2.3 推荐施肥对中稻氮磷钾养分积累量的影响

在广水市和赤壁市NE较FP植株氮积累量分别增加了6.6%和14.1%，植株磷积累量分别增加了5.2%和17.9%，植株钾积累量分别增加了7.8%和0.9%；OPTS较FP植株氮积累量分别增加了3.3%和17.9%，植株磷积累量分别增加了8.2%和14.2%，植株钾积累量分别增加了2.1%和9.2%。NE与OPTS促进了中稻对氮、磷和钾素养分的吸收利用。

表5 施肥对中稻养分积累量的影响 （kg/hm2）

2.4 基于养分专家系统推荐施肥的肥料利用效率

表6可见，广水市中稻氮、磷和钾肥平均农学效率分别为13.6、15.7和1.6kg/kg，赤壁市中稻氮、磷和钾肥平均农学效率分别为11.3、3.2和0.9kg/kg。广水市中稻氮、磷和钾肥平均当季利用率分别为36.7%、4.9%和38.7%，赤壁市中稻氮、磷和钾肥平均当季利用率分别为42.8%、8.0%和17.0%。

表6 肥料的农学效率和当季利用率

2.5 推荐施肥对中稻氮、磷、钾素平衡的影响

基于中稻秸秆未还田情况下，计算肥料投入与植株携出养分平衡状况（表7）。广水市和赤壁市NE植株氮素平均携出量分别为160.4和179.8kg/hm2，平均亏缺7.4和31.8kg/hm2，而FP平均携出量分别为150.4和157.6kg/hm2，平均盈余为36.6和4.4kg/hm2，而OPTS平均携出量分别为155.4和185.8kg/hm2，平均盈余为10.6和-12.8kg/hm2。广水市和赤壁市NE、FP和OPTS植株磷素平均携出量在31.0～36.5kg/hm2，盈余为23.3～63.0kg/hm2，广水市和赤壁市NE、FP和OPTS植株钾素平均携出量207.9～311.9kg/hm2，平均亏缺115.2～222.9kg/hm2。

表7 中稻氮、磷、钾素表观平衡 （kg/hm2）

3 小结与讨论

当前，高量化肥投入导致了较高土壤基础养分供应［13］，并对环境安全构成了潜在威胁，作物养分专家系统（NE）是基于作物产量反应和农学效率，能够针对农田快速生成个性化的施肥方案。本试验表明，广水市中稻养分专家系统推荐施肥NE比习惯施肥FP施氮肥低18.0%，磷肥高23.9%和钾肥高8.9%情况下，中稻增产1.4%，差异不显著。赤壁市中稻养分专家系统推荐施肥NE比习惯施肥FP施氮、磷和钾肥分别低8.8%、32.9%和44.1%的情况下，中稻增产6.9%，差异不显著。NE虽然降低了氮肥用量，由于相应增加了磷钾肥的施用量，使农田养分供应更加均衡，提高了作物产量，实现了节肥增效［12-14］。在广水市和赤壁市NE较FP分别增收343和1 884元/hm2，无显著差异。施用氮肥纯收益分别是4 546和3 482元/hm2，施用磷肥纯收益分别是2 241和-29元/hm2，施用钾肥纯收益分别是-221和-292元/hm2。在广水市和赤壁市NE较FP 植株氮积累量分别增加了6.6%和14.1%，植株磷积累量分别增加了5.2%和17.9%，植株钾积累量分别增加了7.8%和0.9%；基于中稻养分专家系统推荐施肥的中稻氮肥利用效率高于全国平均水平［2］，磷肥和钾肥利用效率低于全国平均水平，可能与试验地磷钾含量高有关。广水市和赤壁市NE植株氮素呈现亏缺，而FP植株氮素呈现盈余。广水市和赤壁市NE、FP和OPTS植株磷素呈现盈余，广水市和赤壁市NE、FP和OPTS植株钾素呈现亏缺，因此秸秆还田对培肥地力有重要意义。