基于养分专家系统的西北旱地冬小麦推荐施肥效应研究

苑爱静，于 杰，蒋龙刚，邱炜红，王朝辉

（西北农林科技大学资源环境学院/农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100）

养分专家系统（Nutrient Expert system, NE）是以改进的 SSNM (Site-Specific Nutrient Management)和 QUEFTS (Quantitative Evaluation of the Fertility of Tropical Soils) 模型参数为指导的养分管理和推荐施肥方法，同时考虑大、中、微量元素的全面平衡，根据土壤性状、目标产量及养分管理措施等信息应用计算机智能形成推荐施肥套餐，给出合理的氮磷钾配比、种植密度、最佳施肥时间和次数，可根据每年的产量反应、农学效率和养分平衡来推荐施肥，是动态的推荐施肥方法，不仅适合于小农户生产，还适合区域和大规模农业生产，能应用于我国当前农业生产[1-2]。目前国内养分专家系统推荐施肥在小麦[3]、玉米[4-7]、水稻[8-10]、马铃薯[11]、大豆[12]、萝卜[13]上均有应用研究。如玉米专家系统在新疆、河南、河北、山东的研究显示，与农户习惯施肥相比，NE处理氮肥施用量减少了33%，磷肥施用量增加了8.6%，产量较农户习惯施肥增加了3%[14-19]；小麦养分专家系统在我国山西、山东、河南、河北等地研究较多，且效果良好，与农户习惯施肥相比，NE处理氮、磷肥施用量分别减少了38.7%、22.4%，而小麦产量增加了2.7%[14-16,20-23]。由此说明，养分专家系统在主要粮食作物上已取得了较好的成果。同时，通过文献分析发现养分专家系统推荐施肥在不同地点的应用效果存在差异。如小麦养分专家系统在河北辛集和正定两个地点的平均氮肥利用率分别为31.3%和28.6%，磷肥利用率分别为9.6%和13.5%[15]；在河南港区和鹤壁两个地点的平均氮肥利用率分别为32.4%和39.2%，磷肥利用率分别为20.7%和23.9%[21]。此外，在不同质地土壤上，NE推荐施肥应用效果也不同。在粘壤质潮土上，NE较农户处理相比减少氮肥用量39.3%、磷肥用量23.5%，但增加钾肥用量60%；在砂壤质潮土上，则增加氮肥用量62.5%，减少磷肥用量17.8%和钾肥用量27.7%[21]。这说明应用NE推荐施肥时应根据各地气候、土壤以及农户习惯来综合考虑，且还有较大的优化空间。

黄土高原旱地为雨养农业区，该区降水量年际间波动大，进而造成了年际间小麦产量差异较大。如赵护兵等[24]对西北典型旱地农户调查结果表明，冬小麦的平均产量介于2580～5503 kg/hm2；蒋龙刚等[25]研究发现同一年份不同地点间产量差异也较大，变化范围在2151～7721 kg/hm2。因此，如何更为准确、便捷地进行旱地施肥量推荐尤为重要。本研究依据养分专家系统适用于小农户且方便快捷的特点，两年共计在15个旱地冬小麦试验点应用该系统进行推荐施肥试验，分析基于养分专家系统推荐施肥处理和农户习惯施肥的施肥量、产量、经济效益、肥料偏生产力及硝态氮残留等差异，明确养分专家系统推荐施肥方法在西北旱地冬小麦体系下的应用效果，以期为在西北旱地上推广养分专家系统推荐施肥方法提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验点概况

试验于2017—2019年在陕西省渭北旱塬九个县(彬县、凤翔、合阳、蒲城、耀州、大荔、岐山、乾县、永寿) 进行。渭北旱塬位于陕西省中部的渭河冲积平原和陕北黄土高原之间的地区，海拔600～1300 m，东经 106°40′～110°36′，北纬 34°29′～35°36′，总面积约300万hm2，年降水量平均为500～600 mm，降水主要集中在7、8、9月份。该地区冬小麦为一年一熟，每年9月中旬至10月初播种，下一年6月初至下旬收获，夏季休闲。试验开始前各试验点耕层土壤基础理化性质及1 m土层土壤硝态氮积累量如表1所示，试验期间各试验点小麦休闲期和生长期降水如图1所示。

表 1 试验前各试验点供试土壤理化性质Table 1 Soil physicochemical properties in different sites before the experiment

图 1 试验期间各试验点小麦夏闲期与生育期降水量(mm)Fig.1 Precipitation in the wheat-growing season and fallow season from 2017 to 2019

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，设置两个处理，即农户习惯施肥 (FP) 与养分专家系统的推荐施肥 (NE)，3次重复。FP处理中，施肥量为当地农户习惯施用量，即在小麦播种前随机走访各试验地点所在村30个农户，调查其小麦施肥量，经统计得到冬小麦氮、磷、钾用量。NE处理的氮、磷、钾肥用量是利用养分专家系统内的小麦模块计算获得 (主要输入参数：试验地点、小麦平均产量、土壤养分含量、秸秆还田情况、前季施肥情况等)。小区面积为50 m2，不同区组小区间隔1 m，同一区组内不同小区间隔0.5 m。氮磷钾肥品种分别为尿素、过磷酸钙、氯化钾，均在小麦播种前一次性全部施入土壤，无追肥。供试小麦品种均为当地主栽品种，全年无灌溉措施。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 土壤样品采集与测定 在小麦成熟期，按照“S”形选取5个点，每20 cm为一层，采集0—100 cm的土壤，将各点同层土壤混合为一个土壤样品。土壤鲜样用于测定土壤水分、硝态氮和铵态氮含量。剩余土壤经风干、研磨后，分别过1 mm和0.15 mm筛。其中过1 mm筛的土样用于测定pH、有效磷、速效钾含量。过0.15 mm筛的土样用于测定土壤全氮、有机质含量。土壤硝态氮和铵态氮用1 mol/L KCl浸提，有效磷用 0.5 mol/L NaHCO3浸提，均使用连续流动分析仪 (SEAL Analytical AA3，德国) 测定。土壤速效钾用1 mol/L NH4Ac浸提火焰光度计测定 (Sherwood M410，英国)，土壤有机质用重铬酸钾外加热法测定[26]。

1.3.2 植物样品采集与测定 小麦成熟时，在每个小区内随机选取4个1 m×1 m样方，采集样方内的小麦，脱粒，将籽粒烘干后用于记产，以kg/hm2表示。样方采集完毕后，在每个小区都采用“盲抽法”随机采集小麦植株100穗，于根茎处剪掉根系，并将穗和茎叶分开。茎叶经风干和烘干后称重。穗风干后脱粒，分为籽粒和颖壳，经烘干后测定其生物量 (地上部)、千粒重，进而计算穗粒数、收获指数。小麦生物量、籽粒产量、千粒重均以烘干重表示。

1.4 数据计算与分析

土壤硝态氮累积量 (kg/hm2) ＝ 土层厚度×土壤容重×硝态氮含量/10

收获指数=籽粒产量/生物量×100%

肥料偏生产力 (kg/kg)=籽粒产量/施肥量

试验数据采用 SigmaPlot (v12.5，Systat Software，Inc.) 软件进行处理与绘图，采用SAS (v8.2，SAS Institute Inc.) 进行方差分析 (LSD 法)，P< 0.05 为显著。

2 结果与分析

2.1 施肥量

由表2可知，2017—2019连续两年NE处理的氮、磷、钾施用量分别为N 132～187 kg/hm2、P2O521～98 kg/hm2、K2O 25～67 kg/hm2，平均值分别为N 158 kg/hm2、P2O562 kg/hm2、K2O 40 kg/hm2，而FP处理氮、磷、钾施用量分别为N 134～255 kg/hm2、P2O593～244 kg/hm2、K2O 6～46 kg/hm2，平均值分别为 N 192 kg/hm2、P2O5134 kg/hm2、K2O 28 kg/hm2。可以看出，NE处理较FP处理施氮量、施磷量分别减少了18% (2017—2018年23.3%、2018—2019 年 14.5%)和54% (2017—2018 年36.8%、2018—2019年63.2%)，而施钾量增加了41.6% (2017—2018年 36.8%、2018—2019年45.7%)。其中 2018—2019 年合阳 (HY)、蒲城 (PC)两个试验点NE处理的氮肥用量较FP处理分别增加了12.6%和16.2%。

表 2 各试验地点2017—2019年不同处理施肥量 (kg/hm2)Table 2 Fertilizer application rates of different treatments in each experimental site from 2017 to 2019

2.2 冬小麦产量及产量构成要素

2017—2019 连续两年数据 (图 2) 表明，各试验点两年冬小麦籽粒产量NE和FP处理之间未达到显著差异水平，NE处理籽粒产量变化范围介于926～7982 kg/hm2，平均产量为 5171 kg/hm2，FP 处理籽粒产量变化范围介于895～7537 kg/hm2，平均产量为5111 kg/hm2。但不同试验点间冬小麦籽粒产量变异较大，其中2018—2019年蒲城试验点产量最低，为911 kg/hm2，2018—2019年岐山试验点产量最高，为7529 kg/hm2。不同试验年份间冬小麦籽粒产量也有较大差异，2017—2018年冬小麦平均产量为5996 kg/hm2，而2018—2019年冬小麦平均产量为 4571 kg/hm2。

图 2 各试验点2017—2019年冬小麦产量Fig.2 Winter wheat yield at different experimental sites from 2017 to 2019

冬小麦生物量、产量构成要素变化与籽粒产量变化趋势类似 (表3)。各试验点生物量的变异较大，变化范围在3060～21169 kg/hm2，FP、NE处理平均值分别为12903、13053 kg/hm2，FP处理与NE处理下旱地冬小麦生物量、单位面积穗数、穗粒数和千粒重均无显著性差异。此外，NE和FP处理之间的收获指数无显著性差异，FP处理收获指数变化范围介于29.2%～50.0%，平均为39.6%，NE处理变化范围介于27.4%～49.8%，平均为39.1%。

表3 各试验地点2017—2019年不同处理冬小麦生物量、产量构成要素和收获指数Table 3 Winter wheat biomass, yield components and harvest index in different treatments from 2017 to 2019

2.3 氮肥、磷肥和钾肥偏生产力

2017—2018年NE处理氮肥偏生产力平均为40.8 kg/kg (表 4)，较 FP 处理 (32.7 kg/kg) 显著提高24.8%。而2018—2019小麦生长季两处理的氮肥偏生产力均降低，但NE处理 (28.3 kg/kg) 仍较FP处理(22.6 kg/kg) 显著提高25.3%，两年平均提高25.1%。2017—2018年不同试验点NE处理的磷肥偏生产力平均为 83.1 kg/kg，较 FP 处理 (52.8 kg/kg) 提高57.4%。2018—2019年，NE处理磷肥偏生产力(108.5 kg/kg) 较 FP 处理 (33.1 kg/kg) 提高了227.4%，两年平均提高了139.8%。此外，2017—2018生长季，NE处理钾肥偏生产力平均为145.6 kg/kg，较 FP 处理 (194.1 kg/kg) 降低 25.0%；2018—2019 生长季，NE 处理 (125.1 kg/kg) 亦较 FP 处理(234.6 kg/kg) 降低 46.7%，两年平均下降 38.9%。

表 4 各试验点2017—2019年冬小麦氮、磷、钾肥偏生产力Table 4 Partial factor productivity of nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer from 2017 to 2019

2.4 经济效益

2017—2019 年连续两年试验结果 (图 3) 表明，FP处理平均冬小麦经济效益为7063元/hm2，而NE处理为7617元/hm2，较FP处理显著增加了7.8%。不同生长季，两处理的经济效益不同，其中2017—2018生长季NE处理的冬小麦平均经济效益9160 元/hm2，较 FP 处理 (9373 元/hm2) 减少了2.3%；而2018—2019年，NE处理冬小麦经济效益平均为6589元/hm2，比FP处理高1065元/hm2，增幅平均为19.3%，说明长期连续使用NE推荐施肥能获得更加显著的效果。此外，不同试验点小麦经济效益有差异，其中经济效益最高的是2018—2019年岐山 (QS) 试验点，为12636元/hm2，经济效益最低的是 2018—2019 年的蒲城 (PC) 试验点，为–1870元/hm2，其原因是2018—2019年蒲城出现了严重的旱灾 (图 1)，导致严重减产 (仅为 895 kg/hm2)，出现负效益。同时，2018—2019年大荔 (DL)、岐山(QS)、永寿 (YS3) 3个试验点NE处理的经济效益较FP处理显著增加了53.2%、20.9%、29.2%，其余试验点无显著性差异，说明基于养分专家系统推荐施肥有较好的增收效果。

图 3 各试验点2017—2019年冬小麦经济效益Fig.3 Economic benefits of wheat at different experimental sites from 2017 to 2019

2.5 土壤硝态氮残留

2017—2018、2018—2019两个生长季，FP处理1 m土层土壤硝态氮残留量范围分别为N 82～272和111～273 kg/hm2，平均残留量分别为N 154和165 kg/hm2，NE 处理 1 m 土层硝态氮残留量范围分别为 N 74～267和66～277 kg/hm2，平均残留量为 N 169和145 kg/hm2(图 4)。从两年平均硝态氮残留量来看，NE 处理 (N 154 kg/hm2)和FP 处理 (N 160 kg/hm2) 之间无显著性差异。但在 2018—2019年永寿渡马试验点NE处理较FP处理降低56.3%，且彬县 (BX) 试验点连续两年NE处理较FP处理分别降低了29.4%和33.7%。而蒲城 (PC) 试验点连续两年NE处理的硝态氮残留较FP处理均增加，分别增加了104.1%和50.5%，这与蒲城试验点因降水少导致小麦减产有关。这说明在旱地上应用养分专家系统推荐施肥时，应综合考虑土壤自身的硝酸盐残留量，以期取得更加显著的环境效益和经济效益。

图 4 各试验点2017—2019年收获期土壤中0—100 cm硝态氮残留量Fig.4 Nitrate N residue in the 0–100 cm soil layer after wheat harvest in different experimental sites from 2017 to 2019

3 讨论

在保证粮食产量稳定的条件下，多种推荐施肥方法为合理施肥提供了有力支撑[27-29]。NE推荐施肥方法是基于作物地上部产量反应和农学效率省时省力的一种推荐施肥技术。该方法可以在没有土壤测试条件的前提下，通过调查不同季节作物土壤的养分情况、气候条件、目标产量、养分管理等参数，依托已有的数据库，精准、便捷的生成田块尺度的施肥套餐，大量的田间数据证实，采用该方法进行化肥用量推荐，可以在优化化肥用量的同时维持土壤肥力[4,30]。

本研究采用旱地小麦养分专家系统推荐施肥实现了节肥不减产的良好效果，NE处理的氮肥用量下降了18%、磷肥用量下降了54% (表2)，冬小麦产量未降低 (图 2) 同时，经济效益显著提高了 7.8% (图 3)，氮磷肥偏生产力分别提高了25.1%、139.8% (表4)。本研究中NE处理的氮肥减少量相对其他地区降低幅度较小，如在山东、河北和山西小麦生产中，养分专家系统推荐施肥中的氮肥用量分别较农户减少了45.0%、44.1%、38.7%[14, 20, 22-23]，其原因是这些地区农户的施氮量较高，如任思洋等[31]调查显示2005—2014年华北农户冬小麦施氮量平均为N 226 kg/hm2，而渭北地区小麦农户平均施氮量仅为N 195 kg/hm2[24]。本试验中的NE处理施磷量降低54%，高于其他地区的降幅，如在山东、山西、河南，采用NE专家系统推荐施磷量分别减少了35.2%、25.7%、19.5%[14,15,20]，这与黄土高原旱地农户施磷量不合理有关，据调查，该区仅有10.6%农户施磷合理[24]。此外，本试验NE处理的施钾量较农户平均增加41.6%，其他地区也有类似报道，在山东、河北、山西，NE处理的施钾量较农户习惯施肥处理分别增加186.3%、111.2%、150.0%[15-16,20-23]，这与我国主要麦区常年不施钾肥或少施钾肥有关。闫湘等[32]对我国小麦农户施肥调研结果表明，施钾量在K2O 0～40 kg/hm2的农户占76%。赵护兵等[24]调查表明西北旱地麦区大多数农户不施钾肥，几乎所有农户不施用单质钾肥，施入到农田的钾肥仅依赖于复合肥的投入。

NE推荐施肥量主要是依据施肥后作物的产量反应[1]，同时将环境中的养分输入如灌溉水、大气沉降等作为土壤基础养分供应的一部分加以考虑[30]，必要时考虑补充中微量元素[33]。在西北旱地，氮肥的利用效率普遍较低，如本研究中农户处理的小麦氮肥偏生产力总体平均为26.6 kg/kg，这与武良等[34]调查的西北农户小麦氮肥偏生产力平均水平23.0 kg/kg接近，然而，即使采用NE推荐施肥的氮肥偏生产力也仅为33.3 kg/kg，低于华中和华北地区的氮肥偏生产力50.1 kg/kg[35]。这可能与西北地区年降雨量变异较大，导致对目标产量的预测出现较大偏差有关，进而导致西北小麦的氮肥利用率仅为26%[36]，低于南方冬小麦氮肥利用率38%和北方小麦氮肥利用率32%。因此，在西北地区雨养条件下，当前养分专家系统推荐施肥方法可能还需要依据多年的降雨变化规律进一步优化。

另外，本试验研究还发现，NE处理下冬小麦收获后土壤的硝酸盐残留量为N 154 kg/hm2，与农户习惯施肥处理无显著性差异，而且该残留量超过了旱地农业区的安全阈值 (N 55 kg/hm2)[29,37]。这可能与本研究前期农户过量施用氮肥造成了土壤中硝酸盐残留过多有关系，也有可能是由于本研究采集的土壤样品深度为0—100 cm，长期施肥带来的硝酸盐在较深层次积累。此外，第一年NE处理的经济效益与农户常规施肥无显著差异，而在第二年显著提高，表明合理施肥的效益有可能随着时间的推移而增加，但是否能降低深层土壤中的硝酸盐积累量，有待于进一步研究。

4 结论

在陕西渭北旱塬连续两年共15个试验点的研究表明，基于养分专家系统推荐施肥方法显著降低了小麦氮肥和磷肥的施用量，在维持冬小麦籽粒产量的同时，提高了氮磷肥偏生产力和经济效益。因此，基于养分专家系统的推荐施肥方法可应用于旱地冬小麦施肥。然而，该方法对深层土壤硝酸盐残留量的影响及其长期应用的效益仍需要进一步调查研究。