养分专家系统推荐施肥提高梨果产量及品质

许晨阳，蒲全明，邱玉玲，张跃强，张 虹，段顺远，何新华*

（1 西南大学资源环境学院，重庆 400716；2 四川省南充市农业科学院，四川南充 637000；3 云南省设计院集团城乡规划与生态环境设计研究院，云南昆明 650100；4 重庆农村土地交易所，重庆 400011）

梨是我国继苹果、柑橘之后的第三大栽培水果。2018年，我国梨树栽培面积和产量分别占到世界的69%和68%[1]。肥料是梨树生产中最重要的物质基础之一，合理施肥不仅关系到梨果产量的提高和品质的改善，而且影响果园土壤肥力和经济效益[2]。近年来绝大多数果农在梨园生产中主要凭经验和习惯施肥，施肥比例失衡，带来了很高的环境风险[3-4]。大量的肥料投入以及不合理的施肥也带来了诸多问题，如梨园土壤酸化、有机质含量偏低、养分失衡、果品生理病害严重等问题[5-6]。研究也表明过量的氮肥投入会使果树营养生长大于生殖生长而影响果实品质；同时导致地下水硝酸盐污染和径流流失以及水体氮富营养化[7-12]。所以迫切需要一种合理的土壤养分管理方式来指导农民降低肥料投入，提高肥料利用率，恢复土壤肥力，从而提高果实产量。

多年来，国内外通过研究提出了多种科学施肥方法，如以土壤测试为基础的测土配方施肥。这种方法能提高施肥的准确性，降低施肥不足或不平衡对作物产量造成的影响，并在一定程度上提高梨的产量和单果质量[13-15]。但是由于土壤测试的长周期和高成本，仍然很难满足我国一家一户以小农户为主的经营单元及种植茬口紧的现实需求[16]。因此，急需另辟其它适合我国国情的推荐施肥方法。中国农业科学院农业资源与农业区划研究所和国际植物营养研究所近年来提出了基于产量反应和农学效率的推荐施肥方法，即结合计算机技术，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[17]。NE系统通过了解农户过去3～5年的施肥历史和产量水平就可以完成施肥推荐。因此该方法特别适合我国以小农户为经营主体的国情，可以在有或没有土壤测试条件下应用，是一种简便易行的施肥方法。研究证明，NE系统推荐施肥方法能提高小麦、玉米、水稻的产量，达到减少化肥用量的目的[18-20]。但尚未发现NE系统在梨树中的应用研究，本研究以2017—2019年3年的田间试验，分析比较现行3种常见施肥技术 (农民习惯施肥、测土配方施肥和NE专家系统) 对梨果产量、品质、化肥利用率以及经济效益的影响差异，从而为NE系统在梨树中的应用提供理论与实践支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验于2017—2019年在河北省安国市伍仁桥镇北娄底村梨园进行，梨园面积为6500 m2，株行距为4 m × 5 m，株高 2.5 m 以内。梨品种为黄冠梨，树龄20年处于盛果期，产量水平为30～40 t/hm2，成熟采收期为七月下旬到八月上旬。该地为温带季风气候，年平均气温12.4℃，年平均降水量555.3 mm，年无霜期 208 天，平均蒸发量 1707 mm。试验地处于平原，土壤类型为砂壤土，肥力中等。2017 年试验开始前土壤的肥力状况 (0—20 cm)为pH 7.6、碱解氮 80.7 mg/kg、有效磷 61.1 mg/kg、速效钾 223 mg/kg，有机质 10.8 g/kg。

1.2 试验设计

试验设3个处理，分别为：农民习惯施肥(farmers’ practice，FP)；当地农技部门推荐的测土配方施肥 (soil test，ST)；基于养分专家的推荐施肥(nutrient expert，NE)。每个处理设3次重复，每个重复5棵梨树。年际间施肥总量见表1。FP施肥量来源于农户调查，调查地点为河北省赵县、深州、辛集3个地区共计160家农户施肥信息，统计施肥量为：N 900±561 kg/hm2、P 264±192 kg/hm2和K 747±318 kg/hm2。其中施肥比例、施肥时间及位置按照当地农民习惯，施肥方式为撒施。ST处理施肥量来源于当地农技部门推荐提供，肥料分配与FP处理一致，3年的施肥量一致。NE处理的施肥量来源于养分专家系统推荐 (简称NE系统)。NE系统亦采用4R养分管理原则即正确的肥料品种 (right source)，正确的肥料用量 (right rate)，正确的施肥时间 (right time)，正确的位置 (right place) 给出合适的肥料品种及施肥时间，每年NE系统给出的推荐施肥量会根据上季的产量反应和农学效率做出适当的调整和改动[17]。NE系统会根据产量反应和农学效率来表征土壤基础肥力，肥力越低，推荐施肥量越高；反之，推荐施肥量越低 (表1)。NE系统推荐的氮素3年平均投入量比农民施肥 (FP)和测土施肥推荐 (ST) 分别降低了35.96%、28.32%，磷素比FP处理平均下降了28.8%，但比ST处理增加了20.59%，钾素比FP和ST处理分别下降了57.92%、52.87%。

表 1 梨树不同处理的施肥量 (kg/hm2)Table 1 Fertilization rates for pear trees in 2017–2019

养分专家系统根据梨树生长发育时期，氮磷钾肥料每年都分4次施用。具体为氮肥 (尿素)：30%基肥 (10月份，下同)，25%在萌芽期 (次年3月份，下同)、20%在果实膨大期 (次年5月份，下同)、25% 在壮果期 (次年 6 月份) 施用；磷肥 (过磷酸钙)：50%基肥，20%在萌芽期、30%在果实膨大期施用；钾肥 (硫酸钾)：20%基肥，20%在萌芽期、30%在果实膨大期、30%在壮果期施用。施肥方式采用轮状施肥，以树冠的外围0.5～2.5 m，开沟宽20～40 cm、深20—30 cm，将肥料与土壤适度混合后施入沟内，将沟填平。其中磷、钾肥施入20—40 cm深的土层。梨园的病虫害及杂草的防治按照当地习惯进行。

1.3 取样和测定方法

果实产量：准确计数每棵树所结的果实总数，7月下旬梨果成熟期在每株梨树上随机取鲜果10～15个，分别称重，取其平均值即为单果质量，以每棵树的结果总数与这棵树的平均单果重之积来计算单株产量，测得每个处理单株产量后，由单位面积株数计算单位面积鲜果产量。

果实品质测定：单果重，随机称取10个果实的重量，求其平均值 (g)；可滴定酸含量用NaOH中和滴定法测定；可溶性固形物含量采用阿贝折射仪测定法测定；维生素C (Vc)含量用2-6二氯靛酚滴定测定；可溶性糖含量用水杨酸法测定[18]。

氮磷钾养分含量测定：在梨成熟期从每株树树冠的东、南、西、北 4个方向外围中间各摘取新梢第7～8片功能叶20片，并选取大小相近、成熟度一致、无病虫害及创伤的果实10个 (剪下果梗)。叶片和果实样品洗净后置于105℃烘箱内杀青15 min，70℃烘干至恒重；冷却后用万能粉碎机粉碎，放于密封袋内。果实叶片的氮、磷、钾含量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[18]。

1.4 数据处理

化肥农学效率 (AE) 计算公式 (以氮肥为例)：

式中：AE-N为氮肥的农学效率 (kg/kg)；Y(NPK)为施氮磷钾肥处理的梨树果实产量 (kg/hm2)；Y(–N)为不施氮肥的梨树果实产量。

化肥偏生产力计算公式 (以氮肥为例)：

式中：PFP-N为氮肥偏生产力 (kg/kg)；Y为梨树果实产量 (kg/hm2)。

经济效益为当年单位面积总收入 (果实产量 × 果实单价) 依次减去该处理单位面积肥料花费和人工费，修剪、灌溉及病虫害防治等费用各处理基本一致。所有数据均采用Excel 2016进行计算，统计分析采用SPSS 25.0软件进行，差异显著性检验采用最小差异法 (LSD)，P＜0.05为差异显著，制图采用Origin 2018 软件完成。

2 结果与分析

2.1 梨树叶片和果实的氮磷钾养分吸收

2019年NE和ST施肥处理的叶片氮含量均显著高于FP施肥处理，分别增加12.89%和14.68% (图1a)。2017和2019年NE施肥处理的叶片磷含量显著高于FP和ST施肥处理，2017年分别增加15.85%和22.57%，2019年分别增加12.89%和14.68%。2018年NE与ST施肥处理磷含量没有显著变化，但二者均显著高于FP施肥处理，分别增加26.83%和26.90% (图1a)。与FP处理相比，NE处理叶片氮、磷含量3年平均分别增加了8%和26%；果实中氮、磷、钾3年平均分别增加了26%、68%和18%。NE施肥处理3年的果实钾含量均显著高于FP施肥处理。NE施肥处理的叶片钾含量前两年低于FP和ST施肥处理，而最后一年显著高于FP和ST施肥处理，分别增加19.87%和19.73% (图1b)。

图 1 2017—2019年不同施肥处理下叶片与果实氮磷钾养分含量变化Fig.1 Changes in nitrogen, phosphorus and potassium contents in the leaves and fruits of pears from 2017 to 2019

从图1a还可看出，同一处理2017与 2018年叶片氮含量接近，但均显著异低于 2019年。果实氮含量ST和FP两个施肥处理年际间没有显著变化，NE施肥处理2018年果实氮含量显著低于其他年份。叶片磷含量NE施肥处理3年间无显著变化，ST施肥处理2018年显著高于其余两年，而FP施肥处理则是2017、2019年显著高于2018年。果实磷含量在3年期间呈现不断降低的趋势，但FP处理3年降低未达到显著水平，而ST施肥处理在2019年显著降低，NE施肥处理则在2018年就已显著降低。NE施肥处理的叶片钾含量3年期间呈现不断上升的趋势，并在2018和2019年均达到显著差异水平，FP施肥处理和ST施肥处理则在2018年显著增加达到峰值。3个处理的果实钾含量3年均呈现降低趋势，其中NE施肥处理2018、2019年达到显著差异水平，ST施肥处理2019年达到显著差异水平 (图 1b)。

2.2 梨果实品质

3年的试验，同年NE施肥处理的果实可溶性糖含量都显著高于FP和ST施肥处理，增加幅度2017年为34%和26%，2018年为17%和7%，2019年为31%和30%；与FP处理相比，NE施肥处理3年平均果实中的可溶性糖含量和固酸比分别显著提高了27%和10%，Vc含量提高了4.1%～24.1%；与ST处理相比，NE处理3年平均仅果实可溶性糖含量显著提高了21%。同一年份3个处理的可滴定酸和可溶性固形物含量无显著差异 (表2)。

同一施肥处理年际间果实可溶性糖和可滴定酸含量都没有显著差异，可溶性固形物含量年际间显著差异，3 个处理均为2019 年＞2018 年＞2017 年，固酸比为2017 年≈2019 年＞2018 年；Vc 含量FP施肥处理2017年显著高于2018和2019年，ST施肥处理3年没有显著差异，NE施肥处理2017和2018年均显著高于2019年 (表2)。

表 2 2017—2019年不同施肥处理对果实品质的影响Table 2 Effects of fertilization on the fruit quality of pears from 2017 to 2019

2.3 果实产量及经济效益分析

在2017到2019年3年期间，与FP和ST施肥处理相比，NE施肥处理能显著提高果实产量 (图2)。在2017、2018和2019年3年期间，NE处理3年间梨果平均最高产量和产值分别为45.80 t/hm2和18.61万元/hm2，NE施肥处理的果实产量每年分别比FP与ST施肥处理增加了15.56%、26.91%、20.33%和11.16%、15.23%、10.24%。此外，3年内无论FP、ST还是NE施肥处理，同一施肥处理下不同年际间果实产量都是2019年高于2017和2018年。

2017—2019年，NE施肥处理的经济效益显著高于FP和ST施肥处理。相比于FP施肥处理，NE施肥处理经济效益3年分别提高了17%、29%和23%；相比于ST施肥处理，NE施肥处理的经济效益分别提高了11%、16%和11% (图2)。

图 2 2017—2019年不同施肥处理下的果实产量及经济效益变化Fig.2 Changes in fruit production and economic benefits of different fertilization treatments from 2017 to 2019

2.4 梨树肥料农学效率和偏生产力变化

2.4.1 氮肥农学效率和偏生产力变化 由表3可以看出，NE与FP施肥处理相比，其2017、2018和2019年的氮肥农学效率 (AE-N) 分别提高了10.62、14.91和15.76 kg/kg；其偏生产力 (PFP-N) 分别提高了 35.54、33.21和40.82 kg/kg。

表 3 2017—2019年不同施肥处理下肥料养分农学效率和偏生产力变化Table 3 Changes in agronomic efficiency and partial factor productivity of different fertilizer application from 2017 to 2019

此外，在此3年期间同一施肥处理不同年份之间氮肥农学效率 (AE-N)和偏生产力 (PFP-N) 差异显著，表现在FP施肥处理分别为2017年≈2019年＞2018年和2017年≈2018年≈2019年，在ST施肥处理都为2017年≈2018年≈2019年，以及在NE施肥处理下为2017年≈2018年≈2019年和2017年≈2018年＜2019年。

2.4.2 磷肥农学效率和偏生产力变化 由表3可知，NE与FP施肥处理相比，其2017、2018和2019 年的磷肥农学效率 (AE-P)和偏生产力 (PFP-P)分别提高了 15.31、21.51、23.03 kg/kg和41.17、39.32、46.13 kg/kg。

此外，在此3年期间同一施肥处理不同年份之间磷肥农学效率 (AE-P)和偏生产力 (PFP-P) 差异显著，表现在 FP 处理为2017 年≈2019 年＞2018 年和2017 年≈2018 年≈2019 年，ST 处理都为2017 年＜2018年≈2019年，以及NE处理都为2017年≈2018 年＜2019 年。

2.4.3 钾肥农学效率和偏生产力变化 根据表3可以得出，NE与FP施肥处理相比，其2017、2018和2019年的钾肥农学效率 (AE-K) 分别提高了20.47、24.79和26.92 kg/kg，其偏生产力 (PFP-K) 分别提高了 84.12、82.11和64.21 kg/kg。

此外，在此3年期间同一施肥处理不同年份之间钾肥农学效率 (AE-K)和偏生产力 (PFP-K) 差异显著，表现 FP 处理下为2019 年＞2017 年＞2018 年和2017 年≈2019 年＞2018 年，ST 处理都为2019 年＞2017 年≈2018 年，以及 NE 处理为2019 年＞2017 年≈2018 年和2017 年＞2018 年≈2019年。

3 讨论

3.1 不同施肥处理对果实产量和经济效益的影响

研究结果表明，相比于农民习惯施肥 (FP)，NE施肥处理能显著提高梨果产量，提升经济效益。2017—2019年，相比于FP施肥处理，NE施肥处理3年提高产量和经济效益分别为15.56%～26.91%和17%～29% (图2)。同时养分专家系统在获取地块信息以及土壤类型及其等级基础上，也对测土配方数据进行了兼容，并随着每年的反馈进行调整，比测土配方施肥更加全面。因此NE施肥处理的产量也高于ST施肥处理。如柳开楼等[19]在双季稻中的研究表明，与农民习惯施肥相比，养分专家系统推荐施肥可以显著提高双季稻产量。王宜伦等[20]的研究表明NE施肥比农民习惯FP施肥夏玉米和冬小麦分别增产5.45%～10.12%和2.20%～3.59%。这些增产效果与本研究结果类似。但是养分专家系统提供的优化方案能否以有机肥替代一部分化肥，以及能否在维持土壤养分平衡的基础上稳定或者继续提高多年生果树果实产量，需要进一步探究。

3.2 不同施肥处理对果实品质的影响

2017—2019年，3年里随着NE施肥处理的持续优化应用，2019年梨成熟期的叶片和果实的养分含量都呈现出NE施肥处理显著高于FP施肥处理 (图1)。这和养分专家系统在水稻、玉米和小麦等农作物上的研究结果相似[21-23]。NE施肥处理相比于FP施肥处理减少了肥料用量，梨的果实和叶片的养分含量却显著增加。原因可能是NE系统可以根据地块信息、产量反应和氮磷钾的农学效率进行施肥推荐，并能根据上一年的产量反应和农学效率等信息进行优化和调整。因此比根据农民经验的FP施肥更精确，也更符合梨树的养分需求。另外NE处理的施肥方案是基于4R的养分管理，包括肥料的种类、肥料用量、施肥时间以及施肥位置，优化了肥料的施用。但养分含量增加的生理机制值得进一步研究。

与一年生粮食作物相比，除了产量之外，多年生梨树的果实品质是影响食味口感和经济效益的一项重要指标。氮磷钾养分是影响果实品质还原糖、可滴定酸、Vc和可溶性固形物含量的主要因素[24]。因此不同施肥处理对果实品质有着很大影响。如汤婷婷[25]对梨果经济性状主成分分析的结果表明，在反映果实品质的6个性状中，可溶性糖、可溶性固形物、可滴定酸含量为首要性状。可溶性固形物与可滴定酸比值也是判断果实成熟度的一个重要指标[26-27]。本研究中前两年NE与FP施肥处理相比，固酸比均有小幅增加，而第3年显著提高；Vc和可溶性糖含量分别提高4.1%～24.1%和17%～34% (表2)。因此与FP施肥处理相比，NE施肥处理可以提高果实品质；同时与ST施肥处理相比，NE施肥处理显著提高可溶性糖含量，3年平均提高21% (表2)。乔永胜等[28]对玉露香梨不同氮水平的研究发现，N、P、K施肥量分别为300、105、210 kg/hm2时，果实品质最佳。该结果与本研究结果不完全一致，其主要原因可能在于：1) 试验采用的梨品种不同，对肥料的需求不完全相同；2) 试验地日照、降雨量以及温度等具有一定差异；3) 试验地土壤养分状况与梨园管理措施不同。

3.3 不同施肥处理对肥料利用率的影响

科学合理施肥是果树树体正常生长及生产优质果品的重要基础[29-31]。养分利用率是评价施肥合理性最直接的指标[32]。因此提高肥料利用率是实现梨高产高效优质的研究方向之一。农学效率和偏生产力是表征肥料利用率的常用指标，其与产量、施肥量和土壤肥力水平关系最为密切。本研究中，NE施肥处理能在提高梨产量的同时降低肥料用量，原因在于NE系统能提高氮磷钾肥料的农学效率和偏生产力，这与在水稻、玉米、小麦中的研究[21，33-35]结果相似。最近，何雪菲等[36]对库尔勒香梨的研究表明，随着施氮水平的提高，15N 利用率呈现出先增加后降低的趋势，在适宜的施氮水平下 (300 kg/hm2) 表现出较高的氮肥利用率。

4 结论

基于产量反应和农学效率的养分专家系统推荐施肥可以通过优化黄冠梨肥料运筹提高梨果产量、品质、养分含量、经济效益。采用该方法推荐的氮磷钾肥料用量比农民习惯施肥处理分别下降了35.96%、28.8%和57.92%，氮肥和钾肥用量比测土配方施肥处理分别下降了28.32%和52.87%，而产量比农民习惯施肥处理提高了15.56%～26.91%，经济效益也提高了17%～29%，氮、磷和钾农学效率分别增加10.62～15.76、15.31～23.03和20.47～26.95 kg/kg，偏生产力分别增加了33.21～40.82、39.32～46.13和64.21～84.12 kg/kg。与 FP 处理相比，NE处理3年平均果实中可溶性糖含量和固酸比分别显著提高了27%和10%；与ST处理相比，NE处理仅可溶性糖含量显著提高了21%。因此，养分专家系统在梨树生产中具有很好的可行性。