养分专家系统推荐施肥对棉花产量及肥料效率的影响

孙绘健，姚青青，何忠盛，王东力，哈丽哈什·依巴提，张 炎

(1.巴州农业科学研究院，新疆库尔勒 841000；2.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091； 3.农业部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】棉花是新疆重要经济作物，2019年新疆棉花种植面积254.05×104hm2，占全国的76.1%，总产达 500.2×104t，占全国总产量84.9%，棉花总产、单产、种植面积、商品调拨量连续25年位居全国第1[1]。肥料投入是提高作物产量的主要措施[2]。重施氮、磷肥，少施钾肥、微肥和有机肥，使土壤中氮、磷、钾比例失调[3-4]，肥料利用率低、土壤生产力与品质下降[5-6]。保障作物产量且提高经济效益的同时，减少肥料损失，提高肥料养分利用率，降低农业生产的负面环境影响，是实现新疆绿洲农业可持续发展必须解决的重要问题[7]。【前人研究进展】目前国内外推荐施肥方法可以归结为两大类[8-10]：一是以土壤测试为基础的测土推荐施肥方法，如地力分级法、目标产量等；二是以作物反应为基础的推荐施肥方法，如地上部营养诊断法和肥料效应函数法等。这类方法需要进行土壤或植物取样、实验室分析，不仅耗时费力，投入大，且难以形成点对点的推荐施肥，以分散的小农户为经营单位，地块间地力存在一定差异，要实现一家一户的推荐施肥相当困难[11]。基于产量反应和农学效率建立的养分专家系统(nutrient expert system，NE)推荐施肥，其主要原理是基于改进的SSNM(Site specific nutrient management)养分管理方法和QUEFTS(quantitative evaluation of the fertility of tropical soils)模型，结合4R原则，针对特定农田和作物生长环境而制作的施肥决策系统。养分专家系统以产量反应和农学效率为基础，综合考虑了产量反应、农学效率、相对产量和土壤基础养分供应之间的联系[12-14]。与传统的测土施肥、植株营养诊断施肥等一系列测试技术和方法相比，该理论与技术具有时效性强、简便经济、易于掌握、适用广泛等优点，特别是在测土和植株诊断等条件不充分时该技术显得尤为重要[15]。研究运用养分专家系统对新疆巴州不同土壤肥力地块进行推荐施肥，研究在棉花应用效果。【本研究切入点】新疆棉花种植中存在肥料用量较多和不合理施用带来的肥料利用率低问题，目前有关养分专家系统推荐施肥在小麦[16-17]、水稻[18]、玉米[19]马铃薯[20]、萝卜[21]、大葱[22]等多种作物进行了研究和应用，均有较好的增产增收效果，但在棉花上的应用鲜有报道。研究分析养分专家系统推荐施肥对棉花产量及肥料效率的影响。【拟解决的关键问题】分析施肥对棉花产量、经济效益、养分吸收积累及肥料利用效率的影响，对棉花养分专家系统进行验证与评价，完善该专家推荐系统，为新疆棉花科学施肥提供理论和技术依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2020年分别在新疆巴州库尔勒市和什力克乡柳林村(N85°83′52.28″E41°71′72.32″)和尉犁县尉北地区4片区(N86°25′45.24″E41°54′85.92″)进行，供试土壤库尔勒市为沙壤土，尉犁县为沙土。土壤基本养分性状。表1

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

设置7个处理，分别是NE为养分专家系统推荐氮磷钾肥用量；NE-N为在NE基础上不施氮肥；NE-P为在NE基础上不施磷肥；NE-K为在NE基础上不施钾肥；OPTS为当地农技部门测土配方施肥；FP为习惯施肥；CK 为不施任何肥料。

库尔勒市和尉犁县NE处理氮肥均以尿素(46% N)施入，全部作追肥，库尔勒市在棉花生育时期分7次随水滴施(追肥时间及比例：6月22日∶7月2日∶7月10日∶7月22日∶7月30日∶8月7日∶8月15日=10∶10∶20∶20∶20∶10∶10)，尉犁县在棉花生育时期分6次随水滴施(追肥时间及比例：6月18日∶7月1日∶7月8日∶7月20日∶7月28日∶8月5日=10∶20∶25∶25∶10∶10)。磷肥为三料磷肥(46% P2O5)施入，70%作基肥，30%作追肥在苗期随水施入；钾肥以硫酸钾(50% K2O)全部滴灌追施，施用量蕾期、铃期各占50%。OPTS处理FP处理均按照习惯施肥，氮肥为尿素、磷肥为磷酸二铵(基肥)、磷酸一铵(追肥)，钾肥为硫酸钾，追肥为1水1肥。表2

表1 供试土壤基本养分状况Table 1 Basic nutrient characters of the tested soils

库尔勒市试验地棉花供试品种为新陆中72号，播种时间为4月19日；尉犁县试验地棉花供试品种为新陆中71号，播种时间为4月27日；两地均采取膜下滴灌种植，1膜4行种植，行距配置66+10+66+10=152 (cm)，株距12 cm，理论密度21.9×104株/hm2。小区面积均为90 m2，3次重复, 随机区组排列。

1.2.2 测定指标

干物质和养分测定：在吐絮期(9月20日)采取各试验小区棉花样品3株，将采集的棉花植株按茎秆、棉纤维、籽分开，在105℃下杀青30 min，然后80℃条件下烘干，记录干物质重。将烘干的植株样品粉碎，分析植株不同部位养分吸收量。植株样用H2SO4-H2O2消煮，全氮采用奈氏比色法、全磷采用钼锑抗比色法，全钾采用火焰火光度法进行测定[23]。

棉花产量测定：每小区调查3个样点，每点测产区面积在6.67 m2，记录各处理小区单株铃数和单位面积株数。每小区采收下、中、上部30、50、20朵完全吐絮棉桃，测定平均单铃重和衣分，计算棉花产量。

肥料的利用效率的计算方法[24]如下：

肥料表观利用率(%)=(施肥区植株地上部养分积累量-减素区植物地上部养分积累量)/施肥量×100；

肥料偏生产力(kg/kg)=籽棉产量/施肥量；

肥料农学效率(kg/kg)=(施肥区籽棉产量-减素区籽棉产量)/施肥量；

产投比=纯效益/肥料花费(纯效益为收获后的产量利润减去肥料成本；肥料花费为氮磷钾肥料花费总和)。

养分平衡采用表观平衡法计算，即平衡值=养分投入量-籽棉携出量，养分盈亏率%=(平衡值/养分投入量)×100%，正值表示盈余，负值表示亏缺。

1.3 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2020和SPSS23.0统计软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对棉花产量和经济效益影响

研究表明，施肥显著增加了棉花的籽棉产量。库尔勒市和尉犁县棉花施肥分别增产6.3%～33.1%和13.3%～134.6%，其中库尔勒市NE、OPTS、FP分别较不施肥CK处理增产33.1%、32.6%、27.9%，土壤基础肥力产量分别占到NE、OPTS、FP籽棉产量的75.1%、75.4%和78.2%；尉犁县NE、OPTS、FP分别较不施肥CK处理增产130.7%、134.6%和121.5%，土壤基础肥力产量仅占到NE、OPTS、FP籽棉产量的43.4%、42.6%和45.2%，尉犁县供试土壤肥力很低。库尔勒市NE处理籽棉产量最高，其次是OPTS处理，二者分别较处理FP增产4.0 %和3.7%；NE、OPTS 与FP 3个处理产量均无显著差异。尉犁县OPTS处理籽棉产量最高，其次是NE处理，二者分别较FP处理增产5.9%和4.2%，NE、OPTS 与FP 3个处理产量也无显著差异。基于养分专家系统推荐施肥，分别与NE-N、NE-P和NE-K处理比较，库尔勒市施用氮肥、磷肥和钾肥增产籽棉分别为25.1%、8.3%和5.0%，尉犁县分别增产籽棉103.6%、20.3%和22.6%。表3

研究表明，库尔勒市和尉犁县施肥处理均能使棉花增收。库尔勒市增收幅度为946～11 046 Yuan/hm2，尉犁县增收幅度为13 322～23 536 Yuan/hm2。库尔勒市NE处理收益最大，其次是OPTS处理； 二者纯收益较FP处理分别增加11.34%和9.78%； NE处理产投比高于OPTS处理，两者均高于FP处理。尉犁县OPTS处理收益最高，其次是NE处理，二者纯收益较FP处理分别增加9.96%和10.04%；NE处理产投比高于OPTS处理，两者也均高于FP处理。表4

2.2 不同施肥处理对棉花氮、磷、钾吸收的影响

研究表明，库尔勒市和尉犁县施肥显著增加了棉花氮磷钾养分吸收，和NE相比，无论是棉花秸秆还是籽棉减素处理氮、磷、钾积累量都显著降低。另外研究表明，库尔勒市NE处理秸秆和籽棉氮磷钾积累量分别占地上部氮磷钾积累量34.5%、34.8%、69.0%和65.5%、65.2%、31.0%；尉犁县NE处理秸秆和籽棉氮磷钾积累量分别占地上部氮磷钾积累量34.6%、28.3%、74.8%和65.4%、71.7%、25.2%。因此，可以看出无论是库尔勒市还是尉犁县棉花吸收的氮磷养分主要积累于籽棉，吸收的钾养分则主要积累于秸秆。

表3 不同施肥处理下棉花产量变化Table 3 Effects of different fertilization treatments on yield and economic benefit of cotton

表4 不同施肥处理下棉花经济效益变化Table 4 Effects of different fertilization treatments on yield and economic benefit of cotton

就棉花秸秆来看，库尔勒市氮积累量FP>NE> OPTS处理，三者无显著差异；磷积累量NE处理显著高于OPTS和FP处理，OPTS和FP处理无显著差异；钾积累量NE处理最高，与OPTS和FP处理无显著差异(图1A-1)。尉犁县氮、磷、钾积累量NE、OPTS和FP处理之间无显著差异(图2B-1)。

就籽棉来看，库尔勒市籽棉氮、磷、钾积累量NE均最高，其氮、磷、钾积累量与OPTS 和FP处理无显著差异(图1A-2)。尉犁县籽棉氮、磷、钾积累NE、OPTS和FP处理三者之间无显著差异(图2B-2)。

库尔勒市和尉犁县NE处理百公斤籽棉吸收氮、磷、钾量分别为 4.21、1.12、3.68 kg和3.97、1.03、3.15 kg；OPTS处理100 kg籽棉吸收氮、磷、钾量分别为 4.15、1.08、3.62 kg和4.01、1.04、4.28 kg；FP处理100 kg籽棉吸收氮、磷、钾量分别为3.89、1.03、3.57 kg和4.90、0.98、3.07 kg。

可见，无论是库尔勒市还是尉犁县，在不同土壤肥力情况下，氮磷钾肥配合施用，氮磷钾养分吸收较多，养分专家系统NE推荐施肥促进了氮、磷和钾素养分的吸收利用。图1，图2

2.3 不同施肥处理对棉花肥料利用率的影响

2.3.1 偏生产力

研究表明，库尔勒市和尉犁县2个试验点NE处理的氮磷肥偏生产力显著高于POTS和FP处理，而钾肥偏生产力OPTS处理显著高于NE和FP处理，库尔勒市钾肥偏生产力NE处理显著高于FP处理；尉犁县钾肥偏生产力NE处理高于FP处理，但差异不显著。库尔勒市NE处理氮肥偏生产力31.0 kg/kg，磷肥偏生产力49.0 kg/kg，钾肥偏生产力67.4 kg/kg。尉犁县NE处理氮肥偏生产力27.2 kg/kg，磷肥偏生产力59.0 kg/kg，钾肥偏生产力59.5 kg/kg。表5

图1 不同施肥处理对棉花秸秆(A-1)和籽棉(A-2)养分积累量的影响 (库尔勒市)Fig.1 Effects of different fertilization treatments on nutrient accumulation of cotton straw(A-1) and cotton seed (A-2)(Korla)

图2 不同施肥处理对棉花秸秆(B-1)和籽棉(B-2)养分积累量的影响 (尉犁县)Fig.2 Effects of different fertilization treatments on nutrient accumulation of cotton straw(B-1) and cotton seed (B-2)(Yuli)

2.3.2 农学效率

研究表明，库尔勒市和尉犁县2个试验点，氮肥农学效率均表现为NE>OPTS> FP，NE处理显著高于OPTS和FP处理；磷钾肥农学效率均表现为OPTS >NE> FP处理，NE处理显著高于FP处理；钾肥农学效率NE处理和FP处理差异不显著。库尔勒市氮磷钾肥农学利用效率分别为6.5、3.8、3.2 kg/kg；尉犁县氮磷钾肥农学利用效率分别为13.8、9.9、11.2 kg/kg。表5

2.3.3 养分回收率

研究表明，在库尔勒市试验点，氮肥和磷肥回收利用率NE>OPTS>FP处理且之间差异显著；钾肥回收利用率OPTS>NE>FP处理且之间差异显著；在尉犁县试验点，NE处理氮肥回收利用率显著高于OPTS和FP处理且OPTS和FP处理之间差异不显著，磷肥回收利用率NE>OPTS>FP处理且之间差异显著；钾肥回收利用率OPTS>NE>FP处理且之间差异显著。

研究表明，在库尔勒市NE处理氮肥回收利用率分别比OPTS和FP处理提高12.2和23.7个百分点，磷肥回收利用率均分别比OPTS和FP处理提高4.9和8.5个百分点；钾肥回收利用率比OPTS处理降低24.1个百分点，比FP处理提高19.6个百分点。在尉犁县NE处理氮肥回收利用率分别比OPTS和FP处理提高25.5和28.1个百分点，磷肥回收利用率均分别比OPTS和FP处理提高2.6和6.7个百分点；钾肥回收利用率比OPTS处理降低30.8个百分点，比FP处理提高7.5个百分点。表5

表5 不同施肥处理下棉花肥料利用效率变化Table 5 Fertilizer efficiency of cotton under different fertilization treatments

2.4 不同施肥处理对棉花养分表观平衡的影响

研究表明，库尔勒和尉犁县NE处理均出现盈余，分别盈余70.3和67.4 kg/hm2，盈余率分别是27.1%和27.5%；OPTS和FP处理均出现较高的盈余，库尔勒和尉犁县分别为266.2、262.4和413.2、265.1 kg/hm2，，盈余率分别为58.8%、59.4%和90.4%、61.0%。库尔勒和尉犁县均表现盈余，且FP>OPTS>NE处理，三者之间均有显著差异；除库尔勒OPTS处理均表现亏缺，亏缺率为157%，其余处理表现为盈余，且FP >NE处理，库尔勒差异显著，尉犁县差异不显著。表6

3 讨 论

化肥是作物优质高产的物质基础。氮肥的过量施用，会导致棉花产量和纤维品质的下降[25]。常规棉施N量在300 kg/hm2以上时，氮肥的增产效果已经不显著[26]，过量施氮，由于营养生长过旺，不能及时向生殖生长转化，导致棉花减产[27]。因此，科学推荐施肥方法是实现作物高产高效生产的关键。

由养分专家系统推荐施肥，并在不同土壤肥力水平棉田展开了试验表明，养分专家系统可有效增产，优化肥料运筹，提高肥料利用率，增加农民收入。研究中，在库尔勒市和尉犁县试验点，棉花养分专家系统推荐施肥分别较FP处理减少氮、磷、钾肥施用量分别为50.9%、64.2%、36.0%和43.6%、69.6%、2.2%，产量分别增加4.0 %、4.2%，纯收益分别增加11.34%、9.96%；较OPTS处理减少氮、磷肥用量分别为47.5%、28.5%、和44.5%、69.6%，增加钾肥用量220%和46.7%，产量分别增加0.35 %、1.4%，纯收益分别减少0.2%、0.1%。由此可以看出，与FP处理比较，无论是库尔勒市还是尉犁县，大幅度减少氮磷钾肥，不仅没有减产，还提高了棉花产量且大幅度增加了植棉收益；与OPTS处理比较，无论是库尔勒市还是尉犁县，大幅度减少氮磷肥，提高钾肥用量，产量和纯收益几乎没有差异。棉花NE系统推荐施肥综合考虑了棉花产量形成的养分需求、土壤地力和生长环境等多方面因素，通过调整氮磷钾投入比例和施用时期，优化了氮、磷、钾配比，实现了养分供应与棉花养分需求的平衡，保证了棉花养分供应的同时，最大限度地提高了肥料的利用效率，最终实现棉花产量和收益的提高。

养分吸收量是棉花产量形成的基础。试验结果表明，就籽棉来看，库尔勒市籽棉氮、磷、钾积累量NE均最高，其氮、磷、钾积累量与OPTS 和FP处理无显著差异，尉犁县籽棉氮、磷、钾积累NE、OPTS和FP处理三者之间无显著差异；对于秸秆养分吸收，库尔勒和尉犁县试验点NE处理、OPTS处理和FP处理三者之间比较，氮肥施用越多吸收越多，但差异并不显著。磷肥吸收库尔勒市和尉犁县均表现为NE>OPTS>FP处理，库尔勒市NE处理显著高于OPTS和FP处理，尉犁县三者之间差异都不显著。钾肥吸收库尔勒市NE处理最高，尉犁县OPTS处理最高，在两地NE、OPTS和FP处理之间差异均表现为不显著。由此可见，并不是施肥量越多，吸收就越多，合理的施肥配比有利于籽棉对养分的吸收。施氮量过多不利于养分从营养器官到生殖器官转化。因而进一步说明养分专家系统推荐施肥有利于棉花对养分的均衡吸收，在保持土壤肥力的同时，使养分胁迫降到最低并最终达到高产高效的目的。

肥料利用效率是衡量合理施肥的重要指标[28]。试验结果表明，库尔勒市和尉犁县2个试验点NE处理的氮磷肥偏生产力显著高于OPTS和FP处理，而钾肥偏生产力NE处理显著高于FP处理，显著低于OPTS处理，OPTS处理获得较高的钾肥偏生产力可能是因为其钾肥在库尔勒市和尉犁县施用较少，分别是NE处理施用量的31.3%和68.2%。因此，根据土壤钾肥的丰缺，适当减少钾肥用量，可以提高钾肥偏生产力。另外，库尔勒市和尉犁县NE处理肥料偏生产力均表现为钾肥>磷肥>氮肥。

库尔勒市和尉犁县2个试验点，氮肥农学效率NE处理显著高于OPTS和FP处理；磷肥农学效率NE处理显著高于FP处理；钾肥农学效率均NE处理和FP处理差异不显著。库尔勒市氮磷钾肥农学利用效率分别为6.5、3.8、3.2 kg/kg；尉犁县氮磷钾肥农学利用效率分别为13.8、9.9、11.2 kg/kg。尉犁县NE处理氮磷钾农学效率均高于库尔勒，说明N E处理土壤肥力越高的土壤，氮磷钾肥农学效率越低，由此也说明对于土壤肥力越低的棉田，其氮磷钾农学效率越高。

文献报道, 氮肥平均利用率可达 50%～60% , 当季利用率磷肥一般为10%～30% , 钾肥为20%～60%[29]。库尔勒市NE氮、磷、钾肥回收利用率分别为42.3%、10.7%和32.2%；尉犁县NE氮磷钾肥回收利用率分别为54.0%、8.1%和29.1%。在库尔勒市和尉犁县2个试验点，NE氮肥和磷肥回收利用率均显著高于OPTS和FP，而OPTS钾肥回收利用率均显著高于NE和FP。与国外平均施肥相比，库尔勒市和尉犁县均能获得较高的氮肥利用效率，磷钾肥利用效率基本在世界平均范围之内。

农田土壤养分平衡法是对农田土壤养分(氮、磷、钾)输入量与输出量进行计算分析，用于评价表观养分利用与盈余情况, 也是分析施肥对农业环境影响的重要方法[30]。养分盈亏率是有养分输入与输出的差值除以养分输入总量计算获得，当-10%≤养分盈亏率≤10%，为养分平衡；养分盈亏率<-10%，为养分亏缺；养分盈亏率>10%，为养分盈余[31]。研究表明，从氮表观平衡来看，库尔勒和尉犁县NE处理均表现盈余，盈余率分别为27.1%和27.5 %；而OPTS和FP处理均表现为较高的盈余，盈余率分别为58.8%、59.4%和90.4%、61.0%。从磷表观平衡来看，库尔勒和尉犁县均表现盈余，且FP>OPTS>NE处理，三者之间均有显著差异；库尔勒市和尉犁县NE处理盈余率分别为71.9%和57.3%。从钾表观平衡来看，除库尔勒市OPTS处理均表现亏缺，其余处理均表现盈余，且FP >NE处理，库尔勒差异显著，尉犁县差异不显著；库尔勒市和尉犁县NE处理盈余率分别为17.8%和38.9%。总的看来，与OPTS和 FP处理相比，NE处理在施氮、施磷、施钾方面养分平衡方面表现较高的优势。

由此可见，NE处理在适当降低肥料用量，优化氮、磷、钾肥配比和施用时期，可促进棉花对养分的吸收利用，是提高肥料利用效率的有效措施，棉花养分专家系统推荐施肥能否维持土壤较高肥力以满足棉花增产需求，其长期推荐施肥效应需进一步研究明确。

4 结 论

试验中，根据库尔勒市和尉犁县棉花地块具体种植信息，应用棉花养分专家系统推荐施肥分别为N 259.5 kg/hm2、P2O5164.0 kg/hm2、K2O 120.0 kg/hm2和N 245.0 kg/hm2、P2O5113.0 kg/hm2、K2O 110.0 kg/hm2情况下较农民习惯施肥分别增产4.0 %、4.2%，增收11.34%、9.96%；氮磷钾肥偏生产力分别为31.0、49.0、67.4 kg/kg和27.2、59.0、59.5 kg/kg；氮磷钾农学效率分别为6.5、3.8、3.2 kg/kg和13.8、9.9、11.2 kg/kg；氮磷钾肥料回收利用率分别为42.3%、10.7%和32.2%和54.0%、8.1%、29.1%。研究结果证明了专家推荐施肥在棉花上的应用具有可行性，该方法在棉花实际生产中充分利用了土壤的基础养分供应，考虑了养分的平衡与可持续性，合理调控了氮磷钾养分供应量，促进了棉花生产的高产高效和可持续发展。