养分专家系统推荐施肥对小麦产量和肥料利用率的影响

刘东海，王红飞，江盛明，乔 艳，张 智，李 菲，胡 诚，李双来

（1.湖北省农业科学院植保土肥研究所，武汉 430064；2.团风县农业技术推广中心，湖北团风 438800；3.英山县红山镇农业技术服务中心，湖北英山 438700）

小麦是湖北省重要的粮食作物，常年播种面积在115.32 万hm2以上。小麦生产上存在重氮磷肥，轻钾肥以及氮肥过量等问题［1］，造成小麦生产成本增加、效益下降、环境风险加大［2］等问题。因此，合理施肥提高冬小麦产量和肥料利用效率，进而实现高产优质高效和可持续生产是重要的研究方向。

国内外养分管理主要以土壤测试［3，4］和作物反应［5，6］为基础推荐施肥。这些推荐施肥方法确定的养分管理措施在提高小麦产量、收益和肥料利用率方面发挥了积极作用。但这些方法普遍存在分析速度慢、时效性差、测试成本高等问题，难以应用于实际生产。因此，需要更加科学系统、灵活便利、适用于小农户的推荐施肥方法。养分专家系统（Nutrient Expert，简称NE）是基于产量反应和农学效率，在有或无土壤测试条件下均可以应用的方法，该方法可有效避免土壤测试与作物产量反应间相关性弱的问题，并可解决不同地块间土壤肥力条件的差异，是一种适应不同种植规模生产管理方式的推荐施肥方法［7］，该系统适合小农户个性化生产管理需求。养分专家系统推荐施肥在国内外玉米、小麦和水稻上均得到了应用［8-10］，通过全国小麦、玉米、水稻主产区开展的1 534 个田间试验，验证了养分专家系统推荐施肥在提高作物产量和保护环境方面的优越性［11］。养分专家系统推荐施肥效应与土壤类型、气候环境和种植习惯等密切相关，前期研究多集中在北方小麦主产区的麦/玉轮作体系中，在湖北稻/麦轮作体系下，小麦养分专家系统的推荐施肥效果鲜见报道。小麦养分专家系统推荐施肥在稻麦轮作区对小麦产量、养分效率和农田环境效应进行了评价，以期明确小麦养分专家系统推荐施肥效果，为冬小麦科学施肥提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料

田间试验于2018 年在湖北省广水市十里办事处红石塘村进行。广水市属北亚热带大陆性季风气候，冷暖适中，冬干夏雨，雨热同季，四季分明。年平均气温13～16 ℃，无霜期201～240 d，降水量940～1 040 mm，日照时数2 083 h。供试土壤类型为黄棕壤。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 NE 为养分专家系统的推荐氮磷钾肥施用量（N-P2O5-K2O=120-54-67.5 kg/hm2）。试验设置6 个处理，①0 NE，无氮肥；②50% NE，50% NE 用N 量；③75% NE，75% NE 用N 量；④NE，小麦养分专家系统推荐施肥；⑤125% NE，125% NE用N 量；⑥150%NE，150%NE 用N 量。

供试小麦品种为郑麦1342。氮肥基肥、苗肥和拔节肥比例为5∶2∶3。小区面积设为20 m2，3 次重复。

2018 年10 月23 日整地，25 日施肥、播种。2019年1 月8 日追施分蘖肥，2019 年1 月17 日喷洒除草剂，2019 年2 月25 日追施拔节肥，2019 年3 月13 日喷药防治病虫害，2019 年5 月28 日取植物样品，之后收获测产。

1.2.2 测定指标 收获后按照5 点取样法用土钻分别采集0～20 cm 耕层土，去除植物残体和根系，混合后放入自封袋带回实验室测定。土壤样品风干后过筛，分别测定土壤pH（水土比2.5∶1，电极法）、有机质含量（K2Cr2O7容量，外加热法）、碱解氮含量（碱解扩散法）、有效磷含量（NaHCO3浸提，钼蓝比色法）和速效钾含量（NH4OAC 浸提，火焰光度计法）［12］。

1.2.3 数据处理 氮肥利用率（RE）=（施肥区植株地上部养分积累量－不施肥区植株地上部养分积累量）/施肥量×100%；氮肥农学利用率（AE）=（施肥区子粒产量－不施肥区子粒产量）/施肥量×100%；氮肥偏生产力（PFP）=施肥区子粒产量/施肥量；氮肥生理利用率（PEN）=（Y-Y0）/（U-U0），Y是施肥区子粒产量，Y0 为不施肥区子粒产量，其中U、U0 分别为施氮、不施氮时作物收获期地上部总吸氮量；子粒养分积累量=子粒干重×子粒养分含量；秸秆养分积累量=秸秆干重×秸秆养分含量；收益=产量×单价；纯收益（元/hm2）=总产值-肥料投入。

采用Microsoft Excel 2016 软件进行基础数据输入与前期处理；SPSS 20.0 软件进行试验点与施肥处理间方差分析和显著性检验（LSD法），显著性水平设定为P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对小麦SPAD 值的影响

不同施肥处理小麦SPAD 值在小麦生育期呈先升后降的趋势。施用氮肥处理的小麦SPAD 值均高于不施氮肥处理，且有随氮肥施用量增加呈递增的趋势（表1）。与NE 处理相比，50%NE、75%NE、125%NE 和150%NE 处理小麦SPAD 值无显著差异。

表1 不同施肥处理小麦SPAD 值

2.2 养分专家系统推荐施肥对冬小麦产量及其构成因子的影响

不同施肥处理的小麦产量如表2 所示，与0 NE处理比较，施肥均显著提高了小麦产量，排序依次是NE＞75%NE ＞125%NE＞150%NE 和50%NE，其中NE处理的小麦产量较0NE 提高38.66%。与NE 处理比较，75%NE 和125%NE 处理产量有所降低，但差异不显著，150%NE 和50%NE 处理产量显著降低。各处理有效穗、穗粒数和千粒重差异不显著。

表2 不同施肥处理对冬小麦产量及其构成因子的影响

2.3 不同氮肥处理对小麦子粒与秸秆N、P、K 含量的影响

小麦子粒与秸秆的N、P、K 含量如表3 所示。与0NE 处理比较，施肥提高了子粒中N、P 和K 的整体含量，提高了小麦秸秆中N、K 的整体含量，但P 含量变化波动较大。

表3 不同施肥处理的小麦子粒与秸秆的N、P、K 含量的影响

2.4 不同施肥处理对小麦氮素吸收的影响

小麦子粒与秸秆的N 素吸收量如表4 所示。与0 NE 处理比较，施肥提高了子粒氮吸收量，NE、125%NE、75%NE、150%NE 和50%NE 分别显著提高了55.64%、38.11%、32.38%、30.82%和16.55%；施肥提高了秸秆氮吸收量，125%NE、NE、150%NE、50%NE和75%NE 分别提高了秸秆氮吸收量的61.48%、55.37%、45.04%、31.37%和37.72%；施肥提高了小麦总氮吸收量，NE、125%NE、150%NE、75%NE 和50%NE 分别显著提高了55.58%、43.51%、34.11%、33.62%和19.97%。与NE处理比较，减氮处理（0 NE、75%NE 和50%NE）显著降低了小麦总氮吸收量，增氮处理（125%NE 和150%NE）小麦总氮吸收量也呈降低趋势。NE 处理显著提高了子粒氮吸收量、秸秆氮吸收量和小麦总氮吸收量。

表4 不同施肥处理的小麦子粒与秸秆的氮素积累量（单位：kg/hm2）

2.5 不同施肥处理对氮肥利用率的影响

从表5 可以看出，NE 处理氮肥利用率为47.93±5.97%，高于其他施肥处理。氮肥偏生产力方面，排序为50%NE＞75%NE＞NE ＞125%NE＞150%NE；氮肥农学效率方面，排序为75%NE＞NE＞50%NE＞125%NE＞150%NE；氮肥生理利用率方面，排序为75%NE＞50%NE＞NE＞125%NE ＞150%NE。在NE 施肥量的基础上，随着氮肥施用量的加大，氮肥利用率、氮肥偏生产力、氮肥农学效率和氮肥生理利用率呈下降趋势。

表5 不同施肥处理的氮肥利用效率

2.6 不同施肥处理对土壤养分含量的影响

由表6 可知，施肥处理显著提高了土壤有机质含量，其中NE 处理显著提高了23.67%。施肥对土壤碱解氮、有效磷、速效钾和pH 整体影响不显著。

表6 不同施肥处理的土壤养分含量

2.7 不同施肥处理的经济效益比较

由表7 可知，与0 NE 处理比较，随着施肥量的增加，纯收益呈先增加后减少趋势，其中NE 处理纯收益最高，为13 332 元/hm2，显著提高了35.31%；而产投比呈递减的趋势，50%NE、75%NE、NE、125%NE和150%NE 产投比分别降低了15.43%、15.89%、22.83%、36.71%和48.58%。

表7 不同施肥处理对经济效益的影响

3 讨论

3.1 对小麦产量的影响

施用氮肥是提高作物产量和品质的重要措施［13］，不合理施氮肥可能导致氮肥利用效率、产量和经济效益下降，也可造成环境污染的风险加大［14，15］。在农田生产中，随着氮肥用量的增加，作物产量并不是成比例增加，而是呈递减的规律或不增加［16，17］。本研究显示，NE 处理小麦产量最高，在NE 处理上减施氮肥（75%NE 和50%NE），随着减施氮肥量的加大，产量下降得越明显。同时，在NE 处理上增施氮肥（125%NE 和150%NE），随着增施氮肥量的加大，产量也下降得越明显。因此合理的氮肥用量，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［18，19］。

3.2 对肥料利用率的影响

肥料利用率和农学效率是反映作物、土壤、肥料之间关系的动态参数，是科学施肥的重要参考指标［20］。本研究显示，NE 处理的氮肥利用率、农学效率、氮肥生理利用率、氮肥偏生产力分别为47.93%、16.50 kg/kg、34.19 kg/kg、59.17 kg/kg，高于中国小麦氮肥利用率平均值28.12%，农学效率平均值8.10 kg/kg，生理利用率28.3 kg/kg，偏生产力43.0 kg/kg［21］。随着氮肥用量的增加氮肥利用率、农学效率、氮肥偏生产力和氮肥生理利用率均呈下降的趋势，该结论与以往的研究结果一致［22］，表明NE 小麦养分专家系统提高了农田养分效率。

4 结论

小麦养分专家系统推荐施肥（NE）处理显著提高了小麦产量，且高于其他施肥处理；NE 处理的氮肥利用率、农学效率、氮肥偏生产力和氮肥生理利用率分别为47.93%、16.50 kg/kg、59.17 kg/kg 和34.19 kg/kg，高 于125%NE 和150%NE 处 理；NE 纯 收 益13 332 元/hm2，高于其他处理。与NE 处理比较，0NE、75%NE、50%NE 和150%NE 显著降低了小麦总氮吸收量，125%NE 降低不显著。小麦养分专家系统具有较好的增产增收效果，有助于提高小麦子粒中养分积累量和肥料回收利用率，是一项能够兼顾产量、养分高效利用、环境保护且易于推广的重要施肥措施。