基于產量反應和農學效率的推薦施肥方法在東北春玉米上應用的可行性研究

徐新朋，魏 丹，李玉影，謝佳貴，劉雙全，侯云鵬，周 衛，何 萍*

（1 北京市農林科學院植物營養與資源研究所，北京市緩控釋肥料工程技術研究中心，北京 100097；2 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；3 黑龍江省農業科學院土壤肥料與環境資源研究所，黑龍江哈爾濱 150086；4 吉林省農業科學院農業資源與環境研究所，吉林長春 130033）

基于產量反應和農學效率的推薦施肥方法在東北春玉米上應用的可行性研究

徐新朋1,2，魏 丹3，李玉影3，謝佳貴4，劉雙全3，侯云鵬4，周 衛2，何 萍2*

（1 北京市農林科學院植物營養與資源研究所，北京市緩控釋肥料工程技術研究中心，北京 100097；2 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；3 黑龍江省農業科學院土壤肥料與環境資源研究所，黑龍江哈爾濱 150086；4 吉林省農業科學院農業資源與環境研究所，吉林長春 130033）

【目的】針對當前我國玉米生產中肥料不合理施用帶來的肥料利用率低的現狀，以及我國小農戶經營、測土施肥實現困難等問題，建立基于產量反應和農學效率的玉米推薦施肥方法，玉米養分專家系統 (Nutrient Expert for Hybrid Maize, NE)，研究其在東北春玉米上的應用效果。 【方法】于 2010～2014 年共布置了 193 個田間試驗，從產量、經濟和環境方面在東北春玉米種植區對玉米養分專家系統進行校正和改進，包括肥料用量，產量，經濟效益，氮 (N)、磷 (P) 和鉀 (K) 肥利用率和氮素損失等方面。試驗包括5個處理，分別為農民習慣施肥 (FP)，玉米養分專家系統的推薦施肥 (NE)，以及基于 NE 處理的減氮、減磷和減鉀處理。【結果】NE平衡了肥料用量，顯著降低了氮肥和磷肥施用量，與 FP 相比分別降低了 43.5 (P ＜ 0.001) 和 23.6 kg/hm2(P ＜ 0.001)，降幅分別達到了 21.0% 和 27.0%，但增加了鉀肥用量 (8.3 kg/hm2, P = 0.001)。全部試驗 NE處理產量顯著高于 FP 處理 0.6 t/hm2，增產率為 5.2% (P ＜ 0.001)。5年平均經濟效益 (GRF) NE 處理比 FP 處理增加 1466 yuan/hm2，增幅為 7.2% (P ＜ 0.001)，其中 1192 yuan/hm2是通過產量增加帶來的，占總增加量的81.3%。NE 處理的氮素農學效率 (AEN)、氮素吸收利用率 (REN) 和氮素偏生產力 (PFPN) 比 FP 處理平均分別增加了 5.8 kg/kg、11.0 個百分點和 16.8 kg/kg，增幅分別達到了 53.8%、47.8% 和 29.6%；磷素農學效率 (AEP)、磷素吸收利用率 (REP) 和磷素偏生產力 (PFPP) 平均分別增加了 12.3 kg/kg、13.5 個百分點和 44.0 kg/kg，增幅分別達到了 125.9%、87.5% 和 29.6%；鉀素農學效率 (AEK) 和鉀素吸收利用率 (REK) 平均分別增加了 4.0 kg/kg 和13.8 個百分點，增幅分別達到了 30.2% 和 36.1%，但鉀素偏生產力 (PFPK) 降低了 22.4 kg/kg。三年定位試驗氮肥施用量 NE 處理比 FP 處理共減少 102.8 kg/hm2，地上部氮素吸收量卻增加了 38.7 kg/hm2，氮素表觀損失降低了 78.5 kg/hm2，收獲期土壤氮素殘留降低了 63.0 kg/hm2，但 NE 處理的三年平均產量達到了 12.3 t/hm2，比 FP處理平均高 0.9 t/hm2。 【結論】近 5 年，共 193 個田間試驗結果證明，采用基于玉米產量反應和農學效率的推薦施肥方法不僅增加了產量和經濟效益，提高了肥料利用率，而且降低了氮素損失，在實踐上可以用于我國東北春玉米的施肥推薦。

養分專家系統；產量反應；農學效率；養分利用率；氮素損失

化肥施用量的增加大幅度提高了我國玉米產量，但過量施肥也導致了土壤養分累積、肥料利用率低下，并帶來了嚴重的環境污染問題[1–3]。我國不同區域單位種植面積耕地氮和磷素均有盈余，其中氮素平均盈余率達到了 27.6%[4]。李紅莉等[5]的調查結果顯示，我國玉米單位面積化肥施用量 2007 年比2001 年增加了 29%，平均氮肥施用量達到了 N 273 kg/hm2。雖然目前推廣了一些推薦施肥技術來提高玉米產量和養分利用率，例如，依據土壤養分測試值和目標產量計算施肥量[6–7]，優化種植密度、水分和養分管理措施[8–9]，借助葉色卡和 SPAD 儀對玉米實施無損養分檢測[10–12]等。然而，如何更簡便、快捷地推薦施肥和養分管理，并易于被農民接受仍是當前我國養分管理所面臨的挑戰。

許多國家都在開始研究并更換當前作物大面積地毯式的推薦施肥方法。Nutrient Expert (NE) 推薦施肥系統就是為了適應當前推薦施肥需求的背景下提出的一種定點的適應小農戶生產管理方式的推薦施肥和養分管理方法。NE 系統是在實地養分管理原則基礎上由國際植物營養研究所 (IPNI) 提出，其原理是基于產量反應和農學效率進行推薦施肥[13]，該方法已在東南亞一些國家得到應用[14–15]。在印度尼西亞和菲律賓的試驗結果顯示，應用 NE 系統可顯著提高玉米產量和經濟效益[15]。NE 系統于 2009 年由 IPNI 中國項目部引入中國，是在分析大量試驗數據基礎上結合QUEFTS 模型將中國的試驗數據加入到該系統中[16]，通過分析并建立作物產量反應、農學效率、相對產量和基礎土壤養分供應等參數的內在聯系，根據中國的作物生長規律、以及土壤和氣候特征發展而來的推薦施肥和養分管理方法[17–18]。NE系統在國內已經建立了小麥和玉米養分專家系統[17,19]，并進行了大量田間試驗，現已發布漢語版[13]。

NE 系統采用地上部產量反應來表征土壤基礎養分供應能力和作物生產能力，將土壤養分供應看作一個“黑箱”，采用不施該養分地上部的產量或養分吸收來表征[20]，其目的是充分利用農田的基礎養分資源、提供合理的養分用量，避免作物對養分的奢侈吸收或不足，在保持土壤肥力的同時，使養分脅迫降到最低并最終達到高產、高效的目的。如該系統中將玉米分為春玉米和夏玉米兩種不同生態類型，形成兩組不同的施肥參數，因為二者養分吸收、輪作制度等都存在著很大差異。為此，本研究從 2010年開始在東北進行了多年多點的田間試驗對玉米養分專家系統中春玉米部分進行驗證和改進，旨在土壤測試不及時或條件不具備情況下建立一種簡便、易懂、適合我國小農戶為經營主體的玉米推薦施肥和養分管理方法。

1 材料與方法

1.1 玉米養分專家系統施肥原則

玉米養分專家系統中各參數數據來源于我國2001～2012 年期間多點的田間試驗。地上部和子粒的養分吸收量是應用 QUEFTS 模型對產量和養分吸收數據進行模擬，得出我國不同種植類型玉米 (春玉米和夏玉米) 在不同潛在產量和目標產量下的養分吸收曲線[16]。產量反應由氮磷鉀全施處理和不施某種養分處理的產量差求得。相對產量由不施某種養分處理作物子粒產量與氮磷鉀全施的子粒產量比值獲得。土壤基礎養分供應使用不施某種養分而其他養分供應充足條件下該養分地上部的養分吸收量表示。在養分專家系統中應用相對產量的第 25 百分位數、中位數和第 75 百分位數所對應的數值分別表示土壤肥力的低、中和高，進而求得產量反應[15]。通過分析產量反應、農學效率、土壤基礎養分供應以及相對產量的分布特征并建立它們之間的內在聯系，為養分專家系統提供數據支撐。

在玉米養分專家系統中，氮肥推薦主要是依據氮素產量反應 (目標產量與不施氮小區的產量差) 和氮素農學效率確定，在有產量反應相關試驗時可將產量反應數據直接填入系統，系統會根據已有的關系式進行氮肥推薦。在無氮素產量反應數據時，系統會依據相應的參數如可獲得產量、土壤質地、有機質含量和土壤障礙因子等信息確定土壤肥力和相對產量，再由可獲得產量得到產量反應，并計算氮肥施用量。即無論目標產量為多少，施氮量 = 產量反應/農學效率。

磷肥推薦除了產量反應外，還考慮了養分平衡，如果有土壤磷素測試值，則根據磷素分級確定產量反應。土壤磷為高時，產量反應為低；土壤磷為中時，產量反應為中；土壤磷為低時，產量反應為高。如果沒有土壤磷素測試值時，則根據土壤肥力分級確定土壤磷素分級。土壤肥力確定同氮。如果土壤磷素分級為低，且前茬作物磷素平衡為高，磷產量反應因素為中等；如果土壤磷素分級為中，且前茬作物磷素平衡為高，磷產量反應因素為高等；如果土壤磷素分級為高，且前茬作物磷素平衡為低，磷產量反應因素為中等，通過一系列的土壤磷素水平與前茬作物磷素平衡組合對磷素產量反應等級進行判定。不考慮前季作物殘留時，土壤磷素產量反應因素等級同土壤磷素分級。在沒有磷素產量反應數據時根據以上步驟估算，如果有產量反應數據直接輸入。此時磷產量反應：

磷素產量反應 = 可獲得產量 × 磷產量反應因素；

磷素產量反應因素 = 1 – 磷素相對產量。

磷肥推薦中的養分平衡部分是依據 QUEFTS 模型得出的地上部和籽粒中的磷素吸收進行計算，即維持土壤磷素平衡部分相當于需要歸還一定目標產量下籽粒的養分移走量。因此，施磷量計算公式：

施磷量 = 產量反應部分吸磷量 + 作物收獲移走磷量 (維持土壤肥力部分)

當上季和當季作物的綜合磷素平衡大于零時需要考慮磷素盈虧平衡，即：

施磷量 = 維持土壤磷素平衡部分 – 磷素綜合平衡 (上季作物磷素平衡 + 當季作物磷素平衡) + 產量反應部分

其中，如果維持土壤磷素平衡部分與磷素綜合平衡之差大于 0，施磷量則依據上述公式計算，如果維持土壤磷素平衡部分與磷素綜合平衡之差小于 0，施磷量則只為產量反應部分。

施鉀量計算原理同磷。

1.2 試驗設計

試驗于 2010～2014 年于東北春玉米主產區吉林、遼寧和黑龍江省三個省份進行，5 年共計 193 個田間試驗從產量、經濟、農學和環境效益對玉米養分專家系統進行校正和改進 (圖 1 和表 1)。為驗證NE 的持續效益，從 2012 年試驗中隨機挑選出 20 個進行定位試驗，吉林和黑龍江省各 10 個試驗點。玉米品種使用農民所采用的品種，如鄭單 958、先玉335、吉單 27 等，與農民設置相同的種植密度，密度設置來自玉米養分專家系統推薦，其設置范圍 為65000～75000 plant/hm2。

圖1 試驗點分布圖Fig. 1 Distribution of experimental sites

表1 田間試驗點信息Table 1 Site characteristics of the field experiments

每個試驗處理包含：處理 1，玉米養分專家系統推薦施肥處理 (NE) 首先進行農戶問卷調查，包括試驗地塊過去 3～5 年的產量、施肥量、施肥措施、秸稈處理，是否施用有機肥和地塊的質地、顏色等，將調查內容輸入玉米養分專家系統形成施肥套餐；處理 2，農民習慣施肥處理 (FP) 依據農民自己的措施進行管理，在農民地里直接進行，不單獨設置小區，記錄農民所使用的肥料品種、施肥量、施肥次數等信息，收獲時采集樣品測定產量和養分含量等；處理 3、4、5 基于 NE 處理的不施氮、不施磷和不施鉀處理。NE 處理肥料使用尿素、過磷酸鈣和氯化鉀，FP 處理肥料為復合肥或摻混肥，具體依據農民習慣而定。NE 處理的氮肥分兩次施用 (追肥時期在拔節期)，磷肥和鉀肥做基肥一次性施用，而FP 處理的氮、磷和鉀肥為一次性施用。NE 和 FP 處理的病蟲害和草害控制使用相同標準。每個試驗點布置多個處理，每個處理不另設重復。定位試驗中NE 和 FP 處理的面積大于 667 m2，減素小區的面積為 60 m2，減素小區位置在 NE 處理的基礎上每年變化位置，用于計算當季肥料利用效率。

1.3 養分測定及數據分析

每個試驗點的樣品采集采用相同標準，在每個小區的中央位置隨機選取 3 個 10 m2的區域測定產量，并選取均勻的玉米 5～10 株測定水分含量，最終折合成含水量為 15.5% 的產量。取 3～10 株長勢均勻的植株烘干測定子粒和秸稈的干物質重，用于計算收獲指數，并選取一部分烘干樣品粉碎測定子粒和秸稈中 N、P 和 K 養分含量。秸稈和子粒中的全量氮、磷和鉀含量采用 H2SO4–H2O2方法消煮，并分別采用凱氏法、釩鉬黃比色法和原子吸收法測定。

在定位試驗中，于播種前采集 0—30、30—60和 60—90 cm 土壤測定土壤硝態氮和銨態氮含量，使用 0.01 mol/L 的 CaCl2浸提，土與浸提液的比例為1∶10，使用流動分析儀測定。土壤含水量在 105℃ 烘干測定。計算總體養分平衡，用于評估施肥的合理性。

氮素吸收利用率 (N recovery efficiency, REN) = (施氮區植株地上部氮累積量 – 空白區地上部植株氮累積量)/施氮量 × 100%；

氮素農學利用率 (agronomic efficiency of applied N, AEN) = (施氮區產量 – 空白區產量)/施氮量；

氮素偏生產力 (partial factor productivity of applied N, PFPN) = 施氮區產量/施氮量；

肥料花費 (total fertilizer cost, TFC) 為氮磷鉀肥料花費總和；

凈效益 (gross return above fertilizer cost, GRF) 為收獲后的產量利潤減去肥料成本。

氮素表觀損失的計算公式為：

氮素表觀損失 = 施氮量 + 土壤起始氮 + 土壤氮素凈礦化 – 作物地上部吸氮量 – 收獲后土壤殘留氮；

土壤氮礦化量 = 不施氮小區地上部吸氮量 + 不施氮小區土壤氮殘留 – 不施氮小區起始氮；

磷和鉀養分利用率計算同氮。

數據采用 Excel 2007 和 SAS 軟件進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 節肥效益

施肥量結果顯示 (表 2)，FP 處理的施肥量非常不平衡。就每省的平均施氮量而言，遼寧和吉林的FP 施氮量顯著高于黑龍江，但三省的平均施氮量都要高于 NE 處理。遼寧、吉林和黑龍江三省的平均施氮量 FP 處理比 NE 處理分別高 51.0 (P ＜ 0.001)、66.4 (P ＜ 0.001) 和 8.7 kg/hm2(P = 0.072)。就三省年均施氮量而言，NE 處理都顯著低于 FP 處理，施氮量降低范圍為 26.3～57.1 kg/hm2，平均降低了 43.5 kg/hm2，降幅達到了 21.0%。所有試驗中有 73.5% 的農戶施氮量大于 180 kg/hm2，而大于 250 kg/hm2的占到了10.0%，最高施氮量達到了 280 kg/hm2。對于施磷量而言，遼寧和吉林的施磷量 NE 處理顯著低于 FP 處理，分別低 13.0 和 49.2 kg/hm2，而黑龍江兩處理間施磷量無顯著差異。FP 處理中施磷量大于 90 kg/hm2的占到了全部試驗的 50.0%，而高于 120 kg/hm2的占到了 11.0%，最高施磷量則達到了 189 kg/hm2。FP處理每年的平均施磷量范圍為 82.7～92.4 kg/hm2，平均為 87.1 kg/hm2，而 NE 比 FP 處理年均降低范圍為11.1～31.2 kg/hm2，平均低 23.6 kg/hm2，降低幅度達到了 27.0%。對于施鉀量而言，吉林省 FP 處理高于NE 處理，遼寧和黑龍江則相反。每年的平均鉀肥用量 FP 處理的施用范圍為 64.9～75.6 kg/hm2，其中有24.0% 的農戶施鉀量低于 50 kg/hm2，而 NE 處理的年均鉀肥用量范圍為 64.9～87.9 kg/hm2。就所有試驗而言，NE 處理的施鉀量顯著高于 FP 處理 (P = 0.001)，增加了 8.3 kg/hm2，增幅為 12.2%。

表2 玉米養分專家系統與農民習慣施肥的施肥量比較Table 2 Comparison of fertilizer use between Nutrient Expert for Hybrid Maize (NE) and farmers’ practices (FP)

2.2 產量和經濟效益

產量結果顯示 (表 3)，三省的產量 NE 處理都顯著高于 FP 處理 (P ＜ 0.001)，增加了 0.4～0.8 t/hm2，提高了 3.5%～7.2%，其中黑龍江省增產最高，為0.8 t/hm2。玉米養分專家系統中，在下一季試驗開始前，應用上一季的田間試驗結果對系統進行校正和改進。隨著玉米養分專家系統的不斷優化，NE 處理和 FP 處理的產量差從 2010 年的 0.2 t/hm2增長到了2014 年的 0.8 t/hm2。而 2012、2013 和 2014 三年的產量差相近，分別為 0.7、0.8 和 0.8 t/hm2，說明玉米養分專家系統(NE)與農民習慣施肥處理(FP)相比可以穩定增加產量。就全部試驗而言，NE 處理產量顯著高于 FP 處理產量 (P ＜ 0.001)，產量差為 0.6 t/hm2，增幅達到了 5.2%。

表3 玉米養分專家系統與農民習慣施肥的產量和經濟效益比較Table 3 Comparison of grain yield and economic benefit between Nutrient Expert for Hybrid Maize (NE) and farmers’ practices (FP)

表 3 顯示，在黑龍江 NE 處理的化肥花費要高于FP 處理(P ＜ 0.001)，因為 NE 處理的磷肥和鉀肥施用量高于 FP 處理，但遼寧和吉林 NE 處理的 TFC 要遠低于 FP 處理 (P ＜ 0.001)，分別低 168 和 669 yuan/hm2。雖然遼寧省 NE 處理的施鉀量高于 FP 處理，但后者的氮肥和磷肥用量都顯著高于前者。NE 處理年均TFC 都低于 FP 處理，低 81～415 yuan/hm2，五年平均降低 274 yuan/hm2。NE 與 FP 處理相比，遼寧、吉林和黑龍江的平均 GRF 都顯著增加 (P ＜ 0.001)，分別高 1711、1502 和 1341 yuan/hm2，5年增加了 700～1956 yuan/hm2，平均增加了 1466 yuan/hm2，增幅為4.6%～8.8%，平均增幅為 7.2%，其中由增產帶來的GRF 為 1192 yuan/hm2，占總增加 GRF 的 81.3%。

2.3 肥料利用率

2.3.1 氮肥利用率 與 FP 處理相比，三省 NE 處理都顯著地提高了氮肥利用率 (表 4)，遼寧、吉林和黑龍江的氮素農學效率 (AEN) 分別提高了 6.0、6.6 和 5.0 kg/kg，氮素回收率 (REN) 分別提高了 18.3、10.7 和6.7 個百分點，氮素偏生產率 (PFPN) 分別提高了19.0、23.9 和 6.4 kg/kg。NE 處理的年均 AEN 變化范圍為 11.7～21.5 kg/kg (平均 16.7 kg/kg)，REN 變化范圍為 30.8%～38.5% (平均 34.1%)，PFPN 變化范圍為66.4～88.2 kg/kg (平均 73.6 kg/kg)。FP 處理的年均AEN 變化范圍為 7.1～14.7 kg/kg (平均 10.9 kg/kg)，REN 為 17.6%～27.5% (平均 23.1%)，PFPN 為54.6～68.2 kg/kg (平均 56.8 kg/kg)。與 FP 處理相比，全部試驗 NE 處理的 AEN、REN 和 PFPN 分別增加了 5.8 kg/kg、11.0 個百分點和 16.8 kg/kg，增幅分別達到了 53.8%、47.8% 和 29.6%。

2.3.2 磷肥利用率 與 FP 處理相比，遼寧、吉林和黑龍江NE處理的磷素農學效率 (AEP) 分別高 13.3、12.8 和 10.8 kg/kg，磷素回收率 (REP) 分別高 21.9、11.6 和 10.8 個百分點 (表 5)。遼寧和吉林 NE 處理的磷素偏生產力 (PFPP) 顯著高于 FP 處理，分別高40.7 和 88.1 kg/kg，而黑龍江 NE 處理的 PFPP 低于FP 處理，低 15.0 kg/kg，但二者差異不顯著 (P = 0.067)。對每年磷肥利用率的平均值而言，NE 處理年均 AEP 變化范圍為 5.0～27.6 kg/kg (平均 22.0 kg/kg)，REP 變化范圍為 15.7%～35.7% (平均29.0%)，PFPP 變化范圍為 152.1～213.7 kg/kg (平均192.9 kg/kg)。FP 處理的年均 AEP 變化范圍為1.3～11.2 kg/kg (平均 9.7 kg/kg)，REP 變化范圍為7.9%～17.3% (平均 15.5%)，PFPP 變化范圍為141.6～154.9 kg/kg (平均 148.9 kg/kg)。就全部試驗而言，與 FP 處理相比，NE 處理的 AEP、REP 和 PFPP分別增加了 12.3 kg/kg、13.5 個百分點和 44.0 kg/kg，增幅分別達到了 125.9%、87.5% 和 29.6%。

表4 玉米養分專家系統與農民習慣施肥的氮肥利用率比較Table 4 Comparison of use efficiency of applied N between Nutrient Expert for Hybrid Maize (NE) and farmers’ practices (FP)

表5 玉米養分專家系統與農民習慣施肥的磷肥利用率比較Table 5 Comparison of P use efficiency of applied P2O5between Nutrient Expert for Hybrid Maize (NE) and farmers’ practices (FP)

2.3.3 鉀肥利用率 三個省份 NE 處理的鉀素回收率(REK) 都顯著高于 FP 處理 (表 6)，遼寧、吉林和黑龍江分別高 20.7、15.1 和 8.0 個百分點；吉林和黑龍江 NE 處理的鉀素農學效率 (AEK) 比 FP 處理分別高7.2 和 4.3 kg/kg，而遼寧則是前者低于后者，但二者差異不顯著 (P = 0.457)；吉林 NE 處理的鉀素偏生產力 (PFPK) 比 FP 處理高 34.8 kg/kg，但遼寧和黑龍江則是前者要低于后者，分別低 94.6 和 68.1 kg/kg，主要是因為二省 FP 處理的施鉀量較低。NE 處理的年均 AEK 變化范圍為 7.3～21.5 kg/kg (平均 17.3 kg/kg)，REK 變化范圍 為 30.3%～62.0% (平均51.8%)，PFPK 變化范圍為 139.4～169.7 kg/kg (平均159.8 kg/kg)。FP 處理的年均 AEK 變化范圍為4.2～18.8 kg/kg (平均 13.3 kg/kg)，REK 變化范圍為11.9%～45.6% (平均 38.0%)，PFPK 變化范圍為148.5～214.2 kg/kg (平均 182.2 kg/kg)。就全部試驗而言，與 FP 處理相比，NE 處理的 AEK 和 REK 分別增加了 4.0 kg/kg 和 13.8 個百分點，增幅分別達到了30.2% 和 36.1%，但 PFPK 降低了 22.4 kg/kg。

表6 玉米養分專家系統與農民習慣施肥的鉀肥利用率比較Table 6 Comparison of applied K2O use efficiency between Nutrient Expert for Hybrid Maize (NE) and farmers’ practices (FP)

表7 玉米養分專家系統與農民習慣施肥的氮素平衡比較Table 7 Comparison of nitrogen balances between Nutrient Expert for Hybrid Maize (NE) and farmers’practices (FP)

2.4 氮素表觀損失

對玉米養分專家系統的持續環境效益研究結果顯示 (表 7)，氮肥用量 NE 處理比 FP 處理三年共少施 102.8 kg/hm2，但地上部氮素吸收卻增加了 38.7 kg/hm2。NE 處理顯著地降低了土壤氮素殘留，在2014 年 收獲時 0～90 cm 土壤硝態氮和銨態氮累積量為 86.2 kg/hm2，而 FP 處理的則為 149.2 kg/hm2，對不同土壤剖面土壤硝態氮和銨態氮累積量的研究顯示，有 57.5% 的氮素殘留位于 30 cm 以下，而如今我國東北玉米種植區的土壤耕層一般都低于 30 cm，這部分養分容易淋洗到更深層作物根系達不到的土壤或者地下水中，造成環境污染。雖然 NE 處理施氮量與作物氮吸收量之差表現為負值，3年總和為 – 49.5 kg/hm2，但較高的土壤氮素礦化量使得氮素供應遠遠超過作物需求，如果加上大氣干濕沉降等環境帶入的養分，NE 現有的施肥量足以維持土壤平衡和保持高產。FP 處理的施氮量比作物氮素吸收量高 92.0 kg/hm2，超出了 17.3%，較高的氮肥用量導致了 FP 處理氮素殘留比 NE 處理高 63.0 kg/hm2，3年總的氮素表觀損失 FP 處理比 NE 處理高 78.5 kg/hm2。NE 處理的三年平均產量達到了 12.3 t/hm2，比 FP 平均高 0.9 t/hm2，說明 NE 系統具有顯著的持續效應。

3 討論

日益增長的人口對糧食需求不斷增加，使我國農業生產面臨嚴重挑戰。隨著各種技術融入到農業生產中，各種依據土壤和植株測試進行推薦施肥和養分管理的方法應運而生[11,21]，我國政府對測土配方施肥也給予支持。依據玉米主要生育期土壤氮素含量進行根層養分調控，以及依據土壤測試和目標產量法進行養分管理等方法，在不增加氮肥施用量的情況下能夠顯著增加作物產量和養分利用率[7,22]。NE系統中的推薦施肥和養分管理采用的是“4R”養分管理策略，最大限度的優化養分供給和作物需求間的關系，以達到養分平衡[23–25]。相對依據土壤測試的推薦施肥方法，NE 系統在沒有土壤測試值情況下可以依據作物地上部產量反應或相對產量來表征土壤肥力進行推薦施肥，并且根據目標產量和氣候類型如春玉米和夏玉米、灌溉和降雨等條件給出不同施肥推薦量。NE 系統可以依據前季土壤養分殘留、土壤基礎養分供應、產量與養分吸收關系，以及產量反應和農學效率關系等對施肥量進行調整。

NE 假定在相同的氣候條件下，基礎養分供應(或土壤基礎肥力) 將決定缺素區產量的高低[15]。當前，高量化肥投入導致了較高土壤基礎養分供應[26]，并對環境安全構成了潛在威脅[1]。土壤基礎養分供應來自于土壤礦化、灌溉水、大氣沉降、降雨、前季作物殘留和豆科植物固定等，可以通過不施某種養分小區測得[27]。NE 系統可以依據作物需求動態的調整施肥量，其調整施肥量的依據是每年或每季的產量反應、農學效率和養分平衡，而不是一個恒定的施肥量。氣候的差異表明，應該依據每個氣候區域特征形成不同的養分管理策略，這也是 NE 系統所考慮的主要方面之一。與 FP 處理相比，NE 平衡了肥料用量，提高了產量和凈效益，并降低了化肥消耗。前期的驗證試驗顯示，NE 處理與 FP 處理間的產量差呈逐年增加趨勢，而三年定位試驗 (2012～2014) 表明，NE 處理具有長期的增產效果，產量平均增加了 0.9 t/hm2。雖然 NE 處理的施鉀量要高于FP 處理 (8.3 kg/hm2，P = 0.001)，但 NE 處理的高產和較低氮肥 (43.5 kg/hm2，P ＜ 0.001) 和磷肥 (23.6 kg/hm2，P ＜ 0.001) 施用量必然增加經濟效益。

平衡施肥不僅增加了產量，并且顯著增加了肥料利用率。本研究中，NE 處理的肥料利用率要高于FP 處理，也高于一些研究中土壤養分測試結果[7]。Dobermann 等[28]的報道稱，在低施氮量和優化管理條件下，AEN 可達到 20～30 kg/kg。Gao 等[29]依據土壤肥力和目標產量的方法在吉林省 737 個玉米試驗得出，平均 AEN 為 13 kg/kg。本研究中吉林省 AEN 平均達到了 16.5 kg/kg，而黑龍江省的 AEN 平均已達到了 20 kg/kg。玉米養分專家系統中的平衡施肥降低了氮肥施用量，平衡了磷肥和鉀肥施用，提高了作物地上部作物養分吸收，NE 處理比 FP 處理地上部N、P 和 K 養分吸收量平均分別增加了 5.0%、6.6%和 8.1%，也是提高肥料利用效率的原因之一。本研究中 NE 處理的 AEN 和 REN 與 FP 處理相比增幅分別達到了 53.8% 和 47.8%，而 AEP 和 REP 增幅分別達到了 125.9% 和 87.5%。說明根據該玉米養分專家系統進行推薦施肥可以顯著提高肥料利用效率。

當施氮量超過作物需求時，氮素向環境中的損失就會增加，高量的氮肥投入已經對環境構成威脅[30]。大量的殘留氮在土壤中累積并逐漸地淋洗到根部以下，是氮素損失的重要途徑之一[1]。充分利用殘留在土壤中的氮素不僅可以提高氮肥利用率并且有助于評估和優化玉米施氮量[31–32]。本研究中具有較高的潛在土壤氮素供應能力，包括土壤礦化氮、較高的土壤氮素殘留 (NO3–-N + NH4+-N)、以及大氣沉降中的氮素。推薦施肥時必須考慮環境帶入的氮，而玉米養分專家系統將土壤養分供應看作一個“黑箱”，而不考慮養分來源，在 NE 推薦施肥中是非常重要的考慮因素之一。因此，NE 根據特定的地塊條件，綜合考慮氣候、土壤和管理因素可以給出合理的施肥量，并達到高產、高效的目的。

[1]Ju X T, Xing G X, Chen X P, et al. Reducing environmental risk by improving N management in intensive Chinese agricultural systems[J]. Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2009, 106(9): 3041–3046.

[2]黃紹文, 金繼運, 左余寶, 等. 黃淮海平原玉田縣和陵縣試區良田土壤養分平衡現狀評價[J]. 植物營養與肥料學報, 2002, 8(2): 137–143. Huang S W, Jin J Y, Zuo Y B, et al. Evaluation of agricultural soil nutrient balance for Yutian County and lingxian experimental area in Huang-Huai-Hai Plain [J]. Plant Nutrient and Fertilizer Science, 2002, 8(2): 137–143.

[3]趙士誠, 裴雪霞, 何萍, 等. 氮肥減量后移對土壤氮素供應和夏玉米氮素吸收利用的影響[J]. 植物營養與肥料學報, 2010, 16(2): 492–497. Zhao S C, Pei X X, He P, et al. Effects of reducing and postponing nitrogen application on soil N supply, plant N uptake and utilizationof summer maize [J]. Plant Nutrient and Fertilizer Science, 2010, 16(2): 492–497.

[4]李書田, 金繼運. 中國不同區域農田養分輸入、輸出與平衡[J]. 中國農業科學, 2011, 44(20): 4207–4229. Li S T, Jin J Y. Characteristics of nutrient input/output and nutrient balance in different regions of China [J]. Scientia Agricultura Sinica, 2011, 44(20): 4207–4229.

[5]李紅莉, 張衛峰, 張福鎖, 等. 中國主要糧食作物化肥施用量與效率變化分析[J]. 植物營養與肥料學報, 2010, 16(5): 1136–1143. Li H L, Zhang W F, Zhang F S, et al. Chemical fertilizer use and efficiency change of main grain crops in China [J]. Plant Nutrient and Fertilizer Science, 2010, 16(5): 1136–1143.

[6]Cui Z L, Chen X P, Zhang F S. Current nitrogen management status and measures to improve the intensive wheat-maize system in China [J]. AMBIO, 2010, 39: 376–384.

[7]He P, Li S T, Jin J Y, et al. Performance of an optimized nutrient management system for double-cropped wheat-maize rotations in North-central China [J]. Agronomy Journal, 2009, 101: 1489–1496.

[8]Mueller N D, Gerber J S, Johnston M, et al. Closing yield gaps through nutrient and water management [J]. Nature, 2012, 490: 254–257.

[9]Pasuquin J M, Pampolino M F, Witt C, et al. Closing yield gaps in maize production in Southeast Asia through sit-specific nutrient management [J]. Field Crops Research, 2014, 156: 219–230.

[10]魚歡, 楊改河, 王之杰. 不同施氮量及基追比例對玉米冠層生理性狀和產量的影響[J]. 植物營養與肥料學報, 2010, 16(2): 266–273. Yu H, Yang G H, Wang Z J. Nitrogen rate and timing considerations on yield and physiological parameters of corn canopy [J]. Plant Nutrient and Fertilizer Science, 2010, 16(2): 266–273.

[11]趙士誠, 何萍, 仇少君, 等. 相對SPAD值用于不同品種夏玉米氮肥管理的研究[J]. 植物營養與肥料學報, 2011, 17(5): 1091–1098. Zhao S C, He P, Qiu S J, et al. Application of relative SPAD values for nitrogen fertilizer management of different cultivars of summer maize [J]. Plant Nutrient and Fertilizer Science, 2011, 17(5): 1091–1098.

[12]Pasuquin J M, Saenong S, Tan P S, et al. Evaluating N management strategies for hybrid maize in Southeast Asia [J]. Field Crops Research, 2012, 134: 153–157.

[13]Pampolino M F, Witt C, Pasuquin J M, et al. Development approach and evaluation of the Nutrient Expert software for nutrient management in cereal crops [J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2012, 88: 103–110.

[14]Satyanarayana T, Majumdar K, Biradar D P. New approaches and tools for site-specific nutrient management with reference to potassium [J]. Karnataka Journal of Agriculture Science, 2011, 24(1): 86–90.

[15]Pampolino M F, Witt C, Pasuquin J M, et al. Development and evaluation of Nutrient Expert decision support tool for cereal crops [J]. Better Crops, 2014: 4–6.

[16]Xu X P, Xie J G, Hou Y P, et al. Estimating nutrient uptake requirements for rice in China [J]. Field Crops Research, 2015, 180: 37–45.

[17]Chuan L M, He P, Pampolino M F, et al. Establishing a scientific basis for fertilizer recommendations for wheat in China: Yield response and agronomic efficiency [J]. Field Crops Research, 2013, 140: 1–8.

[18]Xu X P, He P, Pampolino M F, et al. Fertilizer recommendation for maize in China based on yield response and agronomic efficiency [J]. Field Crops Research, 2014, 157: 27–34.

[19]Xu X P, He P, Qiu S J, et al. Estimating a new approach of fertilizer recommendation across smallholder farms in China [J]. Field Crops Research, 2014, 163: 10–17.

[20]何萍, 金繼運, Pampolino M F, Johnston A M. 基于作物產量反應和農學效率的推薦施肥方法[J]. 植物營養與肥料學報, 2012, 18(2): 499–505. He P, Jin J Y, Pampolino M F, Johnston A M. Approach and decision support system based on crop yield response and agronomic efficiency [J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012, 18(2): 499–505.

[21]陳蓉蓉, 周治國, 曹衛星, 等. 農田精準施肥決策支持系統的設計和實現[J]. 中國農業科學, 2004, 37(4): 516–521. Chen R R, Zhou Z G, Cao W X, et al. Designing and implementation of a decision supporting system for precision fertilization[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2004, 37(4): 516–521.

[22]Chen X P, Cui Z L, Vitousek P M, et al. Integrated soil-crop system management for food security [J]. Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2011, 108: 6399–6404.

[23]Buresh R J. The SSNM concept and its implementation in rice [M]. Kota Kinabalu, Malaysia: IFA Crossroad Asia-Pacific Conference, 2009.

[24]Dobermann A, Cassman K G, Mosier A R, et al. Environmental dimensions of fertilizer N: what can be done to increase nitrogen use efficiency and ensure global food security?[M]. Washington D C, USA: Island Press, 2004. 261–278

[25]Dobermann A, Cassman K G, Mamaril C P, Sheehy J E. Management of phosphorus, potassium and sulfur in intensive, irrigated lowland rice [J]. Field Crops Research, 1998, 56: 113–138.

[26]Cui Z L, Zhang F S, Chen X P, et al. On farm estimation of an in season nitrogen management strategy based on soil Nmintest [J]. Field Crops Research, 2008, 105: 48–55.

[27]Dobermann A, Witt C, Abdulrachman S, et al. Estimating indigenous nutrient supplies for site-specific nutrient management in irrigated rice[J]. Agronomy Journal, 2003, 95: 924–935.

[28]Dobermann A. Nutrient use efficiency – measurement and management[A]. Krauss A, et al. Fertilizer Best Management Practice: General Principles, Strategy for their Adoption and Voluntary Initiatives vs Regulations[M]. Brussels, Belgium: IFA Int. Worksh. on Fertilizer Best Management Practices, 2007.

[29]Gao Q, Li C L, Feng G Z, et al. Understanding yield response to nitrogen to achieve high yield and nitrogen use efficiency in rainfed corn [J]. Agronomy Journal, 2012, 104: 165–168.

[30]Cui Z L, Chen X P, Miao Y X, et al. On-farm evaluation of the improved soil Nmin-based nitrogen management for summer maize in North China Plain [J]. Agronomy Journal, 2008, 100: 517–525.

[31]Setiyono T D, Yang H, Walters D T, et al. Maize-N: A decision tool for nitrogen management in maize [J]. Agronomy Journal, 2011, 103: 1276–1283.

[32]Chen X P, Zhang F S, Cui Z L, et al. Optimizing soil nitrogen supply in the root zone to improve maize management [J]. Nutrient Management & Soil & Plant Analysis, 2010, 74: 1367–1373.

Availability of fertilizer recommendation for spring maize based on yield response and agronomic efficiency in Northeast China

XU Xin-peng1,2, WEI Dan3, LI Yu-ying3, XIE Jia-gui4, LIU Shuang-quan3, HOU Yun-peng4, ZHOU Wei2, HE Ping2*
( 1 Institute of Plant Nutrient and Resources, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing Engineering Technology Research Center for Slow/Controlled-Release Fertilizer, Beijing 100097, China; 2 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 3 Institute of Soil Fertilizer and Environment Resources, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin 150086, China; 4 Agricultural Resources and Environment Research Institute, Jilin Academy of Agricultural Sciences, Changchun 130033, China )

Abstract: 【Objectives】Low nutrient use efficiency is mianly caused by irrational fertilization.Present fertilizer recommendation technologies based on soil test or plant diagnose are difficult to be used for smallholder farms due to constraints such as access, cost and timeliness in multiple cropping systems. A fertilizer recommendation method, Nutrient Expert for Hybrid Maize (NE), is established in base of yield response and agronomic efficiency.【Methods】 In this paper, 193 on-farm experiments were conducted in 2010–2014 to validate and optimize the effects of Nutrient Expert for Hybrid Maize from agronomic, economic and environmental aspects on spring maize in the Northeast China. Five treatments were designed in the maize field experiments, including (1) farmers' practices (FP), (2) nitrogen, phosphorous and potassium fertilizer input calculated using NE, (3–5) eliminating nitrogen, phosphorous or potassium input in the NE treatment, which were used for the calculation of nutrient use efficiencies. The grain yield, fertilizer cost, net profit, nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K) use efficiency and N loss were investigated at harvest. 【Results】N and P fertilizer input in NE treatment were significantly decreased by 43.5 and 23.6 kg/hm2than in FP, about 21.0% and 27% of decrease (P ＜0.001), while K fertilizer input was increased by 8.3 kg/hm2(P = 0.001). The grain yields in all the experimental sites were in average 0.6 kg/hm2higher in NE than in FP, with the increase rate of 5.2% (P ＜ 0.001), the averaged gross return was increased by 1466 yuan/hm2(P ＜ 0.001), of which, 1192 yuan/hm2was from grain increases, accounting for 81.3%. As compared to FP, NE increased agronomic efficiency (AE), recovery efficiency (RE) and partial factor productivity (PFP) of applied to N by 5.8 kg/kg (+ 53.8%)、11.0% (+ 47.8%) and 16.8 kg/kg (+ 29.6%), increased AE, RE and PFP of applied to P by 12.3 kg/kg (+ 125.9%)、13.5% (+ 87.5%) and 44.0 kg/kg (+ 29.6%), increased AE and RE of applied to K by 4.0 kg/kg (+ 30.2%) and 13.7% (+ 36.1%), but decreased PFPK by 22.4 kg/kg. Given to three-year total calculated N balance, N fertilizer application in NE was lower than in FP, decreased by 102.8 kg/hm2, but N uptake in the above-ground in NE was above 38.7 kg/hm2than in FP, the high N fertilizer input also led to N accumulation in the soil, the results indicated that the residual N at harvest in 2014 with NE significantly less than with FP, decreased by 63.0 kg/hm2. Furthermore, totaled 78.5 kg/hm2of apparent N loss was reduced by using NE than with FP across three-year. However, the yield in NE attained 12.3 t/hm2，increased by 0.9 t/hm2compared with FP. 【Conclusions】In summary, using Nutrient Expert for Hybrid Maize (NE) for fertilizer recommomdation not only increased grain yield, profit and nutrient use efficiency, but also reduced apparent N loss. The Nutrient Expert for Hybrid Maize, which based on yield response and agronomic efficiency, has proved to be a science-based, reliable and feasible method and can be used to make fertilizer recommendation for spring maize in the Northeast China.

Nutrient Expert system; yield response; agronomic efficiency; nutrient use efficiency; nitrogen loss

S143；S513.01

A

1008–505X(2016)06–1458–10

2016–01–14 接受日期：2016–03–27

國家重點研發計劃（2016YFD0200101）；國家自然科學基金項目（31272243）；國家重點基礎研究發展計劃（2013CB1274 05）；國際植物營養研究所（IPNI）；中國農業科學院–國際植物營養研究所植物營養創新研究聯合實驗室（IARRP-2016-10）資助。

徐新朋（1984—），男，河北承德人，博士，主要從事養分管理研究。E-mail：xinpengxu@163.com

* 通信作者 E-mail: phe@ipni.net