養分專家系統在雙季稻中的應用和評價

柳開樓，李大明，胡志華，胡惠文，余喜初*，楊富強，葉會財，楊旭初，徐小林，黃慶海

（1．江西省紅壤研究所/江西省紅壤耕地保育重點實驗室/國家紅壤改良工程技術研究中心，江西 南昌 330046；2．中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

南方地區的雙季稻在我國糧食生產上占據重要地位［1-4］］，但是，該地區的雙季稻種植普遍存在化肥施用不合理和肥料利用率偏低等現象［5-6］。自新中國成立以來，化肥在促進我國糧食和農業生產發展中起了不可替代的作用［7］。有研究表明，雖然雙季稻區（江西、湖南等）的化肥施用量明顯低于稻麥輪作種植區（江蘇、浙江等發達省份），但也存在化肥過量施用、盲目施用、種類搭配不合理等問題，其化肥總體利用率也不高［8-10］。以雙季稻區的江西省為例，2011年氮、磷、鉀、復合肥消費量比1995年分別增長了42.1%、87.9%、141.8%和204.2%［5，10-12］。但僅有15%的農戶可以實現高產和氮肥的高效利用［10］。因此，研究如何提高雙季稻區的化肥利用率就顯得非常重要。

長期以來，國內外圍繞科學施肥研究提出了很多推薦施肥方法，比如以土壤測試為基礎的測土配方施肥技術，該技術在雙季稻區的大面積示范推廣基本實現了平衡施肥，提高了化肥利用率，維持了水稻高產穩產［13-15］。但是，由于土壤測試耗時耗力、周期性較長，且某些土壤速效養分不穩定，其與水稻需肥量和產量相關性不強等問題［16-17］，從而影響了測土配方施肥技術的進一步推廣。再加上我國的農業主要以農戶經營為主體［18］，復種指數高，作物種植茬口緊，依據土壤測試指導施肥存在測試推薦不及時和成本高等難題。因此，研究開發適應我國國情的推薦施肥技術就顯得十分迫切。

中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所與國際植物營養研究所合作研創了小麥、玉米和水稻等主要作物基于產量反應和農學效率的推薦施肥方法［18-20］。同時結合計算機技術，建立問答式界面，把復雜的施肥原理簡化為農技推廣部門和農民方便使用的養分專家系統（Nutrient Expert），簡稱NE系統［21］。NE系統可以通過了解過去3～5年的產量水平和施肥歷史完成施肥推薦，既適合指導農戶，也適合大面積區域推薦施肥［21］。前期的大量研究已經表明，該方法可以同時實現小麥、玉米等作物的高產，增加肥料利用率和化肥減施的目標［18-24］。但是，在雙季稻區，關于NE系統下水稻的產量和養分吸收變化還有待進一步研究，且NE系統的化肥減施效果還缺乏有效評估［16，25］。因此，本研究擬以NE系統為切入點，結合農民習慣施肥和當地農技部門推薦施肥，于2014～2016年開展了3年6季的田間試驗，并通過分析不同處理的水稻產量、氮磷鉀養分吸收量、化肥施用量和肥料偏生產力變化，從而為該地區的化肥減施增效提供理論和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究于2014～2016年在江西省進賢縣開展了3年6季的田間試驗，該地處中亞熱帶，年均氣溫18.1℃，≥10℃積溫6 480℃，年降水量1 537 mm，年蒸發量 1 150 mm，無霜期約為 289 d，年日照時數1 950 h。試驗地分別位于進賢縣張公鎮馬家村（116°10′48.04″E，28°21′18.54″N）、顏家村（116°9′23.22″E，28°21′56.37″N）和溫圳鎮何家村（116°6′12.93″E，28°20′14.98″N），其中馬家村為3塊田，顏家村和何家村各2塊田。試驗地土壤均為紅壤性水稻土，成土母質為第四紀紅粘土。2014年試驗開始前耕層土壤肥力情況見表1。

表1 試驗前土壤肥力情況

1.2 試驗設計

試驗處理分別為：農民習慣施肥處理（FP）；當地農技部門推薦的測土配方施肥處理（ST）；基于NE系統的推薦施肥處理（NE）。小區面積60 m2，1次重復。

FP處理的施肥量來源于農戶調查，肥料運籌為：磷肥全部作為基肥。氮肥40%做基肥，60%做分蘗肥施用。鉀肥50%做基肥，50%做分蘗肥施用。ST處理的施肥量來源于當地農技站，肥料運籌與FP一致。NE 處理的施肥量來源于NE系統，NE 系統的原理是，用不施肥區的養分吸收或產量水平表征土壤基礎肥力，即地塊施肥后作物產量反應越小，則土壤基礎肥力越高，肥料推薦量越低；反之則肥料推薦量越高。該方法在匯總過去十幾年全國范圍的水稻肥料田間試驗的基礎上，建立了基于產量反應和農學效率的推薦施肥模型。此外，NE 系統還基于 4R 的養分管理原則，推薦合適的肥料品種和適宜的肥料用量，以及合適的施肥時間和恰當的位置。具體方法見文獻［21］。每季開始前，NE處理的施肥量均要根據上季的產量反應等數據進行調整和優化。NE、NE-N、NE-P和NE-K處理的肥料運籌為：磷肥全部作為基肥；氮肥40%做基肥，30%做分蘗肥，30%做穗肥施用；鉀肥50%做基肥，50%做分蘗肥施用。氮磷鉀的肥料種類為尿素（N 46.2%）、鈣鎂磷肥（P2O512.5%）和氯化鉀（K2O 60%）。種植制度為早稻-晚稻-冬閑。稻田病蟲害按當地習慣采用農藥進行防治。

1.3 測定指標

水稻產量：在早、晚稻成熟期每個小區實打實收，曬干稱重，從而獲得實際產量。

氮磷鉀養分吸收量：在早、晚稻成熟期每個小區采集5穴植株樣品，帶回室內分成籽粒和秸稈，烘干稱重，研磨后測定籽粒和秸稈中的氮磷鉀含量，氮磷鉀含量的測定方法分別為凱氏定氮法、鉬銻抗比色法和火焰分光光度法［26］。并根據籽粒和秸稈的干物質計算氮磷鉀養分吸收量。具體公式如下：

式（1）～（3）中，Nuptake、Puptake和Kuptake分 別為水稻氮、磷、鉀養分吸收量（kg/hm2），Grain和Straw分別為水稻籽粒和秸稈干物質（kg/hm2），Ngrain、Pgrain和Kgrain分別為水稻籽粒氮、磷、鉀含量（%），Nstraw、Pstraw和Kstraw分別為水稻秸稈氮、磷、鉀含量（%）。

化肥偏生產力（PFP）計算公式：

式（4）～（6）中，PFP-N、PFP-P和PFP-K分別為氮、磷、鉀肥的偏生產力（kg/kg），Yield為水稻籽粒產量（kg/hm2），Amount-N、Amount-P和Amount-K分別為N、P2O5和K2O的施肥量（kg/hm2）。

所有數據均采用Excel 2003進行處理，統計分析采用SPSS 16.0軟件進行，差異顯著性檢驗采用最小顯著差異法（LSD）于P ＜ 0.05水平上進行，制圖采用Origin 8.1軟件完成。

2 結果與分析

2.1 雙季稻籽粒產量

在2014～2016年間，3年6季的水稻產量波動較大（圖1）。與FP和ST相比，NE處理可以顯著提高早、晚稻的籽粒產量（除了2014年）（圖1）。與FP處理相比，在2015和2016年NE處理的早稻產量分別增加了15.17%和32.74%，晚稻產量增加14.33%和19.25%。與ST處理相比，2015和2016年早稻季NE處理的增幅分別為13.04%和21.74%，晚稻季的增幅分別為11.26%和10.54%。且2015和2016年，NE處理的增產結果均呈現出早稻季高于晚稻季。

圖1 不同處理早、晚稻產量變化

2.2 雙季稻氮磷鉀養分吸收

3年6季中氮磷鉀的養分吸收規律與產量的結果相似（表2）。在不同處理間呈現出2015和2016年中NE處理的早、晚稻養分吸收量均顯著高于FP和ST處理。對于氮素吸收量，早稻季NE處理分別比FP處理增加了33.21%和25.16%，晚稻季的增幅為26.82%和22.09%；磷素吸收量和鉀素吸收量也呈現出相似的規律，與FP處理相比，NE處理在早、晚稻的磷素吸收量分別增加了27.45%～29.57%和27.02%～38.60%，鉀素吸收量分別增加了16.59%～22.34%和14.24%～16.21%。但是，與NE處理的增產結果不同，養分吸收量則呈現出氮素為早稻高于晚稻，而磷、鉀則為早稻低于晚稻。

表2 不同處理早、晚稻養分吸收變化 （kg/hm2）

2.3 雙季稻化肥減施潛力分析

在本研究中，FP和ST的化肥施用量在3年6季均相同，而NE處理則由于每季均會根據上季的結果進行調整和優化，所以其化肥施用量每季均不同。圖2顯示，NE系統可以顯著降低氮磷鉀肥的施用量。與FP處理相比，在2014、2015和2016年NE處理的早稻季氮肥用量分別降低了29.15%、24.86%和27.63%，晚稻季的降幅分別為28.63%、28.15%和34.43%；早、晚稻磷肥用量的降幅分別為15.97%～37.05%和31.72%～44.75%；鉀肥用量的降幅分別為60.35%～66.22%和72.29%～74.02%。且NE處理的鉀肥用量也顯著低于ST處理。

2.4 雙季稻氮磷鉀肥偏生產力

在雙季稻區，3年6季中NE處理下氮磷鉀肥的偏生產力分別為 59.97、137.91和 101.26 kg/kg（表3），顯著高于FP處理（36.71、78.32和39.60 kg/kg）。對于氮肥偏生產力，在2014、2015和2016年NE處理的早稻季分別比FP提高了56.65%、53.26%和83.41%，晚稻季的增幅分別為48.77%、59.12%和81.86%；磷肥和鉀肥偏生產力也呈現出相似的規律，與FP相比，3年間早、晚稻季NE處理的磷肥偏生產力分別增加了57.97%～76.31%和66.24%～115.83%，鉀肥偏生產力分別增加了113.25%～156.13%和160.88%～206.00%。

圖2 不同處理早、晚稻化肥施用量變化

表3 不同處理早、晚稻化肥偏生產力變化 （kg/kg）

3 討論

3.1 NE系統可以提高雙季稻產量

本研究中，NE系統可以在農民習慣施肥的基礎上，根據目標產量和土壤基礎肥力高低確定具體的氮磷鉀產量反應，并結合氮磷鉀肥的農學效率，在考慮秸稈還田等措施的基礎上進行推薦施肥，再結合4R養分管理進行肥料運籌。因此，與農民習慣施肥相比，NE系統可以顯著提高雙季稻產量，其早、晚稻的產量增幅分別為15.17%～32.74%和14.33%和19.25%。同時，在考慮氮磷鉀肥的產量反應和農學效率進行施肥量推薦的基礎上，NE系統也對測土配方數據進行了兼容［21］，即當有土壤測試數據時，NE系統會在推薦施肥時進行養分豐缺的精準判斷，從而更為準確地推薦施肥量，因此，NE系統的水稻產量也顯著高于測土配方處理。但是，NE系統在早稻和晚稻上增產效果略有不同，原因可能與早、晚稻季的溫光條件存在差異有關，且早、晚稻連續種植下，其系統內的氮磷鉀養分會存在累積效應［27-28］。同時，在3年6季中，隨著NE系統的持續應用，雙季稻的養分吸收量也呈現出NE處理顯著高于農民習慣施肥處理。這與NE系統在小麥和玉米上的應用結果相似［18-24］。但與作物對養分的奢侈吸收規律相反，原因之一是NE系統針對具體田塊，根據氮磷鉀肥的農學效率和產量反應進行施肥量推薦，且每年每季均為根據上季的產量反應等信息進行調整和優化，其施肥量與當季水稻養分需求高度吻合［16，25］。另一方面的原因是NE系統依據4R養分原理優化了肥料運籌［25］，增加了氮肥中的穗肥施用，從而有效滿足了水稻開花后的養分需求。此外，NE系統的養分吸收量增加還可能與良好的根系生長和開花后的養分吸收轉運有關，但具體原因還有待進一步研究。

3.2 雙季稻區的化肥減施潛力

在雙季稻區，與農民習慣施肥相比，早、晚稻季NE系統中氮肥的減施比例分別為24.86%～29.15%和28.15%～34.43%，磷肥的減施比例分別為15.97%～37.05%和31.72%～44.75%，鉀肥的減施比例分別為60.35%～66.22%和72.29%～74.02%。這與其他人的研究結果相似［18-24］，且晚稻季的化肥減施比例明顯高于早稻季，這可能與早稻季的養分殘效有關［27-28］。但氮磷鉀肥的減施比例差異較大，原因可能與土壤養分供應能力［29］、水稻品種和種植模式有關。其中鉀肥的減施比例較高的原因還與本研究充分考慮了秸稈全量還田帶入的鉀和土壤養分平衡有關，但是，也有研究表明，在田間水源充足的情況下，釋放出來的秸稈鉀從土壤進入水體比化肥鉀進入水體有滯后性。從而可能影響了水稻對秸稈鉀素的吸收利用［30］，同時，全量還田下的秸稈腐解等問題可能會影響水稻苗期的生長［31］。因此，根據秸稈全量還田背景下推薦的鉀肥減施效果還有待進一步研究。此外，NE系統在提高水稻產量的同時可以顯著降低氮磷鉀肥施用量的原因還與本研究中NE系統可以提高氮磷鉀肥的偏生產力有關。然而，由于本研究的化肥減施比例是根據3年6季的結果得出的，化肥長期減施下的水稻產量變化還有待進一步跟蹤研究，以期更為客觀地指導該地區的化肥減施增效策略。

4 結論

在雙季稻區，NE系統可以通過優化肥料運籌進一步提升水稻產量、養分吸收量和氮磷鉀肥的偏生產力。與農民習慣施肥相比，NE系統下產量增加14.33%～32.74%，氮磷鉀吸收量分別增加了22.09%～ 33.21%、27.02%～ 38.60%和14.24%～22.34%；氮磷鉀肥的偏生產力分別增加了48.77%～83.41%、57.97%～115.83%和113.25%～206.00%。同時，NE系統下氮磷鉀肥分別比農民習慣施肥降低了24.86%～34.43%、15.97%～44.75%和60.35%～74.02%。