基于養分專家系統評估雙季稻區的氮肥減施潛力

柳開樓李大明 余喜初* 胡惠文 熊華榮 胡志華葉會財 黃慶海

（1江西省紅壤研究所/國家紅壤改良工程技術研究中心，南昌330046；2進賢縣張公鎮農業技術推廣綜合站，江西進賢331717；第一作者：liukailou＠163.com；*通訊作者：yxchu＠163.com）

江西省是我國13個糧食主產省之一，又是全國僅有的兩個不間斷向國家提供商品糧的省份之一，水稻尤其是雙季稻在該地區糧食生產上占據重要地位[1]。據統計，江西省雙季稻種植面積307萬hm2，占全省水稻種植總面積的89%，雙季稻種植比例居全國前列[2-3]。化肥是重要的農業生產資料，是糧食的“糧食”。化肥在促進糧食和農業生產發展中起了不可替代的作用，雖然江西省的化肥施用量低于江蘇、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，化肥總體利用率也不高[3-4]。調查資料顯示，江西省2011年氮、磷、鉀、復合肥消費量比1995年消費量分別增長了42.1%、87.9%、141.8%和204.2%；化肥消費結構以氮肥和復合肥為主[4]。江西早稻每hm2施氮量、施磷量、施鉀量分別為 197.93 kg、93.34 kg、117.41 kg，晚稻每hm2施氮量、施磷量和施鉀量分別為226.49 kg、84.96 kg和100.30 kg，僅有15%的農戶可以實現高產和氮肥的高效利用[4]。近幾年來，江西水稻種植中氮肥利用率一般在28%～38%之間，平均約為33%，提高氮肥利用效率有較大潛力[5]。

近年來，國內外圍繞科學施肥研究提出了不少推薦施肥方法。目標產量法、養分豐缺指標法和地力分級法等以土壤測試為基礎的推薦施肥法很大程度上實現了平衡施肥，但也存在著土壤測試值和校正系數等較難準確獲得、某些速效養分穩定性與產量相關性差、針對性不強等問題[6]。同時，我國南方雙季稻區復種指數高，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[5]。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、大豆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[7]。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[8]。養分專家系統通過了解過去3～5年的產量水平和施肥歷史就可以完成施肥推薦，既適合指導農戶，也適合大面積區域推薦施肥[9]。在江西省雙季稻區，雖然前期已有研究表明，基于養分專家系統可以實現減肥增產和增效的目標[10]，但是，基于養分專家系統推薦的氮肥減量增效方案還缺乏有效的驗證。因此，本研究針對高中低肥力的雙季稻田，通過在養分專家系統推薦的施氮量基礎上設置氮肥增減15%、30%和45%的用量試驗，并分析了水稻產量及其與氮肥用量的量化關系，以期進一步驗證養分專家系統的氮肥推薦量和減施潛力，從而為該地區的氮肥減施增效提供理論支撐。

表1不同試驗點土壤肥力情況

表2高中低肥力水平氮肥梯度試驗的化肥用量 （kg/hm2）

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于江西省進賢縣，該地區位于江西省中部偏北，鄱陽湖南岸，撫河信河下游，地理上呈現三面環水的特點，氣候屬于亞熱帶季風濕潤氣候區，四季分明。年平均氣溫18.1℃，最冷月平均氣溫5.4℃，最熱月平均氣溫30℃；雨量充沛，分布不均，年平均降雨量1 722.9 mm，其中4—6月降雨量780 mm，占全年降水量的45.3%，年平均蒸發量為1 414.6 mm。年平均相對濕度79%；年平均無霜期271.2 d，全年日照1 693.5 h。

本研究的田間試驗于2018年分別設在進賢縣的溫圳鎮何家村、張公鎮馬家村和張公鎮顏家村，試驗地土壤均為第四紀紅壤發育的紅壤性水稻土，土壤肥力參數見表1。徐建明等[11]研究表明，根據Fuzzy方法計算的土壤肥力指數可以綜合反映土壤肥力狀況[11]，因此，本研究在綜合考慮土壤pH值、有機質、速效氮磷鉀后進行了土壤肥力指數計算。結果表明，溫圳鎮何家村屬于高肥力（肥力指數為0.76），張公鎮馬家村屬于中肥力（肥力指數為0.67），張公鎮顏家村屬于低肥力（肥力指數低于0.45）。

1.2 試驗設計

在高、中、低肥力的試驗站點上，田間試驗之前均進行了雙季稻種植情況調查，了解往年施肥及產量情況，根據調查結果運行養分專家軟件進行施肥推薦（NE處理），氮肥用量梯度試驗的處理均按照NE用量進行增減15%、30%、45%處理和不施氮肥處理，各處理的具體肥料用量見表2。每個處理3次重復，小區面積40 m2。隨機區組排列，不同小區之間用覆膜田埂隔開。試驗中使用的肥料為尿素、鈣鎂磷肥、氯化鉀。磷肥全部作為基肥；氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥為4∶3∶3的比例施用；鉀肥按基肥∶穗肥為5∶5的比例施用。

1.3 測定指標和統計方法

在早晚稻成熟期每個小區單獨收獲，測定水稻籽粒產量。

所有數據均采用Excel 2003進行整理，采用SPSS 16.0進行統計分析，差異顯著性采用LSD法（p＜0.05）。氮肥用量與水稻產量的相關關系采用一元二次方程進行擬合，所有圖件均采用Origin 8.1進行制作。

圖1氮肥用量梯度下早、晚稻產量變化

表3氮肥用量與早、晚稻產量的擬合方程及參數

2 結果分析

2.1 NE處理增減氮肥對水稻產量的影響

圖1顯示，在早季，高、中、低肥力等級上NE處理的產量分別為6 021.89、5 886.22和5 546.96 kg/hm2，晚季分別為 8 504.10、7 486.95 和 7 210.52 kg/hm2；而不施氮（NE-100%）處理的產量則顯著低于NE處理及其余氮肥用量處理，且不同肥力等級上NE和NE-100%處理的早晚稻產量大體呈現出高肥力＞中肥力＞低肥力的趨勢。與低肥力相比，高肥力的早晚稻產量分別提高8.56%和17.94%，中肥力的早晚稻產量增幅分別為2.30%和13.56%。與NE處理相比，在NE基礎上氮肥減施45%和30%均顯著降低了早晚稻產量。高、中、低肥力水平NE-45%處理的早稻產量分別比NE處理降低了11.17%、12.52%和11.01%，晚稻產量降幅分別為6.67%、4.28%和5.22%；高中肥力NE-30%處理的早稻產量分別比NE處理減低10.76%和8.05%（低肥力的氮肥減施30%處理早稻產量未顯著降低），高中低肥力的晚稻產量降幅分別為5.10%、2.29%和2.03%。但是，在高、中、低肥力水平上，NE基礎上氮肥減施15%以及增施15%、30%和45%均不能顯著提高早晚稻產量。

2.2 氮肥用量與水稻產量量化關系

在高、中、低肥力等級上，氮肥用量與早晚稻產量的相互關系均可以用一元二次方程進行擬合（p＜0.05）。表3顯示，不同肥力等級上早晚稻的產量潛力均呈現出高肥力＞中肥力＞低肥力的趨勢，其中高肥力早晚稻產量潛力分別比中肥力增加了2.60%和13.80%，比低肥力增加了8.95%和16.86%。進一步計算表明，不同肥力等級上早晚稻的產量潛力對應的氮肥合理用量也呈現出高肥力大于中肥力和低肥力的趨勢，與中肥力相比，高肥力早晚稻氮肥合理用量分別提高4.78%和30.82%；與低肥力相比，高肥力早晚稻氮肥合理用量分別提高6.16%和21.11%。

表4不同肥力等級氮肥最大減施潛力

2.3 高中低肥力水平氮肥減施潛力分析

在不同肥力等級上，本研究進一步計算了早晚稻95%產量潛力的施氮量（表4），結果表明，95%產量潛力對應的施氮量明顯低于NE處理施氮量。高中低肥力早晚稻的氮肥減施比例分別為14.42%～30.14%和12.94%～34.07%，且高肥力的氮肥減施比例明顯低于中肥力和低肥力。

3 討論

在南方雙季稻區，由于不同的地形地貌、利用年限和施肥、水分管理措施，導致該地區的土壤肥力等級不同[12]。有研究表明，不同肥力等級下水稻產量差異較大[10，13]。本研究通過采用養分專家系統，對高、中、低肥力等級雙季稻田進行了早晚稻氮磷鉀肥推薦施肥，早晚稻的產量呈現出高肥力大于中肥力和低肥力的趨勢。這充分說明了高肥力稻田的增產能力。這主要與高肥力稻田土壤有機質和全氮含量等較高有關。而且前人研究表明，土壤有機質和全氮是影響水稻產量的關鍵因子[14-16]。余喜初等[16]基于長期施肥試驗發現，土壤有機質與水稻產量呈顯著正相關關系，當土壤有機碳提高1.0 g/kg，水稻產量可以增加415 kg/hm2。張旭博等[17]研究也表明，土壤有機碳每提升 1.0 g/kg，水稻增產約350 kg/hm2。因此，在南方雙季稻區，建議用秸稈還田、綠肥翻壓等措施提高稻作系統的碳投入[18-19]，從而有效培肥土壤肥力。

氮肥的合理施用對于實現南方雙季稻的化肥減施增效意義重大。由于土壤養分供應不同，不同肥力等級稻田早晚稻的氮肥產量反應和養分吸收也差異較大[10，20]。何萍等[9]研究表明，土壤肥力越高，水稻的氮肥產量反應越小，即土壤供氮能力較高，推薦施氮量較低。本研究基于養分專家系統推薦的高、中、低肥力的氮肥用量也呈現出高肥力低于中低肥力的規律（早稻）。進一步通過一元二次方程分析，由于高肥力的產量潛力明顯高于中低肥力，因此高肥力的氮肥合理用量也顯著較高。與95%產量潛力對應的施氮量相比，高、中、低肥力水平上基于養分專家系統的施氮量可以將早晚稻季的氮肥減施比例控制在14.42%～30.14%和12.94%～34.07%，且高肥力的氮肥減施比例明顯低于中肥力和低肥力。有研究表明，在相同的產量水平上，在高肥力等級上氮肥用量明顯高于中低肥力[13，21]。因此，本研究認為，高肥力等級上維持水稻高產仍然需要較高的氮肥用量。但是，由于本研究試驗周期較短，關于不同等級上氮肥減施比例的長期效果還有待進一步研究和驗證。

4 結論

在南方雙季稻區，養分專家推薦施肥處理的早晚稻產量大體呈現出高肥力＞中肥力＞低肥力的趨勢。與養分專家推薦施肥相比，在養分專家推薦施肥基礎上增施氮肥15%、30%和45%以及減施氮肥15%均不會顯著影響早晚稻產量，但減施氮肥45%和30%則顯著降低了早晚稻產量。進一步計算表明，不同肥力等級上早晚稻的產量潛力對應的氮肥合理用量也呈現出高肥力大于中肥力和低肥力的趨勢，且高、中、低肥力水平上早晚稻季的氮肥減施比例分別為14.42%～30.14%和12.94%～34.07%。