基于養分專家系統的西北旱地冬小麥推薦施肥效應研究

苑愛靜，于 杰，蔣龍剛，邱煒紅，王朝輝

（西北農林科技大學資源環境學院/農業農村部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西楊凌 712100）

養分專家系統（Nutrient Expert system, NE）是以改進的 SSNM (Site-Specific Nutrient Management)和 QUEFTS (Quantitative Evaluation of the Fertility of Tropical Soils) 模型參數為指導的養分管理和推薦施肥方法，同時考慮大、中、微量元素的全面平衡，根據土壤性狀、目標產量及養分管理措施等信息應用計算機智能形成推薦施肥套餐，給出合理的氮磷鉀配比、種植密度、最佳施肥時間和次數，可根據每年的產量反應、農學效率和養分平衡來推薦施肥，是動態的推薦施肥方法，不僅適合于小農戶生產，還適合區域和大規模農業生產，能應用于我國當前農業生產[1-2]。目前國內養分專家系統推薦施肥在小麥[3]、玉米[4-7]、水稻[8-10]、馬鈴薯[11]、大豆[12]、蘿卜[13]上均有應用研究。如玉米專家系統在新疆、河南、河北、山東的研究顯示，與農戶習慣施肥相比，NE處理氮肥施用量減少了33%，磷肥施用量增加了8.6%，產量較農戶習慣施肥增加了3%[14-19]；小麥養分專家系統在我國山西、山東、河南、河北等地研究較多，且效果良好，與農戶習慣施肥相比，NE處理氮、磷肥施用量分別減少了38.7%、22.4%，而小麥產量增加了2.7%[14-16,20-23]。由此說明，養分專家系統在主要糧食作物上已取得了較好的成果。同時，通過文獻分析發現養分專家系統推薦施肥在不同地點的應用效果存在差異。如小麥養分專家系統在河北辛集和正定兩個地點的平均氮肥利用率分別為31.3%和28.6%，磷肥利用率分別為9.6%和13.5%[15]；在河南港區和鶴壁兩個地點的平均氮肥利用率分別為32.4%和39.2%，磷肥利用率分別為20.7%和23.9%[21]。此外，在不同質地土壤上，NE推薦施肥應用效果也不同。在粘壤質潮土上，NE較農戶處理相比減少氮肥用量39.3%、磷肥用量23.5%，但增加鉀肥用量60%；在砂壤質潮土上，則增加氮肥用量62.5%，減少磷肥用量17.8%和鉀肥用量27.7%[21]。這說明應用NE推薦施肥時應根據各地氣候、土壤以及農戶習慣來綜合考慮，且還有較大的優化空間。

黃土高原旱地為雨養農業區，該區降水量年際間波動大，進而造成了年際間小麥產量差異較大。如趙護兵等[24]對西北典型旱地農戶調查結果表明，冬小麥的平均產量介于2580～5503 kg/hm2；蔣龍剛等[25]研究發現同一年份不同地點間產量差異也較大，變化范圍在2151～7721 kg/hm2。因此，如何更為準確、便捷地進行旱地施肥量推薦尤為重要。本研究依據養分專家系統適用于小農戶且方便快捷的特點，兩年共計在15個旱地冬小麥試驗點應用該系統進行推薦施肥試驗，分析基于養分專家系統推薦施肥處理和農戶習慣施肥的施肥量、產量、經濟效益、肥料偏生產力及硝態氮殘留等差異，明確養分專家系統推薦施肥方法在西北旱地冬小麥體系下的應用效果，以期為在西北旱地上推廣養分專家系統推薦施肥方法提供依據。

1 材料和方法

1.1 試驗點概況

試驗于2017—2019年在陜西省渭北旱塬九個縣(彬縣、鳳翔、合陽、蒲城、耀州、大荔、岐山、乾縣、永壽) 進行。渭北旱塬位于陜西省中部的渭河沖積平原和陜北黃土高原之間的地區，海拔600～1300 m，東經 106°40′～110°36′，北緯 34°29′～35°36′，總面積約300萬hm2，年降水量平均為500～600 mm，降水主要集中在7、8、9月份。該地區冬小麥為一年一熟，每年9月中旬至10月初播種，下一年6月初至下旬收獲，夏季休閑。試驗開始前各試驗點耕層土壤基礎理化性質及1 m土層土壤硝態氮積累量如表1所示，試驗期間各試驗點小麥休閑期和生長期降水如圖1所示。

表 1 試驗前各試驗點供試土壤理化性質Table 1 Soil physicochemical properties in different sites before the experiment

圖 1 試驗期間各試驗點小麥夏閑期與生育期降水量(mm)Fig.1 Precipitation in the wheat-growing season and fallow season from 2017 to 2019

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，設置兩個處理，即農戶習慣施肥 (FP) 與養分專家系統的推薦施肥 (NE)，3次重復。FP處理中，施肥量為當地農戶習慣施用量，即在小麥播種前隨機走訪各試驗地點所在村30個農戶，調查其小麥施肥量，經統計得到冬小麥氮、磷、鉀用量。NE處理的氮、磷、鉀肥用量是利用養分專家系統內的小麥模塊計算獲得 (主要輸入參數：試驗地點、小麥平均產量、土壤養分含量、秸稈還田情況、前季施肥情況等)。小區面積為50 m2，不同區組小區間隔1 m，同一區組內不同小區間隔0.5 m。氮磷鉀肥品種分別為尿素、過磷酸鈣、氯化鉀，均在小麥播種前一次性全部施入土壤，無追肥。供試小麥品種均為當地主栽品種，全年無灌溉措施。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤樣品采集與測定 在小麥成熟期，按照“S”形選取5個點，每20 cm為一層，采集0—100 cm的土壤，將各點同層土壤混合為一個土壤樣品。土壤鮮樣用于測定土壤水分、硝態氮和銨態氮含量。剩余土壤經風干、研磨后，分別過1 mm和0.15 mm篩。其中過1 mm篩的土樣用于測定pH、有效磷、速效鉀含量。過0.15 mm篩的土樣用于測定土壤全氮、有機質含量。土壤硝態氮和銨態氮用1 mol/L KCl浸提，有效磷用 0.5 mol/L NaHCO3浸提，均使用連續流動分析儀 (SEAL Analytical AA3，德國) 測定。土壤速效鉀用1 mol/L NH4Ac浸提火焰光度計測定 (Sherwood M410，英國)，土壤有機質用重鉻酸鉀外加熱法測定[26]。

1.3.2 植物樣品采集與測定 小麥成熟時，在每個小區內隨機選取4個1 m×1 m樣方，采集樣方內的小麥，脫粒，將籽粒烘干后用于記產，以kg/hm2表示。樣方采集完畢后，在每個小區都采用“盲抽法”隨機采集小麥植株100穗，于根莖處剪掉根系，并將穗和莖葉分開。莖葉經風干和烘干后稱重。穗風干后脫粒，分為籽粒和穎殼，經烘干后測定其生物量 (地上部)、千粒重，進而計算穗粒數、收獲指數。小麥生物量、籽粒產量、千粒重均以烘干重表示。

1.4 數據計算與分析

土壤硝態氮累積量 (kg/hm2) ＝ 土層厚度×土壤容重×硝態氮含量/10

收獲指數=籽粒產量/生物量×100%

肥料偏生產力 (kg/kg)=籽粒產量/施肥量

試驗數據采用 SigmaPlot (v12.5，Systat Software，Inc.) 軟件進行處理與繪圖，采用SAS (v8.2，SAS Institute Inc.) 進行方差分析 (LSD 法)，P< 0.05 為顯著。

2 結果與分析

2.1 施肥量

由表2可知，2017—2019連續兩年NE處理的氮、磷、鉀施用量分別為N 132～187 kg/hm2、P2O521～98 kg/hm2、K2O 25～67 kg/hm2，平均值分別為N 158 kg/hm2、P2O562 kg/hm2、K2O 40 kg/hm2，而FP處理氮、磷、鉀施用量分別為N 134～255 kg/hm2、P2O593～244 kg/hm2、K2O 6～46 kg/hm2，平均值分別為 N 192 kg/hm2、P2O5134 kg/hm2、K2O 28 kg/hm2。可以看出，NE處理較FP處理施氮量、施磷量分別減少了18% (2017—2018年23.3%、2018—2019 年 14.5%)和54% (2017—2018 年36.8%、2018—2019年63.2%)，而施鉀量增加了41.6% (2017—2018年 36.8%、2018—2019年45.7%)。其中 2018—2019 年合陽 (HY)、蒲城 (PC)兩個試驗點NE處理的氮肥用量較FP處理分別增加了12.6%和16.2%。

表 2 各試驗地點2017—2019年不同處理施肥量 (kg/hm2)Table 2 Fertilizer application rates of different treatments in each experimental site from 2017 to 2019

2.2 冬小麥產量及產量構成要素

2017—2019 連續兩年數據 (圖 2) 表明，各試驗點兩年冬小麥籽粒產量NE和FP處理之間未達到顯著差異水平，NE處理籽粒產量變化范圍介于926～7982 kg/hm2，平均產量為 5171 kg/hm2，FP 處理籽粒產量變化范圍介于895～7537 kg/hm2，平均產量為5111 kg/hm2。但不同試驗點間冬小麥籽粒產量變異較大，其中2018—2019年蒲城試驗點產量最低，為911 kg/hm2，2018—2019年岐山試驗點產量最高，為7529 kg/hm2。不同試驗年份間冬小麥籽粒產量也有較大差異，2017—2018年冬小麥平均產量為5996 kg/hm2，而2018—2019年冬小麥平均產量為 4571 kg/hm2。

圖 2 各試驗點2017—2019年冬小麥產量Fig.2 Winter wheat yield at different experimental sites from 2017 to 2019

冬小麥生物量、產量構成要素變化與籽粒產量變化趨勢類似 (表3)。各試驗點生物量的變異較大，變化范圍在3060～21169 kg/hm2，FP、NE處理平均值分別為12903、13053 kg/hm2，FP處理與NE處理下旱地冬小麥生物量、單位面積穗數、穗粒數和千粒重均無顯著性差異。此外，NE和FP處理之間的收獲指數無顯著性差異，FP處理收獲指數變化范圍介于29.2%～50.0%，平均為39.6%，NE處理變化范圍介于27.4%～49.8%，平均為39.1%。

表3 各試驗地點2017—2019年不同處理冬小麥生物量、產量構成要素和收獲指數Table 3 Winter wheat biomass, yield components and harvest index in different treatments from 2017 to 2019

2.3 氮肥、磷肥和鉀肥偏生產力

2017—2018年NE處理氮肥偏生產力平均為40.8 kg/kg (表 4)，較 FP 處理 (32.7 kg/kg) 顯著提高24.8%。而2018—2019小麥生長季兩處理的氮肥偏生產力均降低，但NE處理 (28.3 kg/kg) 仍較FP處理(22.6 kg/kg) 顯著提高25.3%，兩年平均提高25.1%。2017—2018年不同試驗點NE處理的磷肥偏生產力平均為 83.1 kg/kg，較 FP 處理 (52.8 kg/kg) 提高57.4%。2018—2019年，NE處理磷肥偏生產力(108.5 kg/kg) 較 FP 處理 (33.1 kg/kg) 提高了227.4%，兩年平均提高了139.8%。此外，2017—2018生長季，NE處理鉀肥偏生產力平均為145.6 kg/kg，較 FP 處理 (194.1 kg/kg) 降低 25.0%；2018—2019 生長季，NE 處理 (125.1 kg/kg) 亦較 FP 處理(234.6 kg/kg) 降低 46.7%，兩年平均下降 38.9%。

表 4 各試驗點2017—2019年冬小麥氮、磷、鉀肥偏生產力Table 4 Partial factor productivity of nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer from 2017 to 2019

2.4 經濟效益

2017—2019 年連續兩年試驗結果 (圖 3) 表明，FP處理平均冬小麥經濟效益為7063元/hm2，而NE處理為7617元/hm2，較FP處理顯著增加了7.8%。不同生長季，兩處理的經濟效益不同，其中2017—2018生長季NE處理的冬小麥平均經濟效益9160 元/hm2，較 FP 處理 (9373 元/hm2) 減少了2.3%；而2018—2019年，NE處理冬小麥經濟效益平均為6589元/hm2，比FP處理高1065元/hm2，增幅平均為19.3%，說明長期連續使用NE推薦施肥能獲得更加顯著的效果。此外，不同試驗點小麥經濟效益有差異，其中經濟效益最高的是2018—2019年岐山 (QS) 試驗點，為12636元/hm2，經濟效益最低的是 2018—2019 年的蒲城 (PC) 試驗點，為–1870元/hm2，其原因是2018—2019年蒲城出現了嚴重的旱災 (圖 1)，導致嚴重減產 (僅為 895 kg/hm2)，出現負效益。同時，2018—2019年大荔 (DL)、岐山(QS)、永壽 (YS3) 3個試驗點NE處理的經濟效益較FP處理顯著增加了53.2%、20.9%、29.2%，其余試驗點無顯著性差異，說明基于養分專家系統推薦施肥有較好的增收效果。

圖 3 各試驗點2017—2019年冬小麥經濟效益Fig.3 Economic benefits of wheat at different experimental sites from 2017 to 2019

2.5 土壤硝態氮殘留

2017—2018、2018—2019兩個生長季，FP處理1 m土層土壤硝態氮殘留量范圍分別為N 82～272和111～273 kg/hm2，平均殘留量分別為N 154和165 kg/hm2，NE 處理 1 m 土層硝態氮殘留量范圍分別為 N 74～267和66～277 kg/hm2，平均殘留量為 N 169和145 kg/hm2(圖 4)。從兩年平均硝態氮殘留量來看，NE 處理 (N 154 kg/hm2)和FP 處理 (N 160 kg/hm2) 之間無顯著性差異。但在 2018—2019年永壽渡馬試驗點NE處理較FP處理降低56.3%，且彬縣 (BX) 試驗點連續兩年NE處理較FP處理分別降低了29.4%和33.7%。而蒲城 (PC) 試驗點連續兩年NE處理的硝態氮殘留較FP處理均增加，分別增加了104.1%和50.5%，這與蒲城試驗點因降水少導致小麥減產有關。這說明在旱地上應用養分專家系統推薦施肥時，應綜合考慮土壤自身的硝酸鹽殘留量，以期取得更加顯著的環境效益和經濟效益。

圖 4 各試驗點2017—2019年收獲期土壤中0—100 cm硝態氮殘留量Fig.4 Nitrate N residue in the 0–100 cm soil layer after wheat harvest in different experimental sites from 2017 to 2019

3 討論

在保證糧食產量穩定的條件下，多種推薦施肥方法為合理施肥提供了有力支撐[27-29]。NE推薦施肥方法是基于作物地上部產量反應和農學效率省時省力的一種推薦施肥技術。該方法可以在沒有土壤測試條件的前提下，通過調查不同季節作物土壤的養分情況、氣候條件、目標產量、養分管理等參數，依托已有的數據庫，精準、便捷的生成田塊尺度的施肥套餐，大量的田間數據證實，采用該方法進行化肥用量推薦，可以在優化化肥用量的同時維持土壤肥力[4,30]。

本研究采用旱地小麥養分專家系統推薦施肥實現了節肥不減產的良好效果，NE處理的氮肥用量下降了18%、磷肥用量下降了54% (表2)，冬小麥產量未降低 (圖 2) 同時，經濟效益顯著提高了 7.8% (圖 3)，氮磷肥偏生產力分別提高了25.1%、139.8% (表4)。本研究中NE處理的氮肥減少量相對其他地區降低幅度較小，如在山東、河北和山西小麥生產中，養分專家系統推薦施肥中的氮肥用量分別較農戶減少了45.0%、44.1%、38.7%[14, 20, 22-23]，其原因是這些地區農戶的施氮量較高，如任思洋等[31]調查顯示2005—2014年華北農戶冬小麥施氮量平均為N 226 kg/hm2，而渭北地區小麥農戶平均施氮量僅為N 195 kg/hm2[24]。本試驗中的NE處理施磷量降低54%，高于其他地區的降幅，如在山東、山西、河南，采用NE專家系統推薦施磷量分別減少了35.2%、25.7%、19.5%[14,15,20]，這與黃土高原旱地農戶施磷量不合理有關，據調查，該區僅有10.6%農戶施磷合理[24]。此外，本試驗NE處理的施鉀量較農戶平均增加41.6%，其他地區也有類似報道，在山東、河北、山西，NE處理的施鉀量較農戶習慣施肥處理分別增加186.3%、111.2%、150.0%[15-16,20-23]，這與我國主要麥區常年不施鉀肥或少施鉀肥有關。閆湘等[32]對我國小麥農戶施肥調研結果表明，施鉀量在K2O 0～40 kg/hm2的農戶占76%。趙護兵等[24]調查表明西北旱地麥區大多數農戶不施鉀肥，幾乎所有農戶不施用單質鉀肥，施入到農田的鉀肥僅依賴于復合肥的投入。

NE推薦施肥量主要是依據施肥后作物的產量反應[1]，同時將環境中的養分輸入如灌溉水、大氣沉降等作為土壤基礎養分供應的一部分加以考慮[30]，必要時考慮補充中微量元素[33]。在西北旱地，氮肥的利用效率普遍較低，如本研究中農戶處理的小麥氮肥偏生產力總體平均為26.6 kg/kg，這與武良等[34]調查的西北農戶小麥氮肥偏生產力平均水平23.0 kg/kg接近，然而，即使采用NE推薦施肥的氮肥偏生產力也僅為33.3 kg/kg，低于華中和華北地區的氮肥偏生產力50.1 kg/kg[35]。這可能與西北地區年降雨量變異較大，導致對目標產量的預測出現較大偏差有關，進而導致西北小麥的氮肥利用率僅為26%[36]，低于南方冬小麥氮肥利用率38%和北方小麥氮肥利用率32%。因此，在西北地區雨養條件下，當前養分專家系統推薦施肥方法可能還需要依據多年的降雨變化規律進一步優化。

另外，本試驗研究還發現，NE處理下冬小麥收獲后土壤的硝酸鹽殘留量為N 154 kg/hm2，與農戶習慣施肥處理無顯著性差異，而且該殘留量超過了旱地農業區的安全閾值 (N 55 kg/hm2)[29,37]。這可能與本研究前期農戶過量施用氮肥造成了土壤中硝酸鹽殘留過多有關系，也有可能是由于本研究采集的土壤樣品深度為0—100 cm，長期施肥帶來的硝酸鹽在較深層次積累。此外，第一年NE處理的經濟效益與農戶常規施肥無顯著差異，而在第二年顯著提高，表明合理施肥的效益有可能隨著時間的推移而增加，但是否能降低深層土壤中的硝酸鹽積累量，有待于進一步研究。

4 結論

在陜西渭北旱塬連續兩年共15個試驗點的研究表明，基于養分專家系統推薦施肥方法顯著降低了小麥氮肥和磷肥的施用量，在維持冬小麥籽粒產量的同時，提高了氮磷肥偏生產力和經濟效益。因此，基于養分專家系統的推薦施肥方法可應用于旱地冬小麥施肥。然而，該方法對深層土壤硝酸鹽殘留量的影響及其長期應用的效益仍需要進一步調查研究。