基于養分專家系統推薦施肥在東北玉米上的長期綜合效應

侯云鵬，孔麗麗，徐新朋，尹彩俠，張 磊，趙胤凱，劉志全，王立春

基于養分專家系統推薦施肥在東北玉米上的長期綜合效應

侯云鵬1，孔麗麗1，徐新朋2，尹彩俠1，張 磊1，趙胤凱1，劉志全1，王立春1※

（1. 農業農村部東北植物營養與農業環境重點實驗室/吉林省農業科學院農業資源與環境研究所，長春 130033； 2. 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

為明確養分專家系統推薦施肥對東北玉米產量與收益、肥料利用率與土壤養分的長期綜合效應，于2012—2020年開展了田間定位試驗，共設置5處理：分別為1）不施肥（CK）；2）農民習慣施肥（FP）；3）養分專家系統推薦施肥（NE）；4）在NE基礎上配施緩/控釋氮肥（NER）；5）土壤測試推薦施肥（ST）。探究9 a間產量與收益、肥料利用率、土壤養分和養分平衡的變化規律。結果表明，NE和ST處理較FP處理顯著降低了氮磷肥用量（<0.05），顯著增加了鉀肥用量（<0.05）。與FP處理相比，NE、NER和ST處理提高了玉米產量、收益及其穩定性。其中均以NE處理最高，之后依次為ST和NER處理。NE、NER和ST處理肥料平均回收利用率、農學利用率和偏生產力較FP處理分別提高了29.0%～40.1%（<0.05）、31.3%～44.3%（<0.05）和22.0%～31.7%（<0.05），且均以NE處理最高。與FP處理相比，NE、NER和ST處理提高了0～30 cm土壤無機氮含量，降低了>30～90 cm土壤無機氮和0～30 cm土壤有效磷含量，而不同施肥處理土壤速效鉀含量差異未達顯著水平（>0.05），其中NE處理與試驗起始養分含量最為接近。9 a養分平衡結果顯示，FP、NE、NER和ST處理氮、磷均表現為盈余，而鉀素表現為虧缺，且NE處理氮、磷盈余量和鉀虧缺量均為最低。綜上，與農民習慣施肥和土壤測試推薦施肥相比，養分專家系統推薦施肥不僅可提高玉米產量、收益和肥料利用效率，并可保持土壤養分穩定。因此，它是一種適用于中國東北玉米的推薦施肥方法。

土壤；養分；肥料；養分專家系統；玉米產量；凈收入；肥料利用效率；養分平衡

0 引 言

東北是中國最大的春玉米種植區域，常年種植面積達1 655.42萬hm2，總產量11 591.8萬t，分別占中國玉米種植面積的40%和總產量的44.5%[1]，其高產穩產對保證中國糧食安全舉足輕重[2]。化肥作為糧食的“糧食”，對玉米產量的提高發揮了重要作用[3-4]，但在提高玉米產量的同時，由于化肥的不合理投入，不僅導致土地產出效率處于較低水平[5-6]，同時還對生態環境產生了不利影響，如溫室效應和對水、土的環境污染[7-8]。可見，合理地進行養分管理，在確保糧食產量同時，降低化肥對環境的影響顯得尤為重要。

目前國內外養分管理主要依據以土壤測試[9-10]和作物反應[11-12]為基礎推薦施肥。這些推薦施肥方法確定的養分管理措施在提高玉米產量、收益和肥料利用率方面發揮了積極作用。但這些方法普遍存在分析速度慢、時效性差、測試成本高等問題，而且在生產實踐中很難落實到每個生產主體上。因此，需要更加科學系統、靈活便利、適用于小農戶的推薦施肥方法。養分專家系統（Nutrient Expert System，NE）是一種應用地上部養分吸收或產量反應表征土壤養分供應能力而建立的推薦施肥方法，其推薦施肥原理是基于作物產量反應和農學效率[13]，在有或無土壤測試條件下均可以應用。該方法可有效避免土壤測試與作物產量反應間相關性弱的問題，并可解決不同地塊間土壤肥力條件的差異，是一種適應不同種植規模生產管理方式的推薦施肥方法[14]，得到廣泛應用。

近年來基于養分專家系統推薦施肥在小麥、玉米、水稻、馬鈴薯等作物上開展諸多研究，取得了重要進展。這些研究均表明，基于養分專家系統推薦施肥策略可有效避免施肥過量或不足等問題，并使作物產量、收益和作物養分利用效率顯著提高[15-17]。但這些研究多集中在玉米產量、經濟效益、肥料利用率和模型穩定性等方面，缺乏對土壤有效養分變化特征的關注，且多集中在1～2 a的短期試驗，有關更長時間試驗條件下基于養分專家系統推薦施肥在東北玉米上的綜合效應鮮見報道，而不同施肥模式下的施肥效應以及土壤有效養分變化特征需要通過長期的定位試驗來評價。因此，本研究通過在吉林省中部地區開展的連續9 a定位試驗（2012—2020年），應用產量、經濟效益、肥料利用率和土壤養分供應能力等方面的綜合特征變化對不同施肥模式進行綜合評價，其目標是：1）明確養分專家系統推薦施肥下的玉米產量、經濟效益和養分吸收利用的變化特征；2）明確養分專家系統推薦施肥對土壤有效養分（無機氮、有效磷和速效鉀）和養分收支平衡的長期影響，以期為東北地區玉米科學施肥和可持續高效施肥技術創新提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗于2012—2020年在吉林省公主嶺市陶家屯鎮（35°58′41″N，116°58′22″E）進行。該地區位于吉林省中部地區，四季分明，雨熱同季。多年平均氣溫5.6 ℃，降雨量594.8 mm，無霜期144 d。供試土壤類型為黑土，質地為砂壤，2012年試驗起始時土壤養分狀況為：有機質21.28 g/kg，pH值6.32，堿解氮102.66 mg/kg、有效磷39.13 mg/kg、速效鉀112.42 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗共設置5個處理，包括：1）不施肥（CK）；2）農民習慣施肥措施：根據調查農戶施肥與種植模式確定（FP）；3）使用養分專家系統軟件進行肥料管理（NE），首先對農戶進行播前調查試驗地塊的質地、顏色、肥料使用情況、秸稈處理方式和該地塊過去3～5 a玉米產量等信息，輸入NE系統得出肥料用量和施肥方法；4）使用養分專家系統推薦施肥緩控釋氮肥一次性施用方案，50%包膜尿素+50%普通尿素（NER）；5）基于土壤測試推薦施肥（ST）；不同處理肥料用量及各時期施用比例見表1。每個處理重復3次，小區面積60 m2（長15.4 m×寬3.9 m），完全隨機排列。試驗用氮、磷、鉀肥分別為尿素（N 46%，質量分數，下同）、樹脂包膜尿素（43% N，氮素釋放曲線為S型，釋放期為60 d）、重過磷酸鈣（46% P2O5）和氯化鉀（60% K2O）。供試玉米品種根據每年《吉林省農業農村廳關于發布吉林省農業主導品種和主推技術的通知》選定，具體玉米品種分別為：先玉335（2012－2014年）、農華101（2015－2019年）和富民108（2019－2020年）。種植密度分別為60 000株/hm2（2012－2014年）和65 000株/hm2（2015－2020年）。于4月28日－5月7日播種，9月28日－10月6日收獲。試驗開展過程中無人工灌溉，其他病蟲草害的防治措施均按當地習慣方式進行。

表1 不同處理肥料運籌

1.3 項目測定與方法

1.3.1 植株樣品采集與分析

玉米成熟期，在各小區隨機選取5株玉米，分為莖稈與籽粒兩部分，105 ℃烘箱中殺青 30 min后，調至65 ℃烘干至恒質量，計算生物量。采用H2SO4-H2O2法消煮制備待測液，分別用凱氏定氮法、釩鉬黃比色法、火焰光度計法測定玉米植株和籽粒全氮、全磷、全鉀含量[18]。

1.3.2 土壤樣品采集與分析

每季玉米收獲后，采集0～90 cm土壤（30 cm為一層），每個小區采集5點，去除植物殘體與根系，同層次土壤混合后帶回實驗室，其中0～30 cm土壤分為兩部分，一部分放置于陰涼通風處風干，研磨過1 mm篩后測定土壤有效磷和速效鉀含量，另一部分與30～60 cm和60～90 cm土壤研磨過 5 mm篩后，測定土壤無機氮含量（NO3-N和NH4+N含量之和），土壤NO3-N和NH4+N含量采用2 mol/L KCl溶液（土液比1:5）震蕩浸提, 流動注射分析儀測定（FIAstar5000，FOSS，丹麥）。有效磷含量采用0.05 mol NaHCO3浸提，紫外分光光度計測定（用700 nm波長比色）；速效鉀含量采用醋酸銨浸提，火焰光度法測定[18]。

1.3.3 成熟期玉米產量測定

成熟期于各小區選取中間兩行玉米收獲，自然風干后脫粒，測定春玉米籽粒含水率，并基于中國糧食安全儲藏標準中規定14.0%含水率，換算成玉米產量。

1.4 試驗數據處理

產量、凈收入的穩定性和可持續性指數 以變異系數（Coefficient of Variation, CV）和可持續指數（Sustainable Index，SI）衡量年際間產量和凈收入的變異程度來確定產量和凈收入的穩定性，CV值越大則說明產量和凈收入的穩定性越低，SI 指數越高則說明該系統產量和凈收入的穩定性可持續越好。計算公式為[19]

CV=/×100% （1）

SI=(?)/max（2）

式中為標準差，kg/hm2，為試驗中某一處理的產量或凈收入均值，max為所有年份中產量或凈收入的最大值。

養分收支平衡（kg/hm2）=地上部養分積累量－施肥量

凈收入（元/hm2）=玉米產量×玉米價格－生產投入成本（具體包括種子、肥料、農藥、種植收獲人工成本）

肥料回收利用率（RE%）=（施肥區植株地上部養分積累量－不施肥區植株地上部養分積累量）/施肥量×100

肥料農學利用率（AE，kg/kg）=（施肥區籽粒產量－不施肥區籽粒產量）/施肥量

肥料偏生產力（PFP，kg/kg）=施肥區籽粒產量/施肥量

不同年份間肥料利用效率可看作當季肥料養分利用效率，將9 a平均肥料利用效率作為累積肥料利用效率進行比較。玉米價格由根據每年玉米市場價格確定；生產投入成本由根據每年種子、肥料、農藥價格和種植收獲人工成本確定。

試驗數據采用Excel 2016進行整理，SigmaPlot 14.0軟件繪圖。SAS 9.0軟件進行統計分析，采用LSD法在0.05水平下進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同處理施肥量比較

從肥料用量的分布情況結果可知（圖1），NE/NER和ST處理肥料總量無論最大值、最小值或均值均顯著低于FP處理（0.05）。在不同營養元素中，NE/NER和ST處理氮、磷肥用量均顯著低于FP處理（0.05），其中氮肥平均用量分別下降24.1%和15.6%，磷肥平均用量分別下降28.4%和18.0%，而鉀肥用量則顯著高于FP處理（0.05），平均用量分別提高24.9%和9.5%。與ST處理相比，NE/NER處理氮、磷用量分別降低10.1%和12.7%，鉀肥用量提高了14.1%，而肥料總量差異未達顯著水平（0.05）。

2.2 不同處理玉米產量、凈收入與穩定性差異

試驗年份（）和施肥處理（）對玉米產量（∶= 46.23，<0.001；∶=1 754.65，<0.001）和凈收入（∶=532.52，<0.001；∶=1 661.70，<0.001）均具有顯著影響，且兩因素的互作效應均達到了顯著水平（產量：=15.91，<0.001；凈收入：=9.49，<0.001，=135）。玉米產量雖然在不同年際間存在差異，但整體趨勢均表現一致，NE、NER和ST處理玉米產量在不同年份均顯著高于FP處理（<0.05；圖2），其中以NE處理玉米產量最高，9 a平均增幅為11.0%（表2）。在不同推薦施肥處理中，NE處理平均玉米產量顯著高于NER處理（<0.05），增幅達5.1%，但與ST處理差異不顯著（>0.05）。

經濟效益方面，受不同年際玉米產量、玉米價格和生產投入成本的影響，凈收入雖然在不同年際間中存在差異，但整體趨勢均表現一致，NE、NER和ST處理凈收入在不同年份均顯著高于FP處理（<0.05），9 a平均增幅分別為14.3%、8.3%和11.0%。在不同推薦施肥處理中，NE處理平均凈收入顯著高于NER處理（<0.05），增幅達5.5%，但與ST處理差異不顯著（>0.05）。

在穩定性方面，玉米產量CV值和凈收入CV值均以CK處理最高，相反SI指數則以CK處理最低。與FP處理相比，NE處理玉米產量CV值和凈收入CV值均顯著下降（<0.05），降幅分別為15.6%和11.9%。在不同推薦施肥處理中，NE處理較NER和ST處理顯著降低了玉米產量CV值和凈收入CV值（<0.05），其中玉米產量CV值降幅分別為14.1%和11.6%，凈收入CV值降幅分別為9.2%和7.2%；與FP處理相比，NE處理玉米產量SI指數和凈收入SI指數均顯著增加（<0.05），增幅分別為9.8%和12.9%。在不同推薦施肥處理中，NE處理玉米產量SI值和凈收入SI值均顯著高于NER處理（<0.05），增幅分別為5.9%和6.8%，但與ST處理差異不顯著（>0.05）。

表2 不同處理玉米產量、凈效益、變異系數及可持續性指數

2.3 不同處理養分吸收與利用效率

2.3.1 養分吸收

試驗年份（）和施肥處理（）對玉米氮（∶= 181.59，<0.001；∶=8 803.87，<0.001）、磷（∶= 9.87，<0.001；∶=388.52，<0.001）、鉀積累量（∶= 11.18，<0.001；∶=461.18，<0.001，=135）均具有顯著影響，且兩因素的互作效應均達到顯著水平（氮積累量：=55.35，<0.001；磷積累量：=2.62，<0.001；鉀積累量：=3.82，<0.001，=135）。玉米氮、磷、鉀積累量雖然在不同年際間存在差異，但整體趨勢均表現一致，不同推薦施肥處理間（NE、NER和ST）氮、磷、鉀積累量差異均未達顯著水平（>0.05；圖3和表3），與FP處理相比，NE、NER和ST處理玉米氮、磷積累量在不同年份均顯著提高（<0.05），其中氮積累量9 a平均增幅分別為11.6%、6.4%和8.8%，磷積累量9 a平均增幅分別為16.5%、10.7%和10.7%。而鉀積累量差異未達顯著水平（>0.05）。

表3 不同處理玉米平均氮、磷、鉀積累量

2.3.2 肥料利用效率

試驗年份（）和施肥處理（）對玉米肥料回收利用率（∶=1255.19，<0.001；∶=1346.64，<0.001）、農學利用率（∶=253.52，<0.001；∶=166.40，<0.001）和偏生產力（∶=38.77，<0.001；∶= 375.88，<0.001）均具有顯著影響，且兩因素的互作效應均達到顯著水平（肥料回收利用率：=5.46，<0.001；肥料農學利用率：=2.86，<0.001；肥料偏生產力：=2.71，<0.001，=108）。玉米肥料利用效率雖然在不同年際間存在差異，但整體趨勢均表現一致，NE、NER和ST處理不同年際間肥料回收利用率、農學利用率和偏生產力均顯著高于FP處理（<0.05，圖4），9 a平均肥料回收利用率、農學利用率和偏生產力提高幅度分別為29.0%～40.1%、31.3%～44.3%和22.0%～31.7%（表4）。在不同推薦施肥處理中，NE處理肥料回收利用率、農學利用率和偏生產力均顯著高于NER和ST處理（<0.05）。其中肥料回收利用率分別提高5.7%和8.6%，農學利用率分別提高9.2%和9.9%，偏生產力分別提高5.3%和7.9%。

表4 不同處理玉米平均肥料利用效率

2.4 不同處理土壤養分含量變化

2.4.1 土壤無機氮含量

試驗年份（）和施肥處理（）均對0～30 cm（∶=12.23，<0.001；∶=361.39，<0.001）、>30～60 cm（∶=9.79，<0.001；∶=298.3，<0.001）和>60～90 cm土壤無機氮含量（∶=7.36，<0.001；∶=209.43，<0.001）影響顯著，且兩因素的互作效應均達到顯著水平（0～30 cm：=7.19，<0.001；>30～60 cm：=6.02，<0.001；>60～90 cm：=4.89，<0.001，=135）。不同層次土壤無機氮含量雖然在不同年際間存在差異，但整體趨勢均表現一致。NE、NER和ST處理0～30 cm 土壤無機氮含量均顯著高于FP處理（<0.05），其中以NER處理最高；而>30～60和>60～90 cm土壤無機氮含量均低于FP處理，其中>30～60 cm 土壤無機氮含量以NER處理降幅最高，>60～90 cm 土壤無機氮含量以NE處理降幅最高。在不同推薦施肥處理中，NER處理0～30 cm 土壤無機氮含量較NE和ST處理分別提高1.7%和13.6%；而ST處理的深層土壤>30～60和>60～90 cm無機氮含量較高，其中>30～60 cm較NE和NER處理分別提高了16.3%和23.0%，>60～90 cm分別提高了12.4%和5.5%。與試驗起始時相比，FP處理0～30 cm土壤無機氮含量顯著下降，而>30～90 cm土壤無機氮含量顯著增加；在不同推薦施肥處理中，ST處理0～30 cm土壤無機氮含量較試驗起始時有所下降，>30～90 cm土壤無機氮含量小幅提升；而NE和NER處理0～90 cm土壤無機氮含量變幅較小。

2.4.2 土壤有效磷和速效鉀含量

試驗年份（）和施肥處理（）均對土壤有效磷（∶=27.35，<0.001；∶=419.41，<0.001，=135）和速效鉀含量（∶=46.97，<0.001；∶=29.63，<0.001，=135）影響顯著，且兩因素的互作效應均達到顯著水平（有效磷含量：=11.34，<0.001；速效鉀含量：=4.65，<0.001；=135）。雖然不同年際間的土壤有效磷和速效鉀含量存在一定差異，但不同處理間的年季變化趨勢表現一致，FP處理土壤有效磷含量顯著高于NE、NER和ST處理（<0.05，圖6），9 a平均增幅分別為4.0%、6.1%和6.3%。而不同推薦施肥處理間（NE、NER和ST）土壤有效磷含量差異無顯著水平（>0.05）。不同施肥處理間土壤速效鉀含量差異未達顯著水平（>0.05）。與試驗起始時相比，FP處理土壤有效磷含量顯著提高（<0.05），并隨施肥年限的增加而增加，9 a平均增幅為5.4%；而NE、NER和ST處理土壤有效磷含量與試驗起始時差異未達顯著水平（>0.05）。與起始土壤速效鉀含量相比，各施肥處理均呈下降趨勢，但各施肥處理間的差異未達顯著水平（>0.05）。

2.5 不同處理氮磷鉀平衡

經過9 a的連續種植（表5），CK處理的3種養分均表現為虧缺。而不同施肥處理氮、磷均表現為盈余。與FP處理相比，NE、NER和ST處理氮、磷盈余量均顯著下降（<0.05），其中以NE處理氮、磷盈余量最低，降幅分別為95.0%和90.8%。不同推薦施肥處理中，與NER和ST處理相比，NE處理氮盈余量分別降低67.1%和86.0%，磷盈余量分別降低50.7%和77.6%，差異均達顯著水平（<0.05）。鉀與氮磷不同，不同施肥處理均表現為虧缺，而NE和NER處理鉀虧缺量均顯著低于FP處理（<0.05）。降幅分別為30.8%和30.1%。不同推薦施肥處理中，NE和NER處理鉀虧缺量顯著低于ST處理（<0.05），降幅分別為27.2%和26.4%。

表5 不同處理氮磷鉀平衡（2012－2020年）

3 討 論

3.1 玉米產量及經濟效益

養分均衡供應可以促進作物對養分的吸收、轉運及同化，并最終影響作物產量與經濟效益[16,20]。本研究中，與FP處理相比，NE/NER和ST處理氮、磷肥平均用量顯著降低，雖然鉀肥用量高于FP處理，但施肥總量依然下降顯著（<0.05），且NE/NER處理較ST處理肥料總量無顯著性差異（圖1）。與此同時，NE、NER和ST處理通過平衡施肥，在降低肥料用量的同時，玉米產量和穩定性顯著高于或不次于FP處理，而NE、NER和ST處理以較低的施肥成本和獲得較高的產量，其經濟效益和穩定性也顯著高于或不次于FP處理，且均以NE處理最高，后依次為ST和NER處理（圖2，表2）。可見基于養分專家系統（NE）推薦施肥的效果優于基于土壤測試推薦施肥方法。主要是由于兩種推薦施肥方法原理存在差異有關。基于土壤測試推薦施肥主要是通過土壤養分豐缺程度確定適宜肥料用量[21]，而相關研究表明[22]，土壤基礎養分（氮、磷、鉀）供應能力與土壤有效養分含量（堿解氮、有效磷和速效鉀）的相關性較弱，特別是氮素在土壤中損失途徑較多，且轉化過程復雜，往往土壤養分測試值不能反映真實的土壤基礎養分供應能力，因此在推薦肥料用量存在一定的不確定性[23-24]。養分專家系統推薦施肥在估算作物一定目標產量下的養分吸收量時，考慮了養分之間的相互作用，使模擬的產量與養分吸收關系曲線更接近于實測值[25]，并將施肥后的作物產量分為土壤基礎養分供應產量和施肥所增加作物產量兩部分，結合上季作物的養分盈余情況和當季作物收獲的養分移走量，實現養分供需平衡，保證了土壤養分的穩定性[26]。同時養分專家系統推薦施肥采用的是“4R”養分管理策略[27]，如在本研究中氮肥按基肥:分蘗肥:開花肥3:5:2比例分次施用，最大限度的優化養分供給和作物需求間同步，因此總體表現相對更好。而NER處理中緩/控釋氮肥由于受不同年際間降雨量的影響，影響其釋放效果[28]，導致增產效果低于NE和ST處理。

3.2 養分吸收利用

肥料利用效率作為評價施肥是否合理的重要指標之一，反映的是作物-土壤-肥料三者間關系的動態參數。由作物產量、養分吸收總量和肥料投入量共同決定[29]。而作物養分積累是作物生長、根系吸收能力和土壤養分有效性動態變化的結果。是提高作物產量和肥料利用效率的基礎。相關研究表明[30]，氮磷鉀的平衡施用可促進作物對養分的吸收與利用，進而提高提高和肥料利用效率。本研究中，由于受不同年際間環境、肥料用量和產量變化的影響，養分吸收總量和肥料利用效率在各年際間變異性較大，但整體趨勢一致，NE、NER和ST處理氮、磷積累量和肥料利用率均高于FP處理（圖2，表2，圖3，表3）。這說明過量、不平衡施肥以及施肥方式不當是造成農民習慣施肥模式肥料利用效率低下的主要原因。NE、NER和ST三處理中，以NE處理肥料利用效率高于ST處理。主要是因為：1）相比于基于土壤測試推薦施肥，養分專家系統的肥料投入總量更為合理，氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）肥平均用量198、85和108 kg/hm2，與本研究小組前期研究推薦的肥料用量基本一致[31]。并且磷鉀推薦施肥量與陳新平等[32]倡導的磷鉀肥恒量監控理念相符合；2）養分專家系統的氮肥運籌模式更為合理，無論是采用分次施氮或與緩控釋肥一次性配施方案，其養分供給和作物需求間的同步效果均優于基于土壤測試推薦施肥，使其在肥料用量低于基于土壤測試推薦施肥條件下，獲得較高的玉米產量和養分積累量，進而提高肥料利用效率。

3.3 土壤養分含量變化與養分收平衡

土壤不僅對作物生長起到支撐作用，同時也是肥料養分供給的主要媒介和作物養分的主要供給者[33]，當投入養分超過作物需求，會導致養分殘留在土壤中或流失到環境中，對生態環境安全構成威脅，而土壤中含量較低的營養元素因得不到及時補充，導致其養分耗竭，從而造成土壤養分的不均衡化。因此，判定施肥模式是否合理，除考慮肥料對作物產量、效益和利用率影響外，關注不同施肥模式土壤養分含量變化十分重要。本研究發現，與試驗起始時相比，FP處理氮、磷含量變幅較大，顯著提高了深層土壤無機氮含量和表層土壤有效磷含量，其中0～30 cm土壤無機氮含量顯著下降，而速效鉀含量與試驗起始時差異未達顯著水平（圖5，圖6）。說明農民習慣施肥模式氮磷肥用量過大，遠超過作物對氮磷養分的需求，且由于氮肥一次性基施，使氮素供應和作物對氮的需求不匹配，進而導致大量的氮素積累在土壤中，當殘留氮超過土壤的固持能力，會逐漸淋洗到土壤深處，造成氮素損失[34]。而土壤中磷素雖然具有強烈的固定能力，但相關研究表明，當土壤磷素過量累積時，也會引發環境風險[35]。NE、NER和ST三處理土壤無機氮、有效磷和速效鉀含量變幅均低于FP處理，其中以NE處理變幅最小，后依次為NER和ST處理。進一步證明了基于養分專家系統推薦施肥模式使土壤養分供應與玉米養分需求更趨于一致，可更好地維持土壤有效養分（無機氮、有效磷、速效鉀）的穩定性。

土壤養分收支平衡反映了農田土壤養分需求和平衡狀況，對養分資源管理具有重要作用。相關研究表明[36]，農田土壤養分收支的平衡值與土壤有效養分含量間呈顯著正相關關系，因此農田土壤養分平衡的盈虧是決定土壤養分的消長的關鍵因素。魯如坤等[37]研究表明，農田氮磷盈余率應保持在20%以下時，不會對環境造成潛在威脅。本研究9 a農田土壤養分平衡狀況看，FP處理氮磷支出量分別占投入量的66.5%和57.8%，投入量遠超過了作物對氮磷養分的需求。而NE、NER和ST處理的氮磷支出量分別占投入量的85.7%～97.8%和79.0%～94.6%，氮磷養分投入量與作物需求量相近。其中以NE處理氮磷素盈余最低（表5）。可見，農民習慣施肥模式造成了較高的土壤氮磷盈余，易對土壤環境產生威脅；而養分專家系統推薦施肥可在滿足作物對氮、磷養分需求的同時，維持了土壤氮磷養分的平衡。鉀與氮磷不同，不同施肥處理鉀素平衡均表現為虧缺（表5）。肖克等[38]研究表明，當前推薦鉀肥用量并不能彌補作物收獲帶走的鉀量，雖然東北地區土壤鉀庫豐富，但長期虧損會造成土壤鉀庫耗竭[38-39]。而增加鉀肥用量雖然可以減少土壤鉀素損失，但不能獲得較高的收益和鉀素利用效率。因此，應通過秸稈還田或增施有機肥等手段提高鉀素資源投入來解決土壤鉀素虧缺，是最有效的途徑。

4 結 論

在東北玉米的長期田間定位推薦施肥試驗研究結果顯示，養分專家系統推薦依據4R原則在施肥量、施用時間和施用比例上根據玉米養分需求規律進行了優化，可在降低肥料用量的同時，提高玉米產量11.0%、提高凈收入14.3%，提高肥料回收率40.1%，并可保持土壤養分穩定。在養分專家系統推薦施肥基礎上采用緩/控釋氮肥的輕簡化施肥模式，仍然可獲得較高的收益。因此是一種適用于中國東北玉米的推薦施肥方法。

[1] 國家統計局. 中國統計年鑒[M]. 北京：中國統計出版社，2020.

[2] 王立春，王永軍，邊少鋒，等. 吉林省玉米高產高效綠色發展的理論與實踐[J]. 吉林農業大學學報，2018，40(4)：383-392.

Wang Lichun, Wang Yongjun, Bian Shaofeng, et al. Theory and practice for high yield, high efficiency and green development of maize in Jilin province[J]. Journal of Jilin Agricultural University, 2018, 40(4): 383-392. (in Chinese with English abstract)

[3] 張福鎖. 科學認識化肥的作用[J]. 中國農技推廣，2017，33(1)：16-19.

Zhang Fusuo. Scientific understanding of chemical fertilizers’ roles[J]. China Agricultural Technology Extension, 2017, 33(1): 16-19. (in Chinese with English abstract)

[4] Zhang J H. China’s success in increasing per capita food production[J]. Journal of Experimental Botany, 2011, 62(11): 3707-3711.

[5] 王永軍，呂艷杰，劉慧濤，等. 東北春玉米高產與養分高效綜合管理[J]. 中國農業科學，2019，52(20)：3533-3535.

Wang Yongjun, Lü Yanjie, Liu Huitao, et al. Integrated management of high-yielding and high nutrient efficient spring maize in Northeast China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(20): 3533-3535. (in Chinese with English abstract)

[6] 李少昆，趙久然，董樹亭，等. 中國玉米栽培研究進展與展望[J]. 中國農業科學，2017，50(11)：1941-1959.

Li Shaokun, Zhao Jiuran, Dong Shuting, et al. Advances and prospects of maize cultivation in China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2017, 50(11): 1941-1959. (in Chinese with English abstract)

[7] 張磊，王立春，孔麗麗，等. 不同施肥模式下春玉米養分吸收利用和土壤養分平衡研究[J]. 土壤通報，2017，48(5)：1169-1176.

Zhang Lei, Wang Lichun, Kong Lili, et al. Nutrient utilization and soil nutrient balance of spring maize under different fertilizer application modes[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2017, 48(5): 1169-1176. (in Chinese with English abstract)

[8] 張君，趙沛義，潘志華，等. 基于產量及環境友好的玉米氮肥投入閾值確定[J]. 農業工程學報，2016，32(12)：136-143.

Zhang Jun, Zhao Peiyi, Pan Zhihua, et al. Determination of input threshold of nitrogen fertilizer based on environment-friendly agriculture and maize yield[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(12): 136-143. (in Chinese with English abstract)

[9] 侯彥林，陳守倫. 施肥模型研究綜述[J]. 土壤通報，2004，35(4)：493-501.

Hou Yanlun, Chen Shoulun. Summarization of fertilization model research[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2004, 35(4): 493-501. (in Chinese with English abstract)

[10] He P, Li S T, Wang H T, 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.

[11] 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.

[12] 章明清，李娟，孔慶波，等. 作物肥料效應函數模型研究進展與展望[J]. 土壤學報，2016，53(6)：1343-1356.

Zhang Mingqing, Li Juan, Kong Qingbo, et al. Progress and prospect of the study on crop- response- to- fertilization function model[J]. Acta Pedologica Sinica, 2016, 53(6): 1343-1356. (in Chinese with English abstract)

[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] Xu X P, He P, Pampolino M F, et al. Narrowing yield gaps and increasing nutrient use efficiencies using the nutrient expert system for maize in northeast China[J]. Field Crops Research, 2016, 194: 75-82.

[15] 何萍，徐新朋，仇少君，等. 我國北方玉米施肥產量效應和經濟效益分析[J]. 植物營養與肥料學報，2014，20(6)：1387-1394.

He Ping, Xu Xinpeng, Qiu Shaojun, et al. Yield response and economic analysis of fertilizer application in maize grown in North China[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2014, 20(6): 1387-1394. (in Chinese with English abstract)

[16] 徐新朋，魏丹，李玉影，等. 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[J]. 植物營養與肥料學報，2016，22(6)：1458-1467.

Xu Xinpeng, Wei Dan, Li Yuying, et al. Availability of fertilizer recommendation for spring maize based on yield response and agronomic efficiency in Northeast China[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(6): 1458-1467. (in Chinese with English abstract)

[17] 宋蝶，陳新兵，董洋陽，等. 養分專家系統推薦施肥對蘇北地區水稻產量和肥料利用率的影響[J]. 中國生態農業學報，2020，28(1)：68-75.

Song Die, Chen Xinbing, Dong Yangyang, et al. Effect of nutrient expert recommendation fertilization on rice yield and fertilizer use in northern Jiangsu Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(1): 68-75. (in Chinese with English abstract)

[18] 鮑士旦. 土壤農化分析：3版[M]. 北京：中國農業出版社，2000.

[19] 陳歡，曹承富，孔令聰，等. 長期施肥下淮北砂姜黑土區小麥產量穩定性研究[J]. 中國農業科學，2014，47(13)：2580-2590.

Chen Huan, Cao Chengfu, Kong Lingcong, et al. Study on wheat yield stability in Huaibei lime concretion black soil area based on long-term fertilization experiment[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(13): 2580-2590. (in Chinese with English abstract)

[20] 侯云鵬，孔麗麗，蔡紅光，等. 東北半干旱區滴灌施肥條件下高產玉米干物質與養分的積累分配特性[J]. 中國農業科學，2019，52(20)：3559-3572.

Hou Yunpeng, Kong Lili, Cai Hongguang, et al. The accumulation and distribution characteristics on dry matter and nutrients of high-yielding maize under drip irrigation and fertilization conditions in semi-arid region of Northeastern China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(20): 3559-3572. (in Chinese with English abstract)

[21] 劉奕，王寅，李春林，等. 吉林省中部一季稻區推薦施肥方法研究[J]. 水土保持學報，2018，32(4)：273-278.

Liu Yi, Wang Yin, Li Chunlin, et al. Study on recommended fertilization method in one-season rice area of central Jilin Province[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2018, 32(4): 273-278. (in Chinese with English abstract)

[22] 徐新朋. 基于產量反應和農學效率的水稻和玉米推薦施肥方法研究[D]. 北京：中國農業科學院，2015.

Xu Xinpeng. Methodology of Fertilizer Recommendation Based on Yield Response and Agronomic Efficiency for Maize[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2015. (in Chinese with English abstract)

[23] Cui Z L, Zhang F S, Chen X P, et al. In-season nitrogen management strategy for winter wheat: Maximizing yields, minimizing environmental impact in an over-fertilization context[J]. Field Crops Research, 2010, 116(12): 140-146.

[24] 何萍，金繼運，Mirasol F，等. 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 Ping, Jin Jiyun, Mirasol F, et al. Approach and decision support system based on crop yield response and agronomic efficiency[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012, 18(2): 499-505. (in Chinese with English abstract)

[25] 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.

[26] 黃曉萌，徐新朋，王秀斌，等. 冬小麥養分專家推薦施肥系統在長江流域的可行性研究[J]. 植物營養與肥料學報，2020，26(8)：1430-1439.

Huang Xiaomeng, Xu Xinpeng, Wang Xiubin, et al. Availability of fertilizer recommendation for winter wheat based on Nutrient Expert System in Yangtze River Valley[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2020, 26(8): 1430-1439. (in Chinese with English abstract)

[27] 徐新朋，王寅，劉雙全，等. 基于產量反應的東北一季稻推薦施肥方法的可行性[J]. 植物營養與肥料學報，2020，26(10)：1818-1826.

Xu Xinpeng, Wang Yin, Liu Shuangquan, et al. Availability and effect of fertilizer recommendation based on crop yield response for single-season rice in Northeast China[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2020, 26(10): 1818-1826. (in Chinese with English abstract)

[28] 侯云鵬，李前，孔麗麗，等. 不同緩/控釋氮肥對春玉米氮素吸收利用、土壤無機氮變化及氮平衡的影響[J]. 中國農業科學，2018，51(20)：3928-3940.

Hou Yunpeng, Li Qian, Kong Lili, et al. Effects of different slow/controlled release nitrogen fertilizers on spring maize nitrogen uptake and utilization, soil inorganic nitrogen and nitrogen balance[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(20): 3928-3940. (in Chinese with English abstract)

[29] 閆湘，金繼運，何萍，等. 提高肥料利用效率技術研究進展[J]. 中國農業科學，2008，41(2)：450-459.

Yan Xiang, Jin Jiyun, He Ping, et al. Recent advances in technology of increasing fertilizer use efficiency[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2008, 41(2): 450-459. (in Chinese with English abstract)

[30] Yang X L, Lu Y L, Tong Y A, et al. A 5-year lysimeter monitoring of nitrate leaching from wheat-maize rotation system: Comparison between optimum N fertilization and conventional farmer N fertilization[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2015, 199: 34-42.

[31] 侯云鵬，楊曉丹，楊建，等. 不同施肥模式下玉米氮、磷、鉀吸收利用特性研究[J]. 玉米科學，2017，25(5)：128-135.

Hou Yunpeng, Yang Xiaodan, Yang Jin, et al. Research on absorption and utilization characteristics of N, P and K under different fertilization modes[J]. Journal of Maize Sciences, 2017, 25(5): 128-135. (in Chinese with English abstract)

[32] 陳新平，張福鎖. 小麥-玉米輪作體系養分綜合管理理論與實踐[M]. 北京：中國農業大學出版社，2006：18-45.

[33] 仇少君，李寧，何萍，等. 典型黑土春玉米化學肥料養分利用效率變化研究[J]. 中國農業科學，2019，52(16)：2824-2834.

Qiu Shaojun, Li Ning, He Ping, et al. Nutrients use efficiency change of chemical fertilizers for spring maize in a typical black soil[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(16): 2824-2834. (in Chinese with English abstract)

[34] 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.

[35] 區惠平，周柳強，黃美福，等. 不同施磷量下稻田土壤磷素平衡及其潛在環境風險評估[J]. 植物營養與肥料學報，2016，22(1)：40-47.

Ou Huiping, Zhou Liuqiang, Huang Meifu, et al. Phosphorus balance in paddy soils and its environmental effect under different phosphorus application rates[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(1): 40-47. (in Chinese with English abstract)

[36] 劉瑞，戴相林，鄭險峰，等. 半旱地不同栽培模式及施氮下農田土壤養分表觀平衡狀況研究[J]. 物營養與肥料學報，2011，17(4)：934-941.

Liu Rui, Dai Xianglin, Zheng Xianfeng, et al. Net nutrient balance in soil under different cultivation pattern and nitrogen application rate in semiarid region[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2011, 17(4): 934-941. (in Chinese with English abstract)

[37] 魯如坤，劉鴻翔，聞大中，等. 我國典型地區農業生態系統養分循環和平衡研究Ⅳ. 農田養分平衡的評價方法和原則[J]. 土壤通報，1996，27(5)：197-199.

Lu Rushen, Liu Hongxiang, Wen Dazhong, et al. Nutrient cycling and balance research in agricultural ecosystem of typical areas in China Ⅳ. Evaluation method and principles of farmland nutrient balance[J]. Chinese Journal of Soil Science, 1996, 27(5): 197-199. (in Chinese with English abstract)

[38] 肖克，唐靜，李繼福，等. 長期水稻-冬油菜輪作模式下鉀肥的適宜用量[J]. 作物學報，2017，43(8)：1226-1233.

Xiao Ke, Tang Jing, Li Jifu, et al. Optimum amount of potassium fertilizer applied under continuous rice-rapeseed rotation[J]. Acta Agronomica Sinica, 2017, 43(8): 1226-1233. (in Chinese with English abstract)

[39] 冀宏杰，張懷志，張維理，等. 我國農田土壤鉀平衡研究進展與展望[J]. 中國生態農業學報，2017，25(6)：920-930.

Ji Hongje, Zhang Huaizhi, Zhang Weili, et al. Farmland potassium balance in China: A review[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(6): 920-930. (in Chinese with English abstract)

Long-term comprehensive effects of recommended fertilization based on nutrient expert system of maize in Northeast China

Hou Yunpeng1, Kong Lili1, Xu Xinpeng2, Yin Caixia1, Zhang Lei1, Zhao Yinkai1, Liu Zhiquan1, Wang Lichun1※

(1./130033,; 2,100081,)

A long-term site-specific experiment of fertilizer recommendation from 2012 to 2020 was conducted to evaluate the comprehensive effects of nutrient expert decision support system on yield, benefit, fertilizer use efficiency, and soil nutrient of spring maize in northeast China. Five treatments included no-fertilizer (CK) as the control, currently traditional farmers’ practices (FP), fertilizer recommended using a nutrient expert system (NE), slow/controlled-release nitrogen fertilizer using the same rate as NE treatment (NER), and conventional fertilizer recommendation using soil testing (ST). The current study also investigated the long-term changes of maize yield, benefit, fertilizer use efficiency, the contents of inorganic N, available P, and available K in the soil, as well as the balance of nutrient input/output during the nine-year period. The results showed that the maximum, minimum, or mean values of fertilizer inputs in NE, NER,and ST treatments were all significantly lower than that of FP treatment (<0.05), respectively. In different nutrients, NE, NERand ST treatments significantly reduced the amounts of nitrogen (N) and phosphorus (P) fertilizers application (<0.05), but significantly increased the amount of potassium (K) fertilizer application (<0.05), compared with that of FP treatment, respectively. As compared to FP treatment, NE, NERand ST treatments significantly improved maize yield and net income. In which, NE treatment achieved the highest value, with the average increment by11.0% and14.3%, respectively. In all the treatments, NE treatment achieved the highest stability, and followed by ST and NERtreatment.The recovery efficiency, agronomic efficiency, and partial factor productivity in the NE, NER,and ST treatments were significantly higher than those in FP treatment, where increased by 29.0%-40.1%, 31.3%-44.3%, and 22.0%-31.7%, respectively. Specifically, the highest value was observed in NE treatment, followed by NERand ST treatments. Compared with FP treatment, NE, NERand ST treatments significantly improved the inorganic N content in 0-30 cm soil layer (<0.05), but significantly reduced inorganic N content in >30-90 cm soil layer (<0.05) and available P content in 0-30 cm soil layer (<0.05). But the soil available K content wasn’t significantly different (>0.05) among different fertilization treatments. The contents of soil inorganic N, available P, and available K in NE treatment were close to the initial testing values before planting. The nutrient input/output balance was obtained during the nine-year period, where the N and P balances were surplus under all fertilization treatments, whereas, the K balance was deficient. But the surplus of N, P, and the deficiency of K in NE treatment attained the lowest values, followed by NERand ST treatments. In conclusion, compared with farmers’ practices and the conventional fertilizer recommendation system, the NE fertilization recommendation system fully met the nutrient requirements of maize, with optimal fertilization rate, time, and ratio. Consequently, the NE fertilization recommendation system has the potential to improve maize yield, benefits, and fertilizer use efficiency, thereby maintaining the soil nutrient stability under the reduction of fertilizer application amount, compared with farmers’ practices. However, the simplified fertilization of slow/controlled-release nitrogen fertilizer in the NE fertilization recommendation system also obtained higher benefits, but reduced labor cost. Therefore, the NE system is an appropriate fertilizer recommendation for maize in northeast China.

soils; nutrient; fertilizers; nutrient expert system; maize yield; net income; fertilizer use efficiency; nutrient balance

侯云鵬，孔麗麗，徐新朋，等. 基于養分專家系統推薦施肥在東北玉米上的長期綜合效應[J]. 農業工程學報，2021，37(19)：129-138.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.015 http://www.tcsae.org

Hou Yunpeng, Kong Lili, Xu Xinpeng, et al. Long-term comprehensive effects of recommended fertilization based on nutrient expert system of maize in Northeast China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(19): 129-138. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.015 http://www.tcsae.org

2021-03-24

2021-06-10

吉林省農業科技創新工程自由創新項目（CXGC2021ZY004）；國家重點研發計劃（2016YFD0701200）

侯云鵬，副研究員，研究方向為養分資源高效利用技術。Email：exceedfhvfha@163.com

王立春，博士，副研究員，博士生導師，研究方向為玉米栽培。Email：wlc1960@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.015

S513

A

1002-6819(2021)-19-0129-10