基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)評估雙季稻區(qū)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(shù)研究中心，南昌330046；2進(jìn)賢縣張公鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣綜合站，江西進(jìn)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(chǎn)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(qū)糧食生產(chǎn)上占據(jù)重要地位[1]。據(jù)統(tǒng)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]?；适侵匾霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，是糧食的“糧食”。化肥在促進(jìn)糧食和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)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(fā)達(dá)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(diào)查資料顯示，江西省2011年氮、磷、鉀、復(fù)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(jié)構(gòu)以氮肥和復(fù)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(nóng)戶可以實現(xiàn)高產(chǎn)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(nèi)外圍繞科學(xué)施肥研究提出了不少推薦施肥方法。目標(biāo)產(chǎn)量法、養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法和地力分級法等以土壤測試為基礎(chǔ)的推薦施肥法很大程度上實現(xiàn)了平衡施肥，但也存在著土壤測試值和校正系數(shù)等較難準(zhǔn)確獲得、某些速效養(yǎng)分穩(wěn)定性與產(chǎn)量相關(guān)性差、針對性不強(qiáng)等問題[6]。同時，我國南方雙季稻區(qū)復(fù)種指數(shù)高，作物種植茬口緊，依據(jù)土壤測試指導(dǎo)施肥存在測試推薦不及時和成本高等難題[5]。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所與國際植物營養(yǎng)研究所合作研創(chuàng)了小麥、玉米、大豆和水稻等主要作物基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的推薦施肥方法[7]。同時結(jié)合計算機(jī)技術(shù)，建立問答式界面，把復(fù)雜的施肥原理簡化為農(nóng)技推廣部門和農(nóng)民方便使用的養(yǎng)分專家系統(tǒng)[8]。養(yǎng)分專家系統(tǒng)通過了解過去3～5年的產(chǎn)量水平和施肥歷史就可以完成施肥推薦，既適合指導(dǎo)農(nóng)戶，也適合大面積區(qū)域推薦施肥[9]。在江西省雙季稻區(qū)，雖然前期已有研究表明，基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)可以實現(xiàn)減肥增產(chǎn)和增效的目標(biāo)[10]，但是，基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)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(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦的施氮量基礎(chǔ)上設(shè)置氮肥增減15%、30%和45%的用量試驗，并分析了水稻產(chǎn)量及其與氮肥用量的量化關(guān)系，以期進(jìn)一步驗證養(yǎng)分專家系統(tǒng)的氮肥推薦量和減施潛力，從而為該地區(qū)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(jìn)賢縣，該地區(qū)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(xiàn)三面環(huán)水的特點，氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候區(qū)，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(fā)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(shè)在進(jìn)賢縣的溫圳鎮(zhèn)何家村、張公鎮(zhèn)馬家村和張公鎮(zhèn)顏家村，試驗地土壤均為第四紀(jì)紅壤發(fā)育的紅壤性水稻土，土壤肥力參數(shù)見表1。徐建明等[11]研究表明，根據(jù)Fuzzy方法計算的土壤肥力指數(shù)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(jī)質(zhì)、速效氮磷鉀后進(jìn)行了土壤肥力指數(shù)計算。結(jié)果表明，溫圳鎮(zhèn)何家村屬于高肥力（肥力指數(shù)為0.76），張公鎮(zhèn)馬家村屬于中肥力（肥力指數(shù)為0.67），張公鎮(zhèn)顏家村屬于低肥力（肥力指數(shù)低于0.45）。

1.2 試驗設(shè)計

在高、中、低肥力的試驗站點上，田間試驗之前均進(jìn)行了雙季稻種植情況調(diào)查，了解往年施肥及產(chǎn)量情況，根據(jù)調(diào)查結(jié)果運行養(yǎng)分專家軟件進(jìn)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(jìn)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(fù)，小區(qū)面積40 m2。隨機(jī)區(qū)組排列，不同小區(qū)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(biāo)和統(tǒng)計方法

在早晚稻成熟期每個小區(qū)單獨收獲，測定水稻籽粒產(chǎn)量。

所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2003進(jìn)行整理，采用SPSS 16.0進(jìn)行統(tǒng)計分析，差異顯著性采用LSD法（p＜0.05）。氮肥用量與水稻產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系采用一元二次方程進(jìn)行擬合，所有圖件均采用Origin 8.1進(jìn)行制作。

圖1氮肥用量梯度下早、晚稻產(chǎn)量變化

表3氮肥用量與早、晚稻產(chǎn)量的擬合方程及參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 NE處理增減氮肥對水稻產(chǎn)量的影響

圖1顯示，在早季，高、中、低肥力等級上NE處理的產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)量大體呈現(xiàn)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(chǎn)量分別提高8.56%和17.94%，中肥力的早晚稻產(chǎn)量增幅分別為2.30%和13.56%。與NE處理相比，在NE基礎(chǔ)上氮肥減施45%和30%均顯著降低了早晚稻產(chǎn)量。高、中、低肥力水平NE-45%處理的早稻產(chǎn)量分別比NE處理降低了11.17%、12.52%和11.01%，晚稻產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)量未顯著降低），高中低肥力的晚稻產(chǎn)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(chǔ)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(chǎn)量。

2.2 氮肥用量與水稻產(chǎn)量量化關(guān)系

在高、中、低肥力等級上，氮肥用量與早晚稻產(chǎn)量的相互關(guān)系均可以用一元二次方程進(jìn)行擬合（p＜0.05）。表3顯示，不同肥力等級上早晚稻的產(chǎn)量潛力均呈現(xiàn)出高肥力＞中肥力＞低肥力的趨勢，其中高肥力早晚稻產(chǎn)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(jìn)一步計算表明，不同肥力等級上早晚稻的產(chǎn)量潛力對應(yīng)的氮肥合理用量也呈現(xiàn)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(jìn)一步計算了早晚稻95%產(chǎn)量潛力的施氮量（表4），結(jié)果表明，95%產(chǎn)量潛力對應(yīng)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(qū)，由于不同的地形地貌、利用年限和施肥、水分管理措施，導(dǎo)致該地區(qū)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(chǎn)量差異較大[10，13]。本研究通過采用養(yǎng)分專家系統(tǒng)，對高、中、低肥力等級雙季稻田進(jìn)行了早晚稻氮磷鉀肥推薦施肥，早晚稻的產(chǎn)量呈現(xiàn)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(chǎn)能力。這主要與高肥力稻田土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量等較高有關(guān)。而且前人研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮是影響水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵因子[14-16]。余喜初等[16]基于長期施肥試驗發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)與水稻產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)土壤有機(jī)碳提高1.0 g/kg，水稻產(chǎn)量可以增加415 kg/hm2。張旭博等[17]研究也表明，土壤有機(jī)碳每提升 1.0 g/kg，水稻增產(chǎn)約350 kg/hm2。因此，在南方雙季稻區(qū)，建議用秸稈還田、綠肥翻壓等措施提高稻作系統(tǒng)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(xiàn)南方雙季稻的化肥減施增效意義重大。由于土壤養(yǎng)分供應(yīng)不同，不同肥力等級稻田早晚稻的氮肥產(chǎn)量反應(yīng)和養(yǎng)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(chǎn)量反應(yīng)越小，即土壤供氮能力較高，推薦施氮量較低。本研究基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦的高、中、低肥力的氮肥用量也呈現(xiàn)出高肥力低于中低肥力的規(guī)律（早稻）。進(jìn)一步通過一元二次方程分析，由于高肥力的產(chǎn)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(chǎn)量潛力對應(yīng)的施氮量相比，高、中、低肥力水平上基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)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(chǎn)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(rèn)為，高肥力等級上維持水稻高產(chǎn)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(guān)于不同等級上氮肥減施比例的長期效果還有待進(jìn)一步研究和驗證。

4 結(jié)論

在南方雙季稻區(qū)，養(yǎng)分專家推薦施肥處理的早晚稻產(chǎn)量大體呈現(xiàn)出高肥力＞中肥力＞低肥力的趨勢。與養(yǎng)分專家推薦施肥相比，在養(yǎng)分專家推薦施肥基礎(chǔ)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(chǎn)量，但減施氮肥45%和30%則顯著降低了早晚稻產(chǎn)量。進(jìn)一步計算表明，不同肥力等級上早晚稻的產(chǎn)量潛力對應(yīng)的氮肥合理用量也呈現(xiàn)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%。