養分專家系統推薦施肥對湖北中稻產量和養分利用率的影響

劉東海 ，陳云峰 ，李雙來 ，喬 艷 ，張 智 ，胡 誠 *

（1．湖北省農業科學院植保土肥研究所，湖北 武漢 430064；2．農業農村部廢棄物肥料化利用重點實驗室，湖北 武漢 430064；3．農業農村部武漢黃棕壤生態環境重點野外科學觀測試驗站，湖北 武漢 430064）

水稻是我國種植面積最大，產量最高，氮肥用量最多的糧食作物之一，而湖北省是我國水稻大省之一，水稻播種面積占糧食作物總播種面積的50%左右，稻谷產量占糧食總產70%左右［1］。在水稻生產上由于施氮量過高，養分管理不當，農民施肥方式粗放，造成了肥料利用效率低，肥料流失和浪費以及農業的面源污染問題，給環境帶來危害［2-3］。目前測土配方施肥是常用的施肥方法［4-5］，但是需要分析化驗各種土壤養分指標，費時費力。近年來，一種基于作物產量反應和農學效率的農田養分專家系統（Nutrient Expert，以下簡稱NE），結合目標產量、土壤性質、氣候條件及養分管理措施等作物生產相關信息，在沒有土壤測試值情況下，利用QUEFTS（quantitative evaluation of the fertility of tropicals oils）模型，針對農田快速生成個性化的施肥方案［6］，已經在小麥［7-8］、玉米［9-11］、水稻［12］等多種作物上開展了農田養分推薦。本研究從2013年開始在湖北進行了多年多點的田間試驗對水稻養分專家系統進行驗證和改進，旨在土壤測試不及時或條件不具備情況下建立一種簡便，適用于我國小農戶為經營主體的中稻推薦施肥和養分管理方法。

1 材料與方法

1.1 試驗區域概況

試驗自2013年5月水稻種植季始，連續5年在中稻上試驗。試驗地點位于湖北省廣水市和赤壁市。廣水市供試土壤類型為黃棕壤，赤壁市供試土壤類型為紅壤，均是一季中稻，秸稈不還田。2013年廣水市和赤壁市分別布置4戶農田；2014年廣水市和赤壁市分別布置5和4戶農田；2015和2016年廣水市和赤壁市分別均布置5戶農田；2017年赤壁布置5戶農田。

1.2 試驗區土壤基本理化性狀

中稻試驗前取0～20 cm耕層土壤，常規法進行理化性狀分析，結果見表1。

表1 試驗區域土壤農化性質（樣本數n=42）

1.3 試驗設計與方法

每季作物試驗以農戶為重復，每戶設置6個處理，每個處理30 m2。處理包括:1）NE:水稻養分專家系統推薦施肥；2）NE-N:不施氮肥，磷鉀肥用量同NE處理；3）NE-P:不施磷肥，氮鉀肥用量同NE處理；4）NE-K:不施鉀肥，氮磷肥用量同NE處理；5）OPTS:當地農技推廣部門推薦施肥處理；6）FP:農民習慣施肥；施肥量見表2。2013到2017年共42戶農田進行田間試驗。試驗前進行農戶施肥情況調查，運行養分專家施肥推薦系統將各個農戶的施肥情況、產量信息及相關生產條件進行分析，提出當地中稻推薦施肥用量。試驗用氮肥為尿素（N 46.0%），磷肥為過磷酸鈣（P2O516%），鉀肥為氯化鉀（K2O 60%）。

表2 不同處理施肥量 （kg/hm2）

所有處理的耕作、除草、病蟲害防治等均按常規管理方式進行。廣水市供試水稻雜交品種為兩優766、Y兩優1998、Ⅱ優1128、Ⅱ優188、Ⅱ優476、崗優188和苯兩優9號。廣水市種植密度23.1萬穴/hm2。磷、鉀肥在播種前作基肥一次性撒施。基蘗穗肥比例為40∶30∶30。赤壁市供試水稻雜交品種為崗優1577、明優98、苯兩優9號和晶兩優534。赤壁市種植密度28.0萬穴/hm2。磷、鉀肥在播種前作基肥一次性撒施。基蘗穗肥比例為40∶30∶30。水稻均在5月25日左右插秧，9月24日左右收獲，小區全部收獲進行測產。

1.4 有關指標計算

養分積累量（kg/hm2）=［非收獲物干重（kg/hm2）×非收獲物養分含量（g/kg）+籽粒干重（kg/hm2）×籽粒養分含量（g/kg）］/1000

肥料利用率（%）=（施肥區養分積累量－減素處理區養分積累量）/施肥量×100

肥料農學效率（kg/kg）=（施肥區籽粒產量－減素處理區籽粒產量）/施肥量

施肥收益（元/hm2）=作物籽粒產量×籽粒價格-化肥成本

施肥產投比＝施肥收益／化肥投入

試驗數據采用SPSS 20和Excel 2007軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 推薦施肥對中稻產量的影響

從表3看出，在廣水市和赤壁市NE處理中稻產量最高，分別是8100和7425kg/hm2，比FP和OPTS處理均增產，但差異不顯著；其中NE-N處理中稻產量最低，只有6019和5754kg/hm2。施氮分別增產34.6%和29.0%，施磷肥分別增產15.4%和2.8%，施鉀肥分別增產1.7%和0.7%。

表3 不同處理對中稻產量的影響

2.2 推薦施肥對中稻經濟效益的影響

從表4看出，NE-K施肥收益最高，其次是NE，NE-N施肥收益最差。在廣水市和赤壁市NE較FP分別增收343和1884元/hm2，NE較OPTS分別增收947和585元/hm2。在廣水市OPTS比FP欠收604元/hm2，而在赤壁市則增收1299元/hm2。基于養分專家系統推薦施肥，在廣水市和赤壁市施用氮肥純收益分別是4546和3482元/hm2，施用磷肥純收益分別是2241和-29元/hm2，施用鉀肥純收益分別是-221和-292元/hm2，適量減少鉀肥投入，更有利于增收。NE產投比比FP和OPTS高。因此養分專家系統推薦施肥（NE）有利于增產增收。

表4 中稻施肥的經濟效益 （元/hm2）

2.3 推薦施肥對中稻氮磷鉀養分積累量的影響

在廣水市和赤壁市NE較FP植株氮積累量分別增加了6.6%和14.1%，植株磷積累量分別增加了5.2%和17.9%，植株鉀積累量分別增加了7.8%和0.9%；OPTS較FP植株氮積累量分別增加了3.3%和17.9%，植株磷積累量分別增加了8.2%和14.2%，植株鉀積累量分別增加了2.1%和9.2%。NE與OPTS促進了中稻對氮、磷和鉀素養分的吸收利用。

表5 施肥對中稻養分積累量的影響 （kg/hm2）

2.4 基于養分專家系統推薦施肥的肥料利用效率

表6可見，廣水市中稻氮、磷和鉀肥平均農學效率分別為13.6、15.7和1.6kg/kg，赤壁市中稻氮、磷和鉀肥平均農學效率分別為11.3、3.2和0.9kg/kg。廣水市中稻氮、磷和鉀肥平均當季利用率分別為36.7%、4.9%和38.7%，赤壁市中稻氮、磷和鉀肥平均當季利用率分別為42.8%、8.0%和17.0%。

表6 肥料的農學效率和當季利用率

2.5 推薦施肥對中稻氮、磷、鉀素平衡的影響

基于中稻秸稈未還田情況下，計算肥料投入與植株攜出養分平衡狀況（表7）。廣水市和赤壁市NE植株氮素平均攜出量分別為160.4和179.8kg/hm2，平均虧缺7.4和31.8kg/hm2，而FP平均攜出量分別為150.4和157.6kg/hm2，平均盈余為36.6和4.4kg/hm2，而OPTS平均攜出量分別為155.4和185.8kg/hm2，平均盈余為10.6和-12.8kg/hm2。廣水市和赤壁市NE、FP和OPTS植株磷素平均攜出量在31.0～36.5kg/hm2，盈余為23.3～63.0kg/hm2，廣水市和赤壁市NE、FP和OPTS植株鉀素平均攜出量207.9～311.9kg/hm2，平均虧缺115.2～222.9kg/hm2。

表7 中稻氮、磷、鉀素表觀平衡 （kg/hm2）

3 小結與討論

當前，高量化肥投入導致了較高土壤基礎養分供應［13］，并對環境安全構成了潛在威脅，作物養分專家系統（NE）是基于作物產量反應和農學效率，能夠針對農田快速生成個性化的施肥方案。本試驗表明，廣水市中稻養分專家系統推薦施肥NE比習慣施肥FP施氮肥低18.0%，磷肥高23.9%和鉀肥高8.9%情況下，中稻增產1.4%，差異不顯著。赤壁市中稻養分專家系統推薦施肥NE比習慣施肥FP施氮、磷和鉀肥分別低8.8%、32.9%和44.1%的情況下，中稻增產6.9%，差異不顯著。NE雖然降低了氮肥用量，由于相應增加了磷鉀肥的施用量，使農田養分供應更加均衡，提高了作物產量，實現了節肥增效［12-14］。在廣水市和赤壁市NE較FP分別增收343和1 884元/hm2，無顯著差異。施用氮肥純收益分別是4 546和3 482元/hm2，施用磷肥純收益分別是2 241和-29元/hm2，施用鉀肥純收益分別是-221和-292元/hm2。在廣水市和赤壁市NE較FP 植株氮積累量分別增加了6.6%和14.1%，植株磷積累量分別增加了5.2%和17.9%，植株鉀積累量分別增加了7.8%和0.9%；基于中稻養分專家系統推薦施肥的中稻氮肥利用效率高于全國平均水平［2］，磷肥和鉀肥利用效率低于全國平均水平，可能與試驗地磷鉀含量高有關。廣水市和赤壁市NE植株氮素呈現虧缺，而FP植株氮素呈現盈余。廣水市和赤壁市NE、FP和OPTS植株磷素呈現盈余，廣水市和赤壁市NE、FP和OPTS植株鉀素呈現虧缺，因此秸稈還田對培肥地力有重要意義。