養分專家系統推薦施肥在大白菜上的應用效果

山 楠 串麗敏 劉繼培 鄭懷國 王愛玲 趙靜娟

（1 北京市農林科學院農業信息與經濟研究所，北京 100097；2 唐山學院環境與化學工程系，河北唐山 063000；3 北京市大興區土肥工作站，北京 102600）

合理施肥是保障作物產量，提高農民收入的重要途徑。但是在蔬菜生產過程中，普遍存在過量施肥、盲目施肥等問題。有研究顯示，我國蔬菜化肥（N+P2O5+K2O）總施用量為1 092.0 kg·hm-2，氮、磷、鉀肥均普遍超量，尤其設施蔬菜更為嚴重（黃紹文 等，2017；劉衎 等，2020）。過量施肥不僅增加種植成本，影響蔬菜的產量和品質，同時還會帶來硝酸鹽淋洗、土壤酸化和農業源溫室氣體排放等一系列環境問題（劉欽普，2017；Ju & Zhang，2017；張芬 等，2020）。

為了保障作物產量，提高肥料利用效率，各種推薦施肥方法應運而生。包括基于土壤的測土配方施肥法（陳新平和張福鎖，2006；王躍華，2018；唐漢 等，2019），基于產量的肥料效應函數法（李明，2011；串麗敏 等，2016；何山 等，2017）以及葉綠素儀（賈良良 等，2007；宋麗娟 等，2017；魏全全 等，2019）、葉色卡（Debtanu et al.，2004；范立春 等，2005；楊曉虎 等，2009）、硝酸鹽反射儀（沙凌杰 等，2005；王芳 等，2011；李銀水等，2012）、冠層反射儀（倪軍 等，2013；李嵐濤，2018；李宗飛 等，2018）等快速便捷推薦施肥方法。但是各種方法均存在一定的適用范圍。其中，采用各種速測技術獲得的數據需要與特定作物的生育期和養分需求進行精準匹配，建立科學合理的相關關系；測土配方施肥法需要在施肥前采集土壤樣品，對樣品的代表性要求很高，同時還存在樣品測試時間長、測試費用高等問題。在目前種植體系復雜，作物施肥窗口時間短的條件下，亟需建立更為方便、快捷，適合不同規模地塊應用的科學養分管理方法。

養分專家系統是基于產量反應和農學效率進行推薦施肥的決策支持系統，能夠針對具體地塊或一定區域作物種植信息，在幾分鐘內完成推薦施肥套餐。其中，產量反應由養分供應充足地塊與缺失某種養分地塊的產量差獲得；農學效率表征施用單位養分所能增加的產量。該方法中氮肥推薦量由氮肥產量反應與農學效率的比值獲得；磷、鉀肥的推薦量除了考慮磷、鉀產量反應所需的肥料用量外，為了保持土壤肥力，還考慮了前茬作物秸稈還田所帶入的養分以及當季作物收獲帶走的養分。通過養分專家系統獲得的推薦施肥套餐中包含了具體的推薦施肥用量、合適的施肥時間、合理的肥料種類以及具體的肥料施用位置等信息（何萍，2018），是一種實時實地的養分精準管理系統。

目前，養分專家系統已經在小麥、玉米、水稻和馬鈴薯等多種作物上廣泛應用（Chuan et al.，2013；徐新朋 等，2016；Xu et al.，2017），但是在蔬菜作物中的應用效果研究較少。本試驗選取典型蔬菜——大白菜為研究對象，基于產量反應和農學效率確定施肥方案，探究養分專家系統推薦施肥在大白菜上的應用效果，以期為大白菜生產中方便、快捷地進行推薦施肥管理提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2018 年8—11 月在北京市大興區長子營鎮蔬菜展示基地（39°41′N，116°35′E）進行。土壤類型為粘土，0～20 cm 耕層土壤基本理化性質為：有機質含量18.21 g·kg-1，堿解氮含量105.0 mg·kg-1，有效磷含量45.0 mg·kg-1，速效鉀含量105.6 mg·kg-1，pH 值7.88；上茬作物為葉用萵苣（生菜）。

供試大白菜品種為當地主栽品種北京新3 號，由京研益農（北京）種業科技有限公司提供。

1.2 試驗設計

田間試驗共設6 個處理，分別為農民習慣施肥（FP）、養分專家系統推薦施肥（OPT）、測土配方施肥（OPTS）以及作為對照的減氮（OPT-N）、減磷（OPT-P）和減鉀處理（OPT-K），各處理的具體施肥量詳見表1，化肥種類分別為尿素（N，46%）、過磷酸鈣（P2O5，12%）和硫酸鉀（K2O，50%）。農民習慣施肥處理：依據當地農戶大白菜生產習慣，尿素分別在播種前、蓮座期、包心期分3 次施入，每次施用1/3；磷肥和鉀肥在播種前一次性施入。養分專家系統推薦施肥處理：采用北京市農林科學院與中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所共同開發的白菜養分專家系統確定該地塊的具體施肥量，磷肥在播種前一次性施入；氮肥和鉀肥分別在播種前、蓮座期、包心期分3 次施入，氮肥施用比例為4∶3∶3；鉀肥施用比例為3∶3∶4。測土配方施肥處理：由北京市大興區土肥工作站進行土壤測試并提供具體施肥量，氮肥和鉀肥分別在播種前、蓮座期、包心期分3 次施入，每次施用1/3；磷肥在播種前一次性施入。采用完全隨機排列，3 次重復，小區面積34.4 m2（8.0 m ×4.3 m）。

表1 試驗各處理具體施肥量

各處理大白菜均于8 月13 日穴播，株距43 cm，行距60 cm。基肥在播種前撒施，與土壤翻耕混勻；追肥施在距離大白菜根外側15～20 cm 處，表施后及時灌溉。其他栽培管理措施同當地常規生產，11 月14 日采收。

1.3 項目測定

大白菜采收時進行全區測產。之后，每小區選取代表性大白菜3 株，采用四分法取樣，利用上海恒平電子精密天平測定鮮樣質量，然后105 ℃殺青30 min，65 ℃烘干至恒重，測定干樣質量，計算植株含水量；取烘干樣品磨碎，采用H2SO4-H2O2方法消煮后，分別采用凱氏定氮法、釩鉬黃比色法和原子吸收分光光度計法測定植株中的全氮、全磷和全鉀含量（李國龍 等，2015）。

植株含水量=（鮮樣質量-干樣質量）/鮮樣質量×100%

植株N（P 或K）吸收量（kg·hm-2）=每公頃植株干物質量×植株N（P 或K）含量

N（P 或K）回收利用率=〔施N（P 或K）處理植株N（P 或K）吸收量-不施N（P 或K）處理植株N（P 或K）吸收量〕/施N（P 或K）量× 100%

N（P 或K）農學效率（kg·kg-1）=〔施N（P 或K）處理產量-不施N（P 或K）處理產量〕/施N（P 或K）量

N（P 或K）偏生產力（kg·kg-1）=施N（P 或K）處理產量/施N（P 或K）量

1.4 數據處理

試驗數據采用SPSS 19.0 軟件進行One-way ANOVA 法單因素方差分析和LSD 法多重比較，采用Microsoft Excel 2016 軟件進行數據處理和圖表制作。

2 結果與分析

2.1 大白菜產量比較

由圖1 可知，OPT 處理的大白菜產量最高，達到162.0 t·hm-2，顯著高于其他各處理，其中較FP、OPTS 處理分別增產18.0%和8.3%。說明養分專家系統推薦的施肥套餐適合大白菜生產，可以促進大白菜產量增加。

由圖1 還可知，大白菜施用氮、磷、鉀肥所帶來的產量反應分別為37.3、26.1、47.5 t·hm-2，產量反應程度依次為鉀肥＞氮肥＞磷肥，推測鉀肥是限制大白菜產量的第一因子。

圖1 不同施肥處理對大白菜產量的影響

2.2 植株養分吸收量比較

由圖2 可知，OPT 處理的大白菜植株氮、磷、鉀吸收量均為最高，且均顯著高于FP 處理，分別提高了27.7%、45.6%和31.3%；鉀吸收量還顯著高于OPTS 處理。說明養分專家系統推薦的施肥套餐亦提高了大白菜的養分吸收量。將減素處理的養分吸收量與OPT 處理進行比較可以發現，某一種養分的缺乏不但導致該元素吸收量顯著降低，同時也影響了其他養分的吸收。

圖2 不同施肥處理對大白菜植株養分吸收量的影響

2.3 肥料偏生產力比較

偏生產力表征單位養分投入所能生產的產量，是肥料利用效率評價的指標之一。從表2 可以看出，OPT 處理的氮肥和磷肥偏生產力均為最高，且均顯著高于FP 和OPTS 處理；但鉀肥偏生產力最低，亦顯著低于其他兩個處理。說明養分專家系統推薦的施肥量合理，尤其可以提高氮和磷單位養分對大白菜產量的貢獻。

表2 不同施肥處理對大白菜肥料偏生產力的影響

2.4 肥料農學效率比較

從表3 可以看出，OPT 處理的氮肥和磷肥農學效率均為最高，且均顯著高于FP 和OPTS 處理；而鉀肥農學效率顯著低于FP 處理，這可能是由于OPT 處理大幅度提高了鉀肥的施用量，使得該處理的鉀肥農學效率降低。

表3 不同施肥處理對大白菜肥料農學效率的影響

2.5 養分回收利用率比較

從表4 可以看出，OPT 處理的氮、磷、鉀回收利用率均為最高，其中氮和磷的回收利用率顯著高于FP 處理。說明養分專家系統推薦的施肥套餐提高了養分的回收利用率，尤其對氮和磷的效果明顯。

表4 不同施肥處理對大白菜養分回收利用率的影響

2.6 大白菜生產效益比較

按大白菜銷售價格0.20 元·kg-1計算，OPT、OPTS、FP 處理的大白菜產值分別為32 398.3、29 930.2、27 465.4 元·hm-2；N、P2O5和K2O 的價格分別為5.22、12.50、8.00 元·kg-1，由此計算出OPT、OPTS、FP 處理的肥料成本分別為5 350.7、4 896.9、3 622.6 元·hm-2。雖然OPT 處理的肥料成本最高，但其產值增加的更多，最終OPT 處理的大白菜生產效益仍高于OPTS 和FP 處理（其他成本如土地租金、種子、人工等費用各處理均相同）。

3 結論與討論

施肥管理（包括施肥量、施肥方式和施肥策略等）是蔬菜生產的重要環節，施肥量過高或過低不僅不能提高產量，反而會導致肥料利用率低下，甚至會污染環境（山楠 等，2016a，2016b）。本試驗結果表明，基于作物產量反應和農學效率的養分專家系統推薦施肥處理（OPT）適當調整了氮肥用量，減少了磷肥用量，大幅提高了鉀肥用量，并且調整了不同時期的追肥比例，大白菜產量顯著高于農民習慣施肥處理（FP）和測土配方施肥處理（OPTS）。這可能是因為農民習慣施肥存在氮肥用量偏高、鉀肥用量偏低的現象，造成土壤氮素過量盈余，鉀素不斷耗竭，不能滿足大白菜生產需求所致。與測土配方施肥相比，養分專家系統給出的施肥推薦不僅包含氮、磷、鉀肥的用量，而且對肥料運籌進行了合理分配，指導農戶在適合的時間及時進行施肥。

本試驗中，大白菜施用氮、磷、鉀肥所帶來的產量反應（表征該養分對產量貢獻的高低）分別為37.3、26.1、47.5 t·hm-2，產量反應程度依次為鉀肥＞氮肥＞磷肥，推測鉀肥是限制大白菜產量的第一因子。因此，在大白菜施肥過程中應重視鉀肥的投入。養分專家系統推薦施肥處理考慮了磷、鉀養分的平衡與可持續供應，與測土配方施肥相比，適當提高了鉀肥的投入，雖然肥料成本增加，但產量亦顯著增加，最終的經濟效益高于測土配方施肥處理。由此可見，養分專家系統推薦施肥是一種集合了合理施肥時間、適宜施肥用量和合理肥料運籌的養分管理措施，可以實現蔬菜生產的高產與高效，對于促進化肥減施增效具有重要意義。

合理的氮、磷、鉀肥施用比例可以顯著增加植株氮、磷、鉀累積吸收量（武際 等，2007；高志紅 等，2011）。本試驗結果表明，養分專家系統推薦施肥處理較農民習慣施肥處理顯著提高了氮、磷的回收利用率，降低了肥料損失，減少了環境污染風險。養分專家系統推薦施肥處理、農民習慣施肥處理和測土配方施肥處理的鉀回收利用率差異不顯著，可能是因為大白菜為喜鉀作物，對鉀素的吸收量較高，但農民習慣施肥長期施鉀量不足致使土壤鉀素過度消耗、嚴重不足。同時還發現，某一種養分的缺乏不但導致該元素吸收量顯著降低，同時也影響了其他養分的吸收，與馬征等（2019）的研究結果類似。

綜上，基于產量反應和農學效率的養分專家系統推薦施肥，能夠顯著提高大白菜產量和肥料利用效率，提高生產效益，可作為一種適用可行的大白菜施肥管理措施。該方法結合了土壤肥力差異，考慮了養分的平衡和可持續供應，合理調控了氮、磷、鉀肥供應量，可實現蔬菜生產的高產與高效。