養分專家系統推薦施肥在番茄上的應用效果

山 楠，串麗敏，李明悅，劉繼培

（1.唐山學院新材料與化學工程學院 河北唐山 063000； 2.北京市農林科學院數據科學與農業經濟研究所 北京100097； 3.天津市農業資源與環境研究所 天津 300192； 4.北京市大興區土肥工作站 北京 102600）

集約化農業生產模式能夠有效為人類社會生存和發展提供充足的產品供應。近年來，隨著人們對農產品需求的不斷增長，設施蔬菜因其具有生長快、周期短和效益高等特點，規模迅速擴大，但是同時存在集約化程度高、化肥施用量大、肥料利用率不高、易帶來環境污染風險等問題。番茄屬茄科植物，含維生素C、維生素E、番茄紅素、胡蘿卜素、類黃酮等多種豐富的營養物質以及鉀、磷和鎂等元素，是主要設施蔬菜之一。據統計，2018 年全國設施番茄的種植面積達2 041.5 萬hm，占全國番茄總種植面積的57.2%。有研究發現，氮、磷和鉀養分的供應水平對番茄的產量和品質有決定性的影響。另據調查顯示，中國在番茄上的肥料投入高達1 354.5 kg·hm，番茄生產存在盲目過量和不平衡施肥現象。不科學的施肥管理不僅會降低作物產量，還會降低肥料利用效率，影響農田土壤質量，甚至給全球生態環境造成一定的負面影響。因此，減少肥料損失，提高養分利用效率，降低農業生產的環境污染風險，是番茄種植保產提效、實現農業可持續發展必須解決的重要問題。

提高科學施肥水平是解決這一問題的重要途徑。依據土壤測試制定施肥方案，以及在作物生長過程中借助葉綠素儀、葉色卡、冠層反射儀等即時無損診斷的施肥管理模式逐漸發展成熟，應用也較為廣泛，同時也積累了大量的作物產量、施肥量、養分吸收、養分利用等多種農學數據。如何對現有成千上萬個農學試驗數據和各指標之間相互關系進行深入挖掘，研發更加便捷的施肥決策方法，則是一項更有價值的工作。養分專家系統（微信公眾號）推薦施肥正是基于多年多點的農學試驗數據庫，建立作物產量反應與農學效率的關系，無需進行土壤測試，僅依據具體地塊的種植信息，便可做出施肥決策的一種便捷系統，是更為方便、快捷、適合于大小不同田塊應用的科學養分管理方法。養分專家系統推薦施肥認為作物施肥后的產量有兩部分組成，一是來自土壤本身的基礎養分供給，其余則來自施肥的貢獻。在推薦氮肥用量時，由于考慮到氮肥的環境風險，主要基于作物氮肥產量反應和氮肥農學效率之間的響應關系得出；在推薦磷肥和鉀肥的用量時，除了作物產量反應所需的養分外，結合上一季作物秸稈還田所帶入的養分和當季作物收獲所移走的養分，從磷鉀肥養分的平衡與可持續供應角度，對磷鉀肥用量進行了適時調整。

近年來，養分專家系統推薦施肥方法主要應用于小麥、玉米、水稻等糧食作物，在白菜、蘿卜等蔬菜作物上也開展了初步研究，但是在茄科類蔬菜尤其是番茄上的應用研究還不夠深入。因此，筆者選取番茄為研究對象，通過布置田間試驗，研究養分專家系統基于產量反應和農學效率推薦施肥方法在番茄上的應用效果，為番茄方便快捷進行施肥管理提供理論與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

2018 年3—7 月在北京市大興區禮賢鎮設置大棚番茄田間試驗。該地點位于北京市南郊，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，春、夏、秋、冬四季分明，2018 年降水量約575.50 mm。番茄試驗供試土壤類型為沙壤。試驗開始前0～20 cm 耕層土壤基本理化性質見表1。

表1 土壤基礎理化性質

1.2 試驗設計

番茄田間試驗設置農民習慣施肥處理（FP）、基于養分專家系統的推薦施肥處理（OPT）、OPT 基礎上有機肥替代20%化肥氮處理（OPT+OM）以及與OPT 處理對應的減氮（OPT-N）、減磷（OPT-P）和減鉀處理（OPT-K）共6 個處理。其中，OPT-N、OPT-P和OPT-K 3 個處理為對照處理，用于計算番茄施肥后的增產效果、農學效率和養分利用率指標。每個處理具體施肥量見表2。小區面積分別為22.5 m，每個處理3 次重復，隨機排列。化肥分別為尿素（N，46%）、過磷酸鈣（PO，12%）和硫酸鉀（KO，50%）。

表2 各處理施肥量

試驗于2018 年3 月5 日種植，于7 月16 日收獲。供試番茄品種為迪安娜，為無限生長型粉果品種，抗黃化曲葉病毒、生長勢強、果實硬度大、耐貯運、連續坐果能力強。種植模式為起壟覆膜寬窄行種植，寬行行距1.5 m，窄行行距為80 cm，株距為31 cm。灌溉條件為溝灌。按照當地常規田間管理方法進行統一管理。

1.3 養分指標測定

番茄分次收獲，且每個小區單獨測定番茄果實和番茄秧產量，記錄各處理鮮樣質量。收獲后，每個小區取代表性番茄果實和番茄秧樣品，于105 ℃殺青30 min，65 ℃烘干至恒質量稱質量，用于計算番茄果實和番茄秧的含水量。將烘干樣品粉碎后經過HSO-HO方法消煮，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番茄果實和番茄秧中的全氮、全磷和全鉀含量。

番茄果實N 累積量=果實N 含量×果實干物質質量；

番茄秧N 累積量=秧N 含量×秧干物質質量；

番茄植株N 累積量=番茄果實N 累積量+番茄秧N 累積量；

氮素回收利用率/%=（施氮處理植株氮累積量-不施氮處理植株氮累積量）/施氮量×100；

氮素農學效率=（施氮處理番茄果實產量-不施氮處理番茄果實產量）/施氮量；

氮素偏生產力=施氮處理番茄果實產量/施氮量；

磷和鉀養分利用效率指標計算同氮。

1.4 數據分析

試驗數據采用IBM 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，用Microsoft Excel 2016 軟件對試驗數據進行處理和圖表制作。

2 結果與分析

2.1 番茄產量

由圖1 可以看出，在6 個處理中，OPT 處理番茄產量和經濟產量均最高，均顯著高于OPT-N、OPT-P、OPT-K 處理，而OPT 與FP、OPT+OM 三者之間番茄產量和經濟產量差異均不顯著。與FP 處理相比，OPT 處理減少了17.20%的氮肥和34.19%的鉀肥，增施了9.57%的磷肥，番茄生物產量提高了27.21 t·hm（20.34%），經濟產量提高了12.70 t·hm（13.83%）。有機肥替代20%化肥N 的OPT+OM處理與OPT 處理相比，番茄生物產量和經濟產量分別降低了6.03 t·hm和4.14 t·hm，但較FP 處理分別增產15.83%和9.32%。與對應的OPT-N、OPT-P、OPT-K 處理相比，OPT 處理條件下番茄生物產量分別增加43.29、32.11 和28.31 t·hm，提高了36.77%、24.91%和21.33%；經濟產量分別增加了19.49、22.10 和17.36 t·hm，提高了22.92%、26.81%和19.91%，氮、磷和鉀肥增產效果顯著。

圖1 不同施肥處理番茄產量

2.2 養分累積量

由圖2 可以看出，番茄對鉀元素有著較強的養分需求，FP、OPT 和OPT+OM 處理的鉀素累積量均在300 kg·hm以上。FP、OPT 和OPT+OM 處理番茄地上部生物量的氮、磷和鉀養分累積量均表現為OPT＞OPT+OM＞FP。其中，OPT 處理的磷和鉀養分累積量均顯著高于FP 處理，分別增加了20.24 和81.88 kg·hm，氮養分累積量則與FP 處理無顯著性差異。OPT+OM 處理的氮磷鉀養分累積量均與FP、OPT 處理未達顯著差異水平。基于養分專家系統推薦施肥的番茄地上部生物量養分累積量整體高于當地農民習慣施肥。

圖2 不同施肥處理番茄N、P、K 養分累積量

2.3 肥料利用效率

2.3.1 肥料偏生產力 氮素是蔬菜生長必需養分。由表3 可知，番茄種植中FP 處理的氮肥偏生產力顯著低于其他處理，OPT 處理和OPT+OM 處理的氮肥偏生產力與FP 處理相比，分別顯著增加了73.07、62.45 kg·kg，但OPT 與OPT+OM 處理間差異不顯著。各處理間OPT 處理磷肥偏生產力最高，較FP 處理和OPT+OM 處理分別提高23.58、24.95 kg·kg，3 個處理間磷肥偏生產力無顯著差異。試驗中OPT 和OPT+OM 處理的鉀肥偏生產力均顯著高于FP 處理，分別增加了107.57、97.46 kg·kg，OPT 和OPT+OM 處理之間無顯著性差異。

表3 番茄肥料偏生產力比較 （kg·kg-1）

2.3.2 肥料農學效率 由表4 可知，OPT 處理和OPT+OM 處理的氮肥農學效率均顯著高于FP 處理，分別增加了35.57 和24.95 kg·kg，而OPT 和OPT+OM 處理之間氮肥農學效率無顯著差異。上述3 個處理的磷肥和鉀肥農學效率也表現為OPT＞OPT+OM＞FP。其中，OPT 處理和OPT+OM 處理磷肥農學效率與FP 處理相比，顯著增加了71.11 和46.16 kg·kg，鉀肥農學效率較FP 處理分別顯著增加34.87 和24.76 kg·kg，但OPT 處理與OPT+OM 處理間磷肥和鉀肥農學效率均無顯著差異。

表4 番茄肥料農學效率比較 （kg·kg-1）

2.3.3 養分回收率 由表5 可以看出，番茄OPT 處理的氮、磷和鉀肥回收利用率在3 個處理中均為最高。其中，OPT 處理氮肥回收利用率較FP 處理和OPT+OM 處理分別提高了10.72 個百分點和4.00 個百分點，OPT+OM 處理較FP 處理提高了6.72 個百分點，且OPT 處理與FP 處理之間達顯著差異水平。OPT 處理和OPT+OM 處理的磷肥回收利用率均顯著高于FP 處理，分別高出26.89 個百分點和16.08 個百分點，但OPT 處理和OPT+OM 處理之間差異不顯著。番茄FP 處理鉀肥回收利用率最低，為12.90%；OPT 處理的鉀肥回收利用率顯著高于FP 處理，提高了30.75 個百分點；OPT 處理高于OPT+OM 處理10.74 個百分點，但二者間差異不顯著；OPT+OM 處理較FP 處理相比，鉀肥回收利用率提高了20.01 個百分點，但二者之間差異不顯著。

表5 番茄養分回收率比較 %

2.4 純收益

純收益是基于番茄的收益減去化肥投入的成本得出。由表6 可以看出，OPT 處理可增加番茄純收益，較FP 處理和OPT+OM 處理分別增加26 503.68 元·hm和11 072.33 元·hm，分別提高了14.76%和5.68%，且OPT 和FP 處理之間的純收益呈顯著性差異。OPT+OM 處理番茄純收益較FP 處理增加了15 431.35 元·hm，提高了8.59%。由于有機肥的投入增加了OPT+OM 處理的成本投入，使得OPT+OM 處理番茄產投比較低，有機肥替代化肥氮的效益和機制有待進一步研究。

表6 不同處理對番茄純效益的影響

3 討 論

3.1 不同施肥管理對番茄產量和收益的影響

蔬菜的生長發育受施肥方法、管理措施、土壤狀況和生長環境等多種因素影響。其中，肥料的養分投入比例是重要的影響因素之一。過量的肥料養分施用不僅不會提高蔬菜產量，還會降低肥效，增加投入成本。番茄試驗中，OPT 處理在降低了氮和鉀肥用量的同時，經濟產量和純收益與FP 處理相比分別提高了13.83%和14.76%，且二者純收益達到差異顯著水平，表明基于產量反應和農學效率的養分專家推薦施肥方法可以提高番茄經濟產量，顯著增加作物收益。化肥N 以20%有機肥替代的OPT+OM 處理，經濟產量較FP 處理增產9.32%，純收益顯著提高了8.59%。OPT 處理與OPT+OM 處理番茄經濟產量差異不顯著，原因可能是在養分專家推薦施肥條件下，肥料養分投入量足夠滿足番茄生長需要，并且可能是速效化肥氮的養分供應有利于提高當季番茄產量。OPT+OM 處理的番茄產投比顯著低于OPT 處理和FP 處理，這是因為有機肥的成本較高，且投入量偏大，導致OPT+OM 處理的效益偏低。雖然近年來國家提倡有機肥的田間施用，但是亟需建立并形成有機肥替代化肥的補償機制，以此來提高農民實施有機肥替代化肥的積極性，從而促進農業種養業有效循環發展，有利于促進實現化肥的“零增長”，但有機肥替代化肥的合理比例仍需進一步研究。

3.2 不同施肥管理對番茄肥料利用率的影響

肥料養分不合理投入降低肥料利用率的同時，還會對環境帶來污染風險。在番茄試驗期間，3個處理的氮肥、磷肥和鉀肥的養分累積量和回收利用率均表現為OPT＞OPT+OM＞FP，且OPT 處理的氮肥、磷肥和鉀肥回收利用率與FP 處理呈顯著性差異，表明基于產量反應和農學效率推薦施肥處理（OPT 處理和OPT+OM 處理）可提高肥料利用率，與王丹丹等在研究養分專家系統推薦施肥對冬小麥產量、養分轉運及肥料利用的影響結果相近。養分專家推薦施肥處理（OPT 處理和OPT+OM 處理）下的番茄磷肥農學效率均高于氮肥，說明在番茄的生產過程中，調節磷肥適宜施用量對其增產效果有積極作用，與前人研究結果相似。在北京郊區種植番茄過程中，與農民習慣施肥（FP）相比，基于產量反應和農學效率的推薦施肥（OPT 和OPT+OM）有利于增加番茄產量和經濟收益，在提高肥料回收利用率的同時，降低了肥料的損失，減小了由于過量施肥對生態環境的污染風險。

4 結 論

在本試驗中，基于產量反應和農學效率的推薦施肥方法，確定的N、PO和KO 施用量分別為390、166、410 kg·hm。基于產量反應和農學效率的養分專家系統推薦施肥，減少了17.20%和34.19%的氮肥和鉀肥用量，增加了9.57%的磷肥用量，番茄經濟產量顯著提高了13.83%，純收益提高了26 503.68 元·hm，并且提高了肥料的農學效率和養分回收率，促進了養分的高效利用，可作為北京郊區番茄種植過程中施肥用量的依據。有機肥替代20%化肥的施肥方法在減少化肥投入、保障番茄產量的同時，提高了肥料養分回收利用率，有利于促進養殖業廢棄物資源化利用。本試驗結果表明了基于產量反應和農學效率的養分專家推薦施肥方法在番茄上的應用具有可行性，該方法在番茄實際生產中結合了土壤肥力差異，從磷鉀養分的平衡與可持續供應角度，合理調控了氮磷鉀養分供應量，為促進實現化肥“零增長”目標和番茄生產的高產高效，提供了可選擇的途徑。