養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥對小麥產(chǎn)量和肥料利用率的影響

劉東海，王紅飛，江盛明，喬 艷，張 智，李 菲，胡 誠，李雙來

（1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所，武漢 430064；2.團風縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，湖北團風 438800；3.英山縣紅山鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)中心，湖北英山 438700）

小麥是湖北省重要的糧食作物，常年播種面積在115.32 萬hm2以上。小麥生產(chǎn)上存在重氮磷肥，輕鉀肥以及氮肥過量等問題［1］，造成小麥生產(chǎn)成本增加、效益下降、環(huán)境風險加大［2］等問題。因此，合理施肥提高冬小麥產(chǎn)量和肥料利用效率，進而實現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效和可持續(xù)生產(chǎn)是重要的研究方向。

國內(nèi)外養(yǎng)分管理主要以土壤測試［3，4］和作物反應(yīng)［5，6］為基礎(chǔ)推薦施肥。這些推薦施肥方法確定的養(yǎng)分管理措施在提高小麥產(chǎn)量、收益和肥料利用率方面發(fā)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，難以應(yīng)用于實際生產(chǎn)。因此，需要更加科學(xué)系統(tǒng)、靈活便利、適用于小農(nóng)戶的推薦施肥方法。養(yǎng)分專家系統(tǒng)（Nutrient Expert，簡稱NE）是基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率，在有或無土壤測試條件下均可以應(yīng)用的方法，該方法可有效避免土壤測試與作物產(chǎn)量反應(yīng)間相關(guān)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(yīng)不同種植規(guī)模生產(chǎn)管理方式的推薦施肥方法［7］，該系統(tǒng)適合小農(nóng)戶個性化生產(chǎn)管理需求。養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在國內(nèi)外玉米、小麥和水稻上均得到了應(yīng)用［8-10］，通過全國小麥、玉米、水稻主產(chǎn)區(qū)開展的1 534 個田間試驗，驗證了養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在提高作物產(chǎn)量和保護環(huán)境方面的優(yōu)越性［11］。養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥效應(yīng)與土壤類型、氣候環(huán)境和種植習(xí)慣等密切相關(guān)，前期研究多集中在北方小麥主產(chǎn)區(qū)的麥/玉輪作體系中，在湖北稻/麥輪作體系下，小麥養(yǎng)分專家系統(tǒng)的推薦施肥效果鮮見報道。小麥養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在稻麥輪作區(qū)對小麥產(chǎn)量、養(yǎng)分效率和農(nóng)田環(huán)境效應(yīng)進行了評價，以期明確小麥養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥效果，為冬小麥科學(xué)施肥提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

田間試驗于2018 年在湖北省廣水市十里辦事處紅石塘村進行。廣水市屬北亞熱帶大陸性季風氣候，冷暖適中，冬干夏雨，雨熱同季，四季分明。年平均氣溫13～16 ℃，無霜期201～240 d，降水量940～1 040 mm，日照時數(shù)2 083 h。供試土壤類型為黃棕壤。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計 NE 為養(yǎng)分專家系統(tǒng)的推薦氮磷鉀肥施用量（N-P2O5-K2O=120-54-67.5 kg/hm2）。試驗設(shè)置6 個處理，①0 NE，無氮肥；②50% NE，50% NE 用N 量；③75% NE，75% NE 用N 量；④NE，小麥養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥；⑤125% NE，125% NE用N 量；⑥150%NE，150%NE 用N 量。

供試小麥品種為鄭麥1342。氮肥基肥、苗肥和拔節(jié)肥比例為5∶2∶3。小區(qū)面積設(shè)為20 m2，3 次重復(fù)。

2018 年10 月23 日整地，25 日施肥、播種。2019年1 月8 日追施分蘗肥，2019 年1 月17 日噴灑除草劑，2019 年2 月25 日追施拔節(jié)肥，2019 年3 月13 日噴藥防治病蟲害，2019 年5 月28 日取植物樣品，之后收獲測產(chǎn)。

1.2.2 測定指標 收獲后按照5 點取樣法用土鉆分別采集0～20 cm 耕層土，去除植物殘體和根系，混合后放入自封袋帶回實驗室測定。土壤樣品風干后過篩，分別測定土壤pH（水土比2.5∶1，電極法）、有機質(zhì)含量（K2Cr2O7容量，外加熱法）、堿解氮含量（堿解擴散法）、有效磷含量（NaHCO3浸提，鉬藍比色法）和速效鉀含量（NH4OAC 浸提，火焰光度計法）［12］。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 氮肥利用率（RE）=（施肥區(qū)植株地上部養(yǎng)分積累量－不施肥區(qū)植株地上部養(yǎng)分積累量）/施肥量×100%；氮肥農(nóng)學(xué)利用率（AE）=（施肥區(qū)子粒產(chǎn)量－不施肥區(qū)子粒產(chǎn)量）/施肥量×100%；氮肥偏生產(chǎn)力（PFP）=施肥區(qū)子粒產(chǎn)量/施肥量；氮肥生理利用率（PEN）=（Y-Y0）/（U-U0），Y是施肥區(qū)子粒產(chǎn)量，Y0 為不施肥區(qū)子粒產(chǎn)量，其中U、U0 分別為施氮、不施氮時作物收獲期地上部總吸氮量；子粒養(yǎng)分積累量=子粒干重×子粒養(yǎng)分含量；秸稈養(yǎng)分積累量=秸稈干重×秸稈養(yǎng)分含量；收益=產(chǎn)量×單價；純收益（元/hm2）=總產(chǎn)值-肥料投入。

采用Microsoft Excel 2016 軟件進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入與前期處理；SPSS 20.0 軟件進行試驗點與施肥處理間方差分析和顯著性檢驗（LSD法），顯著性水平設(shè)定為P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對小麥SPAD 值的影響

不同施肥處理小麥SPAD 值在小麥生育期呈先升后降的趨勢。施用氮肥處理的小麥SPAD 值均高于不施氮肥處理，且有隨氮肥施用量增加呈遞增的趨勢（表1）。與NE 處理相比，50%NE、75%NE、125%NE 和150%NE 處理小麥SPAD 值無顯著差異。

表1 不同施肥處理小麥SPAD 值

2.2 養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥對冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

不同施肥處理的小麥產(chǎn)量如表2 所示，與0 NE處理比較，施肥均顯著提高了小麥產(chǎn)量，排序依次是NE＞75%NE ＞125%NE＞150%NE 和50%NE，其中NE處理的小麥產(chǎn)量較0NE 提高38.66%。與NE 處理比較，75%NE 和125%NE 處理產(chǎn)量有所降低，但差異不顯著，150%NE 和50%NE 處理產(chǎn)量顯著降低。各處理有效穗、穗粒數(shù)和千粒重差異不顯著。

表2 不同施肥處理對冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

2.3 不同氮肥處理對小麥子粒與秸稈N、P、K 含量的影響

小麥子粒與秸稈的N、P、K 含量如表3 所示。與0NE 處理比較，施肥提高了子粒中N、P 和K 的整體含量，提高了小麥秸稈中N、K 的整體含量，但P 含量變化波動較大。

表3 不同施肥處理的小麥子粒與秸稈的N、P、K 含量的影響

2.4 不同施肥處理對小麥氮素吸收的影響

小麥子粒與秸稈的N 素吸收量如表4 所示。與0 NE 處理比較，施肥提高了子粒氮吸收量，NE、125%NE、75%NE、150%NE 和50%NE 分別顯著提高了55.64%、38.11%、32.38%、30.82%和16.55%；施肥提高了秸稈氮吸收量，125%NE、NE、150%NE、50%NE和75%NE 分別提高了秸稈氮吸收量的61.48%、55.37%、45.04%、31.37%和37.72%；施肥提高了小麥總氮吸收量，NE、125%NE、150%NE、75%NE 和50%NE 分別顯著提高了55.58%、43.51%、34.11%、33.62%和19.97%。與NE處理比較，減氮處理（0 NE、75%NE 和50%NE）顯著降低了小麥總氮吸收量，增氮處理（125%NE 和150%NE）小麥總氮吸收量也呈降低趨勢。NE 處理顯著提高了子粒氮吸收量、秸稈氮吸收量和小麥總氮吸收量。

表4 不同施肥處理的小麥子粒與秸稈的氮素積累量（單位：kg/hm2）

2.5 不同施肥處理對氮肥利用率的影響

從表5 可以看出，NE 處理氮肥利用率為47.93±5.97%，高于其他施肥處理。氮肥偏生產(chǎn)力方面，排序為50%NE＞75%NE＞NE ＞125%NE＞150%NE；氮肥農(nóng)學(xué)效率方面，排序為75%NE＞NE＞50%NE＞125%NE＞150%NE；氮肥生理利用率方面，排序為75%NE＞50%NE＞NE＞125%NE ＞150%NE。在NE 施肥量的基礎(chǔ)上，隨著氮肥施用量的加大，氮肥利用率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥生理利用率呈下降趨勢。

表5 不同施肥處理的氮肥利用效率

2.6 不同施肥處理對土壤養(yǎng)分含量的影響

由表6 可知，施肥處理顯著提高了土壤有機質(zhì)含量，其中NE 處理顯著提高了23.67%。施肥對土壤堿解氮、有效磷、速效鉀和pH 整體影響不顯著。

表6 不同施肥處理的土壤養(yǎng)分含量

2.7 不同施肥處理的經(jīng)濟效益比較

由表7 可知，與0 NE 處理比較，隨著施肥量的增加，純收益呈先增加后減少趨勢，其中NE 處理純收益最高，為13 332 元/hm2，顯著提高了35.31%；而產(chǎn)投比呈遞減的趨勢，50%NE、75%NE、NE、125%NE和150%NE 產(chǎn)投比分別降低了15.43%、15.89%、22.83%、36.71%和48.58%。

表7 不同施肥處理對經(jīng)濟效益的影響

3 討論

3.1 對小麥產(chǎn)量的影響

施用氮肥是提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要措施［13］，不合理施氮肥可能導(dǎo)致氮肥利用效率、產(chǎn)量和經(jīng)濟效益下降，也可造成環(huán)境污染的風險加大［14，15］。在農(nóng)田生產(chǎn)中，隨著氮肥用量的增加，作物產(chǎn)量并不是成比例增加，而是呈遞減的規(guī)律或不增加［16，17］。本研究顯示，NE 處理小麥產(chǎn)量最高，在NE 處理上減施氮肥（75%NE 和50%NE），隨著減施氮肥量的加大，產(chǎn)量下降得越明顯。同時，在NE 處理上增施氮肥（125%NE 和150%NE），隨著增施氮肥量的加大，產(chǎn)量也下降得越明顯。因此合理的氮肥用量，使農(nóng)田養(yǎng)分供應(yīng)更加均衡，提高了作物產(chǎn)量，實現(xiàn)了節(jié)肥增效［18，19］。

3.2 對肥料利用率的影響

肥料利用率和農(nóng)學(xué)效率是反映作物、土壤、肥料之間關(guān)系的動態(tài)參數(shù)，是科學(xué)施肥的重要參考指標［20］。本研究顯示，NE 處理的氮肥利用率、農(nóng)學(xué)效率、氮肥生理利用率、氮肥偏生產(chǎn)力分別為47.93%、16.50 kg/kg、34.19 kg/kg、59.17 kg/kg，高于中國小麥氮肥利用率平均值28.12%，農(nóng)學(xué)效率平均值8.10 kg/kg，生理利用率28.3 kg/kg，偏生產(chǎn)力43.0 kg/kg［21］。隨著氮肥用量的增加氮肥利用率、農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥生理利用率均呈下降的趨勢，該結(jié)論與以往的研究結(jié)果一致［22］，表明NE 小麥養(yǎng)分專家系統(tǒng)提高了農(nóng)田養(yǎng)分效率。

4 結(jié)論

小麥養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥（NE）處理顯著提高了小麥產(chǎn)量，且高于其他施肥處理；NE 處理的氮肥利用率、農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥生理利用率分別為47.93%、16.50 kg/kg、59.17 kg/kg 和34.19 kg/kg，高 于125%NE 和150%NE 處 理；NE 純 收 益13 332 元/hm2，高于其他處理。與NE 處理比較，0NE、75%NE、50%NE 和150%NE 顯著降低了小麥總氮吸收量，125%NE 降低不顯著。小麥養(yǎng)分專家系統(tǒng)具有較好的增產(chǎn)增收效果，有助于提高小麥子粒中養(yǎng)分積累量和肥料回收利用率，是一項能夠兼顧產(chǎn)量、養(yǎng)分高效利用、環(huán)境保護且易于推廣的重要施肥措施。