養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在大白菜上的應(yīng)用效果

　　摘　要：合理施肥是保障作物產(chǎn)量，提高農(nóng)民收入的重要途徑。蔬菜生產(chǎn)過程中普遍存在過量或盲目施肥等現(xiàn)象，尤其在種植體系復(fù)雜、作物施肥時(shí)間窗口偏短的條件下，亟需建立更為方便、快捷，適合不同規(guī)模地塊的科學(xué)養(yǎng)分管理方法。本試驗(yàn)以大白菜品種北京新 3 號(hào)為試材，研究基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在大白菜上的應(yīng)用效果。結(jié)果表明，北京郊區(qū)秋露地大白菜生產(chǎn)，養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥處理(OPT)氮、磷、鉀肥施用量分別為 278、111、314 kg · hm-2 ，大白菜產(chǎn)量達(dá) 162.0 t · hm-2 ，顯著高于農(nóng)民習(xí)慣施肥處理(FP)和測土配方施肥處理(OPTS);植株氮、磷、鉀吸收量均顯著高于農(nóng)民習(xí)慣施肥處理;氮、磷肥偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)效率顯著高于農(nóng)民習(xí)慣施肥處理和測土配方施肥處理;氮、磷、鉀的回收利用率均為最高，其中氮和磷回收利用率顯著高于農(nóng)民習(xí)慣施肥處理。養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥處理能夠顯著提高大白菜產(chǎn)量和肥料利用效率，提高生產(chǎn)效益，可作為一種適用可行的大白菜施肥管理措施。

　　山楠; 串麗敏; 劉繼培; 鄭懷國; 王愛玲; 趙靜娟， 中國蔬菜 發(fā)表時(shí)間：2021-08-13

　　關(guān)鍵詞：大白菜;養(yǎng)分專家系統(tǒng);產(chǎn)量反應(yīng);農(nóng)學(xué)效率;肥料利用效率

　　合理施肥是保障作物產(chǎn)量，提高農(nóng)民收入的重要途徑。但是在蔬菜生產(chǎn)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(shè)施蔬菜更為嚴(yán)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(chǎn)量和品質(zhì)，同時(shí)還會(huì)帶來硝酸鹽淋洗、土壤酸化和農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放等一系列環(huán)境問題(劉欽普，2017;Ju & Zhang，2017;張芬 等，2020)。

　　為了保障作物產(chǎn)量，提高肥料利用效率，各種推薦施肥方法應(yīng)運(yùn)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(chǎn)量的肥料效應(yīng)函數(shù)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?jié)?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(shù)獲得的數(shù)據(jù)需要與特定作物的生育期和養(yǎng)分需求進(jìn)行精準(zhǔn)匹配，建立科學(xué)合理的相關(guān)關(guān)系;測土配方施肥法需要在施肥前采集土壤樣品，對(duì)樣品的代表性要求很高，同時(shí)還存在樣品測試時(shí)間長、測試費(fèi)用高等問題。在目前種植體系復(fù)雜，作物施肥窗口時(shí)間短的條件下，亟需建立更為方便、快捷，適合不同規(guī)模地塊應(yīng)用的科學(xué)養(yǎng)分管理方法。

　　養(yǎng)分專家系統(tǒng)是基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率進(jìn)行推薦施肥的決策支持系統(tǒng)，能夠針對(duì)具體地塊或一定區(qū)域作物種植信息，在幾分鐘內(nèi)完成推薦施肥套餐。其中，產(chǎn)量反應(yīng)由養(yǎng)分供應(yīng)充足地塊與缺失某種養(yǎng)分地塊的產(chǎn)量差獲得;農(nóng)學(xué)效率表征施用單位養(yǎng)分所能增加的產(chǎn)量。該方法中氮肥推薦量由氮肥產(chǎn)量反應(yīng)與農(nóng)學(xué)效率的比值獲得;磷、鉀肥的推薦量除了考慮磷、鉀產(chǎn)量反應(yīng)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(yǎng)分以及當(dāng)季作物收獲帶走的養(yǎng)分。通過養(yǎng)分專家系統(tǒng)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(shí)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(shí)時(shí)實(shí)地的養(yǎng)分精準(zhǔn)管理系統(tǒng)。

　　目前，養(yǎng)分專家系統(tǒng)已經(jīng)在小麥、玉米、水稻和馬鈴薯等多種作物上廣泛應(yīng)用(Chuan et al.， 2013;徐新朋 等，2016;Xu et al.，2017)，但是在蔬菜作物中的應(yīng)用效果研究較少。本試驗(yàn)選取典型蔬菜——大白菜為研究對(duì)象，基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率確定施肥方案，探究養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在大白菜上的應(yīng)用效果，以期為大白菜生產(chǎn)中方便、快捷地進(jìn)行推薦施肥管理提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

　　1　材料與方法

　　1.1　試驗(yàn)材料

　　試驗(yàn)于 2018 年 8—11 月在北京市大興區(qū)長子營鎮(zhèn)蔬菜展示基地(39°41′N，116°35′E)進(jìn)行。土壤類型為粘土，0～20 cm 耕層土壤基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)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(dāng)?shù)刂髟云贩N北京新 3 號(hào)，由京研益農(nóng)(北京)種業(yè)科技有限公司提供。

　　1.2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　田間試驗(yàn)共設(shè) 6 個(gè)處理，分別為農(nóng)民習(xí)慣施肥(FP)、養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥(OPT)、測土配方施肥(OPTS)以及作為對(duì)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(nóng)民習(xí)慣施肥處理：依據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶大白菜生產(chǎn)習(xí)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(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥處理：采用北京市農(nóng)林科學(xué)院與中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所共同開發(fā)的白菜養(yǎng)分專家系統(tǒng)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(qū)土肥工作站進(jìn)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(jī)排列，3 次重復(fù)，小區(qū)面積 34.4 m2 (8.0 m × 4.3 m)。

　　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(cè) 15～20 cm 處，表施后及時(shí)灌溉。其他栽培管理措施同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)生產(chǎn)，11 月 14 日采收。

　　1.3　項(xiàng)目測定

　　大白菜采收時(shí)進(jìn)行全區(qū)測產(chǎn)。之后，每小區(qū)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(zhì)量，然后 105 ℃殺青 30 min，65 ℃烘干至恒重，測定干樣質(zhì)量，計(jì)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(jì)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(zhì)量 - 干樣質(zhì)量)/ 鮮樣質(zhì)量 × 100%

　　植株 N(P 或 K)吸收量(kg · hm-2 )= 每公頃植株干物質(zhì)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(nóng)學(xué)效率(kg · kg-1 )=〔施 N(P 或 K)處理產(chǎn)量 - 不施 N(P 或 K)處理產(chǎn)量〕/ 施 N(P 或 K)量

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

　　1.4　數(shù)據(jù)處理

　　試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 SPSS 19.0 軟件進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表制作。

　　2　結(jié)果與分析

　　2.1　大白菜產(chǎn)量比較

　　由圖 1 可知，OPT 處理的大白菜產(chǎn)量最高，達(dá)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(chǎn) 18.0% 和 8.3%。說明養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦的施肥套餐適合大白菜生產(chǎn)，可以促進(jìn)大白菜產(chǎn)量增加。

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

　　2.2　植株養(yǎng)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(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦的施肥套餐亦提高了大白菜的養(yǎng)分吸收量。將減素處理的養(yǎng)分吸收量與 OPT 處理進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，某一種養(yǎng)分的缺乏不但導(dǎo)致該元素吸收量顯著降低，同時(shí)也影響了其他養(yǎng)分的吸收。

　　2.3　肥料偏生產(chǎn)力比較

　　偏生產(chǎn)力表征單位養(yǎng)分投入所能生產(chǎn)的產(chǎn)量，是肥料利用效率評(píng)價(jià)的指標(biāo)之一。從表 2 可以看出，OPT 處理的氮肥和磷肥偏生產(chǎn)力均為最高，且均顯著高于 FP 和 OPTS 處理;但鉀肥偏生產(chǎn)力最低，亦顯著低于其他兩個(gè)處理。說明養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦的施肥量合理，尤其可以提高氮和磷單位養(yǎng)分對(duì)大白菜產(chǎn)量的貢獻(xiàn)。

　　2.4　肥料農(nóng)學(xué)效率比較

　　從表 3 可以看出，OPT 處理的氮肥和磷肥農(nóng)學(xué)效率均為最高，且均顯著高于 FP 和 OPTS 處理;而鉀肥農(nóng)學(xué)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(nóng)學(xué)效率降低。

　　2.5　養(yǎng)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(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦的施肥套餐提高了養(yǎng)分的回收利用率，尤其對(duì)氮和磷的效果明顯。

　　2.6　大白菜生產(chǎn)效益比較

　　按大白菜銷售價(jià)格 0.20 元 · kg-1 計(jì)算，OPT、 OPTS、FP 處理的大白菜產(chǎn)值分別為 32 398.3、 29 930.2、27 465.4 元 · hm-2 ;N、P2O5 和 K2O 的價(jià)格分別為 5.22、12.50、8.00 元 · kg-1 ，由此計(jì)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(chǎn)值增加的更多，最終 OPT 處理的大白菜生產(chǎn)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(fèi)用各處理均相同)。

　　3　結(jié)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(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，施肥量過高或過低不僅不能提高產(chǎn)量，反而會(huì)導(dǎo)致肥料利用率低下，甚至?xí)廴经h(huán)境(山楠 等，2016a，2016b)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，基于作物產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥處理(OPT)適當(dāng)調(diào)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(diào)整了不同時(shí)期的追肥比例，大白菜產(chǎn)量顯著高于農(nóng)民習(xí)慣施肥處理(FP)和測土配方施肥處理(OPTS)。這可能是因?yàn)檗r(nóng)民習(xí)慣施肥存在氮肥用量偏高、鉀肥用量偏低的現(xiàn)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(chǎn)需求所致。與測土配方施肥相比，養(yǎng)分專家系統(tǒng)給出的施肥推薦不僅包含氮、磷、鉀肥的用量，而且對(duì)肥料運(yùn)籌進(jìn)行了合理分配，指導(dǎo)農(nóng)戶在適合的時(shí)間及時(shí)進(jìn)行施肥。

　　本試驗(yàn)中，大白菜施用氮、磷、鉀肥所帶來的產(chǎn)量反應(yīng)(表征該養(yǎng)分對(duì)產(chǎn)量貢獻(xiàn)的高低)分別為37.3、26.1、47.5 t · hm-2 ，產(chǎn)量反應(yīng)程度依次為鉀肥>氮肥>磷肥，推測鉀肥是限制大白菜產(chǎn)量的第一因子。因此，在大白菜施肥過程中應(yīng)重視鉀肥的投入。養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥處理考慮了磷、鉀養(yǎng)分的平衡與可持續(xù)供應(yīng)，與測土配方施肥相比，適當(dāng)提高了鉀肥的投入，雖然肥料成本增加，但產(chǎn)量亦顯著增加，最終的經(jīng)濟(jì)效益高于測土配方施肥處理。由此可見，養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥是一種集合了合理施肥時(shí)間、適宜施肥用量和合理肥料運(yùn)籌的養(yǎng)分管理措施，可以實(shí)現(xiàn)蔬菜生產(chǎn)的高產(chǎn)與高效，對(duì)于促進(jìn)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(yàn)結(jié)果表明，養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥處理較農(nóng)民習(xí)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(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥處理、農(nóng)民習(xí)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?yàn)榇蟀撞藶橄测涀魑铮瑢?duì)鉀素的吸收量較高，但農(nóng)民習(xí)慣施肥長期施鉀量不足致使土壤鉀素過度消耗、嚴(yán)重不足。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，某一種養(yǎng)分的缺乏不但導(dǎo)致該元素吸收量顯著降低，同時(shí)也影響了其他養(yǎng)分的吸收，與馬征等(2019)的研究結(jié)果類似。

　　綜上，基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥，能夠顯著提高大白菜產(chǎn)量和肥料利用效率，提高生產(chǎn)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(jié)合了土壤肥力差異，考慮了養(yǎng)分的平衡和可持續(xù)供應(yīng)，合理調(diào)控了氮、磷、鉀肥供應(yīng)量，可實(shí)現(xiàn)蔬菜生產(chǎn)的高產(chǎn)與高效。