徐新朋，何 萍，周 衛(wèi)

（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 / 北方干旱半干旱耕地高效利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 /農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

“十三五期間”我國化肥用量已實(shí)現(xiàn)零增長且呈遞減趨勢(shì)，但仍是世界第一肥料消費(fèi)大國，過量施肥導(dǎo)致肥料利用率低的現(xiàn)象仍然是社會(huì)廣泛關(guān)注的問題之一[1-3]，究其主要原因之一是缺乏先進(jìn)輕簡(jiǎn)的養(yǎng)分推薦方法，農(nóng)戶施肥盲目。面對(duì)日益增長的人口對(duì)糧食需求不斷增加的挑戰(zhàn)，針對(duì)我國特有的依靠高量化肥投入和農(nóng)田高強(qiáng)度利用生產(chǎn)體系，科學(xué)高效利用肥料資源，探索高效施肥的理論和方法，對(duì)于保障糧食持續(xù)高產(chǎn)和農(nóng)田可持續(xù)利用具有重要意義[4]。合理施肥是實(shí)現(xiàn)化肥科學(xué)減施和保障糧食安全的基礎(chǔ)，國內(nèi)外已開展了大量有關(guān)作物養(yǎng)分管理和推薦施肥方面的研究，并發(fā)揮了積極作用[5-7]。傳統(tǒng)測(cè)土施肥在評(píng)估土壤肥力和指導(dǎo)施肥上發(fā)揮了重要作用[8]，但仍存在諸多挑戰(zhàn)，如土壤氮素缺少滿意表征方法、環(huán)境養(yǎng)分如沉降、灌溉等未能考慮、土壤測(cè)試不及時(shí)或條件不具備等等，而我國小農(nóng)戶經(jīng)營的農(nóng)田管理模式對(duì)指導(dǎo)科學(xué)施肥進(jìn)一步增加了難度，很難做到一家一戶測(cè)土配方施肥。應(yīng)用地上部作物產(chǎn)量反應(yīng)或養(yǎng)分吸收量可以表征土壤養(yǎng)分的供應(yīng)能力及施肥效果[9-10]，且養(yǎng)分吸收量隨著土壤養(yǎng)分含量增加而增加。除此之外，作物產(chǎn)量很大程度上依賴土壤養(yǎng)分有效性，傳統(tǒng)施肥較多基于單一養(yǎng)分吸收參數(shù)對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行評(píng)估(氮、磷或鉀)，而我國作物種植區(qū)域遼闊、生態(tài)類型多樣，個(gè)別試驗(yàn)數(shù)據(jù)不能給出不同地區(qū)或作物的個(gè)性化合理施肥推薦，并限制了高產(chǎn)品種產(chǎn)量潛力的發(fā)揮和肥料利用率的提高[11-12]，應(yīng)用于區(qū)域養(yǎng)分管理還存在一定局限性。強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫和可靠的施肥模型相結(jié)合是建立肥料施用方法的新選擇和新趨勢(shì)，但如何簡(jiǎn)化推薦施肥程序、提高方法可操作性是當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展亟需解決的問題之一。由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所開發(fā)的基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)，以大量田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用模型模擬作物最佳養(yǎng)分吸收，根據(jù)土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)等級(jí)針對(duì)某一具體地塊或操作單元給出個(gè)性化的施肥方案[13-15]，并建立了微信版智能推薦施肥系統(tǒng)。本文以過去十幾年在全國范圍內(nèi)開展的玉米肥料田間試驗(yàn)為基礎(chǔ)，分析了基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的玉米養(yǎng)分推薦施肥模型的構(gòu)建參數(shù)及田間試驗(yàn)效果，以期建立科學(xué)、合理、易于操作的施肥方法，實(shí)現(xiàn)玉米的智能化施肥。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)中應(yīng)用QUEFTS 模型模擬不同目標(biāo)產(chǎn)量下最佳氮、磷、鉀養(yǎng)分需求量，其養(yǎng)分吸收參數(shù)隨著數(shù)據(jù)量的增加也在不斷優(yōu)化[16]。本研究中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)覆蓋了中國玉米主產(chǎn)區(qū)，來源于國際植物營養(yǎng)研究所中國項(xiàng)目部、研究團(tuán)隊(duì)于2000—2019 年在中國玉米主產(chǎn)區(qū)開展的田間試驗(yàn)，以及此期間在學(xué)術(shù)期刊上公開發(fā)表的論文，其中文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(CNKI)，通過檢索關(guān)鍵詞及關(guān)鍵詞組合“玉米”、“玉米+產(chǎn)量”、“玉米+養(yǎng)分吸收”、“玉米+肥料利用率”等得到的中文文獻(xiàn)。依據(jù)玉米種植類型，將數(shù)據(jù)分為春玉米和夏玉米兩部分，其中春玉米氮、磷和鉀養(yǎng)分吸收數(shù)據(jù)量分別有5498、4577 和4644 個(gè)，夏玉米分別有7052、5248和5241 個(gè)。玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)依據(jù)作物產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率進(jìn)行推薦施肥，本研究中春玉米氮、磷和鉀產(chǎn)量反應(yīng)的數(shù)據(jù)量分別有1272、1023 和1093個(gè)，夏玉米分別有1128、786 和908 個(gè)。

1.2 田間驗(yàn)證試驗(yàn)

于2010—2019 年在我國玉米主產(chǎn)區(qū)黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、河北、河南、山東、山西、安徽、寧夏、云南11 省份，開展了共計(jì)803 個(gè)田間試驗(yàn)對(duì)玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)，其中春玉米348 個(gè)田間試驗(yàn)，夏玉米455 個(gè)田間試驗(yàn)。所有試驗(yàn)均包含6 個(gè)處理，分別為：1)基于玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥，即NE 處理，試驗(yàn)開始前調(diào)查試驗(yàn)地塊的產(chǎn)量水平、施肥量和秸稈還田方式等信息；2)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥，即FP 處理，基于農(nóng)民習(xí)慣施肥措施進(jìn)行管理；3)測(cè)土配方施肥，即ST 處理，基于土壤測(cè)試結(jié)果進(jìn)行推薦，如測(cè)土不及時(shí)或條件不具備，采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)技推廣部門的推薦量；4)基于NE處理的不施氮處理，即NE-N 處理；5)基于NE 處理的不施磷處理，即NE-P 處理；6)基于NE 處理的不施鉀處理，即NE-K 處理。田間試驗(yàn)肥料使用尿素、過磷酸鈣、磷酸氫二銨、氯化鉀和硫酸鉀等。同一試驗(yàn)中各處理設(shè)置的密度相同，且病蟲草害防治進(jìn)行統(tǒng)一管理。

全部試驗(yàn)點(diǎn)的樣品采集采用相同標(biāo)準(zhǔn)，即在每個(gè)小區(qū)的中央位置隨機(jī)選取3 個(gè)5～10 m2的區(qū)域測(cè)定玉米產(chǎn)量，選取5～10 株均勻的玉米測(cè)定籽粒含水量，并最終折合成含水量15.5%的產(chǎn)量。每個(gè)小區(qū)采集3 株長勢(shì)均勻的植株分成籽粒和秸稈兩部分，烘干至恒重后稱重用于計(jì)算收獲指數(shù)。選取部分烘干樣品粉碎后，測(cè)定籽粒和秸稈中的N、P 和K 養(yǎng)分含量。秸稈和籽粒樣品經(jīng)H2SO4-H2O2消煮，分別采用凱氏法、釩鉬黃比色法和原子吸收法測(cè)定全氮、磷和鉀養(yǎng)分含量。

1.3 統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2020 進(jìn)行分析處理，使用SPSS 17.0 軟件在0.05 水平上對(duì)NE、FP 和ST 處理的施肥量、產(chǎn)量、凈效益和養(yǎng)分利用率進(jìn)行ANOVA 分析，使用Sigmaplot 14.0 軟件進(jìn)行繪圖。以NE 處理氮素計(jì)算為例，磷和鉀計(jì)算同氮，F(xiàn)P 和ST 處理計(jì)算同NE。

氮產(chǎn)量反應(yīng)(kg/hm2)=NE 產(chǎn)量-NE-N 產(chǎn)量；

氮農(nóng)學(xué)效率(kg/kg)=(NE 產(chǎn)量-NE-N 產(chǎn)量)/施氮量；

氮相對(duì)產(chǎn)量=NE-N 產(chǎn)量/NE 產(chǎn)量；

氮回收利用率(%)=(NE 植株地上部氮累積量-NE-N 植株地上部氮累積量)/NE 施氮量×100；

凈效益(元/hm2)=收獲后產(chǎn)值-肥料成本-追肥成本；

肥料成本(元/hm2)為氮、磷和鉀肥料成本總和。

計(jì)算公式中，氮、磷和鉀施用量分別為N、P2O5和K2O 量。

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳養(yǎng)分吸收

應(yīng)用QUEFTS 模型模擬玉米潛在產(chǎn)量為10、15 和20 t/hm2下產(chǎn)量與地上部養(yǎng)分吸收關(guān)系結(jié)果顯示，當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)量達(dá)到潛在產(chǎn)量的60%～70%時(shí)，生產(chǎn)1 t 玉米籽粒其地上部氮、磷和鉀養(yǎng)分需求量春玉米分別為15.9、4.1 和13.8 kg，夏玉米分別為17.8、4.0 和15.8 kg。夏玉米相比春玉米生產(chǎn)1 t 玉米籽粒需要更多的氮和鉀，而二者的磷素吸收相近(圖1)。

圖1 QUEFTS 模型模擬的不同潛在產(chǎn)量玉米地上部最佳養(yǎng)分吸收量Fig.1 The optimum nutrient requirements simulated by QUEFTS model under different potential yields of maize

作物養(yǎng)分吸收可以反映土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力和養(yǎng)分管理情況，了解不同目標(biāo)產(chǎn)量下的養(yǎng)分吸收量對(duì)科學(xué)施肥具有重要指導(dǎo)意義。傳統(tǒng)推薦施肥往往通過布置點(diǎn)位田間肥料試驗(yàn)來獲得養(yǎng)分吸收量，進(jìn)而通過函數(shù)關(guān)系計(jì)算肥料用量，但缺乏普遍性。采用QUEFTS 模型模擬養(yǎng)分吸收的優(yōu)點(diǎn)在于，該模型使用大量的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)估測(cè)最佳養(yǎng)分吸收，不會(huì)因?yàn)閭€(gè)別或少數(shù)試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)估測(cè)結(jié)果產(chǎn)生偏差，因此具有普遍意義[13]，最為重要的是該模型考慮了N、P 和K 三大營養(yǎng)元素兩兩間的交互作用。然而，不同來源數(shù)據(jù)集由于年代和數(shù)據(jù)量的差異，會(huì)導(dǎo)致模型中所用養(yǎng)分內(nèi)在效率參數(shù)不同，進(jìn)而引起養(yǎng)分吸收差異。如Liu 等[17]應(yīng)用1985—1995 年玉米田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，模擬得出生產(chǎn)1 t 玉米籽粒地上部氮、磷和鉀養(yǎng)分需求分別為25.8、4.3 和23.1 kg，與本研究相比，具有相似的磷素吸收，而氮素和鉀素的吸收量要高于本研究。除此之外，不同國家和地區(qū)間的養(yǎng)分吸收量也存在一定差異，如Setiyono 等[18]應(yīng)用美國和東南亞數(shù)據(jù)得出的生產(chǎn)1 t 玉米籽粒所需的氮、磷、鉀為14.7、2.6 和15.9 kg，Shehu 等[19]應(yīng)用尼日利亞北部數(shù)據(jù)得出的生產(chǎn)1 t 玉米籽粒所需的氮、磷、鉀為20.7、3.4 和27.1 kg。因此，依據(jù)過去較低產(chǎn)量水平或個(gè)別試驗(yàn)點(diǎn)的養(yǎng)分吸收數(shù)據(jù)，已不能指導(dǎo)當(dāng)前集約化養(yǎng)分管理和推薦施肥，這就迫切需要開展當(dāng)前高產(chǎn)玉米養(yǎng)分吸收特征研究，建立養(yǎng)分吸收與高效施肥之間的定量參數(shù)關(guān)系。本研究中春玉米和夏玉米的養(yǎng)分吸收差異也表明差異化養(yǎng)分管理的必要性。

2.2 產(chǎn)量反應(yīng)與農(nóng)學(xué)效率

對(duì)于某一特定生長環(huán)境，作物產(chǎn)量反應(yīng)越高說明土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力越低，施肥增產(chǎn)效率也就越高。在過去幾十年中，隨著施肥量的不斷增加，土壤中養(yǎng)分不斷累積，產(chǎn)量反應(yīng)呈降低趨勢(shì)。我國玉米主產(chǎn)區(qū)平均土壤氮、磷和鉀養(yǎng)分供應(yīng)量分別達(dá)到了139.9、33.7 和127.5 kg/hm2[20]。但不同生長環(huán)境由于其產(chǎn)量潛力和土壤肥力不同也導(dǎo)致產(chǎn)量反應(yīng)存在一定差異。依據(jù)全部產(chǎn)量反應(yīng)數(shù)據(jù)，本研究中我國春玉米種植區(qū)氮、磷和鉀的平均產(chǎn)量反應(yīng)分別為2.9、1.5 和1.4 t/hm2，夏玉米分別為1.9、1.1 和1.1 t/hm2。N 的產(chǎn)量反應(yīng)高于P 和K 產(chǎn)量反應(yīng)(圖2a)，意味著氮素仍是玉米產(chǎn)量的首要養(yǎng)分限制因素。春玉米的氮磷鉀平均產(chǎn)量反應(yīng)均高于夏玉米，一方面是因?yàn)槲覈河衩椎膯萎a(chǎn)水平要高于夏玉米；另一方面則是因?yàn)槿A北平原冬小麥-夏玉米輪作體系的施肥量要高于其它地區(qū)，尤其是氮肥用量[21-22]。

農(nóng)學(xué)效率作為評(píng)價(jià)肥料利用效率的重要指標(biāo)之一，也是玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)中氮肥推薦的重要參數(shù)。就全部農(nóng)學(xué)效率數(shù)據(jù)而言(圖2b)，春玉米施用氮、磷和鉀肥的平均農(nóng)學(xué)效率分別為15.0、18.9 和16.1 kg/kg，夏玉米則分別為10.8、16.8 和12.3 kg/kg。春玉米施用氮、磷、鉀肥的農(nóng)學(xué)效率均高于夏玉米，這主要是因?yàn)榇河衩椎漠a(chǎn)量反應(yīng)高于夏玉米(圖2a)。Dobermann[23]的研究顯示，現(xiàn)代作物生產(chǎn)系統(tǒng)的氮肥農(nóng)學(xué)效率可以達(dá)到20～35 kg/kg，而本研究中歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)所得到結(jié)果距離目標(biāo)仍有一定差距，其主要原因與我國玉米主產(chǎn)區(qū)的施肥量高，農(nóng)民在施肥中沒有考慮土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分有很大關(guān)系。

玉米產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率間存在顯著的二次曲線關(guān)系(圖3)，隨著產(chǎn)量反應(yīng)的不斷增加，農(nóng)學(xué)效率隨之增加，但當(dāng)產(chǎn)量反應(yīng)增加到一定程度時(shí)，農(nóng)學(xué)效率的增加幅度逐漸降低。此關(guān)系式中應(yīng)用的是優(yōu)化施肥處理所得到的農(nóng)學(xué)效率，且包含了不同的環(huán)境條件、地力水平和玉米品種信息等，因此可以依此產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率之間的關(guān)系建立施肥推薦方法。本研究結(jié)果顯示春玉米和夏玉米的N 和K 的產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率曲線較為接近，只是在較高的產(chǎn)量反應(yīng)時(shí)才表現(xiàn)出一定差異，說明春玉米具有較高的產(chǎn)量反應(yīng)分布。而對(duì)P 曲線而言，在相同目標(biāo)產(chǎn)量下夏玉米的產(chǎn)量反應(yīng)較低，但農(nóng)學(xué)效率較高，說明獲得目標(biāo)產(chǎn)量所需磷肥用量較少，這與冬小麥-夏玉米的輪作體系有關(guān)，如在華北冬小麥-夏玉米輪作體系中，冬小麥季的施磷量要顯著高于夏玉米季[24-26]，導(dǎo)致其在玉米季具有較高的磷素殘效。

圖3 玉米產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率關(guān)系Fig.3 The relationship between yield response and agronomic efficiency of maize

2.3 相對(duì)產(chǎn)量

確定產(chǎn)量反應(yīng)是養(yǎng)分專家系統(tǒng)進(jìn)行推薦施肥的重要步驟，然而產(chǎn)量反應(yīng)通常需要通過設(shè)置田間缺素試驗(yàn)才能獲得，在一些沒有開展過田間試驗(yàn)的地區(qū)則需要對(duì)土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)能力進(jìn)行評(píng)估。相對(duì)產(chǎn)量將整個(gè)土壤的養(yǎng)分供應(yīng)看作一個(gè)“黑箱”，采用地上部的產(chǎn)量表征土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況，具有一定代表性。就全部相對(duì)產(chǎn)量數(shù)據(jù)而言，當(dāng)前我國玉米產(chǎn)區(qū)的土壤氮、磷和鉀養(yǎng)分供應(yīng)強(qiáng)度春玉米分別為73%、86% 和87%，夏玉米分別為79%、87% 和88% (圖4)。為進(jìn)一步進(jìn)行有針對(duì)性的養(yǎng)分管理，采用相對(duì)產(chǎn)量的25th、50th 和75th 百分位數(shù)分別表征基礎(chǔ)地力的低、中和高水平，用于求算產(chǎn)量反應(yīng)。當(dāng)數(shù)據(jù)量增加到一定程度時(shí)，即使再增加數(shù)據(jù)量，不同等級(jí)的相對(duì)產(chǎn)量參數(shù)變化不大。在缺少田間缺素試驗(yàn)情況下，應(yīng)用相對(duì)產(chǎn)量求算產(chǎn)量反應(yīng)并進(jìn)行推薦施肥，很好的解決了土壤測(cè)試條件不具備或不及時(shí)、測(cè)試費(fèi)用高的難題，減少了由于測(cè)試引起的誤差[9-10]。

圖4 玉米相對(duì)產(chǎn)量分布Fig.4 The distribution of relative maize yield

2.4 田間驗(yàn)證

2.4.1 施肥量 圖5 顯示，就總體試驗(yàn)數(shù)據(jù)而言，與FP 處理相比，NE 處理的氮、磷用量分別減少了29.3% (P<0.001) 和17.3% (P<0.001)，但鉀肥用量增加了40.3% (P<0.001)；與ST 處理相比，氮、磷和鉀肥用量分別減少了14.3% (P<0.001)、7.5%(P=0.004)和1.4% (P=0.488)。NE 的減施潛力在春玉米和夏玉米間存在一定差異。與FP 處理相比，NE處理在春玉米上氮、磷肥用量分別降低了22.8%和25.3%，鉀肥用量增加了28.3%；在夏玉米上氮、磷肥用量分別降低了34.0%和6.9%，鉀肥用量增加了55.3%。與ST 處理相比，NE 處理在春玉米上氮、磷肥用量分別降低了9.3%和7.2%，鉀肥用量增加了9.3%；夏玉米上氮、磷和鉀肥用量分別降低了18.2%、7.6%和10.4%。

圖5 不同施肥方法玉米施用量比較Fig.5 Comparison of fertilizer application rate under different methods for maize

FP 處理由于施肥量不平衡導(dǎo)致變異性顯著高于NE 和ST 處理，其高施肥量是低施肥量的2～3 倍。就全部數(shù)據(jù)而言，F(xiàn)P 處理中36.4%的試驗(yàn)點(diǎn)施氮量大于250 kg/hm2，10.8%的試驗(yàn)點(diǎn)大于300 kg/hm2；施磷量中有31.9%的試驗(yàn)點(diǎn)大于100 kg/hm2；而鉀肥用量普遍偏低，其中有49.6% 的試驗(yàn)點(diǎn)小于50 kg/hm2，而有27.1%的農(nóng)戶不施任何鉀肥。隨著機(jī)械化不斷普及和養(yǎng)分管理方法的不斷推廣，農(nóng)民的施肥量也將會(huì)逐漸趨于合理，但當(dāng)前仍有待進(jìn)一步優(yōu)化肥料用量。如吳啟華等[27]在黑土區(qū)的研究顯示，與常規(guī)施磷水平相比，可降低20%的磷肥，同時(shí)維持產(chǎn)量和土壤供磷水平。吉林省中部地區(qū)的氮肥和磷肥平均施用量分別達(dá)到了263.9 和153.5 kg/hm2，且大部分農(nóng)戶是在播前一次性施肥[28]。任寧等[29]在河南省的調(diào)查結(jié)果顯示，農(nóng)民施氮量和施磷量大于180 kg/hm2的分別占到了65.53%和12.46%。

2.4.2 產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益 圖6 顯示，就全部數(shù)據(jù)而言，與FP 和ST 處理相比，NE 處理產(chǎn)量分別增加了0.4 (P<0.001)和0.1 t/hm2(P=0.333)，經(jīng)濟(jì)效益分別增加了797 (P=0.001)和354 元/hm2(P=0.158)。就春玉米數(shù)據(jù)而言，NE 處理顯著提高了玉米產(chǎn)量，較FP 和ST 處理分別增加了0.8 和0.3 t/hm2；NE 處理同時(shí)優(yōu)化了肥料用量，顯著增加了經(jīng)濟(jì)效益，分別增加了1378 和656 元/hm2。與FP 相比，NE 處理增加的經(jīng)濟(jì)效益中有97.9%來自于產(chǎn)量增加效益。就夏玉米數(shù)據(jù)而言，與FP 處理相比，NE 處理產(chǎn)量增加了0.2 t/hm2，但與ST 處理產(chǎn)量相同，均為9.4 t/hm2；NE 處理較FP 和ST 處理的凈效益分別增加了354 和123 元/hm2。與FP 相比，NE 處理增加的經(jīng)濟(jì)效益中有94.9% 來自于產(chǎn)量增加效益，但與ST相比主要來自于節(jié)約肥料花銷。在NE 系統(tǒng)中，倡導(dǎo)4R 養(yǎng)分管理，建議其分次施用，諸多研究亦表明分次施肥可顯著提高生產(chǎn)效率[30-31]。本研究中NE 處理的凈效益已扣除機(jī)械追肥費(fèi)用，而ST 處理中并未去除土壤檢測(cè)費(fèi)用，因此NE 在提高產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益上具有優(yōu)勢(shì)。

圖6 不同施肥方法下玉米產(chǎn)量和凈效益比較Fig.6 Comparison of grain yield and net profit of maize among the fertilization methods

2.4.3 肥料利用率 NE 系統(tǒng)通過優(yōu)化肥料用量和施肥時(shí)期，顯著提高了肥料回收利用率(圖7a)，總體而言，與FP 和ST 處理相比，提高氮肥回收利用率10.6 (P<0.001)和3.8 個(gè)百分點(diǎn) (P<0.001)，磷肥回收利用率8.0 (P<0.001)和3.1 個(gè)百分點(diǎn)(P<0.001)，鉀肥回收利用率9.6 (P<0.001)和3.4 個(gè)百分點(diǎn)(P=0.036)。就不同種植季節(jié)類型玉米而言，與FP 處理相比，NE 處理的氮、磷、鉀肥回收利用率春玉米分別提高了11.6、13.4 和12.6 個(gè)百分點(diǎn)，夏玉米分別提高了10.6、1.7 和6.7 個(gè)百分點(diǎn)。而與ST 處理相比，春玉米氮、磷、鉀肥回收利用率分別提高了5.4、5.5 和4.8 個(gè)百分點(diǎn)，夏玉米分別提高了3.8、0.4 和2.1 個(gè)百分點(diǎn)。

圖7 不同施肥方法玉米肥料利用率比較Fig.7 Comparison of fertilizer use efficiency of maize among the fertilization methods

就全部農(nóng)學(xué)效率數(shù)據(jù)而言(圖7b)，與FP 和ST處理相比，NE 處理分別提高氮肥農(nóng)學(xué)效率4.6 (P<0.001) 和2.0 kg/kg (P<0.001)，磷肥農(nóng)學(xué)效率6.5(P<0.001)和1.5 kg/kg (P=0.026)，鉀肥農(nóng)學(xué)效率0.8(P=0.344)和0.3 kg/kg (P=0.732)。NE 系統(tǒng)在春玉米上的效果要高于夏玉米。對(duì)于春玉米數(shù)據(jù)而言，NE 處理的氮、磷、鉀肥農(nóng)學(xué)效率較FP 處理分別提高了6.3、12.0 和4.3 kg/kg，較ST 處理分別提高了2.5、4.5 和1.7 kg/kg。對(duì)于夏玉米數(shù)據(jù)而言，較FP 處理，NE 處理氮肥、磷肥農(nóng)學(xué)效率分別提高了3.3 和1.1 kg/kg，但降低了鉀肥農(nóng)學(xué)效率，主要是因?yàn)镕P 施鉀量較低；較ST 處理，NE 處理提高了1.6 kg/kg 的氮肥農(nóng)學(xué)效率，但磷肥和鉀肥農(nóng)學(xué)效率無顯著差異。

就全部回收利用率數(shù)據(jù)而言，NE 處理中有22.8%的試驗(yàn)點(diǎn)氮肥回收利用率大于40%，而FP 處理中僅有6.5%；NE 處理中有28.9%的試驗(yàn)點(diǎn)磷肥回收利用率大于30%，而FP 中僅有15.2%；雖然NE 處理的施鉀量大于FP 處理，但NE 處理中鉀肥回收利用率大于50% 的占全部試驗(yàn)數(shù)量的36.5%，而FP 處理僅占27.7%。隨著養(yǎng)分專家系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，其氮肥回收利用率也在不斷增加，如2010—2013、2014—2016 和2017—2019 年試驗(yàn)點(diǎn)的平均氮肥回收利用率分別為29.0%、34.7%和38.8%。就全部農(nóng)學(xué)效率數(shù)據(jù)而言，NE 處理中氮、磷和鉀農(nóng)學(xué)效率大于20 kg/kg 的分別占到了全部試驗(yàn)數(shù)量的20.3%、33.3%和21.4%，而FP 中分別僅有6.6%、15.1%和18.1%。

依據(jù)土壤測(cè)試進(jìn)行施肥推薦，可以增加作物產(chǎn)量并提高肥料利用效率，并有助于構(gòu)建施肥管理體系[24,32]，然而僅僅依靠單一的土壤測(cè)試進(jìn)行點(diǎn)位養(yǎng)分管理具有很大不確定性[33]，如存在工作量大、土壤測(cè)試繁瑣、茬口緊應(yīng)用不及時(shí)等方面的挑戰(zhàn)，應(yīng)用成本較高。作物吸收的養(yǎng)分主要來自于肥料和土壤，而土壤中的養(yǎng)分來自于土壤礦化、大氣沉降和灌溉水等，這部分來自于土壤和環(huán)境中的養(yǎng)分都應(yīng)加以考慮和利用，這就需要一些合理參數(shù)來反映其作用，尤其是氮素。產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率這兩個(gè)參數(shù)可以分別表征土壤的養(yǎng)分豐缺和施肥效應(yīng)情況，且二者存在著顯著的關(guān)系(圖3)，是推薦施肥的重要指標(biāo)，其省卻了土壤和植株養(yǎng)分測(cè)試的步驟，精簡(jiǎn)高效。NE 處理中的推薦施肥和養(yǎng)分管理采用的是4R養(yǎng)分管理策略，最大限度地優(yōu)化養(yǎng)分供給和作物需求間的關(guān)系，以達(dá)到養(yǎng)分平衡[11]。除此之外，NE 系統(tǒng)依據(jù)作物的養(yǎng)分需求動(dòng)態(tài)調(diào)整施肥量，其調(diào)整的依據(jù)則是每年或者每季的產(chǎn)量反應(yīng)和養(yǎng)分平衡，而不是一個(gè)恒定的施肥量。而將數(shù)據(jù)集分為春玉米和夏玉米則是依據(jù)每個(gè)區(qū)域的氣候特征形成不同的養(yǎng)分管理策略。隨著信息技術(shù)進(jìn)步，NE 系統(tǒng)已由起初的電腦單擊版發(fā)展為現(xiàn)在只需關(guān)注微信公眾號(hào)即可使用的養(yǎng)分管理系統(tǒng)，其界面更加簡(jiǎn)潔，操作更加方便，這也是NE 系統(tǒng)向智能化推薦施肥邁出的重要一步。

與FP 處理相比，NE 處理在春玉米上無論是產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，還是養(yǎng)分利用率的提高幅度都大于夏玉米，這是因?yàn)榇河衩追N植區(qū)FP 一次性施肥導(dǎo)致玉米生長后期出現(xiàn)比較嚴(yán)重的脫肥現(xiàn)象，而NE 處理雖然降低了肥料用量，但分次施肥保障了玉米生長后期的養(yǎng)分需求；而夏玉米生育期短，農(nóng)民的過量施肥及較高的土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)導(dǎo)致增產(chǎn)效果不顯著，這需要結(jié)合整個(gè)輪作體系開展相關(guān)研究工作。本研究中所獲得的肥料利用率高于一些研究結(jié)果，且隨著NE 系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，其利用率也得到了不斷提升[25]。事實(shí)上，隨著NE 系統(tǒng)田間試驗(yàn)與示范的開展，無形中也影響到農(nóng)民的施肥措施，其肥料回收利用率也在不斷提高，如2010—2013、2014—2016和2017—2019 年的FP 平均氮肥回收利用率分別為18.1%、23.0%和27.5%。但好的養(yǎng)分管理方法仍需要配套相應(yīng)措施，才能起到真正意義上的減施增效，如肥料深施[34]、高效肥料品種[35]，合理的控釋肥摻混比例[36]、有機(jī)無機(jī)肥配合施用[37]、養(yǎng)分協(xié)同[38]、水肥耦合[39]等。

3 結(jié)論

基于作物產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)以田間試驗(yàn)大數(shù)據(jù)為支撐，采用QUEFTS 模型分析了不同種植季節(jié)類型玉米最佳養(yǎng)分吸收，以及產(chǎn)量反應(yīng)、農(nóng)學(xué)效率和相對(duì)產(chǎn)量等參數(shù)，建立了簡(jiǎn)便易操作的推薦施肥方法，同步養(yǎng)分供給和作物養(yǎng)分需求，時(shí)效性強(qiáng)。多年多點(diǎn)田間試驗(yàn)從產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益和肥料利用率方面的驗(yàn)證結(jié)果表明，玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了小農(nóng)戶不具備測(cè)試條件下的肥料推薦，是一種操作簡(jiǎn)便、適應(yīng)范圍廣泛、容易推廣的推薦施肥系統(tǒng)。