养分专家推荐施肥对山西小麦产量、效益及养分利用效率的影响

赵萍萍，王宏庭，于志勇，崔宝玉，贾俊芳

（1.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031；2.襄汾县农作物原种场，山西襄汾041500）

肥料是作物的“粮食”，在作物生产中发挥着不可替代的支撑作用，但过量或不合理施肥往往会造成资源浪费和肥料利用率低下，对环境产生不良影响，因此，用好肥料资源、提高肥料利用效率是关系到国家粮食安全和环境质量的重大科技问题[1]。测土施肥技术[2-7]的推广应用对肥料养分的平衡施用发挥了较大作用，取得了较大的成就，但在我国人多地少、高度分散经营、土壤养分空间变异大、复种指数大、倒茬时间紧的农业生产体系中应用，往往受技术、资金、人力、时效性等因素的影响，仍有其特殊的难度，存在许多不足。Nutrient Expert（NE）养分专家系统是一款基于计算机软件的施肥决策系统，是近几年由中国农业科学院农业资源和农业区划研究所和国际植物营养研究所（IPNI）共同牵头，国内多家科研院所近百人共同参与研发的作物推荐施肥平台，能够针对某一具体地块或操作单元给出个性化的施肥方案，可以满足当前农业生产条件下的不同用户（技术推广人员、种植大户、家庭农场、专业种植合作社及农民）的需求，具备简单、实用、便于操作的特点[8]。目前，养分专家系统已在国内多个省份开展验证应用[9-13]。冬小麦是山西省最重要的粮食作物。据统计，2016 年小麦的播种面积为67.294 万hm2（占粮食作物播种面积的20.76%），小麦总产为273.41 万t（占粮食总产的比例为20.74%）[14]，一些学者的研究表明，肥料的平衡施用是提高山西小麦产量的重要措施[15-17]。

本研究总结了小麦养分专家系统的推荐施肥在山西冬小麦主产区临汾市尧都区和襄汾县的3 a应用效果，对冬小麦产量、收益、养分吸收及肥料利用率进行了分析，以便为该系统在山西大面积的推广应用提供理论依据和实践指导。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

临汾市是山西省冬小麦的主产区，属半干旱温带大陆性气候，多年平均气温在12.6 ℃左右，多年平均降水量为486 mm，无霜期190 d 左右。试验选择在临汾市襄汾县西贾乡义顺村、襄汾县农作物原种场和尧都区乔李镇南麻村进行，土壤类型均为石灰性褐土，质地为中壤。

1.2 试验材料

基于养分专家模型推荐和基于测土推荐所用肥料均为尿素（46%N）、粒状过磷酸钙（12%P2O5）和氯化钾（60%K2O），农民习惯施肥为复合肥。供试冬小麦品种为当地适播高产品种，如济麦22 号、舜麦1718 和临麦8050 等。

1.3 试验方法

试验前实地调查收集了农户试验地块近3 a 的冬小麦产量、习惯施肥用量、小麦品种、灌溉量等信息，采集了不同农户0～20 cm 耕层土壤样品，用常规方法[18]分析了供试土壤的理化性质。不同年份、不同农户的土壤理化性质统计列于表1。

试验以田间小区方式进行，共设7 个处理，分别为：FP.农民习惯施肥；ST.基于土壤测试的肥料推荐或当地农业部门的推荐量；NE.基于养分专家模型的肥料推荐；NE-N. 在NE 基础上不施氮肥；NE-P. 在NE 基础上不施磷肥；NE-K. 在NE 基础上不施钾肥；CK.不施任何肥料。试验处理不设重复，随机排列，小区面积50 m2。不同试验年份、不同农户施肥方案统计如表2 所示。

表1 3 a 供试土壤的平均理化特性

表2 不同年份不同农户试验的平均施肥量 kg/hm2

冬小麦于每年10 月中旬播种，翌年6 月中旬 收获。农民习惯施肥全部基施，个别农户在小麦返青期追施尿素；其他试验处理的肥料按推荐方案施用，磷钾肥和45%的氮肥于播前撒施作基肥施用，55%的氮肥于翌年3 月下旬小麦返青期结合中耕以条施方式施用或撒施结合灌溉施用。冬小麦生长期间，浇入冬水、返青水和抽穗水各一次，锄草、治虫按当地习惯。试验收获时各处理分别采集植株样品，采用常规方法[18]分析植株的全氮、全磷和全钾含量。

2011—2012 年小麦生长季在11 个农户承包地开展完成了冬小麦试验11 个；2012—2013 年小麦生长季在18 个农户承包地开展完成冬小麦试验18 个；2013—2014 年小麦生长季在10 个农户承包地开展完成冬小麦试验10 个，3 个小麦生长季共完成冬小麦试验39 个。

1.4 数据分析

数据处理采用Excel 2010 和SPSS 10.0 软件进行了统计分析。

氮（磷、钾）肥效应＝施用氮（磷、钾）肥的产量-不施氮（磷、钾）肥的产量 （1）

产投比＝小麦产量×小麦价格/（氮肥施用量×氮肥价格＋磷肥施用量×磷肥价格＋钾肥施用量×钾肥价格） （2）

吸氮（磷、钾）量（kg/hm2）＝小麦籽粒干物质量×籽粒中氮（磷、钾）含量＋小麦秸秆干物质量×秸秆中氮（磷、钾）含量 （3）

氮（磷、钾）养分的内部效率（kg/kg）＝产量/氮（磷、钾）吸收量 （4）

氮（磷、钾）肥偏生产力（kg/kg）＝产量/氮（磷、钾）施用量 （5）

氮（磷、钾）肥农学效率（kg/kg）＝施肥效应／氮（磷、钾）施用量 （6）

氮（磷、钾）养分的回收率＝（施氮（磷、钾）区吸收量-不施氮（磷、钾）区吸收量）/氮（磷、钾）施用量×100% （7）

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对冬小麦产量的影响

作物产量是评价肥料施用效果的重要参数。从表3 可以看出，不同农户、不同施肥处理的冬小麦产量在不同年份均存在一定差异。从冬小麦3 个生长季的平均产量看，2013 年各处理产量均表现较高，2014 年产量表现较低，2012 年产量表现居中；就小麦产量的变异程度而言，各处理以2013 年产量变异最小，而2012，2014 年产量变异均较大，这主要受农户间的地力差异和气候因子影响。从每个年份的养分专家推荐量NE 处理、测土施肥推荐量ST 处理与农民习惯用量FP 处理的产量比较看，均存在一定差异，但产量差异均未达5%的统计检验显著水平，3 a 总平均表现为ST＞FP＞NE，产量差异也未达显著水平。这表明基于养分专家系统的推荐施肥和基于土壤测试的推荐施肥在每个年份均可以取得与农民习惯施肥相当的小麦产量，但与农民习惯施肥相比，2 种推荐方法的氮、磷化肥用量均减少，钾肥用量则略有增加，其中，NE 较FP 平均减氮104 kg/hm2（38.2%），减磷29 kg/hm2（26.1%），增钾38 kg/hm2（135.7%）；ST 较FP 平均减氮67 kg/hm2（24.6%），减磷25 kg/hm2（22.5%），增钾47 kg/hm2（167.8%）。可见，NE 和ST 的养分施用较农民习惯更趋平衡，具有明显的减肥效果，而且NE 的减施氮肥效果更为明显。

表3 不同施肥处理对冬小麦产量的影响

不施肥处理（CK）的产量可以用来表征不同农户地力的高低。从表3 可以看出，不同农户、不同年份的CK 产量均存在一定变异，2013 年的地力产量平均值较高，为7 482 kg/hm2，农户间变异较小，为15.3%。2012 年的地力产量表现较低，为6624kg/hm2，农户间变异较大，为22.4%，2014 年表现居中，3 a试验CK 的产量平均仅为7 057 kg/hm2，变异系数达18.6%。NE-N、NE-P、NE-K 处理的小麦产量在同一年份与NE 处理相比，产量也有不同程度的降低，其中，NE-N 处理较NE 处理产量在不同年份的减产幅度均明显较大，而NE-P 和NE-K 处理产量与NE 处理比较，仅2013 年达到显著水平，其他年份未达显著水平。这表明氮磷钾养分的平衡施用是冬小麦增产的重要保障措施，同时也是保持产量稳定的重要措施。

用NE 处理与NE-N、NE-P、NE-K 处理产量的差值，可以分别表征氮、磷、钾肥的施肥效应。由表4可知，氮、磷、钾的施肥效应在不同试验农户间、不同年份均存在差异。氮肥施用的效应在每个年份均表现相对较大，以2012 年氮肥效应为最大，平均为1 359 kg/hm2，农户间变异为38.9%；2014 年氮肥效应最小，平均为860 kg/hm2，变异系数为46.6%；3 个生长季的氮肥效应平均值为1 209 kg/hm2（n＝39），变异系数平均为41.9%。磷肥施用的效应总体上低于氮肥，平均为582 kg/hm2，变异系数平均为50.6%。钾肥施用的效应基本与磷肥表现大体一致，平均为520 kg/hm2，但变异系数表现最大，平均达88.1%。这说明当前限制山西临汾冬小麦产量的养分因子表现为N＞P≈K，这与当地土壤磷钾养分较高（表1）相一致。

表4 不同年份氮、磷、钾肥的平均效应

2.2 3 种施肥处理对冬小麦施肥收益的影响

产投比为产出与投入的比值，是用来衡量施肥收益的静态指标，在收益相当的情况下，投入越少，产投比越大。由表5 可知，不同年份的3 种施肥处理的小麦产投比存在差异，对每一年份而言，3 个处理的产投比均显现为NE＞ST＞FP，且NE 处理显著高于FP 处理。3 a 平均结果显示，NE 处理的产投比为10.5∶1，ST 处理的产投比为9.2∶1，均显著高于农民习惯施肥FP 处理（8.3∶1）。从产投比的变异程度看，ST 处理产投比的变异程度较NE 处理略高，均明显低于FP 处理。这就表明养分专家推荐与测土施肥推荐均可以帮助农民减少投入，增加收益，增加收益的稳定性。

表5 3 种施肥处理的产投比（VCR）比较

2.3 3 种施肥处理对养分吸收及养分效率的影响

2.3.1 3 种施肥处理对氮磷钾养分吸收的影响施肥在于促进氮磷钾养分的吸收，进而获得产量。由表6 可知，FP、ST、NE 这3 种施肥体系下氮、磷、钾养分吸收在每年都没有显著差异，与3 个处理的产量表现一致。这表明FP 处理投入较高量的氮、磷肥并没有增加氮、磷、钾养分吸收，ST 处理和NE 处理的施肥量较FP 处理少，却均获得与FP 处理相当的氮、磷、钾养分吸收量，这也暗示ST 和NE 处理较FP 处理有较高的养分利用效率。

表6 3 种施肥处理对氮磷钾养分吸收的影响 kg/hm2

2.3.2 3 种施肥体系的养分内部效率及偏生产力比较 养分内部效率和偏生产力均是表征养分利用效率的参数，可以用来表征不同施肥体系的养分效率。其中，养分的内部效率表征的是每吸收1 kg某养分获得的产量，偏生产力表征的是每施用1 kg某肥料养分获得的产量。由表7 可知，3 种施肥体系下的氮、磷、钾养分平均的内部效率差异较小，表明3 种施肥体系的养分吸收利用的机制是一致的。从养分的平均偏生产力看，3 种施肥体系的磷养分的偏生产力之间没有显著性差异，但FP 处理变异较大，这与农户间磷肥施用的盲目性和随意性有关，ST 和NE 处理的变异相对较小；3 种施肥体系的氮养分的平均偏生产力之间存在显著差异，NE处理的氮肥平均偏生产力最高，达50.4 kg/kg，其次为ST 处理，为41.3 kg/kg，FP 处理的氮肥偏生产力最低，为32.3 kg/kg；3 种施肥体系钾肥的平均偏生产力也存在显著差异，FP 处理显著高于ST 和NE处理，ST 和NE 处理比较，NE 处理略高于ST 处理，但未达显著水平。FP 处理的钾肥偏生产力高的原因是农民施钾数量较少所致。

表7 3 种施肥处理的养分内部效率及肥料的偏生产力比较 kg/kg

2.3.3 养分专家系统推荐的氮磷钾养分回收率和农学效率 肥料养分回收率和农学效率也是评价肥料有效性的重要指标，氮、磷肥效率的高低是影响环境质量的重要因子，氮、磷肥施用效率高，对环境的影响相对较小，反之则影响较大。由表8 可知，NE 处理的氮肥回收率在不同年份表现基本一致，3 a 平均为33.9%；磷肥的回收率不同年份略有差异，2012 年表现较高，2013 年表现较低，2014 年居中，3 a 平均为14.9%；钾肥的回收率与磷肥的回收率表现不同，2013 年较高，其次为2014 年，2012 年较低，3 a 平均为48.9%。就肥料的农学效率而言，不同年份、不同肥料养分均存在一定差异。2012 年的氮肥农学效率表现较高，2014 年表现较低，2013 年居中；2014 年的磷肥的农学效率表现较高，2013 年表现较低，2012 年居中；钾肥农学效率较同年的氮、磷养分的农学效率略低，平均在5.9～6.4 kg/kg。不同农户3 a 平均氮、磷、钾农学效率分别为7.6，7.5，6.2 kg/kg。

表8 养分专家系统推荐NE 的养分回收率和农学效率

3 结论与讨论

在农田生产条件下，作物生长发育往往受水、肥、气、热及栽培管理措施等因素的影响，在栽培管理措施相对一致的情况下，肥料投入的多少一定程度上影响作物的产量和收益，但肥料的投入多少与产量的关系并不是简单的正比关系。本研究3 a 完成的39 个试验中的NE 和ST 处理的氮、磷施肥量均显著低于FP 处理，但获得了与FP 处理相当的产量，有力证明了这一点。农民习惯盲目施肥，不注重养分的平衡施用，并不能带来高收益，这从施肥产投比明显的比较结果NE＞ST＞FP 得到证实。这与一些学者在河南、河北、山东开展小麦养分专家系统应用取得的结果一致[9-11]，也进一步表明只有合理施肥才是保障高产和高收益的关键。

作物的养分吸收是土壤养分供应和肥料养分供应的综合效应。3 种施肥体系下小麦产量间没有显著性差异，氮、磷、钾养分吸收量的差异也未达显著水平，表明在一定生产条件下，获得一定小麦产量的养分需求量是相对稳定的，这也可从3 种施肥体系下氮、磷、钾养分利用的内部效率间没有显著性差异得到验证。但从肥料养分的偏生产力看，3 种施肥体系的氮养分的平均偏生产力存在显著差异，NE 处理的氮肥平均偏生产力最高，达50.4 kg/kg，其次为ST 处理，为41.3 kg/kg，FP 处理的氮肥偏生产力最低，为32.3 kg/kg，这与3 种施肥体系中氮肥投入的显著性差异密切相关，NE 处理推荐施氮量显著低于FP 处理，可以显著增加氮肥的偏生产力效率。从NE 处理推荐的养分回收率看，氮、磷、钾肥当季回收率3 a 平均分别为33.9%，14.9%和48.9%，均略高于张福锁等[19]报道的氮肥回收率（28.2%）、磷肥回收率（10.2%）和钾肥回收率（30.3%）。就农学效率而言，氮、磷、钾农学效率3 a 平均分别为7.6，7.5，6.2 kg/kg，与张福锁等[19]报道的氮、磷、钾农学效率分别为8.0，7.3，5.3 kg/kg 相近。

基于小麦养分专家系统（NE）推荐和基于测土推荐施肥（ST）与农民习惯施肥相比，产量差异不明显，但均显著降低了施氮量和施磷量，适当增加了钾肥的投入量，较好地实现了农田养分平衡，保障了农业可持续发展。在当前以农户经营为主的农业生产中，小麦养分专家系统推荐因其不需要进行土壤取样、测试分析，方法简便易行，有其独特的特点，能够在保证不减产的前提下有效地降低农户农田养分投入量，降低过量投入化肥带来的环境风险。因此，小麦养分专家系统是一款简单、实用的养分推荐方法，而且也可以作为测土配方施肥技术的补充，具有非常广阔的应用前景。