水稻(Oryza sativa)是我国播种面积最大、总产最多、单产最高的粮食作物, 在我国粮食生产和消费中一直处于主导地位^[1]。苏北地区是国家大型商品粮基地——黄淮平原的重要组成部分, 调查数据显示, 2015年苏北地区水稻种植面积为128.37万hm², 占江苏省水稻种植面积的57.29%^[2]。化肥在我国粮食增产中发挥了重要作用, 自1978年后伴随着化肥用量快速上升, 农作物单产和总量也大幅度提高^[3]。农民为了获得作物高产, 不合理甚至盲目过量施肥现象相当普遍^[4]。目前, 我国肥料的当季利用率氮肥为30%~35%, 磷肥为10%~25%, 钾肥为35%~50%^[5]。Sui等^[6]在江苏的研究表明, 农民在水稻季的平均施氮量达290 kg(N)·hm^-2, 其氮素农学效率仅有4.9~ 6.0 kg·kg^-1。苏北地区有57%的农户施氮过量^[7]。从经济角度看, 肥料施用量如果超出适宜用量, 边际产量将小于边际成本, 从而直接导致经济损失^[8]。刘钦普^[9]对江苏氮磷钾化肥投入的面源污染环境风险进行了评价, 结果表明, 对氮肥而言, 苏北地区盐城、淮安和宿迁3市处于重度风险; 对磷肥而言, 苏北地区连云港和宿迁处于重度环境风险; 苏北地区氮磷钾肥比例严重失调, 其中盐城钾肥施用明显不足。过多的肥料损失已经对环境产生了负面影响并导致粮食产量的停滞不前^[10]。过量施用的氮肥会通过挥发、淋溶和径流等途径损失, 导致肥料利用率较低^[11], 同时还会造成稻米品质下降, 生产成本增加, 生态环境污染^[12-13]。因此对苏北地区水稻区进行科学施肥十分必要。

目前国内外推荐施肥方法主要有以土壤测试为基础的测土推荐施肥(如目标产量法、养分丰缺指标法和地力分级法等)和以作物反应为基础的推荐施肥(如叶色卡法/高光谱遥感分析/地上部冠层营养诊断法和肥料效应函数法等)^[14-15], 这些方法大多需要进行土壤或植物取样、实验室分析, 耗时费力, 且难以形成“点对点”的推荐施肥, 在我国目前农户和小地块条件下难以进行推广应用^[16-17]。

养分专家系统(nutrient expert system, NE)推荐施肥是以改进的SSUM (site-specific nutrient management)和QUEFTS(quantitative evaluation of the fertility of tropical soils)模型参数为指导的养分管理和推荐施肥方法, 同时考虑大、中微量元素的全面平衡, 并应用计算机软件技术把复杂和综合的养分管理原则智能化形成可为当地技术推广人员掌握的养分专家推荐施肥系统^[14]。养分专家系统根据土壤性状、产量目标及养分管理措施等信息, 给出合理的氮磷钾配比, 可以做到“点对点”的推荐施肥, 有效避免了不同地块间土壤肥力等条件的差异^[17], 并能在保持作物产量不降低或略有增加的情况下大幅度降低氮肥推荐施肥量, 提高养分利用率^[18]。目前有关养分专家系统推荐施肥在东北和华北地区使用较为广泛^{[15, 17, 19-20]}。苏北地区水稻面积大, 目前仍未展开适地研究。本研究分析了养分专家系统推荐施肥对水稻产量、经济效益、养分吸收、肥料利用率以及土壤养分含量的影响, 以期明确水稻养分专家系统的推荐施肥效果, 为苏北地区水稻的科学施肥提供理论和技术依据。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

试验于2018年在江苏省盐城市大丰区川东农场进行。该地区位于亚热带与暖湿带的过渡地带, 四季分明, 气温适中, 雨量充沛, 适宜喜湿作物的生长。年平均气温14.1 ℃, 无霜期213 d, 常年降水量1 042.2 mm, 日照2 238.9 h。试验田土壤类型为水稻土, 土壤质地为砂壤土, 成土母质为海相沉积母质, 肥力水平中高级。试验前土壤基本理化性质为pH 7.4, 有机质18 g·kg^-1, 全氮1.5 g·kg^-1, 全磷1.1 g·kg^-1, 全钾1.7 g·kg^-1, 有效磷82.4 mg·kg^-1, 速效钾135.7 mg·kg^-1。

1.2 试验设计

供试水稻品种为‘淮稻5号’(由江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所于2000年育成)。试验设5个处理: NE为养分专家系统的推荐氮磷钾肥施用量(N, 250 kg·hm^-2; P₂O₅, 75 kg·hm^-2; K₂O, 120 kg·hm^-2), 氮肥以3:3:2:2的比例分别作为基肥、分蘖肥、平衡肥、促花肥施入, 磷肥在基肥时一次性施入, 钾肥以1:1:1的比例分别在基肥、平衡肥、促花肥时施入; NE-N为在NE处理基础上不施氮肥; NE-P为在NE处理基础上不施磷肥; NE-K为在NE处理基础上不施钾肥; FP为农民习惯施肥(N, 354 kg·hm^-2; P₂O₅, 78 kg·hm^-2; K₂O, 78 kg·hm^-2), 氮肥以26%、15%、19%、15%、25%的比例作为基肥、返青肥、分蘖肥、平衡肥、促花肥施入, 磷肥和钾肥均以1:1比例作为基肥、促花肥施入。各处理均为3次重复, 随机区组排列, 小区面积为205 m²。试验用氮肥为尿素(N 46%), 磷肥为过磷酸钙(P₂O₅ 16%), 钾肥为硫酸钾(K₂O 50%), 复合肥为15-15-15复合肥。其中, NE、NE-N、NE-P、NE-K处理的氮、磷、钾肥施用量、施用比例及施用时间根据作物品种、土壤肥力状况、上年产量、施肥量、施肥次数、秸秆还田状况等信息的输入, 通过养分专家系统计算得出。所有处理依据养分专家推荐施肥结果, 基肥于6月16日在水稻移栽前施入土壤, 追肥为表面撒施, 其中返青肥、分蘖肥、平衡肥、促花肥分别于7月2日、7月10日、7月18日、7月27日撒施。田间管理按当地农民种植习惯进行。6月19日移栽, 11月1日收获。不同处理具体施肥量见表 1。

1.3 样品采集与测定

在水稻种植前和收获后按照5点取样法用土钻分别采集0~20 cm耕层土, 去除植物与残体和根系, 混合后分成两部分放入自封袋带回实验室测定。一部分鲜样用于测定土壤含水率, 铵态氮、硝态氮含量; 另一部分放置于阴凉通风处风干, 经研磨过筛后用于测定土壤全氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾、有机质含量以及pH、电导率。土壤全氮采用凯氏定氮法测定; 土壤全磷全钾采用浓HNO₃-H₂O₂消解ICP法测定; 土壤铵态氮、硝态氮采用氯化钾浸提后分光光度法测定; 有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼酸铵比色法测定; 速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定。

在水稻收获期, 每小区选3点各收获1 m²水稻(地上部分), 装入尼龙网袋, 晒干, 脱粒称质量, 以含水量14%折算小区产量。同时分别采取10株各小区代表性的水稻植株的地上部分, 分为籽粒和秸秆两部分, 晒干粉碎后备用。采用凯氏定氮法测定植株全氮含量, 浓HNO₃-H₂O₂消解ICP法测定植株全磷全钾含量。

1.4 数据处理与计算方法

$ 肥料增产率(\%)=(施肥区籽粒产量-减素区籽粒产量)/减素区籽粒产量 $

(1)

$ 肥料农学效率(\rm {kg·kg}^{-1})＝(施肥区籽粒产量-减素区籽粒产量)/施肥量 $

(2)

$ 肥料偏生产力(\rm {kg·kg}^{-1})=稻谷产量/施肥量 $

(3)

$ 籽粒养分积累量(\rm {kg·kg}^{-2})=籽粒干重×籽粒养分含量 $

(4)

$ 秸秆养分积累量(\rm {kg·kg}^{-2})=秸秆干重×秸秆养分含量 $

(5)

$ 肥料回收利用率(\%)=(施肥区植株地上部养分积累量-减素区植物地上部养分积累量)/施肥量 $

(6)

$ 产投比=纯收益/化肥投入 $

(7)

试验数据采用Excel 2016软件对试验数据进行处理, SPSS22软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比较(LSD法), Origin 2017软件作图。

2 结果与分析 2.1 不同施肥处理对水稻产量和经济效益的影响

由表 2可以看出, 基于养分专家系统推荐施肥处理NE的水稻产量最高, 达7 891 kg·hm^-2, 其次为农民习惯施肥FP处理。NE处理比FP处理产量提高2.2%, 但未达显著水平; 而FP处理比NE处理多施N 104 kg·hm^-2, 造成了肥料的浪费。减氮处理(NE-N)、减磷处理(NE-P)、减钾处理(NE-K)的产量分别为6 300 kg·hm^-2、6 990 kg·hm^-2、6 685 kg·hm^-2, 与NE处理相比, 缺氮处理减产20.16%, 缺磷处理减产11.41%, 缺钾处理减产15.28%。通过计算, 可知NE处理的氮肥增产率为25.25%, 磷肥增产率为12.89%, 钾肥增产率为18.04%, 氮钾肥增产效果更为明显。

从经济效益方面看, 5种施肥处理中, NE处理可明显增加水稻的收益和纯收益, NE的纯收益分别较NE-N、NE-P和NE-K增加5 449元·hm^-2、3 280元·hm^-2和4 224元·hm^-2, NE的收益和纯收益较FP分别增加2.2%和6.2%, 且产投比显著提高57.6%。

2.2 不同施肥处理对水稻氮磷钾吸收利用的影响

氮磷钾肥配施能提高水稻中氮磷钾养分积累量。对于水稻籽粒而言(图 1A), 不同处理中, FP处理氮积累量最大, 为114.65 kg·hm^-2; NE处理磷、钾积累量最大, 分别为21.48 kg·hm^-2和18.56 kg·hm^-2。其中, NE处理的钾积累量比FP显著增加51.63%, 氮和磷积累量与FP处理相比有所变化但在统计学上未达到显著性。NE-N的氮积累量与NE相比显著降低21.85%; NE-P的氮、磷、钾积累量比NE均有一定程度的减少但差异性不显著; NE-K的钾积累量与NE相比显著降低24.20%。

对于水稻秸秆而言(图 1B), 不同处理中, FP处理氮、磷积累量最大, 分别为78.07 kg·hm^-2和14.84 kg·hm^-2; NE处理钾积累量最大, 为120.48 kg·hm^-2。其中, NE-N处理的氮、磷、钾积累量在各处理中均为最低。

2.3 不同施肥处理对肥料利用效率的影响

肥料偏生产力是指用某一特定肥料下的作物产量与施肥量的比值, 是反映当地土壤基础养分水平和化肥施用量综合效应的重要指标。本研究中, NE处理的氮肥偏生产力显著高于其他处理(表 3), 为31.65 kg·kg^-1, 比FP处理高44.77%; NE处理的磷肥偏生产力为105.21 kg·kg^-1, 显著高于NE-N处理和NE-K处理, 虽然NE处理比FP处理高6.32%, 但两者在统计学上差异性不显著; NE处理的钾肥偏生产力为65.75 kg·kg^-1, 分别比NE-N处理和NE-P处理高25.24%和12.88%, 但显著低于FP处理(低33.55%), 这与FP处理的钾肥施用量较养分专家系统推荐的钾肥施用量低35%有关。

农学效率作为评价肥效的指标之一, 与土壤养分、肥料用量和养分管理等方面息息相关。NE处理磷肥农学效率最高(表 3), 为12.01 kg·kg^-1; 钾肥次之, 为10.05 kg·kg^-1; 氮肥最低, 为6.36 kg·kg^-1。而与FP处理相比, NE处理的氮肥和磷肥农学效率有增加趋势, 钾肥农学效率略有减少, 但二者并不存在显著性差异。本试验中, NE处理的氮肥和钾肥回收利用率分别比FP处理显著提高4.91%和19.35%, 而磷肥回收利用率与FP处理相近。

3 讨论 3.1 养分专家系统推荐施肥与产量以及经济效益的关系

营养元素的均衡施用是实现水稻高效生产的关键技术。试验结果表明, 氮和钾分别是本地区水稻产量的前两大限制因素。NE处理与FP处理相比, 在减少当季氮肥投入量约30%的情况下, 水稻产量基本保持不变, 这与薛利红等^[21]提出的在太湖地区减少20%~40%的氮肥投入水稻不会减产的结论相符。侯云鹏等^[19]研究报道在东北地区养分专家系统推荐施肥相比农民习惯施肥能够增产1.37%~4.72%, 与本试验NE处理较FP处理水稻增产率为2.2%的结果一致。

此外, 由于养分专家系统具备精准、便捷、时效性强的突出优势, 目前已经被广泛应用于不同土壤类型、不同作物品种的推荐施肥中。王宜伦、贾良良、杨富强等^{[15-16, 22]}分别在小麦(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)、大豆(Glycine max)等作物上开展了养分专家系统的应用研究, 均发现养分专家系统能够有效增产2.6%~11.2%。并且与测土配方施肥^[23]相比, 本试验NE处理水稻产量提高79~715 kg·hm^-2。因此养分专家系统推荐施肥在操作便利、方案详实的基础上能够增产增收。

3.2 养分专家系统推荐施肥与肥料利用率的关系

肥料利用率和农学效率是反映作物、土壤、肥料之间关系的动态参数, 是科学施肥的重要参考指标^[24-25]。张福锁等^[26]对2001—2005年全国粮食主产区肥料利用率进行了分析研究, 结果显示, 水稻氮、磷、钾肥农学效率分别为10.4 kg·kg^-1、9.0 kg·kg^-1和6.3 kg·kg^-1; 回收利用率分别为28.3%、13.1%、32.4%。闫湘等^[27]研究结果显示, 我国水稻平均施肥量为294.8 kg·hm^-2, 氮、磷、钾肥农学效率分别为11.3 kg·kg^-1、9.1 kg·kg^-1和7.2 kg·kg^-1; 回收利用率分别为27.3%、13.0%和28.1%。江苏氮肥农学效率普遍低于全国平均水平, 氮肥农学效率最低为6.4 kg·kg^-1[28]。苏北地区氮肥、磷肥回收利用率均偏低, 可能与砂壤土质容易造成肥料淋溶有关, 且磷肥易与土壤中的铁、铝离子或钙离子形成沉淀而积累^[25]。本试验中, 相比于FP处理, NE处理在保证产量的基础上降低了总肥料12.78%的投入, 其中氮肥的当季施用量从354 kg·hm^-2减少到250 kg·hm^-2, 一定程度上提高了总肥料特别是氮肥和钾肥的利用率。

养分专家系统在不同作物上应用效果也有所差异。养分专家系统推荐施肥玉米氮磷钾的利用率在辽宁省较农民习惯施肥分别提高14.5%、1.9%和9.5%^[20]。小麦养分专家系统推荐施肥在河北省氮、磷、钾肥利用率分别为31.7%、10.9%和31.0%, 氮肥偏生产力为47. 9 kg·kg^-1[16]。大豆养分专家系统较农户习惯施肥处理, 氮素回收率提高17.8个百分点^[22]。姬景红等^[29]也在黑龙江对水稻养分专家系统推荐施肥进行相关研究, 发现NE处理较农民习惯施肥氮农学效率和氮肥利用率分别增加1.9 kg·kg^-1和1.7%, 其增加程度略低于本试验的结果。养分专家系统推荐施肥在不同地区对同一作物的应用效果有所差异, 这可能与当地的气候条件和地理状况相关, 但与农户习惯施肥相比, 均提高了肥料的利用率。

3.3 养分专家系统推荐施肥与土壤培肥的关系

本研究结果发现, 养分专家推荐施肥能够改善土壤养分状况。在本试验中, NE处理土壤硝态氮和铵态氮含量均高于FP处理, 保证了水稻籽粒灌浆时的养分供应, 从而提高了水稻产量^[30]。土壤肥力水平是决定肥料利用效率高低的基本因素, 土壤肥力水平较低时, 施肥后的作物产量反应大, 肥料利用率高; 而高肥力土壤肥料的产量反应小, 肥料利用率也偏低^[4]。将本地区土壤养分含量与土壤肥力标准进行比较, 通过加权计算可知本试验区土壤综合养分指数达75以上, 土壤属于高肥力土壤, 因此在试验区的高肥力土壤条件下减少29.4%的氮肥当季施用量是可行的, 同时可推测该地区某些肥料利用率和农学效率低于全国水平, 可能与该地区土壤肥力水平相关。

4 结论

苏北地区应用水稻养分专家系统推荐施肥在当季N 250 kg·hm^-2、P₂O₅ 75 kg·hm^-2、K₂O 120 kg·hm^-2的情况下较农民习惯施肥增产2.23%, 增收6.24%;氮、磷、钾肥偏生产力分别为31.65 kg·kg^-1、105.21 kg·kg^-1和65.75 kg·kg^-1, 氮、磷、钾肥农学效率分别为6.36 kg·kg^-1、12.01 kg·kg^-1和10.05 kg·kg^-1, 氮、磷、钾肥回收利用率分别为21.74%、12.03%和23.42%。水稻养分专家系统在保证产量的基础上可减少氮肥的当季投入, 具有较好的增产增收效果, 有助于提高水稻籽粒中养分积累量和肥料回收利用率。养分专家系统实现了氮磷钾的合理配施, 方法简单易行且适合中国农业生产现状, 是一项能够兼顾产量、养分高效利用、环境保护且易于推广的重要施肥措施。