养分专家系统推荐施肥在大白菜上的应用效果

　　摘　要：合理施肥是保障作物产量，提高农民收入的重要途径。蔬菜生产过程中普遍存在过量或盲目施肥等现象，尤其在种植体系复杂、作物施肥时间窗口偏短的条件下，亟需建立更为方便、快捷，适合不同规模地块的科学养分管理方法。本试验以大白菜品种北京新 3 号为试材，研究基于产量反应和农学效率的养分专家系统推荐施肥在大白菜上的应用效果。结果表明，北京郊区秋露地大白菜生产，养分专家系统推荐施肥处理(OPT)氮、磷、钾肥施用量分别为 278、111、314 kg · hm-2 ，大白菜产量达 162.0 t · hm-2 ，显著高于农民习惯施肥处理(FP)和测土配方施肥处理(OPTS);植株氮、磷、钾吸收量均显著高于农民习惯施肥处理;氮、磷肥偏生产力和农学效率显著高于农民习惯施肥处理和测土配方施肥处理;氮、磷、钾的回收利用率均为最高，其中氮和磷回收利用率显著高于农民习惯施肥处理。养分专家系统推荐施肥处理能够显著提高大白菜产量和肥料利用效率，提高生产效益，可作为一种适用可行的大白菜施肥管理措施。

　　山楠; 串丽敏; 刘继培; 郑怀国; 王爱玲; 赵静娟， 中国蔬菜 发表时间：2021-08-13

　　关键词：大白菜;养分专家系统;产量反应;农学效率;肥料利用效率

　　合理施肥是保障作物产量，提高农民收入的重要途径。但是在蔬菜生产过程中，普遍存在过量施肥、盲目施肥等问题。有研究显示，我国蔬菜化肥(N + P2O5 + K2O)总施用量为 1 092.0 kg · hm-2 ，氮、磷、钾肥均普遍超量，尤其设施蔬菜更为严重(黄绍文 等，2017;刘衎 等，2020)。过量施肥不仅增加种植成本，影响蔬菜的产量和品质，同时还会带来硝酸盐淋洗、土壤酸化和农业源温室气体排放等一系列环境问题(刘钦普，2017;Ju & Zhang，2017;张芬 等，2020)。

　　为了保障作物产量，提高肥料利用效率，各种推荐施肥方法应运而生。包括基于土壤的测土配方施肥法(陈新平和张福锁，2006;王跃华，2018;唐汉 等，2019)，基于产量的肥料效应函数法(李明，2011;串丽敏 等，2016;何山 等，2017)以及叶绿素仪(贾良良 等，2007;宋丽娟 等，2017;魏全全 等，2019)、叶色卡(Debtanu et al.，2004;范立春 等，2005;杨晓虎 等，2009)、硝酸盐反射仪(沙凌杰 等，2005;王芳 等，2011;李银水等，2012)、冠层反射仪(倪军 等，2013;李岚涛， 2018;李宗飞 等，2018)等快速便捷推荐施肥方法。但是各种方法均存在一定的适用范围。其中，采用各种速测技术获得的数据需要与特定作物的生育期和养分需求进行精准匹配，建立科学合理的相关关系;测土配方施肥法需要在施肥前采集土壤样品，对样品的代表性要求很高，同时还存在样品测试时间长、测试费用高等问题。在目前种植体系复杂，作物施肥窗口时间短的条件下，亟需建立更为方便、快捷，适合不同规模地块应用的科学养分管理方法。

　　养分专家系统是基于产量反应和农学效率进行推荐施肥的决策支持系统，能够针对具体地块或一定区域作物种植信息，在几分钟内完成推荐施肥套餐。其中，产量反应由养分供应充足地块与缺失某种养分地块的产量差获得;农学效率表征施用单位养分所能增加的产量。该方法中氮肥推荐量由氮肥产量反应与农学效率的比值获得;磷、钾肥的推荐量除了考虑磷、钾产量反应所需的肥料用量外，为了保持土壤肥力，还考虑了前茬作物秸秆还田所带入的养分以及当季作物收获带走的养分。通过养分专家系统获得的推荐施肥套餐中包含了具体的推荐施肥用量、合适的施肥时间、合理的肥料种类以及具体的肥料施用位置等信息(何萍，2018)，是一种实时实地的养分精准管理系统。

　　目前，养分专家系统已经在小麦、玉米、水稻和马铃薯等多种作物上广泛应用(Chuan et al.， 2013;徐新朋 等，2016;Xu et al.，2017)，但是在蔬菜作物中的应用效果研究较少。本试验选取典型蔬菜——大白菜为研究对象，基于产量反应和农学效率确定施肥方案，探究养分专家系统推荐施肥在大白菜上的应用效果，以期为大白菜生产中方便、快捷地进行推荐施肥管理提供理论依据和技术支撑。

　　1　材料与方法

　　1.1　试验材料

　　试验于 2018 年 8—11 月在北京市大兴区长子营镇蔬菜展示基地(39°41′N，116°35′E)进行。土壤类型为粘土，0～20 cm 耕层土壤基本理化性质为：有机质含量 18.21 g · kg-1 ，碱解氮含量 105.0 mg · kg-1 ，有效磷含量 45.0 mg · kg-1 ，速效钾含量 105.6 mg · kg-1 ，pH 值 7.88;上茬作物为叶用莴苣(生菜)。

　　供试大白菜品种为当地主栽品种北京新 3 号，由京研益农(北京)种业科技有限公司提供。

　　1.2　试验设计

　　田间试验共设 6 个处理，分别为农民习惯施肥(FP)、养分专家系统推荐施肥(OPT)、测土配方施肥(OPTS)以及作为对照的减氮(OPT-N)、减磷(OPT-P)和减钾处理(OPT-K)，各处理的具体施肥量详见表 1，化肥种类分别为尿素(N， 46%)、过磷酸钙(P2O5，12%)和硫酸钾(K2O， 50%)。农民习惯施肥处理：依据当地农户大白菜生产习惯，尿素分别在播种前、莲座期、包心期分 3 次施入，每次施用 1/3;磷肥和钾肥在播种前一次性施入。养分专家系统推荐施肥处理：采用北京市农林科学院与中国农业科学院农业资源与农业区划研究所共同开发的白菜养分专家系统确定该地块的具体施肥量，磷肥在播种前一次性施入;氮肥和钾肥分别在播种前、莲座期、包心期分 3 次施入，氮肥施用比例为 4∶3∶3;钾肥施用比例为 3∶3∶4。测土配方施肥处理：由北京市大兴区土肥工作站进行土壤测试并提供具体施肥量，氮肥和钾肥分别在播种前、莲座期、包心期分 3 次施入，每次施用 1/3;磷肥在播种前一次性施入。采用完全随机排列，3 次重复，小区面积 34.4 m2 (8.0 m × 4.3 m)。

　　各处理大白菜均于 8 月 13 日穴播，株距 43 cm，行距 60 cm。基肥在播种前撒施，与土壤翻耕混匀;追肥施在距离大白菜根外侧 15～20 cm 处，表施后及时灌溉。其他栽培管理措施同当地常规生产，11 月 14 日采收。

　　1.3　项目测定

　　大白菜采收时进行全区测产。之后，每小区选取代表性大白菜 3 株，采用四分法取样，利用上海恒平电子精密天平测定鲜样质量，然后 105 ℃杀青 30 min，65 ℃烘干至恒重，测定干样质量，计算植株含水量;取烘干样品磨碎，采用 H2SO4-H2O2 方法消煮后，分别采用凯氏定氮法、钒钼黄比色法和原子吸收分光光度计法测定植株中的全氮、全磷和全钾含量(李国龙 等，2015)。

　　植株含水量 =(鲜样质量 - 干样质量)/ 鲜样质量 × 100%

　　植株 N(P 或 K)吸收量(kg · hm-2 )= 每公顷植株干物质量 × 植株 N(P 或 K)含量

　　N(P 或 K)回收利用率 =〔施 N(P 或 K)处理植株 N(P 或 K)吸收量 - 不施 N(P 或 K)处理植株 N(P 或 K)吸收量〕/ 施 N(P 或 K)量 × 100%

　　N(P 或 K)农学效率(kg · kg-1 )=〔施 N(P 或 K)处理产量 - 不施 N(P 或 K)处理产量〕/ 施 N(P 或 K)量

　　N(P 或 K)偏生产力(kg · kg-1 )= 施 N(P 或 K)处理产量 / 施 N(P 或 K)量

　　1.4　数据处理

　　试验数据采用 SPSS 19.0 软件进行 One-way ANOVA 法单因素方差分析和 LSD 法多重比较，采用 Microsoft Excel 2016 软件进行数据处理和图表制作。

　　2　结果与分析

　　2.1　大白菜产量比较

　　由图 1 可知，OPT 处理的大白菜产量最高，达到 162.0 t · hm-2 ，显著高于其他各处理，其中较 FP、OPTS 处理分别增产 18.0% 和 8.3%。说明养分专家系统推荐的施肥套餐适合大白菜生产，可以促进大白菜产量增加。

　　由图 1 还可知，大白菜施用氮、磷、钾肥所带来的产量反应分别为 37.3、26.1、47.5 t · hm-2 ，产量反应程度依次为钾肥>氮肥>磷肥，推测钾肥是限制大白菜产量的第一因子。

　　2.2　植株养分吸收量比较

　　由图 2 可知，OPT 处理的大白菜植株氮、磷、钾吸收量均为最高，且均显著高于 FP 处理，分别提高了 27.7%、45.6% 和 31.3%;钾吸收量还显著高于 OPTS 处理。说明养分专家系统推荐的施肥套餐亦提高了大白菜的养分吸收量。将减素处理的养分吸收量与 OPT 处理进行比较可以发现，某一种养分的缺乏不但导致该元素吸收量显著降低，同时也影响了其他养分的吸收。

　　2.3　肥料偏生产力比较

　　偏生产力表征单位养分投入所能生产的产量，是肥料利用效率评价的指标之一。从表 2 可以看出，OPT 处理的氮肥和磷肥偏生产力均为最高，且均显著高于 FP 和 OPTS 处理;但钾肥偏生产力最低，亦显著低于其他两个处理。说明养分专家系统推荐的施肥量合理，尤其可以提高氮和磷单位养分对大白菜产量的贡献。

　　2.4　肥料农学效率比较

　　从表 3 可以看出，OPT 处理的氮肥和磷肥农学效率均为最高，且均显著高于 FP 和 OPTS 处理;而钾肥农学效率显著低于 FP 处理，这可能是由于 OPT 处理大幅度提高了钾肥的施用量，使得该处理的钾肥农学效率降低。

　　2.5　养分回收利用率比较

　　从表 4 可以看出，OPT 处理的氮、磷、钾回收利用率均为最高，其中氮和磷的回收利用率显著高于 FP 处理。说明养分专家系统推荐的施肥套餐提高了养分的回收利用率，尤其对氮和磷的效果明显。

　　2.6　大白菜生产效益比较

　　按大白菜销售价格 0.20 元 · kg-1 计算，OPT、 OPTS、FP 处理的大白菜产值分别为 32 398.3、 29 930.2、27 465.4 元 · hm-2 ;N、P2O5 和 K2O 的价格分别为 5.22、12.50、8.00 元 · kg-1 ，由此计算出 OPT、OPTS、FP 处理的肥料成本分别为 5 350.7、 4 896.9、3 622.6 元 · hm-2 。虽然 OPT 处理的肥料成本最高，但其产值增加的更多，最终 OPT 处理的大白菜生产效益仍高于 OPTS 和 FP 处理(其他成本如土地租金、种子、人工等费用各处理均相同)。

　　3　结论与讨论

　　施肥管理(包括施肥量、施肥方式和施肥策略等)是蔬菜生产的重要环节，施肥量过高或过低不仅不能提高产量，反而会导致肥料利用率低下，甚至会污染环境(山楠 等，2016a，2016b)。本试验结果表明，基于作物产量反应和农学效率的养分专家系统推荐施肥处理(OPT)适当调整了氮肥用量，减少了磷肥用量，大幅提高了钾肥用量，并且调整了不同时期的追肥比例，大白菜产量显著高于农民习惯施肥处理(FP)和测土配方施肥处理(OPTS)。这可能是因为农民习惯施肥存在氮肥用量偏高、钾肥用量偏低的现象，造成土壤氮素过量盈余，钾素不断耗竭，不能满足大白菜生产需求所致。与测土配方施肥相比，养分专家系统给出的施肥推荐不仅包含氮、磷、钾肥的用量，而且对肥料运筹进行了合理分配，指导农户在适合的时间及时进行施肥。

　　本试验中，大白菜施用氮、磷、钾肥所带来的产量反应(表征该养分对产量贡献的高低)分别为37.3、26.1、47.5 t · hm-2 ，产量反应程度依次为钾肥>氮肥>磷肥，推测钾肥是限制大白菜产量的第一因子。因此，在大白菜施肥过程中应重视钾肥的投入。养分专家系统推荐施肥处理考虑了磷、钾养分的平衡与可持续供应，与测土配方施肥相比，适当提高了钾肥的投入，虽然肥料成本增加，但产量亦显著增加，最终的经济效益高于测土配方施肥处理。由此可见，养分专家系统推荐施肥是一种集合了合理施肥时间、适宜施肥用量和合理肥料运筹的养分管理措施，可以实现蔬菜生产的高产与高效，对于促进化肥减施增效具有重要意义。

　　合理的氮、磷、钾肥施用比例可以显著增加植株氮、磷、钾累积吸收量(武际 等，2007;高志红 等，2011)。本试验结果表明，养分专家系统推荐施肥处理较农民习惯施肥处理显著提高了氮、磷的回收利用率，降低了肥料损失，减少了环境污染风险。养分专家系统推荐施肥处理、农民习惯施肥处理和测土配方施肥处理的钾回收利用率差异不显著，可能是因为大白菜为喜钾作物，对钾素的吸收量较高，但农民习惯施肥长期施钾量不足致使土壤钾素过度消耗、严重不足。同时还发现，某一种养分的缺乏不但导致该元素吸收量显著降低，同时也影响了其他养分的吸收，与马征等(2019)的研究结果类似。

　　综上，基于产量反应和农学效率的养分专家系统推荐施肥，能够显著提高大白菜产量和肥料利用效率，提高生产效益，可作为一种适用可行的大白菜施肥管理措施。该方法结合了土壤肥力差异，考虑了养分的平衡和可持续供应，合理调控了氮、磷、钾肥供应量，可实现蔬菜生产的高产与高效。