基于产量反应和农学效率的马铃薯智能化推荐施肥.pdf

基于产量反应和农学效率的马铃薯智能化推荐施肥 宁琳懿睿 仇少君 徐新朋 丁文成 赵士诚 何 萍 周 卫 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室 农业农村部植物营养与肥料重点实验室 北京100081 摘要 目的 我国马铃薯种植区存在盲目施肥 过量施肥 养分比例不平衡等现象 进而导致肥料利用率 低 养分损失大等 通过开展田间试验 利用基于产量反应和农学效率的马铃薯养分专家系统进行推荐施肥 并以农民习惯施肥和常规测土施肥推荐结果对该系统的有效性进行验证 为不同生产条件下的马铃薯生产提供 简便易行 高效的推荐施肥方法 方法 于2017 2020年 在马铃薯主产区共9省份开展了239个田间试 验 每个试验包括6个处理 分别为基于马铃薯养分专家系统推荐施肥 NE 农民习惯施肥 FP 土壤测试施 肥 ST 以及基于NE的不施氮 不施磷和不施钾处理 调查马铃薯产量 经济效益 养分利用率和表观养分 平衡 结果 我国马铃薯主产区施用氮 磷和钾肥的平均产量反应分别为8 1 4 8和5 2 t hm2 农学效率分 别为45 2 51 1和35 1 kg kg 相对产量分别为0 73 0 83和0 82 与FP和ST处理相比 NE处理的氮肥用量 分别降低了24 4 和4 2 磷肥用量分别降低了32 3 和1 9 但钾肥用量均增加了4 9 马铃薯产量分别 提高了2 63和0 62 t hm2 净收益分别增加了4283 4和799 0元 hm2 氮 磷 钾肥回收利用率分别增加了11 5 和1 6个百分点 5 0和2 1个百分点 9 1和1 1个百分点 氮 磷 钾肥农学效率分别提高了18 4和4 3 kg kg 32 2和7 5 kg kg 12 3和2 6 kg kg 氮 磷肥偏生产力分别提高了37 3和8 6 kg kg 91 2和15 6 kg kg 与 FP相比 NE处理的钾肥偏生产力提高了25 6 kg kg 但与ST处理相当 与FP和ST相比 NE处理氮素表观 盈余量降幅分别达到了50 5 和15 5 磷素表观盈余量降幅分别达到了49 6 和7 3 结论 采用以产量 反应和农学效率为基础构建的马铃薯推荐施肥养分专家系统 可针对不同生产条件优化肥料用量 提高马铃薯 产量和肥料利用效率 大量田间试验充分证明 该系统推荐结果显著优于测土施肥推荐法 是适应我国小农户 马铃薯种植的推荐施肥方法 关键词 马铃薯 养分专家系统 产量反应 肥料利用率 推荐施肥 Intelligent fertilizer recommendation method for potato based on yield response and agronomic efficiency NING Lin yi rui QIU Shao jun XU Xin peng DING Wen cheng ZHAO Shi cheng HE Ping ZHOU Wei Institute of Agricultural Resources and Regional Planning Chinese Academy of Agricultural Sciences State Key Laboratory of Efficient Utilization of Arid and Semi arid Arable Land in Northern China Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer Ministry of Agriculture and Rural Affairs Beijing 100081 China Abstract Objectives Imbalanced and over fertilization is common in potato growing areas in China resulting in low nutrient use efficiency and serious nutrient losses A simple and easy to use fertilizer recommendation method Nutrient Expert for Potato was established based on large number of field experiments and validated in multi point trials in the main potato producing areas Methods A total of 239 field experiments were conducted in the main potato producing areas of nine provinces from 2017 to 2020 to calibrate 植物营养与肥料学报 2023 29 12 2272 2281 doi 10 11674 zwyf 2023245 Journal of Plant Nutrition and Fertilizershttp www plantnutrifert org 收稿日期 2023 06 02 接受日期 2023 08 28 基金项目 农田智慧施肥项目 05 国家自然科学基金项目 31972515 32272822 国家马铃薯产业技术体系项目 CARS 09 P31 国 家重点研发计划项目 2016YFD0200101 中国农业科学院科技创新工程 联系方式 宁琳懿睿 E mail 2217492128 通信作者 徐新朋E mail xuxinpeng 何萍 E mail heping02 and improve the Nutrient Expert system Each experiment included six treatments fertilizer recommendation based on Nutrient Expert NE farmers practices FP conventional recommendation based on soil testing ST and N omission P omission and K omission based on the NE treatment The potato yield economic benefit nutrient use efficiency and apparent nutrient balance were investigated Results The average yield responses of N P and K fertilizer application in the main potato producing areas of China were 8 1 4 8 and 5 2 t hm2 with average agronomic efficiency of 45 2 51 1 and 35 1 kg kg and average relative yield of 0 73 0 83 and 0 82 respectively Compared with the FP and ST treatments the NE treatment reduced N fertilizer input by 24 4 and 4 2 and P fertilizer input by 32 3 and 1 9 but increased K fertilizer input by 4 9 increased the potato yield by 2 63 and 0 62 t hm2 and net profits by 4283 4 and 799 0 yuan hm2 Compared with the FP and ST treatments NE treatment increased the recovery efficiency of N P and K fertilizer by 11 5 and 1 6 percentage points 5 0 and 2 1 percentage points and 9 1 and 1 1 percentage points respectively increased the agronomic efficiency of N P and K fertilizer by 18 4 and 4 3 kg kg 32 2 and 7 5 kg kg 12 3 and 2 6 kg kg respectively enhanced the partial factor productivity of N and P fertilizer by 37 3 and 8 6 kg kg 91 2 and 15 6 kg kg respectively The partial factor productivity of K fertilizer in NE treatment was comparable to that in ST treatment and 25 6 kg kg higher than that in FP treatment NE treatment resulted a 50 5 and 15 5 reduction in the apparent N surplus and 49 6 and 7 3 reduction in the apparent P surplus compared with the FP and ST treatments Conclusions After calibration by the data from large number of field experiments which are based on the yield and agronomic efficiency responses Nutrient Expert for Potato have been approved efficient in further optimizing fertilizer amount improving potato yield and fertilizer use efficiency and reducing N and P surplus so can be used as a feasible fertilizer recommendation method for small farmers in China Key words potato Nutrient Expert system yield response fertilizer use efficiency fertilizer recommendation 马铃薯是全球重要的主粮作物之一 在保证粮 食安全和提高农民收入方面发挥着重要作用 近年 来 我国马铃薯产业不断扩大 已成为马铃薯生产 和消费大国 种植面积和总产量均居世界第一 其 中2021年种植面积和产量分别占全球总种植面积和 总产量的32 和25 1 2 为促进马铃薯产业发展 早在2016年我国就印发了 全国马铃薯生产指导意 见 要求坚持 提质增效转方式 稳粮增收可持续 的工作主线 3 为了提高马铃薯产量 提出了一系列 优化农艺管理实践措施 如薄膜或秸秆覆盖 保 护性耕作 病虫害防治 抗旱品种的选择等 4 8 施 肥是提高马铃薯块茎产量的有效途径 对马铃薯 产量和品质的形成具有决定性作用 其贡献率可达 50 9 然而 我国农田耕地分散 以小农户经营为 主的管理方式较为随意 农民为追求高产往往不考 虑土壤肥力状况 导致盲目施肥现象普遍存在 10 长 期过量施肥已是影响作物品质 引起土壤质量下降 和农业面源污染等问题的主要诱因之一 11 12 因此 在国家化肥减量行动方案中明确指出 要以持续推 进科学施肥 促进化肥减量增效为目标导向 加快 构建现代科学施肥技术体系 为乡村振兴提供有力 支撑 13 优化马铃薯养分管理措施对提高农业可持续发 展至关重要 可以最大限度地发挥作物产量潜力 并可以减少养分损失 传统的测土配方施肥技术围 绕取土化验 农户调查 试验示范 配方肥推广等 关键环节积极开展工作 取得了显著成效 14 然而在 试验质量控制 取样的代表性 土地耕种形式等方 面均存在不确定性 未能建立农民容易掌握的完 善施肥指标体系 忽视了农民将土壤测试数据转化 为施肥决策中遇到的困难 为此 中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所针对小农户为经营主体 的生产模式 开展了作物养分管理和推荐施肥方法 研究 15 以中国多年多点的田间试验为基础 建立 了作物产量 农学效率与相对产量等农学参数之间 的内在联系 应用计算机信息技术将复杂的施肥理 论转化为方便农户使用的马铃薯养分专家决策系统 Nutrient Expert NE 9 16 因此 本研究基于马铃薯 养分专家系统于2017 2020年在全国马铃薯主产区 开展了多点田间试验 验证了该方法的田间试验效 果 对NE系统进行了优化 旨在为马铃薯肥料高效 施用提供技术支撑 12 期 宁琳懿睿 等 基于产量反应和农学效率的马铃薯智能化推荐施肥 2273 1 材料与方法 1 1 马铃薯养分专家系统 马铃薯养分专家系统依据产量反应和农学效率 间的关系原理 结合QUEFTS quantitative evaluation of the fertility of tropical soils 模型模拟不同种植区马 铃薯产量与养分吸收特征关系 进行推荐施肥和养 分管理 系统采用作物施肥区较不施肥区的产量增 量即产量反应来表征土壤基础养分供应能力 结合 QUEFTS模型通过分析作物地上部和籽粒的氮磷钾 养分需求 求得不同目标产量下的作物最佳养分吸 收量 依据施氮量 产量反应 农学效率获得不同目标 产量下的施氮量推荐 依据施磷或施钾量 作物产量 反应施磷或施钾量 维持土壤养分平衡的部分可获得 不同目标产量下的施磷 钾肥量推荐 17 马铃薯养分专家系统以强大的数据库为支持 通过收集汇总2001 2020年国际植物营养研究所中 国项目部和研究团队在马铃薯主产区开展的田间肥 效试验 以及此期间在学术期刊网 CNKI 上通过检 索 马铃薯 马铃薯 产量 马铃薯 养分吸 收 马铃薯 肥料利用率 等得到的公开发表的学 术文章建立田间试验数据库 所有数据需满足以下 标准 1 来自田间肥料试验 2 同时具有减素处理 和氮磷钾全施处理 3 有明确的施肥量和产量 本 研究数据库中马铃薯氮 磷和钾产量反应数据分别 有1072 851和1104个 1 2 田间验证试验 于2017 2020年在我国马铃薯主产区开展了 239个田间试验 验证马铃薯养分专家系统的可行 性 分别位于黑龙江 18 吉林 11 内蒙古 54 山西 28 甘肃 23 四川 32 云南 27 贵州 34 江西 12 等9省份 从产量 经济 农学和环 境效益方面对马铃薯养分专家系统进行校正和改 进 所有试验采用统一处理 均包含6个处理 分 别为 1 基于马铃薯养分专家系统推荐施肥处理 即NE处理 播前调查试验地块马铃薯过去3年产 量 上季作物施肥量 有机肥施用和秸秆还田方式 等 2 农民习惯施肥措施处理 即FP处理 完全遵 循试验地块农民的施肥措施 记录施肥量 3 基于 土壤测试施肥 即ST处理 如土壤测试不及时或条 件不具备 使用当地农技推广部门推荐的施肥量 4 基于NE处理的不施氮处理 NE N 5 基于NE处 理的不施磷处理 NE P 6 基于NE处理的不施钾 处理 NE K 田间试验肥料使用尿素 过磷酸钙 磷酸氢二铵 氯化钾和硫酸钾等 同一试验中各处 理密度相同 且病虫草害防治进行统一管理 于马铃薯收获期采用相同标准采集各试验处理 样品 在每个小区中间位置收获两行区域 15 30 m2 测定马铃薯块茎产量 最终折合成含水量80 的产 量 另外采集3 5株代表性植株 分成块茎和秸秆 两部分 于60 下烘干至恒重后称重 将部分烘干 植物样品粉碎后经H2SO4 H2O2消煮后 分别采用凯 氏法 钒钼黄比色法和原子吸收法测定块茎和秸秆 中的氮 磷和钾养分含量 用于计算植株养分累积 量和肥料利用效率 1 3 统计与分析 数据采用Excel 2020进行分析处理 使用SPSS 17 0软件对NE FP和ST处理的施肥量 产量 净 效益 肥料利用率和养分表观平衡在0 05水平上 进行ANOVA分析 使用Sigmaplot 14 0及Graphpad Prism 9 5软件绘图 其相关计算如下 以NE处理 氮为例 磷和钾计算同氮 FP和ST处理计算同NE 处理 氮产量反应 N yield response kg hm2 NE产量 NE N产量 氮相对产量 N relative yield NE N产量 NE产量 氮素回收利用率 N recovery efficiency REN NE植株氮累积量 NE N植株氮累积量 NE施氮 量 100 磷和钾分别用REP和REK表示 氮素农学效率 N agronomic efficiency AEN kg kg NE产量 NE N产量 NE施氮量 磷和钾分 别用AEP和AEK表示 氮素偏生产力 N partial factor productivity PFPN kg kg NE产量 NE施氮量 磷和钾分别用PFPP和 PFPK表示 净效益 net profit 元 hm2 收获后产值 肥料 成本 氮素表观平衡 N balance kg hm2 NE施氮量 NE块茎氮素吸收量 块茎含水量 tuber water content 块茎鲜重 烘干后的块茎重 块茎鲜重 100 最终鲜重产量 tuber yield t hm2 块茎鲜重 块茎 含水量 80 式中 氮 磷和钾肥施用量分别以N P2O5和K2O 计算 由于马铃薯在收获时其秸秆通常腐烂且不易收 2274 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 29 卷集 在计算表观养分平衡时 使用投入量与块茎带 走的养分量差值计算 2 结果与分析 2 1 产量反应和农学效率 就全部产量反应数据而言 我国马铃薯主产区 施用氮 磷和钾肥的平均产量反应分别为8 1 4 8 和5 2 t hm2 氮肥仍然是限制马铃薯增产最重要的养 分限制因子 其次为钾肥 施用氮 磷和钾肥的平 均农学效率分别45 2 51 1和35 1 kg kg 图1 2 2 产量反应和相对产量 就数据库全部相对产量数据而言 图2a 我国 马铃薯主产区氮 磷和钾养分的平均相对产量分别 为0 73 0 83和0 82 说明当前我国马铃薯主产区 的养分吸收主要还是来自于土壤 马铃薯养分专家 系统推荐施肥在没有相关减素试验的地区 使用目 标产量和相对产量对产量反应进行估测 因为产量 反应与相对产量间存在着显著的线性负相关 图2b 2 3 田间试验验证 2 3 1 施肥量 就平均施肥量而言 图3 NE处理 氮 磷和钾肥施用量分别为183 98和169 kg hm2 FP处理分别为242 145和161 kg hm2 ST处理分 别为191 100和161 kg hm2 与FP处理相比 NE处理的氮肥用量降低了24 4 P 0 001 磷肥用 N 0 5 10 15 20 25 a b P 养分 Nutrient 产量反应 Yield response t hm 2 0 30 60 90 120 150 农学效率 Agronomic efficiency kg kg K N P 养分 Nutrient K 图 1 马铃薯产量反应和农学效率分布 Fig 1 The distribution of yield response and agronomic efficiency for potato 注 箱体中间实线代表中值 虚线代表均值 方框上下边缘 上下实线和实心圆圈分别代表上下25 的数值 90 和10 的数值 95 和5 的数值 Note The solid and dotted lines inside the boxes represent the median and mean values the upper and lower frames of the boxes the upper and lower solid lines and the solid circles outside the boxes represent the upper and lower 25 the 90 and 10 values the 95 and 5 values N 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 a P 养分 Nutrient 相对产量 Relative yield K 0 10 20 30 40 0 0 4 0 2 0 6 0 8 1 0 1 2 b 氮相对产量 N relative yield 氮素产量反应 Yield response to N t hm 2 图 2 马铃薯相对产量分布及与产量反应关系 以氮为例 Fig 2 The relative yields of potatos and the resulted yield responses to fertilizer N as case 注 箱体中间实线代表中值 虚线代表均值 方框上下边缘 上下实线和实心圆圈分别代表上下25 的数值 90 和10 的数值 95 和5 的数值 Note The solid and dotted lines inside the boxes represent the median and mean values the upper and lower frames of the box the upper and lower solid lines and the solid circles outside the boxes represent the upper and lower 25 the 90 and 10 values the 95 and 5 values 12 期 宁琳懿睿 等 基于产量反应和农学效率的马铃薯智能化推荐施肥 2275