基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的馬鈴薯智能化推薦施肥 寧琳懿睿 仇少君 徐新朋 丁文成 趙士誠(chéng) 何 萍 周 衛(wèi) 中國(guó)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(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100081 摘要 目的 我國(guó)馬鈴薯種植區(qū)存在盲目施肥 過量施肥 養(yǎng)分比例不平衡等現(xiàn)象 進(jìn)而導(dǎo)致肥料利用率 低 養(yǎng)分損失大等 通過開展田間試驗(yàn) 利用基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的馬鈴薯養(yǎng)分專家系統(tǒng)進(jìn)行推薦施肥 并以農(nóng)民習(xí)慣施肥和常規(guī)測(cè)土施肥推薦結(jié)果對(duì)該系統(tǒng)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證 為不同生產(chǎn)條件下的馬鈴薯生產(chǎn)提供 簡(jiǎn)便易行 高效的推薦施肥方法 方法 于2017 2020年 在馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)共9省份開展了239個(gè)田間試 驗(yàn) 每個(gè)試驗(yàn)包括6個(gè)處理 分別為基于馬鈴薯養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥 NE 農(nóng)民習(xí)慣施肥 FP 土壤測(cè)試施 肥 ST 以及基于NE的不施氮 不施磷和不施鉀處理 調(diào)查馬鈴薯產(chǎn)量 經(jīng)濟(jì)效益 養(yǎng)分利用率和表觀養(yǎng)分 平衡 結(jié)果 我國(guó)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)施用氮 磷和鉀肥的平均產(chǎn)量反應(yīng)分別為8 1 4 8和5 2 t hm2 農(nóng)學(xué)效率分 別為45 2 51 1和35 1 kg kg 相對(duì)產(chǎn)量分別為0 73 0 83和0 82 與FP和ST處理相比 NE處理的氮肥用量 分別降低了24 4 和4 2 磷肥用量分別降低了32 3 和1 9 但鉀肥用量均增加了4 9 馬鈴薯產(chǎn)量分別 提高了2 63和0 62 t hm2 凈收益分別增加了4283 4和799 0元 hm2 氮 磷 鉀肥回收利用率分別增加了11 5 和1 6個(gè)百分點(diǎn) 5 0和2 1個(gè)百分點(diǎn) 9 1和1 1個(gè)百分點(diǎn) 氮 磷 鉀肥農(nóng)學(xué)效率分別提高了18 4和4 3 kg kg 32 2和7 5 kg kg 12 3和2 6 kg kg 氮 磷肥偏生產(chǎn)力分別提高了37 3和8 6 kg kg 91 2和15 6 kg kg 與 FP相比 NE處理的鉀肥偏生產(chǎn)力提高了25 6 kg kg 但與ST處理相當(dāng) 與FP和ST相比 NE處理氮素表觀 盈余量降幅分別達(dá)到了50 5 和15 5 磷素表觀盈余量降幅分別達(dá)到了49 6 和7 3 結(jié)論 采用以產(chǎn)量 反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率為基礎(chǔ)構(gòu)建的馬鈴薯推薦施肥養(yǎng)分專家系統(tǒng) 可針對(duì)不同生產(chǎn)條件優(yōu)化肥料用量 提高馬鈴薯 產(chǎn)量和肥料利用效率 大量田間試驗(yàn)充分證明 該系統(tǒng)推薦結(jié)果顯著優(yōu)于測(cè)土施肥推薦法 是適應(yīng)我國(guó)小農(nóng)戶 馬鈴薯種植的推薦施肥方法 關(guān)鍵詞 馬鈴薯 養(yǎng)分專家系統(tǒng) 產(chǎn)量反應(yīng) 肥料利用率 推薦施肥 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 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào) 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 基金項(xiàng)目 農(nóng)田智慧施肥項(xiàng)目 05 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 31972515 32272822 國(guó)家馬鈴薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目 CARS 09 P31 國(guó) 家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 2016YFD0200101 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程 聯(lián)系方式 寧琳懿睿 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 馬鈴薯是全球重要的主糧作物之一 在保證糧 食安全和提高農(nóng)民收入方面發(fā)揮著重要作用 近年 來 我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)不斷擴(kuò)大 已成為馬鈴薯生產(chǎn) 和消費(fèi)大國(guó) 種植面積和總產(chǎn)量均居世界第一 其 中2021年種植面積和產(chǎn)量分別占全球總種植面積和 總產(chǎn)量的32 和25 1 2 為促進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展 早在2016年我國(guó)就印發(fā)了 全國(guó)馬鈴薯生產(chǎn)指導(dǎo)意 見 要求堅(jiān)持 提質(zhì)增效轉(zhuǎn)方式 穩(wěn)糧增收可持續(xù) 的工作主線 3 為了提高馬鈴薯產(chǎn)量 提出了一系列 優(yōu)化農(nóng)藝管理實(shí)踐措施 如薄膜或秸稈覆蓋 保 護(hù)性耕作 病蟲害防治 抗旱品種的選擇等 4 8 施 肥是提高馬鈴薯塊莖產(chǎn)量的有效途徑 對(duì)馬鈴薯 產(chǎn)量和品質(zhì)的形成具有決定性作用 其貢獻(xiàn)率可達(dá) 50 9 然而 我國(guó)農(nóng)田耕地分散 以小農(nóng)戶經(jīng)營(yíng)為 主的管理方式較為隨意 農(nóng)民為追求高產(chǎn)往往不考 慮土壤肥力狀況 導(dǎo)致盲目施肥現(xiàn)象普遍存在 10 長(zhǎng) 期過量施肥已是影響作物品質(zhì) 引起土壤質(zhì)量下降 和農(nóng)業(yè)面源污染等問題的主要誘因之一 11 12 因此 在國(guó)家化肥減量行動(dòng)方案中明確指出 要以持續(xù)推 進(jìn)科學(xué)施肥 促進(jìn)化肥減量增效為目標(biāo)導(dǎo)向 加快 構(gòu)建現(xiàn)代科學(xué)施肥技術(shù)體系 為鄉(xiāng)村振興提供有力 支撐 13 優(yōu)化馬鈴薯養(yǎng)分管理措施對(duì)提高農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā) 展至關(guān)重要 可以最大限度地發(fā)揮作物產(chǎn)量潛力 并可以減少養(yǎng)分損失 傳統(tǒng)的測(cè)土配方施肥技術(shù)圍 繞取土化驗(yàn) 農(nóng)戶調(diào)查 試驗(yàn)示范 配方肥推廣等 關(guān)鍵環(huán)節(jié)積極開展工作 取得了顯著成效 14 然而在 試驗(yàn)質(zhì)量控制 取樣的代表性 土地耕種形式等方 面均存在不確定性 未能建立農(nóng)民容易掌握的完 善施肥指標(biāo)體系 忽視了農(nóng)民將土壤測(cè)試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化 為施肥決策中遇到的困難 為此 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所針對(duì)小農(nóng)戶為經(jīng)營(yíng)主體 的生產(chǎn)模式 開展了作物養(yǎng)分管理和推薦施肥方法 研究 15 以中國(guó)多年多點(diǎn)的田間試驗(yàn)為基礎(chǔ) 建立 了作物產(chǎn)量 農(nóng)學(xué)效率與相對(duì)產(chǎn)量等農(nóng)學(xué)參數(shù)之間 的內(nèi)在聯(lián)系 應(yīng)用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)將復(fù)雜的施肥理 論轉(zhuǎn)化為方便農(nóng)戶使用的馬鈴薯養(yǎng)分專家決策系統(tǒng) Nutrient Expert NE 9 16 因此 本研究基于馬鈴薯 養(yǎng)分專家系統(tǒng)于2017 2020年在全國(guó)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū) 開展了多點(diǎn)田間試驗(yàn) 驗(yàn)證了該方法的田間試驗(yàn)效 果 對(duì)NE系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化 旨在為馬鈴薯肥料高效 施用提供技術(shù)支撐 12 期 寧琳懿睿 等 基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的馬鈴薯智能化推薦施肥 2273 1 材料與方法 1 1 馬鈴薯養(yǎng)分專家系統(tǒng) 馬鈴薯養(yǎng)分專家系統(tǒng)依據(jù)產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率 間的關(guān)系原理 結(jié)合QUEFTS quantitative evaluation of the fertility of tropical soils 模型模擬不同種植區(qū)馬 鈴薯產(chǎn)量與養(yǎng)分吸收特征關(guān)系 進(jìn)行推薦施肥和養(yǎng) 分管理 系統(tǒng)采用作物施肥區(qū)較不施肥區(qū)的產(chǎn)量增 量即產(chǎn)量反應(yīng)來表征土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)能力 結(jié)合 QUEFTS模型通過分析作物地上部和籽粒的氮磷鉀 養(yǎng)分需求 求得不同目標(biāo)產(chǎn)量下的作物最佳養(yǎng)分吸 收量 依據(jù)施氮量 產(chǎn)量反應(yīng) 農(nóng)學(xué)效率獲得不同目標(biāo) 產(chǎn)量下的施氮量推薦 依據(jù)施磷或施鉀量 作物產(chǎn)量 反應(yīng)施磷或施鉀量 維持土壤養(yǎng)分平衡的部分可獲得 不同目標(biāo)產(chǎn)量下的施磷 鉀肥量推薦 17 馬鈴薯養(yǎng)分專家系統(tǒng)以強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫為支持 通過收集匯總2001 2020年國(guó)際植物營(yíng)養(yǎng)研究所中 國(guó)項(xiàng)目部和研究團(tuán)隊(duì)在馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)開展的田間肥 效試驗(yàn) 以及此期間在學(xué)術(shù)期刊網(wǎng) CNKI 上通過檢 索 馬鈴薯 馬鈴薯 產(chǎn)量 馬鈴薯 養(yǎng)分吸 收 馬鈴薯 肥料利用率 等得到的公開發(fā)表的學(xué) 術(shù)文章建立田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫 所有數(shù)據(jù)需滿足以下 標(biāo)準(zhǔn) 1 來自田間肥料試驗(yàn) 2 同時(shí)具有減素處理 和氮磷鉀全施處理 3 有明確的施肥量和產(chǎn)量 本 研究數(shù)據(jù)庫中馬鈴薯氮 磷和鉀產(chǎn)量反應(yīng)數(shù)據(jù)分別 有1072 851和1104個(gè) 1 2 田間驗(yàn)證試驗(yàn) 于2017 2020年在我國(guó)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)開展了 239個(gè)田間試驗(yàn) 驗(yàn)證馬鈴薯養(yǎng)分專家系統(tǒng)的可行 性 分別位于黑龍江 18 吉林 11 內(nèi)蒙古 54 山西 28 甘肅 23 四川 32 云南 27 貴州 34 江西 12 等9省份 從產(chǎn)量 經(jīng)濟(jì) 農(nóng)學(xué)和環(huán) 境效益方面對(duì)馬鈴薯養(yǎng)分專家系統(tǒng)進(jìn)行校正和改 進(jìn) 所有試驗(yàn)采用統(tǒng)一處理 均包含6個(gè)處理 分 別為 1 基于馬鈴薯養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥處理 即NE處理 播前調(diào)查試驗(yàn)地塊馬鈴薯過去3年產(chǎn) 量 上季作物施肥量 有機(jī)肥施用和秸稈還田方式 等 2 農(nóng)民習(xí)慣施肥措施處理 即FP處理 完全遵 循試驗(yàn)地塊農(nóng)民的施肥措施 記錄施肥量 3 基于 土壤測(cè)試施肥 即ST處理 如土壤測(cè)試不及時(shí)或條 件不具備 使用當(dāng)?shù)剞r(nóng)技推廣部門推薦的施肥量 4 基于NE處理的不施氮處理 NE N 5 基于NE處 理的不施磷處理 NE P 6 基于NE處理的不施鉀 處理 NE K 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 理密度相同 且病蟲草害防治進(jìn)行統(tǒng)一管理 于馬鈴薯收獲期采用相同標(biāo)準(zhǔn)采集各試驗(yàn)處理 樣品 在每個(gè)小區(qū)中間位置收獲兩行區(qū)域 15 30 m2 測(cè)定馬鈴薯塊莖產(chǎn)量 最終折合成含水量80 的產(chǎn) 量 另外采集3 5株代表性植株 分成塊莖和秸稈 兩部分 于60 下烘干至恒重后稱重 將部分烘干 植物樣品粉碎后經(jīng)H2SO4 H2O2消煮后 分別采用凱 氏法 釩鉬黃比色法和原子吸收法測(cè)定塊莖和秸稈 中的氮 磷和鉀養(yǎng)分含量 用于計(jì)算植株養(yǎng)分累積 量和肥料利用效率 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軟件對(duì)NE FP和ST處理的施肥量 產(chǎn)量 凈 效益 肥料利用率和養(yǎng)分表觀平衡在0 05水平上 進(jìn)行ANOVA分析 使用Sigmaplot 14 0及Graphpad Prism 9 5軟件繪圖 其相關(guān)計(jì)算如下 以NE處理 氮為例 磷和鉀計(jì)算同氮 FP和ST處理計(jì)算同NE 處理 氮產(chǎn)量反應(yīng) N yield response kg hm2 NE產(chǎn)量 NE N產(chǎn)量 氮相對(duì)產(chǎn)量 N relative yield NE N產(chǎn)量 NE產(chǎn)量 氮素回收利用率 N recovery efficiency REN NE植株氮累積量 NE N植株氮累積量 NE施氮 量 100 磷和鉀分別用REP和REK表示 氮素農(nóng)學(xué)效率 N agronomic efficiency AEN kg kg NE產(chǎn)量 NE N產(chǎn)量 NE施氮量 磷和鉀分 別用AEP和AEK表示 氮素偏生產(chǎn)力 N partial factor productivity PFPN kg kg NE產(chǎn)量 NE施氮量 磷和鉀分別用PFPP和 PFPK表示 凈效益 net profit 元 hm2 收獲后產(chǎn)值 肥料 成本 氮素表觀平衡 N balance kg hm2 NE施氮量 NE塊莖氮素吸收量 塊莖含水量 tuber water content 塊莖鮮重 烘干后的塊莖重 塊莖鮮重 100 最終鮮重產(chǎn)量 tuber yield t hm2 塊莖鮮重 塊莖 含水量 80 式中 氮 磷和鉀肥施用量分別以N P2O5和K2O 計(jì)算 由于馬鈴薯在收獲時(shí)其秸稈通常腐爛且不易收 2274 植 物 營(yíng) 養(yǎng) 與 肥 料 學(xué) 報(bào) 29 卷集 在計(jì)算表觀養(yǎng)分平衡時(shí) 使用投入量與塊莖帶 走的養(yǎng)分量差值計(jì)算 2 結(jié)果與分析 2 1 產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率 就全部產(chǎn)量反應(yīng)數(shù)據(jù)而言 我國(guó)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū) 施用氮 磷和鉀肥的平均產(chǎn)量反應(yīng)分別為8 1 4 8 和5 2 t hm2 氮肥仍然是限制馬鈴薯增產(chǎn)最重要的養(yǎng) 分限制因子 其次為鉀肥 施用氮 磷和鉀肥的平 均農(nóng)學(xué)效率分別45 2 51 1和35 1 kg kg 圖1 2 2 產(chǎn)量反應(yīng)和相對(duì)產(chǎn)量 就數(shù)據(jù)庫全部相對(duì)產(chǎn)量數(shù)據(jù)而言 圖2a 我國(guó) 馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)氮 磷和鉀養(yǎng)分的平均相對(duì)產(chǎn)量分別 為0 73 0 83和0 82 說明當(dāng)前我國(guó)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū) 的養(yǎng)分吸收主要還是來自于土壤 馬鈴薯養(yǎng)分專家 系統(tǒng)推薦施肥在沒有相關(guān)減素試驗(yàn)的地區(qū) 使用目 標(biāo)產(chǎn)量和相對(duì)產(chǎn)量對(duì)產(chǎn)量反應(yīng)進(jìn)行估測(cè) 因?yàn)楫a(chǎn)量 反應(yīng)與相對(duì)產(chǎn)量間存在著顯著的線性負(fù)相關(guān) 圖2b 2 3 田間試驗(yàn)驗(yàn)證 2 3 1 施肥量 就平均施肥量而言 圖3 NE處理 氮 磷和鉀肥施用量分別為183 98和169 kg hm2 FP處理分別為242 145和161 kg hm2 ST處理分 別為191 100和161 kg hm2 與FP處理相比 NE處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 養(yǎng)分 Nutrient 產(chǎn)量反應(yīng) Yield response t hm 2 0 30 60 90 120 150 農(nóng)學(xué)效率 Agronomic efficiency kg kg K N P 養(yǎng)分 Nutrient K 圖 1 馬鈴薯產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率分布 Fig 1 The distribution of yield response and agronomic efficiency for potato 注 箱體中間實(shí)線代表中值 虛線代表均值 方框上下邊緣 上下實(shí)線和實(shí)心圓圈分別代表上下25 的數(shù)值 90 和10 的數(shù)值 95 和5 的數(shù)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 養(yǎng)分 Nutrient 相對(duì)產(chǎn)量 Relative yield K 0 10 20 30 40 0 0 4 0 2 0 6 0 8 1 0 1 2 b 氮相對(duì)產(chǎn)量 N relative yield 氮素產(chǎn)量反應(yīng) Yield response to N t hm 2 圖 2 馬鈴薯相對(duì)產(chǎn)量分布及與產(chǎn)量反應(yīng)關(guān)系 以氮為例 Fig 2 The relative yields of potatos and the resulted yield responses to fertilizer N as case 注 箱體中間實(shí)線代表中值 虛線代表均值 方框上下邊緣 上下實(shí)線和實(shí)心圓圈分別代表上下25 的數(shù)值 90 和10 的數(shù)值 95 和5 的數(shù)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 寧琳懿睿 等 基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的馬鈴薯智能化推薦施肥 2275