摘　要：合理施肥是保障作物產(chǎn)量，提高農(nóng)民收入的重要途徑。蔬菜生產(chǎn)過程中普遍存在過量或盲目施肥等現(xiàn)象，尤其在種植體系復(fù)雜、作物施肥時間窗口偏短的條件下，亟需建立更為方便、快捷，適合不同規(guī)模地塊的科學(xué)養(yǎng)分管理方法。本試驗以大白菜品種北京新3號為試材，研究基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在大白菜上的應(yīng)用效果。結(jié)果表明，北京郊區(qū)秋露地大白菜生產(chǎn)，養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥處理(OPT)氮、磷、鉀肥施用量分別為278、111、314kg·hm-2，大白菜產(chǎn)量達162.0t·hm-2，顯著高于農(nóng)民習(xí)慣施肥處理(FP)和測土配方施肥處理(OPTS);植株氮、磷、鉀吸收量均顯著高于農(nóng)民習(xí)慣施肥處理;氮、磷肥偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)效率顯著高于農(nóng)民習(xí)慣施肥處理和測土配方施肥處理;氮、磷、鉀的回收利用率均為最高，其中氮和磷回收利用率顯著高于農(nóng)民習(xí)慣施肥處理。養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥處理能夠顯著提高大白菜產(chǎn)量和肥料利用效率，提高生產(chǎn)效益，可作為一種適用可行的大白菜施肥管理措施。

　　關(guān)鍵詞：大白菜;養(yǎng)分專家系統(tǒng);產(chǎn)量反應(yīng);農(nóng)學(xué)效率;肥料利用效率

　　合理施肥是保障作物產(chǎn)量，提高農(nóng)民收入的重要途徑。但是在蔬菜生產(chǎn)過程中，普遍存在過量施肥、盲目施肥等問題。有研究顯示，我國蔬菜化肥(N+P2O5+K2O)總施用量為1092.0kg·hm-2，氮、磷、鉀肥均普遍超量，尤其設(shè)施蔬菜更為嚴重(黃紹文等，2017;劉衎等，2020)。

　　蔬菜種植論文范例：設(shè)施蔬菜多功能植保機設(shè)計與試驗

　　過量施肥不僅增加種植成本，影響蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)，同時還會帶來硝酸鹽淋洗、土壤酸化和農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放等一系列環(huán)境問題(劉欽普，2017;Ju&Zhang，2017;張芬等，2020)。為了保障作物產(chǎn)量，提高肥料利用效率，各種推薦施肥方法應(yīng)運而生。

　　包括基于土壤的測土配方施肥法(陳新平和張福鎖，2006;王躍華，2018;唐漢等，2019)，基于產(chǎn)量的肥料效應(yīng)函數(shù)法(李 明，2011;串麗敏等，2016;何山等，2017)以及葉綠素儀(賈良良等，2007;宋麗娟等，2017;魏全全等，2019)、葉色卡(Debtanuetal.，2004;范立春等，2005;楊曉虎等，2009)、硝酸鹽反射儀(沙凌杰等，2005;王芳等，2011;李銀水等，2012)、冠層反射儀(倪軍等，2013;李嵐?jié)��?018;李宗飛等，2018)等快速便捷推薦施肥方法。但是各種方法均存在一定的適用范圍。

　　其中，采用各種速測技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)需要與特定作物的生育期和養(yǎng)分需求進行精準匹配，建立科學(xué)合理的相關(guān)關(guān)系;測土配方施肥法需要在施肥前采集土壤樣品，對樣品的代表性要求很高，同時還存在樣品測試時間長、測試費用高等問題。在目前種植體系復(fù)雜，作物施肥窗口時間短的條件下，亟需建立更為方便、快捷，適合不同規(guī)模地塊應(yīng)用的科學(xué)養(yǎng)分管理方法。

　　養(yǎng)分專家系統(tǒng)是基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率進行推薦施肥的決策支持系統(tǒng)，能夠針對具體地塊或一定區(qū)域作物種植信息，在幾分鐘內(nèi)完成推薦施肥套餐。其中，產(chǎn)量反應(yīng)由養(yǎng)分供應(yīng)充足地塊與缺失某 種養(yǎng)分地塊的產(chǎn)量差獲得;農(nóng)學(xué)效率表征施用單位養(yǎng)分所能增加的產(chǎn)量。該方法中氮肥推薦量由氮肥產(chǎn)量反應(yīng)與農(nóng)學(xué)效率的比值獲得;磷、鉀肥的推薦量除了考慮磷、鉀產(chǎn)量反應(yīng)所需的肥料用量外，為了保持土壤肥力，還考慮了前茬作物秸稈還田所帶入的養(yǎng)分以及當(dāng)季作物收獲帶走的養(yǎng)分。通過養(yǎng)分專家系統(tǒng)獲得的推薦施肥套餐中包含了具體的推薦施肥用量、合適的施肥時間、合理的肥料種類以及具體的肥料施用位置等信息(何萍，2018)，是一種實時實地的養(yǎng)分精準管理系統(tǒng)。

　　目前，養(yǎng)分專家系統(tǒng)已經(jīng)在小麥、玉米、水稻和馬鈴薯等多種作物上廣泛應(yīng)用(Chuanetal.，2013;徐新朋等，2016;Xuetal.，2017)，但是在蔬菜作物中的應(yīng)用效果研究較少。本試驗選取典型蔬菜——大白菜為研究對象，基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率確定施肥方案，探究養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在大白菜上的應(yīng)用效果，以期為大白菜生產(chǎn)中方便、快捷地進行推薦施肥管理提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

　　1　材料與方法

　　1.1　試驗材料

　　試驗于2018年8—11月在北京市大興區(qū)長子營鎮(zhèn)蔬菜展示基地(39°41′N，116°35′E)進行。土壤類型為粘土，0～20cm耕層土壤基本理化性質(zhì)為：有機質(zhì)含量18.21g·kg-1，堿解氮含量105.0mg·kg-1，有效磷含量45.0mg·kg-1，速效鉀含量105.6mg·kg-1，pH值7.88;上茬作物為葉用萵苣(生菜)。供試大白菜品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N北京新3號，由京研益農(nóng)(北京)種業(yè)科技有限公司提供。

　　1.2　試驗設(shè)計

　　田間試驗共設(shè)6個處理，分別為農(nóng)民習(xí)慣施肥(FP)、養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥(OPT)、測土配方施肥(OPTS)以及作為對照的減氮(OPT-N)、減磷(OPT-P)和減鉀處理(OPT-K)，化肥種類分別為尿素(N，46%)、過磷酸鈣(P2O5，12%)和硫酸鉀(K2O，50%)。

　　農(nóng)民習(xí)慣施肥處理：依據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶大白菜生產(chǎn)習(xí)慣，尿素分別在播種前、蓮座期、包心期分3次施入，每次施用1/3;磷肥和鉀肥在播種前一次性施入。養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥處理：采用北京市農(nóng)林科學(xué)院與中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所共同開發(fā)的白菜養(yǎng)分專家系統(tǒng)確定該地塊的具體施肥量，磷肥在播種前一次性施入;氮肥和鉀肥分別在播種前、蓮座期、包心期分3次施入，氮肥施用比例為4∶3∶3;鉀肥施用比例為3∶3∶4。

　　測土配方施肥處理：由北京市大興區(qū)土肥工作站進行土壤測試并提供具體施肥量，氮肥和鉀肥分別在播種前、蓮座期、包心期分3次施入，每次施用1/3;磷肥在播種前一次性施入。采用完全隨機排列，3次重復(fù)，小區(qū)面積34.4m2(8.0m×4.3m)。各處理大白菜均于8月13日穴播，株距43cm，行距60cm。基肥在播種前撒施，與土壤翻耕混勻;追肥施在距離大白菜根外側(cè)15～20cm處，表施后及時灌溉。其他栽培管理措施同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)生產(chǎn)，11月14日采收。

　　1.3　項目測定

　　大白菜采收時進行全區(qū)測產(chǎn)。之后，每小區(qū)選取代表性大白菜3株，采用四分法取樣，利用上海恒平電子精密天平測定鮮樣質(zhì)量，然后105℃殺青30min，65℃烘干至恒重，測定干樣質(zhì)量，計算植株含水量;取烘干樣品磨碎，采用H2SO4-H2O2方法消煮后，分別采用凱氏定氮法、釩鉬黃比色法和原子吸收分光光度計法測定植株中的全氮、全磷和全鉀含量(李國龍等，2015)。

　　植株含水量=(鮮樣質(zhì)量-干樣質(zhì)量)/鮮樣質(zhì)量×100%植株N(P或K)吸收量(kg·hm-2)=每公頃植株干物質(zhì)量×植株N(P或K)含量N(P或K)回收利用率=〔施N(P或K)處理植株N(P或K)吸收量-不施N(P或K)處理植株N(P或K)吸收量〕/施N(P或K)量×100% N(P或K)農(nóng)學(xué)效率(kg·kg-1)=〔施N(P或K)處理產(chǎn)量-不施N(P或K)處理產(chǎn)量〕/施N(P或K)量N(P或K)偏生產(chǎn)力(kg·kg-1)=施N(P或K)處理產(chǎn)量/施N(P或K)量1.4　數(shù)據(jù)處理試驗數(shù)據(jù)采用SPSS19.0軟件進行One-wayANOVA法單因素方差分析和LSD法多重比較，采用MicrosoftExcel2016軟件進行數(shù)據(jù)處理和圖表制作。

　　2　結(jié)果與分析

　　2.1　大白菜產(chǎn)量比較

　　OPT處理的大白菜產(chǎn)量最高，達到162.0t·hm-2，顯著高于其他各處理，其中較FP、OPTS處理分別增產(chǎn)18.0%和8.3%。說明養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦的施肥套餐適合大白菜生產(chǎn)，可以促進大白菜產(chǎn)量增加。大白菜施用氮、磷、鉀肥所帶來的產(chǎn)量反應(yīng)分別為37.3、26.1、47.5t·hm-2，產(chǎn)量反應(yīng)程度依次為鉀肥>氮肥>磷肥，推測鉀肥是限制大白菜產(chǎn)量的第一因子。

　　2.2　植株養(yǎng)分吸收量比較

　　OPT處理的大白菜植株氮、磷、鉀吸收量均為最高，且均顯著高于FP處理，分別提高了27.7%、45.6%和31.3%;鉀吸收量還顯著高于OPTS處理。說明養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦的施肥套餐亦提高了大白菜的養(yǎng)分吸收量。將減素處理的養(yǎng)分吸收量與OPT處理進行比較可以發(fā)現(xiàn)，某一種養(yǎng)分的缺乏不但導(dǎo)致該元素吸收量顯著降低，同時也影響了其他養(yǎng)分的吸收。

　　2.3　肥料偏生產(chǎn)力比較

　　偏生產(chǎn)力表征單位養(yǎng)分投入所能生產(chǎn)的產(chǎn)量，是肥料利用效率評價的指標(biāo)之一。OPT處理的氮肥和磷肥偏生產(chǎn)力均為最高，且均顯著高于FP和OPTS處理;但鉀肥偏生產(chǎn)力最低，亦顯著低于其他兩個處理。說明養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦的施肥量合理，尤其可以提高氮和磷單位養(yǎng)分對大白菜產(chǎn)量的貢獻。

　　2.4　肥料農(nóng)學(xué)效率比較

　　OPT處理的氮肥和磷肥農(nóng)學(xué)效率均為最高，且均顯著高于FP和OPTS處理;而鉀肥農(nóng)學(xué)效率顯著低于FP處理，這可能是由于OPT處理大幅度提高了鉀肥的施用量，使得該處理的鉀肥農(nóng)學(xué)效率降低。

　　2.5　大白菜生產(chǎn)效益比較

　　按大白菜銷售價格0.20元·kg-1計算，OPT、OPTS、FP處理的大白菜產(chǎn)值分別為32398.3、29930.2、27465.4元·hm-2;N、P2O5和K2O的價格分別為5.22、12.50、8.00元·kg-1，由此計算出OPT、OPTS、FP處理的肥料成本分別為5350.7、4896.9、3622.6元·hm-2。雖然OPT處理的肥料成本最高，但其產(chǎn)值增加的更多，最終OPT處理的大白菜生產(chǎn)效益仍高于OPTS和FP處理(其他成本如土地租金、種子、人工等費用各處理均相同)。

　　3　結(jié)論與討論

　　施肥管理(包括施肥量、施肥方式和施肥策略等)是蔬菜生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，施肥量過高或過低不僅不能提高產(chǎn)量，反而會導(dǎo)致肥料利用率低下，甚至?xí)�污染環(huán)境(山楠等，2016a，2016b)。本試驗結(jié)果表明，基于作物產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥處理(OPT)適當(dāng)調(diào)整了氮肥用量，減少了磷肥用量，大幅提高了鉀肥用量，并且調(diào)整了不同時期的追肥比例，大白菜產(chǎn)量顯著高于農(nóng)民習(xí)慣施肥處理(FP)和測土配方施肥處理(OPTS)。

　　這可能是因為農(nóng)民習(xí)慣施肥存在氮肥用量偏高、鉀肥用量偏低的現(xiàn)象，造成土壤氮素過量盈余，鉀素不斷耗竭，不能滿足大白菜生產(chǎn)需求所致。與測土配方施肥相比，養(yǎng)分專家系統(tǒng)給出的施肥推薦不僅包含氮、磷、鉀肥的用量，而且對肥料運籌進行了合理分配，指導(dǎo)農(nóng)戶在適合的時間及時進行施肥。本試驗中，大白菜施用氮、磷、鉀肥所帶來的產(chǎn)量反應(yīng)(表征該養(yǎng)分對產(chǎn)量貢獻的高低)分別為37.3、26.1、47.5t·hm-2，產(chǎn)量反應(yīng)程度依次為鉀肥>氮肥>磷肥，推測鉀肥是限制大白菜產(chǎn)量的第一因子。

　　因此，在大白菜施肥過程中應(yīng)重視鉀肥的投入。養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥處理考慮了磷、鉀養(yǎng)分的平衡與可持續(xù)供應(yīng)，與測土配方施肥相比，適當(dāng)提高了鉀肥的投入，雖然肥料成本增加，但產(chǎn)量亦顯著增加，最終的經(jīng)濟效益高于測土配方施肥處理。由此可見，養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥是一種集合了合理施肥時間、適宜施肥用量和合理肥料運籌的養(yǎng)分管理措施，可以實現(xiàn)蔬菜生產(chǎn)的高產(chǎn)與高效，對于促進化肥減施增效具有重要意義。合理的氮、磷、鉀肥施用比例可以顯著增加植株氮、磷、鉀累積吸收量(武際等，2007;高志紅等，2011)。

　　本試驗結(jié)果表明，養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥處理較農(nóng)民習(xí)慣施肥處理顯著提高了氮、磷的回收利用率，降低了肥料損失，減少了環(huán)境污染風(fēng)險。養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥處理、農(nóng)民習(xí)慣施肥處理和測土配方施肥處理的鉀回收利用率差異不顯著，可能是因為大白菜為喜鉀作物，對鉀素的吸收量較高，但農(nóng)民習(xí)慣施肥長期施鉀量不足致使土壤鉀素過度消耗、嚴重不足。同時還發(fā)現(xiàn)，某一種養(yǎng)分的缺乏不但導(dǎo)致該元素吸收量顯著降低，同時也影響了其他養(yǎng)分的吸收，與馬征等(2019)的研究結(jié)果類似。

　　綜上，基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥，能夠顯著提高大白菜產(chǎn)量和肥料利用效率，提高生產(chǎn)效益，可作為一種適用可行的大白菜施肥管理措施。該方法結(jié)合了土壤肥力差異，考慮了養(yǎng)分的平衡和可持續(xù)供應(yīng)，合理調(diào)控了氮、磷、鉀肥供應(yīng)量，可實現(xiàn)蔬菜生產(chǎn)的高產(chǎn)與高效。

　　參考文獻

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　　高志紅，陳曉遠，林昌華，張宇鵬，何永勝.2011.不同施肥水平對木薯氮磷鉀養(yǎng)分積累、分配及其產(chǎn)量的影響.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，44(8)：110-118.

　　何萍.2018.基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的作物推薦施肥方法.北京：科學(xué)出版社.

　　作者：山　楠1，2　串麗敏1*　劉繼培3　鄭懷國1　王愛玲1　趙靜娟1