• ISSN 1008-505X
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冬小麦养分专家推荐施肥系统在长江流域的可行性研究

黄晓萌 徐新朋 王秀斌 杨兰芳 何萍 仇少君 赵士诚 周卫

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冬小麦养分专家推荐施肥系统在长江流域的可行性研究

    作者简介: 黄晓萌 E-mail:Huangxmemg@163.com;
    通讯作者: 徐新朋, E-mail:xuxinpeng@caas.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFD0200502和2016YFD0200101);国家自然科学基金项目(31801938);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(1610132019047)。

Availability of fertilizer recommendation for winter wheat based on Nutrient Expert System in Yangtze River valley

    Corresponding author: XU Xin-peng, E-mail:xuxinpeng@caas.cn ;
  • 摘要:   【目的】  采用基于产量反应和农学效率的冬小麦养分专家系统的推荐施肥方法 (Nutrient Expert for Wheat, NE),在长江流域进行田间试验,并通过与该地农民习惯施肥方法的比较,确定该系统在长江流域冬小麦的可行性。  【方法】  2019年于长江流域的四川、云南、安徽、湖北、江苏和浙江6省共布置了50个冬小麦田间试验,每个试验包括5个处理:小麦养分专家系统推荐施肥处理 (NE)、农民习惯施肥处理 (FP),以及基于NE处理的不施氮、磷、钾肥处理,从产量、经济效益、肥料利用率、氮损失和温室气体排放5方面,比较了NE与FP的差异。  【结果】  与FP处理相比,NE显著降低了氮肥、磷肥和钾肥施用量57、10和8 kg/hm2(P < 0.001),降幅分别达到了26.6%、13.3%和12.9%;小麦产量显著提高 (P < 0.001),平均增产365 kg/hm2,增幅为7.9%;显著降低了肥料成本 (P < 0.001),平均减少了429 元/hm2,降幅为20.9%;显著提高了经济效应,平均增加了1446 元/hm2,增幅为17.7%,且所有增加经济效益中有55.5%来自于产量的增加 (P < 0.001)。NE处理显著提高了长江流域冬小麦的肥料利用效率 (P < 0.001),与FP处理相比,氮、磷和钾农学效率分别提高了6.5、8.3和8.6 kg/kg,增幅分别为67.7%、143.1%和159.3%;氮、磷和钾偏生产力分别增加了10.9、17.9和24.8 kg/kg,增幅分别为49.1%、28.8%和34.4%;氮、磷和钾回收率分别增加了15.3、11.9和27.2个百分点,增幅分别为52.9%、132.2%和87.7%。NE处理较FP处理显著增加了地上部氮素吸收量 (P < 0.001) 且显著减少了氮素损失 (P < 0.001),地上部氮素吸收平均增加了3.0 kg/hm2,增幅为2.5%;活性氮损失强度平均减少N 4.0 kg/t,降幅为37.7%;N2O总排放量平均减少了0.7 kg/hm2,降幅为28.0%;温室气体排放强度平均减少CO2 eq 308.4 kg/t,降幅为36.5%。  【结论】  在长江流域冬小麦生产中,采用基于小麦产量反应和农学效率的NE推荐施肥方法,可较农民施肥 (FP) 平均降低26.6%、13.3%和12.9%的氮磷钾肥施用量,同时提高冬小麦产量7.9%,显著提高经济效益和肥料利用率,并有效地降低活性氮损失和温室气体排放,适用于我国长江流域冬小麦的推荐施肥。
  • 表 1  长江流域冬小麦试验点信息

    Table 1.  The soil characteristics of experimental sites in winter wheat growing-region in Yangtze Valley

    省份
    Provence
    试验数
    No. of experiment
    pH有机质 (g/kg)
    OM
    碱解氮 (mg/kg)
    Alk.- hydr. N
    速效磷 (mg/kg)
    Olsen P
    速效钾 (mg/kg)
    Available K
    四川Sichuan 48.2~8.315.2~21.3139.5~163.317.5~21.599.6~111.1
    云南Yunnan115.4~7.022.1~42.396.4~147.421.9~40.8125.0~187.0
    安徽Anhui 76.0~8.012.6~19.465.3~106.612.1~26.4110.0~175.0
    湖北Hubei126.3~8.315.3~21.180.0~111.08.2~15.991.0~115.0
    江苏Jiangsu 66.3~8.014.7~20.274.0~95.010.3~22.672.8~114.0
    浙江Zhejiang104.8~7.922.6~37.9100.0~286.015.9~50.950.0~187.0
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    表 2  小麦养分专家系统 (NE) 与农民习惯施肥 (FP) 的施肥量比较

    Table 2.  Comparison of fertilizer use between Nutrient Expert for Wheat (NE) and farmers’ practices (FP)

    省份
    Province
    施氮量N rate (kg/hm2)施磷量P2O5 rate (kg/hm2)施钾量 K2O rate (kg/hm2)
    NEFPΔNE-FPP > [T]NEFPΔNE-FPP > [T]NEFPΔNE-FPP > [T]
    四川Sichuan143173–30< 0.0016275–130.0075145 60.391
    云南Yunnan154195–41< 0.0015670–140.1474525200.006
    安徽Anhui159211–52< 0.0017061 90.1496861 70.350
    湖北Hubei137196–59< 0.0017091–210.0026190–29 0.022
    江苏Jiangsu184270–86< 0.0017868 100.0056568–30.304
    浙江Zhejiang175240–65 0.0176076–160.2294273–31 0.063
    平均Average157214–57< 0.0016575–10< 0.001 5462–8< 0.001
    注(Note): P > |T|—NE 和 FP 在 0.05 水平的配对法 t 检验 Probability of a significant mean difference between NE and FP at 0.05 level used paired t-test.
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    表 3  小麦养分专家系统 (NE) 与农民习惯施肥 (FP) 的产量和经济效益比较

    Table 3.  Comparison of grain yield and economic benefit between Nutrient Expert for Wheat (NE) and farmers’ practices (FP)

    省份
    Province
    产量Yield (kg/hm2)肥料成本 (yuan/hm2)
    Total fertilizer cost
    经济效益 (yuan/hm2)
    Gross return above fertilizer cost
    NEFPΔNE-FPP > [T]NEFPΔNE-FPP > [T]NEFPΔNE-FPP > [T]
    四川Sichuan45634520 430.65614901707–2170.01885478237 3100.145
    云南Yunnan38323808 240.57814771661–1840.00469536717 2360.025
    安徽Anhui50184481537< 0.001 17401916–1760.03211040 79423098< 0.001
    湖北Hubei624758973500.00915722209–637< 0.001 12172 10765 1407< 0.001
    江苏Jiangsu756872303380.16919072321–414< 0.001 14742 13585 11570.064
    浙江Zhejiang301023336770.02016032250–6470.0095020308619340.005
    平均Average49904625365< 0.001 16232052–429< 0.001 961381671446< 0.001
    注(Note): P > |T|—NE 和 FP 在 0.05 水平的配对法 t 检验 Probability of a significant mean difference between NE and FP at 0.05 level used paired t-test.
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    表 4  小麦养分专家系统 (NE) 与农民习惯施肥 (FP) 的农学效率比较

    Table 4.  Comparison of agronomic efficiency between Nutrient Expert for Wheat (NE) and farmers’ practices (FP)

    省份
    Province
    氮素农学效率 (kg/kg)
    Agronomic efficiency of applied N
    磷素农学效率 (kg/kg)
    Agronomic efficiency of applied P
    钾素农学效率 (kg/kg)
    Agronomic efficiency of applied K
    NEFPΔNE-FPP > [T]NEFPΔNE-FPP > [T]NEFPΔNE-FPP > [T]
    四川Sichuan8.66.42.20.33316.613.53.10.37113.511.81.70.301
    云南Yunnan8.76.32.40.00112.19.42.70.2399.37.61.70.026
    安徽Anhui16.59.86.7< 0.00116.49.86.6< 0.00112.46.65.80.011
    湖北Hubei22.513.78.8< 0.00115.27.28.00.00717.17.110.00.001
    江苏Jiangsu25.516.09.50.0146.02.53.50.00110.24.65.60.001
    浙江Zhejiang10.74.26.50.04916.55.411.10.01616.15.910.2< 0.001
    平均Average16.19.66.5< 0.00114.15.88.3< 0.00114.05.48.6< 0.001
    注(Note):P > |T|—NE 和 FP 在 0.05 水平的配对法 t 检验 Probability of a significant mean difference between NE and FP at 0.05 level used paired t-test.
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    表 5  小麦养分专家系统 (NE) 与农民习惯施肥 (FP) 的偏生产力比较

    Table 5.  Comparison of partial factor productivity between Nutrient Expert for Wheat (NE) and farmers’ practices (FP)

    省份
    Province
    氮素偏生产力 (kg/kg) PFP-N磷素偏生产力 (kg/kg) PFP-P钾素偏生产力 (kg/kg) PFP-K
    NEFPΔNE-FPP > [T]NEFPΔNE-FPP > [T]NEFPΔNE-FPP > [T]
    四川Sichuan32.026.25.80.00174.360.314.00.006101.193.77.40.255
    云南Yunnan27.221.35.9< 0.00181.062.918.10.001105.893.712.1< 0.001
    安徽An’hui31.621.310.3< 0.00181.666.814.8< 0.00185.166.218.9< 0.001
    湖北Hubei45.829.915.9< 0.00192.763.928.8< 0.001104.964.340.6< 0.001
    江苏Jiangsu41.126.814.30.002107.198.28.90.004116.3106.89.50.069
    浙江Zhejiang19.09.69.40.03054.840.414.40.00580.438.442.00.001
    平均Average33.122.210.9< 0.00180.062.117.9< 0.00196.972.124.8< 0.001
    注(Note):PFP-N—Partial factor productivity of applied N; PFP-P—Partial factor productivity of applied N; PFP-K—Partial factor productivity of applied N; P > |T|—NE 和 FP 在 0.05 水平的配对法 t 检验 Probability of a significant mean difference between NE and FP at 0.05 level used paired t-test.
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    表 6  小麦养分专家系统 (NE) 与农民习惯施肥 (FP) 的养分回收率比较

    Table 6.  Comparison of recovery efficiency between Nutrient Expert for Wheat (NE) and farmers’ practices (FP)

    省份
    Province
    氮素回收率 RE-N (%)磷素回收率 RE-P (%)钾素回收率 RE-K (%)
    NEFPΔNE-FPP > [T]NEFPΔNE-FPP > [T]NEFPΔNE-FPP > [T]
    四川Sichuan24.517.47.10.25621.116.74.40.32227.221.06.20.253
    云南Yunnan34.223.410.80.00218.17.610.50.01969.856.912.90.483
    安徽Anhui28.521.07.50.02330.019.510.50.40163.645.318.30.194
    湖北Hubei63.144.418.7< 0.00118.28.49.80.00256.444.511.90.589
    江苏Jiangsu57.434.622.80.04528.28.919.30.25849.434.015.40.015
    浙江Zhejiang34.816.418.40.04426.78.418.30.10872.542.130.40.098
    平均Average44.228.915.3< 0.00120.99.011.9< 0.00158.231.027.2< 0.001
    注(Note):RE-N—Recovery efficiency to N fertilizer; RE-P—Recovery efficiency to P fertilizer; RE-K—Recovery efficiency to K fertilizer; Δ—NE-FP. P > |T|—NE 和 FP 在 0.05 水平的配对法 t 检验 Probability of a significant mean difference between NE and FP at 0.05 level used paired t-test.
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    表 7  小麦养分专家系统 (NE) 与农民习惯施肥 (FP) 的氮素损失和温室气体排放当量比较

    Table 7.  Comparison of N losses between Nutrient Expert for Wheat (NE) and farmers’ practices (FP)

    省份
    Province
    NEFP
    N2OTE
    (kg/hm2)
    氮素吸收
    N uptake
    (kg/hm2)
    GHGI
    (CO2 eq kg/t)
    NLI
    (N kg/t)
    N2OTE
    (kg/hm2)
    氮素吸收
    N uptake
    (kg/hm2)
    GHGI
    (CO2 eq kg/t)
    NLI
    (N kg/t)
    四川Sichuan1.6 b125.4 a445.8 b5.4 b1.9 a123.3 a544.3 a6.7 a
    云南Yunnan1.7 b132.2 a525.6 b6.4 b2.2 a127.5 b671.8 a8.4 a
    安徽Anhui1.8 b93.1 a447.5 b5.4 b2.4 a89.6 b664.8 a8.4 a
    湖北Hubei1.5 b159.6 a331.5 b4.0 b2.2 a154.5 b497.5 a6.1 a
    江苏Jiangsu2.1 b159.1 a354.9 b4.4 b3.4 a156.6 a581.2 a7.5 a
    浙江Zhejiang1.9 b78.7 a1001.4 b12.5 b2.9 a75.2 b1856.2 a23.3 a
    平均Average1.8 b125.2 a536.4 b6.6 b2.5 a122.2 b844.8 a10.6 a
    注(Note):N2OTE —N2O 总排放量 Total N2O emission; GHGI—温室气体排放强度 Greenhouse Gas emission intensity; NLI—氮素损失强度 N losses intensity. 数值后不同字母表示 NE 和 FP 处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters represent significant differences among treatments at the 0.05 probability level.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-20

冬小麦养分专家推荐施肥系统在长江流域的可行性研究

    作者简介:黄晓萌 E-mail:Huangxmemg@163.com
    通讯作者: 徐新朋, xuxinpeng@caas.cn
  • 1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081
  • 2. 湖北大学资源环境学院,湖北武汉 430062
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFD0200502和2016YFD0200101);国家自然科学基金项目(31801938);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(1610132019047)。
  • 摘要:   【目的】  采用基于产量反应和农学效率的冬小麦养分专家系统的推荐施肥方法 (Nutrient Expert for Wheat, NE),在长江流域进行田间试验,并通过与该地农民习惯施肥方法的比较,确定该系统在长江流域冬小麦的可行性。  【方法】  2019年于长江流域的四川、云南、安徽、湖北、江苏和浙江6省共布置了50个冬小麦田间试验,每个试验包括5个处理:小麦养分专家系统推荐施肥处理 (NE)、农民习惯施肥处理 (FP),以及基于NE处理的不施氮、磷、钾肥处理,从产量、经济效益、肥料利用率、氮损失和温室气体排放5方面,比较了NE与FP的差异。  【结果】  与FP处理相比,NE显著降低了氮肥、磷肥和钾肥施用量57、10和8 kg/hm2(P < 0.001),降幅分别达到了26.6%、13.3%和12.9%;小麦产量显著提高 (P < 0.001),平均增产365 kg/hm2,增幅为7.9%;显著降低了肥料成本 (P < 0.001),平均减少了429 元/hm2,降幅为20.9%;显著提高了经济效应,平均增加了1446 元/hm2,增幅为17.7%,且所有增加经济效益中有55.5%来自于产量的增加 (P < 0.001)。NE处理显著提高了长江流域冬小麦的肥料利用效率 (P < 0.001),与FP处理相比,氮、磷和钾农学效率分别提高了6.5、8.3和8.6 kg/kg,增幅分别为67.7%、143.1%和159.3%;氮、磷和钾偏生产力分别增加了10.9、17.9和24.8 kg/kg,增幅分别为49.1%、28.8%和34.4%;氮、磷和钾回收率分别增加了15.3、11.9和27.2个百分点,增幅分别为52.9%、132.2%和87.7%。NE处理较FP处理显著增加了地上部氮素吸收量 (P < 0.001) 且显著减少了氮素损失 (P < 0.001),地上部氮素吸收平均增加了3.0 kg/hm2,增幅为2.5%;活性氮损失强度平均减少N 4.0 kg/t,降幅为37.7%;N2O总排放量平均减少了0.7 kg/hm2,降幅为28.0%;温室气体排放强度平均减少CO2 eq 308.4 kg/t,降幅为36.5%。  【结论】  在长江流域冬小麦生产中,采用基于小麦产量反应和农学效率的NE推荐施肥方法,可较农民施肥 (FP) 平均降低26.6%、13.3%和12.9%的氮磷钾肥施用量,同时提高冬小麦产量7.9%,显著提高经济效益和肥料利用率,并有效地降低活性氮损失和温室气体排放,适用于我国长江流域冬小麦的推荐施肥。

    English Abstract

    • 小麦作为我国重要的粮食作物之一,其产量对保证我国粮食安全举足轻重。化肥作为小麦增产的决定因子之一,在提高小麦产量中发挥了不可替代的作用[1],但过量施肥不仅造成肥料利用率降低,而且严重威胁到生态环境安全[2-4]。目前我国小麦的过量施肥现象严重,氮肥利用率低于世界同期平均水平的20%~30%,而氮肥农学效率低于世界平均水平的10%左右[5]。确定合理的施肥量是对农田进行科学养分管理的必要措施之一。当前的推荐施肥方法主要是基于土壤养分测定和作物营养诊断方面,例如测土配方施肥法[6]、目标产量法[7]、肥料效应函数法[8]、叶绿素仪[9-10]和硝酸盐反射仪[11]等。由于土壤养分测定对取样要求高,且存在分析速度慢、时效性差、测试成本高等问题,很难实现一家一户测土施肥[12-13]。作物营养诊断也多存在工作量大,时效滞后等问题[14]。因此,需要更加科学系统、灵活便利、适用于小农户的推荐施肥方法。

      养分专家系统 (Nutrient Expert,NE) 是由国际植物营养研究所 (IPNI) 提出的一种用于指导小农户推荐施肥的养分管理决策系统[15]。该方法以实地养分管理为基础,结合4R养分管理原则,应用大量的田间试验,分析各农学参数的内在联系而建立的一种平衡推荐施肥方法[15-17]。NE系统已经应用于中国及亚洲部分国家和地区的玉米、水稻和小麦的推荐施肥[17-20]。长江流域作为我国重要的粮食主产区,其冬小麦种植面积和产量分别占到了全国的31.7%和28.5%[21-22]。近年来,长江流域小麦的施肥量显著增加,过量施肥程度已超过40%,与其他种植区相比处于较高水平,然而其肥料利用效率却大幅度下降[23-24]。因此,本研究于2019年在长江流域六省份布置了50个田间试验,对小麦养分专家系统进行验证和改进,评估小麦养分专家系统对长江流域产量、肥料利用率及生态效益的影响,旨在建立一种科学、便捷、更易接受的推荐施肥方法。

      • 为研究小麦养分专家系统在长江流域的可行性,于2019年分别在四川、云南、安徽、湖北、江苏和浙江六省布置了共计50个田间试验。每个试验包括5个处理,分别为:基于小麦养分专家系统推荐的优化施肥处理 (NE),农民习惯施肥处理 (FP),以及基于NE处理的不施氮、磷、钾肥的处理。各地区试验数及土壤理化性状见表1

        表 1  长江流域冬小麦试验点信息

        Table 1.  The soil characteristics of experimental sites in winter wheat growing-region in Yangtze Valley

        省份
        Provence
        试验数
        No. of experiment
        pH有机质 (g/kg)
        OM
        碱解氮 (mg/kg)
        Alk.- hydr. N
        速效磷 (mg/kg)
        Olsen P
        速效钾 (mg/kg)
        Available K
        四川Sichuan 48.2~8.315.2~21.3139.5~163.317.5~21.599.6~111.1
        云南Yunnan115.4~7.022.1~42.396.4~147.421.9~40.8125.0~187.0
        安徽Anhui 76.0~8.012.6~19.465.3~106.612.1~26.4110.0~175.0
        湖北Hubei126.3~8.315.3~21.180.0~111.08.2~15.991.0~115.0
        江苏Jiangsu 66.3~8.014.7~20.274.0~95.010.3~22.672.8~114.0
        浙江Zhejiang104.8~7.922.6~37.9100.0~286.015.9~50.950.0~187.0

        NE处理应用的小麦养分专家系统是以中国小麦主产区多点的田间试验为基础,应用QUEFTS模型模拟得到小麦不同潜在产量和目标产量下的养分吸收曲线[25-27],并依据各农学参数间的内在联系确定基于产量反应和农学效率的推荐施肥原理,结合养分平衡确定施肥量,具体原理见Chuan等[18]和Xu等[19]研究。在试验开始前调查试验地块过去3到5年的作物产量、施肥量、施肥措施包括是否使用有机肥和秸秆还田情况等方面,将调查结果输入小麦养分专家系统得到施肥方案。FP处理完全遵从农民日常的田间管理进行,对施肥量、施肥次数和肥料品种等进行记录,并在收获时测定相应的小麦产量和养分含量。NE处理的氮、磷及钾肥分别使用尿素、过磷酸钙和氯化钾,尿素分两次施用,在返青期追肥,基追比为50∶50,磷肥和钾肥作为基肥一次性施用。小区面积30~50 m2,小麦品种均选用当地主栽品种,如靖麦17号、文麦14号、绵麦26号等。各处理耕种方式、病虫害及其它栽培管理措施均采用相同标准。

      • 测定小麦产量采用随机采样法,小麦成熟后测定整个小区的小麦产量和同时测定小麦的含水量。另外采集1米长的样品带回室内分成子粒和秸秆部分,并于60℃烘干72 h,称重并计算收获指数。随机取一部分烘干样品粉碎,采用H2SO4-H2O2方法消煮,分别用凯氏定氮法、钒钼黄比色法和原子吸收法测定小麦子粒和秸秆中氮、磷和钾含量。

        氮素农学利用率 (kg/kg) = (氮磷钾全施区产量 – 不施氮区产量)/施氮量,磷和钾素农学效率计算同理;

        氮素回收率 (%) = (氮磷钾全施区植株地上部氮吸收量 – 不施氮区地上部植株氮吸收量)/施氮量 × 100,磷和钾素回收率计算同理;

        氮素偏生产力 (kg/kg) = 氮磷钾全施区产量/施氮量,磷和钾偏生产力计算同理;

        肥料成本 (元/hm2) 为氮、磷和钾肥料费用总和;

        净效益 (元/hm2) 为收获后的产量利润减去肥料成本。

        利用Cui等[28]研究得到的相关数学模型计算我国长江流域小麦农田的氮素损失参数和损失强度:

        N2O直接排放量 (kg/hm2) = 0.59e0.0060 × 施氮量

        NH3挥发量 (kg/hm2) = –0.61 + 0.13 × 施氮量

        N淋洗量 (kg/hm2) = 1.64e0.0078 × 施氮量

        N2O总排放量 (kg/hm2) = N2O直接排放量 + NH3挥发量 × 0.01 + N淋洗量 × 0.0075

        氮素损失强度 (N kg/t) = (N2O直接排放量 + NH3挥发量 + NO3-N淋洗量)/小麦单位产量 (kg/hm2) × 1000

        在小麦生产的整个生命周期中的温室气体排放由CO2、CH4和N2O三部分组成,CH4排放较少,可忽略不计。温室气体排放强度 (- CO2 eq kg/t) 计算公式如下[29-30]

        GHGI = (N2O直接排放当量 + 氮肥生产过程中的排放当量 + 氮肥运输过程中的排放当量 + 磷肥和钾肥生产和运输的温室气体排放当量)/小麦单位产量 (kg/hm2) × 1000

        N2O直接排放当量 = N2O总排放量 × 44/28 × 298

        氮肥生产过程中的排放当量 = 施氮量 × 8.21

        氮肥运输过程中的排放当量 = 施氮量 × 0.09

        磷肥和钾肥生产和运输的温室气体排放当量 = 施磷量 × 0.79 + 施钾量 × 0.55

        采用Microsoft Excel 2010 进行数据计算,数据方差分析使用SPSS软件的LSD最小极差法在0.05水平上进行多重比较。

      • 表2显示,各省份FP处理的平均施氮量普遍较高,其中江苏省、浙江省和安徽省已超过200 kg/hm2,NE处理显著降低了施氮量 (P < 0.001),减氮范围为30~86 kg/hm2,平均减少57 kg/hm2,降幅达到了26.6%,各省均达到了显著水平,NE最高减施31.9% (江苏省)。总体而言,NE处理降低了磷肥施用量 (P < 0.001),平均降低了10 kg/hm2,降幅为13.3%,然而各省份FP处理的磷肥施用存在一定差异。相较于FP处理,安徽省和江苏省的NE处理分别平均增施了9和10 kg/hm2的磷肥,其余各省的NE处理均减少了磷肥施用量,最高减施磷肥21 kg/hm2 (湖北省)。NE处理整体平均减少了8 kg/hm2的施钾量,降幅为12.9% (P < 0.001)。四川省、云南省和安徽省的FP处理施钾不足,NE处理增加了施钾量,增加范围为6~20 kg/hm2,而湖北省、江苏省和浙江省分别减少了29、3和31 kg/hm2的钾肥用量。

        表 2  小麦养分专家系统 (NE) 与农民习惯施肥 (FP) 的施肥量比较

        Table 2.  Comparison of fertilizer use between Nutrient Expert for Wheat (NE) and farmers’ practices (FP)

        省份
        Province
        施氮量N rate (kg/hm2)施磷量P2O5 rate (kg/hm2)施钾量 K2O rate (kg/hm2)
        NEFPΔNE-FPP > [T]NEFPΔNE-FPP > [T]NEFPΔNE-FPP > [T]
        四川Sichuan143173–30< 0.0016275–130.0075145 60.391
        云南Yunnan154195–41< 0.0015670–140.1474525200.006
        安徽Anhui159211–52< 0.0017061 90.1496861 70.350
        湖北Hubei137196–59< 0.0017091–210.0026190–29 0.022
        江苏Jiangsu184270–86< 0.0017868 100.0056568–30.304
        浙江Zhejiang175240–65 0.0176076–160.2294273–31 0.063
        平均Average157214–57< 0.0016575–10< 0.001 5462–8< 0.001
        注(Note): P > |T|—NE 和 FP 在 0.05 水平的配对法 t 检验 Probability of a significant mean difference between NE and FP at 0.05 level used paired t-test.
      • 与FP处理相比,NE处理显著增加了小麦产量 (P < 0.001),平均增产365 kg/hm2,增幅为7.9%,各省平均增产范围为24~677 kg/hm2 (表3)。其中浙江省和安徽省的平均增产量最高,分别为677和537 kg/hm2,增幅分别为29.0%和12.0%;湖北省和江苏省次之,为350和338 kg/hm2 (增幅分别为5.9%和4.7%);四川省和云南省的平均增产量最低,为43和24 kg/hm2,增幅分别为1.0%和0.6%。

        表 3  小麦养分专家系统 (NE) 与农民习惯施肥 (FP) 的产量和经济效益比较

        Table 3.  Comparison of grain yield and economic benefit between Nutrient Expert for Wheat (NE) and farmers’ practices (FP)

        省份
        Province
        产量Yield (kg/hm2)肥料成本 (yuan/hm2)
        Total fertilizer cost
        经济效益 (yuan/hm2)
        Gross return above fertilizer cost
        NEFPΔNE-FPP > [T]NEFPΔNE-FPP > [T]NEFPΔNE-FPP > [T]
        四川Sichuan45634520 430.65614901707–2170.01885478237 3100.145
        云南Yunnan38323808 240.57814771661–1840.00469536717 2360.025
        安徽Anhui50184481537< 0.001 17401916–1760.03211040 79423098< 0.001
        湖北Hubei624758973500.00915722209–637< 0.001 12172 10765 1407< 0.001
        江苏Jiangsu756872303380.16919072321–414< 0.001 14742 13585 11570.064
        浙江Zhejiang301023336770.02016032250–6470.0095020308619340.005
        平均Average49904625365< 0.001 16232052–429< 0.001 961381671446< 0.001
        注(Note): P > |T|—NE 和 FP 在 0.05 水平的配对法 t 检验 Probability of a significant mean difference between NE and FP at 0.05 level used paired t-test.

        由于FP处理的施氮量远高于NE处理,即使部分省份FP处理的磷肥和钾肥用量低于NE处理,但NE处理的肥料成本仍显著低于FP处理 (P < 0.001),且各省均达到了显著水平,平均节约肥料成本429元/hm2,降幅为20.9%。其中湖北省和浙江省NE处理的肥料成本与FP处理差距最高,平均分别为637和647元/hm2,降幅均达到了28.8%,主要是由于这两个省份NE处理的氮、磷和钾肥的施用量均低于FP处理;云南省和安徽省NE处理的平均肥料成本下降较少,分别为184和176元/hm2,降幅为11.1%和9.2%,是由于云南省NE处理较FP处理增加了钾肥用量,而安徽省则增加了磷肥和钾肥用量。总体而言,NE处理的经济效益显著高于FP处理,平均增加了1446元/hm2 (P < 0.001),增幅为17.7%。全部效益中,NE处理增加的经济效益中有55.5%来自于产量的增加。各省份中云南省、安徽省、湖北省和浙江省经济效益的提升均达到了显著水平。安徽省经济效益的增幅最高,为39.0%,平均增加3098元/hm2;云南省经济效益增量最少,为236元/hm2,增幅为3.5%。

      • NE处理显著提高了长江流域冬小麦的农学效率 (P < 0.001),与FP处理相比,氮素农学效率、磷素农学效率和钾素农学效率分别提高了6.5、8.3和8.6 kg/kg,增幅分别为67.7%、143.1%和159.3% (表4)。与FP处理相比,NE处理的氮素农学效率增长范围为2.2~9.5 kg/kg,除四川省外均达到了显著效果,各省增幅均超过30.0%,其中湖北省和江苏省具有较高的氮素农学效率,平均分别提高了8.8和9.5 kg/kg;四川省的氮素农学效率最小,较FP仅提高了2.2 kg/kg。各省磷素农学效率增长范围为2.7~11.1 kg/kg,其中安徽省、湖北省、江苏省和浙江省达到了显著水平,四川省NE处理的磷素农学效率最高,为16.6 kg/kg,较FP提高了3.1 kg/kg;浙江省NE处理的磷素农学效率增幅最高,达到了205.6%,较FP处理提高了11.1 kg/kg。各省份NE处理的钾素农学效率平均提高了8.6 kg/kg,其中以湖北省的最高,为17.1 kg/kg,较FP处理提高了10.0 kg/kg,增幅达到了140.8%。

        表 4  小麦养分专家系统 (NE) 与农民习惯施肥 (FP) 的农学效率比较

        Table 4.  Comparison of agronomic efficiency between Nutrient Expert for Wheat (NE) and farmers’ practices (FP)

        省份
        Province
        氮素农学效率 (kg/kg)
        Agronomic efficiency of applied N
        磷素农学效率 (kg/kg)
        Agronomic efficiency of applied P
        钾素农学效率 (kg/kg)
        Agronomic efficiency of applied K
        NEFPΔNE-FPP > [T]NEFPΔNE-FPP > [T]NEFPΔNE-FPP > [T]
        四川Sichuan8.66.42.20.33316.613.53.10.37113.511.81.70.301
        云南Yunnan8.76.32.40.00112.19.42.70.2399.37.61.70.026
        安徽Anhui16.59.86.7< 0.00116.49.86.6< 0.00112.46.65.80.011
        湖北Hubei22.513.78.8< 0.00115.27.28.00.00717.17.110.00.001
        江苏Jiangsu25.516.09.50.0146.02.53.50.00110.24.65.60.001
        浙江Zhejiang10.74.26.50.04916.55.411.10.01616.15.910.2< 0.001
        平均Average16.19.66.5< 0.00114.15.88.3< 0.00114.05.48.6< 0.001
        注(Note):P > |T|—NE 和 FP 在 0.05 水平的配对法 t 检验 Probability of a significant mean difference between NE and FP at 0.05 level used paired t-test.

        NE处理显著提高了长江流域冬小麦偏生产力 (P < 0.001),N、P、K偏生产力分别提高了10.9、17.9和24.8 kg/kg,增幅分别为49.1%、28.8%和34.4% (表5)。但各省NE处理的偏生产力存在一定差异,其中湖北省的氮素偏生产力最高 (45.8 kg/kg),较FP处理增加了15.9 kg/kg,浙江省的氮素偏生产力增幅最大,为97.9%,较FP处理增加了9.4 kg/kg;NE处理下的磷素偏生产力以江苏省最高,为101.7 kg/kg,较FP处理平均提高了8.9 kg/kg,湖北省磷素偏生产力的增幅最高,达45.1%;钾素偏生产力均值以江苏省最高,为116.3 kg/kg,较FP处理平均增加了9.5 kg/kg,浙江省的增幅最高,为109.4%,平均增加了42.0 kg/kg。

        表 5  小麦养分专家系统 (NE) 与农民习惯施肥 (FP) 的偏生产力比较

        Table 5.  Comparison of partial factor productivity between Nutrient Expert for Wheat (NE) and farmers’ practices (FP)

        省份
        Province
        氮素偏生产力 (kg/kg) PFP-N磷素偏生产力 (kg/kg) PFP-P钾素偏生产力 (kg/kg) PFP-K
        NEFPΔNE-FPP > [T]NEFPΔNE-FPP > [T]NEFPΔNE-FPP > [T]
        四川Sichuan32.026.25.80.00174.360.314.00.006101.193.77.40.255
        云南Yunnan27.221.35.9< 0.00181.062.918.10.001105.893.712.1< 0.001
        安徽An’hui31.621.310.3< 0.00181.666.814.8< 0.00185.166.218.9< 0.001
        湖北Hubei45.829.915.9< 0.00192.763.928.8< 0.001104.964.340.6< 0.001
        江苏Jiangsu41.126.814.30.002107.198.28.90.004116.3106.89.50.069
        浙江Zhejiang19.09.69.40.03054.840.414.40.00580.438.442.00.001
        平均Average33.122.210.9< 0.00180.062.117.9< 0.00196.972.124.8< 0.001
        注(Note):PFP-N—Partial factor productivity of applied N; PFP-P—Partial factor productivity of applied N; PFP-K—Partial factor productivity of applied N; P > |T|—NE 和 FP 在 0.05 水平的配对法 t 检验 Probability of a significant mean difference between NE and FP at 0.05 level used paired t-test.

        NE处理显著提高了养分回收率 (P < 0.001),与FP处理相比,N、P和K回收率分别增加了15.3、11.9和27.2个百分点,增幅分别为52.9%、132.2%和87.7% (表6)。各省份中,NE处理下的氮素回收率均值以湖北省的最高,较FP处理增加了18.7个百分点,浙江省氮素回收率的增幅最高,达112.2%,较FP处理增加了18.4个百分点;安徽省NE处理下的磷素回收率均值最高,为30%,高于FP处理10.5个百分点,江苏省NE处理下的磷素回收率的增幅最高,达216.9%,较FP处理平均增加了19.3个百分点;NE处理下,浙江省钾素回收率均值的最高,为72.5%,较FP的平均增加了30.4个百分点,增幅达72.2%。

        表 6  小麦养分专家系统 (NE) 与农民习惯施肥 (FP) 的养分回收率比较

        Table 6.  Comparison of recovery efficiency between Nutrient Expert for Wheat (NE) and farmers’ practices (FP)

        省份
        Province
        氮素回收率 RE-N (%)磷素回收率 RE-P (%)钾素回收率 RE-K (%)
        NEFPΔNE-FPP > [T]NEFPΔNE-FPP > [T]NEFPΔNE-FPP > [T]
        四川Sichuan24.517.47.10.25621.116.74.40.32227.221.06.20.253
        云南Yunnan34.223.410.80.00218.17.610.50.01969.856.912.90.483
        安徽Anhui28.521.07.50.02330.019.510.50.40163.645.318.30.194
        湖北Hubei63.144.418.7< 0.00118.28.49.80.00256.444.511.90.589
        江苏Jiangsu57.434.622.80.04528.28.919.30.25849.434.015.40.015
        浙江Zhejiang34.816.418.40.04426.78.418.30.10872.542.130.40.098
        平均Average44.228.915.3< 0.00120.99.011.9< 0.00158.231.027.2< 0.001
        注(Note):RE-N—Recovery efficiency to N fertilizer; RE-P—Recovery efficiency to P fertilizer; RE-K—Recovery efficiency to K fertilizer; Δ—NE-FP. P > |T|—NE 和 FP 在 0.05 水平的配对法 t 检验 Probability of a significant mean difference between NE and FP at 0.05 level used paired t-test.
      • 与FP处理相比,NE处理显著增加了地上部氮素吸收 (P < 0.001),平均增加了3.0 kg/hm2,增幅范围为1.7%~4.7% (表7)。在各省份中,其中湖北省NE处理的氮素吸收量最大,平均为159.6 kg/hm2,较FP增加了5.1 kg/hm2,浙江省氮素吸收的增幅最大,为4.7%。此外,NE处理显著降低了氮素损失强度 (P < 0.001),降低范围为N 1.3~10.8 kg/t,平均降低了N 4.0 kg/t,降幅为37.7%,对于各省份而言,浙江省NE处理的氮素损失强度减少最多,较FP处理平均减少了N 10.8 kg/t,降幅为46.4%。NE处理显著降低了N2O的总排放量 (P < 0.001),其变化范围为0.3~1.3 kg/hm2,较FP处理平均减少了0.7 kg/hm2,降幅为28.0%,其中,江苏省的总N2O的减排效果最好,平均降低了1.3 kg/hm2,降幅为38.2%。NE处理的温室气体排放强度的变化范围为CO2 eq 331.5~1001.4 kg/t,显著低于FP处理的CO2 eq 497.5~1856.2 kg/t (P < 0.001),平均减少了CO2 eq 308.4 kg/t,降幅为36.5%,其中浙江省的减排效果最好,较FP处理平均减少CO2 eq 854.8 kg/t,降幅为46.1%。

        表 7  小麦养分专家系统 (NE) 与农民习惯施肥 (FP) 的氮素损失和温室气体排放当量比较

        Table 7.  Comparison of N losses between Nutrient Expert for Wheat (NE) and farmers’ practices (FP)

        省份
        Province
        NEFP
        N2OTE
        (kg/hm2)
        氮素吸收
        N uptake
        (kg/hm2)
        GHGI
        (CO2 eq kg/t)
        NLI
        (N kg/t)
        N2OTE
        (kg/hm2)
        氮素吸收
        N uptake
        (kg/hm2)
        GHGI
        (CO2 eq kg/t)
        NLI
        (N kg/t)
        四川Sichuan1.6 b125.4 a445.8 b5.4 b1.9 a123.3 a544.3 a6.7 a
        云南Yunnan1.7 b132.2 a525.6 b6.4 b2.2 a127.5 b671.8 a8.4 a
        安徽Anhui1.8 b93.1 a447.5 b5.4 b2.4 a89.6 b664.8 a8.4 a
        湖北Hubei1.5 b159.6 a331.5 b4.0 b2.2 a154.5 b497.5 a6.1 a
        江苏Jiangsu2.1 b159.1 a354.9 b4.4 b3.4 a156.6 a581.2 a7.5 a
        浙江Zhejiang1.9 b78.7 a1001.4 b12.5 b2.9 a75.2 b1856.2 a23.3 a
        平均Average1.8 b125.2 a536.4 b6.6 b2.5 a122.2 b844.8 a10.6 a
        注(Note):N2OTE —N2O 总排放量 Total N2O emission; GHGI—温室气体排放强度 Greenhouse Gas emission intensity; NLI—氮素损失强度 N losses intensity. 数值后不同字母表示 NE 和 FP 处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters represent significant differences among treatments at the 0.05 probability level.
      • 相较于其他的施肥方法,NE系统在估算作物一定目标产量下的氮、磷和钾养分吸收时,考虑了两两养分之间的相互作用,使模拟的产量与养分吸收的关系曲线更接近于实测值[18],将施肥后的作物产量分为由土壤基础养分供应所得产量,以及由施肥所增加的作物产量两部分,充分利用土壤基础养分供应,实现养分的供需平衡,避免了施肥过量造成的养分盈余[31]。在对施肥量的调节中,NE系统还综合考虑了上季作物的养分盈余情况和当季作物收获的养分移走量,保证了土壤肥力的稳定性。本研究试验点选自长江流域上、中和下游冬小麦主产区,分布在四川、云南、湖北、安徽、江苏和浙江六省,其播种面积和产量分别占长江流域冬小麦播种面积和产量的96.8%和98.1%[21],各试验点气温和降雨量位于年季正常范围,且多点试验能够代表长江流域气候特征。本研究中,NE处理平衡了化肥施用量,降低了肥料消耗成本,小麦增产增收效果显著。与FP处理相比,NE处理平均减少了26.6%的氮肥施用量、13.3%的磷肥施用量和12.9%的钾肥施用量 (P < 0.001),且与基础测土配方施肥方法[24]相比,节肥效果同样显著,氮肥施用量平均减少了49 kg/hm2,降幅达23.8%。NE系统以不施某种养分的作物产量代替土壤测试值为依据,判断土壤的基础养分供应,将环境中养分输入如大气沉降、降雨,灌溉水等作为土壤基础养分供应的一部分加以考虑,且可根据作物目标产量和气候条件调整施肥量,结果更加灵活可靠。NE系统通过平衡施肥显著降低了研究区域的肥料成本 (P < 0.001),与FP处理相比,平均减少了429元/hm2,降幅为20.9%,虽有部分省份NE处理增加了磷肥或钾肥投入,但由于FP处理氮肥施用量显著高于NE处理,NE处理仍显著降低了肥料成本。与此同时,通过平衡施肥,NE处理与FP处理相比,小麦增产效果显著 (P < 0.001),平均增加了365 kg/hm2,增幅为7.9%,表明NE系统可提高长江流域冬小麦的施肥效益,在减少养分盈余的同时可保证小麦产量。较高的产量和较低的肥料成本,必然得到较高的经济效益,NE处理的经济效益显著高于FP处理 (P < 0.001),平均增加了1446元/hm2,增幅达17.7%。

        小麦养分专家系统通过平衡施肥,不仅使小麦产量大幅增加,同时显著提高了肥料利用率 (P < 0.001)。其中,氮、磷、钾的农学效率分别较FP处理提高了6.5、8.3和8.6 kg/kg,增幅可达67.7%、143.1%和159.3%;氮、磷、钾的偏生产力较FP处理增长了49.1%、28.8%和34.4%。NE处理下的农学效率和偏生产力均高于2000—2011年我国小麦农学效率的平均水平 (氮、磷、钾的农学效率分别为9.4、10.2和6.5 kg/kg,氮、磷、钾的偏生产力分别为32.9、65.9和48 kg/kg)[32]。然而本研究的氮素农学效率和偏生产力平均值仍低于世界平均水平 (18~24 kg/kg,44 kg/kg)[33],各省份间的肥料利用率情况存在差异,湖北省和江苏省已显著高于世界平均水平,因此需进一步利用小麦养分专家系统综合环境和产量因素对各省份进行因地制宜的管理优化。本研究NE处理的养分回收率较FP处理分别增加了15.3、11.9和27.2个百分点,增幅分别为52.9%、132.2%和87.8%,在我国小麦种植区处于较高水平[34]。因此,科学合理的施肥指导不仅是作物生产的基础,也是提高养分利用效率的关键。

        氮肥过量施用加剧了氮素损失,不仅会降低农田生产力水平,进入环境的氮素还会威胁到环境安全[35-36]。氮肥调控是减少农田氮素损失的关键。本研究中,NE处理显著地降低了氮肥用量,但小麦地上部氮素累积量显著高于FP处理,提高了2.5%。农田作为温室气体重要的排放源之一,对温室气体排放影响很大[37-38]。大气中20%的CO2、70%的CH4和90%的N2O均来源于农业生产及其相关过程[39]。在一定范围内,通过合理的氮肥管理,减少氮肥投入,或者通过提高单产水平,提高氮肥偏生产力可有效地降低农田温室气体排放水平[28, 40]。本研究采用Cui等[28]得出的南方小麦施氮量与氮素损失关系模型计算氮素损失,该研究涵盖了不同土壤类型和气候特征,以多年多点的田间试验为依据,利用线性或指数模型建立了N2O排放、NH3挥发和氮淋溶与施氮量之间的关系,其关系模型已被多次参考引用[41-42],本研究得到的湖北和江苏的氮素损失量与夏文建[43]和姜姗姗[44]在相近施肥量下的研究结果相近,即其关系模型可用于长江流域冬小麦氮素损失的计算。本研究中,NE处理显著降低了N2O的总排放量和氮素损失强度,分别降低了28.0%和37.7%,平衡氮肥施用和增加氮素吸收是氮损失减少的主要原因。NE处理的温室气体排放强度较FP处理降低了36.5%,各省份NE处理的温室气体减排效果均达到显著水平。因此小麦养分专家系统可有效地针对长江流域区域进行合理的推荐施肥,并可在保证小麦产量的同时提高肥效,降低温室气体排放,保护土壤与大气环境。

      • 基于产量反应和农学效率的小麦推荐施肥方法与农民习惯施肥相比,显著降低了长江流域冬小麦的肥料用量,尤其氮肥减施效果显著,超过25%。在施肥量大幅度降低的前提下,推荐施肥仍提高小麦产量7.9%,增产效果显著,并显著提高了长江流域冬小麦的经济效益。与此同时,小麦养分专家系统显著提高了长江流域冬小麦的肥料利用率和地上部氮素吸收,有效地降低了氮素损失,从而降低了农田温室气体排放强度。因此,小麦养分专家系统不仅可以节肥增产,提高小麦的肥料利用效率,而且具有较强的环境效应,在长江流域冬小麦产区具有较好的应用效果。

    参考文献 (44)
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