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大豆养分专家系统在我国大豆主产区的应用与评价

吕继龙 何萍 魏丹 仇少君 徐新朋 赵士诚

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大豆养分专家系统在我国大豆主产区的应用与评价

    作者简介: 吕继龙 E-mail:17839964170@163.com;
    通讯作者: 赵士诚, E-mail:zhaoshicheng@caas.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划 (2016YFD0200102)

Application and assessment of Nutrient Expert (NE) system in main soybeanproduction areas of China

    Corresponding author: ZHAO Shi-cheng, E-mail:zhaoshicheng@caas.cn
  • 摘要:   【目的】  平衡施肥是实现作物高产高效的主要因素,而推荐施肥方法是实现作物平衡施肥的重要手段。本文通过田间试验评价了养分专家系统 (Nutrient Expert,NE) 推荐施肥在我国大豆上的应用效果。  【方法】  于2014—2015年在春大豆产区 (东北三省) 进行了21个田间试验,2017—2018年在夏大豆产区 (安徽、江苏、河南) 进行了11个田间试验。所有试验采用当地大豆品种,设置3种施肥处理,包括大豆养分专家系统 (NE) 推荐施肥、基于土壤测试的推荐施肥 (OPTS) 和农民常规施肥 (FP) 处理,分析比较了各施肥处理的肥料用量、大豆产量、养分吸收量及经济效益。  【结果】  在春大豆产区,NE和OPTS处理较FP处理提高了辽宁省的氮用量和吉林省的磷用量,提高了黑龙江和吉林省的钾用量,而NE和OPTS处理间氮磷钾肥用量相似;在夏大豆产区,所有试验NE和OPTS处理推荐的氮磷钾肥用量均显著高于FP处理。在春大豆产区,黑龙江、吉林和辽宁省OPTS处理的大豆产量较FP 处理分别增加了135、518 和478 kg/hm2,经济效益分别增加了699、1684和856元/hm2;NE处理的产量较OPTS处理分别增产了167、542和1225 kg/hm2,经济效益分别增加1096、2591和4610元/hm2;OPTS处理的氮吸收量较FP提高了9.1%~32.3%,钾吸收量提高了0~41.4%,且显著提高辽宁省的磷肥偏生产力;在黑龙江,NE处理氮、钾吸收量分别显著高于OPTS处理的13.6%和23.5%。在夏大豆产区,安徽和江苏省OPTS与FP处理的产量相似,而河南、安徽和江苏省NE处理的大豆产量较FP 处理分别增加了1021、694和622 kg/hm2,经济效益分别增加了3991、3955 和2069元/hm2;河南省NE和OPTS处理的大豆产量和经济效益相似,而安徽和江苏省NE处理的大豆产量较OPTS处理分别增产868和545 kg/hm2,经济效益分别增加2876和2823元/hm2。同时,除安徽省钾吸收量外,OPTS处理与FP处理氮磷钾吸收量均无显著差异;而NE处理氮磷钾素吸收量较FP处理分别提高了15.8%~41.3%、19.0%~35.5%和23.9%~27.3%,并且NE处理提高了江苏省氮磷钾肥的偏生产力。  【结论】  与农民常规施肥相比,测土施肥和养分专家系统推荐施肥处理在东北的春大豆产区的氮磷肥用量没有显著变化,在夏大豆产区的氮磷钾肥用量显著增加;测土施肥与农民常规施肥处理的大豆产量和经济效益相似,而养分专家系统推荐施肥处理的产量和经济效益较农民常规施肥显著增加。因此养分专家系统推荐施肥更有利于养分的平衡优化、大豆产量和经济效益的提高,同时不需土壤分析测试,是一种简捷高效的推荐施肥方法。
  • 表 1  试验地点及土壤养分含量

    Table 1.  Experimental sites and soil properties

    年份
    Year
    省份
    Province
    试验点数
    Experimental Number
    北纬
    North latitude
    (°)
    东经
    East longitude
    (°)
    pH有效氮
    Available N
    (mg/kg)
    有效磷
    Olsen-P
    (mg/kg)
    速效钾
    NH4OAc-K
    (mg/kg)
    有机质
    OM
    (g/kg)
    大豆品种
    Soybean cultivar
    2014黑龙江Heilongjiang846.02~50.25123.67~13.405.85~8.3264.1~153.064.1~153.0130.0~336.024.7~53.4长农16、赤豆3号、安09-191、东生7号、合丰50垦、鉴豆28号、铁丰31
    吉林Jilin242.25~44.47123.80~125.426.18~8.05140.2~160.1140.2~160.1153.8~161.024.4~29.1
    辽宁Liaoning140.48123.556.50143.5151.1167.023.3
    2015黑龙江Heilongjiang746.02~50.25124.88~127.456.85~8.42149.7~231.474.6~125.5139.0~240.028.7~46.9
    吉林Jilin142.30118.877.18139.5150.1161.031.8
    辽宁Liaoning242.42~40.8123.55~124.326.70~7.10105.4~130.5146.6~233.6153.8~168.020.9~23.3
    2017河南Henan234.14~35.11113.94~116.377.20~7.8475.4~86.818.7~24.5111.7~120.712.1~13.8中黄13、皖豆7、齐黄34、中黄37、皖豆15、九月黄
    安徽Aahui333.01~33.44115.21~116.234.80~5.0552.4~57.611.5~15.9105.2~137.216.2~202
    江苏Jiangsu332.34~33.84117.92~118.985.90~6.7069.6~76.811.0~29.4107.2~116.414.9~21.2
    2018安徽Aahui232.65~33.05115.26~115.595.52~7.3570.4~80.815.1~19.595.5~141.120.1~24.2
    江苏Jiangsu232.05~33.01120.71~121.608.20~8.7571.6~78.821.1~30.498.2~120.617.3~23.1
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    表 2  不同省份大豆试验各处理施肥量

    Table 2.  Fertilization rate in each treatment of the experimental provinces

    省份
    Province
    处理
    Treatment
    施肥量 Fertilizer rate (kg/hm2)
    NP2O5K2O
    黑龙江
    Heilongjiang
    NE 57 (20~97)66 (43~120)64 (42~93)
    OPTS62 (43~123)79 (43~160)68 (46~123)
    FP 52 ( 35~79)81 (50~196)45 (25~79)
    吉林
    Jilin
    NE 58 (50~73)63 (32~103)63 (78~103)
    OPTS53 (50~60)82 (61~133)71 (52~103)
    FP 50(50)39 (30~48)27 (26~27)
    辽宁
    Liaoning
    NE 50 (43~56)55 (53~57)56 (55~57)
    OPTS54 (50~56)64 (61~69)60 (57~68)
    FP 35 (27~69)67 (65~69)65 (50~69)
    河南
    Henan
    NE 67 (60~73)38 (25~50)43 (35~50)
    OPTS60 (60)38 (25~50)43 (35~50)
    FP 0 0 0
    安徽
    Anhui
    NE 60 (60)52 (48~57)66 (65~67)
    OPTS61 (60~65)56 (48~60)68 (65~75)
    FP 26 (0~45)26 (0~45)26 (0~45)
    江苏
    Jiangsu
    NE 66 (54~73)55 (23~71)88 (15~132)
    OPTS65 (60~73)44 (23~71)87 (60~132)
    FP 24 (0~600)18 (0~45)15 (0~45)
      注(Note):表中数据为各省份 2014—2015、217—2018 年所有试验施肥量均值,括号内数据为该省试验期间试验施肥量范围 The data is the average rate of fertilizer application in each province in 2014-2015, 217-2018, and the data in the brackets are the range of fertilization rate in each province.
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    表 3  春夏大豆各处理平均施肥量 (kg/hm2)

    Table 3.  Average rate of fertilizers in each treatment of different provinces

    大豆类型
    Soybean type
    省份
    Province
    NP2O5K2O
    NEOPTSFPNEOPTSFPNEOPTSFP
    春大豆
    Spring soybean
    黑龙江 Heilongjiang57 a62 a52 a66 a79 a81 a64 a68 a45 b
    吉林 Jilin58 a53 a50 a63 a82 a39 b63 a71 a27 b
    辽宁 Liaoning 50 ab54 a35 b55 a64 a67 a56 a60 a65 a
    夏大豆
    Summer soybean
    河南 Henan67 a60 b 0 c 37.5 a 37.5 a 0 b43 a43 a 0 b
    安徽 Anhui60 a61 a26 b52 a56 a26 b66 a68 a26 b
    江苏 Jiangsu66 a65 a24 b55 a44 a18 b88 a87 a15 b
      注(Note):每个省份所对应的数据表示各省所有试验的平均值;数据后不同小写字母表示同试验点不同处理间差异显著。The data corresponding to each province is the average of all experiments;Values followed by different lowercase letters indicate significant difference among different treatments in the same region (P < 0.05).
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    表 4  不同处理大豆产量、收获指数和肥料偏生产力

    Table 4.  Soybean yield,harvest index and fertilizer partial factor productivity under different treatments

    大豆类型
    Soybean type
    省份
    Province
    处理
    Treatment
    产量 (kg/hm2)
    Yield
    收获指数 (kg/kg)
    HI
    PFPN
    (kg/kg)
    PFPP
    (kg/kg)
    PFPK
    (kg/kg)
    春大豆
    Spring soybean
    黑龙江 HeilongjiangNE 2735 a0.49 a62.2 a45.5 a46.4 b
    OPTS 2568 ab0.49 a 50 ab 36.7 ab40.8 b
    FP 2433 b0.49 a44.9 b34.2 b65.0 a
    吉林 JilinLNE 3474 a0.48 a61.6 a67.8 a71.3 a
    OPTS 2932 ab0.46 a55.0 a40.7 a44.5 a
    FP 2414 b0.45 a49.2 a65.5 a93.0 a
    辽宁 LiaoningNE 4260 a0.54 a87.3 a76.9 a76.1 a
    OPTS3035 b0.48 b56.4 a47.9 b46.6 b
    FP 2557 b0.47 b60.5 a33.6 c39.8 b
    夏大豆
    Summer soybean
    河南 HenanNE 3809 a0.56 a58.2 a111.3 a 91.2 a
    OPTS3602 a0.58 a60.0 a106.2 a 86.7 a
    FP 2788 b0.55 a
    安徽 AnhuiNE3212 a0.51 a53.6 b62.5 b34.4 c
    OPTS2344 b0.45 c38.4 c42.5 c48.8 b
    FP 2518 b0.47 b81.6 a81.6 a81.6 a
    江苏 JiangsuNE 3374 a0.51 a51.6 a92.3 a 49.6 ab
    OPTS2829 b0.5 0a42.7 b47.8 b30.6 b
    FP 2752 b0.50 a44.5 b59.3 b68.0a
      注(Note):河南省FP处理施肥量为 0 No fertilizers were applied in FP treatment of Henan; 数据为各省平均值 The data is the average of a province; 数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P < 0.05); HI—Harvest index; PFPN—氮肥偏生产力 N partial factor productivity; PFPP—磷肥偏生产力 P partial factor productivity; PFPK—钾肥偏生产力 K partial factor productivity.
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    表 5  大豆地上部养分平均吸收量 (kg/hm2)

    Table 5.  Average nutrient uptake of above-ground part of soybean

    大豆类型
    Soybean type
    省份
    Province
    氮吸收量 N uptake磷吸收量 P uptake钾吸收量 K uptake
    NEOPTSFPNEOPTSFPNEOPTSFP
    春大豆
    Spring soybean
    黑龙江 Heilongjiang205.3 a180.8 b164.4 b21.0 a20.7 a17.8 a86.3 a69.9 b63.2 b
    吉林 Jilin183.3 b201.8 a152.5 c18.7 a20.2 a24.9 a90.3 a55.3 b39.1 b
    辽宁 Liaoning233.1 a225.5 a206.6 a32.4 a32.8 a32.2 a63.3 a69.7 a69.7 a
    夏大豆
    Summer soybean
    河南 Henan287.9 a272.9 ab248.7 b31.5 a29.7 ab25.6 b64.3 a59.5 ab51.0 b
    安徽 Anhui216.4 a164.5 ab153.2 b23.3 a20.2 ab17.2 b52.9 a52.6 a42.7 b
    江苏 Jiangsu230.0 a207.1 ab182.3 b23.2 a20.6 ab19.5 b70.9 a64.6 ab55.7 b
      注(Note): NE—Nutrient expert recommendation; OPTS—Fertilizer commendation based on soil test; FP—Farmer's fertilization practice; 大豆氮吸收包含土壤氮、肥料氮和根瘤固氮 Soybean nitrogen uptake includes N from soil, fertilizer and nodule fixation; 数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters represent significant differences among treatments (P < 0.05).
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    表 6  大豆生产经济效益 (yuan/hm2)

    Table 6.  Economic benefit of soybean production as affected by fertilization treatments

    大豆类型
    Soybean type
    省份
    Province
    产量收益
    Yield income
    肥料成本
    Fertilizer cost
    经济效益
    Economic benefit
    NE增益
    Benefit increase
    NEOPTSFPNEOPTSFPNEOPTSFPvs OPTSvs FP
    春大豆
    Spring soybean
    黑龙江 Heilongjiang12930 a12006 ab11119 b744 a917 a728 a12186 a11090 ab10391 b10961795
    吉林 Jilin15731 a13268 b11284 b617 a745 a445 a15114 a12523 b10839 b25914275
    辽宁 Liaoning18605 a14158 b13656 b695 a859 a1213 a17909 a13299 b12443 b46105466
    夏大豆
    Summer soybean
    河南 Henan16380 a15488 a11988 b401 a387 a0 b15979 a15100 a11988 b8793991
    安徽 Anhui14389 a11235 b10457 b496 a520 a218 b13893 a11017 b9938 b28763955
    江苏 Jiangsu15408 a12595 b12913 b566 a576 a140 b14842 a12019 b12773 b28232069
      注(Note):大豆价格 Soybean price; 4.4 yuan/kg in 2014, 4.8 yuan/kg in 2015, 4.3 yuan/kg in 2017, 5.0 yuan/kg in 2018; 肥料价格 Fertilizer price (N-P2O5- K2O); 1.90-2.60-3.90 yuan/kg in 2014, 4.34-6.96-5.33 yuan/kg in 2015; 2.1-3.0-3.5 yuan/kg in 2017, 2.1-3.0-3.5 yuan/kg in 2018.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-06
  • 网络出版日期:  2021-02-06

大豆养分专家系统在我国大豆主产区的应用与评价

    作者简介:吕继龙 E-mail:17839964170@163.com
    通讯作者: 赵士诚, zhaoshicheng@caas.cn
  • 1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部植物营养与肥料重点实验室,北京100081
  • 2. 北京市农林科学院植物营养与环境资源研究所,北京 100081
  • 基金项目: 国家重点研发计划 (2016YFD0200102)
  • 摘要:   【目的】  平衡施肥是实现作物高产高效的主要因素,而推荐施肥方法是实现作物平衡施肥的重要手段。本文通过田间试验评价了养分专家系统 (Nutrient Expert,NE) 推荐施肥在我国大豆上的应用效果。  【方法】  于2014—2015年在春大豆产区 (东北三省) 进行了21个田间试验,2017—2018年在夏大豆产区 (安徽、江苏、河南) 进行了11个田间试验。所有试验采用当地大豆品种,设置3种施肥处理,包括大豆养分专家系统 (NE) 推荐施肥、基于土壤测试的推荐施肥 (OPTS) 和农民常规施肥 (FP) 处理,分析比较了各施肥处理的肥料用量、大豆产量、养分吸收量及经济效益。  【结果】  在春大豆产区,NE和OPTS处理较FP处理提高了辽宁省的氮用量和吉林省的磷用量,提高了黑龙江和吉林省的钾用量,而NE和OPTS处理间氮磷钾肥用量相似;在夏大豆产区,所有试验NE和OPTS处理推荐的氮磷钾肥用量均显著高于FP处理。在春大豆产区,黑龙江、吉林和辽宁省OPTS处理的大豆产量较FP 处理分别增加了135、518 和478 kg/hm2,经济效益分别增加了699、1684和856元/hm2;NE处理的产量较OPTS处理分别增产了167、542和1225 kg/hm2,经济效益分别增加1096、2591和4610元/hm2;OPTS处理的氮吸收量较FP提高了9.1%~32.3%,钾吸收量提高了0~41.4%,且显著提高辽宁省的磷肥偏生产力;在黑龙江,NE处理氮、钾吸收量分别显著高于OPTS处理的13.6%和23.5%。在夏大豆产区,安徽和江苏省OPTS与FP处理的产量相似,而河南、安徽和江苏省NE处理的大豆产量较FP 处理分别增加了1021、694和622 kg/hm2,经济效益分别增加了3991、3955 和2069元/hm2;河南省NE和OPTS处理的大豆产量和经济效益相似,而安徽和江苏省NE处理的大豆产量较OPTS处理分别增产868和545 kg/hm2,经济效益分别增加2876和2823元/hm2。同时,除安徽省钾吸收量外,OPTS处理与FP处理氮磷钾吸收量均无显著差异;而NE处理氮磷钾素吸收量较FP处理分别提高了15.8%~41.3%、19.0%~35.5%和23.9%~27.3%,并且NE处理提高了江苏省氮磷钾肥的偏生产力。  【结论】  与农民常规施肥相比,测土施肥和养分专家系统推荐施肥处理在东北的春大豆产区的氮磷肥用量没有显著变化,在夏大豆产区的氮磷钾肥用量显著增加;测土施肥与农民常规施肥处理的大豆产量和经济效益相似,而养分专家系统推荐施肥处理的产量和经济效益较农民常规施肥显著增加。因此养分专家系统推荐施肥更有利于养分的平衡优化、大豆产量和经济效益的提高,同时不需土壤分析测试,是一种简捷高效的推荐施肥方法。

    English Abstract

    • 大豆是人类食用植物油和蛋白质的重要来源,也是医药、油墨和化妆品等行业的重要原料[1-3]。我国是世界上主要的大豆生产和消费国,然而我国的大豆总产和单产均较低,不能满足我国众多人口的需求,总消费量的82%需要进口[4]。影响农田大豆高产的因素包括环境条件、品种特性、土壤肥力和田间管理措施等[5]

      养分供应不足和不平衡是限制我国大豆高产的重要因素。一方面因为大豆的单产和经济效益较同季玉米低,农民对大豆种植和施肥不够重视,同时大部分农民认为大豆具有生物固氮能力,生产中不需要再施用氮肥,甚至不需要施用任何肥料,导致我国大豆生产中养分供应不足,限制了大豆产量的增加,因此科学的养分管理对大豆高产至关重要。氮磷钾是作物生长和高产必需的大量营养元素[6-8],平衡施肥在提高作物产量方面发挥了重要作用[9]。高的籽粒蛋白含量导致大豆有较高的氮需求,尽管根瘤固氮可提供部分氮素养分,但仅靠生物固氮不能完全满足大豆总的氮素需要,特别在高产和根瘤固氮受环境抑制情况下[10]。同时磷能够促进豆科植物根瘤菌结瘤共生[11-12],提高根瘤固氮效率。钾肥能增强大豆茎秆的强度,提高大豆的品质和产量[13]。因此氮磷钾养分应该平衡施用以实现大豆高产。根据作物养分需求和土壤养分供应特征进行推荐施肥是实现平衡施肥的重要方法,目前被推广应用的有测土配方施肥和肥料效应法等[14-16]。养分专家推荐施肥系统 (Nutrient Expert,NE) 基于作物产量反应、农学效率和土壤肥力水平等进行推荐施肥,它不需要土壤测试,通过人与系统的对话式输入田块和作物管理等相应信息即可完成施肥推荐和效益评估[17-19]。这种推荐施肥方法在东南亚的一些国家、地区以及我国小麦、玉米和水稻上已得到了应用[20-21]。梁俊梅等[22]发现基于养分专家推荐施肥的马铃薯产量较农民习惯施肥在低、中和高产田中分别增加1200、2000和2600 kg/hm2,而氮肥用量分别减少了16、23.4和25 kg/hm2,并且在养分吸收量、肥料利用率、经济效益等指标上也高于农民习惯施肥。在冬小麦上的应用表明,基于小麦NE系统的推荐施肥较农民常规施肥氮磷钾肥用量分别平均降低26.6%、13.3% 和12.9%,同时产量提高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强度和温室气体排放量[23]。其他田间验证试验也表明NE系统推荐施肥能平衡养分用量,使养分资源得到高效利用,并实现作物的高产[17, 24]。我们也基于中国大豆产区的土壤肥力、产量反应和养分吸收特征参数建立了大豆养分专家系统[25],并通过田间推荐施肥试验对此系统进行田间验证和参数校,但相关研究结果还没有发表。

      东北地区和华北平原是我国大豆主产区,产量和播种面积分别占全国总产量和播种面积的50.3%和48.4%[4]。因此,本研究于2014—2015年在我国东北春大豆产区和2017—2018年在夏大豆产区进行了多点田间试验,对大豆养分专家系统进行田间验证,并通过与当地农民常规施肥和测土配方施肥相比较,评价其对田间肥料用量、大豆籽粒产量和经济效益的影响,为我国大豆的科学施肥和高产高效提供一个简捷高效的肥料推荐方法。

      • 试验2014—2015年在春大豆产区吉林省、辽宁省和黑龙江省,2017-2018年在夏大豆产区河南省、江苏省和安徽省进行。各省的试验数量、分布和土壤特性等如表1所示。

        表 1  试验地点及土壤养分含量

        Table 1.  Experimental sites and soil properties

        年份
        Year
        省份
        Province
        试验点数
        Experimental Number
        北纬
        North latitude
        (°)
        东经
        East longitude
        (°)
        pH有效氮
        Available N
        (mg/kg)
        有效磷
        Olsen-P
        (mg/kg)
        速效钾
        NH4OAc-K
        (mg/kg)
        有机质
        OM
        (g/kg)
        大豆品种
        Soybean cultivar
        2014黑龙江Heilongjiang846.02~50.25123.67~13.405.85~8.3264.1~153.064.1~153.0130.0~336.024.7~53.4长农16、赤豆3号、安09-191、东生7号、合丰50垦、鉴豆28号、铁丰31
        吉林Jilin242.25~44.47123.80~125.426.18~8.05140.2~160.1140.2~160.1153.8~161.024.4~29.1
        辽宁Liaoning140.48123.556.50143.5151.1167.023.3
        2015黑龙江Heilongjiang746.02~50.25124.88~127.456.85~8.42149.7~231.474.6~125.5139.0~240.028.7~46.9
        吉林Jilin142.30118.877.18139.5150.1161.031.8
        辽宁Liaoning242.42~40.8123.55~124.326.70~7.10105.4~130.5146.6~233.6153.8~168.020.9~23.3
        2017河南Henan234.14~35.11113.94~116.377.20~7.8475.4~86.818.7~24.5111.7~120.712.1~13.8中黄13、皖豆7、齐黄34、中黄37、皖豆15、九月黄
        安徽Aahui333.01~33.44115.21~116.234.80~5.0552.4~57.611.5~15.9105.2~137.216.2~202
        江苏Jiangsu332.34~33.84117.92~118.985.90~6.7069.6~76.811.0~29.4107.2~116.414.9~21.2
        2018安徽Aahui232.65~33.05115.26~115.595.52~7.3570.4~80.815.1~19.595.5~141.120.1~24.2
        江苏Jiangsu232.05~33.01120.71~121.608.20~8.7571.6~78.821.1~30.498.2~120.617.3~23.1
      • 本研究设置3个处理:大豆养分专家系统推荐施肥 (NE)、基于土壤测试的推荐施肥 (OPTS) 和农民习惯施肥 (FP)。大豆养分专家系统是以我国大豆主产区多年多点的田间试验数据为基础,应用QUEFTS 模型模拟得到大豆不同潜在产量和目标产量下的养分吸收曲线[25],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,并结合养分平衡确定施肥量,具体原理见Chuan 等[19]和Xu 等[19, 24]的研究。农民习惯施肥完全按照试验点所在当地农民的常规施肥方法。每个小区面积30~60 m2,各处理重复3次,随机区组排列。不同年份和各试验点处理下的施肥范围如表2所示。供试氮、磷、钾肥分别以尿素 (N 46%)、重过磷酸钙 (P2O5 46%) 和氯化钾 (K2O 60%) 或硫酸钾 (K2O 50%) 为肥源。磷钾肥料均做基肥一次施用,氮肥用量低于60 kg/hm2时全部一次基施,超过60 kg/hm2时总用量一半于始花期追施。春大豆5月初播种,9月底收获;夏大豆6月初播种,9月底或10月初收获。所选用的大豆品种都是当地主栽高产品种,合理密植,灌溉、栽培、除草和病虫害防治等均采用当地高产田管理措施。

        表 2  不同省份大豆试验各处理施肥量

        Table 2.  Fertilization rate in each treatment of the experimental provinces

        省份
        Province
        处理
        Treatment
        施肥量 Fertilizer rate (kg/hm2)
        NP2O5K2O
        黑龙江
        Heilongjiang
        NE 57 (20~97)66 (43~120)64 (42~93)
        OPTS62 (43~123)79 (43~160)68 (46~123)
        FP 52 ( 35~79)81 (50~196)45 (25~79)
        吉林
        Jilin
        NE 58 (50~73)63 (32~103)63 (78~103)
        OPTS53 (50~60)82 (61~133)71 (52~103)
        FP 50(50)39 (30~48)27 (26~27)
        辽宁
        Liaoning
        NE 50 (43~56)55 (53~57)56 (55~57)
        OPTS54 (50~56)64 (61~69)60 (57~68)
        FP 35 (27~69)67 (65~69)65 (50~69)
        河南
        Henan
        NE 67 (60~73)38 (25~50)43 (35~50)
        OPTS60 (60)38 (25~50)43 (35~50)
        FP 0 0 0
        安徽
        Anhui
        NE 60 (60)52 (48~57)66 (65~67)
        OPTS61 (60~65)56 (48~60)68 (65~75)
        FP 26 (0~45)26 (0~45)26 (0~45)
        江苏
        Jiangsu
        NE 66 (54~73)55 (23~71)88 (15~132)
        OPTS65 (60~73)44 (23~71)87 (60~132)
        FP 24 (0~600)18 (0~45)15 (0~45)
          注(Note):表中数据为各省份 2014—2015、217—2018 年所有试验施肥量均值,括号内数据为该省试验期间试验施肥量范围 The data is the average rate of fertilizer application in each province in 2014-2015, 217-2018, and the data in the brackets are the range of fertilization rate in each province.
      • 大豆采用样方计产,在大豆成熟期,避开边界每个小区随机选取3个长势均匀的1 m2样方收获,风干后分籽粒和秸秆两部分称重,然后称取100 g风干籽粒65℃烘干到恒重,计算含水量,以含水量13%的大豆作为大豆产量。秸秆同样在65℃烘干到恒重,计算秸秆含水量,测算出大豆秸秆重量。

      • 大豆籽粒和秸秆样65℃烘干后粉碎,采用H2SO4–H2O2法消煮样品,全氮浓度采用凯氏定氮法测定,全磷浓度采用钒钼黄比色法测定,全钾浓度采用火焰光度法测定 (Cole-Parmer 2655-00,Vernon Hills,IL)[26]

      • 地上部氮 (磷、钾) 吸收量 (kg/hm2) = [籽粒氮 (磷、钾) 含量 (g/kg) × 籽粒产量 (kg/hm2)+秸秆养分含量 (g/kg) × 秸秆生物量 (kg/hm2)]/1000[27]

        氮 (磷、钾) 收获指数 (%) = 籽粒氮 (磷、钾) 吸收量 (kg/hm2)/地上部氮 (磷、钾) 吸收量 (kg/hm2) × 100

        氮 (磷、钾) 肥偏生产力 (kg/kg) = 施肥小区作物产量 (kg/hm2)/施氮 (磷、钾) 量 (kg/hm2)

        产量收益 (元/hm2) = 大豆产量 (kg/hm2) × 大豆价格 (元/kg)

        肥料成本 (元/hm2) = 肥料施用量 (kg/hm2) × 肥料价格 (元/kg)

        经济效益 (元/hm2) = 产量收益 (元/hm2)-肥料成本 (元/hm2)

        试验数据处理和图表制作采用 Microsoft Excel 2010,统计分析采用 SPSS 25.0,多重比较采用 LSD 法,差异显著水平为 P < 0.05。

      • 在春大豆产区,黑龙江、吉林和辽宁省三个处理的氮肥用量无显著差异,而NE和OPTS均较FP表现出增加趋势,其中在辽宁较FP增加了42.9%~54.3%(P < 0.05)(表3)。除吉林省FP处理磷肥用量较低外,黑龙江和辽宁省3个处理间磷肥用量无显著差异,但NE和OPTS处理均较FP呈现降低趋势,且NE处理磷肥用量较OPTS进一步降低了16.5%~23.2%。黑龙江和吉林省NE与OPTS处理钾肥用量差异不显著,但均较FP显著增加。在夏大豆产区,除河南NE处理氮施用量显著高于OPTS外,所有试验点NE和OPTS处理氮磷钾肥施用量无显著差异,而均显著高于FP处理 (P < 0.05)。春大豆与夏大豆NE和OPTS处理的施肥量差异不大,而春大豆FP处理的施肥量显著高于夏大豆。

        表 3  春夏大豆各处理平均施肥量 (kg/hm2)

        Table 3.  Average rate of fertilizers in each treatment of different provinces

        大豆类型
        Soybean type
        省份
        Province
        NP2O5K2O
        NEOPTSFPNEOPTSFPNEOPTSFP
        春大豆
        Spring soybean
        黑龙江 Heilongjiang57 a62 a52 a66 a79 a81 a64 a68 a45 b
        吉林 Jilin58 a53 a50 a63 a82 a39 b63 a71 a27 b
        辽宁 Liaoning 50 ab54 a35 b55 a64 a67 a56 a60 a65 a
        夏大豆
        Summer soybean
        河南 Henan67 a60 b 0 c 37.5 a 37.5 a 0 b43 a43 a 0 b
        安徽 Anhui60 a61 a26 b52 a56 a26 b66 a68 a26 b
        江苏 Jiangsu66 a65 a24 b55 a44 a18 b88 a87 a15 b
          注(Note):每个省份所对应的数据表示各省所有试验的平均值;数据后不同小写字母表示同试验点不同处理间差异显著。The data corresponding to each province is the average of all experiments;Values followed by different lowercase letters indicate significant difference among different treatments in the same region (P < 0.05).
      • 表4可知,春大豆产区3个省份的NE和OPTS的大豆产量均较FP表现出增加趋势,尽管OPTS和FP处理间差异不显著;NE较FP平均增产302~1703 kg/hm2,较OPTS增产167~1225 kg/hm2,并且均为辽宁省增产量最高。黑龙江和吉林各处理收获指数无显著差异,辽宁NE处理的收获指数高于OPTS和FP处理 (P < 0.05)。氮肥偏生产力,3个省份NE处理较FP和OPTS处理分别增加了25.2%~44.3%和12.0%~54.8%,除黑龙江省NE与FP处理差异显著外,吉林和辽宁省处理间差异不显著。对于磷肥偏生产力,黑龙江和辽宁NE处理较FP和OPTS处理分别增加33.0%~128.9%和24.0%~60.5%。对于钾肥偏生产力,黑龙江NE与OPTS处理相似且较FP显著降低,而在辽宁省,NE处理显著高于OPTS和FP处理。

        表 4  不同处理大豆产量、收获指数和肥料偏生产力

        Table 4.  Soybean yield,harvest index and fertilizer partial factor productivity under different treatments

        大豆类型
        Soybean type
        省份
        Province
        处理
        Treatment
        产量 (kg/hm2)
        Yield
        收获指数 (kg/kg)
        HI
        PFPN
        (kg/kg)
        PFPP
        (kg/kg)
        PFPK
        (kg/kg)
        春大豆
        Spring soybean
        黑龙江 HeilongjiangNE 2735 a0.49 a62.2 a45.5 a46.4 b
        OPTS 2568 ab0.49 a 50 ab 36.7 ab40.8 b
        FP 2433 b0.49 a44.9 b34.2 b65.0 a
        吉林 JilinLNE 3474 a0.48 a61.6 a67.8 a71.3 a
        OPTS 2932 ab0.46 a55.0 a40.7 a44.5 a
        FP 2414 b0.45 a49.2 a65.5 a93.0 a
        辽宁 LiaoningNE 4260 a0.54 a87.3 a76.9 a76.1 a
        OPTS3035 b0.48 b56.4 a47.9 b46.6 b
        FP 2557 b0.47 b60.5 a33.6 c39.8 b
        夏大豆
        Summer soybean
        河南 HenanNE 3809 a0.56 a58.2 a111.3 a 91.2 a
        OPTS3602 a0.58 a60.0 a106.2 a 86.7 a
        FP 2788 b0.55 a
        安徽 AnhuiNE3212 a0.51 a53.6 b62.5 b34.4 c
        OPTS2344 b0.45 c38.4 c42.5 c48.8 b
        FP 2518 b0.47 b81.6 a81.6 a81.6 a
        江苏 JiangsuNE 3374 a0.51 a51.6 a92.3 a 49.6 ab
        OPTS2829 b0.5 0a42.7 b47.8 b30.6 b
        FP 2752 b0.50 a44.5 b59.3 b68.0a
          注(Note):河南省FP处理施肥量为 0 No fertilizers were applied in FP treatment of Henan; 数据为各省平均值 The data is the average of a province; 数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P < 0.05); HI—Harvest index; PFPN—氮肥偏生产力 N partial factor productivity; PFPP—磷肥偏生产力 P partial factor productivity; PFPK—钾肥偏生产力 K partial factor productivity.

        在夏大豆产区,河南省NE和OPTS处理的大豆产量相似,分别较FP处理增产1021和814 kg/hm2(P < 0.05);安徽和江苏省OPTS和FP处理产量没有显著差异,而NE较OPTS增产868和545 kg/hm2(表4)。河南和江苏省的3个施肥处理收获指数无显著差异,而安徽省NE处理显著高于OPTS和FP处理。河南省NE和OPTS的肥料偏生产力没有显著差异;安徽省NE、OPTS处理氮磷钾偏生产力均显著低于FP处理,NE处理氮磷偏生产力又显著高于OPTS处理,但钾偏生产力显著低于OPTS处理。在江苏省,NE处理氮磷偏生产力均显著高于OPTS和FP处理,而OPTS处理较FP处理显著降低。

      • 表5可知,在春大豆产区,NE处理大豆氮素吸收较FP平均提高了12.8%~24.9%,且在黑龙江和吉林省达显著水平。黑龙江NE处理氮素吸收较OPTS增加13.6%(P < 0.05),而辽宁NE与OPTS处理氮素吸收无显著差异。在所有省份中3个处理间的磷素吸收量无显著差异。对于钾素吸收,黑龙江和吉林OPTS和FP处理均无显著差异,而NE较OPTS分别增加了23.5%和63.3%(P < 0.05)。

        表 5  大豆地上部养分平均吸收量 (kg/hm2)

        Table 5.  Average nutrient uptake of above-ground part of soybean

        大豆类型
        Soybean type
        省份
        Province
        氮吸收量 N uptake磷吸收量 P uptake钾吸收量 K uptake
        NEOPTSFPNEOPTSFPNEOPTSFP
        春大豆
        Spring soybean
        黑龙江 Heilongjiang205.3 a180.8 b164.4 b21.0 a20.7 a17.8 a86.3 a69.9 b63.2 b
        吉林 Jilin183.3 b201.8 a152.5 c18.7 a20.2 a24.9 a90.3 a55.3 b39.1 b
        辽宁 Liaoning233.1 a225.5 a206.6 a32.4 a32.8 a32.2 a63.3 a69.7 a69.7 a
        夏大豆
        Summer soybean
        河南 Henan287.9 a272.9 ab248.7 b31.5 a29.7 ab25.6 b64.3 a59.5 ab51.0 b
        安徽 Anhui216.4 a164.5 ab153.2 b23.3 a20.2 ab17.2 b52.9 a52.6 a42.7 b
        江苏 Jiangsu230.0 a207.1 ab182.3 b23.2 a20.6 ab19.5 b70.9 a64.6 ab55.7 b
          注(Note): NE—Nutrient expert recommendation; OPTS—Fertilizer commendation based on soil test; FP—Farmer's fertilization practice; 大豆氮吸收包含土壤氮、肥料氮和根瘤固氮 Soybean nitrogen uptake includes N from soil, fertilizer and nodule fixation; 数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters represent significant differences among treatments (P < 0.05).

        在夏大豆产区,除安徽省的大豆钾吸收量外,三个省试验中的FP和OPTS处理的养分吸收没有显著差异,而NE的氮磷钾吸收量较FP处理分别增加了15.8%~41.3%、19%~35.5%和23.9%~27.3%。

      • 表6结果表明,春大豆产区不同处理间的产量收益和经济效益变化与籽粒产量变化一致,除辽宁省FP处理肥料成本较高外,其他省份NE和OPTS处理的肥料成本较FP均表现出增加趋势。NE处理的效益较OPTS和FP处理分别增加了1096~4610和1799~5466元/hm2,其中均以辽宁省增加最多,达4610和5466元/hm2。说明NE较FP和OPTS处理显著提高了春大豆的经济效益。

        表 6  大豆生产经济效益 (yuan/hm2)

        Table 6.  Economic benefit of soybean production as affected by fertilization treatments

        大豆类型
        Soybean type
        省份
        Province
        产量收益
        Yield income
        肥料成本
        Fertilizer cost
        经济效益
        Economic benefit
        NE增益
        Benefit increase
        NEOPTSFPNEOPTSFPNEOPTSFPvs OPTSvs FP
        春大豆
        Spring soybean
        黑龙江 Heilongjiang12930 a12006 ab11119 b744 a917 a728 a12186 a11090 ab10391 b10961795
        吉林 Jilin15731 a13268 b11284 b617 a745 a445 a15114 a12523 b10839 b25914275
        辽宁 Liaoning18605 a14158 b13656 b695 a859 a1213 a17909 a13299 b12443 b46105466
        夏大豆
        Summer soybean
        河南 Henan16380 a15488 a11988 b401 a387 a0 b15979 a15100 a11988 b8793991
        安徽 Anhui14389 a11235 b10457 b496 a520 a218 b13893 a11017 b9938 b28763955
        江苏 Jiangsu15408 a12595 b12913 b566 a576 a140 b14842 a12019 b12773 b28232069
          注(Note):大豆价格 Soybean price; 4.4 yuan/kg in 2014, 4.8 yuan/kg in 2015, 4.3 yuan/kg in 2017, 5.0 yuan/kg in 2018; 肥料价格 Fertilizer price (N-P2O5- K2O); 1.90-2.60-3.90 yuan/kg in 2014, 4.34-6.96-5.33 yuan/kg in 2015; 2.1-3.0-3.5 yuan/kg in 2017, 2.1-3.0-3.5 yuan/kg in 2018.

        夏大豆不同处理间的产量收益和经济效益变化与籽粒产量变化一致,NE和OPTS处理的肥料投入成本分别较FP处理增加了278~426和302~387 元/hm2,而NE处理的纯收益分别较OPTS和FP处理增加了879~2876和2069~3991元/hm2。结果表明,NE和OPTS较FP处理提高了大豆纯收益,且NE处理的纯收益较OPTS进一步增加。

      • 本研究中,春大豆产区大多试验点NE、OPTS和FP处理的氮磷肥用量差异不显著,但钾肥大多较FP表现出增加,而磷肥用量均表现出降低的趋势;在夏大豆产区,NE和OPTS处理的氮磷钾肥用量差异不显著,但均较FP显著增加。因为东北地区春大豆以大农场的规模化、机械化种植为主,农民对大豆的施肥、高产和效益较重视,农业技术推广应用较好,因此农民施肥量基本合理,与NE和OPTS处理差异不大。春大豆产区NE和OPTS处理的磷肥用量较FP处理低,因为春大豆生育期的平均温度低于夏大豆生育期温度,土壤中磷有效性在大豆早期受低温影响而变低[28],为满足大豆的早期磷需求,农民增加磷肥投入量而导致土壤磷素大量积累[29-31]。NE和OPTS处理在推荐施肥时均会考虑土壤磷素残留量,因此较农民习惯施肥降低磷肥用量。华北夏大豆以农户小地块零星种植为主,农民把大豆作为小麦-大豆轮作体系中的培肥养地作物对其不够重视,同时认为大豆可通过根瘤固氮不需施用氮肥,施肥量较低或不施任何肥料,因此农民施肥量低于东北春大豆。NE和OPTS推荐施肥均考虑产量、作物养分需求和平衡等,同时由于华北地区雨热条件优于东北,大豆潜力产量高于东北地区,高的潜力产量导致高的养分需求[32-33],因此夏大豆NE和OPTS处理的推荐施肥量显著高于农民常规施肥量。

        春夏大豆NE和OPTS推荐施肥处理均较FP处理表现出增产,尽管春大豆部分试验点OPTS较FP处理增产不显著。因为充足的养分供应是作物高产的前提和保证。大豆籽粒蛋白质含量高,对氮的需求量相对较高,增施氮肥可补充根瘤固氮的不足[34];磷素参与大豆蛋白质和脂肪的形成,参与大豆体内有机质的运输与转化[35],同时能提高根瘤固氮酶的活性和根瘤固氮能力[36]。钾素可增加作物秸秆强度和抗倒伏能力,提高作物的品质和产量[37]。NE和OPTS处理在合理肥料用量的同时还优化不同养分间的配比,使养分的供应更加协调,更优于作物的生长和高产[38-40],如两处理在春大豆产区提高了钾肥用量。由于夏大豆产区高的潜力产量和低的农民常规施肥量,增施化肥后NE和OPTS处理的产量增加量也高于春大豆。在所有试验中,NE施肥量在与OPTS处理相似或降低情况下,其产量较OPTS相似或表现显著增加 (如安徽和江苏省),因为基于NE系统推荐施肥在优化施肥量和配比的同时,还兼顾了施肥方法 (如氮肥超过60 kg/hm2时分两次施用)。养分供应和产量是引起作物养分含量变化的主要原因[41],各处理大豆养分吸收表现出与产量相似的变化,因为充足的养分供应促进了大豆的生长、高产和养分吸收。然而春大豆各试验NE和OPTS处理在磷肥用量降低的情况下,其产量和养分吸收并没有较FP处理显著降低,说明在东北土壤磷素积累量较高条件下减少磷肥施用量不会影响大豆养分吸收和高产,还可提高磷素养分的利用效率。

        对于春大豆,NE和OPTS处理的肥料投入成本较农民常规施肥没有降低 (除辽宁NE处理氮肥用量显著增加外),但由于增加了籽粒产量,大豆的纯收益均较常规施肥呈现出增加的变化,其中NE处理较FP处理的增加高于OPTS处理的增加。在夏大豆产区,NE和OPTS处理的肥料投入成本较农民常规施肥显著增加,但由于两处理增施肥料后产量收益也呈现增加的变化,且增产收益远高于肥料投入成本的增加,其纯收益也表现出与产量收益相似的增加,其中NE较FP处理的增量高于OPTS处理增量。

        综合以上表明,基于大豆养分专家系统的NE和基于测土施肥的OPTS处理能较农民常规施肥处理优化肥料用量,提高大豆产量和养分吸收,增加大豆经济纯收益,其中NE处理对产量和效益的增加优于OPTS处理。同时由于NE处理通过施肥系统软件、基于对话式输入种植田块的前茬作物信息和和当季大豆目标产量等即可推荐出大豆最佳施肥量和最优施肥方法,与测土施肥处理相比较,不需要采集土样进行试验室分析,可节省人力物力和时间,简单快捷。因此基于大豆NE系统的推荐施肥是一种简单快捷、更易于推广的推荐施肥方法。

      • 多年多点的田间研究表明,大豆养分专家系统和测土推荐处理的施肥量较农民常规施肥增加 (夏大豆氮磷钾和春大豆钾肥) 或没有显著变化 (春大豆氮磷肥),而养分专家系统和测土推荐的施肥量没有显著差异。在大多数试验点,测土推荐施肥与农民常规施肥处理的大豆产量和养分吸收量相似,而养分专家系统处理的产量和养分吸收量较农民常规施肥显著增加。综上所述,基于大豆养分专家系统和土壤测试的推荐施肥能提高大豆产量和养分吸收、增加大豆经济纯收益,并且养分专家系统推荐施肥对大豆产量和效益的增加优于测土施肥,且省工省时,是一种高效快捷的推荐施肥方法。

    参考文献 (41)
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