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）
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(lái)，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(jiàn)》，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(xiàn)[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(chóng)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(hù)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(guò)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(wèn)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(hù)調(diào)查、試驗(yàn)示范、配方肥推廣等關(guān)鍵環(huán)節(jié)積極開(kāi)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(hù)為經(jīng)營(yíng)主體的生產(chǎn)模式，開(kāi)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(hù)使用的馬鈴薯養(yǎng)分專(zhuān)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(zhuān)家系統(tǒng)于2017—2020 年在全國(guó)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)開(kāi)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。
1.1 馬鈴薯養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)
馬鈴薯養(yǎng)分專(zhuān)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(lái)表征土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)能力，結(jié)合QUEFTS 模型通過(guò)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(zhuān)家系統(tǒng)以強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)為支持，通過(guò)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(kāi)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(guò)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(kāi)發(fā)表的學(xué)術(shù)文章建立田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。所有數(shù)據(jù)需滿(mǎn)足以下標(biāo)準(zhǔn)：1)來(lái)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(kù)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(kāi)展了239 個(gè)田間試驗(yàn)，驗(yàn)證馬鈴薯養(yǎng)分專(zhuān)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(zhuān)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(zhuān)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(guò)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(mén)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(guò)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(chóng)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(chēng)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(guān)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，F(xiàn)P 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(guān)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集，在計(jì)算表觀(guān)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。
2.1 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)。
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
2.2 產(chǎn)量反應(yīng)和相對(duì)產(chǎn)量
就數(shù)據(jù)庫(kù)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(shuō)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(lái)自于土壤。馬鈴薯養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)推薦施肥在沒(méi)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(xiàn)性負(fù)相關(guān)(圖2b)。
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)
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，F(xiàn)P 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)、磷肥用量降低了32.3% (P＜0.001)，但增加了4.9% (P=0.161)的鉀肥用量；
與ST 處理相比，氮磷鉀養(yǎng)分用量均無(wú)顯著差異，但降低了4.2% (P=0.101)的氮肥用量和1.9% (P=0.651) 的磷肥用量，增加了4.9%(P=0.166) 的鉀肥用量。FP 處理的施肥量變異性顯著高于NE 和ST 處理，F(xiàn)P 處理中有74.1%的試驗(yàn)點(diǎn)施氮量大于180 kg/hm2，33.5%的試驗(yàn)點(diǎn)大于250 kg/hm2，最高施氮量達(dá)373 kg/hm2；
施磷量中有64.4%的試驗(yàn)點(diǎn)大于100 kg/hm2，最高施磷量達(dá)到了225 kg/hm2；
而有9.6%的試驗(yàn)點(diǎn)不施任何鉀肥。與FP 處理相比，NE 處理平衡了氮磷鉀肥用量。
圖3 不同處理馬鈴薯施肥量Fig.3 Fertilizer application rates for potato under different treatments
2.3.2 產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益 產(chǎn)量結(jié)果(圖4)顯示，與FP 處理相比，NE 處理顯著提高了馬鈴薯產(chǎn)量2.63 t/hm2，增幅為9.1% (P＜0.05)；
而與ST 處理產(chǎn)量無(wú)顯著差異，但增加了0.62 t/hm2，增幅為2.0%(P=0.512)。由于NE 處理降低了氮肥和磷肥用量，使得其肥料成本較FP 和ST 處理分別降低了494.5 和9.1元/hm2，且與FP 處理差異達(dá)顯著水平(P＜0.001)。提高產(chǎn)量并降低肥料花銷(xiāo)使得NE 處理的凈收益最高，與FP 和ST 處理相比，分別提高了4283.4 和799.0元/hm2，增幅分別為8.9%和1.6%。與FP 處理相比，NE 處理增加的經(jīng)濟(jì)效益中有88.5%來(lái)自于產(chǎn)量增量。總體而言，NE 系統(tǒng)較FP 在馬鈴薯產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益上表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。
圖4 不同施肥處理馬鈴薯產(chǎn)量和凈收益Fig.4 Potato yields and net profits under different fertilization treatments
2.3.3 養(yǎng)分利用率 就養(yǎng)分利用率總體數(shù)據(jù)而言(表1)，NE 與ST 處理的氮磷鉀農(nóng)學(xué)效率、回收率和偏生產(chǎn)力多無(wú)顯著性差異，但多顯著高于FP 處理。就農(nóng)學(xué)效率而言，與FP 和ST 處理相比，NE 處理的AEN 分別提高了18.4 和4.3 kg/kg，AEP 分別提高了32.2 和7.5 kg/kg，AEK 分別提高了12.3 和2.6 kg/kg。所有試驗(yàn)中，NE 處理的氮、磷和鉀農(nóng)學(xué)效率大于40 kg/kg 的試驗(yàn)分別占全部試驗(yàn)數(shù)量的56.1%、57.0%和31.0%，而FP 中分別僅有23.0%、18.0%和17.6%。就回收率而言，NE 處理較FP 和ST 處理的REN 分別提高了11.5 和1.6 個(gè)百分點(diǎn)，REP 分別提高了5.0 和2.1 個(gè)百分點(diǎn)，REK 分別提高了9.1 和1.1 個(gè)百分點(diǎn)。所有試驗(yàn)中，NE 處理中有33.9%的試驗(yàn)數(shù)量氮肥回收利用率大于40%，23.8%的試驗(yàn)數(shù)量磷肥回收利用率大于20%，30.1%的試驗(yàn)數(shù)量鉀肥回收利用率大于50%，而FP 中僅分別有16.7%、12.6% 和17.2%。就偏生產(chǎn)力而言，NE 處理較FP和ST 處理的PFPN 分別提高了37.3 和8.6 kg/kg，PFPP 分別提高了91.2 和15.6 kg/kg。NE 與FP 相比PFPK 提高了25.6 kg/kg，但與ST 相比略有降低。
表1 不同施肥處理馬鈴薯養(yǎng)分利用率Table 1 Nutrient use efficiencies of potato under different fertilization treatments
2.3.4 養(yǎng)分表觀(guān)平衡 農(nóng)田養(yǎng)分表觀(guān)平衡檢測(cè)結(jié)果(圖5)表明，就平均值而言，3 個(gè)處理的氮素和磷素總體表現(xiàn)為正平衡，但NE 處理顯著低于FP 處理，與ST 處理無(wú)顯著差異。總體而言，NE 處理較FP 處理分別顯著降低了氮和磷表觀(guān)盈余量69.3 kg/hm2(P＜0.001)和52.5 kg/hm2(P＜0.001)，降幅分別達(dá)到了50.5%和49.6%；
較ST 處理雖然差異未達(dá)到顯著水平，但分別降低了氮和磷表觀(guān)盈余量12.5 kg/hm2和4.2 kg/hm2，降幅分別為15.5%和7.3%。NE、FP 和ST處理的總體鉀素表觀(guān)平衡無(wú)顯著差異，分別為-4.1、6.3 和5.1 kg/hm2。FP 處理的農(nóng)戶(hù)個(gè)人行為導(dǎo)致嚴(yán)重過(guò)量施肥和施肥不足問(wèn)題同時(shí)存在，如有43.1%的試驗(yàn)點(diǎn)氮素表觀(guān)盈余量大于150 kg/hm2，最高達(dá)337 kg/hm2，最低則為-111 kg/hm2；
而磷肥表觀(guān)盈余中大于100 kg/hm2的試驗(yàn)點(diǎn)占到了49.4%，最高達(dá)203 kg/hm2，最低則為-50 kg/hm2；
而鉀肥表觀(guān)盈余結(jié)果顯示，施肥過(guò)量和不足問(wèn)題在各處理中同時(shí)存在，由于馬鈴薯是高耗鉀作物，加之鉀肥價(jià)格較高，如何既要考慮土壤固有鉀的長(zhǎng)久供應(yīng)能力，又要考慮過(guò)量施鉀的經(jīng)濟(jì)效益需要深入探討。
圖5 不同施肥處理養(yǎng)分表觀(guān)平衡Fig.5 Nutrient apparent balance under different treatments
因地制宜、按需用肥是促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收、提高肥料利用效率和增加作物產(chǎn)量的必需條件之一。傳統(tǒng)的測(cè)土配方施肥通過(guò)測(cè)試土壤養(yǎng)分和布置田間肥料用量試驗(yàn)，進(jìn)而建立施肥量與作物產(chǎn)量間的量化關(guān)系進(jìn)行施肥推薦已取得顯著效果，然而由于地區(qū)間氣候和土壤類(lèi)型的差異，導(dǎo)致某一點(diǎn)位的施肥參數(shù)無(wú)法進(jìn)行大面積推廣應(yīng)用。依據(jù)田間試驗(yàn)大數(shù)據(jù)，通過(guò)總結(jié)各農(nóng)學(xué)參數(shù)間的聯(lián)系，選取合適的指標(biāo)參數(shù)建立施肥模型是當(dāng)前開(kāi)展科學(xué)施肥的趨勢(shì)。作物養(yǎng)分吸收可以分為兩部分，一部分來(lái)源于土壤本身的養(yǎng)分供應(yīng)(包括土壤礦化以及環(huán)境帶入的養(yǎng)分)，另一部分是由人為施肥輸入。土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力是推薦施肥的關(guān)鍵參數(shù)之一，其決定肥料的投入程度。養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)應(yīng)用產(chǎn)量反應(yīng)表征土壤內(nèi)在養(yǎng)分供應(yīng)狀況，農(nóng)學(xué)效率表征肥料增產(chǎn)效應(yīng)，利用產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率間存在的顯著二次曲線(xiàn)關(guān)系為推薦施肥提供依據(jù)。在一定氣候條件和目標(biāo)產(chǎn)量下，施肥后的產(chǎn)量反應(yīng)越大，說(shuō)明土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)能力越低，而此時(shí)獲得的農(nóng)學(xué)效率也就越高。由于不同種植區(qū)域氣候特點(diǎn)和馬鈴薯品種的差異，導(dǎo)致產(chǎn)量反應(yīng)也大相徑庭[18]，不同馬鈴薯種植區(qū)域間的相對(duì)產(chǎn)量存在一定差異[19]，因此即使目標(biāo)產(chǎn)量相同，NE系統(tǒng)使用相對(duì)產(chǎn)量和目標(biāo)產(chǎn)量計(jì)算得出的產(chǎn)量反應(yīng)也不相同，其肥料推薦用量也不相同。以馬鈴薯不同目標(biāo)產(chǎn)量下氮肥推薦用量為例，當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)量達(dá)到20、30、40、50 t/hm2時(shí)，南方和北方推薦施氮量范圍分別為141～177 和128～177 kg/hm2、158～201和146～200 kg/hm2、171～226 和158～225 kg/hm2、182～254 和168～253 kg/hm2。NE 系統(tǒng)中使用優(yōu)化施肥處理得到的農(nóng)學(xué)效率進(jìn)行推薦施肥，得出的施肥量更加合理。本研究施用氮、磷、鉀肥的平均農(nóng)學(xué)效率分別45.2、51.1 和35.1 kg/kg，這與胡志華等[20]的結(jié)果相近。NE 系統(tǒng)推薦施肥針對(duì)不同生態(tài)條件、目標(biāo)產(chǎn)量和地力水平制定養(yǎng)分管理方案[19]，在實(shí)踐中科學(xué)確定農(nóng)田養(yǎng)分適宜用量，提高施肥效益。如本研究中云南省和山西省產(chǎn)量分別為25.1 和33.0 t/hm2，云南省平均氮、磷和鉀產(chǎn)量反應(yīng)分別為7.0 2、4.62 和5.08 t/hm2，山西省分別為7.89、2.97 和2.45 t/hm2，山西省較高的氮肥產(chǎn)量反應(yīng)使得其氮肥推薦量(178 kg/hm2)要高于云南省(145 kg/hm2)，而對(duì)于磷和鉀肥的推薦量而言，要考慮塊莖帶走養(yǎng)分所引起的土壤養(yǎng)分平衡問(wèn)題，即使云南省有較高的磷鉀產(chǎn)量反應(yīng)，其磷和鉀肥的推薦量(分別為82 和130 kg/hm2) 要低于山西省(分別為103 和141 kg/hm2)。
諸多研究表明，當(dāng)前我國(guó)馬鈴薯種植區(qū)的化肥用量可減施20%以上[21-22]，主要需減施氮肥和磷肥用量。本研究中，NE 系統(tǒng)通過(guò)考慮目標(biāo)產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力確定的施肥量，較農(nóng)民習(xí)慣氮、磷肥用量分別降低了24.4%和32.3%，但鉀肥用量增加了4.9%，推薦結(jié)果既與已有試驗(yàn)一致，又關(guān)注到了長(zhǎng)期鉀肥施用不足帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。如王小英等[23]調(diào)查結(jié)果顯示，陜西省有96.6%的馬鈴薯種植戶(hù)鉀肥施用量不足，馬鈴薯種植區(qū)的土壤速效鉀含量較往年明顯下降[24]。本研究中甘肅地區(qū)的一些農(nóng)戶(hù)不施任何鉀肥。馬鈴薯作為高耗鉀作物，對(duì)鉀素的需求量是氮素的兩倍、磷素的4 倍[25]。NE 系統(tǒng)建議減施氮、磷肥、增施鉀肥，這與李飛等[26]的研究結(jié)果一致。而董文等[27]研究表明，施鉀與馬鈴薯產(chǎn)量的相關(guān)性不顯著，這可能與較高的土壤鉀素含量水平有關(guān)，導(dǎo)致施鉀增產(chǎn)潛力較小。本研究中NE 系統(tǒng)推薦施肥提高了鉀肥用量，從馬鈴薯種植區(qū)耕地可持續(xù)生產(chǎn)的角度出發(fā)考慮了土壤養(yǎng)分平衡。作物產(chǎn)量與土壤基礎(chǔ)地力水平密切相關(guān)，土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力決定作物對(duì)養(yǎng)分的吸收強(qiáng)度。王迎男等[28]指出，作物產(chǎn)量與土壤基礎(chǔ)地力呈顯著正相關(guān)，在內(nèi)蒙古馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)其基礎(chǔ)地力水平對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率可達(dá)76.7%。此外，在合適的生長(zhǎng)時(shí)期，土壤中充足的有效養(yǎng)分供應(yīng)對(duì)于塊莖膨大生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)尤為重要[29]。梁淑敏等[30]研究指出，追施尿素處理的馬鈴薯產(chǎn)量較不追施對(duì)照可提高26.3%，而NE 系統(tǒng)結(jié)合4R (正確肥料品種、用量、施肥時(shí)間、施肥位置)養(yǎng)分管理原則，通過(guò)簡(jiǎn)化操作界面更加智能化，可成為未來(lái)重要的施肥指導(dǎo)工具[31]。
科學(xué)評(píng)價(jià)肥料施用效果、準(zhǔn)確分析施肥響應(yīng)程度、搭配合理措施，對(duì)于實(shí)現(xiàn)馬鈴薯養(yǎng)分高效管理具有重要意義。然而，隨著我國(guó)肥料資源的大量投入，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分累積[32]，未充分考慮土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)也是導(dǎo)致肥料利用率低的主要原因之一。本研究中農(nóng)民過(guò)量和不平衡的施肥現(xiàn)象，導(dǎo)致氮、磷和鉀肥回收率分別僅有23.0%、9.2%和30.8%。合理調(diào)整氮磷鉀養(yǎng)分配比是解決當(dāng)前馬鈴薯肥料投入不平衡、農(nóng)戶(hù)施肥差異大、施肥量變異系數(shù)高的關(guān)鍵[33]。NE 推薦施肥系統(tǒng)依據(jù)每年或每季的產(chǎn)量反應(yīng)、農(nóng)學(xué)效率和養(yǎng)分平衡動(dòng)態(tài)調(diào)整施肥量，而不是一個(gè)恒定的施肥量，其綜合考慮氮磷鉀3 種養(yǎng)分間的交互作用，根據(jù)作物養(yǎng)分需求給出施肥方案是及時(shí)且必要的。與傳統(tǒng)測(cè)土配方施肥相比，NE 處理分別降低了4.2%和1.9%的氮磷肥用量，但其產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益分別提高了2.0%和1.6%，以?xún)?nèi)蒙古自治區(qū)最為明顯，NE 處理較ST 處理分別降低了8.3%和1.7%的氮肥和磷肥用量，增加了14.2%的鉀肥用量，其氮、磷和鉀肥利用率分別提高3.8、4.2 和5.9 個(gè)百分點(diǎn)，產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益總體分別增加2.6%和2.5%。雖然不同地區(qū)間的養(yǎng)分利用效率提高幅度不同，但NE 推薦施肥均具有顯著提升效應(yīng)，如與FP 處理相比，南方混作區(qū)和北方一作區(qū)氮、磷、鉀肥平均回收率分別提高了12.7、4.9、11.4 個(gè)百分點(diǎn)和10.5、5.2、6.9 個(gè)百分點(diǎn)。提高養(yǎng)分利用效率避免養(yǎng)分損失造成的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)亟需解決的問(wèn)題[14]，減少外源氮肥的投入是降低氮素徑流損失和氨揮發(fā)消減的關(guān)鍵[34]，本研究中NE 系統(tǒng)推薦施肥除了在產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)外，還降低了氮素和磷素的表觀(guān)盈余量，在一定程度上降低了養(yǎng)分損失。研究結(jié)果顯示，NE 處理較FP 處理的氮、磷素表觀(guān)盈余量降幅分別達(dá)到了50.5% 和49.6%，較ST 處理降幅分別達(dá)15.5%和7.3%，該結(jié)果與井濤等[35]的研究結(jié)果相近。石曉華等[36]研究表明，在馬鈴薯種植季優(yōu)化施肥較農(nóng)民習(xí)慣措施的氮素表觀(guān)損失量可減少1 倍。NE 系統(tǒng)能夠在減少養(yǎng)分投入的基礎(chǔ)上提高作物養(yǎng)分吸收，其氮、磷和鉀養(yǎng)分累積量較FP 處理分別增加了9.5%、6.6% 和9.0%，較ST 處理分別增加了1.2%、4.2%和2.6% (數(shù)據(jù)未顯示)，有效促進(jìn)莖葉中的養(yǎng)分向塊莖中轉(zhuǎn)移[20]。除此之外，合理的肥料用量結(jié)合脲酶抑制劑[37]、肥料增效劑[38]等可進(jìn)一步減少養(yǎng)分損失和增加肥效。合理的農(nóng)藝措施在肥料減施增效、產(chǎn)能提升方面也發(fā)揮著重要作用，如優(yōu)化灌溉和施肥頻次[39-40]、生育期冠層光譜營(yíng)養(yǎng)診斷[41-42]、深旋耕作措施[43-44]、新型肥料[45]、間套作及輪作[46-47]等。NE 系統(tǒng)聚焦合理肥料用量，雖然考慮了不同輪作體系下前茬作物養(yǎng)分殘留，也根據(jù)不同地力水平和生產(chǎn)條件給出了肥料分次施用比例，但與這些農(nóng)藝措施以及中微量元素結(jié)合得還不夠緊密，還缺乏相關(guān)的田間驗(yàn)證試驗(yàn)，今后需加強(qiáng)此方面的研究工作。
應(yīng)用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)將復(fù)雜的施肥原理轉(zhuǎn)化成用戶(hù)方便使用的馬鈴薯養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)，并在全國(guó)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)開(kāi)展了4 年共計(jì)239 個(gè)田間試驗(yàn)。實(shí)踐結(jié)果表明馬鈴薯養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)分別降低氮肥和磷肥用量24.4%和32.3%，平衡了鉀肥用量，產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益分別增加2.63 t/hm2和4283.4 元/hm2，在提高馬鈴薯產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益和肥料利用率方面較傳統(tǒng)測(cè)土施肥方法具有明顯優(yōu)勢(shì)。在當(dāng)前及今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，仍需要進(jìn)一步結(jié)合作物管理措施完善優(yōu)化施肥參數(shù)，推廣馬鈴薯養(yǎng)分專(zhuān)家系統(tǒng)在生產(chǎn)中的應(yīng)用，促進(jìn)我國(guó)化肥減量增效。
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