2016, Vol. 22 
doi: 
2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所, 北京 100081;
3. 黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所, 黑龙江哈尔滨 150086;
4. 吉林省农业科学院农业资源与环境研究所, 吉林长春 130033
2. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
3. Institute of Soil Fertilizer and Environment Resources, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin 150086, China;
4. Agricultural Resources and Environment Research Institute, Jilin Academy of Agricultural Sciences, Changchun 130033, China
化肥施用量的增加大幅度提高了我国玉米产量，但过量施肥也导致了土壤养分累积、肥料利用率低下，并带来了严重的环境污染问题[1-3]。我国不同区域单位种植面积耕地氮和磷素均有盈余，其中氮素平均盈余率达到了27.6%[4]。李红莉等[5]的调查结果显示，我国玉米单位面积化肥施用量2007年比2001年增加了29%，平均氮肥施用量达到了N 273 kg/hm2。虽然目前推广了一些推荐施肥技术来提高玉米产量和养分利用率，例如，依据土壤养分测试值和目标产量计算施肥量[6-7]，优化种植密度、水分和养分管理措施[8-9]，借助叶色卡和SPAD仪对玉米实施无损养分检测[10-12]等。然而，如何更简便、快捷地推荐施肥和养分管理，并易于被农民接受仍是当前我国养分管理所面临的挑战。
许多国家都在开始研究并更换当前作物大面积地毯式的推荐施肥方法。Nutrient Expert (NE)推荐施肥系统就是为了适应当前推荐施肥需求的背景下提出的一种定点的适应小农户生产管理方式的推荐施肥和养分管理方法。NE系统是在实地养分管理原则基础上由国际植物营养研究所(IPNI)提出，其原理是基于产量反应和农学效率进行推荐施肥[13]，该方法已在东南亚一些国家得到应用[14-15]。在印度尼西亚和菲律宾的试验结果显示，应用NE系统可显著提高玉米产量和经济效益[15]。NE系统于2009年由IPNI中国项目部引入中国，是在分析大量试验数据基础上结合QUEFTS模型将中国的试验数据加入到该系统中[16]，通过分析并建立作物产量反应、农学效率、相对产量和基础土壤养分供应等参数的内在联系，根据中国的作物生长规律、以及土壤和气候特征发展而来的推荐施肥和养分管理方法[17-18]。NE系统在国内已经建立了小麦和玉米养分专家系统[17, 19]，并进行了大量田间试验，现已发布汉语版[13]。
NE系统采用地上部产量反应来表征土壤基础养分供应能力和作物生产能力，将土壤养分供应看作一个“黑箱”，采用不施该养分地上部的产量或养分吸收来表征[20]，其目的是充分利用农田的基础养分资源、提供合理的养分用量，避免作物对养分的奢侈吸收或不足，在保持土壤肥力的同时，使养分胁迫降到最低并最终达到高产、高效的目的。如该系统中将玉米分为春玉米和夏玉米两种不同生态类型，形成两组不同的施肥参数，因为二者养分吸收、轮作制度等都存在着很大差异。为此，本研究从2010年开始在东北进行了多年多点的田间试验对玉米养分专家系统中春玉米部分进行验证和改进，旨在土壤测试不及时或条件不具备情况下建立一种简便、易懂、适合我国小农户为经营主体的玉米推荐施肥和养分管理方法。
1 材料与方法 1.1 玉米养分专家系统施肥原则玉米养分专家系统中各参数数据来源于我国2001~2012年期间多点的田间试验。地上部和子粒的养分吸收量是应用QUEFTS模型对产量和养分吸收数据进行模拟，得出我国不同种植类型玉米(春玉米和夏玉米)在不同潜在产量和目标产量下的养分吸收曲线[16]。产量反应由氮磷钾全施处理和不施某种养分处理的产量差求得。相对产量由不施某种养分处理作物子粒产量与氮磷钾全施的子粒产量比值获得。土壤基础养分供应使用不施某种养分而其他养分供应充足条件下该养分地上部的养分吸收量表示。在养分专家系统中应用相对产量的第25百分位数、中位数和第75百分位数所对应的数值分别表示土壤肥力的低、中和高，进而求得产量反应[15]。通过分析产量反应、农学效率、土壤基础养分供应以及相对产量的分布特征并建立它们之间的内在联系，为养分专家系统提供数据支撑。
在玉米养分专家系统中，氮肥推荐主要是依据氮素产量反应(目标产量与不施氮小区的产量差)和氮素农学效率确定，在有产量反应相关试验时可将产量反应数据直接填入系统，系统会根据已有的关系式进行氮肥推荐。在无氮素产量反应数据时，系统会依据相应的参数如可获得产量、土壤质地、有机质含量和土壤障碍因子等信息确定土壤肥力和相对产量，再由可获得产量得到产量反应，并计算氮肥施用量。即无论目标产量为多少，施氮量=产量反应/农学效率。
磷肥推荐除了产量反应外，还考虑了养分平衡，如果有土壤磷素测试值，则根据磷素分级确定产量反应。土壤磷为高时，产量反应为低；土壤磷为中时，产量反应为中；土壤磷为低时，产量反应为高。如果没有土壤磷素测试值时，则根据土壤肥力分级确定土壤磷素分级。土壤肥力确定同氮。如果土壤磷素分级为低，且前茬作物磷素平衡为高，磷产量反应因素为中等；如果土壤磷素分级为中，且前茬作物磷素平衡为高，磷产量反应因素为高等；如果土壤磷素分级为高，且前茬作物磷素平衡为低，磷产量反应因素为中等，通过一系列的土壤磷素水平与前茬作物磷素平衡组合对磷素产量反应等级进行判定。不考虑前季作物残留时，土壤磷素产量反应因素等级同土壤磷素分级。在没有磷素产量反应数据时根据以上步骤估算，如果有产量反应数据直接输入。此时磷产量反应：
磷素产量反应=可获得产量×磷产量反应因素；
磷素产量反应因素=1 -磷素相对产量。
磷肥推荐中的养分平衡部分是依据QUEFTS模型得出的地上部和籽粒中的磷素吸收进行计算，即维持土壤磷素平衡部分相当于需要归还一定目标产量下籽粒的养分移走量。因此，施磷量计算公式：
施磷量=产量反应部分吸磷量+作物收获移走磷量(维持土壤肥力部分)
当上季和当季作物的综合磷素平衡大于零时需要考虑磷素盈亏平衡，即：
施磷量=维持土壤磷素平衡部分-磷素综合平衡(上季作物磷素平衡+当季作物磷素平衡)+产量反应部分
其中，如果维持土壤磷素平衡部分与磷素综合平衡之差大于0，施磷量则依据上述公式计算，如果维持土壤磷素平衡部分与磷素综合平衡之差小于0，施磷量则只为产量反应部分。
施钾量计算原理同磷。
1.2 试验设计试验于2010~2014年于东北春玉米主产区吉林、辽宁和黑龙江省三个省份进行，5年共计193个田间试验从产量、经济、农学和环境效益对玉米养分专家系统进行校正和改进(图 1和表 1)。为验证NE的持续效益，从2012年试验中随机挑选出20个进行定位试验，吉林和黑龙江省各10个试验点。玉米品种使用农民所采用的品种，如郑单958、先玉335、吉单27等，与农民设置相同的种植密度，密度设置来自玉米养分专家系统推荐，其设置范围为65000~75000 plant/hm2。
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| 图1 试验点分布图 Fig. 1 Distribution of experimental sites |
| 表1 田间试验点信息 Table 1 Site characteristics of the field experiments |
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每个试验处理包含：处理1，玉米养分专家系统推荐施肥处理(NE)首先进行农户问卷调查，包括试验地块过去3~5年的产量、施肥量、施肥措施、秸秆处理，是否施用有机肥和地块的质地、颜色等，将调查内容输入玉米养分专家系统形成施肥套餐；处理2，农民习惯施肥处理(FP)依据农民自己的措施进行管理，在农民地里直接进行，不单独设置小区，记录农民所使用的肥料品种、施肥量、施肥次数等信息，收获时采集样品测定产量和养分含量等；处理3、4、5基于NE处理的不施氮、不施磷和不施钾处理。NE处理肥料使用尿素、过磷酸钙和氯化钾，FP处理肥料为复合肥或掺混肥，具体依据农民习惯而定。NE处理的氮肥分两次施用(追肥时期在拔节期)，磷肥和钾肥做基肥一次性施用，而FP处理的氮、磷和钾肥为一次性施用。NE和FP处理的病虫害和草害控制使用相同标准。每个试验点布置多个处理，每个处理不另设重复。定位试验中NE和FP处理的面积大于667 m2，减素小区的面积为60 m2，减素小区位置在NE处理的基础上每年变化位置，用于计算当季肥料利用效率。
1.3 养分测定及数据分析每个试验点的样品采集采用相同标准，在每个小区的中央位置随机选取3个10 m2的区域测定产量，并选取均匀的玉米5~10株测定水分含量，最终折合成含水量为15.5%的产量。取3~10株长势均匀的植株烘干测定子粒和秸秆的干物质重，用于计算收获指数，并选取一部分烘干样品粉碎测定子粒和秸秆中N、P和K养分含量。秸秆和子粒中的全量氮、磷和钾含量采用H2SO4-H2O2方法消煮，并分别采用凯氏法、钒钼黄比色法和原子吸收法测定。
在定位试验中，于播种前采集0-30、30-60和60-90 cm土壤测定土壤硝态氮和铵态氮含量，使用0.01 mol/L的CaCl2浸提，土与浸提液的比例为1:10，使用流动分析仪测定。土壤含水量在105℃烘干测定。计算总体养分平衡，用于评估施肥的合理性。
氮素吸收利用率(N recovery efficiency, REN)=(施氮区植株地上部氮累积量-空白区地上部植株氮累积量)/施氮量×100%；
氮素农学利用率(agronomic efficiency of applied N, AEN)=(施氮区产量-空白区产量)/施氮量；
氮素偏生产力(partial factor productivity of applied N, PFPN)=施氮区产量/施氮量；
肥料花费(total fertilizer cost, TFC)为氮磷钾肥料花费总和；
净效益(gross return above fertilizer cost, GRF)为收获后的产量利润减去肥料成本。
氮素表观损失的计算公式为：
氮素表观损失=施氮量+土壤起始氮+土壤氮素净矿化-作物地上部吸氮量-收获后土壤残留氮；
土壤氮矿化量=不施氮小区地上部吸氮量+不施氮小区土壤氮残留-不施氮小区起始氮；
磷和钾养分利用率计算同氮。
数据采用Excel 2007和SAS软件进行分析处理。
2 结果与分析 2.1 节肥效益施肥量结果显示(表 2)，FP处理的施肥量非常不平衡。就每省的平均施氮量而言，辽宁和吉林的FP施氮量显著高于黑龙江，但三省的平均施氮量都要高于NE处理。辽宁、吉林和黑龙江三省的平均施氮量FP处理比NE处理分别高51.0(P < 0.001)、66.4(P < 0.001)和8.7 kg/hm2(P=0.072)。就三省年均施氮量而言，NE处理都显著低于FP处理，施氮量降低范围为26.3~57.1 kg/hm2，平均降低了43.5 kg/hm2，降幅达到了21.0%。所有试验中有73.5%的农户施氮量大于180 kg/hm2，而大于250 kg/hm2的占到了10.0%，最高施氮量达到了280 kg/hm2。对于施磷量而言，辽宁和吉林的施磷量NE处理显著低于FP处理，分别低13.0和49.2 kg/hm2，而黑龙江两处理间施磷量无显著差异。FP处理中施磷量大于90 kg/hm2的占到了全部试验的50.0%，而高于120 kg/hm2的占到了11.0%，最高施磷量则达到了189 kg/hm2。FP处理每年的平均施磷量范围为82.7~92.4 kg/hm2，平均为87.1 kg/hm2，而NE比FP处理年均降低范围为11.1~31.2 kg/hm2，平均低23.6 kg/hm2，降低幅度达到了27.0%。对于施钾量而言，吉林省FP处理高于NE处理，辽宁和黑龙江则相反。每年的平均钾肥用量FP处理的施用范围为64.9~75.6 kg/hm2，其中有24.0%的农户施钾量低于50 kg/hm2，而NE处理的年均钾肥用量范围为64.9~87.9 kg/hm2。就所有试验而言，NE处理的施钾量显著高于FP处理(P=0.001)，增加了8.3 kg/hm2，增幅为12.2%。
| 表2 玉米养分专家系统与农民习惯施肥的施肥量比较 Table 2 Comparison of fertilizer use between Nutrient Expert for Hybrid Maize (NE) and farmers' practices (FP) |
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产量结果显示(表 3)，三省的产量NE处理都显著高于FP处理(P < 0.001)，增加了0.4~0.8 t/hm2，提高了3.5%~7.2%，其中黑龙江省增产最高，为0.8 t/hm2。玉米养分专家系统中，在下一季试验开始前，应用上一季的田间试验结果对系统进行校正和改进。随着玉米养分专家系统的不断优化，NE处理和FP处理的产量差从2010年的0.2 t/hm2增长到了2014年的0.8 t/hm2。而2012、2013和2014三年的产量差相近，分别为0.7、0.8和0.8 t/hm2，说明玉米养分专家系统(NE)与农民习惯施肥处理(FP)相比可以稳定增加产量。就全部试验而言，NE处理产量显著高于FP处理产量(P < 0.001)，产量差为0.6 t/hm2，增幅达到了5.2%。
| 表3 玉米养分专家系统与农民习惯施肥的产量和经济效益比较 Table 3 Comparison of grain yield and economic benefit between Nutrient Expert for Hybrid Maize (NE) and farmers' practices (FP) |
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表 3显示，在黑龙江NE处理的化肥花费要高于FP处理(P < 0.001)，因为NE处理的磷肥和钾肥施用量高于FP处理，但辽宁和吉林NE处理的TFC要远低于FP处理(P < 0.001)，分别低168和669 yuan/hm2。虽然辽宁省NE处理的施钾量高于FP处理，但后者的氮肥和磷肥用量都显著高于前者。NE处理年均TFC都低于FP处理，低81~415 yuan/hm2，五年平均降低274 yuan/hm2。NE与FP处理相比，辽宁、吉林和黑龙江的平均GRF都显著增加(P < 0.001)，分别高1711、1502和1341 yuan/hm2，5年增加了700~1956 yuan/hm2，平均增加了1466 yuan/hm2，增幅为4.6%~8.8%，平均增幅为7.2%，其中由增产带来的GRF为1192 yuan/hm2，占总增加GRF的81.3%。
2.3 肥料利用率 2.3.1 氮肥利用率与FP处理相比，三省NE处理都显著地提高了氮肥利用率(表 4)，辽宁、吉林和黑龙江的氮素农学效率(AEN)分别提高了6.0、6.6和5.0 kg/kg，氮素回收率(REN)分别提高了18.3、10.7和6.7个百分点，氮素偏生产率(PFPN)分别提高了19.0、23.9和6.4 kg/kg。NE处理的年均AEN变化范围为11.7~21.5 kg/kg (平均16.7 kg/kg)，REN变化范围为30.8%~38.5%(平均34.1%)，PFPN变化范围为66.4~88.2 kg/kg (平均73.6 kg/kg)。FP处理的年均AEN变化范围为7.1~14.7 kg/kg (平均10.9 kg/kg)，REN为17.6%~27.5%(平均23.1%)，PFPN为54.6~68.2 kg/kg (平均56.8 kg/kg)。与FP处理相比，全部试验NE处理的AEN、REN和PFPN分别增加了5.8 kg/kg、11.0个百分点和16.8 kg/kg，增幅分别达到了53.8%、47.8%和29.6%。
| 表4 玉米养分专家系统与农民习惯施肥的氮肥利用率比较 Table 4 Comparison of use efficiency of applied N between Nutrient Expert for Hybrid Maize (NE) and farmers' practices (FP) |
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与FP处理相比，辽宁、吉林和黑龙江NE处理的磷素农学效率(AEP)分别高13.3、12.8和10.8 kg/kg，磷素回收率(REP)分别高21.9、11.6和10.8个百分点(表 5)。辽宁和吉林NE处理的磷素偏生产力(PFPP)显著高于FP处理，分别高40.7和88.1 kg/kg，而黑龙江NE处理的PFPP低于FP处理，低15.0 kg/kg，但二者差异不显著(P=0.067)。对每年磷肥利用率的平均值而言，NE处理年均AEP变化范围为5.0~27.6 kg/kg (平均22.0 kg/kg)，REP变化范围为15.7%~35.7%(平均29.0%)，PFPP变化范围为152.1~213.7 kg/kg (平均192.9 kg/kg)。FP处理的年均AEP变化范围为1.3~11.2 kg/kg (平均9.7 kg/kg)，REP变化范围为7.9%~17.3%(平均15.5%)，PFPP变化范围为141.6~154.9 kg/kg (平均148.9 kg/kg)。就全部试验而言，与FP处理相比，NE处理的AEP、REP和PFPP分别增加了12.3 kg/kg、13.5个百分点和44.0 kg/kg，增幅分别达到了125.9%、87.5%和29.6%。
| 表5 玉米养分专家系统与农民习惯施肥的磷肥利用率比较 Table 5 Comparison of P use efficiency of applied P2O5 between Nutrient Expert for Hybrid Maize (NE) and farmers' practices (FP) |
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三个省份NE处理的钾素回收率(REK)都显著高于FP处理(表 6)，辽宁、吉林和黑龙江分别高20.7、15.1和8.0个百分点；吉林和黑龙江NE处理的钾素农学效率(AEK)比FP处理分别高7.2和4.3 kg/kg，而辽宁则是前者低于后者，但二者差异不显著(P=0.457)；吉林NE处理的钾素偏生产力(PFPK)比FP处理高34.8 kg/kg，但辽宁和黑龙江则是前者要低于后者，分别低94.6和68.1 kg/kg，主要是因为二省FP处理的施钾量较低。NE处理的年均AEK变化范围为7.3~21.5 kg/kg (平均17.3 kg/kg)，REK变化范围为30.3%~62.0%(平均51.8%)，PFPK变化范围为139.4~169.7 kg/kg (平均159.8 kg/kg)。FP处理的年均AEK变化范围为4.2~18.8 kg/kg (平均13.3 kg/kg)，REK变化范围为11.9%~45.6%(平均38.0%)，PFPK变化范围为148.5~214.2 kg/kg (平均182.2 kg/kg)。就全部试验而言，与FP处理相比，NE处理的AEK和REK分别增加了4.0 kg/kg和13.8个百分点，增幅分别达到了30.2%和36.1%，但PFPK降低了22.4 kg/kg。
| 表6 玉米养分专家系统与农民习惯施肥的钾肥利用率比较 Table 6 Comparison of applied K2O use efficiency between Nutrient Expert for Hybrid Maize (NE) and farmers' practices (FP) |
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对玉米养分专家系统的持续环境效益研究结果显示(表 7)，氮肥用量NE处理比FP处理三年共少施102.8 kg/hm2，但地上部氮素吸收却增加了38.7 kg/hm2。NE处理显著地降低了土壤氮素残留，在2014年收获时0~90 cm土壤硝态氮和铵态氮累积量为86.2 kg/hm2，而FP处理的则为149.2 kg/hm2，对不同土壤剖面土壤硝态氮和铵态氮累积量的研究显示，有57.5%的氮素残留位于30 cm以下，而如今我国东北玉米种植区的土壤耕层一般都低于30 cm，这部分养分容易淋洗到更深层作物根系达不到的土壤或者地下水中，造成环境污染。虽然NE处理施氮量与作物氮吸收量之差表现为负值，3年总和为-49.5 kg/hm2，但较高的土壤氮素矿化量使得氮素供应远远超过作物需求，如果加上大气干湿沉降等环境带入的养分，NE现有的施肥量足以维持土壤平衡和保持高产。FP处理的施氮量比作物氮素吸收量高92.0 kg/hm2，超出了17.3%，较高的氮肥用量导致了FP处理氮素残留比NE处理高63.0 kg/hm2，3年总的氮素表观损失FP处理比NE处理高78.5 kg/hm2。NE处理的三年平均产量达到了12.3 t/hm2，比FP平均高0.9 t/hm2，说明NE系统具有显著的持续效应。
| 表7 玉米养分专家系统与农民习惯施肥的氮素平衡比较 Table 7 Comparison of nitrogen balances between Nutrient Expert for Hybrid Maize (NE) and farmers' practices (FP) |
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日益增长的人口对粮食需求不断增加，使我国农业生产面临严重挑战。随着各种技术融入到农业生产中，各种依据土壤和植株测试进行推荐施肥和养分管理的方法应运而生[11, 21]，我国政府对测土配方施肥也给予支持。依据玉米主要生育期土壤氮素含量进行根层养分调控，以及依据土壤测试和目标产量法进行养分管理等方法，在不增加氮肥施用量的情况下能够显著增加作物产量和养分利用率[7, 22]。NE系统中的推荐施肥和养分管理采用的是“4R”养分管理策略，最大限度的优化养分供给和作物需求间的关系，以达到养分平衡[23-25]。相对依据土壤测试的推荐施肥方法，NE系统在没有土壤测试值情况下可以依据作物地上部产量反应或相对产量来表征土壤肥力进行推荐施肥，并且根据目标产量和气候类型如春玉米和夏玉米、灌溉和降雨等条件给出不同施肥推荐量。NE系统可以依据前季土壤养分残留、土壤基础养分供应、产量与养分吸收关系，以及产量反应和农学效率关系等对施肥量进行调整。
NE假定在相同的气候条件下，基础养分供应(或土壤基础肥力)将决定缺素区产量的高低[15]。当前，高量化肥投入导致了较高土壤基础养分供应[26]，并对环境安全构成了潜在威胁[1]。土壤基础养分供应来自于土壤矿化、灌溉水、大气沉降、降雨、前季作物残留和豆科植物固定等，可以通过不施某种养分小区测得[27]。NE系统可以依据作物需求动态的调整施肥量，其调整施肥量的依据是每年或每季的产量反应、农学效率和养分平衡，而不是一个恒定的施肥量。气候的差异表明，应该依据每个气候区域特征形成不同的养分管理策略，这也是NE系统所考虑的主要方面之一。与FP处理相比，NE平衡了肥料用量，提高了产量和净效益，并降低了化肥消耗。前期的验证试验显示，NE处理与FP处理间的产量差呈逐年增加趋势，而三年定位试验(2012~2014)表明，NE处理具有长期的增产效果，产量平均增加了0.9 t/hm2。虽然NE处理的施钾量要高于FP处理(8.3 kg/hm2，P=0.001)，但NE处理的高产和较低氮肥(43.5 kg/hm2，P < 0.001)和磷肥(23.6 kg/hm2，P < 0.001)施用量必然增加经济效益。
平衡施肥不仅增加了产量，并且显著增加了肥料利用率。本研究中，NE处理的肥料利用率要高于FP处理，也高于一些研究中土壤养分测试结果[7]。Dobermann等[28]的报道称，在低施氮量和优化管理条件下，AEN可达到20~30 kg/kg。Gao等[29]依据土壤肥力和目标产量的方法在吉林省737个玉米试验得出，平均AEN为13 kg/kg。本研究中吉林省AEN平均达到了16.5 kg/kg，而黑龙江省的AEN平均已达到了20 kg/kg。玉米养分专家系统中的平衡施肥降低了氮肥施用量，平衡了磷肥和钾肥施用，提高了作物地上部作物养分吸收，NE处理比FP处理地上部N、P和K养分吸收量平均分别增加了5.0%、6.6%和8.1%，也是提高肥料利用效率的原因之一。本研究中NE处理的AEN和REN与FP处理相比增幅分别达到了53.8%和47.8%，而AEP和REP增幅分别达到了125.9%和87.5%。说明根据该玉米养分专家系统进行推荐施肥可以显著提高肥料利用效率。
当施氮量超过作物需求时，氮素向环境中的损失就会增加，高量的氮肥投入已经对环境构成威胁[30]。大量的残留氮在土壤中累积并逐渐地淋洗到根部以下，是氮素损失的重要途径之一[1]。充分利用残留在土壤中的氮素不仅可以提高氮肥利用率并且有助于评估和优化玉米施氮量[31-32]。本研究中具有较高的潜在土壤氮素供应能力，包括土壤矿化氮、较高的土壤氮素残留(NO3--N+NH4+-N)、以及大气沉降中的氮素。推荐施肥时必须考虑环境带入的氮，而玉米养分专家系统将土壤养分供应看作一个“黑箱”，而不考虑养分来源，在NE推荐施肥中是非常重要的考虑因素之一。因此，NE根据特定的地块条件，综合考虑气候、土壤和管理因素可以给出合理的施肥量，并达到高产、高效的目的。
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