基于產量反應和農學效率的馬鈴薯智能化推薦施肥

寧琳懿睿，仇少君，徐新朋，丁文成，趙士誠，何 萍，周 衛

（中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所 / 北方干旱半干旱耕地高效利用全國重點實驗室 /農業農村部植物營養與肥料重點實驗室，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民收入方面發揮著重要作用。近年來，我國馬鈴薯產業不斷擴大，已成為馬鈴薯生產和消費大國，種植面積和總產量均居世界第一，其中2021 年種植面積和產量分別占全球總種植面積和總產量的32%和25%[1-2]。為促進馬鈴薯產業發展，早在2016 年我國就印發了《全國馬鈴薯生產指導意見》，要求堅持“提質增效轉方式、穩糧增收可持續”的工作主線[3]。為了提高馬鈴薯產量，提出了一系列優化農藝管理實踐措施，如薄膜或秸稈覆蓋、保護性耕作、病蟲害防治、抗旱品種的選擇等[4-8]。施肥是提高馬鈴薯塊莖產量的有效途徑，對馬鈴薯產量和品質的形成具有決定性作用，其貢獻率可達50%[9]。然而，我國農田耕地分散，以小農戶經營為主的管理方式較為隨意，農民為追求高產往往不考慮土壤肥力狀況，導致盲目施肥現象普遍存在[10]。長期過量施肥已是影響作物品質，引起土壤質量下降和農業面源污染等問題的主要誘因之一[11-12]。因此，在國家化肥減量行動方案中明確指出，要以持續推進科學施肥、促進化肥減量增效為目標導向，加快構建現代科學施肥技術體系，為鄉村振興提供有力支撐[13]。

優化馬鈴薯養分管理措施對提高農業可持續發展至關重要，可以最大限度地發揮作物產量潛力，并可以減少養分損失。傳統的測土配方施肥技術圍繞取土化驗、農戶調查、試驗示范、配方肥推廣等關鍵環節積極開展工作，取得了顯著成效[14]。然而在試驗質量控制、取樣的代表性、土地耕種形式等方面均存在不確定性，未能建立農民容易掌握的完善施肥指標體系，忽視了農民將土壤測試數據轉化為施肥決策中遇到的困難。為此，中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所針對小農戶為經營主體的生產模式，開展了作物養分管理和推薦施肥方法研究[15]，以中國多年多點的田間試驗為基礎，建立了作物產量、農學效率與相對產量等農學參數之間的內在聯系，應用計算機信息技術將復雜的施肥理論轉化為方便農戶使用的馬鈴薯養分專家決策系統(Nutrient Expert, NE)[9,16]。因此，本研究基于馬鈴薯養分專家系統于2017—2020 年在全國馬鈴薯主產區開展了多點田間試驗，驗證了該方法的田間試驗效果，對NE 系統進行了優化，旨在為馬鈴薯肥料高效施用提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 馬鈴薯養分專家系統

馬鈴薯養分專家系統依據產量反應和農學效率間的關系原理，結合QUEFTS (quantitative evaluation of the fertility of tropical soils)模型模擬不同種植區馬鈴薯產量與養分吸收特征關系，進行推薦施肥和養分管理。系統采用作物施肥區較不施肥區的產量增量即產量反應來表征土壤基礎養分供應能力，結合QUEFTS 模型通過分析作物地上部和籽粒的氮磷鉀養分需求，求得不同目標產量下的作物最佳養分吸收量，依據施氮量=產量反應/農學效率獲得不同目標產量下的施氮量推薦，依據施磷或施鉀量=作物產量反應施磷或施鉀量+維持土壤養分平衡的部分可獲得不同目標產量下的施磷、鉀肥量推薦[17]。

馬鈴薯養分專家系統以強大的數據庫為支持，通過收集匯總2001—2020 年國際植物營養研究所中國項目部和研究團隊在馬鈴薯主產區開展的田間肥效試驗，以及此期間在學術期刊網(CNKI)上通過檢索“馬鈴薯”、“馬鈴薯+產量”、“馬鈴薯+養分吸收”、“馬鈴薯+肥料利用率”等得到的公開發表的學術文章建立田間試驗數據庫。所有數據需滿足以下標準：1)來自田間肥料試驗；2)同時具有減素處理和氮磷鉀全施處理；3)有明確的施肥量和產量。本研究數據庫中馬鈴薯氮、磷和鉀產量反應數據分別有1072、851 和1104 個。

1.2 田間驗證試驗

于2017—2020 年在我國馬鈴薯主產區開展了239 個田間試驗，驗證馬鈴薯養分專家系統的可行性，分別位于黑龍江(18)、吉林(11)、內蒙古(54)、山西(28)、甘肅(23)、四川(32)、云南(27)、貴州(34)、江西(12)等9 省份，從產量、經濟、農學和環境效益方面對馬鈴薯養分專家系統進行校正和改進。所有試驗采用統一處理，均包含6 個處理，分別為：1) 基于馬鈴薯養分專家系統推薦施肥處理，即NE 處理，播前調查試驗地塊馬鈴薯過去3 年產量、上季作物施肥量、有機肥施用和秸稈還田方式等；2)農民習慣施肥措施處理，即FP 處理，完全遵循試驗地塊農民的施肥措施，記錄施肥量；3)基于土壤測試施肥，即ST 處理，如土壤測試不及時或條件不具備，使用當地農技推廣部門推薦的施肥量；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)。田間試驗肥料使用尿素、過磷酸鈣、磷酸氫二銨、氯化鉀和硫酸鉀等。同一試驗中各處理密度相同，且病蟲草害防治進行統一管理。

于馬鈴薯收獲期采用相同標準采集各試驗處理樣品，在每個小區中間位置收獲兩行區域(15～30 m2)測定馬鈴薯塊莖產量，最終折合成含水量80%的產量。另外采集3～5 株代表性植株，分成塊莖和秸稈兩部分，于60℃下烘干至恒重后稱重。將部分烘干植物樣品粉碎后經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定塊莖和秸稈中的氮、磷和鉀養分含量，用于計算植株養分累積量和肥料利用效率。

1.3 統計與分析

數據采用Excel 2020 進行分析處理，使用SPSS 17.0 軟件對NE、FP 和ST 處理的施肥量、產量、凈效益、肥料利用率和養分表觀平衡在0.05 水平上進行ANOVA 分析，使用Sigmaplot 14.0 及Graphpad Prism 9.5 軟件繪圖。其相關計算如下，以NE 處理氮為例，磷和鉀計算同氮，FP 和ST 處理計算同NE處理：

氮產量反應(N yield response, kg/hm2)=NE 產量-NE-N 產量；

氮相對產量(N relative yield)=NE-N 產量/NE 產量；

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；

氮素農學效率(N agronomic efficiency, AEN,kg/kg)=(NE 產量-NE-N 產量)/NE 施氮量，磷和鉀分別用AEP 和AEK 表示；

氮素偏生產力(N partial factor productivity, PFPN,kg/kg)=NE 產量/NE 施氮量，磷和鉀分別用PFPP 和PFPK 表示；

凈效益(net profit, 元/hm2)=收獲后產值-肥料成本；

氮素表觀平衡(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計算。

由于馬鈴薯在收獲時其秸稈通常腐爛且不易收集，在計算表觀養分平衡時，使用投入量與塊莖帶走的養分量差值計算。

2 結果與分析

2.1 產量反應和農學效率

就全部產量反應數據而言，我國馬鈴薯主產區施用氮、磷和鉀肥的平均產量反應分別為8.1、4.8和5.2 t/hm2。氮肥仍然是限制馬鈴薯增產最重要的養分限制因子，其次為鉀肥。施用氮、磷和鉀肥的平均農學效率分別45.2、51.1 和35.1 kg/kg (圖1)。

圖1 馬鈴薯產量反應和農學效率分布Fig.1 The distribution of yield response and agronomic efficiency for potato

2.2 產量反應和相對產量

就數據庫全部相對產量數據而言(圖2a)，我國馬鈴薯主產區氮、磷和鉀養分的平均相對產量分別為0.73、0.83 和0.82。說明當前我國馬鈴薯主產區的養分吸收主要還是來自于土壤。馬鈴薯養分專家系統推薦施肥在沒有相關減素試驗的地區，使用目標產量和相對產量對產量反應進行估測，因為產量反應與相對產量間存在著顯著的線性負相關(圖2b)。

圖2 馬鈴薯相對產量分布及與產量反應關系(以氮為例)Fig.2 The relative yields of potatos and the resulted yield responses to fertilizer (N as case)

2.3 田間試驗驗證

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，FP 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，氮磷鉀養分用量均無顯著差異，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，FP 處理中有74.1%的試驗點施氮量大于180 kg/hm2，33.5%的試驗點大于250 kg/hm2，最高施氮量達373 kg/hm2；施磷量中有64.4%的試驗點大于100 kg/hm2，最高施磷量達到了225 kg/hm2；而有9.6%的試驗點不施任何鉀肥。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 產量及經濟效益 產量結果(圖4)顯示，與FP 處理相比，NE 處理顯著提高了馬鈴薯產量2.63 t/hm2，增幅為9.1% (P＜0.05)；而與ST 處理產量無顯著差異，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 處理差異達顯著水平(P＜0.001)。提高產量并降低肥料花銷使得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 處理增加的經濟效益中有88.5%來自于產量增量?？傮w而言，NE 系統較FP 在馬鈴薯產量和經濟效益上表現出明顯優勢。

圖4 不同施肥處理馬鈴薯產量和凈收益Fig.4 Potato yields and net profits under different fertilization treatments

2.3.3 養分利用率 就養分利用率總體數據而言(表1)，NE 與ST 處理的氮磷鉀農學效率、回收率和偏生產力多無顯著性差異，但多顯著高于FP 處理。就農學效率而言，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。所有試驗中，NE 處理的氮、磷和鉀農學效率大于40 kg/kg 的試驗分別占全部試驗數量的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 個百分點，REP 分別提高了5.0 和2.1 個百分點，REK 分別提高了9.1 和1.1 個百分點。所有試驗中，NE 處理中有33.9%的試驗數量氮肥回收利用率大于40%，23.8%的試驗數量磷肥回收利用率大于20%，30.1%的試驗數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分利用率Table 1 Nutrient use efficiencies of potato under different fertilization treatments

2.3.4 養分表觀平衡 農田養分表觀平衡檢測結果(圖5)表明，就平均值而言，3 個處理的氮素和磷素總體表現為正平衡，但NE 處理顯著低于FP 處理，與ST 處理無顯著差異?？傮w而言，NE 處理較FP 處理分別顯著降低了氮和磷表觀盈余量69.3 kg/hm2(P＜0.001)和52.5 kg/hm2(P＜0.001)，降幅分別達到了50.5%和49.6%；較ST 處理雖然差異未達到顯著水平，但分別降低了氮和磷表觀盈余量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平衡無顯著差異，分別為-4.1、6.3 和5.1 kg/hm2。FP 處理的農戶個人行為導致嚴重過量施肥和施肥不足問題同時存在，如有43.1%的試驗點氮素表觀盈余量大于150 kg/hm2，最高達337 kg/hm2，最低則為-111 kg/hm2；而磷肥表觀盈余中大于100 kg/hm2的試驗點占到了49.4%，最高達203 kg/hm2，最低則為-50 kg/hm2；而鉀肥表觀盈余結果顯示，施肥過量和不足問題在各處理中同時存在，由于馬鈴薯是高耗鉀作物，加之鉀肥價格較高，如何既要考慮土壤固有鉀的長久供應能力，又要考慮過量施鉀的經濟效益需要深入探討。

圖5 不同施肥處理養分表觀平衡Fig.5 Nutrient apparent balance under different treatments

3 討論

因地制宜、按需用肥是促進作物養分吸收、提高肥料利用效率和增加作物產量的必需條件之一。傳統的測土配方施肥通過測試土壤養分和布置田間肥料用量試驗，進而建立施肥量與作物產量間的量化關系進行施肥推薦已取得顯著效果，然而由于地區間氣候和土壤類型的差異，導致某一點位的施肥參數無法進行大面積推廣應用。依據田間試驗大數據，通過總結各農學參數間的聯系，選取合適的指標參數建立施肥模型是當前開展科學施肥的趨勢。作物養分吸收可以分為兩部分，一部分來源于土壤本身的養分供應(包括土壤礦化以及環境帶入的養分)，另一部分是由人為施肥輸入。土壤養分供應能力是推薦施肥的關鍵參數之一，其決定肥料的投入程度。養分專家系統應用產量反應表征土壤內在養分供應狀況，農學效率表征肥料增產效應，利用產量反應和農學效率間存在的顯著二次曲線關系為推薦施肥提供依據。在一定氣候條件和目標產量下，施肥后的產量反應越大，說明土壤基礎養分供應能力越低，而此時獲得的農學效率也就越高。由于不同種植區域氣候特點和馬鈴薯品種的差異，導致產量反應也大相徑庭[18]，不同馬鈴薯種植區域間的相對產量存在一定差異[19]，因此即使目標產量相同，NE系統使用相對產量和目標產量計算得出的產量反應也不相同，其肥料推薦用量也不相同。以馬鈴薯不同目標產量下氮肥推薦用量為例，當目標產量達到20、30、40、50 t/hm2時，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 系統中使用優化施肥處理得到的農學效率進行推薦施肥，得出的施肥量更加合理。本研究施用氮、磷、鉀肥的平均農學效率分別45.2、51.1 和35.1 kg/kg，這與胡志華等[20]的結果相近。NE 系統推薦施肥針對不同生態條件、目標產量和地力水平制定養分管理方案[19]，在實踐中科學確定農田養分適宜用量，提高施肥效益。如本研究中云南省和山西省產量分別為25.1 和33.0 t/hm2，云南省平均氮、磷和鉀產量反應分別為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量反應使得其氮肥推薦量(178 kg/hm2)要高于云南省(145 kg/hm2)，而對于磷和鉀肥的推薦量而言，要考慮塊莖帶走養分所引起的土壤養分平衡問題，即使云南省有較高的磷鉀產量反應，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，當前我國馬鈴薯種植區的化肥用量可減施20%以上[21-22]，主要需減施氮肥和磷肥用量。本研究中，NE 系統通過考慮目標產量和土壤養分供應能力確定的施肥量，較農民習慣氮、磷肥用量分別降低了24.4%和32.3%，但鉀肥用量增加了4.9%，推薦結果既與已有試驗一致，又關注到了長期鉀肥施用不足帶來的風險。如王小英等[23]調查結果顯示，陜西省有96.6%的馬鈴薯種植戶鉀肥施用量不足，馬鈴薯種植區的土壤速效鉀含量較往年明顯下降[24]。本研究中甘肅地區的一些農戶不施任何鉀肥。馬鈴薯作為高耗鉀作物，對鉀素的需求量是氮素的兩倍、磷素的4 倍[25]。NE 系統建議減施氮、磷肥、增施鉀肥，這與李飛等[26]的研究結果一致。而董文等[27]研究表明，施鉀與馬鈴薯產量的相關性不顯著，這可能與較高的土壤鉀素含量水平有關，導致施鉀增產潛力較小。本研究中NE 系統推薦施肥提高了鉀肥用量，從馬鈴薯種植區耕地可持續生產的角度出發考慮了土壤養分平衡。作物產量與土壤基礎地力水平密切相關，土壤養分供應能力決定作物對養分的吸收強度。王迎男等[28]指出，作物產量與土壤基礎地力呈顯著正相關，在內蒙古馬鈴薯主產區其基礎地力水平對產量的貢獻率可達76.7%。此外，在合適的生長時期，土壤中充足的有效養分供應對于塊莖膨大生長所需的營養尤為重要[29]。梁淑敏等[30]研究指出，追施尿素處理的馬鈴薯產量較不追施對照可提高26.3%，而NE 系統結合4R (正確肥料品種、用量、施肥時間、施肥位置)養分管理原則，通過簡化操作界面更加智能化，可成為未來重要的施肥指導工具[31]。

科學評價肥料施用效果、準確分析施肥響應程度、搭配合理措施，對于實現馬鈴薯養分高效管理具有重要意義。然而，隨著我國肥料資源的大量投入，導致土壤養分累積[32]，未充分考慮土壤基礎養分供應也是導致肥料利用率低的主要原因之一。本研究中農民過量和不平衡的施肥現象，導致氮、磷和鉀肥回收率分別僅有23.0%、9.2%和30.8%。合理調整氮磷鉀養分配比是解決當前馬鈴薯肥料投入不平衡、農戶施肥差異大、施肥量變異系數高的關鍵[33]。NE 推薦施肥系統依據每年或每季的產量反應、農學效率和養分平衡動態調整施肥量，而不是一個恒定的施肥量，其綜合考慮氮磷鉀3 種養分間的交互作用，根據作物養分需求給出施肥方案是及時且必要的。與傳統測土配方施肥相比，NE 處理分別降低了4.2%和1.9%的氮磷肥用量，但其產量和經濟效益分別提高了2.0%和1.6%，以內蒙古自治區最為明顯，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 個百分點，產量和經濟效益總體分別增加2.6%和2.5%。雖然不同地區間的養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，如與FP 處理相比，南方混作區和北方一作區氮、磷、鉀肥平均回收率分別提高了12.7、4.9、11.4 個百分點和10.5、5.2、6.9 個百分點。提高養分利用效率避免養分損失造成的環境風險是農業生產亟需解決的問題[14]，減少外源氮肥的投入是降低氮素徑流損失和氨揮發消減的關鍵[34]，本研究中NE 系統推薦施肥除了在產量和經濟效益方面表現出明顯優勢外，還降低了氮素和磷素的表觀盈余量，在一定程度上降低了養分損失。研究結果顯示，NE 處理較FP 處理的氮、磷素表觀盈余量降幅分別達到了50.5% 和49.6%，較ST 處理降幅分別達15.5%和7.3%，該結果與井濤等[35]的研究結果相近。石曉華等[36]研究表明，在馬鈴薯種植季優化施肥較農民習慣措施的氮素表觀損失量可減少1 倍。NE 系統能夠在減少養分投入的基礎上提高作物養分吸收，其氮、磷和鉀養分累積量較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% (數據未顯示)，有效促進莖葉中的養分向塊莖中轉移[20]。除此之外，合理的肥料用量結合脲酶抑制劑[37]、肥料增效劑[38]等可進一步減少養分損失和增加肥效。合理的農藝措施在肥料減施增效、產能提升方面也發揮著重要作用，如優化灌溉和施肥頻次[39-40]、生育期冠層光譜營養診斷[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分殘留，也根據不同地力水平和生產條件給出了肥料分次施用比例，但與這些農藝措施以及中微量元素結合得還不夠緊密，還缺乏相關的田間驗證試驗，今后需加強此方面的研究工作。

4 結論

應用計算機信息技術將復雜的施肥原理轉化成用戶方便使用的馬鈴薯養分專家系統，并在全國馬鈴薯主產區開展了4 年共計239 個田間試驗。實踐結果表明馬鈴薯養分專家系統分別降低氮肥和磷肥用量24.4%和32.3%，平衡了鉀肥用量，產量和經濟效益分別增加2.63 t/hm2和4283.4 元/hm2，在提高馬鈴薯產量、經濟效益和肥料利用率方面較傳統測土施肥方法具有明顯優勢。在當前及今后相當長的時期內，仍需要進一步結合作物管理措施完善優化施肥參數，推廣馬鈴薯養分專家系統在生產中的應用，促進我國化肥減量增效。