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基于产量反应和农学效率的水稻智能化推荐施肥方法研究

花匠小妙招
2024-11-16 17:54

水稻生产系统极易产生养分流失，尤其是氮素和钾素。为维持高产，不得不提高肥料用量，导致肥料利用率不高、资源浪费和环境污染等问题[1]，还降低了稻米品质[2]。如何在保障粮食产量的同时，减少施肥引起的环境污染和生态安全问题[3]，亟需开发农民易接受、操作简单的推荐施肥方法。推荐施肥方法的建立大多以作物的单位产量养分需求量和土壤养分水平为基础，典型代表为测土配方施肥技术，通过测定土壤养分数据和布置“3414”田间试验，建立施肥量与作物产量间的关系，计算出施肥配方，再在一定区域内通过“大配方小调整”，最终确定施肥配方[4]。其他较为常见的方法还有通过布置肥料养分用量试验，得出施肥量与产量或者养分吸收量间的关系，采用线性加平台或二次曲线关系模型，计算出最佳产量或最佳经济效益施肥量[5]；应用作物冠层归一化植被指数与植株吸氮量间的定量关系建立光谱诊断模型，实现水稻氮素精准定量施肥[6]等等。这些方法大多针对某一个区域、田块或某一种养分，相对于众多小农户管理的田块，存在耗时耗工等问题，难以兼顾地区间气候和土壤肥力的差异。针对这些难题，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所开发了一种基于产量反应和农学效率的养分专家系统[7]，进行推荐施肥和养分管理。该方法以强大的数据库为支撑，应用不施某种养分的地上部产量或养分吸收来表征土壤养分供应能力，采用QUEFTS模型分析不同生态区域作物养分吸收特征[8]，并通过建立土壤基础养分供应、产量反应和农学效率等参数的内在联系，构建养分推荐模型，应用智能技术简化为用户容易操作的施肥决策系统。本研究分析了水稻养分专家系统中的养分吸收、产量反应、农学效率和相对产量参数，开展水稻田间肥料试验验证水稻养分专家系统，以实现水稻的智能化施肥。

1. 材料与方法

1.1 数据库建设

本研究的试验数据来源于国际植物营养研究所中国项目部、研究团队于2000—2019年在中国水稻主产区开展的田间试验，以及此期间在学术期刊上公开发表的文章，其中文献数据来源于中国知网数据库(CNKI)通过检索关键词及关键词组合“水稻”、“水稻+产量”、“水稻+养分吸收”、“水稻+肥料利用率”等得到的中文文献，所有数据均来自于田间试验。应用QUEFTS模型，模拟水稻不同潜在产量和目标产量养分吸收，建立产量和养分吸收间的平衡关系，得出最佳养分需求量。该模型通过考虑氮、磷、钾养分之间的交互作用，采用线性−抛物线−平台函数模拟一定目标产量下作物最佳养分需求量。根据养分需求，以及产量反应和农学效率关系差异，在模拟养分吸收以及作物产量反应和农学效率关系时，将数据分为一季稻和早中晚稻两部分。随着施肥措施的不断优化和水稻品种的不断更新，养分专家系统中养分吸收参数也随着数据量的增加定期更新。本研究中的试验数据量与之前研究(氮磷钾养分吸收数据量分别为6066、3080和3184个)相比有了大幅度的提高[9]，其中一季稻的氮、磷和钾养分吸收数据量分别为1774、1461和1448个，早中晚稻的氮、磷和钾养分吸收数据量分别为8664、5951和6311个。与此同时，产量反应和农学效率参数也得到同步更新，在本研究中，一季稻氮、磷和钾产量反应数据有477、357和397个，早稻有379、293和305个，中稻有1387、710和787个，晚稻有465、332和338个。

1.2 田间验证试验

于2013—2020年，在湖南、湖北、江西、广东、安徽、吉林、辽宁、黑龙江8个省份，开展了共计452个田间试验，早稻、中稻、晚稻和一季稻试验数量分别为101、108、101和142个。所有试验均包含6个处理，分别为：1)水稻养分专家系统推荐施肥，即NE处理；2)当地农民习惯施肥，即FP处理；3)测土配方施肥，即ST处理，如测土不及时或条件不具备，采用当地农技推广部门的推荐量；4)、5)、6)处理分别为NE处理基础上不施氮、不施磷和不施钾，即NE-N、NE-P、NE-K处理，用于计算产量反应和肥料利用效率。同一试验各处理种植密度、病虫草害防治均一致。田间试验肥料包括尿素、过磷酸钙、磷酸氢二铵、氯化钾和硫酸钾等。

全部试验点采用相同标准进行样品采集，即：在每个小区中央位置随机选取3个1 m2区域用于测定水稻籽粒产量和含水量，折合成含水量14.0%的产量。每个小区采集5穴有代表性植株，分成籽粒和秸秆两部分，于60℃下烘干至恒重，称重用于计算收获指数。选取部分烘干样品粉碎后，经H2SO4–H2O2消煮后，分别采用凯氏法、钒钼黄比色法和原子吸收法测定氮、磷和钾养分含量。

1.3 统计与分析

采用Excel 2020对数据进行处理，使用SPSS 17.0软件对NE、FP和ST处理的施肥量、产量、净效益和养分利用率在0.05水平上进行ANOVA分析，使用Sigmaplot 14.0软件绘制箱图。以NE处理氮为例(磷和钾计算同氮)，相关计算如下：

氮产量反应(kg/hm2)=NE产量−NE-N产量；

氮农学效率(kg/kg)=(NE产量−NE-N产量)/施氮量；

氮相对产量=NE-N产量/NE产量；

氮回收利用率(%)=(NE植株地上部氮累积量−NE-N植株地上部氮累积量)/NE施氮量×100；

肥料成本(元/hm2)为氮、磷和钾肥料成本总和；

净效益(元/hm2)=收获后产值–肥料成本。

所有计算公式中，氮、磷和钾施用量分别为N、P2O5和K2O量。

2. 结果与分析

2.1 最佳养分吸收

应用QUEFTS模型模拟了水稻潜在产量为8、12、16 t/hm2下的养分吸收曲线，当目标产量达到潜在产量的60%～70%时，生产1 t水稻籽粒产量的地上部氮、磷和钾养分需求量是一定的，一季稻分别为14.2、3.9和14.3 kg，早中晚稻分别为16.9、3.3和20.9 kg (图1)。早中晚稻生产1 t籽粒相比一季稻需要更多的氮和钾，而一季稻需要更多的磷。

图 1 QUEFTS模型模拟的不同潜在产量水稻的最佳养分吸收量

注：线条自下而上的潜在产量分别为8、12和16 t/hm2

Figure 1. The optimum nutrient requirements simulated by QUEFTS model under different potential yields of rice

Note: The lines from bottom to top indicate the potential yield of 8, 12 and 16 t/hm2

研究作物养分需求量是精准施肥的重要组成部分，是维系实现目标产量、保持土壤肥力和减少环境污染三者间平衡关系的纽带[10-12]。通过布置田间肥料试验可以为推荐施肥提供有价值的养分需求信息，但其针对的是特定地块，而对于区域上的施肥指导缺少科学性。此外，应用个别试验数据点估测不同目标产量下的养分吸收存在不确定性，因为养分内在效率与产量间并不呈线性关系[13]。QUEFTS模型应用田间试验大数据对作物不同目标产量下的养分吸收进行估测，其数据库涵盖了不同土壤类型和各种作物参数以便能够适用于不同区域或气候类型[8,14]。

我国早稻、中稻、晚稻和一季稻都有种植，气候、水稻基因型以及养分管理措施的不同，导致不同种植类型水稻的产量和养分吸收存在较大差异[15-17]。如中稻和一季稻产量显著高于早稻和晚稻，因为其生长期比早稻和晚稻长20～30天。土壤肥力、气候类型以及养分管理的差异导致养分吸收之间的差异，因此个别或少数数据点不能作为大面积甚至区域上施肥推荐的依据[13]。本研究中收集的数据量较之前增加了近一倍，除了早中晚稻的单位产量钾素需求量有所差别外，其余差异不大。一季稻单位产量地上部氮和钾的最佳养分吸收量要低于早/中/晚稻，而磷的最佳养分吸收量较高。一季稻种植区域主要位于东北和西北地区，这些地区为寒温带气候，温度较低，在生长阶段则需要更多的磷。在建立推荐施肥系统时，由于早稻、中稻和晚稻的养分吸收差异较小，因此将三部分数据合并为一组数据，然而随着数据量的不断增加，今后在早稻、中稻和晚稻的养分吸收差异化方面仍需进行深入研究。除此之外，不同地区间形成的单位水稻产量的氮、磷、钾养分吸收也存在一定差异，如Witt等[13]使用南亚和东南亚数据，研究结果氮、磷、钾养分吸收分别为14.7、2.6和14.5 kg/t；Buresh等[18]在Witt等[13]研究基础上增加了数据量和试验点，其研究结果分别为14.6、2.7和15.9 kg/t；Das等[19]在印度东部的研究结果分别为17.9、2.6和18.0 kg/t；Haefele等[20]在西非国家的研究结果分别为12.7、2.6和16.3 kg/t。我国一季稻和早中晚稻的目标产量磷吸收量要高于国外其他已有报道[13, 18-20]，意味着当前的养分管理措施情况下磷存在奢侈吸收现象，没有被有效利用。此外，随着我国南方水稻种植区域秸秆还田的不断普及，土壤钾素得到了补充，使得其单位产量钾素吸收量增加。

2.2 产量反应与农学效率

依据全部产量反应数据，我国水稻种植区氮、磷和钾肥的平均产量反应分别为2.4、0.9和1.0 t/hm2，但不同种植类型水稻产量反应存在差异，一季稻的氮、磷和钾肥平均产量反应分别为3.1、1.1和1.0 t/hm2，早稻分别为2.3、1.0和1.0 t/hm2，中稻分别为2.3、0.9和1.0 t/hm2，晚稻分别为1.9、0.8和0.8 t/hm2。所有数据中，N的产量反应高于P和K (图2a)，表明氮素依然是水稻产量的首要养分限制因素。对于一个特定地块或地点，产量反应依赖于气候和土壤基础养分供应(土壤本身肥力)，而土壤基础养分供应取决于土壤特性(如质地和有机质)、肥料投入、干湿沉降和前季作物养分残留等[21]。例如我国东北、长江中下游、东南和西南地区的表观养分平衡N分别为19.5、68.7、76.3和78.3 kg/hm2，P2O5分别为35.5、51.9、48.5和65.7 kg/hm2，K2O分别为−44.9、−1.9、26.8和56.4 kg/hm2[22]，东北地区较低的养分平衡解释了该地区较高的产量反应。此外，南方水稻种植区较高的温度可以活化土壤养分，快速降解秸秆养分，有利于土壤矿化。

图 2 水稻产量反应和农学效率分布

注：箱体中间的实线代表中值，虚线代表均值，箱体的上下边缘、上下实线和实心圆圈分别代表上下25%、90%和10%、95%和5%的数值

Figure 2. The distribution of yield response and agronomic efficiency of rice

Note: The solid and dotted lines inside the boxes represent the median and mean values, the upper and lower frames of the box, the upper and lower solid lines, and the solid circles outside the boxes represent the upper and lower 25%, the 90% and 10%, the 95% and 5% values

农学效率是反映肥效的重要指标之一，在推荐施肥中是不可或缺的指标。使用优化施肥处理计算产量反应可以获得合理的农学效率，使推荐肥料用量更加合理。就全部数据而言，本研究中氮、磷和钾肥的平均农学效率分别为13.0、14.0和9.5 kg/kg，其中一季稻氮、磷和钾肥的平均农学效率分别为17.6、15.3和9.8 kg/kg，早稻分别为14.6、15.3和10.1 kg/kg，中稻分别为11.4、12.4和9.1 kg/kg，晚稻分别为11.5、14.8和9.2 kg/kg (图2b)。高量化肥投入导致养分在土壤中累积，但土壤养分测试值与作物养分吸收间的相关性并不显著，完全依据土壤养分测试值对水稻进行推荐施肥仍需配合合适的指标[23]。较高的土壤养分供应将会降低产量反应，在相同施肥量情况下就会降低农学效率。产量反应和农学效率间存在显著的二次曲线关系(图3)，本研究结果显示，一季稻和早中晚稻的N、P和K的产量反应和农学效率曲线均较为接近，只是在较高的产量反应下才表现出一定差异。但未来在早稻、中稻和晚稻的产量反应和农学效率关系方面仍需进行深入研究，这将有助于养分专家系统对不同生态类型水稻进行差异化养分管理。

图 3 水稻产量反应和农学效率关系

Figure 3. The relationship between yield response and agronomic efficiency of rice

2.3 相对产量

在一定目标产量下，可以依据相对产量计算产量反应。就全部数据而言，当前我国水稻主产区的土壤氮、磷和钾养分供应程度分别为73%、89%和89%。4种种植类型水稻具有相似的磷和钾相对产量，氮相对产量具有一定差异，其中平均氮、磷和钾相对产量一季稻分别为0.67、0.88和0.89，早稻分别为0.70、0.87和0.87，中稻分别为0.75、0.90和0.89，晚稻分别为0.75、0.90和0.89 (图4)。将产量反应应用到推荐施肥中已取得显著效果，因为采用相对产量对产量反应进行估算可以去除诸多影响因子，有助于评估土壤养分供应能力[21]。

图 4 水稻相对产量分布

注：箱体中间的实线代表中值，虚线代表均值，箱体的上下边缘、上下实线和实心圆圈分别代表上下25%、90%和10%、95%和5%的数值

Figure 4. The distribution of relative yield of rice

2.4 田间验证 2.4.1 施肥量

由图5可以看出，FP处理虽然平均氮磷钾施用量与NE和ST差异不大，但由于是个人行为，因而施肥量变异很大。与FP相比，NE处理的氮、磷和钾肥施用量分别减少了12.6%、9.6%和21.4%；而与ST相比，氮、钾肥施用量分别减少了7.6%、15.6%，而磷肥用量相当。分别统计不同种植类型水稻，NE处理中稻、一季稻、晚稻和早稻的施氮量较FP分别减少了31.2%、19.8%、18.8%和7.2%，以中稻的氮肥减幅最大；施钾量降幅以晚稻最高(59.2%)，其次为早稻(29.4%)和中稻(6.9%)，而一季稻的施钾量比FP增加了12.9%；NE处理中稻、晚稻和一季稻的施磷量较FP分别降低了9.2%、11.1%和7.6%，早稻的施磷量增加了3.9%。与ST相比，NE处理降低了中稻(22.0%)、晚稻(22.4%)和一季稻(7.8%)的施氮量，而早稻施氮量相当；降低了早稻(23.5%)、中稻(17.8%)和晚稻(35.9%)的施钾量，但增加了一季稻(7.9%)施钾量；4个水稻类型的施磷量均与ST相当(图5)。

图 5 不同施肥方法水稻施肥量

注：NE—水稻养分专家系统；FP—农民习惯施肥；ST—测土施肥。箱体中间的实线代表中值，虚线代表均值，箱体上下边缘、上下实线和实心圆圈分别代表上下25%、90%和10%、95%和5%的数值

Figure 5. Fertilizer application rate of rice under different methods

Note: NE—Nutrient Expert for Rice; FP—Farmers’ practice; ST—Soil testing based recommendation. The solid and dotted lines inside the boxes represent the median and mean values, the upper and lower frames of the box, the upper and lower solid lines, and the solid circles outside the boxes represent the upper and lower 25%, the 90% and 10%, the 95% and 5% values, respectively

FP处理施肥量范围明显高于NE和ST处理，其高施肥量是低施肥量的3～4倍。FP处理中44.2%的试验点施氮量大于180 kg/hm2，13.1%的试验点大于210 kg/hm2。高施氮量主要集中在中稻和一季稻种植区域。黄晶等[24]研究也表明我国稻区存在过量施肥现象，其平均施氮量达到了215 kg/hm2，其中华南(双季)和长三角稻区分别达到了284和279 kg/hm2。同样，FP处理早稻、中稻、晚稻和一季稻的高施磷量和低施磷量间的差异分别达到了97、105、109和131 kg/hm2，17.0%的试验点施磷量超过100 kg/hm2。与氮、磷肥相反，农民施钾量虽有增加，但施钾量整体偏低，施钾量小于60 kg/hm2的试验点占到了全部试验数量的12.8%，早稻、中稻、晚稻和一季稻的高施钾量和低施钾量间的差异依然高达199、120、242和80 kg/hm2，仍需进一步加强农民的平衡施肥培训。尹映华等[25]研究表明，我国东北一季稻区的氮肥减施潜力辽宁可达16.7%～24.7%，吉林中、西部可达8.7%～17.8%，黑龙江可达2.0%～11.4%。张耿苗等[26]应用高斯−分类混合聚类方法在浙江的研究表明，其氮、磷和钾肥平均分别可减施48.7、16.7和29.2 kg/hm2。

2.4.2 产量和经济效益

NE推荐的施肥量下，水稻产量和经济效益显著增加，总体产量比FP和ST处理分别增加了0.5 t/hm2 (6.4%，P<0.001)和0.3 t/hm2 (3.6%，P=0.008)，经济效益分别增加了1627元/hm2 (P<0.001)和893元/hm2 (P=0.025)。就不同水稻种植类型而言，与FP处理相比，NE处理在早稻上增产最为显著，比FP和ST分别增产了9.3% (0.7 t/hm2，P=0.002)和7.5% (0.5 t/hm2，P=0.017)；其次为晚稻，分别增加了7.9% (0.6 t/hm2，P=0.004)和4.9% (0.4 t/hm2，P=0.081)；中稻和一季稻产量较FP分别增加了6.5% (0.6 t/hm2，P<0.001)和3.9% (0.4 t/hm2，P=0.045)，而与ST处理相当。NE的经济效益增加幅度与FP相比依次为晚稻10.3% (2055元/hm2，P=0.001)、早稻6.5% (1769元/hm2，P=0.009)、中稻6.5% (1686元/hm2，P<0.001)和一季稻6.5% (1178元/hm2，P=0.040)；与ST相比依次为早稻、晚稻、一季稻和中稻，分别增加了8.5% (1341元/hm2，P=0.047)、6.6% (1227元/hm2，P=0.048)、2.5% (667元/hm2，P=0.236)和2.2% (446元/hm2，P=0.283)。与ST处理相比，NE处理的中稻和一季稻经济效益增幅大于产量增幅，而此经济效益并未考虑ST处理的土壤测定费用。与FP和ST处理相比，NE处理的经济效益增加量主要来自于产量增量，分别占总增加效益的89.0%和87.5% (图6)。

图 6 不同施肥方法水稻产量和净效益比较

注：NE—水稻养分专家系统; FP—农民习惯施肥; ST—测土施肥。箱体中间实线代表中值，虚线代表均值，方框上下边缘、上下实线和实心圆圈分别代表上下25%的数值、90%和10%的数值、95%和5%的数值

Figure 6. Comparison of rice grain yield and net profit under different methods

平衡施肥可促进水稻群体对光、温资源的捕获，提高光、温资源利用率，提高可溶性糖转运量[27]，进而增加水稻单位面积有效穗数和千粒重[28]，提高水稻产量。曾祥明等[29]在江汉平原地区不同基础地力土壤上的优化施肥较农民习惯施肥的水稻产量提高了5.0%～6.9%。张智等[30]采用测土配方施肥技术在湖南的735个田间试验表明，优化施肥处理较农民习惯施肥增产了7.0%～8.3%。由此可见，优化施肥不仅可降低农民习惯施肥量，同时可提高水稻产量。在一定气候条件下，土壤肥力越高，土壤养分供应能力就越强，如果施肥量过高，尤其是氮肥，就会导致水稻贪青晚熟，易倒伏，最终影响产量。因此，以产量反应来表征养分状况，即能够充分反映土壤养分和肥料供应水平，依据此进行施肥量推荐可以更好的发挥肥料的增产作用。水稻养分专家系统通过大量田间试验结果对土壤养分供应能力进行评估，而且可以随着施肥措施的不断优化和土壤肥力的变化，及时调整推荐模型参数，因而保证了推荐结果的可靠性。

2.4.3 肥料利用率

表1列出了各种植类型水稻和整体水稻的氮磷钾肥利用率。总体而言，NE处理的氮肥回收率较FP和ST处理分别增加了13.1和9.3个百分点，氮肥农学效率分别提高了4.1和2.7 kg/kg。就不同种植类型水稻而言，与FP处理相比，NE处理的氮肥回收率增加幅度从高到低依次为早稻、中稻、晚稻和一季稻，分别为18.7、16.5、14.1和5.8个百分点，氮肥农学效率分别增加了4.0、5.2、3.7和3.6 kg/kg。与ST处理相比，NE处理的氮肥回收率早稻、晚稻、中稻和一季稻分别增加了15.4、12.9、7.2和4.1个百分点；氮肥农学效率分别增加了3.3、3.8、2.3和1.7 kg/kg。

表 1 不同施肥方法水稻肥料利用率的比较

Table 1. Comparison of fertilizer use efficiency of rice among different treatments

类型
Type处理
Treatment回收率 Recovery efficiency (%)农学效率 Agronomic efficiency (kg/kg)NPKNPK 早稻
Early riceNE42.7 a20.0 a49.4 a16.1 a17.6 a15.2 aFP24.0 b13.3 b28.5 b12.1 b10.2 b5.8 bST27.3 b14.4 ab31.5 b12.8 b12.3 b6.4 b中稻
Middle riceNE37.9 a17.3 a41.8 a14.5 a11.8 a8.0 aFP21.4 c11.3 b30.6 b9.3 c6.9 b4.6 bST30.7 b17.2 a41.8 a12.2 b10.7 ab5.7 ab晚稻
Late riceNE37.3 a30.8 a50.0 a13.4 a21.1 a15.9 aFP23.2 b17.6 b28.4 b9.7 b11.8 c4.6 bST24.4 b22.3 b30.7 b9.6 b16.3 b6.4 b一季稻
Single riceNE33.7 a25.7 a41.8 a21.4 a18.5 a10.8 aFP27.9 b19.3 b33.6 b17.8 b13.0 b10.0 aST29.6 b19.8 b37.3 ab19.7 ab16.0 ab9.8 a平均
TotalNE37.5 a23.5 a45.2 a16.8 a17.3 a12.2 aFP24.4 c15.7 c30.6 c12.7 c10.7 c6.6 bST28.2 b18.5 b35.7 b14.1 b14.0 b7.3 b 注：NE—水稻养分专家系统；FP—农民习惯施肥；ST—测土施肥。同列数值后不同字母表示同一水稻类型处理间在0.05水平差异显著。
Note: NE—Nutrient Expert for Rice; FP—Farmers’ practice; ST—Soil testing based recommendation. Values followed by different letters in a column denote significant difference among treatments of the same rice type at the 0.05 probability level.

总体而言，与FP和ST处理相比，NE处理的磷肥回收率分别提高了7.8和5.0个百分点，磷肥农学效率分别提高了6.6和3.3 kg/kg (表1)。就不同种植类型水稻而言，与FP处理相比，NE处理晚稻的磷肥回收率提高最多，为13.2个百分点，显著高于早稻、中稻和一季稻，而早稻、中稻和一季稻的增幅基本相同，为6.0～6.7个百分点；晚稻、早稻、中稻和一季稻的磷肥农学效率分别增加了9.3、7.4、4.9和5.5 kg/kg。与ST处理相比，NE处理早稻、晚稻和一季稻的磷肥回收率分别提高了5.6、8.5和5.9个百分点，中稻的磷肥回收率与ST相当；磷肥农学效率与磷肥回收率趋势相同，早稻、晚稻、一季稻和中稻分别提高了5.3 (P=0.010)、4.8 (P=0.019)、2.5 (P=0.129)和1.1 kg/kg (P=0.617)。

NE处理显著提高了钾肥利用率，与FP和ST处理相比，钾肥回收率总体分别提高了14.6和9.5个百分点，钾肥农学效率分别提高了5.6和4.9 kg/kg (表1)。与FP处理相比，NE处理显著提高了各种植类型水稻的钾肥回收率，增幅从高到低依次为晚稻、早稻、中稻和一季稻，分别为21.6、20.9、11.2和8.2个百分点；提高了早稻、中稻和晚稻的钾肥农学效率，增幅依次为9.4、3.4和11.3 kg/kg，而一季稻钾肥农学效率相当。与ST处理相比，NE处理显著增加了早稻和晚稻的钾肥回收率，分别提高了17.9和19.3个百分点，二者的一季稻和中稻钾肥回收率相当；NE处理早稻和晚稻的钾肥农学效率分别比ST处理提高8.8和9.5 kg/kg，中稻和一季稻的钾肥农学效率与ST没有显著差异。

NE处理与FP处理相比，大大降低了施肥量而显著提高了产量，提高肥料利用率是必然趋势。本验证试验中，NE处理的氮、磷和钾肥平均回收率分别达到了37.5%、23.5%和45.2%，而FP处理仅有24.4%、15.7%和30.6%。NE处理中氮、磷和钾肥回收率大于50%、30%和60%的试验点的比例分别为20.8%、31.2%和31.9%，而FP处理仅有7.0%、17.6%和17.6%，且这些点主要来自较低施肥量的地点。王伟妮等[28]于2006—2009年在湖北省早、中、晚稻的田间肥效试验结果显示，其氮磷钾肥农学效率仅有10.7、10.0和10.4 kg/kg，与本研究中FP处理相近，尤其是氮和磷农学效率，其主要原因则是土壤中养分含量较高。而NE处理显著增加了肥料增产效率，其氮、磷和钾农学效率大于20 kg/kg的分别占到了全部试验数量的33.2%、33.4%和18.4%，FP处理分别仅有4.2%、8.0%和4.0%，而ST处理分别仅有4.9%、11.3%和1.5%，说明NE系统在提高水稻的肥料利用率和肥料增产效率方面具有明显优势。

与传统的测土配方施肥相比，NE系统在有或没有土壤测试结果情况下均可以使用，这就避免了无土壤测试条件或测试不及时遇到的问题。NE系统结合4R策略进行养分管理，根据作物生育时期的养分需求规律分次施肥，大大提高了水稻的养分吸收量，尤其是成熟期养分吸收[31]。前期大量施肥则会促进水稻分蘖，增加无效分蘖，虽然增加了生物量，但会降低结实率，从而导致产量降低，并最终影响养分吸收[32-33]。因此好的推荐施肥方法需要结合相应的管理措施，才能进一步提高产量和养分吸收。如通过改进氮肥运筹方式可提高水稻产量5.2%～7.1%[34]；通过干湿交替灌溉可以改善水稻根际氧环境，增强根际硝化速率及根系铵态氮和硝态氮吸收速率，进而促进氮素转化和水稻氮素吸收[35]；通过冬闲种植绿肥，翻压后双季稻可减施20%的氮肥，同时早稻和晚稻的产量可分别提高11.6%和7.8%[36]；结合中微量元素，如锌可提高水稻氮磷钾养分含量，并促进其向生长中心分配[37]；合理水稻管理模式配合磷钾肥有利于促进各养分累积，提高光合速率和根系活力，并减少养分地表径流，实现水稻高产高效[38-39]；应用新型肥料、有机肥料等可以在降低施肥次数、减少施肥量和提高肥料利用率方面实现共赢[40-44]等等。然而，这些措施多是在农民习惯施肥基础上开展的相关研究，随着国家相关政策法律法规的出台和相关指导施肥方法的不断改进，以及集约化经营的不断加速，其施肥量将逐渐趋于合理，如何在合理施肥的基础上配套相关农艺措施仍有待进一步研究。如本研究中的水稻养分专家系统，其优化了肥料用量，较农民习惯施肥提高了产量和肥料利用率，但在此施肥量基础上，有机肥还能够替代多少化肥，缓控释肥与速效氮肥比例如何变化，以及秸秆还田后肥料还可减施多少等等都有待进一步加强研究。

3. 结论

水稻养分专家系统以田间试验大数据为基础，采用QUEFTS模型分析了不同种植类型水稻养分吸收特征，建立了产量反应、农学效率和相对产量等农学参数的内在联系，建立了可操作性强的推荐施肥方法。在当前生产条件下，通过位于全国的包括了4个种植类型水稻的452个田间试验证明，水稻养分专家系统推荐的施肥量获得了明显优于传统测土施肥方法的水稻产量和经济效益，同时还显著提高了肥料回收率和农学效率。因此，推广水稻养分专家系统是全面提高我国水稻生产效益和环境效益的推荐施肥系统。