基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥的北方馬鈴薯適宜氮肥用量研究

沈若川，丁文成，高 強(qiáng)，何 萍*，仇少君

（1 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，吉林長春 130118；2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

馬鈴薯具有耐干旱、耐貧瘠、高營養(yǎng)和高產(chǎn)量等特點(diǎn)，在我國種植面積不斷增加并成為我國繼玉米、水稻和小麥后第四大主糧作物，2020年種植面積和產(chǎn)量分別達(dá)491.5萬hm2和9188.1萬t[1]。我國馬鈴薯種植區(qū)域根據(jù)種植制度的不同可以分為北方一作區(qū)、中原二作區(qū)、西南混作區(qū)和南方冬作區(qū)，其中北方一作區(qū)播種面積和產(chǎn)量分別占全國的1/3左右[2]。北方一作區(qū)主要包括甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、河北、吉林和黑龍江等省，具有緯度高、氣溫低、全年無霜期短和雨熱同期等特點(diǎn)，馬鈴薯每年播種一季，四月末至五月初播種，九月末至十月初收獲，其在我國馬鈴薯生產(chǎn)和消費(fèi)中占有重要地位[3]。

氮素是限制馬鈴薯產(chǎn)量的關(guān)鍵營養(yǎng)元素[4]，由于馬鈴薯塊莖產(chǎn)量通常表現(xiàn)為隨施氮量的增加先增加后降低的變化趨勢，氮肥投入不足會(huì)顯著降低馬鈴薯塊莖產(chǎn)量，同時(shí)會(huì)消耗土壤基礎(chǔ)肥力導(dǎo)致產(chǎn)量持續(xù)下降[5]；而氮肥施用過量則導(dǎo)致馬鈴薯徒長，非但不能繼續(xù)提高產(chǎn)量，反而導(dǎo)致肥料利用率和塊莖品質(zhì)降低，造成了資源和經(jīng)濟(jì)效益損失[6]。然而，在馬鈴薯生產(chǎn)中往往存在過量施氮的情況[7]，有研究表明我國北方一作區(qū)的東北、華北和西北地區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)中平均施氮量分別達(dá)到了228、471和432 kg/hm2[8]。尤其是馬鈴薯與玉米、小麥等作物相比，根系在土壤中分布淺且密度較低，不易吸收深層土壤中的養(yǎng)分，導(dǎo)致其對土壤氮素的吸收利用效率較低[9]，據(jù)報(bào)道我國馬鈴薯的氮素利用率只有約30%[10]。大量的氮素通過淋溶、反硝化作用和氨揮發(fā)等途徑流失到環(huán)境中，造成了水體和大氣污染[11-13]。因此，確定適宜的施氮量是保障馬鈴薯高產(chǎn)、提高經(jīng)濟(jì)效益和減少環(huán)境污染的關(guān)鍵。

采用科學(xué)的推薦施肥方法可以獲得合適的施氮量，對提高作物產(chǎn)量和肥料利用率具有重要意義[14]。目前在生產(chǎn)和研究中常用的推薦施肥方法主要有基于土壤測試以及基于作物的推薦施肥方法。“3414”田間試驗(yàn)和測土配方施肥可以根據(jù)土壤的養(yǎng)分狀況和作物生長所需的養(yǎng)分進(jìn)行推薦[15-16]。基于土壤測試的推薦方法直觀感強(qiáng)，可以同時(shí)推薦氮磷鉀三種肥料養(yǎng)分用量。肥料效應(yīng)函數(shù)法、葉柄硝酸鹽含量法、冠層反射儀法和葉片SPAD值法等[17-20]，通過建立肥料用量和產(chǎn)量間的關(guān)系式或獲取作物的營養(yǎng)狀況進(jìn)而評判施用肥料量的高低，從而確定最佳肥料用量?；谧魑锏耐扑]施肥方法具有精度高、反饋性好、無需破壞性取樣等優(yōu)點(diǎn)，這些推薦施肥方法在增加產(chǎn)量和提高養(yǎng)分利用率上發(fā)揮了積極作用。然而在實(shí)際生產(chǎn)中，上述方法往往要求實(shí)地土壤或植株樣品數(shù)據(jù)，對取樣和樣品測定精度要求較高、實(shí)效性較差或難以同時(shí)推薦氮磷鉀肥料用量，需要較完備的農(nóng)技服務(wù)支撐，因此在小農(nóng)戶種植模式中推廣應(yīng)用存在困難。近年來一些學(xué)者不斷探索先進(jìn)輕簡的推薦施肥方法，其中基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的推薦施肥方法被報(bào)道已廣泛應(yīng)用在水稻、小麥、玉米、蘿卜等作物上[21-24]，促進(jìn)了產(chǎn)量、氮素吸收、氮肥利用率的提高[25]。該方法是在匯總大量田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上結(jié)合 QUEFTS 模型分析，通過考慮作物產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的關(guān)系，即施氮量=產(chǎn)量反應(yīng)/農(nóng)學(xué)效率，并利用計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建起來的推薦施肥系統(tǒng)(Nutrient Expert Decision Support System, 簡稱NE系統(tǒng))[26]。它僅需要用戶提供當(dāng)前產(chǎn)量水平、養(yǎng)分投入情況、秸稈還田方式以及土壤有機(jī)質(zhì)含量及土壤質(zhì)地等信息，同時(shí)結(jié)合4R養(yǎng)分管理原則(即選用合適的肥料種類、制定合適的施肥量、在合適的時(shí)間施用在合適的位置)即可提供針對不同地塊的個(gè)性化施肥方案。然而，關(guān)于NE系統(tǒng)推薦施肥是否能夠?qū)崿F(xiàn)馬鈴薯高產(chǎn)高效的報(bào)道較少。因此本研究以北方一作區(qū)馬鈴薯較為典型的甘肅、黑龍江和內(nèi)蒙古3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)為基礎(chǔ)，通過4年定位試驗(yàn)研究測定不同施氮量下馬鈴薯塊莖產(chǎn)量、氮素吸收、土壤無機(jī)氮含量、肥料利用率和氮素表觀平衡等指標(biāo)，旨在明確不同種植區(qū)域馬鈴薯適宜施氮量，以及驗(yàn)證NE養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施氮量是否能夠?qū)崿F(xiàn)馬鈴薯高產(chǎn)高效。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

于2017年4月至2020年9月，分別在甘肅省定西市、黑龍江省克山縣和內(nèi)蒙古武川縣3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)開展馬鈴薯氮肥量級(jí)田間試驗(yàn)，3地分別屬于中溫帶大陸性氣候、寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候和中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，試驗(yàn)點(diǎn)經(jīng)緯度、土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)(0—20 cm土層)及氣候特征見表1。

表1 各試驗(yàn)點(diǎn)地理位置和土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)Table 1 Geographical location and basic physico-chemical properties of the soil in each experimental site

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均為田間試驗(yàn)，各個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)以NE系統(tǒng)推薦施氮量為基準(zhǔn)，設(shè)置不同施氮量處理：甘肅設(shè)-N、-40%N、NE、+40%N 4個(gè)處理；黑龍江設(shè)置-N、-50%N、-25%N、NE、+25%N、+50%N 6個(gè)處理；內(nèi)蒙古設(shè)-N、-50%N、-25%N、NE、+50%N 5個(gè)處理，每個(gè)處理具體氮肥用量見表2。NE推薦施肥是根據(jù)農(nóng)戶當(dāng)前產(chǎn)量水平、養(yǎng)分投入歷史、秸稈還田方式，以及土壤質(zhì)地性狀、氣候和灌溉條件等信息結(jié)合4R養(yǎng)分管理原則，給出供試地塊的個(gè)性化推薦施肥方案。試驗(yàn)均采用單因素完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)3次，小區(qū)面積為30 m2。

表2 各試驗(yàn)點(diǎn)不同年份基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)(NE)推薦量的各處理氮肥用量(kg/hm2)Table 2 N rate (kg/hm2) based on that recommended by Nutrient Expert system (NE) in each experimental site from 2017-2020

NE系統(tǒng)推薦施肥以作物目標(biāo)產(chǎn)量法為基礎(chǔ)，用不施肥小區(qū)的養(yǎng)分吸收或產(chǎn)量水平來表征土壤基礎(chǔ)肥力，地塊施肥后作物產(chǎn)量反應(yīng)越大，土壤基礎(chǔ)肥力則越低，肥料推薦量越高[27]。NE系統(tǒng)氮肥推薦主要是依據(jù)氮素產(chǎn)量反應(yīng)(施氮與不施氮小區(qū)的產(chǎn)量差)和氮素農(nóng)學(xué)效率(施入單位養(yǎng)分的作物增產(chǎn)量)確定[28]。甘肅、黑龍江和內(nèi)蒙古3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)氮肥均選用尿素(含N 46%)，基追比分別為100∶0、50∶50和30∶70，播種時(shí)和苗期培土?xí)r壟上施肥覆土，播種時(shí)覆土10 cm，培土覆土5 cm；3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)磷肥分別選用過磷酸鈣(含P2O518%)、重過磷酸鈣(含P2O545%)和過磷酸鈣(含P2O518%)，4年試驗(yàn)施磷量甘肅分別為P2O590、129、50、50 kg/hm2，黑龍江分別為P2O575、75、75、75 kg/hm2，內(nèi)蒙古分別為P2O5150、180、91、84 kg/hm2，全部作為基肥施入；鉀肥均選用氯化鉀(含K2O 60%)，4年試驗(yàn)施鉀量甘肅分別為K2O 90、157、122、122 kg/hm2，黑龍江分別為K2O 150、150、150、150 kg/hm2和內(nèi)蒙古分別為K2O 234、270、238、134 kg/hm2，3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)基追比分別為100∶0、50∶50和100∶0。

甘肅、黑龍江和內(nèi)蒙古3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分別于每年4月末、5月初和5月中旬播種，并于10月末、9月中旬和9月末收獲，已連續(xù)種植4季；種植品種分別為隴薯10號(hào)、延薯四號(hào)和華頌7號(hào)；行距分別為60/40 (大壟雙行)、80和50 cm；株距分別為38、25和40 cm；種植密度分別為5.2、6.0和5.0萬株/hm2；內(nèi)蒙古試驗(yàn)點(diǎn)根據(jù)降水情況進(jìn)行滴灌，甘肅和黑龍江為雨養(yǎng)。試驗(yàn)地四周均設(shè)置保護(hù)行。

1.3 測定項(xiàng)目和分析方法

1.3.1 產(chǎn)量 于收獲期在各小區(qū)中間兩壟分別取連續(xù)10株馬鈴薯，將挖取馬鈴薯塊莖合并稱重測產(chǎn)，并將小區(qū)產(chǎn)量折算為單位面積產(chǎn)量。

1.3.2 植株干物質(zhì)量 于收獲期各小區(qū)取代表性植株5株，將地上部與地下部分裝稱重后于105℃殺青30 min，65℃烘干至恒重，測定植株干物質(zhì)含量。

1.3.3 植株氮含量 將烘干的植株樣品和塊莖樣品粉碎過篩后，用H2SO4-H2O2法消化2 h，采用凱氏定氮法測定樣品全氮含量。

1.3.4 土壤樣品測定 試驗(yàn)開始前采集0—20 cm土壤測定基礎(chǔ)理化性質(zhì)。土壤pH以2.5∶1水土比測定；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定；土壤全氮含量采用凱式定氮法測定；有效磷含量采用 0.5 mol/L NaHCO3浸提后鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用1 mol/L CH3COONH4浸提后原子吸收光譜儀測定。收獲期采集0—20 cm土壤測定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量及脲酶活性。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量采用2 mol/L KCl浸提后用流動(dòng)分析儀測定；脲酶活性采用土壤脲酶試劑盒(Solarbio，中國)測定。

1.4 計(jì)算方法

1.5 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2019軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并使用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件LSD法在0.05顯著水平進(jìn)行平均值的差異顯著性分析。使用SAS 9.3軟件對產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行模型擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對馬鈴薯產(chǎn)量和氮素吸收的影響

4年田間定位試驗(yàn)結(jié)果表明，施氮對馬鈴薯塊莖產(chǎn)量和氮素吸收量影響顯著(P<0.05)，塊莖產(chǎn)量和氮素吸收量均隨施氮量的增加呈先升高后降低趨勢(表3)。甘肅、黑龍江和內(nèi)蒙古3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，馬鈴薯產(chǎn)量均以NE處理最高，其4年平均產(chǎn)量分別為32.5、37.9和35.5 t/hm2，與-N處理相比，分別顯著提高了48.4%、71.5%和63.6%。施氮處理顯著提高了馬鈴薯氮素吸收量，除甘肅2019年和黑龍江2020年外，各試驗(yàn)點(diǎn)均以NE處理氮素吸收量最大，4年平均分別為168.9、174.9和199.5 kg/hm2，較-N處理分別顯著提高了73.8%、130.7%和116.6%。施氮量超過NE處理施氮量后，馬鈴薯氮素吸收量有小幅下降，但與NE處理差異不顯著。3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)馬鈴薯收獲指數(shù)均隨施氮量增加而顯著降低(表4)。以上結(jié)果表明，過高的施氮量不僅不會(huì)促進(jìn)馬鈴薯氮素的吸收累積，而且抑制了馬鈴薯莖葉中的氮素向塊莖中轉(zhuǎn)移，造成了氮肥的浪費(fèi)，而NE推薦施氮量較為準(zhǔn)確地匹配了馬鈴薯高產(chǎn)和高氮素吸收的需求。

表3 不同施氮量下馬鈴薯塊莖產(chǎn)量(t/hm2)和氮素吸收量(kg/hm2)Table 3 Potato tuber yield(t/hm2) andnitrogenuptake (kg/hm2) under different nitrogen applicationrates

表4 不同施氮量下馬鈴薯塊莖氮素收獲指數(shù)(%)Table 4 Potato tuber nitrogen harvest index (%) under different nitrogen application rates

2.2 施氮量對0—20 cm土層土壤無機(jī)氮含量和脲酶活性的影響

經(jīng)過連續(xù)4年施肥后，從不同氮肥用量對土壤無機(jī)氮含量(積累量，包括銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)的影響(圖1)可以看出，甘肅、黑龍江和內(nèi)蒙古3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)馬鈴薯土壤無機(jī)氮含量均隨施氮量增加而顯著提高，相比于土壤初始無機(jī)氮含量，甘肅NE處理、黑龍江NE處理和內(nèi)蒙古-25%N處理以及施氮量更高的處理均有不同程度的提高。其中，甘肅試驗(yàn)點(diǎn)氮肥施用對土壤無機(jī)氮含量提升幅度最高，相比于-N處理，+40%N處理提高了土壤無機(jī)氮含量48.0 kg/hm2，內(nèi)蒙古和黑龍江試驗(yàn)點(diǎn)次之，+50%N處理比-N處理分別提高了16.3和11.3 kg/hm2。對于NE處理，甘肅、黑龍江和內(nèi)蒙古3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的土壤無機(jī)氮含量分別為70.8、24.8和39.7 kg/hm2。

圖1 施氮水平對0—20 cm土層土壤無機(jī)氮累積的影響Fig. 1 Effects of nitrogen application rate on soil inorganic nitrogen accumulation in 0-20 cm soil profile

不同試驗(yàn)點(diǎn)之間土壤脲酶活性存在顯著差異(P<0.05)，黑龍江馬鈴薯土壤脲酶活性最高，為326.1～433.5 μg/(g·d)，明顯高于甘肅和內(nèi)蒙古試驗(yàn)點(diǎn)。而施氮量對土壤脲酶活性也存在顯著影響，3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)土壤脲酶活性均隨施氮量增加呈先增加后下降趨勢(圖2)。甘肅、黑龍江和內(nèi)蒙古試驗(yàn)點(diǎn)土壤脲酶活性分別以-40%N、NE和-50%N 3個(gè)處理為最高，相比于-N處理分別提高了53.0%、32.9%和36.4%。說明合理的施氮量對土壤脲酶活性具有顯著的促進(jìn)效應(yīng)，而過低或過高的施氮量則會(huì)抑制土壤脲酶活性。

圖2 不同施氮水平下土壤脲酶活性Fig. 2 Urease activity in soil under different N application rates

2.3 施氮量對馬鈴薯氮肥利用率和氮素表觀平衡的影響

分別以氮肥累積回收率、累積農(nóng)學(xué)效率和累積生理利用率為氮肥利用率的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)施氮量顯著影響馬鈴薯氮肥利用率。氮肥累積回收率隨試驗(yàn)?zāi)攴菰黾佑性黾于厔?，但隨施氮量增加有顯著下降趨勢(表5)，甘肅、黑龍江和內(nèi)蒙古3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)NE處理4年氮肥累積回收率分別為39.2%、55.1%和53.1%，相比于最高施氮量處理分別提高了12.5、21.8和21.3個(gè)百分點(diǎn)。同樣，氮肥累積農(nóng)學(xué)效率也隨施氮量增加而降低(表6)。3個(gè)試驗(yàn)的NE處理4年累積農(nóng)學(xué)效率分別為57.9、87.6和68.3 kg/kg，相比于最高施氮量處理提高了27.0、37.2和30.4 kg/kg。氮肥累積生理利用率隨施氮量的增加而下降(表7)，但是除了甘肅2017、2019和2020年外差異并不顯著。黑龍江馬鈴薯氮肥生理利用率較高，NE處理4年累積生理利用率可達(dá)159.4 kg/kg。相比于NE減氮或增氮處理，NE推薦施氮量更好地實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯產(chǎn)量和氮素利用率的協(xié)同提高。

表5 不同施氮量下馬鈴薯的氮肥累積回收率(%)Table 5 Cumulative nitrogen recovery efficiency in potato under different N application rates

表6 不同施氮量下馬鈴薯的氮肥累積農(nóng)學(xué)效率(kg/kg)Table 6 Cumulative agronomic efficiency of nitrogen in potato under different N application rates

表7 不同施氮量下馬鈴薯的氮肥累積生理利用率(kg/kg)Table 7 Cumulative physiological efficiency of nitrogen in potato under different N application rates

同時(shí)，計(jì)算了3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)馬鈴薯4年的土壤氮素表觀平衡(圖3)。結(jié)果表明，隨施氮量增加，氮素表觀平衡逐漸由虧缺轉(zhuǎn)到盈余狀態(tài)。3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)在不施氮的情況下，土壤氮素的虧缺值分別達(dá)到388.8、303.0和368.4 kg/hm2，影響了氮素的可持續(xù)供應(yīng)能力；而在氮肥過度投入的情況下，則有361.4、417.5和459.2 kg/hm2的氮素盈余，加劇了活性氮損失的風(fēng)險(xiǎn)。值得注意的是，甘肅、黑龍江和內(nèi)蒙古試驗(yàn)點(diǎn)NE處理的氮素表觀盈虧平衡值分別為56.5、20.4和10.9 kg/hm2，表明其4年累積的氮素投入與支出趨近平衡。

圖3 不同施氮處理下土壤氮素表觀平衡Fig. 3 Apparent balance of soil nitrogen under different nitrogen application treatment

2.4 馬鈴薯最高產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)最佳施氮量

利用經(jīng)典的一元二次曲線模型，分別對3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)施氮量和馬鈴薯產(chǎn)量進(jìn)行回歸分析。結(jié)果表明，模型擬合結(jié)果極顯著，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)0.787～0.873(圖4)。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，甘肅、黑龍江和內(nèi)蒙古試驗(yàn)點(diǎn)最高產(chǎn)量施氮量分別為186、199和231 kg/hm2，略高于NE處理的施氮量(180～186、180和178～240 kg/hm2)。進(jìn)一步結(jié)合馬鈴薯平均的薯塊價(jià)格和氮肥價(jià)格，計(jì)算了不同試驗(yàn)點(diǎn)馬鈴薯經(jīng)濟(jì)最佳施氮量，甘肅、黑龍江和內(nèi)蒙古分別為165、188和214 kg/hm2，在此施氮量下可獲得最大經(jīng)濟(jì)收益。從圖4中可以看出，NE推薦施氮量與經(jīng)濟(jì)效益最佳施氮量較為接近，表明其兼顧了實(shí)現(xiàn)馬鈴薯高產(chǎn)和高收入的要求，既避免了過度施肥造成的肥料浪費(fèi)，也促進(jìn)農(nóng)民的增產(chǎn)增收。

圖4 施氮水平與馬鈴薯產(chǎn)量的關(guān)系Fig. 4 Relationship between nitrogen application rate and potato yield

3 討論

馬鈴薯生長過程中對氮素的需求量較大，氮素在構(gòu)成蛋白質(zhì)、葉綠素、酶和維生素等物質(zhì)結(jié)構(gòu)和維持作物生命活動(dòng)、促進(jìn)生長等過程中起重要作用，因此氮素是限制馬鈴薯產(chǎn)量的重要營養(yǎng)元素[29]。不同馬鈴薯種植區(qū)域由于氣候條件、土壤肥力、種植品種和田間管理等均存在差異，因此適宜的施氮量也各不相同。本研究在我國北方馬鈴薯3個(gè)典型種植省區(qū)(甘肅、黑龍江和內(nèi)蒙古)開展適宜施氮量研究，根據(jù)不同試驗(yàn)點(diǎn)的施氮產(chǎn)量反應(yīng)特征，利用養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦了不同的施氮量，甘肅、黑龍江和內(nèi)蒙古分別為180～186、180和180～240 kg/hm2，與3個(gè)省份調(diào)查的農(nóng)民習(xí)慣施氮量(250、204和280 kg/hm2)相比，分別降低了70、24、60 kg/hm2。根據(jù)在甘肅省、黑龍江省和內(nèi)蒙古自治區(qū)開展的其它相關(guān)研究報(bào)道，3個(gè)省份的適宜施氮量分別為183、180和225 kg/hm2[30-32]，與本研究養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦結(jié)果相近。為進(jìn)一步優(yōu)化推薦施氮量，本研究以NE推薦量為基礎(chǔ)，研究減施或增施氮肥對產(chǎn)量及氮素利用率的影響。以往大量的研究表明，作物產(chǎn)量與施氮量之間的關(guān)系可以用一元二次線性加平臺(tái)模型擬合[25]，即產(chǎn)量隨著施氮量的增加而提高，但是超過一定的閾值后產(chǎn)量不再提高乃至顯著下降。本研究也證明了馬鈴薯產(chǎn)量隨施氮量增加呈先增加后減少的趨勢，其相關(guān)關(guān)系可以用二次曲線顯著擬合，并確定甘肅、黑龍江和內(nèi)蒙古3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分別在施氮量186、199和231 kg/hm2時(shí)獲得最高產(chǎn)量，這是氮肥允許投入量的上限，幾乎所有NE推薦量都低于此上限(由于過高估計(jì)了內(nèi)蒙古試驗(yàn)點(diǎn)2017年的產(chǎn)量反應(yīng)，造成了2018年推薦施氮量超出了最高產(chǎn)量施氮量)。

然而，施氮量的持續(xù)增加導(dǎo)致產(chǎn)量提高，但收益低于肥料成本的提高，因此在最高產(chǎn)量施氮量下并不能獲得最高的經(jīng)濟(jì)收益[33]。為了消除年際間氣候和土壤肥力差異，我們采用了4年的產(chǎn)量和施氮量數(shù)據(jù)，根據(jù)邊際收益等于邊際成本時(shí)經(jīng)濟(jì)收益最大的原則，計(jì)算甘肅、黑龍江和內(nèi)蒙古3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)最佳施氮量分別為165、188和214 kg/hm2，經(jīng)濟(jì)最佳施氮量比最高產(chǎn)量施氮量分別降低了21、11和17 kg/hm2，而與NE處理的施氮量接近，說明養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦的施氮量在不顯著降低產(chǎn)量的前提下，有效的降低了施氮量并且獲得了較高的經(jīng)濟(jì)效益。

施氮量對馬鈴薯氮素吸收同樣起重要作用。本研究中在不施氮的情況下，由于土壤氮庫的持續(xù)耗竭，各試驗(yàn)點(diǎn)馬鈴薯氮素吸收量均隨試驗(yàn)?zāi)攴莸脑黾佣粩嘟档?，表明了外源氮素投入對維持土壤氮素供應(yīng)的重要性。施氮量較低時(shí)，馬鈴薯氮素吸收量隨著施氮量的增加而快速增加，當(dāng)施氮量較高時(shí)馬鈴薯氮素吸收量增加速度降低[34]，例如石曉華等[35]研究指出馬鈴薯施氮量超過150 kg/hm2后氮素吸收量即出現(xiàn)下降趨勢。本研究中馬鈴薯氮素吸收量隨施氮量的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均在NE處理施氮量下取得最大氮素吸收量。結(jié)合產(chǎn)量/氮素吸收量和施氮量的關(guān)系可以看出，當(dāng)施氮量超過NE推薦量后馬鈴薯產(chǎn)量和氮素需求均降低，因此氮素不再是限制產(chǎn)量的主要因素，繼續(xù)提高產(chǎn)量需從水分管理和栽培措施等方面進(jìn)一步優(yōu)化。

不同試驗(yàn)點(diǎn)馬鈴薯氣候、土壤肥力和種植品種等的差異，導(dǎo)致施氮的產(chǎn)量反應(yīng)也存在較大不同。3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)中黑龍江施用氮肥后的增產(chǎn)率最高，為71.5%，而甘肅最低，僅為48.4%，同時(shí)黑龍江施氮處理的氮素吸收比不施氮處理增加了130.7%，為3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)最高。這主要是由于不同地區(qū)土壤基礎(chǔ)氮素供應(yīng)能力和作物吸收利用效率的差異導(dǎo)致。尿素施入土壤后需要經(jīng)過水解和硝化作用分別轉(zhuǎn)變?yōu)殇@態(tài)氮和硝態(tài)氮，土壤無機(jī)氮(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的總和)是作物吸收氮素的直接來源[36]。黑龍江試驗(yàn)點(diǎn)土壤基礎(chǔ)無機(jī)氮含量最低而脲酶活性最高，因此對施入的氮肥最為敏感，可以最大程度利用外源氮素實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的目的。另外，甘肅和內(nèi)蒙古試驗(yàn)點(diǎn)蒸發(fā)量遠(yuǎn)高于降水量，尤其在生育前期降水量較低時(shí)，水分不足導(dǎo)致肥料釋放速率緩慢，生育后期降水量集中導(dǎo)致氮素流失途徑的增加進(jìn)一步降低了肥料的有效性，導(dǎo)致增產(chǎn)潛力下降。過量施氮后超過作物需求的氮素會(huì)殘留在土壤中，而殘留的無機(jī)氮可能通過硝化-反硝化作用、氨揮發(fā)、徑流和淋溶等方式損失，從而造成氮素的環(huán)境污染[37]。本研究中施用氮肥可以顯著增加收獲期土壤無機(jī)氮含量，其中甘肅土壤無機(jī)氮累積量最高，且增氮處理相較于不施氮處理土壤無機(jī)氮提高了48.0 kg/hm2，施用氮肥后黑龍江和內(nèi)蒙古的土壤無機(jī)氮含量增加幅度較小，分別為11.3和16.3 kg/hm2。過量施氮加劇了氮素?fù)p失的風(fēng)險(xiǎn)，因此氮肥施用量的確定更應(yīng)慎重以避免施肥過量。

為保證糧食持續(xù)增產(chǎn)，從20世紀(jì)80年代以來我國化肥用量不斷提高，導(dǎo)致肥料利用率始終處于較低水平，如何在保障作物高產(chǎn)的同時(shí)提升肥料利用率一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)問題[38]。提高肥料利用率對于減小環(huán)境壓力、維持土壤氮素循環(huán)和保護(hù)公眾健康等方面有重大意義[39]。馬鈴薯相較于禾本科作物根系較淺且分布密度低，這使得施用的氮肥在被吸收時(shí)需要運(yùn)輸較長距離[40]，施氮量較大時(shí)容易造成氮素過度盈余，導(dǎo)致氮素利用率大幅下降。有研究表明馬鈴薯過量施肥導(dǎo)致氮肥偏生產(chǎn)力、氮素回收利用率和農(nóng)學(xué)效率均有不同程度的降低[25,41]，而適當(dāng)降低施氮量可以提高氮肥利用率且不會(huì)顯著降低產(chǎn)量[42]。本研究中隨著施氮量的不斷提高，氮肥累積回收率和累積農(nóng)學(xué)效率顯著降低，相比于NE處理，甘肅、黑龍江和內(nèi)蒙古3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)增施氮肥處理的氮肥累積回收率分別降低了12.5、21.8和21.3個(gè)百分點(diǎn)，累積農(nóng)學(xué)效率分別降低了27.0、37.2和30.4 kg/kg。這是由于施氮量適宜時(shí)，投入的氮素可以充分用于產(chǎn)量的形成，而施氮過量時(shí)塊莖產(chǎn)量和氮素吸收并不能無限制的隨施氮量的提高而提高，最終造成了氮肥利用率的下降。黑龍江試驗(yàn)點(diǎn)氮肥累積回收率和農(nóng)學(xué)效率均為3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)最高，這與黑龍江馬鈴薯較高的產(chǎn)量反應(yīng)結(jié)果一致。氮肥生理利用率可以表征植物體內(nèi)的氮素利用效率[38]，本研究中氮肥生理利用率表現(xiàn)為隨施氮量的增加而降低，或有小幅上升后下降，這與秦永林[43]的研究結(jié)果類似，這說明較低的施氮量可以促進(jìn)馬鈴薯吸收的氮素更有效的轉(zhuǎn)變?yōu)閴K莖產(chǎn)量。由于減氮處理馬鈴薯氮素吸收量大于氮肥投入量，造成了土壤肥力的消耗，收獲期土壤無機(jī)氮含量低于土壤基礎(chǔ)無機(jī)氮含量。而當(dāng)施氮量較高時(shí)，施氮量明顯高于馬鈴薯氮素吸收量，使得土壤無機(jī)氮?dú)埩舳哂谕寥阑A(chǔ)無機(jī)氮含量，造成了無機(jī)氮在土壤中積累。本研究4年氮素表觀平衡盈虧值與施氮量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這與劉瑞等[44]的研究結(jié)果相似，NE處理維持了一個(gè)較低氮素盈余水平(10.9～56.5 kg/hm2)，而繼續(xù)增施氮肥，土壤氮素表觀盈余量顯著提高，說明大量氮素殘留在土壤中[45]，這必然加劇氮素的損失[46-47]。

評價(jià)施氮量是否合理應(yīng)綜合考慮施氮的增產(chǎn)效應(yīng)和氮肥利用效率[48]。當(dāng)施氮量較低時(shí)，土壤不能為植物提供足夠的氮素，影響植物正常的生長發(fā)育，從而最終造成低產(chǎn)；而過量施氮增加的氮素吸收已經(jīng)超過了形成產(chǎn)量所需的氮素，導(dǎo)致地上部徒長貪青并延后了生殖生長的時(shí)期，同時(shí)過量吸收的氮素主要在地上部積累，不能及時(shí)有效的向塊莖中轉(zhuǎn)移，較低的氮素收獲指數(shù)造成了肥料的浪費(fèi)。在養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施氮量下，3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的氮肥利用率相比減氮處理并沒有顯著降低且同時(shí)獲得較高的塊莖產(chǎn)量，而相比增氮處理顯著提高了氮肥利用率，同時(shí)，NE推薦施氮量下土壤脲酶活性較高，有助于土壤中氮素轉(zhuǎn)化和維持健康的土壤氮素循環(huán)系統(tǒng)[49]，并在4年種植期間基本維持了土壤氮素輸入和輸出的平衡，這些結(jié)果表明NE推薦施肥可以協(xié)同實(shí)現(xiàn)馬鈴薯氮肥施用的高產(chǎn)和高效。從對比最高產(chǎn)量施氮量和經(jīng)濟(jì)最佳施氮量結(jié)果來看，NE推薦施氮量在甘肅處于經(jīng)濟(jì)最佳施氮量和最高產(chǎn)量施氮量之間，黑龍江推薦施氮量略低于經(jīng)濟(jì)最佳施氮量，這兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)推薦量較為合適。但在內(nèi)蒙古試驗(yàn)點(diǎn)，2017和2020年氮肥推薦量較低，而2018年推薦量較高，這可能是由于不同年際間水熱條件的差異造成產(chǎn)量反應(yīng)的變異，導(dǎo)致NE推薦量發(fā)生較大變異，說明養(yǎng)分專家推薦施肥系統(tǒng)仍需進(jìn)一步優(yōu)化評估產(chǎn)量反應(yīng)的方法，未來研究需要在這一方面加強(qiáng)。

4 結(jié)論

通過4年定位試驗(yàn)證明，養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施氮量下馬鈴薯塊莖產(chǎn)量、氮素吸收量最大，同時(shí)可以維持較高的氮肥利用率和經(jīng)濟(jì)收益。超過養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施氮量，塊莖產(chǎn)量、氮素吸收、氮素收獲指數(shù)和氮肥利用率均下降。土壤脲酶活性隨施氮量的增加呈先增加后下降趨勢，養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施氮量可以維持較高脲酶活性，土壤無機(jī)氮含量和氮素表觀平衡均與施氮量呈顯著正相關(guān)，而養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施氮量能夠在維持合理的土壤無機(jī)氮含量同時(shí)不會(huì)造成土壤氮素的過度盈余。因此，養(yǎng)分專家系統(tǒng)適用于我國北方一作區(qū)馬鈴薯推薦施肥，在協(xié)同產(chǎn)量和氮肥利用率的同時(shí)，可以避免過量施肥進(jìn)而降低因養(yǎng)分損失造成的環(huán)境壓力。