营养专家系统提升华北不同肥力土壤番茄养分利用率并降低表观养分残留

《Horticultural Plant Journal》：The Nutrient Expert system improves nutrient use efficiency and reduces apparent nutrient residues of tomatoes in soil of different fertility in North China

本研究针对华北地区番茄种植中过量施肥导致的养分利用率低和环境污染问题，通过为期三个季节的18个田间试验，比较了营养专家(NE)系统、农民习惯(FP)和测土配方(ST)施肥模式。结果表明，NE系统在显著减少N、P2O5、K2O施用量（分别降低143.1、180.8、319.8 kg·hm-2）的同时，使番茄增产6.3%-7.5%，净利润提高3.2-3.6千美元·hm-2，并显著提升氮磷钾农学效率、回收率和转运率。该研究为优化设施蔬菜养分管理提供了可推广的精准施肥方案。

　　

在华北地区的温室大棚里，番茄作为重要的经济作物，其种植过程中普遍存在过量施肥的问题。据统计，中国主要蔬菜种植区的氮、磷、钾肥平均施用量分别高达880.5、795.0和879.0 kg·hm^-2，而番茄种植中的养分总投入甚至达到1354.5 kg·hm^-2。这种盲目、过量且不平衡的施肥方式不仅降低了番茄产量和品质，还导致肥料利用率低下，造成土壤质量下降和环境污染。

传统的测土配方施肥方法虽然在一定程度上优化了施肥，但需要大量的田间试验（每个肥效试验包含14个处理），耗费人力物力，且从土壤采样到实验室分析过程中存在诸多不确定性。特别是对于中国以小农户为主的种植模式，及时进行土壤测试面临较大困难。欧洲常用的N-min、KNS和N-Expert等推荐施肥系统虽然基于土壤供肥特性与作物吸肥特性之间的关系，但计算方法复杂，局限性多，不适合中国当前的生产实际。

在此背景下，营养专家(Nutrient Expert, NE)系统应运而生。该系统基于大规模田间试验数据，利用热带土壤肥力定量评价模型(QUEFTS)明确作物单位产量的养分需求，建立施肥推荐模型。研究人员假设，按照NE系统推荐的氮磷钾施肥管理，能够提高番茄产量、净利润和养分利用率，同时降低总肥料成本和养分残留。为了验证这一假设，研究团队于2023年3月至2024年8月在华北主要番茄种植区进行了三个季节的18个田间试验，设置农民习惯施肥(FP)、测土配方施肥(ST)和营养专家系统(NE)三种处理，系统比较了番茄产量、净利润、养分吸收、表观养分平衡、养分利用率和养分转运率等指标。

本研究主要采用了以下关键技术方法：基于QUEFTS模型的养分需求计算、多地点田间试验设计（涵盖天津和江苏北部的高、中、低三种肥力土壤）、标准化施肥管理（包括基肥与追肥的比例分配）、植物样品养分含量测定（采用H₂SO₄-H₂O₂消解-凯氏定氮法/钒钼黄比色法/火焰光度法）以及养分利用效率相关指标（回收效率RE、农学效率AE、部分生产力PFP、转运率TR）的统计分析。

3.1. 肥料施用量

NE系统显著降低了肥料投入。与FP相比，NE处理的N、P₂O₅和K₂O施用量平均减少143.1、236.0和158.9 kg·hm^-2（降幅31.3%、59.2%和22.7%）。与ST相比，NE处理的N和P₂O₅施用量分别降低15.4和65.9 kg·hm^-2，而K₂O施用量在低、中、高肥力土壤中分别增加27.7、95.4和268.9 kg·hm^-2，体现了NE系统根据土壤肥力水平精准调控钾肥用量的特点。

3.2. 番茄果实产量和净利润

NE处理在不同肥力土壤中均获得最高产量，在高肥力土壤中达到122,312.9 kg·hm^-2，显著高于FP和ST。净利润方面，NE处理在高肥力土壤中为51.2千美元·hm^-2，同时总肥料成本比FP降低843.7美元·hm^-2。果实品质指标如可溶性蛋白、株高和果实在NE处理下也表现更优。

3.3. 养分吸收和表观养分平衡

尽管各处理间养分吸收量无显著差异，但NE系统显著优化了表观养分平衡。在高肥力土壤中，FP处理的N、P、K表观残留量分别为232.0、127.3和159.3 kg·hm^-2，而NE处理几乎无N(7.5 kg·hm^-2)和P(10.0 kg·hm^-2)残留，钾素亏缺也仅为41.8 kg·hm^-2。这表明NE系统有效减少了养分环境排放风险。

3.4. 养分利用效率

NE系统显著提升了各项养分利用效率指标。与FP相比，NE处理的氮、磷、钾回收效率(RE)分别提高11.3%、4.6%和11.3%；农学效率(AE)在高肥力土壤中分别增加46.7、103.0和30.2 kg·kg^-1；部分生产力(PFP)也呈现显著提升趋势。这些结果证实NE系统通过优化施肥时期和用量，实现了养分供应与作物需求的同步。

3.5. 养分转运率

NE处理的氮、磷、钾转运率(TR)分别达到16.3%、12.2%和16.3%，显著高于FP的12.9%、14.3%和16.3%。这表明NE系统通过生长前期重点补充氮磷、后期强化钾素供应的策略，有效促进了养分向果实部位的转运。

研究结论表明，营养专家系统通过遵循"4R养分管理策略"（选择正确的肥料品种、用量、时间和位置），实现了番茄生产的提质增效与环境友好。与农民习惯施肥相比，NE系统在减少31.3%氮肥、59.2%磷肥和22.7%钾肥用量的同时，增产6.3%-7.5%，净利润提高3.2-3.6千美元·hm^-2；与测土配方施肥相比，NE系统通过增加钾肥投入避免了土壤钾库耗竭，使钾肥回收效率提升31.7%。值得注意的是，NE系统无需土壤测试数据即可通过种植年限等易获取信息判断土壤肥力水平，极大降低了技术推广门槛。

讨论部分进一步指出，温室蔬菜种植年限的增加会显著提升土壤肥力，但小农户通常保持高量施肥，导致养分利用率低下。NE系统通过动态调整施肥方案，在高肥力土壤中减少施肥量以降低环境风险，在低肥力土壤中保持适当养分残留以培育地力，体现了精准农业的核心理念。尽管本研究证实了NE系统在华北番茄产区的适用性，但未来仍需在更广泛生态区验证其适应性，并探索有机肥与化肥的协同优化路径。

该研究成果发表于《Horticultural Plant Journal》，为破解设施蔬菜"高投入、低效率"困境提供了创新解决方案，对推动农业绿色发展和碳中和目标实现具有重要实践意义。