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养分专家系统推荐施肥对章丘大葱产量及养分吸收利用的影响

  • 马征1

    机 构：

    1. 山东省农业科学院农业资源与环境研究所 / 农业农村部黄淮海平原农业环境重点实验室 / 农业农村部 废弃物基质化利用重点实验室 / 山东省植物营养与肥料重点实验室,山东 济南 250100

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  • ， 魏建林1

    机 构：

    1. 山东省农业科学院农业资源与环境研究所 / 农业农村部黄淮海平原农业环境重点实验室 / 农业农村部 废弃物基质化利用重点实验室 / 山东省植物营养与肥料重点实验室,山东 济南 250100

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  • ， 刘东升2

    机 构：

    2. 武城县农业 农村局,山东 武城 253300

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  • ， 王连英2

    机 构：

    2. 武城县农业 农村局,山东 武城 253300

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  • ， 刘福忠3

    机 构：

    3. 山东蓝昕环保测试分析有限公司,山东 济南 250100

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  • ， 谭德水1

    机 构：

    1. 山东省农业科学院农业资源与环境研究所 / 农业农村部黄淮海平原农业环境重点实验室 / 农业农村部 废弃物基质化利用重点实验室 / 山东省植物营养与肥料重点实验室,山东 济南 250100

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  • ， 崔荣宗1

    机 构：

    1. 山东省农业科学院农业资源与环境研究所 / 农业农村部黄淮海平原农业环境重点实验室 / 农业农村部 废弃物基质化利用重点实验室 / 山东省植物营养与肥料重点实验室,山东 济南 250100

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1. 山东省农业科学院农业资源与环境研究所 / 农业农村部黄淮海平原农业环境重点实验室 / 农业农村部 废弃物基质化利用重点实验室 / 山东省植物营养与肥料重点实验室,山东 济南 250100；
2. 武城县农业 农村局,山东 武城 253300；
3. 山东蓝昕环保测试分析有限公司,山东 济南 250100；

Effect of nutrient expert recommendation fertilization on Zhangqiu green onion yield and nutrient utilization

  • MA Zheng1

    Affiliation：

    1. Institute of Agricultural Resources and Environment,Shandong Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of AgroEnvironment of Huang-Huai-Hai Plain,Ministry of Agriculture and Rural Affairs / Shandong Provincial Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer,Jinan Shandong 250100

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  • ， WEI Jian-lin1

    Affiliation：

    1. Institute of Agricultural Resources and Environment,Shandong Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of AgroEnvironment of Huang-Huai-Hai Plain,Ministry of Agriculture and Rural Affairs / Shandong Provincial Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer,Jinan Shandong 250100

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  • ， LIU Dong-sheng2

    Affiliation：

    2. Wucheng Agricultural and Rural Bureau,Wucheng Shandong 253300

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  • ， WANG Lian-ying2

    Affiliation：

    2. Wucheng Agricultural and Rural Bureau,Wucheng Shandong 253300

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  • ， LIU Fu-zhong3

    Affiliation：

    3. Shandong Lanxin Environment Testing and Analysis Company Limited,Jinan Shandong 250100

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  • ， TAN De-shui1

    Affiliation：

    1. Institute of Agricultural Resources and Environment,Shandong Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of AgroEnvironment of Huang-Huai-Hai Plain,Ministry of Agriculture and Rural Affairs / Shandong Provincial Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer,Jinan Shandong 250100

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  • ， CUI Rong-zong1

    Affiliation：

    1. Institute of Agricultural Resources and Environment,Shandong Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of AgroEnvironment of Huang-Huai-Hai Plain,Ministry of Agriculture and Rural Affairs / Shandong Provincial Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer,Jinan Shandong 250100

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1. Institute of Agricultural Resources and Environment,Shandong Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of AgroEnvironment of Huang-Huai-Hai Plain,Ministry of Agriculture and Rural Affairs / Shandong Provincial Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer,Jinan Shandong 250100；
2. Wucheng Agricultural and Rural Bureau,Wucheng Shandong 253300；
3. Shandong Lanxin Environment Testing and Analysis Company Limited,Jinan Shandong 250100；

作者简介:

马征(1982-),女,山东济南人,助研,硕士,主要从事植物营养与施肥及土壤改良方面研究。E-mail:mazheng15@163.com。

通讯作者:

崔荣宗,E-mail:rzcui@ipni.ac.cn;

魏建林,E-mail:wei_jianlin@163.com。

DOI:10.11838/sfsc.1673-6257.20211

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目录contents

    摘要

    为评价养分专家系统（NE 系统）在大葱上的推荐施肥效果，在章丘大葱主产区，选取多年大葱种植地进行田间试验，并分析了 NE 系统与农民习惯施肥（FP）处理、当地农技部门的测土配方推荐施肥（OPTs）处理下大葱产量、经济效益、养分吸收积累、肥料利用率和土壤硝态氮积累的变化。结果表明，NE 系统推荐施肥较 FP 处理氮、磷、钾肥施用量分别降低了 13.22%、27.33% 和 16.51%，较 OPTs 处理氮、磷肥用量增加而钾肥用量降低；大葱 NE 系统较 FP 和 OPTs 分别增产 6.04% 和 12.30%，增收 8.01% 和 14.74%；NE 处理氮素积累量较 FP 和 OPTs 处理分别显著增加 14.20% 和 37.78%，磷积累量分别增加 21.22% 和 25.78%，但差异不显著，钾积累量分别显著增加 16.78% 和 22.13%；NE 处理氮肥农学效率平均为 71.78 kg/kg，氮肥利用率平均为 25.10%，氮肥偏生产力较 FP 提高 22.22%；NE 处理较 FP、OPTs 处理可分别显著降低 0 ～ 90 cm 土层硝态氮积累量 39.44% 和 38.72%。 大葱 NE 系统推荐施肥促进了大葱对养分的吸收和利用，具有明显的增产增收效应，肥料利用效率高于全国平均水平，降低了土壤硝态氮积累风险，可作为该地区大葱推荐施肥方法推广应用。

    Abstract

    In order to reasonably evaluate the effect of fertilizer recommendation method of Nutrient Expert （NE）System on Zhangqiu green onion，field experiments were conducted in Zhangqiu to study the effects on yield，economic benefit， nutrient accumulation，fertilizer use efficiency and soil nitrate accumulation of fertilization recommended by NE，soil testing from the local agricultural technical department（OPTs）and farmers’ practices（FP）. The results showed that NE recommendation reduced nitrogen，phosphorus and potassium application rate by 13.22%，27.33% and 16.51%， respectively than FP treatment. Compared with the OPTs treatment，NE recommendation increased nitrogen and phosphorus fertilizer input but reduced potassium input. Nutrient expert recommended fertilization for green onion increased the yield by 6.04% and 12.30%，and economic benefit by 8.01% and 14.74%，respectively，compared with the FP and OPTs treatments. Nitrogen and potassium accumulation of NE treatment significantly increased by 14.20%，37.78% and 16.78%， 22.13%，respectively，compared with the FP and OPTs treatments. Meanwhile，phosphorus accumulation of NE treatment increased by 21.22% and 25.78%，which had no significant differences．The average agronomic efficiency of NE treatment was 71.78 kg/kg，and fertilizer use efficiency was 25.10%. The partial factor productivity of nitrogen fertilizer in NE treatment was 22.22% higher than FP treatment. Compared with FP and OPTs，NE nitrate nitrogen accumulation significantly reduced by 39.44% and 38.72% in 0 ～ 90 cm soil profile. Nutrient expert recommend fertilization for green onion could promote the absorption and accumulation of nitrogen，phosphorus and potassium of green onion，improve yield，income as well as nitrogen fertilizer use efficiency，and decrease risk of soil nitrate accumulation. This nutrient expert recommend fertilization for green onion is worthy of popularization and application.

  • 大葱（Allium fistuzosum L．） 为百合科葱属二年生草本植物，原产中国西部和俄罗斯的西伯利亚，后经朝鲜、日本传至欧洲。大葱在我国已有2000余年的栽培历史，根据特色蔬菜产业经济研究室的调查数据，2003～2016年我国大葱种植面积一直稳定在540千hm2 以上，2016年山东大葱种植面积为93.87千hm2，占总种植面积的17.12%[1]。章丘大葱因其棵大白长、脆嫩可口、适宜久藏等特点，被誉为“葱中之王”，深受消费者喜爱，大葱产业逐渐成为拉动当地农民增收的重要支柱产业，随着人民生活水平的不断提高和对大葱保健功能认识的不断深入，大葱的种植面积和产量还将会进一步的扩大和提高[1-2]。肥料是作物的 “粮食”，是作物增产最有效的措施。但目前大葱生产中仍存在施肥过量，养分比例不平衡等现象，造成化肥利用率不高、生产成本增加、效益下降、环境风险加大等问题[3-6]。因此，实现大葱科学施肥对提高大葱产量和肥料利用效率具有重要意义。

  • 传统的推荐施肥主要以土壤测试为基础，如地力分级法、目标产量法、肥料效应函数法和土壤测试施肥指标法[7-10]等，这类方法不但投入大，而且费时费力，在生产实践中也很难适应一家一户分散种植的农业生产方式，所以推广应用具有较大难度[11]。养分专家系统是在实地养分管理方法基础上，结合4R（正确的肥料品种、采用正确的肥料用量、在正确的施用时间，施用在正确的位置）原则，针对特定农田和作物生长环境而制作的施肥决策系统。养分专家系统以产量反应和农学效率为基础，综合考虑了产量反应、农学效率、相对产量和土壤基础养分供应之间的联系[12-14]。目前养分专家系统已经在小麦[15-17]、玉米[18-20]、水稻[21]等多种作物上应用，均有较好的增产效果，但养分专家系统在大葱上的应用鲜有报道。本研究运用养分专家系统对多年大葱栽培地块进行推荐施肥，氮肥推荐主要是依据氮素产量反应和氮素农学效率的关系来确定（施氮量=产量反应/农学效率）[7]。磷、钾肥养分推荐，除考虑产量反应外，还考虑了维持土壤养分平衡，即需要归还一定目标产量下作物移走的部分养分才能保证土壤肥力（施磷或施钾量=作物产量反应施磷或施钾量 + 维持土壤平衡部分）[7]。其中，维持土壤平衡部分主要依据QUEFTS模型得出的最佳养分吸收量计算[22-25]。对磷钾肥料的推荐还考虑了上季作物养分残效。经过对试验研究地块的生产环境和往年大葱产量调查，设定目标产量为90t，运行养分专家系统得出推荐施肥量为N 269kg/hm2、P2O5 109kg/hm2、K2O 267kg/hm2。通过分析大葱产量、养分吸收积累及肥料利用效率的影响，以期对大葱养分专家系统进行验证与评价，以此完善该专家推荐系统，为大葱科学施肥提供理论和技术依据。

  • 1 材料与方法

  • 1.1 试验地概况与供试土壤

  • 试验于2018年4月至11月在山东省济南市章丘区枣园街道办事处庆元村进行（36°46′ N， 117°26′ E）。供试土壤类型为褐土，表层质地中壤，地势平坦，地力均匀，水浇条件良好。基本理化性状为pH 7.90，有机质16.27g/kg，全氮0.72g/kg，碱解氮71.00mg/kg，有效磷84.99mg/kg，速效钾188.0mg/kg。6月底开始定植，11月初收获。

  • 1.2 试验设计

  • 供试大葱（Allium fistulosum L.var.giganteam Makino）品种为‘大梧桐’。试验采用大田小区随机区组，重复3次，小区面积为3.4m×5.9m=20m2，设置4个处理，即NE（养分专家系统推荐施肥）、NE-N（在NE处理基础上不施氮肥）、FP（农民习惯施肥，根据当地农户习惯种植施肥情况调查得出）、OPTs（当地测土配方施肥成果推荐方案）。供试氮肥为尿素（N 46%），磷肥为重过磷酸钙（P2O5 44%），钾肥为硫酸钾（K2O 50%），各处理施肥量见表1。根据大葱生长发育规律和肥料特性，NE处理施肥分4次进行，其氮磷钾施用比例分别为基肥25%-75%-25%、缓苗肥25%-15%-25%、发棵肥25%-5%-25%、假茎充实肥25%-5%-25%；NE-N处理除不施氮肥外，肥料运筹与NE一致；FP处理施肥分4次进行，施肥量来源于农户调查，其氮磷钾施用比例为基肥20%-20%-20%、缓苗肥25%-30%-20%、发棵肥25%-30%-20%、假茎充实肥30%-20%-40%；OPTs处理施肥分3次进行，施肥量来源于当地农技站，其氮磷钾施用比例为基肥20%-100%-20%、缓苗肥40%-0%-40%、假茎充实肥40%-0%-40%。2018年6月21日起垄施底肥，6月22日移栽葱苗，8月14日、8月28日、9月16日结合培土进行追肥，10月31日大葱收获。

  • 表1 不同处理施肥量（kg/hm2）

  • 1.3 样品采集与测定方法

  • 大葱定植前与收获后按五点法采集0～30、 30～60、60～90cm土壤样品，用重铬酸钾容量法-外加热法测定土壤有机质，用碱解扩散法测定土壤碱解氮，用连续流动分析仪法测定土壤硝态氮，用碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法测定土壤有效磷，用醋酸铵浸提-火焰光度法测定土壤速效钾。大葱收获时各试验小区单独采收并进行测产。

  • 1.4 数据分析

  • 收益（ 元/hm2）=单价（ 元/kg）× 产量（kg/hm2）；

  • 纯收益（元/hm2）=单价（元/kg）× 产量（kg/hm2）-肥料投入（元/hm2）-其他成本（元/hm2）；

  • 产投比＝施肥收益（元/hm2）/化肥投入（元/hm2）；

  • 养分积累量（kg/hm2）=收获物干重（kg/hm2）× 收获物养分含量（%）/100；

  • 土壤硝态氮累积量（kg/hm2）=土层厚度（cm）× 土壤容重（g/cm3）× 硝态氮浓度（mg/kg）/10；

  • 肥料利用率（%） ＝[ 施肥区养分积累量（kg/hm2）-减素区养分积累量（kg/hm2）]/施肥量（kg/hm2）×100；

  • 养分盈余（kg/hm2）=养分投入量（kg/hm2）-作物携出量（kg/hm2），正值表示盈余，负值表示亏缺；

  • 氮肥偏生产力指单位投入的肥料氮所能生产的作物产量，计算公式为：

  • PFPN=Y/F

  • 式中，PFPN 为氮肥偏生产力，Y 为施氮后所获得的产量，F 代表氮肥的投入量。

  • 氮肥农学效率（kg/kg）=（施肥区大葱产量-减素处理区大葱产量）/施肥量

  • 采用Excel 2007进行数据计算，DPS 18.10统计软件进行方差分析。

  • 2 结果与分析

  • 2.1 养分专家系统推荐施肥对大葱产量和经济效益的影响

  • 从表2可知，各施氮处理较NE-N增产9.96%～23.49%，其中NE处理产量最高，较FP和OPTs处理分别增产6.04%和12.30%；从经济效益方面看，NE纯收益显著高于OPTs处理14.74%，较FP和OPTs处理分别增加7486和12971元/hm2； NE产投比与OPTs差异不显著，但较FP处理显著提高30.19%。综合来看，养分专家系统推荐施肥具有增产和较好的增收效果。

  • 表2 不同施肥处理对大葱产量和经济效益的影响

  • 注：2018年大葱1.20元/kg，氮4.50元/kg，五氧化二磷5.50元/kg，氧化钾5.50元/kg，其他成本包括：灌水、打药、葱苗、人工。不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著（P<0.05），下同。

  • 2.2 养分专家系统推荐施肥对大葱养分积累和平衡的影响

  • 从图1可知，施氮肥能显著增加大葱对氮素的吸收。各施氮处理氮素积累量较NE-N显著增加26.20～67.53kg/hm2，其中NE氮素积累量最大，较FP和OPTs处理分别显著增加14.20%和37.78%；NE处理磷积累量较FP和OPTs处理分别增加21.22%和25.78%；NE处理钾积累量较FP和OPTs处理分别显著增加16.78%和22.13%。这表明养分专家系统推荐施肥可有效促进大葱中氮磷钾养分的积累。

  • 图1 不同施肥处理对大葱养分积累量的影响

  • 由肥料投入与植株养分移走量得到大葱养分表观平衡状况，见表3。除NE-N处理大葱氮素呈亏缺外，其他处理氮磷钾养分均表现为盈余。其中， NE处理氮素平均盈余量较FP和OPTs处理分别降低33.56%和10.81%；FP处理磷素盈余最大，与其他处理相比高出39.26～89.29kg/hm2；NE处理钾素平均盈余量最低，较NE-N、FP和OPTs处理分别降低13.59%、29.47%和32.05%。

  • 2.3 养分专家系统推荐施肥对氮肥贡献率的影响

  • 化肥偏生产力是反映当地土壤基础养分水平和化肥施用量综合效应的重要指标。本研究中， NE、FP和OPTs处理氮肥偏生产力分别为369.29、 302.18和365.52kg/kg，NE和OPTs处理化肥偏生产力显著高于FP处理，说明推荐施肥提高了化肥效率。NE处理氮肥农学效率平均为71.78kg/kg，氮肥利用率平均为25.10%。

  • 2.4 养分专家系统推荐施肥对土壤剖面硝态氮总累积量的影响

  • 各处理0～90cm土层土壤硝态氮积累量在57.95～129.27kg/hm2 之间。由图2可看出，不同施肥处理造成各土层硝态氮累积量差异显著。在0～30cm土层中，各处理土壤硝态氮累积量在32.13～36.19kg/hm2 之间，无显著差异；随着土层深度的增加，在30～60cm土层中NE和NE-N处理土壤硝态氮累积量呈显著降低趋势，而FP和OPTs处理硝态氮累积量显著上升；在60～90cm土层中各处理土壤硝态氮累积量均呈下降趋势，但NE处理比FP和OPTs土壤硝态氮累积量分别显著降低57.11%和60.61%，表明施肥造成土壤硝态氮的不断累积，NE处理可降低硝态氮向下淋洗程度。

  • 表3 大葱养分积累量及表观平衡计算（kg/hm2）

  • 图2 不同处理下土壤硝态氮积累量随土层深度的变化

  • 3 讨论

  • 3.1 养分专家系统推荐施肥与大葱产量及经济效益的关系

  • 化肥是作物优质高产的物质基础，但片面追求高产，容易带来化肥投入量过高或不合理施用等问题，这不仅导致化肥利用率降低，还带来资源浪费及环境污染的风险[26-28]。因此，科学推荐施肥方法是实现作物高产高效生产的关键。自2009年以来，养分专家系统在不同气候条件区展开了广泛的应用，多年多点的试验证明，养分专家系统可有效增产，优化肥料运筹，提高肥料利用率，增加农民收入。在本研究中，大葱养分专家系统推荐施肥量较农民习惯氮、磷和钾肥施用量分别降低13.22%、 27.33%和16.51%，产量增加6.04%，纯收益增加7486元/hm2，较测土配方推荐氮、磷肥用量增加而钾肥用量降低，产量增加12.30%，纯收益增加12971元/hm2。大葱NE系统推荐施肥综合考虑了大葱产量形成的养分需求、土壤地力和生长环境等多方面因素，优化了氮、磷、钾配比，协调了大葱养分的吸收积累，在施肥方案推荐上更加科学合理，实现了大葱的增产增收。

  • 3.2 养分专家系统推荐施肥与氮肥利用率的关系

  • 氮肥利用率是衡量氮肥合理施用的重要参考指标[29]。我国主要粮食作物氮肥利用率为27.3%～38.2%[30]，有研究指出就整个大田平均水平而言，水稻和麦类作物氮肥利用率在30%～35%之间[31]。但由于蔬菜经济效益高，为了获得更高的产量，大水大肥的种植管理模式十分普遍，从而导致多数蔬菜氮肥利用率较低。张福锁指出蔬菜生产中过量投入水肥现象非常普遍，氮肥施用量一般超过450kg/hm2，设施蔬菜氮肥利用率不到15%。王荣萍等[32]总结了2010～2013年的蔬菜田间试验发现，华南地区蔬菜（叶菜、瓜类和豆类蔬菜）的氮肥利用率为18.4%～19.7%。李娟等[33]研究福建省5种主要叶菜类蔬菜试验发现，在推荐施肥下，氮肥利用率为17.2%～56.9%，不同蔬菜品种产量水平和营养特性差异，是造成氮肥利用率变幅较大的主要原因。本研究中，NE处理大葱氮肥利用率为25.10%，略高于统计数据，与FP施氮量相比，降低NE处理施氮量并未影响作物产量，反而显著提高了氮肥的偏生产力。

  • 3.3 养分专家系统推荐施肥与土壤硝态氮积累的关系

  • 由于菜地施氮量远高于粮田，使得蔬菜种植土壤硝态氮积累现象更为严重。章明清等[34]综合分析福建460个菜田土样发现，耕层土壤硝态氮含量平均为47.40mg/kg，有17.90%的土壤超过临界指标。黄绍文等[35]对全国1201个主要菜区典型菜田土壤样品硝态氮分析显示，温室菜地和大棚菜地土壤硝态氮高于150mg/kg的土样分别占总数的33.0%和30.7%，过量氮肥与其它蔬菜不吸收的离子导致了土壤次生盐渍化的发生。大量硝态氮积累不但容易随降雨或灌溉淋溶进入地表水和地下水引起水体硝酸盐污染，还可导致蔬菜硝酸盐积累。陈云增等[36]对沙颍河流域典型癌病高发区土壤硝态氮调查显示，较高的施氮量、氮污染较重的沙颍河水灌溉，以及河流侧渗造成多年菜地和轮作菜地土壤硝态氮残留分别达到68.26和46.39mg/kg，为粮田硝态氮平均残留水平的近3倍，作物生长期地下水硝态氮平均含量达38.32mg/kg，超标近3倍，叶菜类蔬菜硝酸盐平均含量高达3269.04mg/kg。本研究中，大葱NE处理0～90cm土层硝态氮积累量较FP、OPTs处理分别显著降低39.44%和38.72%， FP和OPTs处理60～90cm土层硝态氮积累显著高于NE处理。

  • 4 结论

  • 在章丘大葱主产区，大葱养分专家系统可优化肥料运筹，具有较好的增产增收效果，有助于提高养分积累量和化肥偏生产力。与农民习惯施肥相比，养分专家系统推荐施肥增产6.04%，增收8.01%；氮磷钾养分积累量分别增加14.20%、 21.22%和16.78%；氮肥偏生产力增加22.22%。大葱养分专家系统根据土壤性状、产量目标及养分管理措施等信息给出合理的氮磷钾配比，有效降低0～90cm土层硝态氮积累量，对于实现大葱科学施肥具有重要意义。

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  • 基本信息

    DOI: 10.11838/sfsc.1673-6257.20211

    基金信息

    国家重点研发计划项目(2016YFD0200103，2017YFD080602)；
    山东省重点研发计划(2017cxgc0311)；
    山东省农业科学院科技创新工程 (CXGC2016A05)；

    引用信息

    稿件历史

    收稿日期: 2020-04-16
    录用日期: 2020-06-18

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