新疆滴灌春玉米密植高產(chǎn)栽培施肥效應(yīng)研究

王國(guó)棟，曾勝和，陳 云，梁 飛，張 磊

在我國(guó)，玉米是重要的糧食、飼料兼用作物，亦是重要的工業(yè)原料[1]。近年來，玉米已超過水稻成為我國(guó)的第一大糧食作物[2]，其超高產(chǎn)的記錄也不斷涌現(xiàn)。據(jù)報(bào)道，我國(guó)春玉米的單產(chǎn)最高記錄為22676.1 kg/hm2[3]，但與美國(guó)的24106.7 kg/hm2相比還有較大差距[4]。在緊守18億畝耕地紅線，玉米種植面積無法擴(kuò)大的形式下，提高單產(chǎn)是玉米增產(chǎn)的唯一途徑。

作物高產(chǎn)的形成囿于多方面的因素，密植和寬窄行配置被認(rèn)為是提高玉米產(chǎn)量在農(nóng)藝措施方面最有效的改進(jìn)措施。楊吉順等[5]對(duì)不同密度和行距配置夏玉米群體光合的研究表明，高密度（9萬株/hm2）和寬窄行距（80+40 cm）有利于花后群體光合速率（CAP）和穗位葉層的PAR的截獲，產(chǎn)量也更高。孫銳等[6]認(rèn)為播種密度在3-12萬株/hm2范圍內(nèi)，玉米葉面積指數(shù)（LAI）的變化呈近似直線增大趨勢(shì)，高密度有利于光能的截獲。密植必然導(dǎo)致作物對(duì)礦質(zhì)養(yǎng)分需求的增加，而肥料投入運(yùn)籌也是現(xiàn)實(shí)高產(chǎn)和提高效益最有效的方法之一。景立權(quán)等[7]通過不同的氮素運(yùn)籌方案實(shí)現(xiàn)了春玉米14753kg/hm2的高產(chǎn)目標(biāo)；氮肥是提高玉米生物量分配率、可消化總養(yǎng)分及凈能的關(guān)鍵因素[8]；姜濤[9]則認(rèn)為施氮300 kg/hm2是夏玉米獲得高產(chǎn)的適宜施肥量，過量施氮甚至?xí)档陀衩椎漠a(chǎn)量和籽粒品質(zhì)。

農(nóng)業(yè)部2006年在《測(cè)土配方施肥技術(shù)規(guī)范（試行）修訂稿》中明確推薦“3414”方案作為耕地地力評(píng)價(jià)和測(cè)土配方施肥的方法[10]。近年來，隨著測(cè)土配方施肥項(xiàng)目的不斷實(shí)施，已在不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的玉米、小麥、水稻、馬鈴薯等作物上取得了大量數(shù)據(jù)[11-13]，并建立了符合本地區(qū)的施肥指標(biāo)體系。新疆天山北坡綠洲農(nóng)業(yè)帶是我國(guó)重要的糧、棉產(chǎn)地，為此本文運(yùn)用“3414”試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯苛烁呙芏龋?0.5萬株/hm2）、寬窄行（90+30 cm）條件下滴灌高產(chǎn)玉米（>12000 kg/hm2）的施肥耦合效應(yīng)，并提出適合本地區(qū)的最佳施肥量，以期為我國(guó)玉米的高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)與實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)于2013年4月-10月在位于新疆石河子市的新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)業(yè)部作物高效用水觀測(cè)站（45°38′N，86°09′E）進(jìn)行。研究區(qū)域位于天山北麓的沖積扇平原，年均氣溫6.5-7.2℃，年平均降雨量115 mm、蒸發(fā)量1942 mm，氣候類型屬典型的干旱半干旱大陸性氣候。試驗(yàn)土壤為灌耕灰漠土（Calcaric Fluvisals），耕層土壤（0-20 cm）pH值 8.2，有機(jī)質(zhì)7.14 g/kg，堿解氮34.30 mg/kg，速效磷18.08 mg/kg，速效鉀130.46 mg/kg，土壤容重1.67 g/cm3、田間持水量17.7%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)方案采用“3414”二次最優(yōu)回歸設(shè)計(jì)，氮、磷、鉀3因素4水平，共計(jì)14個(gè)處理，重復(fù)4次，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。4個(gè)水平為：0水平指不施肥；2水平指當(dāng)?shù)赝扑]施肥量；1水平為2水平的0.5倍，施肥不足；3水平為2水平的1.5倍，過量施肥，施肥量詳見表1。供試品種鄭單958，4月22日播種，播種密度1.05×105株/hm2，行距配置為寬窄行設(shè)計(jì)（90+30 cm），一膜兩行鋪設(shè)一條滴管帶，滴頭流量2.4 L/h，小區(qū)面積60 m2（每小區(qū)包括5條滴灌帶，鋪設(shè)長(zhǎng)度10 m，最外2行為保護(hù)行），井水滴灌，單獨(dú)布設(shè)施肥裝置。供試氮肥為尿素（N 46%）、磷肥為磷酸一銨（N 12%；P2O560%）、鉀肥為氯化鉀（K2O 63%）；磷肥基施30%，氮肥、鉀肥和剩余70%的磷肥分別于拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄期、籽粒建成期、乳熟期按20%、20%、30%、20%、10%的比例全部滴施。灌水量為同一水平，均為4200 m3/hm2，全生育期灌水8次，隨水施肥5次，其它管理同大田生產(chǎn)。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 取樣與測(cè)定方法

成熟后每小區(qū)收獲玉米3 m2（取樣點(diǎn)位于每小區(qū)的第3條滴灌帶，長(zhǎng)度5 m），風(fēng)干至恒重，考種脫粒計(jì)產(chǎn)，折算每公頃產(chǎn)量。

1.4 計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

籽粒產(chǎn)量與施肥量的函數(shù)效應(yīng)模型采用三元二次方程建立，單因素分析固定在P2K2、N2K2、N2P2水平下進(jìn)行一元二次擬合，雙因素耦合則在K2、P2和N2水平下二元二次擬合，函數(shù)分別如下：

施肥效應(yīng)模型：

Y=b0+b1x1+b2x2+b3x3+b4x12+b5x22+b6x32+b7x1x2+b8x1x3+b9x2x3

單因素模型：Y=a+bx+cx2

雙因素耦合模型：Y=a+bx1+cx2+dx12+ex22+fx1x2

式中，Y為產(chǎn)量（kg/hm2），x為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的肥料投入量（kg/hm2），b0-b9、a-f為回歸項(xiàng)系數(shù)。

目標(biāo)函數(shù)的極值采用導(dǎo)數(shù)法計(jì)算。為討論不同施肥量的產(chǎn)量效應(yīng)，分別抽取處理2、3、6、11，計(jì)算P2K2（推薦施肥水平）處理下不同氮素水平的肥效；抽取處理4、5、6、7，計(jì)算N2K2（推薦施肥水平）下不同磷素水平的肥效；抽取處理8、9、6、10，計(jì)算N2P2（推薦施肥水平）下不同鉀素水平的肥效，不同施肥量的產(chǎn)量效應(yīng)計(jì)算如下式：

增產(chǎn)率（%）=（施肥區(qū)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量-缺素區(qū)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量）/缺素區(qū)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量×100%；

肥料貢獻(xiàn)率（FCR,%）=（施肥區(qū)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量-缺素區(qū)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量）/施肥區(qū)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量×100%；

農(nóng)學(xué)效率（AE,kg/kg）=（施肥區(qū)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量-缺素區(qū)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量）/（施肥區(qū)施肥量-缺素區(qū)施肥量）[14]。

數(shù)據(jù)分析采用SPSS16.0進(jìn)行顯著性方差分析，LSD法比較；圖表制作采用Excel 2007和SigmaPlot 12.5繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥量的產(chǎn)量效應(yīng)

玉米施氮（N）后平均增產(chǎn)1.41×103kg/hm2，較不施氮處理平均增產(chǎn)12.48%（表2）；施用磷肥（P2O5）平均增產(chǎn)1.35×103kg/hm2，較不施磷處理平均增產(chǎn)11.69%；施用鉀肥（K2O）平均增產(chǎn)1.04×103kg/hm2，較不施鉀處理平均增產(chǎn)11.12%。增產(chǎn)量、增產(chǎn)率、肥料貢獻(xiàn)率和農(nóng)學(xué)效率均表現(xiàn)為N>P2O5>K2O，施用氮、磷、鉀肥的增產(chǎn)效果顯著，其施用水平均以當(dāng)?shù)赝扑]的施肥水平最高，N和P2O5過量投入不會(huì)顯著導(dǎo)致減產(chǎn)，但過量的施用K2O顯著降低玉米產(chǎn)量（p<0.05）。由此可見，合理施肥量可達(dá)到作物高產(chǎn)和高效，同時(shí)可避免肥料的浪費(fèi)和過量施肥帶來的面源污染等問題。

2.2 肥料效應(yīng)函數(shù)的建立

對(duì)玉米“3414”試驗(yàn)全部結(jié)果進(jìn)行肥料效應(yīng)回歸模型模擬，得到產(chǎn)量與肥料之間的數(shù)學(xué)模型為：

F檢驗(yàn)結(jié)果表明，決定系數(shù)R2為0.8387，各模擬項(xiàng)總的F=1.0548，大于P0.05的F值（0.5203），這表明玉米產(chǎn)量與氮、磷、鉀施肥量間的回歸關(guān)系達(dá)顯著水平，能夠反映氮、磷、鉀三因素間的關(guān)系。各回歸項(xiàng)系數(shù) x1、x2項(xiàng)以及 x12、x22、x1x2均達(dá)到了顯著水平，表明氮肥、磷肥以及氮、磷肥的交互作用對(duì)產(chǎn)量有顯著影響。二次項(xiàng)x12、x22、x23的系數(shù)均為負(fù)數(shù)，呈開口向下的拋物線變化，表明在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)氮、磷、鉀三因素均存在一個(gè)最高值，過量投入不僅會(huì)引起產(chǎn)量的降低，同時(shí)造成肥料的浪費(fèi)。

2.2.1 單因素效應(yīng)分析 探討各因素的單因子效應(yīng)，在P2K2、N2K2和N2P2水平下，分別對(duì)N、P2O5和K2O的投入量與玉米產(chǎn)量擬合，則可得到一元二次子模型：

表2 不同氮、磷、鉀水平的玉米施肥效應(yīng)

將回歸模型（2）、（3）、（4）分別繪圖即可得到各因子的產(chǎn)量效應(yīng)圖（圖1），如圖所示各因子的增產(chǎn)效應(yīng)明顯，均呈開口向下的拋物線狀，符合報(bào)酬遞減定率。各拋物線的頂點(diǎn)就是各因子對(duì)應(yīng)的最高產(chǎn)量，與其對(duì)應(yīng)的是各肥料的最適投入量。當(dāng)肥料投入過量時(shí)，隨著鉀肥投入的增加產(chǎn)量快速降低，鉀的增產(chǎn)負(fù)效果明顯大于氮和磷。在本試驗(yàn)中，N、P2O5、K2O的最適施肥水平為1.83、1.90、1.62，折算為肥料投入量為274.86、85.69、48.52 kg/hm2， 對(duì) 應(yīng) 產(chǎn) 量 分 別 為 13285.74、13380.65、13965.21 kg/hm2。

圖1 不同施肥水平下單因素效應(yīng)

2.2.2 單因素邊際效益 邊際效益分析可反映各因素的最適投入量和單位投入量變化對(duì)產(chǎn)量增減速率的影響[15]。對(duì)回歸子模型（2）、（3）、（4）求一階偏導(dǎo)，可得到 N、P2O5、K2O三因素的邊際產(chǎn)量效應(yīng)方程式，將施肥水平值代入，則可得到圖2。同時(shí)，當(dāng)各因子的邊際產(chǎn)量為零時(shí)，即令dy/dx=0，可得到產(chǎn)量的最高點(diǎn)，此時(shí)求得x值為產(chǎn)量最佳施肥水平。

N、P2O5、K2O三因素的邊際產(chǎn)量均呈遞減趨勢(shì)（圖 2），斜率表現(xiàn)為N>K2O>P2O5，說明各因素中氮素投入對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)最大，鉀素次之。隨著投入量的增加，各因素與x軸相交時(shí)達(dá)到最高產(chǎn)量的肥料最適施肥水平（N∶1.83，P2O5∶1.90，K2O∶1.62），之后過量投入產(chǎn)量不再增加，甚至表現(xiàn)出負(fù)效益。

圖2 不同施肥水平下單因素邊際效益

2.3 氮磷鉀肥耦合效應(yīng)分析

為進(jìn)一步探討雙因素間的耦合效應(yīng)，NP、NK、PK與產(chǎn)量二元二次肥料效應(yīng)曲線分別固定在K2、P2和N2水平下進(jìn)行擬合，可得到任意雙因素的交互作用模型如下：

對(duì)模型（8）、（9）、（10）進(jìn)行繪圖可得到雙因素耦合效應(yīng)圖（圖3），氮、磷、鉀三因素均表現(xiàn)出顯著的正交互效應(yīng)。在NP的交互效應(yīng)中，玉米產(chǎn)量隨著氮磷施肥量的增加顯著提高，兩者交互促進(jìn)作用明顯；NK交互作用中，在較低的施氮水平下，鉀肥的增產(chǎn)效應(yīng)不明顯，高氮條件下鉀肥的增產(chǎn)效應(yīng)顯著提升；PK的交互效應(yīng)與NK相同，且效果更為明顯；各交互作用在過量施肥時(shí)玉米產(chǎn)量均顯著降低。

2.4 施肥量推薦

圖3 NP、NK和PK耦合效應(yīng)分析

為明確密植條件下滴灌玉米的最佳施肥水平，運(yùn)用導(dǎo)數(shù)法分別對(duì)模型（1）-（4）和（8）-（10）求解，可求得不同模型的產(chǎn)量最大值及對(duì)應(yīng)的氮、磷、鉀肥的投入量。將玉米產(chǎn)量及肥料投入進(jìn)行對(duì)比，最高產(chǎn)量的施肥量氮肥在274-314 kg/hm2，平均為 296.3 kg/hm2；磷肥在80-98 kg/hm2，平均為 86.6 kg/hm2；鉀肥在 36-48 kg/hm2，平均為 43.0 kg/hm2，N、P2O5、K2O的投入比例為1∶0.29∶0.16（表3）。7個(gè)模型模擬的最高產(chǎn)量在12757-13965 kg/hm2，平均為13297 kg/hm2，其中對(duì)K2O（模型4）一次擬合產(chǎn)量最高，而交互作用中以PK（模型10）的擬合產(chǎn)量最高，綜合考慮可認(rèn)為鉀肥的投入對(duì)本區(qū)域滴灌玉米產(chǎn)量的提高起著關(guān)鍵作用，同時(shí)還應(yīng)注意P2O5的配合施用，有利于獲得高產(chǎn)。

表3 不同模型下最高產(chǎn)量的估算及其對(duì)應(yīng)肥料投入（單位：kg/hm2）

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

施用氮、磷、鉀肥的增產(chǎn)效果顯著，每增施1 kg N、P2O5和K2O玉米產(chǎn)量平均增產(chǎn)4.6、15.01和17.37 kg，增產(chǎn)量、增產(chǎn)率、肥料貢獻(xiàn)率和農(nóng)學(xué)效率均表現(xiàn)為N>P2O5>K2O，產(chǎn)量均以當(dāng)?shù)赝扑]的施肥水平最高，N和P2O5過量投入不會(huì)顯著導(dǎo)致減產(chǎn)，但過量K2O的施用顯著降低了玉米產(chǎn)量（表2）。這與靳立斌等[16]過高的施肥量會(huì)顯著降低肥料偏生產(chǎn)力、農(nóng)學(xué)利用效率和收獲指數(shù)，并增加硝態(tài)氮流失等潛在污染風(fēng)險(xiǎn)的研究結(jié)果相似。單因素分析表明，各因子符合報(bào)酬遞減定率，鉀的增產(chǎn)負(fù)效果明顯大于氮和磷。王賀等[17]對(duì)砂質(zhì)潮土夏玉米施肥研究表明，玉米對(duì)鉀肥的忍耐度要低于磷和氮。三因素邊際產(chǎn)量斜率表現(xiàn)為N>K2O>P2O5，氮素投入對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)最大，鉀素次之，過量投入產(chǎn)量不再增加，甚至表現(xiàn)出負(fù)效益。雙因素的耦合均表現(xiàn)出顯著的正交互效應(yīng)[15]，較低的施鉀水平與氮、磷的耦合增產(chǎn)效應(yīng)不明顯。

王圣瑞等[18]認(rèn)為“3414”試驗(yàn)結(jié)果分析時(shí)采用三元二次模型計(jì)算的推薦施肥量偏高，需綜合考慮一元、二元等子模型的信息進(jìn)行優(yōu)化。為此，本研究利用了7個(gè)模型綜合分析，認(rèn)為密植滴灌玉米（10.5萬株/hm2）的最佳施肥量N、P2O5、K2O分別為296.3、86.6和43.0 kg/hm2，投入比例為1∶0.29∶0.16時(shí)，可獲得13297 kg/hm2的高產(chǎn)。合理施肥量的推薦是玉米高產(chǎn)的重要栽培管理措施[19]，薛亮等[20]認(rèn)為密度3.9萬株/hm2時(shí)，氮肥推薦量為N 230 kg/hm2；孔令中等[21]推薦密度9.0萬株/hm2時(shí)，氮肥用量為279 kg/hm2；而景立權(quán)等[7]推薦的產(chǎn)量>13500 kg/hm2時(shí)施肥量達(dá)到了 N 450、P2O5150、K2O 225 kg/hm2。此外，不同生態(tài)區(qū)施肥量的推薦受土壤養(yǎng)分和耕作措施的影響較大，通過“3414”試驗(yàn)推薦的玉米最佳施肥量和施肥比例也大相徑庭，胡建軍等[22]認(rèn)為寧夏鹽池地區(qū)限制玉米產(chǎn)量的主要因子為氮素，最佳施肥量N、P2O5、K2O分別為360、107.8、4.3 kg/hm2；而沿淮地區(qū)則應(yīng)更注重鉀素的施用，最佳施肥量分別為299.1、99.0、175.3 kg/hm2[23]；川中丘陵區(qū)配施則應(yīng)較為均衡，最佳施肥量為329.3、99.0、50.2 kg/hm2[24]。

3.2 結(jié)論

施肥對(duì)新疆綠洲區(qū)密植滴灌玉米產(chǎn)量的增產(chǎn)效果顯著，增產(chǎn)量、增產(chǎn)率、肥料貢獻(xiàn)率和農(nóng)學(xué)效率均表現(xiàn)為N>P2O5>K2O，肥料投入符合養(yǎng)分報(bào)酬遞減定率，過量投入表現(xiàn)出負(fù)效益。玉米對(duì)鉀素的敏感性高于氮、磷，較低施鉀水平時(shí)限制了氮、磷的耦合增產(chǎn)效應(yīng)，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)重視鉀肥的施用。綜合分析，適宜本地區(qū)的密植滴灌條件下的玉米施肥量推薦N、P2O5和K2O分別為296.3、86.6和43.0 kg/hm2。此外，影響玉米高產(chǎn)的因素還有施肥方法和時(shí)期等，這些重要因素的具體作用如何，有待進(jìn)一步研究。

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