黑龍江省半干旱區(qū)玉米噴灌水肥耦合效應試驗研究

王 棟，張忠學，梁乾平，聶堂哲，李蔚新

(1.東北農業(yè)大學水利與建筑學院，哈爾濱 150030；2.農業(yè)部農業(yè)水資源高效利用重點實驗室，哈爾濱 150030)

0 引 言

我國是一個水資源緊缺，空間分布不均，人均耕地資源較少，化肥消耗量較大的人口大國和農業(yè)大國[1,2]。黑龍江省是我國的產糧大省，其糧食生產的主要基地則在松嫩平原。但是黑龍江省屬于干旱半干旱地區(qū)，是水資源總量較少的省份。所以在資源有限的條件下，水肥耦合的節(jié)水增產，對黑土地的糧食增加產量具有重大意義。噴灌是一種先進的灌溉技術，具有較強的地形適應性，較高的機械化程度，較均勻的灌水等特點[3]。噴灌與常規(guī)灌溉相比，可提高利用效率約50%以上，對土壤結構的影響較小，可促進田間小氣候的改善，提高作物產量，且結合施肥具有節(jié)水、省肥、高效的特點[4-12]。試驗以噴灌施肥應用于松嫩平原地區(qū)的玉米生產，探究在噴灌方式下氮、磷、水三因素之間的交互作用對玉米產量的影響，找出噴灌條件下玉米最優(yōu)的氮磷水配比。通過對各個因素效應分析，評價各試驗因子的節(jié)水增產作用，科學合理地確定氮磷肥施入量和灌水量，以期對松嫩平原地區(qū)玉米的高產栽培提供可借鑒的水肥管理技術。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在黑龍江省大慶市肇州縣水利科學研究所進行。該研究所地處E125°35′，N45°17′，黑龍江省西南部，松嫩平原腹地，屬于大陸性溫寒帶氣候，有效活動積溫2 845 ℃，無霜期138 d，多年平均降水量463 mm。年風向多屬于西南風和西北風，多風少雨，十年九春旱。供試土壤類型為碳酸鹽黑鈣土，其基本理化性質如下：全氮1.41 g/kg、全磷0.88 g/kg、全鉀19.86 g/kg、有機質28.73 g/kg，堿解氮110.17 mg/kg，速效磷44.71 mg/kg，速效鉀220.16 mg/kg，pH為6.4。

1.2 試驗材料

供試作物為當?shù)氐闹饕衩自耘嗥贩N龍育3號。于2014年5月3日在肇州縣水利科學研究所播種，10月4日收獲。試驗所用的氮肥、鉀肥、磷肥分別為尿素(含N：46%)、硫酸鉀(含K2O：54%)和過磷酸鈣(含P2O5：16%)。

1.3 試驗設計

試驗采取311-A最優(yōu)混合設計，試驗因素為分別控制氮肥施用量、磷肥施用量和灌水量，每個因素設置5個水平，各試驗因素水平編碼見表1。共11個處理，每個處理重復3次，共33個小區(qū)，試驗采用隨機排列。各小區(qū)面積169 m2，各個小區(qū)之間設置1 m寬的隔離帶。各個小區(qū)均采用65 cm小壟種植，株距26.6 cm。5月7日進行保苗水的噴灌，生育期灌水3次，分別在拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期灌水，各生育期灌水定額比例為1∶1∶1。鉀肥各處理用量相同，均為75 kg/hm2(K2O)，磷肥和鉀肥全部做基肥施入。氮肥施肥比例為基肥∶拔節(jié)肥∶抽雄肥=1∶1∶1。

試驗觀測各個生育階段觀測玉米株高、莖粗、葉面積、土壤含水率等，收獲時進行考種。各個小區(qū)收獲后脫粒的籽粒風干稱重，將其折算成kg/hm2。

表1 試驗因子水平及其編碼值

2 結果與分析

試驗采用了11個處理，設置了3次重復，對33個小區(qū)的產量進行了方差分析，得到經方差分析后的玉米產量間的多重比較表。

表2 玉米產量的多重比較表

從表2可以看出，當磷肥施用量為120 kg/hm2，氮肥施用量為241.5 kg/hm2，灌水量為900 m3/hm2時，玉米的產量為15 403 kg/hm2，明顯高于其他水平的水肥處理的產量，說明當?shù)氐氖┓仕胶凸嗨繉Ξa量的增加有著明顯的影響。而磷肥施用量為162.4 kg/hm2，氮肥施用量為314.7 kg/hm2，灌水量為1 150 m3/hm2時，玉米產量為15 223 kg/hm2，僅次于最高產量，可知過多的施肥量和灌水量對玉米產量有抑制作用。當磷肥施用量為77.6 kg/hm2，氮肥施用量為168.3 kg/hm2，灌水量為1150m3/hm2時，玉米產量為11 144 kg/hm2，僅高于最低產量，說明適當?shù)氖┓柿亢凸嗨繉τ衩桩a量的提高有促進作用。而當磷肥施用量為120 kg/hm2，氮肥施用量為138 kg/hm2，灌水量為650m3/hm2時，玉米產量最低，為11 054 kg/hm2，說明水氮磷對玉米的產量的增加不可或缺，不適當?shù)乃逝浔葘Ξa量的增加會有一定的抑制作用。所以適當水肥配比的耦合作用對產量有著至關重要的作用。

2.1 產量函數(shù)模型的建立

對各試驗小區(qū)進行考種，其產量的平均值折合成玉米公頃產量并對結果進行二次回歸擬合，得到其回歸數(shù)學模型為：

Y=15 403+224.76x1+724.05x2+369.50x3+

232.82x1x2+198.51x1x3+295.05x2x3-

605.84x21-646.72x22-542.37x23

(1)

式中：Y為玉米產量，kg/hm2；x1、x2、x3分別為試驗設計的磷肥P施用量、氮肥N施用量和灌水量W的編碼值。

對回歸方程(1)進行顯著性分析，0.01

2.2 單因素效應分析

為了研究各個因素對玉米產量的影響程度，所以對各個因素進行分析。由模型(1)的系數(shù)可以看出各個因素對產量影響的順序為 N(x2)>水(x3)>P(x1)，說明在本試驗條件下，氮肥對產量的作用最大，其次是灌水和磷肥；各個因素交互作用效應順序為：N×水>N×P>P×水。說明氮肥對玉米的生長起著主導作用，而水對玉米的生長也有著至關重要的作用。

2.2.1單因素效應

榜樣的作用是巨大的。這個榜樣既可以是學生推薦的，也可以是老師和家長發(fā)現(xiàn)的。學生可在家長的陪同下，利用微信語音，圍繞個體亟待解決的問題與其他同學展開互動、交流；老師和家長也可以推薦、表揚本周做得較好的同學，請他們分享自己的經驗。這樣既鍛煉了學生的交際能力，又增進了同學情誼，更帶動了不同家庭的互助互學，有效地把個體的學習行為和發(fā)展轉化為集體目標。

為了各個因素的單獨效應進一步探討，對回歸模型(1)進行降維處理，即三個因素中固定兩個因素為0水平，得其中一個因素對產量的一元二次子模型：

YP=15 403+224.76x1-605.84x21

(2)

YN=15 403+724.05x2-646.72x22

(3)

YW=15 403+369.50x3-542.37x23

(4)

在試驗設計范圍內，各個因子的產量效應如圖1所示。從圖1可以看出，磷、氮、水3個因素的產量效應曲線均為拋物線，表明各個因素對產量都有一定的增產效應和超過上限之后的減產效應。3個拋物線在達到最高點以前，均呈現(xiàn)上升趨勢，說明產量隨著磷、氮、水用量的增加而增加，且氮肥的正效應最顯著，明顯高于磷肥和灌水。在本試驗中，各拋物線的頂點就是各因素的最高產量值，與其對應的即為各個因素的最佳施入量。在實驗范圍內，氮肥的最佳施入量為0.559 8，實際施入量為270.5 kg/hm2，此時產量可達15 606 kg/hm2，磷的最佳施入量為0.185 5，實際施入量為125.6 kg/hm2，此時產量可達15 424 kg/hm2。最佳灌水量為0.340 6，實際灌水量為985.2 m3/hm2，此時產量可達15 466 kg/hm2。當磷、氮、水用量超過最佳投入量時，隨著施入量的增加，產量呈現(xiàn)下降的趨勢，表現(xiàn)為負效應，以磷肥的負效應最為明顯。

圖1 P、N、水的產量效應

2.2.2單因素邊際效應

邊際產量能反映出各個因素的最適施入量以及單位水平施入量變化對產量增加和減少的速率的影響。對回歸子模型(2)、(3)、(4)求一階偏導，令dy/dx=0，分別得到3個因素的邊際效應方程(5)、(6)、(7)。

磷肥量dy/dx=224.76-1 211.68x1

(5)

氮肥量dy/dx=724.05-1 293.44x2

(6)

灌水量dy/dx=369.50-1 084.74x3

(7)

圖2 單因素邊際效應

2.2.3各個因素間的交互效應分析

為了得到三因素之間的耦合效應，可對模型(1)進行降維處理：固定任意一個因素為0水平，得到另外兩個因素交互作用的回歸子模型(8)、(9)、(10)：

磷肥量與氮肥量：

Y水=0=15 403+224.76x1+724.05x2+

232.82x1x2-605.84x21-646.72x22

(8)

磷肥量與灌水量：

YN=0=15 403+224.76x1+369.50x3+

198.51x1x3-605.84x21-542.37x23

(9)

氮肥量與灌水量：

YP=0=15 403+724.05x2+369.50x3+

295.05x2x3-646.72x22-542.37x23

(10)

將方程(8)、(9)和(10)用MATLAB繪制二因素交互作用三維模型圖，如圖3、4、5。

圖3 磷與氮對玉米產量的影響

圖4 磷與灌水對玉米產量的影響

圖5 氮與灌水對玉米產量的影響

從圖3可知，磷肥和氮肥的交互作用對玉米產量的影響呈現(xiàn)為一正凸拋物面，隨著磷肥和氮肥的增加，產量增加明顯，且氮肥的增產效果大于磷肥。當產量達到最高點時，磷肥用量和氮肥用量均在零水平左右，相應的磷肥編碼值為0.303 0，氮肥編碼值為0.626 3(即磷肥用量129.1 kg/hm2，氮肥用量273.9 kg/hm2)，產量達到最大15 659 kg/hm2。隨著磷氮的增加，產量呈現(xiàn)的減小的趨勢，說明適當?shù)牧椎浔葧龠M產量的提高，高磷高氮則會抑制產量的提高。

從圖4可知，磷肥和水的交互作用對玉米產量呈現(xiàn)為正相關，隨著磷肥施入量的增加和灌水量的增加，產量也在穩(wěn)步增加。磷肥編碼值達到0.262 6，灌水量編碼值達到0.383 8(即磷肥127.9 kg/hm2，灌水996.0 m3/hm2)時，玉米產量達到最大值：15 502 kg/hm2。

從圖5可知，當?shù)示幋a值達到0.666 7，灌水量編碼值達到0.505 1(即氮肥276.0 kg/hm2，灌水1 026.3 m3/hm2)時，玉米產量達到最大值：15 746 kg/hm2。

因此，磷肥和氮肥的交互作用對玉米產量呈正效應，可以相互提高各自的利用率；而水能更好地促進玉米對磷肥和氮肥的吸收。

2.3 數(shù)學模型尋優(yōu)

為了求得最優(yōu)磷肥施入量、氮肥施入量和灌水量，得到最高理論產量，對回歸數(shù)學模型(1)進行求偏導：

?Y/?x1=224.76-1 121.68x1+232.82x2+198.51x3

(11)

?Y/?x2=724.05+232.82x1-1 293.44x2+295.05x3

(12)

?Y/?x3=369.50+198.51x1+295.05x2-1 084.73x3

(13)

將(11)、(12)、(13)式取值為0，解方程組求得x1=0.478 9，x2=0.792 9，x3=0.643 9。其對應的氮肥施入量為282.5 kg/hm2，磷肥施入量為134.4 kg/hm2，灌水量為1 061.0

m3/hm2，最優(yōu)產量為15 853 kg/hm2。

3 結 論

(1)結果表明，對玉米產量影響作用強弱順序為：N(x2)>P(x1)>水(x3)；各個因素交互作用都表現(xiàn)為協(xié)同作用，其作用順序為：N×水>P×N>P×水，即水和肥對玉米產量的增加必不可少。對玉米水分利用效率影響作用強弱次序為：水(x3)>N(x2)>P(x1)，其中,氮、磷施入量對水分利用效率呈現(xiàn)正效應，而灌水量對水分利用效率呈現(xiàn)負效應；各個因素交互效應順序為：N×水>N×P>0>P×水，其中，氮水交互效應和氮磷交互效應為正效應，磷水交互效應為負效應，有一定的替代作用。

(2)通過數(shù)據(jù)和當?shù)厍闆r的綜合分析，認為磷肥的最佳施入量為134.4 kg/hm2，氮肥的最佳施入量為282.5 kg/hm2，最佳灌水量為1 061.0 m3/hm2，得到的最優(yōu)產量為15 853 kg/hm2。

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