穗期水肥耦合對(duì)玉米生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

劉 婕，宋 碧，張 軍，張 燕，楊錦越，羅英艦

(貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025)

研究表明，適宜的水肥耦合有利于作物生長(zhǎng)，使作物高效利用水分和養(yǎng)分[1-4]，達(dá)到有效節(jié)水節(jié)肥并提高其產(chǎn)量的目的[5-6]。穗期是玉米由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)向營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)并進(jìn)的時(shí)期，是決定穗數(shù)、穗的大小、可孕花數(shù)的關(guān)鍵時(shí)期，可奠定結(jié)實(shí)粒數(shù)的基礎(chǔ)，是玉米一生中生長(zhǎng)發(fā)育最旺盛的階段，也是田間管理最關(guān)鍵的時(shí)期[7]。大量研究均表明，水氮交互作用顯著，且水肥配合存在閾值反應(yīng)，在閾值范圍內(nèi)，水肥互作增產(chǎn)效應(yīng)顯著[8-9]。已有研究對(duì)玉米、水稻、小麥、西瓜等建立關(guān)于二或三因子的產(chǎn)量水肥耦合模型[10-12]，但關(guān)于玉米穗期水肥耦合的研究較少。采用二次飽和D-416最優(yōu)試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)玉米穗期進(jìn)行不同的水肥處理，探明不同水肥耦合對(duì)玉米生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響，并建立產(chǎn)量模型，解析各因子對(duì)產(chǎn)量的影響及效應(yīng)。通過(guò)產(chǎn)量模型解析和優(yōu)化，提出玉米穗期最佳水肥耦合措施，為穗期水肥管理提供一定的理論依據(jù)，并達(dá)到節(jié)水節(jié)肥、提高玉米產(chǎn)量的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)采用盆栽試驗(yàn)，于2016年3—9月在貴州大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)防雨棚進(jìn)行。供試土壤為黃壤，其有機(jī)質(zhì)含量為 18.6 g/kg，全氮含量為0.030 3%，堿解氮含量為 102.6 mg/kg，速效磷含量為431.25 mg/kg，速效鉀含量為 179.707 2 mg/kg。

玉米品種為金貴單3號(hào)。施用肥料：氮肥為尿素(純氮含量為46%)，鉀肥為硫酸鉀(K2O含量為51%)，磷肥為生物活化磷鉀肥(P2O5含量為16%，K2O含量為2%)，有機(jī)肥為黃腐酸有機(jī)肥(養(yǎng)分含量為5%)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用二次飽和D-416最優(yōu)設(shè)計(jì)。共有4個(gè)因素，分別是施氮量(A)、施磷量(B)、施鉀量(C)、土壤水分含量(D)。每個(gè)因素設(shè)5個(gè)水平，共16個(gè)處理(表1)。

用稱質(zhì)量法(每天08：00和18：00采用稱質(zhì)量法補(bǔ)水控水)控制各處理的土壤水分含量。玉米拔節(jié)期至抽雄吐絲期進(jìn)行水分脅迫處理，脅迫結(jié)束后復(fù)水到田間最大持水量的70%～80%。

肥料施用：以有機(jī)肥、磷鉀肥和部分氮肥作基肥，其中每盆施用有機(jī)肥85.7 g、全部磷鉀肥和1/3氮肥，裝盆時(shí)與土壤混勻后裝進(jìn)桶里。2/3氮肥作追肥，在拔節(jié)期施用。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 形態(tài)指標(biāo) 在拔節(jié)期、抽雄吐絲期和成熟期分別測(cè)定1次莖粗、株高，在拔節(jié)期和大喇叭口期測(cè)定葉綠素含量。(1)株高：用卷尺測(cè)量莖基部到植株頂部的長(zhǎng)度。(2)莖粗：用莖基寬表示，即地上第2節(jié)中部較寬處，用游標(biāo)卡尺測(cè)定。(3)葉綠素含量：采用乙醇浸提法測(cè)定[13-14]。

1.3.2 穗部性狀及產(chǎn)量指標(biāo) 玉米成熟后采收，晾曬至安全含水量(14%)后進(jìn)行室內(nèi)考種。測(cè)定穗長(zhǎng)、穗粗(穗周長(zhǎng))、禿尖長(zhǎng)、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗質(zhì)量、千粒質(zhì)量、生物產(chǎn)量等。

1.4 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、Excel 2007、SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件、Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥耦合對(duì)玉米株高的影響

株高是反映玉米生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)之一。從圖1可以看出，拔節(jié)期不同水肥處理對(duì)株高影響不大，抽雄吐絲期和成熟期不同處理之間株高的差異較大。在相同施肥水平下(處理1、處理2)，充分灌溉與受旱限制在3個(gè)生育時(shí)期下株高均有差異，即受旱處理的株高均有所下降，且在抽雄吐絲期及成熟期尤為明顯。而在相同控水的條件下(處理3～處理10和處理11～處理16)，隨著氮肥增施玉米株高呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，說(shuō)明施氮量在超過(guò)一定范圍時(shí)將出現(xiàn)負(fù)效應(yīng)現(xiàn)象，會(huì)對(duì)玉米的生長(zhǎng)發(fā)育造成一定的抑制作用；而磷肥對(duì)玉米株高影響不大；隨著施鉀量的增加，株高略有增加。

表1 試驗(yàn)因素各水平處理編碼及處理水肥施用方案

2.2 水肥耦合對(duì)玉米莖粗的影響

從表2看出，玉米莖粗隨著玉米生長(zhǎng)而增加，到抽雄吐絲期達(dá)到最大值，抽雄吐絲期至成熟期莖粗有所下降。不同水肥處理對(duì)玉米莖粗有一定影響，但拔節(jié)期各處理之間莖粗差異不明顯。到抽雄吐絲期處理3、處理5～處理9的莖粗大于其處理1、處理2、處理11～處理16，說(shuō)明水分不管是受限或過(guò)多均會(huì)使莖粗相對(duì)減小。在相同水分條件下，比較不同肥料處理可知，氮肥過(guò)多反而使莖粗減小，磷肥對(duì)莖粗基本無(wú)影響，鉀肥增施對(duì)莖粗增加略有促進(jìn)。

2.3 水肥耦合對(duì)玉米葉綠素含量的影響

葉綠素含量是玉米葉片光合能力的體現(xiàn)。從圖2可以看出，在玉米拔節(jié)期和抽雄吐絲期相同水分處理?xiàng)l件下，氮肥施入量較多的處理其葉綠素含量也較高，且增加效果明顯，氮肥施入量在239.02～300.00 kg/hm2左右較為適宜；水分也是影響葉綠素含量的重要因素，在相同施肥量條件下水分過(guò)高或過(guò)低均會(huì)導(dǎo)致其葉綠素含量的降低，土壤水分含量在 70%～75%較為適宜。說(shuō)明葉綠素含量的大小與氮肥施入量和水分均密切相關(guān)。

表2 水肥耦合對(duì)玉米莖粗的影響

2.4 對(duì)玉米產(chǎn)量性狀及產(chǎn)量的影響

2.4.1 對(duì)玉米產(chǎn)量性狀的影響 由表3可以看出，不同水肥處理對(duì)玉米穗長(zhǎng)有影響，處理15、處理16與其他處理出現(xiàn)較大差異，其中處理6～處理9穗長(zhǎng)均較長(zhǎng)，處理9比處理15高41.91%。而不同水肥處理對(duì)玉米穗粗、穗行數(shù)及禿頂長(zhǎng)并沒(méi)有較大的影響。對(duì)各個(gè)處理之間行粒數(shù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)差別較為明顯。其中處理1行粒數(shù)達(dá)到31.06粒/行，其次是處理8，兩者與處理15(17.22粒/行)相比分別高了80.37%、67.25%。

表3 水肥耦合對(duì)玉米產(chǎn)量性狀的影響

2.4.2 對(duì)玉米產(chǎn)量的影響 從圖3可以得出，處理8的產(chǎn)量最高，單株產(chǎn)量達(dá)到了121 g。玉米穗期水肥耦合對(duì)其產(chǎn)量有明顯影響。在相同水分條件下，增施氮肥會(huì)提高玉米產(chǎn)量，氮肥在239.02～300.00 kg/hm2較為適宜；磷肥對(duì)玉米產(chǎn)量有提高作用但效果不明顯，磷肥施用量在30.49～75.00 kg/hm2較為適宜；鉀肥對(duì)玉米產(chǎn)量提高有明顯的促進(jìn)作用，鉀肥施用量在159.39～200.00 kg/hm2較為適宜。在相同施肥條件下，灌溉量的增加會(huì)提高玉米產(chǎn)量，但超過(guò)一定范圍時(shí)，含水量的增加則會(huì)降低玉米產(chǎn)量，所以穗期合理的施肥灌水對(duì)玉米產(chǎn)量提高有很明顯的作用。

2.5 水肥耦合模型建立與解析

2.5.1 水肥耦合模型建立 根據(jù)圖3的產(chǎn)量結(jié)果，以產(chǎn)量為目標(biāo)函數(shù)(Y)，以氮肥(X1)、磷肥(X2)、鉀肥(X3)、土壤含水量(X4)這4個(gè)因子作為控制變量，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到玉米產(chǎn)量對(duì)4個(gè)因子的回歸數(shù)學(xué)模型：

Y=7 832.22-152.46X1-125.91X2+147.09X3+512.25X4-1 249.33X12-803.14X22-744.06X32-1 455.44X42-96.01X1X2+429.25X1X3+634.87X1X4-543.70X2X3-163.89X2X4+141.41X3X4。

經(jīng)顯著性檢驗(yàn)，F(xiàn)值=5.646(F>F0.05(14，1)=4.60)，P=0.031 97(P<0.05)，Durbin-Watson統(tǒng)計(jì)量d=2.75，相關(guān)系數(shù)r=0.993 7，調(diào)整后的相關(guān)系數(shù)r=0.901 4，表明此模型擬合很好，可用來(lái)進(jìn)一步分析。

2.5.2 水肥耦合模型效應(yīng)解析 回歸模型本身已經(jīng)過(guò)無(wú)量綱形編碼代換，其偏回歸系數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，故可以直接從其絕對(duì)值的大小來(lái)判斷各因子對(duì)目標(biāo)函數(shù)的相對(duì)重要性[15]。從模型來(lái)看，4個(gè)因子對(duì)產(chǎn)量的影響程度大小分別是X4>X1>X2>X3，即水效應(yīng)>氮肥效應(yīng)>磷肥效應(yīng)>鉀肥效應(yīng)。

通過(guò)降維法得到4個(gè)因子與產(chǎn)量的二次函數(shù)關(guān)系，據(jù)此作出拋物線圖(圖4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

從圖4可知，水、氮、磷和鉀4個(gè)因子的產(chǎn)量效應(yīng)均為拋物線，其中，以水和氮的效應(yīng)曲線比較明顯，各拋物線的頂點(diǎn)就是各單因子的最高產(chǎn)量值，與其相對(duì)應(yīng)的便是各因子的最適投入量。

根據(jù)上述4個(gè)偏回歸降維模型，分別令dY1/dX1=0，dY2/dX2=0，dY3/dX3=0，dY4/dX4=0，求方程偏導(dǎo)數(shù)可知：當(dāng)X1=-0.016，即氮肥施入量為144.57 kg/hm2時(shí)，最大產(chǎn)量Ymax=7 836.90 kg/hm2；X2=-0.078，即磷肥施入量為 71.53 kg/hm2時(shí)，最大產(chǎn)量Ymax=7 837.21 kg/hm2；X3=0.098，即鉀肥施入量為105.87 kg/hm2時(shí)，最大產(chǎn)量Ymax=7 839.50 kg/hm2；X4=0.176，即土壤水分含量為66%時(shí)，最大產(chǎn)量Ymax=7 877.30 kg/hm2。

本試驗(yàn)中4個(gè)因子之間對(duì)產(chǎn)量的影響有明顯的交互耦合作用。按薛爾維斯德多元函數(shù)極值判別法則[16]，通過(guò)對(duì)產(chǎn)量模型的解析，分別得到4個(gè)因子的交互效應(yīng)。氮肥與鉀肥、灌水量呈正交互作用；磷肥與鉀肥和灌水量呈負(fù)交互作用；鉀肥與灌水量呈正交互作用。

2.5.3 模型優(yōu)化組合與技術(shù)推薦指標(biāo) 根據(jù)已建立的玉米穗期水肥耦合優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，編制計(jì)算機(jī)程序，在-1.682～1.682之間取7個(gè)水平(-1.682，-1，-0.5，0，0.5，1，1.682)，上機(jī)進(jìn)行不同目標(biāo)下的最優(yōu)組合方案模擬，構(gòu)成 74=2 401 個(gè)生產(chǎn)因素組合，通過(guò)模擬求得產(chǎn)量在4～5 t/hm2有335個(gè)組合，5～6 t/hm2有301個(gè)組合，6～7 t/hm2有224個(gè)組合，大于7 t/hm2有70個(gè)組合，并對(duì)大于7 t/hm2的70個(gè)組合進(jìn)行頻次分析(表4)。

從表4可以看出，產(chǎn)量大于7 t/hm2的方案中最佳水肥耦合措施：土壤水分含量為66%～67%，施氮量為 144.67～158.00 kg/hm2，磷肥用量為66.97～75.02 kg/hm2，鉀肥用量為101.65～112.83 kg/hm2。

表4 玉米水肥耦合產(chǎn)量>7 t/hm2時(shí)70個(gè)方案中各變量取值的頻率分布

3 討論

水肥耦合是物理學(xué)上概念的借用，是指農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，水分和土壤礦物元素這2個(gè)體系融為一體并相互作用、相互影響而對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生的結(jié)果或現(xiàn)象，對(duì)作物可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)、疊加效應(yīng)、拮抗效應(yīng)[17-19]。穗期是玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)并進(jìn)的時(shí)期，也是生長(zhǎng)發(fā)育最旺盛的階段。很多水肥耦合研究表明，水氮是對(duì)玉米生長(zhǎng)影響最大的因素[20]，受旱和低肥的情況下均會(huì)造成玉米株高、莖粗大幅度降低[21]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)行玉米穗期水肥耦合，水分限制明顯使株高、莖粗降低，在抽雄吐絲期及成熟期尤為顯著。但施肥量越大并不代表對(duì)生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，施氮量超過(guò)一定范圍時(shí)會(huì)出現(xiàn)對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育造成抑制作用的負(fù)效應(yīng)現(xiàn)象。隨著施鉀量的增加，玉米株高會(huì)略有增加；磷肥對(duì)株高、莖粗影響不大。玉米是一種高光效C4植物，強(qiáng)大的光合作用能力使得玉米在生育期內(nèi)能積累較大的生物產(chǎn)量。故光合能力直接與產(chǎn)量形成正相關(guān)。增施氮肥和水分均會(huì)對(duì)作物光合特性有影響，水氮對(duì)其影響仍是最大的[22-23]。本研究結(jié)果與上述研究一致，水氮過(guò)高過(guò)低均會(huì)造成光合能力的下降，氮肥施入量在239.02～300.00 kg/hm2較為適宜；土壤水分含量在70%～75%較為適宜。

水分和養(yǎng)分通過(guò)影響玉米形態(tài)、光合能力和籽粒形成等進(jìn)而對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生一定的效應(yīng)。作物水肥耦合，水分和肥料對(duì)產(chǎn)量的影響大小為水>肥，且氮>磷、氮>鉀；水肥之間存在一定的互作關(guān)系，尤其是水氮之間存在顯著正相關(guān)，水分的盈虧直接影響氮肥效應(yīng)的發(fā)揮，氮施用量的大小也會(huì)直接影響水分利用[24-26]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，玉米穗期水肥耦合對(duì)產(chǎn)量有顯著影響，4個(gè)因子對(duì)其產(chǎn)量影響大小為水>氮肥>磷肥>鉀肥；水肥施用存在一定的閾值范圍，超過(guò)一定范圍，水肥增加則會(huì)降低玉米產(chǎn)量，本試驗(yàn)中，玉米穗期當(dāng)土壤相對(duì)含水量為70%～75%，施肥量為氮239.02 kg/hm2、磷 30.49 kg/hm2、鉀159.35 kg/hm2時(shí)玉米產(chǎn)量表現(xiàn)最好；各個(gè)因子之間存在互作效應(yīng)：氮肥與鉀肥、灌水量呈正交互作用；磷肥與鉀肥和灌水量呈負(fù)交互作用；鉀肥與灌水量呈正交互作用。

本試驗(yàn)是在盆栽的條件下進(jìn)行的，對(duì)玉米根系等生長(zhǎng)存在一定的限制，故可能對(duì)產(chǎn)量造成一定的影響，導(dǎo)致產(chǎn)量較田間試驗(yàn)低。

4 結(jié)論

玉米穗期水肥耦合對(duì)產(chǎn)量影響大小為水>氮>磷>鉀；氮肥與鉀肥、灌水量呈正交互作用；磷肥與鉀肥和灌水量呈負(fù)交互作用；鉀肥與灌水量呈正交互作用。本試驗(yàn)條件下，玉米產(chǎn)量大于7 t/hm2的方案中最佳水肥措施為土壤水分含量為66%～67%，施氮量為144.67～158.00 kg/hm2，磷肥用量為66.97～75.02 kg/hm2，鉀肥用量為101.65～112.83 kg/hm2。