氮磷鉀配施對制種玉米產量及經濟效益的影響

李 龍 肖 讓 張永玲

（1高臺縣農業技術推廣中心，734300，甘肅張掖；2河西學院土木工程學院/河西走廊水資源保護利用研究所，734000，甘肅張掖）

甘肅河西內陸灌區是典型的灌溉農業區，地勢平坦、日照充足、晝夜溫差大且氣候干燥多風。目前已形成以武威市和張掖市為主導的河西走廊制種基地[1]。制種玉米作為該區農作物的“糧食”，水肥管理措施是最重要的農事投入，對作物生長及釋放高產潛力、提升經濟效益有重要意義。長期以來，在制種玉米生產過程中，由于缺少科學的指導和合理的管理模式，過分追求制種玉米經濟效益，使得化肥用量不斷增加。施肥可滿足制種玉米的養分需求，顯著提高玉米產量，但不合理的施肥給土壤和制種玉米帶來了各種負面影響，問題日益突出，如養分冗余和多渠道大量流失帶來的經濟效益問題，土壤酸化、板結、鹽堿化和養分平衡失調導致玉米根系死亡、莖葉黃化、植株矮小、枯死和土壤環境惡化等問題。當地農業生產中，人們往往習慣把重點放在偏施氮肥上，不注重追肥的方式和施用量，忽略了氮、磷、鉀合理配施對玉米產量、養分吸收及生長發育的影響，導致玉米產量不高，經濟潛力受到制約[2]。馬星竹等[3]研究了氮肥施用量對春玉米產量的影響；趙霞[4]分析了制種玉米的水肥利用效率；漆棟良等[5]探究了灌溉制度對制種玉米產量的影響；錢秋華等[6]探究了生物炭對玉米生長的影響。制種玉米的相關研究多集中于單一養分、外物添加和灌溉制度變化對玉米的影響。為完善施肥體系，本試驗開展氮、磷、鉀多層次配施對制種玉米生長、產量、肥料利用和水分利用效率的田間研究，為建立合理的氮、磷、鉀配施模式、釋放制種玉米高產潛力和完善制種玉米施肥體系提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗田位于甘肅省張掖市甘州區黨寨鎮田家閘村（100°6′～100°52′E，38°32′～39°24′N），海拔1474m，屬于溫帶大陸性氣候區，多年平均氣溫7.25℃，7月份最熱，月平均氣溫23.9℃，1月份最冷，月平均氣溫-10.1℃，年均降水量97.6mm。2018年降水量118.2mm，蒸發量1898.5mm，試驗期間降雨量、氣溫及蒸發量狀況如圖1所示。土壤類型為沙壤土，地勢平坦，一年一熟制種植，試驗區0～20cm土層基本理化性質如表1。

表1 供試土壤理化性質Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

圖1 作物生長期間降雨量、平均氣溫和蒸發量Fig.1 Precipitation,mean temperature and evaporation during crop growth

1.2 試驗材料

供試作物：制種玉米（NC242）。

供試肥料：尿素（含N 46%）、重過磷酸鈣（含P2O546%）和硫酸鉀（含K2O 50%）。

1.3 試驗設計

試驗共設9個處理，每個處理重復3次，試驗設計見表2。各處理隨機區組排列，小區面積35.0m2（7.0m×5.0m），區組間溝寬1.0m，各小區之間挖溝覆膜隔離，深度0.6m，小區四周筑埂，埂高0.4m，寬0.5m。

表2 試驗設計Table 2 Experiment design kg/hm2

1.4 灌溉施肥管理

2018年4月5日翻地施肥，基肥全部采用人工撒施；4月8日-12日壓地、覆膜、地表鋪設滴灌帶，采用膜下滴灌灌水方法；4月17日種植母本；4月26日第1次種植父本，4月30日第2次種植父本，單行父本采用行比種植法（1:5），分期插播，收獲日期為10月13日-20日。制種玉米行距0.45m，株距0.20m，母本種植密度為8×104株/hm2，總種植密度105萬株/hm2，小區鋪設7行膜，每行膜種植2行。磷、鉀肥全部作基肥，其中，常規施肥中氮肥基肥用量138.0kg/hm2，追施用量276.0kg/hm2，行播淺施；氮、磷、鉀全素配方施肥中氮肥基肥用量103.5kg/hm2，追施用量345.0kg/hm2，水肥耦合滴灌施入。追肥施用時間分別在拔節期、大喇叭口期和開花期，比例為3:4:3。生育期內灌溉7次，分別為播種后51、65、73、90、98、108和116d，每次灌水定額分別為 457.4、571.7、232.9、457.4、522.0、514.5和502.9m3/hm2，灌溉定額為3258.8m3/hm2。

1.5 測定指標及方法

1.5.1 作物生物量及產量 成熟期在各小區中間選取有代表性的植株27株，并進行考種，測其株高。將植株分剪，108℃殺青30min，然后75℃烘干至恒重，測定秸稈生物量。考種指標包括制種玉米穗長、行粒數和穗粒數。小區選取中間4行，進行田間測產，自然曬干后脫粒，計算單株產量，按14%水分折算單位面積產量。

1.5.2 作物養分 玉米秸稈和籽粒中的全量氮、磷、鉀均應H2SO4-H2O2消煮，分別采用凱氏蒸餾法、釩鉬黃比色法和火焰光度計法測定氮、磷和鉀含量[7]。

作物養分吸收量計算公式[8]如下：

式中，ω為作物養分吸收量（kg/hm2），G1為籽粒養分濃度（%），M1為籽粒干質量（kg/hm2），G2為莖葉養分濃度（%），M2為莖葉干質量（kg/hm2）。

1.5.3 水分利用效率 當地地下水埋深為6～7m，故忽略地下水補給，采用滴灌，故忽略地表徑流及深層滲漏。計算公式[9]如下：

式中，ET為蒸散發總耗水量（mm），I和P分別為灌溉水量（mm）和有效降雨量（mm），ΔW為研究時段始末土壤貯水量變化量（mm）；WUE為水分利用效率（kg/m3），Y為籽粒產量（kg/hm2）。

1.5.4 肥料利用指標 肥料利用率（RE）是指作物所能吸收肥料養分的百分比[10]。

式中，RE為氮（磷、鉀）肥利用率（%），V為全素區玉米吸氮（磷、鉀）總量（kg/hm2），V0為無氮（磷、鉀）區玉米吸氮（磷、鉀）總量（kg/hm2），F0為全素區氮（磷、鉀）養分投入量（kg/hm2）。

肥料偏生產力（PFP）指施用某一特定肥料下作物產量與施肥量的比值（kg/kg），100kg籽粒產量養分吸收量指形成100kg經濟產量作物全株養分吸收量，計算方法[11]如下：

式中，ω100為100kg籽粒產量養分吸收量（kg），ω為作物養分吸收量（kg/hm2），M1為籽粒干質量（kg/hm2），Y為作物產量（kg/hm2），F為施肥量（kg/hm2）。

肥料農學效率（AE）指作物施肥后增加的產量與施肥量的比值[12]。肥料生理利用率（PE）指作物地上部每吸收單位肥料中的養分所獲得的籽粒產量的增加量[13]。

兩式中，Y為施肥處理的作物產量（kg/hm2），Y0為不施肥處理的作物產量（kg/hm2），F為施肥量（kg/hm2），U為施肥處理收獲時地上部的養分吸收總量（kg/hm2），U0為未施肥處理收獲時地上部的養分吸收總量（kg/hm2）。

1.5.5 土壤肥力評價 土壤肥力作為釋放作物高產潛力、提高土壤生產力的重要指標，利用土壤養分分等定級評價體系為此供試土壤進行評價，其中，土壤養分指標評分規則、指標權重和等級劃分規則分別見表3和表4[14]。土壤養分綜合指數采用加法模型計算，如下式：

表3 土壤養分指標評分及權重Table 3 Soil nutrient index score and weight

表4 土壤養分等級劃分規則Table 4 Rules for grading soil nutrients

式中，I為土壤養分綜合指數；Fi為第i個指標評分值；Wi為第i個指標的權重。

1.6 數據處理

采用Excel 2010軟件進行數據處理，采用SPSS 25.0進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥模式對制種玉米產量及其構成因素的影響

表5顯示，大部分處理玉米穗長差異不顯著。其他性狀對不同施肥處理響應不同，T4處理平均株高較T8處理增加2.72%（P＜0.01），配方施肥缺素區株高為179.0～186.5cm，較常規施肥缺素區株高增加1.5%～2.8%，差異顯著（P＜0.05）；T4處理平均穗位高較T8處理提高3.17%（P＜0.01），但同一施肥模式下，其平均穗位高表現為T4＞T3＞T1＞T2和T8＞T7＞T5＞T6；T4處理穗粒數最多，其次為T8處理，T9處理最少，T4處理較T8處理增加2.44%（P＜0.01）；T4處理產量最高；T4處理平均產量較T8處理提高7.83%（P＜0.01），其平均產量表現為T4＞T3＞T2＞T1和T8＞T7＞T6＞T5。

表5 不同施肥處理玉米農藝性狀、產量及水分利用效率Table 5 Maize agronomic traits,yield and water use efficiency under different fertilization treatments

2.2 不同施肥模式對制種玉米水分利用效率的影響

如表5所示，氮磷鉀配施模式下的T4處理水分利用效率最高，與其他缺素處理存在極顯著差異（P＜0.01），配方施肥區水分利用效率為1.32～1.61kg/m3，較常規施肥區水分利用效率（1.17～1.50kg/m3）提高7.3%～12.8%（P＜0.01），較不施肥區提高33.3%～62.6%（P＜0.01），常規施肥區水分利用率較不施肥區提高16.2%～53.1%（P＜0.01），表明氮磷鉀合理配施對制種玉米水分利用效率存在顯著影響。

2.3 不同施肥模式下對肥料養分吸收及其利用效率的分析

由表6可知，T4處理N、P和K吸收量較T8處理分別提高了11.8%、16.8%和16.6%，T4處理每100kg玉米籽粒純N、P2O5和K2O吸收量分別為6.7、1.1和4.1kg，N、P2O5和K2O的比例約為6.1:1:3.7，T8處理每形成100kg玉米籽粒時純N、P2O5和K2O吸收量分別為6.5、1.0和3.8kg，秸稈吸氮量和吸鉀量大于籽粒，而吸磷量籽粒大于秸稈。結果表明玉米植株中氮和鉀養分主要轉移到秸稈中，而磷主要轉移到籽粒中。

表6 不同施肥處理玉米氮、磷、鉀養分吸收量Table 6 Nutrient uptake amount of N,P and K in maize under different fertilization treatments

由表7可知，氮磷鉀配方施肥較常規施肥N、P和K化肥利用率分別提高了5.9%、67.3%和70.2%（P＜0.05），氮磷鉀配方施肥較常規施肥P肥偏生產力極顯著提高了61.5%（P＜0.01），N和P農學效率分別提高了16.0%和82.4%（P＜0.01），表明氮磷鉀合理配施可促進玉米對養分的吸收，提高化肥利用率和肥料農學效率，能充分發揮各類肥料的生產力。

表7 不同施肥模式肥料養分利用率參數Table 7 Parameters of fertilizer nutrient utilization in different fertilization modes

2.4 不同施肥模式下對制種玉米的經濟效益及土壤肥力的分析

由表8可知，常規施肥與氮磷鉀配方施肥的凈產值分別為23 296.80與25 613.10元/hm2，氮磷鉀配方施肥的凈增產值為2316.30元/hm2。與常規施肥相比，配方施肥的肥料成本有所降低，玉米產量及其產值增加，所以氮磷鉀全素配方施肥是一種具有提高經濟效益的適宜施肥模式。

表8 氮磷鉀配施模式下玉米的經濟效益Table 8 Economic benefit of maize under formula fertilization mode

由表9可知，玉米種植前土壤肥力處于低等級中間標準，為貧瘠土壤。在進行常規施肥與配方施肥種植后，土壤肥力較種植前有較大幅度提升。其中，常規施肥后土壤肥力雖仍處于低級標準，但土壤養分綜合指數較種植前提高12.5%；氮磷鉀全素配方施肥后土壤肥力提高為中級標準，土壤養分綜合指數較種植前提高35.0%，就土壤肥力情況而言，氮磷鉀配方施肥處理土壤肥力提升幅度較大，是較優的施肥模式。

表9 氮磷鉀配施模式下玉米種植前后土壤肥力評價Table 9 Evaluation of soil fertility before and after maize planting under formula fertilization mode

3 討論

3.1 不同施肥模式對制種玉米生長及產量的影響

氮磷鉀全素配方施肥對制種玉米生長和產量影響顯著。研究[15]表明，氮磷鉀配方施肥對提高作物產量及其構成因素有積極作用。有研究[15-16]表明，不同肥料及配施方式在一定程度上影響著玉米的株高、穗位、棒3葉葉面積和穗長。本研究中，氮磷鉀全素配方施肥和常規施肥模式中，均以氮、磷、鉀全素施肥處理的作物株高最高，缺鉀處理次之，缺磷再次之，缺氮處理最低（表5）。對比分析不同施肥處理之間的穗位高可知，磷肥對作物穗部性狀的改善效果最佳，氮肥次之，鉀肥最小。這可能是由于磷肥具有能使作物莖枝堅韌和促使花芽形成的作用。通過對比不同處理間的穗粒數和產量可知，穗粒數與作物產量具有一致性，均是氮肥貢獻能力高于磷肥和鉀肥。而秸稈生物量作為還田措施的重要原材料，其數值大小與土壤肥力直接相關[17]。本試驗中，單一缺素施肥處理對秸稈生物量產生顯著影響，其影響表現為N＞P＞K，這是由于各元素側重于作物的生長方向有所差異，其中缺氮會使植株矮小、葉片黃綠、生長緩慢，從而降低地上部生物量的積累，而磷肥能使作物生長發育良好，對作物細胞的生長和增殖起重要作用。綜合考慮制種玉米的生長和產量等因素，制種玉米養分綜合限制因素第1限制因子是氮素，其次是磷素，最后是鉀素，這可能與當地的土壤理化性質和玉米品種有關。

3.2 不同施肥模式對制種玉米水分利用效率的影響

水分和養分是作物生長過程中不可或缺的基礎資料投入，也是干旱地區限制作物產量的主要因子。王立為等[18]通過旱地農田試驗綜合考慮產量與水分利用效率得出農業生產中應根據不同降水量，適度施肥，以提高馬鈴薯田水分利用效率，從而達到穩產并節水保墑的目的；谷潔等[19]通過施肥和秸稈覆蓋復合旱作模式得出，在一定的施肥范圍內，肥水互促協同，使作物水分利用效率隨著施肥量的增加而提高，氮磷鉀是作物必需的大量營養元素，合理配施營養肥料可滿足玉米高產高效養分需求，進而促進作物高效光合能力[20]，膜下滴灌具有“少量多次”、均勻定量以及局部濕潤作物根系的優點，又能起到增溫保墑的效果，進而達到增產增收、高效節水和節肥保肥的目的[21]。本研究通過膜下滴灌施肥，降低田間裸露度，進而減少土壤蒸發量，改善土壤水熱，從而增強土壤微生物活性，有益于作物根系生長[22]，促進玉米對營養元素和水分的吸收，在高效光合能力的保障下使養分運輸至玉米地上部各個器官，有助于各器官良好的生長發育，從而在一定灌溉水平下增加作物產量，提高作物水分利用效率。

3.3 不同施肥模式肥料養分吸收及其利用效率分析

本研究得出制種玉米對養分吸收量表現出N＞K2O＞P2O5，孫寧科等[7]在質地為中壤灌漠土的研究得出K2O＞N＞P2O5，與本研究結論有所不同，可能與施肥水平、土壤類型和肥力狀況有關。氮磷鉀配施有利于促進制種玉米地上部分器官對養分的吸收和積累，配方和常規2種施肥模式下，氮磷鉀全素處理植株地上部分總吸氮量、吸磷量和吸鉀量均達到最大值。秸稈吸氮量和吸鉀量大于籽粒，而籽粒吸磷量大于秸稈。可見，制種玉米植株中氮和鉀養分主要轉移到秸稈中，而磷主要轉移到籽粒中，這可能是由于氮、磷、鉀不同的生理作用所致。

合理的氮磷鉀配施有利于促進作物對養分的吸收和利用，平衡合理施肥能顯著提高肥料利用率[23]，本研究的2種施肥模式中，配方施肥處理養分吸收、肥料利用效率、農學效率、偏生產力與常規施肥相比有不同程度的提高，可能是由于配方施肥更有助于促進土壤-作物-肥料三元系統的養分循環調控，滿足制種玉米各個生育期的需肥規律，從而促進制種玉米根系發育，使地上部各器官吸收更多的養分，達到增產的效果。

3.4 不同施肥模式對土壤肥力的影響

土壤水熱、有機質、氮、磷、鉀和pH等指標的變化直接反映土壤肥力的等級變化，而土壤中外部養分的投入直接改變土壤的肥力，微生物種類及數量的多少直接影響土壤的供肥狀況[22]。已有大量研究表明，不同元素肥料的多施、少施乃至不施對土壤肥力均有著巨大影響[24]，適水適肥有利于作物根際微生物的生長與繁殖[22]。本研究試驗用地由于前期為傳統的農民耕作種植方式，缺乏合理土壤管理措施，不利于根際微生物的活動，導致土壤肥力低下。而氮磷鉀配方施肥模式可為微生物的生長和繁殖營造適宜的土壤環境條件，進而促進微生物對土壤養分的分解，加速了土壤養分的循環與利用，均能在提高作物產量的情況下提高土壤肥力，避免“土壤耗竭區”的形成，利于農業可持續發展。并且，配方施肥的增產幅度與肥力提升水平均高于常規施肥，這是因為配方施肥采用水肥耦合的滴灌方式，為作物吸收養分創造了一個良好的土壤生態環境，一方面加速了土壤養分的循環與利用，另一方面提高了作物對水肥的高效吸收，更適合于提升當地土壤肥力。

4 結論

氮磷鉀全素配方施肥是河西走廊沙壤土較為適宜的施肥模式，能顯著提高作物的經濟效益和土壤肥力，較常規施肥處理分別提高9.94%和20.00%。