水肥耦合效应对平原区夏玉米产量的影响

2012-04-29温利利李淑文李秀芳文宏达

湖北农业科学 2012年3期

温利利李淑文李秀芳文宏达

摘要：为了研究不同水肥条件对夏玉米产量的影响，在防雨棚条件下进行盆栽试验，采用３因素５水平2次通用旋转回归组合设计，建立了灌水量、氮肥和钾肥施用量对夏玉米产量影响的数学模型。因素效应分析结果表明，影响夏玉米产量的主要因素是灌水量，其次是氮肥和钾肥的施用量。各因素交互作用对玉米产量的贡献为氮、水＞钾、水＞氮、钾；从产量角度评价灌水量、氮肥和钾肥施用量的最佳水肥调控组合。当灌水量、氮肥和钾肥施用量分别为４５０ｍｍ、１８０ｋｇ／ｈｍ２、１２０ｋｇ／ｈｍ２时，玉米达到高产生产指标８４．６３ｇ／盆，为水肥调控的最佳组合。

关键词：水肥耦合；二次通用旋转回归；产量；夏玉米

中图分类号：Ｓ１５８．３文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）03－0481-04

ＴｈｅＣｏｕｐｌｉｎｇＥｆｆｅｃｔｏｆＷａｔｅｒａｎｄＦｅｒｔｉｌｉｚｅｒｏｎＳｕｍｍｅｒＭａｉｚｅＹｉｅｌｄ of ｉｎｔｈｅＰｌａｉｎ

ＷＥＮＬｉ－ｌｉ，ＬＩＳｈｕ－ｗｅｎ，ＬＩＸｉｕ－ｆａｎｇ，ＷＥＮＨｏｎｇ－ｄａ

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＨｅｂｅｉ，Ｂａｏｄｉｎｇ０７１００１，Ｈｅｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔｓｏｆｗａｔｅｒａｎｄｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｏｎｙｉｅｌｄ of ｓｕｍｍｅｒｍａｉｚｅｉｎｔｈｅｐｌａｉｎｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｑｕａｄｒａｔｉｃｒｏｔａｔｏｒｙｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎａｎｄｓｏｌｕｔｉｏｎｃｕｌｔｕｒｅ. Tｈｅｐｏｔｔｒｉａｌｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｉｎｒａｉｎ－ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｓｈｅｄａｎｄｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｓｗｅｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｄｏｓａｇｅｏｆ wａｔｅｒｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｔｈｅｙｉｅｌｄｏｆｓｕｍｍｅｒｍａｉｚｅ， followed by the amount of nitrogen and potash fertilizer．Ｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｓａｍｏｎｇｔｈｅｓｅｆａｃｔｏｒｓｏｎｔｈｅｃｏｒｎｙｉｅｌｄ according to the ｏｒｄｅｒａｓＮａｎｄｗａｔｅｒ＞Ｋａｎｄｗａｔｅｒ＞ＮａｎｄＫ．Ｆｒｏｍｔｈｅａｓｐｅｃｔｏｆｍａｉｚｅｙｉｅｌｄ，ｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｗａｔｅｒ with ｈｉｇｈｅｒｌｅｖｅｌｏｆＮａｎｄＫ waｓｔｈｅｂｅｓｔｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ．Ｍａｉｚｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃould ａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｈｉｇｈｙｉｅｌｄｇｏａｌ８４．６３ｇ／ｐｏｔ when irragation dose，ｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｐｏｔａｓｓｉｕｍ were ４５０ｍｍ，１８０ｋｇ／ｈｍ２，１２０ｋｇ／ｈｍ２，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｕｐｌｉｎｇ effect ｏｆｗａｔｅｒａｎｄｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ；ｇｅｎｅｒａｌｑｕａｄｒａｔｉｃｒｏｔａｔｏｒｙｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ；ｙｉｅｌｄ；ｓｕｍｍｅｒｍａｉｚｅ

在严重缺水的华北平原，水分不足和养分供应不足两大因素成为该地区农业持续发展的限制因子。水分不但是作物生长所必需的条件之一，也是化肥溶解和有机肥料矿化的必要条件。养分通过扩散与质流的方式向根及地上部迁移，此过程必须有水分参与。充分说明作物对水分和养分吸收过程并不是孤立的，它们之间是相互作用和相互影响［１－３］。水肥供应不足必然会影响土壤养分的运移和作物的吸收利用，从而对作物产量产生不利的影响。

早期的研究报道多见于水肥耦合效应在不同作物和蔬菜的应用，并注重研究水肥耦合条件下干旱地区节水效应与不同作物的反应及产量效应关系。国内外已对养分和水分运移规律及增产机理等进行了大量的研究［４－６］。水肥是玉米生长发育的决定因素，尤其是在玉米的拔节时期。在旱棚条件下的水肥耦合效应也有报道，但注重的都是水肥协同的增产效应、水分灌溉指标和不同肥料品种的施用［７－１１］，而对于定量评价不同降水年型下氮、钾养分对产量影响的研究较少。因此，本试验探讨水、氮、钾３个重要因素对夏玉米产量的影响，通过各因素效应分析，定量评价各试验因子的增产作用，科学合理地确定不同降水年型下肥料最适投入量，以期提出玉米高产的水肥优化组合，为发展半干旱地区农业生产提供科学依据。

１材料与方法

１．１试验地概况

试验于２０１０年６～１０月在河北农业大学辛集科技示范基地进行。基地历年平均降雨量３４９．９ｍｍ，主要集中在６～８月份，占全年总降雨水量的６７．９％以上。供试土壤为砂壤质潮土，０～３０ｃｍ层土壤中含有机质１３．１６ｇ／ｋｇ、全氮０．１４ｇ／ｋｇ、速效磷４８．７２ｍｇ／ｋｇ、速效钾１０７．７８ｍｇ／ｋｇ。

１．２试验设计和实施

试验于防雨旱棚下进行，采用３因素５水平2次通用旋转回归设计［１２，１３］，设置水（Ｗ）、氮（Ｎ）、钾（Ｋ）３因素，研究其对夏玉米产量的影响。水分分别设５种模拟降水年型（歉水年、贫水年、平水年、丰水年和极丰水年），施氮量和施钾量分别设５种不同施肥水平（表１）。试验共２０个处理，每１处理设３次重复。

供试作物为当地主要的玉米栽培品种郑单９５８。玉米生育期内每５ｄ浇１次水，试验选用聚乙烯塑料桶，桶直径３０ｃｍ，高度３０ｃｍ。装盆过程中轻轻振动使盆中土壤松紧合适，盆底部铺上纱网，保证盆中空气通透。盆装好后土表距盆口约３ｃｍ，然后埋入田间，随机排列。氮肥（尿素）、钾肥（硫酸钾）播前底施和大喇叭口期追施各占１／２。２０１０年６月１０日播种玉米，７月间苗，每盆留苗１株，１０月１日测其产量。

２结果与分析

２．１回归方程的建立

根据回归最优设计的模型建立方法（各因素左边为代码值，右边为对应实际值）。采用三元二次回归旋转组合进行分析，将试验方案及产量（表１）输入计算机，用ＤＳＰ软件进行统计分析［１４］得到夏玉米产量与各因子间的数学模型。

Ｙ＝８１．９５７６１＋３．７５４３２Ｗ＋２．７４７４９Ｎ＋１．１３３４９Ｋ－１．０８３０６Ｗ２－３．６８１６８Ｎ２－１．６５０５１Ｋ２＋０．０２８７５ＷＮ－０．０４６２５ＷＫ－１．９５１２５ＮＫ（１）

对回归模型（１）进行方差分析，Ｆ１＝３．７１８４５＜Ｆ０．０５＝６．６３，表明未知因素对试验结果影响很小，可以忽略，Ｆ２＝８．００４７４＞Ｆ０．０１＝４．４９，所建模型达到极显著水平，能反映玉米产量与灌水量以及Ｎ、Ｋ肥施用量间的关系，故以此模型进行预报具有较高的可行性。产量与因素拟合好，方程有效，所以可以进一步进行效应分析及预测。

２．２水、氮、钾处理对夏玉米产量影响的主效应分析

在相同量纲条件下，偏回归系数反映了某一因子对产量的效应，其值越大，作用越明显。在本试验中，水分和氮、钾的量纲不同，不能直接比较，经过ＤＰＳ软件无量纲线性编码代换后对回归系数进行分析，可根据其大小判断试验因素对子粒产量影响的程度，其正负号表示因素作用的方向。回归模型偏回归系数表明，灌水量与Ｎ、Ｋ肥施用量均对玉米具有明显增产作用，其影响显著性依次为灌水量＞Ｎ肥＞Ｋ肥，表明水、氮、钾３因素是对夏玉米产量影响的主要因素，但影响作用大小相异。

２．３水、氮、钾处理对夏玉米产量影响的单因素效应分析

为了进一步研究各因子的单独效应，采用降维法对回归方程（１）任意２因子取０水平编码值可得另１因素对玉米产量的偏回归方程为：

灌水量：Ｙ＝８１．９５７６１＋３．７５４３２Ｗ－１．０８３０６Ｗ２

施氮量：Ｙ＝８１．９５７６１＋２．７４７４９Ｎ－３．６８１６８Ｎ２（２）

施钾量：Ｙ＝８１．９５７６１＋１．１３３４９Ｋ－１．６５０５１Ｋ２

分别对其求导，可以得出水、氮、钾边际产量模型：

灌水量：ｄＹ／ｄＸ＝３．７５４３２－２．１６６０Ｗ

施氮量：ｄＹ／ｄＸ＝２．７４７４９－７．３６３０Ｎ（３）

施钾量：ｄＹ／ｄＸ＝１．１３３４９－３．３０１０Ｋ

令ｄＹ／ｄＸｉ＝０，求得玉米最高产量Ｙ对应３因素的编码值Ｗ＝１．７３３，Ｎ＝０．３７３，Ｋ＝０．３４３，分别对３因素分析如下。

１）灌水量对夏玉米产量的影响。灌水量与夏玉米产量呈开口向下抛物线关系（图１），灌水量从

－１．６８２水平增加到１．７３３水平时，每盆玉米产量从７２．５７８ｇ增加到８５．２１１ｇ。即灌水量极大点水平为１．７３３，可见随着灌水量的增加产量随之也增加。

２）施氮肥量对夏玉米产量的影响。施氮肥量与夏玉米产量呈开口向下抛物线关系（图2），施氮量从－１．６８２水平增加到０．３７３水平时，每盆玉米产量从６６．９２０ｇ增加到８２．４７０ｇ；而随着０．３７３水平增加到１．６８２水平时，玉米产量从８２．４７０ｇ降低到７６．１６３ｇ。说明施氮量的水平达到０．３７３时，随施氮量的增加，产量开始下降。

３）施钾肥量对夏玉米产量的影响。施钾肥量与夏玉米产量之间呈开口向下抛物线关系（图3），施钾量从－１．６８２水平增加到极大点０．３４３水平时，每盆玉米产量从７５．３８２ｇ增加到８２．１５２ｇ；当施钾量从０．３４３水平上升到１．６８２水平时，玉米产量从８２．１５２ｇ降低到７９．１９５ｇ。表明钾水平最大值为０．３４３，如果再增加施钾量，夏玉米生长会受抑制，产量就会降低。

通过对模型（３）分析可知Ｙｉ到极大值时，３因素单独施用的最适量，表明夏玉米对需水量较敏感，并且对氮、钾也有最适的需求量。

２．４水、氮、钾３因素耦合对夏玉米产量的互作效应分析

为了探讨水、氮、钾各因素之间的耦合效应，通过对回归数学模型（１）进行降维处理，即固定任意一因素码值为０码值水平，则可得其他两个因素耦合效应回归子模型（４）、（５）、（６）：

ＹＫ＝０＝８１．９５７６１＋３．７５４３２Ｗ＋２．７４７４９Ｎ－１．０８３０６Ｗ２－３．６８１６８Ｎ２＋０．０２８７５ＷＮ（４）

ＹＮ＝０＝８１．９５７６１＋３．７５４３２Ｗ＋１．１３３４９Ｋ－１．０８３０６Ｗ２－１．６５０５１Ｋ２－０．０４６２５ＷＫ（５）

ＹＷ＝０＝８１．９５７６１＋２．７４７４９Ｎ＋１．１３３４９Ｋ－３．６８１６８Ｎ２－１．６５０５１Ｋ２－１．９５１２５ＮＫ（６）

由方程（４）、（５）和（６）可得到任意２因素交互作用对玉米产量影响的效果图（图4、5、6）。由图4可知，水和氮对玉米产量效应呈抛物线型，符合报酬递减定律，与前面的分析相吻合。随着水、氮用量的增加，产量明显增加，表明两者在设计水平范围内，增产效应接近；当灌水量为５４０ｍｍ，施氮量为１８０ｋｇ／ｈｍ２，此时产量可达８５．２１ｇ／盆。产量最高点出现在高量灌水量（５４０ｍｍ）和中量施氮用量（１８０ｋｇ／ｈｍ２），表明提高氮素利用率需要充足的水分供应，水分利用率提高也需要有适量的氮素供应。水和钾肥的交互效应（图5）远远不如水和氮的交互效应明显，呈平稳抛物线曲面，当施钾量一定时，夏玉米产量随灌水量的增加先缓慢增加后降低，且幅度很小。当灌水量一定时，夏玉米产量随施钾量的增加先缓慢增加后降低。在钾肥施用量较低时，玉米产量随着土壤灌水量增加而迅速提高，说明水对玉米产量的影响大于钾肥。氮、钾交互作用对玉米产量的影响的曲面呈缓斜坡状（图6），在中氮肥施用量（１８０ｋｇ／ｈｍ２）和中钾肥施用量（１２０ｋｇ／ｈｍ２）时产量最高，可达到８１．９６ｇ／盆。说明中氮肥量和中钾肥量配合施用，对玉米有较好的增产作用。当水肥配合施用时，灌水量中等水平（３５０ｍｍ），施氮量为１８０ｋｇ／ｈｍ２、施钾量为１２０ｋｇ／ｈｍ２时，玉米产量达到最高。

２．５最高产量数学模型寻优

根据方程（１）进行选优的结果得到夏玉米产量达到最高值Ｙｍａｘ＝８４．６３ｇ／盆时，水、氮、钾３因素取值分别为１、０、０（表２）。从数学模型模拟得出的只是理论值，然而实际生产中不可避免地受环境等其他多因素的影响，理论往往与实际存在一定的偏差，因此理论只能作为指导实践生产的参考。

３结论与讨论

３．１结论

１）本试验运用３因素５水平2次通用旋转回归设计探讨了平原区夏玉米产量与灌水量、施氮量、施钾量间的关系。分析表明，对夏玉米产量影响次序为：水＞氮＞钾；各因素互作效应为水氮效应＞水钾效应＞钾氮效应，表明只有适量的水肥配施才能达到玉米最高产量。

２）通过对最高产量数学模型分析，得出玉米产量达到最高，即Ｙｍａｘ＝８４．６３ｇ／盆。从产量这个角度分析，最适的氮肥、钾肥施用量分别为１８０、１２０ｋｇ／ｈｍ２，灌水量为４５０ｍｍ，此时为该试验水肥调控的最佳组合。

３．２讨论

在体系复杂的农业生产中，水肥是农业生产的重要资源，水是肥效发挥的关键，肥是打开水土系统生产效能的钥匙。因此，在生产实践中必须强调“以水调肥，以肥调水”的重要性，科学合理地确定最佳灌水量和最适施肥量。通过本试验因素互作效应分析表明，水、氮、钾３因素互作对玉米增产的作用，水肥配合效应大于肥与肥配合，即水氮效应、水钾效应大于氮钾效应。一方面说明适宜的水分供应可以促进肥料转化及吸收，提高肥料利用率；而另一方面说明适宜的施肥也可以调节水分利用过程，提高水分利用率。这与前人研究结果相吻合［１５］。同时可以看出，在此地区水的作用很重要，水对于玉米的影响大于氮肥和钾肥。氮和钾的效应大小受灌水量的影响。本试验没有研究磷的效应对其各因素耦合效应的影响。本试验只探讨了成熟期最佳灌水量和最适施肥量的耦合效应，今后需要对各个时期土壤田间持水量进行进一步的探讨和研究。本试验在旱棚条件下得到水、氮、钾３因子之间与夏玉米产量之间的耦合关系，需要进一步对其科学性进行验证。

参考文献：

［１］金轲，汪德水，蔡典雄，等．水肥耦合效应研究Ⅰ不同降雨年型对Ｎ、Ｐ水配合效应的影响［Ｊ］．植物营养与肥料学报，１９９９，５（１）：１－７．

［２］腾云，郭亚芬，张忠学，等．东北半干旱区大豆水肥耦合模式试验研究［Ｊ］．东北农业大学学报，２００５，１０（５）：６４０－６４１．

［３］ＢＥＮＢＩＤＫ．Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｕｓｅｂｙｄｒｙｌａｎｄｗｈｅａｔｉｎａｓｕｂｈｕｍｉｄｒｅｇｉｏｎｉｎｒｅｌａｔｉｏｎｔｏｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆａｖａｉｌａｂｌｅｗａｔｅｒ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ，１９８９，１１５（１）：７－１０．

［４］吕殿青，张文孝，谷浩．渭北东部旱塬氮水二因素交互作用与耦合模型研究［Ｊ］．西业农业学报，１９９４，３（３）：２７－３６．

［５］潘颜霞，王新平，张志山．荒漠绿洲农田生态系统玉米生育期和产量对不同水肥处理的响应［Ｊ］．玉米科学，２００７，１５（３）：１２７－１２９．

［６］吕刚，史东梅．三峡库区春玉米水肥耦合效应研究［Ｊ］．水土保持学报，２００５，１９（３）：１９２－１９５．

［７］冯绍元．滴灌棉花水肥耦合效应的田间试验研究［Ｊ］．中国农业大学学报，１９９８（３）：５９－６２．

［８］王立秋，靳占忠，曹敬山，等．水肥措施对春小麦产量及其构成因素的影响［Ｊ］．麦类作物学报，１９９６（６）：４０－４３

［９］ＢＥＮＪＡＭＩＮＪＧ，ＰＯＲＴＥＲＬＫ，ＤＵＫＥＨＲ，ｅｔａｌ．Ｃｏｒｎｇｒｏｗｔｈａｎｄｎｉｔｒｏｇｅｎｕｐｔａｋｅｗｉｔｈｆｕｒｒｏｗｉｒｒｉｇａｔｉｏｎａｎｄｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｂａｎｄｓ［Ｊ］．ＡｇｒｏｎＪ，１９９７，８９：６０９－６１２．

［１０］ＳＫＩＮＮＥＲＲＨ，ＨＡＮＳＯＮＪＤ，ＢＥＮＪＡＭＩＮＪＧ．Ｒｏｏｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｏｌｌｏｗｉｎｇｓｐａｔｉａｌｓｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｓｕｐｐｌｙｉｎｆｕｒｒｏｗｉｒｒｉｇａｔｅｄｃｏｒｎ［Ｊ］．ＰｌａｎｔａｎｄＳｏｉｌ，１９９８，１９９：１８７－１９４.

［１１］ＫＥＵＬＥＮＨＶＡＮ．ＭｏｄｅｌｌｉｎｇｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒａｎｄＮｉｔｒｏｇｅｎ［Ａ］．Ｉｎ：ＪＯＨＮＭ，ＣＯＬＩＮＷ，Ｅｄｓ．ＳｏｉｌＷａｔｅｒａｎｄＮｉｔｒｏｇｅｎｉｎＭｅｄｉｔｅｒｒａｎｅａｎ－ｔｙｐｅＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ［Ｃ］．１９８１．２０５－２２９．

［１２］萧兵，钟俊维．农业多因素试验设计与统计分析［Ｍ］．长沙：湖南农业科技出版社，１９８５．３３２－３６０．

［１３］丁希泉．农业回归应用［Ｍ］．长春：吉林科技出版社，１９８６．

［１４］韩永芬，赵明坤．皇草的高产栽培配套技术研究［Ｊ］．耕作与栽培，１９９９（３）：１６－１８．

（责任编辑张毅）