豫北水稻高产栽培氮磷钾施肥参数探讨

周越,田芳,朱亚磊,王桂风,王荣华,张恩豪,陈荣江

(1.河南科技学院,河南新乡453003;2.新乡市土壤肥料工作站,河南新乡453003;3.河南丰源种子有限公司,河南新乡453700)

豫北水稻高产栽培氮磷钾施肥参数探讨

周越1,田芳2,朱亚磊1,王桂风3,王荣华1,张恩豪1,陈荣江1

(1.河南科技学院,河南新乡453003;2.新乡市土壤肥料工作站,河南新乡453003;3.河南丰源种子有限公司,河南新乡453700)

为探求豫北中高肥力条件下水稻高产栽培施用N、P、K肥的最优参数,以水稻品种新丰7号为试验材料,采用回归设计方案,运用多元二次回归建模及非线性优化等方法,对试验结果进行建模、模拟及优化.结果表明:配比施肥比不施肥处理或缺素处理增产效果明显,缺氮或缺磷处理对产量的影响大于缺钾处理.通过对N、P、K全信息肥效模型及其二阶交互肥效模型模拟分析比较,得出中高肥力条件下水稻高产优化施肥决策为:施N 193.05～206.25 kg/hm2,P2O565.84～74.57 kg/hm2,K2O 94.71～110.07 kg/hm2,优化施肥配比m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)为1∶0.35∶0.51,产量期望9 658.83～9 808.46 kg/hm2.配比施肥有利于水稻对养分的吸收利用,提高肥料利用率.

水稻;配方施肥;多项式回归;模拟优化

化肥对水稻增产起着重要作用,尤以氮肥的增产效果最显著,但若施量不当,则增产效果甚微,甚至造成减产[1-2].施肥不仅对水稻的产量有明显效应,还会影响稻谷的品质.李政芳等[3-4]研究不同施肥量与施肥方法对优质水稻品质的影响.生态环境和土壤类型的不同对肥料营养补给需求亦有差异,化肥配施有机肥的增产效果高于单施化肥或化肥偏施[5-7].李秀英等[8]进行长期不同施肥条件对作物产量可持续性的影响研究之后得出,NPK均衡施用或NPK配施有机肥可使作物持续高产,而非均衡施肥导致农业生态系统养分不均衡,生产可持续性差.

河南省地处中原,地理气候环境适宜,为我国粮食生产核心区.豫北是河南的粮食高产区,土壤肥力和灌溉条件好,适宜水稻栽培.近年来,在水稻生产过程中,农民为追求高产,化肥施用量不断上升,凭主观经验施肥现象普遍存在,忽视平衡施肥,有机肥施量逐年减少,造成土壤养分供应不平衡,化肥利用率低下,养分流失加重.为探明豫北中高产田水稻N、P、K最佳施用量及配比,特设计施肥试验,以期为实现水稻高产高效栽培目标、促进农田作物系统生产可持续发展提供依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试水稻品种为河南丰源种业公司育成的新丰7号,该品种2010年通过河南省农作物新品种审定委员会审定.其株型紧凑,茎杆粗壮,根系发达,分蘖力较强,具有灌浆速度快、结实性好、高产抗病等优点.经农业部食品质量监督检验测试中心(武汉)检测,综合品质达国标2级.

供试化肥种类:硫酸铵(N21%),过磷酸钙(P2O516%),氯化钾(K2O60%).

1.2 试验设计与实施

试验于2014年在河南丰源种业公司原阳试验基地进行,研究氮、磷、钾3种肥料的不同配比对产量的影响.采用三因子回归组合设计,共设22个处理,氮设7个水平(0、90、150、180、210、240、270 kg/hm2), P2O5设4个水平(0、45、90、135 kg/hm2),K2O设4个水平(0、67.5、135、202.5 kg/hm2).重复2次,随机区组排列,小区面积22.5 m2(4.5 m×5 m),行距30 cm,株距14 cm,各小区之间作埂覆膜,防止区间串肥.其他病虫害防治措施按照常规方法进行.

试验田前作小麦,产量570 kg/hm2,土壤为两合土,质地黏性,地力均匀,土壤肥力中等偏上.耕层土壤(0—20 cm)含有机质21.8 g/kg,全氮1.37 g/kg,有效磷69.6 mg/kg,速效钾168.7 mg/kg.2014年5月8日播种,6月18日移栽,10月18日收获.施肥方法:氮肥按基肥、蘖肥、穗肥2∶2∶1的比例施用,磷肥作基肥一次性施入,钾肥按基肥、蘖肥1∶1的比例施用.

2 数学模型与求解

2.1 全信息数学模型

假设水稻产量(y)与氮肥(x1)、磷肥(x2)、钾肥(x3)三因子存在完全二次多项式关系.数学模型为

其中,随机误差ε:N(0,σ2).

2.2 全信息数学模型

假设水稻产量(y)与此3种肥料因子中的某两个存在完全二次多项式关系,即数学模型为

其中,1≤i,j≤3,i≠j,随机误差ε:N(0,σ2).

2.3 模型的优化

利用建立的完全二次多项式模型,根据各因子的取值范围,利用带约束的二次规划最优化原理求此模型的最优解.另外,考虑到水稻栽培实践受环境因素影响较大,仅凭优化所得的一个最优解制定最优施肥决策的可信度难以确定.因此,依据试验中各因子的取值范围,通过模拟各因子取值,得出满足一定产量目标要求的施肥置信区间,即得优化决策.

试验数据的统计处理在SAS9.2环境[9]下通过编程完成,在MATLAB7.0环境[10]下完成模拟优化计算.

3 结果与分析

3.1 水稻N、P、K肥效分析

3.1.1 不同N、P、K配比对水稻产量及产量因素的影响不同N、P、K配比对水稻产量及产量因素的影响见表1.

表1 不同N、P、K肥配比对水稻主要产量性状及产量的影响Tab.1 The effect offertilizer with different N-P-Kratios on rice main characters and yield

由表1可知,处理14的产量居首位,达9 856.55 kg/hm2,高出其他处理138.17～3 780.21 kg/hm2；处理6的有效穗475.50万/hm2最高;处理15有最高的成穗率97.0%;处理16有最大穗长17.70 cm;处理17的穗粒数145.91最多;处理1的千粒质量27.50 g最高.

3.1.2 水稻N、P、K肥效模型的建立按2.1所述建立肥效模型,以x1(N)、x2(P2O5)和x3(K2O)为自变量,水稻产量y为因变量.据表1计算得N、P、K三元二次肥效模型

3.1.3 水稻N、P、K肥效模型的优化为探求新丰7号在中高水肥条件下的高产最优施肥配比,据模型(1),参照本试验N、P2O5、K2O的施量范围,采用模拟因素取值的频率分析,以产量y≥9 000 kg/hm2为目标,给定约束:0≤x1≤270,步长△1=30;0≤x2≤135,步长△2=15;0≤x3≤202.5,步长△3=22.5.经对模拟结果统计,在所有可能的1 000个施肥组合中,满足目标要求的有316个,统计结果见表2.

由表2可知,在95%置信度下,满足目标产量9 000 kg/hm2的优化施肥措施为:施纯N 193.05～ 206.25 kg/hm2,P2O565.84～74.57 kg/hm2,K2O94.71～110.07 kg/hm2,产量期望达9 658.83～9 808.46 kg/hm2.

3.2 水稻N、P、K两两交互肥效

3.2.1 N、P、K两两交互肥效模型构建为明确在某种肥料施一定量条件下另外两种肥料对水稻产量影响的交互效应,据表1,依次将施磷固定于90 kg/hm2、施钾固定于135 kg/hm2和施氮固定于180～210 kg/hm2,利用相应处理分别建立氮钾、氮磷和磷钾交互效应模型,得到：

3.2.2 N、P、K肥交互效应肥效模型的图解分析由于二元函数的稳定点未必是函数的最大(小)值点,为直观了解交互效应模型(2)、(3)、(4)中相应施肥因子的交互作用,分别画出各模型的等值线图,见图1.

图1 肥料因子交互效应图Fig.1 The interaction offertilizers factor

由图1可知,氮磷(x1-x2)交互效应等值线随着曲线环的缩小,产量(y)逐渐增加,在试验范围内,施钾

135 kg/hm2的前提下,当施氮240 kg/hm2、施磷85 kg/hm2左右时,产量达到9 400 kg/hm2.由氮钾(x1-x3)交互效应曲线可见,施磷90 kg/hm2的前提下,当钾肥用量较高时,适当减少氮肥用量也能获得高产,当施钾150 kg/hm2、施氮200 kg/hm2时,产量可达9 300 kg/hm2.磷钾(x2-x3)交互效应曲线显示,随着曲线环向右上或左下方变化,产量函数逐渐增加,表明在氮肥用量处于较高水平时,适当少施磷钾肥不会对产量造成负面影响,即在氮肥用量180～210kg/hm2的前提下,当施磷65kg/hm2、施钾75kg/hm2时,产量可达9600kg/hm2.

3.2.3 各交互肥效模型的优化为从交互效应模型挖掘水稻高产施肥参数的信息,仍采用模拟寻优频率分析法求解.基于本试验N、P2O5、K2O的施量范围(见表1),对于氮钾交互模型(2),产量目标y≥9 000 kg/hm2,给定约束:0≤x1≤270,步长△1=30;0≤x3≤202.5,步长△3=22.5.在所有可能的100个施肥组合中,满足目标要求的有40个,各指标的统计结果见表3.

由表3可知,在施P2O590kg/hm2的基础上,得到置信度达95%的施肥决策,即施N199.60～230.90kg/hm2, K2O106.63～146.50 kg/hm2,产量期望可达9 270.49～9 378.06 kg/hm2.

对于氮磷交互模型(3),设定产量目标y≥9 000 kg/hm2,给定约束:0≤x1≤270,步长△1=30;0≤x2≤135,步长△2=15.模拟筛选出满足要求的组合22个,各指标统计结果见表4.

由表4可知,在施K2O 135 kg/hm2前提下,置信度达95%的施肥决策为:施N 204.54～240.00 kg/hm2、P2O580.16～99.84 kg/hm2,产量期望可达9 158.04～9 271.97 kg/hm2.

对于磷钾交互效应模型(4),在产量目标y≥9000kg/hm2下,给定约束:0≤x2≤135,步长△2=15;0≤x3≤202.5,步长△3=22.5.通过模拟得出满足要求的组合55个,其统计结果见表5.

由表5可知,在施N180～210 kg/hm2条件下,置信度达95%的施肥决策为:施P2O558.38～77.99 kg/hm2, K2O79.65～115.08 kg/hm2,产量期望可达9 506.63～9 716.79 kg/hm2.

综合比较上述N、P、K全信息模型及3个交互肥效模型的模拟结果可以看出,N、P、K全信息肥效模型和磷钾交互肥效模型得到的施肥量相近,产量较高,施肥总量较少,所得施肥方案优于另外两个模型的施肥方案.由此得出,水稻新丰7号在中高肥力条件下高产施肥措施为:施纯N193.05～206.25 kg/hm2,P2O565.84～74.57 kg/hm2,K2O94.71～110.07 kg/hm2,产量期望可达9 658.83～9 808.46 kg/hm2.N、P、K最佳配比为1∶0.35∶0.51.

4 结论与讨论

适宜的配比施肥和施量能改善土壤养分结构,提高水稻对养分的吸收能力,对水稻增产起到有效的促进作用.本试验条件下,新丰7号的高产优化施肥决策为:施纯N 199.65 kg/hm2(95%置信区间193.05～206.25 kg/hm2),P2O570.21 kg/hm2(95%置信区间65.84～74.57 kg/hm2),K2O102.39 kg/hm2(95%置信区间94.71～110.07 kg/hm2),产量期望可达9 733.64 kg/hm2(95%置信区间9 658.83～9 808.46 kg/hm2).N、P、K最适配比为1∶0.35∶0.51,这与姚琳等[11]的研究结果相近,而与张国荣等[12]研究所得的最佳施肥配比有所不同,这可能与生态环境及耕田基础肥力的差异有关.

本试验通过考察施肥对水稻产量及其构成因素的影响发现,配比施肥比不施肥处理增产15.4%～62.2%,最好的施肥处理14比缺氮(处理1)、缺磷(处理4)、缺钾(处理3)分别增产30.98%、40.53%和15.42%.N、P、K全养分配比相应处理的产量都比缺素处理的高,配比施肥对水稻增产效果明显.

氮肥可促进稻株生长发育,但不可过量施用,否则会造成无效分孽多,植株易倒伏,病虫害加重,结实率下降,对水稻产量产生负效应.磷钾肥是水稻生长发育不可缺少的营养元素,可增强植株体内活力,促进养分合成与运转,增强光合作用,延长叶的功能期,有益于水稻增产.肥料施用种类、数量及比例,应根据不同土壤类型、土壤基础养分及产量水平来确定.在追求高产的目标下,应注重有机肥的补充,抓好秸秆还田.黄威等[13]研究指出,施用有机肥是提高土壤碳、氮活性成分的有效措施,化肥配比施用配合农田生态系统内有机养分循环利用能显著提高土壤微生物含量,且随着N、P、K合理配比程度的提高,有机养分循环利用使土壤微生物C、N、P的提高量呈上升趋势.有机养分循环利用既可提高土壤养分库容,又能有效降低化肥的损失,减轻环境污染,提高土壤养分的有效性,便于作物吸收,促成高产.至于在连年秸秆还田的基础上,增施有机肥减少N、P、K用量仍能保持水稻高产的高效生产模式,需进一步通过试验进行研究.

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（责任编辑：邓天福）

Discussion on nitrogen(N)-phosphorus(P)-potassium(K)fertilization parameters of high-yield rice in Northern Henan

ZHOU Yue1,TIAN Fang2,ZHU Yalei1,WANG Guifeng3,WANG Ronghua1,ZHANG Enhao1,CHEN
Rongjiang1
(1.Henan Institute ofScience and Technology,Xinxiang453003,China;2.XinxiangSoil&Fertilizer WorkingStation,Xinxiang453003,China;3.Henan Fengyuan Seeds Co.,LTD,Xinxiang453700,China)

In order to achieve the goal of high yield and high efficiency cultivation by exploring the optimum parameters of N,P,K based on medium-high fertility in Northern Henan,using the rice variety Xinfeng 7 as the experimental material,the test was modeled,simulated and optimized by the way of regression design,multiple quadratic regression,nonlinear optimization.The results showed that the effect on yield by prescription fertilization was better than non-fertilizer or elements deficiency and the effect of nitrogen deficiency,phosphorus deficiency was worse than potassium deficiency.By comparing the N-P-K fertilizer effect model with two-order interaction fertilizer effect model, the optimal decision was got∶N 193.05～206.25 kg/hm2,P2O565.84～74.57 kg/hm2,K2O 94.71～110.07 kg/hm2,optimized fertilization ratio∶m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=1∶0.35∶0.51,expected production:9 658.83～9 808.46 kg/hm2.Prescription fertilization is good for absorbing nutrition and improving the effect of fertilizer.

rice;prescription fertilization;polynomial regression;simulation and optimization

S511

A

1008-7516（2015）06-0008-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2015.06.002

2015-10-12

河南科技学院大学生创新项目(2014CX086)

周越(1986―),女,河南汤阴人,助教.主要从事应用统计教学与研究.

陈荣江（1962―）,男,河南辉县人,教授.主要从事应用统计教学与研究.