新疆膜下滴灌高产春玉米水肥优化研究

2017-11-30郭斌赵新俊王璞柳延涛梁飞焦天奇王友德

江苏农业科学 2017年20期

郭斌+赵新俊+王璞+柳延涛+梁飞+焦天奇+王友德

摘要：为研究新疆北疆膜下滴灌玉米水肥耦合规律，在玉米高密度116 596.7株/hm2、宽窄行（90 cm+30 cm）配置的基础上，以耐密品种郑单958为试验材料，采用二次回归通用旋转组合设计，进行北疆春播膜下滴灌玉米4因素[灌水量（z1）、施氮量（z2）、施磷量（z3）、施钾量（z4）]组合施肥对产量影响的初步研究。以产量为因变量，获得回归方程：y=-1 040.7-0.000 053 165z12-0.003 7z22-0.016 9z32+0.000 173 05z1z2+0.461 7z1+2.571 5z2+5.863 1z3。因素效应分析结果表明，在缺氮、中磷、富钾的土壤肥力情况下，各因素对产量的影响大小表现为氮肥>水分>磷肥，钾肥对产量的影响不显著。因素交互作用分析表明，只有水氮存正向互作，当灌水量5 118 m3/hm2、施氮肥 477.15 kg/hm2、施磷肥179.85 kg/hm2、施钾肥0 kg/hm2时，理论产量最高，为18 831.75 kg/hm2。通过95%置信区间计算，在生产上推荐采用密度116 655株/hm2、宽窄行（90 cm+30 cm）的种植模式；推荐在灌水量4 849.5～5 317.5 m3/hm2、施氮肥量431.85～484.95 kg/hm2、施磷肥量149.55～160.50 kg/hm2范围内选择配置，有95%的置信度使产量大于140 88.75 kg/hm2。

关键词：春玉米；膜下滴灌；水肥优化；回归方程；效应分析

中图分类号： S513.06；S513.07 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）20-0088-05

玉米的膜下滴灌种植技术是近年来迅速发展的一项新技术，它能够起到节水减肥、增温保墒、加密增产的作用，并能做到随水施肥，实现水分和养分的同步供给[1]。合理水肥管理是实现产量提高协同资源高效利用的重要途径，开展北疆膜下滴灌玉米水肥优化调控技术的研究，对于新疆干旱区玉米产业的可持续发展具有重要意义。

目前，国内关于非滴灌条件下，不同密度、灌溉和施肥对产量的效应、耦合机制及耦合模型的研究已有很多报道[2-3]。李万星等对膜下滴灌玉米的研究主要集中在不同的灌水和施肥方式与滴灌玉米水肥利用的比较方面[4]。郭松年等认为，关于滴灌玉米不同的肥料配比与水肥耦合的研究还不多见[5]。研究一致表明，与传统栽培技术相比膜下滴灌技术具有显著的增产效应和较高的水分利用效率[6]。李彦斌等研究表明，滴灌和大水漫灌相比节水40%～46%，灌溉水利用系数可达 95%以上[7]。刘一龙等研究表明，膜下滴灌的玉米产量可达15 120 kg/hm2，水分利用效率为 2.843 0 kg/hm2[8]。张国桥等研究表明，液体磷肥 100%以追肥的方式随水滴施可显著改善玉米生育中后期的磷素营养条件，并提高产量及石灰性土壤玉米对磷肥的吸收利用效率，磷肥利用率可达406%[9]。郭丙玉等研究表明，水氮一体化施肥可实现滴灌玉米产量与水、氮利用效率的共同提高，氮素偏生产力和氮肥利用率分别达122 kg/hm2和45.00%[10]。徐杰等研究表明，在大田试验中，滴灌水氮一体化处理在各密度下均较自然降雨+氮肥底施的玉米产量显著提高，在高密度（90 000株/hm2）时，滴灌水氮一体化处理产量最高，为 14 268.9 kg/hm2，显著高于表施氮肥+大水漫灌处理[11]。梁飞等分别基于不同施肥水平研究玉米膜下滴灌技术，结果表明，不同地区的土壤性能和肥力不同，滴灌肥料对产量影响效应的大小排序也不尽相同[12-13]。因此，按照不同地区的土壤基础肥力，合理调整各种肥料的施用量，找到适合该地区玉米高产栽培的化肥管理模式，就显得格外重要。

当前，膜下滴灌玉米基本上都采用宽窄行配置的模式，但在生产中宽窄行配置有（60 cm+40 cm）、（70 cm+40 cm）、（80 cm+40 cm）、（60 cm+30 cm）等多种，并且存在着肥水投入量和配比不合理的现象[14-15]。因此，在前期的研究中，笔者通过比较发现，（90 cm+30 cm）的株行配置能够有效提高新疆高密度玉米群体的光合能力，稳定提高玉米产量。在此基础上，本研究于北疆春播中晚熟玉米生产区，在绿洲干旱区高密度（116 596.7株/hm2）膜下滴灌宽窄行（90 cm+30 cm）栽培条件下，研究水肥一体化施肥中氮、磷、钾的配比对产量的影响，确定最佳的水、氮、磷、鉀肥配比和投入量，分析了滴灌玉米的水氮耦合效应，旨在优化北疆滴灌玉米水肥一体化施肥技术，为实现玉米高产协同水肥养分资源高效利用提供依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点基本概况

试验地位于新疆沙湾县乌兰乌苏绿洲农田生态与农业气象试验站内。

1.1.1 地理位置位于85°49′E、44°17′N，海拔468.2 m。属中温带干旱温暖农业气候类型生态区[11]。

1.1.2 土壤情况试验田土壤为壤土，有机质含量1.6%，全氮含量0.125%，碱解氮含量54 mg/kg，全磷含量0.204%，速效磷含量15 mg/kg，速效钾含量209 mg/kg，pH值7.9。前茬作物为棉花。土壤肥力表现为有机质、可溶性氮含量低，可溶性磷含量中等，可溶性钾含量高。秋翻整地，翌年春季再进行机械化耙地待播。

1.1.3 试验期间气候概况 2013年4—10月，生长季节日照时数2 246.4 h，≥10℃活动积温3 795.7 ℃，生长季节月降水量158 mm，蒸发量1 363 mm，初霜时间为4月6日，终霜时间为10月1日。

1.2 试验设计

在前期研究确定玉米高产种植方式（滴灌、种植密度 10 793～117 000株/hm2、窄行30 cm、宽行90 cm，滴管带铺设在30 cm窄行间）下，根据土壤肥力状况，采用水、氮、磷、钾4因素5水平二次回归通用旋转组合的试验设计，进行滴灌玉米水肥高效优化设计的试验研究[12]。种植布局共设8个行区，行长5.5 m，小区面积26.4 m2，共31个小区。具体设计见表1。endprint

1.3 田间管理

播种前整地达到“干、松、碎、齐、平、净”和上虚下实的质量标准，根据试验小区行长、幅宽、90 cm+30 cm的宽窄行设计以及在正南行向的种植条件，采用人工插竹签标记进行小区及播种行的规划。将滴头间距30 cm、流量3.2 L/h的滴灌带人工铺设于30 cm窄行间，然后再人工将宽70 cm、厚度>0.1 mm的薄膜覆盖在30 cm窄行上。选用大小均匀、发芽率高的郑单958玉米單交种的种子，采用人工带尺露地穴播方式进行播种，播种时种子下粒均匀、深浅一致。播种后，将地头出水口用水带、辅管与小区的水表、肥料罐、毛管（滴灌带）相连接并检查不漏水后，滴第1水，要求滴水均匀，确保出全苗。采用玉米种子干播滴水出苗和田管免耕作业以及拔节至吐丝期间进行水肥调控创建滴灌春玉米“塔型”冠层群体的高产群体调控技术。3叶期（离乳期）滴第2水。大口期（展开叶12～13张，可见叶18～20张）滴第3水，全生育期滴水12次（包括出苗水和离乳水）。从第3水开始滴水施肥，根据各处理小区滴水量、施氮量、施磷量、施钾量的不同要求共分10次平均分配滴施（表2）。

拔节前人工定苗并喷施玉米苗后专用除草剂耕杰（5%甲基磺草酮+20%莠去津悬浮剂，每666.7 m2用药125 mL，兑水15～30 kg）。全生育期滴水12次（包括出苗水和离乳水）。

1.4 测产方法

10月8日统一收获，每个处理小区收取中间4行（13.2 m2），收获时各处理小区选择有代表性、典型、生长正常的定点定株样20株收获考种，折算各处理小区的生物、经济产量。试验数据处理使用Excel、Matlab、DPS 6.55统计软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 回归方程的建立与检验

对试验结果运用DPS软件进行统计分析，以灌水量（x1）、施氮量（x2）、施磷量（x3）、施钾量（x4）4项为决策变量，以2013年小区籽粒产量的平均值（国家标准水分14%）为因变量（表3），建立的数学模型为y=1 198.564 29+72.077 5x1+110.165 00x2+60392 50x3+5.876 67x4+48.670 00x1x2-22.920 00x1x3+8.193 75x1x4-13.247 50x2x3+4.856 25x2x4-1388 75x3x4-119620 86x12-129.499 61x22-94.835 86x32+9.009 14x42。

方程的失拟显著性分析（表4）显示，F1=2.009，P>0.1，失拟不显著，表明未控制因素对试验结果的影响不显著。F2=10.272，P<0.01，说明回归模型达到了极显著水平。将模拟方程理论产量与试验产量进行相关性分析，相关系数 R2=94.4，表明试验所建立的模型与实测值拟合程度较好，可以对模型进行优化分析。

由表4的偏回归系数显著性检验得出，4个因子对产量影响中x1、x2、x3一次项达到极显著水平，x4未达到准显著水平；4个因子中的二次项除x4外，都达到了极显著水平；交互项中只有x1x2的互作，对玉米产量的影响达到了显著水平，其余交互项并没有达到显著水平，所以通过在α=0.10水平剔除不显著项，简化后的回归方程为

y=119 8.564 29+72.077 5x1+110.165 00x2+60.392 50x3+48.670 00x1x2-119.620 86x12-129.499 61x22-94.835 86x32。

式中：x1、x2、x3、x4为编码变量，分别将x1=（z1-4 500）/1 500、x2=（z2-375）/187.5、x3=（z3-150）/75、x4=（z4-150）/75代入上述方程式可得到本试验条件下灌水量（z1）、施氮量（z2）、施磷量（z3）、施钾量（z4）4个因素与产量的回归方程为

y=-1 040.7-0.000 053 165z12-0.003 7z22-0.016 9z32+0.000 173 05z1z2+0.461 7z1+2.571 5z2+5863 1z3。

根据函数的极值理论，由函数对各自变量的偏导数都等于零，可求得函数取最大值时各自变量的值。通过上述要求进行计算得到，当灌水量z1=5118 m3/hm2、施氮肥量z2=477.15 kg/hm2、施磷肥量z3=179.85 kg/hm2、施钾肥量 z4=0 kg/hm2时，理论产量最高，为18 831.75 kg/hm2。

2.2 试验因素效应分析

2.2.1 主效应分析二次通用旋转回归设计所得到的回归模型是经无量纲编码线性代换后求得的，因此其偏回归系数已经标准化，偏回归系数的大小可直接反映变量对产量的影响程度。由于此方程的一次项系数x1、x2、x3对产量的影响都达到极显著水平，且系数均为正值，说明水分、氮肥、磷肥均对产量的提高有极显著作用，其中氮肥的作用最大，而x4未达到显著水平，说明在本试验条件下，钾肥对产量的贡献率不大。方程的二次项都为负值，说明水、氮、磷3因素对产量的影响都是开口向下的抛物线模型，均存在最优值。模型二次项系数|x2|>|x1|>|x3|，说明在本试验条下，产量对氮肥比水分和磷肥的响应更敏感。研究表明，氮肥、磷肥对玉米有明显的增产效果，在一定范围内，产量随着施肥量的增加而提高，当超过临界值时，产量反而降低。通过单因素效应分析（图1）发现，当各因子的编码水平达到0～0.5水平时，产量达到最高，而高含量的钾对产量影响不显著，但对于维持高产是必须。

单因素方程为

y水=1 198.564 29+72.077 5x1-119.620 86x12（x2=0，x3=0，x4=0）；

y氮=1 198.564 29+110.165 00x2-129.499 61x22 （x1=0，x3=0，x4=0）；endprint

y磷=1 198.564 29+60.392 50x3-94.835 86x32（x2=0，x1=0，x4=0）；

y钾=1 198.564 29（x1=0，x2=0，x3=0）。

2.2.2 互作效应分析根据方程y=1 198.564 29+72.077 5x1+110.165 00x2+60.392 50x3+48.670 00x1x2-119.620 86x12-129.499 61x22-94.835 86x32可知，在互作效應中只有x1x2互作达到显著水平。采用降维法，将x3、x4因子的编码值设定为0水平，可以得出x1和x2 2个因素对于玉米产量的回归效应方程为y=1 198.564 29+72.077 5x1+110.165 00x2+48.670 00x1x2-119.620 86x12-129.499 61x22，通过计算可得两因素互作对产量的影响（表5）。

x1x2的系数为正值，因此只有x1与x2编码值正负符号一致时，才会对产量产生正效应，说明水分与氮肥对产量的影响存在协同效应。因此，在磷肥和钾肥水平合理的情况下，提高滴灌水量和提高氮肥浓度，有利于提高产量。但由于受 -x12 和-x22限制，灌水量和施氮量过高和过低都不利于玉产产量的形成。因此，高产区在x1的0～0.5编码水平区域、x2的0～1编码区域集中分布，也就是灌水量分布在6 750～7 875 m3/hm2、施氮肥量分布在450～675 kg/hm2区域内，产量在x1x2编码水平为（0.5，0.5）时最高，为18 585 kg/hm2。

2.2.3 玉米产量模拟寻优由回归方程可以计算出，灌水量z1=5 118 m3/hm2、施氮肥量z2=477.15 kg/hm2、施磷肥量 z3=179.85 kg/hm2、施钾肥量z4=0 kg/hm2时，理论产量最高，为18 831.75 kg/hm2。但是对于大面积生产实践而言，理论上的最高产量并不代表生产实际的最佳值。在本试验编码范围（-2≤xi≤2）的525套组合方案中，利用DPS软件模拟运算，筛选出玉米产量>14 088.75 kg/hm2的20个方案，对其进行频率分析，结果见表6。

通过95%置信区间计算，在生产上推荐采用密度 116 655株/hm2、宽窄行（90 cm+30 cm）的种植模式；推荐在灌水量4 849.5～5 317.5 m3/hm2、施氮肥量431.85～484.95 kg/hm2、施磷肥量149.55～160.50 kg/hm2范围内选择配置，有95%的置信度使产量大于14 088.75 kg/hm2。

3 结论与讨论

提高玉米产量的途径有2条：一是提高种植密度，即以群体效应为主；另一个是提高水肥利用效率，配合施用氮、磷、钾肥，使肥料相互促进，提高供肥能力，最终达到增产的目的[16]。本研究在以耐密品种郑单958为试验材料、玉米高密度（116 655 株/hm2）种植、宽窄行（90 cm+30 cm）配置的基础上，采用水、氮、磷、钾4因素5水平二次回归通用旋转组合设计，获得y=1 198.564 29+72.077 5x1+110.165 00x2+60392 50x3+48.670 00x1x2-119.620 86x12-129.499 61x22-94.835 86x32方程，当灌水量为5 118 m3/hm2、施氮肥量z2=477.15 kg/hm2、施磷肥量z3=179.85 kg/hm2、施钾肥量z4=0～150 kg/hm2时，理论产量最高，为18 831.75 kg/hm2。郭丙玉等在新疆同一地区种植密度≥105 000株/hm2、宽窄行（80 cm+40 cm）滴灌玉米田间试验条件下，灌溉定额为4 500～6 750 m3/hm2，施氮量为567.0 kg/hm2时，玉米产量最高，为18 072 kg/hm2[10]，本研究结果与其相似。本研究在提高产量的同时，提高了水氮的利用效率。说明膜下滴灌区域集中供肥方式，能够有效减少株间的营养竞争，通过进一步缩小窄行，加大宽行，可增加行间的通风透光性能，改善玉米的群体光合能力。

刘秀珍等研究不同水肥条件对玉米产量的影响，建立了灌水量、氮肥和钾肥施用量对玉米产量影响的数学模型；因素效应分析结果表明，影响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大小依次为氮、水>钾、水>氮、钾[17]；孙文涛等在滴灌施肥条件下通过对玉米产量结果进行二次回归拟合，建立了水肥回归数学模型；因素效应分析结果表明，影响玉米产量的主要因素是氮肥用量，其次是灌水量和磷肥用量；各因素交互作用对玉米产量的影响都表现为正效应，其因素效应顺序为氮、水>磷、水>氮、磷；从产量角度评价，以较高氮肥用量、高磷肥用量和丰富灌水量为水肥调控的最佳组合[18]。在本试验条件下，氮肥、灌水量、磷肥能够明显促进玉米产量的提高，并符合报酬递减定律，过量施肥、灌水会引起明显的负效应，造成玉米减产，因素大小表现为氮肥>水分>磷肥，这与孙文涛等的研究结果[18]相同，而与温利利等因素效应次序[19]略有不同。但都表明，水与氮对产量的作用大于磷和钾；在本试验中，钾肥的作用不显著，原因可能是本试验地土壤中的有效磷含量很高，影响了试验的结果。互作效应分析表明，水氮存在互作并且为正效应，水分供应可以促进肥料转化及吸收，提高肥料利用率，这与其他文献的研究报道[6，10-12]相同。但磷肥与其他因素的互作在本试验中的效应不显著，可能是磷肥以液体的形态随水滴灌施用，能够减少磷的固定并提高磷肥利用效率[9]。本试验在缺氮、中磷、富钾的土壤肥力情况下，对氮、磷、钾露地滴灌条件下的玉米高产群体进行了水肥优化的研究。以产量为因变量，以不同的水分和元素肥料为自变量，通过二次回归通用旋转组合设计而求得拟合方程。其优点是试验设计完善，得到数据和建立模型容易，缺点是不同田块情况各异，一个田块建立的模型无通用性，必须进行多个田块严格的试验和实践检验，使模型具有通用性。因此，理论上的最高产量，并不意味着在实际生产中具有可重复性，因此，需要根据土壤本身的质地与肥力状态加以调整。在生产上推荐采用密度116 655株/hm2、宽窄行（90 cm+30 cm）的种植模式，通过95%置信区间的计算，在推荐的灌水量 4 849.5～5 317.5 m3/hm2、施氮肥量431.85～484.95 kg/hm2、施磷肥量14955～160.50 kg/hm2范围内选择配置，有95%的置信度使产量大于14 088.75 kg/hm2。endprint

在建立玉米高产群体结构的基础上，进行膜下滴灌水肥一体化的优化研究，是新疆干旱区实现滴灌玉米高产高效的关键技术措施。本研究初步建立了高密度的玉米栽培水肥一体化数学模型，为下一步水肥优化管理指明了方向，并为密度116 655株/hm2、宽窄行（90 cm+30 cm）种植新模式的推广奠定了基础。

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