中高地力水平下谷子N、P、K肥效应研究

陈二影 秦 岭 丛新军 杨延兵 李国瑜 孔清华 管延安,,*

(1 山东省农业科学院作物研究所，山东 济南 250100；2 山东师范大学生命科学学院， 山东 济南 250014；3 泰安市农业科学研究院， 山东 泰安 271000)

谷子(Setariaitalica)起源于中国，是古老的农作物之一[1]，全国种植谷子面积约200万hm2，主要集中在华北、西北和东北地区[2]。谷子耐瘠薄、抗旱[3]、种植效益较高，是重要的农民增收作物。研究发现施肥是提高谷子产量和品质的重要途径[4-5]，但不合理的施肥水平和施肥措施易导致肥料利用效率降低[6-8]，同时造成农田生态环境的污染[9-11]。“3414”肥料试验是生产上用于确定最佳施肥量、施肥比例和建立施肥指标体系的主要方法，在水稻[12]、玉米[13]、小麦[14]、油菜[15]等主要作物中已开展了广泛的研究和应用。

近年来，关于谷子推荐施肥体系的研究已有大量报道。冯志威等[16]研究表明，当氮肥(N)施用量为175 kg·hm-2、磷肥(P2O5)施用量为94.3 kg·hm-2时，张杂谷5号的产量最高(6 629 kg·hm-2)；夏谷生产中，豫谷23的最佳施肥量为N 162.7 kg·hm-2、P2O5109.3 kg·hm-2、K2O 32.7 kg·hm-2 [17]；中量施肥(N 186.0 kg·hm-2+ P2O596.0 kg·hm-2)是半干旱地区谷子的最佳施肥量[18]；王晓军等[19]研究发现谷子“3414”推荐施肥中，以N为322.9 kg·hm-2、P2O5为33.0 kg·hm-2、K2O为139.1 kg·hm-2的处理下的谷子产量为最高；郝科星等[20]研究表明，谷子推荐施肥中，氮肥是提高谷子产量的决定性因素；但也有研究认为磷肥对产量的贡献起决定性作用，应适配氮钾肥[21-22]。目前，对谷子推荐施肥量的研究主要集中在单一地力水平下进行，缺乏系统性研究，且由于谷子生产受土壤肥力等因素的影响，产量变异范围较大。而关于谷子在不同地力水平下氮、磷、钾肥效应的研究尚鲜见报道。因此，本研究在中高2种地力水平下开展夏谷“3414”试验，明确适用于不同谷子地力水平下氮、磷、钾肥用量和比例，以期为夏谷生产中的科学施肥提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验于2015年在济南章丘相公镇(中地力)和泰安市农业科学研究院试验基地(高地力)进行。2个试验地的前茬作物均为小麦，试验供试土壤均为壤土。其中，中地力土壤含有机质19.7 g·kg-1、全氮1.31 g·kg-1、速效氮115.5 mg·kg-1、速效磷28.1 mg·kg-1、速效钾144 mg·kg-1；高地力土壤含有机质20.7 g·kg-1、全氮1.30 g·kg-1、速效氮124.6 mg·kg-1、速效磷36.6 mg·kg-1、速效钾146 mg·kg-1。氮肥为尿素(含N 46%)，磷肥为过磷酸钙(含P2O514%)，钾肥为氯化钾(含K2O 52%)。

供试品种：夏谷高产新品种济谷16，由山东省农业科学院育成。

1.2 试验设计

试验采用“3414”优化设计，共计14个处理，N、P、K每因素各设4水平，以不施肥(N0P0K0)为对照(表1)。每个小区面积为15 m2(长5 m、宽3 m)，共分为6行，随机区组排列，重复3次。小区种植密度为67.5万·hm-2，田间管理措施按标准大田生产进行。济南章丘试验田播种日期为6月24日，收获日期为9月26日。泰安试验田播种日期为6月25日，收获日期为9月27日。小区收获时，为防止边行效应影响，以中间4行计产。

表1 不同地力水平下谷子“3414”试验方案Table 1 Design of the “3414” fertilizer Experiment on foxtail millet under different soil fertility

1.3 计算公式

参照陈二影等[23]的方法，按照公式分别计算肥料增产率、肥料贡献率肥料贡献率(fertilize contribution rate, FC)、偏生产力(partial factor productivity, PFP)和农学效率(agronomic efficiency, AE)：

肥料增产率=(YF-YCK)/YCK×100%

(1)

FCR=(YF-YCK)/YF×100%

(2)

PFP=YF/F

(3)

AE=(YF-YCK)/F

(4)

式中，YF：施肥产量；YCK：对照产量；F：施肥量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2007进行数据处理；DPS软件进行方差分析；Sigmaplot软件进行图表制作。

图1 不同地力水平下施肥处理对谷子产量的影响Fig.1 Effect of different fertilizer treatments on foxtail millet yield under different soil fertility

2 结果与分析

2.1 不同地力水平下施肥处理对谷子产量的影响

由表2可知，不同地力水平间比较和肥料处理对谷子产量均存在显著效应(P<0.01)，但二者之间无显著交互作用(P>0.05)。由图1可知，在中、高地力水平下，各施肥处理与对照相比，均不同程度地提高了谷子产量，平均增产幅度分别为21.4%和12.7%，以中地力产田增幅较高。在中地力水平下缺氮(N0P2K2)、缺磷(N2P0K2)和缺钾(N2P2K0)处理与N2P2K2处理相比分别减产22.0%、10.5%和13.5%；在高地力水平下分别减产11.8%、13.3%和15.7%。表明缺氮对中地力产田影响最大，缺磷、钾对高地力产田的影响最大。

表2 地力水平和肥料处理的方差分析Table 2 Analysis of variance of soil fertility and fertilizer treatment

2.2 不同地力水平下氮、磷、钾肥的增产效应及肥料利用效率

由图2可知，在中地力水平下，氮肥增产率随着施肥水平提高呈逐渐降低的趋势；在高地力水平下，则呈先升高后降低的趋势。2种地力水平下，氮肥增产率表现为中地力产田(20.2%)大于高地力产田(7.9%)。磷肥增产率在高地力水平下随着施肥水平提高呈逐渐升高的趋势，以P3(16.3%)水平最高；在中地力水平下呈先升高后降低的趋势，以P2(10.5%)水平最高。钾肥增产率在中高地力水平下随着K肥水平的提高均呈先升高后降低的趋势，且均以K2(13.5%和15.7%)水平最高。2种地力水平间比较，磷、钾肥增产率表现为高地力产田大于中地力产田。

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。Note:Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level among treatments. The same as following.图2 不同地力水平下氮、磷、钾肥的增产率Fig.2 Increasing rate of nitrogen, phosphate, and potassium under different soil fertility

由图3可知，氮、磷、钾肥的肥料贡献率在2种地力水平下的变化与增产率表现出相同的趋势，在中地力水平下，分别以N1(19.6%)、P2(9.5%)和K2(11.9%)水平最高；高地力条件下，分别以N2(10.6%)、P3(14.0%)和K2(13.5%)水平最高。且中地力水平下氮肥的平均贡献率(16.7%)高于高地力水平(7.2%)；磷肥和钾肥平均贡献率则均以高地力水平(11.1%和10.7%)下最高，分别较中地力水平高6.1%和8.2%。

图3 不同地力水平下氮、磷、钾肥的贡献率Fig.3 Contribution rate of nitrogen, phosphate, and potassium under different soil fertility

由图4可知，氮、磷、钾肥的偏生产力在2种地力水平下均随着施肥水平的提高呈逐渐降低的趋势，其中钾肥的偏生产力最高。氮、磷、钾肥的偏生产力在高地力水平下均显著高于中地力水平。

图4 不同地力水平下氮、磷、钾肥的偏生产力Fig.4 Partial factor productivity of nitrogen, phosphate, and potassium under different soil fetility

由图5可知，氮肥的农学效率在中地力水平下随着氮肥水平的提高呈逐渐降低的趋势，磷、钾肥的农学效率均呈先升高后降低的趋势，分别以P2(4.1 kg·kg-1)和K2(20.6 kg·kg-1)水平最高。高地力水平下，氮肥农学效率随着氮肥水平提高呈先升高后降低的趋势，以N2(5.1 kg·kg-1)最高；磷、钾肥农学效率均随着施肥水平的提高呈逐渐降低的趋势，分别以P1(8.8 kg·kg-1)和K1(35.3 kg·kg-1)水平最高。氮肥的农学效率在中地力水平下高于高地力水平，而磷、钾肥农学效率均以高地力水平下最高。

图5 不同地力水平下氮、磷、钾肥的农学效率Fig.5 Agronomic efficiency of nitrogen, phosphate, and potassium under different soil fertility

2.3 不同地力水平下氮、磷、钾肥的交互作用

由图6、表3可知，在不同地力水平下，谷子氮、磷、钾肥间均存在明显的交互作用，且表现出不同的变化趋势。在中地力水平下，在P2水平下，氮肥从N1到N2水平下的增产量、农学效率和增产率随着钾肥水平的增加(K1～K2)而提高；钾肥从K1到K2水平下的增产量、农学效率和增产率随着氮肥水平的增加(N1～N2)而提高。在N2水平下，磷肥从P1到P2水平下的增产量、农学效率和增产率随着钾肥水平的增加(K1～K2)而提高；钾肥从K1到K2水平下的增产量、农学效率和增产率随着磷肥水平的增加(P1～P2)而提高。在推荐K2水平下，氮肥从N1到N2水平下的增产量、农学效率和增产率随着磷肥水平的增加(P1～P2)而降低；磷肥从P1到P2水平下的增产量、农学效率和增产率均随着氮肥水平的增加(N1～N2)而降低，表明中地力水平下，氮钾、磷钾间存在促进作用，而氮磷间存在抑制作用。在高地力水平下，氮、磷、钾肥的增产量、农学效率和增产率(1～2水平)在其他肥料的高水平条件下(P2、K2和N2)均降低，表明在高地力水平下，氮、磷、钾肥间均存在明显的抑制作用。

图6 不同地力条件谷子不同施肥水平下增产率Fig.6 Increase rate of nitrogen, phosphate, and potassium with different fertilizer level under different soil fertility

处理Treatment中地力 Middle soil fertility高地力 High soil fertility增产量/(kg·hm-2)农学效率/(kg·kg-1)增产量/(kg·hm-2)农学效率/(kg·kg-1)N1P1K2----N2P1K2-40.5-0.5595.97.9N1P2K2----N2P2K2-100.5-1.3384.75.1N1P2K1----N2P2K1-354.0-4.7587.57.8N1P1K2----N1P2K2388.56.5383.46.4N2P1K2----N2P2K2328.55.5172.22.9N2P1K1----N2P2K181.01.4387.56.5N1P2K1----N1P2K2150.010.0500.033.3N2P2K1----N2P2K2403.526.9297.219.8N2P1K1----N2P1K2156.010.4512.534.2

注: 农学效率=(Y2-Y1)/(F2-F1)；Y2：2施肥水平的作物产量；Y1：1施肥水平的作物产量； F1和F2均代表肥料的施用量; -表示不存在。

Note: Agronomic efficiency=(Y2-Y1)/(F2-F1). Y2: The yield of 2 fertilizer level. Y1: The yield of 1 fertilizer level. F1and F2mean the amount of fertilizer application. ‘-’ means no value.

2.4 氮、磷、钾肥的效应方程与推荐施肥量

通过对谷子产量和氮、磷、钾肥用量分别进行回归分析，得到氮、磷、钾肥的一元二次回归方程和最优施肥量(图7、表4)。结果表明，2种地力水平下氮、磷、钾肥各回归方程均具有显著性(P<0.05)。氮、磷、钾肥的回归分析在2种地力水平下表现出不同的变化趋势。氮、钾肥在2种地力水平下均随着施肥量的增加呈先升高后降低的趋势；在中地力水平下，磷肥随着施用量的增加呈先升高后降低的趋势，而在高地力水平下则呈逐渐增加的趋势。在中-高地力水平下，氮(N)、磷(P2O5)、钾肥(K2O)的最佳施肥量分别为142.1、125.4、34.0 kg·hm-2和149.7、180.0、33.2 kg·hm-2。选择三元二次肥料效应模型对氮、磷、钾肥进行拟合，得到氮、磷、钾肥料效应方程(表5)，根据回归分析发现在中、高地力水平下，当氮肥(N)、磷肥(P2O5)、 钾肥(K2O)用量分别为205.5、89.0、45.0 kg·hm-2和149.7、180.0、45.0 kg·hm-2时，谷子籽粒产量达到最高值，分别为5 181.1和7 826.4 kg·hm-2。以氮肥(N)4.20元·kg-1、磷肥(P2O5)8.30元·kg-1、钾肥(K2O)3.60元·kg-1、谷子4.50元·kg-1的价格计算，在中、高地力水平下，氮肥用量分别为189.3和141.2 kg·hm-2时，磷肥(P2O5)用量为61.1和180.0 kg·hm-2，钾肥(K2O)用量为45.0和45.0 kg·hm-2时，获得最佳经济产量分别为5 145.4和7 813.5 kg·hm-2。

图7 不同地力水平下氮、磷、钾肥单因素模拟分析Fig.7 Model analysis of nitrogen, phosphate, and potassium fertilizer under different soil fertility

地力水平Soil fertility肥料Fertilizer肥料效应方程Fertilizer response equation相关系数R2最优施肥量Optimum fertilizer amount/(kg·hm-2)中地力Middle soil fertility氮肥NY=4 289.575+14.701X -0.052X20.938142.1磷肥P2O5Y=4 639.410+6.696X -0.027X20.798125.4钾肥K2OY=4 510.035+31.909X -0.469X20.84534.0高地力High soil fertility氮肥NY=6 424.050+8.539X -0.029X20.739149.7磷肥P2O5Y=6 403.005+9.976X -0.023X20.998180.0钾肥K2OY=6 240.685+56.029X -0.843X20.96533.2

表5 不同地力水平下谷子三元二次的效应方程和推荐施肥量Table 5 Triadic quadratic response equations of nitrogen, phosphate, and potassium and recommend fertilizer amount under different soil fertility

注：X1、X2、X3分别表示N、P、K肥的施用量。

Note:X1,X2,X3represent N,P,K fertilizer rate, respectively.

3 讨论

施肥能够提高作物产量，但产量和肥料的利用效率均会受土壤肥力水平的影响[24]，施肥水平要与产量相协调[25]。华北夏谷生产中，由于受土壤肥力水平的影响，谷子产量的变异较大。目前，关于谷子推荐施肥量的研究主要集中在单一土壤肥力水平下，缺乏系统性的研究。本试验选取中高2种土壤肥力进行氮、磷、钾肥的效应研究，结果表明，施用氮、磷、钾肥均能显著提高谷子产量，且在中地力水平下增产幅度更大。山东省农业科学院作物研究所谷子团队前期研究表明，在中等肥力水平条件下，肥料对谷子产量的影响表现为氮>钾>磷[21]；也有研究表明，磷肥是影响产量的重要因素[16]，其对谷子产量的贡献大于氮钾[26]。作物生产中，随着施肥水平的提高，肥料利用效率呈下降的趋势[27-29]。研究表明，在谷子生产中，当超过一定的施肥量时，谷子的产量不再增加，肥料利用效率、偏生产力和农学效率均呈下降的趋势[18, 21, 30]。本研究发现在2种地力水平下，氮、磷、钾肥的偏生产力均随着施肥水平的提高而降低，这与前人研究结果一致。本研究结果表明，氮、磷、钾肥的农学效率在2种地力水平下随着施肥水平的变化表现出不同的趋势；氮肥的农学效率以中地力水平更高，且随着施肥量的提高呈降低的趋势，表明中地力水平下单位氮肥的生产能力较高，应适当提高氮肥的用量和比例；磷、钾肥的农学效率以高地力水平较高，表明在高地力水平下，单位磷钾肥的生产能力较强，可以适当提高磷钾肥用量。

氮、磷、钾肥间存在明显的交互作用。张美俊等[31]研究表明，氮、磷、钾肥间存在不同程度的正交互作用，配合施用能够提高肥效和促进糜子的生长。在黍子[32]、矮牵牛[33]和紫云英[34]等研究中，也发现氮、磷、钾肥间存在交互作用，且具有加和效应。山东省农业科学院作物研究所谷子团队前期研究发现谷子生长中，氮钾、磷钾间存在正交互作用，氮磷间存在负交互作用[21]。本研究表明，在中等地力水平下，氮磷间存在负交互作用，氮钾、磷钾间存在正交互作用，与前人研究一致；而在高地力水平下氮、磷、钾间均存在负协同效应。因此，谷子生产中，氮、磷、钾肥间的交互作用是随着地力水平发生变化的。在不同的地力水平下，应选择合适的氮、磷、钾肥配比，从而提高肥效及产量。

通过对谷子产量和氮、磷、钾肥施用量分别进行单因素回归分析，结果表明氮肥在中高地力水平下均随用量的提高呈先增加后降低的趋势，最佳氮肥用量分别为142.1和149.7 kg·hm-2。磷肥在中高地力水平下的最佳施肥量分别为125.4和180.0 kg·hm-2。钾肥在中高产水平下，均呈先升高后降低的趋势，最佳施肥量分别为34.0和33.2 kg·hm-2。模拟结果显示，中、高地力水平下最高产量时的氮、磷、钾肥用量分别205.5、89.0、45.0 kg·hm-2和149.7、180.0、45.0 kg·hm-2时，谷子籽粒产量达到最高值分别为5 181.1和7 826.4 kg·hm-2。同时以氮肥(N)4.20元·kg-1、磷肥(P2O5)8.30元·kg-1、钾肥(K2O)3.60元·kg-1、谷子4.5元·kg-1价格计算，在中高产量水平下，经济产量最高时的氮、磷、钾肥用量分别为189.3、61.1、45 kg·hm-2和141.2、180.0、45.0 kg·hm-2。因此，在谷子生产中，在中地力水平下应提高氮肥的用量和比例；在高地力水平下应提高磷肥的用量，同时重视钾肥的施用。

4 结论

施用氮、磷、钾肥均对谷子产量存在明显的增产效应，中地力条件下增产幅度更大，氮肥增产效果大于磷钾肥；高地力水平下磷钾肥增产大于氮肥。氮、磷、钾肥间存在明显的交互作用，高地力水平下交互作用均为负效应。氮、磷、钾肥的偏生产力随着施肥水平的提高逐渐降低，以钾肥最高；氮肥农学效率以中产水平最高，磷钾肥农学效率以高产地力水平最高。