滴灌条件下氮磷钾肥配施对玉米株高、光合速率及产量的影响

2020-12-28薛垠鑫刘根红王晓钰

甘肃农业大学学报 2020年6期

薛垠鑫,刘根红,王晓钰

(宁夏大学农学院,宁夏银川 750021)

近年来宁夏引黄灌区在“1+4”产业驱动及种植业结构调整下，2019年玉米播种面积占灌区粮食作物总播种面积的45.7%，玉米播种面积稍有压缩，但玉米依然是灌区四大优势作物之一.由于水资源限制及农业现代化高产高效栽培要求，引黄灌区玉米栽培技术由大水漫灌改为水肥一体化滴灌.滴灌技术在田间实现了少量多次追肥灌水，打破了玉米花后田间密闭难以追肥的困境，使土壤养分供应与作物吸收同步，减少了水肥损失，提高了资源利用效率[1]，正逐渐成为灌区未来玉米栽培的主要模式.滴灌条件下水、肥仍是玉米产量的决定因素，前人围绕水肥耦合效应已做了大量研究[2-4]，但是当前对肥料耦合效应以及额定灌水条件下科学施肥量仍不明确.有专家认为不同灌溉水平下都有一个最适宜的施肥量，合理施肥能充分发挥水肥耦合效应，获得较高的产量，且减少肥料损失[5-6].氮、磷、钾是玉米生长所需的大量营养元素，施肥可以增加土壤速效养分含量以供应作物吸收利用，对玉米产量贡献较大[7].窦超银等[8]研究显示，随着施肥量的增加，株高、叶面积以及干物质量逐渐增加，增产显著.尚文彬等[9]研究发现施肥量达到阈值后玉米产量表现为降低趋势.施肥过量作物容易倒伏，抗病虫能力减弱，还引发水体、大气和土壤污染，带来资源浪费、经济收益下降等问题[10-12].不施氮、磷、钾中任意一种养分均会限制作物对另两种养分的吸收以及转运，养分在营养器官奢侈积累，转运到籽粒的量减少，造成减产[13].因此，在定额灌水条件下合理运筹氮、磷、钾肥，最大程度发挥肥料正交互作用，达到以水调肥、以肥促水的功效是实现肥料高效利用、作物高产的重要措施.

宁夏引黄灌区多年研究已表明，自然降水条件下玉米最佳灌水量是2 700 m3/hm2[14-16]，但是当前对氮、磷、钾肥间耦合效应以及科学施肥量仍不明确.本试验采用二次通用旋转设计方法，在相同灌水量的条件下设置氮、磷、钾5个施肥水平，研究氮、磷、钾在不同配施水平下对玉米株高、净光合速率及产量的影响，找到与额定灌水量相匹配的最佳施肥量以及肥料配比，为宁夏引黄灌区滴灌玉米生产实践提供技术支持.二次通用旋转组合设计是正交回归组合设计中的一种，具有旋转性，可有效地减少试验处理数，在获得试验数据后可以对其作回归分析，不但能够得出自变量及其交互作用对因变量的影响程度大小，还可以求得在自变量取值范围内因变量的阈值[17]，该方法已在小麦、棉花和饲用大麦等多种作物上应用[18-20].

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在银川平吉堡四队(N 38 °，E 106 °) 试验基地进行，该地区处于宁夏平原引黄灌区中部，水资源丰富，海拔1 100 m.2019年平均气温10.8 ℃，玉米生育期内(4月25～9月21)平均气温为15.1 ℃.≥10 ℃积温天数为194 d，日照时数为2 658 h，降水量为212 mm，蒸发量为1 257 mm.试验地前茬作物为玉米，土壤类型为淡灰钙土，土壤质地为轻壤土.基础地力是：有机质11.86 g/kg，全氮0.80 g/kg，碱解氮49 mg/kg，速效磷11.40 mg/kg，速效钾127.50 mg/kg，pH值7.68.

1.2 试验设计

供试玉米品种为‘天赐19号’，生长期149 d.供试肥料为尿素(N 46% )、磷酸一铵(P2O562%；N 12%)、硫酸钾(K2O 50%)，都为水溶性肥料.为了试验符合三因素二次通用旋转组合设计法建模要求[21]，本试验将氮、磷、钾肥三因素编码为X1、X2、X3，并设5个施肥水平，其中0水平为氮、磷、钾常规施肥量，γ水平为0水平×2，-γ水平指不施肥，1水平为0水平+Δj，-1水平为0水平-Δj(表1).试验设20个处理(表2)，3次重复，区组间(重复)设1 m保护行，共60个小区，每个小区面积81.4 m2(18.5 m×4.4 m).采用宽窄行单种，平均行距55 cm(宽行70 cm，窄行40 cm)，每小区种8行，株距20.2 cm，种植密度90 000株/hm2.

表1 试验因素水平编码

表2 试验处理方案

田间管理：采用一管两行灌溉技术，铺设主管道走道1.5 m，各小区独立滴灌，每两行设一个滴灌带.滴灌带铺设于窄行正中间，即每个小区铺设4条滴灌带，滴灌带间隔1.1 m.管道均采用PVC-U管件，支管直径Φ75，辅管道Φ40，滴头间距30 cm，带流速1.38 L/h.肥料随水流入田间，全生育期滴水10次，单次灌水量分别为270 m3/hm2，总用水量2 700 m3/hm2.全生育期施肥8次，施肥时间以及每个生育时期施肥量占总施肥量比例见表3.其他田间管理措施同常规大田生产.

表3 水肥管理

1.3 测定项目和方法

1.3.1 土壤理化性质测定在播种前取试验地0～20 cm耕作层土样，自然风干，风干土样过1 mm筛后于宁夏大学农艺实验室测定土壤理化性质.土壤酸碱度釆用酸度计测定；土壤有机质用重铬酸钾容重法；土壤全氮采用凯式定氮法；土壤碱解氮釆用碱解扩散法；土壤速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3(pH 8.5)钼锑抗比色法；土壤速效钾采用火焰光度计法测定.

1.3.2 株高测定玉米蜡熟期株高基本达到其整个生育期最大值，用卷尺测量每个小区有代表性的3株玉米.

1.3.3 光合速率测定每个小区选取有代表性的3株玉米，用LI-6400便携式光合测定系统测定拔节期(6月5日)、抽雄期(7月5日)、灌浆期(8月15日)、成熟期(9月15日)玉米穗位叶中部的光合速率(Pn).

1.3.4 产量测定在玉米成熟期对收获小区所有果穗测产，并随机选取玉米鲜穗20穗，将其带回实验室经风干后进行考种，包括穗质量、穗长、穗粗、秃尖、行粒数、穗粒质量、百粒质量、秃尖率等，计算产量时按14%含水量折算.

1.4 数据处理与分析

用Origin 2018绘制图表，用DPS数据处理软件对试验数据进行整理和建模.使用SPSS 20软件进行统计分析，多重比较采用Duncan法，差异显著性水平α=0.05.

2 结果与分析

2.1 氮磷钾对玉米株高的影响

2.2 氮磷钾对玉米光合速率的影响

于中午测定玉米穗位叶中部的光合速率，中午光照强度较强，光合作用达到光饱和点.从图2可以看出，不同施肥水平和生育期下的玉米光合速率有明显差别.T1～T14由于氮、磷、钾施肥水平不一致引起光合速率变化，T15～T20氮磷钾施肥水平均为0，光合速率差异不显著.光合速率随生育时期推进先升高后下降，拔节期光合速率由大到小排列顺序是T14>T9>T13>T3>T7>T6>T15>T17>T16>T12>T20>T8>T10>T2>T19>T18>T5>T11>T1>T4.拔节期至抽雄期增长速度快，抽雄期玉米光合速率达到峰值，其中T9光合速率最高，为37.1 μmol/(m2·s)，此时肥料处理为氮肥1.628水平，磷、钾肥均为0水平.各处理下玉米穗位叶光合速率大小排序为：T9>T11>T3>T5>T7>T13>T1>T6>T10>T8>T12>T2>T14>T18>T15>T20>T16>T17>T19>T4.抽雄期至灌浆期下降速度缓慢，不同施肥水平下灌浆期玉米穗位叶光合速率从高到低为：T9>T1>T2>T3>T10>T12>T5>T14>T4>T7>T13>T1>T18>T16>T17>T6>T20>T15>T19>T8.通过排序可以发现，氮、磷、钾施肥水平均为0的处理(T15～T20)，在抽雄期和灌浆期叶片光合作用表现较差.灌浆期后玉米光合速率明显下降，玉米成熟时光合速率最低，T1>T10>T9>T14>T13>T3>T2>T16>T18>T8>T17>T15>T19>T4>T7>T20>T11>T12>T5>T6，其中T6光合速率低至15.9 μmol/(m2·s)，相应的施肥水平是-1、1、-1.

图1 不同处理下的玉米株高Figure 1 Maize plant height of different treatments

图2 不同处理下的玉米光合速率Figure 2 Photosynthetic rate of maize under different treatments

2.3 氮磷钾对玉米产量的影响

2.3.1 测产结果与数学模型由图3可知，随着施肥量降低，玉米产量明显地减少.T1、T2、T3、T4施氮水平均为1，随着磷、钾肥水平降低，玉米产量也在逐渐将低，其中T1玉米产量最高，为16 985 kg/hm2，相应的氮、磷、钾施肥水平为1、1、1.T5、T6、T7、T8施氮水平均为-1，其变化趋势同T1、T2、T3、T4，玉米产量随着磷、钾肥水平降低逐渐减少.当磷、钾肥水平均为0时，高氮处理(T9)玉米产量比无氮处理(T10)高5 901 kg/hm2.当氮、钾肥水平均为0时，高磷处理下的T11玉米产量比无磷处理的T12高5 739 kg/hm2，其中T12玉米产量为6 429 kg/hm2.当氮、磷肥水平一样时，高钾处理(T13)和无钾处理(T14)之间玉米产量差异不显著.T12～T15施肥水平一样，产量无显著差异.为了较为准确得到施肥量与产量间的关系，运用DPS列出产量与氮、磷、钾的回归方程式并计算出各项系数，结果如下：Y=918.2+122.6X1+106.5X2+98X3-65.8X12-73X22+15.1X32-5.5X1X2-38.6X1X3-11.5X2X3，对回归模型进行显著性检验，经计算得：F回=6.77>F0.01(9,10)=5.26，说明氮、磷、钾肥与产量间的回归关系呈极显著水平，模型能够较好地预测玉米产量.方程一次项X1、X2、X3系数均为正数，说明增加施肥量有利于玉米增产.氮磷肥的二次项系数小于零，说明随着施用量的增加产量变化趋势为先增加后降低，拟合方程呈抛物线，存在最大值，达到最高产量后若继续增施氮磷肥，反而导致玉米减产.钾肥二次项为正数，说明在一定产量条件下能找到最小施钾量.三因素间交互项的系数均为负，说明缺少某一大量元素都会引起玉米产量降低.

图3 不同处理下的玉米产量Figure 3 Maize yield under different treatments

2.3.2 单因素对玉米产量的影响对模型进行降维处理，作出单因素对玉米产量影响效益图，见图4.不施肥时(-1.682水平)氮、磷、钾三因素所对应的玉米产量分别为7 888、7 990、11 302 kg/hm2，当各因素编码水平增加到1、0.5、1.341(施肥量分别

图4 单因素对玉米产量的影响Figure 4 Influence of single factor on maize yield

为N 287、P 122、K 275 kg/hm2)时，玉米获得最高产量，分别为N 14 625、P 14 298、K 15 743 kg/hm2，相较于不施肥处理，施氮肥增产85%，施磷增产79%，钾肥仅增产39%，说明玉米产量对钾肥敏感性较低.在玉米产量达到最高点之后继续投入氮、磷、钾元素，产量反而降低.由此可以得出结论，肥料单因素对产量的影响程度顺序为N>P>K，随着施肥量的增加玉米产量呈先增加后降低的变化.

2.3.3 氮、磷交互效应对玉米产量的影响将钾肥固定于零水平探究氮、磷肥的交互效应见图5.氮、磷肥耦合效应图呈抛物线性变化，随着氮磷肥施用增加，玉米产量先升高后降低.当氮、磷肥均处在最低编码水平-1.682，即不施氮磷肥时，玉米产量最低.将施氮量固定在-1.682水平，随着磷肥施用量增加，玉米产量不断上升，磷肥在1.682水平时，产量达7 477 kg/hm2.相反，将磷肥施用量固定在-1.682水平，玉米产量随着氮肥的增加逐渐提高，氮肥在1.682水平时，产量达8 292 kg/hm2.然而，玉米最高产量15 150 kg/hm2出现在氮肥1水平、磷肥0.5水平的交叉点上，这说明氮、磷肥配施增产效果更好.若继续增施氮、磷肥则出现负效应，当氮、磷肥均处在1.682编码水平时，产量下降到13 663 kg/hm2，减产9.8%.综上所述，以一定的比例配施氮、磷肥可实现作物高产，玉米最高产量下的施肥是N 287 kg/hm2、P 144 kg/hm2，N、P肥料配比为1∶0.5.

图5 氮磷两因素交互效应Figure 5 The interaction between nitrogen and phosphorus

2.3.4 氮、钾交互效应对玉米产量的影响固定磷肥于0水平探究氮、钾肥的交互效应见图6.当钾肥施用水平固定时，随着施氮水平的增加，玉米增产幅度增大，且有明显的先上升后下降趋势.当施氮水平固定时，钾肥增产不明显.若想达到玉米产量最高点，增施氮肥的同时，也要不断增加钾肥用量，这表明钾素对玉米生长有着不可或缺作用，增加钾肥用量有助于提高产量.当氮、钾施用量分别处在1水平和1.682水平时，玉米产量最大，为17 097 kg/hm2.如果增加氮、钾肥到1.682水平时，产量为16 546 kg/hm2，下降了3.2%.由此得出结论，在氮和钾交互影响下得到玉米最高产量时，具体施肥量为N 287 kg/hm2、K 300 kg/hm2，N、K肥料配比为1∶1.05.

图6 氮钾两因素交互效应曲面图Figure 6 The interaction between nitrogen and potassium

2.3.5 磷、钾交互效应对玉米产量的影响固定氮肥于零水平探究磷、钾肥的交互效应见图7.磷、钾肥耦合曲面图走势与氮、钾肥相似，产量随着磷钾肥施用量的增加呈先提高后降低趋势.在不施磷肥的处理中(-1.682水平)，增施钾肥对产量影响小，曲面平缓，等高线比较稀疏.随着磷肥施量增加(X轴从左到右)，等高线逐渐密集，钾处在较高水平下，产量达到最高点.当磷肥取0.5水平，钾施用在1.682水平时，玉米产量达到最高，为16 769 kg/hm2.若继续增加施磷量到1.682水平时，玉米产量为10 461 kg/hm2，减产了0.38%.总之，磷肥相较于钾肥对产量影响更显著，最高产量下的磷、钾肥施用量为P 122 kg/hm2，K 300 kg/hm2，P、K肥料配比0.41∶1.

图7 磷钾两因素交互效应曲面图Figure 7 Interaction between phosphorus and potassium

2.3.6 氮磷钾3因素对玉米产量的影响玉米产量受氮磷钾3因素影响遵循如下关系：Y=918.2+122.6X1+106.5X2+98X3-65.8X12-73X22+15.1X32-5.5X1X2-38.6X1X3-11.5X2X3，对回归方程在α=0.10显著水平下剔除不显著项后，方程简化为：Y=918.2+122.6X1+106.5X2+98X3-65.8X12-73X22.由各项系数可以看出，肥料对产量的影响大小为N>P>K，肥料间交互效应对产量影响不显著.对该方程进行最优求解，结果为X1、X2、X3在1、1、1.682编码水平时，获得玉米最高产量17 599 kg/hm2.最佳施肥量分别为N 287 kg/hm2、P 144 kg/hm2、K 300 kg/hm2，肥料配比1∶0.50∶1.05.该模型预测值相较于小区试验最大产量(16 985 kg/hm2)高3.6%，预测准确，可以用于指导玉米施肥.

3 讨论

氮磷钾施肥量以及比例影响着玉米植株高度，株高对产量的影响同样至关重要.本次试验结果同刘婕等[22]的研究一致，玉米株高受氮、钾肥影响大，受磷肥影响较小[22].T4氮、磷、钾肥处理水平均为0，株高最低2.5 m，产量为13 809 kg/hm2；将施氮量提高到1.628水平，磷、钾肥还处在0水平时，T9植株明显增高，达到最大值3.5 m，产量却仅为12 555 kg/hm2；产量最高的小区氮、磷、钾施肥水平均为1,T1株高为3.4 m，产量达17 813 kg/hm2.同王宁等[23]研究一致，均衡、适量施肥能促进玉米生长，施肥量过高或过低都不利于株高和产量的提高.

玉米90%以上的生物产量和经济产量是靠光合作用形成[24].光合作用强弱通常用光合速率表示，光合速率越高，植物生产的光合产物越多，光合速率与产量显著正相关[25].本试验同雷康宁等[26]的研究一致，光合作用是一个动态过程，会随生育进程和环境条件的变化，呈现慢-快-慢的特征.谷岩等[27]研究发现，玉米滴灌条件下，在300 kg/hm2的施氮水平时，玉米穗位叶光合速率最高.本次试验发现灌浆期玉米穗位叶在施用360 kg/hm2氮肥、90 kg/hm2磷肥、150 kg/hm2钾肥时光合速率最高.

本试验分析氮、磷、钾肥单因素效益发现，玉米产量随着施肥量的增加呈先增加后降低趋势.李格等[28]同样发现氮、磷肥用量与产量呈抛物线型变化，但是其产量随着钾肥用量增加一直呈上升趋势，这是因为钾肥处理范围0～108 kg/hm2，较窄，玉米产量没有出现拐点.本试验同陈曦等[29]研究结果一致，肥料对产量贡献大小依次为氮>磷>钾，玉米产量最大时，氮、磷、钾施肥水平分别为1、0.5、1.341，相应的施肥量分别为287、122、275 kg/hm2，肥料单因素检验下最大玉米产量是15 743 kg/hm2.氮、磷、钾两因素间交互效应对玉米产量影响均为不显著负相关关系，影响顺序由大到小为NK>PK>NP，当施肥比例为N∶K=1∶1.05，P∶K=0.41∶1 ，N∶P=1∶0.5时，玉米产量达到抛物线最高点，产量分别是NK 17 097 kg/hm2、PK 16 769 kg/hm2、NP 15 150 kg/hm2.

相较于氮、磷、钾肥单独以及两两组合施用而言，肥料三因素耦合施用增产效果最佳，产量达到17 598.45 kg/hm2，回归方程最优解为N 287 kg/hm2、P 144kg/hm2，K 300 kg/hm2，即氮、磷、钾施肥比例为 1∶0.50∶1.05，产量达到最大17 598.45 kg/hm2.同韩慧等[30]研究结果一致，氮磷钾平衡施用比单施某一种或两种肥料的增产效果更好.史桂清等[31]研究发现，肥料间有协同增效作用，适量增施氮素能提高磷钾肥利用效率，同样磷钾供应增多玉米氮累积量也明显提高.

施肥时期也对玉米产量有重要影响，有研究表明[32]，玉米产量主要来源是花后光合同化物，生育后期增施氮磷钾肥可以延长叶片持绿期，制造更多光合产物，提高籽粒产量和蛋白质含量.魏廷邦等[33]研究发现，氮肥后移保证了夏玉米全生育期对氮素的需求，明显改善源库特性.王佳慧等[34]试验结果表明，在吐丝期施氮肥总用量40%的花粒肥，产量得到显著提高；张国桥等[35]试验发现，磷肥易被土壤固定，100%滴灌追施磷肥能显著提高玉米吸磷量，减小秃尖长度，促进灌浆后期的对弱光的利用率，增加穗粒数和粒重；孔丽丽等[36]研究表明，钾肥50%基施、50%在拔节期追施，玉米产量最高，且提高了肥料回收利用率.参考前人研究发现，本次试验中氮、磷肥的分配比例较为合理，而钾肥施用时期与前人研究有出入，苗期施入10.10%钾肥、苗后施入89.9%钾肥(拔节41.6%、抽雄11.2%、吐丝37.10%).玉米获得最高产量时，钾肥用量为300 kg/hm2，明显高于张富仓等[37]推荐的163 kg/hm2施钾量和姚培清等[38]研究发现最佳钾肥用量225 kg/hm2，这可能因为钾肥基施太少、追施次数过多或过晚，玉米对钾素吸收利用率较低，不仅造成钾肥浪费，还不利于营养体中的钾素向子粒转运，导致钾肥对玉米产量影响不显著.所以，生产中应适时适量补充氮、磷、钾等营养元素，满足玉米全生育期生长发育需求，提高肥料利用率，减少环境污染.