华北夏谷水肥优化管理综合评价

崔纪菡，宋世佳，夏雪岩，赵 宇，刘 猛，鲁一薇，校诺娅，张永虎，刘建军 ，李顺国

（1.河北省农林科学院谷子研究所/国家谷子改良中心/河北省杂粮研究实验室，石家庄 050035；2.河北省农林科学院，石家庄 050000；3.河北省杂粮产业技术研究院，河北 邯郸 056000；4.河北东粮农业科技股份有限公司，河北 邯郸 056000；5.内蒙古农牧业科学院，呼和浩特 010031）

谷子（Setariaitalica L. Beauv.）是起源于中国的传统粮食作物，在我国农耕文化和国民饮食结构中占据重要地位[1]。谷子主要分布在我国北方干旱半干旱地区，水分匮乏和肥效低下是旱作农业生产首要限制因子。农谚有云：有收无收在于水，收多收少在于肥。水分和养分是作物生长发育过程中关键性要素，氮、磷、钾素是农业系统中主要三大投入元素。作物对水分、氮、磷和钾素等的吸收利用是相互促进与彼此制约关系，作物产量不随水肥投入增加而无限制增长[2]，合理灌溉和施肥是提高作物产量和品质的重要措施[3]。受不合理施肥水平、施肥方法的影响，肥料产投比和利用率降低，环境污染风险加剧[4]。

学者关于养分配施[5]、肥料运筹[6]等对谷子的肥料效应[7]、产量形成[8]、农艺性状[9]、光合特性[10]、品质影响[11]等方面研究较多。为探索谷子高产施肥中氮、磷、钾肥最佳施用配比，前人曾在我国谷子主产区——陕西[8]、甘肃[12]、河北[13]和山西[14]等地进行氮、磷和钾肥配比对谷子产量及土壤肥力的影响研究，确定适宜该地区的氮、磷和钾肥配比。张蕙琪等和郝科星等研究认为，氮肥是提高谷子产量最主要决定性因素，磷和钾肥仅与氮肥相互配施才能发挥增产效用[10-11]。常闻谦等开展水氮耦合对谷子拔节后生长、产量和水氮利用效率的影响[15]，研究认为，土壤含水量增加提高谷子籽粒产量、氮肥农学效率、氮肥偏生产力和氮肥生理利用率。李永虎等研究认为，氮磷互作对产量影响显著，氮钾互作对穗粒数、千粒重、产量均影响显著，磷钾互作对单位面积穗数影响显著[9]。以上结果为合理施肥，减少化肥投入，改善生态环境，提高谷子产量和肥料利用率提供依据。以上研究不足之处有二：一是研究对象多以两个要素——水和氮素耦合为研究对象，磷钾肥复合效应鲜见报道；二是研究方法多以谷子高产为单一指标，未兼顾水肥利用情况评价，难以确定综合效益最佳的水肥配比模式。本文以综合提高谷子产量、灌溉产出、肥料农学利用率和净收益为目标，研究灌溉与氮、磷、钾肥耦合对华北夏谷区谷子产量及水肥利用的影响，运用综合评分法分析得出谷子节水节肥高产的水肥策略，为作物节本高效生产提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验站情况

试验区位于东经114.626°、北纬37.971°，河北省石家庄市栾城区河北省农林科学院谷子研究所郄马试验站。试验区域属大陆性干旱气候，全年平均温度14.5 ℃，全年日照时数2 140 h，多年平均自然降水量720 mm。试验在透明遮雨棚内展开，遮雨棚内设42 个水泥池，长度2.8 m，宽度2.1 m，深度2 m，无雨时收起遮雨棚，有雨时展开遮雨棚。水泥池土壤类型为潮土，0～20 cm土层土壤基本理化性状为：有机质14.2 g·kg-1，速效钾90.0 mg·kg-1，有效磷10.3 mg·kg-1，铵态氮6.3 mg·kg-1，硝态氮3.3 mg·kg-1。

1.2 试验种植及管理

试验种植作物为夏谷，品种为冀谷36，6月14日播种，6 月25 日间苗，留苗密度60 万株·hm-2，行距40 cm，6月27日中耕除草，9月19日收获。

1.3 试验设计

试验设置4 因素，分别为灌溉（水）、氮肥（N）、磷肥（P2O5）、钾肥（K2O），各因素3水平，采用L9（34）正交设计表，共9个水肥处理，每处理重复3 次，各处理细节见表1。谷子全生育期共浇水4 次，时间分别是：7 月14 日（拔节期）、8 月2日（孕穗期）、8 月14 日（抽穗期）、8 月27 日（扬花期），灌溉总量设定3个水平，分别为150、300和450 t·hm-2·次-1。另外，播种前3 d，浇灌播前水，所有处理播前水灌溉总量一致，皆为300 t·hm-2。氮和钾肥采用基施加追施方式，播种前翻耕基施70%，抽穗期追施30%，磷肥采用全部基施的方式。氮肥采用尿素（含N 46%），磷肥采用过磷酸钙（含P2O516%），钾肥采用硫酸钾（含K2O 50%）。其他为常规管理。

1.4 分析方法

在开花期利用SPAD仪测定旗叶叶色，每小区以重复测定4～6 片叶得到的SPAD 均值作为小区SPAD值。

在成熟期随机选取5株谷子植株，测量谷子株高、穗长和穗粗；测量第一节中心处茎粗，谷子第一节形态为扁圆体，故有扁茎粗和宽茎粗之分；测量每片叶的长、宽和叶位高度，叶片从下向上记作叶1、叶2……叶12，叶片从上到下记作倒1叶（旗叶）、倒2叶……倒12叶；将茎、叶、穗分开，于105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，测量旗叶干重、叶重、茎重和穗重。

将叶、茎和穗粉碎，过筛40 目，测定植株全氮、全磷和全钾。植株全氮、全磷和全钾分析采用常规方法[16]：硫酸-过氧化氢消煮叶、茎和穗粉末样品，凯氏定氮仪测定消煮液全氮含量（凯氏定氮法），用流动分析仪测定全磷含量（流动注射-钼酸铵分光光度法），火焰光度计测定（火焰光度法）全钾含量。

在谷子成熟期收获，测定产量。

1.5 数据处理与分析

运用Excel 2013 和DPS 14.0处理数据并作统计分析，Origin 2022对叶位数据和主要指标的皮尔森相关性作图。

采用下列公式计算相关参数：

叶面积=叶长×叶宽×0.75；

部位干物质分配率（%）=部位干重/植株总干重；

部位氮累积量（kg·hm-2）=部位干重×部位氮含量；

氮吸收总量（kg·hm-2）=籽粒干重×籽粒氮含量+茎干重×茎氮含量+叶干重×叶氮含量；

氮收获指数（%）=籽粒氮累积量/植株氮吸收总量×100；

氮素表观平衡值=施氮量-氮吸收总量；氮素回收率=氮吸收总量/施氮量；

氮肥偏生产力（kg·kg-1）=产量/施氮量；灌溉产出（kg·t-1）=产量/灌溉量；

磷、钾元素计算公式同上；

农资成本（元·hm-2）=耗水量×水价+氮肥量×氮肥价+磷肥量×磷肥价+钾肥量×钾肥价；

产量收益=谷子籽粒产量×籽粒价格；

净收益=产量收益-农资成本。

根据模糊隶属函数法，计算不同水肥处理下产量、肥料收获指数、肥料偏生产力、灌溉产出等的权重、隶属度，将各评价指标权重值与相应评价指标从属度值相乘并累加，得到综合分数，以评价不同水肥处理效应。

2 结果与分析

2.1 水肥处理对谷子形态、物质分配与累积的影响

不同水肥处理对谷子株高、茎粗、穗长、穗粗、叶长、叶宽、叶面积、叶色影响见表2。由表2可知，水肥处理对谷子株高、宽茎粗、穗长、穗粗、倒2～3 叶面积影响显著，对茎粗、旗叶长宽，倒2 叶宽和叶色无显著影响。SF7 处理株高、穗长、穗粗、旗叶长、旗叶宽、倒2叶面积、倒3叶面积值最大，SF3 处理茎粗数值最大，SF9 处理叶色SPAD值最大。

表2 不同水肥处理对谷子形态的影响Table 2 Effects of different water and fertilizer treatments on morphology of foxtail millet

不同水肥处理对谷子全株12叶叶位影响见图1。由图1 可知，水肥处理对第9～12 叶高度有显著影响，对第1～8 叶高度无显著影响，其中，SF4 和SF8处理叶位较高。农业生产实践中，光合产物运输和分配是决定产量的重要因素。水肥是影响作物干物质分配的重要因素，由表3 可知，SF9 处理总干重、叶干重、穗干重和生殖器官干重分配率最高，SF1处理总干重、茎干重、穗干重最低；灌溉仅对叶干重的影响达显著水平，氮肥对旗叶干重及分配率、营养及生殖器官干物质分配率的影响达显著或极显著水平，磷肥对总干重、穗干重、旗叶干重及分配率水肥的影响达显著或极显著水平，钾肥对谷子干物质积累的影响不显著。

图1 不同水肥处理对谷子叶位高度的影响Fig. 1 Effects of different water and fertilizer treatments on the height of foxtail millet leaves

表3 不同水肥处理对谷子干物质积累及分配的影响Table 3 Effects of different water and fertilizer treatments on dry matter accumulation and distribution of foxtail millet

2.2 不同水肥处理对谷子产量的影响

由表4 可知，产量最高可达4 992 kg·hm-2（SF9），最低仅为4 167 kg·hm-2（SF1），产量排序为：SF9＞SF8＞SF3～SF7＞SF1～SF2。在 灌溉、氮、磷和钾肥4个因素中，根据极差计算结果，对产量影响重要顺序为：灌溉＞氮肥＞钾肥＞磷肥。比较K值得到理论高产组合为：灌溉450 t·hm-2·次-1，氮肥300 kg·hm-2，磷肥150 kg·hm-2，钾肥225 kg·hm-2。就单一因素对产量的影响看，灌溉显著提高籽粒产量，产量从4 336 kg·hm-2提高到4 836 kg·hm-2，增产11.5%，氮肥也有相似的增产表现，产量从4 471 kg·hm-2提高到4 723 kg·hm-2，增产5.6%。钾肥从4 555 kg·hm-2提高到4 695 kg·hm-2，增产3.1%。磷钾肥对产量的增产效果不显著，以节本增效为首要生产目标时，建议磷肥用量75 kg·hm-2。

表4 不同水肥处理对谷子产量的影响Table 4 Effects of different water and fertilizer treatments on grain yield

对4因素与谷子产量关系采用正交设计方差分析可知（见表5），灌溉（P≤0.0001）、氮肥（P=0.0123）和钾肥（P=0.0389）显著影响谷子产量，影响排序为：灌溉＞氮肥＞钾肥，磷肥对籽粒产量无显著影响。

表5 水肥因素对产量影响的正交试验方差分析Table 5 Variance analysis of orthogonal experiment on the effect of water and fertilizer on yield

2.3 不同水肥处理对谷子养分分配、累积与利用的影响

由表6 可知，氮（全部部位）、磷（除茎部外的全部部位）和钾（籽粒和叶）SF9 处理时分配与累积量最高，SF1处理时分配与累积量最低。灌溉对所有氮、磷和钾素分配与累积量的影响均达到极显著水平，氮肥对大部分指标的影响也均达到显著或极显著水平；磷肥主要影响磷和部分钾素分配与累积，对氮素分配影响不显著；钾肥主要影响对各部钾素分配与穗部氮、磷和钾素的累积。

表6 不同水肥处理下植株氮、磷和钾素分配与累积量Table 6 Distribution and accumulation of nitrogen,phosphorus and potassium in plants under different water and fertilizer treatments

通过参考不同水肥条件下生产100 kg籽粒理论养分需求量和田块历年籽粒产量数据，可合理调整施肥用量，确保限制性养分施入量满足实现目标产量的需求。不同水肥处理对夏谷籽粒氮、磷和钾素理论需求量见表7，在不同水肥处理下，获得100 kg 籽粒所需纯氮、磷和钾素均值分别是1.90、0.31 和0.55 kg。灌溉对生产100 kg 籽粒氮、钾素需求量的影响达到显著水平，磷肥对生产100 kg籽粒磷素需求量的影响达到显著水平，氮和磷肥影响未达到显著水平。

表7 不同水肥处理生产100 kg籽粒理论养分需求Table 7 Theoretical nutrient requirements for 100 kg grains produced under different water and fertilizer treatments (kg)

水肥利用率反映水肥资源消耗水平和利用效果，是资源有效利用程度的重要指标。由表8 可知，不同水肥处理对肥料收获指数、肥料偏生产力、肥料回收率和灌溉产出的影响达到显著水平。10个水肥利用指标中，SF9处理3个指标数值最高，SF8、SF7、SF5 处理各有2 个指标数值最高，SF3 处理仅有1 个指标数值最高。灌溉和氮肥对大多数水肥利用效率指标的影响达到显著或极显著水平。影响灌溉产出主要因素是灌溉，影响肥料偏生产力和肥料回收率主要因素是对应的肥料类型，如氮肥是影响氮肥偏生产力和氮素回收率的主要因素。

表8 不同水肥处理下肥料利用效率和灌溉产出Table 8 Fertilizer utilization efficiency and irrigation output of different water and fertilizer treatments

2.4 不同水肥处理对经济效益和综合评分的影响

按照灌溉成本0.8 元·t-1，尿素2.2 元·kg-1，过磷酸钙1.0元·kg-1，硫酸钾4.6元·kg-1，种子及配套除草剂450元·hm-2，谷子收购价格以4.6元·kg-1计算，各处理经济效益见表9。SF3、SF8和SF7处理农资成本较高，SF9、SF8产量收益较高，SF9处理净收益最高。

表9 各处理经济效益分析Table 9 Economic benefit analysis of each treatment

追求产量最大化兼顾提高水肥利用效率是现代农业发展核心目标。不同水肥处理夏谷籽粒产量、经济效益、水分利用率、养分利用率存在较大差异，单纯根据某一指标难以确定最佳水肥组合，采用模糊隶属函数法对以上指标作综合评价，获得不同水肥处理综合得分。通过计算9个指标隶属函数值，各指标权重以变异系数法为依据确定，最后加权得出各处理综合分数，对得分进行排序（见表10）。SF1 处理得分1.26，位列首位，最高净收益组合SF9 得分0.84，排名第二，SF3 和SF7处理分别得分0.28和0.51，位列倒数二名。

表10 综合评分法分析各水肥处理隶属度和得分分析Table 10 Analysis of subordination degree and score of each water and fertilizer treatment by comprehensive scoring method

2.5 主要指标相关性分析

将不同水肥处理、植株形态、干物质分配、养分含量、养分累积与利用等指标进行相关性分析得到图2。由图2 可知，在灌溉、氮、磷和钾肥4因素中，灌溉与钾肥是影响植株形态的两个主要因素，灌溉主要影响植株上层形态，与第11～12叶位高（r=0.68*、0.72*）、叶长（r=0.81**、0.88**）、旗叶叶色（r=0.79**）、穗长（r=0.75*）相关性达到显著水平，钾肥影响植株中部，与第6～10 叶的叶位高（r=0.77*、0.75*、0.76*、0.70*、0.67*）的相关性达到显著水平。旗叶干物重与磷肥（r=-0.72*）、磷素回收率（r=0.78*）、磷肥偏生产力（r=0.80*）具有显著负相关性。氮肥与氮肥利用率指标具有极显著相关性，与其他指标相关性弱。氮磷钾肥收获指数互为相关。与产量存在相关性的指标主要包括9～12叶位高（r=0.64*、0.68*、0.76*、0.74*）、倒1～2叶长（r=0.69*、0.72*）和旗叶叶色（r=0.74*），与氮磷钾肥利用效率无显著相关性。生殖器官分配率与磷肥收获指数（r=0.74*）和钾肥收获指数（r=0.70*）具有显著正相关。

图2 主要指标皮尔森相关性分析Fig.2 Pearson correlation analysis of main indicators

3 讨 论

3.1 水肥增产效应分析

本研究中影响夏谷产量首要因素是灌溉量，其次是氮和钾肥，磷肥影响最小，常闻谦等研究肯定了灌溉对春谷的影响效应高于氮肥的观点[15]。李永虎等研究表明，氮肥对常规春谷产量影响最大，钾肥次之，磷肥影响效应最小，高产施肥组合为N 225 kg·hm-2,P2O5100 kg·hm-2，K2O 60 kg·hm-2[9]。本文中高产施肥组合（见表4，SF9）N 300 kg·hm-2，P2O5150 kg·hm-2，K2O 75 kg·hm-2，总体氮磷钾肥量高于常闻谦等结论，这可能与试验田条件、种植期气候等有关。基于杂交谷子研究表明，产量及其构成因素对氮、磷和钾肥量的变化均有响应，排序为氮＞磷＞钾[10,17]，氮肥是提高产量最主要决定性因素，磷和钾肥仅有与氮肥相互配施才能发挥增产效用[11]。由以上研究可知，在一般情况下，水分对产量的影响大于养分，氮素是养分限制中主要因素。也有研究表明，磷是使谷子形成基本产量和土壤肥力首要因子，对产量贡献显著高于氮和钾，这类情形出现在生土条件下或有化学调节剂参与研究中[18-19]。在黄土丘陵沟壑区，钾增产效应＞磷增产效应＞氮增产效应[8]。

3.2 水肥耦合关系分析

研究表明，适宜土壤水分是促进养分吸收、提高氮素利用率的基础。呼红梅等研究证实土壤水分条件影响作物吸收氮、磷和钾素，轻度与重度干旱条件下，氮、磷和钾肥配合施用其交互作用效果优于单独施用氮、磷和钾肥，同时提升谷子抗旱性；重度干旱条件下，过高氮、磷、钾用量引发谷子生理干旱，不利于产量累积[20]。随土壤水分提高，谷子氮、磷和钾素利用效率呈先升后降趋势，随施氮量增加，谷子氮、磷和钾素利用效率均呈先升后降趋势[21]。水肥各因素之间，磷肥与水耦合作用＞肥料之间耦合作用＞氮肥与水耦合作用[22]。本研究中，灌溉对植株养分分配与累积（见表6）、肥料利用效率（见表8）的影响均达到极显著水平，证实水肥耦合关系中水分的主导地位。灌溉产出比受灌溉水平影响，也受氮和钾肥调节（见表8），证明养分和水分吸收利用是协同影响。氮和钾肥对灌溉产出（见表8）的影响达到显著水平，证实施氮和钾肥有助于提升谷子水分利用效率。氮、磷和钾肥对养分分配与累积（见表6）的影响达到显著水平，氮、磷和钾肥收获指数之间（见图2）密切相关，证实氮、磷和钾肥互相作用，协同提升作物营养吸收与利用。

3.3 顶三叶对谷子物质积累的重要作用

禾谷类作物顶三叶外貌特征与籽粒物质积累关系密切。本研究中，9～12 叶位高度、倒1～2 叶长、旗叶叶色和产量存在较高相关性（见图2），相比其他叶片，顶三叶在籽粒物质积累过程中贡献较大。谷子产量形成主要来自上部叶片光合产物累积，其中旗叶作用最大，贡献占比约为25.6%，倒二叶次之，贡献占比约为20.1%，倒三叶约为6.8%[23]。顶三叶叶面积与单穗重呈正相关，其中旗叶和倒二叶达极显著水平[24]。在其他禾谷类作物研究中也有相似报道[25-26]。本研究中，水肥处理显著影响叶位高度、叶部干物质和养分分布，灌溉对叶干重的影响达显著水平，与第11～12叶位高、叶长、旗叶叶色、穗长呈显著正相关，磷肥对旗叶干重及分配率影响显著，水肥通过调控谷子植株上位叶进而调控谷子籽粒物质累积。

3.4 水肥管理综合评价

提高农田水肥利用效率核心是在合理水肥调控基础上，进一步挖掘农作物高产的生物学潜力，实现作物产量和水肥利用效率协同提高的双赢目标。如何协调好产量、水肥利用效率和经济效益等目标，需开展多方面考虑。本研究中，SF1处理产量最低（见表4），净收益排名第3（见表9），综合评价得分最高（见表10），SF9 处理产量最高，净收益排名第1，综合评价得分第2，但与第1名分数差距较大。评价指标的选定直接关系到评价结果的解读，SF1组合具有肥料偏生产力、肥料回收率、灌溉产出普遍均高的特点（见表8），这些指标隶属度高（见表10），SF1得分高主要归因于其具有的低农资投入、高水肥利用率的优势；SF9组合产量和钾肥生产力最高、农资投入中等以上（见表9），SF9 得分不高排名靠前主要归因于其农资投入颇多、高产高收益的特点。

4 结 论

谷子顶三叶与籽粒物质积累关系密切，10～12叶位高度、形态和产量存在较高相关性。在灌溉、氮、磷和钾肥4 个因素中，对产量影响程度排序为：灌溉＞氮肥＞钾肥，磷肥无显著影响。灌溉、氮和钾肥对产量影响显著，磷肥对产量无显著影响。水分、氮、磷和钾肥具有协同增效效应，水肥对养分分配和物质累积利用具有交互影响。谷子水肥管理优化需以目标为导向，当以环境友好、资源高效、投入低廉为主要目标时，采纳SF1 组合为宜，当以高产、高经济效益兼顾某单一资源高效利用为主要目标时，采纳SF9组合为宜。