水肥耦合效应对平原区夏玉米产量的影响

水肥耦合效应对平原区夏玉米产量的影响摘要:为了研究不同水肥条件对夏玉米产量的影响,在防雨棚条件下进行盆栽试验,采用3因素5水平2次通用旋转回归组合设计,建立了灌水量､氮肥和钾肥施用量对夏玉米产量影响的数学模型｡因素效应分析结果表明,影响夏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为氮､水>钾､水>氮､钾;从产量角度评价灌水量､氮肥和钾肥施用量的最佳水肥调控组合｡当灌水量､氮肥和钾肥施用量分别为450 mm､180 kg/hm2､120 kg/hm2时,玉米达到高产生产指标84.63 g/盆,为水肥调控的最佳组合｡关键词:水肥耦合;二次通用旋转回归;产量;夏玉米The Coupling Effect of Water and Fertilizer on Summer Maize Yield of in the Plain Abstract: The coupling effects of water and fertilizer on yield of summer maize in the plain were investigated by using the general quadratic rotatory regression and solution culture. The pot trials were carried out in rain-protection shed and the mathematical models were established. Analysis showed that the dosage of water irrigation significantly influenced the yield of summer maize, followed by the amount of nitrogen and potash fertilizer. The interaction effects among these factors on the corn yield according to the order as N and water>K and water>N and K. From the aspect of maize yield, sufficient water with higher level of N and K was the best combination. Maize production could achieve the high yield goal 84.63 g/pot when irragation dose, the concentrations of nitrogen and potassium were 450 mm,180 kg/hm2,120 kg/hm2,respectively.Key words: coupling effect of water and fertilizer; general quadratic rotatory regression; yield; summer maize在严重缺水的华北平原,水分不足和养分供应不足两大因素成为该地区农业持续发展的限制因子｡水分不但是作物生长所必需的条件之一,也是化肥溶解和有机肥料矿化的必要条件｡养分通过扩散与质流的方式向根及地上部迁移,此过程必须有水分参与｡充分说明作物对水分和养分吸收过程并不是孤立的,它们之间是相互作用和相互影响[1-3]｡水肥供应不足必然会影响土壤养分的运移和作物的吸收利用,从而对作物产量产生不利的影响｡早期的研究报道多见于水肥耦合效应在不同作物和蔬菜的应用,并注重研究水肥耦合条件下干旱地区节水效应与不同作物的反应及产量效应关系｡国内外已对养分和水分运移规律及增产机理等进行了大量的研究[4-6]｡水肥是玉米生长发育的决定因素,尤其是在玉米的拔节时期｡在旱棚条件下的水肥耦合效应也有报道,但注重的都是水肥协同的增产效应､水分灌溉指标和不同肥料品种的施用[7-11],而对于定量评价不同降水年型下氮､钾养分对产量影响的研究较少｡因此,本试验探讨水､氮､钾3个重要因素对夏玉米产量的影响,通过各因素效应分析,定量评价各试验因子的增产作用,科学合理地确定不同降水年型下肥料最适投入量,以期提出玉米高产的水肥优化组合,为发展半干旱地区农业生产提供科学依据｡1 材料与方法1.1 试验地概况试验于2010年6~10月在河北农业大学辛集科技示范基地进行｡基地历年平均降雨量349.9 mm,主要集中在6~8月份,占全年总降雨水量的67.9%以上｡供试土壤为砂壤质潮土,0~30 cm层土壤中含有机质13.16 g/kg､全氮0.14 g/kg､速效磷48.72 mg/kg､速效钾107.78 mg/kg｡1.2 试验设计和实施试验于防雨旱棚下进行,采用3因素5水平2次通用旋转回归设计[12,13],设置水(W)､氮(N)､钾(K)3因素,研究其对夏玉米产量的影响｡水分分别设5种模拟降水年型(歉水年､贫水年､平水年､丰水年和极丰水年),施氮量和施钾量分别设5种不同施肥水平(表1)｡试验共20个处理,每1处理设3次重复｡供试作物为当地主要的玉米栽培品种郑单958｡玉米生育期内每5 d浇1次水,试验选用聚乙烯塑料桶,桶直径30 cm,高度30 cm｡装盆过程中轻轻振动使盆中土壤松紧合适,盆底部铺上纱网,保证盆中空气通透｡盆装好后土表距盆口约3 cm,然后埋入田间,随机排列｡氮肥(尿素)､钾肥(硫酸钾)播前底施和大喇叭口期追施各占1/2｡2010年6月10日播种玉米,7月间苗,每盆留苗1株,10月1日测其产量｡2 结果与分析2.1 回归方程的建立根据回归最优设计的模型建立方法(各因素左边为代码值,右边为对应实际值)｡采用三元二次回归旋转组合进行分析,将试验方案及产量(表1)输入计算机,用DSP软件进行统计分析[14]得到夏玉米产量与各因子间的数学模型｡Y=81.957 61+3.754 32W+2.747 49N+1.133 49K-1.083 06W2-3.681 68N2-1.650 51K2+0.028 75WN-0.046 25WK-1.951 25NK (1)对回归模型(1)进行方差分析,F1=3.718 45<F0.05=6.63,表明未知因素对试验结果影响很小,可以忽略, F2=8.004 74>F0.01=4.49,所建模型达到极显著水平,能反映玉米产量与灌水量以及N､K肥施用量间的关系,故以此模型进行预报具有较高的可行性｡产量与因素拟合好,方程有效,所以可以进一步进行效应分析及预测｡2.2 水､氮､钾处理对夏玉米产量影响的主效应分析在相同量纲条件下,偏回归系数反映了某一因子对产量的效应,其值越大,作用越明显｡在本试验中,水分和氮､钾的量纲不同,不能直接比较,经过DPS软件无量纲线性编码代换后对回归系数进行分析,可根据其大小判断试验因素对子粒产量影响的程度,其正负号表示因素作用的方向｡回归模型偏回归系数表明,灌水量与N､K肥施用量均对玉米具有明显增产作用,其影响显著性依次为灌水量>N肥>K 肥,表明水､氮､钾3因素是对夏玉米产量影响的主要因素,但影响作用大小相异｡2.3 水､氮､钾处理对夏玉米产量影响的单因素效应分析为了进一步研究各因子的单独效应,采用降维法对回归方程(1)任意2因子取0水平编码值可得另1因素对玉米产量的偏回归方程为:灌水量:Y=81.957 61+3.754 32W-1.083 06W2施氮量:Y=81.957 61+2.747 49N-3.681 68N2(2)施钾量:Y=81.957 61+1.133 49K-1.650 51K2分别对其求导,可以得出水､氮､钾边际产量模型:灌水量:dY/dX=3.754 32-2.166 0W施氮量:dY/dX=2.747 49-7.363 0N (3)施钾量:dY/dX=1.133 49-3.301 0K令dY/dXi=0,求得玉米最高产量Y对应3因素的编码值W=1.733,N=0.373,K=0.343,分别对3因素分析如下｡1)灌水量对夏玉米产量的影响｡灌水量与夏玉米产量呈开口向下抛物线关系(图1),灌水量从-1.682水平增加到1.733水平时,每盆玉米产量从72.578 g增加到85.211 g｡即灌水量极大点水平为1.733,可见随着灌水量的增加产量随之也增加｡2)施氮肥量对夏玉米产量的影响｡施氮肥量与夏玉米产量呈开口向下抛物线关系(图2),施氮量从-1.682水平增加到0.373水平时,每盆玉米产量从66.920 g增加到82.470 g;而随着0.373水平增加到1.682水平时,玉米产量从82.470 g降低到76.163 g｡说明施氮量的水平达到0.373时,随施氮量的增加,产量开始下降｡3)施钾肥量对夏玉米产量的影响｡施钾肥量与夏玉米产量之间呈开口向下抛物线关系(图3),施钾量p为了探讨水､氮､钾各因素之间的耦合效应,通过对回归数学模型(1)进行降维处理,即固定任意一因素码值为0码值水平,则可得其他两个因素耦合效应回归子模型(4)､(5)､(6):YK=0=81.957 61+3.754 32W+2.747 49N-1.083 06W2-3.681 68N2+0.028 75WN (4)YN=0=81.957 61+3.754 32W+1.133 49K-1.083 06W2-1.650 51K2-0.046 25WK (5)YW=0=81.957 61+2.747 49N+1.133 49K-3.681 68N2-1.650 51K2-1.951 25NK (6)由方程(4)､(5)和(6)可得到任意2因素交互作用对玉米产量影响的效果图(图4､5､6)｡由图4可知,水和氮对玉米产量效应呈抛物线型,符合报酬递减定律,与前面的分析相吻合｡随着水､氮用量的增加,产量明显增加,表明两者在设计水平范围内,增产效应接近;当灌水量为540 mm,施氮量为180 kg/hm2,此时产量可达85.21 g/盆｡产量最高点出现在高量灌水量(540 mm)和中量施氮用量(180 kg/hm2),表明提高氮素利用率需要充足的水分供应,水分利用率提高也需要有适量的氮素供应｡水和钾肥的交互效应(图5)远远不如水和氮的交互效应明显,呈平稳抛物线曲面,当施钾量一定时,夏玉米产量随灌水量的增加先缓慢增加后降低,且幅度很小｡当灌水量一定时,夏玉米产量随施钾量的增加先缓慢增加后降低｡在钾肥施用量较低时,玉米产量随着土壤灌水量增加而迅速提高,说明水对玉米产量的影响大于钾肥｡氮､钾交互作用对玉米产量的影响的曲面呈缓斜坡状(图6),在中氮肥施用量(180 kg/hm2)和中钾肥施用量(120 kg/hm2)时产量最高,可达到81.96 g/盆｡说明中氮肥量和中钾肥量配合施用,对玉米有较好的增产作用｡当水肥配合施用时,灌水量中等水平(350 mm),施氮量为180 kg/hm2､施钾量为120 kg/hm2时,玉米产量达到最高｡2.5 最高产量数学模型寻优根据方程(1)进行选优的结果得到夏玉米产量达到最高值Ymax=84.63 g/盆时,水､氮､钾3因素取值分别为1､0､0(表2)｡从数学模型模拟得出的只是理论值,然而实际生产中不可避免地受环境等其他多因素的影响,理论往往与实际存在一定的偏差,因此理论只能作为指导实践生产的参考｡3 结论与讨论3.1 结论1)本试验运用3因素5水平2次通用旋转回归设计探讨了平原区夏玉米产量与灌水量､施氮量､施钾量间的关系｡分析表明,对夏玉米产量影响次序为:水>氮>钾;各因素互作效应为水氮效应>水钾效应>钾氮效应,表明只有适量的水肥配施才能达到玉米最高产量｡2)通过对最高产量数学模型分析,得出玉米产量达到最高,即Ymax=84.63 g/盆｡从产量这个角度分析,最适的氮肥､钾肥施用量分别为180､120 kg/hm2,灌水量为450 mm,此时为该试验水肥调控的最佳组合｡3.2 讨论在体系复杂的农业生产中,水肥是农业生产的重要资源,水是肥效发挥的关键,肥是打开水土系统生产效能的钥匙｡因此,在生产实践中必须强调“以水调肥,以肥调水”的重要性,科学合理地确定最佳灌水量和最适施肥量｡通过本试验因素互作效应分析表明,水､氮､钾3因素互作对玉米增产的作用,水肥配合效应大于肥与肥配合,即水氮效应､水钾效应大于氮钾效应｡一方面说明适宜的水分供应可以促进肥料转化及吸收,提高肥料利用率;而另一方面说明适宜的施肥也可以调节水分利用过程,提高水分利用率｡这与前人研究结果相吻合[15]｡同时可以看出,在此地区水的作用很重要,水对于玉米的影响大于氮肥和钾肥｡氮和钾的效应大小受灌水量的影响｡本试验没有研究磷的效应对其各因素耦合效应的影响｡本试验只探讨了成熟期最佳灌水量和最适施肥量的耦合效应,今后需要对各个时期土壤田间持水量进行进一步的探讨和研究｡本试验在旱棚条件下得到水､氮､钾3因子之间与夏玉米产量之间的耦合关系,需要进一步对其科学性进行验证｡参考文献:[1] 金轲,汪德水,蔡典雄,等.水肥耦合效应研究Ⅰ不同降雨年型对N､P水配合效应的影响[J].植物营养与肥料学报,1999,5(1):1-7.[2] 腾云,郭亚芬,张忠学,等. 东北半干旱区大豆水肥耦合模式试验研究[J].东北农业大学学报,2005,10(5):640-641.[3] BENBI D K. 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