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        糜子氮、磷、鉀肥的效應(yīng)及優(yōu)化研究

        2013-09-12 06:07:24張美俊喬治軍楊武德馮美臣
        關(guān)鍵詞:效應(yīng)產(chǎn)量模型

        張美俊,喬治軍,楊武德,陳 凌,馮美臣

        (1山西農(nóng)業(yè)大學(xué),山西太谷030801;2山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所,山西太原030031)

        施肥是與作物產(chǎn)量和品質(zhì)、成本、土壤培肥、面源污染等問題密切相關(guān)的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)調(diào)控的重要措施[1]。化肥在中國糧食增產(chǎn)、保障糧食安全方面發(fā)揮著重要的作用。大量研究結(jié)果表明,化肥在糧食增產(chǎn)中的貢獻率高達40% ~50%[2]。但是化肥不合理施用不僅會限制作物產(chǎn)量的提高,而且增加了肥料投入成本,使肥料資源大量浪費,施肥效果下降,影響經(jīng)濟效益,也會造成環(huán)境污染[3-6]。因此,確定合理肥料用量和施肥比例對提高作物產(chǎn)量、增加施肥效益、減少面源污染具有重要作用?!?414”施肥試驗設(shè)計方案被認為是目前國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的肥料效應(yīng)田間試驗方案[7],已有學(xué)者通過“3414”試驗建立肥料效應(yīng)函數(shù),確 定 施 肥 指 標(biāo)、 推 薦 施 肥 量[8-14]。 糜 子(Panicum miliaceum L.)是北方冷涼地區(qū)的主要抗逆渡荒作物,其生育期短,抗逆性強,營養(yǎng)價值較高,在山西省,尤其是晉中和晉北黃土丘陵區(qū),具有明顯的地區(qū)優(yōu)勢和生產(chǎn)優(yōu)勢,是當(dāng)?shù)刂饕耘嗟男‰s糧作物之一,也是新開墾荒地上種植面積較大的先鋒作物。糜子作為一種耐脅迫性極強的特殊作物已被很多學(xué)者所關(guān)注,對其的研究范圍多集中在種質(zhì)資源利用[15-16]、營養(yǎng)價值分析[17-18]和抗旱基因[19]等方面,但關(guān)于糜子推薦施肥的系統(tǒng)研究報道較少,因此對糜子科學(xué)推薦施肥指標(biāo)進行系統(tǒng)的研究很有必要。本試驗采用“3414”肥料效應(yīng)田間設(shè)計方案,研究糜子產(chǎn)區(qū)施用氮、磷、鉀肥的效應(yīng)和探尋最優(yōu)經(jīng)濟效益施肥量,以期逐步建立適合該區(qū)土壤和糜子特性的施肥模型,為糜子生產(chǎn)的科學(xué)施肥提供理論依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 試驗材料

        田間試驗在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗農(nóng)場田進行。供試土壤為黃土母質(zhì)上發(fā)育而成的石灰性褐土,其0—20 cm耕層土壤有機質(zhì)含量15.68 g/kg、全氮0.82 g/kg、速效磷 6.9 mg/kg、速效鉀112 mg/kg。其中土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法,全氮含量采用開氏定氮法,速效磷含量采用 NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法,速效鉀含量采用NH4OAc浸提—火焰光度法測定[20]。

        供試糜子品種為晉黍7號。氮肥用尿素(含純N 46.0%),磷肥用過磷酸鈣(含P2O512.0%),鉀肥用氯化鉀(含K2O 60.0%)。

        1.2 試驗設(shè)計

        采用“3414”施肥試驗設(shè)計方案,氮、磷、鉀3個因素,4個肥料水平為:0水平指不施肥,2水平為按照本地區(qū)近年來開展的肥效試驗和施肥調(diào)查數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,總結(jié)出本地區(qū)的最佳施肥量,1水平為2水平×0.5倍,3水平為2水平×1.5倍(該水平為過量施肥水平),共14個處理。2水平施肥量為 施 N 150 kg/hm2,P2O590 kg/hm2,K2O 30 kg/hm2。各處理施肥水平和施肥量見表1。氮肥的70%和全部磷、鉀肥作基肥一次性施入,氮肥的30%作拔節(jié)期追肥。試驗小區(qū)面積為15 m2,重復(fù)3次,田間隨機排列,小區(qū)間筑田埂,四周設(shè)保護行。其他栽培管理措施按常規(guī)進行。收獲時,全小區(qū)收獲,各小區(qū)單收、單曬核產(chǎn)。

        1.3 推薦施肥量計算與統(tǒng)計分析

        計算推薦施肥量時,設(shè)定糜子的目標(biāo)產(chǎn)量為Y,各肥料因素用量為自變量X,分別采用三元二次和一元二次肥料效應(yīng)函數(shù)進行擬合,綜合考慮各肥料效應(yīng)模型的典型性、F值檢驗、決定系數(shù)選擇最適模型,根據(jù)肥料效應(yīng)模型計算氮、磷、鉀肥最優(yōu)經(jīng)濟效益時的施用量,肥料價格為N 4 Yuan/kg,P2O54.8 Yuan/kg,K2O 5.2 Yuan/kg,糜子價格為 3.4 Yuan/kg,最終確定糜子的推薦施肥量。

        顯著性比較、所有方程的擬合、最優(yōu)施肥量的計算以及圖表制作均采用DPS和Excel軟件。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 氮、磷、鉀肥用量對糜子產(chǎn)量的影響

        表2試驗結(jié)果表明,施用氮、磷、鉀肥后各處理與不施肥處理(N0P0K0)的產(chǎn)量均達到顯著差異水平,說明施肥的增產(chǎn)效果顯著,其中以N2P2K2處理產(chǎn)量最高,比不施肥處理增產(chǎn)1660.55 kg/hm2,增產(chǎn)率達52.31%。高氮處理(N3P2K2)和缺氮處理(N0P2K2)與不施肥處理產(chǎn)量差異雖達到顯著水平,但增產(chǎn)量和增產(chǎn)率與其他處理相比為最低,如N3P2K2處理的增產(chǎn)率為20.58%,N0P2K2的增產(chǎn)率僅為7.97%,表明氮肥施用與否及施用量多少是影響糜子產(chǎn)量的關(guān)鍵因子。

        由表2結(jié)果還可以看出,缺氮(N0P2K2)、缺磷(N2P0K2)和缺鉀(N2P2K0)的3個處理平均產(chǎn)量為3951.2 kg/hm2,與不施肥處理相比平均增產(chǎn)776.48 kg/hm2,而其他10個氮、磷、鉀全施的處理平均產(chǎn)量為4284.44 kg/hm2,與不施肥處理相比平均增產(chǎn)1109.72 kg/hm2,說明氮、磷、鉀肥的平衡施用對糜子產(chǎn)量有明顯影響。

        表2 氮、磷、鉀肥配施對糜子產(chǎn)量的影響Table 2 Effects of combined application of nitrogen,phosphorus and potassium fertilizers on yield of millet

        氮、磷、鉀肥不同用量配施其產(chǎn)量分別與缺氮處理(N0P2K2)、缺磷處理(N2P0K2)、缺鉀處理(N2P2K0)進行比較,分別得出氮、磷、鉀肥在糜子上的增產(chǎn)效應(yīng)(表3)。

        表3結(jié)果顯示,當(dāng)固定任意兩種肥料的施用量,糜子增產(chǎn)量和增產(chǎn)率均隨施氮量、施磷量和施鉀量的增加呈先增加后降低的趨勢,如施用磷肥45 kg/hm2(處理 N2P1K2)時,比不施磷肥(處理N2P0K2)增產(chǎn)量達391.33 kg/hm2,施用90 kg/hm2(處理 N2P2K2)增產(chǎn)最高,增產(chǎn)量可達 908.27 kg/hm2,而施用135 kg/hm2(處理 N2P3K2)時,產(chǎn)量反而開始顯著降低,增產(chǎn)量為393.67 kg/hm2,表明過量施用氮、磷、鉀肥反而會降低糜子產(chǎn)量。說明氮、磷、鉀肥在一定范圍內(nèi)適量配合施用可顯著提高糜子產(chǎn)量,但應(yīng)控制最高用量,否則會出現(xiàn)報酬遞減,導(dǎo)致減產(chǎn)。

        表3結(jié)果還表明,相比缺素處理,以糜子施氮的增產(chǎn)效果最明顯,施用氮肥平均增產(chǎn)率最高,可達24.30%,磷肥次之,為 14.37%,鉀肥最低,僅為3.75%,這一結(jié)果顯示氮、磷、鉀肥施用對糜子產(chǎn)量影響的大小順序為氮>磷>鉀。

        表3 糜子氮、磷、鉀肥的產(chǎn)量效應(yīng)Table 3 Effects of nitrogen,phosphorus and potassium fertilizer application on yield of millet

        2.2 氮、磷、鉀肥的交互作用分析

        根據(jù)試驗結(jié)果,對氮磷、氮鉀、磷鉀兩因素間的交互作用進行了分析。結(jié)果如圖1所示。由圖1中氮肥與磷、鉀肥間的關(guān)系可以看出,當(dāng)施用一定量鉀肥(30 kg/hm2)時,氮肥用量從75 kg/hm2增加到150 kg/hm2,在低磷和中磷水平下,糜子增產(chǎn)量分別為469.06 kg/hm2和715.92 kg/hm2,增長率為12.19%和17.38%,表明磷肥用量的提高有利于氮肥肥效的發(fā)揮。當(dāng)磷肥用量相同時(90 kg/hm2),隨氮肥用量的增加,在低鉀和中鉀水平下,糜子增產(chǎn)量分別為494.00 kg/hm2和715.92 kg/hm2,增產(chǎn)率分別為12.05%和17.38%,說明在較高的鉀肥水平下施用氮肥效果更佳。

        由磷肥與氮、鉀肥的關(guān)系分析可知,當(dāng)施用相同量的鉀肥(30 kg/hm2)時,提高氮肥用量有利于磷肥肥效的發(fā)揮,如磷肥用量從45 kg/hm2增加到90 kg/hm2,在低、中氮水平下,糜子增產(chǎn)量分別為270.08 kg/hm2和516.94 kg/hm2,增長率為7.02%和11.97%。當(dāng)施用一定量氮肥(150 kg/hm2)時,隨磷肥用量的增加,低、中鉀水平下的糜子增產(chǎn)量分別為288.80 kg/hm2和516.94 kg/hm2,增長率為6.71%和11.97%,表明增加鉀肥用量對磷肥肥效的發(fā)揮也有促進作用。

        鉀肥與氮、磷肥間的相互關(guān)系表明,當(dāng)施用一定量磷肥(90 kg/hm2)時,鉀肥用量從15 kg/hm2增加到30 kg/hm2,在低、中氮水平下,糜子增產(chǎn)量分別為 19.07 kg/hm2和 240.99 kg/hm2,增長率為0.47%和5.25%,顯示氮肥用量的提高有利于鉀肥肥效的發(fā)揮。當(dāng)?shù)视昧肯嗤瑫r(150 kg/hm2),隨鉀肥用量增加,在低、中磷水平下,糜子增產(chǎn)量分別為12.85 kg/hm2和240.99kg/hm2,增長率分別為0.30%和12.50%,說明低磷水平不利于鉀肥的發(fā)揮,提高磷肥用量對鉀肥的施用效果可起到促進作用。

        2.3 肥料效應(yīng)函數(shù)擬合及施肥量分析

        2.3.1三元二次肥料效應(yīng)分析 選擇三元二次肥料效應(yīng)模型進行擬合,所采用的方程為:

        式中:y為籽粒產(chǎn)量;x1、x2和x3分別為N、P2O5和K2O施用量。上述方程擬合成功的條件是二次項前系數(shù)為負值,一次項前系數(shù)為正值,即為典型施肥模型,且F值檢驗顯著[10]。如擬合成功,根據(jù)邊際收益等于邊際成本,即dy·py=dx·px的原則計算推薦最優(yōu)經(jīng)濟效益的氮、磷、鉀肥施用量,分別以x1、x2和x3為變量,對方程兩邊求導(dǎo),得到方程組:(2)~(4)式中:Px1、Px2、Px3和 Py分別為 N、P2O5、K2O和糜子價格。把三元二次方程系數(shù) bi值、肥料和糧食價格代入上述方程組,解方程組即可得到最優(yōu)經(jīng)濟效益的氮、磷、鉀肥施用量。

        圖1 氮、磷、鉀肥交互作用分析Fig.1 Analysis of the interactions among the nitrogen,phosphorus and potassium fertilization

        對本試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行回歸分析,建立三元二次施肥模型,得到氮、磷、鉀肥料效應(yīng)方程為:

        對回歸方程進行方差分析和 F檢驗,F(xiàn) =7.2992,P0.05=0.0356,R2=0.9205。從上述效應(yīng)方程的系數(shù)可以看出此模型為非典型施肥模型,且F值不顯著,所以本試驗結(jié)果數(shù)據(jù)建立的三元二次施肥模型擬合不成功。

        2.3.2 一元二次肥料效應(yīng)分析 王圣瑞[9]等研究表明,三元二次施肥模型進行擬合試驗成功率僅為56%。孫義祥[10]等認為擬合成功率僅為9%。本試驗三元二次肥料效應(yīng)模型擬合不成功,故選擇用一元二次肥料效應(yīng)模型進行擬合,所采用的方程為:

        式中:y為籽粒產(chǎn)量,x為肥料用量,a為截距,b為一次回歸系數(shù),c為二次回歸系數(shù),選用編號為2、3、6、11處理的產(chǎn)量結(jié)果模擬氮肥的推薦用量,選用4、5、6、7處理的產(chǎn)量結(jié)果模擬磷肥的推薦用量,選用6、8、9、10處理的產(chǎn)量結(jié)果模擬鉀肥的推薦用量。如果上述方程擬合成功,對x求偏導(dǎo)數(shù),根據(jù)邊際收益等于邊際成本,即dy·py=dx·px計算推薦最優(yōu)經(jīng)濟效益氮、磷、鉀肥施用量,以x為變量,對方程兩邊求導(dǎo),得到方程:

        式中:Px為 N、P2O5或 K2O的價格,Py為糜子價格。把一次回歸系數(shù)b值、二次回歸系數(shù)c值、肥料和糜子價格代入上述方程,解方程即可得到最優(yōu)經(jīng)濟效益氮、磷、鉀肥施用量。

        對本試驗數(shù)據(jù)結(jié)果進行回歸分析,建立一元二次肥料效應(yīng)模型,結(jié)果如表4,一元模型R檢驗氮、磷、鉀均達顯著水平。

        由表4氮、磷、鉀肥料效應(yīng)回歸方程可以看出,二次項系數(shù)均小于0,拋物線向下,符合生物學(xué)規(guī)律。根據(jù)氮的一元二次肥效方程計算糜子最優(yōu)經(jīng)濟效益為施 N 121.61 kg/hm2,最優(yōu)經(jīng)濟產(chǎn)量可達4600.55 kg/hm2。根據(jù)磷的一元二次肥效方程可知,糜子的最優(yōu)經(jīng)濟效益為施P2O578.09 kg/hm2,最優(yōu)經(jīng)濟產(chǎn)量達4661.05 kg/hm2。根據(jù)鉀的一元二次肥效方程得出糜子的最優(yōu)經(jīng)濟效益為施K2O 24.23 kg/hm2,最優(yōu)經(jīng)濟產(chǎn)量可達4741.23 kg/hm2,N∶P2O5∶K2O=1 ∶0.64 ∶0.20。

        3 討論與結(jié)論

        有關(guān)作物氮、磷、鉀營養(yǎng)施肥的研究,國內(nèi)外已有不計其數(shù)的報道,但受耕作土壤基礎(chǔ)肥力和栽培措施差異的影響,結(jié)果不盡相同。本試驗結(jié)果表明,糜子施肥增產(chǎn)效果顯著,以試驗所設(shè)最適氮、磷、鉀肥用量組合N2P2K2處理產(chǎn)量最高,增產(chǎn)率高達52.31%。缺氮和高氮處理增產(chǎn)率最低,說明適宜的氮肥施用量是影響糜子產(chǎn)量的關(guān)鍵因子。抽穗期黍子對不同施肥處理的生理響應(yīng)的研究表明,凡是含有氮的處理組合,其葉綠素及可溶性糖含量都比較高,光合速率也比較大,且能延緩黍子的衰老[21]。本研究結(jié)果還表明,氮、磷、鉀肥配合施用有利于糜子產(chǎn)量的提高。生土施肥對黍子產(chǎn)量影響的研究也表明,氮、磷、鉀肥配合施用,不僅有較多的成穗數(shù)和穗粒數(shù),而且有較高的千粒重,因此增產(chǎn)效果最好[21]。在本試驗研究范圍內(nèi),氮、磷、鉀肥任何一因素過量施用均會導(dǎo)致產(chǎn)量顯著降低,一種養(yǎng)分的過量投入往往可導(dǎo)致多種元素的不協(xié)調(diào),可使肥效失靈,投入的營養(yǎng)元素?zé)o增產(chǎn)效果,甚至?xí)斐蓽p產(chǎn)[3]。綜合氮、磷、鉀肥三因素對糜子產(chǎn)量的影響,其大小順序為氮>磷>鉀。

        表4 一元肥料效應(yīng)模型擬合結(jié)果Table 4 The results simulated by one-factor fertilization models

        養(yǎng)分間的交互作用是植物營養(yǎng)與土壤肥料學(xué)研究的重點內(nèi)容,許多研究已表明各營養(yǎng)元素之間的關(guān)系是復(fù)雜的,只有明確不同養(yǎng)分間的交互作用的方向(正交互作用還是負交互作用),才能制訂適宜的養(yǎng)分配比,以充分發(fā)揮肥料的作用[3,22]。本試驗的研究結(jié)果表明,氮、磷、鉀肥間存在不同程度的交互作用,能夠相互促進肥效的發(fā)揮。張永清等[21]對黍子生長生理的研究表明,氮與磷之間表現(xiàn)出明顯的協(xié)同作用,在施用氮、磷的基礎(chǔ)上施鉀,具有明顯的加合效應(yīng),如根重、總根長、總根數(shù)、根系總吸收面積與活性吸收面積分別增加,而且在抽穗期的增加幅度更大。張文君等[11]通過“3414”試驗發(fā)現(xiàn),氮、磷、鉀肥間存在明顯的交互作用,配合施用能提高肥效和促進矮牽牛的生長。蘇偉等[22]對紫云英氮、磷、鉀肥“3414”試驗的產(chǎn)量效應(yīng)研究也表明,氮、磷、鉀肥之間存在一定的正交互作用,互相影響肥效的發(fā)揮。本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果一致。

        總體肥料效應(yīng)不能按三元二次肥料效應(yīng)回歸模型擬合,與多數(shù)研究報道一致[9-11]。當(dāng)三元二次模型不能對“3414”試驗結(jié)果進行擬合時,可采用一元二次肥料效應(yīng)模型,此效應(yīng)模型擬合“3414”試驗結(jié)果,雖然作為單因素試驗處理,但在考慮一個因素時,另外兩個因素是完全滿足需要的,隱含了養(yǎng)分間的交互作用,所以使用一元二次肥料效應(yīng)模型也可以獲得一些施肥決策的有價值的信息。本試驗結(jié)果表明,糜子施氮、磷、鉀肥的“3414”試驗,產(chǎn)量效應(yīng)符合一元二次函數(shù)方程,根據(jù)一元二次肥料效應(yīng)模型計算出氮、磷、鉀肥推薦最優(yōu)施肥量,分別為N 121.61 kg/hm2、P2O578.09 kg/hm2、K2O 24.23 kg/hm2,最優(yōu)經(jīng)濟產(chǎn)量可達 4600.55~4741.23 kg/hm2,N∶P2O5∶K2O=1 ∶0.64 ∶0.20。氮、磷、鉀肥的一元二次肥效模型推薦的施肥量與試驗實際設(shè)計采用的最適施用量相比,N低28.39 kg/hm2,P2O5低11.91 kg/hm2,K2O 低 5.77 kg/hm2,較接近本地區(qū)的氮、磷、鉀肥實際最佳施肥量,可用于生產(chǎn)實踐指導(dǎo)施肥,為本地區(qū)糜子生產(chǎn)中氮、磷、鉀肥的合理施用提供科學(xué)依據(jù)。

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