單晶晶,陳小兵,尹春艷,文 佩,顏 坤,張立華,張立賓,付希強(qiáng),孫海栓

(1.中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所/中國(guó)科學(xué)院海岸帶環(huán)境過(guò)程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 煙臺(tái) 264003;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京 100049;3.東營(yíng)市科技情報(bào)研究所 東營(yíng) 257091;4.山東省匯邦渤海農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司 東營(yíng) 257091)

黃河三角洲鹽堿土冬小麥氮磷肥料效應(yīng)模型研究*

單晶晶1,2,陳小兵1**,尹春艷1,2,文 佩1,2,顏 坤1,張立華1,張立賓3,付希強(qiáng)4,孫海栓4

(1.中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所/中國(guó)科學(xué)院海岸帶環(huán)境過(guò)程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 煙臺(tái) 264003;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京 100049;3.東營(yíng)市科技情報(bào)研究所 東營(yíng) 257091;4.山東省匯邦渤海農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司 東營(yíng) 257091)

通過(guò)大田試驗(yàn),研究了黃河三角洲鹽堿土地區(qū)冬小麥合適的肥料效應(yīng)模型。在冬小麥生長(zhǎng)季設(shè)置4種不同的氮磷肥用量,根據(jù)“3414”試驗(yàn)設(shè)計(jì)8種不同的肥效試驗(yàn)處理,以探討線性加平臺(tái)、一元二次、平方根和二元二次4種不同模型的擬合效果。結(jié)果顯示,4種肥料效應(yīng)模型的擬合結(jié)果經(jīng)檢驗(yàn)都達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。在一元肥料效應(yīng)模型中,氮磷一元二次模型擬合效果最好,最高收益分別為7 448.3元·hm-2和7 357.7元·hm-2,最佳經(jīng)濟(jì)氮磷用量分別為254.4 kg·hm-2和98.6 kg·hm-2。對(duì)比一元與二元模型,后者擬合效果較好,最佳經(jīng)濟(jì)氮磷用量分別為244.1 kg·hm-2和94.2 kg·hm-2,即氮磷肥配比為2.6∶1,經(jīng)濟(jì)效益為7 432.4元·hm-2,氮肥農(nóng)學(xué)利用率為6.2 kg(籽粒)·kg-1(N),磷肥農(nóng)學(xué)利用率為13.8 kg(籽粒)·kg-1(P2O5)。結(jié)合擬合度、最佳經(jīng)濟(jì)施肥量、經(jīng)濟(jì)收益、肥料農(nóng)學(xué)利用率和一元模型的局限性分析得出,二元二次肥料效應(yīng)模型最優(yōu),可作為黃河三角洲地區(qū)鹽堿土冬小麥氮磷肥效模型的最佳選擇。

肥料效應(yīng)模型;氮磷肥;最佳經(jīng)濟(jì)施肥量;冬小麥;鹽堿土;黃河三角洲

據(jù)聯(lián)合國(guó)教科組織(UNESCO)和糧農(nóng)組織(FAO)不完全統(tǒng)計(jì),全世界鹽漬土面積達(dá)9.5億hm2[1],如何將這些潛在土地開(kāi)發(fā)改良為耕地是一個(gè)世界性難題。我國(guó)黃河三角洲地區(qū)鹽堿土分布廣泛[2],其中東營(yíng)市擁有近53萬(wàn)hm2[3],受人為及自然環(huán)境的影響,該地區(qū)鹽漬化日趨嚴(yán)重[4]。含鹽量低于0.2%的土壤占黃河三角洲面積的4.29%[2],鹽分含量在0.1%～0.3%的輕度鹽漬土易被開(kāi)墾利用[5],科學(xué)開(kāi)發(fā)與利用這些土地是“黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)”建設(shè)的重要內(nèi)容。

土壤養(yǎng)分和鹽分狀況決定了鹽堿地的植被類型和土地利用方式[6],因此,深耕、增施綠肥等土壤管理措施常作為改良鹽堿土的手段[7-8]。有機(jī)無(wú)機(jī)配施、氮磷鉀配施等都可在一定程度上減緩鹽分對(duì)作物的脅迫作用,促進(jìn)其生長(zhǎng)[9-11]。合理科學(xué)施肥不僅可以優(yōu)化肥料施用量,還可以提高肥料利用率,以保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境[12-15]。黃河三角洲地區(qū)肥料用量相當(dāng)大,東營(yíng)市2013年消耗氮肥16萬(wàn)t、磷肥9萬(wàn)t、鉀肥2萬(wàn)t、復(fù)合肥10萬(wàn)t(以上為化肥實(shí)物量)[16]。過(guò)量施肥不僅造成肥料浪費(fèi)和水體富營(yíng)養(yǎng)化,還導(dǎo)致土壤鹽漬化[17]。我國(guó)肥料利用率偏低,氮磷鉀肥的利用率分別為30%～35%、10%～25%和35%～50%[18],而鹽堿土受鹽脅迫的影響其肥料利用率更低[19]。如何使鹽堿地肥料達(dá)到高效利用是長(zhǎng)期以來(lái)需要解決的問(wèn)題。

目前,鹽堿土施肥的研究大多針對(duì)土壤和作物作用機(jī)理方面,而針對(duì)肥料效應(yīng)數(shù)學(xué)模型角度的研究較少。肥料效應(yīng)模型(經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?是根據(jù)田間試驗(yàn)結(jié)果,建立在生物統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上的回歸模型,描述了施肥量和作物產(chǎn)量間的數(shù)量關(guān)系。通過(guò)建立肥料效應(yīng)模型可以確定合理施肥量,該方法也是國(guó)內(nèi)外實(shí)現(xiàn)定量化施肥的主要途徑[20-21]。在肥效試驗(yàn)中(尤其是“3414”肥效試驗(yàn))大部分采用三元二次肥料效應(yīng)模型進(jìn)行模擬[22],但成功率不高[23],易舍棄,造成數(shù)據(jù)流失;在不考慮試驗(yàn)區(qū)實(shí)際情況下,如北方地區(qū)部分土壤不缺鉀,選用三元二次模型會(huì)得出缺鉀的錯(cuò)誤結(jié)論[24],并且三元二次模型即使擬合成功也需要一元和二元模型進(jìn)行補(bǔ)充,因此,合適肥料效應(yīng)模型的選擇非常重要。王素華等[25]在冬小麥(Triticum aestivum)“3414”試驗(yàn)中未能用氮磷鉀三元二次肥料效應(yīng)模型成功擬合,而采用了一元一次和二次模型擬合。王新民等[26]在探究冬小麥產(chǎn)量和氮肥用量關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn),第1年肥料效應(yīng)模型適合選擇線性加平臺(tái)模型,而第2年則更適合選擇二次多項(xiàng)式模型,即在同一地點(diǎn)隨著環(huán)境條件的改變,肥料效應(yīng)模型的選擇也隨之改變。因此,模型的選擇需要根據(jù)試驗(yàn)區(qū)環(huán)境條件確定;大量研究表明,肥料模型的選擇因作物和養(yǎng)分而異[21]。雖然前人關(guān)于肥料效應(yīng)模型的研究較多,但鮮有涉及鹽堿土條件下的模型研究。本試驗(yàn)利用黃河三角洲地區(qū)的鹽堿土,通過(guò)布置“3414”試驗(yàn)探究該地區(qū)冬小麥的肥料效應(yīng)模型,找出最佳施肥量,以期為該地區(qū)的冬小麥合理化施肥提供依據(jù)。冬小麥?zhǔn)屈S河三角洲主要的糧食作物[16],建立該地區(qū)鹽堿土冬小麥的肥料效應(yīng)模型便于指導(dǎo)科學(xué)施肥。通過(guò)模型計(jì)算出最佳施肥量用以推薦施肥,不僅可以實(shí)現(xiàn)施肥定量化,也為將來(lái)土壤養(yǎng)分管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015年10月在山東省東營(yíng)市利津縣汀羅鎮(zhèn)渤海農(nóng)場(chǎng)(37°41′17.25″N,118°36′03.76″E)進(jìn)行,該農(nóng)場(chǎng)海拔6 m左右,屬北溫帶季風(fēng)氣候區(qū)。年降水量542 mm,且季節(jié)分配不均,6—8月降水量占全年的63.9%,形成了春旱、夏澇、晚秋又旱的氣候特點(diǎn);年平均氣溫12.3℃,≥10℃積溫4 183℃,無(wú)霜期203 d,全年日照時(shí)數(shù)2 712.9 h[3];平均地下水埋深1.34 m,礦化度15 g·L-1。試驗(yàn)區(qū)土壤為砂壤土,其顆粒分布為砂粒67%、粉粒27%、黏粒6%;土壤pH1∶5為8.59,容重1.3 g·cm-3;土壤有機(jī)質(zhì)10.35 g·kg-1、全氮0.958 g·kg-1、有效磷17.8 mg·kg-1、速效鉀66.8 mg·kg-1;表層土壤(0～20 cm)全鹽1.4 g·kg-1、Na+357 mg·kg-1、Cl-533 mg·kg-1,屬于輕度鹽化土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)取“3414”部分方案進(jìn)行實(shí)施,即布置氮、磷兩因素試驗(yàn),氮和磷各分為0、1、2、3共4個(gè)水平,其中:0水平指不施肥,2水平指當(dāng)?shù)刈罴咽┓柿康耐扑]值,1水平=2水平×0.5,3水平=2水平×1.5(該水平為過(guò)量施肥),具體施肥量見(jiàn)表1。試驗(yàn)設(shè)8個(gè)處理,每個(gè)處理重復(fù)4次,共32個(gè)小區(qū),各小區(qū)完全隨機(jī)排列,面積為21 m2(3 m×7 m)。冬小麥于2015年10月22日播種,行距16 cm,播種量225 kg·hm-2。氮肥基肥和追肥比例為6∶4,磷肥全做基肥。供試冬小麥品種為‘山農(nóng)24號(hào)’,氮肥為尿素(46% N),磷肥為過(guò)磷酸鈣(15% P2O5)。

表1 各施肥處理的氮肥和磷肥施用量Table 1 Nitrogen and phosphorus fertilization rates of different treatments

在冬小麥越冬期、拔節(jié)期和灌漿期各進(jìn)行一次灌溉,其他管理措施同大田。于2016年6月14日收獲,成熟期全部小區(qū)測(cè)實(shí)產(chǎn)。

1.3 肥料效應(yīng)模型

1.3.1 一元肥料效應(yīng)模型

①線性加平臺(tái)(linear plus plateau)模型:

式中:y為籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2);x為肥料施用量(kg·hm-2);a為截距,即不施肥的產(chǎn)量水平;b為回歸系數(shù);C為直線與平臺(tái)的交點(diǎn);P為施肥量達(dá)到C值時(shí)的產(chǎn)量,即平臺(tái)產(chǎn)量(kg·hm-2)。

②一元二次(unary quadratic)模型:

式中:b為一次項(xiàng)回歸系數(shù),c為二次項(xiàng)回歸系數(shù),y、x、a意義同上。

③平方根(square root)模型:

式中:b為平方根項(xiàng)回歸系數(shù),c為一次項(xiàng)回歸系數(shù),y、x、a意義同上。

1.3.2 二元肥料效應(yīng)模型

二元二次(binary quadratic)模型:

式中:y為籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2);x1、x2分別為氮肥和磷肥施用量(kg·hm-2);f為截距,即不施肥的產(chǎn)量水平;a、b、c為二次項(xiàng)回歸系數(shù);d、e為一次項(xiàng)回歸系數(shù)。

1.4 最佳施肥量計(jì)算

一元二次、平方根和二元二次肥料效應(yīng)模型通過(guò)邊際效應(yīng)的方法確定每個(gè)小區(qū)的最佳氮、磷施肥量,線性加平臺(tái)模型則直接計(jì)算最佳施肥量。邊際效應(yīng)是根據(jù)邊際收益等于邊際成本的原則計(jì)算經(jīng)濟(jì)最佳施肥量,即dy·py=dx·px(px和py分別為肥料和冬小麥價(jià)格)。本試驗(yàn)冬小麥采用2016年山東省東營(yíng)市冬小麥?zhǔn)召?gòu)價(jià)格1.27元·kg-1;肥料采用市場(chǎng)實(shí)際購(gòu)買(mǎi)價(jià)格,即尿素1.6元·kg-1,過(guò)磷酸鈣2.4元·kg-1。

1.5 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Microsoft Excel和SAS統(tǒng)計(jì)軟件,利用最小二乘法原理[27]對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸統(tǒng)計(jì)分析,利用ORIGIN和MATLAB軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 一元和二元肥料效應(yīng)模型

在回歸分析過(guò)程用每個(gè)重復(fù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)取代各重復(fù)的平均數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),以避免將重復(fù)試驗(yàn)變成無(wú)重復(fù)試驗(yàn),雖然兩種統(tǒng)計(jì)方法得到的回歸方程相同,但后者的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)論會(huì)被錯(cuò)誤夸大[28]。用處理2、3、6、8擬合105 kg·hm-2施磷量的氮肥效應(yīng)模型,用處理4、5、6、7擬合270 kg·hm-2施氮量的磷肥效應(yīng)模型。具體肥料效應(yīng)方程見(jiàn)表2。

由表2可知,氮磷肥料的一元肥料效應(yīng)方程R2值為線性加平臺(tái)模型>一元二次模型>平方根模型>0.5,且經(jīng)F檢驗(yàn)P值均小于0.01,故冬小麥籽粒產(chǎn)量與氮磷用量呈極顯著相關(guān),即該模型能較好地反映施肥量和產(chǎn)量間的關(guān)系。對(duì)比氮磷兩種肥料效應(yīng)方程,后者R2大于前者,表現(xiàn)出磷肥的擬合效果優(yōu)于氮肥。

表2 鹽堿地冬小麥氮磷肥一元肥料效應(yīng)方程Table 2 Unary models of nitrogen and phosphorus fertilizers effects on winter wheat yield in saline soil

氮磷一元肥料效應(yīng)模型擬合曲線見(jiàn)圖1a和圖1b。氮磷線性加平臺(tái)模型分別在施肥量為162.0 kg·hm-2和64.5 kg·hm-2時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)折,即產(chǎn)量不再隨著施肥量的增加而增加,而是趨于穩(wěn)定。氮磷一元二次擬合模型分別在施氮292.3 kg·hm-2和施磷106.6 kg·hm-2時(shí)達(dá)最大產(chǎn)量,且該模型有別于線性加平臺(tái)模型,因?yàn)榍罢咴谑┓柿窟^(guò)多時(shí)形成產(chǎn)量降低的模擬趨勢(shì),而后者無(wú)此模擬趨勢(shì)。氮磷平方根模型分別在施氮323.7 kg·hm-2和施磷90.1 kg·hm-2時(shí)達(dá)最大產(chǎn)量。該模型擬合的曲線類似于線性加平臺(tái)模型,但前者在施肥量較大時(shí)隨著施肥量增加,產(chǎn)量增加相對(duì)緩慢。氮平方根模型在施肥量較大時(shí)產(chǎn)量變化趨于零,而磷的該模型有產(chǎn)量下降的趨勢(shì)。

在該試驗(yàn)區(qū)的肥力條件下,氮磷肥作用形成的施肥量與產(chǎn)量間的關(guān)系為:

上述擬合方程R2值為0.705 8,經(jīng)F檢驗(yàn)P值小于0.01,冬小麥籽粒產(chǎn)量與氮磷施用量呈極顯著相關(guān)關(guān)系。根據(jù)該模型的擬合曲線顯示(圖1c),在氮磷兩因素的影響下,產(chǎn)量明顯出現(xiàn)一個(gè)最高點(diǎn),該點(diǎn)對(duì)應(yīng)施氮量為296.5 kg·hm-2、施磷量為107.9 kg·hm-2。

2.2 最佳施肥量和收益

一元和二元模型冬小麥最高產(chǎn)量擬合結(jié)果見(jiàn)表3,氮的一元二次模型擬合得出的籽粒產(chǎn)量最高,其次是線性加平臺(tái)和平方根模型,但收益是線性加平臺(tái)模型>一元二次模型>平方根模型,對(duì)應(yīng)施氮量為平方根模型>一元二次模型>線性加平臺(tái)模型;磷的一元二次模型擬合得出的籽粒產(chǎn)量最高,其次是平方根模型和線性加平臺(tái)模型,收益是一元二次模型>線性加平臺(tái)模型>平方根模型,對(duì)應(yīng)施磷量為一元二次模型>平方根模型>線性加平臺(tái)模型。對(duì)比一元和二元模型,二元模型的最高產(chǎn)量較前兩者低24.4 kg·hm-2、-55.7 kg·hm-2,但考慮到經(jīng)濟(jì)收益,最高產(chǎn)量并非對(duì)應(yīng)著最大收益,故不能單純通過(guò)最高產(chǎn)量來(lái)選擇模型,也要考慮最后的收益,即需要用邊際效應(yīng)來(lái)比較各模型。

表4顯示,氮的線性加平臺(tái)模型擬合出的收益最高,其次是一元二次模型和平方根模型,最佳經(jīng)濟(jì)施氮量為一元二次模型>平方根模型>線性加平臺(tái)模型。線性加平臺(tái)模型收益僅比一元二次模型高14元·hm-2,但其最佳經(jīng)濟(jì)施氮量低92.4 kg·hm-2。若單以收益為目的,線性加平臺(tái)模型和一元二次模型都可作為氮肥模型的選擇。本試驗(yàn)中線性加平臺(tái)模型的收益最高7 462.3元·hm-2,最佳經(jīng)濟(jì)施氮量為162.0 kg·hm-2。磷的一元二次模型擬合得出的收益最高,其次是平方根模型和線性加平臺(tái)模型,對(duì)應(yīng)施磷量為一元二次模型>平方根模型>線性加平臺(tái)模型。盡管線性加平臺(tái)模型的擬合度較好,但綜合經(jīng)濟(jì)因素,一元二次模型的收益最高(7 357.7元·hm-2),最佳經(jīng)濟(jì)施磷量為98.6 kg·hm-2。故在一元模型中,氮肥適合選用線性加平臺(tái)模型和一元二次模型擬合,而磷肥適合一元二次模型擬合。

圖1 鹽堿地冬小麥氮肥(a)和磷肥(b)一元肥料效應(yīng)模型及氮、磷肥二元二次肥料效應(yīng)模型(c)Fig.1 Unary models of nitrogen (a) and phosphorus (b) fertilizers effects and binary quadratic model of nitrogen and phosphorus (c) fertilizer effects on winter wheat in saline soil

表3 鹽堿地冬小麥氮磷肥料效應(yīng)模型最高產(chǎn)量擬合結(jié)果Table 3 Maximum yield predicted by each model of nitrogen and phosphorus fertilizer effects of winter wheat in saline soil

表4 鹽堿地冬小麥氮磷肥料效應(yīng)模型最佳經(jīng)濟(jì)施肥量擬合結(jié)果Table 4 Optimal economic rates of nitrogen and phosphorus fertilizers by each model of fertilizer effects on winter wheat in saline soil

對(duì)比一元和二元的二次模型,二元模型的最高收益較前兩者低15.8元·hm-2、-74.8元·hm-2,而最佳經(jīng)濟(jì)施氮量低10.3 kg·hm-2、最佳施磷量低4.4 kg·hm-2。由此可知,一元二次模型和二元二次模型擬合計(jì)算出的最高收益和最佳施肥量差距很小,而后者將氮磷作為自變量引入同一方程,能考慮到氮磷之間的交互作用。

2.3 肥料農(nóng)學(xué)利用率

肥料農(nóng)學(xué)利用率是肥料利用效率的一個(gè)重要指標(biāo),其計(jì)算公式為[29]:

圖2顯示隨著施肥量的增加,農(nóng)學(xué)利用率逐漸降低,兩者之間存在線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)均達(dá)顯著水平。其中氮磷處理的1、3水平差異顯著,而2水平與其他水平差異不顯著。施氮處理的1～3水平的農(nóng)學(xué)利用率為8.2 kg(籽粒)·kg-1(N)、5.2 kg(籽粒)·kg-1(N)、3.1 kg(籽粒)·kg-1(N),1水平的氮肥農(nóng)學(xué)利用率是3水平的2.6倍。施磷處理的1～3水平的農(nóng)學(xué)利用率為18.3 kg(籽粒)·kg-1(P2O5)、12.8 kg(籽粒)·kg-1(P2O5)、6.5 kg(籽粒)·kg-1(P2O5),1水平的磷肥農(nóng)學(xué)利用率是3水平的2.8倍?？傮w表現(xiàn)出氮肥農(nóng)學(xué)利用率低于磷肥農(nóng)學(xué)利用率。結(jié)果表明,氮磷施用量增加,肥料農(nóng)學(xué)利用率降低,但磷肥利用率高于氮肥。

圖2 鹽堿地冬小麥肥料農(nóng)業(yè)利用率Fig.2 Agronomic efficiencies of nitrogen fertilizer and phosphorus fertilizer of winter wheat in saline soil

根據(jù)肥料用量與利用率之間的線性關(guān)系,可得出不同模型最佳肥料施用量的農(nóng)學(xué)利用率。氮磷線性加平臺(tái)模型、一元二次模型、平方根模型推薦的最佳經(jīng)濟(jì)施氮量對(duì)應(yīng)的利用率為7.7 kg(籽粒)·kg-1(N)、6.0 kg(籽粒)·kg-1(N)、7.2 kg(籽粒)·kg-1(N)和17.2 kg(籽粒)·kg-1(P2O5)、13.3 kg(籽粒)·kg-1(P2O5)、16.63 kg(籽粒)·kg-1(P2O5);氮磷二元二次模型薦的最佳經(jīng)濟(jì)施氮量對(duì)應(yīng)的利用率為6.2 kg(籽粒)·kg-1(N)、13.8 kg(籽粒)·kg-1(P2O5)。結(jié)果表明,氮磷的線性加平臺(tái)模型肥料利用率最高,一元二次模型和二元二次模型肥料利用率幾乎一致。

3 討論與結(jié)論

評(píng)價(jià)肥料效應(yīng)模型,需從統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的擬合性和推薦施肥量的節(jié)省程度上考慮[30]。擬合模型R2越大,其擬合程度越好,在模擬冬小麥氮肥一元模型時(shí),曾長(zhǎng)立等[30]發(fā)現(xiàn)R2值大小為線性加平臺(tái)模型>一元二次模型>平方根模型;王新民等[26]的研究也顯示線性加平臺(tái)模型>一元二次模型;孟澤鳳等[31]在模擬冬小麥氮磷肥模型時(shí),R2值顯示二元二次模型>一元二次模型,且氮肥>磷肥(一元二次模型);Cerrato等[32]在模擬玉米(Zea mays)氮肥一元模型時(shí),發(fā)現(xiàn)線性加平臺(tái)模型>一元二次模型>平方根模型。本研究中,在鹽脅迫下冬小麥的氮磷擬合模型R2仍顯示二元二次模型>線性加平臺(tái)模型>一元二次模型>平方根模型;但在一元模型中,磷肥>氮肥。試驗(yàn)表明在鹽分脅迫下各模型的擬合效果不受鹽分影響,但是鹽漬土磷肥的擬合效果優(yōu)于氮肥。因此,可推斷在高鹽分地區(qū)模型的擬合效果依然表現(xiàn)為二元二次模型和一元線性加平臺(tái)模型最優(yōu)。隨著施肥量的增加,氮肥平方根模型對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量增加越緩慢,但是受鹽分脅迫作用,磷的該模型有產(chǎn)量下降的趨勢(shì)。這可能是由于在該試驗(yàn)處理中氮的用量還達(dá)不到產(chǎn)量下降的程度,但也不排除其他原因?qū)е碌倪@種現(xiàn)象,需要進(jìn)一步做試驗(yàn)進(jìn)行證實(shí)。

在鹽分較低地區(qū),曾長(zhǎng)立等[30]發(fā)現(xiàn),冬小麥氮肥線性加平臺(tái)模型最優(yōu),其最佳施氮量為119.6 kg·hm-2,而本試驗(yàn)中布置在鹽漬土上線性加平臺(tái)模型對(duì)應(yīng)的最佳施肥量為162.0 kg·hm-2,這符合鹽漬土地區(qū)需要增施氮肥減緩鹽脅迫的土壤管理措施[33]。在全鹽1.2 g·kg-1的鹽漬土地區(qū),陳修斌等[34]對(duì)胡蘿卜(Daucus carota)的氮磷肥料一元二次模型進(jìn)行模擬并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型得到的收益最高。由于不同作物適宜的肥料模型有所差異[21],本試驗(yàn)區(qū)全鹽1.4 g·kg-1,冬小麥的氮肥線性加平臺(tái)模型和一元二次模型收益較高,磷肥的一元二次模型收益最高。王立艷等[11]運(yùn)用二次多項(xiàng)式模型擬合出冬小麥-玉米在施氮量為763 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最高產(chǎn)量,但未考慮收益。本試驗(yàn)中最高產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的并非最高收益,因此運(yùn)用邊際效應(yīng)對(duì)各模型的最高收益進(jìn)行對(duì)比分析,得出氮肥適合選用線性加平臺(tái)型和一元二次模型擬合,而磷肥適合用一元二次模型進(jìn)行擬合。由于一元二次和二元二次模型擬合出的最高收益和最佳施肥量差距很小,而后者將氮磷作為自變量引入同一方程,考慮了氮磷間的交互作用,因此鹽漬土地區(qū)也適合選用二元二次模型,這符合毛達(dá)如等[35]提出的二次式模型最適合模擬肥料效應(yīng)方程。

鹽分過(guò)高抑制土壤硝化作用,影響氮肥的利用[36]。本研究區(qū)高氮磷量的施入明顯降低了肥料農(nóng)學(xué)利用率,且氮磷各模型得出的最佳施肥量的肥料利用率均介于2、3水平,雖然推薦的最佳肥料施用量未達(dá)到最大肥料利用率,但其在保證肥料利用率較高的情況下得到的收益最高。在低鹽(全鹽0.56 g·kg-1)地區(qū),線性加平臺(tái)模型最佳施肥量的氮肥利用率是一元二次模型的1.3倍[30]。在本試驗(yàn)中,氮磷的線性加平臺(tái)模型肥料利用率分別是一元二次模型的1.28倍和1.29倍。因此可推斷氮磷肥料各模型間肥料利用率的關(guān)系不受鹽分的影響。

不同學(xué)者研究得出的最適模型不同。王興仁等[21]認(rèn)為黃淮海區(qū)域宜采用線性加平臺(tái)模型,關(guān)寧[27]認(rèn)為基礎(chǔ)肥力不高的土壤可采用二次模型,而基礎(chǔ)肥力較高的土壤采用平方根模型。綜合上述,黃河三角洲鹽漬土區(qū)域受鹽分脅迫的影響,肥料投入相對(duì)高于普通農(nóng)田的投入,在保證擬合度較高的條件下,氮磷二元二次模型可作為該地區(qū)地力條件下的合適選擇。

黃河三角洲地區(qū)冬小麥可用線性加平臺(tái)模型、一元二次模型、平方根模型和二元二次模型描述肥料用量與作物產(chǎn)量的回歸關(guān)系。綜合模型的擬合度、最佳經(jīng)濟(jì)施肥量、經(jīng)濟(jì)收益和肥料農(nóng)學(xué)利用率,探究單一肥料時(shí)可選擇一元二次模型;而在研究氮磷雙因素肥料時(shí),二元二次模型可作為肥料效應(yīng)模型的最佳選擇。黃河三角洲地區(qū)一般是氮磷肥進(jìn)行配施,因此二元二次模型是更優(yōu)的施肥模型。在土壤輕度鹽漬化地區(qū),二元二次模型對(duì)應(yīng)的最佳經(jīng)濟(jì)施氮量為244.1 kg·hm-2,最佳經(jīng)濟(jì)施磷量為94.2 kg·hm-2,即氮磷肥配比為2.6∶1,經(jīng)濟(jì)收益為7 432.4元·hm-2,氮肥農(nóng)學(xué)利用率為6.2 kg(籽粒)·kg-1(N),磷肥農(nóng)學(xué)利用率為13.8 kg(籽粒)·kg-1(P2O5)。根據(jù)每年的糧食價(jià)格和肥料價(jià)格變動(dòng),可利用模型推算該地區(qū)更貼合實(shí)際的最佳經(jīng)濟(jì)施肥量,以利于科學(xué)指導(dǎo)施肥。

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Comparison of fertilizer-effect models on winter wheat response to nitrogen and phosphorus fertilizers in saline soils in the Yellow River Delta*

SHAN Jingjing1,2,CHEN Xiaobing1**,YIN Chunyan1,2,WEN Pei1,2,YAN Kun1,ZHANG Lihua1,ZHANG Libin3,FU Xiqiang4,SUN Haishuan4
(1.Key Laboratory of Coastal Zone Environmental Processes and Ecological Remediation / Yantai Institute of Coastal Zone Research,Chinese Academy of Sciences,Yantai 264003,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3.Dongying Institute of Scientific and Technical Information,Dongying 257091,China;4.Shandong Huibangbohai Agricultural Development Co.Ltd.,Dongying 257091,China)

Salt-affected soils distribute widely across the Yellow River Delta,which inhibit plant growth and crop yield in thisarea.Although fertilizer application can alleviate the adverse impact of salinization on crop,little remains known about the performance of different fertilizer-effect models on simulation of ‘3414’ fertilizer experiments in winter wheat field in saline soils.Among the essential elements,nitrogen (N) and phosphorus (P) are usually the most important nutrients limiting plant growth in saline or non-saline soils.In this study,four fertilizer-effect models were used to simulate the impact of N and P fertilizers on wheat yield in a field experiment in Lijin County of Shandong Province.The study aimed at selecting suitable fertilizer-effect model for wheat grown in saline soils in the Yellow River Delta.Four levels of N and P fertilizers (N:0 kg·hm-2,135 kg·hm-2,170 kg·hm-2,405 kg·hm-2;P:0 kg·hm-2,53 kg·hm-2,105 kg·hm-2,157.5 kg·hm-2) were set in eight treatments based on the‘3414’ test in order to investigate the fit effect of the four fertilizer-effect models — linear plus plateau,unary quadratic,square root and binary quadratic.To ensure the accuracy of fertilizer-effect models,the least square method was used in the statistical regression analysis.The results suggested that the four fertilizer-effect models had an extremely significant level (P<0.01) based on the fit test.Unary quadratic model of effects of N and P fertilizers was the best among unary fertilizer-effect models,which suggested that the highest income levels were 7 448.3 ￥·hm-2and 7 357.7 ￥·hm-2and the recommended N and P rates were 254.4 kg·hm-2and 98.6 kg·hm-2,respectively.Compared with the unary models,binary model was better.In binary model,the best N and P application amounts were respectively 244.1 kg·hm-2and 94.2 kg·hm-2,with N to P ratio of 2.6.In the model,the economic benefit and agronomic efficiency of N and P were 7 432.4 ￥·hm-2,6.2 kg(grain)·kg-1(N) and 13.8 kg(grain)·kg-1(P2O5),respectively.On the basis of the fitted curve,the binary quadratic model had the better economic fertilizer rate,agronomic efficiency,economic benefits than the unary models.Then the binary quadratic fertilization model was the best for wheat cultivation in saline soils in Yellow River Delta.

Fertilizer-effect model;Nitrogen and phosphorus fertilizers;Optimal economic fertilizer rate;Winter wheat;Saline soil;Yellow River Delta

Nov.4,2016;accepted Feb.24,2017

S147.2

:A

:1671-3990(2017)07-1016-09

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*國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2016YFD0200303)、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016CYJS05A01-1)、東營(yíng)市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YF17)和中國(guó)科學(xué)院海岸研究所部署項(xiàng)目(Y254021031)資助

** 通訊作者:陳小兵,研究方向?yàn)樗临Y源管理及環(huán)境影響評(píng)價(jià)。E-mail:xbchen@yic.ac.cn

單晶晶,主要從事土壤鹽漬化與改良技術(shù)方面的研究。E-mail:sjj19891222@163.com

2016-11-04 接受日期:2017-02-24

*This study was supported by the National Key R&D Projects of China (2016YFD0200303),Shandong Key R&D Project (2016CYJS05A01-1),Dongying Key R&D Project (2016YF17),and the Project of Yantai Institute of Coastal Zone Research,Chinese Academy of Sciences(Y254021031).

** Correspondence author,E-mail:xbchen@yic.ac.cn