劉 婕，宋 碧，張 軍，張 燕，楊錦越，羅英艦

(貴州大學農(nóng)學院，貴州貴陽 550025)

研究表明，適宜的水肥耦合有利于作物生長，使作物高效利用水分和養(yǎng)分[1-4]，達到有效節(jié)水節(jié)肥并提高其產(chǎn)量的目的[5-6]。穗期是玉米由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向營養(yǎng)生長與生殖生長并進的時期，是決定穗數(shù)、穗的大小、可孕花數(shù)的關鍵時期，可奠定結實粒數(shù)的基礎，是玉米一生中生長發(fā)育最旺盛的階段，也是田間管理最關鍵的時期[7]。大量研究均表明，水氮交互作用顯著，且水肥配合存在閾值反應，在閾值范圍內(nèi)，水肥互作增產(chǎn)效應顯著[8-9]。已有研究對玉米、水稻、小麥、西瓜等建立關于二或三因子的產(chǎn)量水肥耦合模型[10-12]，但關于玉米穗期水肥耦合的研究較少。采用二次飽和D-416最優(yōu)試驗設計對玉米穗期進行不同的水肥處理，探明不同水肥耦合對玉米生長及產(chǎn)量的影響，并建立產(chǎn)量模型，解析各因子對產(chǎn)量的影響及效應。通過產(chǎn)量模型解析和優(yōu)化，提出玉米穗期最佳水肥耦合措施，為穗期水肥管理提供一定的理論依據(jù)，并達到節(jié)水節(jié)肥、提高玉米產(chǎn)量的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

本試驗采用盆栽試驗，于2016年3—9月在貴州大學教學實驗場防雨棚進行。供試土壤為黃壤，其有機質(zhì)含量為 18.6 g/kg，全氮含量為0.030 3%，堿解氮含量為 102.6 mg/kg，速效磷含量為431.25 mg/kg，速效鉀含量為 179.707 2 mg/kg。

玉米品種為金貴單3號。施用肥料：氮肥為尿素(純氮含量為46%)，鉀肥為硫酸鉀(K2O含量為51%)，磷肥為生物活化磷鉀肥(P2O5含量為16%，K2O含量為2%)，有機肥為黃腐酸有機肥(養(yǎng)分含量為5%)。

1.2 試驗設計

采用二次飽和D-416最優(yōu)設計。共有4個因素，分別是施氮量(A)、施磷量(B)、施鉀量(C)、土壤水分含量(D)。每個因素設5個水平，共16個處理(表1)。

用稱質(zhì)量法(每天08：00和18：00采用稱質(zhì)量法補水控水)控制各處理的土壤水分含量。玉米拔節(jié)期至抽雄吐絲期進行水分脅迫處理，脅迫結束后復水到田間最大持水量的70%～80%。

肥料施用：以有機肥、磷鉀肥和部分氮肥作基肥，其中每盆施用有機肥85.7 g、全部磷鉀肥和1/3氮肥，裝盆時與土壤混勻后裝進桶里。2/3氮肥作追肥，在拔節(jié)期施用。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 形態(tài)指標 在拔節(jié)期、抽雄吐絲期和成熟期分別測定1次莖粗、株高，在拔節(jié)期和大喇叭口期測定葉綠素含量。(1)株高：用卷尺測量莖基部到植株頂部的長度。(2)莖粗：用莖基寬表示，即地上第2節(jié)中部較寬處，用游標卡尺測定。(3)葉綠素含量：采用乙醇浸提法測定[13-14]。

1.3.2 穗部性狀及產(chǎn)量指標 玉米成熟后采收，晾曬至安全含水量(14%)后進行室內(nèi)考種。測定穗長、穗粗(穗周長)、禿尖長、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗質(zhì)量、千粒質(zhì)量、生物產(chǎn)量等。

1.4 數(shù)據(jù)分析

運用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、Excel 2007、SPSS統(tǒng)計分析軟件、Matlab進行數(shù)據(jù)處理。

2 結果與分析

2.1 水肥耦合對玉米株高的影響

株高是反映玉米生長狀況的重要指標之一。從圖1可以看出，拔節(jié)期不同水肥處理對株高影響不大，抽雄吐絲期和成熟期不同處理之間株高的差異較大。在相同施肥水平下(處理1、處理2)，充分灌溉與受旱限制在3個生育時期下株高均有差異，即受旱處理的株高均有所下降，且在抽雄吐絲期及成熟期尤為明顯。而在相同控水的條件下(處理3～處理10和處理11～處理16)，隨著氮肥增施玉米株高呈現(xiàn)降低的趨勢，說明施氮量在超過一定范圍時將出現(xiàn)負效應現(xiàn)象，會對玉米的生長發(fā)育造成一定的抑制作用；而磷肥對玉米株高影響不大；隨著施鉀量的增加，株高略有增加。

表1 試驗因素各水平處理編碼及處理水肥施用方案

2.2 水肥耦合對玉米莖粗的影響

從表2看出，玉米莖粗隨著玉米生長而增加，到抽雄吐絲期達到最大值，抽雄吐絲期至成熟期莖粗有所下降。不同水肥處理對玉米莖粗有一定影響，但拔節(jié)期各處理之間莖粗差異不明顯。到抽雄吐絲期處理3、處理5～處理9的莖粗大于其處理1、處理2、處理11～處理16，說明水分不管是受限或過多均會使莖粗相對減小。在相同水分條件下，比較不同肥料處理可知，氮肥過多反而使莖粗減小，磷肥對莖粗基本無影響，鉀肥增施對莖粗增加略有促進。

2.3 水肥耦合對玉米葉綠素含量的影響

葉綠素含量是玉米葉片光合能力的體現(xiàn)。從圖2可以看出，在玉米拔節(jié)期和抽雄吐絲期相同水分處理條件下，氮肥施入量較多的處理其葉綠素含量也較高，且增加效果明顯，氮肥施入量在239.02～300.00 kg/hm2左右較為適宜；水分也是影響葉綠素含量的重要因素，在相同施肥量條件下水分過高或過低均會導致其葉綠素含量的降低，土壤水分含量在 70%～75%較為適宜。說明葉綠素含量的大小與氮肥施入量和水分均密切相關。

表2 水肥耦合對玉米莖粗的影響

2.4 對玉米產(chǎn)量性狀及產(chǎn)量的影響

2.4.1 對玉米產(chǎn)量性狀的影響 由表3可以看出，不同水肥處理對玉米穗長有影響，處理15、處理16與其他處理出現(xiàn)較大差異，其中處理6～處理9穗長均較長，處理9比處理15高41.91%。而不同水肥處理對玉米穗粗、穗行數(shù)及禿頂長并沒有較大的影響。對各個處理之間行粒數(shù)進行比較，發(fā)現(xiàn)差別較為明顯。其中處理1行粒數(shù)達到31.06粒/行，其次是處理8，兩者與處理15(17.22粒/行)相比分別高了80.37%、67.25%。

表3 水肥耦合對玉米產(chǎn)量性狀的影響

2.4.2 對玉米產(chǎn)量的影響 從圖3可以得出，處理8的產(chǎn)量最高，單株產(chǎn)量達到了121 g。玉米穗期水肥耦合對其產(chǎn)量有明顯影響。在相同水分條件下，增施氮肥會提高玉米產(chǎn)量，氮肥在239.02～300.00 kg/hm2較為適宜；磷肥對玉米產(chǎn)量有提高作用但效果不明顯，磷肥施用量在30.49～75.00 kg/hm2較為適宜；鉀肥對玉米產(chǎn)量提高有明顯的促進作用，鉀肥施用量在159.39～200.00 kg/hm2較為適宜。在相同施肥條件下，灌溉量的增加會提高玉米產(chǎn)量，但超過一定范圍時，含水量的增加則會降低玉米產(chǎn)量，所以穗期合理的施肥灌水對玉米產(chǎn)量提高有很明顯的作用。

2.5 水肥耦合模型建立與解析

2.5.1 水肥耦合模型建立 根據(jù)圖3的產(chǎn)量結果，以產(chǎn)量為目標函數(shù)(Y)，以氮肥(X1)、磷肥(X2)、鉀肥(X3)、土壤含水量(X4)這4個因子作為控制變量，對數(shù)據(jù)進行分析處理，得到玉米產(chǎn)量對4個因子的回歸數(shù)學模型：

Y=7 832.22-152.46X1-125.91X2+147.09X3+512.25X4-1 249.33X12-803.14X22-744.06X32-1 455.44X42-96.01X1X2+429.25X1X3+634.87X1X4-543.70X2X3-163.89X2X4+141.41X3X4。

經(jīng)顯著性檢驗，F(xiàn)值=5.646(F>F0.05(14，1)=4.60)，P=0.031 97(P<0.05)，Durbin-Watson統(tǒng)計量d=2.75，相關系數(shù)r=0.993 7，調(diào)整后的相關系數(shù)r=0.901 4，表明此模型擬合很好，可用來進一步分析。

2.5.2 水肥耦合模型效應解析 回歸模型本身已經(jīng)過無量綱形編碼代換，其偏回歸系數(shù)已經(jīng)標準化，故可以直接從其絕對值的大小來判斷各因子對目標函數(shù)的相對重要性[15]。從模型來看，4個因子對產(chǎn)量的影響程度大小分別是X4>X1>X2>X3，即水效應>氮肥效應>磷肥效應>鉀肥效應。

通過降維法得到4個因子與產(chǎn)量的二次函數(shù)關系，據(jù)此作出拋物線圖(圖4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

從圖4可知，水、氮、磷和鉀4個因子的產(chǎn)量效應均為拋物線，其中，以水和氮的效應曲線比較明顯，各拋物線的頂點就是各單因子的最高產(chǎn)量值，與其相對應的便是各因子的最適投入量。

根據(jù)上述4個偏回歸降維模型，分別令dY1/dX1=0，dY2/dX2=0，dY3/dX3=0，dY4/dX4=0，求方程偏導數(shù)可知：當X1=-0.016，即氮肥施入量為144.57 kg/hm2時，最大產(chǎn)量Ymax=7 836.90 kg/hm2；X2=-0.078，即磷肥施入量為 71.53 kg/hm2時，最大產(chǎn)量Ymax=7 837.21 kg/hm2；X3=0.098，即鉀肥施入量為105.87 kg/hm2時，最大產(chǎn)量Ymax=7 839.50 kg/hm2；X4=0.176，即土壤水分含量為66%時，最大產(chǎn)量Ymax=7 877.30 kg/hm2。

本試驗中4個因子之間對產(chǎn)量的影響有明顯的交互耦合作用。按薛爾維斯德多元函數(shù)極值判別法則[16]，通過對產(chǎn)量模型的解析，分別得到4個因子的交互效應。氮肥與鉀肥、灌水量呈正交互作用；磷肥與鉀肥和灌水量呈負交互作用；鉀肥與灌水量呈正交互作用。

2.5.3 模型優(yōu)化組合與技術推薦指標 根據(jù)已建立的玉米穗期水肥耦合優(yōu)化數(shù)學模型，編制計算機程序，在-1.682～1.682之間取7個水平(-1.682，-1，-0.5，0，0.5，1，1.682)，上機進行不同目標下的最優(yōu)組合方案模擬，構成 74=2 401 個生產(chǎn)因素組合，通過模擬求得產(chǎn)量在4～5 t/hm2有335個組合，5～6 t/hm2有301個組合，6～7 t/hm2有224個組合，大于7 t/hm2有70個組合，并對大于7 t/hm2的70個組合進行頻次分析(表4)。

從表4可以看出，產(chǎn)量大于7 t/hm2的方案中最佳水肥耦合措施：土壤水分含量為66%～67%，施氮量為 144.67～158.00 kg/hm2，磷肥用量為66.97～75.02 kg/hm2，鉀肥用量為101.65～112.83 kg/hm2。

表4 玉米水肥耦合產(chǎn)量>7 t/hm2時70個方案中各變量取值的頻率分布

3 討論

水肥耦合是物理學上概念的借用，是指農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，水分和土壤礦物元素這2個體系融為一體并相互作用、相互影響而對作物生長發(fā)育產(chǎn)生的結果或現(xiàn)象，對作物可產(chǎn)生協(xié)同效應、疊加效應、拮抗效應[17-19]。穗期是玉米營養(yǎng)生長與生殖生長并進的時期，也是生長發(fā)育最旺盛的階段。很多水肥耦合研究表明，水氮是對玉米生長影響最大的因素[20]，受旱和低肥的情況下均會造成玉米株高、莖粗大幅度降低[21]。本試驗結果表明，進行玉米穗期水肥耦合，水分限制明顯使株高、莖粗降低，在抽雄吐絲期及成熟期尤為顯著。但施肥量越大并不代表對生長有促進作用，施氮量超過一定范圍時會出現(xiàn)對生長發(fā)育造成抑制作用的負效應現(xiàn)象。隨著施鉀量的增加，玉米株高會略有增加；磷肥對株高、莖粗影響不大。玉米是一種高光效C4植物，強大的光合作用能力使得玉米在生育期內(nèi)能積累較大的生物產(chǎn)量。故光合能力直接與產(chǎn)量形成正相關。增施氮肥和水分均會對作物光合特性有影響，水氮對其影響仍是最大的[22-23]。本研究結果與上述研究一致，水氮過高過低均會造成光合能力的下降，氮肥施入量在239.02～300.00 kg/hm2較為適宜；土壤水分含量在70%～75%較為適宜。

水分和養(yǎng)分通過影響玉米形態(tài)、光合能力和籽粒形成等進而對產(chǎn)量產(chǎn)生一定的效應。作物水肥耦合，水分和肥料對產(chǎn)量的影響大小為水>肥，且氮>磷、氮>鉀；水肥之間存在一定的互作關系，尤其是水氮之間存在顯著正相關，水分的盈虧直接影響氮肥效應的發(fā)揮，氮施用量的大小也會直接影響水分利用[24-26]。本試驗結果表明，玉米穗期水肥耦合對產(chǎn)量有顯著影響，4個因子對其產(chǎn)量影響大小為水>氮肥>磷肥>鉀肥；水肥施用存在一定的閾值范圍，超過一定范圍，水肥增加則會降低玉米產(chǎn)量，本試驗中，玉米穗期當土壤相對含水量為70%～75%，施肥量為氮239.02 kg/hm2、磷 30.49 kg/hm2、鉀159.35 kg/hm2時玉米產(chǎn)量表現(xiàn)最好；各個因子之間存在互作效應：氮肥與鉀肥、灌水量呈正交互作用；磷肥與鉀肥和灌水量呈負交互作用；鉀肥與灌水量呈正交互作用。

本試驗是在盆栽的條件下進行的，對玉米根系等生長存在一定的限制，故可能對產(chǎn)量造成一定的影響，導致產(chǎn)量較田間試驗低。

4 結論

玉米穗期水肥耦合對產(chǎn)量影響大小為水>氮>磷>鉀；氮肥與鉀肥、灌水量呈正交互作用；磷肥與鉀肥和灌水量呈負交互作用；鉀肥與灌水量呈正交互作用。本試驗條件下，玉米產(chǎn)量大于7 t/hm2的方案中最佳水肥措施為土壤水分含量為66%～67%，施氮量為144.67～158.00 kg/hm2，磷肥用量為66.97～75.02 kg/hm2，鉀肥用量為101.65～112.83 kg/hm2。