陳二影 秦 嶺 叢新軍 楊延兵 李國瑜 孔清華 管延安,,*

(1 山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，山東 濟南 250100；2 山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 山東 濟南 250014；3 泰安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院， 山東 泰安 271000)

谷子(Setariaitalica)起源于中國，是古老的農(nóng)作物之一[1]，全國種植谷子面積約200萬hm2，主要集中在華北、西北和東北地區(qū)[2]。谷子耐瘠薄、抗旱[3]、種植效益較高，是重要的農(nóng)民增收作物。研究發(fā)現(xiàn)施肥是提高谷子產(chǎn)量和品質(zhì)的重要途徑[4-5]，但不合理的施肥水平和施肥措施易導(dǎo)致肥料利用效率降低[6-8]，同時造成農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的污染[9-11]。“3414”肥料試驗是生產(chǎn)上用于確定最佳施肥量、施肥比例和建立施肥指標(biāo)體系的主要方法，在水稻[12]、玉米[13]、小麥[14]、油菜[15]等主要作物中已開展了廣泛的研究和應(yīng)用。

近年來，關(guān)于谷子推薦施肥體系的研究已有大量報道。馮志威等[16]研究表明，當(dāng)?shù)?N)施用量為175 kg·hm-2、磷肥(P2O5)施用量為94.3 kg·hm-2時，張雜谷5號的產(chǎn)量最高(6 629 kg·hm-2)；夏谷生產(chǎn)中，豫谷23的最佳施肥量為N 162.7 kg·hm-2、P2O5109.3 kg·hm-2、K2O 32.7 kg·hm-2 [17]；中量施肥(N 186.0 kg·hm-2+ P2O596.0 kg·hm-2)是半干旱地區(qū)谷子的最佳施肥量[18]；王曉軍等[19]研究發(fā)現(xiàn)谷子“3414”推薦施肥中，以N為322.9 kg·hm-2、P2O5為33.0 kg·hm-2、K2O為139.1 kg·hm-2的處理下的谷子產(chǎn)量為最高；郝科星等[20]研究表明，谷子推薦施肥中，氮肥是提高谷子產(chǎn)量的決定性因素；但也有研究認(rèn)為磷肥對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)起決定性作用，應(yīng)適配氮鉀肥[21-22]。目前，對谷子推薦施肥量的研究主要集中在單一地力水平下進行，缺乏系統(tǒng)性研究，且由于谷子生產(chǎn)受土壤肥力等因素的影響，產(chǎn)量變異范圍較大。而關(guān)于谷子在不同地力水平下氮、磷、鉀肥效應(yīng)的研究尚鮮見報道。因此，本研究在中高2種地力水平下開展夏谷“3414”試驗，明確適用于不同谷子地力水平下氮、磷、鉀肥用量和比例，以期為夏谷生產(chǎn)中的科學(xué)施肥提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

試驗于2015年在濟南章丘相公鎮(zhèn)(中地力)和泰安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗基地(高地力)進行。2個試驗地的前茬作物均為小麥，試驗供試土壤均為壤土。其中，中地力土壤含有機質(zhì)19.7 g·kg-1、全氮1.31 g·kg-1、速效氮115.5 mg·kg-1、速效磷28.1 mg·kg-1、速效鉀144 mg·kg-1；高地力土壤含有機質(zhì)20.7 g·kg-1、全氮1.30 g·kg-1、速效氮124.6 mg·kg-1、速效磷36.6 mg·kg-1、速效鉀146 mg·kg-1。氮肥為尿素(含N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(含P2O514%)，鉀肥為氯化鉀(含K2O 52%)。

供試品種：夏谷高產(chǎn)新品種濟谷16，由山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院育成。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用“3414”優(yōu)化設(shè)計，共計14個處理，N、P、K每因素各設(shè)4水平，以不施肥(N0P0K0)為對照(表1)。每個小區(qū)面積為15 m2(長5 m、寬3 m)，共分為6行，隨機區(qū)組排列，重復(fù)3次。小區(qū)種植密度為67.5萬·hm-2，田間管理措施按標(biāo)準(zhǔn)大田生產(chǎn)進行。濟南章丘試驗田播種日期為6月24日，收獲日期為9月26日。泰安試驗田播種日期為6月25日，收獲日期為9月27日。小區(qū)收獲時，為防止邊行效應(yīng)影響，以中間4行計產(chǎn)。

表1 不同地力水平下谷子“3414”試驗方案Table 1 Design of the “3414” fertilizer Experiment on foxtail millet under different soil fertility

1.3 計算公式

參照陳二影等[23]的方法，按照公式分別計算肥料增產(chǎn)率、肥料貢獻(xiàn)率肥料貢獻(xiàn)率(fertilize contribution rate, FC)、偏生產(chǎn)力(partial factor productivity, PFP)和農(nóng)學(xué)效率(agronomic efficiency, AE)：

肥料增產(chǎn)率=(YF-YCK)/YCK×100%

(1)

FCR=(YF-YCK)/YF×100%

(2)

PFP=YF/F

(3)

AE=(YF-YCK)/F

(4)

式中，YF：施肥產(chǎn)量；YCK：對照產(chǎn)量；F：施肥量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007進行數(shù)據(jù)處理；DPS軟件進行方差分析；Sigmaplot軟件進行圖表制作。

圖1 不同地力水平下施肥處理對谷子產(chǎn)量的影響Fig.1 Effect of different fertilizer treatments on foxtail millet yield under different soil fertility

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地力水平下施肥處理對谷子產(chǎn)量的影響

由表2可知，不同地力水平間比較和肥料處理對谷子產(chǎn)量均存在顯著效應(yīng)(P<0.01)，但二者之間無顯著交互作用(P>0.05)。由圖1可知，在中、高地力水平下，各施肥處理與對照相比，均不同程度地提高了谷子產(chǎn)量，平均增產(chǎn)幅度分別為21.4%和12.7%，以中地力產(chǎn)田增幅較高。在中地力水平下缺氮(N0P2K2)、缺磷(N2P0K2)和缺鉀(N2P2K0)處理與N2P2K2處理相比分別減產(chǎn)22.0%、10.5%和13.5%；在高地力水平下分別減產(chǎn)11.8%、13.3%和15.7%。表明缺氮對中地力產(chǎn)田影響最大，缺磷、鉀對高地力產(chǎn)田的影響最大。

表2 地力水平和肥料處理的方差分析Table 2 Analysis of variance of soil fertility and fertilizer treatment

2.2 不同地力水平下氮、磷、鉀肥的增產(chǎn)效應(yīng)及肥料利用效率

由圖2可知，在中地力水平下，氮肥增產(chǎn)率隨著施肥水平提高呈逐漸降低的趨勢；在高地力水平下，則呈先升高后降低的趨勢。2種地力水平下，氮肥增產(chǎn)率表現(xiàn)為中地力產(chǎn)田(20.2%)大于高地力產(chǎn)田(7.9%)。磷肥增產(chǎn)率在高地力水平下隨著施肥水平提高呈逐漸升高的趨勢，以P3(16.3%)水平最高；在中地力水平下呈先升高后降低的趨勢，以P2(10.5%)水平最高。鉀肥增產(chǎn)率在中高地力水平下隨著K肥水平的提高均呈先升高后降低的趨勢，且均以K2(13.5%和15.7%)水平最高。2種地力水平間比較，磷、鉀肥增產(chǎn)率表現(xiàn)為高地力產(chǎn)田大于中地力產(chǎn)田。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note:Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level among treatments. The same as following.圖2 不同地力水平下氮、磷、鉀肥的增產(chǎn)率Fig.2 Increasing rate of nitrogen, phosphate, and potassium under different soil fertility

由圖3可知，氮、磷、鉀肥的肥料貢獻(xiàn)率在2種地力水平下的變化與增產(chǎn)率表現(xiàn)出相同的趨勢，在中地力水平下，分別以N1(19.6%)、P2(9.5%)和K2(11.9%)水平最高；高地力條件下，分別以N2(10.6%)、P3(14.0%)和K2(13.5%)水平最高。且中地力水平下氮肥的平均貢獻(xiàn)率(16.7%)高于高地力水平(7.2%)；磷肥和鉀肥平均貢獻(xiàn)率則均以高地力水平(11.1%和10.7%)下最高，分別較中地力水平高6.1%和8.2%。

圖3 不同地力水平下氮、磷、鉀肥的貢獻(xiàn)率Fig.3 Contribution rate of nitrogen, phosphate, and potassium under different soil fertility

由圖4可知，氮、磷、鉀肥的偏生產(chǎn)力在2種地力水平下均隨著施肥水平的提高呈逐漸降低的趨勢，其中鉀肥的偏生產(chǎn)力最高。氮、磷、鉀肥的偏生產(chǎn)力在高地力水平下均顯著高于中地力水平。

圖4 不同地力水平下氮、磷、鉀肥的偏生產(chǎn)力Fig.4 Partial factor productivity of nitrogen, phosphate, and potassium under different soil fetility

由圖5可知，氮肥的農(nóng)學(xué)效率在中地力水平下隨著氮肥水平的提高呈逐漸降低的趨勢，磷、鉀肥的農(nóng)學(xué)效率均呈先升高后降低的趨勢，分別以P2(4.1 kg·kg-1)和K2(20.6 kg·kg-1)水平最高。高地力水平下，氮肥農(nóng)學(xué)效率隨著氮肥水平提高呈先升高后降低的趨勢，以N2(5.1 kg·kg-1)最高；磷、鉀肥農(nóng)學(xué)效率均隨著施肥水平的提高呈逐漸降低的趨勢，分別以P1(8.8 kg·kg-1)和K1(35.3 kg·kg-1)水平最高。氮肥的農(nóng)學(xué)效率在中地力水平下高于高地力水平，而磷、鉀肥農(nóng)學(xué)效率均以高地力水平下最高。

圖5 不同地力水平下氮、磷、鉀肥的農(nóng)學(xué)效率Fig.5 Agronomic efficiency of nitrogen, phosphate, and potassium under different soil fertility

2.3 不同地力水平下氮、磷、鉀肥的交互作用

由圖6、表3可知，在不同地力水平下，谷子氮、磷、鉀肥間均存在明顯的交互作用，且表現(xiàn)出不同的變化趨勢。在中地力水平下，在P2水平下，氮肥從N1到N2水平下的增產(chǎn)量、農(nóng)學(xué)效率和增產(chǎn)率隨著鉀肥水平的增加(K1～K2)而提高；鉀肥從K1到K2水平下的增產(chǎn)量、農(nóng)學(xué)效率和增產(chǎn)率隨著氮肥水平的增加(N1～N2)而提高。在N2水平下，磷肥從P1到P2水平下的增產(chǎn)量、農(nóng)學(xué)效率和增產(chǎn)率隨著鉀肥水平的增加(K1～K2)而提高；鉀肥從K1到K2水平下的增產(chǎn)量、農(nóng)學(xué)效率和增產(chǎn)率隨著磷肥水平的增加(P1～P2)而提高。在推薦K2水平下，氮肥從N1到N2水平下的增產(chǎn)量、農(nóng)學(xué)效率和增產(chǎn)率隨著磷肥水平的增加(P1～P2)而降低；磷肥從P1到P2水平下的增產(chǎn)量、農(nóng)學(xué)效率和增產(chǎn)率均隨著氮肥水平的增加(N1～N2)而降低，表明中地力水平下，氮鉀、磷鉀間存在促進作用，而氮磷間存在抑制作用。在高地力水平下，氮、磷、鉀肥的增產(chǎn)量、農(nóng)學(xué)效率和增產(chǎn)率(1～2水平)在其他肥料的高水平條件下(P2、K2和N2)均降低，表明在高地力水平下，氮、磷、鉀肥間均存在明顯的抑制作用。

圖6 不同地力條件谷子不同施肥水平下增產(chǎn)率Fig.6 Increase rate of nitrogen, phosphate, and potassium with different fertilizer level under different soil fertility

處理Treatment中地力 Middle soil fertility高地力 High soil fertility增產(chǎn)量/(kg·hm-2)農(nóng)學(xué)效率/(kg·kg-1)增產(chǎn)量/(kg·hm-2)農(nóng)學(xué)效率/(kg·kg-1)N1P1K2----N2P1K2-40.5-0.5595.97.9N1P2K2----N2P2K2-100.5-1.3384.75.1N1P2K1----N2P2K1-354.0-4.7587.57.8N1P1K2----N1P2K2388.56.5383.46.4N2P1K2----N2P2K2328.55.5172.22.9N2P1K1----N2P2K181.01.4387.56.5N1P2K1----N1P2K2150.010.0500.033.3N2P2K1----N2P2K2403.526.9297.219.8N2P1K1----N2P1K2156.010.4512.534.2

注: 農(nóng)學(xué)效率=(Y2-Y1)/(F2-F1)；Y2：2施肥水平的作物產(chǎn)量；Y1：1施肥水平的作物產(chǎn)量； F1和F2均代表肥料的施用量; -表示不存在。

Note: Agronomic efficiency=(Y2-Y1)/(F2-F1). Y2: The yield of 2 fertilizer level. Y1: The yield of 1 fertilizer level. F1and F2mean the amount of fertilizer application. ‘-’ means no value.

2.4 氮、磷、鉀肥的效應(yīng)方程與推薦施肥量

通過對谷子產(chǎn)量和氮、磷、鉀肥用量分別進行回歸分析，得到氮、磷、鉀肥的一元二次回歸方程和最優(yōu)施肥量(圖7、表4)。結(jié)果表明，2種地力水平下氮、磷、鉀肥各回歸方程均具有顯著性(P<0.05)。氮、磷、鉀肥的回歸分析在2種地力水平下表現(xiàn)出不同的變化趨勢。氮、鉀肥在2種地力水平下均隨著施肥量的增加呈先升高后降低的趨勢；在中地力水平下，磷肥隨著施用量的增加呈先升高后降低的趨勢，而在高地力水平下則呈逐漸增加的趨勢。在中-高地力水平下，氮(N)、磷(P2O5)、鉀肥(K2O)的最佳施肥量分別為142.1、125.4、34.0 kg·hm-2和149.7、180.0、33.2 kg·hm-2。選擇三元二次肥料效應(yīng)模型對氮、磷、鉀肥進行擬合，得到氮、磷、鉀肥料效應(yīng)方程(表5)，根據(jù)回歸分析發(fā)現(xiàn)在中、高地力水平下，當(dāng)?shù)?N)、磷肥(P2O5)、 鉀肥(K2O)用量分別為205.5、89.0、45.0 kg·hm-2和149.7、180.0、45.0 kg·hm-2時，谷子籽粒產(chǎn)量達(dá)到最高值，分別為5 181.1和7 826.4 kg·hm-2。以氮肥(N)4.20元·kg-1、磷肥(P2O5)8.30元·kg-1、鉀肥(K2O)3.60元·kg-1、谷子4.50元·kg-1的價格計算，在中、高地力水平下，氮肥用量分別為189.3和141.2 kg·hm-2時，磷肥(P2O5)用量為61.1和180.0 kg·hm-2，鉀肥(K2O)用量為45.0和45.0 kg·hm-2時，獲得最佳經(jīng)濟產(chǎn)量分別為5 145.4和7 813.5 kg·hm-2。

圖7 不同地力水平下氮、磷、鉀肥單因素模擬分析Fig.7 Model analysis of nitrogen, phosphate, and potassium fertilizer under different soil fertility

地力水平Soil fertility肥料Fertilizer肥料效應(yīng)方程Fertilizer response equation相關(guān)系數(shù)R2最優(yōu)施肥量Optimum fertilizer amount/(kg·hm-2)中地力Middle soil fertility氮肥NY=4 289.575+14.701X -0.052X20.938142.1磷肥P2O5Y=4 639.410+6.696X -0.027X20.798125.4鉀肥K2OY=4 510.035+31.909X -0.469X20.84534.0高地力High soil fertility氮肥NY=6 424.050+8.539X -0.029X20.739149.7磷肥P2O5Y=6 403.005+9.976X -0.023X20.998180.0鉀肥K2OY=6 240.685+56.029X -0.843X20.96533.2

表5 不同地力水平下谷子三元二次的效應(yīng)方程和推薦施肥量Table 5 Triadic quadratic response equations of nitrogen, phosphate, and potassium and recommend fertilizer amount under different soil fertility

注：X1、X2、X3分別表示N、P、K肥的施用量。

Note:X1,X2,X3represent N,P,K fertilizer rate, respectively.

3 討論

施肥能夠提高作物產(chǎn)量，但產(chǎn)量和肥料的利用效率均會受土壤肥力水平的影響[24]，施肥水平要與產(chǎn)量相協(xié)調(diào)[25]。華北夏谷生產(chǎn)中，由于受土壤肥力水平的影響，谷子產(chǎn)量的變異較大。目前，關(guān)于谷子推薦施肥量的研究主要集中在單一土壤肥力水平下，缺乏系統(tǒng)性的研究。本試驗選取中高2種土壤肥力進行氮、磷、鉀肥的效應(yīng)研究，結(jié)果表明，施用氮、磷、鉀肥均能顯著提高谷子產(chǎn)量，且在中地力水平下增產(chǎn)幅度更大。山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所谷子團隊前期研究表明，在中等肥力水平條件下，肥料對谷子產(chǎn)量的影響表現(xiàn)為氮>鉀>磷[21]；也有研究表明，磷肥是影響產(chǎn)量的重要因素[16]，其對谷子產(chǎn)量的貢獻(xiàn)大于氮鉀[26]。作物生產(chǎn)中，隨著施肥水平的提高，肥料利用效率呈下降的趨勢[27-29]。研究表明，在谷子生產(chǎn)中，當(dāng)超過一定的施肥量時，谷子的產(chǎn)量不再增加，肥料利用效率、偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)效率均呈下降的趨勢[18, 21, 30]。本研究發(fā)現(xiàn)在2種地力水平下，氮、磷、鉀肥的偏生產(chǎn)力均隨著施肥水平的提高而降低，這與前人研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明，氮、磷、鉀肥的農(nóng)學(xué)效率在2種地力水平下隨著施肥水平的變化表現(xiàn)出不同的趨勢；氮肥的農(nóng)學(xué)效率以中地力水平更高，且隨著施肥量的提高呈降低的趨勢，表明中地力水平下單位氮肥的生產(chǎn)能力較高，應(yīng)適當(dāng)提高氮肥的用量和比例；磷、鉀肥的農(nóng)學(xué)效率以高地力水平較高，表明在高地力水平下，單位磷鉀肥的生產(chǎn)能力較強，可以適當(dāng)提高磷鉀肥用量。

氮、磷、鉀肥間存在明顯的交互作用。張美俊等[31]研究表明，氮、磷、鉀肥間存在不同程度的正交互作用，配合施用能夠提高肥效和促進糜子的生長。在黍子[32]、矮牽牛[33]和紫云英[34]等研究中，也發(fā)現(xiàn)氮、磷、鉀肥間存在交互作用，且具有加和效應(yīng)。山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所谷子團隊前期研究發(fā)現(xiàn)谷子生長中，氮鉀、磷鉀間存在正交互作用，氮磷間存在負(fù)交互作用[21]。本研究表明，在中等地力水平下，氮磷間存在負(fù)交互作用，氮鉀、磷鉀間存在正交互作用，與前人研究一致；而在高地力水平下氮、磷、鉀間均存在負(fù)協(xié)同效應(yīng)。因此，谷子生產(chǎn)中，氮、磷、鉀肥間的交互作用是隨著地力水平發(fā)生變化的。在不同的地力水平下，應(yīng)選擇合適的氮、磷、鉀肥配比，從而提高肥效及產(chǎn)量。

通過對谷子產(chǎn)量和氮、磷、鉀肥施用量分別進行單因素回歸分析，結(jié)果表明氮肥在中高地力水平下均隨用量的提高呈先增加后降低的趨勢，最佳氮肥用量分別為142.1和149.7 kg·hm-2。磷肥在中高地力水平下的最佳施肥量分別為125.4和180.0 kg·hm-2。鉀肥在中高產(chǎn)水平下，均呈先升高后降低的趨勢，最佳施肥量分別為34.0和33.2 kg·hm-2。模擬結(jié)果顯示，中、高地力水平下最高產(chǎn)量時的氮、磷、鉀肥用量分別205.5、89.0、45.0 kg·hm-2和149.7、180.0、45.0 kg·hm-2時，谷子籽粒產(chǎn)量達(dá)到最高值分別為5 181.1和7 826.4 kg·hm-2。同時以氮肥(N)4.20元·kg-1、磷肥(P2O5)8.30元·kg-1、鉀肥(K2O)3.60元·kg-1、谷子4.5元·kg-1價格計算，在中高產(chǎn)量水平下，經(jīng)濟產(chǎn)量最高時的氮、磷、鉀肥用量分別為189.3、61.1、45 kg·hm-2和141.2、180.0、45.0 kg·hm-2。因此，在谷子生產(chǎn)中，在中地力水平下應(yīng)提高氮肥的用量和比例；在高地力水平下應(yīng)提高磷肥的用量，同時重視鉀肥的施用。

4 結(jié)論

施用氮、磷、鉀肥均對谷子產(chǎn)量存在明顯的增產(chǎn)效應(yīng)，中地力條件下增產(chǎn)幅度更大，氮肥增產(chǎn)效果大于磷鉀肥；高地力水平下磷鉀肥增產(chǎn)大于氮肥。氮、磷、鉀肥間存在明顯的交互作用，高地力水平下交互作用均為負(fù)效應(yīng)。氮、磷、鉀肥的偏生產(chǎn)力隨著施肥水平的提高逐漸降低，以鉀肥最高；氮肥農(nóng)學(xué)效率以中產(chǎn)水平最高，磷鉀肥農(nóng)學(xué)效率以高產(chǎn)地力水平最高。