馮嚴(yán)明，叢 鑫，牟曉宇，邢寒冰，張立志，董文旭，徐征和，龐桂斌

(1.濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，濟(jì)南 250022；2．山東省水利科學(xué)研究院，濟(jì)南 250013；3．中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源中心，石家莊 050022)

0 引 言

高效利用水肥，提高作物產(chǎn)量，減少化肥污染，是所有農(nóng)田節(jié)水灌溉研究者不懈追求的目標(biāo)。作物生產(chǎn)受眾多因素的影響，其中水分和肥料是影響作物品質(zhì)與產(chǎn)量的兩大決定性因素[1,2]。相同肥料在適宜水分條件下可以更好地被作物吸收利用，在過量水分條件下會(huì)被快速淋失浪費(fèi)[3]；同樣，適當(dāng)?shù)氖┓柿繒?huì)增加土壤中微生物的活性，提高作物土壤保水能力，但過高的施肥量會(huì)破壞土壤原有生態(tài)，造成作物減產(chǎn)[4]。因此，只有水分和肥料施用協(xié)調(diào)才能使土壤水肥發(fā)揮積極的作用[5,6]。近年來，在我國(guó)水肥協(xié)同作用的研究已引起廣泛重視,許多學(xué)者就夏玉米最優(yōu)水肥方案做了大量的研究，如溫利利等采取大棚和盆栽試驗(yàn)結(jié)合的方法，研究了在不同降水量條件下水肥耦合對(duì)夏玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響[7]；張忠學(xué)等通過建立回歸模型分析了不同因素對(duì)玉米光合速率的影響[8]；劉作新等通過8年連續(xù)試驗(yàn)，討論分析了氮、磷、水分之間的耦合作用對(duì)作物產(chǎn)量的影響[9]。

綜上，認(rèn)為不同區(qū)域的最優(yōu)水肥組合會(huì)對(duì)本區(qū)域夏玉米的產(chǎn)量有促進(jìn)作用，因此針對(duì)研究區(qū)氣象和土壤條件探求一套適用于本區(qū)域的夏玉米水肥高效利用的水氮磷調(diào)控方案，研究不同水肥施用量對(duì)夏玉米株高、葉面積指數(shù)、肥料偏生產(chǎn)力和產(chǎn)量產(chǎn)生的影響，可以為進(jìn)一步提高研究區(qū)水肥利用效率與玉米產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于山東省長(zhǎng)清市山東省灌溉試驗(yàn)中心站內(nèi)，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，歷年平均氣溫為14 ℃，年均蒸發(fā)量為1 340 mm，歷年平均降水量為655 mm，夏季降水量占全年的62%，夏玉米生育期降雨氣溫見圖1。根據(jù)土壤粒徑分析，試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)為壤土。試驗(yàn)于2018年6月至10月在防雨棚內(nèi)測(cè)坑中進(jìn)行，試驗(yàn)站內(nèi)建有帶有地下廊道的36個(gè)測(cè)坑，測(cè)坑規(guī)格為3.33 m×2.0 m，測(cè)坑與測(cè)坑之間有2.0 m深的鋼板襯砌墻，試驗(yàn)區(qū)概化圖見圖2。

圖1 夏玉米生育期內(nèi)氣溫、降雨變化Fig.1 Changes of temperature and rainfall during Summer Maize growth period

圖2 試驗(yàn)區(qū)布設(shè)示意圖Fig.2 Layout schematic map of test area

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試夏玉米品種為“鄭單958”號(hào)，2018年6月3日播種，10月4日收獲。試驗(yàn)設(shè)置10個(gè)處理，3次重復(fù)，共30個(gè)小區(qū)，各小區(qū)采取隨機(jī)排列設(shè)置。每個(gè)小區(qū)的面積為6.67 m2(2.00 m×3.335 m)，小區(qū)每公頃保苗5.997 萬(wàn)株，每小區(qū)4條壟，壟寬40 cm，株距30 cm。試驗(yàn)所需的磷肥、氮肥和鉀肥分別為濃度12%的過磷酸鈣、濃度46.4%的尿素和濃度60%的氯化鉀。

試驗(yàn)因素設(shè)置為：灌水量、氮肥和磷肥，其中灌水量因素設(shè)置2個(gè)水平，分別為70.5 mm (I1)和125.5 mm (I2)，“低水”水平(70.5 mm)在播種時(shí)灌溉，“高水”水平(125.5 mm)分別在播種時(shí)灌溉70.5 mm和抽雄前期(8月3日前后)灌溉55 mm；氮肥因素(按純氮計(jì)算)設(shè)置3個(gè)水平，分別為145 kg/hm2(N1)、195 kg/hm2(N2)和245 kg/hm2(N3)，基追比為2∶3，基肥在播前施用，追肥在抽雄前期進(jìn)行；磷肥因素(按P2O5計(jì)算)設(shè)置3個(gè)水平，分別為60 kg/hm2(P1)、95 kg/hm2(P2)和120 kg/hm2(P3)，全部基施。各處理均施用鉀肥128 kg/hm2，全部基施，其他管理與一般大田一致。本試驗(yàn)主要以N2和P2為主要設(shè)計(jì)，另根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康脑黾覰1、N3和P1、P3設(shè)計(jì)，共計(jì)10個(gè)處理，各處理的試驗(yàn)因素和水平組合方案見表1。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

(1) 株高：在夏玉米各生育期內(nèi)，在各小區(qū)中選取長(zhǎng)勢(shì)一致的3株植株，用卷尺測(cè)定從莖基部到葉頂端的距離，取平均值統(tǒng)計(jì)。

(2) 葉面積指數(shù)(LAI)：利用CI203于玉米各生育期在小區(qū)選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的植株(3株)來測(cè)定。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Tab.1 Test design scheme

(3) 地上干物質(zhì)：于夏玉米苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿前期、成熟期各小區(qū)隨機(jī)選取夏玉米3株，將植株用剪刀沿地面剪下，莖、葉、穗分離后分開封袋保存，帶回實(shí)驗(yàn)室后放入烘箱中，設(shè)置105 ℃殺青30 min，降溫至70 ℃烘至恒重后稱取植株質(zhì)量即為干物質(zhì)質(zhì)量。

(4) 產(chǎn)量及其組成：夏玉米成熟后，在每個(gè)測(cè)坑的中心點(diǎn)和四角點(diǎn)隨機(jī)選取3株，沿地面剪下后帶回實(shí)驗(yàn)室。測(cè)定穗長(zhǎng)、穗粗、行數(shù)和粒數(shù)等指標(biāo)，放通風(fēng)處自然風(fēng)干后，用電子秤稱取籽粒重量，然后根據(jù)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)夏玉米株數(shù)推算產(chǎn)量。

(5) 肥料偏生產(chǎn)力：肥料偏生產(chǎn)力包括磷肥偏生產(chǎn)力和氮肥偏生產(chǎn)力，公式如下：

(1)

(2)

式中：磷肥、氮肥偏生產(chǎn)力單位為kg/kg。

1.4 數(shù)據(jù)分析

分別采用Excel 2010 和SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計(jì)分析，水肥對(duì)夏玉米性狀因素的影響的方差分析采用單因素ANOVA法，利用Logistic方程擬合干物質(zhì)積累量隨時(shí)間的變化規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥施用量對(duì)夏玉米株高的影響

不同水肥配合對(duì)夏玉米全生育期株高的影響如圖3。不同水肥施用量下夏玉米在苗期株高未出現(xiàn)明顯的株高差異，基本都在50 cm左右；拔節(jié)期由于根莖吸收到的水肥量的不同，株高開始出現(xiàn)明顯差異，處理I2N1P2與I2N3P2株高差距可達(dá)20 cm；抽雄期夏玉米明顯增長(zhǎng)，不同水肥施用量處理下各組株高差距基本與拔節(jié)期保持一致，而且通過觀察數(shù)據(jù)可知，低水水平下株高較高水水平下株高均有明顯差距，說明夏玉米對(duì)肥料的吸收需要必要的水分；灌漿期除處理I2N1P2和I2N3P2外，株高基本沒有變化，說明水分在夏玉米生長(zhǎng)后期對(duì)株高的影響更為明顯。

圖3 不同生育期夏玉米株高變化圖Fig.3 Changes of plant height of Summer Maize in different growth periods

2.2 水肥施用量對(duì)夏玉米葉面積指數(shù)的影響

根據(jù)表2分析可知，不同水肥施用量處理對(duì)夏玉米整個(gè)生育期內(nèi)葉面積指數(shù)變化趨勢(shì)影響效果輕微，都是從苗期到抽雄期顯著上升，從抽雄期到灌漿期保持穩(wěn)定和從灌漿期到成熟期輕微下降；高水處理下夏玉米葉面積指數(shù)峰值明顯高于低水處理下葉面積指數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與叢鑫和溫立玉的研究成果一致[10,18]。生長(zhǎng)初期隨著夏玉米的生長(zhǎng)葉片面積逐漸變大，葉面積指數(shù)隨之升高，一直到抽雄期和吐絲期達(dá)到最大值，生長(zhǎng)后期由于葉片枯萎，葉面積指數(shù)隨之下降。不同水肥施用量對(duì)夏玉米葉面積指數(shù)的影響分析，見表2。

表2 夏玉米全生育期葉面積指數(shù)分析Tab.2 Analysis of leaf area index of Summer Maize in whole growth period

由表2對(duì)不同水肥施用量處理下夏玉米葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)分析，同樣氮磷施用量前提下，高水水平下夏玉米葉面積指數(shù)明顯高于低水水平下葉面積指數(shù)，說明水分對(duì)夏玉米葉面積指數(shù)有正相關(guān)作用。夏玉米葉面積指數(shù)有顯著差異主要發(fā)生在抽雄期和灌漿期，抽雄期內(nèi)葉面積指數(shù)最高為I2N2P2的4.44葉面積指數(shù)最低為I1N1P2的3.52，灌漿期內(nèi)葉面積指數(shù)最高為I2N2P2的4.18葉面積指數(shù)最低為I1N2P1的3.32，差距較為明顯?？傮w來看，一定范圍內(nèi)，增加水肥施用量可以提高夏玉米葉面積指數(shù)，但增加過多會(huì)起到一定抑制作用。通過顯著性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水分對(duì)夏玉米葉面積指數(shù)除苗期外均達(dá)到統(tǒng)計(jì)意義上的顯著水平，施氮量對(duì)夏玉米葉面積指數(shù)影響在各生育期內(nèi)均達(dá)到顯著水平，施磷量除在苗期、灌漿期、乳熟期和成熟期內(nèi)未達(dá)到顯著水平，但有較明顯影響。

2.3 水肥施用量對(duì)地上干物質(zhì)積累的影響

夏玉米產(chǎn)量與干物質(zhì)的生產(chǎn)與累積過程密切相關(guān)，增加產(chǎn)量的基本途徑就是增加干物質(zhì)質(zhì)量，施用適宜的氮肥可以保證生育期內(nèi)干物質(zhì)得到充分的累計(jì)[11]。以T3為對(duì)象，通過Logistic擬合方程分析夏玉米干物質(zhì)累積量隨時(shí)間的變化規(guī)律(圖4)。

圖4 處理T3的夏玉米干物質(zhì)累積曲線圖Fig.4 Dry matter accumulation curve of Summer Maize in treatment T3

可以看出干物質(zhì)積累曲線為S型曲線，在夏玉米生育期內(nèi)，干物質(zhì)從苗期開始緩慢積累，從拔節(jié)期到灌漿期迅速積累，從灌漿期到成熟期積累又恢復(fù)到較緩慢速度。在拔節(jié)初期到灌漿末期內(nèi)，干物質(zhì)迅速積累更為需要水分和肥料，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了追施氮肥和灌水處理，在水肥雙重作用下干物質(zhì)積累得到補(bǔ)充。

利用指數(shù)方程對(duì)于干物質(zhì)積累隨時(shí)間變化的規(guī)律進(jìn)行擬合分析，指數(shù)方程如下：

G=aexp(-b/t)

(3)

式中：G為干物質(zhì)累積量，g/株；t為播種后的天數(shù)，d；a,b為待擬合參數(shù)，常數(shù)。

對(duì)方程(3)進(jìn)行一階求導(dǎo)，可以得出方程如下：

dG/dt=abexp(-b/t)/t2

(4)

式中：dG/dt為干物質(zhì)累積的速率。

對(duì)方程(3)進(jìn)行二階求導(dǎo)，可以得出加速度方程：

(5)

令上式為零，即t=b/2時(shí)，得到夏玉米干物質(zhì)累積最大速率出現(xiàn)的時(shí)間，帶入式(4)得到夏玉米干物質(zhì)累積最大速率，最大速率為4aexp(-2)/b。

通過指數(shù)方程擬合計(jì)算，夏玉米干物質(zhì)積累量、最大速率出現(xiàn)的時(shí)間、累積的最大速率以及平均增長(zhǎng)速率，見表3。

表3 干物質(zhì)累積速率、時(shí)間分析表Tab.3 Dry matter accumulation rate and time analysis table

由表3可知，不同水肥施用量處理下，高水水平下各處理夏玉米成熟期干物質(zhì)積累量較高于低水水平下各處理夏玉米成熟期干物質(zhì)積累量，說明水分在提高干物質(zhì)積累量作用上有明顯促進(jìn)作用，同樣在最大增長(zhǎng)速率和平均增長(zhǎng)速率方面，水分對(duì)于夏玉米的影響也較為顯著。同等灌水水平下，增加施氮量和施磷量對(duì)于干物質(zhì)積累量影響同樣表現(xiàn)為先促進(jìn)后抑制。成熟期干物質(zhì)積累量各處理下I2N2P2最大，I1N3P2最?。蛔畲笤鲩L(zhǎng)速率出現(xiàn)時(shí)間I2N2P2最早，I1N2P1最晚；最大增長(zhǎng)速率I2N2P2最大，I1N2P1最小；平均增長(zhǎng)速率I2N2P2最大，I1N2P1最小。高水水平下適當(dāng)?shù)氖┓蕰?huì)促進(jìn)干物質(zhì)積累最大增長(zhǎng)速率盡早出現(xiàn)，通過干物質(zhì)積累轉(zhuǎn)化提高產(chǎn)量。

2.4 水肥施用量對(duì)肥料偏生產(chǎn)力的影響

為分析肥料偏生產(chǎn)力在不同水肥施用量處理下的不同，本文分析計(jì)算了夏玉米生育期內(nèi)氮肥和磷肥的肥料偏生產(chǎn)力(NPFP、PPFP)，如圖5所示。

圖5 不同水肥施用量下氮磷肥肥偏生產(chǎn)力(單位： kg/kg)Tab.5 Partial productivity of nitrogen and phosphorus fertilizers under different application amount of water and fertilizer

由圖5可知，灌水量為70.5 mm、施磷量為95 kg/hm2時(shí)，低氮水平的氮肥偏生產(chǎn)力為44.58 kg/kg，中氮水平的氮肥偏生產(chǎn)力為36.9 kg/kg，高氮水平的氮肥偏生產(chǎn)力為28.86 kg/kg；灌水量為125.5 mm、施磷量為95 kg/hm2時(shí)，低氮水平的氮肥偏生產(chǎn)力為58.2 kg/kg，中氮水平的氮肥偏生產(chǎn)力為50.68 kg/kg，高氮水平的氮肥偏生產(chǎn)力為38.19 kg/kg。說明同等灌水量和同等施磷量條件下增加施氮量會(huì)降低氮肥偏生產(chǎn)力，而且高灌水量下氮肥偏生產(chǎn)力與低灌水量下氮肥偏生產(chǎn)力相比較高。灌水量為70.5 mm、施氮量為195 kg/hm2時(shí)，低磷水平的氮肥偏生產(chǎn)力為35.81 kg/kg，中磷水平的氮肥偏生產(chǎn)力為36.9 kg/kg，高磷水平的氮肥偏生產(chǎn)力為34.37 kg/kg；灌水量為125.5 mm、施氮量為195 kg/hm2時(shí)，低磷水平的氮肥偏生產(chǎn)力為45.98 kg/kg，中磷水平的氮肥偏生產(chǎn)力為50.68 kg/kg，高磷水平的氮肥偏生產(chǎn)力為44.06 kg/kg。說明在同等灌水量和同等施氮量條件下，氮肥偏生產(chǎn)力會(huì)隨著施磷量的增多先升高后下降，這與史晶[11]在研究冬小麥/夏玉米氮磷肥安全高效施肥量的結(jié)論相一致。

灌水量70.5 mm、施氮量195 kg/hm2條件下，低磷水平較中磷水平夏玉米磷肥偏生產(chǎn)力高30.42 kg/kg，中磷水平較高磷水平夏玉米磷肥偏生產(chǎn)力高17.79 kg/kg；灌水量125.5mm、施氮量195 kg/hm2條件下，低磷水平較中磷水平夏玉米磷肥偏生產(chǎn)力高32.02 kg/kg，中磷水平較高磷水平夏玉米磷肥偏生產(chǎn)力高32.59 kg/kg。說明增加施磷量會(huì)降低磷肥偏生產(chǎn)力，而且增加灌水量可顯著提高磷肥偏生產(chǎn)力。在同等灌水量和同等施磷量條件下，磷肥偏生產(chǎn)力會(huì)隨著增加施氮量先升高后降低。

2.5 水肥施用量對(duì)夏玉米產(chǎn)量的影響

在不同灌水處理下，施氮磷肥對(duì)夏玉米產(chǎn)量影響顯著(表4)。

表4 不同水肥施用量對(duì)夏玉米產(chǎn)量的影響 kg/hm2

高水水平下各處理夏玉米產(chǎn)量明顯高于低水水平下夏玉米產(chǎn)量，氮磷肥效在高水水平下也明顯高于低水水平下的氮磷肥效。在同等灌水量和施磷量條件下，夏玉米產(chǎn)量會(huì)隨著施氮量增加出現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)；在同等灌水量和施氮量條件下，夏玉米產(chǎn)量也會(huì)隨著施磷量增加出現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)。由表4可知，夏玉米產(chǎn)量在I2N2P2處理和I2N2P3處理下高于其他處理下的產(chǎn)量，說明合適的水肥施用量對(duì)夏玉米產(chǎn)量有明顯的提升作用，但施氮量超過195 kg/hm2，施磷量超過95 kg/hm2時(shí)，會(huì)抑制提高夏玉米產(chǎn)量。

3 討論與結(jié)論

周琦等[12]和溫利利等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在一定的灌水量范圍內(nèi)，玉米株高也會(huì)隨著氮、鉀肥的用量增加而增高，但差異不明顯，但是肥料用量過多，會(huì)阻滯植株的生長(zhǎng)發(fā)育。周琦等實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在陜西關(guān)中地區(qū)，氣候、土壤等條件與山東地區(qū)都有不同，各時(shí)期施肥比例有所不同，而在本實(shí)驗(yàn)中，株高與水肥利用關(guān)系與其他研究者的結(jié)論一致，株高增長(zhǎng)速率都是先高后低，高水處理相比低水處理株高與氮磷肥關(guān)聯(lián)更為明顯。

溫立玉[10]等研究發(fā)現(xiàn)，施氮量相比施磷量對(duì)葉面積指數(shù)有更明顯的促進(jìn)影響，與本文中，水分對(duì)夏玉米葉面積指數(shù)除苗期外均達(dá)到統(tǒng)計(jì)意義上的顯著水平，施氮量對(duì)夏玉米葉面積指數(shù)影響在各生育期內(nèi)均達(dá)到顯著水平，施磷量除在苗期、灌漿期、乳熟期和成熟期內(nèi)未達(dá)到顯著水平，但有較明顯影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似這也和魏永華等[13]對(duì)水稻關(guān)于氮磷量影響分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。

曾瑾汐等[14]和文熙宸等[17]研究都表明，氮磷互作對(duì)玉米各生育期干物質(zhì)積累量的影響呈峰形變化趨勢(shì)，中氮中磷(N180P70)處理可顯著降低花前干物質(zhì)的積累量，增加成熟期干物質(zhì)積累總量，促進(jìn)花后干物質(zhì)積累向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)，提高玉米收獲指數(shù)。相比較而言，本文在干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)研究上有所欠缺，應(yīng)細(xì)致研究不同時(shí)期氮肥在干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)過程的影響問題。其他研究員[3,14-17]針對(duì)不同水肥施用量對(duì)夏玉米的產(chǎn)量分析中都證明不同灌水量條件下，玉米產(chǎn)量隨著灌水量的增加而增加，但不是灌水量越多越好。在其他學(xué)者基礎(chǔ)上，研究本區(qū)域的水肥施用量對(duì)夏玉米的影響，對(duì)本區(qū)域的夏玉米種植有一定理論指導(dǎo)意義。

本研究中，夏玉米株高在不同水肥施用量下拔節(jié)期表現(xiàn)出差異，抽雄期差異進(jìn)一步擴(kuò)大；葉面積指數(shù)在不同水肥施用量處理下發(fā)生明顯差異主要出現(xiàn)在抽雄期和灌漿期，總體來看，一定范圍內(nèi)增加水肥施用量可以提高夏玉米葉面積指數(shù)，但增加過多會(huì)起到一定抑制作用。高灌溉中施肥也對(duì)夏玉米干物質(zhì)的積累起到更為明顯的促進(jìn)作用。通過對(duì)夏玉米整個(gè)生育期分析計(jì)算，灌水量為125.5 mm、施氮量為195 kg/hm2、施磷量95 kg/hm2處理下的各生長(zhǎng)指標(biāo)均為最優(yōu)值。

在夏玉米產(chǎn)量分析中發(fā)現(xiàn)，高水水平下中、高施肥量對(duì)提高夏玉米產(chǎn)量有明顯作用；在對(duì)產(chǎn)量與水肥因素相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)，適量增加施氮磷量對(duì)增加夏玉米產(chǎn)量有促進(jìn)作用，但過高的施肥量會(huì)對(duì)夏玉米產(chǎn)量有抑制作用。

由于本實(shí)驗(yàn)是建立在濟(jì)南南部氣候、土壤條件下，施用水肥嚴(yán)格控制在定量基礎(chǔ)上，對(duì)當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義，但由于實(shí)際大田生產(chǎn)存在管理不嚴(yán)格的局限性，因此在以后的工作中，應(yīng)加強(qiáng)建立通用模型的研究，從而更實(shí)際的增加作物產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)。