張平珍 張克厚 陳 鶯 陳靖萍 羅健科 王澤宇
(白銀市農(nóng)業(yè)科學研究所,730900,甘肅白銀)
燕麥(AvenaL.)屬禾本科禾本亞科燕麥屬,是一種糧、經(jīng)、飼、藥多用作物,在全世界五大洲42個國家均有栽培,在世界八大糧食作物中,燕麥總產(chǎn)量居第5位[1]。燕麥營養(yǎng)價值高、全面且平衡,具有降血脂和降血糖的功效,已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的營養(yǎng)保健糧食[2]。
近年來,隨著燕麥保健功能不斷地被認可,燕麥產(chǎn)品快速發(fā)展,對燕麥的需求也不斷增加。甘肅燕麥種植區(qū)受自然條件特別是干旱的制約,燕麥生產(chǎn)一直是廣種薄收、粗放管理的生產(chǎn)方式,難以形成規(guī)?;?、標準化、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn),種植效益不高,影響了燕麥生產(chǎn)的發(fā)展。因此,必須調(diào)整育種目標和方向,制定新的多樣化育種方案,開展以高產(chǎn)、超高產(chǎn)品種選育選用為中心栽培技術(shù)研究[3-5]。近幾年白銀市農(nóng)業(yè)科學研究所探索在灌溉條件下發(fā)展燕麥生產(chǎn),為解決這些問題提供了重要創(chuàng)新途徑,并取得了較好的技術(shù)成果[6-7]。燕麥是傳統(tǒng)的旱地作物,對雨養(yǎng)干旱地區(qū)燕麥配方施肥技術(shù)已有廣泛報道,而對灌溉條件下燕麥肥料施用技術(shù)研究很少;灌溉地區(qū)燕麥與干旱地區(qū)燕麥對肥料的需求不同,在灌溉條件下,施肥不足,達不到高產(chǎn)目的;施肥過量,則導(dǎo)致營養(yǎng)生長過旺,容易造成燕麥倒伏而減產(chǎn),并且增加成本,降低收益,增加環(huán)境風險[8-9]。為了探討在灌溉條件下燕麥的氮(N)、磷(P)、鉀(K)施肥效應(yīng),2018年進行了灌溉條件下燕麥氮、磷、鉀“3414”平衡施肥試驗[10-11],并運用不同模型進行數(shù)據(jù)分析,研究氮、磷、鉀不同施用配比對燕麥產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀的影響,初步獲得灌溉條件下氮、磷、鉀施肥比例和施肥量范圍等基本參數(shù),為構(gòu)建燕麥大面積施肥指標體系和科學施肥提供依據(jù)。
試驗于2018年在甘肅省白銀市農(nóng)業(yè)科學研究所試驗場(靖遠縣)(103°3′~105°34′ E,35°33′~37°38′ N)進行。試驗場位于甘肅中部、黃河上游,地處黃土高原與騰格里沙漠過度地帶,屬溫帶干旱、半干旱大陸性氣候。海拔 1570m,年均氣溫8.5℃,無霜期>170d,≥10℃有效活動積溫3100℃,年均降雨量224mm,蒸發(fā)量1600mm。土壤為沙壤土,有機質(zhì)18.8g/kg,堿解氮65mg/kg,速效磷44.21mg/kg,速效鉀78mg/kg。試驗地屬于引黃灌區(qū),自然生態(tài)條件及土壤、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件在甘肅省中部引黃灌區(qū)有較好的代表性。
試驗燕麥品種為銀燕6號,由白銀市農(nóng)業(yè)科學研究所提供。試驗氮肥為尿素(N 46%),磷肥為普通過磷酸鈣(P2O512%),鉀肥為硫酸鉀(K2O 50%)。
采用“3414”最優(yōu)設(shè)計方案[12],設(shè)氮、磷、鉀3個因素(N、P、K)、4個施肥量水平(0、1、2、3)。其中,0水平指不施肥,2水平為當?shù)刈罴咽┓柿浚?水平為過量施肥水平,共14個處理,每個處理3次重復(fù),隨機區(qū)組排列。共14個小區(qū),小區(qū)面積為 18m2(6m×3m),行距 20cm,小區(qū)間留50cm走道,小區(qū)間打地埂,防止串水串肥,試驗地四周設(shè)2m保護行。處理方案詳見表1。
表1 “3414”試驗方案、施肥量和肥料成本Table 1 The “3414” experimental scheme, fertilizer quantity and fertilizer cost
采用人工開溝播種,播種量494萬粒/hm2,各小區(qū)均不施有機肥,肥料按試驗方案分小區(qū)稱量,并作基肥一次性施入,不施追肥,生育期澆水2次(每次約2250m3/hm2),分別在燕麥拔節(jié)期和灌漿期中耕除草2次,噴藥1次防治蚜蟲。收獲時分小區(qū)單收單打計產(chǎn),其他管理同當?shù)卮筇锷a(chǎn)。增產(chǎn)量(kg/hm2)=施肥區(qū)籽粒產(chǎn)量–缺素區(qū)籽粒產(chǎn)量;增收(元/hm2)=施肥區(qū)產(chǎn)值–施肥區(qū)肥料成本–缺素區(qū)產(chǎn)值;肥料貢獻率(%)=(施肥區(qū)籽粒產(chǎn)量–缺素區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施肥區(qū)籽粒產(chǎn)量×100。
采用Excel 2007對原始數(shù)據(jù)進行初步處理,建立肥料效益的回歸方程,并制圖。用軟件SAE V6.0.0進行單因素方差分析。
燕麥籽粒產(chǎn)量分析結(jié)果(表2)表明,施肥處理除缺氮處理(N0P2K2)與N0P0K0籽粒產(chǎn)量差異不顯著外,其他處理均與 N0P0K0處理差異顯著;N2P2K2處理籽粒產(chǎn)量(5100.0kg/hm2)最高,除N3P2K2處理外,與其他處理差異顯著。各施肥處理的產(chǎn)量均高于未施肥處理N0P0K0。不同施肥處理的增產(chǎn)效果存在一定的差異,其中 N0P2K2處理增產(chǎn)量最小,較未施肥處理N0P0K0增產(chǎn)135.0kg/hm2;與 N0P0K0相比,N2P2K2處理增產(chǎn)量最大,增產(chǎn)1774.5kg/hm2;其次為處理N3P2K2(N3水平),增產(chǎn)1585.7kg/hm2,而N2P3K2(P3水平)增產(chǎn)1402.4kg/hm2,N2P2K3(K3水平)增產(chǎn)1291.2kg/hm2,說明燕麥對氮素反應(yīng)敏感,增施氮肥可以顯著增產(chǎn),氮肥對灌溉地區(qū)燕麥籽粒產(chǎn)量的提高具有至關(guān)重要的作用。缺氮處理(N0P2K2)、缺磷處理(N2P0K2)和缺鉀處理(N2P2K0)較最高產(chǎn)量處理 N2P2K2分別減產(chǎn)32.1%、13.8%和13.2%,說明氮肥是灌溉地區(qū)燕麥籽粒產(chǎn)量的主要限制因子,其次是磷肥和鉀肥。
施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié),是作物產(chǎn)量提高的重要因素。施肥量的確定不僅要考慮產(chǎn)量,而且要綜合考慮經(jīng)濟效益。由表2可知,與N0P0K0相比,不同的氮、磷、鉀配比施用均可提高產(chǎn)值,增加收入,其中處理N2P2K2的產(chǎn)值(20 400.0元/hm2)最高,是處理N0P0K0的1.53倍;其次為N3P2K2處理(19 644.8元/hm2)。而N3P2K2處理的肥料成本卻高于N2P2K2處理(表1),說明施肥不合理,不僅浪費肥料,也增加生產(chǎn)成本,經(jīng)濟效益反而下降。此外,缺氮處理(N0P2K2)增收僅為135.0元/hm2,表明在灌溉條件下只施鉀肥和磷肥對燕麥產(chǎn)值增加無明顯效果。
表2 不同氮、磷、鉀配施處理對產(chǎn)量、經(jīng)濟效應(yīng)和肥料貢獻率的影響Table 2 Effects of combined fertilizers application on the yield, economic benefits and fertilizer contribution rate
施肥處理的肥料貢獻率在 3.9%~34.8%,其中處理N2P2K2的肥料貢獻率最高,達34.8%,說明合理施肥可有效提高肥料的利用率。
根據(jù) N0P2K2、N1P2K2、N2P2K2和 N3P2K2的試驗結(jié)果,對氮肥單種肥料施用量同燕麥籽粒產(chǎn)量比較分析,做散點圖,擬合一元二次曲線(圖1a)。氮肥施用量(x)與籽粒產(chǎn)量(y)的擬合函數(shù)為y=-0.0382x2+17.554x+3049.8(R2=0.8779),由于一元二次方程二次項系數(shù)為負,一次項為正,說明函數(shù)有極大值,即燕麥籽粒產(chǎn)量隨氮肥施用量的增加呈先增加后減少的趨勢。根據(jù)擬合函數(shù)可得出最大施氮量為 229.8kg/hm2,此時最大理論產(chǎn)量為5066.4kg/hm2。從擬合函數(shù)最大施氮量看,氮肥理論施用量還可以增加,但籽粒產(chǎn)量增加很少,成本卻增大,說明繼續(xù)增加施氮量對燕麥產(chǎn)值增加沒有明顯效果。
圖1 氮、磷、鉀施用量與籽粒產(chǎn)量的擬合曲線Fig.1 The fitted curve for grain yield and N, P, and K application rates
根據(jù) N2P0K2、N2P1K2、N2P2K2和 N2P3K2的試驗結(jié)果,對磷肥單種肥料施用量同燕麥籽粒產(chǎn)量比較分析,做散點圖,擬合一元二次曲線(圖1b)。磷肥施用量(x)與籽粒產(chǎn)量(y)的擬合函數(shù)為y=-0.1126x2+18.119x+4179.4(R2=0.7855),根據(jù)擬合函數(shù)得出最大施磷量為80.5kg/hm2,此時最大理論產(chǎn)量為4908.3kg/hm2。
根據(jù) N2P2K0、N2P2K1、N2P2K2和 N2P2K3的試驗結(jié)果,對鉀肥單種肥料施用量同燕麥籽粒產(chǎn)量比較分析,做散點圖,擬合一元二次曲線(圖1c)。鉀肥施用量(x)與籽粒產(chǎn)量(y)的擬合函數(shù)為y=-0.827x2+43.732x+4375.7(R2=0.7735),根據(jù)擬合函數(shù)得出最大施鉀量為26.4kg/hm2,此時最大理論產(chǎn)量為4953.8kg/hm2。
氮、磷、鉀肥施用量的交互作用分析結(jié)果(圖2a)表明,在K2水平時,當?shù)适┯昧繌腘1增加到N2,P1和P2水平分別增產(chǎn)261.2和1416.6kg/hm2,增產(chǎn)率分別為6.2%和38.5%。說明隨著氮肥施用量的增加,磷肥用量也要達到一定的量,才能使氮肥更好地發(fā)揮肥效。在P2水平時,當?shù)适┯昧繌腘1增加到 N2時,K1和 K2水平分別增產(chǎn) 705.5和1416.6kg/hm2,說明一定用量的鉀肥對氮肥也具有很好的增效作用。
在 K2水平下,當磷肥施用量從 P1增加到 P2時,N1水平減產(chǎn) 561kg/hm2,而 N2水平增產(chǎn)594.4kg/hm2,說明氮肥施用量達不到一定量,增施磷肥沒有增產(chǎn)效果(圖2b)。在N2水平時,當磷肥施用量從P1增加到P2時,K1和K2水平分別增產(chǎn) 372.2和 594.4kg/hm2,說明隨著施磷水平的增加,K1和K2水平的增產(chǎn)量比較接近,鉀肥施用量的增加并不會明顯影響磷肥肥效。中氮(N2)比中鉀(K2)處理更有利于磷肥肥效的發(fā)揮。
在 P2水平下,當鉀肥施用量從 K1增加到 K2時,N1水平減產(chǎn) 300kg/hm2,而 N2水平增產(chǎn)411.1kg/hm2,說明氮肥施用量的提高有利于鉀肥肥效更好地發(fā)揮(圖2c)。在N2水平時,當鉀肥施用量從K1增加到K2時,P1和P2水平分別增產(chǎn)188.9和411.1kg/hm2,說明隨著施鉀水平的增加,P1和P2水平的增產(chǎn)量接近,磷肥施用量的增加并不會明顯提升鉀肥肥效。
圖2 氮、磷、鉀肥施肥水平的互作效應(yīng)Fig.2 Interactions of N, P and K application level
以產(chǎn)量(Y)為目標函數(shù),根據(jù)純N(X1)、P2O5(X2)、K2O(X3)施用量對產(chǎn)量的影響建立三因素的施肥數(shù)學模型,Y=221.3524+20.4121X1–8.5801X2+38.5977X3–6.2532X12–1.3124X22–3.8204X32+20.3884X1X2–1.8628X1X3–9.9189X2X3(R=0.9443**,F(xiàn)=11.5307**)。經(jīng)顯著性檢驗表明,回歸方程有效,各小區(qū)產(chǎn)量理論值和實測值接近,可作進一步分析。
“3414”優(yōu)化設(shè)計因素組合共64個N、P、K肥料施用量組合,對燕麥產(chǎn)量影響較大。最高函數(shù)產(chǎn)量為5583.8kg/hm2,N、P、K編碼值分別為3、3、0。顯然,最高函數(shù)產(chǎn)量編碼值不符合生物學意義,是一個數(shù)學理論值。而田間小區(qū)實測值最高的N2P2K2處理折合產(chǎn)量為5100.0kg/hm2,其編碼組合N、P、K編碼值均為2。為了進一步尋找最佳施肥量,結(jié)合函數(shù)方程與各小區(qū)實際產(chǎn)量,進一步進行組合尋優(yōu),得到當?shù)?個燕麥產(chǎn)量≥4950.0kg/hm2的組合(表3)。
表3 目標產(chǎn)量≥4950.0kg/hm2的編碼組合結(jié)果排序Table 3 Sorting of coding combination results with objective yield ≥4950.0kg/hm2
對燕麥產(chǎn)量在 4950kg/hm2以上的 7個組合各肥料因素編碼進行頻次分析,結(jié)果(表4)表明,N(X1)、P(X2)、K(X3)的各平均編碼值分別為2.5714、3和1.7143,解析編碼后,轉(zhuǎn)換為純N、P2O5、K2O 平均施用量,分別為 173.6、112.5、25.7kg/hm2,折合尿素、普通過磷酸鈣和硫酸鉀分別為377.3、937.5和122.4kg/hm2,此時的燕麥產(chǎn)量為 5219.1kg/hm2,N︰P︰K=1.54︰1︰0.23。需要強調(diào)的是,這個比例并不代表燕麥對氮、磷、鉀的全部需求比例,而是在當?shù)赝寥阑A(chǔ)養(yǎng)分含量下的配方施肥比例。燕麥產(chǎn)量≥4950.0kg/hm2的N、P2O5、K2O用量范圍分別是148.8~198.3、>112.5和14.3~37.2kg/hm2。
表4 燕麥目標產(chǎn)量4950.0kg/hm2以上的各肥料因素編碼統(tǒng)計Table 4 Coding statistics of fertilizer factors with oat target yield above 4950.0kg/hm2
“最佳施肥量”是一個相對數(shù)值,受土壤肥力、作物品種、目標產(chǎn)量、栽培管理和試驗誤差諸多因素影響,例如土壤肥力低則施肥量就應(yīng)增大,土壤肥力高則施肥量就應(yīng)減少。同時,“最佳施肥量”還要綜合考慮氮、磷、鉀肥的價格和增產(chǎn)效果,在生產(chǎn)實踐上要根據(jù)實際情況對施肥量進行調(diào)整。
由表5可知,不同肥料配施對該地區(qū)燕麥生育期、株高、主穗長、小穗數(shù)、穗粒數(shù)、成穗數(shù)和倒伏率的影響都存在差異,除N0P2K2、N1P2K2、N1P1K2和N1P2K1外,其他處理的生育期與N0P0K0差異顯著;所有施肥處理的株高與N0P0K0均差異顯著;施肥處理中只有N0P2K2的主穗長與N0P0K0差異不顯著;N2P2K2、N2P3K2、N2P2K0、N2P2K1、N2P2K3和N3P2K2的小穗數(shù)與 N0P0K0差異顯著;N0P2K2、N2P1K1和N1P2K2的穗粒數(shù)與N0P0K0差異不顯著;所有施肥處理的千粒重與 N0P0K0差異不顯著,說明施肥處理并不會顯著增加燕麥籽粒的飽滿度。
表5 不同處理的經(jīng)濟性狀及差異性分析Table 5 Economic characters and difference analysis of different treatments
處理N3P2K2的生育期最長,株高最高,成穗數(shù)最多,但倒伏率最高,而籽粒產(chǎn)量最高的N2P2K2處理與 N3P2K2處理的株高和倒伏率有顯著差異,生育期和成穗數(shù)差異不顯著;處理 N2P3K2的主穗最長,穗粒數(shù)最多,而籽粒產(chǎn)量最高的N2P2K2處理與N2P3K2處理的主穗長、穗粒數(shù)差異不顯著;N2P2K3處理小穗數(shù)最多,而N2P2K2處理與N2P2K3處理的小穗數(shù)差異不顯著??傊蚜.a(chǎn)量最高的 N2P2K2處理生育期正常,千粒重中等,主穗長、小穗數(shù)、穗粒數(shù)和成穗數(shù)均偏高,抗倒性強。
施肥是補充土壤營養(yǎng)、維持土壤持續(xù)生產(chǎn)力和維持穩(wěn)定增產(chǎn)的有效措施。由于營養(yǎng)元素對作物產(chǎn)量的影響,不僅具有主效應(yīng),交互作用效應(yīng)也對產(chǎn)量有一定的影響,是當前土壤科學與植物營養(yǎng)研究的熱點[13]。朱桂玉等[14]研究發(fā)現(xiàn),氮、磷、鉀肥施用量均為中等水平時,水稻產(chǎn)量和經(jīng)濟效益最佳,同時氮、磷、鉀肥間存在明顯的交互作用,三者配合施用有助于各自肥效的發(fā)揮。本研究中,處理N2P2K2籽粒產(chǎn)量最高,為 5100.0kg/hm2,且除與N3P2K2處理籽粒產(chǎn)量差異不顯著外,與其他處理差異均顯著,并且處理N2P2K2的肥料貢獻率最高,達到34.8%;各施肥處理的籽粒產(chǎn)量均高于未施肥處理N0P0K0,且不同施肥處理的增產(chǎn)效果存在一定差異,增產(chǎn)量最大的處理為N2P2K2,比N0P0K0增產(chǎn)1774.5kg/hm2;氮、磷、鉀缺素處理較最高產(chǎn)量N2P2K2處理分別減產(chǎn)32.1%、13.8%、13.2%,即氮肥是限制灌溉條件下燕麥產(chǎn)量的主要因子,其次是磷肥和鉀肥。單種肥料施用量與籽粒產(chǎn)量呈拋物線關(guān)系,一定范圍內(nèi)籽粒產(chǎn)量隨施肥量的增加而提高,但超過此范圍反而降低,這種現(xiàn)象符合報酬遞減規(guī)律。對肥料的交互作用分析發(fā)現(xiàn),隨著氮肥用量的增加,磷肥用量也要達到一定量才能使氮肥肥效更好地發(fā)揮,一定用量的鉀肥對氮肥也具有很好的增效作用;氮肥施用量的提高也有利于鉀肥肥效更好地發(fā)揮,磷肥施用量的增加并不會明顯影響鉀肥肥效;氮肥施用量的提高有利于磷肥肥效更好地發(fā)揮,鉀肥施用量增加并不會明顯影響磷肥肥效,高氮比高鉀處理更有利于磷肥肥效的發(fā)揮。
灌溉地區(qū)與干旱雨養(yǎng)地區(qū)燕麥生產(chǎn)對品種的特性、播種密度、水肥管理不同[15],灌溉地區(qū)燕麥籽粒產(chǎn)量制約因素較多,既要考慮品種的抗倒性和播種密度,也要考慮水量和施肥量。水肥合適,能夠發(fā)揮燕麥最大生產(chǎn)潛能;水肥過量,則導(dǎo)致營養(yǎng)生長過旺,易造成燕麥嚴重倒伏,減產(chǎn)明顯,并且施肥量過高時,成本增加,收益降低,環(huán)境風險增加;因此,確定合理施肥量是增產(chǎn)、增收和肥料高效利用的關(guān)鍵[16]。本研究通過建立對氮、磷、鉀單種肥料施肥量同燕麥籽粒產(chǎn)量比較分析,做散點圖,擬合一元二次曲線,利用一元二次肥效方程估測得最大施氮量為 229.8kg/hm2、最大施磷量為80.5kg/hm2、最大施鉀量為26.4kg/hm2時,最大理論產(chǎn)量分別為5066.4、4908.3和4953.8kg/hm2。通過“3414”優(yōu)化設(shè)計試驗統(tǒng)計分析建立施肥量與籽粒產(chǎn)量的數(shù)學模型,進一步解析得出氮(N)︰磷(P2O5)︰鉀(K2O)=1.54︰1︰0.23;燕麥產(chǎn)量≥4950.0kg/hm2的 N、P2O5和 K2O用量范圍分別是148.8~198.3、>112.5和14.3~37.2kg/hm2。
德科加等[17]研究表明,施氮量與產(chǎn)量構(gòu)成之間呈顯著的二次回歸關(guān)系,各產(chǎn)量構(gòu)成變化隨施氮量的增加出現(xiàn)了“低-高-低”的變化趨勢,說明氮肥對產(chǎn)量構(gòu)成的貢獻存在臨界值,這個臨界值可能由植物的生理特性決定。灌溉地區(qū)燕麥品種對農(nóng)藝性狀的要求與旱地燕麥顯著不同[15]。燕麥要實現(xiàn)高產(chǎn),防止倒伏是前提,在這個前提下討論農(nóng)藝性狀對產(chǎn)量的影響才有意義。在燕麥生產(chǎn)中,應(yīng)通過品種選擇、播種量控制等措施將主攻成穗數(shù)放在優(yōu)先地位,即成穗數(shù)高、群體結(jié)構(gòu)好。適宜的株高、生育期和千粒重是實現(xiàn)高產(chǎn)的重要保證;對穗粒數(shù)應(yīng)有一定控制[5]。該研究中不同肥料配施對燕麥生育期、株高、主穗長、小穗數(shù)、穗粒數(shù)、成穗數(shù)和倒伏率的影響都存在差異,所有施肥處理的千粒重與N0P0K0差異不顯著;N3P2K2處理的株高與其他所有處理的株高存在顯著差異,并且 N3P2K2處理的倒伏率最高,表明氮肥施用過量造成植株徒長,莖稈細弱,抗倒性明顯減弱,但 N3P2K2處理的成穗數(shù)高,這就說明主效應(yīng)氮肥施用量是關(guān)鍵,達到成穗數(shù)高,并且株高適宜;籽粒產(chǎn)量最高的N2P2K2處理生育期正常,千粒重中等,主穗長、小穗數(shù)、穗粒數(shù)和成穗數(shù)均偏高,抗倒性強。因此,只有合理的氮、磷、鉀用量配比才有利于提高燕麥的農(nóng)藝性狀。
燕麥對氮素反應(yīng)敏感,增施氮肥可以顯著增產(chǎn),氮、磷、鉀配施能更好地發(fā)揮肥效,結(jié)合籽粒產(chǎn)量和經(jīng)濟效益,建議灌溉地區(qū)燕麥產(chǎn)量≥4950.0kg/hm2的N、P2O5和K2O用量范圍分別為148.8~198.3kg/hm2、>112.5kg/hm2和 14.3~37.2kg/hm2;在當?shù)赝寥阑A(chǔ)養(yǎng)分含量下的配方施肥比例 N︰P︰K=1.54︰1︰0.23。