新疆膜下滴灌高產春玉米水肥優化研究

郭斌+趙新俊+王璞+柳延濤+梁飛+焦天奇+王友德

摘要：為研究新疆北疆膜下滴灌玉米水肥耦合規律，在玉米高密度116 596.7株/hm2、寬窄行（90 cm+30 cm）配置的基礎上，以耐密品種鄭單958為試驗材料，采用二次回歸通用旋轉組合設計，進行北疆春播膜下滴灌玉米4因素[灌水量（z1）、施氮量（z2）、施磷量（z3）、施鉀量（z4）]組合施肥對產量影響的初步研究。以產量為因變量，獲得回歸方程：y=-1 040.7-0.000 053 165z12-0.003 7z22-0.016 9z32+0.000 173 05z1z2+0.461 7z1+2.571 5z2+5.863 1z3。因素效應分析結果表明，在缺氮、中磷、富鉀的土壤肥力情況下，各因素對產量的影響大小表現為氮肥>水分>磷肥，鉀肥對產量的影響不顯著。因素交互作用分析表明，只有水氮存正向互作，當灌水量5 118 m3/hm2、施氮肥 477.15 kg/hm2、施磷肥179.85 kg/hm2、施鉀肥0 kg/hm2時，理論產量最高，為18 831.75 kg/hm2。通過95%置信區間計算，在生產上推薦采用密度116 655株/hm2、寬窄行（90 cm+30 cm）的種植模式；推薦在灌水量4 849.5～5 317.5 m3/hm2、施氮肥量431.85～484.95 kg/hm2、施磷肥量149.55～160.50 kg/hm2范圍內選擇配置，有95%的置信度使產量大于140 88.75 kg/hm2。

關鍵詞：春玉米；膜下滴灌；水肥優化；回歸方程；效應分析

中圖分類號： S513.06；S513.07 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）20-0088-05

玉米的膜下滴灌種植技術是近年來迅速發展的一項新技術，它能夠起到節水減肥、增溫保墑、加密增產的作用，并能做到隨水施肥，實現水分和養分的同步供給[1]。合理水肥管理是實現產量提高協同資源高效利用的重要途徑，開展北疆膜下滴灌玉米水肥優化調控技術的研究，對于新疆干旱區玉米產業的可持續發展具有重要意義。

目前，國內關于非滴灌條件下，不同密度、灌溉和施肥對產量的效應、耦合機制及耦合模型的研究已有很多報道[2-3]。李萬星等對膜下滴灌玉米的研究主要集中在不同的灌水和施肥方式與滴灌玉米水肥利用的比較方面[4]。郭松年等認為，關于滴灌玉米不同的肥料配比與水肥耦合的研究還不多見[5]。研究一致表明，與傳統栽培技術相比膜下滴灌技術具有顯著的增產效應和較高的水分利用效率[6]。李彥斌等研究表明，滴灌和大水漫灌相比節水40%～46%，灌溉水利用系數可達 95%以上[7]。劉一龍等研究表明，膜下滴灌的玉米產量可達15 120 kg/hm2，水分利用效率為 2.843 0 kg/hm2[8]。張國橋等研究表明，液體磷肥 100%以追肥的方式隨水滴施可顯著改善玉米生育中后期的磷素營養條件，并提高產量及石灰性土壤玉米對磷肥的吸收利用效率，磷肥利用率可達406%[9]。郭丙玉等研究表明，水氮一體化施肥可實現滴灌玉米產量與水、氮利用效率的共同提高，氮素偏生產力和氮肥利用率分別達122 kg/hm2和45.00%[10]。徐杰等研究表明，在大田試驗中，滴灌水氮一體化處理在各密度下均較自然降雨+氮肥底施的玉米產量顯著提高，在高密度（90 000株/hm2）時，滴灌水氮一體化處理產量最高，為 14 268.9 kg/hm2，顯著高于表施氮肥+大水漫灌處理[11]。梁飛等分別基于不同施肥水平研究玉米膜下滴灌技術，結果表明，不同地區的土壤性能和肥力不同，滴灌肥料對產量影響效應的大小排序也不盡相同[12-13]。因此，按照不同地區的土壤基礎肥力，合理調整各種肥料的施用量，找到適合該地區玉米高產栽培的化肥管理模式，就顯得格外重要。

當前，膜下滴灌玉米基本上都采用寬窄行配置的模式，但在生產中寬窄行配置有（60 cm+40 cm）、（70 cm+40 cm）、（80 cm+40 cm）、（60 cm+30 cm）等多種，并且存在著肥水投入量和配比不合理的現象[14-15]。因此，在前期的研究中，筆者通過比較發現，（90 cm+30 cm）的株行配置能夠有效提高新疆高密度玉米群體的光合能力，穩定提高玉米產量。在此基礎上，本研究于北疆春播中晚熟玉米生產區，在綠洲干旱區高密度（116 596.7株/hm2）膜下滴灌寬窄行（90 cm+30 cm）栽培條件下，研究水肥一體化施肥中氮、磷、鉀的配比對產量的影響，確定最佳的水、氮、磷、鉀肥配比和投入量，分析了滴灌玉米的水氮耦合效應，旨在優化北疆滴灌玉米水肥一體化施肥技術，為實現玉米高產協同水肥養分資源高效利用提供依據和技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點基本概況

試驗地位于新疆沙灣縣烏蘭烏蘇綠洲農田生態與農業氣象試驗站內。

1.1.1 地理位置 位于85°49′E、44°17′N，海拔468.2 m。屬中溫帶干旱溫暖農業氣候類型生態區[11]。

1.1.2 土壤情況 試驗田土壤為壤土，有機質含量1.6%，全氮含量0.125%，堿解氮含量54 mg/kg，全磷含量0.204%，速效磷含量15 mg/kg，速效鉀含量209 mg/kg，pH值7.9。前茬作物為棉花。土壤肥力表現為有機質、可溶性氮含量低，可溶性磷含量中等，可溶性鉀含量高。秋翻整地，翌年春季再進行機械化耙地待播。

1.1.3 試驗期間氣候概況 2013年4—10月，生長季節日照時數2 246.4 h，≥10℃活動積溫3 795.7 ℃，生長季節月降水量158 mm，蒸發量1 363 mm，初霜時間為4月6日，終霜時間為10月1日。

1.2 試驗設計

在前期研究確定玉米高產種植方式（滴灌、種植密度 10 793～117 000株/hm2、窄行30 cm、寬行90 cm，滴管帶鋪設在30 cm窄行間）下，根據土壤肥力狀況，采用水、氮、磷、鉀4因素5水平二次回歸通用旋轉組合的試驗設計，進行滴灌玉米水肥高效優化設計的試驗研究[12]。種植布局共設8個行區，行長5.5 m，小區面積26.4 m2，共31個小區。具體設計見表1。endprint

1.3 田間管理

播種前整地達到“干、松、碎、齊、平、凈”和上虛下實的質量標準，根據試驗小區行長、幅寬、90 cm+30 cm的寬窄行設計以及在正南行向的種植條件，采用人工插竹簽標記進行小區及播種行的規劃。將滴頭間距30 cm、流量3.2 L/h的滴灌帶人工鋪設于30 cm窄行間，然后再人工將寬70 cm、厚度>0.1 mm的薄膜覆蓋在30 cm窄行上。選用大小均勻、發芽率高的鄭單958玉米單交種的種子，采用人工帶尺露地穴播方式進行播種，播種時種子下粒均勻、深淺一致。播種后，將地頭出水口用水帶、輔管與小區的水表、肥料罐、毛管（滴灌帶）相連接并檢查不漏水后，滴第1水，要求滴水均勻，確保出全苗。采用玉米種子干播滴水出苗和田管免耕作業以及拔節至吐絲期間進行水肥調控創建滴灌春玉米“塔型”冠層群體的高產群體調控技術。3葉期（離乳期）滴第2水。大口期（展開葉12～13張，可見葉18～20張）滴第3水，全生育期滴水12次（包括出苗水和離乳水）。從第3水開始滴水施肥，根據各處理小區滴水量、施氮量、施磷量、施鉀量的不同要求共分10次平均分配滴施（表2）。

拔節前人工定苗并噴施玉米苗后專用除草劑耕杰（5%甲基磺草酮+20%莠去津懸浮劑，每666.7 m2用藥125 mL，兌水15～30 kg）。全生育期滴水12次（包括出苗水和離乳水）。

1.4 測產方法

10月8日統一收獲，每個處理小區收取中間4行（13.2 m2），收獲時各處理小區選擇有代表性、典型、生長正常的定點定株樣20株收獲考種，折算各處理小區的生物、經濟產量。試驗數據處理使用Excel、Matlab、DPS 6.55統計軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 回歸方程的建立與檢驗

對試驗結果運用DPS軟件進行統計分析，以灌水量（x1）、施氮量（x2）、施磷量（x3）、施鉀量（x4）4項為決策變量，以2013年小區籽粒產量的平均值（國家標準水分14%）為因變量（表3），建立的數學模型為y=1 198.564 29+72.077 5x1+110.165 00x2+60392 50x3+5.876 67x4+48.670 00x1x2-22.920 00x1x3+8.193 75x1x4-13.247 50x2x3+4.856 25x2x4-1388 75x3x4-119620 86x12-129.499 61x22-94.835 86x32+9.009 14x42。

方程的失擬顯著性分析（表4）顯示，F1=2.009，P>0.1，失擬不顯著，表明未控制因素對試驗結果的影響不顯著。F2=10.272，P<0.01，說明回歸模型達到了極顯著水平。將模擬方程理論產量與試驗產量進行相關性分析，相關系數 R2=94.4，表明試驗所建立的模型與實測值擬合程度較好，可以對模型進行優化分析。

由表4的偏回歸系數顯著性檢驗得出，4個因子對產量影響中x1、x2、x3一次項達到極顯著水平，x4未達到準顯著水平；4個因子中的二次項除x4外，都達到了極顯著水平；交互項中只有x1x2的互作，對玉米產量的影響達到了顯著水平，其余交互項并沒有達到顯著水平，所以通過在α=0.10水平剔除不顯著項，簡化后的回歸方程為

y=119 8.564 29+72.077 5x1+110.165 00x2+60.392 50x3+48.670 00x1x2-119.620 86x12-129.499 61x22-94.835 86x32。

式中：x1、x2、x3、x4為編碼變量，分別將x1=（z1-4 500）/1 500、x2=（z2-375）/187.5、x3=（z3-150）/75、x4=（z4-150）/75代入上述方程式可得到本試驗條件下灌水量（z1）、施氮量（z2）、施磷量（z3）、施鉀量（z4）4個因素與產量的回歸方程為

y=-1 040.7-0.000 053 165z12-0.003 7z22-0.016 9z32+0.000 173 05z1z2+0.461 7z1+2.571 5z2+5863 1z3。

根據函數的極值理論， 由函數對各自變量的偏導數都等于零，可求得函數取最大值時各自變量的值。通過上述要求進行計算得到，當灌水量z1=5118 m3/hm2、施氮肥量z2=477.15 kg/hm2、施磷肥量z3=179.85 kg/hm2、施鉀肥量 z4=0 kg/hm2時，理論產量最高，為18 831.75 kg/hm2。

2.2 試驗因素效應分析

2.2.1 主效應分析 二次通用旋轉回歸設計所得到的回歸模型是經無量綱編碼線性代換后求得的，因此其偏回歸系數已經標準化，偏回歸系數的大小可直接反映變量對產量的影響程度。由于此方程的一次項系數x1、x2、x3對產量的影響都達到極顯著水平，且系數均為正值，說明水分、氮肥、磷肥均對產量的提高有極顯著作用，其中氮肥的作用最大，而x4未達到顯著水平，說明在本試驗條件下，鉀肥對產量的貢獻率不大。方程的二次項都為負值，說明水、氮、磷3因素對產量的影響都是開口向下的拋物線模型，均存在最優值。模型二次項系數|x2|>|x1|>|x3|，說明在本試驗條下，產量對氮肥比水分和磷肥的響應更敏感。研究表明，氮肥、磷肥對玉米有明顯的增產效果，在一定范圍內，產量隨著施肥量的增加而提高，當超過臨界值時，產量反而降低。通過單因素效應分析（圖1）發現，當各因子的編碼水平達到0～0.5水平時，產量達到最高，而高含量的鉀對產量影響不顯著，但對于維持高產是必須。

單因素方程為

y水=1 198.564 29+72.077 5x1-119.620 86x12（x2=0，x3=0，x4=0）；

y氮=1 198.564 29+110.165 00x2-129.499 61x22 （x1=0，x3=0，x4=0）；endprint

y磷=1 198.564 29+60.392 50x3-94.835 86x32（x2=0，x1=0，x4=0）；

y鉀=1 198.564 29（x1=0，x2=0，x3=0）。

2.2.2 互作效應分析 根據方程y=1 198.564 29+72.077 5x1+110.165 00x2+60.392 50x3+48.670 00x1x2-119.620 86x12-129.499 61x22-94.835 86x32可知，在互作效應中只有x1x2互作達到顯著水平。采用降維法，將x3、x4因子的編碼值設定為0水平，可以得出x1和x2 2個因素對于玉米產量的回歸效應方程為y=1 198.564 29+72.077 5x1+110.165 00x2+48.670 00x1x2-119.620 86x12-129.499 61x22，通過計算可得兩因素互作對產量的影響（表5）。

x1x2的系數為正值，因此只有x1與x2編碼值正負符號一致時，才會對產量產生正效應，說明水分與氮肥對產量的影響存在協同效應。因此，在磷肥和鉀肥水平合理的情況下，提高滴灌水量和提高氮肥濃度，有利于提高產量。但由于受 -x12 和-x22限制，灌水量和施氮量過高和過低都不利于玉產產量的形成。因此，高產區在x1的0～0.5編碼水平區域、x2的0～1編碼區域集中分布，也就是灌水量分布在6 750～7 875 m3/hm2、施氮肥量分布在450～675 kg/hm2區域內，產量在x1x2編碼水平為（0.5，0.5）時最高，為18 585 kg/hm2。

2.2.3 玉米產量模擬尋優 由回歸方程可以計算出，灌水量z1=5 118 m3/hm2、施氮肥量z2=477.15 kg/hm2、施磷肥量 z3=179.85 kg/hm2、施鉀肥量z4=0 kg/hm2時，理論產量最高，為18 831.75 kg/hm2。但是對于大面積生產實踐而言，理論上的最高產量并不代表生產實際的最佳值。在本試驗編碼范圍（-2≤xi≤2）的525套組合方案中，利用DPS軟件模擬運算，篩選出玉米產量>14 088.75 kg/hm2的20個方案，對其進行頻率分析，結果見表6。

通過95%置信區間計算，在生產上推薦采用密度 116 655株/hm2、寬窄行（90 cm+30 cm）的種植模式；推薦在灌水量4 849.5～5 317.5 m3/hm2、施氮肥量431.85～484.95 kg/hm2、施磷肥量149.55～160.50 kg/hm2范圍內選擇配置，有95%的置信度使產量大于14 088.75 kg/hm2。

3 結論與討論

提高玉米產量的途徑有2條：一是提高種植密度，即以群體效應為主；另一個是提高水肥利用效率，配合施用氮、磷、鉀肥，使肥料相互促進，提高供肥能力，最終達到增產的目的[16]。本研究在以耐密品種鄭單958為試驗材料、玉米高密度（116 655 株/hm2）種植、寬窄行（90 cm+30 cm）配置的基礎上，采用水、氮、磷、鉀4因素5水平二次回歸通用旋轉組合設計，獲得y=1 198.564 29+72.077 5x1+110.165 00x2+60392 50x3+48.670 00x1x2-119.620 86x12-129.499 61x22-94.835 86x32方程，當灌水量為5 118 m3/hm2、施氮肥量z2=477.15 kg/hm2、施磷肥量z3=179.85 kg/hm2、施鉀肥量z4=0～150 kg/hm2時，理論產量最高，為18 831.75 kg/hm2。郭丙玉等在新疆同一地區種植密度≥105 000株/hm2、寬窄行（80 cm+40 cm）滴灌玉米田間試驗條件下，灌溉定額為4 500～6 750 m3/hm2，施氮量為567.0 kg/hm2時，玉米產量最高，為18 072 kg/hm2[10]，本研究結果與其相似。本研究在提高產量的同時，提高了水氮的利用效率。說明膜下滴灌區域集中供肥方式，能夠有效減少株間的營養競爭，通過進一步縮小窄行，加大寬行，可增加行間的通風透光性能，改善玉米的群體光合能力。

劉秀珍等研究不同水肥條件對玉米產量的影響，建立了灌水量、氮肥和鉀肥施用量對玉米產量影響的數學模型；因素效應分析結果表明，影響玉米產量的主要因素是灌水量，其次是氮肥和鉀肥的施用量；各因素交互作用對玉米產量的貢獻大小依次為氮、水>鉀、水>氮、鉀[17]；孫文濤等在滴灌施肥條件下通過對玉米產量結果進行二次回歸擬合，建立了水肥回歸數學模型；因素效應分析結果表明，影響玉米產量的主要因素是氮肥用量，其次是灌水量和磷肥用量；各因素交互作用對玉米產量的影響都表現為正效應，其因素效應順序為氮、水>磷、水>氮、磷；從產量角度評價，以較高氮肥用量、高磷肥用量和豐富灌水量為水肥調控的最佳組合[18]。在本試驗條件下，氮肥、灌水量、磷肥能夠明顯促進玉米產量的提高，并符合報酬遞減定律，過量施肥、灌水會引起明顯的負效應，造成玉米減產，因素大小表現為氮肥>水分>磷肥，這與孫文濤等的研究結果[18]相同，而與溫利利等因素效應次序[19]略有不同。但都表明，水與氮對產量的作用大于磷和鉀；在本試驗中，鉀肥的作用不顯著，原因可能是本試驗地土壤中的有效磷含量很高，影響了試驗的結果。互作效應分析表明，水氮存在互作并且為正效應，水分供應可以促進肥料轉化及吸收，提高肥料利用率，這與其他文獻的研究報道[6，10-12]相同。但磷肥與其他因素的互作在本試驗中的效應不顯著，可能是磷肥以液體的形態隨水滴灌施用，能夠減少磷的固定并提高磷肥利用效率[9]。本試驗在缺氮、中磷、富鉀的土壤肥力情況下，對氮、磷、鉀露地滴灌條件下的玉米高產群體進行了水肥優化的研究。以產量為因變量，以不同的水分和元素肥料為自變量，通過二次回歸通用旋轉組合設計而求得擬合方程。其優點是試驗設計完善，得到數據和建立模型容易，缺點是不同田塊情況各異，一個田塊建立的模型無通用性，必須進行多個田塊嚴格的試驗和實踐檢驗，使模型具有通用性。因此，理論上的最高產量，并不意味著在實際生產中具有可重復性，因此，需要根據土壤本身的質地與肥力狀態加以調整。在生產上推薦采用密度116 655株/hm2、寬窄行（90 cm+30 cm）的種植模式，通過95%置信區間的計算，在推薦的灌水量 4 849.5～5 317.5 m3/hm2、施氮肥量431.85～484.95 kg/hm2、施磷肥量14955～160.50 kg/hm2范圍內選擇配置，有95%的置信度使產量大于14 088.75 kg/hm2。endprint

在建立玉米高產群體結構的基礎上，進行膜下滴灌水肥一體化的優化研究，是新疆干旱區實現滴灌玉米高產高效的關鍵技術措施。本研究初步建立了高密度的玉米栽培水肥一體化數學模型，為下一步水肥優化管理指明了方向，并為密度116 655株/hm2、寬窄行（90 cm+30 cm）種植新模式的推廣奠定了基礎。

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