氮磷鉀缺施條件下山地玉米產(chǎn)量對生態(tài)因子的響應

冉圓圓，武 偉，劉洪斌，王 帥，唐小萍

（1.西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400716；2.西南大學計算機與信息科學學院，重慶 400716；3.重慶市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，重慶 401121；4.重慶市沙坪壩區(qū)氣象局，重慶 400030）

玉米是世界上產(chǎn)量最高的作物，掌握玉米生產(chǎn)技術(shù)對國家發(fā)展具有重要意義。然而，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是一個復雜、綜合的過程，受大量因子（土壤、氣候、地形、施肥等）的制約［1-4］。研究表明，氮磷鉀肥是玉米生長必不可少的營養(yǎng)元素，施肥能顯著提高玉米產(chǎn)量［5-7］。就氣候因素來說，Chen等［8］研究了氣候?qū)颖庇衩咨a(chǎn)的影響，結(jié)果表明溫度每上升1℃或降水每下降1 mm，會分別導致玉米產(chǎn)量損失150.255、1.941 kg/hm2。同時，Zhao等［9］利用 Logistic回歸研究出限制東北春玉米生長的重要氣候條件是氣溫、降雨和日照，具體地說，黑龍江的玉米產(chǎn)量主要受8月最高溫和6月降雨的影響；吉林的玉米產(chǎn)量與日降雨量緊密相關(guān)；6月份的溫度和日照適宜時，遼寧玉米產(chǎn)量明顯地提高。就土壤因素來說，葉東靖等［10］研究表明，施氮能明顯提高玉米生物量和產(chǎn)量，張智猛等［11］也指出，氮素能明顯增加玉米籽粒產(chǎn)量和調(diào)節(jié)玉米淀粉含量；許明睿等［12］研究表明，磷有利于提高葉片光合性能，提高玉米籽粒干物質(zhì)積累量；而土壤缺鉀時，會導致玉米抗旱抗寒性差［13］。就地形因子來說，Kravchenko等［14］認為坡度對玉米產(chǎn)量有較大影響，較高的產(chǎn)量多聚集在較低的景觀坡位。唐勇金等［15］則認為山區(qū)海拔和坡向?qū)τ衩椎挠绊懸蚱贩N不同而存在差異。

玉米是喜肥水作物，生長過程需要吸收更多的養(yǎng)分。氮、磷、鉀缺施會不同程度地影響玉米生長［16-18］。另外，重慶玉米多被種植在渝東南、渝東北等海拔較高的山地區(qū)域，是典型的雨養(yǎng)作物之一。由于復雜的地形地貌，玉米的生長必然受到地形、氣候等因子限制。然而，肥料效果的差異也會受到生態(tài)因子的制約，缺肥和生態(tài)因子間必然存在交互作用。因此，在氮、磷、鉀缺施條件下，這些生態(tài)因子如何影響玉米產(chǎn)量以及影響程度大小，都鮮有報道。因此，我們利用2008—2009年重慶山地玉米產(chǎn)量數(shù)據(jù)以及相應的地形、氣象資料，探討不同缺肥條件下影響玉米產(chǎn)量的生態(tài)因子，確定某種肥料不足的情況下，是否某個生態(tài)因子會對玉米造成極大損失，以期為今后合理施肥提供建議，為政府部門制定合理的政策提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于渝東南和渝東北區(qū)域，地形地貌復雜多樣，屬于典型的山地地貌。地勢起伏大，海拔處于100～2763 m，相對高差達2663 m。該區(qū)氣候資源豐富，適合玉米生長。渝東北地區(qū)主要分布有黃壤和黃棕壤，海拔較高，日照資源豐富，巫山、巫溪等地降雨相對缺乏。渝東南地區(qū)主要分布有石灰?guī)r土，是典型的喀斯特巖溶區(qū)，海拔相對較低，降雨多、日照少。隨著海拔的升高，年平均氣溫降低，城口和酉陽兩地屬于氣溫低值區(qū)。

1.2 資料來源及試驗方案

資料來源于2008—2009年重慶市“3414”試驗。試驗點主要分布在渝東南、渝東北山地玉米種植區(qū)，共包括13個區(qū)縣（表1），涉及99個試驗點。試驗方案參照農(nóng)業(yè)部規(guī)定的“3414”隨機區(qū)組設計，即N0P2K2（缺氮，Nn）、N2P0K2（缺磷，Np）、N2P2K0（缺鉀，Nk）。0指不施肥，2指當?shù)刈罴咽┓柿俊８鲄^(qū)縣最佳施肥量如表1所示。

表1 研究區(qū)各區(qū)縣的最佳施肥量

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤樣品采集和玉米產(chǎn)量測定 耕作前，對玉米種植區(qū)的表層土壤（0～20 cm）進行采集，并進行初步處理，根據(jù)土壤農(nóng)化分析法對pH、有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀分別采用電位法、重鉻酸鉀氧化法、鉬銻抗比色法（用0.5 mol/L NaHCO3提取）和火焰光度計（用1.0 mol/L NH4Ac浸提）進行測定［19］。玉米籽粒被風干至20%含水量以下，然后對其進行稱重計算。

1.3.2 氣象資料 研究所利用的氣候數(shù)據(jù)來自于重慶市34個氣象站（圖1，封三），包括玉米生育期（3～8月）均溫、最高溫、最低溫、日照、降雨和相對濕度。利用薄板樣條函數(shù)法（TPS），并結(jié)合試驗點的經(jīng)度、緯度、海拔，插值得各個試驗點氣候［20］。

1.3.3 地形數(shù)據(jù) 布置田間試驗小區(qū)時，記錄試驗地點的地形數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由實地測量獲取，包括海拔、坡度（地面坡度）、坡向。

1.4 研究方法

1.4.1 K-means聚類 K-means是一種被廣泛應用的聚類方法，其優(yōu)點是快速、簡單，對大數(shù)據(jù)集有較高的效率且可伸縮。其以歐氏距離作為相似度測量標準，給定一個數(shù)據(jù)集X={x1，x2，…xn}和特定的K值，其目的是縮小X到K的距離，計算公式如下：

式中，X、Uk分別表示觀測值和聚類中心，‖x-uk‖2表示樣本到聚類中心的歐氏距離。

1.4.2 CART模型 CART模型是一種由Breiman提出的非參數(shù)統(tǒng)計方法［21］。其采用遞歸分區(qū)的方法，把由自變量定義的空間分成同質(zhì)的組，自動選擇含有最多信息的變量，形成一顆含有測試變量和目標變量的二叉樹。Walters等［22］指出，當自變量和因變量間存在非線性關(guān)系時，CART模型的效果較好，另外，CART模型能提供自變量的相對重要性，有大量的研究已將CART運用于探索影響作物產(chǎn)量的因子中［23-25］。CART選擇基尼指數(shù)作為節(jié)點不純度測量，計算公式如下：

式中，N表示聚類數(shù)，p（j/t） 表示j在分裂點t的頻率，基尼指數(shù)越小表示分裂點越純。

本研究中，通過K-means聚類，3種缺素條件下的玉米產(chǎn)量被分別聚類為高、中、低3組，然后以3個組別作為分類變量，以生態(tài)因子作為連續(xù)變量，選擇十折交叉驗證，幾次試驗后，形成最優(yōu)的分類樹。

以上所有步驟均在R語言、SPSS19.0、Excel中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象因子及3種肥料缺施條件下玉米產(chǎn)量的描述性統(tǒng)計

通過對研究區(qū)生態(tài)因子及3種肥料（N、P、K）缺施條件下玉米產(chǎn)量的描述性統(tǒng)計分析（表2），結(jié)果表明：氣象因子的變異系數(shù)為2.19%～16.03%，屬于低等變異；在土壤因子中，pH的變異系數(shù)為18.39%，屬于低等變異，其他土壤因子均屬于中等變異（25%＜CV＜75%）；地形變量也屬于中等變異，其中坡度有較大的變異。3種肥料缺施條件下，缺磷（Np）時的玉米產(chǎn)量為低等變異，缺氮（Nn）、缺鉀（Nk）時的產(chǎn)量為中等變異。

2.2 3種肥料缺施條件下玉米產(chǎn)量與生態(tài)因子相關(guān)性分析

Pearson相關(guān)分析結(jié)果（表3）表明：Nn條件下的玉米產(chǎn)量與土壤有機質(zhì)、堿解氮、降雨和相對濕度呈顯著正相關(guān)，而與最低溫具有明顯的負相關(guān)關(guān)系；Np條件下產(chǎn)量與海拔、有機質(zhì)、降雨、日照有顯著的正相關(guān)關(guān)系，與平均溫、最低溫呈顯著負相關(guān)；Nk下產(chǎn)量顯著正相關(guān)于降雨，顯著負相關(guān)于最低溫。綜合來看，降雨對玉米有顯著的正效應，而溫度對玉米產(chǎn)生不良作用。這可能是由于在玉米生長過程中，重慶溫度高，降雨少，即高溫伏旱對玉米產(chǎn)生不良影響。

2.3 3種肥料缺施條件下玉米產(chǎn)量的K-means聚類分析

通過K-means聚類，氮、磷、鉀缺施條件下的產(chǎn)量被分別聚為3類（表4），單因素方差分析結(jié)果表明，每種肥料缺施條件下的3組間均存在明顯差異，表明K-means聚類能很好地把玉米產(chǎn)量分成3組，以便通過CART分類模型探討影響不同肥料缺施條件下玉米產(chǎn)量的重要因子。

表2 生態(tài)因子及氮、磷、鉀缺施條件下玉米產(chǎn)量的描述性統(tǒng)計

表3 氮、磷、鉀缺施條件下玉米產(chǎn)量與生態(tài)因子的相關(guān)性

表4 氮、磷、鉀缺施條件下玉米產(chǎn)量（kg/hm2）的聚類分析

2.4 生態(tài)因子的相對重要性

以表4不同缺肥條件下的玉米產(chǎn)量的聚類結(jié)果為目標變量，以生態(tài)因子（地形、土壤、氣候）為自變量，進行分類建模，CART結(jié)果表明，生態(tài)因子能解釋氮、磷、鉀缺施條件下玉米產(chǎn)量總變異的65.7%、79.8%和83.8%，各種缺肥條件下的生態(tài)因子的相對重要性如圖2所示。缺氮條件下，因子的重要性等級為堿解氮＞有機質(zhì)＞有效磷＞降雨＞最高溫＞pH＞坡向＞速效鉀＞平均溫＞相對濕度＞日照＞最高溫＞坡度＞海拔。其中土壤堿解氮的重要性達到了100%，總體來說，生態(tài)因子的等級排序為土壤＞氣候＞地形。

圖2 氮、磷、鉀缺施條件下生態(tài)因子的相對重要性

缺磷條件下，生態(tài)因子的重要性為日照＞有機質(zhì)＞最高溫＞平均溫＞pH＞海拔＞最低溫＞降雨＞堿解氮＞坡向＞相對濕度＞有效磷＞速效鉀＞坡度。日照成為最重要的因子，總體而言，生態(tài)因子的重要性表現(xiàn)為氣候＞土壤＞地形。

缺鉀條件下，生態(tài)因子的重要性等級排序為降雨＞堿解氮＞最低溫＞有效磷＞坡度＞海拔＞平均溫＞最高溫＞pH＞坡向＞速效鉀＞日照＞有機質(zhì)＞相對濕度。降雨成為影響氮、磷施肥組合下玉米產(chǎn)量最重要的因子，整體而言，影響產(chǎn)量的生態(tài)因子為氣候＞土壤＞地形。

另外，與氮、磷、鉀同時配施條件下的生態(tài)因子的相對重要性（圖3）比較發(fā)現(xiàn)，溫度是相對重要的因子，尤其是高溫，進一步說明在氮、磷、鉀供應充足的情況下，堿解氮、日照和降雨不再是限制產(chǎn)量的主要因子，表明施肥在一定程度上可以彌補生態(tài)因子的不良影響，提高玉米對環(huán)境的抗逆性。

圖3 氮、磷、鉀全施條件下生態(tài)因子的相對重要性

3 結(jié)論與討論

缺氮條件下，土壤堿解氮成為制約玉米產(chǎn)量的重要因子，表明缺氮嚴重影響玉米增產(chǎn)。一方面可能是由于農(nóng)民施肥習慣致使土壤氮素含量嚴重不足［27］；另一方面是由于玉米是喜肥水作物，在玉米全生育期中，對氮肥的吸收最多，缺氮會嚴重影響玉米產(chǎn)量［28］。另外，渝東北地區(qū)大部分為黃壤，受母質(zhì)和風化程度的影響，有效氮含量偏低［29］。渝東南巖溶區(qū)的有機碳相對貧乏［30］。因此，在磷鉀平衡配施、而氮素補充不足的情況下，土壤堿解氮成為影響玉米產(chǎn)量的重要指標。同時，有機質(zhì)排在了第二位，這表明缺氮還會涉及到其他因子對玉米的影響，可能是由于因子間的交互作用所致。姚志龍等［31］研究表明，土壤氮素的高低與有機質(zhì)含量有著緊密聯(lián)系。

缺磷條件下，日照在影響玉米產(chǎn)量的所有因子中占據(jù)了首要地位。產(chǎn)量與日照成極顯著正相關(guān)關(guān)系，這可能是因為玉米是C4植物，在光照較強的情況下，能夠積累更多的干物質(zhì)，形成更高的產(chǎn)量。而磷素具有增強玉米光合作用的功能［32］。在缺施磷肥的情況下，玉米光合作用減弱，因此需要更多的日照去滿足玉米的生長發(fā)育，缺磷使玉米對光照的敏感性增加。因此，缺磷條件下，日照成為影響玉米產(chǎn)量的重要因子。

缺鉀條件下，降雨是相對重要的因子。詹江渝［32］發(fā)現(xiàn)重慶市黃壤中速效鉀含量處于相對貧乏狀態(tài)，而且在重慶山地區(qū)域，玉米是典型的旱地作物之一，需要吸收更多的水分去滿足生長的需要，而在玉米灌漿期降水不足的情況下，施鉀可以提高玉米對干旱的適應性，也有研究表明，生育期內(nèi)的降水多寡是影響重慶玉米的主要因子［33］。

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