基于響應面法的多礫石砂土滴灌春小麥水肥條件優選

趙經華，楊庭瑞，張 恒，虎膽·吐馬爾白，馬 亮，陳凱麗

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2.新疆農業科學院，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】新疆地處內陸干旱半干旱地區，高蒸發、少降水、干旱多風，灌溉方式也由漫灌等常規灌溉方式向滴灌等節水灌溉方式變化。阿勒泰地區的多礫石砂土由于其孔隙結構不同于其他類型土壤，保水保肥性較差，灌溉方式及灌水量不同時會明顯影響其土壤中水肥的分布，且種植不同作物時其根系分布情況不同也會影響土壤中的水肥，共同影響著作物的生長發育。【前人研究進展】小麥是新疆的主要糧食作物[1]。新疆小麥的灌溉方式由漫灌等逐漸演變成現在的滴灌技術[2]。滴灌為局部灌溉，棵間蒸發和深層滲漏損失較常規灌溉明顯降低，大幅減少輸水過程中的渠系滲漏、蒸發等現象，并把水分精確集中地輸送至作物根系土壤[3]。楊榮贊等[4]研究認為，20 cm左右耕作層垂向土壤水分差異較大，土壤水分隨著繼續深度加深趨于穩定。滴灌小麥根系主要分布在40 cm以上土層，合理的控制滴灌灌水策略可改變根系生長及分布，且利于小麥高產[5, 6]。肥料也是影響作物生長發育及最終產量的關鍵因素，而氮肥尤其重要。適宜的施氮量可以促進小麥的生長及增產[7, 8]；并且作物水肥有較明顯的交互作用，在水分虧缺下增加施肥和肥料缺乏下增加灌水可以緩解虧水或缺肥下對作物產生的抑制效應[9-11]。【本研究切入點】合理的水肥施用會直接影響作物的干物質積累，繼而影響作物產量，干物質積累量反映著作物生長狀況的好壞[12]。需以尿素用量為主要施肥變化并結合不同灌水量對滴灌春小麥進行試驗，研究不同水、肥條件下對春小麥的生長及發育的影響。【擬解決的關鍵問題】利用方差分析并結合響應面法優選水肥，分析該區多礫石砂土土質下適宜小麥灌水、施肥水平，為春小麥種植管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

春小麥選用新春37號。試驗于2019年在阿勒泰地區福海縣(87°35′56″E～87°36′01″E，47°00′56″N～47°01′56″N)進行。試區海拔平均高度445 m；極端最高氣溫為39.30℃，極端最低氣溫為-41.20℃，多年平均氣溫為4.20℃；多年平均降水量為121.90 mm，多年平均蒸發量為1 820.10 mm。試區土壤質地為多礫石砂土，土壤保水保肥性差。表層40 cm為土層，40 cm以下為砂礫石層，土壤滲透系數8.78 mm/d；土壤肥力較差，有機質和全氮含量為0.21%(2.1 g/kg)和0.027%(0.27 g/kg)，速效氮、速效磷和速效鉀的含量分別為19.50、9.04和92.4 mg/kg，其中速效磷和速效鉀的含量可以達到中等肥力土壤的水平。項目區土壤全鹽含量(土水比1∶5)為0.161%(1.61 g/kg)，pH值8.52，呈弱堿性，總鹽含量0.64 g/kg。表1

表1 土壤容重和田間持水量Table 1 Soil bulk density and field water holding capacity

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

播種量為420 kg/hm2。試驗采用1管4行種植方式，小麥行距0.15 m。滴灌帶間距0.6 m，滴頭間距0.25 m，滴頭流量2.6 L/h，額定工作壓力0.1 MPa。小麥生育期劃分：苗期4月22日～5月14日，分蘗期5月15日～5月27日，拔節期5月28日～6月4日，孕穗期6月5日～6月9日，抽穗揚花期6月10日～6月25日，灌漿期6月26日～7月5日，成熟期7月6日～7月22日。

灌水定額設置3個水平，分別為30 mm(W1)、45 mm(W2)、60 mm(W3)，在4月22日各處試驗理灌出苗水45mm。施肥設置3個水平，低(N0)、中(N1)、高(N2)。N0處理不施底肥及氮肥，N1、N2處理底肥種類及用量均相同，僅尿素用量變化。通過施肥量可得N1處理下施氮量為179 kg/hm2、N2處理下施氮量為317 kg/hm2。水肥試驗共設9個處理，即W1N0、W2N0、W3N0、W1N1、W2N1、W3N1、W1N2、W2N2、W3N2，3次重復，共27個處理。表2，表3

表2 春小麥灌溉制度Table 2 Irrigation system of spring wheat

1.2.2 測定指標

株高：各處理小區各生育期分別取5株小麥并標記后測量，取均值得株高，小麥株高在抽穗前為地表到最高葉尖的高度，抽穗后為從地表至麥穗的頂端，不連芒。

干物質：各處理小區各生育期內取25 cm行長樣本，取地上部分，先在105℃ 烘干30 min，滅活樣本使其停止呼吸消耗，后在80℃下烘干至恒重。

有效穗數[13]：每穗結實粒數在5粒以上的穗數(被病、蟲危害造成的空穗亦作有效穗計算)。

每穗粒數[13]：從樣點取20個麥穗混合脫粒，數清總粒數，然后用穗數除總粒數。

千粒重[13]：每千粒的重量，重復3次取平均值。

產量[13]：收獲曬干揚凈后的實際產量。

表3 春小麥各處理施肥Table 3 Fertilization status of each treatment for spring wheat

1.3 數據處理

采用Excel 2019數據處理、Design Expert10.0軟件優化參數，Origin 2017繪圖，SPSS 25.0統計學軟件進行方差分析和LSD分析。通過Design Expert10.0軟件進行響應曲面分析，利用Design Expert10.0響應面軟件中Miscellaneous design(MD)模塊對工藝參數進行優化[14]。

2 結果與分析

2.1 單因素及多因素方差

2.1.1 不同水肥處理對小麥株高的影響

研究表明，同一施氮水平下，隨著灌水量的增加，小麥株高也隨之增加；但同一灌水水平下，隨著施肥量的增加，小麥株高大致表現為增長趨勢，N0處理與N1、N2處理最后株高有較大差幅，N1、N2之間株高差距不明顯。拔節孕穗期小麥的株高增長最快，抽穗揚花期以后株高增長趨于緩慢。在拔節孕穗期， N2施肥水平下株高均與N0施肥水平下株高差異顯著(P<0.05)，與N1施肥水平下株高差異不顯著(P>0.05)。抽穗揚花期W3N0、W2N1、W3N1、W1N2、W2N2、W3N2與W1N0、W2N0株高差異顯著(P<0.05)。在抽穗揚花期至成熟期，N0、N1施肥水平下，W1的小麥株高較小，W1灌水水平不利于小麥的生長。在灌漿期與成熟期W3N1、W3N2的株高均高于其他處理下小麥株高，與W1N0、W2N0、W1N1的株高差異顯著(P<0.05)，但兩者之間差異不顯著(P>0.05)。灌水量與施肥量對株高的影響顯著，少灌水和低施肥處理阻礙了株高的生長，適宜的灌水量及施肥量可以有效地促進小麥株高的增長。表4

表4 各水肥處理下不同生育期春小麥的株高變化Table 4 Plant height of spring wheat at different growth stages under different water and fertilizer treatments(cm)

2.1.2 不同水肥處理對小麥干物質積累的影響

研究表明，在同一施肥水平下，小麥生育前期干物質積累隨灌水的增加無明顯規律，在生育后期表現為隨著灌水量的增加，小麥干物質積累也增加；在同一灌水水平下，小麥生育前期干物質積累隨施肥的增加也無明顯規律，在生育后期表現為隨施肥量的增加小麥干物質積累也增加。小麥全生育期在分蘗期與抽穗揚花期各處理干物質積累差異均不顯著(P>0.05)，在灌漿期W3N1、W2N2、W3N2與W1N0、W2N0干物質積累差異顯著(P<0.05)。在成熟期W2N2、W3N2與W1N0、W1N1干物質積累差異顯著(P<0.05)。小麥的干物質積累情況在W1和N0處理下較差，灌水量與施肥量顯著影響著小麥干物質積累，干物質積累會隨著灌水量或施肥量的增加而增加。表5

表5 各水肥處理下不同生育期春小麥的干物質積累變化Table 5 Dry matter accumulation of spring wheat at different growth stages under different water and fertilizer treatments(kg/hm2)

2.1.3 不同水肥處理對小麥產量及產量構成的影響

研究表明，灌水對每穗粒數和產量有極顯著影響(P<0.01)，對有效穗數有顯著影響(P<0.05)，對千粒重無顯著影響(P>0.05)。施肥對每穗粒數和產量有極顯著影響(P<0.01)，對千粒重和有效穗數無顯著影響(P>0.05)。水肥交互作用對產量有極顯著影響(P<0.01)，對產量構成要素均無顯著影響(P>0.05)。在N0、N1施肥水平下，千粒重大致表現為隨灌水量增加而增加；在同一灌水水平下，千粒重隨施肥量的增加表現為先增后降的趨勢；W3N1與W1N0千粒重差異顯著(P<0.05)，與其他處理差異不顯著(P>0.05)。在同一施肥水平下，隨灌水量增加每穗粒數也增加；在同一灌水水平下，隨施肥量的增加每穗粒數也增加；W3N1、W3N2與W1N0、W2N0、W3N0、W1N1、W1N2的每穗粒數差異顯著(P<0.05)。在同一施肥水平下，有效穗數隨灌水量的增加而增加；在同一灌水水平下，有效穗數隨施肥量的增大呈現先增后降的趨勢；有效穗數除W3N0外其余處理間差異不顯著(P>0.05)。在同一施肥水平下，產量隨灌水量的增多而增長；在同一灌水水平下，產量隨施肥量的增加呈先增后降的趨勢；W3N1處理與其他處理間產量均差異顯著(P<0.05)。W1N0、W2N0、W3N0處理之間產量兩兩差異顯著，W1N1、W2N1、W3N1處理間兩兩差異顯著， W1N2與W2N2、W3N2差異顯著，在一定情況下灌水可以促進小麥增產。W2N0、W2N1、W2N2處理之間產量兩兩差異顯著(P<0.05)，W3N0、W3N1、W3N2處理間兩兩差異也顯著(P<0.05)，施肥量存在一個閾值，當施肥量超過該閾值時，不會促進小麥增產，甚至產生抑制的效果。在小麥種植過程中要控制灌水與施肥量。表6

表6 不同水肥水平對小麥的產量及產量構成方差變化Table 6 Variance analysis of different water and fertilizer levels on wheat yield and yield composition

2.2 響應面模型結果及方差

研究表明，處理9灌水定額為45 mm時，尿素施用300 kg/hm2，小麥產量為6 301.77 kg/hm2，相比高灌水施肥處理7，小麥產量更高；與處理8相比，在同一尿素施用水平下，小麥產量隨灌水定額的增加有所增長，灌水定額為60 mm時，尿素施用300 kg/hm2，小麥產量最優為7 040.93 kg/hm2。表7

表7 模型參數的設計及運行數據Table 7 Design and operation data of model parameters

Y1為產量響應值，分析灌水量X1及施肥量X2對小麥產量的影響，以Y1產量為響應值建立的二次回歸方程如式(1)所示：

Y1=6 289.37+875.28X1+469.75X2+195.34X1X2-339.25X12-1 131.97X22

(1)

響應面產量模型的P<0.05，該模型顯著；但在擬合時，采樣點有時會發生不全落在響應曲面上的情形，響應面模擬多元相關系數R2為0.954，調整相關系數R2為0.877，該模型的相關性良好，擬合效果較好；F(X1)>F(X2)，灌水量對小麥產量的影響較顯著。表8

灌水量與施肥量的交互作是顯著的。當灌水量一定時，小麥產量隨著施肥量增加呈先增后降的趨勢，并且在300～400 kg/hm2的施肥量產量達到最大，之后小麥產量有降低趨勢。當施肥量一定時，隨著灌水量的提高小麥產量也逐漸提高，在灌水量60 mm時產量表現較好，水分對小麥生長有較好的促進作用。灌水量與施肥量對小麥產量影響最優的為灌水量為60 mm，施肥量為388 kg/hm2，在此灌水施肥水平下，小麥產量為6 923.1 kg/hm2。圖1，圖2

表 8 產量響應值回歸方程方差Table 8 Variance analysis of regression equation for yield response value

圖1 灌水量與施氮量處理下小麥產量等高線分布Fig.1 Contour distribution of the effect of irrigation amount and urea amount on wheat yield

3 討 論

小麥生長受到氣候、土壤、水分、營養、管理等影響，其中水分和氮肥對小麥生長獲產是極為重要的。小麥生長過程中會施用含氮、磷、鉀的等多種肥料，其中氮素施用量與小麥生長發育、籽粒產量和品質緊密相關[15]。試驗發現在同一灌水水平下，不施肥處理與施肥處理下的小麥株高、干物質積累、有效穗數、千粒重和每穗粒數均差幅較大，也與不施肥處理中未施底肥有關；2個施肥處理進行對比發現，施肥量對小麥株高的影響較小，2個施肥處理生育末期株高差異較小；N2施肥處理的小麥干物質積累量相比N1處理的要高；N2施肥處理的小麥千粒重、有效穗數和產量比N1處理的要低。施肥量影響春小麥的生長發育，且存在施肥量適宜的臨界閾值。王玲玲等[16]研究認為氮素用量超過一定水平時，小麥氮素利用效率和氮肥生產效率均下降，小麥產量及品質也受到影響。叢鑫等[17]也認為小麥灌水與施氮需要適宜的水平，才可以達到較好的經濟效益。響應面方法對試驗結果進行模擬分析后，在灌水60 mm，施尿素388 kg/hm2的情況下可取得較好的小麥產量；對試驗結果進行方差分析后發現在灌水60 mm，施尿素300 kg/hm2對小麥生長及獲產有較好的影響；試驗所得產量與響應面優選所得產量兩者相差較小，產量僅只有1%差距，但在施尿素量有一定的變化幅度，可能是由于在小麥種植過程中的肥料施用的不均勻存在隨機性，以及在模擬過程中存在采樣點不全落在響應面上的誤差。通常響應曲面模型評價結果的優劣是由多元相關系數R2來反映，R2是完全擬合的度量值，反映了響應面模擬符合給定數據的程度，通常要求R2值在0.9以上[18]。多元相關系數R2為0.954，模型擬合效果較好；調整相關系數R2為0.877，有87.7%的響應值的變化可以通過此試驗方法建立的模型進行闡釋[19]。響應面模型評價后模擬效果是較好的。較好的小麥種植效果需要適宜的灌水與施肥水平，并最終將反映在獲產上。響應面法在灌溉制度、農田施肥等方面優化有較好的分析表現，模擬優選所得結論與試驗結果相近，后續可利用響應面法進行試驗設計優化并優選方案。

4 結 論

4.1不施肥處理相比較施肥處理，小麥生長、產量構成及產量狀況較差；在試驗設計的水肥處理下，千粒重和有效穗數隨著施肥量的增加表現出了先增后降的趨勢，每穗粒數為單增趨勢；隨灌水量的增加千粒重、每穗粒數、有效穗數也有所增加；僅在小麥生育后期，增加灌水量與施肥量小麥干物質積累隨之增加，300 kg/hm2施肥水平、60 mm灌水水平下，春小麥生長發育狀況較好。

4.2灌水量60 mm，施肥量300 kg/hm2下小麥的干物質積累、產量構成及產量表現較好，最終產量為7 040.93 kg/hm2；響應面法優化后的最佳水肥條件為灌水60 mm，施肥388 kg/hm2，該條件下，模擬小麥產量為6 923.1 kg/hm2，與試驗較好水肥條件接近，產量變化僅有1%，該響應面模型與試驗結果相吻合。選取W3N1為較好的水肥處理。