新乡市高产水稻优化施肥决策及产量结构模型研究

朱明哲,宋小顺,张祎芳,王桂风,张瑞婷,赵瑞琴,陈荣江

（1.河南科技学院,河南新乡453003；2.新乡市土壤肥料工作站,河南新乡453003；3.河南丰源种子有限公司,河南新乡453700；4.辉县市洪州乡政府,河南辉县453600）

新乡市高产水稻优化施肥决策及产量结构模型研究

朱明哲1,宋小顺2,张祎芳1,王桂风3,张瑞婷1,赵瑞琴4,陈荣江1

（1.河南科技学院,河南新乡453003；2.新乡市土壤肥料工作站,河南新乡453003；3.河南丰源种子有限公司,河南新乡453700；4.辉县市洪州乡政府,河南辉县453600）

为研究探讨新乡市高产水稻优化配方施肥量,采用3415最优回归设计田间试验测得的数据,建立了以产量为目标函数的N、P、K三元二次回归模型与NP、NK、PK的二元二次回归模型及N、P、K单因素效应模型,通过模拟因素取值的频率分析,决选出各自模型的优化施肥量及产量期望,进而通过3类7种模型提供的施肥决策和相应产量期望的经济效益分析比较,筛选出NP二元二次回归模型（K2O固定于“2”水平）,即施N186.59kg/hm2, P2O592.25 kg/hm2,K2O 120.00 kg/hm2,既可获得10 335.32 kg/hm2产量,又能获取产投比为23.39的最大经济效益,可作为新乡市高产水稻的推荐施肥量.根据产量结构模型,模拟出不同高产水平下的产量结构,明确了高产栽培的主攻目标.

水稻；3415设计；回归模型；优化决策；高产结构

在水稻生产中,仍然存在高产田施肥多,中低产田施肥不足,重氮肥轻磷钾肥的施肥弊端,严重影响了水稻产量的进一步提高,导致肥料利用率低下,造成肥料浪费并加重对环境的污染[1-5].为完善水稻配方施肥,提高对肥料的利用率,全国各地遵照农业部“测土配方施肥的技术规范”普遍开展了水稻氮磷钾“3414”及其他三要素施肥试验[6-12],积累了大量的田间试验资料,为指导水稻科学施肥提供了有益信息.为探讨新乡市中高土壤肥力下水稻高产施肥参数,切实做到合理施肥,经济用肥,避免不必要的浪费,特进行此项研究,旨在为水稻高产施肥提供参考依据.

1 材料与方法

试验于2014年在新乡市丰源种业有限公司试验基地进行,供试水稻品种新丰5号,试验地前作小麦,土壤基础肥力中等偏高,耕层养分含量为有机质16.6 g/kg,全氮0.79 g/kg,速效磷8.4 mg/kg,速效钾115.6 mg/kg.试验采用“3415”最优回归设计,“3”即N、P2O5、K2O 3种肥料要素,“4”即4种不同施肥水平,“15”为全试验共设15个处理组合.采用随机排列,未设重复,小区面积20 m2；磷钾肥全部作底肥一次施入,氮肥30%作为底肥,70%于拔节期作追肥施用,田间管理,按高产要求进行.试验因素水平编码值列于表1.

表1 试验因素（施肥）水平编码表Tab.1 Experimental factors（fertilization）level coding table

2 结果与分析

2.1 试验的结构矩阵与产量结果

试验的结构矩阵与田间试验所得水稻产量结果列于表2.

表2 试验结构矩阵及水稻产量构成因素和产量Tab.2 Test structure matrix and rice yield components and yield

2.2 建立回归模型及模拟优选

2.2.1 建立氮、磷、钾全信息回归模型及模拟优选 据表2试验结构矩阵及水稻产量结果,建立以产量为目标函数的N、P、K三元二次全信息回归模型为

为挖掘模型所蕴藏的信息,俾为专业服务,采用数学模拟因素取值的频率分析,求出产量≥10500kg/hm2,氮、磷、钾95%的置信区间施肥量列于表3.

表3 水稻产量≥10 500 kg/hm2的氮、磷、钾施用量及产量模拟Tab.3 Rice yield≥10 500 kg/hm2N,P,K fertilization and yield simulated results kg/hm2

由表3可知,施N量188.89～200.59 kg/hm2,P2O589.00～105.07 kg/hm2,K2O 145.14～157.55 kg/hm2,其产量期望可达10 649.90～10 688.66 kg/hm2.

2.2.2 建立两因素交互效应模型及模拟优选 根据15个处理组合,固定任意一因素xi=2（i=1、2、3）水平,求得另两因素的二元二次回归模型为：

根据上述两因素互作回归方程,进行数学模拟因素取值的频率分析,求得任意两因素互作产量最高的施肥量及水稻产量列于表4.

表4 水稻产量≥10 125 kg/hm2的两因素施肥量及互作产量Tab.4 Two factors fertilizer and interaction yield Simulated based on rice yields≥10 125 kg/hm2 kg/hm2

由表4可知,施N186.59kg/hm2,P2O592.25kg/hm2,氮磷互作产量为10335.32kg/hm2；施N195.27kg/hm2, K2O 107.36 kg/hm2,氮钾互作产量为10 428.84 kg/hm2；施P2O5106.26 kg/hm2,K2O 106.26 kg/hm2,磷钾互作产量为10 514.83 kg/hm2.

2.2.3 建立单因素效应模型 据表2,固定任意两因素于“2”水平,求得另一单因素效应回归方程为

将以上子析式进行微商（dy/dxi）即可求出通过函数曲线任意一点的增（减）产瞬时速率,现将子析式不同取值水平的理论产量与瞬时增（减）速率计算结果列于表5,从而可以根据理论产量变幅（s）及瞬时速率剖析单因素效应.由表5可知,在本试验土壤基础肥力情况下,单因素对水稻的增产效应依次为N＞P2O5＞K2O.从瞬时增（减）产速率分析,N肥超过极值量码值2.078 6,等同施N 187.07 kg/hm2；P2O5超过极值量码值1.847 0,等同施P2O5110.82 kg/hm2；K2O超过极值量码值2.402 6,等同施K2O 144.16 kg/hm2,则产量急剧下降,故应注意适当控制施用量.

表5 单因素效应模型理论产量变幅与瞬时增（减）产速率Tab.5 Variation and instantaneous increase（decrease）rate of theory yield for single factor effects model kg/hm2

2.2.4 3类7种肥料效应模型的施肥量与产量期望的经济效益分析 根据3类7种肥料效应模型提供的

施肥决策及水稻产量的经济效益分析比较,可以大大提高这些模型信息的科学性与决策的正确性.现将3类7种模型提供的施肥信息与产量期望的经济效益计算结果列于表6.

表6 3类7种肥效模型提供的施肥决策、产量期望及经济效益Tab.6 Fertilization decision,yield expectation and economic benefit of the 3 class 7 kinds fertilizer model

由表6可知,NPK全信息回归模型提供的施肥决策,产量期望较高,但肥料投资太高,其产投比有所下降.NP两因素回归模型（K2O固定于“2”水平）,即施N186.59 kg/hm2,P2O592.25 kg/hm2,K2O 120.00 kg/hm2,虽稻谷产量稍低,但肥料投资较低,其产投比高达23.39,为7种模型之冠.在农业生产中所要考虑的不仅是产量,更重要的是经济效益,权衡利弊,以NP两因素回归模型,即在施K2O 120.00 kg/hm2的基础上,施N 186.59 kg/hm2,施P2O592.25 kg/hm2,既可获得较高的产量,又能节约肥料投资、取得更大的经济效益,可作为新乡市高产水稻的推荐施用量.

2.3 产量构成因素模型及不同产量结构的数学模拟

为探讨高产水稻产量构成因素的互变规律与不同产量水平的模拟产量结构,以便明确高产栽培的主攻目标,采用多元线性回归模型依据试验结果建模,所得回归方程为：

根据以产量为目标函数的回归模型,在其中任意三变量保持平均水平不变,另一变量对产量的影响为：穗长每增（减）1 cm,产量减（增）23.64 kg/hm2；穗粒数增（减）1粒,产量增（减）20.46 kg/hm2；总穗数每增（减）1万/hm2,增（减）产8.35 kg/hm2；千粒质量增（减）1 g,减（增）产量249.71 kg/hm2.从4个多元回归方程可以看出,4个产量因素相互影响的变化规律为：穗长每增（减）1 cm,穗粒数增（减）9.63粒,总穗数减（增）2.17万/hm2,千粒质量增（减）0.21 g；穗粒数每增（减）1粒,总穗数减（增）0.29万/hm2,千粒质量增（减）0.001 8 g；总穗数每增（减）1万/hm2,千粒质量减（增）0.018 g.为进一步明确不同产量水平的产量结构,对上述方程进行模拟,得出不同产量水平的产量结构指标值列于表7.

表7 不同产量水平的模拟产量结构Tab.7 Simulate yield structures on different yield levels

由表7可知,水稻产量从9 750 kg/hm2增加到11 250 kg/hm2,穗长和千粒质量保持原有水平不降,以增加总穗数和穗粒数为高产主攻目标.

3 小结与讨论

根据产量目标性状氮、磷、钾肥料效应全信息回归模型得出：在施N 188.89～200.59 kg/hm2、P2O589～105.07 kg/hm2、K2O 145.14～157.55 kg/hm2时,其产量期望可达10 649.90～10 688.66 kg/hm2.

两因素互作产量效应分析得出：施N 186.59 kg/hm2、P2O592.55 kg/hm2时,氮磷互作产量为10 335.32 kg/hm2；施N195.27 kg/hm2、K2O 107.36 kg/hm2时,氮钾互作产量为10 428.84 kg/hm2；施P2O5106.26 kg/hm2、K2O 106.26 kg/hm2时,磷钾互作产量为10 514.83 kg/hm2,产量达峰值.

单因素效应分析得出：增产效应依次为N＞P2O5＞K2O,3种肥料在本试验设计范围内,施N肥超过极值量187.07kg/hm2,P2O5超过110.82 kg/hm2,K2O超过144.16 kg/hm2,则产量急剧下降,故应适当控制施用量.

3类7种肥料效应模型提供的施肥决策与产量期望的经济效益对比分析,以选取NP施肥模型（K2O固定于“2”水平）,即施N 186.59 kg/hm2、P2O592.25 kg/hm2、K2O 120.00 kg/hm2,既可获取较高产量,又能节约肥料投资,取得产投比23.39的经济效益,可作为新乡市高产水稻的推荐施肥量.

从高产水稻产量结构模型模拟得出不同产量水平下的产量结构指标,明确了产量从9750～11250kg/hm2产量结构指标,即穗长和千粒质量保持原有水平不降,以增加总穗数和穗粒数为主攻目标.

肥料效应模型只能反映一定条件下施肥与产量的数量关系,不存在普遍适应的模型.根据肥料效应模型确定最佳施肥量时,还必须考虑到有机肥料施用量的多少、质量高低,以及土壤耕层的基础养分含量,并结合定期对作物进行营养诊断,看苗促控,灵活掌握化肥的种类和用量,以实现节本增产的目的.

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（责任编辑：邓天福）

Research on the decision of high-yielding rice optimized fertilization and yield structure model in Xinxiang city

Zhu Mingzhe1,Song Xiaoshun2,Zhang Yifang1,Wang Guifeng3,Zhang Ruiting1,Zhao Ruiqin4, Chen Rongjiang1
（1.Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China；2.Xinxiang Soil&Fertilizer Working Station,Xinxiang 453003,China；3.Henan Fengyuan Seeds Co.,LTD,Xinxiang 453700,China；4.Huixian City Hongzhou Township Government,Huixian 453600,China）

To investigate the high-yielding rice optimization formula fertilizer in Xinxiang,using the data of regression design field test by “3415”program.The models were established that N,P,K ternary quadratic regression model,NP,NK,PK binary quadratic regression model and N,P,K single factor effect model,which take yield as the objective function.The optimization fertilizer and yield expectations of each model were reached by simulating factors value.By comparison fertilizer,expecting yield and economic benefits corresponding of each models,the NP binary quadratic regression model（K2O fixed to"2"level）was determined as the optimal fertilization model,i.e.fertilize N 186.59 kg/hm2,P2O592.25 kg/hm2,K2O 120.00 kg/hm2,which can achieve race yield 10 335.32 kg/hm2,but also obtaining maximum economic benefit of output-input ratio 23.39.It can be used as the high-yield rice recommendation fertilizer in Xinxiang City.According yield structural model,the yield structures under different levels of high-yield were simulated,and the main target of high-yield cultivation was quite explicit.

rice；3415 design；regression model；optimal decision；high-yield structure

S511

A

：1008-7516（2015）04-0001-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2015.04.001

2015-05-23

国家级大学生科技创新项目（2013）

朱明哲（1926―）,男,湖南永州人,教授.主要从事生物统计研究.

陈荣江（1962―）,男,河南辉县人,教授.主要从事应用统计教学与研究.