肥密组合对寒地半干旱区膜下滴灌玉米产量的影响

张发明，杨克军，李佐同，赵长江，王玉凤，徐晶宇，张翼飞，王智慧，付　健，

谷英楠，杨系玲，刘慧迪，刘　承，刘，方永江，唐春双，王　聪

(寒地作物种质改良与栽培重点实验室/黑龙江八一农垦大学农学院， 黑龙江 大庆 163319)



肥密组合对寒地半干旱区膜下滴灌玉米产量的影响

张发明，杨克军，李佐同，赵长江，王玉凤，徐晶宇，张翼飞，王智慧，付健，

(寒地作物种质改良与栽培重点实验室/黑龙江八一农垦大学农学院， 黑龙江 大庆 163319)

摘要：为揭示黑龙江西部半干旱区膜下滴灌栽培方式下玉米高产措施，以郑单958为材料，选取氮肥、磷肥、钾肥和密度四因素作为试验因素，每个试验因素设计5个水平，按照二次通用旋转组合设计(1/2实施)统计分析方法建立回归模型，分析不同肥料和密度组合对玉米产量的影响。结果表明：四因素各单因子对籽粒产量有较明显的影响，均呈开口向下的抛物线趋势变化，影响顺序为施氮>密度>施钾>施磷，且单位水平施入量引起边际产量的减少量为施磷>密度>施钾>施氮；氮肥与磷肥之间的配合对产量的增加具有相互促进作用；要获得≥12231.97 kg·hm(-2)的产量，氮肥、磷肥、钾肥及种植密度的最优组合取值范围为：氮肥246.24～279.59 kg·hm(-2)，磷肥133.77～151.52 kg·hm(-2)，钾肥82.85～97.16 kg·hm(-2)，种植密度79 676～85 324 株·hm(-2)。

关键词：玉米；膜下滴灌；施肥种类；种植密度；产量；寒地半干旱区

中国是世界第二大玉米生产国，产量约占全球玉米产量的1/5左右。玉米是中国种植面积最大的粮食作物，作为东北的第一大作物，占总播种面积的42.9%。目前，黑龙江省的玉米播种面积、总产量和商品化率均跃居全国第一，成为全国玉米第一大省，因其得天独厚的自然条件而被世界公认为“黄金玉米带”[1-4]。然而，干旱缺水、土壤肥力低下是限制黑龙江省西部半干旱地区玉米产量提高的两个主要因素[5]。作物高产的形成囿于多方面的因素，提高种植密度是玉米高产的重要措施之一[6]。密植必然导致作物对矿质养分需求的增加，而肥料投入运筹也是实现高产和提高效益最有效的方法之一[7]。膜下滴灌技术具有提高土壤耕层温度，并使作物近根区保持适宜湿度和养分浓度，同时具有节水、节肥等优点[8]。在国外，膜下滴灌多应用于有较高经济价值园艺作物。美国水管理研究所对番茄、棉花和甜玉米等作物15年地下滴灌的研究结果表明，利用高频度的滴灌可以减少深层渗漏量和提高水分利用率，并显著提高作物产量[9]。滴灌番茄的产量和水分利用率均比沟灌高，株高和果实饱满度也有相同的趋势[10]。前人的研究多见于膜下滴灌条件下，水肥耦合对作物产量效应[11-15]及水肥施用最优配比研究，而对肥密这两个因子交互作用增产效应的研究相对较少。因此，本试验采用二次通用旋转组合设计和膜下滴灌的方法，研究不同肥密组合对玉米产量的影响，在建立该类型地区玉米产量数学模型的基础上，寻求高产高效优化方案，以期为玉米节水节肥高产高效栽培和产业发展提供理论和实践的指导。

1材料与方法

1.1试验地概况及品种

试验于2014年5月至10月在黑龙江八一农垦大学农学院试验基地(46°62′N，125°19′E)进行，平均海拔146 m，该区属于典型的北温带亚干旱季风气候区，全年降水较少，平均气温在5℃左右，年平均无霜期在143 d左右，2014年试验区气象数据如表1所示。供试土壤为草甸土。试验田0～20 cm耕作层有机质含量26.62 g·kg-1,碱解氮130.42 mg·kg-1,速效磷55.99 mg·kg-1,速效钾31.37 mg·kg-1，pH值8.13，试验田地力均匀，地势平坦，田间持水量为28.5%。试验选用当地高产且主栽玉米杂交种郑单958。

表1　2014年试验区气象数据

1.2试验设计

1.3数据分析

采用DPS软件进行统计分析；用Excel 2003和 Sigmaplot 10.0进行数据整理和作图。

2结果与分析

2.1产量模型的建立

表2　试验组合设计及试验方案

表3　各时期土壤持水量指标

20种处理下玉米的产量如表4。利用产量结果，以二次通用旋转组合设计进行回归模拟，得到产量(Y)与氮(X1)、磷(X2) 钾(X3)、密度(X4)4因子的回归模型：

(1)

2.2模型分析

2.2.1试验因子的产量效应分析主因子效应分析：试验设计中各因素均经无量纲线性编码处理，且各一次项系数与交互项、平方项的回归系数间都是不相关的，所得偏回归系数已标准化。故其回归系数绝对值的大小可直接反映变量X对产量Y的影响程度。分析产量模型，其主效应表现为：

企业是社会经济的主体，必须改变企业的经营模式，在企业内部实施绿色生产，追求经济利益的同时，重视环境及社会效益。一方面，企业要在生产的各个环节减少污染物的排放，重视对环境及生态的保护；另一方面，生产过程中应该不断地提高资源利用率，降低对各种资源的消耗。

1) 一次项X1、X2、X4的系数均为正值，X3的一次项系数是负值，说明在试验设计范围内，氮、钾和密度单因子都有增产效应，且由系数绝对值大小判断出两因子对产量影响顺序为施氮量>密度>施钾量；钾肥单因子对提高籽粒产量有负作用，即随着施钾肥增加，玉米籽粒产量有降低趋势；

2) 交互项X1X2系数为正值，其余交互项系数为负值，说明施氮与施磷之间的配合对产量的增加具有相互促进作用；

3) 二次项系数均为负值，说明产量随各因素增加均呈开口向下的抛物线趋势变化，即在最佳水平以下时，产量随该因素的增大而增加，当产量水平超过最佳水平时，产量出现下降趋势。

2.2.2单因子效应分析在玉米籽粒产量的回归模型中，通过降维分析，分析各因素对产量的影响。将其它三个因素固定在接近适宜的“0水平”，得到各因素的一元二次回归效应模型如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

在试验设计的因素水平值1.682～-1.682范围内，根据这些回归子模型分别作出各因子对玉米籽粒产量影响的效应图，如图1所示。

从图1可以看出，施氮、施磷、施钾以及种植密度4个因素都能影响玉米籽粒产量，并且产量随各因素水平的提高均呈开口向下的抛物线趋势变化，存在产量最高点。符合报酬递减定律。四因素都有明显的增产效应，各抛物线的顶点就是各单因素的最高产量值，与其相对应的便是各因素的最适投入量。在本试验中，氮肥的最佳投入量为1(码值)，实际用量则为285 kg·hm-2，此时产量可达15 645.38 kg·hm-2；磷肥和钾肥的最佳投入量为0(码值)，实际用量则为130 kg·hm-2和90 kg·hm-2，此时产量都达15 634.15 kg·hm-2；最适种植密度为0(码值)即种植密度为82 500 株·hm-2，此时产量可达15 634.15 kg·hm-2。到达最适投入量时，产量最高；投入量继续加大，产量则随之减小。由图1中还可以看出，在较低投入量时，密度的增产效果略高于其他措施。

图1试验因子的产量效应

Fig.1Effects of experimental factors on yield

2.2.3单因素边际效应分析边际产量可反映各因素的最适投入量和单位水平投入量变化对产量增减速率的影响，各因素在不同水平下的边际产量可通过对回归子模型(2)、(3)、(4)、(5)求一阶偏导，则分别得到氮、磷、钾和密度的各因素的边际效应方程。

施氮：Y=996.03-1969.6X1

(6)

施磷：Y=74.22-3855.92X2

(7)

施钾：Y=-177.11-2953.14X3

(8)

种植密度：Y=126.47-1186.08X4

(9)

水肥单因子效应如图2所示：当另一因素取编码值为零水平时，随着氮、磷、钾和密度投入量的增加，单位氮、磷、钾和密度投入量的增产作用下降，说明四因素边际效益均呈递减趋势；且边际效益递减率为施磷>施钾>施氮>种植密度。各因子单位水平施入量引起边际产量的减少量为施磷>密度>施钾>施氮。

图2单因子边际效应

Fig.2Marginal effects of single factor

2.2.4因素间交互作用分析各因素对产量的影响不是孤立的，它们之间存在交互作用。根据回归模型用Sigmaplot 10.0作出因素间的交互作用图，以氮和磷，氮和密度以及氮和钾的交互作用回归效应子模型作图(图3)。曲面图上各点的高度代表两因子一定配比水平时的玉米的产量，曲面的高度越高，说明玉米的产量越高。从图中还可以看出，当一个因子固定在某一水平时，玉米产量随另一因子水平变化的规律。

从图3(A)可见，当施氮量一定时，施磷量在-1.682～0区间水平的范围内，玉米产量随着施磷量的增加而增加；当施磷量在0～1.682区间水平的高施磷量范围内，玉米产量随施磷量的增加而降低，这说明在施氮量一定的情况下，施磷量太多或者过少，氮肥效果都得不到最大程度发挥，产量都不能达到最大值。与此同时，在较低的施氮条件下，施磷的增产效应不明显；在较高施氮水平下磷肥的增产效果显著提升。但当施磷量水平较低时，随着施氮量的大量增加可能会造成减产，这种效应符合报酬递减函数。此时，如果加大施用氮肥，则肥料利用率降低。从图3(A)也可以得出玉米产量的最高值并不产生在施氮量和施磷量最大时，施氮量的高产临界值在0.5水平左右，施磷量在0水平左右。

图3氮和磷的交互作用(A)、氮和密度的交互作用(B)及氮和钾的交互作用(C)对玉米籽粒产量的影响

Fig.3The coupling effects of nitrogen and phosphorus (A), nitrogen and density (B), nitrogen and potassium (C) on corn grain yield

图3(B)表明，在对玉米籽粒产量的影响方面，施氮量和种植密度具有明显的交互作用，当固定施氮量在一个水平时，玉米产量随着密度的增加呈现先增高后降低的趋势。而当种植密度一定时，施氮量<0编码水平时，玉米籽粒产量随着施氮量的增加，产量明显增加，并且种植密度中等水平(即0编码水平时)，增产效应的更显著。所以，玉米籽粒产量与施氮量和种植密度的协调配合有密切关系。

图3(C)表明，施氮量和施钾量表现出了显著的协同增产效应。施氮量处在0编码水平，施钾量在0.5水平时，此时玉米籽粒的产量最高，为15 885.96 kg·hm-2；施氮量处在-1.682编码水平，施钾量在-1.682低水平时，此时玉米产量最低，为3 454.77 kg·hm-2。当固定施氮量在一个水平时，玉米产量随着施钾水平的提高呈先升高后降低的动态变化趋势，而当施钾水平固定时，且施氮量<0编码水平时，玉米籽粒产量随着施氮量的增加，增产效果显著且增幅较大，但当施氮量>0编码水平时，随着施氮量的增加可能会出现籽粒减产。所以，氮肥和钾肥的施入量过高或过低都会限制产量的提高，不仅降低了肥料利用率，而且发挥不出作物最大的增产潜力。

2.3肥密组合优化方案

在本试验条件下获得的最高产量对大面积生产应用来说并不一定能代表实际的最佳水平，为了取得四因素在生产中应用的可靠性，采用频数法进一步解析，在-1.682～1.682约束区间，所得方案中，有72套方案玉米产量≥12 231.97 kg·hm-2。其优化组合的置信区间见表5。通过模拟寻优分析，大庆地区玉米要获得≥12 231.97 kg·hm-2的产量，在膜下滴灌条件下，氮肥与磷肥、钾肥、种植密度最优组合取值范围为：氮肥246.24～279.59 kg·hm-2，磷肥133.77～151.52 kg·hm-2，钾肥82.85～97.16 kg·hm-2，种植密度79 676～85 324 株·hm-2，玉米的经济效益和生态效益达到最佳。

3结论与讨论

不同处理单因子对寒地半干旱区玉米籽粒产量有较明显的影响，且施氮的影响达到了显著水平。施氮与施磷之间的配合，具有明显的相互促进、协同增产作用。产量随各因素增加均呈开口向下的抛物线趋势变化，符合报酬递减定律。大庆地区玉米要获得≥12 231.97 kg·hm-2的产量，氮肥与磷肥、钾肥、种植密度配合最优组合取值范围为：氮肥246.24～279.59 kg·hm-2，磷肥133.77～151.52 kg·hm-2，钾肥82.85～97.16 kg·hm-2，种植密度79 676～85 324 株·hm-2，玉米的经济效益、社会效益、生态环境效益达到最佳。

表5　优化提取方案中Xi取值频率分布表

近年来，膜下滴灌种植模式在政府、水利部门的扶持下，已经得到大面积推广应用。膜下滴灌与传统耕种模式相比，可增产78.5%，收益增加11 425.5元·hm-2[17]，同时可明显增温保墒、节水抑盐、促进作物提早成熟、提质增效、节时省工。玉米生产中，高密度及高肥不一定是最高产的，合理的肥密组合能够扩库增源、提高肥料利用率，进而获得高产。将肥密组合与膜下滴灌进行创新集成应用到生产实践中，可减小当前肥密管理的盲目性，能进一步提高肥料的利用率、减轻污染、节本增收。所以，在膜下滴灌技术的基础上，调整合理的肥密组合尤其对水资源匮乏、肥料利用率低的寒地半干旱地区可持续农业发展具有重要的现实意义。本试验主要分析了2014年秋季玉米籽粒产量的数据，具有一定的局限性，尚存在一些不确定性，需要结合一些单因子试验进一步深入研究。

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Effects of density and fertilization combination on yield of maize under mulched drip irrigation in semi-arid and cold areas

ZHANG Fa-ming, YANG Ke-jun, LI Zuo-tong, ZHAO Chang-jiang, WANG Yu-feng, XU Jing-yu,ZHANG Yi-fei, WANG Zhi-hui, FU Jian, GU Ying-nan, YANG Xi-ling, LIU Hui-di, LIU Cheng, LIU Yu,FANG Yong-jiang, TANG Chun-shuang, WANG Cong

(KeyLaboratoryofCropGermplasmimprovementandcultivationinColdArea/CollegeofAgronomy,HeilingjiangBayiAgriculturalUniversity,Daqing,Heilongjiang163319,China)

Abstract：To investigate the cultivation practices for high yield of maize under mulched drip irrigation in the semi-arid and cold areas in western Heilongjiang province, maize variety Zhengdan 958 was used as the study material. In addition, nitrogen, phosphate, potash and planting density were selected as the four experimental factors, each of which was tested at five levels. A quadratic regression model was thereby employed to establish in accordance with rotation design statistical analysis methods (1/2 implement) to analyze the effects of different fertilizers and planting densities on grain yield. The results showed that each single factor had obvious influence on grain yield, exhibiting a trend of downward opening parabola. The effects of these four factors were in an order of nitrogen (N) > density > potash (K) > phosphate (P). Also, the marginal yield reduction caused by unit volume level applied was in a order of phosphate (P) > density > potash (K) > nitrogen (N). Coordination between nitrogen and phosphate had a mutual promoting effect on the increase of grain yield. To achieve a yield higher than 12231.97 kg·hm(-2), the best combination of nitrogen and phosphate fertilizer, potash fertilizer, and planting density were as follows: 246.24～279.59 kg·hm(-2) nitrogen; 133.77～151.52 kg·hm(-2) phosphate; 82.85～97.16 kg·hm(-2) potash and 79 676～85 324 plants·hm(-2) planting density.

Keywords:maize; semi-arid and cold areas; mulched drip irrigation; fertilizer and density; yield

中图分类号：S513

文献标志码：A

作者简介：张发明(1988—)，男，黑龙江延寿人，在读硕士，研究方向为玉米高产理论与技术。E-mail：15164568108@126.com。通信作者：杨克军(1968—)，男，山东莒县人，博士，教授，主要从事作物高产栽培与耕作方面的研究。 E-mail:byndykj@163.com。

基金项目：粮食丰产科技工程(2011BAD16B11-03)；国家科技计划课题(2013BAD07B01-07)；黑龙江省农垦总局科技攻关项目(HNK11A-03-02)；大庆市科技计划项目(SJH-2013-35)

收稿日期：2015-02-18

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.05

文章编号：1000-7601(2016)02-0032-06