穗期水肥耦合对玉米生长及产量的影响

刘 婕，宋 碧，张 军，张 燕，杨锦越，罗英舰

(贵州大学农学院，贵州贵阳 550025)

研究表明，适宜的水肥耦合有利于作物生长，使作物高效利用水分和养分[1-4]，达到有效节水节肥并提高其产量的目的[5-6]。穗期是玉米由营养生长转向营养生长与生殖生长并进的时期，是决定穗数、穗的大小、可孕花数的关键时期，可奠定结实粒数的基础，是玉米一生中生长发育最旺盛的阶段，也是田间管理最关键的时期[7]。大量研究均表明，水氮交互作用显著，且水肥配合存在阈值反应，在阈值范围内，水肥互作增产效应显著[8-9]。已有研究对玉米、水稻、小麦、西瓜等建立关于二或三因子的产量水肥耦合模型[10-12]，但关于玉米穗期水肥耦合的研究较少。采用二次饱和D-416最优试验设计对玉米穗期进行不同的水肥处理，探明不同水肥耦合对玉米生长及产量的影响，并建立产量模型，解析各因子对产量的影响及效应。通过产量模型解析和优化，提出玉米穗期最佳水肥耦合措施，为穗期水肥管理提供一定的理论依据，并达到节水节肥、提高玉米产量的目的。

1 材料与方法

1.1 试验概况

本试验采用盆栽试验，于2016年3—9月在贵州大学教学实验场防雨棚进行。供试土壤为黄壤，其有机质含量为 18.6 g/kg，全氮含量为0.030 3%，碱解氮含量为 102.6 mg/kg，速效磷含量为431.25 mg/kg，速效钾含量为 179.707 2 mg/kg。

玉米品种为金贵单3号。施用肥料：氮肥为尿素(纯氮含量为46%)，钾肥为硫酸钾(K2O含量为51%)，磷肥为生物活化磷钾肥(P2O5含量为16%，K2O含量为2%)，有机肥为黄腐酸有机肥(养分含量为5%)。

1.2 试验设计

采用二次饱和D-416最优设计。共有4个因素，分别是施氮量(A)、施磷量(B)、施钾量(C)、土壤水分含量(D)。每个因素设5个水平，共16个处理(表1)。

用称质量法(每天08：00和18：00采用称质量法补水控水)控制各处理的土壤水分含量。玉米拔节期至抽雄吐丝期进行水分胁迫处理，胁迫结束后复水到田间最大持水量的70%～80%。

肥料施用：以有机肥、磷钾肥和部分氮肥作基肥，其中每盆施用有机肥85.7 g、全部磷钾肥和1/3氮肥，装盆时与土壤混匀后装进桶里。2/3氮肥作追肥，在拔节期施用。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 形态指标 在拔节期、抽雄吐丝期和成熟期分别测定1次茎粗、株高，在拔节期和大喇叭口期测定叶绿素含量。(1)株高：用卷尺测量茎基部到植株顶部的长度。(2)茎粗：用茎基宽表示，即地上第2节中部较宽处，用游标卡尺测定。(3)叶绿素含量：采用乙醇浸提法测定[13-14]。

1.3.2 穗部性状及产量指标 玉米成熟后采收，晾晒至安全含水量(14%)后进行室内考种。测定穗长、穗粗(穗周长)、秃尖长、穗行数、行粒数、穗质量、千粒质量、生物产量等。

1.4 数据分析

运用DPS数据处理系统、Excel 2007、SPSS统计分析软件、Matlab进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 水肥耦合对玉米株高的影响

株高是反映玉米生长状况的重要指标之一。从图1可以看出，拔节期不同水肥处理对株高影响不大，抽雄吐丝期和成熟期不同处理之间株高的差异较大。在相同施肥水平下(处理1、处理2)，充分灌溉与受旱限制在3个生育时期下株高均有差异，即受旱处理的株高均有所下降，且在抽雄吐丝期及成熟期尤为明显。而在相同控水的条件下(处理3～处理10和处理11～处理16)，随着氮肥增施玉米株高呈现降低的趋势，说明施氮量在超过一定范围时将出现负效应现象，会对玉米的生长发育造成一定的抑制作用；而磷肥对玉米株高影响不大；随着施钾量的增加，株高略有增加。

表1 试验因素各水平处理编码及处理水肥施用方案

2.2 水肥耦合对玉米茎粗的影响

从表2看出，玉米茎粗随着玉米生长而增加，到抽雄吐丝期达到最大值，抽雄吐丝期至成熟期茎粗有所下降。不同水肥处理对玉米茎粗有一定影响，但拔节期各处理之间茎粗差异不明显。到抽雄吐丝期处理3、处理5～处理9的茎粗大于其处理1、处理2、处理11～处理16，说明水分不管是受限或过多均会使茎粗相对减小。在相同水分条件下，比较不同肥料处理可知，氮肥过多反而使茎粗减小，磷肥对茎粗基本无影响，钾肥增施对茎粗增加略有促进。

2.3 水肥耦合对玉米叶绿素含量的影响

叶绿素含量是玉米叶片光合能力的体现。从图2可以看出，在玉米拔节期和抽雄吐丝期相同水分处理条件下，氮肥施入量较多的处理其叶绿素含量也较高，且增加效果明显，氮肥施入量在239.02～300.00 kg/hm2左右较为适宜；水分也是影响叶绿素含量的重要因素，在相同施肥量条件下水分过高或过低均会导致其叶绿素含量的降低，土壤水分含量在 70%～75%较为适宜。说明叶绿素含量的大小与氮肥施入量和水分均密切相关。

表2 水肥耦合对玉米茎粗的影响

2.4 对玉米产量性状及产量的影响

2.4.1 对玉米产量性状的影响 由表3可以看出，不同水肥处理对玉米穗长有影响，处理15、处理16与其他处理出现较大差异，其中处理6～处理9穗长均较长，处理9比处理15高41.91%。而不同水肥处理对玉米穗粗、穗行数及秃顶长并没有较大的影响。对各个处理之间行粒数进行比较，发现差别较为明显。其中处理1行粒数达到31.06粒/行，其次是处理8，两者与处理15(17.22粒/行)相比分别高了80.37%、67.25%。

表3 水肥耦合对玉米产量性状的影响

2.4.2 对玉米产量的影响 从图3可以得出，处理8的产量最高，单株产量达到了121 g。玉米穗期水肥耦合对其产量有明显影响。在相同水分条件下，增施氮肥会提高玉米产量，氮肥在239.02～300.00 kg/hm2较为适宜；磷肥对玉米产量有提高作用但效果不明显，磷肥施用量在30.49～75.00 kg/hm2较为适宜；钾肥对玉米产量提高有明显的促进作用，钾肥施用量在159.39～200.00 kg/hm2较为适宜。在相同施肥条件下，灌溉量的增加会提高玉米产量，但超过一定范围时，含水量的增加则会降低玉米产量，所以穗期合理的施肥灌水对玉米产量提高有很明显的作用。

2.5 水肥耦合模型建立与解析

2.5.1 水肥耦合模型建立 根据图3的产量结果，以产量为目标函数(Y)，以氮肥(X1)、磷肥(X2)、钾肥(X3)、土壤含水量(X4)这4个因子作为控制变量，对数据进行分析处理，得到玉米产量对4个因子的回归数学模型：

Y=7 832.22-152.46X1-125.91X2+147.09X3+512.25X4-1 249.33X12-803.14X22-744.06X32-1 455.44X42-96.01X1X2+429.25X1X3+634.87X1X4-543.70X2X3-163.89X2X4+141.41X3X4。

经显著性检验，F值=5.646(F>F0.05(14，1)=4.60)，P=0.031 97(P<0.05)，Durbin-Watson统计量d=2.75，相关系数r=0.993 7，调整后的相关系数r=0.901 4，表明此模型拟合很好，可用来进一步分析。

2.5.2 水肥耦合模型效应解析 回归模型本身已经过无量纲形编码代换，其偏回归系数已经标准化，故可以直接从其绝对值的大小来判断各因子对目标函数的相对重要性[15]。从模型来看，4个因子对产量的影响程度大小分别是X4>X1>X2>X3，即水效应>氮肥效应>磷肥效应>钾肥效应。

通过降维法得到4个因子与产量的二次函数关系，据此作出抛物线图(图4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

从图4可知，水、氮、磷和钾4个因子的产量效应均为抛物线，其中，以水和氮的效应曲线比较明显，各抛物线的顶点就是各单因子的最高产量值，与其相对应的便是各因子的最适投入量。

根据上述4个偏回归降维模型，分别令dY1/dX1=0，dY2/dX2=0，dY3/dX3=0，dY4/dX4=0，求方程偏导数可知：当X1=-0.016，即氮肥施入量为144.57 kg/hm2时，最大产量Ymax=7 836.90 kg/hm2；X2=-0.078，即磷肥施入量为 71.53 kg/hm2时，最大产量Ymax=7 837.21 kg/hm2；X3=0.098，即钾肥施入量为105.87 kg/hm2时，最大产量Ymax=7 839.50 kg/hm2；X4=0.176，即土壤水分含量为66%时，最大产量Ymax=7 877.30 kg/hm2。

本试验中4个因子之间对产量的影响有明显的交互耦合作用。按薛尔维斯德多元函数极值判别法则[16]，通过对产量模型的解析，分别得到4个因子的交互效应。氮肥与钾肥、灌水量呈正交互作用；磷肥与钾肥和灌水量呈负交互作用；钾肥与灌水量呈正交互作用。

2.5.3 模型优化组合与技术推荐指标 根据已建立的玉米穗期水肥耦合优化数学模型，编制计算机程序，在-1.682～1.682之间取7个水平(-1.682，-1，-0.5，0，0.5，1，1.682)，上机进行不同目标下的最优组合方案模拟，构成 74=2 401 个生产因素组合，通过模拟求得产量在4～5 t/hm2有335个组合，5～6 t/hm2有301个组合，6～7 t/hm2有224个组合，大于7 t/hm2有70个组合，并对大于7 t/hm2的70个组合进行频次分析(表4)。

从表4可以看出，产量大于7 t/hm2的方案中最佳水肥耦合措施：土壤水分含量为66%～67%，施氮量为 144.67～158.00 kg/hm2，磷肥用量为66.97～75.02 kg/hm2，钾肥用量为101.65～112.83 kg/hm2。

表4 玉米水肥耦合产量>7 t/hm2时70个方案中各变量取值的频率分布

3 讨论

水肥耦合是物理学上概念的借用，是指农业生态系统中，水分和土壤矿物元素这2个体系融为一体并相互作用、相互影响而对作物生长发育产生的结果或现象，对作物可产生协同效应、叠加效应、拮抗效应[17-19]。穗期是玉米营养生长与生殖生长并进的时期，也是生长发育最旺盛的阶段。很多水肥耦合研究表明，水氮是对玉米生长影响最大的因素[20]，受旱和低肥的情况下均会造成玉米株高、茎粗大幅度降低[21]。本试验结果表明，进行玉米穗期水肥耦合，水分限制明显使株高、茎粗降低，在抽雄吐丝期及成熟期尤为显著。但施肥量越大并不代表对生长有促进作用，施氮量超过一定范围时会出现对生长发育造成抑制作用的负效应现象。随着施钾量的增加，玉米株高会略有增加；磷肥对株高、茎粗影响不大。玉米是一种高光效C4植物，强大的光合作用能力使得玉米在生育期内能积累较大的生物产量。故光合能力直接与产量形成正相关。增施氮肥和水分均会对作物光合特性有影响，水氮对其影响仍是最大的[22-23]。本研究结果与上述研究一致，水氮过高过低均会造成光合能力的下降，氮肥施入量在239.02～300.00 kg/hm2较为适宜；土壤水分含量在70%～75%较为适宜。

水分和养分通过影响玉米形态、光合能力和籽粒形成等进而对产量产生一定的效应。作物水肥耦合，水分和肥料对产量的影响大小为水>肥，且氮>磷、氮>钾；水肥之间存在一定的互作关系，尤其是水氮之间存在显著正相关，水分的盈亏直接影响氮肥效应的发挥，氮施用量的大小也会直接影响水分利用[24-26]。本试验结果表明，玉米穗期水肥耦合对产量有显著影响，4个因子对其产量影响大小为水>氮肥>磷肥>钾肥；水肥施用存在一定的阈值范围，超过一定范围，水肥增加则会降低玉米产量，本试验中，玉米穗期当土壤相对含水量为70%～75%，施肥量为氮239.02 kg/hm2、磷 30.49 kg/hm2、钾159.35 kg/hm2时玉米产量表现最好；各个因子之间存在互作效应：氮肥与钾肥、灌水量呈正交互作用；磷肥与钾肥和灌水量呈负交互作用；钾肥与灌水量呈正交互作用。

本试验是在盆栽的条件下进行的，对玉米根系等生长存在一定的限制，故可能对产量造成一定的影响，导致产量较田间试验低。

4 结论

玉米穗期水肥耦合对产量影响大小为水>氮>磷>钾；氮肥与钾肥、灌水量呈正交互作用；磷肥与钾肥和灌水量呈负交互作用；钾肥与灌水量呈正交互作用。本试验条件下，玉米产量大于7 t/hm2的方案中最佳水肥措施为土壤水分含量为66%～67%，施氮量为144.67～158.00 kg/hm2，磷肥用量为66.97～75.02 kg/hm2，钾肥用量为101.65～112.83 kg/hm2。