陇东旱地玉米一膜两季秸秆还田施肥模式优化研究

李科 马剑

摘要：采用“3414”完全设计试验方案，研究了陇东旱地玉米一膜两季秸秆还田栽培施肥对玉米产量的影响，以探索其优化施肥模式，寻找最高产量时N、P2O5、K2O的最佳施用量及其组合。结果表明，玉米产量预测值与N（X1）、P2O5（X2）、K2O（X3）的施用量三元二次回归方程为：Y=9 420.968+7.699X1+8.738X2+47.622X3-0.002X1X2+0.011X1X3-0.018X2X3-0.014X12-0.014X22-0.582X32。其理论最佳产量对应的施肥量为：N 270.9 kg/hm2、P2O5 276.9 kg/hm2、K2O 39.3 kg/hm2，即最佳施肥量的 N、P、K 配施比例为1∶1∶0.15。

关键词：玉米;陇东旱地;施肥模式优化;一膜两季;秸秆还田;产量

中图分类号：S147.2;S513  文献标志码：A  文章编号：1001-1463（2021）12-0066-08

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2021.12.016

Fertilization Optimized Model of One Film Used for Two Seasons with Straw-return of Corn in Dryland East of Gansu

LI Ke， MA jian

（College of Agriculture and Forestry， Longdong University， Qingyang Gansu 745000， China）

Abstract：In order to understandthe corn fertilization optimized model under mulching and straw returning with cultivation in dryland， we conducted a two-season cropping experiment using “3414” random block design. The results showed that the ternary quadratic regression equation between prediction yield value and the application rate of N（X1）， P2O5（X2） and K2O（X3） was y=9 420.968+7.699X1+8.738X2+47.622X3-0.002X1X3-0.018X2X3-0.014X12-0.014X22-0.582X32. The optimal application rate of N， P2O5 and K2O was 270.9 g/hm2， 276.9 g/hm2， K2O 39.3 g/hm2， respectively. The optimal ratio of N∶ P2O5∶K2O was 1∶1∶0.15.

Key words：Corn;Dryland East of Gansu;Fertilizatio optimized model;One film used for two seasons;Straw-return;Yield

慶阳市地处陇东黄土高原，素有“陇东粮仓”之称，主要粮食作物为小麦、玉米、大豆等。2019年庆阳市玉米播种面积为17.4万hm2，小麦播种面积为12.7万hm2，玉米是庆阳市第一大粮食作物[1 ]。但是，由于长期“重氮、轻磷、缺钾”的不合理施肥，使土壤中的氮、磷、钾比例严重失调，土壤退化加剧，严重影响了玉米产量的提高[2 - 10 ]。“3414”方案设计吸收了回归最优设计处理数少、效率高的优点，是我国推广的测土配方施肥肥料效应田间试验方案，通过试验、推广及应用，可以改变以往盲目施肥的现象，将单一施肥变为以有机肥为基础，氮、磷、钾等多种元素配合的定量化施肥[11 ]。它不仅可以作为一个完整的三因素试验用于建立三元二次肥料效应回归方程，而且还可作为3个二因素或3个单因素试验建立二元或一元肥料效应回归方程，挖掘试验中可以获得的信息，为施肥工作提供科学依据[12 ]。朱涛等[13 ]研究认为，对于N、P、K三因素的肥料试验，首先可配置NPK三因素二次肥料效应函数，其次还可配置NP、NK、PK 3种二次肥料效应函数，此外还可配置N、P、K 3种一元二次肥料效应函数。范晓晖等[14 ]成功拟合了NPK三元二次方程、NK二元二次方程和P的一元二次方程，得出最优拟合效应方程和理论最佳产量及对应的施肥量。

一膜两季秸秆还田免耕栽培即在前茬作物收获后不翻耕土壤，将秸秆覆盖在地膜上，第2年将秸秆放在地膜两侧行间，在原来地膜上继续种植下茬作物[15 - 17 ]。该技术不仅节省了人力，而且可以减少大气蒸发量，将有限的土壤水分最大限度地蓄积保存于土壤中，以保证早春作物播种、生长所需要的水分，有效促进土壤与作物需水良性循环，解决了播期土壤水分亏欠的矛盾，达到蓄墒、保墒，变被动抗旱为主动抗旱;同时还能够将秸秆中的养分归还土壤，提高土壤肥力，改善土壤理化性质，有效提高微生物数量和土壤酶活性，给提升玉米植株生长和最终产量形成创造良好的条件，从而提高玉米产量[18 - 23 ]。研究发现，在免耕覆盖条件下，土壤大团聚体主要通过影响土壤水分和曝气，导致微生物群落更多地向真菌和厌氧菌转移，从而有效促进土壤有机碳的积累[24 ]。免耕覆盖还田显著增加了土壤养分来源（土壤C和N含量），改善土壤物理环境（水分和孔隙度）[25 ];对根际微生物群落组成和植物生长有一定的影响[26 ]。田磊等[27 ]研究发现，秸秆还田能显著提高玉米根际土壤细菌的多样性与丰富度指数，并能够提升地力，减少化肥投入，降低空气污染及环境负荷[28 ]，有利于农业高效生产和生态环境的可持续发展。我们在前人研究的基础上，开展了旱地玉米一膜两季秸秆还田栽培优化施肥试验，旨在建立该模式下的肥料效应回归方程，获得玉米最佳产量及对应的施肥量和氮磷钾施肥比例，为陇东旱地玉米秸秆还田栽培提供技术支撑。

1   材料与方法

1.1   试验区概况

试验在陇东学院农林科技学院试验田进行。试验区处于暖温带半干旱大陆性气候区，四季分明，雨量充沛。当地海拔为     1 421 m，年平均降水量545.8 mm，且降水集中在7、8、9月。年平均气温8.5～10.7 ℃，无霜期135 d，年日照时数为2 540.4 h。试验地土壤类型为黑垆土，质地为壤土，0～20 cm土层土壤含有机质14.30 g/kg、全氮0.74 g/kg、全磷0.67 g/kg、全钾14.20 g/kg、碱解氮33 mg/kg、有效磷11 mg/kg、速效钾272 mg/kg，pH 8.14。容重为1.2 g/cm3。

1.2   供试材料

指示玉米品种为甘鑫217，由武威甘鑫物种有限公司生产并提供。供试氮肥为尿素（含N 46%），由甘肃刘家峡化工集团有限责任公司生产并提供;磷肥为普通过磷酸钙（含P2O5 14%）由甘肃白银虎豹化工有限公司生产并提供;钾肥为硫酸钾（含K2O 52%），由青海盐湖工业股份有限公司生产并提供;商品有机肥（总养分N+P2O5+K2O≥5%，OM≥45%），由庆阳中盛华盛有机肥厂生产并提供。

1.3   试验设计

试验采用“3414”随机区组设计[29 ]，在施用商品有机肥750 kg/hm2的基础上，设氮肥、磷肥、钾肥3个因素4水平（见表1），3次重复。小区面积为26.68 m2（6.67 m×4.00 m），8行区，行距0.5 m，株距0.3 m，区距0.5 m，区道1.0 m，试验地四周设保护行（2.0 m）。采用人工点播的方法播种，商品有机肥、磷肥、钾肥全部作基肥，尿素60%作基肥，其余40%在大喇叭口期追施。玉米收获后将秸秆覆盖在地膜上，下年播种时把玉米秸秆放置在地膜两侧行间。其他管理措施同当地大田。

1.4   指標测定与方法

1.4.1   土壤理化性质   施肥播种前采集0～20 cm土层样品备用。土壤有机质用重铬酸钾容量法-外加热法测定[30 ]，土壤全氮用开氏法（全自动定氮仪）测定[30 ]，土壤全磷用氢氧化钠融熔-钼锑抗比色法测定[30 ]，土壤全钾用氢氧化钠融熔-火焰光度法测定[30 ]，土壤碱解氮用碱解扩散法测定[30 ]，土壤有效磷用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法测定[30 ]，土壤速效钾用醋酸铵浸提-火焰光度法测定[30 ]，土壤pH用电位法测定[31 ]，土壤容重用环刀法测定[31 ]。

1.4.2   产量性状   在玉米成熟后，各小区分别选择10株有代表性的植株自然晒干后考种，分别测定其果穗重、穗粒重及千粒重，统计计算穗行数、行粒数、穗粒数。根据各小区玉米田间测产和考种结果计算理论产量。

理论产量=（每hm2穗数×穗粒数×千粒重）/（1 000×0.85）

1.5   数据处理

试验数据采用 Excel 2010软件进行统计处理，采用DPS 9.5软件进行方差分析、回归分析及显著性检验。

2   结果与分析

2.1   不同施肥处理下的玉米产量

由表2可得出，2018 — 2019年不同处理的玉米平均折合产量为9 452.6～12 736.3 kg/hm2，其中T6处理平均折合产量最高，为12 736.3 kg/hm2，较T1处理增产34.7%;T9处理次之，为12 491.8 kg/hm2，较T1处理增产32.2%;再次是T7处理，为12 490.3 kg/hm2，较T1处理增产32.1%。对玉米平均折合产量进行方差分析可知，处理间、年份间、处理与年份互作的差异均达到极显著水平（P=0.000 1 < 0.01），说明区组间差异不显著（P=0.486 4 > 0.05）[32 ]。进一步进行Duncan多重比较可知，所有处理平均折合产量均极显著高于T1处理，T6处理与T9处理差异显著，T9处理、T7处理、T3处理间差异均不显著。

2.2   拟合三元二次方程

利用DPS9.5软件对玉米平均折合产量进行多元二次回归方程拟合，得到玉米折合产量预测值（Y）与对应自变量N（X1）、P2O5（X2）、K2O（X3）的施用量三元二次回归方程为：

Y=9 420.968+7.699X1+8.738X2+47.622X3-

0.002X1X2 + 0.011X1X3 - 0.018X2X3 - 0.014X12 - 0.014X22-0.582X32

式中Y为折合产量，X1为施氮量，X2为施磷量，X3为施钾量，该回归方程的相关系数R2=0.99，调整后的相关系数X12=0.97。对该回归方程进行显著性检验，F=28.09，通过了F测验，P=0.002 9 < 0.05，达到显著水平[33 ]，表明玉米产量与肥料N、P2O5、K2O的施用量之间有显著的回归关系;一次项系数为正值，二次项系数为负值，符合肥料报酬递减律[34 ]，说明成功拟合典型NPK三元二次肥料效应函数可以确定N、P、K 肥的最大施肥量和最佳施肥量，N、P、K 肥施用量与产量有显著的回归关系。

依据三元二次回归方程计算最佳施肥量为：N 270.9 kg/hm2、P2O5 276.9 kg/hm2、K2O 39.3 kg/hm2，其最高产量为12 608.7 kg/hm2。决定系数为0.984 43，剩余通径系数为0.124 79。

2.3   拟合二元二次方程

2.3.1   N、P互交效应方程   根据T2处理、T3处理、T4处理、T5处理、T6处理、T7处理、T11处理和T12处理，分析以K2O为2水平时N、P2O5的互交效应。

Y=9 250.572 + 13.247X1 + 14.484X2 - 0.020 X1X2-0.017X12-0.0193X22

回归方程相关系数R2=0.99，调整后的相关系数R2=0.97，F=25.46，通过了F测验，P=0.038 2 < 0.05，达到显著水平，表明玉米产量与肥料N、P2O5的施用量之间有显著的回归关系，且符合肥料报酬递减律，说明成功拟合典型NP二元二次肥料效应函数。

从图1可以看出，根据NP回归方程计算最佳施肥量为N 235.3 kg/hm2、P2O5 254.6 kg/hm2，其最高产量为12 652.9 kg/hm2。决定系数为0.984 53，剩余通径系数为0.124 36。

2.3.2   N、K互交效应方程   根据T2处理、T3处理、T6处理、T8处理、T9处理、T10处理、T11处理和T13处理，分析以P2O5为2水平时N、K2O的互交效应。

Y=9 468.121 + 12.673X1 + 75.137X3 - 0.073 X1X3-0.018X12-0.707X32

回归方程相关系数R2=0.99，调整后的相关系数R2=0.97，F=26.43，通过了F测验，P=0.036 9 < 0.05，达到显著水平，表明玉米产量与肥料N、K2O的施用量之间有显著的回归关系，且符合肥料报酬递减律，说明成功拟合典型NK二元二次肥料效应函数。

从图2可以看出，根据NK回归方程计算最佳施肥量为N 276.2 kg/hm2、K2O 38.9 kg/hm2，其最高产量为12 679.7 kg/hm2。决定系数为0.985 09，剩余通径系数为0.122 11。

2.3.3   P、K互交效应方程   根据T4处理、T5处理、T6处理、T7处理、T8处理、T9处理、T10处理和T14处理，分析以N为2水平时P2O5、K2O的互交效应。

Y=9 238.117 + 15.549X2 + 83.294X3 - 0.132 X2X3 -0.020X22-0.715X32

回归方程相关系数R2=0.99，调整后的相关系数R2=0.98，F=36.23，通过了F测验，P=0.027 1 < 0.05，达到显著水平，表明玉米产量与肥料P2O5、K2O的施用量之间有显著的回归关系，且符合肥料报酬递减律，说明成功拟合典型PK二元二次肥料效应函数。

从图3可以看出，根据PK回归方程计算最佳施肥量为P2O5 276.3 kg/hm2、K2O 32.8 kg/hm2，其最高产量为12 753.0 kg/hm2。决定系数为0.989 08，剩余通径系数为0.104 49。

2.4  &nbsp;拟合一元二次方程

2.4.1   N效应方程   根据T2处理、T3处理、T6处理和T11处理，得到在P2O5、K2O水平不变的情况下，N施用量和产量之间的一元二次方程。

Y=11 433.870+9.369X1-0.018X12

回归方程相关系数R2=0.99，调整后的相关系数R2=0.97，F=22.33，未通过F测验，P=0.148 0 > 0.05，差异不显著，表明玉米产量与肥料N的施用量之间回归关系不显著[17 ]，但符合肥料报酬递减律，说明N的一元二次肥料效应函数方程拟合成功。

根据N效应回归方程计算最佳施肥量为N 259.7 kg/hm2，其最高产量为12 650.4 kg/hm2。决定系数为0.978 10，剩余通径系数为0.148 00。

2.4.2   P效应方程   根据T4处理、T5处理、T6处理和T7处理，得到在N、K2O水平不变的情况下，P2O5施用量和产量之间的一元二次方程。

Y=11 565.880+9.605X2-0.021X22

回归方程相关系数R2=0.99，调整后的相关系数R2=0.97，F=27.84，未通过F测验，P=0.1328 > 0.05，差异不显著，表明玉米产量与肥料P2O5的施用量之间回归关系不显著，但符合肥料报酬递减律，说明P2O5的一元二次肥料效应函数方程拟合成功。

根据P效应回归方程计算最佳施肥量为P2O5 229.6 kg/hm2，其最高产量为12 668.3 kg/hm2。决定系数为0.982 36，剩余通径系数为0.132 83。

2.4.3   K效应方程   根据T6处理、T8处理、T9处理和T10处理，得到在N、P2O5水平不变的情况下，K2O施用量和产量之间的一元二次方程。

Y=11 597.330+58.001X3-0.744X32

回归方程相关系数R2=1.00，调整后的相关系数R2=0.99，F=55.92，未通过F测验，P=0.094 1 > 0.05，差异不显著，表明玉米产量与肥料K2O的施用量之间回归关系不显著，但符合肥料报酬递减律，说明K2O的一元二次肥料效应函数方程拟合成功。

根据K效应回归方程计算最佳施肥量为K2O 39.0 kg/hm2，其最高产量为12 727.0 kg/hm2。决定系數为0.991 14，剩余通径系数为0.094 14。

3   结论与讨论

试验结果表明，不同处理玉米的平均折合产量为9 452.6～12 736.3 kg/hm2，所有施肥处理的折合产量均极显著高于不施肥处理，增产幅度为21.3%～34.7%，增产幅度较大。除不施肥对照外，其他处理均施用了一定量的氮素，而空白对照区为无氮无磷无钾区，无论是施用商品有机肥，还是秸秆还田，都不能满足作物养分临界期和最大效益期对氮素的需求，从而导致对照不施肥产量下降，使其他处理产量均极显著高于对照不施肥。李旭等[35 ]通过“3414”肥效试验得出施用适量的氮、磷、钾肥能够显著增加玉米产量，增产幅度为9.5%～54.0%，并且氮、磷、钾肥对玉米的增产率顺序由大到小依次为氮、钾、磷。刘淑军等[36 ]采用“3414”设计方案进行玉米田间试验，得出玉米产量与氮、磷、钾的施用量呈显著相关，N2P1K1处理玉米产量最高，为5 759.5 kg/hm2，较对照不施肥增产59.5%，若只考虑单因素的影响，对玉米的增产效果是氮肥最大，其次为磷肥，钾肥最小。

本试验成功拟合了典型NPK三元二次方程及NP、PK、NK的二元二次方程，而N、P、K的一元二次方程未能通过显著性检验，但仍符合肥料报酬递减律，说明一元二次肥料效应方程拟合成功。其主要原因是玉米生产过程中无法避免其他客观自然环境因素的干扰，并且一元二次方程是在两个因素固定的基础上拟合另一个因素的一元二次方程，而这两个固定因素的搭配比例并非是最佳的，因此一元二次方程未能通过显著性检验。本试验虽然一元二次方程未能通过显著性检验，但都成功拟合出全部方程，并计算出最高产量及对应施肥量。玉米产量预测值与N（X1）、P2O5（X2）、K2O（X3）的施用量三元二次回归方程为：Y=9 420.968+7.699X1+ 8.738X2+47.622X3-0.002X1X2+0.011X1X3-0.018 X2X3-0.014X12 -0.014X22-0.582X32。其最佳理论产量对应的施肥量为N 270.9 kg/hm2、P2O5 276.9 kg/hm2、K2O 39.3 kg/hm2，即最佳施肥量的 N、P、K 配施比例为1∶1∶0.15，最佳产量为12 608.7 kg/hm2。这与范晓晖等[14 ]、金昆等[37 ]、孔义祥等[38 ]、张文明等[39 ]的研究结果相似。

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（本文责编：郑立龙）