新疆滴灌春玉米密植高产栽培施肥效应研究

王国栋，曾胜和，陈 云，梁 飞，张 磊

在我国，玉米是重要的粮食、饲料兼用作物，亦是重要的工业原料[1]。近年来，玉米已超过水稻成为我国的第一大粮食作物[2]，其超高产的记录也不断涌现。据报道，我国春玉米的单产最高记录为22676.1 kg/hm2[3]，但与美国的24106.7 kg/hm2相比还有较大差距[4]。在紧守18亿亩耕地红线，玉米种植面积无法扩大的形式下，提高单产是玉米增产的唯一途径。

作物高产的形成囿于多方面的因素，密植和宽窄行配置被认为是提高玉米产量在农艺措施方面最有效的改进措施。杨吉顺等[5]对不同密度和行距配置夏玉米群体光合的研究表明，高密度（9万株/hm2）和宽窄行距（80+40 cm）有利于花后群体光合速率（CAP）和穗位叶层的PAR的截获，产量也更高。孙锐等[6]认为播种密度在3-12万株/hm2范围内，玉米叶面积指数（LAI）的变化呈近似直线增大趋势，高密度有利于光能的截获。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现实高产和提高效益最有效的方法之一。景立权等[7]通过不同的氮素运筹方案实现了春玉米14753kg/hm2的高产目标；氮肥是提高玉米生物量分配率、可消化总养分及净能的关键因素[8]；姜涛[9]则认为施氮300 kg/hm2是夏玉米获得高产的适宜施肥量，过量施氮甚至会降低玉米的产量和籽粒品质。

农业部2006年在《测土配方施肥技术规范（试行）修订稿》中明确推荐“3414”方案作为耕地地力评价和测土配方施肥的方法[10]。近年来，随着测土配方施肥项目的不断实施，已在不同农业生态区的玉米、小麦、水稻、马铃薯等作物上取得了大量数据[11-13]，并建立了符合本地区的施肥指标体系。新疆天山北坡绿洲农业带是我国重要的粮、棉产地，为此本文运用“3414”试验模型研究了高密度（10.5万株/hm2）、宽窄行（90+30 cm）条件下滴灌高产玉米（>12000 kg/hm2）的施肥耦合效应，并提出适合本地区的最佳施肥量，以期为我国玉米的高产栽培提供理论依据与实践指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2013年4月-10月在位于新疆石河子市的新疆农垦科学院农业部作物高效用水观测站（45°38′N，86°09′E）进行。研究区域位于天山北麓的冲积扇平原，年均气温6.5-7.2℃，年平均降雨量115 mm、蒸发量1942 mm，气候类型属典型的干旱半干旱大陆性气候。试验土壤为灌耕灰漠土（Calcaric Fluvisals），耕层土壤（0-20 cm）pH值 8.2，有机质7.14 g/kg，碱解氮34.30 mg/kg，速效磷18.08 mg/kg，速效钾130.46 mg/kg，土壤容重1.67 g/cm3、田间持水量17.7%。

1.2 试验设计

试验方案采用“3414”二次最优回归设计，氮、磷、钾3因素4水平，共计14个处理，重复4次，随机区组设计。4个水平为：0水平指不施肥；2水平指当地推荐施肥量；1水平为2水平的0.5倍，施肥不足；3水平为2水平的1.5倍，过量施肥，施肥量详见表1。供试品种郑单958，4月22日播种，播种密度1.05×105株/hm2，行距配置为宽窄行设计（90+30 cm），一膜两行铺设一条滴管带，滴头流量2.4 L/h，小区面积60 m2（每小区包括5条滴灌带，铺设长度10 m，最外2行为保护行），井水滴灌，单独布设施肥装置。供试氮肥为尿素（N 46%）、磷肥为磷酸一铵（N 12%；P2O560%）、钾肥为氯化钾（K2O 63%）；磷肥基施30%，氮肥、钾肥和剩余70%的磷肥分别于拔节期、大喇叭口期、抽雄期、籽粒建成期、乳熟期按20%、20%、30%、20%、10%的比例全部滴施。灌水量为同一水平，均为4200 m3/hm2，全生育期灌水8次，随水施肥5次，其它管理同大田生产。

表1 试验设计

1.3 取样与测定方法

成熟后每小区收获玉米3 m2（取样点位于每小区的第3条滴灌带，长度5 m），风干至恒重，考种脱粒计产，折算每公顷产量。

1.4 计算与统计分析

籽粒产量与施肥量的函数效应模型采用三元二次方程建立，单因素分析固定在P2K2、N2K2、N2P2水平下进行一元二次拟合，双因素耦合则在K2、P2和N2水平下二元二次拟合，函数分别如下：

施肥效应模型：

Y=b0+b1x1+b2x2+b3x3+b4x12+b5x22+b6x32+b7x1x2+b8x1x3+b9x2x3

单因素模型：Y=a+bx+cx2

双因素耦合模型：Y=a+bx1+cx2+dx12+ex22+fx1x2

式中，Y为产量（kg/hm2），x为试验设计的肥料投入量（kg/hm2），b0-b9、a-f为回归项系数。

目标函数的极值采用导数法计算。为讨论不同施肥量的产量效应，分别抽取处理2、3、6、11，计算P2K2（推荐施肥水平）处理下不同氮素水平的肥效；抽取处理4、5、6、7，计算N2K2（推荐施肥水平）下不同磷素水平的肥效；抽取处理8、9、6、10，计算N2P2（推荐施肥水平）下不同钾素水平的肥效，不同施肥量的产量效应计算如下式：

增产率（%）=（施肥区经济产量-缺素区经济产量）/缺素区经济产量×100%；

肥料贡献率（FCR,%）=（施肥区经济产量-缺素区经济产量）/施肥区经济产量×100%；

农学效率（AE,kg/kg）=（施肥区经济产量-缺素区经济产量）/（施肥区施肥量-缺素区施肥量）[14]。

数据分析采用SPSS16.0进行显著性方差分析，LSD法比较；图表制作采用Excel 2007和SigmaPlot 12.5绘制。

2 结果与分析

2.1 不同施肥量的产量效应

玉米施氮（N）后平均增产1.41×103kg/hm2，较不施氮处理平均增产12.48%（表2）；施用磷肥（P2O5）平均增产1.35×103kg/hm2，较不施磷处理平均增产11.69%；施用钾肥（K2O）平均增产1.04×103kg/hm2，较不施钾处理平均增产11.12%。增产量、增产率、肥料贡献率和农学效率均表现为N>P2O5>K2O，施用氮、磷、钾肥的增产效果显著，其施用水平均以当地推荐的施肥水平最高，N和P2O5过量投入不会显著导致减产，但过量的施用K2O显著降低玉米产量（p<0.05）。由此可见，合理施肥量可达到作物高产和高效，同时可避免肥料的浪费和过量施肥带来的面源污染等问题。

2.2 肥料效应函数的建立

对玉米“3414”试验全部结果进行肥料效应回归模型模拟，得到产量与肥料之间的数学模型为：

F检验结果表明，决定系数R2为0.8387，各模拟项总的F=1.0548，大于P0.05的F值（0.5203），这表明玉米产量与氮、磷、钾施肥量间的回归关系达显著水平，能够反映氮、磷、钾三因素间的关系。各回归项系数 x1、x2项以及 x12、x22、x1x2均达到了显著水平，表明氮肥、磷肥以及氮、磷肥的交互作用对产量有显著影响。二次项x12、x22、x23的系数均为负数，呈开口向下的抛物线变化，表明在设计范围内氮、磷、钾三因素均存在一个最高值，过量投入不仅会引起产量的降低，同时造成肥料的浪费。

2.2.1 单因素效应分析 探讨各因素的单因子效应，在P2K2、N2K2和N2P2水平下，分别对N、P2O5和K2O的投入量与玉米产量拟合，则可得到一元二次子模型：

表2 不同氮、磷、钾水平的玉米施肥效应

将回归模型（2）、（3）、（4）分别绘图即可得到各因子的产量效应图（图1），如图所示各因子的增产效应明显，均呈开口向下的抛物线状，符合报酬递减定率。各抛物线的顶点就是各因子对应的最高产量，与其对应的是各肥料的最适投入量。当肥料投入过量时，随着钾肥投入的增加产量快速降低，钾的增产负效果明显大于氮和磷。在本试验中，N、P2O5、K2O的最适施肥水平为1.83、1.90、1.62，折算为肥料投入量为274.86、85.69、48.52 kg/hm2， 对 应 产 量 分 别 为 13285.74、13380.65、13965.21 kg/hm2。

图1 不同施肥水平下单因素效应

2.2.2 单因素边际效益 边际效益分析可反映各因素的最适投入量和单位投入量变化对产量增减速率的影响[15]。对回归子模型（2）、（3）、（4）求一阶偏导，可得到 N、P2O5、K2O三因素的边际产量效应方程式，将施肥水平值代入，则可得到图2。同时，当各因子的边际产量为零时，即令dy/dx=0，可得到产量的最高点，此时求得x值为产量最佳施肥水平。

N、P2O5、K2O三因素的边际产量均呈递减趋势（图 2），斜率表现为N>K2O>P2O5，说明各因素中氮素投入对玉米产量的贡献最大，钾素次之。随着投入量的增加，各因素与x轴相交时达到最高产量的肥料最适施肥水平（N∶1.83，P2O5∶1.90，K2O∶1.62），之后过量投入产量不再增加，甚至表现出负效益。

图2 不同施肥水平下单因素边际效益

2.3 氮磷钾肥耦合效应分析

为进一步探讨双因素间的耦合效应，NP、NK、PK与产量二元二次肥料效应曲线分别固定在K2、P2和N2水平下进行拟合，可得到任意双因素的交互作用模型如下：

对模型（8）、（9）、（10）进行绘图可得到双因素耦合效应图（图3），氮、磷、钾三因素均表现出显著的正交互效应。在NP的交互效应中，玉米产量随着氮磷施肥量的增加显著提高，两者交互促进作用明显；NK交互作用中，在较低的施氮水平下，钾肥的增产效应不明显，高氮条件下钾肥的增产效应显著提升；PK的交互效应与NK相同，且效果更为明显；各交互作用在过量施肥时玉米产量均显著降低。

2.4 施肥量推荐

图3 NP、NK和PK耦合效应分析

为明确密植条件下滴灌玉米的最佳施肥水平，运用导数法分别对模型（1）-（4）和（8）-（10）求解，可求得不同模型的产量最大值及对应的氮、磷、钾肥的投入量。将玉米产量及肥料投入进行对比，最高产量的施肥量氮肥在274-314 kg/hm2，平均为 296.3 kg/hm2；磷肥在80-98 kg/hm2，平均为 86.6 kg/hm2；钾肥在 36-48 kg/hm2，平均为 43.0 kg/hm2，N、P2O5、K2O的投入比例为1∶0.29∶0.16（表3）。7个模型模拟的最高产量在12757-13965 kg/hm2，平均为13297 kg/hm2，其中对K2O（模型4）一次拟合产量最高，而交互作用中以PK（模型10）的拟合产量最高，综合考虑可认为钾肥的投入对本区域滴灌玉米产量的提高起着关键作用，同时还应注意P2O5的配合施用，有利于获得高产。

表3 不同模型下最高产量的估算及其对应肥料投入（单位：kg/hm2）

3 讨论与结论

3.1 讨论

施用氮、磷、钾肥的增产效果显著，每增施1 kg N、P2O5和K2O玉米产量平均增产4.6、15.01和17.37 kg，增产量、增产率、肥料贡献率和农学效率均表现为N>P2O5>K2O，产量均以当地推荐的施肥水平最高，N和P2O5过量投入不会显著导致减产，但过量K2O的施用显著降低了玉米产量（表2）。这与靳立斌等[16]过高的施肥量会显著降低肥料偏生产力、农学利用效率和收获指数，并增加硝态氮流失等潜在污染风险的研究结果相似。单因素分析表明，各因子符合报酬递减定率，钾的增产负效果明显大于氮和磷。王贺等[17]对砂质潮土夏玉米施肥研究表明，玉米对钾肥的忍耐度要低于磷和氮。三因素边际产量斜率表现为N>K2O>P2O5，氮素投入对玉米产量的贡献最大，钾素次之，过量投入产量不再增加，甚至表现出负效益。双因素的耦合均表现出显著的正交互效应[15]，较低的施钾水平与氮、磷的耦合增产效应不明显。

王圣瑞等[18]认为“3414”试验结果分析时采用三元二次模型计算的推荐施肥量偏高，需综合考虑一元、二元等子模型的信息进行优化。为此，本研究利用了7个模型综合分析，认为密植滴灌玉米（10.5万株/hm2）的最佳施肥量N、P2O5、K2O分别为296.3、86.6和43.0 kg/hm2，投入比例为1∶0.29∶0.16时，可获得13297 kg/hm2的高产。合理施肥量的推荐是玉米高产的重要栽培管理措施[19]，薛亮等[20]认为密度3.9万株/hm2时，氮肥推荐量为N 230 kg/hm2；孔令中等[21]推荐密度9.0万株/hm2时，氮肥用量为279 kg/hm2；而景立权等[7]推荐的产量>13500 kg/hm2时施肥量达到了 N 450、P2O5150、K2O 225 kg/hm2。此外，不同生态区施肥量的推荐受土壤养分和耕作措施的影响较大，通过“3414”试验推荐的玉米最佳施肥量和施肥比例也大相径庭，胡建军等[22]认为宁夏盐池地区限制玉米产量的主要因子为氮素，最佳施肥量N、P2O5、K2O分别为360、107.8、4.3 kg/hm2；而沿淮地区则应更注重钾素的施用，最佳施肥量分别为299.1、99.0、175.3 kg/hm2[23]；川中丘陵区配施则应较为均衡，最佳施肥量为329.3、99.0、50.2 kg/hm2[24]。

3.2 结论

施肥对新疆绿洲区密植滴灌玉米产量的增产效果显著，增产量、增产率、肥料贡献率和农学效率均表现为N>P2O5>K2O，肥料投入符合养分报酬递减定率，过量投入表现出负效益。玉米对钾素的敏感性高于氮、磷，较低施钾水平时限制了氮、磷的耦合增产效应，实际生产中应重视钾肥的施用。综合分析，适宜本地区的密植滴灌条件下的玉米施肥量推荐N、P2O5和K2O分别为296.3、86.6和43.0 kg/hm2。此外，影响玉米高产的因素还有施肥方法和时期等，这些重要因素的具体作用如何，有待进一步研究。

[1]杨恒山，高聚林，张玉芹，等.超高产春玉米氮磷钾养分吸收与利用的研究[J].干旱地区农业研究，2011,29(2):15-20.

[2]赵久然，王荣焕.美国玉米持续增产的因素及其对我国的启示[J].玉米科学，2009,17(5):156-159.

[3]中华人民共和国农业部.玉米单产突破1500公斤再创全国高产纪录[EB/OL].(2013-10-09)[2014-01-13].http://www.moa.gov.cn/zwllm/zwdt/201310/t20131009_3624336.htm

[4]李淑华，许明学，张亚辉，等.2012年美国玉米高产竞赛简介[J].玉米科学，2013,21(3):154-156.

[5]杨吉顺，高辉远，刘鹏，等.种植密度和行距配置对超高产夏玉米群体光合特性的影响[J].作物学报，2010,36(7):1226-1233.

[6]孙锐，朱平，王志敏，等.春玉米叶面积系数动态特征的密度效应[J].作物学报，2009，35(6):1097-1105.

[7]景立权，赵福成，王德成，等.不同施氮水平对超高产夏玉米氮磷钾积累与分配的影响[J].作物学报，2013,39(8):1478-1490.

[8]赵宏伟，于秋竹，孔羽，等.氮素用量对饲用玉米干重和影响价值能量的影响[J].农业现代化研究，2009,30(4):479-482.

[9]姜涛.氮肥运筹对夏玉米产量、品质及植株养分含量的影响[J].植物营养与肥料学报，2013,19(3):559-565.

[10]吴志勇，闫静，施维新，等.“3414”肥料效应试验的设计与统计分析[J].新疆农业科学，2008,45(1):135-141.

[11]赵会芳，王文凯，杨百成，等.洛川县玉米“3414”肥料试验研究[J].陕西农业科学，2013,59(1):58-60.

[12]戢林，张锡洲，李廷轩.基于“3414”试验的川中丘陵区水稻测土配方施肥指标体系构建[J].中国农业科学，2011,44(1):84-92.

[13]胡建军，温学飞，张宏，等.基于“3414"模型对宁夏盐池县马铃薯氮磷钾效应的研究[J].中国农学通报，2011,27(15):90-96.

[14]刘芬，同延安，王小英，等.渭北旱塬小麦施肥效果及肥料利用效率研究[J].植物营养与肥料学报，2013,19(3):552-558.

[15]孙文涛，孙占祥，王聪翔，等.滴灌施肥条件下玉米水肥耦合效应的研究[J].中国农业科学，2006,39(3):563-568.

[16]靳立斌，崔海岩，李波，等.综合农艺管理对夏玉米氮效率和土壤硝态氮的影响[J].作物学报，2013,39(11):2009-2015.

[17]王贺，白由路，杨俐苹，等.沙质潮土夏玉米“3414”肥效试验研究[A].中国植物营养与肥料学会2010年学术年会论文集[C].2010年，305-314.

[18]王圣瑞，陈新平，高祥照，等.“3414”肥料试验模型拟合的探讨[J].植物营养与肥料学报，2002,8(4):409-413.

[19]孙继，杨猛，赵东旭，等.黑龙江寒地高产春玉米灌浆期不同群体冠层结构与产量各因素相关研究[J].农业现代化研究,2012,33(3):363-366.

[20]薛亮，周春菊，雷杨莉，等.夏玉米交替灌溉施肥的水氮耦合效应研究[J].农业工程学报，2008,24(3):91-94.

[21]孔令中，顾万荣，林亚男，等.施氮量对高密度种植下寒地春玉米光合生理及产量的影响[J].农业现代化研究，2013,34(5):608-612.

[22]胡建军，张月琴，温学飞，等.基于“3414”模型研究宁夏盐池县玉米氮磷钾施肥效应[J].水土保持研究，2011,18(4):268-272.

[23]詹其厚，王慎强，周静，等.沿淮低洼地玉米施肥效应与土壤供肥能力研究[J].土壤通报，2011,42(6):1415-1419.

[24]沈学善，陈尚洪，陈红琳，等.基于“3414”模型对川中丘陵区玉米氮磷钾效应的研究[J].西南农业学报，2012,25(6):2132-2137.