氮磷鉀配施對(duì)制種玉米產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益的影響

李 龍 肖 讓 張永玲

（1高臺(tái)縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，734300，甘肅張掖；2河西學(xué)院土木工程學(xué)院/河西走廊水資源保護(hù)利用研究所，734000，甘肅張掖）

甘肅河西內(nèi)陸灌區(qū)是典型的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，地勢(shì)平坦、日照充足、晝夜溫差大且氣候干燥多風(fēng)。目前已形成以武威市和張掖市為主導(dǎo)的河西走廊制種基地[1]。制種玉米作為該區(qū)農(nóng)作物的“糧食”，水肥管理措施是最重要的農(nóng)事投入，對(duì)作物生長(zhǎng)及釋放高產(chǎn)潛力、提升經(jīng)濟(jì)效益有重要意義。長(zhǎng)期以來，在制種玉米生產(chǎn)過程中，由于缺少科學(xué)的指導(dǎo)和合理的管理模式，過分追求制種玉米經(jīng)濟(jì)效益，使得化肥用量不斷增加。施肥可滿足制種玉米的養(yǎng)分需求，顯著提高玉米產(chǎn)量，但不合理的施肥給土壤和制種玉米帶來了各種負(fù)面影響，問題日益突出，如養(yǎng)分冗余和多渠道大量流失帶來的經(jīng)濟(jì)效益問題，土壤酸化、板結(jié)、鹽堿化和養(yǎng)分平衡失調(diào)導(dǎo)致玉米根系死亡、莖葉黃化、植株矮小、枯死和土壤環(huán)境惡化等問題。當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，人們往往習(xí)慣把重點(diǎn)放在偏施氮肥上，不注重追肥的方式和施用量，忽略了氮、磷、鉀合理配施對(duì)玉米產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收及生長(zhǎng)發(fā)育的影響，導(dǎo)致玉米產(chǎn)量不高，經(jīng)濟(jì)潛力受到制約[2]。馬星竹等[3]研究了氮肥施用量對(duì)春玉米產(chǎn)量的影響；趙霞[4]分析了制種玉米的水肥利用效率；漆棟良等[5]探究了灌溉制度對(duì)制種玉米產(chǎn)量的影響；錢秋華等[6]探究了生物炭對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響。制種玉米的相關(guān)研究多集中于單一養(yǎng)分、外物添加和灌溉制度變化對(duì)玉米的影響。為完善施肥體系，本試驗(yàn)開展氮、磷、鉀多層次配施對(duì)制種玉米生長(zhǎng)、產(chǎn)量、肥料利用和水分利用效率的田間研究，為建立合理的氮、磷、鉀配施模式、釋放制種玉米高產(chǎn)潛力和完善制種玉米施肥體系提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)田位于甘肅省張掖市甘州區(qū)黨寨鎮(zhèn)田家閘村（100°6′～100°52′E，38°32′～39°24′N），海拔1474m，屬于溫帶大陸性氣候區(qū)，多年平均氣溫7.25℃，7月份最熱，月平均氣溫23.9℃，1月份最冷，月平均氣溫-10.1℃，年均降水量97.6mm。2018年降水量118.2mm，蒸發(fā)量1898.5mm，試驗(yàn)期間降雨量、氣溫及蒸發(fā)量狀況如圖1所示。土壤類型為沙壤土，地勢(shì)平坦，一年一熟制種植，試驗(yàn)區(qū)0～20cm土層基本理化性質(zhì)如表1。

表1 供試土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

圖1 作物生長(zhǎng)期間降雨量、平均氣溫和蒸發(fā)量Fig.1 Precipitation,mean temperature and evaporation during crop growth

1.2 試驗(yàn)材料

供試作物：制種玉米（NC242）。

供試肥料：尿素（含N 46%）、重過磷酸鈣（含P2O546%）和硫酸鉀（含K2O 50%）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)9個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。各處理隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積35.0m2（7.0m×5.0m），區(qū)組間溝寬1.0m，各小區(qū)之間挖溝覆膜隔離，深度0.6m，小區(qū)四周筑埂，埂高0.4m，寬0.5m。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Experiment design kg/hm2

1.4 灌溉施肥管理

2018年4月5日翻地施肥，基肥全部采用人工撒施；4月8日-12日壓地、覆膜、地表鋪設(shè)滴灌帶，采用膜下滴灌灌水方法；4月17日種植母本；4月26日第1次種植父本，4月30日第2次種植父本，單行父本采用行比種植法（1:5），分期插播，收獲日期為10月13日-20日。制種玉米行距0.45m，株距0.20m，母本種植密度為8×104株/hm2，總種植密度105萬株/hm2，小區(qū)鋪設(shè)7行膜，每行膜種植2行。磷、鉀肥全部作基肥，其中，常規(guī)施肥中氮肥基肥用量138.0kg/hm2，追施用量276.0kg/hm2，行播淺施；氮、磷、鉀全素配方施肥中氮肥基肥用量103.5kg/hm2，追施用量345.0kg/hm2，水肥耦合滴灌施入。追肥施用時(shí)間分別在拔節(jié)期、大喇叭口期和開花期，比例為3:4:3。生育期內(nèi)灌溉7次，分別為播種后51、65、73、90、98、108和116d，每次灌水定額分別為 457.4、571.7、232.9、457.4、522.0、514.5和502.9m3/hm2，灌溉定額為3258.8m3/hm2。

1.5 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.5.1 作物生物量及產(chǎn)量 成熟期在各小區(qū)中間選取有代表性的植株27株，并進(jìn)行考種，測(cè)其株高。將植株分剪，108℃殺青30min，然后75℃烘干至恒重，測(cè)定秸稈生物量?？挤N指標(biāo)包括制種玉米穗長(zhǎng)、行粒數(shù)和穗粒數(shù)。小區(qū)選取中間4行，進(jìn)行田間測(cè)產(chǎn)，自然曬干后脫粒，計(jì)算單株產(chǎn)量，按14%水分折算單位面積產(chǎn)量。

1.5.2 作物養(yǎng)分 玉米秸稈和籽粒中的全量氮、磷、鉀均應(yīng)H2SO4-H2O2消煮，分別采用凱氏蒸餾法、釩鉬黃比色法和火焰光度計(jì)法測(cè)定氮、磷和鉀含量[7]。

作物養(yǎng)分吸收量計(jì)算公式[8]如下：

式中，ω為作物養(yǎng)分吸收量（kg/hm2），G1為籽粒養(yǎng)分濃度（%），M1為籽粒干質(zhì)量（kg/hm2），G2為莖葉養(yǎng)分濃度（%），M2為莖葉干質(zhì)量（kg/hm2）。

1.5.3 水分利用效率 當(dāng)?shù)氐叵滤裆顬?～7m，故忽略地下水補(bǔ)給，采用滴灌，故忽略地表徑流及深層滲漏。計(jì)算公式[9]如下：

式中，ET為蒸散發(fā)總耗水量（mm），I和P分別為灌溉水量（mm）和有效降雨量（mm），ΔW為研究時(shí)段始末土壤貯水量變化量（mm）；WUE為水分利用效率（kg/m3），Y為籽粒產(chǎn)量（kg/hm2）。

1.5.4 肥料利用指標(biāo) 肥料利用率（RE）是指作物所能吸收肥料養(yǎng)分的百分比[10]。

式中，RE為氮（磷、鉀）肥利用率（%），V為全素區(qū)玉米吸氮（磷、鉀）總量（kg/hm2），V0為無氮（磷、鉀）區(qū)玉米吸氮（磷、鉀）總量（kg/hm2），F(xiàn)0為全素區(qū)氮（磷、鉀）養(yǎng)分投入量（kg/hm2）。

肥料偏生產(chǎn)力（PFP）指施用某一特定肥料下作物產(chǎn)量與施肥量的比值（kg/kg），100kg籽粒產(chǎn)量養(yǎng)分吸收量指形成100kg經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量作物全株養(yǎng)分吸收量，計(jì)算方法[11]如下：

式中，ω100為100kg籽粒產(chǎn)量養(yǎng)分吸收量（kg），ω為作物養(yǎng)分吸收量（kg/hm2），M1為籽粒干質(zhì)量（kg/hm2），Y為作物產(chǎn)量（kg/hm2），F(xiàn)為施肥量（kg/hm2）。

肥料農(nóng)學(xué)效率（AE）指作物施肥后增加的產(chǎn)量與施肥量的比值[12]。肥料生理利用率（PE）指作物地上部每吸收單位肥料中的養(yǎng)分所獲得的籽粒產(chǎn)量的增加量[13]。

兩式中，Y為施肥處理的作物產(chǎn)量（kg/hm2），Y0為不施肥處理的作物產(chǎn)量（kg/hm2），F(xiàn)為施肥量（kg/hm2），U為施肥處理收獲時(shí)地上部的養(yǎng)分吸收總量（kg/hm2），U0為未施肥處理收獲時(shí)地上部的養(yǎng)分吸收總量（kg/hm2）。

1.5.5 土壤肥力評(píng)價(jià) 土壤肥力作為釋放作物高產(chǎn)潛力、提高土壤生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，利用土壤養(yǎng)分分等定級(jí)評(píng)價(jià)體系為此供試土壤進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中，土壤養(yǎng)分指標(biāo)評(píng)分規(guī)則、指標(biāo)權(quán)重和等級(jí)劃分規(guī)則分別見表3和表4[14]。土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)采用加法模型計(jì)算，如下式：

表3 土壤養(yǎng)分指標(biāo)評(píng)分及權(quán)重Table 3 Soil nutrient index score and weight

表4 土壤養(yǎng)分等級(jí)劃分規(guī)則Table 4 Rules for grading soil nutrients

式中，I為土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)；Fi為第i個(gè)指標(biāo)評(píng)分值；Wi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 25.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥模式對(duì)制種玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

表5顯示，大部分處理玉米穗長(zhǎng)差異不顯著。其他性狀對(duì)不同施肥處理響應(yīng)不同，T4處理平均株高較T8處理增加2.72%（P＜0.01），配方施肥缺素區(qū)株高為179.0～186.5cm，較常規(guī)施肥缺素區(qū)株高增加1.5%～2.8%，差異顯著（P＜0.05）；T4處理平均穗位高較T8處理提高3.17%（P＜0.01），但同一施肥模式下，其平均穗位高表現(xiàn)為T4＞T3＞T1＞T2和T8＞T7＞T5＞T6；T4處理穗粒數(shù)最多，其次為T8處理，T9處理最少，T4處理較T8處理增加2.44%（P＜0.01）；T4處理產(chǎn)量最高；T4處理平均產(chǎn)量較T8處理提高7.83%（P＜0.01），其平均產(chǎn)量表現(xiàn)為T4＞T3＞T2＞T1和T8＞T7＞T6＞T5。

表5 不同施肥處理玉米農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量及水分利用效率Table 5 Maize agronomic traits,yield and water use efficiency under different fertilization treatments

2.2 不同施肥模式對(duì)制種玉米水分利用效率的影響

如表5所示，氮磷鉀配施模式下的T4處理水分利用效率最高，與其他缺素處理存在極顯著差異（P＜0.01），配方施肥區(qū)水分利用效率為1.32～1.61kg/m3，較常規(guī)施肥區(qū)水分利用效率（1.17～1.50kg/m3）提高7.3%～12.8%（P＜0.01），較不施肥區(qū)提高33.3%～62.6%（P＜0.01），常規(guī)施肥區(qū)水分利用率較不施肥區(qū)提高16.2%～53.1%（P＜0.01），表明氮磷鉀合理配施對(duì)制種玉米水分利用效率存在顯著影響。

2.3 不同施肥模式下對(duì)肥料養(yǎng)分吸收及其利用效率的分析

由表6可知，T4處理N、P和K吸收量較T8處理分別提高了11.8%、16.8%和16.6%，T4處理每100kg玉米籽粒純N、P2O5和K2O吸收量分別為6.7、1.1和4.1kg，N、P2O5和K2O的比例約為6.1:1:3.7，T8處理每形成100kg玉米籽粒時(shí)純N、P2O5和K2O吸收量分別為6.5、1.0和3.8kg，秸稈吸氮量和吸鉀量大于籽粒，而吸磷量籽粒大于秸稈。結(jié)果表明玉米植株中氮和鉀養(yǎng)分主要轉(zhuǎn)移到秸稈中，而磷主要轉(zhuǎn)移到籽粒中。

表6 不同施肥處理玉米氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收量Table 6 Nutrient uptake amount of N,P and K in maize under different fertilization treatments

由表7可知，氮磷鉀配方施肥較常規(guī)施肥N、P和K化肥利用率分別提高了5.9%、67.3%和70.2%（P＜0.05），氮磷鉀配方施肥較常規(guī)施肥P肥偏生產(chǎn)力極顯著提高了61.5%（P＜0.01），N和P農(nóng)學(xué)效率分別提高了16.0%和82.4%（P＜0.01），表明氮磷鉀合理配施可促進(jìn)玉米對(duì)養(yǎng)分的吸收，提高化肥利用率和肥料農(nóng)學(xué)效率，能充分發(fā)揮各類肥料的生產(chǎn)力。

表7 不同施肥模式肥料養(yǎng)分利用率參數(shù)Table 7 Parameters of fertilizer nutrient utilization in different fertilization modes

2.4 不同施肥模式下對(duì)制種玉米的經(jīng)濟(jì)效益及土壤肥力的分析

由表8可知，常規(guī)施肥與氮磷鉀配方施肥的凈產(chǎn)值分別為23 296.80與25 613.10元/hm2，氮磷鉀配方施肥的凈增產(chǎn)值為2316.30元/hm2。與常規(guī)施肥相比，配方施肥的肥料成本有所降低，玉米產(chǎn)量及其產(chǎn)值增加，所以氮磷鉀全素配方施肥是一種具有提高經(jīng)濟(jì)效益的適宜施肥模式。

表8 氮磷鉀配施模式下玉米的經(jīng)濟(jì)效益Table 8 Economic benefit of maize under formula fertilization mode

由表9可知，玉米種植前土壤肥力處于低等級(jí)中間標(biāo)準(zhǔn)，為貧瘠土壤。在進(jìn)行常規(guī)施肥與配方施肥種植后，土壤肥力較種植前有較大幅度提升。其中，常規(guī)施肥后土壤肥力雖仍處于低級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)較種植前提高12.5%；氮磷鉀全素配方施肥后土壤肥力提高為中級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)較種植前提高35.0%，就土壤肥力情況而言，氮磷鉀配方施肥處理土壤肥力提升幅度較大，是較優(yōu)的施肥模式。

表9 氮磷鉀配施模式下玉米種植前后土壤肥力評(píng)價(jià)Table 9 Evaluation of soil fertility before and after maize planting under formula fertilization mode

3 討論

3.1 不同施肥模式對(duì)制種玉米生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

氮磷鉀全素配方施肥對(duì)制種玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量影響顯著。研究[15]表明，氮磷鉀配方施肥對(duì)提高作物產(chǎn)量及其構(gòu)成因素有積極作用。有研究[15-16]表明，不同肥料及配施方式在一定程度上影響著玉米的株高、穗位、棒3葉葉面積和穗長(zhǎng)。本研究中，氮磷鉀全素配方施肥和常規(guī)施肥模式中，均以氮、磷、鉀全素施肥處理的作物株高最高，缺鉀處理次之，缺磷再次之，缺氮處理最低（表5）。對(duì)比分析不同施肥處理之間的穗位高可知，磷肥對(duì)作物穗部性狀的改善效果最佳，氮肥次之，鉀肥最小。這可能是由于磷肥具有能使作物莖枝堅(jiān)韌和促使花芽形成的作用。通過對(duì)比不同處理間的穗粒數(shù)和產(chǎn)量可知，穗粒數(shù)與作物產(chǎn)量具有一致性，均是氮肥貢獻(xiàn)能力高于磷肥和鉀肥。而秸稈生物量作為還田措施的重要原材料，其數(shù)值大小與土壤肥力直接相關(guān)[17]。本試驗(yàn)中，單一缺素施肥處理對(duì)秸稈生物量產(chǎn)生顯著影響，其影響表現(xiàn)為N＞P＞K，這是由于各元素側(cè)重于作物的生長(zhǎng)方向有所差異，其中缺氮會(huì)使植株矮小、葉片黃綠、生長(zhǎng)緩慢，從而降低地上部生物量的積累，而磷肥能使作物生長(zhǎng)發(fā)育良好，對(duì)作物細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖起重要作用。綜合考慮制種玉米的生長(zhǎng)和產(chǎn)量等因素，制種玉米養(yǎng)分綜合限制因素第1限制因子是氮素，其次是磷素，最后是鉀素，這可能與當(dāng)?shù)氐耐寥览砘再|(zhì)和玉米品種有關(guān)。

3.2 不同施肥模式對(duì)制種玉米水分利用效率的影響

水分和養(yǎng)分是作物生長(zhǎng)過程中不可或缺的基礎(chǔ)資料投入，也是干旱地區(qū)限制作物產(chǎn)量的主要因子。王立為等[18]通過旱地農(nóng)田試驗(yàn)綜合考慮產(chǎn)量與水分利用效率得出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)不同降水量，適度施肥，以提高馬鈴薯田水分利用效率，從而達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)并節(jié)水保墑的目的；谷潔等[19]通過施肥和秸稈覆蓋復(fù)合旱作模式得出，在一定的施肥范圍內(nèi)，肥水互促協(xié)同，使作物水分利用效率隨著施肥量的增加而提高，氮磷鉀是作物必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素，合理配施營(yíng)養(yǎng)肥料可滿足玉米高產(chǎn)高效養(yǎng)分需求，進(jìn)而促進(jìn)作物高效光合能力[20]，膜下滴灌具有“少量多次”、均勻定量以及局部濕潤(rùn)作物根系的優(yōu)點(diǎn)，又能起到增溫保墑的效果，進(jìn)而達(dá)到增產(chǎn)增收、高效節(jié)水和節(jié)肥保肥的目的[21]。本研究通過膜下滴灌施肥，降低田間裸露度，進(jìn)而減少土壤蒸發(fā)量，改善土壤水熱，從而增強(qiáng)土壤微生物活性，有益于作物根系生長(zhǎng)[22]，促進(jìn)玉米對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素和水分的吸收，在高效光合能力的保障下使養(yǎng)分運(yùn)輸至玉米地上部各個(gè)器官，有助于各器官良好的生長(zhǎng)發(fā)育，從而在一定灌溉水平下增加作物產(chǎn)量，提高作物水分利用效率。

3.3 不同施肥模式肥料養(yǎng)分吸收及其利用效率分析

本研究得出制種玉米對(duì)養(yǎng)分吸收量表現(xiàn)出N＞K2O＞P2O5，孫寧科等[7]在質(zhì)地為中壤灌漠土的研究得出K2O＞N＞P2O5，與本研究結(jié)論有所不同，可能與施肥水平、土壤類型和肥力狀況有關(guān)。氮磷鉀配施有利于促進(jìn)制種玉米地上部分器官對(duì)養(yǎng)分的吸收和積累，配方和常規(guī)2種施肥模式下，氮磷鉀全素處理植株地上部分總吸氮量、吸磷量和吸鉀量均達(dá)到最大值。秸稈吸氮量和吸鉀量大于籽粒，而籽粒吸磷量大于秸稈?？梢?，制種玉米植株中氮和鉀養(yǎng)分主要轉(zhuǎn)移到秸稈中，而磷主要轉(zhuǎn)移到籽粒中，這可能是由于氮、磷、鉀不同的生理作用所致。

合理的氮磷鉀配施有利于促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用，平衡合理施肥能顯著提高肥料利用率[23]，本研究的2種施肥模式中，配方施肥處理養(yǎng)分吸收、肥料利用效率、農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力與常規(guī)施肥相比有不同程度的提高，可能是由于配方施肥更有助于促進(jìn)土壤-作物-肥料三元系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)調(diào)控，滿足制種玉米各個(gè)生育期的需肥規(guī)律，從而促進(jìn)制種玉米根系發(fā)育，使地上部各器官吸收更多的養(yǎng)分，達(dá)到增產(chǎn)的效果。

3.4 不同施肥模式對(duì)土壤肥力的影響

土壤水熱、有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀和pH等指標(biāo)的變化直接反映土壤肥力的等級(jí)變化，而土壤中外部養(yǎng)分的投入直接改變土壤的肥力，微生物種類及數(shù)量的多少直接影響土壤的供肥狀況[22]。已有大量研究表明，不同元素肥料的多施、少施乃至不施對(duì)土壤肥力均有著巨大影響[24]，適水適肥有利于作物根際微生物的生長(zhǎng)與繁殖[22]。本研究試驗(yàn)用地由于前期為傳統(tǒng)的農(nóng)民耕作種植方式，缺乏合理土壤管理措施，不利于根際微生物的活動(dòng)，導(dǎo)致土壤肥力低下。而氮磷鉀配方施肥模式可為微生物的生長(zhǎng)和繁殖營(yíng)造適宜的土壤環(huán)境條件，進(jìn)而促進(jìn)微生物對(duì)土壤養(yǎng)分的分解，加速了土壤養(yǎng)分的循環(huán)與利用，均能在提高作物產(chǎn)量的情況下提高土壤肥力，避免“土壤耗竭區(qū)”的形成，利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。并且，配方施肥的增產(chǎn)幅度與肥力提升水平均高于常規(guī)施肥，這是因?yàn)榕浞绞┓什捎盟蜀詈系牡喂喾绞?，為作物吸收養(yǎng)分創(chuàng)造了一個(gè)良好的土壤生態(tài)環(huán)境，一方面加速了土壤養(yǎng)分的循環(huán)與利用，另一方面提高了作物對(duì)水肥的高效吸收，更適合于提升當(dāng)?shù)赝寥婪柿Α?/p>

4 結(jié)論

氮磷鉀全素配方施肥是河西走廊沙壤土較為適宜的施肥模式，能顯著提高作物的經(jīng)濟(jì)效益和土壤肥力，較常規(guī)施肥處理分別提高9.94%和20.00%。