氮磷钾配施对制种玉米产量及经济效益的影响

时间：2024-05-24

李龙肖让张永玲

（1高台县农业技术推广中心，734300，甘肃张掖；2河西学院土木工程学院/河西走廊水资源保护利用研究所，734000，甘肃张掖）

甘肃河西内陆灌区是典型的灌溉农业区，地势平坦、日照充足、昼夜温差大且气候干燥多风。目前已形成以武威市和张掖市为主导的河西走廊制种基地[1]。制种玉米作为该区农作物的“粮食”，水肥管理措施是最重要的农事投入，对作物生长及释放高产潜力、提升经济效益有重要意义。长期以来，在制种玉米生产过程中，由于缺少科学的指导和合理的管理模式，过分追求制种玉米经济效益，使得化肥用量不断增加。施肥可满足制种玉米的养分需求，显著提高玉米产量，但不合理的施肥给土壤和制种玉米带来了各种负面影响，问题日益突出，如养分冗余和多渠道大量流失带来的经济效益问题，土壤酸化、板结、盐碱化和养分平衡失调导致玉米根系死亡、茎叶黄化、植株矮小、枯死和土壤环境恶化等问题。当地农业生产中，人们往往习惯把重点放在偏施氮肥上，不注重追肥的方式和施用量，忽略了氮、磷、钾合理配施对玉米产量、养分吸收及生长发育的影响，导致玉米产量不高，经济潜力受到制约[2]。马星竹等[3]研究了氮肥施用量对春玉米产量的影响；赵霞[4]分析了制种玉米的水肥利用效率；漆栋良等[5]探究了灌溉制度对制种玉米产量的影响；钱秋华等[6]探究了生物炭对玉米生长的影响。制种玉米的相关研究多集中于单一养分、外物添加和灌溉制度变化对玉米的影响。为完善施肥体系，本试验开展氮、磷、钾多层次配施对制种玉米生长、产量、肥料利用和水分利用效率的田间研究，为建立合理的氮、磷、钾配施模式、释放制种玉米高产潜力和完善制种玉米施肥体系提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验田位于甘肃省张掖市甘州区党寨镇田家闸村（100°6′～100°52′E，38°32′～39°24′N），海拔1474m，属于温带大陆性气候区，多年平均气温7.25℃，7月份最热，月平均气温23.9℃，1月份最冷，月平均气温-10.1℃，年均降水量97.6mm。2018年降水量118.2mm，蒸发量1898.5mm，试验期间降雨量、气温及蒸发量状况如图1所示。土壤类型为沙壤土，地势平坦，一年一熟制种植，试验区0～20cm土层基本理化性质如表1。

表1 供试土壤理化性质Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

图1 作物生长期间降雨量、平均气温和蒸发量Fig.1 Precipitation,mean temperature and evaporation during crop growth

1.2 试验材料

供试作物：制种玉米（NC242）。

供试肥料：尿素（含N 46%）、重过磷酸钙（含P2O546%）和硫酸钾（含K2O 50%）。

1.3 试验设计

试验共设9个处理，每个处理重复3次，试验设计见表2。各处理随机区组排列，小区面积35.0m2（7.0m×5.0m），区组间沟宽1.0m，各小区之间挖沟覆膜隔离，深度0.6m，小区四周筑埂，埂高0.4m，宽0.5m。

表2 试验设计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日压地、覆膜、地表铺设滴灌带，采用膜下滴灌灌水方法；4月17日种植母本；4月26日第1次种植父本，4月30日第2次种植父本，单行父本采用行比种植法（1:5），分期插播，收获日期为10月13日-20日。制种玉米行距0.45m，株距0.20m，母本种植密度为8×104株/hm2，总种植密度105万株/hm2，小区铺设7行膜，每行膜种植2行。磷、钾肥全部作基肥，其中，常规施肥中氮肥基肥用量138.0kg/hm2，追施用量276.0kg/hm2，行播浅施；氮、磷、钾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。追肥施用时间分别在拔节期、大喇叭口期和开花期，比例为3:4:3。生育期内灌溉7次，分别为播种后51、65、73、90、98、108和116d，每次灌水定额分别为 457.4、571.7、232.9、457.4、522.0、514.5和502.9m3/hm2，灌溉定额为3258.8m3/hm2。

1.5 测定指标及方法

1.5.1 作物生物量及产量成熟期在各小区中间选取有代表性的植株27株，并进行考种，测其株高。将植株分剪，108℃杀青30min，然后75℃烘干至恒重，测定秸秆生物量。考种指标包括制种玉米穗长、行粒数和穗粒数。小区选取中间4行，进行田间测产，自然晒干后脱粒，计算单株产量，按14%水分折算单位面积产量。

1.5.2 作物养分玉米秸秆和籽粒中的全量氮、磷、钾均应H2SO4-H2O2消煮，分别采用凯氏蒸馏法、钒钼黄比色法和火焰光度计法测定氮、磷和钾含量[7]。

作物养分吸收量计算公式[8]如下：

式中，ω为作物养分吸收量（kg/hm2），G1为籽粒养分浓度（%），M1为籽粒干质量（kg/hm2），G2为茎叶养分浓度（%），M2为茎叶干质量（kg/hm2）。

1.5.3 水分利用效率当地地下水埋深为6～7m，故忽略地下水补给，采用滴灌，故忽略地表径流及深层渗漏。计算公式[9]如下：

式中，ET为蒸散发总耗水量（mm），I和P分别为灌溉水量（mm）和有效降雨量（mm），ΔW为研究时段始末土壤贮水量变化量（mm）；WUE为水分利用效率（kg/m3），Y为籽粒产量（kg/hm2）。

1.5.4 肥料利用指标肥料利用率（RE）是指作物所能吸收肥料养分的百分比[10]。

式中，RE为氮（磷、钾）肥利用率（%），V为全素区玉米吸氮（磷、钾）总量（kg/hm2），V0为无氮（磷、钾）区玉米吸氮（磷、钾）总量（kg/hm2），F0为全素区氮（磷、钾）养分投入量（kg/hm2）。

肥料偏生产力（PFP）指施用某一特定肥料下作物产量与施肥量的比值（kg/kg），100kg籽粒产量养分吸收量指形成100kg经济产量作物全株养分吸收量，计算方法[11]如下：

式中，ω100为100kg籽粒产量养分吸收量（kg），ω为作物养分吸收量（kg/hm2），M1为籽粒干质量（kg/hm2），Y为作物产量（kg/hm2），F为施肥量（kg/hm2）。

肥料农学效率（AE）指作物施肥后增加的产量与施肥量的比值[12]。肥料生理利用率（PE）指作物地上部每吸收单位肥料中的养分所获得的籽粒产量的增加量[13]。

两式中，Y为施肥处理的作物产量（kg/hm2），Y0为不施肥处理的作物产量（kg/hm2），F为施肥量（kg/hm2），U为施肥处理收获时地上部的养分吸收总量（kg/hm2），U0为未施肥处理收获时地上部的养分吸收总量（kg/hm2）。

1.5.5 土壤肥力评价土壤肥力作为释放作物高产潜力、提高土壤生产力的重要指标，利用土壤养分分等定级评价体系为此供试土壤进行评价，其中，土壤养分指标评分规则、指标权重和等级划分规则分别见表3和表4[14]。土壤养分综合指数采用加法模型计算，如下式：

表3 土壤养分指标评分及权重Table 3 Soil nutrient index score and weight

表4 土壤养分等级划分规则Table 4 Rules for grading soil nutrients

式中，I为土壤养分综合指数；Fi为第i个指标评分值；Wi为第i个指标的权重。

1.6 数据处理

采用Excel 2010软件进行数据处理，采用SPSS 25.0进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥模式对制种玉米产量及其构成因素的影响

表5显示，大部分处理玉米穗长差异不显著。其他性状对不同施肥处理响应不同，T4处理平均株高较T8处理增加2.72%（P＜0.01），配方施肥缺素区株高为179.0～186.5cm，较常规施肥缺素区株高增加1.5%～2.8%，差异显著（P＜0.05）；T4处理平均穗位高较T8处理提高3.17%（P＜0.01），但同一施肥模式下，其平均穗位高表现为T4＞T3＞T1＞T2和T8＞T7＞T5＞T6；T4处理穗粒数最多，其次为T8处理，T9处理最少，T4处理较T8处理增加2.44%（P＜0.01）；T4处理产量最高；T4处理平均产量较T8处理提高7.83%（P＜0.01），其平均产量表现为T4＞T3＞T2＞T1和T8＞T7＞T6＞T5。

表5 不同施肥处理玉米农艺性状、产量及水分利用效率Table 5 Maize agronomic traits,yield and water use efficiency under different fertilization treatments

2.2 不同施肥模式对制种玉米水分利用效率的影响

如表5所示，氮磷钾配施模式下的T4处理水分利用效率最高，与其他缺素处理存在极显著差异（P＜0.01），配方施肥区水分利用效率为1.32～1.61kg/m3，较常规施肥区水分利用效率（1.17～1.50kg/m3）提高7.3%～12.8%（P＜0.01），较不施肥区提高33.3%～62.6%（P＜0.01），常规施肥区水分利用率较不施肥区提高16.2%～53.1%（P＜0.01），表明氮磷钾合理配施对制种玉米水分利用效率存在显著影响。

2.3 不同施肥模式下对肥料养分吸收及其利用效率的分析

由表6可知，T4处理N、P和K吸收量较T8处理分别提高了11.8%、16.8%和16.6%，T4处理每100kg玉米籽粒纯N、P2O5和K2O吸收量分别为6.7、1.1和4.1kg，N、P2O5和K2O的比例约为6.1:1:3.7，T8处理每形成100kg玉米籽粒时纯N、P2O5和K2O吸收量分别为6.5、1.0和3.8kg，秸秆吸氮量和吸钾量大于籽粒，而吸磷量籽粒大于秸秆。结果表明玉米植株中氮和钾养分主要转移到秸秆中，而磷主要转移到籽粒中。

表6 不同施肥处理玉米氮、磷、钾养分吸收量Table 6 Nutrient uptake amount of N,P and K in maize under different fertilization treatments

由表7可知，氮磷钾配方施肥较常规施肥N、P和K化肥利用率分别提高了5.9%、67.3%和70.2%（P＜0.05），氮磷钾配方施肥较常规施肥P肥偏生产力极显著提高了61.5%（P＜0.01），N和P农学效率分别提高了16.0%和82.4%（P＜0.01），表明氮磷钾合理配施可促进玉米对养分的吸收，提高化肥利用率和肥料农学效率，能充分发挥各类肥料的生产力。

表7 不同施肥模式肥料养分利用率参数Table 7 Parameters of fertilizer nutrient utilization in different fertilization modes

2.4 不同施肥模式下对制种玉米的经济效益及土壤肥力的分析

由表8可知，常规施肥与氮磷钾配方施肥的净产值分别为23 296.80与25 613.10元/hm2，氮磷钾配方施肥的净增产值为2316.30元/hm2。与常规施肥相比，配方施肥的肥料成本有所降低，玉米产量及其产值增加，所以氮磷钾全素配方施肥是一种具有提高经济效益的适宜施肥模式。

表8 氮磷钾配施模式下玉米的经济效益Table 8 Economic benefit of maize under formula fertilization mode

由表9可知，玉米种植前土壤肥力处于低等级中间标准，为贫瘠土壤。在进行常规施肥与配方施肥种植后，土壤肥力较种植前有较大幅度提升。其中，常规施肥后土壤肥力虽仍处于低级标准，但土壤养分综合指数较种植前提高12.5%；氮磷钾全素配方施肥后土壤肥力提高为中级标准，土壤养分综合指数较种植前提高35.0%，就土壤肥力情况而言，氮磷钾配方施肥处理土壤肥力提升幅度较大，是较优的施肥模式。

表9 氮磷钾配施模式下玉米种植前后土壤肥力评价Table 9 Evaluation of soil fertility before and after maize planting under formula fertilization mode

3 讨论

3.1 不同施肥模式对制种玉米生长及产量的影响

氮磷钾全素配方施肥对制种玉米生长和产量影响显著。研究[15]表明，氮磷钾配方施肥对提高作物产量及其构成因素有积极作用。有研究[15-16]表明，不同肥料及配施方式在一定程度上影响着玉米的株高、穗位、棒3叶叶面积和穗长。本研究中，氮磷钾全素配方施肥和常规施肥模式中，均以氮、磷、钾全素施肥处理的作物株高最高，缺钾处理次之，缺磷再次之，缺氮处理最低（表5）。对比分析不同施肥处理之间的穗位高可知，磷肥对作物穗部性状的改善效果最佳，氮肥次之，钾肥最小。这可能是由于磷肥具有能使作物茎枝坚韧和促使花芽形成的作用。通过对比不同处理间的穗粒数和产量可知，穗粒数与作物产量具有一致性，均是氮肥贡献能力高于磷肥和钾肥。而秸秆生物量作为还田措施的重要原材料，其数值大小与土壤肥力直接相关[17]。本试验中，单一缺素施肥处理对秸秆生物量产生显著影响，其影响表现为N＞P＞K，这是由于各元素侧重于作物的生长方向有所差异，其中缺氮会使植株矮小、叶片黄绿、生长缓慢，从而降低地上部生物量的积累，而磷肥能使作物生长发育良好，对作物细胞的生长和增殖起重要作用。综合考虑制种玉米的生长和产量等因素，制种玉米养分综合限制因素第1限制因子是氮素，其次是磷素，最后是钾素，这可能与当地的土壤理化性质和玉米品种有关。

3.2 不同施肥模式对制种玉米水分利用效率的影响

水分和养分是作物生长过程中不可或缺的基础资料投入，也是干旱地区限制作物产量的主要因子。王立为等[18]通过旱地农田试验综合考虑产量与水分利用效率得出农业生产中应根据不同降水量，适度施肥，以提高马铃薯田水分利用效率，从而达到稳产并节水保墒的目的；谷洁等[19]通过施肥和秸秆覆盖复合旱作模式得出，在一定的施肥范围内，肥水互促协同，使作物水分利用效率随着施肥量的增加而提高，氮磷钾是作物必需的大量营养元素，合理配施营养肥料可满足玉米高产高效养分需求，进而促进作物高效光合能力[20]，膜下滴灌具有“少量多次”、均匀定量以及局部湿润作物根系的优点，又能起到增温保墒的效果，进而达到增产增收、高效节水和节肥保肥的目的[21]。本研究通过膜下滴灌施肥，降低田间裸露度，进而减少土壤蒸发量，改善土壤水热，从而增强土壤微生物活性，有益于作物根系生长[22]，促进玉米对营养元素和水分的吸收，在高效光合能力的保障下使养分运输至玉米地上部各个器官，有助于各器官良好的生长发育，从而在一定灌溉水平下增加作物产量，提高作物水分利用效率。

3.3 不同施肥模式肥料养分吸收及其利用效率分析

本研究得出制种玉米对养分吸收量表现出N＞K2O＞P2O5，孙宁科等[7]在质地为中壤灌漠土的研究得出K2O＞N＞P2O5，与本研究结论有所不同，可能与施肥水平、土壤类型和肥力状况有关。氮磷钾配施有利于促进制种玉米地上部分器官对养分的吸收和积累，配方和常规2种施肥模式下，氮磷钾全素处理植株地上部分总吸氮量、吸磷量和吸钾量均达到最大值。秸秆吸氮量和吸钾量大于籽粒，而籽粒吸磷量大于秸秆。可见，制种玉米植株中氮和钾养分主要转移到秸秆中，而磷主要转移到籽粒中，这可能是由于氮、磷、钾不同的生理作用所致。

合理的氮磷钾配施有利于促进作物对养分的吸收和利用，平衡合理施肥能显著提高肥料利用率[23]，本研究的2种施肥模式中，配方施肥处理养分吸收、肥料利用效率、农学效率、偏生产力与常规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进土壤-作物-肥料三元系统的养分循环调控，满足制种玉米各个生育期的需肥规律，从而促进制种玉米根系发育，使地上部各器官吸收更多的养分，达到增产的效果。

3.4 不同施肥模式对土壤肥力的影响

土壤水热、有机质、氮、磷、钾和pH等指标的变化直接反映土壤肥力的等级变化，而土壤中外部养分的投入直接改变土壤的肥力，微生物种类及数量的多少直接影响土壤的供肥状况[22]。已有大量研究表明，不同元素肥料的多施、少施乃至不施对土壤肥力均有着巨大影响[24]，适水适肥有利于作物根际微生物的生长与繁殖[22]。本研究试验用地由于前期为传统的农民耕作种植方式，缺乏合理土壤管理措施，不利于根际微生物的活动，导致土壤肥力低下。而氮磷钾配方施肥模式可为微生物的生长和繁殖营造适宜的土壤环境条件，进而促进微生物对土壤养分的分解，加速了土壤养分的循环与利用，均能在提高作物产量的情况下提高土壤肥力，避免“土壤耗竭区”的形成，利于农业可持续发展。并且，配方施肥的增产幅度与肥力提升水平均高于常规施肥，这是因为配方施肥采用水肥耦合的滴灌方式，为作物吸收养分创造了一个良好的土壤生态环境，一方面加速了土壤养分的循环与利用，另一方面提高了作物对水肥的高效吸收，更适合于提升当地土壤肥力。