李永虎^1,2, 曹梦琳¹, 杜慧玲^,1, 郭平毅¹, 张海颖¹, 郭美俊¹, 原向阳^,11 山西农业大学农学院,山西太谷030801
2 祁县农业农村局,山西祁县030900

Effect of Fertilization Location and Amount on Dry Matter Accumulation, Translocation and Yield of Hybrid Millet

LI YongHu^1,2, CAO MengLin¹, DU HuiLing^,1, GUO PingYi¹, ZHANG HaiYing¹, GUO MeiJun¹, YUAN XiangYang^,1 1 College of Agronomy, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi
2 Qixian Agricultural and Rural Bureau, Qixian 030900, Shanxi

通讯作者: 杜慧玲,Tel：13663441812;E-mail：duhuiling66@163.com原向阳,Tel：13593100936;E-mail：yuanxiangyang200@163.com

责任编辑: 李莉
收稿日期:2019-06-11接受日期:2019-09-3网络出版日期:2019-11-16

基金资助:

国家谷子高粱产业技术体系.CARS-06-13.5-A28 国家自然科学基金.31301269 山西省农业科技攻关项目.20150311016-2 山西省重点研发项目.2015-TN-09 山西省重点研发计划(一般项目).201603D221003-2 山西省重点研发(农业)项目.201603D221007-2 山西省应用基础研究计划.201701D121099

Received:2019-06-11Accepted:2019-09-3Online:2019-11-16
作者简介 About authors
李永虎,Tel：15035621350;E-mail：sxqxnwlyh@163.com









摘要
【目的】研究氮、磷、钾施肥量和施肥位置对杂交谷子干物质累积、转化和产量的影响,为杂交谷子高产高效种植和研发轻简化栽培技术提供理论依据。【方法】 试验于2016—2017年在山西中部太谷县的山西农业大学创新园区进行,以张杂谷10号为试验材料,选择氮、磷、钾施用量、施肥水平距离和施肥深度5个因素,采用五因素五水平二次回归正交旋转组合设计,进行地膜覆盖田间小区试验。所有肥料全部作为底肥,氮肥为含46%N的尿素,磷肥为含16%P₂O₅的过磷酸钙,钾肥为含50%K₂O的硫酸钾。在谷子拔节、抽穗、开花、成熟期取有代表性的3穴植株用于测定干物质积累量,10月上旬收获,脱粒风干后称重、计产,用以研究施肥量和施肥位置对谷子不同生育时期干物质累积、转运和产量的影响。【结果】 （1）较高的产量水平需要较高的氮、磷、钾供肥水平,且磷钾比例相对较高。（2）对谷子干物质累积的影响依次为氮>磷>钾>施肥水平距离>施肥深度;对谷子干物质转运的影响依次为钾>施肥深度>磷>氮>施肥水平距离,对谷子产量的影响依次为氮>磷>钾>施肥深度>施肥水平距离。（3）氮、磷对谷子各个时期干物质累积均有极显著影响,营养生长阶段氮磷交互作用为负,生殖生长阶段氮磷交互作用为正。（4）随着生育时期的推移,钾、施肥水平距离、施肥深度对干物质累积的影响由负变正,且影响程度不断增大,最佳施肥位置与播种位置的距离先增大后减小。（5）5个因素与不同生育时期干物质累积、转运和产量的回归关系极显著,拟合程度较高,可用于实际生产预测。【结论】 山西省中部地膜覆盖条件下,张杂谷10号产量大于8 000 kg·hm ^-2的各因素取值的95%置信区间为施肥水平距离16.80—18.75 cm、施肥深度20.80—23.75 cm、施N 225 kg·hm ^-2、施P₂O₅136.35—153.63 kg·hm ^-2、施K₂O 93.56—108.63 kg·hm ^-2。
关键词： 杂交谷子;二次回归正交旋转组合设计;氮;磷;钾;施肥位置;干物质累积;产量

Abstract
【Objective】 This study was to probe the effects of nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer amount and location on dry matter accumulation, translocation and yield of hybrid millet, provide theoretical basis for high yield and efficient planting and development of light simplified cultivation techniques. 【Method】 Taking hybrid millet (Setaria italica) cultivar of Zhangzagu10 as the tested material, a field experiment, cultivated with plastic film mulching, was conducted during 2016-2017 at the Innovation Zone of Shanxi Agricultural University by quadratic regression orthogonal rotation combination design. These 5 factors included nitrogen, phosphorus, potassium fertilizer rates, the horizontal distance to seed and depth of application, and each factor had 5 levels. All the fertilizers were basal applied in the designed rate and position, Nitrogen fertilizer is urea containing 46%N, phosphate fertilizer is superphosphate containing 16%P₂O₅, and potassium is sulfate containing 50%K₂O. At elongation, heading, flowering, maturity, 3 clumps of millet plants were taken to examine dry matter accumulation. Harvested in early October, weighted and calculated the yield after threshing and drying, to study the effects of fertilization amount and fertilization position on dry matter accumulation, transport and yield in different growth stages of millet. The correlation between the tested index with the fertilizer rate and position were established using multivariate linear regression model 【Result】 (1) Higher yield levels requires higher supply levels of N, P and K, and the ratio of P and K increase relatively. (2) The order in the response degree on dry matter accumulation was nitrogen>phosphorus>potassium>fertilization horizontal distance>fertilization application depth; the order in the response degree on dry matter translocation was potassium>fertilization application depth>phosphorus>nitrogen>fertilization horizontal distance; the order in the response degree on yield was nitrogen>phosphorus>potassium>fertilization application depth>fertilization horizontal distance. (3) Nitrogen, phosphorus had an extremely significant effect on dry matter accumulation in main growth periods. The interaction between nitrogen and phosphorus in vegetative growth stage was negative, while in reproductive growth stage was positive. (4) As crop growth period goes on, the effects of potassium, fertilizer horizontal distance,and fertilizer application depth on dry matter accumulation change from negative to positive, and the degree of effect increases. The distance between the best fertilization location and the sowing location increased first and then decreased. (5) The regression between five factors and dry matter accumulation and translocation was extremely significant, and the fitting degree was higher. Therefore, it can be used in the actual production forecast. 【Conclusion】 Under the conditions of this experiment, the optimal scheme for Zhangzagu 10 was 16.80-18.75 cm of fertilization horizontal distance, 20.80-23.75 cm of fertilization application depth, 225 kg·hm ^-2 of N, 136.35-153.63 kg·hm ^-2 of P₂O₅, 93.56-108.63 kg·hm ^-2of K₂O.
Keywords：hybrid millet;quadratic regression orthogonal rotation combination design;nitrogen;phosphorus;potassium;location;dry matter accumulation;yield


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本文引用格式
李永虎, 曹梦琳, 杜慧玲, 郭平毅, 张海颖, 郭美俊, 原向阳. 施肥位置及施肥量对杂交谷子干物质累积、转运和产量的影响[J]. 中国农业科学, 2019, 52(22): 4177-4190 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.22.021
LI YongHu, CAO MengLin, DU HuiLing, GUO PingYi, ZHANG HaiYing, GUO MeiJun, YUAN XiangYang. Effect of Fertilization Location and Amount on Dry Matter Accumulation, Translocation and Yield of Hybrid Millet[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2019, 52(22): 4177-4190 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.22.021

0 引言

【研究意义】增加生物产量是提高作物产量的关键途径之一^[1,2],矿质营养的吸收、同化与转运直接影响着植株干物质积累与分配,进而影响产量^[3,4]。氮^{[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]}、磷^{[11,12,13,14]}、钾肥^[3,15-16]对作物干物质的累积和转运均有显著影响。深施肥料可以提高水稻^[17]、小麦^[18,19]、玉米^[20]、大豆^[21]等作物的产量和肥料利用效率,降低环境污染风险^[22]。应用“4R”养分管理策略^[23],在合理的施肥水平距离深施肥料,使肥料呈条带状施于耕层,利于小麦^[19,24-25]、油菜^[25]、大豆^[21,26]、水稻^{[27,28,29,30,31]}等根系吸收利用,可提高肥料利用率和产量。谷子是黄土高原的主要作物之一,杂交谷子干物质积累量比普通谷子有明显优势^[32],且经济系数较高^[33],推广面积不断增大。通过对杂交谷子不同生育时期干物质累积、转运和产量的研究,确定最佳施肥位置、供肥强度及肥料配比,对于提高肥料利用效率、丰富谷子高产高效理论、研发轻简化栽培技术均具有重要意义。【前人研究进展】古世禄等^[34]研究谷子全生育期干物质变化规律发现,总干物质积累存在着缓慢增长期、直线增长期和复缓增长期3个阶段。不同时期干物质分配中心各异。在总干物质中,开花前积累量占55%—60%,花前光合产物对穗粒贡献率为8%—10%。刘鑫等^[32]研究发现增加植株干物质生产对谷穗干物重的提高有密切关系。张艾英等^[35]研究确定常规春谷最佳施氮量为120 kg·hm^-2,于亚军等^[36]认为在纯N 120 kg·hm^-2、P₂O₅ 108 kg·hm^-2时谷子水肥利用效率和产量较高。众多研究表明,杂交谷子需肥量较大。张亚琦等^[37]设定P₂O₅ 180 kg·hm^-2、K₂O 300 kg·hm^-2,推荐纯N 300 kg·hm^-2为张杂谷5号的高产高效施肥量。在山西省太谷县,杨艳君等^[38]采用通用旋转组合设计,确定张杂谷5号产量大于6 200 kg·hm^-2的施肥组合为施纯N 187—198 kg·hm^-2、P₂O₅90—97 kg·hm^-2、K₂O 55—59 kg·hm^-2;冯志威等^[39]则认为张杂谷5号要达到最高产量水平（6 629 kg·hm^-2）,需要纯N 175.0 kg·hm^-2、P₂O₅ 94.3 kg·hm^-2、喷施6-BA 11.8 mg·L^-1。【本研究切入点】前人结合施肥对杂交谷子干物质累积与分配的影响规律研究较少,特别是以农艺农机融合为目的、综合考虑施肥数量和位置开展的研究仍鲜见报道。【拟解决的关键问题】本研究选择氮、磷、钾施用量、施肥水平距离和施肥深度5个因素,采用五因素五水平二次回归正交旋转组合设计,探索杂交谷子在不同氮、磷、钾施用量、施肥水平距离和施肥深度下干物质累积、转运和产量的变化规律,优选出高产高效的肥料配方、肥料用量和施肥位置,明确杂交谷子高产高效的施肥管理技术,为谷子轻简化栽培技术的进一步研发提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2016—2017年在山西中部太谷县的山西农业大学创新园区（37°24′N,112°17′E）进行,试验地前茬为玉米,土壤为石灰性褐土,有机质含量19.47 g·kg^-1,全氮1.126 g·kg^-1,碱解氮85.25 mg·kg^-1,有效磷19.67 mg·kg^-1,速效钾150.8 mg·kg^-1,pH 7.78。供试品种为张杂谷10号。

1.2 试验设计

试验设施肥水平距离（X₁）、施肥深度（X₂）和氮肥（X₃）、磷肥（X₄）、钾肥（X₅）施用量5个因素,每个因素5个水平（表1）。采用二次回归正交旋转组合设计,共36个试验处理组合,小区面积21 m²（3.5 m×6 m）,随机区组排列,重复3次,周围设保护行。所有肥料全部作为底肥,氮肥为尿素（含46%N）;磷肥为过磷酸钙（含16%P₂O₅）;钾肥为硫酸钾（含50%K₂O）。为保证出苗整齐一致,2016年5月13日补灌1次,灌水量为45 mm。2016年5月19日人工开沟,按方案中施肥水平距离、施肥深度将肥料均匀施入开好的沟内,埋土垫平,覆盖幅宽为80 cm的地膜。2016年5月21日破膜播种,统一行距50 cm、穴距22.5 cm。出苗后4—6叶期统一间苗,每穴留苗2株,各处理留苗密度一致,均为17.78万株/hm²。期间不浇水不追肥,人工中耕除草2次,其他措施按照当地的田间管理进行。2017年重复2016年试验,并选用2016年最优组合进行验证试验,5月22日播种,小区面积21 m²（3.5 m×6 m）,验证试验6个小区。

Table 1
表1
表1试验因素水平与编码表
Table 1Levels and codes of experimental factors

编码Code	施肥水平距离 Row spacing (cm)	施肥深度 Plant spacing (cm)	N (kg·hm-2)	P2O5 (kg·hm-2)	K2O (kg·hm-2)
-2	5	10	0	0	0
-1	10	15	75	45	45
0	15	20	150	90	90
1	20	25	225	135	135
2	25	30	300	180	180
△j	5	5	75	45	45

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1.3 测定项目与测定方法

1.3.1 干物质累积与转运测定 于6月下旬（拔节期）、7月下旬（抽穗期）、8月上旬（开花期）、9月下旬（成熟期）调查各处理的叶龄、茎蘖数,各处理选择有代表性的3穴,测定形态指标并采集植株样品,其中拔节期取整株,抽穗期按叶、茎秆、叶鞘分样,开花期按穗、叶、茎秆、叶鞘分样,成熟期按穗轴+颖壳、叶、茎秆、叶鞘和籽粒分样,105℃杀青30 min,70℃烘至恒重,称干重并按以下公式计算：

孕穗期干物质积累量（kg·hm^-2）=抽穗期地上部干物质积累量–拔节期地上部干物质积累量;

抽穗灌浆期干物质积累量（kg·hm^-2）=开花期地上部干物质积累量–抽穗期地上部干物质积累量;

籽粒形成期干物质积累量（kg·hm^-2）=成熟期地上部干物质积累量–开花期地上部干物质积累量;

干物质转运量（kg·hm^-2）=开花期地上部干物质积累量–成熟期地上部营养器官干物质积累量（穗轴+颖壳+叶+茎秆+叶鞘）。

1.3.2 成熟期籽粒产量的测定 谷子成熟后,调查每公顷成穗数、穗粒数和千粒重,每个试验小区收获3 m×3行脱粒,自然风干至籽粒含水量为12.5%左右时称重,并折算成公顷产量。

1.4 数据处理

2个试验年度的试验结果基本一致,主要以2017年的结果进行分析（表2）。采用SAS9.0统计软件进行相关分析,确定干物质积累量、转运量和产量之间的相关系数。通过回归分析建立5个因素与各生育阶段干物质积累量、干物质转运量、产量之间的回归方程,对所建模型进行主分量分析回归诊断,迭代逐次逼近求解得出极大值及各极大值的措施组合。根据响应面回归分析结果,作单因素和交互作用效应的等值线图,将α定为0.10,对单因素和交互作用的效应进行分析。对所建产量模型进行处理组合的模拟寻优,用频率分析及统计寻优求得在95%的置信区间接近最高产量的措施组合。

Table 2
表2
表2设计方案及经济产量与各生育阶段干物质积累量、转运量分析结果
Table 2Program and experimental results of dry matter accumulation, translocation and yield(kg·hm^-2)

No.	X1	X2	X3	X4	X5	干物质积累量 dry matter accumulation at different growth stages				转运量 Dry matter translocation	籽粒产量 Grain yield
						拔节前 Sowing-elongation	孕穗期 Elongation-heading	抽穗灌浆期 Heading-flowering	籽粒形成期 Flowering-maturity
1	-1	-1	-1	-1	1	392.0	3203.1	1281.0	2952.9	1005.4	3958.3
2	-1	-1	-1	1	-1	624.9	5046.2	1441.8	3509.3	1786.9	5296.2
3	-1	-1	1	-1	-1	528.0	5278.5	1759.7	3868.4	1206.8	5075.2
4	-1	-1	1	1	1	531.6	6288.3	2389.9	5671.1	1604.6	7275.7
5	-1	1	-1	-1	-1	383.1	3069.3	1296.1	3117.3	1000.8	4118.1
6	-1	1	-1	1	1	428.4	4737.5	1812.7	4100.4	1047.4	5147.8
7	-1	1	1	-1	1	442.7	5279.9	1801.0	5044.4	1098.0	6142.4
8	-1	1	1	1	-1	548.4	6455.6	2258.3	6061.3	1419.7	7481.0
9	1	-1	-1	-1	-1	346.7	3329.1	1330.7	3203.6	1027.9	4231.5
10	1	-1	-1	1	1	447.1	4752.8	1928.1	4176.0	1003.9	5179.9
11	1	-1	1	-1	1	436.4	5400.5	1746.2	5126.2	1081.8	6208.0
12	1	-1	1	1	-1	542.2	6516.4	2343.2	6000.9	1559.6	7560.5
13	1	1	-1	-1	1	327.1	3718.0	1539.0	3637.3	516.8	4154.1
14	1	1	-1	1	-1	472.9	5360.2	1849.6	4502.2	1314.7	5816.9
15	1	1	1	-1	-1	456.0	6037.2	2066.8	4558.2	1200.4	5758.6
16	1	1	1	1	1	459.6	6342.5	2474.3	7335.1	833.4	8168.5
17	-2	0	0	0	0	508.4	5111.0	1858.9	4832.9	1446.4	6279.3
18	2	0	0	0	0	471.1	5285.2	2301.5	5916.4	880.2	6796.6
19	0	-2	0	0	0	501.3	5283.0	1965.9	4798.2	1361.4	6159.6
20	0	2	0	0	0	470.2	5347.9	2316.2	6109.3	715.8	6825.1
21	0	0	-2	0	0	380.4	2824.9	1229.4	2519.1	753.5	3272.6
22	0	0	2	0	0	507.6	6052.7	2291.7	5808.0	1149.4	6957.4
23	0	0	0	-2	0	372.4	4043.9	1439.7	3507.6	999.5	4507.1
24	0	0	0	2	0	534.2	6139.5	2240.0	5963.6	1334.2	7297.8
25	0	0	0	0	-2	512.9	5273.0	1656.8	4585.8	1418.8	6004.6
26	0	0	0	0	2	427.6	5632.1	1838.0	5136.0	911.3	6047.3
27	0	0	0	0	0	512.9	5176.4	2128.8	5951.1	1012.5	6965.0
28	0	0	0	0	0	493.3	5673.6	2172.8	6160.0	1038.0	7207.7
29	0	0	0	0	0	504.9	6281.8	2331.8	6376.9	1508.1	7890.1
30	0	0	0	0	0	474.7	6258.5	2345.2	6365.3	1379.1	7746.0
31	0	0	0	0	0	519.1	5780.8	2240.7	5603.6	1643.3	7251.2
32	0	0	0	0	0	463.1	6274.3	2251.8	6233.8	1420.0	7633.5
33	0	0	0	0	0	544.9	6228.8	2276.8	5953.8	1609.8	7576.3
34	0	0	0	0	0	473.8	6130.1	2280.6	6049.3	1624.7	7656.2
35	0	0	0	0	0	485.3	6068.3	2185.3	5770.7	1338.9	7105.8
36	0	0	0	0	0	560.9	6065.5	2259.7	5790.7	1568.2	7366.2

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2 结果

2.1 杂交谷子籽粒产量与各生育时期干物质积累量的相关性

计算谷子籽粒产量与干物质拔节前积累量、孕穗期积累量、抽穗灌浆期积累量、籽粒形成期积累量、干物质总量、转运量的相关系数分别为0.65、0.93、0.94、0.97、0.98和0.47,均为极显著正相关,说明张杂谷10号较高的产量主要归因于总生物量上的优势以及较好的籽粒灌浆与结实性。籽粒产量与籽粒形成期干物质累积量的相关系数远远大于与转运量的相关系数,说明增加籽粒形成期的光合生产是提高作物籽粒产量的关键途径。

2.2 拔节前干物质累积与氮、磷、钾施用量和施肥位置的关系

通过回归分析,建立5个因素与张杂谷10号谷子拔节前干物质积累量的回归方程：Y=503.234028- 19.404167X₁-16.370833X₂+32.379167X₃+44.445833X₄-25.329167X₅-3.301042X₁²-4.301042X₂²-14.738542X₃²-12.413542X₄²-8.176042X₅²+13.568750X₁X₂+4.881250X₁X₃-1.993750X₁X₄+8.881250X₁X₅+4.231250X₂X₃- 8.893750X₂X₄+2.006250X₂X₅-19.106250X₃X₄+1.793750X₃X₅-12.881250X₄X₅,模型P值小于0.0001和决定系数为0.9198,失拟的P值为0.8548,说明回归有效。主分量回归诊断,方差膨胀因子均表现为0<VIF<10,条件指数CIN₍₂₁₎<10,可认为自变量间不相关,模型存在最大值和相应的最佳处理。迭代逐次逼近求解得出张杂谷10号拔节前干物质积累量最大的农艺方案为X₁=-1.93、X₂=-1.98、X₃=-0.50、X₄=1.94和X₅=-1.94,即施肥水平距离5.45 cm、施肥深度10.52 cm、施N 82.70 kg·hm^-2、施P₂O₅ 176.12 kg·hm^-2、施K₂O 1.09 kg·hm^-2,此时拔节前干物质积累量为790.62 kg·hm^-2。

对拔节前干物质累积的影响,单因素磷（P<0.0001）、氮（P = 0.0004）、钾（P = 0.0074）极显著,施肥水平距离（P=0.0385）、施肥深度（P=0.0708）达显著水平。由图1-a可以看出,在设计范围内,固定其他4个因素在零水平时,拔节前地上部干物质积累量随施氮、施磷水平的提高而迅速增长,当施氮、施磷水平超过一定值后开始缓慢下降;随施肥水平距离、施肥深度、施钾水平的增加,拔节前地上部干物质积累量逐渐降低,且降低幅度逐步增加。

图1

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图1单因素对张杂谷10号各生育期干物质累积、转运及产量的影响

Fig. 1Effects of single factor on dry matter accumulation, translocation and yield of Zhangzagu 10



施肥水平距离与施肥深度（P=0.0701）、氮与磷（P=0.0150）、磷与钾（P=0.0839）的互作对拔节前干物质累积有显著影响（图2-a）,当其他因素在零水平时,拔节期施肥水平距离与施肥深度的交互作用等高线的脊线夹角为锐角,可判断该相互作用为正交互作用。随施肥水平距离和施肥深度的增加,干物质积累量呈逐渐减小的趋势;施肥水平距离/施肥深度低水平时,随施肥深度/施肥水平距离增加,干物质积累量逐渐减小;施肥水平距离/施肥深度高水平时,随施肥深度/施肥水平距离增加,干物质积累量均先增加后减小。结果表明,在试验范围内随施肥位置与播种位置距离的延伸,拔节前干物质积累量逐渐减小。

图2

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图2交互作用对各生育期干物质累积及产量的影响

a：施肥水平距离×施肥深度之于拔节前干物质积累;b：N×P₂O₅之于拔节前干物质积累;c：P₂O₅×K₂O之于拔节前干物质积累;d：N×P₂O₅之于孕穗期干物质积累;e：N×P₂O₅之于抽穗灌浆期干物质积累;f：N×K₂O之于抽穗灌浆期干物质积累;g：P₂O₅×K₂O之于抽穗灌浆期干物质积累;h：N×P₂O₅之于籽粒形成期干物质积累;i：N×K₂O之于籽粒形成期干物质积累;j：N×P₂O₅之于产量;k：N×K₂O之于产量
Fig. 2Effects of mutual interaction on dry matter accumulation in main growth periods and yield

a: Fertilization horizontal distance × application depth on dry matter accumulation in Sowing-Elongation; b: N×P₂O₅ on dry matter accumulation in Sowing- Elongation; c: P₂O₅×K₂O on dry matter accumulation in Sowing-Elongation; d: N×P₂O₅ on dry matter accumulation in Elongation-Heading; e: N×P₂O₅ on dry matter accumulation in Heading- Flowering; f: N×K₂O on dry matter accumulation in Heading- Flowering; g: P₂O₅×K₂O on dry matter accumulation in Heading- Flowering; h: N×P₂O₅ on dry matter accumulation in Flowering-Maturity; i: N×K₂O on dry matter accumulation in Flowering-Maturity; j: N×P₂O₅ on yield; k: N×K₂O on yield


在拔节前,当其他因素在零水平时,随磷与氮、钾水平的提高,干物质积累量呈先增后降的趋势（图2-b和图2-c）。互作等高线的脊线夹角均为钝角,可判断2个相互作用为负。低磷/低氮水平下氮/磷对干物质积累量的增加效应更明显,低磷高氮或高磷低氮,均可以提高干物质积累量;高磷/低钾水平下钾/磷对干物质积累量的增加效应更明显,高磷低钾有利于提高干物质积累量。说明拔节前,干物质产量对磷肥较敏感,且应适当控氮降钾。

2.3 谷子孕穗期干物质累积与施用量和施肥位置的关系

通过回归分析,建立5个因素与张杂谷10号谷子孕穗期干物质积累量的回归方程：Y=5974.338194+ 101.945833X₁+54.795833X₂+868.262500X₃+598.962500X₄-27.154167X₅-169.719792X₁²-140.382292X₂²-359.544792X₃²-196.319792X₄²-106.107292X₅²+108.306250X₁X₂-6.856250X₁X₃-75.606250X₁X₄-43.018750X₁X₅+4.856250X₂X₃-37.568750X₂X₄-19.931250X₂X₅-185.656250X₃X₄-36.443750X₃X₅-71.5437500X₄X₅,模型P值小于0.0001和决定系数为0.9566,失拟的P值为0.7077,说明回归有效。主分量回归诊断多重共线性较弱,模型存在最大值和相应的最佳处理。迭代逐次逼近求解得出张杂谷10号孕穗期干物质积累量最大的农艺方案为X₁=0.17、X₂=0.18、X₃=0.94、X₄=1.17、X₅=-0.73,即施肥水平距离15.86 cm、施肥深度20.90 cm、施N 220.83 kg·hm^-2、施P₂O₅ 142.55 kg·hm^-2、施K₂O 58.56 kg·hm^-2,此时孕穗期干物质积累量为6 577.85 kg·hm^-2。

对孕穗期干物质积累量的影响,单因素氮（P<0.0001）、磷（P<0.0001）极显著,施肥水平距离（P=0.0886）达显著水平。由图1-b可以看出,在设计范围内,固定其他4个因素在零水平时,施肥水平距离、施肥深度、氮、磷、钾施用量对孕穗期干物质积累量的影响均呈抛物线状,即随各单因素水平的提高,孕穗期干物质积累量均先逐渐增加至一定值后开始下降,其中氮、磷的变化幅度较大。

氮与磷的互作对孕穗期干物质累积的影响显著（P=0.0383）。图2-d可以看出,当其他因素在零水平时,孕穗期氮与磷交互作用为负,随氮与磷水平的增加,干物质积累量呈先增后降的趋势。低磷/低氮水平下氮/磷对干物质积累量的增加效应更明显,说明低磷高氮/高磷低氮,均可以提高干物质积累量,即氮和磷对孕穗期干物质累积有替代效应,以中高水平的磷和氮获得的干物质产量最高。

2.4 谷子抽穗灌浆期干物质积累与施用量和施肥位置的关系

通过回归分析,建立5个因素与张杂谷10号谷子抽穗灌浆期干物质积累量的回归方程：Y=2247.130556 +88.441667X₁+65.741667X₂+270.208333X₃+219.916667X₄+41.183333X₅-41.458333X₁²-26.245833X₂²-121.370833X₃²-101.545833X₄²-124.658333X₅²+17.862500X₁X₂-24.637500X₁X₃+9.225000X₁X₄-26.962500X₁X₅-9.650000X₂X₃-18.337500X₂X₄-19.600000X₂X₅+31.662500X₃X₄-41.200000X₃X₅+49.887500X₄X₅,模型P值小于0.0001和决定系数为0.9877,失拟的P值为0.7276,说明回归有效。主分量回归诊断多重共线性较弱,模型存在最大值和相应的最佳处理。迭代逐次逼近求解得出张杂谷10号抽穗灌浆期干物质积累量最大的农艺方案为施肥水平距离22.02 cm、施肥深度27.19 cm、施N 227.19 kg·hm^-2、施P₂O₅ 139.24 kg·hm^-2、施K₂O 84.76 kg·hm^-2,此时抽穗灌浆期干物质积累量为2 623.53 kg·hm^-2。

对抽穗灌浆期干物质积累量的影响,施肥水平距离（P<0.0001）、施肥深度（P=0.0022）、氮（P<0.0001）、磷（P<0.0001）、钾（P<0.0001）均极显著。由图1-c可以看出,固定其他4个因素在零水平时,施肥水平距离、施肥深度、氮、磷、钾施用量对抽穗灌浆期干物质积累量的影响均呈抛物线状,即随各单因素水平的提高,抽穗灌浆期干物质积累量均先逐渐增加至一定值后开始下降。

对抽穗灌浆期干物质累积的影响,磷与钾（P=0.0063）的互作极显著,氮与磷（P=0.0621）、氮与钾（P=0.0192）的互作显著（图2-e—图2-g）,当其他因素在零水平时,在抽穗灌浆期,随氮与磷、氮与钾、磷与钾的增加,干物质积累量均呈先增后降的趋势,3个交互作用分别为正、负、正。说明在抽穗灌浆期,干物质产量对磷与钾的比例更敏感,氮、磷、钾都不能过量施用,获得最高干物质产量需要中高水平的氮和磷、中等水平的钾。

2.5 谷子籽粒形成期干物质积累与氮、磷、钾施用量和施肥位置的关系

通过回归分析,建立5个因素与张杂谷10号谷子孕穗期干物质积累量的回归方程：Y=6035.152778+ 265.891667X₁+269.583333X₂+876.850000X₃+615.000000X₄+180.108333X₅-177.166667X₁²-157.391667X₂²-479.941667X₃²-336.929167X₄²-305.604167X₅²-49.725000X₁X₂+33.500000X₁X₃+70.612500X₁X₄+49.825000X₁X₅+51.062500X₂X₃+89.725000X₂X₄+33.387500X₂X₅+193.400000X₃X₄+134.612500X₃X₅-50.275000X₄X₅,模型P值小于0.0001和决定系数为0.9850,失拟的P值为0.9080,说明回归有效。主分量回归诊断多重共线性较弱,模型存在最大值和相应的最佳处理。迭代逐次逼近求解得出张杂谷10号孕穗期干物质积累量最大的农艺方案为施肥水平距离20.45 cm、施肥深度27.31 cm、施N 258.29 kg·hm^-2、施P₂O₅ 161.67 kg·hm^-2、施K₂O 119.43 kg·hm^-2,此时孕穗期干物质积累量为7 549.32 kg·hm^-2。

对籽粒形成期干物质积累量的影响,施肥水平距离（P=0.0002）、施肥深度（P=0.0002）、氮（P<0.0001）、磷（P<0.0001）、钾（P<0.0001）均极显著。由图1-d可以看出,在设计范围内,固定其他4个因素在零水平时,施肥水平距离、施肥深度、氮、磷、钾施用量对籽粒形成期干物质积累量的影响均呈抛物线状,即随各单因素水平的提高,籽粒形成期干物质积累量均先逐渐增加至一定值后开始下降。

对籽粒形成期干物质累积的影响,氮与磷（P=0.0034）的互作极显著、氮与钾（P=0.0286）的互作显著（图2-h—图2-i）,当其他因素在零水平时,在籽粒形成期,随氮与磷、氮与钾的增加,干物质积累量均呈先增后降的趋势,2个交互作用均为正。图2-h中低磷/低氮或高磷/高氮水平下氮/磷对干物质积累量均先增加后减小,图2-i也表现出相似趋势。说明在籽粒形成期,干物质产量对氮与磷的比例更敏感,氮、磷、钾都不能过量施用,中高水平的氮和磷、中等水平的钾易获得较高的干物质积累量。

2.6 谷子总干物重与氮、磷、钾施用量和施肥位置的关系

通过回归分析,建立5个因素与张杂谷10号谷子干物质积累总量的回归方程：Y=14760+436.875000X₁+ 373.750000X₂+2047.700000X₃+1478.325000X₄+168.808333X₅-391.645833X₁²-328.320833X₂²-975.595833X₃²-647.208333X₄²-544.545833X₅²+90.012500X₁X₂+6.887500X₁X₃+2.237500X₁X₄-11.275000X₁X₅+50.500000X₂X₃+24.925000X₂X₄-4.137500X₂X₅+20.300000X₃X₄+58.762500X₃X₅-84.812500X₄X₅,模型P值小于0.0001和决定系数为0.9856,失拟的P值为0.9517,说明回归有效。主分量回归诊断多重共线性较弱,模型存在最大值和相应的最佳处理。迭代逐次逼近求解得出张杂谷10号干物质积累总量最大的农艺方案为施肥水平距离18.37 cm、施肥深度24.01 cm、施N 231.27 kg·hm^-2、施P₂O₅ 142.45 kg·hm^-2、施K₂O 94.29 kg·hm^-2,此时谷子干物质积累总量为17 036 kg·hm^-2。

对谷子干物质积累总量的影响,施肥水平距离（P=0.0008）、施肥深度（P=0.0039）、氮（P<0.0001）、磷（P<0.0001）、钾（P=0.0006）均极显著。由图1-e可以看出,在设计范围内,固定其他4个因素在零水平时,施肥水平距离、施肥深度、氮、磷、钾施用量对谷子干物质积累总量的影响均呈抛物线状,即随各单因素水平的提高,干物质积累总量均先逐渐增加至一定值后开始下降。

2.7 谷子干物质转运与氮、磷、钾施用量和施肥位置的关系

通过回归分析,建立5个因素与张杂谷10号干物质转运量的回归方程：Y=1397.445139-115.145833X₁- 130.704167X₂+87.179167X₃+129.237500X₄-139.187500X₅-37.492708X₁²-68.667708X₂²-90.455208X₃²-36.605208X₄²-37.055208X₅²+14.368750X₁X₂+20.206250X₁X₃-41.431250X₁X₄-62.993750X₁X₅+2.693750X₂X₃-52.118750X₂X₄-34.656250X₂X₅-48.231250X₃X₄+49.256250X₃X₅-53.606250X₄X₅,模型P值和决定系数分别为0.0145和0.8060,失拟的P值为0.8137,说明回归有效。主分量回归诊断多重共线性较弱,模型存在最大值和相应的最佳处理。迭代逐次逼近求解得出张杂谷10号干物质转运量最大的农艺方案为施肥水平距离7.93 cm、施肥深度12.99 cm、施N 114.45 kg·hm^-2、施P₂O₅ 179.68 kg·hm^-2、施K₂O 9.1 kg·hm^-2,此时干物质转运量为2 052.85 kg·hm^-2。

对谷子干物质转运量的影响,施肥深度（P= 0.0704）、磷（P=0.0809）、钾（P=0.0559）达显著水平。由图1-f可以看出,在设计范围内,固定其他4个因素在零水平时,施肥水平距离、施肥深度、氮对干物质转运量的影响呈抛物线状;随磷的增加,干物质转运量逐渐增加,但增加幅度逐步减小;随钾的增加,干物质转运量逐渐减少,且减少幅度逐步增大。

2.8 谷子籽粒产量与氮、磷、钾施用量和施肥位置的关系

通过回归分析,建立5个因素与张杂谷10号谷子孕穗期干物质积累量的回归方程：Y₁₇=7432.597917+ 150.745833X₁+138.879167X₂+964.029167X₃+744.237500X₄+40.920833X₅-214.659375X₁²-226.059375X₂²-570.396875X₃²-373.534375X₄²-342.659375X₅²-35.356250X₁X₂+53.706250X₁X₃+29.181250X₁X₄-13.168750X₁X₅+53.756250X₂X₃+37.606250X₂X₄-1.268750X₂X₅+145.168750X₃X₄+183.868750X₃X₅-103.881250X₄X₅,模型P值小于0.0001和决定系数为0.9847,失拟的P值为0.9796,说明回归有效。主分量回归诊断多重共线性较弱,模型存在最大值和相应的最佳处理。迭代逐次逼近求解得出2017年地膜覆盖张杂谷10号每公顷籽粒产量最大的农艺方案为施肥水平距离17.62 cm、施肥深度22.48 cm、施N 230.53 kg·hm^-2、施P₂O₅ 145.32 kg·hm^-2、施K₂O 96.77 kg·hm^-2,此时产量8 484.59 kg·hm^-2。使产量大于8 000 kg·hm^-2的优化因素取值的95%的置信区间为施肥水平距离15.80—18.75 cm、施肥深度20.80—23.75 cm、施N 225 kg·hm^-2、施P₂O₅135.45—159.12 kg·hm^-2、施K₂O 93.56—119.16 kg·hm^-2,N﹕P₂O₅﹕K₂O比例约为2.12﹕1.38﹕1。

对谷子籽粒产量的影响,施肥水平距离（P= 0.0029）、施肥深度（P=0.0024）、氮（P<0.0001）、磷（P<0.0001）、钾（P<0.0001）均极显著。由图1-g可以看出,在设计范围内,固定其他4个因素在零水平时,施肥水平距离、施肥深度、氮、磷、钾施用量对籽粒产量的影响均呈抛物线状,即随各单因素水平的提高,籽粒产量均先逐渐增加至一定值后开始下降。

氮与磷（P=0.0335）、氮与钾（P=0.0097）的互作对籽粒产量的影响显著（图2-j—图2-k）,当其他因素在零水平时,随氮与磷、钾的增加,谷子籽粒产量均呈先增后降的趋势,2个交互作用均为正。图2-j中低磷/低氮或高磷/高氮水平下增加氮/磷,籽粒产量均先增加后减小;图2-k中低钾/低氮或高钾/高氮水平下增加氮/钾,籽粒产量均先增加后减小;说明形成籽粒产量过程中,对氮、磷、钾的比例较敏感,都不能过量施用。获得较高的产量,需要中高水平的N、中高水平的P₂O₅和中水平的K₂O的组合。

3 讨论

3.1 N、P、K在谷子干物质产量累积、转运和产量形成中的作用

本研究表明,增加干物质产量特别是籽粒形成期干物质积累量是提高作物籽粒产量的关键途径,该结果与前人对水稻^[1]、玉米^[2,16]、小麦^[6]等的研究结论相吻合。本研究对干物质积累总量及籽粒形成期干物质累积的影响依次为氮>磷>钾,对谷子干物质转运的影响依次为钾>磷>氮,这表明氮和磷对谷子各个生育时期干物质积累、总干物重、籽粒产量均有极显著影响,且氮与磷的互作对各生育时期干物质的积累、籽粒产量也有显著影响。该结果与前人^{[35,36,37,38,39]}对谷子最佳施肥组合的研究结果基本一致,也与前人对小麦^[10]、玉米^[14]等禾谷类作物的研究结论相吻合。本研究中,随着施氮量的增加,各个生育时期干物积累量、总干物重、干物质转运量、籽粒产量均呈先升后降的趋势;随着施磷量的增加,孕穗期干物质积累量、抽穗灌浆期干物质积累量、籽粒形成期干物质积累量、总干物重、籽粒产量均呈先升后降的趋势,而拔节前干物质积累量和干物质转运量一直上升。

对同类杂交谷子的研究,杨艳君等^[38]研究认为氮对产量的影响最大,而冯志威等^[39]认为磷对产量的影响最大。本研究表明对籽粒产量的影响氮>磷,但对谷子干物质累积的影响,随生育时期的推进而不同。谷子拔节前,对谷子干物质积累量的影响磷>氮,且谷子抽穗之前,二者交互作用为负,低磷高氮或高磷低氮,均可以获得较高的干物质积累量,二者对谷子干物质累积有替代作用。抽穗灌浆期、籽粒形成期二者交互作用为正,氮和磷均为中高水平才能获得较高的干物质产量,且此阶段对干物质累积的影响氮>磷,对干物质转运的影响磷>0.1>氮,说明在生殖生长阶段,中高水平的氮有利于维持较高的干物质生产水平,中高水平的磷有利于干物质转运,二者协同促进谷子干物质产量累积、转运和产量的形成。

本研究表明,钾对谷子干物质积累量的影响主要在拔节前和生育后期。随着作物生育时期的推移,钾对谷子干物质累积的影响由负变正且其影响程度不断增大。拔节之前,随施钾量的增加,干物积累量逐渐减少;拔节之后,随施钾量的增加,各生育时期干物积累量、总干物重、籽粒产量均呈先升后降的趋势。钾对谷子干物质转运的影响大于氮和磷,钾与氮、磷的互作,对抽穗灌浆期、籽粒形成期干物质积累量、籽粒产量有显著影响,且钾与氮的互作方向从抽穗灌浆期到籽粒形成期由负转正,说明施钾不但可以提高杂交谷子干物质的转运率,还能协调氮、磷的积累和分配,有助于增加生育后期特别是籽粒形成期干物质积累量,该结果与李文娟等^[15]在玉米上的研究结论相吻合。

3.2 高产谷子最佳施肥水平及比例

张亚琦^[37]等推荐纯N 300 kg·hm^-2、P₂O₅ 180 kg·hm^-2、K₂O 300 kg·hm^-2为张杂谷5号的高产高效施肥量,产量为8 202 kg·hm^-2。杨艳君等^[38]等研究确定张杂谷5号产量大于6 200 kg·hm^-2的施肥组合为施纯N 187—198 kg·hm^-2、P₂O₅ 90—97 kg·hm^-2、K₂O 55—59 kg·hm^-2。冯志威等^[39]研究认为张杂谷5号要达到最高产量水平（6 629 kg·hm^-2）,需要N 175. 0 kg·hm^-2、P₂O₅ 94.3 kg·hm^-2、喷施6-BA 11. 8 mg·L^-1。本研究中,张杂谷10号产量大于8 000 kg·hm^-2的施肥方案为施N 225 kg·hm^-2、施P₂O₅ 136.35—153.63 kg·hm^-2、施K₂O 93.56—108.63 kg·hm^-2。该产量水平和N、P₂O₅、K₂O施用量均高于同一试验区域杨艳君等^[38]和冯志威等^[39]在同类品种上试验得出的研究结果;同时该产量水平与张亚琦等^[37]同类品种试验的产量结果相当,但肥料施用量低于张亚琦等^[37]的结论,可能与地域及品种差异有关。结果表明,追求杂交谷子更高产量,需要更高的氮磷钾供肥水平,且磷钾比例相对提高;氮磷钾最佳施肥水平及比例因地域和品种有所不同,因地制宜选择不同品种可以在较低的供肥水平条件下获得较高的产量。

3.3 施肥位置对谷子干物质产量累积、转运和产量的影响

前人^{[17,18,19,20,21,22]}关于施肥深度的研究结果表明,合适的施肥位置有利于作物地上部干物质积累量的提高,尤其促进开花后干物质的积累,但结合施肥水平距离研究施肥位置对干物质累积影响的成果较少。本试验结果中,对干物质累积的影响,施肥水平距离>施肥深度,对谷子干物质转运的影响,施肥深度>施肥水平距离。随着作物生育时期的推移,施肥位置对干物质累积的影响由负变正且其程度先减小后增大,同时最佳施肥位置与播种位置的距离先增大后减小。随施肥水平距离的增加,拔节前干物质积累量逐渐减少,孕穗期干物质积累量、抽穗灌浆期干物质积累量、总干物重、干物质转运量、籽粒产量均先升后降,籽粒形成期干物质积累量逐渐增加;随施肥深度的增加,拔节前干物质积累量逐渐减少,孕穗期、抽穗灌浆期、籽粒形成期干物质积累量和总干物重、干物质转运量、籽粒产量均先升后降;施肥水平距离与施肥深度的互作对拔节前干物质累积的影响达到显著水平,且作用为正。说明在一定范围内随施肥水平距离和施肥深度增加,杂交谷营养生长阶段干物质积累量减少,但生殖生长阶段干物质积累量和籽粒产量有一定程度的提高。该结果与温樱等^[19]在研究冬小麦干物质积累量和产量时认为“底肥单层条施时,在一定范围内随施肥深度增加,冬小麦分蘖和成穗数减少,但穗粒数显著增加,开花后干物质同化量提高,籽粒产量仍有一定程度的提高”的结论相吻合。

本研究所确定的拔节前干物质积累量最大的农艺方案中施肥深度和施肥水平距离与前人研发的小麦^[24,25]、油菜^[25]、大豆^[26]、水稻^{[27,28,29,30,31]}侧深施肥播种机配置较接近,但最佳农艺方案中施肥水平距离和施肥深度均有所增加。除了作物品种差异之外,可能在于前人研发的侧深施肥播种机主要用于水地或水浇地施种肥。而本研究着眼于旱作谷子,全部肥料一次性底施,施肥位置应与需肥量较大的抽穗灌浆期、籽粒形成期谷子根系生长发育及需肥规律相匹配,因此,最佳施肥位置与播种位置的距离较远。

4 结论

氮、磷、钾施用量及其配比、施肥水平距离和施肥深度均对张杂谷10号干物质累积、转运和产量有显著影响。各生育时期中,最佳施肥水平距离的最大值出现在抽穗灌浆期,最佳施肥深度、氮、磷、钾施用量的最大值均出现在籽粒形成期。干物质累积总量和产量的最优农艺组合中各个因素的数值居于抽穗灌浆期和籽粒形成期的数值之间,杂交谷子要取得较高的干物质积累和产量,施肥位置和施肥量运筹管理的重点应考虑生育后期需求。推荐张杂谷10号的最佳农艺方案为施肥水平距离16.80—18.75 cm、施肥深度20.80—23.75 cm、施N 225 kg·hm^-2、施P₂O₅136.35—153.63 kg·hm^-2、施K₂O 93.56—108.63 kg·hm^-2。

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在宁南(海原)旱农试验区,通过谷子生育期补充灌水模拟当地不同降水年型,研究了不同水肥配合对谷子产量、水分利用效率(WUE)及旗叶光合特性的影响.结果表明:在欠水年型(不补灌)和平水年型(中补灌和高补灌)水分条件下,谷子产量和WUE的最高值均在中肥水平(N120 kg/hm2,P2O5108 kg/hm2)时获得.然而,在欠水年型,从施肥增加当季作物产量和提高有限水分利用效率方面考虑,中肥水平的施肥量并不经济,而应适当减少施肥量,以节约农业生产成本,但从培肥地力的角度看,这种施肥水平是可取的.在丰水年型(高补灌)水分供应条件下,高肥水平(N180 kg/hm2,P2O5162 kg/hm2)可使谷子产量达到最高,而中肥水平WUE却最高,因此,从提高旱作农田作物WUE和肥料利用效率角度看,施中等肥量更为合理.不同水肥条件通过改善土壤水分状况而改善作物净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr),在水分亏缺的年份,作物受土壤水分胁迫严重,施肥对Pn和Tr的效应不明显;但当土壤水分供应状况较好时, Pn和Tr随施肥量的增加有增加趋势.
YU Y J, LI J, JIA Z K, WANG L . Effect of different water and fertilizer on yield, WUE and photosynthetic characteristics of millet in Southern Ningxia Semi-arid Area
Research of Soil and Water Conservation, 2006,13(2):87-90. (in Chinese)
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在宁南(海原)旱农试验区,通过谷子生育期补充灌水模拟当地不同降水年型,研究了不同水肥配合对谷子产量、水分利用效率(WUE)及旗叶光合特性的影响.结果表明:在欠水年型(不补灌)和平水年型(中补灌和高补灌)水分条件下,谷子产量和WUE的最高值均在中肥水平(N120 kg/hm2,P2O5108 kg/hm2)时获得.然而,在欠水年型,从施肥增加当季作物产量和提高有限水分利用效率方面考虑,中肥水平的施肥量并不经济,而应适当减少施肥量,以节约农业生产成本,但从培肥地力的角度看,这种施肥水平是可取的.在丰水年型(高补灌)水分供应条件下,高肥水平(N180 kg/hm2,P2O5162 kg/hm2)可使谷子产量达到最高,而中肥水平WUE却最高,因此,从提高旱作农田作物WUE和肥料利用效率角度看,施中等肥量更为合理.不同水肥条件通过改善土壤水分状况而改善作物净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr),在水分亏缺的年份,作物受土壤水分胁迫严重,施肥对Pn和Tr的效应不明显;但当土壤水分供应状况较好时, Pn和Tr随施肥量的增加有增加趋势.

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