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水肥配合对马铃薯水分利用效率的影响


水肥配合对马铃薯水分利用效率的影响
摘 要:以水肥耦合为中心,以早熟马铃薯为供试材料,采用五因素五水平正交旋转组合 回归设计方法,通过旱棚控制条件下的盆栽试验,研究探讨了不同水肥条件下,马铃薯对水 分的利用状况。结果表明:(1)试验条件下,五个因素影响 WUE 大小的顺序为:补水量(X2) >补水肥时期(X1)>施氮量(X3)>有机肥(X5)>施钾量(X4)。(2)补水肥时期在与其他因子 的交互作用中,表现极为重要,与水,氮,有机肥均有较好的交互效应。水、氮及有机肥与 补水肥时期的耦合关系基本一致,即:投入量少时,应采用中重施用;投入多时,采用后重 或均施方式, 其最佳效应值分别在后述情况下实现, 于块茎形成—膨大期重施或均施化肥及 补水;施肥以次高水平和高水平为佳,补水则以中高水平最好。(3)水与氮的配合中,高水 高肥效应最好,中水中肥与低水低肥有较好的效应值,高水低肥或高肥低水配合,会大幅度 降低 WUE。(4)有机无机配合以中高用量的有机肥和中高用量的钾肥配合的效应最好,两者 有互补性。 关键词:马铃薯;水肥条件;水分利用效率 近年来,水分利用效率(WUE)的研究已成为国内外半干旱和半湿润地区生物学和农 业研究的一个热点。美国、澳大利亚、以色列等国都在综合提高水分利用率研究方面取得很 大进展, 并已在农业生产中发挥了作用, 目前已开始把注意力转向如何改善植物蒸腾效率本 身[1]。例如,以色列在大幅度增加农田蒸腾/蒸发比例、改善和提高灌溉水利用率上取得 举世公认的成就之后认为,致力于提高单位蒸腾水的生产能力(WUE 的一种表述),才能在进 一步大幅度减少农业用水方面取得新的突破[2]。在我国,通过无机营养的调节、供水方 法的改进来改善 WUE 以促进农业增产是近几年 WUE 研究内容的重要组成部分。山仑综合 20 年次的试验资料,认为高肥处理与低肥处理相比,WUE 可提高 35%~75%,其他一些研究也支 持这一结论[3~6]。一些研究认为,在作物需水关健期进行有限供水是提高 WUE、增加产 量的有效节水措施[7,8]。但这些研究多从养分或水分单方面来考察其对 WUE 的影响,供 试材料也多为玉米、小麦。针对此状况,作者在前人研究的基础上,以马铃薯为供试作物, 研究探讨了养分与水分在施(补)量和施(补)时期的耦合作用下对 WUE 的影响, 进行了多因素 多水平的综合试验研究。 1 材料和方法 在固原生态站旱棚控制条件下进行盆栽试验。盆栽土样,淡黑垆土,采自上黄村川 台地。 土样过筛后, 装于直径为 25cm, 30cm 的塑料盆体中, 高 每盆装土 10kg, 含水量 8.466%,

每日补水以保持含水量为 12%,称重法计算耗水量,生育期管理同大田。 1.1 供试土壤与肥料及供试材料 供试土壤有机质含量 11.1g/kg,碱解氮 7.45mg/100g 土,7.21mgOlsen-P/kg,速效 K164.84mg/kg。 以尿素、氯化钾、普钙作为供试肥料,其中普钙按 0.108gP2O5/kg 全部底施。马铃 薯采用早熟品种,生育期 115d。温床催芽,萌芽后移入营养钵中育苗,幼苗长至 3 片完全 叶左右,进行移栽。 1.2 试验设计 盆栽试验采用五因素五水平的二次回归正交旋转组合试验设计。 试验因素为:补水肥时期(X1),补水量(X2),施氮量(X3),施钾量(X4),有机肥施 用量(X5),各因素五水平的试验值的具体安排见表 1。 表 1 马铃薯决策变量水平编码表 变量名称 变化间距 设 计 水 平 -2 -1 0 1 2 补水肥时期 X1 1 1 2 3 4 5

补水量 X2(kg/pot) 1.350 0.900 2.250 3.600 4.950 6.300 施氮量 X3(gN/kg) 0.054 0.054 0.108 0.162 0.216 0.270 施钾量 X4(gK2O/kg) 0.054 0.054 0.108 0.162 0.216 0.270 有机肥施用量 X5(g/kg) 3.375 6.750 10.125 13.500 16.875 20.250 其中, 补水肥时期的五个水平为表述方便起见, 按水肥补施量及重点补施时期分别 称为一次处理(在移栽时全补或全施);前重,中重,后重(分别指在移栽、块茎形成期、膨 大期补施设计量的 50%、25%、25%;25%、50%、25%;25%、25%、50%)及均匀处理(在移栽、 块茎形成期、开花期、膨大期各补或施 25%的设计量)。

2 试验结果与分析 在旱棚进行盆栽试验,得到的 WUE(g/kg)结果见表 2。用二次正交旋转组合设计统 计分析程序在微机上回归模拟,得到 WUE(W)与补水肥时期(X1)、补水量(X2)、施氮量(X3)、 施钾量(X4)、有机肥施用量(X5)之间的回归模型。经 F 检验,模型的回归关系达到极显著水 平(F=5.78,F0.05=2.33,F0.01=3.36),能反应不同水肥条件对 WUE 的影响。 模型为:

W=9.76+0.55X1+0.59X2+0.48X3+0.35X4+0.39X5+0.42X1X2 +0.44X1X3-0.30X1X4+0.47X1X5+0.84X2X3-0.38X4X5 -0.337X21+0.343X23-0.26X24-0.28X25

(1) 表 2 五因子(1/2 实施)二次回归旋转正交组合及 WUE 试验号 X1 X2 X3 X4 X5 WUE(g/kg)

1 2 3 4 5 6 7 8

1 1 1 1

1 1

1

1

1 13.64

1 -1 -1 11.85 1 -1 8.95 1 10.97 1 -1 8.12 1 9.13 1 9.12

1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 1

1 -1 1 -1 1 -1 -1

1 -1 -1 -1 -1 7.87 1 1 1 1 -1 10.27 1 10.68 1 8.27

9 -1 10 -1 11 -1 12 -1

1 -1 1

1 -1

1 -1 -1 -1 7.61 1 1 1 7.88

13 -1 -1 14 -1 -1 15 -1 -1 -1

1 -1 -1 6.83 1 -1 10.61 1 8.75 0 0 0 0 0 0 -2 2 0 0 0 0 0 8.46 0 7.08 0 9.43 0 8.53 0 11.42 0 9.56

16 -1 -1 -1 -1 17 18 -2 19 20 21 22 0 0 -2 0 0 2 0 2 0 0 0

23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0

2

0 9.80 0 6.32 2 8.39

0 -2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 -2 7.64 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9.60 0 9.47 0 9.58 0 10.53 0 10.30 0 10.05 0 9.96 0 9.68 0 9.32 0 10.39

2.1 影响 WUE 的主因素效应分析 经过无量纲线性编码代换后, 偏回归系数已经标准化, 故直接比较其绝对值的大小, 就可以判断诸因素对水分利用效率的影响。 由回归方程 1 的一次项偏回归系数的绝对值大小 可知,试验中五个因素对 WUE 的影响程度依次为:补水量(X2,b2=0.59)>补水肥时期(X1, b1=0.55)>施氮量(X3,b3=0.48)>有机肥施用量(X5,b5=0.39)>施钾量(X4,b4=0.35) 2.2 影响 WUE 的单因素效应分析 运用降维法对回归方程进行降维, 得到各试验因子对马铃薯的 WUE 的一元二次回归 子模型。 补水肥时期 补水量 施氮量 施钾量 施有机肥量 W=9.76+0.55X1-0.337X21 W=9.76+0.59X2 W=9.76+0.48X3+0.343X23 W=9.76+0.35X4-0.26X24 W=9.76+0.39X5-0.28X25 (2) (3) (4) (5) (6)

根据式(2)~(6),分别代入—2,—1,0,1,2 的水平值,即可获得各因素在不同 水平下的 WUE 回归值,其变化趋势见图 1。

1.施氮量; 2.补水量; 3.施钾量; 4.有机肥施用量; 5.补水肥时期

图 1 决策因素对水分利用效率的影响 由图 1 可见:(1)各因子的作用线特征,X1,X ? 4,X ? 5 是报酬递减的抛物线型; X3 是报酬递增的抛物线型;X2 是主要限制因素,在本试验条件下呈等效递增线性关系。(2) 在试验范围内,氮(X3)作用最强,水次之,钾、有机肥和补水肥时期的作用再次之。在中低 水平范围内,钾的作用略强于有机肥的作用,大于补水肥时期的作用;有机肥的作用亦大于 补水肥时期的作用;在中高水平范围内,钾、有机肥和补水肥时期对 WUE 的作用相差无几。 2.3 影响 WUE 的交互效应分析 经 F 检验,达到极显著水平的交互项为 X2X3,达到显著标准的交互项为 X1X5,比 较显著的 X1X2、X1X3、X4X5。说明水与氮的交互效应极为重要,补水肥时期与水、氮、有 机肥的良好配合是提高 WUE 的重要途径。 降维获得两因子的耦合模型,并将它们不同水平下的 WUE 值列于表中,以供分析。 X1X2: W=9.76+0.55X1+0.59X2+0.42X1X2-0.337X21 (7) X1X3: W=9.76+0.55X1+0.48X3+0.44X1X3-0.337X21+0.343X23 (8) X1X5: W=9.76+0.55X1+0.39X5+0.47X1X5-0.337X21-0.28X25 (9) X2X3: W=9.76+0.59X2+0.48X3+0.84X2X3-0.343X23 (10) X4X5: W=9.76+0.35X4+0.39X5-0.38X4X5-0.26X24-0.28X25 (11) 2.3.1 补水肥时期与补水量的耦合作用 用方程 7 求得两者之间对 WUE 的耦合效应值, 列于表 3。为方便表述起见,下文中将各因素的各设计水平(-2,-1,0,1,2)分别称为低 水平、次低水平、中水平、次高水平和高水平。 表 3 不同补水肥时期与补水量耦合的水分利用效率(g/kg) 补水量 X2 补水肥时期 X1 -2 -1 0 1 2

-2 7.812 8.533 8.58 7.953 6.652 -1 7.562 8.703 9.17 8.963 8.082 0 7.312 8.873 9.76 9.973 9.512 1 7.062 9.043 10.35 10.983 10.942 2 6.812 9.213 10.94 11.993 12.372 由表 3 可见: (1)水量少时,后重施用及均施比前、中重施的 WUE 为低。低水时,前期一次施用 的 WUE 为 7.812g/kg;均匀施用的 WUE 最低,为 6.652g/kg,降低了 14.85%;次低水与中水 时,极高值均出现在后期施用,分别为 9.17g/kg、9.973g/kg,比前期集中施用分别提高 21.26%,36.39%;次高水与高水时,极高值则出现于后重和均匀处理,分别为 10.983g/kg、 12.372g/kg,比前期的极低值分别提高了 55.52%、81.62%。说明水少时前中重处理与水多 时后重施用或均施有利于提高 WUE,但水量的增加,加强了补水时期提高 WUE 的作用。 (2)高水前期一次施用或侧重前期施用, WUE 仅为 6.812g/kg; 若改为侧重块茎形成 期、膨大期施用或均匀施用,WUE 可提高 60.6%~81.62%,达到 11.993g/kg~12.372g/kg, 说明水分充分时,宜中后期重点施用,不宜前期重点施用,否则水分利用效率低。 2.3.2 补水肥时期与施氮量的耦合作用 方程 8 求得的耦合效应值见表 4。 表 4 不同补水肥时期与施氮量耦合的水分利用效率(g/kg) 施氮量 X3 补水肥时期 X1 -2 -1 0 1 2 -2 9.484 10.165 10.172 9.505 8.164 -1 8.055 9.176 9.623 9.396 8.495 0 7.312 8.873 9.76 9.973 9.512 1 7.255 9.256 10.583 11.236 11.215 2 7.884 10.325 12.092 13.185 13.604 施氮量与补水肥时期的关系和补水量与之的关系相似:氮少,宜早施;氮多,宜后 重施或均施。其规律叙述如下: (1)无论施氮多少,侧重于早、中、后其中一时期,分次施用比集中一次前期施用 效果好(低氮除外)。低肥时,分次且重施于移栽期或块茎形成期,WUE 比其他时期高,为 10.165g/kg、10.172g/kg。氮投入每提高一个水平,其最佳效应期后移一个时期,直至高氮

时,达到最高 WUE 即 13.604g/kg。 (2)WUE 的最低值出现在高肥集中前期施用与低肥均匀施用处理上,分别为 7.884g/kg、 8.164g/kg。 尤其是前一种情况, 与等氮量均施处理的 WUE 值(13.604g/kg)比较, 仅改变 1 次施用为 4 次均施,WUE 提高了近一倍;即使降低施氮量为次高肥与中肥,WUE 也 提高不少,分别为 12.092%、10.325%,达到中高程度的水分利用效率。 2.3.3 补水肥时期与有机肥的耦合作用 用方程 9 求出两者的耦合效应值,列于表 5 中。 表 5 不同补水肥时期与有机肥耦合的水分利用效率(g/kg) 补水量 X5 补水肥时期 X1 -2 -1 0 1 2 -2 7.292 7.913 7.863 7.133 5.732 -1 7.582 8.673 9.090 8.833 7.902 0 7.312 8.873 9.760 9.973 9.512 1 6.482 8.513 9.870 10.553 10.562 2 5.092 7.593 9.420 10.573 11.052 补水肥时期与有机肥施用量对 WUE 的耦合效应具有补水肥时期与水、 无机氮基本一 致的规律性即:有机肥投入少时,补水施化肥应分次且侧重于前期,中期;投入量多时,则 应分次重施后期或均匀施用。针对不同的有机肥投入量,确定补水施用无机肥时期,才能保 持较高的水分利用效率。 有机肥投入少时,补水施用化肥实行均匀方式以及投入多时采用前期集中施用方 式,WUE 均很低,为 5.092g/kg~5.732g/kg。WUE 以两因子的中高水平的配合为最佳,即有 机肥按次高、高水平投入时,水与无机化肥采用中、后重或均施的方式,可获得最高的 WUE 值,在 10.553g/kg~11.052g/kg 范围内。 2.3.4 补水量与施氮量的耦合作用 以方程 10 求得两因子对 WUE 的耦合值,见表 6。 表 6 不同补水量与施氮量的水分利用效率(g/kg) 施氮量 X3 补水量 X2 -2 -1 0 1 2 -2 9.608 8.518 7.428 6.338 5.248

-1 9.437 9.187 8.937 8.687 8.437 0 8.580 9.170 9.760 10.350 10.940 1 7.037 8.467 9.897 11.327 12.757 2 4.808 7.078 9.348 11.618 13.888 水与氮的耦合效应极其显著,不同配合,其效应值差异很大,从最低 4.808g/kg 到最高 13.888g/kg,相差近 3 倍。低水低肥配合的效应值为 9.60g/kg,几乎相当于中水中 肥配合的效应值。当水肥投入量比例失调,水平相距愈大,WUE 下降幅度愈大。如低肥高水 时及高肥低水时有最低值 5.248g/kg 和 4.808g/kg。 高水分利用效率的水肥最优组合区域为 中高肥与高水配合,WUE 高达 10.35g/kg~13.888g/kg。 2.3.5 无机钾肥与有机肥的耦合作用 以方程 11 求得两因子对 WUE 的耦合值, 见表 7。 表 7 不同无机钾与有机肥施用量的水分利用效率(g/kg) 有机肥 X5 无机钾肥 X4 -2 -1 0 1 2 -2 4.6 6.49 7.86 8.71 9.04 -1 6.59 8.10 9.09 9.56 9.51 0 8.02 9.15 9.76 9.85 9.42 1 8.89 9.64 9.87 9.58 8.77 2 9.20 9.57 9.42 8.75 7.56 无机钾肥与有机肥耦合的规律可以归纳为以下几点: (1)虽然无机、有机最差与最佳的耦合效应值相差 2 倍多,但其绝对数均不高,最 高效应值为 9.87g/kg,略高于效应域的中等程度。说明无机肥与有机肥的配合,对于 WUE 最主要的作用是保持 WUE 不致下降,而不是提高 WUE。 (2)无机钾肥与有机肥对 WUE 有互补性。当有机肥投入少时,加大无机钾肥的投入 可以弥补有机肥缺乏带来的后果,反之亦成立。如:有机肥为最低量时,施钾量达到最高水 平,或有机肥为最高量,施钾量降至最低时,可分别获得大致相等的效应值 9.04g/kg、 9.20g/kg,保持 WUE 不致大幅度下降。 3 小 结 (1)试验条件下,五个因素影响 WUE 大小的顺序为:补水量(X2)>补水肥时期(X1) >施氮量(X3)>有机肥量(X5)>施钾量(X4)。

(2)补水肥时期在与其他因子的交互作用中,表现极为重要,与水、氮、有机肥均 有较好的交互效应。水、氮及有机肥与补水肥时期的耦合关系基本一致。投入量少时,应采 用中重施用;投入多时,采用后重或均施方式,其最佳效应值分别在后述情况下实现:于块 茎形成-膨大期重施或均施化肥及补水,施肥以次高水平、高水平为佳;补水则以中高水平 最好。 (3)补水量与施氮量的配合中,高水高肥配合效应最好;中水中肥与低水低肥有较 好的效应值;高水低肥或高肥低水配合,会大幅度降低 WUE。 (4)有机无机配合以中高用量的有机肥和中高用量的钾肥配合的效应最好;两者有 互补性。 基金项目:国家“八五”科技攻关专题“黄土高原综合治理”固原试区课题 作者单位:何 华 陈国良 赵世伟(中国科学院 水利部水土保持研究所,陕西杨凌 712100)


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