水肥配合對馬鈴薯水分利用效率地影響

水肥配合對馬鈴薯水分利用效率的影響

2002-7-5何華陳國良趙世偉

摘要：以水肥耦合為中心，以早熟馬鈴薯為供試材料，采用五因素五水平正交旋轉(zhuǎn)組合回歸設(shè)計(jì)方法，通過旱棚控制條件下的盆栽試驗(yàn)，研究探討了不同水肥條件下，馬鈴薯對水分的利用狀況。結(jié)果表明：(1)試驗(yàn)條件下，五個(gè)因素影響WUE大小的順序?yàn)椋貉a(bǔ)水量(X2)＞補(bǔ)水肥時(shí)期(X1)＞施氮量(X3)＞有機(jī)肥(X5)＞施鉀量(X4)。(2)補(bǔ)水肥時(shí)期在與其他因子的交互作用中，表現(xiàn)極為重要，與水，氮，有機(jī)肥均有較好的交互效應(yīng)。水、氮及有機(jī)肥與補(bǔ)水肥時(shí)期的耦合關(guān)系基本一致，即：投入量少時(shí)，應(yīng)采用中重施用；投入多時(shí)，采用后重或均施方式，其最佳效應(yīng)值分別在后述情況下實(shí)現(xiàn)，于塊莖形成—膨大期重施或均施化肥及補(bǔ)水；施肥以次高水平和高水平為佳，補(bǔ)水則以中高水平最好。(3)水與氮的配合中，高水高肥效應(yīng)最好，中水中肥與低水低肥有較好的效應(yīng)值，高水低肥或高肥低水配合，會(huì)大幅度降低WUE。(4)有機(jī)無機(jī)配合以中高用量的有機(jī)肥和中高用量的鉀肥配合的效應(yīng)最好，兩者有互補(bǔ)性。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯；水肥條件；水分利用效率

近年來，水分利用效率(WUE)的研究已成為國內(nèi)外半干旱和半濕潤地區(qū)生物學(xué)和農(nóng)業(yè)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。美國、澳大利亞、以色列等國都在綜合提高水分利用率研究方面取得很大進(jìn)展，并已在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了作用，目前已開始把注意力轉(zhuǎn)向如何改善植物蒸騰效率本身［1］。例如，以色列在大幅度增加農(nóng)田蒸騰/蒸發(fā)比例、改善和提高灌溉水利用率上取得舉世公認(rèn)的成就之后認(rèn)為，致力于提高單位蒸騰水的生產(chǎn)能力(WUE的一種表述)，才能在進(jìn)一步大幅度減少農(nóng)業(yè)用水方面取得新的突破［2］。在我國，通過無機(jī)營養(yǎng)的調(diào)節(jié)、供水方法的改進(jìn)來改善WUE以促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)是近幾年WUE研究內(nèi)容的重要組成部分。山侖綜合20年次的試驗(yàn)資料，認(rèn)為高肥處理與低肥處理相比，WUE可提高35%～75%，其他一些研究也支持這一結(jié)論［3～6］。一些研究認(rèn)為，在作物需水關(guān)健期進(jìn)行有限供水是提高WUE、增加產(chǎn)量的有效節(jié)水措施［7，8］。但這些研究多從養(yǎng)分或水分單方面來考察其對WUE的影響，供試材料也多為玉米、小麥。針對此狀況，作者在前人研究的基礎(chǔ)上，以馬鈴薯為供試作物，研究探討了養(yǎng)分與水分在施(補(bǔ))量和施(補(bǔ))時(shí)期的耦合作用下對WUE的影響，進(jìn)行了多因素多水平的綜合試驗(yàn)研究。

1材料和方法

在固原生態(tài)站旱棚控制條件下進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。盆栽土樣，淡黑壚土，采自上黃村川臺地。土樣過篩后，裝于直徑為25cm，高30cm的塑料盆體中，每盆裝土10kg，含水量8.466%，每日補(bǔ)水以保持含水量為12%，稱重法計(jì)算耗水量，生育期管理同大田。

1.1供試土壤與肥料及供試材料

供試土壤有機(jī)質(zhì)含量11.1g/kg，堿解氮7.45mg/100g土，7.21mgOlsen-P/kg,速效K164.84mg/kg。

以尿素、氯化鉀、普鈣作為供試肥料，其中普鈣按0.108gP2O5/kg全部底施。馬鈴薯采用早熟品種，生育期115d。溫床催芽，萌芽后移入營養(yǎng)缽中育苗，幼苗長至3片完全葉左右，進(jìn)行移栽。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)采用五因素五水平的二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

試驗(yàn)因素為：補(bǔ)水肥時(shí)期(X1)，補(bǔ)水量(X2)，施氮量(X3)，施鉀量(X4)，有機(jī)肥施用量(X5)，各因素五水平的試驗(yàn)值的具體安排見表1。

表1馬鈴薯決策變量水平編碼表

變量名稱變化間距設(shè)計(jì)水平

-2-1012

補(bǔ)水肥時(shí)期X1112345

補(bǔ)水量X2(kg/pot)1.3500.9002.2503.6004.9506.300

施氮量X3(gN/kg)0.0540.0540.1080.1620.2160.270

施鉀量X4(gK2O/kg)0.0540.0540.1080.1620.2160.270

有機(jī)肥施用量X5(g/kg)3.3756.75010.12513.50016.87520.250

其中，補(bǔ)水肥時(shí)期的五個(gè)水平為表述方便起見，按水肥補(bǔ)施量及重點(diǎn)補(bǔ)施時(shí)期分別稱為一次處理(在移栽時(shí)全補(bǔ)或全施)；前重，中重，后重(分別指在移栽、塊莖形成期、膨大期補(bǔ)施設(shè)計(jì)量的50%、25%、25%；25%、50%、25%；25%、25%、50%)及均勻處理(在移栽、塊莖形成期、開花期、膨大期各補(bǔ)或施25%的設(shè)計(jì)量)。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

在旱棚進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，得到的WUE(g/kg)結(jié)果見表2。用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)分析程序在微機(jī)上回歸模擬，得到WUE(W)與補(bǔ)水肥時(shí)期(X1)、補(bǔ)水量(X2)、施氮量(X3)、施鉀量(X4)、有機(jī)肥施用量(X5)之間的回歸模型。經(jīng)F檢驗(yàn)，模型的回歸關(guān)系達(dá)到極顯著水平(F=5.78，F(xiàn)0.05=2.33，F(xiàn)0.01=3.36)，能反應(yīng)不同水肥條件對WUE的影響。

模型為：

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實(shí)施)二次回歸旋轉(zhuǎn)正交組合及WUE

試驗(yàn)號X1X2X3X4X5WUE(g/kg)

11111113.64

2111-1-111.85

311-11-18.95

411-1-1110.97

51-111-18.12

61-11-119.13

71-1-1119.12

81-1-1-1-17.87

9-1111-110.27

10-111-1110.68

11-11-1118.27

12-11-1-1-17.61

13-1-11117.88

14-1-11-1-16.83

15-1-1-11-110.61

16-1-1-1-118.75

17200008.46

18-200007.08

19020009.43

200-20008.53

210020011.42

2200-2009.56

23000209.80

24000-206.32

25000028.39

260000-27.64

27000009.60

28000009.47

29000009.58

300000010.53

310000010.30

320000010.05

33000009.96

34000009.68

35000009.32

360000010.39

2.1影響WUE的主因素效應(yīng)分析

經(jīng)過無量綱線性編碼代換后，偏回歸系數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，故直接比較其絕對值的大小，就可以判斷諸因素對水分利用效率的影響。由回歸方程1的一次項(xiàng)偏回歸系數(shù)的絕對值大小可知，試驗(yàn)中五個(gè)因素對WUE的影響程度依次為：補(bǔ)水量(X2，b2=0.59)>補(bǔ)水肥時(shí)期(X1，b1=0.55)>施氮量(X3，b3=0.48)>有機(jī)肥施用量(X5，b5=0.39)>施鉀量(X4，b4=0.35)

2.2影響WUE的單因素效應(yīng)分析

運(yùn)用降維法對回歸方程進(jìn)行降維，得到各試驗(yàn)因子對馬鈴薯的WUE的一元二次回歸子模型。

補(bǔ)水肥時(shí)期W=9.76+0.55X1-0.337X21(2)

補(bǔ)水量W=9.76+0.59X2(3)

施氮量W=9.76+0.48X3+0.343X23(4)

施鉀量W=9.76+0.35X4-0.26X24(5)

施有機(jī)肥量W=9.76+0.39X5-0.28X25(6)

根據(jù)式(2)～(6)，分別代入—2，—1，0，1，2的水平值，即可獲得各因素在不同水平下的WUE回歸值，其變化趨勢見圖1。

1.施氮量；2.補(bǔ)水量；3.施鉀量；

4.有機(jī)肥施用量；5.補(bǔ)水肥時(shí)期

圖1決策因素對水分利用效率的影響

由圖1可見：(1)各因子的作用線特征，X1，X4，X5是報(bào)酬遞減的拋物線型；X3是報(bào)酬遞增的拋物線型；X2是主要限制因素，在本試驗(yàn)條件下呈等效遞增線性關(guān)系。(2)在試驗(yàn)范圍內(nèi)，氮(X3)作用最強(qiáng)，水次之，鉀、有機(jī)肥和補(bǔ)水肥時(shí)期的作用再次之。在中低水平范圍內(nèi)，鉀的作用略強(qiáng)于有機(jī)肥的作用，大于補(bǔ)水肥時(shí)期的作用；有機(jī)肥的作用亦大于補(bǔ)水肥時(shí)期的作用；在中高水平范圍內(nèi)，鉀、有機(jī)肥和補(bǔ)水肥時(shí)期對WUE的作用相差無幾。

2.3影響WUE的交互效應(yīng)分析

經(jīng)F檢驗(yàn)，達(dá)到極顯著水平的交互項(xiàng)為X2X3，達(dá)到顯著標(biāo)準(zhǔn)的交互項(xiàng)為X1X5，比較顯著的X1X2、X1X3、X4X5。說明水與氮的交互效應(yīng)極為重要，補(bǔ)水肥時(shí)期與水、氮、有機(jī)肥的良好配合是提高WUE的重要途徑。

降維獲得兩因子的耦合模型，并將它們不同水平下的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補(bǔ)水肥時(shí)期與補(bǔ)水量的耦合作用用方程7求得兩者之間對WUE的耦合效應(yīng)值，列于表3。為方便表述起見，下文中將各因素的各設(shè)計(jì)水平(-2，-1，0，1，2)分別稱為低水平、次低水平、中水平、次高水平和高水平。

表3不同補(bǔ)水肥時(shí)期與補(bǔ)水量耦合的水分利用效率(g/kg)

補(bǔ)水量

X2補(bǔ)水肥時(shí)期X1

-2-1012

-27.8128.5338.587.9536.652

-17.5628.7039.178.9638.082

07.3128.8739.769.9739.512

17.0629.04310.3510.98310.942

26.8129.21310.9411.99312.372

由表3可見：

(1)水量少時(shí)，后重施用及均施比前、中重施的WUE為低。低水時(shí)，前期一次施用的WUE為7.812g/kg；均勻施用的WUE最低，為6.652g/kg，降低了14.85%；次低水與中水時(shí)，極高值均出現(xiàn)在后期施用，分別為9.17g/kg、9.973g/kg，比前期集中施用分別提高21.26%，36.39%；次高水與高水時(shí)，極高值則出現(xiàn)于后重和均勻處理，分別為10.983g/kg、12.372g/kg，比前期的極低值分別提高了55.52%、81.62%。說明水少時(shí)前中重處理與水多時(shí)后重施用或均施有利于提高WUE，但水量的增加，加強(qiáng)了補(bǔ)水時(shí)期提高WUE的作用。

(2)高水前期一次施用或側(cè)重前期施用，WUE僅為6.812g/kg；若改為側(cè)重塊莖形成期、膨大期施用或均勻施用，WUE可提高60.6%～81.62%，達(dá)到11.993g/kg～12.372g/kg，說明水分充分時(shí)，宜中后期重點(diǎn)施用，不宜前期重點(diǎn)施用，否則水分利用效率低。

2.3.2補(bǔ)水肥時(shí)期與施氮量的耦合作用方程8求得的耦合效應(yīng)值見表4。

表4不同補(bǔ)水肥時(shí)期與施氮量耦合的水分利用效率(g/kg)

施氮量

X3補(bǔ)水肥時(shí)期X1

-2-1012

-29.48410.16510.1729.5058.164

-18.0559.1769.6239.3968.495

07.3128.8739.769.9739.512

17.2559.25610.58311.23611.215

27.88410.32512.09213.18513.604

施氮量與補(bǔ)水肥時(shí)期的關(guān)系和補(bǔ)水量與之的關(guān)系相似：氮少，宜早施；氮多，宜后重施或均施。其規(guī)律敘述如下：

(1)無論施氮多少，側(cè)重于早、中、后其中一時(shí)期，分次施用比集中一次前期施用效果好(低氮除外)。低肥時(shí)，分次且重施于移栽期或塊莖形成期，WUE比其他時(shí)期高，為10.165g/kg、10.172g/kg。氮投入每提高一個(gè)水平，其最佳效應(yīng)期后移一個(gè)時(shí)期，直至高氮時(shí)，達(dá)到最高WUE即13.604g/kg。

(2)WUE的最低值出現(xiàn)在高肥集中前期施用與低肥均勻施用處理上，分別為7.884g/kg、8.164g/kg。尤其是前一種情況，與等氮量均施處理的WUE值(13.604g/kg)比較，僅改變1次施用為4次均施，WUE提高了近一倍；即使降低施氮量為次高肥與中肥，WUE也提高不少，分別為12.092%、10.325%，達(dá)到中高程度的水分利用效率。

2.3.3補(bǔ)水肥時(shí)期與有機(jī)肥的耦合作用用方程9求出兩者的耦合效應(yīng)值，列于表5中。

表5不同補(bǔ)水肥時(shí)期與有機(jī)肥耦合的水分利用效率(g/kg)

補(bǔ)水量

X5補(bǔ)水肥時(shí)期X1

-2-1012

-27.2927.9137.8637.1335.732

-17.5828.6739.0908.8337.902

07.3128.8739.7609.9739.512

16.4828.5139.87010.55310.562

25.0927.5939.42010.57311.052

補(bǔ)水肥時(shí)期與有機(jī)肥施用量對WUE的耦合效應(yīng)具有補(bǔ)水肥時(shí)期與水、無機(jī)氮基本一致的規(guī)律性即：有機(jī)肥投入少時(shí)，補(bǔ)水施化肥應(yīng)分次且側(cè)重于前期，中期；投入量多時(shí)，則應(yīng)分次重施后期或均勻施用。針對不同的有機(jī)肥投入量，確定補(bǔ)水施用無機(jī)肥時(shí)期，才能保持較高的水分利用效率。

有機(jī)肥投入少時(shí)，補(bǔ)水施用化肥實(shí)行均勻方式以及投入多時(shí)采用前期集中施用方式，WUE均很低，為5.092g/kg～5.732g/kg。WUE以兩因子的中高水平的配合為最佳，即有機(jī)肥按次高、高水平投入時(shí)，水與無機(jī)化肥采用中、后重或均施的方式，可獲得最高的WUE值，在10.553g/kg～11.052g/kg范圍內(nèi)。

2.3.4補(bǔ)水量與施氮量的耦合作用以方程10求得兩因子對WUE的耦合值，見表6。

表6不同補(bǔ)水量與施氮量的水分利用效率(g/kg)

施氮量

X3補(bǔ)水量X2

-2-1012

-29.6088.5187.4286.3385.248

-19.4379.1878.9378.6878.437

08.5809.1709.76010.35010.940

17.0378.4679.89711.32712.757

24.8087.0789.34811.61813.888

水與氮的耦合效應(yīng)極其顯著，不同配合，其效應(yīng)值差異很大，從最低4.808g/kg到最高13.888g/kg，相差近3倍。低水低肥配合的效應(yīng)值為9.60g/kg，幾乎相當(dāng)于中水中肥配合的效應(yīng)值。當(dāng)水肥投入量比例失調(diào)，水平相距愈大，WUE下降幅度愈大。如低肥高水時(shí)及高肥低水時(shí)有最低值5.248g/kg和4.808g/kg。高水分利用效率的水肥最優(yōu)組合區(qū)域?yàn)橹懈叻逝c高水配合，WUE高達(dá)10.35g/kg～13.888g/kg。

2.3.5無機(jī)鉀肥與有機(jī)肥的耦合作用以方程11求得兩因子對WUE的耦合值，見表7。

表7不同無機(jī)鉀與有機(jī)肥施用量的水分利用效率(g/kg)

有機(jī)肥

X5無機(jī)鉀肥X4

-2-1012

-24.66.497.868.719.04

-16.598.109.099.569.51

08