河西绿洲灌区小麦玉米带田水肥耦合效应与协同管理模型

河西绿洲灌区小麦/玉米带田水肥耦合效应与协同管理模型

郭永杰　汤莹　蔡德荣

（甘肃省农业科学院土肥所　甘肃兰州　730070）

摘要：针对甘肃省河西绿洲灌区小麦/玉米带状种植中存在的水肥管理问题，分析了带田栽培模式的水分效应和氮肥效应，结果表明施氮量和灌水量对于产量的影响有明显的互补性，在绿洲灌区灌水量效应大于施氮量效应。当获得同一产量和效益时，在一因子水平降低或升高的同时，可通过调节另一因子水平而获得，其调节量值应满足x₁=0.2+ 0.9x₂的等效方程，影响产量的施氮量（x₁）和灌水量（x₂）组合的技术合理区域是x₁＞0.2+ 0.9x₂时，灌水量效应大于施氮量效应；x₁＜0.2+0.9x₂时，施氮量效应大于灌水量效应，并建立了灌水量和施氮量在小麦/玉米带田上耦合效应方程及协同管理模型。

关键词：河西绿洲灌区；小麦/玉米带田；水肥耦合；协同管理

小麦/玉米带状种植是河西绿洲灌区主要高产栽培模式，生产实践中灌溉量与施氮量不尽合理，存在着灌溉量、施氮量过大的问题。因此，以施氮量和灌水量为主要因子，通过试验研究其对带田产量的影响及其科学管理模式，以期为科学化、定量化的田间管理提供水肥耦合效应模型。

1　试验概况与方法

试验在河西绿洲灌区的张掖节水试验站进行，采用二因素五水平通用旋转组合设计（表1），施氮量变化范围为0～750kg/ hm²，灌水量区间为3000～7500m³/hm²。共有14个处理，小区面积22.5m²，供试小麦品种为M1-1，玉米品种为中单2号。小麦带幅为70cm、种6行，玉米带幅为80cm、种2行，保苗8.25万株/hm²。播前耕层土壤含有机质13.13g/kg、全氮0.83g/kg、碱解氮68.9mg/kg、速效磷17.0mg/kg、速效钾110.0mg/kg，CEC10.0cmol（+）/kg。

2　结果与分析

2.1　施氮量和灌水量对带田产量的耦合效应

2.1.1　施氮量和灌水量对小麦/玉米带田产量的耦合效应方程的建立，表2中不同处理产量结果分析，可得到施氮量和灌水量与产量之间的耦合效应方程为:Y=538.00-7.2x₁-101.9x₂+562.3x₁x₂-56.7x₁²-1.1x₂²，其中Y为产量（kg/hm²），x₁为施氮量编码值；x₂为灌水量编码值。由该回归方程中x₁、x₂的系数比较，灌水量和施氮量对带田产量的影响强度不同，灌水量对产量的影响要大于施氮量的效应，即增加单位面积的灌水量所形成的增产量大于增施氮肥的增产量。将施氮量和灌水量对产量的耦合效应方程降阶后，分别得到施氮量的产量效应方程Y₁=-7.2+562.3x₂-56.7x₁和灌水量的产量效应方程Y₂=-101.9+562.3x₁-1.1x₂。当Y₁=Y₂时，施氮量效应等于灌水量效应的等效方程为x₁=0.2+0.9x₂。

注：本文发表于《甘肃农业科技》，2002，（4）：4～35.

表1　试验因子水平及编码

表2　小麦/玉米带田水肥耦合效应试验产量结果

2.1.2　小麦/玉米带田最高产量的灌水量和施氮量组合

由施氮量和灌水量对产量的耦合效应方程可见，其中两个因子的二次项系数均为负值，表明小麦/玉米带田产量随着施氮量、灌水量的增加呈递减趋势，故当施氮量对产量的效应方程及灌水量对产量的效应方程为零时，可得到x₁=0.17，x₂=0.03，即在理论上当施氮量为420.0kg/hm²、灌水量为5298.0m³/hm²时，小麦/玉米带田可达最高产量。施氮量和灌水量超过此临界值时，小麦/玉米带田产量呈下降趋势。

2.1.3　灌水量和施氮量组合的技术合理区域及其应用

灌水量和施氮量对小麦/玉米带田产量的耦合效应至少不能构成减产效应，因此产量的施氮量和灌水量组合的技术合理区域应满足Y₁≥0，Y₂≥0，而且施氮量和灌水量有明显的互补性，在获得同一产量的效益时，可通过在一因子水平降低或升高的同时，调节另一因子水平而获得，其调节量值应满足x₁=0.2+0.9x₂的等效方程，即当x₁＞0.2+0.9x₂时，灌水量效应大于施氮量效应，而当x₁＜0.2+0.9x₂时，施氮量效应大于灌水量效应。

2.2　小麦/玉米带田的目标产量及其农艺措施

1999年收购价格小麦1.24元/kg，玉米0.70元/kg，氮肥价格为3.26元/kg，水价为0.08元/m³，对施氮量和灌水量对小麦/玉米带田产量的耦合效应方程进行寻优，分别得出各目标产量最佳组合方案。当小麦目标产量为4500～6000kg/hm²时，其主效因子最佳农艺组合水平的取值区间分别是施氮量334.65～485.85kg/hm²、灌水量4690.05～5765.40m³/hm²；当玉米目标产量为4500～6000kg/hm²时，其主效因子最佳农艺组合水平的取值区间分别是施氮量228.45～532.50kg/hm²、灌水量4290.15～6099.00m³/hm²；当混合产量目标产量为10 500～12 000kg/hm²时，其主效因子最佳农艺组合水平的取值区间分别是施氮量309.60～514.20kg/hm²、灌水量4660.20～5934.45m³/hm²。在小麦产量为5866.95kg/hm²时，应施氮92.85kg/hm²，灌水4670.85m³/hm²，其经济效益为6598.50元/hm²；玉米产量为5661.75kg/hm²时，应施氮556.95kg/hm²，灌水量7455.45m³/hm²，其经济效益为1551.30元/hm²；小麦、玉米混合产量为11989.2kg/hm²时，应施氮556.95kg/hm²，灌水量6898.5m³/hm²，经济效益9777.6元/hm²。

2.3　施氮量和灌水量对水分利用效率、灌水利用率的耦合效应

根据表3可得到灌水量x₂和施氮量x₁对水分利用效率（WUE）的耦合效应方程为WUE=0.72-0.01x₁-0.13x₂+0.8x₁x₂-0.03x₁²+ 0.05x₂²，施氮量x₁和灌水量x₂对灌水利用率（IUE）的耦合效应方程为IUE=0.9-0.02x₁-0.14x₂+1.07x₁x₂+0.3x₁²+0.12x₂²。水分利用效率为13.5～16.5kg/（mm/hm）时，施氮量为292.65～542.70kg/hm²，灌水量为4321.80～6133.65m³/hm²；灌水利用率为18.0～22.5kg/（mm·hm²）时，施氮量为292.65～542.70kg/ hm²，灌水量为4321.80～6133.65m³/hm²。

通过对灌水量和施氮量在小麦/玉米带田上耦合效应方程及协同管理模型的建立，在小麦、玉米混合产量为3000～12 000kg/hm²、水分利用效率为13.5～16.5kg/（mm·hm²）、灌水利用率为18.0～22.5kg/（mm·hm²）时，施氮量为292.65～542.70kg/hm²，灌水量为4321.80～6133.65m³/hm²。由于灌水量效应大于施氮量效应，模型建议协同管理时施氮量应取最低值，灌水量取最大值。

表3　不同处理时的水分利用率和灌水利用率　kg/（mm·hm²）