华北夏谷水肥优化管理综合评价 崔纪菡，宋世佳，夏雪岩，赵 宇，刘 猛，鲁一薇，校诺娅，张永虎，刘建军 ，李顺国（1.河北省农林科学院谷子研究所/国家谷子改良中心/河北省杂粮研究实验室，石家庄 050035；2.河北省农林科学院，石家庄 050000；3.河北省杂粮产业技术研究院，河北 邯郸 056000；4.河北东粮农业科技股份有限公司，河北 邯郸 056000；5.内蒙古农牧业科学院，呼和浩特 010031）谷子（Setariaitalica L. Beauv.）是起源于中国的传统粮食作物，在我国农耕文化和国民饮食结构中占据重要地位[1]谷子主要分布在我国北方干旱半干旱地区，水分匮乏和肥效低下是旱作农业生产首要限制因子农谚有云：有收无收在于水，收多收少在于肥水分和养分是作物生长发育过程中关键性要素，氮、磷、钾素是农业系统中主要三大投入元素作物对水分、氮、磷和钾素等的吸收利用是相互促进与彼此制约关系，作物产量不随水肥投入增加而无限制增长[2]，合理灌溉和施肥是提高作物产量和品质的重要措施[3]受不合理施肥水平、施肥方法的影响，肥料产投比和利用率降低，环境污染风险加剧[4]。
学者关于养分配施[5]、肥料运筹[6]等对谷子的肥料效应[7]、产量形成[8]、农艺性状[9]、光合特性[10]、品质影响[11]等方面研究较多为探索谷子高产施肥中氮、磷、钾肥最佳施用配比，前人曾在我国谷子主产区——陕西[8]、甘肃[12]、河北[13]和山西[14]等地进行氮、磷和钾肥配比对谷子产量及土壤肥力的影响研究，确定适宜该地区的氮、磷和钾肥配比张蕙琪等和郝科星等研究认为，氮肥是提高谷子产量最主要决定性因素，磷和钾肥仅与氮肥相互配施才能发挥增产效用[10-11]常闻谦等开展水氮耦合对谷子拔节后生长、产量和水氮利用效率的影响[15]，研究认为，土壤含水量增加提高谷子籽粒产量、氮肥农学效率、氮肥偏生产力和氮肥生理利用率李永虎等研究认为，氮磷互作对产量影响显著，氮钾互作对穗粒数、千粒重、产量均影响显著，磷钾互作对单位面积穗数影响显著[9]以上结果为合理施肥，减少化肥投入，改善生态环境，提高谷子产量和肥料利用率提供依据以上研究不足之处有二：一是研究对象多以两个要素——水和氮素耦合为研究对象，磷钾肥复合效应鲜见报道；二是研究方法多以谷子高产为单一指标，未兼顾水肥利用情况评价，难以确定综合效益最佳的水肥配比模式。
本文以综合提高谷子产量、灌溉产出、肥料农学利用率和净收益为目标，研究灌溉与氮、磷、钾肥耦合对华北夏谷区谷子产量及水肥利用的影响，运用综合评分法分析得出谷子节水节肥高产的水肥策略，为作物节本高效生产提供理论支撑1 材料与方法1.1 试验站情况试验区位于东经114.626°、北纬37.971°，河北省石家庄市栾城区河北省农林科学院谷子研究所郄马试验站试验区域属大陆性干旱气候，全年平均温度14.5 ℃，全年日照时数2 140 h，多年平均自然降水量720 mm试验在透明遮雨棚内展开，遮雨棚内设42 个水泥池，长度2.8 m，宽度2.1 m，深度2 m，无雨时收起遮雨棚，有雨时展开遮雨棚水泥池土壤类型为潮土，0～20 cm土层土壤基本理化性状为：有机质14.2 g·kg-1，速效钾90.0 mg·kg-1，有效磷10.3 mg·kg-1，铵态氮6.3 mg·kg-1，硝态氮3.3 mg·kg-11.2 试验种植及管理试验种植作物为夏谷，品种为冀谷36，6月14日播种，6 月25 日间苗，留苗密度60 万株·hm-2，行距40 cm，6月27日中耕除草，9月19日收获1.3 试验设计试验设置4 因素，分别为灌溉（水）、氮肥（N）、磷肥（P2O5）、钾肥（K2O），各因素3水平，采用L9（34）正交设计表，共9个水肥处理，每处理重复3 次，各处理细节见表1。
谷子全生育期共浇水4 次，时间分别是：7 月14 日（拔节期）、8 月2日（孕穗期）、8 月14 日（抽穗期）、8 月27 日（扬花期），灌溉总量设定3个水平，分别为150、300和450 t·hm-2·次-1另外，播种前3 d，浇灌播前水，所有处理播前水灌溉总量一致，皆为300 t·hm-2氮和钾肥采用基施加追施方式，播种前翻耕基施70%，抽穗期追施30%，磷肥采用全部基施的方式氮肥采用尿素（含N 46%），磷肥采用过磷酸钙（含P2O516%），钾肥采用硫酸钾（含K2O 50%）其他为常规管理1.4 分析方法在开花期利用SPAD仪测定旗叶叶色，每小区以重复测定4～6 片叶得到的SPAD 均值作为小区SPAD值在成熟期随机选取5株谷子植株，测量谷子株高、穗长和穗粗；测量第一节中心处茎粗，谷子第一节形态为扁圆体，故有扁茎粗和宽茎粗之分；测量每片叶的长、宽和叶位高度，叶片从下向上记作叶1、叶2……叶12，叶片从上到下记作倒1叶（旗叶）、倒2叶……倒12叶；将茎、叶、穗分开，于105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，测量旗叶干重、叶重、茎重和穗重将叶、茎和穗粉碎，过筛40 目，测定植株全氮、全磷和全钾。
植株全氮、全磷和全钾分析采用常规方法[16]：硫酸-过氧化氢消煮叶、茎和穗粉末样品，凯氏定氮仪测定消煮液全氮含量（凯氏定氮法），用流动分析仪测定全磷含量（流动注射-钼酸铵分光光度法），火焰光度计测定（火焰光度法）全钾含量在谷子成熟期收获，测定产量1.5 数据处理与分析运用Excel 2013 和DPS 14.0处理数据并作统计分析，Origin 2022对叶位数据和主要指标的皮尔森相关性作图采用下列公式计算相关参数：叶面积=叶长×叶宽×0.75；部位干物质分配率（%）=部位干重/植株总干重；部位氮累积量（kg·hm-2）=部位干重×部位氮含量；氮吸收总量（kg·hm-2）=籽粒干重×籽粒氮含量+茎干重×茎氮含量+叶干重×叶氮含量；氮收获指数（%）=籽粒氮累积量/植株氮吸收总量×100；氮素表观平衡值=施氮量-氮吸收总量；氮素回收率=氮吸收总量/施氮量；氮肥偏生产力（kg·kg-1）=产量/施氮量；灌溉产出（kg·t-1）=产量/灌溉量；磷、钾元素计算公式同上；农资成本（元·hm-2）=耗水量×水价+氮肥量×氮肥价+磷肥量×磷肥价+钾肥量×钾肥价；产量收益=谷子籽粒产量×籽粒价格；净收益=产量收益-农资成本。
根据模糊隶属函数法，计算不同水肥处理下产量、肥料收获指数、肥料偏生产力、灌溉产出等的权重、隶属度，将各评价指标权重值与相应评价指标从属度值相乘并累加，得到综合分数，以评价不同水肥处理效应2 结果与分析2.1 水肥处理对谷子形态、物质分配与累积的影响不同水肥处理对谷子株高、茎粗、穗长、穗粗、叶长、叶宽、叶面积、叶色影响见表2由表2可知，水肥处理对谷子株高、宽茎粗、穗长、穗粗、倒2～3 叶面积影响显著，对茎粗、旗叶长宽，倒2 叶宽和叶色无显著影响SF7 处理株高、穗长、穗粗、旗叶长、旗叶宽、倒2叶面积、倒3叶面积值最大，SF3 处理茎粗数值最大，SF9 处理叶色SPAD值最大表2 不同水肥处理对谷子形态的影响Table 2 Effects of different water and fertilizer treatments on morphology of foxtail millet不同水肥处理对谷子全株12叶叶位影响见图1由图1 可知，水肥处理对第9～12 叶高度有显著影响，对第1～8 叶高度无显著影响，其中，SF4 和SF8处理叶位较高农业生产实践中，光合产物运输和分配是决定产量的重要因素。
水肥是影响作物干物质分配的重要因素，由表3 可知，SF9 处理总干重、叶干重、穗干重和生殖器官干重分配率最高，SF1处理总干重、茎干重、穗干重最低；灌溉仅对叶干重的影响达显著水平，氮肥对旗叶干重及分配率、营养及生殖器官干物质分配率的影响达显著或极显著水平，磷肥对总干重、穗干重、旗叶干重及分配率水肥的影响达显著或极显著水平，钾肥对谷子干物质积累的影响不显著图1 不同水肥处理对谷子叶位高度的影响Fig. 1 Effects of different water and fertilizer treatments on the height of foxtail millet leaves表3 不同水肥处理对谷子干物质积累及分配的影响Table 3 Effects of different water and fertilizer treatments on dry matter accumulation and distribution of foxtail millet2.2 不同水肥处理对谷子产量的影响由表4 可知，产量最高可达4 992 kg·hm-2（SF9），最低仅为4 167 kg·hm-2（SF1），产量排序为：SF9＞SF8＞SF3～SF7＞SF1～SF2。
在 灌溉、氮、磷和钾肥4个因素中，根据极差计算结果，对产量影响重要顺序为：灌溉＞氮肥＞钾肥＞磷肥比较K值得到理论高产组合为：灌溉450 t·hm-2·次-1，氮肥300 kg·hm-2，磷肥150 kg·hm-2，钾肥225 kg·hm-2就单一因素对产量的影响看，灌溉显著提高籽粒产量，产量从4 336 kg·hm-2提高到4 836 kg·hm-2，增产11.5%，氮肥也有相似的增产表现，产量从4 471 kg·hm-2提高到4 723 kg·hm-2，增产5.6%钾肥从4 555 kg·hm-2提高到4 695 kg·hm-2，增产3.1%磷钾肥对产量的增产效果不显著，以节本增效为首要生产目标时，建议磷肥用量75 kg·hm-2表4 不同水肥处理对谷子产量的影响Table 4 Effects of different water and fertilizer treatments on grain yield对4因素与谷子产量关系采用正交设计方差分析可知（见表5），灌溉（P≤0.0001）、氮肥（P=0.0123）和钾肥（P=0.0389）显著影响谷子产量，影响排序为：灌溉＞氮肥＞钾肥，磷肥对籽粒产量无显著影响。
表5 水肥因素对产量影响的正交试验方差分析Table 5 Variance analysis of orthogonal experiment on the effect of water and fertilizer on yield2.3 不同水肥处理对谷子养分分配、累积与利用的影响由表6 可知，氮（全部部位）、磷（除茎部外的全部部位）和钾（籽粒和叶）SF9 处理时分配与累积量最高，SF1处理时分配与累积量最低灌溉对所有氮、磷和钾素分配与累积量的影响均达到极显著水平，氮肥对大部分指标的影响也均达到显著或极显著水平；磷肥主要影响磷和部分钾素分配与累积，对氮素分配影响不显著；钾肥主要影响对各部钾素分配与穗部氮、磷和钾素的累积表6 不同水肥处理下植株氮、磷和钾素分配与累积量Table 6 Distribution and accumulation of nitrogen,phosphorus and potassium in plants under different water and fertilizer treatments通过参考不同水肥条件下生产100 kg籽粒理论养分需求量和田块历年籽粒产量数据，可合理调整施肥用量，确保限制性养分施入量满足实现目标产量的需求。
不同水肥处理对夏谷籽粒氮、磷和钾素理论需求量见表7，在不同水肥处理下，获得100 kg 籽粒所需纯氮、磷和钾素均值分别是1.90、0.31 和0.55 kg灌溉对生产100 kg 籽粒氮、钾素需求量的影响达到显著水平，磷肥对生产100。