肥密因子對旱地豇豆產(chǎn)量效應(yīng)分析

王娜娜 劉恩科 姜春霞 張偉

摘要 [目的]探索山西旱地條件下豇豆栽培的高產(chǎn)措施。[方法]以中豇1號為研究對象，選取密度、氮肥、磷肥和鉀肥為試驗(yàn)因素，按照二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)分析方法建立回歸模型，分析種植密度和不同肥料配比對中豇1號產(chǎn)量的影響。[結(jié)果]各因子對豇豆產(chǎn)量的影響達(dá)到顯著水平，且變化趨勢均呈開口向下的拋物線，影響順序由高到低依次為K肥、P肥、N肥、密度;要獲得1 875 kg/hm2 的產(chǎn)量，種植密度、氮肥、磷肥和鉀肥的最優(yōu)取值范圍為：種植密度為120 465～128 295 株/hm 施N 40.49～54.66 kg/hm 施P2O5 42.92～56.24 kg/hm 施K2O 57.91～65.93 kg/hm2。[結(jié)論]該研究為豇豆大面積種植提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 豇豆;二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì);密度;施肥;產(chǎn)量

中圖分類號 S643.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 0517-6611（2018）34-0027-03

山西省地處干旱半干旱地區(qū)，山多地少，水資源匱乏，土壤貧瘠，旱地面積占到70%以上，是雜糧雜豆的主要產(chǎn)地，雜糧雜豆占該區(qū)作物總播種面積的30%以上，2013 年山西省雜豆種植面積為1.2 萬hm 平均產(chǎn)量為961 kg/hm2 [1]。豇豆是主要雜豆種之一，可分為長豇豆和普通豇豆2種，長豇豆主要以嫩豆莢做蔬菜食用;普通豇豆因莢有革質(zhì)層，纖維較多，不能食用嫩莢，主要收獲籽粒，以豇豆籽粒制作各種食品[2]。山西是全國粒用豇豆主產(chǎn)省區(qū)之一，晉西北豇豆的播種面積和產(chǎn)量約占全省的4/5，年均種植面積2萬多hm2。粒用豇豆作為晉西北，尤其是呂梁貧困片區(qū)特色農(nóng)業(yè)資源產(chǎn)品，在強(qiáng)化培植山西省特色產(chǎn)業(yè)、農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革方面發(fā)揮著重要作用。同時(shí)，豇豆因其豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和獨(dú)特的保健功效，成為人們青睞的雜糧食品[3]，但現(xiàn)有生產(chǎn)數(shù)量和質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求。目前，豇豆的栽培技術(shù)研究多集中在菜用長豇豆方面[4-7]，而粒用豇豆的栽培技術(shù)研究僅有少數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道。有學(xué)者開展了粒用豇豆品種篩選試驗(yàn)，得出適宜當(dāng)?shù)貧夂驐l件下的豇豆品種[8-9]。王洪皓等[10]研究得出在遼寧地區(qū)果園間作條件下，粒用豇豆適宜的種植密度為16.5萬株/hm2。在山西干旱氣候條件下，豇豆的需肥規(guī)律和適宜種植密度方面的研究尚鮮見報(bào)道。二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)是在正交回歸組合設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，能確保與試驗(yàn)中心點(diǎn)距離相等的試驗(yàn)點(diǎn)上的預(yù)測值方差相等，克服了其他統(tǒng)計(jì)方法的不足[11]，目前已廣泛應(yīng)用在玉米[12-13]、谷子[14]、小麥[15]等作物的栽培密度和施肥研究上，取得了顯著的效果。鑒于此，筆者以密度、氮肥、磷肥、鉀肥為影響因子，以產(chǎn)量為研究對象，采用4因素5水平二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，明確中豇1號在山西旱地條件下栽培密度和肥料供應(yīng)最佳組合，旨在探索該品種高產(chǎn)栽培條件，充分發(fā)揮其產(chǎn)量潛力，為豇豆大面積種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在旱農(nóng)中心河村旱作節(jié)水基地進(jìn)行，試驗(yàn)地塊前茬為玉米，土壤為黃土質(zhì)淡褐土性土，有機(jī)質(zhì)10.5 g/kg，全氮1.12 g/kg，全磷0.72 g/kg，全鉀21.6 g/kg，堿解氮53.7 mg/kg，速效氮125.0 mg/kg，速效磷6.87 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)包括密度、氮肥、磷肥、鉀肥4個(gè)因素，每個(gè)因素5個(gè)水平（表1），采用通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，共20個(gè)試驗(yàn)處理組合（4因素的1/2實(shí)施），小區(qū)面積為48 m2（6 m×8 m），供試豇豆品種為中豇1號。肥料均做底肥一次性施入。試驗(yàn)開展所采用的化肥為尿素（博大實(shí)業(yè)N≥46%）、粒狀過磷酸鈣（九華山牌 P2O5≥12%，S≥10%，Ca≥10%）、硫酸鉀（俄羅斯牌K2O≥52%）。試驗(yàn)于2015年5月14—15日人工播種，分別于8月30日、9月14日、9月23日分批采收豆莢。

1.3 測定項(xiàng)目

豇豆按小區(qū)單獨(dú)收獲，在豆莢包皮干枯且呈現(xiàn)白色時(shí)，及時(shí)分批采收、脫粒，計(jì)量產(chǎn)量、莢數(shù)、莢粒數(shù)、百粒重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003 和DPS v7.05 軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。X1表示密度，X2表示N，X3表示P2O5，X4表示K2O。通過回歸分析建立4因素與豇豆產(chǎn)量之間的回歸方程，因通用旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的常數(shù)項(xiàng)與二次項(xiàng)系數(shù)、二次項(xiàng)系數(shù)之間都具有相關(guān)性，為方便對模型分析討論，保留不顯著的各項(xiàng)。將4個(gè)因素中的3個(gè)固定在零水平，對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行降維分析，得到以其中1個(gè)因素的偏回歸模型，并根據(jù)該模型做出單因素變化趨勢圖;在固定其他2個(gè)因子為零水平時(shí)，求另外2因子之間的交互作用;對所建模型進(jìn)行非線性求解得出最大值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理豇豆產(chǎn)量比較

豆莢包皮成熟時(shí)，分批采收并考種，記錄豇豆小區(qū)莢數(shù)、莢粒數(shù)、百粒重，根據(jù)密度計(jì)算小區(qū)產(chǎn)量，再折合成公頃產(chǎn)量，結(jié)果見表2。

2.2 豇豆產(chǎn)量對密度和施肥的響應(yīng)

對田間試驗(yàn)的產(chǎn)量結(jié)果做回歸模型，得到豇豆產(chǎn)量（Y）與密度（X1）、施氮（X2）、施磷（X3）、施鉀（X4）4個(gè)因素的回歸方程：

Y=2 153.52+35.60X1-55.72X2-64.04X3+70.18X4-71.09X12-88.85X22-121.71X32-99.63X42+86.94X1X4+86.94X2X3

經(jīng)檢驗(yàn)，模型達(dá)到10%顯著水平，表明該模型能較好的反映田間條件下豇豆產(chǎn)量與密度、施肥之間的關(guān)系。

2.3 回歸方程的解析

2.3.1 試驗(yàn)因子的產(chǎn)量效應(yīng)分析。

主因子效應(yīng)分析，由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)因子均經(jīng)過無量綱線性編碼處理，且各項(xiàng)回歸系數(shù)間都不相關(guān)，所得偏回歸系數(shù)已標(biāo)準(zhǔn)化。因此，可以通過回歸系數(shù)的絕對值大小來判斷X對產(chǎn)量Y的影響程度。分析模型可知，由各一次項(xiàng)回歸系數(shù)絕對值的大小可推斷其對產(chǎn)量的影響順序?yàn)镵肥>P肥>N肥>密度;二次項(xiàng)系數(shù)均為負(fù)值，說明產(chǎn)量隨各因素提高均呈開口向下的拋物線趨勢變化，即在最佳水平以下時(shí)，產(chǎn)量隨該因素的增加而提高，當(dāng)超過臨界水平時(shí)，產(chǎn)量開始下降;交互項(xiàng)系數(shù)均為正值，表明密度和施K之間、施N和施P之間的配合對產(chǎn)量增加有相互協(xié)同作用。

2.3.2 單因子農(nóng)藝效應(yīng)的解析。

在豇豆產(chǎn)量的回歸模型中，通過降維分析得出各因素對產(chǎn)量的影響。將其他3個(gè)因素規(guī)定在“0水平”編碼時(shí)，得到各因素的回歸效應(yīng)模型如下：

密度：Y=2 153.52+35.60X1-71.09X12;

施氮：Y=2 153.52-55.72X2-88.85X22;

施磷：Y=2 153.52-64.04X3-121.71X32;

施鉀：Y=2 153.52+70.18X4-99.63X42;

由圖1可知，在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，密度、施氮、施磷、施鉀4個(gè)因素對產(chǎn)量產(chǎn)生一定影響，且產(chǎn)量隨各因素的提高呈開口朝下的拋物線狀，存在極大值，各拋物線的頂點(diǎn)就是各單因子的最高產(chǎn)量，對應(yīng)的是各因子的最優(yōu)投入量。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，當(dāng)密度為123 750株/hm2時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到最大，為2 153.5 kg/hm2;施N為52.5 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量為2 159.2 kg/hm2;施P2O5為52.5 kg/hm2時(shí)產(chǎn)量為2 155.1 kg/hm2;施K2O為58.5 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量為2 163.7 kg/hm2;之后隨著各因素的增加，產(chǎn)量反而降低。

2.3.3 雙因子農(nóng)藝效應(yīng)的解析。

根據(jù)回歸方程的建立，剔除不顯著的交互作用因素，僅有X1與X4、X2與X3之間存在顯著的交互作用，分別對其交互作用進(jìn)行分析。

2.2.3.1 密度（X1）與施K2O（X4）的農(nóng)藝效應(yīng)分析。

對產(chǎn)量回歸方程令X2（施N）=0、X3（施P2O5）=0，則得：Y1、4=2 153.52+35.60X1+70.18X4-71.09X12-99.63X42+86.94X1X4 。

X1和X4各有5個(gè)水平，兩兩搭配有25個(gè)組合。將每個(gè)組合的編碼值代入相應(yīng)的雙因子農(nóng)藝效應(yīng)函數(shù)，可得到對應(yīng)的產(chǎn)量值（Y），見表3。

由表3可知，當(dāng)豇豆種植密度一定時(shí)，隨著鉀肥施用量增加，產(chǎn)量呈先升高后降低的變化規(guī)律。對應(yīng)于每一個(gè)X1因子的固定水平，與X4形成的雙因子效應(yīng)產(chǎn)量，最高值都在X4的0、1水平，且表現(xiàn)為X1在低水平時(shí)最高值X4在0水平，X1在0水平以上時(shí)最高值X4在1水平。這說明種植密度一定時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加鉀肥的施用，且鉀肥的適宜施用范圍在0～1水平，如果高于1水平，也會使豇豆產(chǎn)量下降。而X4在-1.682水平時(shí)最高值X1在-1水平，X4在-1、0水平時(shí)最高值X1在0水平，X4在1、1.682水平時(shí)最高值X1在1水平，說明當(dāng)鉀肥施用量一定時(shí)，豇豆產(chǎn)量隨著密度增加呈先升高后降低的趨勢，施K2O在-1.682～0水平時(shí)，豇豆種植密度宜為0水平，低于0水平則不能發(fā)揮鉀肥的增產(chǎn)效果，高于0水平則會因缺鉀而產(chǎn)量下降;當(dāng)施K2O在0～1.682水平時(shí)，豇豆種植密度宜為1水平。最高點(diǎn)的峰值點(diǎn)為X1=0，X4=0。

2.2.3.2 施N（X2）與施P2O5（X3）的農(nóng)藝效應(yīng)分析。

對產(chǎn)量回歸方程令X1（密度）=0、X4（施K2O）=0，則可得Y2、3=2 153.52-55.72X2-64.04X3-88.85X22-121.71X32+8694X2X3。

X2和X3各有5個(gè)水平，將每個(gè)組合的編碼值代入相應(yīng)的雙因子農(nóng)藝效應(yīng)函數(shù)，可得到對應(yīng)的產(chǎn)量值（Y），見表4。

由表4可知，對應(yīng)于每個(gè)X2因子的固定水平，與X3形成的雙因子效應(yīng)產(chǎn)量，最高值都在X3的-1、0水平，且表現(xiàn)為X2在低水平時(shí)最高值X3在-1水平，X2在0水平及以上時(shí)最高值X3在0水平。這說明磷肥的適宜施用范圍在-1與0水平之間，當(dāng)施氮量的增加時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加磷肥的施用，但不宜太高。而X3在-1.682與-1水平時(shí)最高值X2在-1水平，X3在0、1水平時(shí)最高值X2在0水平，X3在1、1.682水平時(shí)最高值X1在1水平，說明豇豆的適宜施氮量應(yīng)在-1～1水平，低于或高于該區(qū)間產(chǎn)量都會降低。最高點(diǎn)的峰值點(diǎn)為X2=0，X3=0。

2.4 高產(chǎn)農(nóng)藝組合方案的確定

通過研究得出的最高產(chǎn)量與實(shí)際的最佳產(chǎn)量有差異，為了明確種植密度、氮肥、磷肥和鉀肥在生產(chǎn)實(shí)踐中的可靠性，通過頻數(shù)法進(jìn)一步剖析，在-1.682～1.682約束區(qū)間，所得方案中有115套方案豇豆產(chǎn)量≥1 875 kg/hm2。其優(yōu)化組合的置信區(qū)間見表5。

通過肥密組合最優(yōu)方案可以看出，如果要獲得1 875 kg/hm2的產(chǎn)量，種植密度、氮肥、磷肥和鉀肥的最優(yōu)取值范圍為：種植密度為120 465～128 295 株/hm 施N 40.49～54.66 kg/hm 施P2O5 42.92～56.24 kg/hm 施K2O 57.91～65.93 kg/hm2。

3 結(jié)論

密度、施氮、施磷、施鉀4個(gè)因素對產(chǎn)量產(chǎn)生一定影響，且產(chǎn)量隨各因素的提高呈開口朝下的拋物線，存在產(chǎn)量最高點(diǎn)，各拋物線的頂點(diǎn)就是各單因子的最高產(chǎn)量，對應(yīng)的是各因子的最優(yōu)投入量。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，當(dāng)密度為123 750株/hm2時(shí)，產(chǎn)量為2 153.5kg/hm2;施N為52.5 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量為2 159.2 kg/hm2;施P2O5為52.5 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量為2 155.1 kg/hm2;施K2O為58.5 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量為2 163.7 kg/hm2。

試驗(yàn)地區(qū)豇豆獲得1 875 kg/hm2的產(chǎn)量，種植密度、氮肥、磷肥和鉀肥的最優(yōu)取值范圍為：種植密度為120 465～128 295 株/hm 施N 40.49～54.66 kg/hm 施P2O5 42.92～56.24 kg/hm 施K2O 57.91～65.93 kg/hm2。

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