基于氮鉀二因子飽和D最優(yōu)設(shè)計(jì)的遷葫1號(hào)施肥效果研究

周玲玲，張黎杰，余 翔，姜若勇，田福發(fā)，王夏雯，吳紹軍，孟佳麗

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 宿遷農(nóng)科所，江蘇 宿遷 223800)

西葫蘆(CucubitapepoL.)又稱(chēng)美洲南瓜，屬于葫蘆科南瓜屬的一年生草本植物，在我國(guó)南、北方均有種植。西葫蘆不僅作為日光溫室越冬茬、塑料大棚早春和秋延后栽培的一種重要蔬菜，在瓜類(lèi)蔬菜中栽培面積僅次于黃瓜，栽培面積達(dá)17.67萬(wàn)hm2；而且西葫蘆根系發(fā)達(dá)，吸肥能力強(qiáng)，生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高、需肥量大，很容易成為化學(xué)肥料過(guò)量施用的重災(zāi)區(qū)。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于西葫蘆施肥過(guò)多和偏施氮肥，不僅造成了成本增加、資源浪費(fèi)、土壤鹽漬化加重的嚴(yán)重后果，而且極大地影響了西葫蘆的產(chǎn)量和品質(zhì),降低了農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收益[1]。

氮、鉀作為大量營(yíng)養(yǎng)元素，兩者的營(yíng)養(yǎng)平衡及配合施用，對(duì)提高肥料的利用率、增加作物產(chǎn)量、改善作物品質(zhì)具有重要的理論和實(shí)踐意義[2]。關(guān)于氮、鉀配施對(duì)西葫蘆產(chǎn)量、品質(zhì)的影響缺乏系統(tǒng)性的研究。因此，本研究通過(guò)氮鉀二因子飽和D最優(yōu)設(shè)計(jì)，研究了氮鉀肥料施用量與遷葫1號(hào)西葫蘆產(chǎn)量和品質(zhì)之間的關(guān)系，建立了施肥模型，明確了遷葫1號(hào)的最優(yōu)施肥方案，為遷葫1號(hào)西葫蘆秋延后高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)栽培提供了施肥方案選擇的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

遷葫1號(hào)，由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院宿遷農(nóng)科所自主選育。

1.2 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地為宿遷市宿豫區(qū)市農(nóng)科院3號(hào)連棟大棚。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)田土壤中，速效氮、磷、鉀的含量分別為248.5 mg/kg、101.3 mg/kg、431.7 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量2.20%。2017年9月初育苗，9月中旬定植，單行種植，株距50 cm，行距1.5 m，面積472.5 m2。各處理小區(qū)面積為26.25 m2,隨機(jī)排列，3次重復(fù)。供試肥料分5次施入，基肥中氮肥占20%、鉀肥占20%；定植后，7～8片葉時(shí)施氮肥20%、鉀肥50%；坐果后施氮肥20%、鉀肥10%；結(jié)果期分2次施肥,每次均施氮肥20%、鉀肥10%施入。施用磷肥20 kg/667 m2，其余栽培管理措施按生產(chǎn)要求進(jìn)行。

1.3.2 二次D-飽和最優(yōu)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)采用二因素二次D-飽和最優(yōu)設(shè)計(jì)，建立N、K與西葫蘆產(chǎn)量和品質(zhì)的模型。根據(jù)肥效模式類(lèi)型，建立二次多項(xiàng)式：

YA=b0+b1X1+b2X2+b12X1X2+b12X12+b22X22

YB=b0+b1X1+b2X2+b12X1X2+b12X12+b22X22

式中：X1代表N編碼值，X2代表K2O編碼值，bi為回歸系數(shù)，YA代表西葫蘆產(chǎn)量，YB代表西葫蘆品質(zhì)。

2個(gè)施肥因素，各設(shè)置4個(gè)水平，一共有6個(gè)處理(表1)，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)為17.5 m×1.5 m=26.25 m2。

表1 二次D-飽和最優(yōu)設(shè)計(jì)遷葫1號(hào)施肥方案設(shè)計(jì)

1.4 測(cè)定的指標(biāo)和方法

1.4.1 產(chǎn)量的測(cè)定 前期產(chǎn)量結(jié)果期30 d內(nèi)小區(qū)產(chǎn)量分別測(cè)產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，最后折合成每667 m2的產(chǎn)量。

1.4.2 果實(shí)品質(zhì)的測(cè)定 果實(shí)品質(zhì)送樣至南京鐘鼎生物有限公司進(jìn)行檢測(cè)，采用雙波段比色法測(cè)定硝酸鹽含量；采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定維生素C含量；采用硫酸蒽酮法測(cè)定可溶性總糖含量；采用考馬斯亮藍(lán)比色法測(cè)定可溶性蛋白含量；采用茚三酮比色法測(cè)定游離氨基酸含量。

果實(shí)品質(zhì)檢測(cè)后進(jìn)行評(píng)分。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：按照總分100分，其中維生素C占40分、可溶性總糖占20分、可溶性蛋白占20分、游離氨基酸占20分、硝酸鹽占-20分。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析選用Excel 2003軟件和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)統(tǒng)計(jì)分析2017.02版，繪圖采用Excel 2003和Origin 8.5軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)西葫蘆產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

從表2可以看出，西葫蘆的產(chǎn)量由高到低依次是T4>T5>T6>T2>T3>T1，說(shuō)明氮鉀肥料合理配施有助于產(chǎn)量的提高；單施氮肥(T2)較單施鉀肥(T3)產(chǎn)量高，說(shuō)明增施氮肥更有利于西葫蘆產(chǎn)量的提高。

從表3可以看出，西葫蘆品質(zhì)指標(biāo)得分由高到低依次是T4>T5>T1>T3>T6>T2，說(shuō)明不施肥、單施氮肥、鉀肥和施用高水平的氮鉀配比肥料的西葫蘆品質(zhì)低，合理的氮鉀配比有助于提高西葫蘆的品質(zhì)，單施鉀肥(T3)較單施氮肥(T2)的品質(zhì)好，說(shuō)明增施鉀肥更有利于提高西葫蘆的品質(zhì)。

表2 遷葫1號(hào)的產(chǎn)量測(cè)定結(jié)果

2.2 回歸模型的建立

根據(jù)試驗(yàn)的產(chǎn)量、品質(zhì)指標(biāo)評(píng)分結(jié)果，利用Excel 2003建立二次飽和D-最優(yōu)設(shè)計(jì)回歸模型[3]，得出西葫蘆產(chǎn)量、品質(zhì)和N、K編碼值之間的回歸方程：

YA=5487.94+113.69X1+31.11X2-96.57X1X2-189.89X12-198.38X22

(1)

YB=73.49-2.42X1+3.56X2+3.57X1X2-1.42X12-10.33X22

(2)

式中：YA表示產(chǎn)量，YB表示品質(zhì)，X1代表N的用量編碼，X2代表K2O的用量編碼。

表3 遷葫1號(hào)的品質(zhì)指標(biāo)評(píng)分結(jié)果 分

2.3 模型分析

2.3.1 主效因子分析 偏回歸系數(shù)絕對(duì)值的大小反映了因素的主次，符號(hào)的正負(fù)反映了因素水平的取值方向[4]。|113.69|>|31.11︱，表明在一定的范圍內(nèi)，氮素使用量的大小是影響西葫蘆產(chǎn)量的主要因素；|-2.42|<|3.56|，表明在一定的范圍內(nèi)，鉀素使用量的大小是影響西葫蘆品質(zhì)指標(biāo)的主要因素。

2.3.2 單因子效應(yīng)分析 將自變量X1、X2中的一個(gè)固定在0水平，可以得到另一個(gè)自變量與目標(biāo)函數(shù)的關(guān)系，即單因子效應(yīng)方程。

令式(1)中X2=0，得到方程YA1=5487.94+113.69X1-189.89X12，即N對(duì)遷葫1號(hào)產(chǎn)量的單因子效應(yīng)方程；令式(1)中X1=0，得到方程YA2=5487.94+31.11X2-198.38X22，即K2O對(duì)遷葫1號(hào)產(chǎn)量的單因子效應(yīng)方程。

同理，令式(2)中X2=0，得到方程YB1=73.49-2.42X1-1.42X12，即N對(duì)遷葫1號(hào)品質(zhì)的單因子效應(yīng)方程；令式(2)中X1=0，得到方程YB2=73.49+3.56X2-10.33X22，即K2O對(duì)遷葫1號(hào)品質(zhì)的單因子效應(yīng)方程。

將產(chǎn)量和品質(zhì)的單因子效應(yīng)方程繪制成圖1和圖2。由此可以看出，產(chǎn)量隨著N、K2O施用量的增加而增加，達(dá)到最大值后，隨施肥量的增加而降低。品質(zhì)隨著N施用量的增加而緩慢降低；隨著K2O施用量的增加而增加，達(dá)到最大值后，隨施肥量的增加而降低。

圖1 N、K2O對(duì)遷葫1號(hào)產(chǎn)量的單因子效應(yīng)分析

圖2 N、K2O對(duì)遷葫1號(hào)品質(zhì)的單因子效應(yīng)分析

2.3.3 交互效應(yīng)分析 施肥效應(yīng)方程中N、K2O肥料交互作用項(xiàng)的系數(shù)反映了肥料間兩兩交互作用的強(qiáng)弱程度，在效應(yīng)方程中，產(chǎn)量回歸方程中的交互項(xiàng)系數(shù)為負(fù)值，說(shuō)明N、K元素表現(xiàn)為拮抗作用；在品質(zhì)回歸方程中，交互項(xiàng)系數(shù)為正值，說(shuō)明N、K元素表現(xiàn)為協(xié)同作用[5]。

通過(guò)氮鉀交互效應(yīng)方程，將N和K2O的編碼值帶入方程，計(jì)算產(chǎn)量和品質(zhì)，得到表3和表4。

分別以X1、X2編碼值為x和y軸，西葫蘆單產(chǎn)為z軸，對(duì)氮鉀交互效應(yīng)方程制作圖3。

結(jié)合表4和圖3可知，西葫蘆產(chǎn)量隨著X1、X2先升高后降低，X1、X2過(guò)高或過(guò)低都不利于產(chǎn)量的提高。以5300 kg/667 m2作為西葫蘆目標(biāo)產(chǎn)量，當(dāng)X1取-0.1315～1.0000，X2取-0.1315～0.3944之間，N、K2O對(duì)西葫蘆產(chǎn)量的互作效應(yīng)明顯；超出此范圍，無(wú)論是N還是K2O的施用量增加或減少，產(chǎn)量均表現(xiàn)為下降。

表4 N和K2O交互效應(yīng)對(duì)遷葫1號(hào)產(chǎn)量的影響

圖3 N和K2O對(duì)遷葫1號(hào)產(chǎn)量的交互效應(yīng)分析

同理，分別以X1、X2編碼值為x和y軸，西葫蘆品質(zhì)得分為z軸，對(duì)氮鉀交互效應(yīng)方程制作圖4。

結(jié)合表5和圖4可知，西葫蘆品質(zhì)隨著X1、X2變化先后降低升高，鉀含量的提高有利于品質(zhì)的提升。以70分作為西葫蘆目標(biāo)品質(zhì)，當(dāng)X1取-0.1315～0.3944，X2取-1.0000～0.3944之間，N、K2O對(duì)西葫蘆品質(zhì)的互作效應(yīng)明顯；超出此范圍，無(wú)論是N還是K2O的施用量增加或減少，品質(zhì)均表現(xiàn)為下降。

表5 N和K2O交互效應(yīng)對(duì)遷葫1號(hào)品質(zhì)的影響

圖4 N和K2O對(duì)遷葫1號(hào)品質(zhì)的交互效應(yīng)分析

2.4 最優(yōu)施肥模式選擇

利用頻數(shù)分布法計(jì)算，得出本試驗(yàn)條件下，產(chǎn)量超過(guò)5300 kg/667 m2的施肥方案(表6)。從表6可以看出，遷葫1號(hào)的產(chǎn)量超過(guò)5300 kg/667 m2，氮鉀肥料用量要求有一定的范圍，即施氮24.13～43.30 kg/667 m2、施鉀24.68～63.20 kg/667 m2。利用回歸分析軟件求得方程最優(yōu)解，施氮32.73 kg/667 m2、施鉀40.00 kg/667 m2，產(chǎn)量為5504.55 kg/667 m2，達(dá)到最高。

表6 遷葫1號(hào)產(chǎn)量超過(guò)5300 kg/667m2時(shí)的因素取值頻率分布

注：自由度df=8，t0.05=2.306。

同理，也可以得出本試驗(yàn)條件下品質(zhì)得分超過(guò)70分的施肥方案(表7)。最優(yōu)施肥方案：施氮6.70～39.92 kg/667 m2、施鉀36.71～56.81 kg/667 m2。利用回歸分析軟件求得方程最優(yōu)解，施氮16.36 kg/667 m2、施鉀47.64 kg/667 m2，品質(zhì)得分為75.70分，達(dá)到最優(yōu)。

表7 遷葫1號(hào)品質(zhì)得分超過(guò)70分時(shí)的因素取值頻率分布

注：自由度df=7，t0.05=2.365。

3 結(jié)論與討論

氮肥是提高大多數(shù)蔬菜作物產(chǎn)量的主要因素。齊輝[1]認(rèn)為氮肥的變化對(duì)產(chǎn)量的影響較鉀肥變化的影響大；陳修斌等[6]認(rèn)為西葫蘆水肥耦合中，對(duì)產(chǎn)量影響的大小為氮>水>鉀；聶大杭等[7]認(rèn)為氮肥對(duì)番茄增產(chǎn)效果明顯，增施氮肥有利于提高番茄產(chǎn)量；諸海燾等[8]的研究表明，在一定范圍內(nèi)，隨著氮用量的上升，西瓜產(chǎn)量增加；王祝余等[9]認(rèn)為在低氮條件下，增施氮肥能極顯著提高青花菜產(chǎn)量。本試驗(yàn)的研究結(jié)果與前人的研究結(jié)果基本一致：在一定范圍內(nèi)氮肥施用量的大小是影響西葫蘆產(chǎn)量的主要因素，且與西葫蘆的產(chǎn)量呈正相關(guān)。

鉀肥是品質(zhì)元素，國(guó)內(nèi)學(xué)者的大多數(shù)研究結(jié)果表明施用鉀肥可以明顯提高蔬菜產(chǎn)品中維生素C的含量；孫曉琦等[10]認(rèn)為適量施鉀，可使黃瓜果實(shí)特征風(fēng)味物質(zhì)相對(duì)含量明顯升高。本研究結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)鉀肥施用量的大小對(duì)品質(zhì)的影響大于氮肥，且與西葫蘆的品質(zhì)呈正相關(guān)。此外，氮肥是影響硝酸鹽的主要因素，氮肥的增加，有利于蔬菜作物硝酸鹽的積累，從而降低蔬菜的品質(zhì)，因此氮肥、鉀肥的施用均能夠影響蔬菜的品質(zhì)。本試驗(yàn)的研究結(jié)果表明：氮肥與鉀肥對(duì)西葫蘆品質(zhì)的影響具有協(xié)同作用。低氮低鉀、高氮高鉀都不利于西葫蘆的品質(zhì)。合理的氮鉀配施對(duì)西葫蘆的產(chǎn)量和品質(zhì)的提高有明顯的促進(jìn)作用。

本試驗(yàn)采用二因素二次D-飽和最優(yōu)設(shè)計(jì)，建立了西葫蘆秋延遲栽培氮鉀元素施用量與其產(chǎn)量品質(zhì)關(guān)系的回歸方程，提出了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)量和品質(zhì)的西葫蘆氮鉀最佳施肥方案，為西葫蘆生產(chǎn)中氮鉀合理配施及精準(zhǔn)施肥提供了理論依據(jù)。