基于“3414”試驗的壩上草地施肥效應(yīng)與推薦施肥量研究

陳奇樂，李智，李瑾璞，張美麗，張利，王樹濤

(1 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071000；2 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源學(xué)院，河北 保定 071000)

草原是地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、固持碳素和防止沙塵暴等方面發(fā)揮著極其重要的生態(tài)功能[1]。另外，草原還具有生產(chǎn)力，適宜發(fā)展畜牧業(yè)，為牛羊提供飼料，為人類提供諸多利益[2]。近年來，由于過載放牧、氣候變暖等人為和自然雙重壓力的影響，使得壩上地區(qū)草地出現(xiàn)了退化現(xiàn)象，導(dǎo)致草地生態(tài)環(huán)境惡化，威脅到京津冀地區(qū)的生態(tài)平衡[3]。草地退化的核心問題是草地植被和土壤的退化，合理的施肥不僅可以補充土壤養(yǎng)分滿足牧草對營養(yǎng)物質(zhì)的需求，提高牧草產(chǎn)量，改善牧草品質(zhì)和植被群落，而且還可以恢復(fù)生態(tài)環(huán)境，因此研究草地施肥具有重要意義[4]。

草地施肥作為一項退化草地改良技術(shù)，一直是國內(nèi)外草地改良研究的熱點，但多數(shù)試驗研究是對人工草地進(jìn)行單一施肥或2種肥料混施[5-8]，對天然草地的施肥研究相對較少，尤其是對河北壩上草地施肥的研究更少。鑒于此，本試驗采用氮磷鉀三因素四水平的“3414”最優(yōu)回歸試驗設(shè)計，研究氮磷鉀3種肥料配施對張北壩上典型羊草草地牧草產(chǎn)量的影響，以期篩選出適合壩上地區(qū)草地施肥的最優(yōu)氮磷鉀組合，為退化草地施肥改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于河北省張家口市北部壩上高原區(qū)，國家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系張家口綜合試驗站(察北)地處內(nèi)蒙古錫林郭勒草原南緣，地理坐標(biāo)為東經(jīng)115°1′，北緯41°28′。海拔1 381.33 m，年均溫1.4 ℃，年均降水量340～450 mm，土壤以栗鈣土、草甸土為主，土壤pH 7.5～9.5，土壤有機質(zhì)含量在2.5%左右[9]，全氮 1.29 g/kg，速效磷35.87 mg/kg，速效鉀135.52 mg/kg。該地區(qū)的物種有羊草、針茅、冰草、芨芨草等優(yōu)良牧草，伴有冷蒿、黃花蒿、麻花頭、白蓮蒿、狹葉柴胡、防風(fēng)、野韭、唐松草、委陵菜、香蠅子草等多種雜類草，其中羊草為建群種，占有絕對優(yōu)勢，試驗區(qū)見圖1。

圖1 試驗區(qū)地理位置圖Figure 1 The geographical location of experimental site

1.2 試驗設(shè)計

采用“3414”最優(yōu)回歸設(shè)計[10]，設(shè)置氮磷鉀3因素4水平，共14個處理，其中氮素0、1、2、3水平施氮量分別為0.00 kg/hm2、30.00 kg/hm2、60.00 kg/hm2、90.00 kg/hm2；磷素0、1、2、3水平施磷量分別為0.00 kg/hm2、45.00 kg/hm2、90.00 kg/hm2、135.00 kg/hm2；鉀素0、1、2、3水平施鉀量分別為0.00 kg/hm2、20.00 kg/hm2、40.00 kg/hm2、60.00 kg/hm2。每個處理重復(fù)3次，共計42個小區(qū)，田間設(shè)計采用完全隨機區(qū)組設(shè)計。小區(qū)面積為4 m×5 m。試驗開始于2019年5月中旬，施肥方式為人工撒施，施肥時間選擇在下雨天或下雨之前，以確保肥效。供試肥料氮肥為尿素(N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O516%)，鉀肥為硫酸鉀(K2O 51%)，具體試驗設(shè)計方案見表1。

表1 “3414”試驗設(shè)計方案和施肥量Table 1 The “3414” experimental design scheme and fertilizer quantity

1.3 樣品采集

于2019年8月中旬進(jìn)行采樣。在每個小區(qū)內(nèi)隨機取3個1 m×1 m的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查樣方，齊地刈割樣方內(nèi)植物地上部分，挑去雜質(zhì)，裝入信封，做好標(biāo)記，帶回實驗室，105℃殺青30 min，65℃烘干48 h至恒重，稱出各小區(qū)地上干物質(zhì)量換算成牧草產(chǎn)量。

1.4 計算方法

根據(jù)吳志勇等[11]的研究采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行一元二次、二元二次、三元二次三種類型肥效模型擬合，擬合方程公式如下：

Y=b0+b1x+b2x2

(1)

式中，Y為一元一次方程的牧草產(chǎn)量， 分別為N、P2O5、K2O中的任意一種肥料的施用量，b0為常數(shù)項，b1、b2為三元二次方程系數(shù)。

(2)

式中，Y為二元二次方程的牧草產(chǎn)量，x1、x2分別為N、P2O5、K2O中的任意兩種肥料的施用量，b0為常數(shù)項，b1、b2、b3……b5為三元二次方程系數(shù)。

(3)

式中,Y為三元二次方程的牧草產(chǎn)量，x1、x2、x3分別為N、P2O5、K2O施用量，b0為常數(shù)項，b1、b2、b3……b9為三元二次方程系數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理；采用SAS進(jìn)行差異顯著性方差分析(one-way ANOVA)，采用SPSS 22.0進(jìn)行三元二次、二元二次和一元二次方程的回歸分析；采用Matlab進(jìn)行理論產(chǎn)量及對應(yīng)用肥量的計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮磷鉀配施的牧草產(chǎn)量效應(yīng)

合理的施肥可補充土壤自身肥力的短缺，從而提高作物的產(chǎn)量[12]。不同氮磷鉀配施下牧草的顯著性分析結(jié)果見圖2。

圖2 氮磷鉀配施對牧草產(chǎn)量的影響Figure 2 Effect of different N, P, and K fertilizers on grass yield

由圖2可以看出，不同施肥處理下牧草產(chǎn)量不同。施用氮、磷、鉀肥后草地牧草產(chǎn)量均有所增加。除N0P2K2處理外，其他處理與不施肥N0P0K0(CK)處理進(jìn)行比較牧草產(chǎn)量均顯著提高(P<0.05)。牧草產(chǎn)量居前5位的施肥處理依次是N2P2K2、N2P1K2、N1P2K2、N2P2K3、N2P2K1，產(chǎn)量分別為2 895.71 kg/hm2、2 556.48 kg/hm2、2 526.46 kg/hm2、2 502.32 kg/hm2、2 485.38 kg/hm2、分別比不施肥N0P0K0(CK)處理增產(chǎn)85.70%、63.95%、62.02%、60.48%、59.39%。

2.2 氮、磷、鉀單種肥料的產(chǎn)量效應(yīng)分析

單施氮、磷、鉀肥料對牧草產(chǎn)量的影響結(jié)果可根據(jù)表1中編碼分別為2、3、6、11；4、5、6、7；8、9、6、10的施肥處理對應(yīng)牧草產(chǎn)量進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果見下表2。

表2 氮磷鉀單種肥料的產(chǎn)量效應(yīng)分析Table 2 Yield effect analysis of single fertilizer of nitrogen, phosphorus and potassium

注：表中同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

由表2可知，編碼為2、3、6、11的施肥處理N0P2K2、N1P2K2、N2P2K2、N3P2K2，產(chǎn)量分別為1 826.38 kg/hm2、2 526.46 kg/hm2、2 895.71 kg/hm2、2 408.14 kg/hm2，可見隨著施氮量的不斷增加，牧草產(chǎn)量呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，且在N2P2K2水平下產(chǎn)量達(dá)到最高，顯著高于其他施氮水平(P<0.05)；編碼為4、5、6、7的施肥處理N2P0K2、N2P1K2、N2P2K2、N2P3K2，產(chǎn)量分別為1 994.73 kg/hm2、2 556.48 kg/hm2、2 895.71 kg/hm2、2 378.24 kg/hm2，可見隨著施磷量的不斷增加，牧草產(chǎn)量呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，且在N2P2K2水平下產(chǎn)量達(dá)到最高，顯著高于其他施磷水平(P<0.05)；編碼為8、9、6、10的施肥處理N2P2K0、N2P2K1、N2P2K2、N2P2K3，產(chǎn)量分別為2 027.81 kg/hm2、2 485.38 kg/hm2、2 895.71 kg/hm2、2 502.32 kg/hm2，可見隨著施鉀量的不斷增加，牧草產(chǎn)量呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，且在N2P2K2水平下產(chǎn)量達(dá)到最高，顯著高于其他施鉀水平(P<0.05)。因此，草地牧草產(chǎn)量對氮、磷、鉀元素的需求存在一個閾值，當(dāng)?shù)?、磷、鉀肥量分別達(dá)到60.00 kg/hm2、90.00 kg/hm2、40.00 kg/hm2時，牧草產(chǎn)量達(dá)到最大值，后隨施肥量增加牧草產(chǎn)量不在增加。

2.3 氮、磷、鉀肥的互作效應(yīng)分析

2.3.1 不同磷、鉀肥用量對氮肥效果的影響 選取N1P1K2、N1P1K2、N1P2K2、N2P2K2、N1P2K1、N2P2K1處理，進(jìn)行磷、鉀肥用量對氮肥效果的影響分析，分析結(jié)果見下圖3。

從圖3可以看出，鉀肥施用量在2水平(40.00 kg/hm2)時，低氮和中氮處理的牧草產(chǎn)量均隨磷肥施用量的增加而增加，低氮和中氮處理增產(chǎn)量分別為147.40 kg/hm2和339.23 kg/hm2，增產(chǎn)率分別為6.20%和13.27%。磷肥用量在2水平(90.00 kg/hm2)時，隨鉀肥施用量的增加，低氮和中氮水平牧草產(chǎn)量分別增加67.90 kg/hm2和410.33 kg/hm2，增產(chǎn)率分別為2.76% 和16.51%。在中磷、中鉀水平時，中氮處理的牧草產(chǎn)量均高于其他處理，說明在中磷、中鉀施肥水平下最有利于氮肥效果的發(fā)揮。

圖3 不同磷、鉀肥用量對氮肥效果的影響Figure 3 Influence of different P and K contents on N fertilizer effect

2.3.2 不同氮、鉀肥用量對磷肥效果的影響 選取N1P1K2、N1P2K2、N2P1K2、N2P2K2、N2P1K1、N2P2K1處理，進(jìn)行氮、鉀肥用量對磷肥效果的影響分析，結(jié)果見圖4。

圖4 不同氮、鉀肥用量對氮肥效果的影響Figure 4 Influence of different N and K contents on P fertilizer effect

從圖4可以看出，鉀肥施用量在2水平(40.00 kg/hm2)時，低磷和中磷處理的牧草產(chǎn)量均隨氮肥施用量的增加而增加，低磷和中磷處理增產(chǎn)量分別為177.42 kg/hm2和369.25 kg/hm2，增產(chǎn)率分別為7.46%和14.62%。氮肥用量在2水平(60.00 kg/hm2)時，隨鉀肥施用量的增加，低磷和中磷水平牧草產(chǎn)量分別增加159.28 kg/hm2和410.33 kg/hm2，增產(chǎn)率分別為6.64% 和16.51%。在中氮、中鉀水平時，低磷、中磷處理的牧草產(chǎn)量均高于其他處理，說明在中氮、中鉀施肥水平下最有利于磷肥效果的發(fā)揮。

2.3.3 不同氮、磷肥用量對鉀肥效果的影響 選取表1中N1P2K1、N1P2K2、N2P2K1、N2P2K2、N2P1K1、N2P1K2處理，進(jìn)行氮、磷肥用量對鉀肥效果的影響分析，結(jié)果見下圖5。

圖5 不同氮、磷肥用量對鉀肥的影響Figure 5 Influence of different N and P contents on K fertilizer

從圖5可以看出，氮肥施用量在3水平(90.00 kg/hm2)時，低鉀和中鉀處理的牧草產(chǎn)量均隨磷肥施用量的增加而增加，低鉀和中鉀處理增產(chǎn)量分別為26.82 kg/hm2和369.25 kg/hm2，增產(chǎn)率分別為1.09%和14.62%。磷肥用量在2水平(90.00 kg/hm2)時，隨氮肥施用量的增加，低鉀和中鉀水平牧草產(chǎn)量分別增加88.18 kg/hm2和339.23 kg/hm2，增產(chǎn)率分別為3.68%和13.27%。在中氮、中磷水平時，中鉀處理的牧草產(chǎn)量顯著(P<0.05)高于其他處理，說明在中氮、中磷施肥水平下最有利于鉀肥效果的發(fā)揮。

2.4 推薦施肥量分析

2.4.1 一元二次方程擬合 根據(jù)公式(1)，選用表1中編碼為2、3、6、11；4、5、6、7；8、9、6、10的施肥處理與產(chǎn)量結(jié)果分別進(jìn)行單施氮、磷、鉀肥產(chǎn)量的一元二次肥料方程擬合分析，方程見下表3。

表3 一元二次方程擬合Table 3 Fitting of quadratic equation with one variable

注：*表示通過P<0.05檢驗。

由表3可知，利用Matlab軟件對一元二次肥料方程進(jìn)行求極值，可以求出N一元二次肥料方程理論最高產(chǎn)量2 822.91 kg/hm2，對應(yīng)的施肥量N 55.68 kg/hm2、P2O590.00 kg/hm2、K2O 40.00 kg/hm2；P一元二次肥料方程理論最高產(chǎn)量2814.36 kg/hm2，對應(yīng)的施肥量N 60.00 kg/hm2、P2O579.95 kg/hm2、K2O 40.00 kg/hm2；K一元二次肥料方程理論最高產(chǎn)量2 783.18 kg/hm2，對應(yīng)的施肥量N 60.00 kg/hm2、P2O590.00 kg/hm2、K2O 38.62 kg/hm2。

2.4.2 二元二次方程擬合 根據(jù)公式(2)，利用SPSS軟件將編碼為2、3、4、5、6、7、10、11的處理進(jìn)行氮、磷二元二次肥料方程擬合，編碼為2、3、6、8、9、10、11、13的處理進(jìn)行氮、鉀二元二次肥料方程擬合，編碼為4、5、6、7、8、9、10、14的處理進(jìn)行磷、鉀二元二次肥料方程擬合，方程見下表4。

表4 二元二次方程擬合Table 4 Fitting of quadratic equation with two variables

注：*表示通過P<0.05檢驗。

由表4可知，利用Matlab軟件對二元二次方程求極值，算出NP二元二次肥料方程對草地作用的理論最高產(chǎn)量2 712.90 kg/hm2，對應(yīng)施肥量N 56.69 kg/hm2，P2O580.60 kg/hm2，K2O 40.00 kg/hm2；NK二元二次肥料方程對草地作用的理論最高產(chǎn)量2376.20 kg/hm2，對應(yīng)施肥量N 42.11 kg/hm2、P2O590.00 kg/hm2、K2O 25.96 kg/hm2；PK二元二次肥料方程對草地作用的理論最高產(chǎn)量2763.60 kg/hm2，對應(yīng)施肥量N 60.00 kg/hm2、P2O580.33 kg/hm2、K2O 39.33 kg/hm2。

2.4.3 三元二次方程擬合 根據(jù)公式(3)，利用SPSS軟件將“3414”施肥方案的14個氮磷鉀配施量與牧草產(chǎn)量建立N、P、K 3種肥料用量與產(chǎn)量的三元二次回歸方程，方程如下：

Y=1548.5253+15.1966N+12.8655P+11.8007K-0.2703N2-0.1104P2-0.4370K2+0.0453NP+0.2973NK+0.0639PK

經(jīng)過F檢驗，F(xiàn)=18.52>F0.05，擬合優(yōu)度R2=0.84，方程二次項系數(shù)均為負(fù)值，一次項系數(shù)均為正值，因此，施肥模型擬合成功。二次項系數(shù)均為負(fù)值，表明牧草符合肥料報酬遞減律[13]；一次項系數(shù)均為正值，表明氮磷鉀肥料均有明顯的增產(chǎn)效果；互作項系數(shù)均為正值，表明氮磷、氮鉀、磷鉀肥料均為正向互作效應(yīng)。利用Matlab軟件對三元二次方程求極值，得出理論最高產(chǎn)量2 725.50 kg/hm2，對應(yīng)施肥量N 56.10 kg/hm2、P2O581.25 kg/hm2、K2O 38.51 kg/hm2。

2.4.4 多種肥料效應(yīng)方程匯總的施肥決策 將上述7種擬合方程計算的施肥量與產(chǎn)量進(jìn)行匯總分析，見下表5。

表5 多種肥料效應(yīng)方程的施肥決策

Table 5 Fertilization decision of multiplefertilizer effect equations kg/hm2

因素FactorsNP2O5K2O產(chǎn)量YieldN55.6890.0040.002 822.91P60.0079.9540.002 814.36K60.0090.0038.622 783.18PK60.0080.3339.332 763.60NPK56.1081.2538.512 725.50NP56.6980.640.002 712.90NK42.1190.0025.962 376.20

結(jié)果表明，各類型函數(shù)預(yù)測的最高產(chǎn)量從大到小依次為N一元方程、P一元方程、K一元方程、PK二元方程、NPK三元方程、NP二元方程、NK二元方程，但是幾種方程計算出的推薦施肥量存在一定差異，其中氮肥以N一元方程和P一元方程的產(chǎn)量相近，但是N一元方程更接近于實際產(chǎn)量2 895.71 kg/hm2。磷肥同樣以N一元方程和P一元方程的產(chǎn)量相近，但是N一元方程需要肥量較多。鉀肥除NK二元方程外，其余需肥量相差不大，考慮實際牧草產(chǎn)量，應(yīng)選擇N一元方程的鉀肥用量更好。綜合以上幾種肥料效應(yīng)方程推薦施肥量結(jié)果，確定該地區(qū)最佳牧草產(chǎn)量的施肥量為N 55.68 kg/hm2、P2O579.95 kg/hm2、K2O 40.00 kg/hm2。

3 討論

氮磷鉀肥配施可以均衡補充草地植被營養(yǎng)元素，有利于植物養(yǎng)分積累，提高牧草產(chǎn)量，施肥不均衡會導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分不均衡，土壤生產(chǎn)功能下降，牧草的產(chǎn)量受到限制[14]。在實際生產(chǎn)中肥料過量施用比較嚴(yán)重，不僅造成了資源浪費，又對環(huán)境造成不利的影響[15]。本試驗結(jié)果表明，氮磷鉀合理配施可顯著增加牧草產(chǎn)量，3種肥料對牧草產(chǎn)量的影響由大到小依次為氮、磷、鉀。并且3種肥料對牧草產(chǎn)量的影響存在閾值，當(dāng)施肥量未達(dá)到閾值前隨施肥量增加牧草產(chǎn)量增加，當(dāng)達(dá)到閾值后隨施肥量增加牧草產(chǎn)量減小，這一結(jié)果與白玉婷[16]、范富等[17]的研究結(jié)果一致，反映了肥料的報酬遞減律[18]。

“3414”試驗方案采用回歸最優(yōu)設(shè)計，處理少、效率高，可建立三元二次、二元二次和一元二次肥料效應(yīng)回歸方程模擬氮、磷、鉀肥的最佳施用量[19]。近些年來，對“3414”施肥效應(yīng)的研究多在農(nóng)作物上，草地的研究相對較少。本研究結(jié)果顯示，在張北壩上草地進(jìn)行三元二次、二元二次、一元二次肥料效應(yīng)方程的擬合優(yōu)度在(0.73～0.84)之間，所以方程擬合較為成功。根據(jù)7種擬合方程綜合分析得出最大牧草產(chǎn)量所對應(yīng)施肥量為N 55.68 kg/hm2、P2O579.95 kg/hm2、K2O 40.00 kg/hm2，這一結(jié)果與杜青峰等[20]在內(nèi)蒙古錫林郭勒退化典型草原研究結(jié)果得出的氮肥閾值50 kg/hm2左右基本相一致，可能是張北壩上草地屬于錫林郭勒草原南緣，其草地類型和土壤類型相同的原因。

4 結(jié)論

在張北壩上典型羊草草地進(jìn)行的施肥試驗，氮磷鉀3種肥料對牧草產(chǎn)量的影響由大到小依次為氮肥、磷肥、鉀肥，隨施肥量的增加牧草產(chǎn)量均呈現(xiàn)先后減趨勢；綜合各肥料擬合方程的最佳施肥量結(jié)果，建議該地區(qū)最大牧草產(chǎn)量的最適合施肥量為N 55.68 kg/hm2、P2O579.95 kg/hm2、K2O 40.00 kg/hm2。