旱作區(qū)黨參黑膜栽培施肥數(shù)學(xué)模型研究

孫新榮，仲彩萍，漆永紅,張維彪，王玉華

(1.甘肅省渭源縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，甘肅 渭源 748200；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物保護研究所，甘肅 蘭州 730070)

黨參(Codonopsispilosula(Franch)Nannf.)為桔?？贫嗄晟p繞或直立草本植物。定西是著名的千年藥鄉(xiāng)，是全國藥材的重要主產(chǎn)區(qū)之一。定西市渭源縣2002年被中國農(nóng)學(xué)會特產(chǎn)之鄉(xiāng)組委會正式命名為“中國黨參之鄉(xiāng)”，所產(chǎn)黨參以“條直、體胖、色白、質(zhì)好”而著稱，成為打贏脫貧攻堅戰(zhàn)的有力舉措。定西市大力推進質(zhì)量興農(nóng)、綠色興農(nóng)，深入開展化肥使用量零增長行動，探索黨參栽培化肥減量增效模式。

近年來，定西地區(qū)黨參黑膜栽培面積不斷擴大，2017年面積達1萬hm2，成為旱作區(qū)黨參栽培主要模式，所產(chǎn)黨參條長、條粗，產(chǎn)量高，收益高。但是，隨著藥農(nóng)一味追求高產(chǎn)，不斷加大化肥施用量，經(jīng)作者2015-2017年調(diào)查表明，667 m2施純N 10.6～21.3 kg、P2O58.5～25.1 kg、K2O 0～7.2 kg，造成盲目施肥。目前，對于甘肅黨參施肥研究方面，胡佳棟等[1]開展了中藥材專用肥露地栽培施肥研究，龔成文等[2]開展露地栽培8個氮磷鉀配方及施量研究，李瑩瑩等[3]研究了氮磷配施露地栽培施肥研究，對于黨參施肥缺乏氮磷鉀配施系統(tǒng)研究，黨參黑膜栽培施肥模型尚不清晰。為此，筆者試驗采用三因子五水平二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計[4]，在甘肅黨參主栽區(qū)通過2 a試驗研究，旨在找到黨參黑膜栽培施肥與產(chǎn)量以及施肥純收益的相關(guān)數(shù)學(xué)模型，為黨參黑膜栽培施肥提供科學(xué)依據(jù)，實現(xiàn)化肥減量增效。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017-2018年在甘肅省渭源縣新寨鎮(zhèn)馮家莊村進行，海拔2 310 m，年降雨量460 mm，年平均氣溫4 ℃，≥10 ℃積溫1 800 ℃。試驗地土壤為山地黃綿土，耕作層基礎(chǔ)地力見表1。

表1 供試土壤(0～25 cm)養(yǎng)分狀況

1.2 試驗材料

1.2.1 試驗用化肥 氮肥用尿素(含N 46%)，磷肥用過磷酸鈣(含P2O512%)，鉀肥用硫酸鉀鎂(含K2O 24%)。

1.2.2 黨參品種 供試黨參品種為渭黨3號。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設(shè)計 采用三因子五水平二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計,試驗因子及編碼值見表2。

表2 試驗因子及編碼值 (kg·hm-2)

1.3.2 栽植、田間管理及收獲 試驗共設(shè)20個處理，隨機排列，小區(qū)面積23.8 m2(8.5 m×2.8 m),共20處理,2次重復(fù)。栽植時先整地施肥，隨整地施入優(yōu)質(zhì)腐熟農(nóng)家肥30 000 kg·hm-2，按小區(qū)量施入全部化肥，每小區(qū)栽植8行，整個生育期內(nèi)不再追施。2017-2018年3月中旬開始栽植，行距40 cm，株距4 cm。第1行開好溝擺好苗子后，采用滿益佳(1500 mL·hm-2、銳勝(3 000 mL·hm-2)進行均勻噴霧栽植溝和黨參苗，預(yù)防黨參根腐病。然后進行第2行開溝，并對第1行進行覆土，覆土后，在地的一頭挖深10 cm，長40 cm的淺溝，將幅寬35 cm黑色地膜一頭埋入，壓好，拉緊地膜，使苗頭正好在地膜外1～2 cm外為宜，邊拉地膜邊將地膜兩側(cè)邊緣處壓土，并每隔4～5 m壓土腰帶，防止風(fēng)吹揭膜。然后栽植第3行，以此類推。同年秋季11月上旬收獲。收獲時每小區(qū)兩邊各去掉1行，以實收面積計產(chǎn)，晾曬干后稱重并進行分級考種。

1.4 統(tǒng)計方法

結(jié)果數(shù)據(jù)用軟件DPS進行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 回歸方程

由表3資料得參試因子與產(chǎn)量(Y1)和施肥純收益(Y2)的回歸數(shù)學(xué)方程：

表3 試驗處理方案及產(chǎn)量和施肥純收益

(1)

(2)

方程(1)經(jīng)失擬性檢驗，擬和良好(F1=4.63，F(xiàn)0.05(5,5)=5.05，即F1F0.01=4.94)。

方程(2)經(jīng)失擬性檢驗，擬和亦良好(F1=4.63，F(xiàn)0.05(5,5)=5.05，即F1F0.01=4.94)。

說明參試因子對目標(biāo)函數(shù)有極顯著影響，該方程可用于決策黨參主效因子的栽培水平。該模型在設(shè)計時已經(jīng)過了無量綱線性編碼轉(zhuǎn)換，偏回歸系數(shù)已經(jīng)標(biāo)準化。因此，從回歸系數(shù)絕對值的大小可直接判斷出各因子的貢獻大小，其符號指出了正負作用效應(yīng)?？梢?，主效應(yīng)位次為x1>x3>x2，即氮效應(yīng)>鉀效應(yīng)>磷效應(yīng)。交互效應(yīng)中x1x3>x1x2>x2x3，即氮鉀互作效應(yīng)>氮磷互作效應(yīng)>磷鉀互作效應(yīng)，但是氮磷之間存在著負的互作效應(yīng)，其余都為正互作效應(yīng)。

2.2 施肥對產(chǎn)量的影響

2.2.1 N、P、K配施 對方程(1)求x1、x2、x3的一階偏導(dǎo)數(shù)，并令其為0得方程組：

222.08908-469.11716x1-29.10000x2-39.63750x3=0

134.45452-29.10000x1-322.05664x2+2.02500x3=0

173.57762+39.63750x1+2.02500x2-259.84892x3=0

求解知，當(dāng)編碼值x1=0.5134、x2=0.3758、x3=0.7492時，方程實現(xiàn)最大產(chǎn)量3 690.23 kg·hm-2。此時施肥量為N 234.94 kg·hm-2、P2O5110.08 kg·hm-2、K2O 65.04 kg·hm-2。

求解施肥純收益最佳施肥量知，當(dāng)編碼值x1=0.4806、x2=0.3381、x3=0.7010時，達最大施肥純收益108 154.94 元·hm-2(現(xiàn)市場價N 4.08元·kg-1、P2O57.29元·kg-1、K2O 12.5元·kg-1；黨參統(tǒng)貨30元·kg-1)。

可見，N、P、K配施時黨參最大產(chǎn)量施肥量與最大施肥純收益施肥量非常接近。

(3)

并計算出N、P配施的交互效應(yīng)值見表4。

表4 N、P肥對黨參產(chǎn)量的交互效應(yīng) (kg·hm-2)

由表4可看出，不施K肥的情況下，當(dāng)N施量為-1.682，即不施N肥時，產(chǎn)量先隨P2O5施量的增大而增加，當(dāng)P2O5施量越過1水平后減小。當(dāng)N施量在-1≤x1≤1.682區(qū)間時，產(chǎn)量也先隨P2O5施量的增大而增加，當(dāng)P2O5施量越過0水平后則減小；當(dāng)P2O5施量在-1.682≤x2≤1.682區(qū)間時，產(chǎn)量也先隨N施量的增大增加，當(dāng)N施量越過0水平后則減小。

N肥(或P肥)的增產(chǎn)效果因P肥(或N肥)的施量水平不同而不同。在筆者試驗設(shè)計范圍內(nèi),當(dāng)P2O5取-1.682、-1、0、1、1.682水平時,平均每公斤N增產(chǎn)分別為1.91 kg、1.72 kg、1.45 kg、1.18 kg、0.99 kg，可見隨P2O5施量增加，平均每公斤N肥的增產(chǎn)效應(yīng)逐漸減小；當(dāng)N取-1.682、-1、0、1、1.682水平時,平均每公斤P2O5分別增產(chǎn)

3.36 kg、2.99 kg、2.45 kg、1.91 kg、1.53 kg，可見隨N施量增加，平均每公斤P2O5肥增產(chǎn)效應(yīng)也逐漸減小。可見N、P配施時，若 P2O5(或N)施量較小，則單位N肥(或P2O5)增產(chǎn)效應(yīng)較大，反之，則單位N肥(或P2O5)增產(chǎn)效應(yīng)較小。在不施任何化肥(x1、x2、x3均取-1.682)時，產(chǎn)量最低，僅1200.07 kg·hm-2。

當(dāng)編碼值x1=0.3076、x2=0.3826時，方程(3)則實現(xiàn)N、P配施的最大產(chǎn)量2 932.16 kg·hm-2。

2.2.3 N、K配施 將x2=-1.682(不施P)代入產(chǎn)量方程(1)得：

(4)

并計算出N、K配施的交互效應(yīng)值見表5。

表5 N、K肥對黨參產(chǎn)量的交互效應(yīng) (kg·hm-2)

由表5可見，不施P肥時，當(dāng)N施量為-1.682，即不施N肥時，產(chǎn)量先隨K2O施量的增大而增加，當(dāng)K2O施量越過0水平后減小。當(dāng)N施量在-1≤x1≤1.682區(qū)間時，產(chǎn)量也先隨K2O施量的增大而增加，當(dāng)K2O施量越過1水平后則減?。划?dāng)K2O施量在-1.682≤x3≤-1區(qū)間時，產(chǎn)量先隨N施量的增大而增加，當(dāng)N施量越過0水平后則減小。當(dāng)K2O施量在0≤x3≤1.682區(qū)間時，產(chǎn)量也先隨N施量的增大而增加，當(dāng)N施量越過1水平后則減小。

當(dāng)編碼值x1=0.5292、x3=0.5742時，方程(4)則達N、K配施的最大產(chǎn)量3 005.87 kg·hm-2。

2.2.4、P、K配施 將x1=-1.682(不施N)代入產(chǎn)量方程(1)得：

(5)

并計算出P、K配施的交互效應(yīng)值見表6。

表6 P、K肥對黨參產(chǎn)量的交互效應(yīng) (kg·hm-2)

從表6看出，不施N肥，當(dāng)P2O5施量在-1.682≤x2≤-1.682區(qū)間時，產(chǎn)量先隨K2O施量的增大而增加，K2O施量越過0水平時則下降；當(dāng)K2O施量在-1.682≤x2≤-1.682區(qū)間時，產(chǎn)量先隨P2O5施量的增大而增加，P2O5施量越過1水平時則下降。

當(dāng)編碼值X2=0.5721、X3=0.4159時，方程(5)則達P、K配施的最大產(chǎn)量2 580.55 kg·hm-2。

2.2.5 N、P、K單施 對方程(1)中三因子分別取-1.682(不施)，使方程降維得單因子產(chǎn)量方程：

(6)

(7)

(8)

可解出當(dāng)編碼值x1=0.4356、x2=0.5589、x3=0.3983時，方程(6)、(7)、(8)則分別達N、P、K單施的最大產(chǎn)量2 543.88 kg·hm-2、2 008.69 kg·hm-2、1 762.34 kg·hm-2(圖1)。依方程(6)、(7)、(8)再算出N、P、K單施的效應(yīng)值見表7。

圖1 N、P、K單施效應(yīng)曲線

表7 N、P、K單施對黨參產(chǎn)量的效應(yīng) (kg·hm-2)

2.3 最佳施肥方案

x10.308～0.749，x20.222～0.749，x30.422～0.899，即N 213～260 kg·hm-2，P2O5102～130 kg·hm-2，K2O 56～69 kg·hm-2。

3 結(jié)論

定西地區(qū)十年九旱，2017年出現(xiàn)初夏旱為欠水年，2018年降雨量偏多。筆者研究采用二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計，通過2 a試驗研究黨參黑膜栽培施肥模型表明，合理N、P、K配施可提高黨參產(chǎn)量和收益，黨參單根重、根粗、根長、等級都有明顯提升。李瑩瑩等[3]、尹榮秀等[5]、彭銳等[6]在黨參施肥研究中也得出一致結(jié)論。

張延紅等[7]研究表明氮元素是黨參生長發(fā)育最重要的元素，缺乏氮元素會造成黨參根系短小，植株生長緩慢。胡佳棟等[1]研究表明適量氮肥有利于黨參根直徑和根生物量的提高。研究表明，黑膜黨參大田肥料主效應(yīng)中N肥效應(yīng)最明顯，平均單根重、平均單根長、平均單根粗、等級都是N肥的影響最為明顯?；プ餍?yīng)中，NK、PK之間均存在著正的互作效應(yīng)，但NP之間存在著負的互作效應(yīng)。即當(dāng)N施量在-1.682≤x2≤1.682區(qū)間時，隨N施量增加，平均每kg P2O5肥增產(chǎn)效應(yīng)逐漸減小；當(dāng)P2O5施量在-1.682≤x2≤1.682區(qū)間時，隨P2O5施量增加，平均每kg N肥增產(chǎn)效應(yīng)逐漸減小。這與李瑩瑩等[3]在氮磷配施對黨參產(chǎn)量研究中所得結(jié)論一致。說明，合理的氮磷施量有利于提高黨參產(chǎn)量，黨參黑膜栽培中，藥農(nóng)一味地增施化肥不但不增產(chǎn)，還會降低產(chǎn)量。

研究表明，K在地膜黨參栽培中有極顯著增產(chǎn)作用，主效應(yīng)位次為N>K>P，交互效應(yīng)中x1x3>x1x2>x2x3，這與藥農(nóng)長期習(xí)慣施肥有關(guān)。作者調(diào)查表明，60%以上藥農(nóng)施肥以氮磷肥為主，不施鉀肥，導(dǎo)致土壤中有效磷含量增加，而速效鉀含量降低。據(jù)土壤普查資料顯示，渭源縣新寨鎮(zhèn)1986年平均土壤有效磷含量5.6 mg·kg-1、速效鉀含量232.0 mg·kg-1，2017年平均土壤有效磷含量16.5 mg·kg-1、速效鉀含量147.1 mg·kg-1。從豐缺程度來看，有效磷由1986年較缺水平提升到了低接近中水平，速效鉀由1986年高水平下降到低水平。

研究中，優(yōu)選出最佳施肥量N 213～260 kg·hm-2，P2O5102～130 kg·hm-2，K2O 56～69 kg·hm-2。N∶P2O5∶K2O質(zhì)量比為1∶0.5∶0.3，這與龔成文等[2]研究結(jié)論相一致。說明該施量有效保證了黑膜栽培黨參對N、P、K的需求，進一步說明，藥農(nóng)在黨參黑膜栽培中不必增加化肥施量，以免造成化肥面源污染。

總之，研究只是在甘肅黨參主產(chǎn)區(qū)渭源縣進行了大田試驗，研究結(jié)果具有一定區(qū)域局限性，而且只是進行了產(chǎn)量和收益研究。在今后的研究中，應(yīng)對藥效成分含量等進行檢測，進一步驗證配方在品質(zhì)方面的應(yīng)用效果。