水肥耦合效應(yīng)對沙蔥產(chǎn)量的影響

詹昌峰， 戰(zhàn) 超， 陳國雙*， 魯新蕊， 邵慶春， 樸世領(lǐng)

(1. 延邊大學 農(nóng)學院，吉林 延吉 133002；2.中國科學院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長春 130000)

沙蔥(AlliummongolicumRegel)，又名蒙古韭，百合科、蔥屬多年生草本植物，主要分布于西北荒漠草原、半荒漠地區(qū)[1]，固沙、防風蝕和水蝕能力極好，具有較高的生態(tài)價值。同時，野生沙蔥是天然的食用植物，風味獨特，葉片鮮嫩多汁，礦質(zhì)元素、維生素和氨基酸含量均高于一般蔬菜，常用作肉食調(diào)味品和蔬菜，加之具有降血壓、降血脂、刺激食欲、補腎等多種藥用功效[2]，被譽為“菜中靈芝”[3]。沙蔥除了具有較高生態(tài)價值和食用價值外，還有較高的飼用價值，是春秋季節(jié)牲畜抓膘促肥的優(yōu)質(zhì)牧草[4-6]。由于沙蔥這些良好的特性，其需求量逐年增加，但因受風沙干旱等特殊因素限制，沙蔥供應(yīng)與需求之間的矛盾日益顯現(xiàn)，因此，圍繞沙蔥品質(zhì)和產(chǎn)量的研究亟待開展。近年來，國內(nèi)外對野生沙蔥的研究多集中在我國西北特殊的干旱荒漠條件下其資源分布、人工種植技術(shù)[7]、營養(yǎng)成分[8]與開發(fā)利用價值[9]、種子萌發(fā)10]、光合生理特征[11]以及其與氣候因子關(guān)聯(lián)度[12]等方面。在吉林西部特殊的沙旱環(huán)境條件下沙蔥的研究相對較少，僅馬全林等[13]研究了沙蔥在吉林沙漠東南緣的抗旱特征，他們認為沙蔥是一種典型的避寒植物，善于躲避干旱和捕捉有限降水。

吉林西部沙地位于科爾沁沙地東緣和松嫩沙地南部，東靠長春、西連內(nèi)蒙古、南接四平與內(nèi)蒙古、北鄰黑龍江，其特殊的地理位置、氣候條件和水資源短缺及土壤瘠薄，決定了水肥是當?shù)刈魑锝】瞪L的2大限制因素。為了科學治理和合理利用沙地，開展固沙經(jīng)濟作物研究已經(jīng)成為吉林西部沙地高效利用的重要途徑。水肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的核心，兩者相互影響，相互制約。當配置不合理時，則會形成拮抗效應(yīng)[14-15]。已有的研究結(jié)果表明，只有水分和肥料的合理投入，水分和氮肥才能通過各自效應(yīng)及二者協(xié)同效應(yīng)在農(nóng)作物節(jié)水(肥)、增產(chǎn)、增效，改善作物品質(zhì)起到積極的作用[16-19]，而關(guān)于水肥耦合技術(shù)對吉林西部沙蔥協(xié)同調(diào)控互利增產(chǎn)增效機理鮮見報道。為實現(xiàn)吉林西部風沙干旱區(qū)沙蔥產(chǎn)量性能和有效成分含量的顯著增加，該研究以沙蔥為研究對象，研究不同的灌水水平、施肥水平及其耦合效應(yīng)下的產(chǎn)量特征，進而尋求適用于吉林西部沙地產(chǎn)量提高的最優(yōu)水肥管理模式，以期為實現(xiàn)吉林西部風沙干旱區(qū)沙蔥的優(yōu)質(zhì)高效栽培提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)域概況

該試驗于2020年12月—2021年2月在中國科學院東北地理與生態(tài)研究所農(nóng)業(yè)綜合試驗基地(44°00′ N，125°40′ E)進行。研究區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L氣候，平均海拔211 m，年平均氣溫8.5 ℃，年平均降水量480 mm。

選用沙蔥(AlliummongolicumRegel)為供試材料，品種為“甘肅民勤沙蔥”。供試土壤取自吉林西部松原市烏蘭圖嘎鎮(zhèn)董家村瘠薄農(nóng)田耕層土壤(0～20 cm)，土壤類型為風沙土，土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

供試肥料為尿素(N，46%)、過磷酸鈣 (P2O5，14%)，硫酸鉀為供試鉀肥(K2O，50%)，氮肥、磷肥、鉀肥均由長春農(nóng)業(yè)綜合試驗站提供。具體施肥方案見表2。

表2 試驗因子水平編碼表

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用盆栽的方式在日光溫室人工種植，設(shè)置相對含水量(X1)及施氮量(X2)、施磷量(X3)、施鉀量(X4)4個試驗因素，采用4元2次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計的1/2實施方案(表2，3)。2021年12月1日裝土，土壤風干過2 mm篩，與所需的肥料(肥料用量為單位質(zhì)量風沙土的施肥量，g/kg)混合均勻，按一定的容重(1.26 g/cm3)裝入 PVC 盆(直徑10 cm，高20 cm)中，每盆裝土量為1.5 kg，共23個處理，每個處理重復(fù)3次，總共207盆。2020年12月2日播種，穴施，每盆5穴，每穴播種10粒，共計每盆播種50粒種子，最后每盆保苗株數(shù)為10株，播種深度為1 cm。2020年12月3日起，使用 TDR-300便攜式土壤水分監(jiān)測儀監(jiān)測土壤質(zhì)量含水量，每日早晨8:30進行補水。2021年1月22日(播種后50 d)采收沙蔥，于沙蔥莖的上部1 cm處平茬刈割，用天平稱量，獲得沙蔥的產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 SPSS 20.0 進行回歸分析與方程擬合，運用 Origin 2017 進行相關(guān)圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 回歸模型的建立與檢驗

各處理沙蔥測產(chǎn)結(jié)果列于表3。以沙蔥鮮重的單株產(chǎn)量(Y)為因變量，相對含水量(X1)、施氮量(X2)、施磷量(X3)和施鉀量(X4)為自變量擬合沙蔥產(chǎn)量和各因素得模型如下:

表3 試驗方案與結(jié)果

Y=1.700+0.237X1+0.180X2+0.029X3+0.041X4+0.186X1X2+0.101X1X3+0.055X1X4-0.283X12-0.149X22-0.163X32-0.140X42。

(1)

結(jié)果表明，該方程的決定系數(shù)R2=0.899，而決定系數(shù)R2是反映因變量Y的全部變異中能夠通過回歸關(guān)系被自變量解釋的比例，說明該回歸關(guān)系可以解釋因變量89.9%的變異。由方差分析結(jié)果(表4)可知，方程回歸達到極顯著水平(F=8.921,P=0.001<0.01)，說明回歸模型能夠反映沙蔥的產(chǎn)量與水肥用量之間的關(guān)系。

表4 試驗結(jié)果方差分析表

2.2 最大值分析

由表3可知，試驗處理17[(水(X1)、氮(X2)、磷(X3)、鉀(X4)]實際用量分別為65%，0.12 g/kg，0.08 g/kg，0.1 g/kg的產(chǎn)量最大，且最大值為1.851 g/株。對回歸模型(1)的4個變量(X1,X2,X3,X4)分別求偏導，得到以下偏導方程(2)～(5)：

dy/dx1=0.237-0.566x1+0.186x2+0.101x3+0.055x4；

(2)

dy/dx2=0.180+0.186x1-0.298x2；

(3)

dy/dx3=0.029+0.101x1-0.326x3；

(4)

dy/dx4=0.041+0.055x1-0.280x4。

(5)

令各偏導方程同時等于0，解為X1=0.898，X2=1.165，X3=0.367，X4=0.323，即當各試驗因素水平編碼值為X1=0.898，X2=1.165，X3=0.367，X4=0.323，回歸方程模型(1)取得理論最大值1.923 g/株。說明當水、氮、磷、鉀的實際用量分別為78.34%，0.203 g/kg，0.098 g/kg，0.119 g/kg時，理論上獲得最大產(chǎn)量為1.923 g/株。該試驗處理17的產(chǎn)量最大，且最大值為1.851 g/株，可見該試驗處理的產(chǎn)量最大值比模型最大理論產(chǎn)量值小(1.851 g/株<1.923 g/株)，同時可見處理17～23的水、氮、磷、鉀施用量一致，因此可排除試驗誤差影響。對處理17～23平均產(chǎn)量為1.683 g/株，此時1.923 g/株>1.683 g/株。該試驗處理7的產(chǎn)量最小，為0.527 g/株，模型理論產(chǎn)量最大值比試驗產(chǎn)量最小值重1.396 g/株，理論最大增產(chǎn)率為265%，這表明水肥合理配施能顯著提高沙蔥產(chǎn)量。

2.3 產(chǎn)量因子主效應(yīng)分析

由于二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計應(yīng)用的是無量綱線性編碼代換，偏回歸系數(shù)已經(jīng)不受因素取值的大小和單位的影響，即所求的偏回歸系數(shù)已經(jīng)實現(xiàn)標準化，因此，只要比較其絕對值大小，就可以判斷各變量對沙蔥產(chǎn)量的影響程度[20]，偏回歸系數(shù)越大，說明對產(chǎn)量影響越大。由表5可知，4個因子水(X1)、氮(X2)、磷(X3)、鉀(X4)的偏回歸系數(shù)分別為0.418、0.318、0.051和0.072，且因素P1=0.001氮>磷>鉀，這些結(jié)果表明，在該試驗條件下，對沙蔥產(chǎn)量影響較大的是水和氮，其次是鉀和磷。

表5 回歸系數(shù)顯著性檢驗表

2.4 產(chǎn)量單因素效應(yīng)分析

由表5可知，水、氮和鉀施用量對沙蔥產(chǎn)量影響顯著，為了進一步了解各因素對產(chǎn)量的影響，使用降維法，將其它3個因子固定在0水平，對回歸方程(1)進行降維處理，可得到剩下因子產(chǎn)量一元二次回歸子模型(6)～(9)：：

水：Y1=1.700+0.237X1-0.283X12;

(6)

氮：Y2=1.700+0.180X2-0.149X22;

(7)

磷：Y3=1.700+0.029X3-0.163X32;

(8)

鉀：Y4=1.700+0.041X4-0.140X42。

(9)

根據(jù)以上方程，做出4個因素與產(chǎn)量的單因素關(guān)系(圖1)。由圖1可得出，沙蔥的產(chǎn)量隨各因子呈開口向下的拋物線變化，說明沙蔥產(chǎn)量隨相對含水量、施氮量、施鉀量的增加呈先升高后降低的趨勢，即在一定范圍內(nèi)增加含水量及氮、磷、鉀用量，有利于沙蔥產(chǎn)量的增加，但含水量、肥料用量過高反而會使沙蔥的產(chǎn)量減少。通過對方程(6)～(9)求導，并令其求導方程等于0，獲得沙蔥最高產(chǎn)量的因素水平為：X1=0.419，X2=0.604，X3=0.089，X4=0.146，相應(yīng)的農(nóng)藝措施為：水71.23%、氮0.163 g/kg、磷0.084 g/kg、鉀0.109 g/kg。這些結(jié)果表明，水肥過多或者過低都會導致沙蔥減產(chǎn)。

圖1 沙蔥產(chǎn)量的單因素效應(yīng)圖

2.5 單因素邊際效應(yīng)分析

邊際產(chǎn)量是指增加(或減少)單位量肥料所增加(或減少)的總產(chǎn)量，可反映各因素的最佳投入量和單位水平投入量變化對產(chǎn)量增減速率的影響[23]。對一元二次回歸子模型(6)～(9)求偏導，得偏導方程(10)～(13)：

dy/dx1=0.237-0.566x1;

(10)

dy/dx2=0.180-0.298x2;

(11)

dy/dx3=0.029-0.326x3;

(12)

dy/dx4=0.041-0.280x4。

(13)

將各因素5個水平(-1.682，-1，0，1，1.682)分別代入上述各偏導方程，得各因素在不同水平下的邊際產(chǎn)量效應(yīng)值，并據(jù)此繪制出邊際產(chǎn)量效應(yīng)圖2。由圖2可見，邊際產(chǎn)量隨著各因素編碼的增大而遞減。在編碼水平較低(X軸上方)時，邊際產(chǎn)量為正值，增產(chǎn)效應(yīng)為正效應(yīng)，編碼水平較高(X軸下方)時，邊際產(chǎn)量為負值，增產(chǎn)效應(yīng)為負效應(yīng)，邊際產(chǎn)量與X軸相交之處(邊際產(chǎn)量為0)產(chǎn)量最高。在低水平時，灌水的邊際效應(yīng)大于施氮肥、磷肥、鉀肥的邊際效應(yīng)，但在高水平時灌水的邊際效應(yīng)小于施氮肥、磷肥、鉀肥的邊際效應(yīng)這表明在施肥量較低時，應(yīng)加大灌水量，在灌水量較大時，應(yīng)提高施肥量才能獲得最高的沙蔥產(chǎn)量。由方程(10)～(13)斜率的絕對值|-0.566|>|-0.326|>|-0.298|>|-0.280|，可以看出4因素對沙蔥產(chǎn)量效應(yīng)的敏感程度由高到低依次為水>磷>氮>鉀。

圖2 各因素不同水平下的邊際產(chǎn)量

2.6 耦合效應(yīng)分析

各因素存在耦合效應(yīng)。固定回歸方程(1)中2個因素為0水平，對方程(1)交互項進行降維法處理，可得3個關(guān)于水氮、水磷、水鉀的交互作用回歸子模型(14)～(16)：

Y=1.700+0.237X1+0.180X2+0.186X1X2-0.283X12-0.149X22;

(14)

Y=1.700+0.237X1+0.029X3+0.101X1X3-0.283X12-0.163X32;

(15)

Y=1.700+0.237X1+0.041X4+0.055X1X4-0.283X12-0.140X42。

(16)

模型(14)～(16)水氮、水磷和水鉀2因素耦合系數(shù)分別為+0.186,+0.101和+0.055，表明水氮、水磷和水鉀耦合效應(yīng)均為正效應(yīng)，即二者相互作用，將促進沙蔥產(chǎn)量提高。每2個因素對沙蔥產(chǎn)量的等產(chǎn)線和耦合效應(yīng)曲面圖見圖3。水氮、水磷、水鉀的耦合效應(yīng)曲面圖均為凸面形，這也說明3種耦合作用的產(chǎn)量效應(yīng)均符合報酬遞減律(圖3d、3e、3f)，即隨著相對含水量和施肥量的增加，沙蔥產(chǎn)量呈先增加后降低的變化趨勢。曲面上各點的高度分別代表水氮、水磷、水鉀一定數(shù)量組合所獲得的沙蔥產(chǎn)量，故曲面高度越高，產(chǎn)量越大，曲面越低，產(chǎn)量越小。圖3 d的最高點為1.89 g/株，此時編碼水平X1=0.776，X2=1.102，說明當施磷量和施鉀量為中間水平時，當相對含水量低于76.53%、施氮量低于0.198 g/kg 時，水氮交互效應(yīng)為正效應(yīng)，當相對含水量高于76.53%、施氮量高于0.198 g/kg時，水氮交互效應(yīng)為負效應(yīng)；圖3e的最高點為1.758 g/株，此時X1=0.449，X3=0.204，說明當施氮量和施鉀量為中間水平時，當相對含水量低于71.67%、施磷量低于0.090 g/kg時，水磷交互效應(yīng)為正效應(yīng)，當相對含水量高于71.67%、施磷量高于0.090 g/kg時，水磷交互效應(yīng)為負效應(yīng)；圖3f的最高點為1.757 g/株，此時X1=0.449，X4=0.204，說明當施氮量和施磷量為中間水平時，當相對含水量低于71.67%、施鉀量低于0.112 g/kg時，水鉀交互效應(yīng)為正效應(yīng)，當相對含水量高于71.67%、施鉀量高于0.112 g/kg時，水鉀交互效應(yīng)為負效應(yīng)。由此可見，相對含水量與施氮、施磷和施鉀均有很好的耦合效應(yīng)，在一定范圍內(nèi)增加水肥的配合施用沙蔥的產(chǎn)量隨之提高，但用量過高或過低，均不利于沙蔥產(chǎn)量的提高。曲面隨相對含水量的變化弧度明顯大于施肥量的弧度(圖3d、3e、3f)，說明相對含水量對產(chǎn)量的影響大于施肥量對產(chǎn)量的影響。

等產(chǎn)線是耦合效應(yīng)曲面上產(chǎn)量相同的各點之間的連線在底面的垂直投影，故等產(chǎn)線上各點的產(chǎn)量相同，但獲得某一產(chǎn)量的養(yǎng)分配比不同，因此等產(chǎn)線也能反映各因素之間是否存在耦合關(guān)系，等產(chǎn)線的曲率較大時，耦合效應(yīng)為正效應(yīng)。圖3a、3b、3c也表明，相對含水量和施氮量、施磷量和施鉀量之間存在一定的耦合正效應(yīng)且正效應(yīng)作用由大到小順序為水氮>水磷>水鉀。

圖3 水氮、水磷和水鉀等高線和耦合效應(yīng)

3 討論

該試驗采用4因素5水平2次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計，通過盆栽試驗建立了沙蔥產(chǎn)量與水、氮、磷和鉀用量的數(shù)學模型。通過對數(shù)學模型的單因素效應(yīng)分析表明，相對含水量和施氮量對沙蔥產(chǎn)量的影響達到顯著水平，施磷量和施鉀量對沙蔥產(chǎn)量的影響不顯著。在一定范圍內(nèi)增加水、氮、磷、鉀的施用量都能提高沙蔥產(chǎn)量，而達到一定量后再增加水、氮、磷、鉀的施用量會限制沙蔥的產(chǎn)量，這與前人在冬小麥、大白菜、馬鈴薯和生菜上得出的結(jié)果相似[24-25],這表明沙蔥和其它農(nóng)用作物一樣存在最佳的水肥施用量，而并非用量越大產(chǎn)量就越高。水分過大導致沙蔥的產(chǎn)量降低，可能緣于沙蔥是喜光旱生植物，過多的灌水容易形成爛苗、黃花苗和瘦弱苗，從而導致減產(chǎn)。而適宜的土壤含水量才能維持作物的水分平衡，促進作物生長及養(yǎng)分的吸收、轉(zhuǎn)運、轉(zhuǎn)化和同化，從而提高作物產(chǎn)量[26-27]。大多數(shù)研究認為，水肥主次效應(yīng)存在一個轉(zhuǎn)換閥值，在水分虧缺情況下，灌水效果大于施肥效果，在水分充足情況下，施肥效果大于灌水效果[28-29]。該試驗得出相似的結(jié)論，在水、氮、磷、鉀施用量較低時，相對含水量和施肥量對沙蔥產(chǎn)量的影響表現(xiàn)為相對含水量大于施肥量，在水、氮、磷、鉀施用量較高時，相對含水量和施肥量對沙蔥產(chǎn)量的影響表現(xiàn)為相對含水量小于施肥量。這與肖石江等[27]在馬鈴薯上得出的結(jié)果不同，他們認為，灌水量和施氮量對馬鈴薯產(chǎn)量主效應(yīng)影響程度均表現(xiàn)為施氮量大于灌水量。李文證等[30]和劉凡等[31]則認為，水肥因子對馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率主效應(yīng)的影響程度為補水量大于施肥量，這可能與馬鈴薯生長期的水分條件有關(guān)。這些結(jié)果表明，水肥施用量低時，水與肥相互促進，水肥施用量高時，產(chǎn)生拮抗效應(yīng)，導致沙蔥減產(chǎn)。

水肥之間有明顯的耦合效應(yīng)，適宜的灌水量和施肥量，可以使水肥產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，促進水肥的高效利用，實現(xiàn)作物高產(chǎn)。王士杰[32]對春玉米水肥耦合效應(yīng)研究結(jié)果表明，協(xié)同效應(yīng)的大小順序為水氮>水鉀>氮鉀。邱權(quán)等[33]采用3因素5水平2次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計研究了楸樹苗期的水肥耦合效應(yīng)，結(jié)果表明與土壤水分和施磷量相比，楸樹生長更容易受土壤施氮量限制，水氮耦合效應(yīng)顯著，水磷耦合效應(yīng)不顯著。該試驗結(jié)果表明：水氮、水磷、水鉀之間對沙蔥的產(chǎn)量均有明顯的正耦合效應(yīng)，大小順序為水氮>水磷>水鉀，這與代順東等[34]在大白菜上的研究結(jié)果相似。如何優(yōu)化水肥管理措施，在提高產(chǎn)量的同時節(jié)水節(jié)肥，實現(xiàn)農(nóng)作物綠色可持續(xù)性發(fā)展，一直是廣大學者研究的重點。王海東等[35]研究表明，灌溉量為431.7 mm，N-P2O5-K2O為315.5-123.0-61.5 kg/hm2時，新疆棉花籽棉產(chǎn)量最高，是適宜的水肥組合。當土壤水分控制在田間持水量的65%～75%，N-P2O5-K2O控制在20-20-10 kg/hm2時，達到最佳水肥方案，可獲得目標產(chǎn)量和較高的水肥利用效率。該試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)果表明，當水、氮、磷、鉀的實際用量分別為78.34%，0.203 g/kg，0.098 g/kg和0.119 g/kg時，理論上獲得最大產(chǎn)量為1.923 g/株，以0～20 cm耕層換算成大田施用量，即當水、氮、磷、鉀的實際用量分別為78.34%，609 kg/hm2，294 kg/hm2，357 kg/hm2時，理論上獲得最大產(chǎn)量為32 306.4 kg/hm2。水肥利用效率是評價水肥高效利用的重要指標，該研究僅對沙蔥的產(chǎn)量進行了研究，水肥耦合對沙蔥產(chǎn)量的關(guān)系及其水分利用效率的影響以還有待于進一步研究。

4 結(jié)論

通過對沙蔥產(chǎn)量的最大值分析、主效應(yīng)分析、單因素效應(yīng)分析、水肥耦合效應(yīng)分析，得出以下結(jié)論：

1) 當水、氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)的實際用量分別為78.34%，609 kg/hm2，294 kg/hm2，357 kg/hm2時，理論上獲得最大產(chǎn)量為32 306.4 kg/hm2。

2) 水、氮、磷、鉀對產(chǎn)量影響的順序為：水(X1)>氮(X2)>磷(X3)>鉀(X4)；對邊際產(chǎn)量的影響順序為：水(X1)>磷(X3)>氮(X2)>鉀(X4)；在該試驗條件下，對沙蔥產(chǎn)量影響較大的是水和氮，其次是鉀和磷。

3) 水和氮、磷、鉀存在耦合效應(yīng)，且正效應(yīng)作用由大到小順序為：水氮>水磷>水鉀；沙蔥生長有最佳水肥耦合模式，灌水和施肥過多或者過少都會導致沙蔥減產(chǎn)。