基于響應(yīng)面設(shè)計(jì)的紅菜薹氮磷鉀肥料效應(yīng)研究

鄭龍

（福建省莆田市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站 福建莆田 351100）

紅菜薹（Brassica campestrisL.ssp.chinensisvar.perpereaHort.），別名紫菜薹、紅油菜薹，為十字花科蕓薹屬蕓薹種白菜亞種的變種。紅菜薹是我國(guó)的特產(chǎn)蔬菜，以柔軟的花薹供食，品質(zhì)脆嫩、營(yíng)養(yǎng)豐富，起源于長(zhǎng)江流域中部，湖南長(zhǎng)沙、湘潭、湖北武漢、四川成都等地栽培歷史悠久[1-9]。蔬菜施肥這一既與蔬菜生產(chǎn)者的經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān)，又與廣大消費(fèi)者的營(yíng)養(yǎng)和健康直接相關(guān)，同時(shí)對(duì)人類生存環(huán)境有巨大影響的農(nóng)業(yè)措施越來(lái)越受到人們的關(guān)注。過(guò)多的肥料投入不僅造成資源浪費(fèi)，也會(huì)導(dǎo)致蔬菜品質(zhì)下降[10-15]。紅菜薹產(chǎn)量高、多次采收，需肥量大，生產(chǎn)中施肥隨意性大，必須平衡施肥，在提高單產(chǎn)的同時(shí)，科學(xué)合理地確定化肥的施用種類、數(shù)量、比例和方法[16]。以露地紅菜薹為研究對(duì)象，采用Box-Behnken中心組設(shè)計(jì)，通過(guò)氮磷鉀肥不同用量對(duì)紅菜薹產(chǎn)量影響的差異，探討氮磷、氮鉀和磷鉀不同的施肥處理及其相互作用，旨在為紅菜薹優(yōu)質(zhì)環(huán)保高產(chǎn)的大田施肥提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)設(shè)在福建省莆田市仙游縣游洋鎮(zhèn)，土壤為泥沙壤田，pH 6.2，有機(jī)質(zhì) 12.7 g/kg，堿解氮149.6 mg/kg，速效磷 9.6 mg/kg,速效鉀175.3 mg/kg。供試的紅菜薹品種為合肥市合豐種業(yè)有限公司的‘十月鮮’紅菜薹。供試肥料：尿素（含 N 46%，價(jià)格 3.0元/kg）；過(guò)磷酸鈣（含P2O512%，價(jià)格0.9元/kg）；氯化鉀（含K2O 60%，價(jià)格3.6元/kg）。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)以氮肥施用量(N)、磷肥施用量(P2O5)、鉀肥施用量（K2O）作為試驗(yàn)因素，采用Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)3因素3水平方案，共17組試驗(yàn)[17-19]，3次重復(fù)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。試驗(yàn)每小區(qū)面積10 m×2 m，畦帶溝寬1 m，株距0.3 m，雙行種植，試驗(yàn)于2020年10月15日移栽，苗齡 25 d?；?N占 30%，P占 100%，K占40%；11月10日第一次追肥，N、K各占10%；11月30日第二次追肥，N占30%，K占40%；2020年12月19日第三次追肥，N占30%，K占10%，其它田間管理同大田。2020年11月20日始收、2021年3月4日終采，各小區(qū)采用單采單收獲取產(chǎn)量，每個(gè)施肥處理3個(gè)重復(fù)取其平均值，折算成每公頃產(chǎn)量。

表1 不同施肥處理紅菜薹產(chǎn)量響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)單位：kg/hm2

1.2.2 數(shù)據(jù)分析試驗(yàn)結(jié)果用 WPS進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理，利用Design Expert 12對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)產(chǎn)量肥料效應(yīng)模型

17個(gè)非自由組合施肥處理的紅菜薹產(chǎn)量見(jiàn)表2。為了分析不同的施肥處理及其之間的相互作用對(duì)紅菜薹產(chǎn)量的影響，結(jié)合表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)逐步回歸擬合，得到其非線性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型如下：

表2 不同施肥處理紅菜薹產(chǎn)量響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

產(chǎn)量=10.597 66+0.065 182 N+0.053 478 P2O5-0.009 920 K2O+0.000 052 N×P2O5+0.000 054 N×K2O+0.000 018 P2O5×K2O-0.000 124 N2-0.000 284 P2O52-0.000 028 K2O2

2.2 方差分析

由表3可知，該回歸模型的F值為296.24，p＜0.001，失擬項(xiàng)不顯著，說(shuō)明模型中的變量對(duì)響應(yīng)值具有顯著的影響，模型與實(shí)際情況擬合較好?；貧w模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.997 4，校正相關(guān)系數(shù)=0.994 0，方程對(duì)試驗(yàn)擬合較好，并具備較好的預(yù)測(cè)能力。變異系數(shù) 2.11%，小于 10%，說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果具有較高的精密度和可靠性。方差分析表明，實(shí)際值與預(yù)測(cè)值之間擬合程度較好，試驗(yàn)誤差小，真實(shí)可靠性高，可用該模型分析和預(yù)測(cè)氮磷鉀施用量與紅菜薹產(chǎn)量的結(jié)果[20-30]。

表3 不同施肥處理紅菜薹產(chǎn)量Box-Behnken試驗(yàn)方差分析

數(shù)學(xué)模型的各項(xiàng)顯著性表明，氮肥、磷肥、鉀肥施用量均達(dá)到顯著水平(p＜0.05)，氮肥、磷肥、鉀肥施用量的二次項(xiàng)也達(dá)到顯著水平，氮肥與鉀肥、磷肥施用量之間的交互作用達(dá)到極顯著水平（p＜0.01）。從F值判斷，3個(gè)因素對(duì)紅菜薹產(chǎn)量的影響程度由大至小為氮肥施用量＞磷肥施用量＞鉀肥施用量。

2.3 兩因素交互作用的響應(yīng)面分析

圖1～3為不同施肥處理紅菜薹產(chǎn)量與N、P、K肥之間的響應(yīng)面關(guān)系，在磷肥用量固定情況下，隨著氮肥與鉀肥用量的增加，響應(yīng)值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。氮肥、鉀肥用量固定情況下，產(chǎn)量呈現(xiàn)類似的趨勢(shì)。氮肥與鉀肥用量對(duì)紅菜薹產(chǎn)量影響間的交互作用最強(qiáng)，氮肥與磷肥用量次之，磷肥與鉀肥用量對(duì)紅菜薹產(chǎn)量影響間的交互作用最弱。這可能是因?yàn)榧t菜薹產(chǎn)品器官以營(yíng)養(yǎng)體為主，主要包括以嫩葉、嫩莖供食用。在所有必需營(yíng)養(yǎng)元素中，氮是限制紅菜薹生長(zhǎng)和形成產(chǎn)量的主要因子，生長(zhǎng)全期需氮最多，適當(dāng)增施氮肥有利于紅菜薹的生長(zhǎng)，擴(kuò)大植株的葉面積，促進(jìn)光合作用，有利于碳水化合物的形成。磷、鉀對(duì)紅菜薹產(chǎn)量的效應(yīng)雖較小，但增施鉀肥有利于產(chǎn)量的形成。鉀是許多酶的輔助因子，是體內(nèi)各種重要酶反應(yīng)的活化劑，且還能促進(jìn)呼吸進(jìn)程及核酸和蛋白質(zhì)的形成和糖類的合成與運(yùn)輸；磷肥對(duì)單株產(chǎn)量的影響較小，但適當(dāng)增施磷肥能促進(jìn)紅菜薹植株各種代謝的正常進(jìn)行，使其生長(zhǎng)發(fā)育良好

圖1 紅菜薹產(chǎn)量與氮磷肥之間的響應(yīng)面關(guān)系

圖2 紅菜薹產(chǎn)量與氮鉀肥之間的響應(yīng)面關(guān)系

圖3 紅菜薹產(chǎn)量與磷鉀肥之間的響應(yīng)面關(guān)系

參與植株的呼吸和光合代謝以及ATP的形成，從而影響到產(chǎn)量的形成。對(duì)于氮磷鉀互作機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

2.4 不同施肥處理對(duì)紅菜薹收益肥料效益模型

根據(jù)肥料和紅菜薹價(jià)格，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)逐步回歸擬合，得到其非線性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型如下：

收益=10 597.662 50+58.659 83 N+45.978 00 P2O5-15.276 43 K2O+0.000 052N×P2O5+0.053 868 N ×K2O+0.017 574 P2O5×K2O-0.123 944 N2-0.284 273 P2O52-0.027 928 K2O2

回歸模型的F值為225.75，p＜0.001，失擬項(xiàng)不顯著，回歸模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.996 6，校正相關(guān)系數(shù)=0.992 2，變異系數(shù)2.44%，說(shuō)明模型中的變量對(duì)響應(yīng)值具有顯著的影響，實(shí)際值與預(yù)測(cè)值之間擬合程度較好，試驗(yàn)誤差小，真實(shí)可靠性高，可用該模型分析和預(yù)測(cè)氮磷鉀施用量與紅菜薹收益的結(jié)果。

2.5 最佳肥料試驗(yàn)量

根據(jù)試驗(yàn)，綜合考慮各個(gè)試驗(yàn)因素及其相互作用，由非線性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型利用 Design-Expert軟件最優(yōu)模塊分析預(yù)測(cè)模型極值點(diǎn)，結(jié)果顯示，紅菜薹最高的氮磷鉀肥料施用量為氮肥329.23 kg/hm2N，磷肥129.60 kg/hm2P2O5，鉀肥180.83 kg/hm2K2O，最高紅菜薹產(chǎn)量為23.901 5 t/hm2。

文中的最高收益氮磷鉀肥料施用量為氮肥260.97 kg/hm2N，磷肥105.04 kg/hm2P2O5，鉀肥11.02 kg/hm2K2O，其中收益最高的紅菜薹為20 581.7 元/hm2。

3 討論與結(jié)論

氮磷鉀對(duì)紅菜薹的生長(zhǎng)發(fā)育起的作用是相互聯(lián)系、相互制約的。適量的施用氮肥能夠促進(jìn)紅菜薹地上部分的生長(zhǎng)，提高葉綠素含量和形成速率，增強(qiáng)光合作用，提高產(chǎn)量和品質(zhì)；磷肥充足時(shí)能促進(jìn)根系發(fā)育，增強(qiáng)植株的抗旱、抗寒能力和適應(yīng)性，提高氮肥的利用率，使植株生長(zhǎng)健壯，有利于植株體內(nèi)的各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和代謝；鉀起調(diào)節(jié)生理功能的作用，鉀肥充足時(shí)，能使植株生長(zhǎng)健壯、莖稈堅(jiān)實(shí)、葉片增厚，延遲葉片衰老，增強(qiáng)抗寒和抗病性。利用響應(yīng)面分析法中的Box-Behnken中心組設(shè)計(jì)，從紅菜薹栽培肥料高效利用角度出發(fā)，設(shè)置了氮磷鉀3因素3水平試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸擬合，探討氮磷、氮鉀和磷鉀不同的施肥處理及其相互作用，尋求紅菜薹適宜的肥料用量及比例，最后求出最佳值，以期為進(jìn)一步提高紅菜薹產(chǎn)量和肥料利用效率提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn) NPK配合施用有利于紅菜薹產(chǎn)量的提高，在一定施肥范圍內(nèi)氮磷鉀之間存在相互促進(jìn)的作用，紅菜薹產(chǎn)量隨著氮、磷、鉀肥用量的增加呈現(xiàn)拋物線變化趨勢(shì)，施肥過(guò)量不僅會(huì)增加投入成本，還會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量降低。這與前人結(jié)果一致[16,31-34]，也符合“報(bào)酬遞減律學(xué)說(shuō)”。戴希剛等[31]研究表明，不同營(yíng)養(yǎng)液配方和營(yíng)養(yǎng)液濃度對(duì)紅菜薹水培產(chǎn)生重大影響，使紅菜薹生長(zhǎng)狀況、產(chǎn)量和品質(zhì)出現(xiàn)顯著差異。施氮明顯增加了紅菜薹中后期葉片數(shù)和抽薹數(shù)及前期單薹重[32]。李國(guó)英等[33]研究表明，以銨態(tài)氮為氮源，且以N:P2O5:K2O= 3:l:1.2配比施肥時(shí)，紅菜薹的產(chǎn)量和品質(zhì)最佳。謝堅(jiān)等[34]研究了不同氮肥施用量對(duì)紅菜薹產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，結(jié)果表明適量施氮能夠顯著提高紅菜薹的產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益及商品品質(zhì),紅菜薹產(chǎn)量隨氮肥用量的增加呈先增后降的趨勢(shì)。紅菜薹產(chǎn)量與氮、磷施用量成顯著的回歸關(guān)系，與對(duì)照相比各配方施肥處理紅菜薹的產(chǎn)量均有所提高，生產(chǎn)上紅菜薹最佳 N、P2O5、K2O配比為l:0.63:0.6l[16]。

通過(guò)分析得到 NPK施用量與紅菜薹產(chǎn)量和收益數(shù)學(xué)模型如下：產(chǎn)量=10.597 66+0.065 182 N+0.053 478 P2O5-0.009 920 K2O+0.000 052 N×P2O5+0.000 054 N×K2O+0.000 018 P2O5×K2O-0.000 124 N2-0.000 284 P2O52-0.000 028 K2O2；收益=10 597.662 50+58.659 83N+45.978 00P2O5-15.276 43K2O+0.000 052N×P2O5+0.053 868N×K2O+0.017 574P2O5×K2O-0.123 944 N2-0.284 273P2O52-0.027 928K2O2。根據(jù)肥料和紅菜薹價(jià)格，綜合考慮各試驗(yàn)因素及相互作用，由二次多項(xiàng)回歸方程，在試驗(yàn)條件下紅菜薹最高收益氮磷鉀肥施用量為氮肥260.97 kg/hm2N，磷肥105.04 kg/hm2P2O5，鉀肥11.02 kg/hm2K2O，最高紅菜薹收益為20 581.7元/hm2。