基于響應(yīng)面設(shè)計(jì)的小白菜氮磷鉀肥料效應(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）

0 引言

小白菜(Brassica campestrisssp.chinensisvar.communis)含有多種對(duì)人體有益的營養(yǎng)成分，是國內(nèi)普遍種植的綠葉蔬菜之一[1-7]。作為綠葉蔬菜的典型代表，小白菜生長期短，可以一年多茬種植，經(jīng)濟(jì)效益高[1-2]，種植面積不斷擴(kuò)大；同時(shí)小白菜需肥量大，多茬種植會(huì)帶走菜田土壤中的大量養(yǎng)分，為保證產(chǎn)量需要施用適宜的肥料來補(bǔ)充小白菜從土壤中攜走的養(yǎng)分。目前，小白菜盲目施肥問題嚴(yán)重，具體表現(xiàn)為大量甚至過量施肥、氮磷鉀肥施用比例不協(xié)調(diào)等，引起了硝酸鹽污染等小白菜品質(zhì)安全以及農(nóng)田環(huán)境問題[1-7]。為探索小白菜平衡施肥技術(shù)，提高種植質(zhì)量和效益，筆者采用響應(yīng)面分析法中的Box-Behnken中心組設(shè)計(jì)，對(duì)小白菜氮、磷、鉀施肥量進(jìn)行田間試驗(yàn)研究，所得產(chǎn)量數(shù)據(jù)運(yùn)用Design-Expert 8.0.6進(jìn)行分析，模擬出氮、磷、鉀肥料施用量與小白菜產(chǎn)量的二元多項(xiàng)回歸方程，以期為小白菜的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試的小白菜品種為‘華冠青梗菜’，日本武藏野種苗園生產(chǎn)。供試肥料包括尿素（含N 46%，三明化工廠出品）、過磷酸鈣（含P2O512%，福州一化硫酸化工有限公司出品）、氯化鉀（含K2O 60%，俄羅斯進(jìn)口）。供試地點(diǎn)福建省莆田市涵江區(qū)白沙鎮(zhèn)廣山村，試驗(yàn)地土壤理化性狀為pH 5.3，有機(jī)質(zhì)16.54 g/kg，堿解氮139.5 mg/kg，速效磷14.2 mg/kg，速效鉀88.4 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)方法

施肥處理設(shè)置按照響應(yīng)面分析法中的Box-Behnken中心組設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)施氮量(N)、施磷量(P2O5)、施鉀量(K2O)3因素3水平施肥田間試驗(yàn)[8-11]，將其非自由搭配組成17個(gè)施肥處理，每個(gè)處理2個(gè)小區(qū)，每小區(qū)面積為15.3 m2(1.7 m×9 m)，對(duì)其測(cè)產(chǎn)取平均值，折算成每平方米產(chǎn)量，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的施肥處理見表1。試驗(yàn)于2021年進(jìn)行，4月2日播種，用種子直播。基肥氮占30%、磷占100%、鉀占30%；4月13日第1次追肥，氮、鉀各占10%；4月20日第2次追肥，氮占30%、鉀占40%；4月30日第3次追肥，氮占30%、鉀占20%；5月10日采收。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2003、Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

試驗(yàn)17個(gè)非自由組合施肥處理的小白菜產(chǎn)量見表1。對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立多元回歸模型，擬合氮肥、磷肥、鉀肥施用量與小白菜產(chǎn)量之間的二次多項(xiàng)方程，如式(1)。

式中，Y為產(chǎn)量，A為施氮量(N)，B為施磷量(P2O5)，C為施鉀量(K2O)。

2.2 方差分析

由表2可知，回歸模型的F值為15.91，P＜0.001，說明模型中的變量對(duì)響應(yīng)值具有顯著的影響；失擬項(xiàng)的F值為0.8147，說明模型與實(shí)際情況擬合較好。由表3可見，回歸模型的相關(guān)系數(shù)R2為0.9534，校正相關(guān)系數(shù)為0.8935，該試驗(yàn)結(jié)果89.35%受試驗(yàn)因素變化的影響，且校正相關(guān)系數(shù)和預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)的差值小于0.2，表明方程對(duì)試驗(yàn)擬合較好，并具備較好的預(yù)測(cè)能力[11-17]。變異系數(shù)小于10%，信噪比大于4，說明氮磷鉀肥施用量和小白菜產(chǎn)量的模型具有較高的辨識(shí)率，受誤差影響小[11-17]?；貧w方程的各項(xiàng)顯著性表明，一次項(xiàng)施氮量、施鉀量不顯著，施磷量極顯著；交互項(xiàng)施氮量與施磷量、施磷量與施鉀量顯著，施氮量與施鉀量不顯著；二次項(xiàng)3種肥料施用量均極顯著。根據(jù)3個(gè)自變量的F值分析，小白菜產(chǎn)量受氮磷鉀肥施用量的影響力從高到低為施磷量＞施氮量＞施鉀量。

表2 Box-Behnken試驗(yàn)方差分析

表3 回歸方程可信度分析

2.3 兩因素交互作用的響應(yīng)面分析

圖1～3為小白菜每公頃產(chǎn)量與施氮量、施磷量、施鉀量之間的響應(yīng)面關(guān)系圖，圖1、圖3中等高線圖的橢圓形較明顯，而圖2中等高線圖比較接近圓形，表明NP與PK之間的交互作用較強(qiáng)，NK之間雖有一定的交互作用但交互效應(yīng)較弱[11-12]，以上分析與表2的方差分析結(jié)論一致。氮、磷、鉀施用量對(duì)小白菜產(chǎn)量的影響模型為開口向下的拋物線，隨著用量的提高，先呈上升趨勢(shì)，過最佳用量后反而下降。

圖1 小白菜產(chǎn)量與施氮量、施磷量之間的響應(yīng)面關(guān)系

圖2 小白菜產(chǎn)量與施氮量、施鉀量之間的響應(yīng)面關(guān)系

圖3 小白菜產(chǎn)量與施磷量、施鉀量之間的響應(yīng)面關(guān)系

2.4 最佳肥料施用量分析

綜合考慮各試驗(yàn)因素及其相互作用，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，小白菜最佳的肥料施用量為施氮量10.07 g/m2、施磷量9.87 g/m2、施鉀量12.32 g/m2，最高小白菜產(chǎn)量為3.7898kg/m2。折施氮 100.70 kg/hm2、施磷 98.7 kg/hm2、施鉀123.2 kg/hm2，最高小白菜產(chǎn)量為37.898 t/hm2。

3 結(jié)論

響應(yīng)面法通過代表性試驗(yàn)，回歸擬合自變量和響應(yīng)值的函數(shù)關(guān)系，分析響應(yīng)曲面及等高線，考察各自變量對(duì)響應(yīng)值的影響，目前己廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域[18-22]。本研究應(yīng)用Box-Behnken中心組設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)施氮量(N)、施磷量(P2O5)、施鉀量(K2O)3個(gè)因素3水平施肥試驗(yàn)，擬合施氮量、施磷量、施鉀量與小白菜產(chǎn)量之間的二次多項(xiàng)方程。模型中的變量對(duì)響應(yīng)值具有顯著的影響，表明方程對(duì)試驗(yàn)擬合較好，并具備較好的預(yù)測(cè)能力，試驗(yàn)結(jié)果具有較高的精密度和可靠性，可用該模型分析和預(yù)測(cè)NPK施用量與小白菜產(chǎn)量的結(jié)果。小白菜最佳的肥料施用量為施氮量100.70 kg/hm2、施磷量98.7 kg/hm2、施鉀量123.2 kg/hm2，在此條件下小白菜產(chǎn)量為37.898 t/hm2。通過對(duì)方差以及三維模型圖分析，施磷量(P2O5)與施氮量(N)、施鉀量(K2O)之間的交互作用較強(qiáng)；施氮量(N)與施鉀量(K2O)之間雖有一定的交互作用，但交互效應(yīng)較弱。

4 討論

蔬菜大多生產(chǎn)周期短，需肥集中，稍施化肥就有很明顯增產(chǎn)效果，適量施肥在提高蔬菜產(chǎn)量的同時(shí)還改善了蔬菜品質(zhì)，增加蔬菜維生素、可溶性糖含量等。然而在蔬菜生產(chǎn)中，菜農(nóng)為了提高蔬菜產(chǎn)量、增加經(jīng)濟(jì)效益，在不了解土壤基本養(yǎng)分狀況的情況下盲目施肥，這會(huì)引起蔬菜品質(zhì)降低、土壤養(yǎng)分累積甚至減產(chǎn)。研究表明，蔬菜產(chǎn)量并不總是隨著肥料用量增加而增加，當(dāng)肥料用量增加至一定范圍之后，繼續(xù)增施肥料將導(dǎo)致產(chǎn)量增加的效果變?nèi)跎踔烈甬a(chǎn)量下降。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析獲得的氮、磷、鉀肥用量對(duì)小白菜產(chǎn)量的影響模型為開口向下的拋物線，與前人的研究結(jié)果是一致的。朱羽萌[4]發(fā)現(xiàn)小白菜各生長指標(biāo)隨著施氮濃度升高而升高，但高濃度施氮水平對(duì)植株生長有抑制作用。嚴(yán)瑾等[23]指出，氮肥、磷肥和鉀肥的施用與小白菜產(chǎn)量呈現(xiàn)明顯的一元二次倒拋物線型曲線。孔躍[24]測(cè)定了番茄、小白菜產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分含量等基本指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)施用氮肥的量逐漸增加時(shí)，蔬菜產(chǎn)量先增加后降低。李俊良等[25]通過研究大白菜產(chǎn)量與氮肥施用量之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施用氮肥的量低于20.68 kg/hm2時(shí)，隨施用氮肥量的增加，大白菜產(chǎn)量增加，施氮能夠顯著增加經(jīng)濟(jì)效益，但繼續(xù)增加氮肥用量，產(chǎn)量不再隨肥料用量增加而增加。辣椒的產(chǎn)量與氮、磷、鉀肥呈正相關(guān)，但當(dāng)?shù)?、磷、鉀施用量分別超過 1.04、0.86、1.47 kg/hm2時(shí)反而降低[26]。說明適當(dāng)施用肥料能夠增加產(chǎn)量，而過量施用肥料則會(huì)引起減產(chǎn)，這可能是由于肥料的過量施用使養(yǎng)分在菜田土壤中累積，菜田中養(yǎng)分累積會(huì)影響土壤酶和微生物等與作物生長相關(guān)的各類指標(biāo)，從而給作物對(duì)養(yǎng)分的吸收造成影響，導(dǎo)致作物減產(chǎn)。

本研究只考慮了氮磷鉀肥與小白菜產(chǎn)量間的關(guān)系，未考慮其他中微量元素和生物、有機(jī)肥料的影響，本試驗(yàn)條件下建立的小白菜平衡施肥回歸方程，有待今后大田實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步探索修正與完善。