基于正交試驗的紅肉蜜柚優(yōu)選施肥方案研究*

陳佳瑜 吳勝平 黃華毅

(1.惠東縣林業(yè)局，廣東 惠東 516300；2.廣東省森林培育與保護利用重點實驗室/廣東省林業(yè)科學研究院，廣東 廣州510520）

紅肉蜜柚Citrus maxima‘Hongroumiyou’是我國南方地區(qū)廣泛種植的經(jīng)濟作物，果實不僅富含維生素C﹑維生素A﹑鈣﹑鎂﹑鉀等營養(yǎng)元素，其所含的天然色素還具有抗氧化﹑抗壞血和降低患癌風險等保健作用[1-2]。合理施肥是影響紅肉蜜柚品質(zhì)的重要因素，研究紅肉蜜柚的施肥時間﹑施肥量和施肥種類等施肥因素有助于推動紅肉蜜柚的發(fā)展和品質(zhì)的提高[3-4]。現(xiàn)有實踐經(jīng)驗表明，施用有機肥料和無機肥料均可以促進紅肉蜜柚產(chǎn)量與品質(zhì)的提升[5]，適量施用有機肥料能夠顯著提高紅肉蜜柚的甜度和VC 含量[3]，且有機肥料具有良好的促發(fā)根和促進植物生長的能力，能提高土壤的有機質(zhì)含量和保持土壤微生物群落的活性。但是，有機肥施用量較大，且需要配合其他肥料施用，施肥過程較為繁瑣。如何有效控制有機肥施用量，合理搭配其他肥料施用，是紅肉蜜柚施肥管理中存在的主要問題。

對于林業(yè)中的多指標﹑多因素﹑多水平問題，常采用正交試驗和極差分析來確定最佳的處理方法。如尹國強等[6]采用正交試驗設計方法分析了不同處理對葡萄的葉片﹑枝條以及產(chǎn)量的影響，通過極差分析法確定了影響葡萄生長的最優(yōu)組合。部分學者指出，極差分析與方差分析只能評價多因素對單個指標的影響，不能很好的解決多指標優(yōu)選問題，林業(yè)當中應用較多的評價方法包括主成分分析法[7-8]和層次分析法[9-10]，但主成分分析法對樣本量要求較大，層次分析法的主觀性較大，因此選擇合適的評價方法顯得尤其重要。目前在工程機械方面應用較多的評價方法包括排隊評分法﹑功效系數(shù)法和矩陣分析法等[11]。如唐佳軍等[11]在研究多因素對再生混凝土力學性能的影響時，利用排隊評分法對正交試驗結果進行分析，準確的確定了影響再生混凝土力學性能的最優(yōu)組合。目前，這幾種方法在林業(yè)領域正交設計試驗中的報道還很少，因此，本研究嘗試運用排隊評分法﹑功效系數(shù)法﹑矩陣分析法對紅肉蜜柚的正交試驗數(shù)據(jù)進行分析，以確定影響紅肉蜜柚品質(zhì)的最佳施肥組合。

為有效規(guī)范紅肉蜜柚的施肥管理，促進紅肉蜜柚品質(zhì)與產(chǎn)量的提升，本研究以惠東縣安墩鎮(zhèn)為試驗區(qū)，考慮精制有機肥﹑花生餅肥﹑施肥時間共3 個試驗因素的不同水平，設計紅肉蜜柚不同施肥處理的正交試驗，采用不同評價方法比較不同施肥處理對紅肉蜜柚品質(zhì)的影響，確定最佳的紅肉蜜柚施肥方案，為當?shù)氐募t肉蜜柚施肥管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)位于惠東縣安墩鎮(zhèn)九州蜜柚場內(nèi)，屬于南亞熱帶海洋季風氣候區(qū)。全年陽光充足，雨量充沛，年平均氣溫22.1 ℃，年平均日照時數(shù)1 313.0 h，年平均降雨量2 101.3 mm，全年90%的降雨量集中在4—10 月份。試驗區(qū)地貌為山地，平均坡度在30°～40°，坡向以陽坡為主。土壤類型為紅壤，土壤表土層基礎肥力：有機質(zhì)為10.2 g/kg，全氮為0.59 g/kg，速效氮為70.2 mg/kg，速效磷為0.86 mg/kg，速效鉀為68.4 mg/kg，pH 值為5.12。

1.2 試驗設計

1.2.1 試驗材料 長勢較一致﹑樹冠發(fā)育完整﹑無病蟲害的紅肉蜜柚成年樹，均為同一年種植，樹齡5 年，每年結果穩(wěn)定且差異性較小，平均單株產(chǎn)量50 kg 左右，株行距4 m×4 m，立地條件一致。

1.2.2 試驗肥料 以當?shù)刂麂N﹑農(nóng)民常用的樂夫精制有機肥（產(chǎn)于惠州市惠東縣吉隆鎮(zhèn)）和高山牌花生餅肥（產(chǎn)于湖北荊門）作為試驗用肥。樂夫精制有機肥是以蘑菇渣﹑雞糞等優(yōu)質(zhì)有機質(zhì)腐熟發(fā)酵精制而成（N+P2O5+K2O ≥5%，有機質(zhì)≥45%）；高山牌花生餅肥是花生經(jīng)榨油后剩下的殘渣（N+P2O5+K2O ≥5%，有機質(zhì)≥75%）。

1.2.3 正交試驗設計 以相關文獻指導施肥量﹑施肥時間為基礎，根據(jù)紅肉蜜柚的需肥特性和土壤肥力分析結果，將精制有機肥用量以10 kg/株的梯度遞增：Y1=20 kg/株﹑Y2=30 kg/株﹑Y3=40 kg/株；花生餅肥用量以4 kg/株的梯度遞增：H1=2 kg/株﹑H2=6 kg/株﹑H3=10 kg/株；進行不同施肥時間處理:T1（冬肥12 月+穩(wěn)果肥5 月）﹑T2（冬肥12 月+壯果肥8 月）﹑T3（冬肥12 月+穩(wěn)果肥5 月+壯果肥8 月），采用三因素三水平正交設計，每處理3 株，3 次重復，正交試驗設計詳情見表1。

表1 紅肉蜜柚的正交試驗設計Table 1 Orthogonal experimental design table for the Citrus maxima ‘Hongroumiyou’ experiment

1.3 試驗評價指標

各試驗組在果實成熟時（9 月份）采摘果實進行產(chǎn)量和品質(zhì)測定，每處理3 株樹，每株樹取3個大小平均的果實，共采243 個果，分別進行果實外觀品質(zhì)﹑食用品質(zhì)﹑營養(yǎng)品質(zhì)3 個方面的指標測定。各項評價指標的測定方法見表2。

表2 紅肉蜜柚評價指標的測定方法Table 2 Measuring methods for evaluating indicators of Citrus maxima ‘Hongroumiyou’

1.4 評價方法

本研究分別采用排隊評分法﹑功效系數(shù)法﹑矩陣分析法對影響紅肉蜜柚品質(zhì)的多指標進行分析，以確定最優(yōu)施肥組合。不同評價方法的步驟如下。

1.4.1 排隊評分法 首先依據(jù)測試結果在單個指標中的排序?qū)y試結果進行評分，然后對各指標下的分數(shù)求和，從而把多指標問題轉(zhuǎn)化為單指標問題，評分總和越高，表明組合越優(yōu)。其具體步驟為：1）對單個指標的試驗結果進行排名；2）將最優(yōu)結果設為10 分，最差結果設為1 分，其余結果依據(jù)線性內(nèi)插法進行評分；3）計算得出每項指標中所有試驗結果的評分；4）將每個處理組的試驗結果評分相加，得到該組的綜合得分；5）對各組的綜合得分進行極差分析，選出最優(yōu)處理組合[11]。

1.4.2 功效系數(shù)法 是應用于正交試驗評價的一種多目標優(yōu)化方法，其原理是將各項指標通過功效系數(shù)進行轉(zhuǎn)化，然后將同處理組的指標取值歸一化處理，將各指標功效系數(shù)相加得到各組的總功效系數(shù)，依據(jù)總功效系數(shù)進行優(yōu)選評定。

1.4.3 矩陣分析法 通過權矩陣形式對試驗結果進行分析，具體步驟包括：1）建立由水平層﹑因素層﹑水平層組成的層次結構模型（圖1）；2）構建指標層K﹑因素層T﹑水平層R 矩陣；3）依據(jù)公式（1）計算各因素各水平對試驗指標的平均影響權重[10]。

圖1 紅肉蜜柚施肥優(yōu)選層次結構模型Fig.1 Optimal hierarchical structure model for fertilization of Citrus maxima ‘Hongroumiyou’

公式（1）的表達式為：

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 軟件進行數(shù)據(jù)處理，Minitab 軟件進行極差分析，SPSS 軟件進行方差分析與矩陣分析，Origin 軟件進行圖形的繪制。

2 結果與分析

2.1 不同試驗組的指標分析

對不同施肥處理組的各項評價指標進行單因素方差分析，檢驗結果表明紅肉蜜柚含水率不受有機肥用量﹑種類以及施肥時間的影響（P＞0.05）；有機肥用量﹑種類以及施肥時間對其余9項品質(zhì)指標（單果質(zhì)量﹑果形指數(shù)﹑可食率等）造成顯著影響（P＜0.05）。不同試驗組的多重比較結果表明（表3），不同試驗組的品質(zhì)指標之間存在顯著差異（P＜0.05），單果質(zhì)量﹑可食率﹑出汁率﹑可溶性固形物﹑還原糖﹑總糖﹑VC 含量均隨精制有機肥施肥量和花生餅肥的增加而提高，果形指數(shù)﹑可滴定酸隨精制有機肥施肥量的增加呈下降趨勢。

表3 不同試驗組紅肉蜜柚的品質(zhì)指標測試結果Table 3 Quality indicator test results for different experimental groups of Citrus maxima ‘Hongroumiyou’

2.2 排隊分析法的評價結果

依據(jù)排隊評分法計算方法，計算紅肉蜜柚各項指標的結果評分和試驗組的綜合得分。由表4可知，各試驗組的綜合得分大小依次為L6＞L9＞L8＞L7＞L3＞L4＞L5＞L2＞L1。試驗組L6的綜合評分最高，達到83.04，其施肥處理為Y2H3T1（精制有機肥30 kg/株，花生餅肥10 kg/株，冬肥12 月+穩(wěn)果肥5 月施肥）。施肥處理L1的綜合得分最低，僅為29.31。

進一步采用極差分析方法分析各因素各水平對紅肉蜜柚品質(zhì)綜合得分的影響，由表5 的結果可知，各因素對紅肉蜜柚品質(zhì)綜合得分的影響次序為精制有機肥Y ＞花生餅肥H ＞施肥時間T，對紅肉蜜柚品質(zhì)綜合得分影響最大的水平分別為Y3﹑H3﹑T3。由此可知，排隊分析法確定的紅肉蜜柚最優(yōu)施肥組合為Y3H3T3,即精制有機肥40 kg﹑花生餅肥10 kg﹑12 月+5 月+8 月施肥。

表5 三因素對紅肉蜜柚品質(zhì)綜合得分的極差分析Table 5 Range analysis of three factors on the comprehensive quality score of Citrus maxima ‘Hongroumiyou’

2.3 功效系數(shù)法的評價結果

依據(jù)功效系數(shù)法計算各試驗組的總功效系數(shù)，由表6 可知，各試驗組的總功效系數(shù)大小依次為L9＞L8＞L6=L7＞L3＞L5=L4＞L2＞L1。試 驗組L9 的總功效系數(shù)最高，達到0.49，其施肥處理為Y3H3T2（精制有機肥40 kg/株, 花生餅肥10 kg/株，冬肥12 月+壯果肥8 月施肥）。試驗組L1的總功效系數(shù)最低，僅為0.33。

表6 紅肉蜜柚功效系數(shù)法的計算結果Table 6 Calculation results of the efficacy coefficient method of Citrus maxima ‘Hongroumiyou’

采用極差分析方法分析各因素對各試驗組總功效系數(shù)的影響，由表7 的結果可知，各因素對總功效系數(shù)的影響次序為精制有機肥Y ＞花生餅肥H ＞施肥時間T。對紅肉蜜柚品質(zhì)總功效系數(shù)影響最大的水平分別為Y3﹑H3﹑T3。由此可知，總功效系數(shù)法確定的紅肉蜜柚最優(yōu)施肥組合為Y3H3T3，即精制有機肥40 kg﹑花生餅肥10 kg﹑12 月+5 月+8 月施肥。

2.4 矩陣分析法的評價結果

依據(jù)矩陣分析法計算三因素各水平的平均權重，由表8 可知，精制有機肥不同水平對試驗指標的影響權重依次為Y3＞Y2＞Y1，花生餅肥不同水平對試驗指標的影響權重依次為H3＞H2＞H1，施肥時間不同水平對試驗指標的影響權重依次為T3＞T2＞T1。由此可知，矩陣分析法確定紅肉蜜柚最優(yōu)施肥組合為Y3H3T3，即精制有機肥40 kg﹑花生餅肥10 kg﹑12 月+5 月+8 月施肥。

表8 紅肉蜜柚矩陣分析法的計算結果Table 8 Calculation results of the matrix analysis method of Citrus maxima ‘Hongroumiyou’

3 結論與討論

有機肥富含的有機與無機養(yǎng)分能為植物提供全面的營養(yǎng)物質(zhì)，其中的氨基酸﹑維生素等活性生理物質(zhì)還能有效地增強植物的新陳代謝能力和抗病能力。同時，部分有機肥中富含的有益微生物菌群能與植物形成共生關系，促進植物的生長發(fā)育。大量的研究表明，合理施用有機肥能有效提高植物果實的品質(zhì)與產(chǎn)量[4,16-20]，如劉申[19]分析施用有機肥與復合肥對棗樹Ziziphus jujuba的影響，發(fā)現(xiàn)有機肥能顯著提高棗樹的品質(zhì)與產(chǎn)量；夏雪[20]研究發(fā)現(xiàn)，增施有機肥能提高矮化蘋果樹Malus pumila的各項品質(zhì)指標，且能改善土壤狀況。朱國權[4]發(fā)現(xiàn)施用有機肥能提高紅肉蜜柚的葉片葉綠素含量和土壤有機質(zhì)含量。本研究分析了不同有機肥施肥量與施肥時間對紅肉蜜柚品質(zhì)的影響，結果發(fā)現(xiàn)有機肥的施用能顯著提高紅肉蜜柚的單果質(zhì)量﹑可食率﹑出汁率﹑可溶性固形物﹑還原糖﹑總糖和VC 含量，顯著減少果實中的可滴定酸含量（表3），有效提高紅肉蜜柚的口感與營養(yǎng)含量。

經(jīng)實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，紅肉蜜柚的施肥次數(shù)每年在3～4 次左右，郭秀珠等[21]的研究表明，多階段分次施肥的紅肉蜜柚果實品質(zhì)優(yōu)于一次性施肥，朱國權[4]的研究也有類似結論。本研究以冬肥為基準，分別設置冬肥+穩(wěn)果肥﹑冬肥+壯果肥﹑冬肥+穩(wěn)果肥+壯果肥3 種水平，試驗結果表明，紅肉蜜柚的各項品質(zhì)評價指標以施用冬肥+穩(wěn)果肥+壯果肥為佳，符合紅肉蜜柚的種植生產(chǎn)情況。

研究發(fā)現(xiàn)，精制有機肥的施肥量能顯著影響紅肉蜜柚的品質(zhì)與產(chǎn)量，且與施肥量的增加成正比關系[3]。正交試驗中精制有機肥的最優(yōu)水平為第3 水平，即施肥量40 kg，而實際生產(chǎn)中果實品質(zhì)可能隨著施肥量的增加繼續(xù)提高，也可能隨著施肥量的增加而降低。經(jīng)過統(tǒng)計分析，本研究確定紅肉蜜柚的施肥最佳組合為精制有機肥40 kg﹑花生餅肥10 kg﹑12 月+5 月+8 月施肥，此組合雖然未出現(xiàn)在正交試驗的設計中，但不會對研究結果產(chǎn)生較大影響，因為正交試驗的設計具有代表性。后續(xù)試驗中，可以進一步探討多水平有機肥與施肥成本對紅肉蜜柚產(chǎn)量與經(jīng)濟效益的影響，以有效提高果農(nóng)的經(jīng)濟收益。

排隊評分法﹑功效系數(shù)法和矩陣分析法在分析多目標問題時都具有一定的優(yōu)缺點，如排隊評分法的結果受主觀因素的影響較大，功效系數(shù)法的結果雖然受主觀因素的影響較小，但更適用于各項評價指標重要性相當?shù)脑囼?，矩陣分析法的多目標?yōu)選過程比較客觀，且在指標重要性不一致的試驗中應用較好[22]。本研究中，排隊評分法﹑功效系數(shù)法和矩陣分析法確定的影響紅肉蜜柚品質(zhì)的因素主次順序均為精制有機肥＞花生餅肥＞施肥時間，矩陣分析法確定的各因素最優(yōu)水平與排隊評分法﹑功效系數(shù)法相同。3 種評價方法分析得出的研究結論相同，說明本研究依據(jù)正交試驗設計確定的紅肉蜜柚施肥方案具有較高的科學性和可應用性，可以在生產(chǎn)實踐中應用。