基于氮鉀二因子飽和D最優設計的遷葫1號施肥效果研究

周玲玲，張黎杰，余 翔，姜若勇，田福發，王夏雯，吳紹軍，孟佳麗

(江蘇省農業科學院 宿遷農科所，江蘇 宿遷 223800)

西葫蘆(CucubitapepoL.)又稱美洲南瓜，屬于葫蘆科南瓜屬的一年生草本植物，在我國南、北方均有種植。西葫蘆不僅作為日光溫室越冬茬、塑料大棚早春和秋延后栽培的一種重要蔬菜，在瓜類蔬菜中栽培面積僅次于黃瓜，栽培面積達17.67萬hm2；而且西葫蘆根系發達，吸肥能力強，生長快、產量高、需肥量大，很容易成為化學肥料過量施用的重災區。在實際生產中，由于西葫蘆施肥過多和偏施氮肥，不僅造成了成本增加、資源浪費、土壤鹽漬化加重的嚴重后果，而且極大地影響了西葫蘆的產量和品質,降低了農民的經濟收益[1]。

氮、鉀作為大量營養元素，兩者的營養平衡及配合施用，對提高肥料的利用率、增加作物產量、改善作物品質具有重要的理論和實踐意義[2]。關于氮、鉀配施對西葫蘆產量、品質的影響缺乏系統性的研究。因此，本研究通過氮鉀二因子飽和D最優設計，研究了氮鉀肥料施用量與遷葫1號西葫蘆產量和品質之間的關系，建立了施肥模型，明確了遷葫1號的最優施肥方案，為遷葫1號西葫蘆秋延后高產、優質栽培提供了施肥方案選擇的理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

遷葫1號，由江蘇省農業科學院宿遷農科所自主選育。

1.2 試驗地點

試驗地為宿遷市宿豫區市農科院3號連棟大棚。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 試驗田土壤中，速效氮、磷、鉀的含量分別為248.5 mg/kg、101.3 mg/kg、431.7 mg/kg，有機質含量2.20%。2017年9月初育苗，9月中旬定植，單行種植，株距50 cm，行距1.5 m，面積472.5 m2。各處理小區面積為26.25 m2,隨機排列，3次重復。供試肥料分5次施入，基肥中氮肥占20%、鉀肥占20%；定植后，7～8片葉時施氮肥20%、鉀肥50%；坐果后施氮肥20%、鉀肥10%；結果期分2次施肥,每次均施氮肥20%、鉀肥10%施入。施用磷肥20 kg/667 m2，其余栽培管理措施按生產要求進行。

1.3.2 二次D-飽和最優設計 試驗采用二因素二次D-飽和最優設計，建立N、K與西葫蘆產量和品質的模型。根據肥效模式類型，建立二次多項式：

YA=b0+b1X1+b2X2+b12X1X2+b12X12+b22X22

YB=b0+b1X1+b2X2+b12X1X2+b12X12+b22X22

式中：X1代表N編碼值，X2代表K2O編碼值，bi為回歸系數，YA代表西葫蘆產量，YB代表西葫蘆品質。

2個施肥因素，各設置4個水平，一共有6個處理(表1)，每個處理3個重復，每個試驗小區為17.5 m×1.5 m=26.25 m2。

表1 二次D-飽和最優設計遷葫1號施肥方案設計

1.4 測定的指標和方法

1.4.1 產量的測定 前期產量結果期30 d內小區產量分別測產統計，最后折合成每667 m2的產量。

1.4.2 果實品質的測定 果實品質送樣至南京鐘鼎生物有限公司進行檢測，采用雙波段比色法測定硝酸鹽含量；采用鉬藍比色法測定維生素C含量；采用硫酸蒽酮法測定可溶性總糖含量；采用考馬斯亮藍比色法測定可溶性蛋白含量；采用茚三酮比色法測定游離氨基酸含量。

果實品質檢測后進行評分。評分標準：按照總分100分，其中維生素C占40分、可溶性總糖占20分、可溶性蛋白占20分、游離氨基酸占20分、硝酸鹽占-20分。

1.5 數據統計分析

數據的統計分析選用Excel 2003軟件和南京農業大學統計分析2017.02版，繪圖采用Excel 2003和Origin 8.5軟件。

2 結果與分析

2.1 對西葫蘆產量和品質的影響

從表2可以看出，西葫蘆的產量由高到低依次是T4>T5>T6>T2>T3>T1，說明氮鉀肥料合理配施有助于產量的提高；單施氮肥(T2)較單施鉀肥(T3)產量高，說明增施氮肥更有利于西葫蘆產量的提高。

從表3可以看出，西葫蘆品質指標得分由高到低依次是T4>T5>T1>T3>T6>T2，說明不施肥、單施氮肥、鉀肥和施用高水平的氮鉀配比肥料的西葫蘆品質低，合理的氮鉀配比有助于提高西葫蘆的品質，單施鉀肥(T3)較單施氮肥(T2)的品質好，說明增施鉀肥更有利于提高西葫蘆的品質。

表2 遷葫1號的產量測定結果

2.2 回歸模型的建立

根據試驗的產量、品質指標評分結果，利用Excel 2003建立二次飽和D-最優設計回歸模型[3]，得出西葫蘆產量、品質和N、K編碼值之間的回歸方程：

YA=5487.94+113.69X1+31.11X2-96.57X1X2-189.89X12-198.38X22

(1)

YB=73.49-2.42X1+3.56X2+3.57X1X2-1.42X12-10.33X22

(2)

式中：YA表示產量，YB表示品質，X1代表N的用量編碼，X2代表K2O的用量編碼。

表3 遷葫1號的品質指標評分結果 分

2.3 模型分析

2.3.1 主效因子分析 偏回歸系數絕對值的大小反映了因素的主次，符號的正負反映了因素水平的取值方向[4]。|113.69|>|31.11︱，表明在一定的范圍內，氮素使用量的大小是影響西葫蘆產量的主要因素；|-2.42|<|3.56|，表明在一定的范圍內，鉀素使用量的大小是影響西葫蘆品質指標的主要因素。

2.3.2 單因子效應分析 將自變量X1、X2中的一個固定在0水平，可以得到另一個自變量與目標函數的關系，即單因子效應方程。

令式(1)中X2=0，得到方程YA1=5487.94+113.69X1-189.89X12，即N對遷葫1號產量的單因子效應方程；令式(1)中X1=0，得到方程YA2=5487.94+31.11X2-198.38X22，即K2O對遷葫1號產量的單因子效應方程。

同理，令式(2)中X2=0，得到方程YB1=73.49-2.42X1-1.42X12，即N對遷葫1號品質的單因子效應方程；令式(2)中X1=0，得到方程YB2=73.49+3.56X2-10.33X22，即K2O對遷葫1號品質的單因子效應方程。

將產量和品質的單因子效應方程繪制成圖1和圖2。由此可以看出，產量隨著N、K2O施用量的增加而增加，達到最大值后，隨施肥量的增加而降低。品質隨著N施用量的增加而緩慢降低；隨著K2O施用量的增加而增加，達到最大值后，隨施肥量的增加而降低。

圖1 N、K2O對遷葫1號產量的單因子效應分析

圖2 N、K2O對遷葫1號品質的單因子效應分析

2.3.3 交互效應分析 施肥效應方程中N、K2O肥料交互作用項的系數反映了肥料間兩兩交互作用的強弱程度，在效應方程中，產量回歸方程中的交互項系數為負值，說明N、K元素表現為拮抗作用；在品質回歸方程中，交互項系數為正值，說明N、K元素表現為協同作用[5]。

通過氮鉀交互效應方程，將N和K2O的編碼值帶入方程，計算產量和品質，得到表3和表4。

分別以X1、X2編碼值為x和y軸，西葫蘆單產為z軸，對氮鉀交互效應方程制作圖3。

結合表4和圖3可知，西葫蘆產量隨著X1、X2先升高后降低，X1、X2過高或過低都不利于產量的提高。以5300 kg/667 m2作為西葫蘆目標產量，當X1取-0.1315～1.0000，X2取-0.1315～0.3944之間，N、K2O對西葫蘆產量的互作效應明顯；超出此范圍，無論是N還是K2O的施用量增加或減少，產量均表現為下降。

表4 N和K2O交互效應對遷葫1號產量的影響

圖3 N和K2O對遷葫1號產量的交互效應分析

同理，分別以X1、X2編碼值為x和y軸，西葫蘆品質得分為z軸，對氮鉀交互效應方程制作圖4。

結合表5和圖4可知，西葫蘆品質隨著X1、X2變化先后降低升高，鉀含量的提高有利于品質的提升。以70分作為西葫蘆目標品質，當X1取-0.1315～0.3944，X2取-1.0000～0.3944之間，N、K2O對西葫蘆品質的互作效應明顯；超出此范圍，無論是N還是K2O的施用量增加或減少，品質均表現為下降。

表5 N和K2O交互效應對遷葫1號品質的影響

圖4 N和K2O對遷葫1號品質的交互效應分析

2.4 最優施肥模式選擇

利用頻數分布法計算，得出本試驗條件下，產量超過5300 kg/667 m2的施肥方案(表6)。從表6可以看出，遷葫1號的產量超過5300 kg/667 m2，氮鉀肥料用量要求有一定的范圍，即施氮24.13～43.30 kg/667 m2、施鉀24.68～63.20 kg/667 m2。利用回歸分析軟件求得方程最優解，施氮32.73 kg/667 m2、施鉀40.00 kg/667 m2，產量為5504.55 kg/667 m2，達到最高。

表6 遷葫1號產量超過5300 kg/667m2時的因素取值頻率分布

注：自由度df=8，t0.05=2.306。

同理，也可以得出本試驗條件下品質得分超過70分的施肥方案(表7)。最優施肥方案：施氮6.70～39.92 kg/667 m2、施鉀36.71～56.81 kg/667 m2。利用回歸分析軟件求得方程最優解，施氮16.36 kg/667 m2、施鉀47.64 kg/667 m2，品質得分為75.70分，達到最優。

表7 遷葫1號品質得分超過70分時的因素取值頻率分布

注：自由度df=7，t0.05=2.365。

3 結論與討論

氮肥是提高大多數蔬菜作物產量的主要因素。齊輝[1]認為氮肥的變化對產量的影響較鉀肥變化的影響大；陳修斌等[6]認為西葫蘆水肥耦合中，對產量影響的大小為氮>水>鉀；聶大杭等[7]認為氮肥對番茄增產效果明顯，增施氮肥有利于提高番茄產量；諸海燾等[8]的研究表明，在一定范圍內，隨著氮用量的上升，西瓜產量增加；王祝余等[9]認為在低氮條件下，增施氮肥能極顯著提高青花菜產量。本試驗的研究結果與前人的研究結果基本一致：在一定范圍內氮肥施用量的大小是影響西葫蘆產量的主要因素，且與西葫蘆的產量呈正相關。

鉀肥是品質元素，國內學者的大多數研究結果表明施用鉀肥可以明顯提高蔬菜產品中維生素C的含量；孫曉琦等[10]認為適量施鉀，可使黃瓜果實特征風味物質相對含量明顯升高。本研究結果表明：在一定范圍內鉀肥施用量的大小對品質的影響大于氮肥，且與西葫蘆的品質呈正相關。此外，氮肥是影響硝酸鹽的主要因素，氮肥的增加，有利于蔬菜作物硝酸鹽的積累，從而降低蔬菜的品質，因此氮肥、鉀肥的施用均能夠影響蔬菜的品質。本試驗的研究結果表明：氮肥與鉀肥對西葫蘆品質的影響具有協同作用。低氮低鉀、高氮高鉀都不利于西葫蘆的品質。合理的氮鉀配施對西葫蘆的產量和品質的提高有明顯的促進作用。

本試驗采用二因素二次D-飽和最優設計，建立了西葫蘆秋延遲栽培氮鉀元素施用量與其產量品質關系的回歸方程，提出了實現目標產量和品質的西葫蘆氮鉀最佳施肥方案，為西葫蘆生產中氮鉀合理配施及精準施肥提供了理論依據。