寧夏半干旱區配比施肥對籽粒莧種子產量的影響*

米世明，蘭 劍，2

（1.寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學現代草業工程技術研究中心，寧夏 銀川 750021）

寧夏鹽池縣屬半干旱農牧交錯區，干旱缺水，生態環境惡劣，是典型的雨養農業區，長期以來農業生產水平低而不穩[1-2]，因此，提高作物產量是該區域農業發展的關鍵。施肥是提高作物產量的主要措施之一，根據聯合國糧農組織（FAO）的相關資料，發展中國家，施肥可提高作物產量51.4%，我國為40%左右[3]。氮是植物葉綠素以及各種酶合成的必要因素，能夠提高作物單位面積有效穗數和穗粒數，缺氮會限制植物生長發育和作物產量[4]；磷是核酸、核蛋白的必要成分，對后期的籽粒數、千粒重有促進作用，從而提高作物產量[5]；在植物營養中，鉀元素參與作物新陳代謝，增強作物抗逆性[4]。前人研究表明：在不施肥的條件下難以滿足作物高產的需求，而盲目增加施肥量會導致肥料利用率低、土壤退化和環境污染[6-7]。

籽粒莧(Amaranthus hypochondriacus L.)為莧科莧屬一年生糧、飼兼用型作物，高產、優質、抗逆性強，富含蛋白質、脂肪、膳食纖維、維生素及礦物質，其中蛋白質含量約為17%，鉀、鎂、鈣和鐵等礦物質含量是普通作物的幾倍甚至是幾十倍[8-10]。目前，國內外對籽粒莧在食品加工、品種選育與栽培、飼料方面的研究較多，但在氮、磷、鉀配施對籽粒莧種子產量影響方面研究鮮見報道[11-16]。近年來，隨著國家對農業種植結構的調整，促進了“糧、經、飼、草”四元結構協調發展，籽粒莧作為新型糧、飼兼用作物取得了快速發展[13]。郭亮等[17]采用L9(34)正交設計，通過施肥、播期和密度三因素試驗表明，密度是影響籽粒莧產量的主要因素，其次是施肥量。孫紅忠等[18]通過對籽粒莧的土壤水分含量及施肥量的研究，發現產量隨著施肥量的增加而迅速提高。基于籽粒莧在配比施肥方面研究較少，本試驗通過對不同施肥配比下籽粒莧種子產量變化的研究，旨在明確籽粒莧在該地區的最佳施肥配比，為寧夏農業生產提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在寧夏大學草業科學專業教學科研基地（N37°46′26″、E107°26′16″、H1460 m）進行。該基地位于寧夏鹽池縣花馬池鎮四墩子行政村，屬典型大陸性季風氣候，年均降水量250 mm～350 mm，且65%集中在6—9 月，年均蒸發量2132.5 mm；干雨季分明，雨熱同季；年均氣溫7.7℃，一月平均氣溫-7℃，七月平均氣溫24℃。年均無霜期164 天，年均大風日數21 天。土壤類型以灰鈣土為主，pH 值8.5；試驗地土壤質地為沙壤土，有機質含量53.45 g·kg-1，土壤全鹽含量為0.13 g·kg-1，堿解氮含量29.75 mg·kg-1，速效磷148.11 mg·kg-1，速效106.02 mg·kg-1。籽粒莧生育期（5—9 月）內降雨量為336.7 mm。

1.2 材料與方法

供試材料為“旱雷神”美國籽粒莧。試驗采用“3414”設計方案，設置氮、磷、鉀肥3 個因素，4 個水平（0、1、2、3），共計14 個施肥處理（見表1）。2 水平表示最佳施肥配比，N、P2O5和K2O 分別為120 kg·hm-2、90 kg·hm-2、60 kg·hm-2。0水平表示不施肥，1 水平表示少量施肥，是2 水平的0.5倍，3 水平表示過量施肥，是2 水平的1.5 倍。14 個施肥處理，3 個重復，共42 個小區，小區面積為33m2（5.5m×6m）。本試驗氮、磷、鉀肥均采用市售尿素（內蒙古博大實地化學有限公司生產，N 含量為46%）、過磷酸鈣（鐘祥市鐘洋磷化有限公司生產，P2O5含量為12%）和硫酸鉀（山東海化股份有限公司硫酸鉀廠生產，K2O 含量為51%）。14 個施肥處理氮磷鉀肥施用量如表1 所示。

試驗于2018 年5 月6 日播種，理論播種量為2.25 kg·hm-2，播前整地耙平，采用寬窄行種植，寬窄行行距分別為70 cm 和40 cm，條播。氮磷鉀肥在播種前作為基肥一次性施入。9 月30 日收獲，生長周期共147 天。試驗地采用地上滴灌方式灌溉。生育期內灌水3 次，每次灌水量為600 m3/hm2，苗期和分枝期各除草1 次。

1.3 測定項目與方法

于籽粒莧成熟期在每個小區中間隨機選取3 個3 m樣段，收獲種穗，自然晾干后脫粒，稱重并計算種子產量（kg·hm-2）。

1.4 數據處理

所有數據均采用平均值±標準差（mean ±SD）表示，用Microsoft Excel 2010 對數據進行初步統計和回歸分析；用sigmaplot12.5 繪圖。

表1 14 個施肥處理氮磷鉀配施水平及施用量Table 1 Levels of NPK application in 14 fertilization treatments

2 結果與分析

2.1 氮磷鉀配施對籽粒莧種子產量的影響

由表2 可知，施肥處理種子產量較對照（N0P0K0）均存在顯著性差異（P<0.05），在不同程度上增加籽粒莧種子產量，產量介于2 054.25 kg·hm-2～3 415.20 kg·hm-2之間，較對照（N0P0K0）提高了17.84%～95.91%，其中N2P2K2施肥處理的種子產量最高，達3 415.20 kg·hm-2，增產率高達95.91%；產量最低的施肥處理是N0P2K2，種子產量為2 054.25 kg·hm-2，增產率僅為17.84%。氮磷鉀全肥（N2P2K2）處理比不施肥（N0P0K0）、缺氮（N0P2K2）、缺磷（N2P0K2）和缺鉀（N2P2K0）處理分別增產95.91%、66.25%、34.76%和34.65%，這說明養分是籽粒莧種子產量提高的主要限制因子，氮磷鉀肥對籽粒莧種子產量的影響作用大小依次為N>P>K。對籽粒莧種子產量進行三因素分析，建立三元二次回歸方程[19]：

Y=1729.87+15.655N+0.299P+3.601K-0.062N2-0.016P2-0.128K2-0.008NP+0.002NK+0.010PK（R2=0.74）

對方程偏導求解發現磷肥施用量為負數，因此對產量進行三元二次方程擬合失敗。

2.2 兩因素肥料交互效應分析

2.2.1 N、P 因素交互效應

對于N、P、K 三因素試驗而言，將任意一個因素固定在某一水平下，可求得其他兩因素之間交互效應。本研究將K 因素固定在2 水平下，建立了以2 水平K 為基礎的N、P 二元二次肥料效應回歸方程：

Y=957.359+21.299N+13.605P-0.071N2-0.032P2-0.053NP（R2=0.59）

表2 施肥對籽粒莧種子產量的影響Table 2 Effect of fertilization on the seed yield of grain amaranth

根據模型求偏導數得到方程組如下：

解方程組可以得出：施肥量為P2O5127.90 kg·hm-2、N 102.26 kg·hm-2時，籽粒莧種子產量最大，該配比施肥下籽粒莧種子產量為2 916.36 kg·hm-2；最佳施肥量為P2O5120.48 kg·hm-2、N 104.53 kg·hm-2，最經濟種子產量為2 915.13 kg·hm-2。計算時參考化肥和籽粒莧種子市場價（純N、P2O5和K2O 分別為4.10 元/kg、7.08 元/kg 和5.78元/kg，籽粒莧種子為20 元/kg）。

氮、磷因素對籽粒莧種子產量的交互效應分析表明，籽粒莧種子產量隨著氮、磷施用量的增加呈現先緩慢降低后快速增加的趨勢；在高磷肥施用量下，隨著施氮量的增加，產量呈快速增加的趨勢；在中、低磷肥施用量下，產量隨著施氮量增加先緩慢增加后緩慢降低，但增幅與降幅均較小；而在低氮肥施用量下，產量隨著施磷量增加而降低；在中、高水平氮肥施用量下，產量隨著施磷量增加呈現先緩慢降低后快速增加，最后又呈現下降趨勢。整體上，在低氮肥施用量下，施磷肥對籽粒莧種子產量有抑制作用；在高磷肥施用量下，施氮肥對籽粒莧種子產量有促進作用，如圖1 所示。

圖1 氮、磷肥對籽粒莧種子產量效應Fig.1 Effect of nitrogen and phosphorus fertilizer on seed yield of grain amaranth

2.2.2 P、K 因素交互效應

將N 因素固定在2 水平下，建立了以2 水平氮為基礎的P、K 二元二次肥料效應回歸方程：

Y=1655.833+14.654P+26.936K-0.060P2-0.228K2-0.050PK（R2=0.55）

根據模型求偏導數得到方程組如下：

解方程組可以得出：施肥量為P2O5102.17 kg·hm-2、K2O 47.87 kg·hm-2時，籽粒莧種子產量最大，該配比施肥下籽粒莧種子產量為3049.12 kg·hm-2；最佳施肥量為P2O599.36 kg·hm-2、K2O 47.54 kg·hm-2，最經濟種子產量為3 048.58 kg·hm-2。

磷、鉀因素對飼草產量的互作效應分析表明，籽粒莧種子產量隨著磷、鉀量施用量的增加先緩慢降低后快速增加；在低磷肥施用量下，產量隨著施鉀量增加而降低，在高磷肥施用量下，產量隨著施鉀量增加呈現先緩慢增高后快速增高的變化，整體變化幅度較大；在低鉀肥施用量下，隨著施磷量增加，產量平緩降低，變化幅度小；在高鉀肥施用量下，產量隨著施磷量增加而增加，增幅較大。整體而言，在高磷肥或高鉀肥的施用量下，分別施鉀肥、磷肥對籽粒莧產量有極大的促進作用；在低磷肥或低鉀肥的施用量下則相反，如圖2 所示。

圖2 磷、鉀肥對籽粒莧種子產量效應Fig.2 Effect of phosphorus and potassium fertilizer on seed yield of grain amaranth

2.2.3 N、K 因素交互效應

將P 因素固定在2 水平下，建立了以2 水平P 為基礎的N、K 二元二次肥料效應回歸方程：

Y=950.871+22.103N+26.969K-0.076N2-0.182K2-0.077NK（R2=0.59）

根據模型求偏導數得到方程組如下：

解方程組可以得出：施肥量為N 120.83 kg·hm-2、K2O 48.53 kg·hm-2時，籽粒莧種子產量最大，該配比施肥下籽粒莧種子產量為2 940.63 kg·hm-2；最佳施肥量為N 119.79 kg·hm-2、K2O 47.93 kg·hm-2，最經濟種子產量為2 940.44 kg·hm-2。

氮、鉀對籽粒莧種子產量的交互效應分析表明，隨著氮、鉀肥施用量增加，籽粒莧種子產量呈現出先緩慢降低再快速增加的趨勢，在高鉀肥、低氮肥的水平下，籽粒莧種子產量最小，在低氮肥施用量下，鉀肥對種子產量有抑制作用；在低鉀肥水平下，施氮肥對種子產量有促進作用，但影響較小。整體而言，在中氮、中鉀水平下，種子產量最高，如圖3 所示。

圖3 氮、鉀肥對籽粒莧種子產量效應Fig.3 Effect of nitrogen and potassium fertilizer on seed yield of grain amaranth

2.3 單因素肥料效應分析

將任意兩因素固定在2 水平，就可得到另一個因素的肥料效應。通過處理2、處理3、處理6 和處理11 可得到中磷、中鉀水平下氮元素的肥料效應，通過處理4～7 可得到中氮、中鉀水平下磷元素的肥料效應，通過處理6、處理8～10 可得到中氮、中磷水平下鉀元素的肥料效應。通過氮、磷、鉀對籽粒莧種子產量的影響分別建立一元二次肥料效應方程。

N 元素一元二次效應回歸方程：

Y=1903.803+18.593N-0.081N2(R2=0.58)

P 元素一元二次效應回歸方程：

Y=2428.343+14.574P-0.079P2(R2=0.53)

K 元素一元二次效應回歸方程：

Y=2447.835+29.528K-0.297K2(R2=0.67)

依次對方程求導，解方程可得：施氮、磷、鉀肥用量分別為114.77 kg·hm-2、92.24 kg·hm-2、49.71 kg·hm-2，籽粒莧種子產量最大，其對應的最大種子產量分別為2 970.78 kg·hm-2、3 100.50 kg·hm-2、3 181.76 kg·hm-2；經濟最佳施肥量分別為N 113.51 kg·hm-2、P2O590.00 kg·hm-2、K2O49.22 kg·hm-2，經濟最佳種子產量分別為2 970.65 kg·hm-2、3 100.10 kg·hm-2、3 181.69 kg·hm-2。

氮、磷、鉀肥對籽粒莧種子產量的肥料效應如圖4 所示，由圖可知，氮、磷、鉀肥施用量對籽粒莧種子產量的影響表現出相同的趨勢，隨著施肥量的增加，籽粒莧種子產量呈先增后減的趨勢。其中氮肥增幅最大，磷、鉀肥增幅接近。

圖4 氮、磷、鉀對籽粒莧種子產量的肥料效應Fig.4 The fertilizer effect of nitrogen,phosphorus and potassium on seed yield of grain amaranth

3 討論

氮、磷、鉀是植物體生長發育必不可少的三大營養元素，合理配施是提高作物產量的重要措施。大量研究表明，施肥能夠增加作物種子產量[20-23]。在本研究中，籽粒莧種子產量隨著氮、磷、鉀肥施用量的增加呈先增大后減小的趨勢，氮、磷、鉀肥對籽粒莧種子產量的影響作用大小依次為N>P>K，這與張蕙琪等[24]研究不同施肥處理對農大8 號谷子影響試驗結果相同，這是因為氮是光合作用的物質基礎，可有效增加穗粒數，在作物產量形成中發揮著重要的作用[25-26]；磷肥可促進植物幼苗發育和果實成熟，磷肥施入過量或不足都會導致種子空癟粒增多，從而影響種子豐產[27]；而增施鉀肥在一定范圍內能夠促進作物干物質積累，增強作物的抗倒伏能力[28]。何飛等[29]采用“3414”試驗設計對草原3 號苜蓿進行施肥試驗，研究發現：氮、磷、鉀肥對苜蓿產量影響作用大小為P＞K＞N，這與本文研究結果不盡相同，原因是供試土壤不同以及苜蓿本身具有固氮作用，其固氮量基本可以滿足自身生長發育對氮的需求，因此，苜蓿對氮的需求量很少，對磷肥和鉀肥的需求量更高。

植物營養元素之間相互影響制約，一種元素過量或過少往往可導致多種元素失衡[30]。“3414”試驗作為推薦施肥的主要田間試驗方案，具有設計處理少、效率高等優點，可運用肥料效應函數法進行施肥量的推薦，依據作物需肥規律、土壤供肥性能和肥料效應，合理確定氮、磷、鉀的施用量。本文對籽粒莧種子產量進行三元二次方程擬合，雖然擬合度合理，但是根據偏導數求極大值法進行求解得出磷肥施用量為負，擬合失敗，說明三元二次肥料效應方程不適用于本試驗。根據二因素肥料交互作用擬合二元二次施肥效應方程，經計算得出P2O5施用量較實際偏高。一元二次方程可以直觀的看出單個肥料對籽粒莧種子產量的效應，當三元二次方程擬合失敗時，一元二次方程可以作為施肥效應分析的補充和優化[31]。因此，一元二次肥料效應方程作為產量最佳函數擬合，根據單因素施肥效應方程，氮、磷、鉀肥的最佳施用量分別為113.51 kg·hm-2、90.00 kg·hm-2和49.22 kg·hm-2，籽粒莧最佳種子產量為3 084.15 kg·hm-2。

4 結論

1）在寧夏鹽池縣施肥能夠顯著增加籽粒莧種子產量，增產幅度為17.84%～95.91%。14 個施肥配比中，處理N2P2K2增產率最高，產量達到3 415.20 kg·hm-2；增產率最低的處理是N0P2K2，產量為2 054.25 kg·hm-2。

2）在雙因素互作效應中，氮磷、磷鉀和氮鉀互作對籽粒莧種子產量先抑制后促進；單因子效應中，隨施肥量的增加，籽粒莧種子產量先增高后降低，經濟最佳施肥配比為N 113.51 kg·hm-2、P2O590.00 kg·hm-2、K2O 48.53 kg·hm-2，最佳種子產量為3 084.15 kg·hm-2。