再生水灌溉辣椒氮磷鉀耦合效應及優化組合方案研究

李應海,田軍倉*

再生水灌溉辣椒氮磷鉀耦合效應及優化組合方案研究

李應海1,2,3,田軍倉1,2,3*

1. 寧夏大學土木與水利工程學院, 寧夏 銀川 750021 2. 寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心, 寧夏銀川 750021 3. 教育部旱區現代農業水資源高效利用工程研究中心, 寧夏 銀川 750021

針對西北地區水資源緊缺以及辣椒種植氮、磷、鉀施用比例無序問題，本文選取氮、磷、鉀3因素，設置了5個水平，采用二次通用旋轉組合設計，在寧夏中衛市沙坡頭區進行了田間試驗。結果表明：（1）所獲得的辣椒氮、磷、鉀耦合模型回歸擬合和失擬檢驗均達到顯著性水平，因素與產量的相關系數=0.856；（2）檢驗發現氮肥對辣椒產量影響較為明顯，磷肥次之，鉀肥影響較小；（3）辣椒產量隨施氮量的增加產量增加值在減小，施磷量對產量的靈敏度與施氮量具有相同的趨勢，施鉀量對產量的靈敏度隨施用量的增加而增加；（4）1=322.2，2=134.3，3=439時最大產量依次為：1=45236.3 kg?hm-2、2=15668.8 kg?hm-2、3=20073.5 kg?hm-2；（5）施氮量為240 kg?hm-2，施磷量為150 kg?hm-2時產量達到48911.9 kg?hm-2，交互作用明顯。施氮量為240 kg?hm-2，施鉀量為150 kg?hm-2時產量達到43523.7 kg?hm-2。施鉀量150 kg?hm-2時，施磷92 kg?hm-2可以獲得最大產量，為18318 kg?hm-2；（6）模擬模型求得產量大于52000 kg?hm-2的有29個組合。研究結果可為再生水灌溉辣椒氮、磷、鉀耦合及最優組合方案提供參考。

再生水; 辣椒; 氮磷鉀耦合; 優化組合

辣椒(L.)屬茄科(Solanaceae)辣椒屬()，原產南美和墨西哥等中美洲熱帶地區，為1年或多年生草本植物[1]。由于其營養豐富、味道被大多數人所喜愛，在世界各地被廣泛種植，產量在茄科蔬菜中僅次于番茄[2]，中國辣椒種植面積居世界首位[3]。辣椒為淺根作物，且根系較細弱[4]，對土壤環境具有一定要求，土壤根部養分條件及溫度環境均會影響根系活力及正常生長[5]。

土壤的氮磷鉀等營養養分是供給植物生理指標、品質和產量等所必需的營養來源之一[6]。溫度是影響氮磷礦化最重要的非生物因素之一，土壤溫度增加會影響氮礦化的分解以及土壤養分的轉化[7,8]。N、P、K能夠明顯影響植物的生長，植物生產整個過程中需要大量的N、P、K[9-11]。合理配施N、P、K是作物高產的關鍵。N、P、K的耦合作用，主要是指土壤中的氮、磷、鉀最優組合效應，從而使得各因素之間相互作用的現象。氮、磷、鉀的最優組合是N、P、K耦合作用的重要指標，從而調節土壤營養的供需平衡，進而影響植株生長發育等[12]。

楊振超等[13]研究發現對生菜產量的影響順序為N＞P＞K。Cooke等[14]發現氮、鉀交互時，適當增加施氮量可以增加鉀肥的增產的作用。董燕等[15]研究表明，適當增加磷肥量能明顯提高產量。我國對氮、磷、鉀合理配施研究主要在番茄、黃瓜[16]等。日本探討了氮、磷、鉀交互作用對生菜生長、品質及養分含量的影響，建立生菜高產、高效、優質模式及回歸模型[17]。葉林等[18]采用三因素五水平二次回歸通用旋轉組合設計，研究N、P、K耦合效應對甜瓜產量的影響，結果發現：N、P、K對甜瓜產量的影響的施肥量順序為P＞N＞K。張棟等[19]以香港“玻璃脆”散葉生菜為試材，采用三因素五水平二次通用旋轉組合設計試驗，分析了水培生菜在前、后期N、P、K對產量的影響，結果發現：水培生菜在前期時，對產量的影響順序是N>P>K，水培生菜在前期時，對產量的影響順序是N>P>K；各因素間存在著交互作用。趙盼盼等[20]以中亞熱帶杉木幼苗為研究對象，研究了短期增溫對微生物生物量氮(MBN)、微生物生物量磷(MBP)、土壤氮磷養分以及氮、磷耦合作用的影響，發現：耦合作用受氮和磷之間相互作用的影響。

學者認為合理的肥料配比辣椒[21]可以達到增產、高效的效果，可見，對辣椒的產量和品質有直接的影響。為了更好地提高肥料利用率，探索氮、磷、鉀的耦合關系對甜瓜產量的影響，現采用二次通用旋轉組合設計，通過建立數學模型[22]量化N、P、K肥施用量，以期為中國西北干旱地區再生水灌溉條件下辣椒種植N、P、K耦合及優化組合方案提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點基本情況

田間試驗分別于2018、2019年在寧夏中衛市應理集團中水處理廠的后院試驗基地進行。試驗田土質為壤土，試驗前測得土壤的原始肥力、土壤容重、全氮、全磷、全鉀、有機質、速效氮、速效磷、速效鉀、pH及田間持水率如表1所示。

表1 試驗田土壤基本性質

試驗所用的灌溉水源為所寧夏中衛市沙坡頭區文昌鎮應理集團中水處理廠的再生水，水質符合《農田灌溉水質標準(GB5084－2005)》，再生水及自來水水質指標如表2所示。

表2 灌溉用水指標/(mg?L-1)

1.2 試驗設計

采用膜下滴灌技術，選用切片式滴灌帶，滴頭間距30 cm，辣椒定植的行距45 cm，株距30 cm。在播種時間、種植密度、種植方式、土壤原始肥力等均相同的情況下，結合當地群眾長期種植習慣、辣椒需水需肥實際，采用三因素二次回歸通用旋轉組合設計方法，試驗因素確定為N、P、K。因素水平編碼見表3，表中N、P、K總量均包括土壤原始肥力。試驗采用桶栽試驗，設20個處理3個重復，各處理在田間隨機排列，試驗方案見表3。

表3 因素水平編碼

1.3 試驗實施

試驗于2018年5月29日定植，定植之前進行了灌溉，灌水定額為120 m3/hm2，定植后每月灌水4次，共計灌水15次。分別于7月1日、8月1日進行了施肥，施肥類別為二氨、尿素和鉀肥，施肥量見表2。于2018年9月22日進行了采樣測產，9月23日進行了完全收獲，測定了辣椒植株的品質、干物質以及辣椒經濟產量。

1.4 觀測項目與方法

1.4.1 土壤水分觀測每個處理0 cm～10 cm、10 cm～20 cm、20 cm～30 cm、30 cm～40 cm位置埋設50 cm長的TDR探管，使用TRIME-PICO-IPH TDR儀器觀測0 cm～10 cm、10 cm～20 cm、20 cm～30 cm、30 cm～40 cm埋深土壤體積含水率，觀測之前對儀器用烘干法校核。從辣椒定值后第1d開始，每7 d測定1次，每次灌水前后及降雨后分別加測1次，各生育階段臨界期分別加測1次。

1.4.2 土壤養分、生理指標觀測定植前測得土壤的原始肥力見表1，包括土壤容重、全氮、全磷、全鉀、有機質、速效氮、速效磷、速效鉀、PH及田間持水率，并于6月26日、8月26日、9月23日分別對土壤進行了測定。

1.4.3 辣椒產量觀測于7月10日、7月28日、8月13日、9月22日分別測定每個處理的產量，產量4次測定的累積值換算為公頃產量。

1.4.4 辣椒品質觀測維生素C采用2,6－二氯靛酚滴定法，可溶性糖采用3,5－二硝基水楊酸比色法。總酸使用酸堿滴定法，可溶性固形物使用折射儀法，番茄紅素使用高效液相色譜儀法。

2 結果與分析

2.1 辣椒養分耦合模型的建立與檢驗

2.1.1辣椒養分耦合模型的建立試驗獲得的辣椒產量如表4第（12）列所示，基于表3的三因素二次通用旋轉組合設計結構矩陣，用DPS軟件對獲得的辣椒總產量（kg?hm-2）進行多元回歸統計分析，其三因素二次通用旋轉組合設計結構矩陣()與試驗產量見表4。

表4 三因素二次通用旋轉組合設計結構矩陣(x)與試驗產量

根據表2產量結果通過統計，獲得辣椒養分二次通用旋轉組合回歸模型如式（1）所示：

=10437.4+1161+77.92+43.93-0.1812-0.2922-0.0532+0.5412+0.2813-0.1623(1)

式中為辣椒產量（kg/hm2）；x為線性變換后的無因次變量，=1,2,3。

2.1.2 辣椒養分耦合模型的檢驗對所獲得的模型進行回歸檢驗和失擬檢驗，計算得回歸擬合F值為3.06，顯著性水平為0.048（小于0.05），失擬檢驗F值為5，顯著性水平為0.051（大于0.05），可見獲得的回歸方程可用。由于因素與產量的相關系數=0.856，決定系數2=0.734，標注差=3742.3，調整后的相關系數R=0.703，所以，用該養分耦合回歸模型預報鮮辣椒產量具有較高的可靠度。

表5 t檢驗計算結果

對模型進行檢驗，檢驗結果如表5所示。整體上來看，值均較小，最大的僅為0.3，但相比較而言，氮肥對辣椒產量影響較為明顯，磷肥次之，鉀肥影響較小。二次項中，氮的二次項影響較大。兩兩交互作用中，氮磷交互作用值較大，為0.25，氮鉀交互次之。

圖1 各因素靈敏度趨勢

靈敏度計算結果如圖1所示。可以看出，隨著氮肥施量的增加對產量的影響靈敏度降低，從計算的結果來看，靈敏度從初始的0.4降低到0.27，可見隨著施氮量的增加產量增加值在減小。施磷量對產量的靈敏度與施氮量具有相同的趨勢，但施磷量所引起的產量靈敏度較小，僅為0.06～0.18。施鉀量對產量的靈敏度隨施用量的增加而增加，變化范圍在0.2～0.27，相比較，大于磷肥對產量的靈敏度，可以說明還可以繼續增加鉀肥適量。

2.2 辣椒產量氮、磷、鉀耦合模型分析

2.2.1 主因素效應綜合考慮偏回歸系數及檢驗的結果，可得出試驗中各因素對產量影響的順序為施N量（1）>施P量（2）>施K量（3）。

2.2.2 單因素效應將回歸模型中的N、P、K三因子中的其中任意兩個固定在零水平，通過求解，得到每個因素對產量的回歸子模型如式（2）～（4）所示：

施氮量：=10437.4+1161-0.1812(2)

施磷量：=10437.4+77.92-0.2922(3)

施鉀量：=10437.4+43.93-0.0532(4)

根據上述偏回歸子模型，分別令1/1=0，2/2=0，3/3=0，可得1=322.2，2=134.3，3=439。由于21/12<0、22/22<0，23/32<0，故1=322.2，2=134.3，3=439，時產量有最大值，且最高產量分別為1=45236.3 kg?hm-2，2=15668.8 kg?hm-2，3=20073.5 kg?hm-2。

根據上述不同偏回歸子模型，求得辣椒在單因素分別為施氮、磷、鉀量時三因子的產量預測值見表6，其變化趨勢見圖2。

表6 辣椒施氮、磷、鉀量三因子產量預測值

該試驗條件下，施氮量從120 kg?hm-2（-1.682水平）增加到240 kg?hm-2（1.682水平）過程中，產量呈上升趨勢，由21837.6 kg?hm-2增加到28200.3 kg?hm-2，增加單位施氮量時產量增加值為26.5 kg?hm-2，所以說施氮量為240 kg?hm-2時的產量為該試驗條件下的最高產量。可見繼續增加氮肥量可以提高辣椒產量。施磷量從60 kg?hm-2（-1.682水平）增加到120 kg?hm-2（1.682水平）時，產量呈上升趨勢，由14074.0 kg?hm-2增加到15637.3 kg?hm-2，增加單位施磷量時產量增加值為13.0 kg?hm-2，很明顯，施氮量為120 kg?hm-2時的產量為該試驗條件下的最高產量。可見增加磷肥量可以提高辣椒產量。施鉀量從75 kg?hm-2（-1.682水平）增加到150 kg?hm-2（1.682水平）時，產量呈上升趨勢，由13433.8 kg?hm-2增加到15839.2 kg?hm-2，增加單位施鉀量時產量增加值為16.0 kg?hm-2，很明顯，施氮量為150 kg?hm-2時的產量為該試驗條件下的最高產量。可見增加鉀肥量可以提高辣椒產量。整體來看，氮肥對產量的影響最大，當施氮量、施磷量、施鉀量均為120 kg?hm-2時所對應的產量分別21837.6 kg?hm-2、15637.3 kg?hm-2、14948 kg?hm-2。

2.2.3 因素間的交互作用將試驗結果進行兩兩交互作用分析發現，該試驗條件下，各因素均表現出一定的交互作用，交互趨勢如圖2所示。

從圖2b可以看出，該試驗條件下，氮磷交互能夠有效提高辣椒產量，當施氮量和施磷量均為最低時，辣椒產量為29352.1 kg?hm-2，施氮量、施磷量均增加時，產量也隨之增加。施氮量為240 kg?hm-2，施磷量為150 kg?hm-2時產量達到48911.9 kg?hm-2，表現出非常強烈的交互作用。從圖2c可以看出，該試驗條件下，氮鉀交互能夠有效提高辣椒產量，當施氮量和施鉀量均為最低時，辣椒產量為27314.4 kg?hm-2，施氮量、施鉀量均增加時，產量也隨之增加。施氮量為240 kg?hm-2，施鉀量為150 kg?hm-2時產量達到43523.7 kg?hm-2，表現出非常強烈的交互作用。從圖2d可以看出，該試驗條件下，磷鉀的交互作用表現為施磷量一定的條件下，辣椒產量隨著施磷量的增加而增加，而施磷量一定的條件下，辣椒產量隨著施鉀量的增加呈“凸”拋物線變化的趨勢。施鉀量150 kg?hm-2時，施磷92 kg?hm-2可以獲得最大產量，為18318 kg?hm-2，之后，隨著施磷量的增加，辣椒產量有所降低。

圖2 單因素及交互作用對產量影響

2.2.4 最優組合方案根據己建立的辣椒N、P、K耦合模型進行計算，在-1.682～+1.682之間取5個水平(-1.682, -1, 0, +1, +1.682)，進行不同目標下的最優組合方案模擬。通過模擬求得產量大于52000 kg?hm-2的組合有29個。其主要產量區間的氮、磷、鉀最優組合方案見表5，表中均值、標準差和95%置信區間的計算公式從略。

表7 產量大于52000 kg/hm2尋優方案及頻率

3 結論

通過田間試驗結果分析，建立了再生水灌溉辣椒N、P、K耦合模型，并對模型進行了檢驗，進而進行了單因素及交互因素分析、最優組合方案分析，得到如下結論：

（1）回歸擬合顯著性水平小于0.05，失擬檢驗顯著性水平大于0.05，獲得的回歸方程可用。因素與產量的相關系數=0.856，用該養分耦合回歸模型預報鮮辣椒產量具有較高的可靠度；

（2）整體上來看，值均較小，最大的僅為0.3。相比較，氮肥對辣椒產量影響較為明顯，磷肥次之，鉀肥影響較小。二次項中，氮的二次項影響較大。兩兩交互作用中，氮磷交互作用值較大；

（3）隨著氮肥施量的增加對產量的影響靈敏度降低，隨著施氮量的增加產量增加值在減小，施磷量對產量的靈敏度與施氮量具有相同的趨勢，施鉀量對產量的靈敏度隨施用量的增加而增加。綜合考慮偏回歸系數及檢驗的結果，可得出試驗中各因素對產量影響的順序為施氮量（1）>施磷量（2）>施鉀量（3）；

（4）1=322.2，2=134.3，3=439時分別獲得最大產量為1=45236.3 kg?hm-2、2=15668.8 kg?hm-2、3=20073.5 kg?hm-2；

（5）氮磷交互能夠有效提高辣椒產量，施氮量為240 kg?hm-2，施磷量為150 kg?hm-2時產量達到48911.9 kg?hm-2，表現出非常強烈的交互作用。氮鉀交互能夠有效提高辣椒產量，施氮量為240 kg?hm-2，施鉀量為150 kg?hm-2時產量達到43523.7 kg?hm-2。施磷量一定的條件下，辣椒產量隨著施磷量的增加而增加，而施磷量一定的條件下，辣椒產量隨著施鉀量的增加呈“凸”拋物線變化的趨勢。施鉀量150 kg?hm-2時，施磷92 kg?hm-2可以獲得最大產量，為18318 kg?hm-2，之后，隨著施磷量的增加，辣椒產量有所降低；

（5）模擬模型求得產量大于52000 kg?hm-2的有29個組合。

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Study on Nitrogen-Phosphorus-Potassium Coupling Effect and Optimal Combination in Reclaimed Irrigation Water forL.

LI Ying-hai1,2,3, TIAN Jun-cang1,2,3*

1.750021,2.750021,3.750021,

In order to solve the problem of water resource shortage in northwest China and the disordered application ratio of Nitrogen, Phosphorus and Potassium inL. planting, a Quadratic Universal rotary-combination designed field experiment was carried out in Shapotou District, Zhongwei City, Ningxia Hui Autonomous Region, which selected 3 factors of Nitrogen, Phosphorus and Potassium and set 5 levels. The results show that: (1) The obtained coupling model of Nitrogen, Phosphorus and Potassium inplanting reached the significance level in regression fitting test and disfitting test. The correlation coefficient between factor and yield=0.856; (2) The t-test showed that nitrogen fertilizer had a significant effect on the yield of capsicum, followed by phosphate fertilizer and potassium fertilizer; (3) The yield of pepper decreases with the increase of nitrogen application, the sensitivity of phosphorus application to yield has the same tendency as that of nitrogen application, and the sensitivity of potassium application to yield increases with the increase of application amount; (4) The maximum yields available are in turn:1=45236.3 kg?hm-2,2=15668.8 kg?hm-2,3=20073.5 kg?hm-2, while1=322.2,2=134.3,3=439; (5) The yield reaches 48911.9 kg?hm-2, when the N application is 240 kg?hm-2and P application is 150 kg?hm-2, which has obvious interaction. The yield reaches 43523.7 kg?hm-2, when the N application is 240 kg?hm-2and K application is 150 kg?hm-2. The maximum yield reaches 18318 kg?hm-2, when the K application is 150 kg?hm-2and P application is 92 kg?hm-2; (6) The simulation model resulted 29 combinations with a yield greater than 52000 kg?hm-2. The results can provide a reference for the coupling and optimal combination scheme of Nitrogen, Phosphorus and Potassium inirrigation with reclaimed water .

Reclaimed water;L.; Nitrogen-Phosphate-Potassium coupling; optimal combination

S651

A

1000-2324(2021)03-0364-07

2020-12-13

2021-04-25

國家重點研發計劃課題:生活再生水回用技術研發與示范(2018YFC0408104);寧夏高等學校一流學科建設項目(NXYLXK2017A03);教育部援外項目(021804110042);寧夏回族自治區自然基金(2020AAC03042).

Author for correspondence. Email:slxtjc@163.com

李應海(1977-),男,博士研究生,副教授,主要從事節水灌溉理論與技術研究. E-mail:li_yh@nxu.edu.cn