基于響應面設計的紅菜薹氮磷鉀肥料效應研究

鄭龍

（福建省莆田市農業技術推廣站 福建莆田 351100）

紅菜薹（Brassica campestrisL.ssp.chinensisvar.perpereaHort.），別名紫菜薹、紅油菜薹，為十字花科蕓薹屬蕓薹種白菜亞種的變種。紅菜薹是我國的特產蔬菜，以柔軟的花薹供食，品質脆嫩、營養豐富，起源于長江流域中部，湖南長沙、湘潭、湖北武漢、四川成都等地栽培歷史悠久[1-9]。蔬菜施肥這一既與蔬菜生產者的經濟效益密切相關，又與廣大消費者的營養和健康直接相關，同時對人類生存環境有巨大影響的農業措施越來越受到人們的關注。過多的肥料投入不僅造成資源浪費，也會導致蔬菜品質下降[10-15]。紅菜薹產量高、多次采收，需肥量大，生產中施肥隨意性大，必須平衡施肥，在提高單產的同時，科學合理地確定化肥的施用種類、數量、比例和方法[16]。以露地紅菜薹為研究對象，采用Box-Behnken中心組設計，通過氮磷鉀肥不同用量對紅菜薹產量影響的差異，探討氮磷、氮鉀和磷鉀不同的施肥處理及其相互作用，旨在為紅菜薹優質環保高產的大田施肥提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗設在福建省莆田市仙游縣游洋鎮，土壤為泥沙壤田，pH 6.2，有機質 12.7 g/kg，堿解氮149.6 mg/kg，速效磷 9.6 mg/kg,速效鉀175.3 mg/kg。供試的紅菜薹品種為合肥市合豐種業有限公司的‘十月鮮’紅菜薹。供試肥料：尿素（含 N 46%，價格 3.0元/kg）；過磷酸鈣（含P2O512%，價格0.9元/kg）；氯化鉀（含K2O 60%，價格3.6元/kg）。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計以氮肥施用量(N)、磷肥施用量(P2O5)、鉀肥施用量（K2O）作為試驗因素，采用Box-Behnken中心組合設計3因素3水平方案，共17組試驗[17-19]，3次重復，試驗設計見表1。試驗每小區面積10 m×2 m，畦帶溝寬1 m，株距0.3 m，雙行種植，試驗于2020年10月15日移栽，苗齡 25 d?；?N占 30%，P占 100%，K占40%；11月10日第一次追肥，N、K各占10%；11月30日第二次追肥，N占30%，K占40%；2020年12月19日第三次追肥，N占30%，K占10%，其它田間管理同大田。2020年11月20日始收、2021年3月4日終采，各小區采用單采單收獲取產量，每個施肥處理3個重復取其平均值，折算成每公頃產量。

表1 不同施肥處理紅菜薹產量響應面試驗設計單位：kg/hm2

1.2.2 數據分析試驗結果用 WPS進行數據統計整理，利用Design Expert 12對數據進行處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對產量肥料效應模型

17個非自由組合施肥處理的紅菜薹產量見表2。為了分析不同的施肥處理及其之間的相互作用對紅菜薹產量的影響，結合表2的試驗數據，對試驗數據逐步回歸擬合，得到其非線性規劃的數學模型如下：

表2 不同施肥處理紅菜薹產量響應面試驗結果

產量=10.597 66+0.065 182 N+0.053 478 P2O5-0.009 920 K2O+0.000 052 N×P2O5+0.000 054 N×K2O+0.000 018 P2O5×K2O-0.000 124 N2-0.000 284 P2O52-0.000 028 K2O2

2.2 方差分析

由表3可知，該回歸模型的F值為296.24，p＜0.001，失擬項不顯著，說明模型中的變量對響應值具有顯著的影響，模型與實際情況擬合較好?；貧w模型的相關系數R2=0.997 4，校正相關系數=0.994 0，方程對試驗擬合較好，并具備較好的預測能力。變異系數 2.11%，小于 10%，說明試驗結果具有較高的精密度和可靠性。方差分析表明，實際值與預測值之間擬合程度較好，試驗誤差小，真實可靠性高，可用該模型分析和預測氮磷鉀施用量與紅菜薹產量的結果[20-30]。

表3 不同施肥處理紅菜薹產量Box-Behnken試驗方差分析

數學模型的各項顯著性表明，氮肥、磷肥、鉀肥施用量均達到顯著水平(p＜0.05)，氮肥、磷肥、鉀肥施用量的二次項也達到顯著水平，氮肥與鉀肥、磷肥施用量之間的交互作用達到極顯著水平（p＜0.01）。從F值判斷，3個因素對紅菜薹產量的影響程度由大至小為氮肥施用量＞磷肥施用量＞鉀肥施用量。

2.3 兩因素交互作用的響應面分析

圖1～3為不同施肥處理紅菜薹產量與N、P、K肥之間的響應面關系，在磷肥用量固定情況下，隨著氮肥與鉀肥用量的增加，響應值呈現先增大后減小的趨勢。氮肥、鉀肥用量固定情況下，產量呈現類似的趨勢。氮肥與鉀肥用量對紅菜薹產量影響間的交互作用最強，氮肥與磷肥用量次之，磷肥與鉀肥用量對紅菜薹產量影響間的交互作用最弱。這可能是因為紅菜薹產品器官以營養體為主，主要包括以嫩葉、嫩莖供食用。在所有必需營養元素中，氮是限制紅菜薹生長和形成產量的主要因子，生長全期需氮最多，適當增施氮肥有利于紅菜薹的生長，擴大植株的葉面積，促進光合作用，有利于碳水化合物的形成。磷、鉀對紅菜薹產量的效應雖較小，但增施鉀肥有利于產量的形成。鉀是許多酶的輔助因子，是體內各種重要酶反應的活化劑，且還能促進呼吸進程及核酸和蛋白質的形成和糖類的合成與運輸；磷肥對單株產量的影響較小，但適當增施磷肥能促進紅菜薹植株各種代謝的正常進行，使其生長發育良好

圖1 紅菜薹產量與氮磷肥之間的響應面關系

圖2 紅菜薹產量與氮鉀肥之間的響應面關系

圖3 紅菜薹產量與磷鉀肥之間的響應面關系

參與植株的呼吸和光合代謝以及ATP的形成，從而影響到產量的形成。對于氮磷鉀互作機理還有待進一步研究。

2.4 不同施肥處理對紅菜薹收益肥料效益模型

根據肥料和紅菜薹價格，對試驗數據逐步回歸擬合，得到其非線性規劃的數學模型如下：

收益=10 597.662 50+58.659 83 N+45.978 00 P2O5-15.276 43 K2O+0.000 052N×P2O5+0.053 868 N ×K2O+0.017 574 P2O5×K2O-0.123 944 N2-0.284 273 P2O52-0.027 928 K2O2

回歸模型的F值為225.75，p＜0.001，失擬項不顯著，回歸模型的相關系數R2=0.996 6，校正相關系數=0.992 2，變異系數2.44%，說明模型中的變量對響應值具有顯著的影響，實際值與預測值之間擬合程度較好，試驗誤差小，真實可靠性高，可用該模型分析和預測氮磷鉀施用量與紅菜薹收益的結果。

2.5 最佳肥料試驗量

根據試驗，綜合考慮各個試驗因素及其相互作用，由非線性規劃的數學模型利用 Design-Expert軟件最優模塊分析預測模型極值點，結果顯示，紅菜薹最高的氮磷鉀肥料施用量為氮肥329.23 kg/hm2N，磷肥129.60 kg/hm2P2O5，鉀肥180.83 kg/hm2K2O，最高紅菜薹產量為23.901 5 t/hm2。

文中的最高收益氮磷鉀肥料施用量為氮肥260.97 kg/hm2N，磷肥105.04 kg/hm2P2O5，鉀肥11.02 kg/hm2K2O，其中收益最高的紅菜薹為20 581.7 元/hm2。

3 討論與結論

氮磷鉀對紅菜薹的生長發育起的作用是相互聯系、相互制約的。適量的施用氮肥能夠促進紅菜薹地上部分的生長，提高葉綠素含量和形成速率，增強光合作用，提高產量和品質；磷肥充足時能促進根系發育，增強植株的抗旱、抗寒能力和適應性，提高氮肥的利用率，使植株生長健壯，有利于植株體內的各種物質的轉化和代謝；鉀起調節生理功能的作用，鉀肥充足時，能使植株生長健壯、莖稈堅實、葉片增厚，延遲葉片衰老，增強抗寒和抗病性。利用響應面分析法中的Box-Behnken中心組設計，從紅菜薹栽培肥料高效利用角度出發，設置了氮磷鉀3因素3水平試驗，對試驗結果進行二次回歸擬合，探討氮磷、氮鉀和磷鉀不同的施肥處理及其相互作用，尋求紅菜薹適宜的肥料用量及比例，最后求出最佳值，以期為進一步提高紅菜薹產量和肥料利用效率提供理論依據和技術指導。

本試驗發現 NPK配合施用有利于紅菜薹產量的提高，在一定施肥范圍內氮磷鉀之間存在相互促進的作用，紅菜薹產量隨著氮、磷、鉀肥用量的增加呈現拋物線變化趨勢，施肥過量不僅會增加投入成本，還會導致產量降低。這與前人結果一致[16,31-34]，也符合“報酬遞減律學說”。戴希剛等[31]研究表明，不同營養液配方和營養液濃度對紅菜薹水培產生重大影響，使紅菜薹生長狀況、產量和品質出現顯著差異。施氮明顯增加了紅菜薹中后期葉片數和抽薹數及前期單薹重[32]。李國英等[33]研究表明，以銨態氮為氮源，且以N:P2O5:K2O= 3:l:1.2配比施肥時，紅菜薹的產量和品質最佳。謝堅等[34]研究了不同氮肥施用量對紅菜薹產量和品質的影響，結果表明適量施氮能夠顯著提高紅菜薹的產量、經濟效益及商品品質,紅菜薹產量隨氮肥用量的增加呈先增后降的趨勢。紅菜薹產量與氮、磷施用量成顯著的回歸關系，與對照相比各配方施肥處理紅菜薹的產量均有所提高，生產上紅菜薹最佳 N、P2O5、K2O配比為l:0.63:0.6l[16]。

通過分析得到 NPK施用量與紅菜薹產量和收益數學模型如下：產量=10.597 66+0.065 182 N+0.053 478 P2O5-0.009 920 K2O+0.000 052 N×P2O5+0.000 054 N×K2O+0.000 018 P2O5×K2O-0.000 124 N2-0.000 284 P2O52-0.000 028 K2O2；收益=10 597.662 50+58.659 83N+45.978 00P2O5-15.276 43K2O+0.000 052N×P2O5+0.053 868N×K2O+0.017 574P2O5×K2O-0.123 944 N2-0.284 273P2O52-0.027 928K2O2。根據肥料和紅菜薹價格，綜合考慮各試驗因素及相互作用，由二次多項回歸方程，在試驗條件下紅菜薹最高收益氮磷鉀肥施用量為氮肥260.97 kg/hm2N，磷肥105.04 kg/hm2P2O5，鉀肥11.02 kg/hm2K2O，最高紅菜薹收益為20 581.7元/hm2。