李子雙， 王 薇， 張世文， 賀洪軍， 趙同凱， 黃元仿

(1 德州市農(nóng)業(yè)科學研究院， 山東德州 253015; 2 安徽理工大學地球與環(huán)境學院， 安徽淮南 231001,3 中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院， 農(nóng)業(yè)部華北耕地保育重點實驗室，國土資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點實驗室, 北京 100094)

氮磷與硅鈣肥配施對辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

李子雙1， 王 薇1， 張世文2， 賀洪軍1， 趙同凱1， 黃元仿3*

(1 德州市農(nóng)業(yè)科學研究院， 山東德州 253015; 2 安徽理工大學地球與環(huán)境學院， 安徽淮南 231001,3 中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院， 農(nóng)業(yè)部華北耕地保育重點實驗室，國土資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點實驗室, 北京 100094)

辣椒； 氮肥； 磷肥； 硅鈣肥； 產(chǎn)量； 品質(zhì)； 優(yōu)化施肥

硅鈣肥是一種近年來發(fā)展起來的以硅鈣為主的礦質(zhì)肥料，該肥料富含硅、鈣、鎂、硫、鐵、鋅、硼、錳等多種中微量元素，能夠給土壤補充作物生長必需的營養(yǎng)元素。目前，硅鈣肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中還未大量應(yīng)用，且硅鈣肥的理化性質(zhì)及在農(nóng)作物上的施用效果、方法和與其他肥料的配合施用等方面研究甚少[21]。硅鈣肥、氮肥和磷肥配施對辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)的影響以及三種肥料的交互作用還未見報道。本文開展了硅鈣肥、氮肥和磷肥配施對辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)的影響研究，旨在為辣椒的合理施肥提供參考。

三因素二次飽和D-最優(yōu)設(shè)計作為一種較好的設(shè)計方案，在小麥、玉米、蔬菜等各種農(nóng)作物肥料配施方案中應(yīng)用非常廣泛[22-26]。其特點是預(yù)測值精度較高，對選擇最佳生產(chǎn)措施有較強的實用性。飽和D最優(yōu)設(shè)計是回歸方程中參數(shù)數(shù)目與試驗處理組合數(shù)目相等的設(shè)計，回歸自由度與總自由度相等達到飽和。采用這種設(shè)計試驗處理數(shù)少，獲得的信息量大，誤差小，精確度高。為完善辣椒施肥技術(shù)，本文采用這種方法，分析研究硅鈣肥、氮肥和磷肥配施對辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，提出硅鈣肥、氮肥和磷肥在干辣椒中的最佳配施方案。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

經(jīng)過2012年一年的勻地，2013年在德州市德城區(qū)黃河涯德州市農(nóng)科院科技園進行。試驗土壤為砂質(zhì)壤土，其0—20 cm土層基礎(chǔ)肥力為： pH值為7.81、全氮1.418 g/kg、速效磷16.54 mg/kg、速效鉀81.70 mg/kg、有機質(zhì)14.2 g/kg、有效硅128 mg/kg、交換性鈣3152 mg/kg，根據(jù)我國第二次土壤普查及有關(guān)標準，試驗田的氮磷養(yǎng)分含量屬于3級水平，速效鉀和有機質(zhì)的含量屬于4級水平，肥力狀況總體中等；供試辣椒品種為干椒3號，露地蔬菜。2013年5月10日進行幼苗移栽，行距為60 cm，株距25 cm，小區(qū)面積是15 m2。試驗設(shè)計采用二次飽和D-最優(yōu)設(shè)計，重復3次，隨機排列，具體方案及肥料用量見表1。

所用氮、磷及硅鈣肥料分別為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)、硅鈣肥(SiO220%、CaO 20%)。施用方法: 基肥分別施入設(shè)計總量的50%、100%、100%，開花期施入50%、0、0，鉀肥施入量按常規(guī)統(tǒng)一施入，其他管理方式按常規(guī)進行。

注(Note): 二次飽和D-最優(yōu)設(shè)計中編碼矩陣由DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)試驗設(shè)計得出The coding matrix of secondary saturation D-optimal design is derived by the experimental design of DPS data processing system.

1.2 測定項目與方法

2013年8月20日分小區(qū)進行辣椒整秧收獲、晾曬，辣椒果含水量降至20%左右時進行采果，采果后進行辣椒果晾干，含水量達14%左右進行測產(chǎn)，并折算為單產(chǎn)。Vc含量用2，6-二氯靛酚滴定法測定[27]；辣椒素含量采用高效液相色譜法(HPLC)[28]；可溶性蛋白含量用考馬斯亮藍G-250染色法測定[29]；可溶性糖含量用蒽酮比色法測定[29]；干物質(zhì)以及含量采用105℃下烘30分鐘，后70℃烘干至恒重測得。

1.3 數(shù)據(jù)處理

辣椒品質(zhì)綜合評分標準： 根據(jù)辣椒生產(chǎn)要求，參考宋春鳳等[25,30]對作物品質(zhì)的評分標準，將各品質(zhì)指標均以最佳處理值為100分，某處理該指標測定值占最佳處理值的百分數(shù)即為該處理指標的實際得分；各處理所有品質(zhì)指標得分權(quán)重值之和，即為該處理的品質(zhì)綜合評分。參考文獻與專家意見，設(shè)定可溶性蛋白和可溶性糖含量權(quán)重均為0.1，Vc含量、辣椒素、干物質(zhì)及單果重含量權(quán)重均為0.2。

數(shù)據(jù)分析采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[31]。

2 結(jié)果與分析

2.1 回歸模型的建立

硅鈣肥、氮肥和磷肥配施對辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)的影響見表2。以表1中X1(Si-Ca)、X2(N)、X3(P2O5)編碼值為自變量，表2中產(chǎn)量(Y1)為因變量，進行二次多項式回歸分析，得出辣椒產(chǎn)量與硅鈣肥、氮肥、磷肥之間的回歸方程 ：

表2 不同肥料處理對辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

(1)

其中Y1為辣椒的產(chǎn)量；X1為施硅鈣肥對應(yīng)的編碼值；X2為施氮肥對應(yīng)的編碼值；X3為施磷肥對應(yīng)的編碼值。

以表1中X1(Si-Ca)、X2(N)、X3(P2O5)編碼值為自變量，表2中綜合品質(zhì)(Y2)為因變量，進行二次多項式回歸分析，得出辣椒綜合品質(zhì)與硅鈣肥、氮肥、磷肥之間的回歸方程：

(2)

其中Y2為辣椒的綜合品質(zhì)；X1為施硅鈣肥對應(yīng)的編碼值；X2為施氮肥對應(yīng)的編碼值；X3為施磷肥對應(yīng)的編碼值。

2.2 模型解析

2.2.1 因子主效應(yīng)分析 由于硅鈣肥、氮、磷肥對產(chǎn)量的回歸方程已經(jīng)過無量綱編碼代換，故直接比較各偏回歸系數(shù)絕對值的大小，可反映各因子的重要程度。從硅鈣肥、氮、磷肥與產(chǎn)量、品質(zhì)回歸模型的一次項可以看出，硅鈣肥、氮、磷肥的偏回歸系數(shù)絕對值分別為106.2698、277.8389、166.1728與3.2575、2.1679、2.8738，說明氮肥對辣椒產(chǎn)量的影響較大而對品質(zhì)影響較小，硅鈣肥對辣椒的品質(zhì)影響較大而對產(chǎn)量影響較小。

2.2.2單因子效應(yīng)分析

對模型采用“降維法”，將任意兩個因子定在零碼值，可以得到剩余自變量與目標函數(shù)的關(guān)系，即求出硅鈣肥、氮肥、磷肥與辣椒產(chǎn)量及品質(zhì)的單因子效應(yīng)方程。由產(chǎn)量效應(yīng)方程得到：

(3)

由品質(zhì)效應(yīng)方程得到：

(4)

方程組(3)和(4)中，X1、X2和X3代表硅鈣肥、氮肥和磷肥的編碼，Y11、Y12、Y13分別表示產(chǎn)量與硅鈣肥、氮肥和磷肥效應(yīng)方程，Y21、Y22、Y23分別表示綜合品質(zhì)與硅鈣肥、氮肥和磷肥效應(yīng)方程，根據(jù)方程，將各個單因子效應(yīng)方程繪制成圖(圖1)。

圖1 單因子效應(yīng)曲線圖Fig.1 Single-factor effect line

由圖1可以看出，在本研究區(qū)地力水平下，辣椒的產(chǎn)量(圖a)均隨著硅鈣肥、氮肥、磷肥的增加而增加，達到最高值后，又隨著施用量的增加而降低。辣椒的品質(zhì)(圖b)也是如此，在地力水平較低的情況下，隨著硅鈣肥、氮肥、磷肥的增加而增加，但肥料的過量施用又會導致品質(zhì)降低。在本試驗結(jié)果中，硅鈣肥、氮肥、磷肥單因子效應(yīng)方程均存在極大值。

2.2.3 因子互作效應(yīng)分析 本試驗確定的辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)回歸模型(方程(1)和(2))，均存在交互項，且其回歸系數(shù)均達顯著水平。說明在綜合施肥條件下，產(chǎn)量和品質(zhì)的變化，不單純是各因子單獨效應(yīng)，還存在交互效應(yīng)。將一個因子定在零碼值，得出其他兩個因子的互作效應(yīng)方程。以硅鈣肥、氮肥交互效應(yīng)為例，說明其對產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。分別將產(chǎn)量、品質(zhì)回歸方程中的磷編碼(X3)設(shè)為0，得到以下兩個交互效應(yīng)方程：

(5)

(6)

方程(5)和(6)中，X1代表硅鈣肥編碼，X2代表氮肥編碼，Y1表示產(chǎn)量，Y2表示綜合得分。

根據(jù)三因子交互效應(yīng)方程繪制交互效應(yīng)曲面圖(圖2)，從圖2看出，在編碼范圍內(nèi)，辣椒的產(chǎn)量(圖a)較好的互作空間是： 中等的硅鈣肥配較高氮肥水平；辣椒的品質(zhì)(圖b)較好的互作空間是較高的硅鈣肥水平配中等的氮肥施用水平。

2.3 模型決策

2.3.2 最高產(chǎn)量和最佳品質(zhì) 對產(chǎn)量和品質(zhì)的效應(yīng)方程進行邊際分析，可得最高產(chǎn)量和最佳品質(zhì)。本試驗條件下的最高產(chǎn)量為5926.27 kg/hm2，所對應(yīng)的施肥量為： 硅鈣肥422.04 kg/hm2，氮肥253.69 kg/hm2，磷肥58.05 kg/hm2。本試驗條件下的最佳品質(zhì)得分為96.61，所對應(yīng)的施肥量為： 硅鈣肥445.17 kg/hm2，氮肥209.53 kg/hm2，磷肥69.27 kg/hm2。

圖2 硅鈣肥、氮肥交互效應(yīng)曲面圖Fig.2 Interaction surfaces of SC and N

表3 辣椒產(chǎn)量45006000 kg/hm2之間各因素的頻次分布表

2.3.3 最佳經(jīng)濟效益施肥量 在實際生產(chǎn)中，不僅僅要考慮作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，還要考慮投入產(chǎn)出比，即生產(chǎn)成本與產(chǎn)值，因此要計算經(jīng)濟效益。為確定最佳經(jīng)濟施肥方案，必須根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品的價格和肥料成本進行分析。干辣椒的市場價為14 Yuan/kg，硅鈣肥料價格為1.2 Yuan/kg，含純硅鈣肥40%，即純硅鈣肥的價格為3.0元；尿素價格為1.6 Yuan/kg，含純氮46%，即純氮的價格是3.478 Yuan/kg；過磷酸鈣價格0.85 Yuan/kg，含P2O5為12%，即P2O5的價格為7.083 Yuan/kg，根據(jù)肥料的實際用量，回歸方程可轉(zhuǎn)化為：

(7)

扣除肥料成本后得到純收益函數(shù)模型為：

(8)

方程(7)和(8)中Y1為辣椒的產(chǎn)量；X1為硅鈣肥施用量；X2為氮肥施用量；X3為磷肥施用量。

最終得到的目標函數(shù)值(最大經(jīng)濟效益值)為80548.64 Yuan/hm2，最佳產(chǎn)量為5916.23 kg/hm2，最佳施肥用量為硅鈣肥332.66 kg/hm2、氮肥250.58 kg/hm2、磷肥57.75 kg/hm2。

3 討論

與20多年前第二次土壤普查時相比，種植業(yè)結(jié)構(gòu)、作物產(chǎn)量、施肥習慣和施肥水平等均發(fā)生了較大變化，而多數(shù)研究尚還集中于土壤氮磷鉀的狀況。在過去的50年間，我國糧食產(chǎn)量與化肥消費量呈顯著正相關(guān)[33]，隨著作物產(chǎn)量不斷提高，從土壤中帶走的中、微量元素也必然在不斷增加；同時，由于長期連續(xù)過量施用氮肥，土壤持續(xù)酸化，正在逐漸喪失生產(chǎn)能力，鈣、鎂、硫、硅等也已成為越來越多土壤的產(chǎn)量限制因子和“品質(zhì)元素”。所以，急需對我國的中微量元素水平及其對作物影響機制進行研究，以便有針對性的補充土壤養(yǎng)分，使我國的作物產(chǎn)量再上一個新臺階[34]。本文就是在此背景下進行的探索性研究。

從單因素考慮，本試驗研究結(jié)果影響產(chǎn)量的順序為氮肥>磷肥>硅鈣肥，三種肥料均能提高辣椒的產(chǎn)量，但達到一定量之后，就會隨著肥料的增加，產(chǎn)量逐漸減少。氮磷肥的結(jié)論與之前邢素芝認為的NPK在適量范圍內(nèi)均能提高辣椒的產(chǎn)量，但過量施用就會造成減產(chǎn)的說法是一致的[5]，適量硅鈣肥能提高辣椒的產(chǎn)量與品質(zhì)的試驗結(jié)果，與前人在雜交稻[35]、爆裂玉米[36]和大豆[37]等作物上的研究一致。但是硅鈣肥里面的哪種元素起的作用還有待進一步研究，劉吉振認為硅并不一定能增加所有辣椒的干質(zhì)量，只是對部分辣椒有增產(chǎn)效應(yīng)[38]，鈣素對辣椒幼苗的調(diào)控效應(yīng)也具有兩面性，一定濃度范圍內(nèi)成正效應(yīng)，過高反而成負效應(yīng)[20]，因此硅鈣肥的影響效應(yīng)還有待進一步研究討論。同時，本研究得出影響辣椒綜合品質(zhì)的順序為硅鈣肥>磷肥>氮肥，氮磷肥對辣椒品質(zhì)的影響與前人研究并不完全一致，黃科認為氮肥對辣椒品質(zhì)的影響較大，而磷肥的影響較小[39]，辣椒品質(zhì)中磷肥效應(yīng)增強是由于肥效互作引起的還是本試驗地養(yǎng)分含量引起的，還有待進一步探討。

不同的土壤肥力，不同的水分管理，不同的栽培品種都可能引起最佳施肥方案的不同[5,6]?？梢姡_定辣椒的最佳合理施肥方案應(yīng)根據(jù)其品種生長特性，當?shù)赝寥婪柿σ约八止芾砬闆r進行。硅鈣肥、氮肥、磷肥雖會提高產(chǎn)量和品質(zhì)，調(diào)節(jié)辣椒營養(yǎng)元素吸收等功能，但應(yīng)適量施用，過多施用反而會造成產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降等現(xiàn)象的產(chǎn)生。本文的試驗結(jié)果受基礎(chǔ)土壤肥力的影響，今后還需要增加定位試驗，進一步進行充分深入的研究。

4 結(jié)論

通過采用三因子二次飽和D-最優(yōu)設(shè)計，本試驗建立了以硅鈣肥、氮肥、磷肥為因變量，辣椒產(chǎn)量與品質(zhì)為目標函數(shù)的三元二次數(shù)學模型。通過對模型進行檢驗分析得出： 硅鈣肥、氮肥、磷肥對辣椒的產(chǎn)量和品質(zhì)均有顯著的影響，并且因素間存在顯著的互作效應(yīng)。三因素對產(chǎn)量的影響順序分別為： 氮肥>磷肥>硅鈣肥，而對品質(zhì)影響則相反。

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Effect of nitrogen, phosphorus and silicon calcium fertilizer on yield and quality of pepper

LI Zi-shuang1, WANG Wei1, ZHANG Shi-wen2, He Hong-jun1, ZHAO Tong-kai1, HUANG Yuan-fang3*

(1DezhouAcademyofAgriculturalSciences,Dezhou,Shandong253015,China; 2SchoolofEarthandEnvironment，AnhuiUniversityofScienceandTechnology，HuainanAnhui232001,China; 3CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,KeyLaboratoryofArableLandConservation(NorthChina)，MinistryofAgriculture,KeyLaboratoryofAgriculturalLandQuality，MonitoringandControl，theMinistryofLandandResources,Beijing100094,China)

【Objectives】 Long-term unreasonable use of concentrated chemical fertilizers brings unbalance supply of other nutrients, calcium, magnesium, sulfur, silicon and other trace elements fertilizers emerge as crop yield limiting and quality factors. This article is aimed to determine the optimum fertilization of silicon-calcium fertilizer (SiCa), nitrogen fertilizer (N) and phosphate fertilizer (P) in pepper. 【Methods】 A secondary saturation D-optimal design with three factors was applied to analyze the effect of nitrogen, phosphorus and silicon calcium fertilizer on yield and quality of pepper using the DPS software. According to data of pepper yield and quality got in 2013, regression equation between the pepper yield and quality and nitrogen, phosphorus and silicon calcium fertilizers was set up through optimizing the polynomial regression analysis first. Then, the feasibility of model, including main and single factors and factor interaction, was tested using F test of the equations and t test of the regression coefficients. The model decision was finally simulated by computer, and the fertilization scheme was put forward for the high yield and good quality of the pepper. 【Results】 The results of model analyses show that the impacts of Si-Ca, N and P fertilizers on the yield and quality of pepper are significant, and the interaction between the any two factors are also significant. In the coding range, taking the interaction effect of Si-Ca and N for a case, the interaction space with higher pepper yield is medium Si-Ca level with high N level, while the interaction space with better pepper quality is high Si-Ca level with medium N level. The affected orders of three factors on pepper yield are: N> P > Si-Ca, while the influences on the quality are opposite. Pepper yield and quality are improved with the applied amounts of Si-Ca, N and P increasing under the soil fertility level, and decreased under the high fertilization level. Through the computer simulation, when the yield reaches 4500-6000 kg/ha and the comprehensive score of quality is above 95, the optimal fertilization amounts of Si-Ca, N and P are 304.76-398.24 kg/ha, 220.05-263.26 kg/ha and 44.80-64.50 kg/ha respectively. Considering marginal utility, when the yield reaches 5916.23 kg/ha and the maximum economic benefit is 80548.64 yuan/ha, the optimal fertilization amounts of SiCa, N and P are 332.66 kg/ha, 250.58 kg/ha, 57.75 kg/ha respectively, and the ratio is 1: 0.75: 0.17. 【Conclusions】 The proper application of Si-Ca, N and P can increase the yield and quality, and regulate pepper nutrient absorption and other functions, but excessive application can cause a reduced yield, quality and so on. The model constructed can explain in detail the influence of three kinds of fertilizers on the yield and quality of pepper, and the interaction of the three fertilizers can be obtained through the simulation model.

pepper; nitrogen fertilizer; phosphate fertilizer; silicon calcium fertilizer; yield; quality; optimum fertilization

2014-01-26 接受日期： 2014-10-26

山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目(SDAIT-02-022-03)；國家公益性農(nóng)業(yè)行業(yè)專項(201103004)；國家自然科學基金(41071153， 41471186)；農(nóng)業(yè)部科研杰出人才及創(chuàng)新團隊資助項目(2012)資助。

李子雙(1979—)， 女， 山東平原縣人， 碩士研究生，主要從事土壤水分、養(yǎng)分模型與植物營養(yǎng)方面研究。 E-mail： zishuangli@163.com。 * 通信作者 Tel： 010-62732963, E-mail： yfhuang@cau.edu.cn

S641.3; S606+.2

A

1008-505X(2015)02-0458-09