李文證，馬國成，尹 娟,2,3

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程中心，銀川 750021；3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021)

施用化肥是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中必不可少的增產(chǎn)方式，中國耕地只有世界耕地面積的7%，但化肥消費(fèi)卻占到世界的1/3[1]，凸顯了我國肥料利用率低下的問題。由于土地和氣候條件得天獨(dú)厚，寧夏的種薯和商品薯走俏全國和中亞市場(chǎng)。近年來，由于對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的過度追求，導(dǎo)致了馬鈴薯種植過程中肥料的過量投入，土壤中過量的肥料由于揮發(fā)、淋溶和徑流等原因不僅造成了大量損失，而且也造成了環(huán)境的污染，這些問題與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中不合理的灌溉施肥有直接關(guān)系[2-4]。因此，研究水肥對(duì)肥料利用效率的影響對(duì)于如何提高肥料的利用效率、充分發(fā)揮肥料的作用具有重要指導(dǎo)意義。

本試驗(yàn)研究了寧夏中部干旱區(qū)不同水肥處理?xiàng)l件下馬鈴薯肥料利用效率，分析了影響馬鈴薯肥料利用效率的主要因素，并對(duì)如何提高馬鈴薯肥料利用效率進(jìn)行分析討論，對(duì)寧夏地區(qū)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)田概況

試驗(yàn)田設(shè)在寧夏吳忠市同心縣韋州鎮(zhèn)久莊村，地處寧夏中部干旱區(qū)的典型區(qū)域，海拔1 730 m，年平均降雨量270 mm，近幾年降雨量不足200 mm，多集中在7-9月，11月下旬結(jié)凍，3月上旬解凍，屬大陸性干旱氣候，晝夜溫差大，日照時(shí)間長。年平均蒸發(fā)量為2319.8mm，無霜期180 d左右、有效積溫3 915.3 ℃，是一個(gè)以干旱為主的多災(zāi)并發(fā)區(qū)。土壤類型為沙壤土，密度1.42 g/cm3，土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤理化性質(zhì)Tab.1 Basic properties of tested soils

1.2 試驗(yàn)材料

(1)馬鈴薯品種：冀張薯8號(hào)。

(2)肥料：以尿素、過磷酸鈣、硫酸鉀為供試肥料，全部采用一次性基施。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地各小區(qū)面積均為6 m×6 m，四周設(shè)保護(hù)行，小區(qū)間保護(hù)行為1.0 m寬，外圍保護(hù)行寬為2.5 m，行距60 cm。水分控制為滴灌，在每壟上安裝一條旁壁式滴灌帶。以補(bǔ)水量、氮肥施量、磷肥施量、鉀肥施量為試驗(yàn)因素，選用4因素10水平的均勻設(shè)計(jì)，3次重復(fù)試驗(yàn)共30個(gè)小區(qū)，采用U10(108)均勻設(shè)計(jì)表，利用DPS軟件優(yōu)化試驗(yàn)方案(選中心化偏差CD=0.125 8的方案)。根據(jù)尹娟、劉凡等的研究[5-7]，本試驗(yàn)因素和水平設(shè)計(jì)見表2，補(bǔ)水時(shí)期水平見表3。

表2 大田試驗(yàn)因素及水平表(D=0.125 8)Tab.2 The factors and levels of the field experiment(D=0.125 8)

表3 補(bǔ)水時(shí)期因素水平表 %

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與統(tǒng)計(jì)分析方法

土壤中堿解N、速效P、速效K，分別采用堿解擴(kuò)散法、0.5 mol/L NaHCO3浸提一鋁銻抗比色法、1.0 mol/L NH4AOC浸提一火焰光度計(jì)法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)等其他理化指標(biāo)測(cè)定方法見文獻(xiàn)[8]。

每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取10株馬鈴薯樣株，實(shí)驗(yàn)室條件下肢解烘干稱重，分別采用用奈氏比色法、釩淚黃比色法和火焰光度計(jì)法測(cè)定各部分(塊莖、根、莖、葉)全氮、磷、鉀含量。

氮(磷、鉀)肥利用率[9]=[施氮(磷、鉀)區(qū)作物氮(磷、鉀)吸收量-不施氮(磷、鉀)區(qū)作物氮(磷、鉀)吸收量]/施氮(磷、鉀)區(qū)肥料養(yǎng)分氮(磷、鉀)投入量×100%。

采用Excel2007、DPS v14.10統(tǒng)計(jì)分析軟件、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析。

2 結(jié)果與分析

不同水肥處理?xiàng)l件下，馬鈴薯對(duì)氮、磷、鉀肥的吸收量統(tǒng)計(jì)分析見表4～表6。表中按吸收量大小排了順序，CK均排在了最后。表7是各處理試驗(yàn)因素及對(duì)應(yīng)的肥料利用率。

表4 不同處理下氮肥吸收量的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Tab.4 The statistical results of the absorbing amount on fertilizer-N in each level

注：相同字母的平均值之間差異沒有達(dá)到5%的顯著水平，下同。

表5 不同處理下磷肥吸收量的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Tab.5 The statistical results of the absorbing amount on fertilizer-P in each level

表6 不同處理下鉀肥吸收量的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Tab.6 The statistical results of the absorbing amount on fertilizer-K in each level

表7 各處理試驗(yàn)因素及肥料利用率Tab.7 The Experimental factors and fertilizer use efficiency in each level

注：肥料因素?fù)Q算為純氮、磷、鉀表示。

根據(jù)表7中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行逐步回歸分析，分別建立N肥利用率Y1、P肥利用率Y2、K肥利用率Y3與補(bǔ)水量X1、施氮量X2、施磷量X3和施鉀量X4之間的回歸模型。

Y1=41.0+0.1X1-1.1X2+1.5X4+0.003 5X22+

0.000 3X1X3-0.001 2X1X4-0.004 3X2X4

(1)

回歸模型F檢驗(yàn)概率p=0.011(P<0.05)，回歸模型顯著性檢驗(yàn)達(dá)到顯著，回歸模型的決定系數(shù)R2=0.998 9，模型的擬合程度良好，故回歸模型很好地能夠反映各個(gè)因素與N肥利用率之間的關(guān)系。

Y2=24.7+0.009 3X1-0.201 9X3+0.000 6X23+

0.000 1X1X2-0.000 5X2X3+0.000 3X2X4

(2)

回歸模型F檢驗(yàn)概率p=0.013(P<0.05)，回歸模型顯著性檢驗(yàn)達(dá)到顯著，回歸模型的決定系數(shù)R2=0.998 2，模型的擬合程度良好，故回歸模型很好地能夠反映各個(gè)因素與P肥利用率之間的關(guān)系。

Y3=87.8+0.24X3-0.68X4+0.000 1X22+

0.000 9X24+0.000 6X2X3-0.002 4X3X4

(3)

回歸模型F檢驗(yàn)概率p=0.021(P<0.05)，回歸模型顯著性檢驗(yàn)達(dá)到顯著，回歸模型的決定系數(shù)R2=0.988 7，模型的擬合程度良好，故回歸模型很好地能夠反映各個(gè)因素與K肥利用率之間的關(guān)系。

2.1 不同水肥處理對(duì)馬鈴薯N肥利用率的影響

利用逐步回歸模型采用降維法進(jìn)行影響分析。降維分析是在分析某一因素對(duì)因變量影響時(shí)，將其他因素水平固定在零水平，得出該因素與因變量之間關(guān)系子模型，分析其子模型。利用降維法由N肥利用率回歸模型公式(1)可得各因素與N肥利用率之間子模型公式：

補(bǔ)水量X1：Y1=41.0+0.1X1

(4)

氮肥量X2：Y1=41.0-1.1X2+0.003 5X22

(5)

鉀肥量X4：Y1=41.0+1.5X4

(6)

由上述公式(4)～(6)和表4可知：不同水肥處理?xiàng)l件下馬鈴薯N肥利用率有明顯差異。補(bǔ)水量X1與N肥利用率Y1呈現(xiàn)正相關(guān)，即隨著補(bǔ)水量增加，馬鈴薯的N肥利用率隨之提高。施鉀量X4與N肥利用率Y1也呈現(xiàn)正相關(guān)，鉀肥增加有助于提高N肥利用率，施鉀量一次項(xiàng)系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大一補(bǔ)水量一次項(xiàng)系數(shù)，即N肥利用率對(duì)鉀肥更敏感，鉀肥對(duì)N肥利用率的提高作用最為明顯。施磷量X3與N肥利用率Y1相關(guān)性低，模型回歸過程中被剔除，磷肥對(duì)N肥利用率影響最小。施氮量X2與N肥利用率Y1的子模型，存在二次項(xiàng)，單二次項(xiàng)系數(shù)很小，一次項(xiàng)系數(shù)對(duì)因變量貢獻(xiàn)起主要作用，隨著施氮量的增加，N肥利用率會(huì)隨之下降，氮肥有助于馬鈴薯的生長，但過量的施用氮肥會(huì)造成氮肥的浪費(fèi)。結(jié)合表8，N肥利用率回歸模型(1)的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)得：各因素對(duì)N肥利用率的影響大小順序?yàn)閄4>X2>X1>X3。

2.2 不同水肥處理對(duì)馬鈴薯P肥利用率的影響

利用降維法由P肥利用率回歸模型公式(2)可得各因素與P肥利用率之間子模型公式：

X1補(bǔ)水量：Y2=24.7+0.009 3X1

(7)

X3磷肥量：Y2=24.7-1.1X3+0.000 6X23

(8)

表8 N、P、K肥利用率模型標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)Tab.8 The standard regression coefficient of fertilizer use efficiency model

注：模型回歸過程中部分相關(guān)性低的因素被剔除,無標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)。

由上述公式和表5可知：不同水肥處理?xiàng)l件下馬鈴薯P肥利用率也有所不同，馬鈴薯對(duì)P肥利用率整體偏低。補(bǔ)水量有助于提高P肥利用率，隨著補(bǔ)水量增加，馬鈴薯的P肥利用率隨之提高，由于子模型中X1系數(shù)較小，補(bǔ)水量對(duì)P肥利用率影響較小。施磷量X3與P肥利用率Y2的子模型，存在系數(shù)很小的二次項(xiàng)，對(duì)因變量影響主要來源于一次項(xiàng)，隨著施磷量的增加，P肥利用率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，馬鈴薯只能吸收少部分磷肥，而且利用效率較低，過量磷肥不能被馬鈴薯利用，會(huì)造成磷肥淋濕。施氮量X2、施鉀量X4與P肥利用率Y2相關(guān)性低，在模型回歸過程中被踢出，子模型中也無法反應(yīng)。結(jié)合表8中P肥利用率回歸模型(2)的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)得：各因素對(duì)P肥利用率的影響大小順序?yàn)閄3>X1，均大于X2和X4。

2.3 不同水肥處理對(duì)馬鈴薯K肥利用率的影響

利用降維法由K肥利用率回歸模型公式(3)可得各因素與K肥利用率之間子模型公式：

X2氮肥量：Y3=87.8+0.000 1X22

(9)

X3磷肥量：Y3=87.8+0.24X3

(10)

X4鉀肥量：Y3=87.8-0.68X4+0.000 9X24

(11)

由上述公式(9)～(11)和表6可知：不同水肥處理?xiàng)l件下馬鈴薯K肥利用率也不同，實(shí)驗(yàn)田所在地馬鈴薯對(duì)K肥利用率整體偏高。補(bǔ)水量X1與K肥利用率Y3相關(guān)性較低，在模型回歸過程中被剔除，補(bǔ)水量對(duì)K肥利用率影響最小。施氮量X2施磷量X3與K肥利用率Y3呈現(xiàn)正相關(guān)，增加施氮量和施磷量均有助于提高K肥利用率，從其系數(shù)可知，施氮量對(duì)K肥利用率影響不明顯，施磷量對(duì)K肥利用率影響更加直接。

施鉀量X4與K肥利用率Y3的子模型，二次項(xiàng)系數(shù)遠(yuǎn)小于一次項(xiàng)系數(shù)，對(duì)因變量影響主要取決于一次項(xiàng)，一次項(xiàng)系數(shù)為負(fù)，即隨著施鉀量的增加，K肥利用率下降，馬鈴薯對(duì)鉀肥有很好的吸收能力，但施鉀量過大依然會(huì)造成鉀肥的浪費(fèi)。結(jié)合表8中K肥利用率回歸模型(3)的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)得：各因素對(duì)K肥利用率的影響大小順序?yàn)閄4>X3>X2>X1。

2.4 不同水肥處理對(duì)馬鈴薯N、P、K肥利用率的綜合影響

根據(jù)表7中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行偏最小二乘逐步回歸分析，建立N肥利用率Y1、P肥利用率Y2、K肥利用率Y3與補(bǔ)水量X1、施氮量X2、施磷量X3和施鉀量X4之間的回歸模型。

Y1=26.0+0.073X1-0.87X2+0.56X3+0.93X4-

0.000 043X21+0.002X22-0.001 4X23-0.005 9X24

(12)

Y2=31.0+0.02X1-0.04X2-0.3X3+0.04X4-

0.000 008X21+0.000 2X22+0.000 56X23-0.000 49X24

(13)

Y3=101.7-0.04X1+0.09X2+0.3X3-1.0X4+

0.000 035X21-0.000 07X22-0.000 55X23+0.001X24

(14)

此三目標(biāo)的最小二乘回歸模型的決定系數(shù)分別為R21=0.850 0；R22=0.961 8；R23=0.922 8，3個(gè)回歸模型的擬合程度良好，可以得到最優(yōu)組合目標(biāo)函數(shù)馬鈴薯N、P、K肥利用率分別為78.05%、33.57%、 64.89%，組合目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)時(shí)，補(bǔ)水量為1 058.5 m3/hm2，純N、P、K換算成N、P2O5、K2O分別為 30.0、68.7、57.5 kg/hm2。尹娟[5]、劉凡[6,7]等以產(chǎn)量或品質(zhì)為目標(biāo)確定的補(bǔ)水施肥方案相比，施肥量明顯偏低。提高肥料利用率與提高產(chǎn)量品質(zhì)之間存在矛盾，因此在確定補(bǔ)水施肥方案不能單方面追求肥料利用率的最優(yōu)化，為滿足產(chǎn)量品質(zhì)要求必須采用較低肥料利用率，部分肥料的浪費(fèi)不可避免。在本實(shí)驗(yàn)條件下，推薦補(bǔ)水施肥方案為：補(bǔ)水量為1 058.5 m3/hm2，N、P2O5、K2O分別為241.05、380.6、93.5 kg/hm2，與尹娟[5]、劉凡[6,7]等的研究相比，其中補(bǔ)水量偏高，氮肥量相當(dāng)，磷肥和鉀肥了偏低。

3 討 論

合理的施肥有助于馬鈴薯的生長，同時(shí)還能減少肥料的浪費(fèi)。在馬鈴薯種植過程中，提高肥料利用率是降低成本重要途徑。劉芬等[10]研究認(rèn)為中、低肥力土壤能夠?qū)崿F(xiàn)肥料的高效利用。本試驗(yàn)研究部分處理的肥料利用率甚至出現(xiàn)超效率現(xiàn)象，出現(xiàn)這種情況的原因是影響肥料吸收的因素的復(fù)雜的，如試驗(yàn)處理4中N肥利用率為139.44%，因此處理氮肥施量很小，而補(bǔ)水量和施鉀量均有助于提高馬鈴薯對(duì)N肥的吸收能力，因此當(dāng)季氮肥施量不能滿足馬鈴薯需要，土壤中原來累積的氮肥被馬鈴薯吸收，造成了氮肥吸收量大于施氮量的現(xiàn)象。因土壤肥力有限，這種情況是不可持續(xù)，長期會(huì)導(dǎo)致土壤肥力流失[11]。大量施肥雖然提高了馬鈴薯吸收的養(yǎng)分量，但是施肥過量不僅使投入增加，而且導(dǎo)致肥料利用率下降，造成更大的浪費(fèi)[12-15]。因此合理的施肥既能降低成本還能避免不必要的浪費(fèi)。對(duì)于如何確定施肥合理需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

4 結(jié) 語

本試驗(yàn)條件下，不同水肥處理對(duì)馬鈴薯肥料利用率的影響如下。

(1)補(bǔ)水量和施鉀量有利于提高N肥利用率，施氮量增加會(huì)導(dǎo)致N肥利用率下降，施磷量對(duì)N肥利用率影響不大，試驗(yàn)各因素對(duì)N 肥利用率影響大小順序?yàn)椋篨4>X2>X1>X3。

(2)補(bǔ)水量有利于提高P肥利用率，施氮量與施鉀量對(duì)P肥利用率影響不明顯，施磷量增加不利于提高P肥利用率，試驗(yàn)各因素對(duì)P肥利用率影響大小順序?yàn)椋篨3大于X1，均大于X2和X4。

(3)施氮量和施磷量均有助于提高K肥利用率，施鉀量不利于K肥利用率的提高，補(bǔ)水量對(duì)K肥利用率影響不明顯，試驗(yàn)各因素對(duì)K肥利用率的影響大小順序?yàn)椋篨4>X3>X2>X1。

(4)推薦補(bǔ)水施肥方案為：補(bǔ)水量為 1058.5m3/hm2，N、P2O5、K2O分別為241.05、380.6、93.5kg/hm2。

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