韓 梅

(青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院，青海 西寧 810016)

當(dāng)前，中國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展已進(jìn)入新的歷史階段，必須改變高投入、高消耗的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，主攻農(nóng)業(yè)供給質(zhì)量，注重可持續(xù)發(fā)展。開(kāi)展有機(jī)肥替代化肥行動(dòng)是促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)本增效、農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效和農(nóng)業(yè)環(huán)境改善的迫切需要。為了大力推進(jìn)化肥減量提效，農(nóng)業(yè)部2015年印發(fā)了《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》，提出力爭(zhēng)到2020年主要農(nóng)作物化肥使用量實(shí)現(xiàn)零增長(zhǎng)。目前，我國(guó)化肥使用量已提前實(shí)現(xiàn)零增長(zhǎng)。有機(jī)肥替代化肥行動(dòng)，對(duì)于防治農(nóng)業(yè)面源污染，推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、提高農(nóng)民收益，具有十分重要的意義。有機(jī)肥替代化肥行動(dòng)已成為青海省在綠色有機(jī)農(nóng)畜產(chǎn)品示范省創(chuàng)建工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐中，普遍認(rèn)為無(wú)機(jī)肥主要在于增加土壤速效養(yǎng)分含量，提高土壤供肥強(qiáng)度；有機(jī)肥則主要在于改善養(yǎng)分庫(kù)容，提高土壤供肥容量；而有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥相結(jié)合，集二者之所長(zhǎng)，在土壤培肥與作物增產(chǎn)方面優(yōu)于二者單獨(dú)施用，是確保作物穩(wěn)定增產(chǎn)和推動(dòng)農(nóng)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重要措施[1-2]。有研究表明，在氮、磷、鉀相等的條件下，與單施無(wú)機(jī)氮相比，有機(jī)肥與化肥配施顯著提高單位面積總鈴數(shù)和棉花產(chǎn)量，增加棉株各器官干物質(zhì)量，促進(jìn)不同生育時(shí)期棉株養(yǎng)分積累和各器官合理分配[3]?；逝c有機(jī)肥配施有利于水稻穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)和中后期干物質(zhì)累積與養(yǎng)分吸收，提高單位面積總穗數(shù)和穗粒數(shù)[4]。有機(jī)肥替代部分化肥可改善土壤微生物類(lèi)群數(shù)量，增加土壤養(yǎng)分和玉米產(chǎn)量[5]。

有機(jī)化肥與無(wú)機(jī)化肥配施可對(duì)棉花、水稻、玉米等作物產(chǎn)量、品質(zhì)、土壤理化性狀等具有不同程度的影響，但蠶豆有機(jī)肥替代化肥量方向研究較少。為了合理應(yīng)用有機(jī)肥，推薦合適的施肥量，達(dá)到提質(zhì)增效的目的。本研究開(kāi)展了蠶豆有機(jī)肥替代化肥試驗(yàn)，采用三因素二次飽和D-最優(yōu)設(shè)計(jì)對(duì)青海高原蠶豆有機(jī)肥、氮、磷肥施用量進(jìn)行研究，以期獲得蠶豆最佳施肥量，在蠶豆有機(jī)肥替代化肥生產(chǎn)中提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

蠶豆：青蠶14號(hào)由青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院提供。

肥料：商品有機(jī)肥(青海恩澤農(nóng)業(yè)技術(shù)有限公司)(N 2%)；尿素(N 46%)；過(guò)磷酸鈣((P2O512%)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)地基本概況 試驗(yàn)設(shè)在青海省西寧市湟中縣省級(jí)轉(zhuǎn)化基地湟中縣良種繁殖場(chǎng)(101°32′E、36°43′N(xiāo))，前茬作物為小麥。試驗(yàn)地海拔2 480 m，作物生長(zhǎng)期210 d，年日照數(shù)2 767 h，年平均氣溫3.9～4.2 ℃，≥0 ℃積溫2 343～2 422 ℃，年降水量499.5 mm。土壤類(lèi)型為沖積灌淤土，灌溉條件好，有機(jī)質(zhì)含量19.55 g/kg，全氮1.28 g/kg，全磷2.10 g/kg，全鉀26.19 g/kg，堿解氮100 mg/kg，速效磷19.5 mg/kg，速效鉀 195 mg/kg。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)采用三因素二次飽和D-最優(yōu)設(shè)計(jì)[6]，試驗(yàn)因子的零水平、變化間距、編碼值及對(duì)應(yīng)施肥量[7]詳見(jiàn)表1、表2，其中X1為有機(jī)肥，X2為尿素，X3為過(guò)磷酸鈣。根據(jù)當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥(N 110 kg/hm2、P2O51.8 kg/hm2)中的N素含量確定有機(jī)肥上水平。試驗(yàn)設(shè)10個(gè)處理，3次重復(fù)，小區(qū)面積3.5 m×5 m=17.5 m2，共30個(gè)小區(qū)。

表1 試驗(yàn)因子的零水平及變化間距

表2 試驗(yàn)因子編碼值及對(duì)應(yīng)施肥量

1.2.3 試驗(yàn)過(guò)程 蠶豆于2020年3月31日播種，播種量300 kg/hm2，9月15日收獲。肥料作為基肥，種植前一次性施入。

1.2.4 測(cè)定指標(biāo) 每小區(qū)隨機(jī)取30株進(jìn)行考種，小區(qū)單打單收，進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。土壤基礎(chǔ)理化性狀的測(cè)定參照土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)常規(guī)分析方法進(jìn)行[8]。

1.2.5 統(tǒng)計(jì)分析方法 統(tǒng)計(jì)分析采用 SPSS16.0軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 回歸模型的建立

以表3中有機(jī)肥、尿素、過(guò)磷酸鈣肥料編碼值為自變量，產(chǎn)量為應(yīng)變量，進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸分析，得出蠶豆產(chǎn)量與有機(jī)肥、尿素、過(guò)磷酸鈣肥料之間的回歸方程[9-10]：

表3 不同有機(jī)肥、尿素、過(guò)磷酸鈣肥料配比對(duì)蠶豆產(chǎn)量的影響

Y=6 314.03+102.43X1+45.02X2+43.83X3-74.30X12-73.00X22-80.79X32-49.63X1×X2+23.47X1×X3+100.36X2×X3

(1)

經(jīng)對(duì)該效應(yīng)方程進(jìn)行F檢驗(yàn)(F=55 279.08,P=0.003 3)表明回歸關(guān)系極顯著，說(shuō)明該方程能夠反映施肥量與產(chǎn)量之間的關(guān)系，故模型對(duì)蠶豆產(chǎn)量有良好的預(yù)測(cè)作用。表4為效應(yīng)方程偏回歸系數(shù)檢驗(yàn)，結(jié)果表明回歸系數(shù)均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。

表4 產(chǎn)量方程偏回歸系數(shù)檢驗(yàn)

2.2 模型解析

2.2.1 因子主效應(yīng)分析 從有機(jī)肥、尿素、過(guò)磷酸鈣肥料與蠶豆產(chǎn)量回歸模型的一次項(xiàng)可以看出，有機(jī)肥、尿素、過(guò)磷酸鈣肥料的偏回歸系數(shù)絕對(duì)值分別為102.43、45.02、43.83，說(shuō)明有機(jī)肥、尿素、過(guò)磷酸鈣肥料對(duì)蠶豆產(chǎn)量的影響以有機(jī)肥最大，氮肥次之，磷肥較小。

2.2.2 單因子效應(yīng)分析 為了進(jìn)一步探討各個(gè)因素的單獨(dú)效應(yīng)，將蠶豆產(chǎn)量回歸模型中3個(gè)自變量中的任意兩個(gè)固定在0碼值，可以得到剩余自變量與目標(biāo)函數(shù)的關(guān)系[11]，即有機(jī)肥、尿素、過(guò)磷酸鈣與蠶豆產(chǎn)量關(guān)系的單因子效應(yīng)方程分別為：

Y有機(jī)肥=6 314.03+102.43X1-74.30X21

(2)

Y尿素=6 314.03+45.02X2-73.00X22

(3)

Y過(guò)磷酸鈣=6 314.03+43.83X3-80.79X23

(4)

從各單因子效應(yīng)方程圖1可直觀看出，蠶豆產(chǎn)量隨著有機(jī)肥、尿素、過(guò)磷酸鈣施肥量的增加而增加，達(dá)最高產(chǎn)量后，又隨施肥量的增加而降低。蠶豆產(chǎn)量(Y)與尿素(X)施用量呈拋物線相關(guān)。有機(jī)肥、過(guò)磷酸鈣施肥量在蠶豆產(chǎn)量達(dá)到最高產(chǎn)后,產(chǎn)量隨施肥量的增加而呈下降趨勢(shì)。這符合肥料的報(bào)酬遞減定律，過(guò)低或過(guò)量施肥均不利于產(chǎn)量的提高[12]。

圖1 產(chǎn)量因子效應(yīng)分析

進(jìn)一步對(duì)各單因子效應(yīng)方程(2)、方程(3)、方程(4)分別求導(dǎo)數(shù)以及2020年蠶豆和肥料的價(jià)格(表5)，得出蠶豆最高產(chǎn)量6 622.50 kg/hm2時(shí)，有機(jī)肥施肥量編碼值為0.566，用量為4 698.00 kg/hm2；最佳有機(jī)肥施肥量編碼值為0.412，用量為4 236.00 kg/hm2。蠶豆最高產(chǎn)量6 320.97 kg/hm2時(shí)，尿素施肥量編碼值為0.308，用量為147.15 kg/hm2時(shí)；最佳尿素施肥量編碼值為0.216，用量為136.80 kg/hm2。蠶豆最高產(chǎn)量6 319.97 kg/hm2時(shí)，過(guò)磷酸鈣施肥量編碼值為0.271，用量為556.06 kg/hm2；最佳過(guò)磷酸鈣施肥量編碼值為0.232，用量為539.00 kg/hm2。由此可知，蠶豆最高產(chǎn)量施肥方案為有機(jī)肥4 698.00 kg/hm2，尿素147.15 kg/hm2、過(guò)磷酸鈣556.06 kg/hm2和最佳經(jīng)濟(jì)施肥量施肥方案為有機(jī)肥4 236.00 kg/hm2，尿素136.80 kg/hm2、過(guò)磷酸鈣539.00 kg/hm2。

表5 蠶豆肥料單因子效應(yīng)分析

2.3 不同施肥配比處理對(duì)蠶豆形態(tài)及產(chǎn)量構(gòu)成因素

通過(guò)對(duì)不同處理下的蠶豆產(chǎn)量性狀如株高、有效分枝數(shù)、單株結(jié)莢數(shù)、單株粒重、百粒重等指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定。從表6中可得出，處理2、處理3蠶豆株高高于其他施肥處理，處理2蠶豆有效分枝數(shù)高于其他施肥處理，處理4蠶豆單株莢數(shù)高于其他施肥處理，處理6蠶豆單株粒重高于其他施肥處理，處理5蠶豆百粒重優(yōu)于其他施肥處理，蠶豆收獲指數(shù)各處理間差異不大?？梢?jiàn)，不同施肥配比對(duì)蠶豆的株高、單株莢數(shù)、單株粒重、百粒重產(chǎn)量性狀有一定的影響。

表6 不同施肥處理對(duì)蠶豆產(chǎn)量性狀的影響

對(duì)各產(chǎn)量構(gòu)成因素與蠶豆經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量間進(jìn)行相關(guān)性分析(表7)可知，單株莢數(shù)、單株粒重、百粒重與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量間具有顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.730、0.640、0.680，說(shuō)明這幾個(gè)指標(biāo)對(duì)蠶豆經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的影響更為明顯；株高、有效分枝數(shù)在此研究中與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量間的相關(guān)性沒(méi)有達(dá)到顯著水平。單株粒數(shù)與有效分枝數(shù)、有效分枝數(shù)與收獲指數(shù)、單株粒重與百粒重間具有顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.81、0.64、0.60，單株粒數(shù)與株高間具有顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.68，以上幾個(gè)因子的共同作用使產(chǎn)量產(chǎn)生差異。

表7 蠶豆各產(chǎn)量構(gòu)成因素與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量間相關(guān)性分析

2.4 施肥對(duì)蠶豆產(chǎn)量性狀的主成分分析

從表7得知，蠶豆各產(chǎn)量性狀之間存在一定的相關(guān)性。對(duì)蠶豆產(chǎn)量性狀進(jìn)行主成分分析(表8)表明，前4個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)95.54%，大于85%。說(shuō)明可以用這4個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)各產(chǎn)量構(gòu)成因素的重要性。

表8 各主成分的特征根和方差貢獻(xiàn)率及累計(jì)方差貢獻(xiàn)率

初始因子載荷矩陣中每一個(gè)因子載荷量都代表主成分與對(duì)應(yīng)變量間的相關(guān)系數(shù)[13-15]。表9為蠶豆各主成分的特征根和方差貢獻(xiàn)率及累計(jì)方差貢獻(xiàn)率載荷矩陣,由表可知,第1主成分有效分枝數(shù)、單株莢數(shù)、收獲指數(shù)指標(biāo)前的系數(shù)均比較大，反映了原始數(shù)據(jù)信息量的 35.236%。第2主成分中單株粒數(shù)、百粒重的貢獻(xiàn)最大；第3主成分中株高的貢獻(xiàn)最大；第4主成分中百粒重的貢獻(xiàn)最大。

表9 蠶豆各產(chǎn)量性狀的初始因子載荷矩陣

3 討論與結(jié)論

飽和D-最優(yōu)設(shè)計(jì)是試驗(yàn)設(shè)計(jì)中精確度較高的試驗(yàn)設(shè)計(jì)之一[16]。本研究采用有機(jī)肥、尿素、過(guò)磷酸鈣三因素飽和D-最優(yōu)設(shè)計(jì)，通過(guò)蠶豆產(chǎn)量結(jié)果進(jìn)行二次回歸擬合，建立回歸數(shù)學(xué)模型。從有機(jī)肥、尿素、過(guò)磷酸鈣與蠶豆產(chǎn)量回歸模型的一次項(xiàng)得知有機(jī)肥、尿素、過(guò)磷酸鈣對(duì)蠶豆產(chǎn)量的影響以有機(jī)肥最大，氮肥次之，磷肥較小。該研究結(jié)論與前人研究結(jié)果[17]一致，表現(xiàn)為有機(jī)肥>氮>磷，也與部分蠶豆試驗(yàn)研究肥料增產(chǎn)率，磷>氮>鉀[18-19]，結(jié)果表現(xiàn)為不一致，這與氣候、土壤肥力、蠶豆品種等有一定的關(guān)系。本試驗(yàn)中蠶豆產(chǎn)量隨著尿素施肥量的增加而增加，產(chǎn)量達(dá)最高后，又隨施肥量的增加而降低，有機(jī)肥和過(guò)磷酸鈣對(duì)蠶豆產(chǎn)量變化規(guī)律不明顯。氮、磷、鉀對(duì)植物的影響不是單一效應(yīng)的線性累積，而有著交互作用。在施肥時(shí)，要綜合考慮肥料的交互作用效應(yīng)，找到最佳的施肥點(diǎn)，以獲得合理的施肥量[20]。對(duì)各單因子效應(yīng)方程求導(dǎo)數(shù)以及采用當(dāng)年當(dāng)?shù)匦Q豆平均銷(xiāo)售價(jià)及肥料的價(jià)格，計(jì)算出蠶豆最高產(chǎn)量施肥方案為有機(jī)肥4 698.00 kg/hm2，尿素147.15 kg/hm2、過(guò)磷酸鈣556.06 kg/hm2和最佳經(jīng)濟(jì)施肥量施肥方案為有機(jī)肥4 236.00 kg/hm2，尿素136.80 kg/hm2、過(guò)磷酸鈣539.00 kg/hm2。有研究[19]通過(guò)氮磷鉀、密度最優(yōu)組合對(duì)蠶豆蛋白質(zhì)和總黃酮及產(chǎn)量的影響進(jìn)行研究，得出最佳施肥量為N 75 kg/hm2、P2O580 kg/hm2，K2O 120 kg/hm2，有機(jī)肥4 500 kg/hm2，這與本研究結(jié)果基本一致。由此可知，增施有機(jī)肥，不僅提高作物產(chǎn)量，而且對(duì)改良土壤，提升地力有很好的效果。與習(xí)慣施肥(尿素238 kg/hm2、過(guò)磷酸鈣900 kg/hm2)相比，減少了尿素和過(guò)磷酸鈣的施用量，替代了氮肥38.20%～42.52%，磷肥38.22%～40.11%，為蠶豆有機(jī)肥替代化肥提供了技術(shù)支撐。