莫太相 蘇建華 劉世勇 張智洲 王 龍 楊瑞武 廖進秋 張 利
(1.中江縣農業(yè)農村局 四川中江618100;2.四川農業(yè)大學理學院 雅安625014;3.四川農業(yè)大學小麥研究所 成都611130;4.四川農業(yè)大學生命科學學院 雅安625014)
牛蒡(Arctium lappa L.)又稱為惡實、大力子等,菊科牛蒡屬二年生草本植物。 其干燥成熟的果實又稱為牛蒡子,具有疏散風熱、宣肺透疹、解毒利咽之功效。 此外,還可用于風熱感冒、咳嗽痰多、麻疹、風疹等疾病的治療[1]。 牛蒡在四川、山東、陜西等省均有分布。 其中,四川省簡陽、眉山等地的栽培種植面積較大[2-3]。 然而,如何提高牛蒡子產量和質量,仍是制約牛蒡產業(yè)化發(fā)展的難題。
隨著我國中藥材生產和經營逐步開放, 為滿足市場需求,中藥材種植面積和產量不斷擴大。 然而,為了提高中藥材的產量, 人們在種植過程中大量使用化學肥料, 形成了 “大量施加化肥—提高藥材產量—土壤肥力下降—大量施加化肥”的惡性循環(huán)。 由此,引發(fā)了土壤板結、肥力下降、藥材質量退化等一系列問題。 與傳統(tǒng)中藥材栽培模式相比,科學合理的施肥不但能滿足藥用植物生長發(fā)育過程中所需的養(yǎng)分,還符合綠色環(huán)保的現代農業(yè)理念,從而解決了一系列資源浪費、環(huán)境污染問題。 有研究表明,施加氮肥和鉀肥分別為10 g/m2和5 g/m2時,金錢草的產量與對照組相比顯著增加,而施加磷肥對產量無顯著影響[4]。 梁琴等[5]研究表明,氮、磷、鉀及有機肥的配施對川芎產量有顯著影響,川芎高產的科學施肥方案為氮肥 148.20~172.28 kg/hm2、磷肥511.92~599.40 kg/hm2、鉀肥 249.70~282.37 kg/hm2、 有機肥 940~1104 kg/hm2。一直以來, 各產地在牛蒡子種植過程中均存在肥料施用不合理、資源利用率低、牛蒡子產量差異大等問題。 因此,本研究采用3 因素5 水平二次正交旋轉組合設計建模,探究氮、磷、鉀施肥量對牛蒡子產量的影響。 同時,運用數學分析方法對施肥量進行優(yōu)化,明確牛蒡子栽培時獲得高產的科學施肥量, 減少資源浪費,減輕環(huán)境污染,為牛蒡子規(guī)范化種植提供理論依據。
試驗所用牛蒡種子為簡陽市牛蒡種植基地人工栽種的牛蒡種子。 試驗地位于中江縣, 年平均氣溫16.7℃,年降雨量880 mm。 土壤類型為紫色土,有機質含量為 9~13 g/kg,有效氮為 70~80 mg/kg,有效鉀為 100~140 mg/kg,有效磷為 10~14 mg/kg。 供試肥料為氮肥(尿素,含N 46.4%)、磷肥(過磷酸鈣,含P2O512%)、鉀肥(硫酸鉀,含 K2O 60%)。
2018 年 8 月 28 日種植,播種前浸種 12 h,均勻播撒在育苗地,待幼苗生長到2 葉期進行移栽。 試驗采用3 因素二次回歸正交旋轉組合設計,共計23 個處理組。 田間設計參照劉世勇等[6]的研究。 小區(qū)完全按照隨機分布排列,小區(qū)面積29.4 m2,廂寬1.5 m、長6 m, 錯窩兩行種植, 株行距均為0.7 m, 廂間留寬0.2 m、深0.2 m 的排水溝。
本試驗采用3 因素5 水平二次回歸正交旋轉組合設計,以氮肥施用量(X1)、磷肥施用量(X2)、鉀肥施用量(X3)為試驗因素及其水平編碼(表1)。
表1 因素水平及編碼
施肥方式及時間:待幼苗移栽成活后,對氮、磷、鉀肥采取分次施肥的方式。11 月30 日(幼苗期)進行第1 次施肥,占施用肥料總量的15%;次年3 月13 日(越冬后)進行第2 次施肥,占施用肥料總量的35%;5 月15 日(抽薹期)進行第3 次施肥,占施用肥料總量的50%。
7 月15 日將各處理小區(qū)牛蒡子采收, 統(tǒng)計其產量(Y)。
基于已經建立的牛蒡子產量與氮、磷、鉀之間的函數關系模型,按照統(tǒng)計學方法進行邊際效應、頻數選優(yōu)和模擬尋優(yōu)分析, 最終確定牛蒡子栽培過程中的最優(yōu)施肥量。
試驗數據用DPS 18.0、Excel 2010 等軟件進行統(tǒng)計分析。
對各施肥處理后產量試驗結果(表2),運用二次正交旋轉設計進行回歸分析,建立產量與氮、磷、鉀施肥因子的數學模型:
表2 二次回歸正交旋轉組合設計試驗結果
對上述回歸方程進行F檢驗(表3)。 結果表明,回歸方程顯著性檢驗F2=10.58>F0.01(10,14)=3.97,P2=0.001<0.05,回歸方程顯著;回歸方程失擬性檢驗F1=0.30<F0.05(5,8)=3.69,P1=0.91>0.05,說明試驗回歸方程擬合度好,所得模型可靠,可用該方程來預測和優(yōu)化施肥方案。 一次項X1、X2,二次項X12、X22均達到極顯著水平(P<0.01),X1X2和X32達到顯著水平(P<0.05)?;貧w方程在α=0.01 顯著水平時,剔除不顯著性項,簡化回歸方程得:
表3 產量方差分析
在方程(1)、(2)中,回歸系數表示各因素對牛蒡子產量的影響程度,其正負則反應影響趨勢。 因此,可通過方程中一次項的回歸系數絕對值判斷其作用大小, 根據回歸系數正負判斷各因子對牛蒡子產量的影響趨勢。 由此可知,氮、磷、鉀3 因素對牛蒡子產量影響強弱順序為磷肥>氮肥>鉀肥。 通過顯著性分析, 磷、 氮肥對牛蒡子產量的影響達到極顯著水平(P<0.01),而鉀肥對其影響不顯著(P>0.05)。 為進一步分析單因素對牛蒡子產量的影響,通過降維法得到牛蒡子產量與氮、磷、鉀肥的一元二次回歸模型如下:
將各因素編碼值代入以上模型, 可繪制得到單因素效應(圖 1)。由方程(3)~方程(5)可得,單因素對牛蒡子產量的影響略有不同,其中,氮肥、磷肥的施用量對產量的影響趨勢相近,在-1.682~1 時,產量增加,但超過1 水平后,產量下降;鉀肥在-1.682~0 時,產量增加,但超過0 水平后,產量下降。 因此,過少或過多施用氮磷鉀肥均會導致牛蒡子產量的下降,只有適宜的施肥配比才能增加牛蒡子的產量。
圖1 牛蒡子產量的單因素效應
對方程(3)~方程(5)求其一階偏導,可得邊際效應產量模型:
并由此得到邊際效應(圖2)。
圖2 牛蒡子產量的邊際效應
在低肥水平時,氮肥和磷肥的增產速率相近,而鉀肥的增產速率最小,說明在低肥水平下,氮、磷肥對牛蒡子的增產效果較為明顯; 隨著肥力水平的增加,各因素對牛蒡子的增產效果降低,由方程(6)~方程(8)可知,下降的速率由高到低依次為氮肥、磷肥、鉀肥。 當各因素邊際效應為0 時,產量達最大值,此時X1=0.46、X2=0.64、X3=0.2。 因此,當牛蒡子產量達最高時,理論施肥量為氮肥19.13 kg/畝、磷肥13.55 kg/畝、鉀肥12.76 kg/畝。
雖然已經建立了以產量為指標的理論模型,但在實際生產中的情況卻更加復雜, 考慮到牛蒡子產量和中江縣實際土壤狀況,可將188.63 kg/畝作為牛蒡子高產指標。 采用頻率分析法對回歸模型進行優(yōu)化, 將理論產量高于188.63 kg/畝的處理全部整理后,可得模擬尋優(yōu)分析結果(表4)。
表4 產量模擬尋優(yōu)分析
當牛蒡子產量在188.63 kg/畝以上時,氮肥和磷肥的編碼值均在1 水平的頻率最大, 分別為45%和42%; 鉀肥的編碼值在0 水平的頻率達到最大,為31%。 即每畝施氮肥15.64 kg、 磷肥 16.15 kg、 鉀肥17.18 kg。
在95%置信區(qū)間下, 當實際施肥量為氮肥16.45~17.48 kg/畝、 磷肥 12.45~13.06 kg/畝、 鉀肥6.32~9.68 kg/畝時,可達高產。
本研究結果與崔明元等[7]認為牛蒡田尤其要重視氮肥施用的結論略有不同。 這可能是由于四川省等西南地區(qū)土壤中有機質、全氮、堿解氮含量豐富,而磷素不足導致[8]。 氮肥在植物生長過程中的作用主要體現在促進植株莖葉生長、 葉綠素合成及幫助植物根系吸收養(yǎng)分等方面[9]。 牛蒡主要以干燥成熟的果實入藥,而磷肥則能有效促進植物形成飽滿的花芽、增加穗粒等[10-11]。 因此,在四川等地以紫色土為背景的地區(qū)種植牛蒡時,以施用磷肥為主,有利于提高牛蒡子產量。 而在本試驗中,鉀肥對牛蒡子產量的影響不顯著,這可能是由于紫色丘陵區(qū)的土壤中,全鉀、速效鉀等含量豐富[12]。 因此,導致了外源施加鉀元素時,對牛蒡子產量的影響并不顯著。 此外,施用鉀肥可以提高甘薯塊根中小型淀粉粒比例, 并增加塊根支鏈淀粉含量,降低塊根纖維素含量。 因此,鉀肥在甘薯等塊莖類需鉀作物的種植過程中有著大量應用, 從而有效提作物產量及可溶性糖含量等營養(yǎng)成分[13]。因此鉀肥對牛蒡根的增產作用可能遠高于對牛蒡子的增產作用, 這應該是外源施鉀對牛蒡子產量影響不顯著的另一個重要原因。
單因素分析表明, 對牛蒡子產量影響強弱順序為磷肥>氮肥>鉀肥,說明施用磷肥、氮肥對牛蒡子的增產效果顯著,同時,結合中江縣實際土壤情況,為實現牛蒡子高產,應該多施用氮肥、磷肥。 單施氮肥、磷肥有助于增加牛蒡子的產量, 而單施鉀肥對產量的變化影響不大。
本研究采用3 因素5 水平二次回歸正交旋轉組合設計, 建立了氮磷鉀配方施肥和牛蒡子產量的數學模型,通過模擬尋優(yōu)分析,得出牛蒡子高產時最優(yōu)施肥方案為氮肥 16.45~17.48 kg/畝、 磷肥 12.45~13.06 kg/畝、 鉀肥 6.32~9.68 kg/畝。 但是,肥料對牛蒡子有效成分的影響還有待進一步研究。 此外,未來還可在本試驗的結果基礎上,添加微肥、有機肥等對牛蒡子進行肥效試驗, 獲得更加完善的配方施肥方案,為推廣中藥材牛蒡子的GAP 種植奠定基礎。