王西娜， 白 云， 譚軍利,3， 田軍倉,3

(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院 寧夏銀川 750021； 2.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院 寧夏銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心 寧夏銀川 750021)

寧夏中部干旱區(qū)自然環(huán)境惡劣，降雨量少，蒸發(fā)量大，當(dāng)?shù)厝罕娨虻刂埔藙?chuàng)造出了用鋪砂保墑的栽培方式來種植西瓜[1]。目前，壓砂西瓜產(chǎn)業(yè)已成為當(dāng)?shù)厝罕娒撠氈赂坏闹匾緩?，也是寧夏獨具特色的?yōu)勢名片[1]，種植面積已超過100萬畝(1畝=667 m2,下同)。然而，由于地表覆砂造成施肥不便，土壤養(yǎng)分得不到及時補充，且在生產(chǎn)中存在重氮輕磷，少施甚至不施鉀肥及微肥等現(xiàn)象，嚴重制約了壓砂西瓜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2-3]。

根據(jù)土壤養(yǎng)分本底值及目標產(chǎn)量進行配方施肥是合理施肥的主要途徑，但目前西瓜生產(chǎn)中普遍存在施肥不平衡的問題。據(jù)研究，江蘇省西瓜主產(chǎn)區(qū)施肥現(xiàn)狀為氮肥過高鉀肥過低[4]，陜西省設(shè)施西瓜栽培農(nóng)戶的氮、磷、鉀施肥量可分別減少46%、72%、57%[5]。因此，許多學(xué)者對西瓜最優(yōu)施肥量進行了研究。杜少平等[6]推薦甘肅省砂田西瓜最適宜的N、P2O5、K2O的施用量依次為195.96～238.18、167.86～206.72、212.87～214.53 kg/hm2。馬忠明等[7]研究指出,“隴抗9號”在施用氮肥為200 kg/hm2的基礎(chǔ)上，磷肥和鉀肥的最優(yōu)施用量分別為170、260 kg/hm2。諸海燾等[8]發(fā)現(xiàn)在土壤肥力中等的條件下，上海地區(qū)西瓜產(chǎn)量最高時N、P2O5、K2O的施用量依次為150、105、240 kg/hm2。鄧云等[9]認為河南省西瓜最優(yōu)N、P2O5、K2O的施用量為303.9、162.9、214.4 kg/hm2。楊小振等[10]推薦西北旱區(qū)大棚西瓜N、P2O5、K2O施用量是163.05、66.85、202.18 kg/hm2?？梢?，各地區(qū)的氣候環(huán)境、土壤基礎(chǔ)肥力、試驗品種和栽培模式不同，西瓜施用氮、磷、鉀肥的適宜量存在明顯差異。

目前，有關(guān)寧夏老壓砂地西瓜氮磷鉀肥配施耦合模型的研究鮮見報道。因此，本文擬通過建立老壓砂地西瓜氮磷鉀肥配施耦合模型，闡明肥料相互作用的機理，尋求肥料配施的最優(yōu)方案，從而為壓砂西瓜合理施肥，提高肥料利用率和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在寧夏中衛(wèi)市興仁鎮(zhèn)拓寨村進行。該地屬于寧夏壓砂西瓜核心產(chǎn)區(qū)，位于北緯36°59′、東經(jīng)105°15′，平均海拔1 723 m，多年年平均降水量約180 mm，年蒸發(fā)量為2 100～2 400 mm，試驗地砂石覆蓋層厚度15～25 cm。供試土壤為淡灰鈣土，質(zhì)地為砂壤土。0～20 cm土層基本理化性狀：全氮質(zhì)量分數(shù)為1.0 g/kg，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為6.39 g/kg，速效磷質(zhì)量分數(shù)為6.2 mg/kg，速效鉀質(zhì)量分數(shù)為88 mg/kg，容重為1.42 g/cm3，田間持水量為27.7%。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用三因素二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計方法，設(shè)x1為氮(N)施用量、x2為磷(P2O5)施用量、x3為鉀(K2O)施用量，γ=1.68，中心試驗點m0=6，共設(shè)20個處理。小區(qū)面積為6 m×6 m，西瓜株行距1.5 m×2.0 m。供試肥料分別為尿素(N質(zhì)量分數(shù)為46%，中化化肥有限公司)、普通過磷酸鈣(P2O5質(zhì)量分數(shù)為12%，山東魯西化肥有限公司)、硫酸鉀(K2O質(zhì)量分數(shù)為50%，國投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司)。試驗氮磷鉀肥用量編碼及實際用量水平見表1。

表1 試驗氮磷鉀肥用量編碼及實際用量水平

供試西瓜品種為金城五號(中衛(wèi)市金城種業(yè)有限責(zé)任公司)，種子催芽后直接播種。所有肥料在播種前通過人工條播均勻施入小區(qū)。灌水方法采用穴灌，分別在伸蔓期、開花坐瓜期、西瓜膨大期進行，每次灌水量為75 m3/hm2，生育期灌溉定額為225 m3/hm2。其他田間管理措施均與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)相同。5月6日種植，8月15日收獲。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010和DPS v7.05數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分析軟件進行分析，用Origin 2018繪圖分析軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 回歸模型的建立與檢驗

不同氮磷鉀肥配施的西瓜產(chǎn)量見表2。

表2 不同氮磷鉀肥配施的西瓜產(chǎn)量

老壓砂地西瓜氮磷鉀肥配施耦合模型可用二次回歸旋轉(zhuǎn)模型表示。根據(jù)表2產(chǎn)量結(jié)果，求得回歸方程見式(1)：

(1)

對回歸方程進行顯著性檢驗，經(jīng)計算得：F1=0.56F0.05(f回，f剩)=F0.05(9，10)=3.02，P=0.01且模型總決定系數(shù)R2=0.82，說明回歸方程達到顯著水平。這表明該肥料耦合回歸模型可以用來進行產(chǎn)量預(yù)報，且具有較高的可靠性，可以做進一步分析。

(2)

2.2 西瓜產(chǎn)量模型分析

2.2.1 主因素效應(yīng)

由于在計算過程中應(yīng)用的是無量綱線性編碼代換，所求得的偏回歸系數(shù)已不受因素取值的大小和單位的影響，即已標準化，其絕對值大小可以直接反映各因素對產(chǎn)量的影響程度。綜合考慮偏回歸系數(shù)及t檢驗值，可得出肥料對西瓜產(chǎn)量的影響以磷肥最大，氮肥和鉀肥次之，說明磷肥是老壓砂地西瓜產(chǎn)量的主要限制養(yǎng)分。

2.2.2 單因素效應(yīng)

將回歸模型式(1)中的氮、磷、鉀3個因子中的2個固定在零水平，求得單因素對產(chǎn)量的回歸子模型見式(3)～(5)：

(3)

(4)

(5)

圖1 單因素肥料效應(yīng)曲線

由圖1可知，在設(shè)計范圍內(nèi)，氮肥、磷肥、鉀肥3個因素對西瓜產(chǎn)量的效應(yīng)均呈開口向下的拋物線。產(chǎn)量隨著施肥量的增加而增加，當(dāng)施肥量增加至一定程度時，產(chǎn)量反而下降，符合報酬遞減規(guī)律。

氮肥的產(chǎn)量效應(yīng)曲線表明：當(dāng)?shù)仕綇?1.682(75.0 kg/hm2)增加到-0.37(104.2 kg/hm2)時，產(chǎn)量由16 837.80 kg/hm2增加到17 122.49 kg/hm2，單位氮(N)的增產(chǎn)率為9.75 kg/kg；隨著氮肥水平由-0.37(104.2 kg/hm2)增加到1.682(150.0 kg/hm2)，產(chǎn)量反而呈下降趨勢，單位氮的減產(chǎn)率為15.15 kg/kg。磷肥的效應(yīng)曲線表明：當(dāng)磷肥從-1.682(90.0 kg/hm2)增加到1.20(128.6 kg/hm2)時，產(chǎn)量從10 344.40 kg/hm2增加到18 513.79 kg/hm2，單位磷(P2O5)的增產(chǎn)率為211.64 kg/kg；隨著磷肥水平從1.20(128.6 kg/hm2)增加到1.682(135.0 kg/hm2)，產(chǎn)量呈下降趨勢，單位磷的減產(chǎn)率為36.03 kg/kg。鉀肥的產(chǎn)量效應(yīng)曲線表明：當(dāng)鉀肥水平從-1.682(134.9 kg/hm2)增加到-1.14(149.4 kg/hm2)時，產(chǎn)量由17 173.54 kg/hm2增加到17 194.41 kg/hm2，單位鉀(K2O)的增產(chǎn)率為1.44 kg/kg；隨著鉀肥水平從-1.14(149.4 kg/hm2)增加到1.682(225.1 kg/hm2)時，產(chǎn)量呈現(xiàn)了下降趨勢，單位鉀的減產(chǎn)率為7.60 kg/kg。可見，適量施用氮、磷、鉀肥是壓砂西瓜高產(chǎn)的保證，施肥量過低或過高均會引起產(chǎn)量下降。

2.2.3 因素間的交互作用

由回歸方程交互項系數(shù)的t檢驗結(jié)果可知，氮肥與磷肥以及磷肥與鉀肥的交互作用均達到較顯著水平。為探討氮磷以及磷鉀同時對產(chǎn)量的耦合效應(yīng)，對式(1)進行降維處理，分別將x3、x1固定在零水平，得到氮磷、磷鉀交互方程見式(6)和式(7)：

(6)

(7)

根據(jù)式(6)和式(7)，求得氮磷、磷鉀對西瓜產(chǎn)量的交互作用(見表3、表4)和效應(yīng)曲面(見圖2、圖3)。

表3 氮磷對西瓜產(chǎn)量的交互作用

表4 磷鉀對西瓜產(chǎn)量的交互作用

圖2 西瓜產(chǎn)量氮磷效應(yīng)曲面

圖3 西瓜產(chǎn)量磷鉀效應(yīng)曲面

由表3和圖2可知：若氮肥水平一定，隨著磷肥水平由-1.682增加至1時，西瓜產(chǎn)量逐漸增加；當(dāng)磷肥水平達到1時，高氮水平(1.682)的產(chǎn)量減少；當(dāng)磷肥水平達到1.682時，中(0)、高氮(1、1.682)水平的產(chǎn)量均下降。在低磷水平(-1.682、-1)下，隨著氮肥水平增加，產(chǎn)量逐漸增加；在中、高磷水平下，配施高氮的西瓜產(chǎn)量則呈下降趨勢。說明在一定區(qū)間內(nèi)，氮、磷對西瓜產(chǎn)量有正交互效應(yīng)，低氮配中、高磷，中氮配中、高磷時產(chǎn)量較高；最高產(chǎn)量為22 176.6 kg/hm2時，氮、磷水平(用量)分別為-1.682(75.0 kg/hm2)和1.682(135.0 kg/hm2)。

由表4和圖3可知：當(dāng)鉀肥水平為-1.682和-1時，隨著磷肥水平由-1.682增加至1.682，西瓜產(chǎn)量逐漸增加；當(dāng)鉀肥水平等于0和1時，隨著磷肥水平由-1.682增加為1，產(chǎn)量逐漸增加，當(dāng)磷肥水平超過1時，產(chǎn)量反而減少。在低磷水平(-1.682、-1)下，隨鉀肥用量增加，西瓜產(chǎn)量逐漸增加；而在中磷(0)和高磷(1和1.682)水平下，配施高量鉀肥的西瓜產(chǎn)量呈下降趨勢。說明在一定區(qū)間內(nèi)，磷、鉀對西瓜產(chǎn)量亦有正交互效應(yīng)，低鉀配中、高磷，中鉀配中、高磷時產(chǎn)量較高；最高產(chǎn)量為22 030.6 kg/hm2時，磷、鉀水平(用量)分別為1.682(135.0 kg/hm2)和-1.682(134.9 kg/hm2)。

2.2.4 模型尋優(yōu)

根據(jù)試驗所得的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，編制計算機程序，在-1.682～1.682內(nèi)取7個水平(-1.682、-1、-0.5、0、0.5、1、1.682)，上機進行不同目標下的最優(yōu)組合方案模擬。通過模擬求得342個組合方案，其中產(chǎn)量為2 500～9 500 kg/hm2的有22個組合，產(chǎn)量為9 500～14 000 kg/hm2的有56個組合，產(chǎn)量為14 000～20 000 kg/hm2的有236個組合，產(chǎn)量為20 000～26 500 kg/hm2的有28個組合。主要目標產(chǎn)量區(qū)間9 500～14 000、14 000～20 000 kg/hm2的施肥最優(yōu)方案分別見表5和表6。

表5 西瓜產(chǎn)量9 500～14 000 kg/hm2尋優(yōu)方案及頻率

表6 西瓜產(chǎn)量14 000～20 000 kg/hm2尋優(yōu)方案及頻率

3 結(jié)語

本文建立了老壓砂地西瓜氮磷鉀肥配施耦合回歸模型，經(jīng)檢驗達到了極顯著水平，可用于預(yù)報和指導(dǎo)生產(chǎn)。通過對模型進行主因素效應(yīng)、單因素效應(yīng)和交互作用分析得出，在老壓砂地上，磷肥對西瓜產(chǎn)量的影響高于氮肥和鉀肥的，這與杜少平等[6]在砂田西瓜上的研究和葉林等[11]在日光溫室厚皮甜瓜上的研究結(jié)果一致，也與沈暉等[12]在壓砂地甜瓜上的研究結(jié)果相同，均表現(xiàn)為磷肥對產(chǎn)量的影響最大。原因為灰鈣土本身磷含量偏低，也可能是當(dāng)?shù)亻L期重氮肥、輕磷肥導(dǎo)致土壤中有效磷含量低。磷對作物生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)形成起著十分重要的作用，眾多研究表明增施磷肥能顯著提高作物的產(chǎn)量和改善作物的品質(zhì)[13-15]。因此，在壓砂地，尤其是老壓砂地上，適量補充磷肥是提高西瓜產(chǎn)量的重要措施。

氮磷、磷鉀的交互作用較顯著，而氮鉀之間無明顯的交互作用，這與杜少平等[6]的研究結(jié)果不同，需進一步探討。在低氮和低鉀水平時，西瓜產(chǎn)量隨磷肥水平的增加而增加，這與馬忠明等[7]的研究結(jié)果一致，即產(chǎn)量在低鉀水平下隨著磷肥從0增加到130 kg/hm2也增加。當(dāng)?shù)屎外浄侍幱谥?、高水平時，西瓜產(chǎn)量隨著磷肥水平的增加先增加后減少，與葉林等[16]發(fā)現(xiàn)日光溫室西瓜產(chǎn)量在低氮水平時隨著施磷量的增加而增加，在中高氮水平時先增加后減少的結(jié)果相同。表明兩因素耦合在一定區(qū)間內(nèi)對產(chǎn)量具有協(xié)同促進作用，要獲得西瓜高產(chǎn)必須注意氮、磷、鉀的合理配施。

通過計算機模擬，求得主要目標產(chǎn)量下的最優(yōu)組合方案，當(dāng)西瓜目標產(chǎn)量為9 500～14 000 kg/hm2時，氮肥水平為104.2～117.3 kg/hm2，磷肥水平為96.9～104.2 kg/hm2，鉀肥水平為171.6～187.4 kg/hm2；當(dāng)西瓜目標產(chǎn)量為14 000～20 000 kg/hm2時，氮肥水平為114.3～120.2 kg/hm2，磷肥水平為113.8～116.7 kg/hm2，鉀肥水平為181.2～188.4 kg/hm2。這與以往對西瓜最佳施肥量的結(jié)果不盡相同[6-9]，其原因可能與土壤基礎(chǔ)肥力、栽培模式、試驗品種等密切相關(guān)[17-18]?？梢?，老壓砂地土壤中磷是產(chǎn)量的限制因素，西瓜的磷肥效應(yīng)大于氮肥和鉀肥的，而氮、磷、鉀肥合理配施是西瓜高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)。