基于产量和品质目标的塑料大棚甜瓜优化施肥方案研究_董相洁.pdf

北方园艺 （）：设施园艺第一作者简介：董相洁（），女，硕士研究生，研究方向为设施蔬菜生理生态。：责任作者：乜兰春（），女，博士，教授，现主要从事设施蔬 菜 生 理 生 态 等 研 究 工 作。：基金项目：河 北 省 教 育 厅 科 学 技 术 研 究 资 助 项 目（）；河北省现代农业产业技术体系蔬菜创新团队资助项目（）。收稿日期：基于产量和品质目标的塑料大棚甜瓜优化施肥方案研究董 相 洁，李 智 琪，李晴，孟霖，乜 兰 春，赵 文 圣（河北农业大学 园艺学院，河北省蔬菜种质创新与利用重点实验室，河北省蔬菜产业协同创新中心，河北 保定 ）摘要：以薄皮甜瓜 博洋 为试材，采用因素水平二次正交旋转组合设计，研究了氮肥（尿素）、磷肥（过磷酸钙）、钾肥（硫酸钾）用量对塑料大棚薄皮甜瓜产量和品质的影响，分别建立了以产量和果实可溶性固形物为目标效应方程，以期为甜瓜科学施肥提供参考依据。结果表明：甜瓜产量和果实可溶性固形物含量均先随氮肥、磷肥、钾肥施用量的增加而增加，达到极大值后又随施用量的增加而降低。氮肥、磷肥、钾肥对甜瓜产量和品质的单因子效应均为钾磷氮，磷肥与钾肥存在交互效应。结合模型优化分析结果，筛选出该试验条件下甜瓜既高产又 优 质 的施 肥 方案 为 氮 肥 ，磷肥 ，钾 肥 ，即 ，。关键词：氮磷钾；配方施肥；薄皮甜瓜；产量；品质中图分类号：文献标识码：文章编号：（）甜瓜（）是我国重要经济作物之一，因其产量高、效益好，种植面积不断扩大。但设施生产中存在盲目和过量施肥的问题，养分过量投入不仅导致土地养分失衡，影响植株生长发育，导致产量品质下降，还会造成土壤酸化、地下水污染等一系列环境风险，从而使产业可持续发展受到制约。配方施肥为现代农业生产中的重要科学策略，不仅可以提高肥料的利用率，同时能有效实现蔬菜高产优质的生产目标。明确施肥与产量的关系，建立施肥量与产量的模型，根据目标产量确定施肥量是配方施肥的关键。李佩华等 利用模型进行研究表明，当每 尿素施用量为 ，过磷酸钙施用量为 ，硫酸钾施用量为 时，可使“青薯 号”每 （），：；取得 以上的产量。杜少平等 研究表 明，砂 田 西 瓜 施 肥 方 案 为 ，可获得 以上的产量。邢素芝等 研究表明，的用量为 ，用量为 ，用量为 时，辣椒产量最高为 。祖丽胡玛吐尔逊等 研究表明，鄯善县甜瓜最佳经济产量为 ，氮、磷、钾 最 佳 施 肥 量 为 每 应 施 、。最佳施肥量因作物种类、气候环境、土壤基础肥力、试验品种和栽培模式而不同。当前，在“减肥”“减药”农业高质量发展的大背景下，明确主栽经济作物施肥量与产量及品质的关系尤为重要。甜瓜做为我国重要经济作物，北方地区塑料大棚栽培是主要栽培模式，但目前关于塑料大棚甜瓜施肥与产量及品质关系的研究尚不足。该试验研究了主栽品种 博洋 氮、磷、钾肥施肥量与产量的关系，建立了肥料与产量之间的数学模型，以期为甜瓜精准、科学施肥提供参考依据。材料与方法 试验地概况试验于 年月 日至月日在河北省定兴具华农合作社基地的塑料大棚内进行。试验土 壤 类 型 为 壤 土，土 壤 ，有 机 质 ，碱解氮（），有效磷（），速 效 钾（），根据我国第二次土壤普查的国家土壤肥力标准可知，该试验田土壤肥力属中等偏上。试验材料供试甜瓜品种为 博洋 。所用肥料氮肥为尿素（陕西奥维乾元化工有限公司）、磷肥为过磷酸钙（云南安宁云科化肥有限公司）、钾肥为硫酸钾（新疆罗布泊钾盐有限责任公司）。有效养分含量及利用率见表。试验方法 施肥量的计算以甜瓜产量 为期望产量值，表化肥养分含量及利用率 肥料 有效养分含量 利用率 尿素 总氮 过磷酸钙 磷肥 硫酸钾 钾肥 按 每 甜 瓜 的 经 济 产 量 分 别 消 耗 ，计算甜瓜的 吸 收 量 分 别 为 、。由土壤测定的养分含量，计算土壤可供养分量 。土壤可供养分量（）土壤速效养分（）土壤养分换算系数（）土壤速效养分利用率（碱解氮为 、速效磷为 、速效钾为 ）。氮肥：（），磷 肥：（），钾 肥：（）。应施养分量甜瓜所需养分量土壤可供养分量，则 应 施 氮 肥、磷 肥、钾 肥 分 别 为 、。将养分量换算成每公顷肥料施用量，肥料施用量应施养分量（有效 养 分 含 量利 用 率）为：尿 素 （），过磷酸钙 （），硫酸钾 （）。试验设计试验采用氮肥、磷肥、钾肥因子水平二次回归正交旋转组合试验设计，将理论最佳施肥量设定为该试验的中值水平（即二次回归正交设计表中编码值为时的水平），共设 个处理，每个处理次重复，采用随机区组排列，共 个小区，小区面积 ，每小区 株。试验各处理肥料施用量见表。项目测定试验于 年月采用基质穴盘育苗，三叶一心时定植，将氮肥用量的作为基肥，其它作为追肥分别在伸蔓期和膨瓜期以和施第期 北方园艺表肥料的施用量及水平编码值 肥料 水平编码值 尿素 过磷酸钙 硫酸钾 表试验因子水平编码与试验方案 处理 氮肥 （）磷肥 （）钾肥 （）编码值尿素编码值过磷酸钙编码值硫酸钾 入，磷肥作为基肥一次性施入，钾肥的作为基肥施入，其它于膨瓜期全部施入。每次追肥均在灌水沟一侧距甜瓜种植点 处挖一深 的小沟，施入肥料后用土掩盖后浇水。为防止串水串肥小区间筑埂（宽 ，深 ）并用塑料薄膜包裹，实行单独排灌，准确记载每次灌水量，确保相同灌溉方式的小区每次灌水量一致。根据小区土壤含水率每次灌溉至田间持水率的 左右，伸蔓期进行吊蔓、整枝、留瓜，其它管理措施同常规管理，其它田间管理措施按照大田生产进行。产量和品质测定：收获期收取小区甜瓜，称量计产，并换算，以 计；每个处理选取同一坐果节位的个果实，用手持折光仪测定甜瓜中心可溶性固形物含量。数据分析采 用 软 件 和 软件对数据分析处理及图形的制作。北方园艺月（上）结果与分析 回归模型的建立由表可知，以（氮肥）、（磷肥）和（钾肥）编码值为自变量，以产量为因变量，利用 软件，通过二次多项式回归分析法，建立氮肥、磷肥、钾肥用量与甜瓜产量的三元二次回归方程：。该方程的相关系数 ，决定系数 。对回归方程进行检验，值 ，值 。说明回归方程拟合极好，对实际产量有很好的预测作用，可进一步对回归模型进行分析。同理，根据甜瓜果实可溶性固形物含量结果（表），以（氮肥）、（磷肥）和（钾肥）编码值为 自 变 量，以 品 质为 因 变 量，建 立 氮 肥、磷肥、钾肥用量与甜瓜果实可溶性固形物含量的三元 二 次 回 归 方 程：。该方程的相关系数 ，决定系数 。对 回 归 方 程 进 行检 验，值 ，值 。说明回归方程拟合极好，对果实可溶性固形物含量有很好的预测作用，可进一步对回归模型进行分析。表试验处理方案及甜瓜果实的产量 处理 （尿素）（过磷酸钙）（硫酸钾）产量 （）可溶性固形物含量 （）注：不同小写字母代表差异显著（）。：（）第期 北方园艺 模型分析 主因子效应分析由于氮肥、磷肥、钾肥对甜瓜产量和果实可溶性固形物的三元二次回归方程已经过无量纲编码代换，故直接比较各偏回归系数绝对值的大小即可反映各因子的重要程度。从氮肥、磷肥、钾肥用量与甜瓜产量回归方程的一次项可以看出，、和的偏回归系数的绝对值分别为 、和 ，可见在该试验条件下，对甜瓜产量影响最大，其次为，影响较小。而从氮肥、磷肥、钾肥用量与果实可溶性固形物含量的回归方程的一次项可以看出，、和的偏回归系数的绝对值分别为 、和 ，说明在该试验条件下，对甜瓜果实可溶性固形物含量影响最大，其次为，影响较小。检验结果表明，回归方程的一次项系数、，二次项系数、和交互项系数均达显著水平（）；回归方程的一次项系数，二次项系数、和交互项系数均达显著水平（），说明磷肥和钾肥的交互效应对甜瓜产量和果实可溶性固形物含量的影响较大，实际生产中应考虑这个因素。单因子效应分析将三元二次回归模型中个自变量中的任意个编码值固定位，可以得到剩余自变量与目标函数的关系。即氮肥、磷肥、钾肥用量与甜瓜产量关系的单因子效应方程分别为：；氮肥、磷肥、钾肥用量与甜瓜果实可溶性固形物含量关系的单因子效应方程分 别 为：；。将以上单因子效应方程绘制成图，从图 可以看出，在 水平范围内，甜瓜产量和果实可溶性固形物均先随着氮肥、磷肥、钾肥施用量的增加而增加，达到极大值后又随着氮肥、磷肥、钾肥施用量的增加而降低。当、和编码值分别为、和 ，即氮肥、磷肥、钾肥施用量分别为 、时甜瓜 产 量 最 高；、和编 码 值 分 别 为 、和 ，即氮肥、磷肥、钾肥施用量分别为 、时甜瓜果实可溶性固形物含量最高。图氮肥、磷肥、钾肥用量对甜瓜产量（）和果实可溶性固形物（）的单因子效应分析 ，（）（）边际效应分析边际效应可反映各因素单位水平投入量的变化对甜瓜产量和果实可溶性固形物增减速率的影响。分别对上述产量模型和果实可溶性固形物模型单因子效应方程求自变量的导数，即得到产量模型变 量 因 子 的 边 际 效 应 方 程：；以及果实可溶性固形物含量模型变量因子的边际效 应 方 程：；。将各边际效应方程绘制成图，从图可北方园艺月（上）以看出，各因素在编码值 水平范围内，甜瓜边际产量和边际果实可溶性固形物含量与氮肥、磷肥、钾肥施用水平均呈负相关。其中氮肥、磷肥、钾 肥 编 码 值 分 别 大 于 、，即肥料用量分别超过 、时，甜瓜产量产生负报酬。氮肥、磷肥、钾肥编码值分别大于、和 ，即 肥 料 用 量 分 别 超 过 、时，甜瓜果实可溶性固形物含量为负报酬。图氮肥、磷肥、钾肥用量对甜瓜产量（）和果实可溶性固形物（）的边际效应分析 ，（）（）交互效应分析甜瓜 产 量 三 元 二 次 回 归 模 型 中 交 互 项，偏回归系数达到显著水平，表明磷肥、钾肥用量对甜瓜产量的影响存在互作效应。将三元二次回归方程中的氮肥因子编码值固定为，得到磷肥、钾肥交互效应方程：（，）。分别以磷肥、钾肥因子编码值为轴和轴，甜瓜产量为轴，对交互效应方程绘图。从图 可以看出，随着磷肥、钾肥用量的增加，甜瓜产量呈先升高后降低趋势，符合报酬递减定律。由交互效应方程分析得出，当甜瓜产量在 以上时的磷肥、钾肥互作区间为：编码值 （磷肥 ），（钾肥 ）。图磷肥、钾肥用量对甜瓜产量（）和果实可溶性固形物含量（）的交互效应 （）（）同理，甜瓜果实可溶性固形物三元二次回归模型存在和交互项，其偏回归系数达到显著水平，将氮肥因子编码值固定为，得到交互效应方程：（，）。从图 可以看出，随着磷肥、钾肥用量的增加，甜瓜果实可溶性固形物也呈先升高后降低趋势，符合报酬递减定律。由交互效应方程分析得出，当甜瓜果实可第期 北方园艺溶性固形物含量在 以上时的磷肥、钾肥互作区间为：编码值 （磷肥 ），（钾肥 ）。模型决策最优方案通过二次多项式回归分析法建立三元二次回归模型，得 出 该 试 验 条 件 下 甜 瓜 最 高 产 量 为 ，所 对 应 的 施 氮 肥 量 为 （），磷肥为 （），钾肥为 （）。采用频率分析法对甜瓜产量的数学模型优化 分析，从 表可 以 看 出，甜 瓜 产 量 超 过 的 施 肥 方 案 为：氮 肥 ，磷 肥 ，钾肥 。同理，该试验条件下甜瓜果实可溶性固形物含量为 ，氮肥量为 （），磷 肥 为 （），钾肥为 （）。从表还可以看出，甜瓜果实可溶性固形物含量超过 时的施肥方案为氮肥 ，磷肥 ，钾肥 。综合以上结果分析可得出，该试验条件下甜瓜既高产 又 优 质 的 施 肥 方 案 为：氮 肥 ，磷肥 ，钾肥 。表甜瓜产量超过 的因素取值频率分布 因子水平 尿素 （）过磷酸钙 （）硫酸钾 （）次数频率次数频率次数频率 加权平均值 （）标准误 （）置信区间 农艺方案 （）表甜瓜果实可溶性固形物含量超过 的因素取值频率分布 因子水平 尿素 （）过磷酸钙 （）硫酸钾 （）次数频率次数频率次数频率 加权平均值 （）标准误 （）置信区间 农艺方案 （）北方园艺月（上）讨论和结论合理配施氮、磷、钾肥是提高农作物产量与品质的重要措施，氮、磷、钾肥科学的配施既能促进植物生长发育，提高作物产量，又能改善其内在品质 。二次正交旋转组合设计广泛应用于作物优化施肥研究中 。王欣等 建立了氮磷钾与温室黄瓜产量和品质的三元二次数学模型，明确了影响黄瓜产量和品质的顺序为磷钾氮，且氮肥与磷肥、磷肥与钾肥存在交互效应，最佳施肥方案为氮肥 ，磷肥 ，钾 肥 。叶林等 通过计算机模拟建立了日光温室厚皮甜瓜配方施肥模型，对甜瓜产量影响的大 小 顺 序 为 磷氮钾，其 中，氮肥 和 磷 肥 之 间 有 交 互 作 用，当 施 氮 量 为 、施磷量为 、施钾量为 时，甜瓜产量最高。姚静等 通过建立日光温室薄皮甜瓜产量 与水肥效应的模型，明确了影响甜瓜产量的顺序为，各 因 素 的 最 佳 组 合 为 施 钾 ，施磷 ，不需施氮肥，每次灌水量 。沈晖等 在旱砂田栽培区 构 建了 薄 皮甜瓜 产量 与氮磷钾肥施用量的模型，明确了甜瓜产量的顺序为磷氮钾，并得到甜瓜的最佳施肥方案，氮肥为 ，磷肥为 ，钾肥为 。可见，有关甜瓜优化施肥方面的研究关注点集中在产量方面，少有关于以品质为目标的优化施肥研究，即使以产量为目标施肥研究也因区域不同，栽培形式不同，品种不同，结果也不尽一致，河北省是重要的设施甜瓜生产基地，生产中存在盲目施肥的问题，该研究针对河北设施甜瓜主要栽培模式塑料大棚早春茬，在冀中地区选择了具有一定代表性的土壤，开展以高产优质为目标的优化施肥方案研究，建立了甜瓜产量和品质与施氮量、施磷量、施钾量之间的数学模型，明确了氮肥、磷肥、钾肥对甜瓜产量和品质的单因子效应均为钾肥磷肥氮肥，说明钾肥用量对甜瓜产量和品质的影响最为显著，实际生产中应重视对钾肥的及时供应。甜瓜产量和品质的三元二次回归模型中，磷肥和钾肥存在互作效应，且符合报酬递减定律。甜瓜边际产量和边际果实可溶性固形物含量与氮肥、磷肥、钾肥施用水平均呈负相关，即边际产 量 肥 料 用 量 分 别 超 过 、时，甜瓜边际产量产生负报酬；边际 果 实 可 溶 性 固 形 物 肥 料 用 量 分 别 超 过 、时，甜 瓜 果实可溶 性 固 形 物 含 量 为 负 报 酬。模 拟 寻 优 显示，甜瓜产量超过 的施肥空间为 氮 肥 ，磷 肥 ，钾肥 ；甜瓜果实可溶性固形物含量超 过 的 施 肥 空 间 为 氮 肥 ，磷 肥 ，钾 肥 。综合产量和品质，得出优质又高 产 的 施 肥 方 案 为：氮 肥（尿 素），磷肥（过磷酸钙），钾 肥（硫 酸 钾）。即：，。该方案兼顾了产量和品质，可为 同类地 区 塑 料 大棚 甜瓜科学施肥提供参 考依据。参考文献赵秉强传统化肥增效改性提升产品性能与功能植物营养与肥料学报，（）：杨念，王蔚宇，曹春意，等我国甜瓜产业发展现状及趋势分析中国瓜菜，（）：付浩然，李婷玉，曹寒冰，等我国化肥减量增效的驱动因素探究 植物营养与肥料学报，（）：张鹏，张玉龙，迟道才，等水钾耦合对花生生理性状及产量的影响 中国生态农业学报，（）：康利允，常高正，马政华，等 不同氮钾肥用量对甜瓜坐果节位叶片生理特性的影响 中国土壤与肥料，（）：郭亚雯，崔建钊，孟延，等 设施早熟西瓜和甜瓜的化肥施用现状及减施潜力 植物营养 与肥料学报，（）：秦程程，魏丹，金梁，等有机无机肥配施对设施土壤耕层养分、番茄产量和品质的影响北方园艺，（）：，：第期 北方园艺 ，：张佳佳，丁文成，艾超，等优化施肥对萝卜产量和肥料利用率的影响 植物营养与肥料学报，（）：薛亮，马忠明，杜少平沙漠绿洲灌区甜瓜氮磷钾用量优化模式研究中国农业科学，（）：李佩华，邓琳，彭正松，等种植密度与、施肥配比对青薯号产量 的 影响研究西昌学院学报（自然科 学 版），（）：，杜少平，马忠明，薛亮氮磷钾配施对砂田西瓜产量和品质的影响 植物营养与肥料学报，（）：邢素芝，汪建飞，姚春芬辣椒 肥料配施数学模型的研究土壤通报，（）：祖丽胡玛吐尔逊，买买提江艾外都 氮磷钾肥不同配施对厚皮甜瓜产量和经济效应的影响热带农业工程，（）：李象榕中国土壤谱查技术北京：农业出版社，陈方 苦瓜、配方施肥数学模型的建立 武汉：华中农业大学，程智慧 蔬菜栽培学各论 北京：科学出版社，王小琳，栾桂云 蔬菜生产中的土壤肥料问题与测土配方施肥技术应用 中国果菜，（）：马跃氮磷钾配比对温室番茄生长、产量和品质的影响北京：中国农业科学院，聂金，谭芷，王军伟，等氮磷钾配施对辣椒产量、品质的影响 中国瓜菜，（）：陈敏志，陶勤南，陈云香关于西瓜氮磷钾矿质营养生理特性的研究园艺学报，（）：姜雪，张敏，李佳乐，等基于二次正交旋转组合设计的西葫芦果实贮前热处理条件的优化安徽农业大学学报，（）：张兆辉，姜玉萍，杨晓峰，等、配施条件下甜瓜 含量数学模型的研究 中国农学通报，（）：郝曦煜，肖焕玉，王英杰，等优化芸豆产量及产量形成的氮磷钾肥料模型研究中国土壤与肥料，（）：王颀，吴春涛，李丹丹，等 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