氮磷与硅钙肥配施对辣椒产量和品质的影响

李子双， 王 薇， 张世文， 贺洪军， 赵同凯， 黄元仿

(1 德州市农业科学研究院， 山东德州 253015; 2 安徽理工大学地球与环境学院， 安徽淮南 231001,3 中国农业大学资源与环境学院， 农业部华北耕地保育重点实验室，国土资源部农用地质量与监控重点实验室, 北京 100094)

氮磷与硅钙肥配施对辣椒产量和品质的影响

李子双1， 王 薇1， 张世文2， 贺洪军1， 赵同凯1， 黄元仿3*

(1 德州市农业科学研究院， 山东德州 253015; 2 安徽理工大学地球与环境学院， 安徽淮南 231001,3 中国农业大学资源与环境学院， 农业部华北耕地保育重点实验室，国土资源部农用地质量与监控重点实验室, 北京 100094)

辣椒； 氮肥； 磷肥； 硅钙肥； 产量； 品质； 优化施肥

硅钙肥是一种近年来发展起来的以硅钙为主的矿质肥料，该肥料富含硅、钙、镁、硫、铁、锌、硼、锰等多种中微量元素，能够给土壤补充作物生长必需的营养元素。目前，硅钙肥在农业生产中还未大量应用，且硅钙肥的理化性质及在农作物上的施用效果、方法和与其他肥料的配合施用等方面研究甚少[21]。硅钙肥、氮肥和磷肥配施对辣椒产量和品质的影响以及三种肥料的交互作用还未见报道。本文开展了硅钙肥、氮肥和磷肥配施对辣椒产量和品质的影响研究，旨在为辣椒的合理施肥提供参考。

三因素二次饱和D-最优设计作为一种较好的设计方案，在小麦、玉米、蔬菜等各种农作物肥料配施方案中应用非常广泛[22-26]。其特点是预测值精度较高，对选择最佳生产措施有较强的实用性。饱和D最优设计是回归方程中参数数目与试验处理组合数目相等的设计，回归自由度与总自由度相等达到饱和。采用这种设计试验处理数少，获得的信息量大，误差小，精确度高。为完善辣椒施肥技术，本文采用这种方法，分析研究硅钙肥、氮肥和磷肥配施对辣椒产量和品质的影响，提出硅钙肥、氮肥和磷肥在干辣椒中的最佳配施方案。

1 材料与方法

1.1 试验设计

经过2012年一年的匀地，2013年在德州市德城区黄河涯德州市农科院科技园进行。试验土壤为砂质壤土，其0—20 cm土层基础肥力为： pH值为7.81、全氮1.418 g/kg、速效磷16.54 mg/kg、速效钾81.70 mg/kg、有机质14.2 g/kg、有效硅128 mg/kg、交换性钙3152 mg/kg，根据我国第二次土壤普查及有关标准，试验田的氮磷养分含量属于3级水平，速效钾和有机质的含量属于4级水平，肥力状况总体中等；供试辣椒品种为干椒3号，露地蔬菜。2013年5月10日进行幼苗移栽，行距为60 cm，株距25 cm，小区面积是15 m2。试验设计采用二次饱和D-最优设计，重复3次，随机排列，具体方案及肥料用量见表1。

所用氮、磷及硅钙肥料分别为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O512%)、硅钙肥(SiO220%、CaO 20%)。施用方法: 基肥分别施入设计总量的50%、100%、100%，开花期施入50%、0、0，钾肥施入量按常规统一施入，其他管理方式按常规进行。

注(Note): 二次饱和D-最优设计中编码矩阵由DPS数据处理系统试验设计得出The coding matrix of secondary saturation D-optimal design is derived by the experimental design of DPS data processing system.

1.2 测定项目与方法

2013年8月20日分小区进行辣椒整秧收获、晾晒，辣椒果含水量降至20%左右时进行采果，采果后进行辣椒果晾干，含水量达14%左右进行测产，并折算为单产。Vc含量用2，6-二氯靛酚滴定法测定[27]；辣椒素含量采用高效液相色谱法(HPLC)[28]；可溶性蛋白含量用考马斯亮蓝G-250染色法测定[29]；可溶性糖含量用蒽酮比色法测定[29]；干物质以及含量采用105℃下烘30分钟，后70℃烘干至恒重测得。

1.3 数据处理

辣椒品质综合评分标准： 根据辣椒生产要求，参考宋春凤等[25,30]对作物品质的评分标准，将各品质指标均以最佳处理值为100分，某处理该指标测定值占最佳处理值的百分数即为该处理指标的实际得分；各处理所有品质指标得分权重值之和，即为该处理的品质综合评分。参考文献与专家意见，设定可溶性蛋白和可溶性糖含量权重均为0.1，Vc含量、辣椒素、干物质及单果重含量权重均为0.2。

数据分析采用DPS数据处理系统[31]。

2 结果与分析

2.1 回归模型的建立

硅钙肥、氮肥和磷肥配施对辣椒产量和品质的影响见表2。以表1中X1(Si-Ca)、X2(N)、X3(P2O5)编码值为自变量，表2中产量(Y1)为因变量，进行二次多项式回归分析，得出辣椒产量与硅钙肥、氮肥、磷肥之间的回归方程 ：

表2 不同肥料处理对辣椒产量和品质的影响

(1)

其中Y1为辣椒的产量；X1为施硅钙肥对应的编码值；X2为施氮肥对应的编码值；X3为施磷肥对应的编码值。

以表1中X1(Si-Ca)、X2(N)、X3(P2O5)编码值为自变量，表2中综合品质(Y2)为因变量，进行二次多项式回归分析，得出辣椒综合品质与硅钙肥、氮肥、磷肥之间的回归方程：

(2)

其中Y2为辣椒的综合品质；X1为施硅钙肥对应的编码值；X2为施氮肥对应的编码值；X3为施磷肥对应的编码值。

2.2 模型解析

2.2.1 因子主效应分析 由于硅钙肥、氮、磷肥对产量的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，可反映各因子的重要程度。从硅钙肥、氮、磷肥与产量、品质回归模型的一次项可以看出，硅钙肥、氮、磷肥的偏回归系数绝对值分别为106.2698、277.8389、166.1728与3.2575、2.1679、2.8738，说明氮肥对辣椒产量的影响较大而对品质影响较小，硅钙肥对辣椒的品质影响较大而对产量影响较小。

2.2.2单因子效应分析

对模型采用“降维法”，将任意两个因子定在零码值，可以得到剩余自变量与目标函数的关系，即求出硅钙肥、氮肥、磷肥与辣椒产量及品质的单因子效应方程。由产量效应方程得到：

(3)

由品质效应方程得到：

(4)

方程组(3)和(4)中，X1、X2和X3代表硅钙肥、氮肥和磷肥的编码，Y11、Y12、Y13分别表示产量与硅钙肥、氮肥和磷肥效应方程，Y21、Y22、Y23分别表示综合品质与硅钙肥、氮肥和磷肥效应方程，根据方程，将各个单因子效应方程绘制成图(图1)。

图1 单因子效应曲线图Fig.1 Single-factor effect line

由图1可以看出，在本研究区地力水平下，辣椒的产量(图a)均随着硅钙肥、氮肥、磷肥的增加而增加，达到最高值后，又随着施用量的增加而降低。辣椒的品质(图b)也是如此，在地力水平较低的情况下，随着硅钙肥、氮肥、磷肥的增加而增加，但肥料的过量施用又会导致品质降低。在本试验结果中，硅钙肥、氮肥、磷肥单因子效应方程均存在极大值。

2.2.3 因子互作效应分析 本试验确定的辣椒产量和品质回归模型(方程(1)和(2))，均存在交互项，且其回归系数均达显著水平。说明在综合施肥条件下，产量和品质的变化，不单纯是各因子单独效应，还存在交互效应。将一个因子定在零码值，得出其他两个因子的互作效应方程。以硅钙肥、氮肥交互效应为例，说明其对产量和品质的影响。分别将产量、品质回归方程中的磷编码(X3)设为0，得到以下两个交互效应方程：

(5)

(6)

方程(5)和(6)中，X1代表硅钙肥编码，X2代表氮肥编码，Y1表示产量，Y2表示综合得分。

根据三因子交互效应方程绘制交互效应曲面图(图2)，从图2看出，在编码范围内，辣椒的产量(图a)较好的互作空间是： 中等的硅钙肥配较高氮肥水平；辣椒的品质(图b)较好的互作空间是较高的硅钙肥水平配中等的氮肥施用水平。

2.3 模型决策

2.3.2 最高产量和最佳品质 对产量和品质的效应方程进行边际分析，可得最高产量和最佳品质。本试验条件下的最高产量为5926.27 kg/hm2，所对应的施肥量为： 硅钙肥422.04 kg/hm2，氮肥253.69 kg/hm2，磷肥58.05 kg/hm2。本试验条件下的最佳品质得分为96.61，所对应的施肥量为： 硅钙肥445.17 kg/hm2，氮肥209.53 kg/hm2，磷肥69.27 kg/hm2。

图2 硅钙肥、氮肥交互效应曲面图Fig.2 Interaction surfaces of SC and N

表3 辣椒产量45006000 kg/hm2之间各因素的频次分布表

2.3.3 最佳经济效益施肥量 在实际生产中，不仅仅要考虑作物的产量和品质，还要考虑投入产出比，即生产成本与产值，因此要计算经济效益。为确定最佳经济施肥方案，必须根据农产品的价格和肥料成本进行分析。干辣椒的市场价为14 Yuan/kg，硅钙肥料价格为1.2 Yuan/kg，含纯硅钙肥40%，即纯硅钙肥的价格为3.0元；尿素价格为1.6 Yuan/kg，含纯氮46%，即纯氮的价格是3.478 Yuan/kg；过磷酸钙价格0.85 Yuan/kg，含P2O5为12%，即P2O5的价格为7.083 Yuan/kg，根据肥料的实际用量，回归方程可转化为：

(7)

扣除肥料成本后得到纯收益函数模型为：

(8)

方程(7)和(8)中Y1为辣椒的产量；X1为硅钙肥施用量；X2为氮肥施用量；X3为磷肥施用量。

最终得到的目标函数值(最大经济效益值)为80548.64 Yuan/hm2，最佳产量为5916.23 kg/hm2，最佳施肥用量为硅钙肥332.66 kg/hm2、氮肥250.58 kg/hm2、磷肥57.75 kg/hm2。

3 讨论

与20多年前第二次土壤普查时相比，种植业结构、作物产量、施肥习惯和施肥水平等均发生了较大变化，而多数研究尚还集中于土壤氮磷钾的状况。在过去的50年间，我国粮食产量与化肥消费量呈显著正相关[33]，随着作物产量不断提高，从土壤中带走的中、微量元素也必然在不断增加；同时，由于长期连续过量施用氮肥，土壤持续酸化，正在逐渐丧失生产能力，钙、镁、硫、硅等也已成为越来越多土壤的产量限制因子和“品质元素”。所以，急需对我国的中微量元素水平及其对作物影响机制进行研究，以便有针对性的补充土壤养分，使我国的作物产量再上一个新台阶[34]。本文就是在此背景下进行的探索性研究。

从单因素考虑，本试验研究结果影响产量的顺序为氮肥>磷肥>硅钙肥，三种肥料均能提高辣椒的产量，但达到一定量之后，就会随着肥料的增加，产量逐渐减少。氮磷肥的结论与之前邢素芝认为的NPK在适量范围内均能提高辣椒的产量，但过量施用就会造成减产的说法是一致的[5]，适量硅钙肥能提高辣椒的产量与品质的试验结果，与前人在杂交稻[35]、爆裂玉米[36]和大豆[37]等作物上的研究一致。但是硅钙肥里面的哪种元素起的作用还有待进一步研究，刘吉振认为硅并不一定能增加所有辣椒的干质量，只是对部分辣椒有增产效应[38]，钙素对辣椒幼苗的调控效应也具有两面性，一定浓度范围内成正效应，过高反而成负效应[20]，因此硅钙肥的影响效应还有待进一步研究讨论。同时，本研究得出影响辣椒综合品质的顺序为硅钙肥>磷肥>氮肥，氮磷肥对辣椒品质的影响与前人研究并不完全一致，黄科认为氮肥对辣椒品质的影响较大，而磷肥的影响较小[39]，辣椒品质中磷肥效应增强是由于肥效互作引起的还是本试验地养分含量引起的，还有待进一步探讨。

不同的土壤肥力，不同的水分管理，不同的栽培品种都可能引起最佳施肥方案的不同[5,6]。可见，确定辣椒的最佳合理施肥方案应根据其品种生长特性，当地土壤肥力以及水分管理情况进行。硅钙肥、氮肥、磷肥虽会提高产量和品质，调节辣椒营养元素吸收等功能，但应适量施用，过多施用反而会造成产量降低、品质下降等现象的产生。本文的试验结果受基础土壤肥力的影响，今后还需要增加定位试验，进一步进行充分深入的研究。

4 结论

通过采用三因子二次饱和D-最优设计，本试验建立了以硅钙肥、氮肥、磷肥为因变量，辣椒产量与品质为目标函数的三元二次数学模型。通过对模型进行检验分析得出： 硅钙肥、氮肥、磷肥对辣椒的产量和品质均有显著的影响，并且因素间存在显著的互作效应。三因素对产量的影响顺序分别为： 氮肥>磷肥>硅钙肥，而对品质影响则相反。

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Effect of nitrogen, phosphorus and silicon calcium fertilizer on yield and quality of pepper

LI Zi-shuang1, WANG Wei1, ZHANG Shi-wen2, He Hong-jun1, ZHAO Tong-kai1, HUANG Yuan-fang3*

(1DezhouAcademyofAgriculturalSciences,Dezhou,Shandong253015,China; 2SchoolofEarthandEnvironment，AnhuiUniversityofScienceandTechnology，HuainanAnhui232001,China; 3CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,KeyLaboratoryofArableLandConservation(NorthChina)，MinistryofAgriculture,KeyLaboratoryofAgriculturalLandQuality，MonitoringandControl，theMinistryofLandandResources,Beijing100094,China)

【Objectives】 Long-term unreasonable use of concentrated chemical fertilizers brings unbalance supply of other nutrients, calcium, magnesium, sulfur, silicon and other trace elements fertilizers emerge as crop yield limiting and quality factors. This article is aimed to determine the optimum fertilization of silicon-calcium fertilizer (SiCa), nitrogen fertilizer (N) and phosphate fertilizer (P) in pepper. 【Methods】 A secondary saturation D-optimal design with three factors was applied to analyze the effect of nitrogen, phosphorus and silicon calcium fertilizer on yield and quality of pepper using the DPS software. According to data of pepper yield and quality got in 2013, regression equation between the pepper yield and quality and nitrogen, phosphorus and silicon calcium fertilizers was set up through optimizing the polynomial regression analysis first. Then, the feasibility of model, including main and single factors and factor interaction, was tested using F test of the equations and t test of the regression coefficients. The model decision was finally simulated by computer, and the fertilization scheme was put forward for the high yield and good quality of the pepper. 【Results】 The results of model analyses show that the impacts of Si-Ca, N and P fertilizers on the yield and quality of pepper are significant, and the interaction between the any two factors are also significant. In the coding range, taking the interaction effect of Si-Ca and N for a case, the interaction space with higher pepper yield is medium Si-Ca level with high N level, while the interaction space with better pepper quality is high Si-Ca level with medium N level. The affected orders of three factors on pepper yield are: N> P > Si-Ca, while the influences on the quality are opposite. Pepper yield and quality are improved with the applied amounts of Si-Ca, N and P increasing under the soil fertility level, and decreased under the high fertilization level. Through the computer simulation, when the yield reaches 4500-6000 kg/ha and the comprehensive score of quality is above 95, the optimal fertilization amounts of Si-Ca, N and P are 304.76-398.24 kg/ha, 220.05-263.26 kg/ha and 44.80-64.50 kg/ha respectively. Considering marginal utility, when the yield reaches 5916.23 kg/ha and the maximum economic benefit is 80548.64 yuan/ha, the optimal fertilization amounts of SiCa, N and P are 332.66 kg/ha, 250.58 kg/ha, 57.75 kg/ha respectively, and the ratio is 1: 0.75: 0.17. 【Conclusions】 The proper application of Si-Ca, N and P can increase the yield and quality, and regulate pepper nutrient absorption and other functions, but excessive application can cause a reduced yield, quality and so on. The model constructed can explain in detail the influence of three kinds of fertilizers on the yield and quality of pepper, and the interaction of the three fertilizers can be obtained through the simulation model.

pepper; nitrogen fertilizer; phosphate fertilizer; silicon calcium fertilizer; yield; quality; optimum fertilization

2014-01-26 接受日期： 2014-10-26

山东省现代农业产业技术体系项目(SDAIT-02-022-03)；国家公益性农业行业专项(201103004)；国家自然科学基金(41071153， 41471186)；农业部科研杰出人才及创新团队资助项目(2012)资助。

李子双(1979—)， 女， 山东平原县人， 硕士研究生，主要从事土壤水分、养分模型与植物营养方面研究。 E-mail： zishuangli@163.com。 * 通信作者 Tel： 010-62732963, E-mail： yfhuang@cau.edu.cn

S641.3; S606+.2

A

1008-505X(2015)02-0458-09