基于“3414”试验的坝上草地施肥效应与推荐施肥量研究

陈奇乐，李智，李瑾璞，张美丽，张利，王树涛

(1 河北农业大学 资源与环境科学学院，河北 保定 071000；2 河北农业大学 国土资源学院，河北 保定 071000)

草原是地球生态系统的重要组成部分，在调节气候、涵养水源、固持碳素和防止沙尘暴等方面发挥着极其重要的生态功能[1]。另外，草原还具有生产力，适宜发展畜牧业，为牛羊提供饲料，为人类提供诸多利益[2]。近年来，由于过载放牧、气候变暖等人为和自然双重压力的影响，使得坝上地区草地出现了退化现象，导致草地生态环境恶化，威胁到京津冀地区的生态平衡[3]。草地退化的核心问题是草地植被和土壤的退化，合理的施肥不仅可以补充土壤养分满足牧草对营养物质的需求，提高牧草产量，改善牧草品质和植被群落，而且还可以恢复生态环境，因此研究草地施肥具有重要意义[4]。

草地施肥作为一项退化草地改良技术，一直是国内外草地改良研究的热点，但多数试验研究是对人工草地进行单一施肥或2种肥料混施[5-8]，对天然草地的施肥研究相对较少，尤其是对河北坝上草地施肥的研究更少。鉴于此，本试验采用氮磷钾三因素四水平的“3414”最优回归试验设计，研究氮磷钾3种肥料配施对张北坝上典型羊草草地牧草产量的影响，以期筛选出适合坝上地区草地施肥的最优氮磷钾组合，为退化草地施肥改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于河北省张家口市北部坝上高原区，国家牧草产业技术体系张家口综合试验站(察北)地处内蒙古锡林郭勒草原南缘，地理坐标为东经115°1′，北纬41°28′。海拔1 381.33 m，年均温1.4 ℃，年均降水量340～450 mm，土壤以栗钙土、草甸土为主，土壤pH 7.5～9.5，土壤有机质含量在2.5%左右[9]，全氮 1.29 g/kg，速效磷35.87 mg/kg，速效钾135.52 mg/kg。该地区的物种有羊草、针茅、冰草、芨芨草等优良牧草，伴有冷蒿、黄花蒿、麻花头、白莲蒿、狭叶柴胡、防风、野韭、唐松草、委陵菜、香蝇子草等多种杂类草，其中羊草为建群种，占有绝对优势，试验区见图1。

图1 试验区地理位置图Figure 1 The geographical location of experimental site

1.2 试验设计

采用“3414”最优回归设计[10]，设置氮磷钾3因素4水平，共14个处理，其中氮素0、1、2、3水平施氮量分别为0.00 kg/hm2、30.00 kg/hm2、60.00 kg/hm2、90.00 kg/hm2；磷素0、1、2、3水平施磷量分别为0.00 kg/hm2、45.00 kg/hm2、90.00 kg/hm2、135.00 kg/hm2；钾素0、1、2、3水平施钾量分别为0.00 kg/hm2、20.00 kg/hm2、40.00 kg/hm2、60.00 kg/hm2。每个处理重复3次，共计42个小区，田间设计采用完全随机区组设计。小区面积为4 m×5 m。试验开始于2019年5月中旬，施肥方式为人工撒施，施肥时间选择在下雨天或下雨之前，以确保肥效。供试肥料氮肥为尿素(N 46%)，磷肥为过磷酸钙(P2O516%)，钾肥为硫酸钾(K2O 51%)，具体试验设计方案见表1。

表1 “3414”试验设计方案和施肥量Table 1 The “3414” experimental design scheme and fertilizer quantity

1.3 样品采集

于2019年8月中旬进行采样。在每个小区内随机取3个1 m×1 m的标准调查样方，齐地刈割样方内植物地上部分，挑去杂质，装入信封，做好标记，带回实验室，105℃杀青30 min，65℃烘干48 h至恒重，称出各小区地上干物质量换算成牧草产量。

1.4 计算方法

根据吴志勇等[11]的研究采用SPSS 22.0软件进行一元二次、二元二次、三元二次三种类型肥效模型拟合，拟合方程公式如下：

Y=b0+b1x+b2x2

(1)

式中，Y为一元一次方程的牧草产量， 分别为N、P2O5、K2O中的任意一种肥料的施用量，b0为常数项，b1、b2为三元二次方程系数。

(2)

式中，Y为二元二次方程的牧草产量，x1、x2分别为N、P2O5、K2O中的任意两种肥料的施用量，b0为常数项，b1、b2、b3……b5为三元二次方程系数。

(3)

式中,Y为三元二次方程的牧草产量，x1、x2、x3分别为N、P2O5、K2O施用量，b0为常数项，b1、b2、b3……b9为三元二次方程系数。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2007进行数据整理；采用SAS进行差异显著性方差分析(one-way ANOVA)，采用SPSS 22.0进行三元二次、二元二次和一元二次方程的回归分析；采用Matlab进行理论产量及对应用肥量的计算。

2 结果与分析

2.1 不同氮磷钾配施的牧草产量效应

合理的施肥可补充土壤自身肥力的短缺，从而提高作物的产量[12]。不同氮磷钾配施下牧草的显著性分析结果见图2。

图2 氮磷钾配施对牧草产量的影响Figure 2 Effect of different N, P, and K fertilizers on grass yield

由图2可以看出，不同施肥处理下牧草产量不同。施用氮、磷、钾肥后草地牧草产量均有所增加。除N0P2K2处理外，其他处理与不施肥N0P0K0(CK)处理进行比较牧草产量均显著提高(P<0.05)。牧草产量居前5位的施肥处理依次是N2P2K2、N2P1K2、N1P2K2、N2P2K3、N2P2K1，产量分别为2 895.71 kg/hm2、2 556.48 kg/hm2、2 526.46 kg/hm2、2 502.32 kg/hm2、2 485.38 kg/hm2、分别比不施肥N0P0K0(CK)处理增产85.70%、63.95%、62.02%、60.48%、59.39%。

2.2 氮、磷、钾单种肥料的产量效应分析

单施氮、磷、钾肥料对牧草产量的影响结果可根据表1中编码分别为2、3、6、11；4、5、6、7；8、9、6、10的施肥处理对应牧草产量进行方差分析，分析结果见下表2。

表2 氮磷钾单种肥料的产量效应分析Table 2 Yield effect analysis of single fertilizer of nitrogen, phosphorus and potassium

注：表中同列不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

由表2可知，编码为2、3、6、11的施肥处理N0P2K2、N1P2K2、N2P2K2、N3P2K2，产量分别为1 826.38 kg/hm2、2 526.46 kg/hm2、2 895.71 kg/hm2、2 408.14 kg/hm2，可见随着施氮量的不断增加，牧草产量呈现出先增后减的趋势，且在N2P2K2水平下产量达到最高，显著高于其他施氮水平(P<0.05)；编码为4、5、6、7的施肥处理N2P0K2、N2P1K2、N2P2K2、N2P3K2，产量分别为1 994.73 kg/hm2、2 556.48 kg/hm2、2 895.71 kg/hm2、2 378.24 kg/hm2，可见随着施磷量的不断增加，牧草产量呈现出先增后减的趋势，且在N2P2K2水平下产量达到最高，显著高于其他施磷水平(P<0.05)；编码为8、9、6、10的施肥处理N2P2K0、N2P2K1、N2P2K2、N2P2K3，产量分别为2 027.81 kg/hm2、2 485.38 kg/hm2、2 895.71 kg/hm2、2 502.32 kg/hm2，可见随着施钾量的不断增加，牧草产量呈现出先增后减的趋势，且在N2P2K2水平下产量达到最高，显著高于其他施钾水平(P<0.05)。因此，草地牧草产量对氮、磷、钾元素的需求存在一个阈值，当氮、磷、钾肥量分别达到60.00 kg/hm2、90.00 kg/hm2、40.00 kg/hm2时，牧草产量达到最大值，后随施肥量增加牧草产量不在增加。

2.3 氮、磷、钾肥的互作效应分析

2.3.1 不同磷、钾肥用量对氮肥效果的影响 选取N1P1K2、N1P1K2、N1P2K2、N2P2K2、N1P2K1、N2P2K1处理，进行磷、钾肥用量对氮肥效果的影响分析，分析结果见下图3。

从图3可以看出，钾肥施用量在2水平(40.00 kg/hm2)时，低氮和中氮处理的牧草产量均随磷肥施用量的增加而增加，低氮和中氮处理增产量分别为147.40 kg/hm2和339.23 kg/hm2，增产率分别为6.20%和13.27%。磷肥用量在2水平(90.00 kg/hm2)时，随钾肥施用量的增加，低氮和中氮水平牧草产量分别增加67.90 kg/hm2和410.33 kg/hm2，增产率分别为2.76% 和16.51%。在中磷、中钾水平时，中氮处理的牧草产量均高于其他处理，说明在中磷、中钾施肥水平下最有利于氮肥效果的发挥。

图3 不同磷、钾肥用量对氮肥效果的影响Figure 3 Influence of different P and K contents on N fertilizer effect

2.3.2 不同氮、钾肥用量对磷肥效果的影响 选取N1P1K2、N1P2K2、N2P1K2、N2P2K2、N2P1K1、N2P2K1处理，进行氮、钾肥用量对磷肥效果的影响分析，结果见图4。

图4 不同氮、钾肥用量对氮肥效果的影响Figure 4 Influence of different N and K contents on P fertilizer effect

从图4可以看出，钾肥施用量在2水平(40.00 kg/hm2)时，低磷和中磷处理的牧草产量均随氮肥施用量的增加而增加，低磷和中磷处理增产量分别为177.42 kg/hm2和369.25 kg/hm2，增产率分别为7.46%和14.62%。氮肥用量在2水平(60.00 kg/hm2)时，随钾肥施用量的增加，低磷和中磷水平牧草产量分别增加159.28 kg/hm2和410.33 kg/hm2，增产率分别为6.64% 和16.51%。在中氮、中钾水平时，低磷、中磷处理的牧草产量均高于其他处理，说明在中氮、中钾施肥水平下最有利于磷肥效果的发挥。

2.3.3 不同氮、磷肥用量对钾肥效果的影响 选取表1中N1P2K1、N1P2K2、N2P2K1、N2P2K2、N2P1K1、N2P1K2处理，进行氮、磷肥用量对钾肥效果的影响分析，结果见下图5。

图5 不同氮、磷肥用量对钾肥的影响Figure 5 Influence of different N and P contents on K fertilizer

从图5可以看出，氮肥施用量在3水平(90.00 kg/hm2)时，低钾和中钾处理的牧草产量均随磷肥施用量的增加而增加，低钾和中钾处理增产量分别为26.82 kg/hm2和369.25 kg/hm2，增产率分别为1.09%和14.62%。磷肥用量在2水平(90.00 kg/hm2)时，随氮肥施用量的增加，低钾和中钾水平牧草产量分别增加88.18 kg/hm2和339.23 kg/hm2，增产率分别为3.68%和13.27%。在中氮、中磷水平时，中钾处理的牧草产量显著(P<0.05)高于其他处理，说明在中氮、中磷施肥水平下最有利于钾肥效果的发挥。

2.4 推荐施肥量分析

2.4.1 一元二次方程拟合 根据公式(1)，选用表1中编码为2、3、6、11；4、5、6、7；8、9、6、10的施肥处理与产量结果分别进行单施氮、磷、钾肥产量的一元二次肥料方程拟合分析，方程见下表3。

表3 一元二次方程拟合Table 3 Fitting of quadratic equation with one variable

注：*表示通过P<0.05检验。

由表3可知，利用Matlab软件对一元二次肥料方程进行求极值，可以求出N一元二次肥料方程理论最高产量2 822.91 kg/hm2，对应的施肥量N 55.68 kg/hm2、P2O590.00 kg/hm2、K2O 40.00 kg/hm2；P一元二次肥料方程理论最高产量2814.36 kg/hm2，对应的施肥量N 60.00 kg/hm2、P2O579.95 kg/hm2、K2O 40.00 kg/hm2；K一元二次肥料方程理论最高产量2 783.18 kg/hm2，对应的施肥量N 60.00 kg/hm2、P2O590.00 kg/hm2、K2O 38.62 kg/hm2。

2.4.2 二元二次方程拟合 根据公式(2)，利用SPSS软件将编码为2、3、4、5、6、7、10、11的处理进行氮、磷二元二次肥料方程拟合，编码为2、3、6、8、9、10、11、13的处理进行氮、钾二元二次肥料方程拟合，编码为4、5、6、7、8、9、10、14的处理进行磷、钾二元二次肥料方程拟合，方程见下表4。

表4 二元二次方程拟合Table 4 Fitting of quadratic equation with two variables

注：*表示通过P<0.05检验。

由表4可知，利用Matlab软件对二元二次方程求极值，算出NP二元二次肥料方程对草地作用的理论最高产量2 712.90 kg/hm2，对应施肥量N 56.69 kg/hm2，P2O580.60 kg/hm2，K2O 40.00 kg/hm2；NK二元二次肥料方程对草地作用的理论最高产量2376.20 kg/hm2，对应施肥量N 42.11 kg/hm2、P2O590.00 kg/hm2、K2O 25.96 kg/hm2；PK二元二次肥料方程对草地作用的理论最高产量2763.60 kg/hm2，对应施肥量N 60.00 kg/hm2、P2O580.33 kg/hm2、K2O 39.33 kg/hm2。

2.4.3 三元二次方程拟合 根据公式(3)，利用SPSS软件将“3414”施肥方案的14个氮磷钾配施量与牧草产量建立N、P、K 3种肥料用量与产量的三元二次回归方程，方程如下：

Y=1548.5253+15.1966N+12.8655P+11.8007K-0.2703N2-0.1104P2-0.4370K2+0.0453NP+0.2973NK+0.0639PK

经过F检验，F=18.52>F0.05，拟合优度R2=0.84，方程二次项系数均为负值，一次项系数均为正值，因此，施肥模型拟合成功。二次项系数均为负值，表明牧草符合肥料报酬递减律[13]；一次项系数均为正值，表明氮磷钾肥料均有明显的增产效果；互作项系数均为正值，表明氮磷、氮钾、磷钾肥料均为正向互作效应。利用Matlab软件对三元二次方程求极值，得出理论最高产量2 725.50 kg/hm2，对应施肥量N 56.10 kg/hm2、P2O581.25 kg/hm2、K2O 38.51 kg/hm2。

2.4.4 多种肥料效应方程汇总的施肥决策 将上述7种拟合方程计算的施肥量与产量进行汇总分析，见下表5。

表5 多种肥料效应方程的施肥决策

Table 5 Fertilization decision of multiplefertilizer effect equations kg/hm2

因素FactorsNP2O5K2O产量YieldN55.6890.0040.002 822.91P60.0079.9540.002 814.36K60.0090.0038.622 783.18PK60.0080.3339.332 763.60NPK56.1081.2538.512 725.50NP56.6980.640.002 712.90NK42.1190.0025.962 376.20

结果表明，各类型函数预测的最高产量从大到小依次为N一元方程、P一元方程、K一元方程、PK二元方程、NPK三元方程、NP二元方程、NK二元方程，但是几种方程计算出的推荐施肥量存在一定差异，其中氮肥以N一元方程和P一元方程的产量相近，但是N一元方程更接近于实际产量2 895.71 kg/hm2。磷肥同样以N一元方程和P一元方程的产量相近，但是N一元方程需要肥量较多。钾肥除NK二元方程外，其余需肥量相差不大，考虑实际牧草产量，应选择N一元方程的钾肥用量更好。综合以上几种肥料效应方程推荐施肥量结果，确定该地区最佳牧草产量的施肥量为N 55.68 kg/hm2、P2O579.95 kg/hm2、K2O 40.00 kg/hm2。

3 讨论

氮磷钾肥配施可以均衡补充草地植被营养元素，有利于植物养分积累，提高牧草产量，施肥不均衡会导致农业生态系统养分不均衡，土壤生产功能下降，牧草的产量受到限制[14]。在实际生产中肥料过量施用比较严重，不仅造成了资源浪费，又对环境造成不利的影响[15]。本试验结果表明，氮磷钾合理配施可显著增加牧草产量，3种肥料对牧草产量的影响由大到小依次为氮、磷、钾。并且3种肥料对牧草产量的影响存在阈值，当施肥量未达到阈值前随施肥量增加牧草产量增加，当达到阈值后随施肥量增加牧草产量减小，这一结果与白玉婷[16]、范富等[17]的研究结果一致，反映了肥料的报酬递减律[18]。

“3414”试验方案采用回归最优设计，处理少、效率高，可建立三元二次、二元二次和一元二次肥料效应回归方程模拟氮、磷、钾肥的最佳施用量[19]。近些年来，对“3414”施肥效应的研究多在农作物上，草地的研究相对较少。本研究结果显示，在张北坝上草地进行三元二次、二元二次、一元二次肥料效应方程的拟合优度在(0.73～0.84)之间，所以方程拟合较为成功。根据7种拟合方程综合分析得出最大牧草产量所对应施肥量为N 55.68 kg/hm2、P2O579.95 kg/hm2、K2O 40.00 kg/hm2，这一结果与杜青峰等[20]在内蒙古锡林郭勒退化典型草原研究结果得出的氮肥阈值50 kg/hm2左右基本相一致，可能是张北坝上草地属于锡林郭勒草原南缘，其草地类型和土壤类型相同的原因。

4 结论

在张北坝上典型羊草草地进行的施肥试验，氮磷钾3种肥料对牧草产量的影响由大到小依次为氮肥、磷肥、钾肥，随施肥量的增加牧草产量均呈现先后减趋势；综合各肥料拟合方程的最佳施肥量结果，建议该地区最大牧草产量的最适合施肥量为N 55.68 kg/hm2、P2O579.95 kg/hm2、K2O 40.00 kg/hm2。