旱作区党参黑膜栽培施肥数学模型研究

孙新荣，仲彩萍，漆永红,张维彪，王玉华

(1.甘肃省渭源县农业技术推广中心，甘肃 渭源 748200；2.甘肃省农业科学院 植物保护研究所，甘肃 兰州 730070)

党参(Codonopsispilosula(Franch)Nannf.)为桔梗科多年生缠绕或直立草本植物。定西是著名的千年药乡，是全国药材的重要主产区之一。定西市渭源县2002年被中国农学会特产之乡组委会正式命名为“中国党参之乡”，所产党参以“条直、体胖、色白、质好”而著称，成为打赢脱贫攻坚战的有力举措。定西市大力推进质量兴农、绿色兴农，深入开展化肥使用量零增长行动，探索党参栽培化肥减量增效模式。

近年来，定西地区党参黑膜栽培面积不断扩大，2017年面积达1万hm2，成为旱作区党参栽培主要模式，所产党参条长、条粗，产量高，收益高。但是，随着药农一味追求高产，不断加大化肥施用量，经作者2015-2017年调查表明，667 m2施纯N 10.6～21.3 kg、P2O58.5～25.1 kg、K2O 0～7.2 kg，造成盲目施肥。目前，对于甘肃党参施肥研究方面，胡佳栋等[1]开展了中药材专用肥露地栽培施肥研究，龚成文等[2]开展露地栽培8个氮磷钾配方及施量研究，李莹莹等[3]研究了氮磷配施露地栽培施肥研究，对于党参施肥缺乏氮磷钾配施系统研究，党参黑膜栽培施肥模型尚不清晰。为此，笔者试验采用三因子五水平二次通用旋转组合设计[4]，在甘肃党参主栽区通过2 a试验研究，旨在找到党参黑膜栽培施肥与产量以及施肥纯收益的相关数学模型，为党参黑膜栽培施肥提供科学依据，实现化肥减量增效。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017-2018年在甘肃省渭源县新寨镇冯家庄村进行，海拔2 310 m，年降雨量460 mm，年平均气温4 ℃，≥10 ℃积温1 800 ℃。试验地土壤为山地黄绵土，耕作层基础地力见表1。

表1 供试土壤(0～25 cm)养分状况

1.2 试验材料

1.2.1 试验用化肥 氮肥用尿素(含N 46%)，磷肥用过磷酸钙(含P2O512%)，钾肥用硫酸钾镁(含K2O 24%)。

1.2.2 党参品种 供试党参品种为渭党3号。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 采用三因子五水平二次通用旋转组合设计,试验因子及编码值见表2。

表2 试验因子及编码值 (kg·hm-2)

1.3.2 栽植、田间管理及收获 试验共设20个处理，随机排列，小区面积23.8 m2(8.5 m×2.8 m),共20处理,2次重复。栽植时先整地施肥，随整地施入优质腐熟农家肥30 000 kg·hm-2，按小区量施入全部化肥，每小区栽植8行，整个生育期内不再追施。2017-2018年3月中旬开始栽植，行距40 cm，株距4 cm。第1行开好沟摆好苗子后，采用满益佳(1500 mL·hm-2、锐胜(3 000 mL·hm-2)进行均匀喷雾栽植沟和党参苗，预防党参根腐病。然后进行第2行开沟，并对第1行进行覆土，覆土后，在地的一头挖深10 cm，长40 cm的浅沟，将幅宽35 cm黑色地膜一头埋入，压好，拉紧地膜，使苗头正好在地膜外1～2 cm外为宜，边拉地膜边将地膜两侧边缘处压土，并每隔4～5 m压土腰带，防止风吹揭膜。然后栽植第3行，以此类推。同年秋季11月上旬收获。收获时每小区两边各去掉1行，以实收面积计产，晾晒干后称重并进行分级考种。

1.4 统计方法

结果数据用软件DPS进行处理。

2 结果与分析

2.1 回归方程

由表3资料得参试因子与产量(Y1)和施肥纯收益(Y2)的回归数学方程：

表3 试验处理方案及产量和施肥纯收益

(1)

(2)

方程(1)经失拟性检验，拟和良好(F1=4.63，F0.05(5,5)=5.05，即F1F0.01=4.94)。

方程(2)经失拟性检验，拟和亦良好(F1=4.63，F0.05(5,5)=5.05，即F1F0.01=4.94)。

说明参试因子对目标函数有极显著影响，该方程可用于决策党参主效因子的栽培水平。该模型在设计时已经过了无量纲线性编码转换，偏回归系数已经标准化。因此，从回归系数绝对值的大小可直接判断出各因子的贡献大小，其符号指出了正负作用效应。可见，主效应位次为x1>x3>x2，即氮效应>钾效应>磷效应。交互效应中x1x3>x1x2>x2x3，即氮钾互作效应>氮磷互作效应>磷钾互作效应，但是氮磷之间存在着负的互作效应，其余都为正互作效应。

2.2 施肥对产量的影响

2.2.1 N、P、K配施 对方程(1)求x1、x2、x3的一阶偏导数，并令其为0得方程组：

222.08908-469.11716x1-29.10000x2-39.63750x3=0

134.45452-29.10000x1-322.05664x2+2.02500x3=0

173.57762+39.63750x1+2.02500x2-259.84892x3=0

求解知，当编码值x1=0.5134、x2=0.3758、x3=0.7492时，方程实现最大产量3 690.23 kg·hm-2。此时施肥量为N 234.94 kg·hm-2、P2O5110.08 kg·hm-2、K2O 65.04 kg·hm-2。

求解施肥纯收益最佳施肥量知，当编码值x1=0.4806、x2=0.3381、x3=0.7010时，达最大施肥纯收益108 154.94 元·hm-2(现市场价N 4.08元·kg-1、P2O57.29元·kg-1、K2O 12.5元·kg-1；党参统货30元·kg-1)。

可见，N、P、K配施时党参最大产量施肥量与最大施肥纯收益施肥量非常接近。

(3)

并计算出N、P配施的交互效应值见表4。

表4 N、P肥对党参产量的交互效应 (kg·hm-2)

由表4可看出，不施K肥的情况下，当N施量为-1.682，即不施N肥时，产量先随P2O5施量的增大而增加，当P2O5施量越过1水平后减小。当N施量在-1≤x1≤1.682区间时，产量也先随P2O5施量的增大而增加，当P2O5施量越过0水平后则减小；当P2O5施量在-1.682≤x2≤1.682区间时，产量也先随N施量的增大增加，当N施量越过0水平后则减小。

N肥(或P肥)的增产效果因P肥(或N肥)的施量水平不同而不同。在笔者试验设计范围内,当P2O5取-1.682、-1、0、1、1.682水平时,平均每公斤N增产分别为1.91 kg、1.72 kg、1.45 kg、1.18 kg、0.99 kg，可见随P2O5施量增加，平均每公斤N肥的增产效应逐渐减小；当N取-1.682、-1、0、1、1.682水平时,平均每公斤P2O5分别增产

3.36 kg、2.99 kg、2.45 kg、1.91 kg、1.53 kg，可见随N施量增加，平均每公斤P2O5肥增产效应也逐渐减小。可见N、P配施时，若 P2O5(或N)施量较小，则单位N肥(或P2O5)增产效应较大，反之，则单位N肥(或P2O5)增产效应较小。在不施任何化肥(x1、x2、x3均取-1.682)时，产量最低，仅1200.07 kg·hm-2。

当编码值x1=0.3076、x2=0.3826时，方程(3)则实现N、P配施的最大产量2 932.16 kg·hm-2。

2.2.3 N、K配施 将x2=-1.682(不施P)代入产量方程(1)得：

(4)

并计算出N、K配施的交互效应值见表5。

表5 N、K肥对党参产量的交互效应 (kg·hm-2)

由表5可见，不施P肥时，当N施量为-1.682，即不施N肥时，产量先随K2O施量的增大而增加，当K2O施量越过0水平后减小。当N施量在-1≤x1≤1.682区间时，产量也先随K2O施量的增大而增加，当K2O施量越过1水平后则减小；当K2O施量在-1.682≤x3≤-1区间时，产量先随N施量的增大而增加，当N施量越过0水平后则减小。当K2O施量在0≤x3≤1.682区间时，产量也先随N施量的增大而增加，当N施量越过1水平后则减小。

当编码值x1=0.5292、x3=0.5742时，方程(4)则达N、K配施的最大产量3 005.87 kg·hm-2。

2.2.4、P、K配施 将x1=-1.682(不施N)代入产量方程(1)得：

(5)

并计算出P、K配施的交互效应值见表6。

表6 P、K肥对党参产量的交互效应 (kg·hm-2)

从表6看出，不施N肥，当P2O5施量在-1.682≤x2≤-1.682区间时，产量先随K2O施量的增大而增加，K2O施量越过0水平时则下降；当K2O施量在-1.682≤x2≤-1.682区间时，产量先随P2O5施量的增大而增加，P2O5施量越过1水平时则下降。

当编码值X2=0.5721、X3=0.4159时，方程(5)则达P、K配施的最大产量2 580.55 kg·hm-2。

2.2.5 N、P、K单施 对方程(1)中三因子分别取-1.682(不施)，使方程降维得单因子产量方程：

(6)

(7)

(8)

可解出当编码值x1=0.4356、x2=0.5589、x3=0.3983时，方程(6)、(7)、(8)则分别达N、P、K单施的最大产量2 543.88 kg·hm-2、2 008.69 kg·hm-2、1 762.34 kg·hm-2(图1)。依方程(6)、(7)、(8)再算出N、P、K单施的效应值见表7。

图1 N、P、K单施效应曲线

表7 N、P、K单施对党参产量的效应 (kg·hm-2)

2.3 最佳施肥方案

x10.308～0.749，x20.222～0.749，x30.422～0.899，即N 213～260 kg·hm-2，P2O5102～130 kg·hm-2，K2O 56～69 kg·hm-2。

3 结论

定西地区十年九旱，2017年出现初夏旱为欠水年，2018年降雨量偏多。笔者研究采用二次通用旋转组合设计，通过2 a试验研究党参黑膜栽培施肥模型表明，合理N、P、K配施可提高党参产量和收益，党参单根重、根粗、根长、等级都有明显提升。李莹莹等[3]、尹荣秀等[5]、彭锐等[6]在党参施肥研究中也得出一致结论。

张延红等[7]研究表明氮元素是党参生长发育最重要的元素，缺乏氮元素会造成党参根系短小，植株生长缓慢。胡佳栋等[1]研究表明适量氮肥有利于党参根直径和根生物量的提高。研究表明，黑膜党参大田肥料主效应中N肥效应最明显，平均单根重、平均单根长、平均单根粗、等级都是N肥的影响最为明显。互作效应中，NK、PK之间均存在着正的互作效应，但NP之间存在着负的互作效应。即当N施量在-1.682≤x2≤1.682区间时，随N施量增加，平均每kg P2O5肥增产效应逐渐减小；当P2O5施量在-1.682≤x2≤1.682区间时，随P2O5施量增加，平均每kg N肥增产效应逐渐减小。这与李莹莹等[3]在氮磷配施对党参产量研究中所得结论一致。说明，合理的氮磷施量有利于提高党参产量，党参黑膜栽培中，药农一味地增施化肥不但不增产，还会降低产量。

研究表明，K在地膜党参栽培中有极显著增产作用，主效应位次为N>K>P，交互效应中x1x3>x1x2>x2x3，这与药农长期习惯施肥有关。作者调查表明，60%以上药农施肥以氮磷肥为主，不施钾肥，导致土壤中有效磷含量增加，而速效钾含量降低。据土壤普查资料显示，渭源县新寨镇1986年平均土壤有效磷含量5.6 mg·kg-1、速效钾含量232.0 mg·kg-1，2017年平均土壤有效磷含量16.5 mg·kg-1、速效钾含量147.1 mg·kg-1。从丰缺程度来看，有效磷由1986年较缺水平提升到了低接近中水平，速效钾由1986年高水平下降到低水平。

研究中，优选出最佳施肥量N 213～260 kg·hm-2，P2O5102～130 kg·hm-2，K2O 56～69 kg·hm-2。N∶P2O5∶K2O质量比为1∶0.5∶0.3，这与龚成文等[2]研究结论相一致。说明该施量有效保证了黑膜栽培党参对N、P、K的需求，进一步说明，药农在党参黑膜栽培中不必增加化肥施量，以免造成化肥面源污染。

总之，研究只是在甘肃党参主产区渭源县进行了大田试验，研究结果具有一定区域局限性，而且只是进行了产量和收益研究。在今后的研究中，应对药效成分含量等进行检测，进一步验证配方在品质方面的应用效果。