3 因素5 水平配方施肥对牛蒡子产量的影响

莫太相 苏建华 刘世勇 张智洲 王 龙 杨瑞武 廖进秋 张 利

(1.中江县农业农村局 四川中江618100；2.四川农业大学理学院 雅安625014；3.四川农业大学小麦研究所 成都611130；4.四川农业大学生命科学学院 雅安625014）

牛蒡（Arctium lappa L.）又称为恶实、大力子等，菊科牛蒡属二年生草本植物。 其干燥成熟的果实又称为牛蒡子，具有疏散风热、宣肺透疹、解毒利咽之功效。 此外，还可用于风热感冒、咳嗽痰多、麻疹、风疹等疾病的治疗[1]。 牛蒡在四川、山东、陕西等省均有分布。 其中，四川省简阳、眉山等地的栽培种植面积较大[2-3]。 然而，如何提高牛蒡子产量和质量，仍是制约牛蒡产业化发展的难题。

随着我国中药材生产和经营逐步开放， 为满足市场需求，中药材种植面积和产量不断扩大。 然而，为了提高中药材的产量， 人们在种植过程中大量使用化学肥料， 形成了 “大量施加化肥—提高药材产量—土壤肥力下降—大量施加化肥”的恶性循环。 由此，引发了土壤板结、肥力下降、药材质量退化等一系列问题。 与传统中药材栽培模式相比，科学合理的施肥不但能满足药用植物生长发育过程中所需的养分，还符合绿色环保的现代农业理念，从而解决了一系列资源浪费、环境污染问题。 有研究表明，施加氮肥和钾肥分别为10 g/m2和5 g/m2时，金钱草的产量与对照组相比显著增加，而施加磷肥对产量无显著影响[4]。 梁琴等[5]研究表明，氮、磷、钾及有机肥的配施对川芎产量有显著影响，川芎高产的科学施肥方案为氮肥 148.20～172.28 kg/hm2、磷肥511.92～599.40 kg/hm2、钾肥 249.70～282.37 kg/hm2、 有机肥 940～1104 kg/hm2。一直以来， 各产地在牛蒡子种植过程中均存在肥料施用不合理、资源利用率低、牛蒡子产量差异大等问题。 因此，本研究采用3 因素5 水平二次正交旋转组合设计建模，探究氮、磷、钾施肥量对牛蒡子产量的影响。 同时，运用数学分析方法对施肥量进行优化，明确牛蒡子栽培时获得高产的科学施肥量， 减少资源浪费，减轻环境污染，为牛蒡子规范化种植提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

试验所用牛蒡种子为简阳市牛蒡种植基地人工栽种的牛蒡种子。 试验地位于中江县， 年平均气温16.7℃，年降雨量880 mm。 土壤类型为紫色土，有机质含量为 9～13 g/kg，有效氮为 70～80 mg/kg，有效钾为 100～140 mg/kg，有效磷为 10～14 mg/kg。 供试肥料为氮肥（尿素，含N 46.4%）、磷肥（过磷酸钙，含P2O512%）、钾肥（硫酸钾，含 K2O 60%）。

1.2 试验实施情况、设计与方法

2018 年 8 月 28 日种植，播种前浸种 12 h，均匀播撒在育苗地，待幼苗生长到2 叶期进行移栽。 试验采用3 因素二次回归正交旋转组合设计，共计23 个处理组。 田间设计参照刘世勇等[6]的研究。 小区完全按照随机分布排列，小区面积29.4 m2，厢宽1.5 m、长6 m， 错窝两行种植， 株行距均为0.7 m， 厢间留宽0.2 m、深0.2 m 的排水沟。

本试验采用3 因素5 水平二次回归正交旋转组合设计，以氮肥施用量（X1）、磷肥施用量（X2）、钾肥施用量（X3）为试验因素及其水平编码（表1）。

表1 因素水平及编码

施肥方式及时间：待幼苗移栽成活后，对氮、磷、钾肥采取分次施肥的方式。11 月30 日（幼苗期）进行第1 次施肥，占施用肥料总量的15%；次年3 月13 日（越冬后）进行第2 次施肥，占施用肥料总量的35%；5 月15 日（抽薹期）进行第3 次施肥，占施用肥料总量的50%。

7 月15 日将各处理小区牛蒡子采收， 统计其产量（Y）。

1.3 施肥因子优化

基于已经建立的牛蒡子产量与氮、磷、钾之间的函数关系模型，按照统计学方法进行边际效应、频数选优和模拟寻优分析， 最终确定牛蒡子栽培过程中的最优施肥量。

1.4 数据处理及统计方法

试验数据用DPS 18.0、Excel 2010 等软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 数学模型的建立

对各施肥处理后产量试验结果（表2），运用二次正交旋转设计进行回归分析，建立产量与氮、磷、钾施肥因子的数学模型：

表2 二次回归正交旋转组合设计试验结果

对上述回归方程进行F检验（表3）。 结果表明，回归方程显著性检验F2=10.58＞F0.01（10,14）=3.97，P2=0.001＜0.05，回归方程显著；回归方程失拟性检验F1=0.30＜F0.05（5,8）=3.69，P1=0.91＞0.05，说明试验回归方程拟合度好，所得模型可靠，可用该方程来预测和优化施肥方案。 一次项X1、X2，二次项X12、X22均达到极显著水平（P＜0.01），X1X2和X32达到显著水平（P＜0.05）。回归方程在α=0.01 显著水平时，剔除不显著性项，简化回归方程得：

表3 产量方差分析

2.2 单因素效应分析

在方程（1）、（2）中，回归系数表示各因素对牛蒡子产量的影响程度，其正负则反应影响趋势。 因此，可通过方程中一次项的回归系数绝对值判断其作用大小， 根据回归系数正负判断各因子对牛蒡子产量的影响趋势。 由此可知，氮、磷、钾3 因素对牛蒡子产量影响强弱顺序为磷肥＞氮肥＞钾肥。 通过显著性分析， 磷、 氮肥对牛蒡子产量的影响达到极显著水平（P＜0.01），而钾肥对其影响不显著（P＞0.05）。 为进一步分析单因素对牛蒡子产量的影响，通过降维法得到牛蒡子产量与氮、磷、钾肥的一元二次回归模型如下：

将各因素编码值代入以上模型， 可绘制得到单因素效应（图 1）。由方程（3）～方程（5）可得，单因素对牛蒡子产量的影响略有不同，其中，氮肥、磷肥的施用量对产量的影响趋势相近，在-1.682～1 时，产量增加，但超过1 水平后，产量下降；钾肥在-1.682～0 时，产量增加，但超过0 水平后，产量下降。 因此，过少或过多施用氮磷钾肥均会导致牛蒡子产量的下降，只有适宜的施肥配比才能增加牛蒡子的产量。

图1 牛蒡子产量的单因素效应

2.3 模拟寻优分析

对方程（3）～方程（5）求其一阶偏导，可得边际效应产量模型：

并由此得到边际效应（图2）。

图2 牛蒡子产量的边际效应

在低肥水平时，氮肥和磷肥的增产速率相近，而钾肥的增产速率最小，说明在低肥水平下，氮、磷肥对牛蒡子的增产效果较为明显； 随着肥力水平的增加，各因素对牛蒡子的增产效果降低，由方程（6）～方程（8）可知，下降的速率由高到低依次为氮肥、磷肥、钾肥。 当各因素边际效应为0 时，产量达最大值，此时X1=0.46、X2=0.64、X3=0.2。 因此，当牛蒡子产量达最高时，理论施肥量为氮肥19.13 kg/亩、磷肥13.55 kg/亩、钾肥12.76 kg/亩。

虽然已经建立了以产量为指标的理论模型，但在实际生产中的情况却更加复杂， 考虑到牛蒡子产量和中江县实际土壤状况，可将188.63 kg/亩作为牛蒡子高产指标。 采用频率分析法对回归模型进行优化， 将理论产量高于188.63 kg/亩的处理全部整理后，可得模拟寻优分析结果（表4）。

表4 产量模拟寻优分析

当牛蒡子产量在188.63 kg/亩以上时，氮肥和磷肥的编码值均在1 水平的频率最大， 分别为45%和42%； 钾肥的编码值在0 水平的频率达到最大，为31%。 即每亩施氮肥15.64 kg、 磷肥 16.15 kg、 钾肥17.18 kg。

在95%置信区间下， 当实际施肥量为氮肥16.45～17.48 kg/亩、 磷肥 12.45～13.06 kg/亩、 钾肥6.32～9.68 kg/亩时，可达高产。

3 讨论

本研究结果与崔明元等[7]认为牛蒡田尤其要重视氮肥施用的结论略有不同。 这可能是由于四川省等西南地区土壤中有机质、全氮、碱解氮含量丰富，而磷素不足导致[8]。 氮肥在植物生长过程中的作用主要体现在促进植株茎叶生长、 叶绿素合成及帮助植物根系吸收养分等方面[9]。 牛蒡主要以干燥成熟的果实入药，而磷肥则能有效促进植物形成饱满的花芽、增加穗粒等[10-11]。 因此，在四川等地以紫色土为背景的地区种植牛蒡时，以施用磷肥为主，有利于提高牛蒡子产量。 而在本试验中，钾肥对牛蒡子产量的影响不显著，这可能是由于紫色丘陵区的土壤中，全钾、速效钾等含量丰富[12]。 因此，导致了外源施加钾元素时，对牛蒡子产量的影响并不显著。 此外，施用钾肥可以提高甘薯块根中小型淀粉粒比例， 并增加块根支链淀粉含量，降低块根纤维素含量。 因此，钾肥在甘薯等块茎类需钾作物的种植过程中有着大量应用， 从而有效提作物产量及可溶性糖含量等营养成分[13]。因此钾肥对牛蒡根的增产作用可能远高于对牛蒡子的增产作用， 这应该是外源施钾对牛蒡子产量影响不显著的另一个重要原因。

4 结论

单因素分析表明， 对牛蒡子产量影响强弱顺序为磷肥＞氮肥＞钾肥，说明施用磷肥、氮肥对牛蒡子的增产效果显著，同时，结合中江县实际土壤情况，为实现牛蒡子高产，应该多施用氮肥、磷肥。 单施氮肥、磷肥有助于增加牛蒡子的产量， 而单施钾肥对产量的变化影响不大。

本研究采用3 因素5 水平二次回归正交旋转组合设计， 建立了氮磷钾配方施肥和牛蒡子产量的数学模型，通过模拟寻优分析，得出牛蒡子高产时最优施肥方案为氮肥 16.45～17.48 kg/亩、 磷肥 12.45～13.06 kg/亩、 钾肥 6.32～9.68 kg/亩。 但是，肥料对牛蒡子有效成分的影响还有待进一步研究。 此外，未来还可在本试验的结果基础上，添加微肥、有机肥等对牛蒡子进行肥效试验， 获得更加完善的配方施肥方案，为推广中药材牛蒡子的GAP 种植奠定基础。