老压砂地氮磷钾肥配施的西瓜产量效应*
2022-01-08王西娜谭军利田军仓
王西娜， 白 云， 谭军利,3， 田军仓,3
(1.宁夏大学农学院 宁夏银川 750021； 2.宁夏大学土木与水利工程学院 宁夏银川 750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心 宁夏银川 750021)
宁夏中部干旱区自然环境恶劣，降雨量少，蒸发量大，当地群众因地制宜创造出了用铺砂保墒的栽培方式来种植西瓜[1]。目前，压砂西瓜产业已成为当地群众脱贫致富的重要途径，也是宁夏独具特色的优势名片[1]，种植面积已超过100万亩(1亩=667 m2,下同)。然而，由于地表覆砂造成施肥不便，土壤养分得不到及时补充，且在生产中存在重氮轻磷，少施甚至不施钾肥及微肥等现象，严重制约了压砂西瓜产业的可持续发展[2-3]。
根据土壤养分本底值及目标产量进行配方施肥是合理施肥的主要途径，但目前西瓜生产中普遍存在施肥不平衡的问题。据研究，江苏省西瓜主产区施肥现状为氮肥过高钾肥过低[4]，陕西省设施西瓜栽培农户的氮、磷、钾施肥量可分别减少46%、72%、57%[5]。因此，许多学者对西瓜最优施肥量进行了研究。杜少平等[6]推荐甘肃省砂田西瓜最适宜的N、P2O5、K2O的施用量依次为195.96～238.18、167.86～206.72、212.87～214.53 kg/hm2。马忠明等[7]研究指出,“陇抗9号”在施用氮肥为200 kg/hm2的基础上，磷肥和钾肥的最优施用量分别为170、260 kg/hm2。诸海焘等[8]发现在土壤肥力中等的条件下，上海地区西瓜产量最高时N、P2O5、K2O的施用量依次为150、105、240 kg/hm2。邓云等[9]认为河南省西瓜最优N、P2O5、K2O的施用量为303.9、162.9、214.4 kg/hm2。杨小振等[10]推荐西北旱区大棚西瓜N、P2O5、K2O施用量是163.05、66.85、202.18 kg/hm2。可见，各地区的气候环境、土壤基础肥力、试验品种和栽培模式不同，西瓜施用氮、磷、钾肥的适宜量存在明显差异。
目前，有关宁夏老压砂地西瓜氮磷钾肥配施耦合模型的研究鲜见报道。因此，本文拟通过建立老压砂地西瓜氮磷钾肥配施耦合模型，阐明肥料相互作用的机理，寻求肥料配施的最优方案，从而为压砂西瓜合理施肥，提高肥料利用率和高产优质提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验在宁夏中卫市兴仁镇拓寨村进行。该地属于宁夏压砂西瓜核心产区，位于北纬36°59′、东经105°15′，平均海拔1 723 m，多年年平均降水量约180 mm，年蒸发量为2 100～2 400 mm，试验地砂石覆盖层厚度15～25 cm。供试土壤为淡灰钙土，质地为砂壤土。0～20 cm土层基本理化性状：全氮质量分数为1.0 g/kg，有机质质量分数为6.39 g/kg，速效磷质量分数为6.2 mg/kg，速效钾质量分数为88 mg/kg，容重为1.42 g/cm3，田间持水量为27.7%。
1.2 试验设计
试验采用三因素二次回归通用旋转组合设计方法，设x1为氮(N)施用量、x2为磷(P2O5)施用量、x3为钾(K2O)施用量，γ=1.68，中心试验点m0=6，共设20个处理。小区面积为6 m×6 m，西瓜株行距1.5 m×2.0 m。供试肥料分别为尿素(N质量分数为46%，中化化肥有限公司)、普通过磷酸钙(P2O5质量分数为12%，山东鲁西化肥有限公司)、硫酸钾(K2O质量分数为50%，国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司)。试验氮磷钾肥用量编码及实际用量水平见表1。
表1 试验氮磷钾肥用量编码及实际用量水平
供试西瓜品种为金城五号(中卫市金城种业有限责任公司)，种子催芽后直接播种。所有肥料在播种前通过人工条播均匀施入小区。灌水方法采用穴灌，分别在伸蔓期、开花坐瓜期、西瓜膨大期进行，每次灌水量为75 m3/hm2，生育期灌溉定额为225 m3/hm2。其他田间管理措施均与当地常规相同。5月6日种植，8月15日收获。
1.3 数据分析
试验数据采用Excel 2010和DPS v7.05数据处理系统分析软件进行分析，用Origin 2018绘图分析软件作图。
2 结果与分析
2.1 回归模型的建立与检验
不同氮磷钾肥配施的西瓜产量见表2。
表2 不同氮磷钾肥配施的西瓜产量
老压砂地西瓜氮磷钾肥配施耦合模型可用二次回归旋转模型表示。根据表2产量结果，求得回归方程见式(1)：
(1)
对回归方程进行显著性检验，经计算得：F1=0.56
(2)
2.2 西瓜产量模型分析
2.2.1 主因素效应
由于在计算过程中应用的是无量纲线性编码代换，所求得的偏回归系数已不受因素取值的大小和单位的影响，即已标准化，其绝对值大小可以直接反映各因素对产量的影响程度。综合考虑偏回归系数及t检验值，可得出肥料对西瓜产量的影响以磷肥最大，氮肥和钾肥次之，说明磷肥是老压砂地西瓜产量的主要限制养分。
2.2.2 单因素效应
将回归模型式(1)中的氮、磷、钾3个因子中的2个固定在零水平，求得单因素对产量的回归子模型见式(3)～(5)：
(3)
(4)
(5)
图1 单因素肥料效应曲线
由图1可知，在设计范围内，氮肥、磷肥、钾肥3个因素对西瓜产量的效应均呈开口向下的抛物线。产量随着施肥量的增加而增加，当施肥量增加至一定程度时，产量反而下降，符合报酬递减规律。
氮肥的产量效应曲线表明：当氮肥水平从-1.682(75.0 kg/hm2)增加到-0.37(104.2 kg/hm2)时，产量由16 837.80 kg/hm2增加到17 122.49 kg/hm2，单位氮(N)的增产率为9.75 kg/kg；随着氮肥水平由-0.37(104.2 kg/hm2)增加到1.682(150.0 kg/hm2)，产量反而呈下降趋势，单位氮的减产率为15.15 kg/kg。磷肥的效应曲线表明：当磷肥从-1.682(90.0 kg/hm2)增加到1.20(128.6 kg/hm2)时，产量从10 344.40 kg/hm2增加到18 513.79 kg/hm2，单位磷(P2O5)的增产率为211.64 kg/kg；随着磷肥水平从1.20(128.6 kg/hm2)增加到1.682(135.0 kg/hm2)，产量呈下降趋势，单位磷的减产率为36.03 kg/kg。钾肥的产量效应曲线表明：当钾肥水平从-1.682(134.9 kg/hm2)增加到-1.14(149.4 kg/hm2)时，产量由17 173.54 kg/hm2增加到17 194.41 kg/hm2，单位钾(K2O)的增产率为1.44 kg/kg；随着钾肥水平从-1.14(149.4 kg/hm2)增加到1.682(225.1 kg/hm2)时，产量呈现了下降趋势，单位钾的减产率为7.60 kg/kg。可见，适量施用氮、磷、钾肥是压砂西瓜高产的保证，施肥量过低或过高均会引起产量下降。
2.2.3 因素间的交互作用
由回归方程交互项系数的t检验结果可知，氮肥与磷肥以及磷肥与钾肥的交互作用均达到较显著水平。为探讨氮磷以及磷钾同时对产量的耦合效应，对式(1)进行降维处理，分别将x3、x1固定在零水平，得到氮磷、磷钾交互方程见式(6)和式(7)：
(6)
(7)
根据式(6)和式(7)，求得氮磷、磷钾对西瓜产量的交互作用(见表3、表4)和效应曲面(见图2、图3)。
表3 氮磷对西瓜产量的交互作用
表4 磷钾对西瓜产量的交互作用
图2 西瓜产量氮磷效应曲面
图3 西瓜产量磷钾效应曲面
由表3和图2可知：若氮肥水平一定，随着磷肥水平由-1.682增加至1时，西瓜产量逐渐增加；当磷肥水平达到1时，高氮水平(1.682)的产量减少；当磷肥水平达到1.682时，中(0)、高氮(1、1.682)水平的产量均下降。在低磷水平(-1.682、-1)下，随着氮肥水平增加，产量逐渐增加；在中、高磷水平下，配施高氮的西瓜产量则呈下降趋势。说明在一定区间内，氮、磷对西瓜产量有正交互效应，低氮配中、高磷，中氮配中、高磷时产量较高；最高产量为22 176.6 kg/hm2时，氮、磷水平(用量)分别为-1.682(75.0 kg/hm2)和1.682(135.0 kg/hm2)。
由表4和图3可知：当钾肥水平为-1.682和-1时，随着磷肥水平由-1.682增加至1.682，西瓜产量逐渐增加；当钾肥水平等于0和1时，随着磷肥水平由-1.682增加为1，产量逐渐增加，当磷肥水平超过1时，产量反而减少。在低磷水平(-1.682、-1)下，随钾肥用量增加，西瓜产量逐渐增加；而在中磷(0)和高磷(1和1.682)水平下，配施高量钾肥的西瓜产量呈下降趋势。说明在一定区间内，磷、钾对西瓜产量亦有正交互效应，低钾配中、高磷，中钾配中、高磷时产量较高；最高产量为22 030.6 kg/hm2时，磷、钾水平(用量)分别为1.682(135.0 kg/hm2)和-1.682(134.9 kg/hm2)。
2.2.4 模型寻优
根据试验所得的优化数学模型，编制计算机程序，在-1.682～1.682内取7个水平(-1.682、-1、-0.5、0、0.5、1、1.682)，上机进行不同目标下的最优组合方案模拟。通过模拟求得342个组合方案，其中产量为2 500～9 500 kg/hm2的有22个组合，产量为9 500～14 000 kg/hm2的有56个组合，产量为14 000～20 000 kg/hm2的有236个组合，产量为20 000～26 500 kg/hm2的有28个组合。主要目标产量区间9 500～14 000、14 000～20 000 kg/hm2的施肥最优方案分别见表5和表6。
表5 西瓜产量9 500～14 000 kg/hm2寻优方案及频率
表6 西瓜产量14 000～20 000 kg/hm2寻优方案及频率
3 结语
本文建立了老压砂地西瓜氮磷钾肥配施耦合回归模型，经检验达到了极显著水平，可用于预报和指导生产。通过对模型进行主因素效应、单因素效应和交互作用分析得出，在老压砂地上，磷肥对西瓜产量的影响高于氮肥和钾肥的，这与杜少平等[6]在砂田西瓜上的研究和叶林等[11]在日光温室厚皮甜瓜上的研究结果一致，也与沈晖等[12]在压砂地甜瓜上的研究结果相同，均表现为磷肥对产量的影响最大。原因为灰钙土本身磷含量偏低，也可能是当地长期重氮肥、轻磷肥导致土壤中有效磷含量低。磷对作物生长发育、产量和品质形成起着十分重要的作用，众多研究表明增施磷肥能显著提高作物的产量和改善作物的品质[13-15]。因此，在压砂地，尤其是老压砂地上，适量补充磷肥是提高西瓜产量的重要措施。
氮磷、磷钾的交互作用较显著，而氮钾之间无明显的交互作用，这与杜少平等[6]的研究结果不同，需进一步探讨。在低氮和低钾水平时，西瓜产量随磷肥水平的增加而增加，这与马忠明等[7]的研究结果一致，即产量在低钾水平下随着磷肥从0增加到130 kg/hm2也增加。当氮肥和钾肥处于中、高水平时，西瓜产量随着磷肥水平的增加先增加后减少，与叶林等[16]发现日光温室西瓜产量在低氮水平时随着施磷量的增加而增加，在中高氮水平时先增加后减少的结果相同。表明两因素耦合在一定区间内对产量具有协同促进作用，要获得西瓜高产必须注意氮、磷、钾的合理配施。
通过计算机模拟，求得主要目标产量下的最优组合方案，当西瓜目标产量为9 500～14 000 kg/hm2时，氮肥水平为104.2～117.3 kg/hm2，磷肥水平为96.9～104.2 kg/hm2，钾肥水平为171.6～187.4 kg/hm2；当西瓜目标产量为14 000～20 000 kg/hm2时，氮肥水平为114.3～120.2 kg/hm2，磷肥水平为113.8～116.7 kg/hm2，钾肥水平为181.2～188.4 kg/hm2。这与以往对西瓜最佳施肥量的结果不尽相同[6-9]，其原因可能与土壤基础肥力、栽培模式、试验品种等密切相关[17-18]。可见，老压砂地土壤中磷是产量的限制因素，西瓜的磷肥效应大于氮肥和钾肥的，而氮、磷、钾肥合理配施是西瓜高产、优质的基础。
