基于响应面设计的红菜薹氮磷钾肥料效应研究

郑龙

（福建省莆田市农业技术推广站 福建莆田 351100）

红菜薹（Brassica campestrisL.ssp.chinensisvar.perpereaHort.），别名紫菜薹、红油菜薹，为十字花科芸薹属芸薹种白菜亚种的变种。红菜薹是我国的特产蔬菜，以柔软的花薹供食，品质脆嫩、营养丰富，起源于长江流域中部，湖南长沙、湘潭、湖北武汉、四川成都等地栽培历史悠久[1-9]。蔬菜施肥这一既与蔬菜生产者的经济效益密切相关，又与广大消费者的营养和健康直接相关，同时对人类生存环境有巨大影响的农业措施越来越受到人们的关注。过多的肥料投入不仅造成资源浪费，也会导致蔬菜品质下降[10-15]。红菜薹产量高、多次采收，需肥量大，生产中施肥随意性大，必须平衡施肥，在提高单产的同时，科学合理地确定化肥的施用种类、数量、比例和方法[16]。以露地红菜薹为研究对象，采用Box-Behnken中心组设计，通过氮磷钾肥不同用量对红菜薹产量影响的差异，探讨氮磷、氮钾和磷钾不同的施肥处理及其相互作用，旨在为红菜薹优质环保高产的大田施肥提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验设在福建省莆田市仙游县游洋镇，土壤为泥沙壤田，pH 6.2，有机质 12.7 g/kg，碱解氮149.6 mg/kg，速效磷 9.6 mg/kg,速效钾175.3 mg/kg。供试的红菜薹品种为合肥市合丰种业有限公司的‘十月鲜’红菜薹。供试肥料：尿素（含 N 46%，价格 3.0元/kg）；过磷酸钙（含P2O512%，价格0.9元/kg）；氯化钾（含K2O 60%，价格3.6元/kg）。

1.2 方法

1.2.1 试验设计以氮肥施用量(N)、磷肥施用量(P2O5)、钾肥施用量（K2O）作为试验因素，采用Box-Behnken中心组合设计3因素3水平方案，共17组试验[17-19]，3次重复，试验设计见表1。试验每小区面积10 m×2 m，畦带沟宽1 m，株距0.3 m，双行种植，试验于2020年10月15日移栽，苗龄 25 d。基肥 N占 30%，P占 100%，K占40%；11月10日第一次追肥，N、K各占10%；11月30日第二次追肥，N占30%，K占40%；2020年12月19日第三次追肥，N占30%，K占10%，其它田间管理同大田。2020年11月20日始收、2021年3月4日终采，各小区采用单采单收获取产量，每个施肥处理3个重复取其平均值，折算成每公顷产量。

表1 不同施肥处理红菜薹产量响应面试验设计单位：kg/hm2

1.2.2 数据分析试验结果用 WPS进行数据统计整理，利用Design Expert 12对数据进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对产量肥料效应模型

17个非自由组合施肥处理的红菜薹产量见表2。为了分析不同的施肥处理及其之间的相互作用对红菜薹产量的影响，结合表2的试验数据，对试验数据逐步回归拟合，得到其非线性规划的数学模型如下：

表2 不同施肥处理红菜薹产量响应面试验结果

产量=10.597 66+0.065 182 N+0.053 478 P2O5-0.009 920 K2O+0.000 052 N×P2O5+0.000 054 N×K2O+0.000 018 P2O5×K2O-0.000 124 N2-0.000 284 P2O52-0.000 028 K2O2

2.2 方差分析

由表3可知，该回归模型的F值为296.24，p＜0.001，失拟项不显著，说明模型中的变量对响应值具有显著的影响，模型与实际情况拟合较好。回归模型的相关系数R2=0.997 4，校正相关系数=0.994 0，方程对试验拟合较好，并具备较好的预测能力。变异系数 2.11%，小于 10%，说明试验结果具有较高的精密度和可靠性。方差分析表明，实际值与预测值之间拟合程度较好，试验误差小，真实可靠性高，可用该模型分析和预测氮磷钾施用量与红菜薹产量的结果[20-30]。

表3 不同施肥处理红菜薹产量Box-Behnken试验方差分析

数学模型的各项显著性表明，氮肥、磷肥、钾肥施用量均达到显著水平(p＜0.05)，氮肥、磷肥、钾肥施用量的二次项也达到显著水平，氮肥与钾肥、磷肥施用量之间的交互作用达到极显著水平（p＜0.01）。从F值判断，3个因素对红菜薹产量的影响程度由大至小为氮肥施用量＞磷肥施用量＞钾肥施用量。

2.3 两因素交互作用的响应面分析

图1～3为不同施肥处理红菜薹产量与N、P、K肥之间的响应面关系，在磷肥用量固定情况下，随着氮肥与钾肥用量的增加，响应值呈现先增大后减小的趋势。氮肥、钾肥用量固定情况下，产量呈现类似的趋势。氮肥与钾肥用量对红菜薹产量影响间的交互作用最强，氮肥与磷肥用量次之，磷肥与钾肥用量对红菜薹产量影响间的交互作用最弱。这可能是因为红菜薹产品器官以营养体为主，主要包括以嫩叶、嫩茎供食用。在所有必需营养元素中，氮是限制红菜薹生长和形成产量的主要因子，生长全期需氮最多，适当增施氮肥有利于红菜薹的生长，扩大植株的叶面积，促进光合作用，有利于碳水化合物的形成。磷、钾对红菜薹产量的效应虽较小，但增施钾肥有利于产量的形成。钾是许多酶的辅助因子，是体内各种重要酶反应的活化剂，且还能促进呼吸进程及核酸和蛋白质的形成和糖类的合成与运输；磷肥对单株产量的影响较小，但适当增施磷肥能促进红菜薹植株各种代谢的正常进行，使其生长发育良好

图1 红菜薹产量与氮磷肥之间的响应面关系

图2 红菜薹产量与氮钾肥之间的响应面关系

图3 红菜薹产量与磷钾肥之间的响应面关系

参与植株的呼吸和光合代谢以及ATP的形成，从而影响到产量的形成。对于氮磷钾互作机理还有待进一步研究。

2.4 不同施肥处理对红菜薹收益肥料效益模型

根据肥料和红菜薹价格，对试验数据逐步回归拟合，得到其非线性规划的数学模型如下：

收益=10 597.662 50+58.659 83 N+45.978 00 P2O5-15.276 43 K2O+0.000 052N×P2O5+0.053 868 N ×K2O+0.017 574 P2O5×K2O-0.123 944 N2-0.284 273 P2O52-0.027 928 K2O2

回归模型的F值为225.75，p＜0.001，失拟项不显著，回归模型的相关系数R2=0.996 6，校正相关系数=0.992 2，变异系数2.44%，说明模型中的变量对响应值具有显著的影响，实际值与预测值之间拟合程度较好，试验误差小，真实可靠性高，可用该模型分析和预测氮磷钾施用量与红菜薹收益的结果。

2.5 最佳肥料试验量

根据试验，综合考虑各个试验因素及其相互作用，由非线性规划的数学模型利用 Design-Expert软件最优模块分析预测模型极值点，结果显示，红菜薹最高的氮磷钾肥料施用量为氮肥329.23 kg/hm2N，磷肥129.60 kg/hm2P2O5，钾肥180.83 kg/hm2K2O，最高红菜薹产量为23.901 5 t/hm2。

文中的最高收益氮磷钾肥料施用量为氮肥260.97 kg/hm2N，磷肥105.04 kg/hm2P2O5，钾肥11.02 kg/hm2K2O，其中收益最高的红菜薹为20 581.7 元/hm2。

3 讨论与结论

氮磷钾对红菜薹的生长发育起的作用是相互联系、相互制约的。适量的施用氮肥能够促进红菜薹地上部分的生长，提高叶绿素含量和形成速率，增强光合作用，提高产量和品质；磷肥充足时能促进根系发育，增强植株的抗旱、抗寒能力和适应性，提高氮肥的利用率，使植株生长健壮，有利于植株体内的各种物质的转化和代谢；钾起调节生理功能的作用，钾肥充足时，能使植株生长健壮、茎秆坚实、叶片增厚，延迟叶片衰老，增强抗寒和抗病性。利用响应面分析法中的Box-Behnken中心组设计，从红菜薹栽培肥料高效利用角度出发，设置了氮磷钾3因素3水平试验，对试验结果进行二次回归拟合，探讨氮磷、氮钾和磷钾不同的施肥处理及其相互作用，寻求红菜薹适宜的肥料用量及比例，最后求出最佳值，以期为进一步提高红菜薹产量和肥料利用效率提供理论依据和技术指导。

本试验发现 NPK配合施用有利于红菜薹产量的提高，在一定施肥范围内氮磷钾之间存在相互促进的作用，红菜薹产量随着氮、磷、钾肥用量的增加呈现抛物线变化趋势，施肥过量不仅会增加投入成本，还会导致产量降低。这与前人结果一致[16,31-34]，也符合“报酬递减律学说”。戴希刚等[31]研究表明，不同营养液配方和营养液浓度对红菜薹水培产生重大影响，使红菜薹生长状况、产量和品质出现显著差异。施氮明显增加了红菜薹中后期叶片数和抽薹数及前期单薹重[32]。李国英等[33]研究表明，以铵态氮为氮源，且以N:P2O5:K2O= 3:l:1.2配比施肥时，红菜薹的产量和品质最佳。谢坚等[34]研究了不同氮肥施用量对红菜薹产量和品质的影响，结果表明适量施氮能够显著提高红菜薹的产量、经济效益及商品品质,红菜薹产量随氮肥用量的增加呈先增后降的趋势。红菜薹产量与氮、磷施用量成显著的回归关系，与对照相比各配方施肥处理红菜薹的产量均有所提高，生产上红菜薹最佳 N、P2O5、K2O配比为l:0.63:0.6l[16]。

通过分析得到 NPK施用量与红菜薹产量和收益数学模型如下：产量=10.597 66+0.065 182 N+0.053 478 P2O5-0.009 920 K2O+0.000 052 N×P2O5+0.000 054 N×K2O+0.000 018 P2O5×K2O-0.000 124 N2-0.000 284 P2O52-0.000 028 K2O2；收益=10 597.662 50+58.659 83N+45.978 00P2O5-15.276 43K2O+0.000 052N×P2O5+0.053 868N×K2O+0.017 574P2O5×K2O-0.123 944 N2-0.284 273P2O52-0.027 928K2O2。根据肥料和红菜薹价格，综合考虑各试验因素及相互作用，由二次多项回归方程，在试验条件下红菜薹最高收益氮磷钾肥施用量为氮肥260.97 kg/hm2N，磷肥105.04 kg/hm2P2O5，钾肥11.02 kg/hm2K2O，最高红菜薹收益为20 581.7元/hm2。