3 因素5 水平配方施肥對(duì)牛蒡子產(chǎn)量的影響

莫太相 蘇建華 劉世勇 張智洲 王 龍 楊瑞武 廖進(jìn)秋 張 利

(1.中江縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 四川中江618100；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 雅安625014；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所 成都611130；4.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 雅安625014）

牛蒡（Arctium lappa L.）又稱為惡實(shí)、大力子等，菊科牛蒡?qū)俣晟荼局参铩?其干燥成熟的果實(shí)又稱為牛蒡子，具有疏散風(fēng)熱、宣肺透疹、解毒利咽之功效。 此外，還可用于風(fēng)熱感冒、咳嗽痰多、麻疹、風(fēng)疹等疾病的治療[1]。 牛蒡在四川、山東、陜西等省均有分布。 其中，四川省簡(jiǎn)陽(yáng)、眉山等地的栽培種植面積較大[2-3]。 然而，如何提高牛蒡子產(chǎn)量和質(zhì)量，仍是制約牛蒡產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的難題。

隨著我國(guó)中藥材生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)逐步開(kāi)放， 為滿足市場(chǎng)需求，中藥材種植面積和產(chǎn)量不斷擴(kuò)大。 然而，為了提高中藥材的產(chǎn)量， 人們?cè)诜N植過(guò)程中大量使用化學(xué)肥料， 形成了 “大量施加化肥—提高藥材產(chǎn)量—土壤肥力下降—大量施加化肥”的惡性循環(huán)。 由此，引發(fā)了土壤板結(jié)、肥力下降、藥材質(zhì)量退化等一系列問(wèn)題。 與傳統(tǒng)中藥材栽培模式相比，科學(xué)合理的施肥不但能滿足藥用植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中所需的養(yǎng)分，還符合綠色環(huán)保的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)理念，從而解決了一系列資源浪費(fèi)、環(huán)境污染問(wèn)題。 有研究表明，施加氮肥和鉀肥分別為10 g/m2和5 g/m2時(shí)，金錢(qián)草的產(chǎn)量與對(duì)照組相比顯著增加，而施加磷肥對(duì)產(chǎn)量無(wú)顯著影響[4]。 梁琴等[5]研究表明，氮、磷、鉀及有機(jī)肥的配施對(duì)川芎產(chǎn)量有顯著影響，川芎高產(chǎn)的科學(xué)施肥方案為氮肥 148.20～172.28 kg/hm2、磷肥511.92～599.40 kg/hm2、鉀肥 249.70～282.37 kg/hm2、 有機(jī)肥 940～1104 kg/hm2。一直以來(lái)， 各產(chǎn)地在牛蒡子種植過(guò)程中均存在肥料施用不合理、資源利用率低、牛蒡子產(chǎn)量差異大等問(wèn)題。 因此，本研究采用3 因素5 水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)建模，探究氮、磷、鉀施肥量對(duì)牛蒡子產(chǎn)量的影響。 同時(shí)，運(yùn)用數(shù)學(xué)分析方法對(duì)施肥量進(jìn)行優(yōu)化，明確牛蒡子栽培時(shí)獲得高產(chǎn)的科學(xué)施肥量， 減少資源浪費(fèi)，減輕環(huán)境污染，為牛蒡子規(guī)范化種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)所用牛蒡種子為簡(jiǎn)陽(yáng)市牛蒡種植基地人工栽種的牛蒡種子。 試驗(yàn)地位于中江縣， 年平均氣溫16.7℃，年降雨量880 mm。 土壤類型為紫色土，有機(jī)質(zhì)含量為 9～13 g/kg，有效氮為 70～80 mg/kg，有效鉀為 100～140 mg/kg，有效磷為 10～14 mg/kg。 供試肥料為氮肥（尿素，含N 46.4%）、磷肥（過(guò)磷酸鈣，含P2O512%）、鉀肥（硫酸鉀，含 K2O 60%）。

1.2 試驗(yàn)實(shí)施情況、設(shè)計(jì)與方法

2018 年 8 月 28 日種植，播種前浸種 12 h，均勻播撒在育苗地，待幼苗生長(zhǎng)到2 葉期進(jìn)行移栽。 試驗(yàn)采用3 因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，共計(jì)23 個(gè)處理組。 田間設(shè)計(jì)參照劉世勇等[6]的研究。 小區(qū)完全按照隨機(jī)分布排列，小區(qū)面積29.4 m2，廂寬1.5 m、長(zhǎng)6 m， 錯(cuò)窩兩行種植， 株行距均為0.7 m， 廂間留寬0.2 m、深0.2 m 的排水溝。

本試驗(yàn)采用3 因素5 水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，以氮肥施用量（X1）、磷肥施用量（X2）、鉀肥施用量（X3）為試驗(yàn)因素及其水平編碼（表1）。

表1 因素水平及編碼

施肥方式及時(shí)間：待幼苗移栽成活后，對(duì)氮、磷、鉀肥采取分次施肥的方式。11 月30 日（幼苗期）進(jìn)行第1 次施肥，占施用肥料總量的15%；次年3 月13 日（越冬后）進(jìn)行第2 次施肥，占施用肥料總量的35%；5 月15 日（抽薹期）進(jìn)行第3 次施肥，占施用肥料總量的50%。

7 月15 日將各處理小區(qū)牛蒡子采收， 統(tǒng)計(jì)其產(chǎn)量（Y）。

1.3 施肥因子優(yōu)化

基于已經(jīng)建立的牛蒡子產(chǎn)量與氮、磷、鉀之間的函數(shù)關(guān)系模型，按照統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行邊際效應(yīng)、頻數(shù)選優(yōu)和模擬尋優(yōu)分析， 最終確定牛蒡子栽培過(guò)程中的最優(yōu)施肥量。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用DPS 18.0、Excel 2010 等軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

對(duì)各施肥處理后產(chǎn)量試驗(yàn)結(jié)果（表2），運(yùn)用二次正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行回歸分析，建立產(chǎn)量與氮、磷、鉀施肥因子的數(shù)學(xué)模型：

表2 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)上述回歸方程進(jìn)行F檢驗(yàn)（表3）。 結(jié)果表明，回歸方程顯著性檢驗(yàn)F2=10.58＞F0.01（10,14）=3.97，P2=0.001＜0.05，回歸方程顯著；回歸方程失擬性檢驗(yàn)F1=0.30＜F0.05（5,8）=3.69，P1=0.91＞0.05，說(shuō)明試驗(yàn)回歸方程擬合度好，所得模型可靠，可用該方程來(lái)預(yù)測(cè)和優(yōu)化施肥方案。 一次項(xiàng)X1、X2，二次項(xiàng)X12、X22均達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），X1X2和X32達(dá)到顯著水平（P＜0.05）?；貧w方程在α=0.01 顯著水平時(shí)，剔除不顯著性項(xiàng)，簡(jiǎn)化回歸方程得：

表3 產(chǎn)量方差分析

2.2 單因素效應(yīng)分析

在方程（1）、（2）中，回歸系數(shù)表示各因素對(duì)牛蒡子產(chǎn)量的影響程度，其正負(fù)則反應(yīng)影響趨勢(shì)。 因此，可通過(guò)方程中一次項(xiàng)的回歸系數(shù)絕對(duì)值判斷其作用大小， 根據(jù)回歸系數(shù)正負(fù)判斷各因子對(duì)牛蒡子產(chǎn)量的影響趨勢(shì)。 由此可知，氮、磷、鉀3 因素對(duì)牛蒡子產(chǎn)量影響強(qiáng)弱順序?yàn)榱追剩镜剩锯浄省?通過(guò)顯著性分析， 磷、 氮肥對(duì)牛蒡子產(chǎn)量的影響達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），而鉀肥對(duì)其影響不顯著（P＞0.05）。 為進(jìn)一步分析單因素對(duì)牛蒡子產(chǎn)量的影響，通過(guò)降維法得到牛蒡子產(chǎn)量與氮、磷、鉀肥的一元二次回歸模型如下：

將各因素編碼值代入以上模型， 可繪制得到單因素效應(yīng)（圖 1）。由方程（3）～方程（5）可得，單因素對(duì)牛蒡子產(chǎn)量的影響略有不同，其中，氮肥、磷肥的施用量對(duì)產(chǎn)量的影響趨勢(shì)相近，在-1.682～1 時(shí)，產(chǎn)量增加，但超過(guò)1 水平后，產(chǎn)量下降；鉀肥在-1.682～0 時(shí)，產(chǎn)量增加，但超過(guò)0 水平后，產(chǎn)量下降。 因此，過(guò)少或過(guò)多施用氮磷鉀肥均會(huì)導(dǎo)致牛蒡子產(chǎn)量的下降，只有適宜的施肥配比才能增加牛蒡子的產(chǎn)量。

圖1 牛蒡子產(chǎn)量的單因素效應(yīng)

2.3 模擬尋優(yōu)分析

對(duì)方程（3）～方程（5）求其一階偏導(dǎo)，可得邊際效應(yīng)產(chǎn)量模型：

并由此得到邊際效應(yīng)（圖2）。

圖2 牛蒡子產(chǎn)量的邊際效應(yīng)

在低肥水平時(shí)，氮肥和磷肥的增產(chǎn)速率相近，而鉀肥的增產(chǎn)速率最小，說(shuō)明在低肥水平下，氮、磷肥對(duì)牛蒡子的增產(chǎn)效果較為明顯； 隨著肥力水平的增加，各因素對(duì)牛蒡子的增產(chǎn)效果降低，由方程（6）～方程（8）可知，下降的速率由高到低依次為氮肥、磷肥、鉀肥。 當(dāng)各因素邊際效應(yīng)為0 時(shí)，產(chǎn)量達(dá)最大值，此時(shí)X1=0.46、X2=0.64、X3=0.2。 因此，當(dāng)牛蒡子產(chǎn)量達(dá)最高時(shí)，理論施肥量為氮肥19.13 kg/畝、磷肥13.55 kg/畝、鉀肥12.76 kg/畝。

雖然已經(jīng)建立了以產(chǎn)量為指標(biāo)的理論模型，但在實(shí)際生產(chǎn)中的情況卻更加復(fù)雜， 考慮到牛蒡子產(chǎn)量和中江縣實(shí)際土壤狀況，可將188.63 kg/畝作為牛蒡子高產(chǎn)指標(biāo)。 采用頻率分析法對(duì)回歸模型進(jìn)行優(yōu)化， 將理論產(chǎn)量高于188.63 kg/畝的處理全部整理后，可得模擬尋優(yōu)分析結(jié)果（表4）。

表4 產(chǎn)量模擬尋優(yōu)分析

當(dāng)牛蒡子產(chǎn)量在188.63 kg/畝以上時(shí)，氮肥和磷肥的編碼值均在1 水平的頻率最大， 分別為45%和42%； 鉀肥的編碼值在0 水平的頻率達(dá)到最大，為31%。 即每畝施氮肥15.64 kg、 磷肥 16.15 kg、 鉀肥17.18 kg。

在95%置信區(qū)間下， 當(dāng)實(shí)際施肥量為氮肥16.45～17.48 kg/畝、 磷肥 12.45～13.06 kg/畝、 鉀肥6.32～9.68 kg/畝時(shí)，可達(dá)高產(chǎn)。

3 討論

本研究結(jié)果與崔明元等[7]認(rèn)為牛蒡田尤其要重視氮肥施用的結(jié)論略有不同。 這可能是由于四川省等西南地區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量豐富，而磷素不足導(dǎo)致[8]。 氮肥在植物生長(zhǎng)過(guò)程中的作用主要體現(xiàn)在促進(jìn)植株莖葉生長(zhǎng)、 葉綠素合成及幫助植物根系吸收養(yǎng)分等方面[9]。 牛蒡主要以干燥成熟的果實(shí)入藥，而磷肥則能有效促進(jìn)植物形成飽滿的花芽、增加穗粒等[10-11]。 因此，在四川等地以紫色土為背景的地區(qū)種植牛蒡時(shí)，以施用磷肥為主，有利于提高牛蒡子產(chǎn)量。 而在本試驗(yàn)中，鉀肥對(duì)牛蒡子產(chǎn)量的影響不顯著，這可能是由于紫色丘陵區(qū)的土壤中，全鉀、速效鉀等含量豐富[12]。 因此，導(dǎo)致了外源施加鉀元素時(shí)，對(duì)牛蒡子產(chǎn)量的影響并不顯著。 此外，施用鉀肥可以提高甘薯塊根中小型淀粉粒比例， 并增加塊根支鏈淀粉含量，降低塊根纖維素含量。 因此，鉀肥在甘薯等塊莖類需鉀作物的種植過(guò)程中有著大量應(yīng)用， 從而有效提作物產(chǎn)量及可溶性糖含量等營(yíng)養(yǎng)成分[13]。因此鉀肥對(duì)牛蒡根的增產(chǎn)作用可能遠(yuǎn)高于對(duì)牛蒡子的增產(chǎn)作用， 這應(yīng)該是外源施鉀對(duì)牛蒡子產(chǎn)量影響不顯著的另一個(gè)重要原因。

4 結(jié)論

單因素分析表明， 對(duì)牛蒡子產(chǎn)量影響強(qiáng)弱順序?yàn)榱追剩镜剩锯浄?，說(shuō)明施用磷肥、氮肥對(duì)牛蒡子的增產(chǎn)效果顯著，同時(shí)，結(jié)合中江縣實(shí)際土壤情況，為實(shí)現(xiàn)牛蒡子高產(chǎn)，應(yīng)該多施用氮肥、磷肥。 單施氮肥、磷肥有助于增加牛蒡子的產(chǎn)量， 而單施鉀肥對(duì)產(chǎn)量的變化影響不大。

本研究采用3 因素5 水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)， 建立了氮磷鉀配方施肥和牛蒡子產(chǎn)量的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)模擬尋優(yōu)分析，得出牛蒡子高產(chǎn)時(shí)最優(yōu)施肥方案為氮肥 16.45～17.48 kg/畝、 磷肥 12.45～13.06 kg/畝、 鉀肥 6.32～9.68 kg/畝。 但是，肥料對(duì)牛蒡子有效成分的影響還有待進(jìn)一步研究。 此外，未來(lái)還可在本試驗(yàn)的結(jié)果基礎(chǔ)上，添加微肥、有機(jī)肥等對(duì)牛蒡子進(jìn)行肥效試驗(yàn)， 獲得更加完善的配方施肥方案，為推廣中藥材牛蒡子的GAP 種植奠定基礎(chǔ)。