基于响应面法研究草莓滴灌肥水耦合管理模式

朱冬梅，仲海洲，石伟勇，冷明珠

(1.浙江大学 环境与资源学院 教育部 污染环境修复与生态健康重点实验室，浙江 杭州 310058;2.安吉县农业局，浙江 安吉 313300)

草莓是我国第2 大浆果，富含还原性Vc 和多种矿物质，营养价值极高［1］，有水果皇后之美誉。2010年全国草莓种植面积达到9.12 万hm2［2］，加强草莓水肥管理，尤其是在滴灌栽培条件下寻求充分发挥肥和水的激励机制和协同作用，是国际上草莓养分管理研究的一个重要内容［3］。响应面分析法集数学和统计学技术，用来建模和分析问题，获取有效的、最佳的变量，因此广泛应用于工艺参数的优化［4-5］。然而，响应曲面的变量都是某一固定的数值，能否实现非数值变量的建模分析尚无人研究。作者首次将非数值变量肥料品种和施肥强度用在红颊草莓肥水滴灌模式的选择上，肥水管理的好坏最终由作物的产量和品质决定，在控制产量条件下，糖酸比和还原性Vc 含量对草莓的品质起着重要作用。于是，将两者作为响应值确定草莓最佳肥水耦合模式，并得到最佳的肥水滴灌模式。现将有关试验结果报道如下。

1 材料与方法

1.1 材料

试验在安吉金手指果蔬专业合作社草莓基地进行。土壤基本理化性质，pH 值4.74、有机质20.46 g·kg-1、碱解氮181 mg·kg-1、有效磷59 mg·kg-1、速效钾279 mg·kg-1。

供试草莓品种为红颊。肥料品种，诺普丰为以色列产水溶性肥料，氮磷钾养分比例为14%，14%，30%+TE;腐植酸有机肥，氮磷钾养分比例为8%，7%，13%;MgNO3· 6H2O，KNO3，CaNO3·4H2O 由国药集团化学试剂有限公司提供的分析纯。

1.2 试验方法

草莓2011年9月10日移栽到大棚内，施入25 kg三元复合肥作为底肥。大棚采用钢管结构，双层膜保温，长88 m、宽8 m。草莓采用高畦种植，畦宽50 cm、畦高25 cm、畦间距30 cm，两边分别种植1 行，每条畦种植2 行草莓，共8 条。黑色地膜覆盖，PE 滴灌带及MixRite2502 比例施肥器。水泵总流量是20 m3·h-1，8只大棚同时打开，每次施肥时间20 min，每只大棚灌水量为0.83 m3，除了施肥灌水外，视天气情况酌情灌溉。施肥比例是先稀释2 倍，按照2%的吸肥比例，即稀释100 倍进行灌溉。大棚内草莓进行统一的田间管理。

从草莓现蕾期到第1 轮花序挂果旺盛期进行滴灌施肥。施肥频率10 d 1 次的草莓滴灌施肥日期为2011年11月20日，11月30日，12月10日，12月30日，2012年1月9日;施肥频率15 d 1 次的草莓滴灌施肥日期为2011年11月20日，12月5日，12月30日;施肥频率20 d 1 次的草莓滴灌施肥日期为2011年11月20日，12月10日，2012年1月9日。在12月10日施肥后所有处理顺延10 d，施肥量减为原来的1/3。草莓的采摘是从第1 批果实到元旦后，此期间草莓生长旺盛，可以维持每天采摘，价格较平时高，施肥刚好在此期间进行，比较有代表性，各个处理采摘下来的草莓立即放入-80℃冰箱中，待测定。

在实际应用响应曲面时，需要一个接近的模型来设计真正的响应面，即先进行单因素试验得到一个近似的条件［6］。作者直接根据草莓基地常规施肥模式及肥料使用说明，采用Box-Behnken 中心组合试验设计。选取施肥强度 (A)、肥料品种(B)、采摘日期 (C)作为响应曲面法自变量因素，以草莓糖酸比和还原性Vc 含量为响应值，进行17 组响应面分析试验。每组试验均设3个平行样，取其平均值。各响应因素-1，0，1 水平:C分别为2011年11月30日，2012年1月9日和2011年12月15日;B 分别为氮磷钾养分含量各15%三元复合肥，农之宝腐植酸有机肥和诺普丰以色列水溶肥;A 分别为每10 d 施三元复合肥45 kg·hm-2，农之宝腐植酸有机肥480 kg·hm-2，诺普丰以色列水溶肥24 kg·hm-2，每15 d 施三元复合肥67.5 kg·hm-2，农之宝腐植酸有机肥75 kg·hm-2，诺普丰以色列水溶肥5 kg·hm-2和每20 d施三元复合肥105 kg·hm-2，农之宝腐植酸有机肥108 kg·hm-2，诺普丰以色列水溶肥54 kg·hm-2。

1.3 分析测定方法

草莓的糖度测定采用ATAGO 公司生产的数字手持便捷折射仪PAL-1;有机酸 (以柠檬酸计)和还原性Vc 的测定分别采用鲍士旦主编的《土壤农化分析》中碱滴定法、2，4-二硝基苯肼比色法［7］。

1.4 数据分析

数据采用Microsoft Excel 2003 软件处理。并使用Design Experts6.0.5 软件对试验数据建立回归方程及曲面图，评价变量及其交互效应，得出草莓最佳肥水耦合模式。

2 结果与分析

2.1 响应面试验

试验结果见表1。

2.2 糖酸比

经多元回归拟合，得到草莓糖酸比 (YTS)对A，B，C 3个变量的二次多项式回归模型:

回归方程经显著性检验表明回归模型显著，且模型失拟项不显著 (Pts=0.093)［8］，表明残差由随机误差产生;Adeq Precision=5.903 ＞4 (信噪比S/N ＞4 表示可信度较强［9］)，说明该模型可以得到较强的响应信号;拟合度R2=0.875 7，=0.716 0，则说明此模型对试验拟合良好［10］，试验误差较小;因此，该模型回归方程可以用于分析和选择草莓肥水一体化的最佳管理模式。

表1 Box-Behnken 试验方案及结果

2.3 还原性Vc

经多元回归拟合，得到草莓还原性Vc 含量(YVC)对A，B，C 3个变量的二次多项式回归模型:

回归方程经显著性检验表明回归模型显著，且模型失拟项不显著 (PVc=10.72)，表明残差由随机误差产生;拟合度R2=0.872 2，R2Adj=0.707 9，说明该模型对试验的拟合度较好，试验误差小;由Adeq Precision=6.239 可知此模型可以得到较强的响应信号。

2.4 交互作用

根据等高线的形状判断各个因素交互作用的强弱，等高线为椭圆形时两因素交互作用显著，为圆形时两因素交互作用可忽略［11］。各个因素交互影响草莓糖酸比和还原性Vc 的等高线和响应曲面如图1-6。

图1 施肥强度与肥料品种交互影响草莓糖酸比的等高线和响应曲面

图2 施肥强度与采摘日期交互影响草莓糖酸比的等高线和响应曲面

图3 肥料品种与采摘日期交互影响草莓糖酸比的等高线和响应曲面

图4 施肥强度与肥料品种交互影响草莓Vc 的等高线和响应曲面

图5 施肥强度与采摘日期交互影响草莓Vc 的等高线和响应曲面

图6 肥料品种与采摘日期交互影响草莓Vc 的等高线和响应曲面

从图1 和图4 中可以看出施肥强度对草莓糖酸比、还原性Vc 含量的影响大于肥料品种，在虚拟施肥强度为0.07，肥料品种为0.04 时，糖酸比、还原性Vc 分别达到最大值3.26，0.442 2 mg·g-1。由于肥料品种和采摘日期为非数值的因素，它们代表的水平只能取整数。用响应面分析法得出含有小数的结果，以实际情况为准，代表水平取其靠近的真实值。因此，在实际生产中，无论选择何种肥料，只须其提供的养分比例相等即可。由图2和图5 中等高线的椭圆程度可以看出草莓在不同采摘日期和不同施肥强度下，糖酸比及还原性Vc 的响应曲面变化很大，在第3 次采摘，虚拟施肥强度为0.07 时，糖酸比、还原性Vc 达到最大值。而同一采摘日期，草莓糖酸比和还原性Vc 含量并没有随着施肥强度的增加而大幅度增加或者降低，维持在某一水平。这就为我们根据最佳的采摘日期确定最佳的肥水管理模式提供了可靠的依据。图3 和图6 则显示了在第3 次采摘时，肥料品种为农之宝腐植酸，其糖酸比、还原性Vc 达到最大值。而且同一采摘日期不同肥料品种，草莓糖酸比和还原性Vc 的变化趋势一致。据此获得优质草莓的最佳条件为:第3 次采摘，肥料品种为农之宝腐植酸有机肥、虚拟施肥强度0.07，此时糖酸比、还原性Vc分别可以达到理论值3.26，0.442 2 mg·g-1。

2.5 草莓生长后期抵抗病虫害、抗衰老的能力

使用农之宝腐植酸有机肥，强度为每15 d 75 kg·hm-2，其生长期间感染炭疽病、白粉病和灰霉病的数量明显低于其他处理;2012年2，3月份连续的阴雨天，造成第2 轮花序推后，结果率降低，浙江省内草莓大面积减产，但是此模式下的草莓仍然保持较强的生长势头。在2012年3月底，草莓新长出来的叶片深绿，每株草莓有4～5个花序，每轮花序上结果5～7个，使得草莓采摘周期延长到5月初，最终产量达到18 750 kg·hm-2。

2.6 最佳肥水管理模式

根据试验，综合考虑各个试验因素及其相互作用，结合后期草莓抵抗病害、开花结果能力，由二次多项回归方程，利用Design-Expert 6.05 设计软件优化草莓最佳的肥水管理模式为:草莓从现蕾期到第1 轮花序挂果旺盛期滴灌施肥，15 d 1 次，每次施入氮磷钾比例8%，7%，13% 的农之宝腐植酸有机肥75 kg·hm-2，MgNO3·6H2O 1.5 kg·hm-2，CaNO3·4H2O 1.5 kg·hm-2，KNO33 kg·hm-2，稀释2 倍，按照2%的吸肥比例滴灌20 min，2 次之后，顺延10 d，施肥量减为原来的1/3 再施1次。此模式下糖酸比和还原性Vc 的理论值分别为3.26，0.442 2 mg·g-1，实际值为3.25，0.441 2 mg·g-1，与理论预测值相差不大。草莓的品质好，后期的生长能力增强，产量高。

3 小结

试验表明，利用Box-Benhnken 中心组合设计草莓肥水耦合试验，大大优化了试验方案，减少试验工作量，是一种可行的试验设计方法。

响应面分析法首次用在非数值的最优模式筛选中，取得可靠的试验结果，说明响应面法可以应用在非数值的模型筛选。

以草莓的糖酸比和还原性Vc 含量为响应值的肥水耦合试验，得出草莓最佳的肥水耦合管理模式:草莓从现蕾期到第1 轮花序挂果旺盛期滴灌施肥，15 d 1 次，每次施入氮磷钾比例8%，7%，13%的农之宝腐植酸有机肥75 kg·hm-2，MgNO3·6H2O 1.5 kg· hm-2，CaNO3·4H2O 1.5 kg·hm-2，KNO33 kg·hm-2，稀释2 倍，按照2% 的吸肥比例滴灌20 min，2 次之后，顺延10 d，施肥量减为原来的1/3 再施1 次。此模式下糖酸比和还原性Vc 实际值为3.25，0.441 2 mg·g-1。在此模式的肥水管理条件下，草莓的灰霉病、白粉病及炭疽病的病情明显轻于其他的肥水管理。

［1］张桂霞，王英超，石璐.草莓果实成熟过程中Vc 和可溶性固形物含量的变化［J］.安徽农业科学，2011，39(12):6995-6996.

［2］农业部.中国农业统计资料 (2010)［M］.北京:中国农业出版社，2011.

［3］刘协广，龙志伟.水肥耦合对水稻干物质积累和产量形成的影响［J］.中国农技推广，2010，26 (2):37-39.

［4］Bappa A，Arunanshu S K，Souren M，et al.Experimental investigation on laser transmission welding of PMMA to ABS via response surface modeling ［J］.Optics ＆ Laser Technology，2012，44:1372-1383.

［5］Puri M，Sharma D，Barrow C J，et al.Optimization of novel method for the extraction of steviosides from Stevia rebaudiana leaves ［J］.Food Chemistry，2012，132:1113-1120.

［6］Bappa A，Arunanshu S K，Souren M，et al.Modeling and analysis of simultaneous laser transmission welding of polycarbonates using an FEM and RSM combined approach［J］.Optics ＆ Laser Technology，2012，44，995-1006.

［7］鲍士旦.土壤农化分析［M］.北京:中国农业出版社，2000.12.

［8］Rastogi N K，Rashmi K R.Optimization of enzymatic liquefaction of mango pulp by response surface methodology［J］.Eur Food Res Techno，1999，20:57-62.

［9］Benyounis K Y，Olabi A G，Hashmi M S J.Effect of laser welding parameters on the heat input and weld-bead profile［J］.Journal of Materials Processing Technology，2005，164-165:978-985.

［10］Acherjee B，Misra D，Bose D，et al.Prediction of weld strength and seam width for laser transmission welding of thermoplastic using response surface methodology ［J］.Optics＆ Laser Technology，2009，41 (8):956-67.

［11］魏安池，杨玲玲，代红丽，等.用响应面法优化芝麻饼中木脂素的提取工艺［J］.河南农业大学学报:自然科学版，2011，32 (4):10-15.