黄淮海地区紫花苜蓿氮磷钾肥料效应与推荐施肥量研究

张铁军, 赵忠祥, 龙瑞才, 吕会刚, 杨青川, 康俊梅*

(1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所， 北京 100193； 2. 沧州市农林科学院， 河北 沧州 061001)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)被誉为“牧草之王”。近年来，随着草牧业发展对优质苜蓿草产品需求的增加，苜蓿种植规模迅速扩大[1]。一批规模化、现代化和标准化的苜蓿生产基地与加工企业迅速崛起，迫切需要深入开展苜蓿高效生产管理研究作为技术支撑。

植物在生长发育过程中需要很多营养元素，尤其是生长多年的紫花苜蓿，仅依靠土壤提供养分是远远不够的[2-4]。施肥是紫花苜蓿高产不可或缺的管理措施，不同的施肥量和养分组合对紫花苜蓿的产量和品质产生较大的影响[5-7]。氮磷钾肥的合理施用一直是调控作物生长发育及产量和品质的主要措施[8-9]。苜蓿能够通过共生固氮得到氮素，但连续种植苜蓿会大量消耗土壤氮素，氮肥的用量并不是越多越好，适量的氮肥有一定的增产效果[10]。磷肥是限制紫花苜蓿高产的主要因子之一，钾肥对苜蓿的寿命、产量和品质有着至关重要的作用[5]。段玉等[11]研究表明，平衡施肥具有显著的增产效果，增施磷肥效果最好，其次是钾肥，氮肥仅在当年有效。谢勇等[12]研究指出，在坝上地区施氮可提高紫花苜蓿产量 8%～25%，施磷增产率在122%～172%，施钾降低紫花苜蓿产量0～12%。

有关氮磷钾不同施肥处理对紫花苜蓿产量的影响研究较多，但多数都是在土壤条件要求不严格的处理下进行的，而且不同区域气候、土壤和管理条件对施肥效果也有较大影响[13-16]。黄淮海地区是我国发展苜蓿产业的重点区域。本试验选择黄淮海地区苜蓿生产的典型区域沧州为试验点，以黄淮海地区当家苜蓿品种中苜3号为试验材料，连续二年研究了氮磷钾不同配比和施肥量对紫花苜蓿干草产量和品质的影响，以期为当地紫花苜蓿生产的科学施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2016年至2017年在河北省沧州市农林科学院前营试验站(43°36 N，122°22 E)进行，海拔高度178.51 m，为典型的温带大陆性季风气候。年平均气温12.5℃，极端最低气温-20℃，≥10℃活动积温3 184℃，无霜期150 d；年平均降水量610 mm，4-9月份降水量占全年降水量的92%。试验田土壤为中壤土，pH值7.97，含盐量0.11%，0～30 cm深土壤有机质含量8.6 g·kg-1，碱解氮97.14 mg·kg-1，速效磷13.97 mg·kg-1，速效钾206.53 mg·kg-1。为河北省东部沿海农区的典型地域。前茬作物为玉米。

1.2 试验材料

试验材料为中苜3号苜蓿(MedicagosativaL. ‘Zhongmu No.3’)，供试氮肥为尿素(N≥46.3%)，磷肥为过磷酸钙(P2O5≥14%)，钾肥为硫酸钾(K2O≥50%)。

1.3 试验设计

根据农业部《测土配方施肥技术规范(试行)》中推荐的“3414”施肥方案设计(表1)，设氮、磷、钾三个因素四个水平，共14个处理。随机区组，3次重复，小区面积30 m2(5m×6m)。试验田苜蓿于2014年5月5日播种。播种之前精细整地，采用人工进行开沟条播，沟深为 1～3 cm，行距为30 cm。试验于2016年至2017年进行，肥料每年分两次施入。2016年9月中旬最后一次刈割后施入年总量的一半，另一半在2017年5月第一次刈割后施入。采用人工开沟施肥，在两行间施入，施肥深度10-15cm，施肥后立即覆土。根据田间实际情况人工除草，防治病虫害。

1.4 测定项目与方法

1.4.1草产量测定 草产量测定在初花期，留茬高度为5 cm，全年共收获4次。第一茬至第四茬的收获期分别为2017年5月15日、6月19日、7月25日和9月2日。

每个小区全部刈割后，测定鲜草产量。从每个小区随机取1千克的鲜草样品，剪成3～4cm长，置于烘箱中，在105℃烘干48小时至恒重，计算干鲜比。综合鲜草产量与干鲜比换算成单位面积干草产量。将每年各茬次产量相加，计算获得各年份的年产量。

1.4.2草品质测定 保留第一茬测定干鲜比的苜蓿干草样品用于品质检测。将烘干样粉碎，过1 mm筛，在低温、避光、隔热条件下保存。苜蓿干草样品采用FOSS公司的NIR System5000近红外光谱分析仪扫描分析品质。工作参数：波长范围1 100～2 500 nm，波长间隔2 nm，每个样品重复装样及扫样3次，取平均值，并转化为log1/R形式记录光谱数据。定标软件为WinISI Ш，工作条件室温25℃稳定。测定指标包括粗蛋白、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维、磷、钾共五个指标。

表1 试验处理及施肥量Table1 Experiment treatments and fertilizer rates

1.5 数据处理

运用DPS软件的一般线性模型(GLM)、方差分析(ANOVA)和“3414”试验设计统计分析模型对数据进行统计分析，应用Excel 2010 软件进行基础数据分析及曲线图绘制[17]。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理干草年产量的比较

由表2可知，氮、磷、钾不同施肥水平和组合处理下，中苜3号苜蓿品种的干草年产量均高于不施肥的处理。其中，干草年产量居前5位的施肥处理编号依次是处理3，12，2，13，10。产量均超过23 000 kg·hm-2，分别比不施肥的处理增产15.23%，14.72%，13.58%，13.12%和12.94%。

2.1.1产量模型的建立 试验设计矩阵及产量结果列入表2，对施肥方案的编码值与产量结果经计算，建立了氮、磷、钾3种肥料用量与产量的回归方程：

(1)

经F检验，F值= 51.3858，P值= 0.0009，决定系数R2= 0.9914。方差分析表明，上述模型拟合性好，反映了紫花苜蓿干草产量与氮、磷、钾三个主要可控因子的相关关系，可以用于决策紫花苜蓿的合理施肥。

表2 氮、磷和钾肥对紫花苜蓿干草年产量的综合效应Table 2 The comprehensive effects of N,P and K fertilizer on annual yield of Medicago sativa L. cv. Zhongmu No.3

2.1.2各施肥因子独立效应分析 对回归式Y分别固定X2与X3，X1与X3，X1与X2，可获得X1、X2、X3各施肥试验因子对产量影响的独立效应降维方程如下：

(2)

(3)

(4)

从上述方程式可看出，各施肥因子对产量的独立效应均呈二次抛物线形。独立效应的大小顺序为X2>X3>X1，说明氮、磷、钾对中苜3号干草产量的效应依次为磷肥>钾肥>氮肥(图1)。

2.1.3因素间交互效应分析 对产量方程的交互项系数进行t检验。结果表明，N，P互作达到显著水平，固定1个因素X3，可获得Xl与X2两个因素对产量影响的交互效应降维函数式如下，分析资料见表3。

图1 氮、磷、钾肥对苜蓿干草产量的独立效应Fig.1 The effect of N,P,and K fertilizer on alfalfa hay yield

表3 施氮和磷肥对苜蓿干草产量的交互作用Table3 Interaction of nitrogen and phosphorus fertilizer on alfalfa hay yield/kg·hm-2

由表3数据可以看出，当钾肥为0水平时，氮肥施(N1水平)5 kg，磷肥施(P2水平)60 kg时，苜蓿产量最高，为22 549.2 kg·hm-2。当钾肥为0水平时，氮肥施(N3水平)15 kg，磷肥施(P3水平)90 kg时，苜蓿产量最低，为19 861.5 kg·hm-2。还可以看出，N、P互作效应在施氮1水平下最大。说明在较低的施氮水平下，N和P互作效应有利于增产。

2.1.4模型的最优解 最高产量必须是回归方程的极点偏导数等于零，联立求解。在本试验条件下，可获得最高产量Ymax=23 918.2 kg·hm-2。其相应的施肥方案为：施N 4.1 kg·hm-2，施P2O548.5 kg·hm-2，施K2O 270.0 kg·hm-2。

2.2 不同施肥处理下苜蓿草品质的比较

在紫花苜蓿初花期分析测定了中苜3号苜蓿干草的营养物质含量，结果如表4所示。在14个氮、磷、钾肥配施处理中，处理7(N2P3K2)的粗蛋白含量均最高，其次是处理8(N2P2K0)。处理组合3(N1P2K2)和8(N2P2K0)的酸性洗涤纤维含量最低，均低于35%。处理组合7和14(N2P3K2和N2P1K1)中性洗涤纤维含量最低。

表4 不同施肥处理对苜蓿干草品质的影响Table 4 The effects of fertilizer treatments on hay quality of Medicago sativa L. ‘Zhongmu No.3’

注：同列数值后不同字母表示差异显著(P<0.05)

Note:Different letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 level

2.2.1不同施氮水平下营养物质含量的比较 不同的N，P，K水平处理下，初花期各营养物质的含量由图2可见。随着氮肥施入量的增加，中苜3号苜蓿初花期的营养成分呈现不同的变化。粗蛋白的含量随N肥的增加表现出先降低再升高的趋势，在N3施肥水平时粗蛋白含量达到最高值21.66%。方差分析表明，N0水平与N3水平间粗蛋白含量差异显著(P<0.05)，酸性洗涤纤维含量随氮肥施用水平的增加呈先增加后减少的趋势，N2水平与不施肥N0水平间酸性洗涤纤维含量差异显著。中性洗涤纤维含量随氮肥施用水平的增加呈减少的趋势，在N3施肥水平时中性洗涤纤维含量达到最低值52.34%。方差分析表明，N3水平与不施肥的N0水平间中酸性洗涤纤维含量差异显著(P<0.05)。磷的含量表现为上升趋势，在N3施肥水平时达最高值0.35%，N1水平与N3水平处理的磷含量间差异显著；钾的含量表现为先上升后降低的趋势，N1水平与N3水平处理的钾含量间差异显著(P<0.05)。

图2 施氮水平对中苜3号苜蓿干草品质的影响Fig.2 Effect of N rates on hay quality of Medicago sativa L.’ Zhongmu No.3’

2.2.2不同施磷水平下营养物质含量的比较 由图3可见，随磷肥施用量的不同中苜3号苜蓿各营养成分的变化也不同。粗蛋白的含量随磷肥的增加呈逐渐升高的趋势，在P3施肥水平含量最高达到23.17%，在P0施肥水平时含量最低。方差分析表明，P0施肥水平与P3施肥水平粗蛋白含量差异显著(P<0.05)，其他施肥水平的粗蛋白含量差异不显著。酸性洗涤纤维含量随着磷肥的施用量增加呈逐渐降低的趋势，P3水平含量最低，为35.11%。方差分析表明，P3施肥水平与不施磷肥的P0，P1，P2施肥水平间酸性洗涤纤维含量差异显著(P<0.05)；中性洗涤纤维含量随着磷肥的施用量增加表现出先减少后增加，但总体呈逐渐降低的趋势，P3水平含量最低为50.7%，P3施肥水平与不施磷肥的P0及P1，P2施肥水平间中性洗涤纤维含量差异显著；磷的含量随施P水平的增加变化不大；钾的含量随施P水平的增加变化较小。

图3 施磷水平对中苜3号苜蓿干草品质的影响Fig.3 Effect of P rates on hay quality of Medicago sativa L. ‘Zhongmu No.3’

2.2.3不同施钾水平下营养物质含量的比较 由图4可见，中苜3号苜蓿的粗蛋白含量随钾肥施用量的增加先降低后升高，K3施肥水平粗蛋白的含量最高，达到20.54%。方差分析表明，K3施肥水平与K0，K1，K2粗蛋白含量差异显著(P<0.05)，而K0与K2的粗蛋白含量差异不显著。酸性洗涤纤维的含量是先升高后降低，K3施肥水平酸性洗涤纤维含量最低，为35.9%，K3与K1酸性洗涤纤维含量差异显著。中性洗涤纤维的含量随钾肥施用量的增加先升高后降低，K2施肥水平中性洗涤纤维的含量最低，为52.7%。方差分析表明，K2施肥水平与K0，K1施肥水平中性洗涤纤维含量差异显著。磷的含量随施K水平的增加变化很小；钾的含量随施K水平的增加呈先降低后升高的趋势，但变化幅度较小。

图4 施钾水平对中苜3号苜蓿干草品质的影响Fig.4 Effect of K rates on hay quality of Medicago sativa L. ‘Zhongmu No.3’

3 讨论

施肥是紫花苜蓿栽培管理技术中的重要一环，合理施肥可以显著提高苜蓿的干草产量[18]。谢勇等[12]研究表明，在半干旱地区施氮能促进紫花苜蓿增产。本试验结果表明，施肥对苜蓿产量的提高和苜蓿品质的改善均有积极的影响。根据氮、磷、钾单因素和双因素肥料效应对苜蓿产量的影响，不同氮、磷、钾量施用量对苜蓿产量均有显著影响，能很好地表现出产量与肥料效应。氮、磷、钾在一定的水平内，苜蓿产量随着施肥量的增加而增加，而到达一定水平后苜蓿产量增幅反而有所降低。这与范富[16]等的研究结果一致。贾珺[15]等研究结果表明，不同NP配施能大幅度提高紫花苜蓿产量，增产幅度为8. 98%～43. 42%，其中以N 30 kg·hm-2+ P2O5120 kg·hm-2施肥处理最为经济。本试验研究结果表明，当钾肥为0水平时，氮肥施5 kg，磷肥施60 kg时，苜蓿产量最高，为22 549.17 kg·hm-2。当钾肥为0水平时，氮肥施15 kg，磷肥施90 kg时，苜蓿产量最低，为19 861.48 kg·hm-2。说明在较低的施氮水平下，N，P互作效应有利于增产。

施磷、钾肥可促进苜蓿根瘤形成，提高根瘤活性，进而增加苜蓿蛋白质含量，提高苜蓿品质[19-20]；磷肥对苜蓿增产效果十分明显，并且氮、磷、钾肥之间存在相互促进作用[21]。施NPK复合肥明显促进了紫花苜蓿叶中氮含量，而对磷含量影响不明显[22]。紫花苜蓿中粗蛋白含量越高，中性洗涤纤维含量越低，相对饲用价值越大，其营养价值越高[23]。本试验研究结果表明，随着氮肥、磷肥、钾肥施入量的增加，苜蓿粗蛋白的含量总体表现出升高的趋势，酸性洗涤纤维含量随施肥水平的增加呈下降的趋势，而P、K含量变化不明显。氮、磷、钾不同肥料肥效的发挥受环境条件的影响很大，针对不同区域土壤理化指标、气候条件及苜蓿草地需肥规律应进行长期定位试验，找出适合当地条件的最佳施肥配比、施肥量、施肥时期和施肥方式。鉴于本试验在紫花苜蓿初花期所测鲜草营养成分含量与l4个N，P，K肥配施处理各施肥量之间不呈回归关系，而直观比较结果规律性又不明显，说明紫花苜蓿的植物营养、供试土壤养分肥力与N，P，K肥之间的关系极为复杂，有待今后深入探讨。

4 结论

在河北沧州地区，影响中苜3号苜蓿干草产量高低顺序为磷肥>钾肥>氮肥。该品种在施N 4.10 kg·hm-2，施P2O548.47 kg·hm-2，施K2O 270 kg·hm-2时可获得最高产量23 918.2 kg·hm-2。

在本试验处理中，处理7(N2P3K2)粗蛋白含量最高，为22.45%，处理6(N2P2K2)粗蛋白含量最低，为16.87%，酸性洗涤纤维含量最低的处理3(N1P2K2)，为34.14%，最高的处理13(N1P2K1)，为39.69%；中性洗涤纤维的含量最低的处理7(N2P3K2)，为51.27%，最高的处理9(N2P2K1)，为60.29%；相对饲用价值最大的为处理7(N2P3K2)，为111.36。综合分析，中苜3号苜蓿初花期处理7(N2P3K2)的营养价值较高。