宁夏半干旱区配比施肥对籽粒苋种子产量的影响*

米世明，兰 剑，2

（1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学现代草业工程技术研究中心，宁夏 银川 750021）

宁夏盐池县属半干旱农牧交错区，干旱缺水，生态环境恶劣，是典型的雨养农业区，长期以来农业生产水平低而不稳[1-2]，因此，提高作物产量是该区域农业发展的关键。施肥是提高作物产量的主要措施之一，根据联合国粮农组织（FAO）的相关资料，发展中国家，施肥可提高作物产量51.4%，我国为40%左右[3]。氮是植物叶绿素以及各种酶合成的必要因素，能够提高作物单位面积有效穗数和穗粒数，缺氮会限制植物生长发育和作物产量[4]；磷是核酸、核蛋白的必要成分，对后期的籽粒数、千粒重有促进作用，从而提高作物产量[5]；在植物营养中，钾元素参与作物新陈代谢，增强作物抗逆性[4]。前人研究表明：在不施肥的条件下难以满足作物高产的需求，而盲目增加施肥量会导致肥料利用率低、土壤退化和环境污染[6-7]。

籽粒苋(Amaranthus hypochondriacus L.)为苋科苋属一年生粮、饲兼用型作物，高产、优质、抗逆性强，富含蛋白质、脂肪、膳食纤维、维生素及矿物质，其中蛋白质含量约为17%，钾、镁、钙和铁等矿物质含量是普通作物的几倍甚至是几十倍[8-10]。目前，国内外对籽粒苋在食品加工、品种选育与栽培、饲料方面的研究较多，但在氮、磷、钾配施对籽粒苋种子产量影响方面研究鲜见报道[11-16]。近年来，随着国家对农业种植结构的调整，促进了“粮、经、饲、草”四元结构协调发展，籽粒苋作为新型粮、饲兼用作物取得了快速发展[13]。郭亮等[17]采用L9(34)正交设计，通过施肥、播期和密度三因素试验表明，密度是影响籽粒苋产量的主要因素，其次是施肥量。孙红忠等[18]通过对籽粒苋的土壤水分含量及施肥量的研究，发现产量随着施肥量的增加而迅速提高。基于籽粒苋在配比施肥方面研究较少，本试验通过对不同施肥配比下籽粒苋种子产量变化的研究，旨在明确籽粒苋在该地区的最佳施肥配比，为宁夏农业生产提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在宁夏大学草业科学专业教学科研基地（N37°46′26″、E107°26′16″、H1460 m）进行。该基地位于宁夏盐池县花马池镇四墩子行政村，属典型大陆性季风气候，年均降水量250 mm～350 mm，且65%集中在6—9 月，年均蒸发量2132.5 mm；干雨季分明，雨热同季；年均气温7.7℃，一月平均气温-7℃，七月平均气温24℃。年均无霜期164 天，年均大风日数21 天。土壤类型以灰钙土为主，pH 值8.5；试验地土壤质地为沙壤土，有机质含量53.45 g·kg-1，土壤全盐含量为0.13 g·kg-1，碱解氮含量29.75 mg·kg-1，速效磷148.11 mg·kg-1，速效106.02 mg·kg-1。籽粒苋生育期（5—9 月）内降雨量为336.7 mm。

1.2 材料与方法

供试材料为“旱雷神”美国籽粒苋。试验采用“3414”设计方案，设置氮、磷、钾肥3 个因素，4 个水平（0、1、2、3），共计14 个施肥处理（见表1）。2 水平表示最佳施肥配比，N、P2O5和K2O 分别为120 kg·hm-2、90 kg·hm-2、60 kg·hm-2。0水平表示不施肥，1 水平表示少量施肥，是2 水平的0.5倍，3 水平表示过量施肥，是2 水平的1.5 倍。14 个施肥处理，3 个重复，共42 个小区，小区面积为33m2（5.5m×6m）。本试验氮、磷、钾肥均采用市售尿素（内蒙古博大实地化学有限公司生产，N 含量为46%）、过磷酸钙（钟祥市钟洋磷化有限公司生产，P2O5含量为12%）和硫酸钾（山东海化股份有限公司硫酸钾厂生产，K2O 含量为51%）。14 个施肥处理氮磷钾肥施用量如表1 所示。

试验于2018 年5 月6 日播种，理论播种量为2.25 kg·hm-2，播前整地耙平，采用宽窄行种植，宽窄行行距分别为70 cm 和40 cm，条播。氮磷钾肥在播种前作为基肥一次性施入。9 月30 日收获，生长周期共147 天。试验地采用地上滴灌方式灌溉。生育期内灌水3 次，每次灌水量为600 m3/hm2，苗期和分枝期各除草1 次。

1.3 测定项目与方法

于籽粒苋成熟期在每个小区中间随机选取3 个3 m样段，收获种穗，自然晾干后脱粒，称重并计算种子产量（kg·hm-2）。

1.4 数据处理

所有数据均采用平均值±标准差（mean ±SD）表示，用Microsoft Excel 2010 对数据进行初步统计和回归分析；用sigmaplot12.5 绘图。

表1 14 个施肥处理氮磷钾配施水平及施用量Table 1 Levels of NPK application in 14 fertilization treatments

2 结果与分析

2.1 氮磷钾配施对籽粒苋种子产量的影响

由表2 可知，施肥处理种子产量较对照（N0P0K0）均存在显著性差异（P<0.05），在不同程度上增加籽粒苋种子产量，产量介于2 054.25 kg·hm-2～3 415.20 kg·hm-2之间，较对照（N0P0K0）提高了17.84%～95.91%，其中N2P2K2施肥处理的种子产量最高，达3 415.20 kg·hm-2，增产率高达95.91%；产量最低的施肥处理是N0P2K2，种子产量为2 054.25 kg·hm-2，增产率仅为17.84%。氮磷钾全肥（N2P2K2）处理比不施肥（N0P0K0）、缺氮（N0P2K2）、缺磷（N2P0K2）和缺钾（N2P2K0）处理分别增产95.91%、66.25%、34.76%和34.65%，这说明养分是籽粒苋种子产量提高的主要限制因子，氮磷钾肥对籽粒苋种子产量的影响作用大小依次为N>P>K。对籽粒苋种子产量进行三因素分析，建立三元二次回归方程[19]：

Y=1729.87+15.655N+0.299P+3.601K-0.062N2-0.016P2-0.128K2-0.008NP+0.002NK+0.010PK（R2=0.74）

对方程偏导求解发现磷肥施用量为负数，因此对产量进行三元二次方程拟合失败。

2.2 两因素肥料交互效应分析

2.2.1 N、P 因素交互效应

对于N、P、K 三因素试验而言，将任意一个因素固定在某一水平下，可求得其他两因素之间交互效应。本研究将K 因素固定在2 水平下，建立了以2 水平K 为基础的N、P 二元二次肥料效应回归方程：

Y=957.359+21.299N+13.605P-0.071N2-0.032P2-0.053NP（R2=0.59）

表2 施肥对籽粒苋种子产量的影响Table 2 Effect of fertilization on the seed yield of grain amaranth

根据模型求偏导数得到方程组如下：

解方程组可以得出：施肥量为P2O5127.90 kg·hm-2、N 102.26 kg·hm-2时，籽粒苋种子产量最大，该配比施肥下籽粒苋种子产量为2 916.36 kg·hm-2；最佳施肥量为P2O5120.48 kg·hm-2、N 104.53 kg·hm-2，最经济种子产量为2 915.13 kg·hm-2。计算时参考化肥和籽粒苋种子市场价（纯N、P2O5和K2O 分别为4.10 元/kg、7.08 元/kg 和5.78元/kg，籽粒苋种子为20 元/kg）。

氮、磷因素对籽粒苋种子产量的交互效应分析表明，籽粒苋种子产量随着氮、磷施用量的增加呈现先缓慢降低后快速增加的趋势；在高磷肥施用量下，随着施氮量的增加，产量呈快速增加的趋势；在中、低磷肥施用量下，产量随着施氮量增加先缓慢增加后缓慢降低，但增幅与降幅均较小；而在低氮肥施用量下，产量随着施磷量增加而降低；在中、高水平氮肥施用量下，产量随着施磷量增加呈现先缓慢降低后快速增加，最后又呈现下降趋势。整体上，在低氮肥施用量下，施磷肥对籽粒苋种子产量有抑制作用；在高磷肥施用量下，施氮肥对籽粒苋种子产量有促进作用，如图1 所示。

图1 氮、磷肥对籽粒苋种子产量效应Fig.1 Effect of nitrogen and phosphorus fertilizer on seed yield of grain amaranth

2.2.2 P、K 因素交互效应

将N 因素固定在2 水平下，建立了以2 水平氮为基础的P、K 二元二次肥料效应回归方程：

Y=1655.833+14.654P+26.936K-0.060P2-0.228K2-0.050PK（R2=0.55）

根据模型求偏导数得到方程组如下：

解方程组可以得出：施肥量为P2O5102.17 kg·hm-2、K2O 47.87 kg·hm-2时，籽粒苋种子产量最大，该配比施肥下籽粒苋种子产量为3049.12 kg·hm-2；最佳施肥量为P2O599.36 kg·hm-2、K2O 47.54 kg·hm-2，最经济种子产量为3 048.58 kg·hm-2。

磷、钾因素对饲草产量的互作效应分析表明，籽粒苋种子产量随着磷、钾量施用量的增加先缓慢降低后快速增加；在低磷肥施用量下，产量随着施钾量增加而降低，在高磷肥施用量下，产量随着施钾量增加呈现先缓慢增高后快速增高的变化，整体变化幅度较大；在低钾肥施用量下，随着施磷量增加，产量平缓降低，变化幅度小；在高钾肥施用量下，产量随着施磷量增加而增加，增幅较大。整体而言，在高磷肥或高钾肥的施用量下，分别施钾肥、磷肥对籽粒苋产量有极大的促进作用；在低磷肥或低钾肥的施用量下则相反，如图2 所示。

图2 磷、钾肥对籽粒苋种子产量效应Fig.2 Effect of phosphorus and potassium fertilizer on seed yield of grain amaranth

2.2.3 N、K 因素交互效应

将P 因素固定在2 水平下，建立了以2 水平P 为基础的N、K 二元二次肥料效应回归方程：

Y=950.871+22.103N+26.969K-0.076N2-0.182K2-0.077NK（R2=0.59）

根据模型求偏导数得到方程组如下：

解方程组可以得出：施肥量为N 120.83 kg·hm-2、K2O 48.53 kg·hm-2时，籽粒苋种子产量最大，该配比施肥下籽粒苋种子产量为2 940.63 kg·hm-2；最佳施肥量为N 119.79 kg·hm-2、K2O 47.93 kg·hm-2，最经济种子产量为2 940.44 kg·hm-2。

氮、钾对籽粒苋种子产量的交互效应分析表明，随着氮、钾肥施用量增加，籽粒苋种子产量呈现出先缓慢降低再快速增加的趋势，在高钾肥、低氮肥的水平下，籽粒苋种子产量最小，在低氮肥施用量下，钾肥对种子产量有抑制作用；在低钾肥水平下，施氮肥对种子产量有促进作用，但影响较小。整体而言，在中氮、中钾水平下，种子产量最高，如图3 所示。

图3 氮、钾肥对籽粒苋种子产量效应Fig.3 Effect of nitrogen and potassium fertilizer on seed yield of grain amaranth

2.3 单因素肥料效应分析

将任意两因素固定在2 水平，就可得到另一个因素的肥料效应。通过处理2、处理3、处理6 和处理11 可得到中磷、中钾水平下氮元素的肥料效应，通过处理4～7 可得到中氮、中钾水平下磷元素的肥料效应，通过处理6、处理8～10 可得到中氮、中磷水平下钾元素的肥料效应。通过氮、磷、钾对籽粒苋种子产量的影响分别建立一元二次肥料效应方程。

N 元素一元二次效应回归方程：

Y=1903.803+18.593N-0.081N2(R2=0.58)

P 元素一元二次效应回归方程：

Y=2428.343+14.574P-0.079P2(R2=0.53)

K 元素一元二次效应回归方程：

Y=2447.835+29.528K-0.297K2(R2=0.67)

依次对方程求导，解方程可得：施氮、磷、钾肥用量分别为114.77 kg·hm-2、92.24 kg·hm-2、49.71 kg·hm-2，籽粒苋种子产量最大，其对应的最大种子产量分别为2 970.78 kg·hm-2、3 100.50 kg·hm-2、3 181.76 kg·hm-2；经济最佳施肥量分别为N 113.51 kg·hm-2、P2O590.00 kg·hm-2、K2O49.22 kg·hm-2，经济最佳种子产量分别为2 970.65 kg·hm-2、3 100.10 kg·hm-2、3 181.69 kg·hm-2。

氮、磷、钾肥对籽粒苋种子产量的肥料效应如图4 所示，由图可知，氮、磷、钾肥施用量对籽粒苋种子产量的影响表现出相同的趋势，随着施肥量的增加，籽粒苋种子产量呈先增后减的趋势。其中氮肥增幅最大，磷、钾肥增幅接近。

图4 氮、磷、钾对籽粒苋种子产量的肥料效应Fig.4 The fertilizer effect of nitrogen,phosphorus and potassium on seed yield of grain amaranth

3 讨论

氮、磷、钾是植物体生长发育必不可少的三大营养元素，合理配施是提高作物产量的重要措施。大量研究表明，施肥能够增加作物种子产量[20-23]。在本研究中，籽粒苋种子产量随着氮、磷、钾肥施用量的增加呈先增大后减小的趋势，氮、磷、钾肥对籽粒苋种子产量的影响作用大小依次为N>P>K，这与张蕙琪等[24]研究不同施肥处理对农大8 号谷子影响试验结果相同，这是因为氮是光合作用的物质基础，可有效增加穗粒数，在作物产量形成中发挥着重要的作用[25-26]；磷肥可促进植物幼苗发育和果实成熟，磷肥施入过量或不足都会导致种子空瘪粒增多，从而影响种子丰产[27]；而增施钾肥在一定范围内能够促进作物干物质积累，增强作物的抗倒伏能力[28]。何飞等[29]采用“3414”试验设计对草原3 号苜蓿进行施肥试验，研究发现：氮、磷、钾肥对苜蓿产量影响作用大小为P＞K＞N，这与本文研究结果不尽相同，原因是供试土壤不同以及苜蓿本身具有固氮作用，其固氮量基本可以满足自身生长发育对氮的需求，因此，苜蓿对氮的需求量很少，对磷肥和钾肥的需求量更高。

植物营养元素之间相互影响制约，一种元素过量或过少往往可导致多种元素失衡[30]。“3414”试验作为推荐施肥的主要田间试验方案，具有设计处理少、效率高等优点，可运用肥料效应函数法进行施肥量的推荐，依据作物需肥规律、土壤供肥性能和肥料效应，合理确定氮、磷、钾的施用量。本文对籽粒苋种子产量进行三元二次方程拟合，虽然拟合度合理，但是根据偏导数求极大值法进行求解得出磷肥施用量为负，拟合失败，说明三元二次肥料效应方程不适用于本试验。根据二因素肥料交互作用拟合二元二次施肥效应方程，经计算得出P2O5施用量较实际偏高。一元二次方程可以直观的看出单个肥料对籽粒苋种子产量的效应，当三元二次方程拟合失败时，一元二次方程可以作为施肥效应分析的补充和优化[31]。因此，一元二次肥料效应方程作为产量最佳函数拟合，根据单因素施肥效应方程，氮、磷、钾肥的最佳施用量分别为113.51 kg·hm-2、90.00 kg·hm-2和49.22 kg·hm-2，籽粒苋最佳种子产量为3 084.15 kg·hm-2。

4 结论

1）在宁夏盐池县施肥能够显著增加籽粒苋种子产量，增产幅度为17.84%～95.91%。14 个施肥配比中，处理N2P2K2增产率最高，产量达到3 415.20 kg·hm-2；增产率最低的处理是N0P2K2，产量为2 054.25 kg·hm-2。

2）在双因素互作效应中，氮磷、磷钾和氮钾互作对籽粒苋种子产量先抑制后促进；单因子效应中，随施肥量的增加，籽粒苋种子产量先增高后降低，经济最佳施肥配比为N 113.51 kg·hm-2、P2O590.00 kg·hm-2、K2O 48.53 kg·hm-2，最佳种子产量为3 084.15 kg·hm-2。