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甜菜是直根系作物,营养生长期长,生物产量高,同时可累积丰富的蔗糖和一些有机物,因此具有单位面积养分消耗量大、吸肥能力强、需肥量多的特点[1]。氮磷钾三要素对甜菜产量和品质影响显著[2-3],增加氮磷钾的施入量可以提高甜菜块根产量,过量施肥导致叶丛过度生长,降低块根含糖量与肥料利用效率,减少农民收益[4]。与单一施肥相比,氮磷钾按一定比例施入可显著提高甜菜产量和品质[5]。
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不同区域甜菜最佳施肥量差异较大[6-7],新疆伊犁地区最佳产量相应施肥量为 N 260.35 kg·hm-2、 P2O5 126.24 kg·hm-2、K2O 157.11 kg·hm-2,黑龙江省西部推荐施肥量为 N 142.08 kg·hm-2、P2O5 85.39 kg·hm-2、K2O 61.91 kg·hm-2,黑龙江省中部地区为 N 176.63 kg·hm-2、P2O5 72.76 kg·hm-2、K2O 32.96 kg·hm-2,黑龙江省东部地区为 N 137.86 kg·hm-2、P2O5 70.95 kg·hm-2、K2O 66.67 kg·hm-2。同时,甜菜种植过程中氮磷钾施用比例各不相同,其中曲文章[8]认为氮磷钾配比以 1.96∶1∶2.86 为宜;当氮磷钾配比为 2∶1∶1 时,内蒙古地区甜菜可获得最佳产量与产糖量[9]。王振华等[10]研究表明,氮磷钾施用比例为 1.7∶2.8∶1 时,新疆玛纳斯县甜菜产量(112.8×103 kg·hm-2)与产糖量(18.5×103 kg·hm-2)达到最高。由此可见,甜菜种植中各地施肥总量与氮磷钾施用比例差异较大,需要开展试验找出适合当地的最佳施肥量及其配比。“3414” 试验方案在结合土壤背景值和习惯施肥量的基础上,既可进行单一肥料因素的分析,又能得出多因素互作效应,兼顾作物产量和经济效益,提高肥料利用率[11]。为此,本试验以甜菜品种 KWS 9147 为材料,通过“3414”试验设计,分析氮磷钾配施对甜菜块根经济性状的影响,为干旱区滴灌甜菜科学施肥提供技术支持。
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1 材料和方法
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1.1 试验地概况
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试验于 2020 年 4—10 月在石河子大学农试场二连(44°34′N,85°97′E)进行,海拔高度 450.8 m,年平均气温 7~8℃,日照时数 2300~2700h,年降水量 180~270 mm,年蒸发量 1000~1500 mm。土壤pH 7.93,电导率 0.227 mS·cm-1,有机质 2.75 g·kg-1,碱解氮 93.65 mg·kg-1,有效磷 25.96 mg·kg-1,速效钾 379.82 mg·kg-1。
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1.2 试验设计
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试验运用农业部《测土配方施肥技术规范(试行)》推荐的“3414”施肥方案设计,设置 N、P、 K 3 因素 4 水平,共 14 个处理。4 个水平分别是: 0 水平不施肥,2 水平指当地推荐施肥量,1 水平 (施肥不足)= 2 水平 ×0.5,3 水平(过量施肥)= 2 水平×1.5( 表1)。采用随机区组设计,3 次重复,小区面积 38 m2 (2 m×19 m)。甜菜行距 50 cm,株距 20 cm。滴灌带配置模式为“1 管 2”,即 1 条毛管控制 2 行甜菜。其他按照大田统一管理。
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4 月 1 日播种,10 月 8 日收获。氮钾肥分 2 次在第 1 水和第 2 水等量随水滴施,磷肥作为基肥 1 次施入。所用氮肥为尿素(N 46%),磷肥为重过磷酸钙(P2O5 21%),钾肥为硫酸钾(K2O 51%)。甜菜品种选用 KWS9147(德国选育),为丸粒化单粒种。
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1.3 测定指标及方法
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1.3.1 甜菜产量的测定
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收获时,各处理小区除去边行后全部拔出,按照标准削去青头,称重。同一处理重复小区求得平均值,换算成公顷产量。
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1.3.2 甜菜含糖率以及产糖量的测定
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各处理小区选取 9 株长势均一的甜菜,采用旋光仪法测定甜菜块根锤度值,乘以系数 0.83 得出甜菜块根含糖率,求得平均值。各处理公顷产量乘以含糖率即得公顷产糖量。
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1.4 数据处理
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应用 Excel 2010 进行基础数据的分析,使用 SPSS 25.0 进行方差分析和多重比较,采用 Sigmaplot 12.5 绘制折线图与曲面图。
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2 结果与分析
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由表2 可知,收获期所有施肥处理甜菜块根产量、含糖率以及产糖量均高于不施肥处理,块根产量居前 5 位的施肥处理依次是 6、11、7、5、4,分别比不施肥的处理增产 26.16%、24.32%、22.92%、 21.67% 和 19.64%。甜菜含糖率位于前 5 位的施肥处理依次是 6、11、3、9、10。甜菜产糖量位于前 5 位的施肥处理依次是 6、11、7、5、3,分别比不施肥处理增产 36.26%、34.24%、31.51%、28.98%、 26.92%。
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注:同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
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2.1 建立模型
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对氮磷钾 3 种施肥因子与甜菜产量、含糖率以及产糖量分别建立回归方程:
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产量:
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含糖率:
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产糖量:
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经 F 检验,甜菜产量、含糖率、产糖量模型的 F 值分别为 12.983、18.479 和 2.508,大于 F(0.05),处理间差异显著,决定系数 R2 分别为 0.846、0.977 和 0.849,表明产量、含糖率与产糖量所建立的模型拟合性良好,可以反映氮磷钾 3 个主要可控因素与甜菜产量、含糖率和产糖量的关系。
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2.2 各施肥因子独立效应分析
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将产量回归方程(1)、含糖率回归方程(2)、产糖量回归方程(3)分别固定 X2 与 X3、X1 与 X3、 X1 与 X2,获得 X1、X2、X3 各施肥因子对产量、含糖率和产糖量影响的独立效应降维方程,则产量为方程(4)(5)(6),含糖率为方程(7)(8)(9),产糖量为方程(10)(11)(12):
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将各变量的 3 个码值水平分别代入降维方程,得出表3。
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由表3 可知,各施肥因子对产量的独立效应顺序为 X1>X3>X2,表明各因子对甜菜块根产量的独立效应顺序为氮肥 >钾肥 >磷肥。各施肥因子对含糖率与产糖量的独立效应影响趋势相同,依次为 X2>X1>X3,表明甜菜含糖率与糖产量的氮磷钾独立效应顺序为磷肥 >氮肥 >钾肥。
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由图1 可知,随着氮、磷肥的施入,产量与产糖量增加。当钾肥(K2O)施入量超过 1.357 码值水平(46.74 kg·hm-2)时,产量下降,施入量超过 2.114 水平(72.79 kg·hm-2)时,产糖量下降。磷肥 (P2O5)施入量超过 1.9 码值水平(35.91 kg·hm-2) 时,含糖率下降。
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2.3 因素间交互效应分析
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使用 Sigmaplot 12.5 分别固定 X1、X2、X3,得到 X2X3、X1X3、X1X2 与产量、含糖率与产糖量互作效应曲面图。
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由图2 可知,在 NP、NK、PK 交互效应中 NP互作对产量提升作用明显,产量随着氮肥和磷肥施用量的增加而升高,在 NK 互作中单一提高钾肥的施用量会降低产量。NP、PK 与 NK 互作可以有效提高甜菜块根含糖率,在 NP 互作与 PK 互作中单一且过量施用氮肥或钾肥会降低甜菜块根含糖率。产糖量与产量结果类似。
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图1 氮磷钾各因子对甜菜产量、含糖率以及产糖量的独立效应
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图2 产量、含糖率、产糖量的 NP、NK、PK 因素交互效应分析
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2.4 模型的最优解
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在码值 0~3 范围内,分别对产量、含糖率、产糖量回归方程的极点偏导数联立求解得出:当 X1=3、X2=3、X3=2.0861 时,可获得最高产量 Y1max = 163.87×103 kg·hm-2,其相应的施肥方案为:施 N 155.25 kg·hm-2,P2O5 56.7 kg·hm-2,K2O 71.6 kg·hm-2,此时 N∶P2O5∶K2O 为 2.7∶1∶1.3。当 X1=3、X2=3、X3=2.9965 时,可获得最高含糖率 Y2max =16.5%,其相应的施肥方案为:施 N 155.25 kg·hm-2,P2O5 56.7 kg·hm-2,K2O 103.15 kg·hm-2,此时 N∶P2O5∶K2O 为 2.7∶1∶1.8。当 X1 =3、X2 =3、X3 =1.8674 时,可获得最高产糖量 Y3max =26.772×103 kg·hm-2,其相应的施肥方案为:施 N 155.25 kg·hm-2,P2O5 56.7 kg·hm-2,K2O 64.3·hm-2,此时 N∶P2O5∶K2O 为 2.7∶1∶1.1。
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3 讨论
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3.1 氮磷钾对甜菜经济产量的独立效应
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本试验通过各施肥因子间的独立效应得出氮肥对甜菜块根产量的影响最大,其次是钾肥和磷肥。施氮是目前提高甜菜产量的一种常见的栽培措施,但相关试验表明,甜菜生长过程中会按照一定的比例吸收氮磷钾养分,单一过量施用氮肥,会导致甜菜产量和含糖率明显下降[12]。法国在施肥中优化氮肥的施用,施用量由 180 kg·hm-2 降至 139.5 kg·hm-2,甜菜平均单产达 81.75×103 kg·hm-2,含糖率为 16%~17%[13]。荷兰种植甜菜根据土壤分析及土壤营养需求施肥,用氮量为 160 kg·hm-2,甜菜块根产量可达 60×103 kg·hm-2,含糖率在 17% 以上[14]。本试验的研究结果同样证明了这一点,即为获得最高产量(163.87×103 kg·hm-2)、含糖率 (16.5%)与产糖量(26.772×103 kg·hm-2),均需施氮 155.25 kg·hm-2。
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本试验还得出各施肥因子中磷肥对甜菜块根含糖率与产糖量影响最大,其次是氮肥和钾肥。相关研究表明,在作物的碳氮代谢中,磷起着十分重要的作用,其参与叶绿体能量的代谢,加强光合作用并合成和转化碳水化合物,促进叶片光合产物在其体内的运输[15]。充足的磷素供给是甜菜高产高糖的物质基础,若磷素供给不足会造成物质代谢失调,使糖分运输受到阻碍,进而对甜菜产量提高及糖分积累有很大的影响[16]。对于甜菜的磷素营养问题,各国的平均值资料差异不大,每生产 1000 kg 甜菜块根,P2O5 的施用量苏联为 1.4 kg,美国为 2 kg,德国为 1.6 kg,奥地利为 1.6 kg[17]。本试验条件下每生产 1000 kg 甜菜块根需要 1.2 kg P2O5,这可能与我国甜菜种植区的磷肥水平有关[18]。同时,施以足量的磷肥(P2O5 56.7 kg·hm-2)可保证甜菜高产的同时保持较高的含糖率。
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近年来一些国家在甜菜栽培中发现钾肥对甜菜产量、品质影响似乎超过磷肥对甜菜的影响。氮、钾元素对根系以及幼苗生长的影响不同,这种差异在具有较大贮藏器官的甜菜上十分显著。有人提出钾肥能明显提高甜菜根中含糖率,并在多点试验中验证了这一观点[18]。本试验中获得最高产量以及含糖率所需的钾量(K2O)分别为 71.6、103.15 kg·hm-2,表明最高产量、含糖率所对应的钾肥施用量不同。
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3.2 氮磷钾配施对甜菜经济产量的交互效应
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氮磷钾对甜菜生长发育的作用是相互联系、相互制约的[19]。氮是合成蛋白质所必需的原料,在蛋白质的合成过程中,有含磷化合物三磷酸腺苷及核酸参与才能使氨基酸合成蛋白质,同时在这个过程中钾离子作为酶促反应的活化剂参与其中。氮磷钾对于甜菜产量与产糖量的提高具有明显的互作效应[20]。本试验结果表明随着氮、磷施肥量的增加,甜菜块根产量持续增长,在一定水平内,甜菜块根的含糖率与产糖量显著增加,而超过一定水平后产糖量反而降低。在满足甜菜正常生育代谢所需氮素的基础上,施氮量的增加会导致含糖率和糖汁纯度的下降[21],但是在氮磷钾适宜施用量的交互作用下,完全的矿质营养能提高甜菜的产量和含糖率[22],所以在实际生产中应注重氮肥、磷肥和钾肥的配比。本试验结果表明,在高氮条件下,随着磷肥施用量的增加,产糖量有所提升。氮肥为 0 水平时,随着磷肥升高,块根产量提升缓慢,单施磷肥同样如此。氮肥为 0 水平时,随着钾肥升高,产糖量提升缓慢。可见,合理的施肥配比与施肥量在实际生产中至关重要,施肥种类单一或施肥量过多或过少都会使甜菜的产量与产糖量降低,从而降低经济效益。
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3.3 新疆滴灌甜菜施肥配比
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新疆耕地缺少有机质、氮、磷养分,但钾素丰富。新疆土壤有机质含量平均为 11.1 g·kg-1,其中南疆 8.9 g·kg-1,北疆 13.5 g·kg-1;全磷含量为 0.5~1.4 g·kg-1,有效磷小于 5 mg·kg-1 的缺磷面积占 70.98%;全钾含量为 12.5~24.9 g·kg-1,速效钾含量高达 150~300 mg·kg-1;现有耕地中 60% 缺氮[23]。因此,新疆甜菜施肥过程中应注意肥料之间的配比。王娟等[4]认为,施用比例 N∶P2O5∶K2O 为 1.8∶1.2∶1 时,塔额盆地甜菜产量(110.3×103 kg·hm-2)与产糖量 (17.95×103 kg·hm-2)达到最高。本试验得到甜菜获得最高产量(163.87×103 kg·hm-2)对应的施用比例 N∶P2O5∶K2O 为 2.7∶1∶1.3,甜菜获得最高产糖量(26.77×103 kg·hm-2)对应的施用比例 N∶P2O5∶K2O 为 2.7∶1∶1.1,这与前人研究结果略有不同,可能与不同区域基础地力、土壤以及气候条件下氮磷钾肥效不同[11]有关。
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4 结论
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本试验在 pH 为 7.93 的灰漠土上进行,全生育期灌水量为 6250 m2 ·hm-2。影响甜菜品种 KWS 9147 块根产量的施肥因子分别为 N>K>P,影响甜菜含糖率和产糖量的施肥因子为 P>N>K。施以足量的氮、磷肥有利于提高甜菜产量,当钾肥(K2O)施入量超过 46.74 kg·hm-2 时产量下降,施入量超过 72.79 kg·hm-2 时产糖量下降。磷肥(P2O5)施入量超过 35.91 kg·hm-2 时块根含糖率下降。在施氮肥(N)0~39.1 kg·hm-2、磷肥(P2O5)0~89.5 kg·hm-2 内,随着肥料施用水平的增加,甜菜块根产糖量显著增加。本试验中最佳施肥方案为:N 155.25 kg·hm-2,P2O5 56.7 kg·hm-2,K2O 64.3 kg·hm-2,氮、钾肥分 2 次在第 1 水和第 2 水等量随水滴施,单次灌量为 750 m2 ·hm-2,磷肥作为基肥 1 次施入,可获得最高产糖量(26772.1 kg·hm-2)。
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摘要
为探寻干旱区滴灌甜菜氮磷钾最佳施用模式,以 KWS9147 为材料,采用“3414”试验设计,分析氮磷钾配比对甜菜经济产量的影响。结果表明,不同肥料配比对甜菜块根产量、含糖率与产糖量影响显著。施肥因子对甜菜块根产量的单独效应为氮肥 > 钾肥 > 磷肥;对含糖率与产糖量的单独效应均为磷肥 > 氮肥 > 钾肥。在本试验中,单独施以足量的氮、磷肥有利于提高甜菜产量。然而,当钾肥(K2O)施入量超过 46.74 kg·hm-2 时产量下降,施入量超过 72.79 kg·hm-2 时产糖量下降;磷肥(P2O5)施入量超过 35.91 kg·hm-2 时块根含糖率下降。氮磷肥配施条件下,在施氮肥(N)0 ~ 39.1 kg·hm-2、磷肥(P2O5)0 ~ 89.5 kg·hm-2 范围内,随着施用水平的增加,甜菜产糖量显著增加。氮磷肥、磷钾肥与氮钾肥互作均可以有效提高甜菜块根含糖率。本试验中施肥配比 N∶P2O5∶K2O 为 2.7∶1∶1.1 时,可获得最高产糖量(26772.1 kg·hm-2)。
Abstract
In order to explore the best ratio of nitrogen,phosphorus and potassium under drip irrigation for sugar beet in arid area,KWS 9147 was used as material and“3414”experimental design was used to analyze the effect of the ratio of nitrogen,phosphorus and potassium on the economic yield of sugar beet. The results showed that different fertilization ratios had significant effects on beet root yield,sugar content and sugar yield. The single effect order of fertilization factors on sugar beet root yield was nitrogen fertilizer > potassium fertilizer > phosphorus fertilizer;The order of individual effects on sugar content and sugar yield was phosphorus fertilizer > nitrogen fertilizer > potassium fertilizer. In this experiment,applying sufficient nitrogen and phosphorus fertilizer was beneficial to improve the yield of sugar beet. When the application amount of potassium fertilizer(K2O)was more than 46.74 kg·hm-2,the yield was decreased,when the application amount was more than 72.79 kg·hm-2,the sugar yield was decreased,and when the application amount of phosphorus fertilizer(P2O5)was more than 35.91 kg·hm-2,the sugar content of root was decreased. In the range of N 0 ~ 39.1 kg·hm-2 and P2O5 0 ~ 89.5 kg·hm-2,the sugar yield of sugar beet root was increased significantly with the increase of fertilizer application level. The interaction of nitrogen and phosphorus,phosphorus and potassium,nitrogen and potassium fertilizers effectively improved the sugar content of root. In this experiment,when the ratio of N∶P2O5 ∶K2O was 2.7∶1∶1.1,the highest sugar yield(26772.1 kg·hm-2)could be obtained.
Keywords
sugar beet ; fertilization level ; beet root yield ; sugar yield ; sugar content