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戈壁滩日光温室基质栽培是合理利用非耕地，依托西北地区光热资源，保障我国西北地区蔬菜周年供给，实现废弃物资源再利用的生态高效栽培模式[1-2]。甘肃省河西走廊戈壁总面积约 1453.59 万 hm2，占全省国土总面积的 31.89%，是西北地区发展戈壁日光温室蔬菜基质栽培最典型的地区之一[3]。辣椒 （Capsicum auuuum L.）是甘肃省设施栽培主要茄果类蔬菜之一，种植面积近 2.6 万 hm2，也是甘肃省戈壁滩日光温室基质栽培的主要茄果类蔬菜[4]。由于有机栽培基质并不能提供作物所需的全部养分，需要在整个生长周期适量施肥，这样不仅可以补充相应的养分，同时具有促进有机基质中缓效养分转化的作用[5-7]。本研究团队前期实地调查发现，基质栽培蔬菜生产中存在着施肥不合理、不精确，靠土壤栽培经验，随意性大的现象，从而造成基质养分比例失调，养分利用率低等问题，致使蔬菜产量和品质降低，严重影响着戈壁设施农业的健康可持续发展[8]。因此，合理的养分供应对基质栽培蔬菜的优质高效生产尤为重要。
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施用氮、磷、钾是提高辣椒产量和品质的主要栽培措施之一[9-11]。史建硕等[12]研究发现，华北地区露地辣椒基施有机肥在 7500 kg/hm2 的基础上， N、P2O5、K2O 分别为 225、97、368 kg/hm2 能够促进辣椒生长、提高产量。郭鑫年等[13]研究表明，氮、磷、钾用量分别为 270、120、150 kg/hm2 时，日光温室土壤栽培辣椒产量可达 35791.7 kg/hm2。孙权等[10]对日光温室春茬辣椒高产施肥量及配比研究表明，N 750 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2 时，产量可达最高。以上学者针对露地和设施土壤栽培辣椒合理施肥研究做了大量工作，但由于我国基质栽培发展时间较短，各地栽培基质本体也存在着差异，施肥技术简单的套用并不能充分发挥基质栽培生产潜力。为此，本文研究氮、磷、钾肥优化配施对戈壁滩日光温室基质栽培辣椒产量和品质的影响，旨在为戈壁滩日光温室基质栽培辣椒的合理施肥提供技术依据。
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1 材料与方法
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1.1 试验区概况
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试验于 2019—2020 年在甘肃省张掖市高台县合黎镇新绿达戈壁农业示范园内进行。试验温室为沙袋墙体钢架结构，跨度 10 m、长度 100 m，栽培槽为下挖式，槽内径 55 cm，槽深 30 cm，槽长 850 m，槽间距 75 cm，槽自北向南倾斜 5°，为防止水肥流失，槽底部铺设 1 层聚乙烯塑料薄膜，膜上铺设厚 5 cm 鹅卵石垫层，上铺编织袋，填充 25 cm 厚栽培基质（图1）。
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图1 基质槽辣椒种植模式示意图
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1.2 试验材料
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供试辣椒品种为甘肃省农业科学院蔬菜研究所培育的陇椒 11 号；供试肥料为尿素[N 46%，由甘肃刘化（集团）有限责任公司生产]、过磷酸钙（P2O5 12%，由四川省成都市青白江区磷肥厂生产）、硫酸钾（K2O 53%，由国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司生产）。供试基质选用由当地农业废弃物菇渣、玉米秸秆、牛粪、炉渣按 2.5∶2∶2.5∶3 体积比配置的复合基质，基本理化性状为：pH 值 7.03、电导率（EC）值 1.20 mS/cm、体积质量 0.529 g/cm3、全氮量 6.97 g/kg、全磷量 0.947 g/kg、全钾量 15.37 g/kg。
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1.3 试验设计
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试验采用三因素五水平二次通用旋转组合设计。设氮、磷、钾 3 个因子，每个因子 5 个水平（表1），共 20 个处理。各小区采用随机排列，小区面积 11.05 m2 （每小区 1 个栽培槽，每个栽培槽面积为 8.5 m×1.3 m=11.05 m2），3 次重复，具体试验方案及肥料用量见表2。辣椒苗于 2019 年 8 月 31 日定植，按每槽两行“品”字形穴播，使基质略高于苗根茎部，株距 35 cm，播后进行全膜覆盖。11 月 5 日开始采收，次年 2 月 18 日最后一次采收。全部肥料均随水追施，首次追肥于定植 30 d 后，之后每隔 15 d 追肥 1 次，生育期共计施肥 10 次，每次施肥时将各肥料充分溶解后利用追肥器施入。其他管理措施按常规进行。
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1.4 测定项目与方法
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1.4.1 产量测定
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产量测定采用田间称量法，记录各处理小区的辣椒果实采收量，至采收全部结束后，累计汇总统计得出各处理小区的产量。
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1.4.2 品质测定
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维生素 C（Vc）含量采用比色法测定；可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝 G-250 染色法测定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定；硝酸盐含量采用紫外分光光度法（NY/T1279-2007）测定。
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辣椒品质综合评分标准：根据辣椒生产要求和商品质量标准，参考赵锴等[14]、杜少平等[15]、张俊峰等[16]学者对洋葱、西瓜、番茄品质的评分标准，设 Vc 含量 2.0 mg/g，可溶性蛋白质含量 6 mg/g，可溶性糖含量 15 mg/g，硝酸盐含量 100 mg/kg 为最佳值，各处理品质指标测定值占最佳处理值的比例即为该处理指标的实际得分，各处理所有品质指标得分权重值之和（Vc 含量权重为 0.3，可溶性蛋白质权重为 0.3，可溶性糖含量权重为 0.3，硝酸盐含量权重为 0.1）即为该处理的品质综合评分，其中依据《蔬菜中硝酸盐限量》（GB 19338-2003）中茄果类蔬菜硝酸盐限量为≤ 440 mg/kg，本试验各处理实测值在限量以下的测定值与得分成反比，反之进行减分。
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1.5 数据统计分析
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利用 SPSS 22.0 和 Excel 2016 对所得数据进行统计分析，采用 Duncan 法进行差异显著性检验。用 Design Expert 13 绘制三维图。
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2 结果与分析
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2.1 产量和品质回归模型的建立
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不同施肥处理下基质栽培辣椒产量与品质的测定结果见表3。
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注：表中同列数据不同小写字母表示处理间差异达 P<0.05 显著水平。
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为了揭示不同用量氮肥、磷肥、钾肥相互配合对基质栽培辣椒产量与品质的影响，以表2 中施氮量（X1）、施磷量（X2）、施钾量（X3）编码值为自变量，表3 中产量（Y1）、品质综合评分（Y2） 为目标函数，得到辣椒产量、品质与氮、磷、钾肥料之间的回归方程分别为：
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通过对两个效应方程进行 F 检验，F 产量 =17.06， P=0.00001<0.01 表明回归关系极显著；F 品质 =3.14， P=0.02<0.05 表明回归关系显著，因此，产量和品质方程能够客观地反映施肥与辣椒产量、品质之间的关系，可以作为辣椒产量和品质预测的依据。
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2.2 模型分析
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2.2.1 主效因子分析
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一次项回归系数绝对值的大小可以直接比较各因素对基质栽培辣椒产量和品质的影响。从方程 （1）的一次项回归系数可以看出，氮、磷、钾的偏回归系数绝对值分别为 889.16、672.39、896.63，说明试验中各因素对基质栽培辣椒产量影响的顺序为钾肥（X3）>氮肥（X1）>磷肥（X2）。从方程（2）的一次项回归系数可以看出，氮、磷、钾的偏回归系数绝对值分别为 0.591、0.515、0.020，说明试验中各因素对基质栽培辣椒品质综合评分影响的顺序为氮肥（X1）>磷肥（X2）>钾肥 （X3）。
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2.2.2 单因子效应分析
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将辣椒产量和品质回归模型中 3 个自变量中的任意两个固定在 0 码值，可以得到剩余自变量与目标函数的关系，即氮、磷、钾对辣椒产量[方程 （3）（4）（5）]和辣椒品质综合评分[方程（6）（7） （8）]的单因子效应方程模型。
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辣椒产量：
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辣椒品质综合评分：
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将各单因子效应方程绘图，由图2 可以看出，氮、磷、钾的产量单因子效应曲线均开口向下，尤其是磷肥、钾肥施用量较少的情况下，辣椒产量均随着氮、磷、钾施用量的增加而增加，达到最高产量后，辣椒产量增幅逐渐减少，特别是氮、磷、钾编码值超过 1 以后，已经没有明显的增产效果；辣椒品质综合评分在较低施肥量条件下，随氮、磷、钾施用量的增加而提高，但过量投入，尤其是氮、磷、钾编码值均超过 0 以后，辣椒品质综合得分降低。
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图2 各单因素对辣椒产量和品质的效应
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为了对单位投入增量的收益进行分析，进一步对产量和品质综合得分单因素效应方程求一阶偏导数。由此可求得：
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从图3 可知，氮、磷、钾三因素对辣椒产量和品质综合得分的边际效益均呈递减趋势。从产量偏导数方程（9）（10）（11）斜率绝对值可以看出，磷的边际效益递减率 >氮的边际效益递减率 >钾的边际效益递减率；从品质综合得分偏导数方程（12）（13）（14）斜率绝对值可以看出，氮的边际效益递减率>钾的边际效益递减率>磷的边际效益递减率。在本试验氮、磷、钾施肥量范围内，对各单因子效应方程分别求导数，可分别获得辣椒最高产量及最优品质时的最大施肥量 （表4）。
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图3 各单因素对辣椒产量和品质综合得分的边际效应
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2.2.3 因子交互效应分析
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由本试验确定的辣椒产量回归模型方程（1） 可知，氮磷、氮钾、磷钾交互项其偏回归系数均达到显著水平，说明氮、磷、钾两两之间的交互效应对辣椒产量产生了显著影响。为了探讨各因子之间的交互效应，通过对回归数学模型（1）进行降维处理，固定任意一因子码值为 0 码值水平，则可得其他两个因子交互效应，并作响应曲面图 （图4）。
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从图4 可以看出，在编码值范围内，氮、磷、钾对辣椒的产量效应均呈抛物线型，产量先升高后降低，符合报酬递减定律。单一肥料的偏高或偏低均不利于基质栽培辣椒产量的形成，而由于交互效应，两者配施则对产量有较强的促进作用，对氮而言，钾的交互效应大于磷；对磷而言，钾的交互效应大于氮；对钾而言，氮的交互效应大于磷。由图4 分析得出，在本试验条件下，基质栽培辣椒产量≥ 53000 kg/hm2 的氮磷互作编码区间为 X1 取 0.315～1.306，X2 取 0.038～1.136，即施氮量为 267.18～399.70 kg/hm2，施磷量为 115.06～188.42 kg/hm2；氮钾互作编码区间为 X1 取-0.188～0.934， X3 取-0.188～0.934，即施氮量为 199.84～356.58 kg/hm2，施钾量为 299.75～534.86 kg/hm2；磷钾互作编码区间为 X2 取-0.263～0.978，X3 取-0.018～1.091，即施磷量为 94.91～177.93 kg/hm2，施钾量为 333.80～556.46 kg /hm2。
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图4 氮、磷、钾与辣椒产量的两因素互作效应
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2.3 利用模型进行决策
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对具有同等重要性的试验指标，通过频率出现的高低可优先排序，频率高的因素水平可被优先选择，从而获得最佳置信区间和配比方案。采用频率分析法对模型进行寻优，由表5 可知，在本试验条件下，戈壁日光温室秋冬茬基质栽培辣椒产量超过 53000 kg/hm2 时的氮、磷、钾最优配比方案，即 X1 取 0.063～0.619，氮肥施用量 233.36～307.76 kg/hm2；X2 取 0.003～0.557，磷肥施用量 112.71～149.74 kg/hm2；X3 取 0.112～0.690，钾肥施用量 360.01～475.88 kg/hm2。
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同理可求得在本试验条件下，戈壁日光温室秋冬茬基质栽培辣椒品质综合评分在 84 分以上的施肥方案（表6），即氮肥施用量 193.12～267.17 kg/hm2，磷肥施用量 90.74～153.19 kg/hm2，钾肥施用量 289.67～437.25 kg/hm2。通过综合分析对比，得出高产优质基质栽培辣椒的施肥方案，即氮肥施用量 233.36～267.17 kg/hm2，磷肥施用量 112.71～149.74 kg/hm2，钾肥施用量 360.01～437.25 kg/hm2。适宜的 N、P2O5、K2O 施用比例约为 1∶0.48∶1.54。
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3 讨论
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鲜食辣椒为蔬菜中需肥量较大的作物，科学合理施用氮、磷、钾肥是保障辣椒产量及品质形成的重要物质基础。本试验对主因子效应研究表明，氮、磷、钾肥对基质栽培辣椒产量及品质均有显著影响，对辣椒产量的影响排序为钾肥 >氮肥 >磷肥；对辣椒品质综合得分的影响排序为氮肥 >磷肥 >钾肥。而聂金等[17]研究表明，氮、磷、钾肥对湖南地区栽培种植辣椒产量的影响效应排序为磷肥>氮肥 >钾肥。尹胜鑫等[18]、郭鑫年等[19]研究表明，氮、磷、钾肥对设施辣椒产量影响效应排序为氮肥 >钾肥 >磷肥。分析研究结果不尽相同的原因，一方面可能在于栽培基质与土壤本身理化性质的差异，另一方面可能与辣椒栽培的品种、茬口及设施类型有关。同时对比了其他学者在基质栽培上的研究结果发现，本研究结果符合辣椒对“三要素” 的吸收规律，即钾肥 >氮肥 >磷肥[20]。
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本试验对基质栽培辣椒产量和品质综合得分的单因子效应分析结果表明，辣椒产量和品质综合得分均先随着氮、磷、钾施用量的增加而增加，达到最高产量后增幅逐渐减少，这符合肥料的报酬递减定律，过低或过量施肥均不利于产量和品质提高。另外，氮、磷、钾的边际产量效应和品质综合得分效应均随着肥料投入量的增加而不断减小，当氮、磷、钾肥用量分别达 376.22、164.41、595.31 kg/hm2 时，边际产量效应值降至 0；当氮、磷、钾肥用量分别达 245.13、115.65、367.13 kg/hm2 时，边际品质综合得分效应值降至 0。
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氮、磷、钾肥对农作物的影响并不是单独效应的线性累加，彼此存在着交互作用[21-22]。在本试验中，氮磷、氮钾、磷钾互作对产量具有较强的促进作用，对氮而言，钾的交互效应大于磷；对磷而言，钾的交互效应大于氮；对钾而言，氮的交互效应大于磷。同时，利用模型进行计算机模拟，本试验条件下辣椒产量超过 53000 kg/hm2 时的氮肥施用量为 233.36～307.76 kg/hm2，磷肥施用量为 112.71～149.74 kg/hm2，钾肥施用量为 360.01～475.88 kg/hm2。辣椒品质综合评分在 84 分以上的氮肥施用量为 193.12～267.17 kg/hm2，磷肥施用量为 90.74～153.19 kg/hm2，钾肥施用量为 289.67～437.25 kg/hm2。综合来看，获得高产优质的戈壁日光温室秋冬茬基质栽培辣椒的氮肥施用量为 233.36～267.17 kg/hm2，磷肥施用量为 112.71～149.74 kg/hm2，钾肥施用量为 360.01～437.25 kg/hm2。适宜的 N、P2O5、K2O 施用比例约为 1∶0.48∶1.54。该研究结果与黄绍文等[23] 关于我国设施辣椒养分用量N 384 kg/hm2、P2O5 270 kg/hm2、K2O 354 kg/hm2 的调查结果近似，同时也基本上符合设施蔬菜 N∶P2O5∶K2O 吸收适宜比例一般为 1∶0.3～0.5∶1.0～1.9 的研究结果。但施肥量相较于孙权等[10]、刘佳等[24]在日光温室秋冬茬土壤栽培条件下的研究结果，以及马国礼等[25]、强浩然等[26]在基质栽培中的研究结果有些许出入，尤其是氮肥和钾肥施入量。这主要还是由于栽培介质基础肥力及栽培辣椒品种等多重因素的差异造成的。本试验所用栽培基质依据全国土壤养分含量划分等级，氮、磷、钾基础含量均达到了较高水平，再加上栽培基质为第二年第三茬种植，使用年限较短，养分流失较少，所以相较于土壤或使用年限较长的基质栽培施肥量要少。因此，在基质栽培管理过程中必须根据基质实际养分情况、栽培作物、种植茬口及设施类型的情况最大限度发挥化肥的正面作用和减少化肥的负面影响。
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4 结论
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在本试验条件下，获得高产优质的戈壁日光温室秋冬茬基质栽培辣椒的氮肥施用量为 233.36～267.17 kg/hm2，磷肥施用量为 112.71～149.74 kg/hm2，钾肥施用量为 360.01～437.25 kg/hm2。适宜的 N、 P2O5、K2O 施用比例约为 1∶0.48∶1.54。
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摘要
合理的养分供应对基质栽培蔬菜的优质高效生产尤为重要。通过研究氮、磷、钾不同施肥量及配施比例对戈壁滩日光温室基质栽培辣椒产量和品质的影响，明确获得基质栽培高产优质辣椒的适宜氮、磷、钾用量及养分配比。采用三因素五水平二次通用旋转组合设计，以产量和品质综合得分为目标函数，以氮、磷、钾施用量 3 个因素为因变量，构建数学模型进行试验研究。研究结果表明，氮、磷、钾肥对基质栽培辣椒产量及品质均有显著影响，对辣椒产量的影响排序为钾肥 > 氮肥 > 磷肥；对辣椒品质综合得分的影响排序为氮肥 > 磷肥 > 钾肥；当氮、磷、钾肥用量分别达 376.22、164.41、595.31 kg/hm2 时，边际产量效应值降至 0，当氮、磷、钾肥用量分别达 245.13、115.65、367.13 kg/hm2 时，边际品质综合得分效应值降至 0。氮磷、氮钾、磷钾互作对产量具有较强的促进作用，对氮而言，钾的交互效应大于磷；对磷而言，钾的交互效应大于氮；对钾而言，氮的交互效应大于磷。利用模型进行计算机模拟，本试验条件下辣椒产量超过 53000 kg/hm2 时的氮肥施用量为 233.36 ～ 307.76 kg/hm2 ，磷肥施用量为 112.71 ～ 149.74 kg/hm2 ，钾肥施用量为 360.01 ～ 475.88 kg/hm2 。辣椒品质综合评分在 84 分以上的氮肥施用量为 193.12 ～ 267.17 kg/hm2 ，磷肥施用量为 90.74 ～ 153.19 kg/hm2 ，钾肥施用量为 289.67 ～ 437.25 kg/hm2 。综合来看，获得高产优质的戈壁日光温室秋冬茬基质栽培辣椒的氮肥施用量为 233.36 ～ 267.17 kg/hm2 ，磷肥施用量为 112.71 ～ 149.74 kg/hm2 ，钾肥施用量为 360.01 ～ 437.25 kg/hm2 ，适宜的 N、P2O5、K2O 施用比例约为 1∶0.48∶1.54。
Abstract
Reasonable nutrient supply is particularly important for the high-quality and high-efficiency production of substrate-cultivated vegetables. The effects of different fertilization rates and combined application ratios of nitrogen， phosphorus and potassium on the yield and quality of substrate-cultivated pepper in Gobi Desert solar greenhouse were studied to obtain the appropriate amount of nitrogen，phosphorus and potassium and nutrient ratios for substrate-cultivated highyield and high-quality pepper. An experiment of three factors and five levels of quadratic regression orthogonal rotational combination design was carried out，and a mathematical model was constructed with the yield and quality as the objective function，and the application amounts of nitrogen（N），phosphorus（P）and potassium（K）as three factors of dependent variables. The research results showed that N，P and K had significant effects on the yield and quality of substrate-cultivated pepper，the order of effectson on pepper yield was K>N>P and on the pepper quality was N>P>K. When the amount of N，P and K reached 376.22，164.41 and 595.31 kg/hm2 ，respectively，the effect value of marginal yield decreased to 0；When the amount of N，P and K reached 245.13，115.65 and 367.13 kg/hm2 ，respectively，the effect value of marginal quality decreased to 0. The interactions of N-P，N-K and P-K had a strong promoting effect on yield，the interaction effect of K was greater than P for N，the interaction effect of K was greater than N for P，and the interaction effect of N was greater than P for K. The model simulation result showed that，when the pepper yield exceeded 53000 kg/hm2 ，the optimum fertilization rate was N 233.36～307.76 kg/hm2 ，P 112.71～149.74 kg/hm2 and K 360.01～475.88 kg/hm2 . When the comprehensive score of pepper quality was more than 84，the optimum fertilization rate was N 193.12～267.17 kg/hm2 ，P 90.74～153.19 kg/hm2 and K 289.67～437.25 kg/hm2 . In this experiment，when the optimum fertilization rate was N 233.36～267.17 kg/hm2 ，P 112.71～149.74 kg/hm2 and K 360.01～437.25 kg/hm2 ，the yield reached to 53000 kg/hm2 and the quality grade was larger than 84. The most suitable ratio of N，P2O5 and K2O was 1∶0.48∶1.54.