基于饱和D-最优设计日光温室基质栽培西葫芦优化施肥研究

Optimal fertilization of substrate grown zucchini in solar greenhouses based on saturated D-optimal design

摘要

目的 利用饱和D-最优设计对日光温室基质栽培秋冬茬西葫芦适宜氮、磷、钾用量及养分配比进行研究，以期获得日光温室基质栽培西葫芦的合理养分供应依据。 方法 试验采用三因素二次饱和D-最优设计，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。 结果 对西葫芦产量的影响大小排序为氮肥>钾肥>磷肥；对西葫芦品质综合得分的影响大小排序为磷肥>钾肥>氮肥。利用模型进行计算机模拟，本试验条件下西葫芦产量超过85 000 kg/hm²时的氮肥施用量为439.29~587.46 kg/hm²、磷肥施用量为66.92~113.85 kg/hm²、钾肥施用量为374.36~581.89 kg/hm²。品质综合评分在75分以上的氮肥施用量为302.89~489.67 kg/hm²、磷肥施用量为56.08~98.38 kg/hm²、钾肥施用量为426.30~578.35 kg/hm²。 结论 得出高产优质基质栽培西葫芦的施肥方案，即氮肥施用量439.29~489.68 kg/hm²，磷肥施用量66.82~98.39 kg/hm²，钾肥施用量426.30~578.35 kg/hm²，适宜的N、P₂O₅、K₂O 施用比例约为1∶0.18∶1.08。

Abstract

Objective The saturated D-optimal design method was tried in the fertilization management of substrate-grown zucchini in solar greenhouse，it is clear to obtain a reasonable nutrient supply basis. Method Fertilizers of nitrogen，phosphate and potassium were designed using the two factors' saturating D-optimal design，and a mathematical model was constructed with the yield and quality as the objective function，and the application rate of N，P and K as three factors of dependent variables. Result N，P and K had significant effects on the yield and quality of substrate-cultivated zucchini，the order of effect on the yield was N > K > P and on the quality was P > K > N.The model was used to make decision，when the yield exceeds 85 000 kg/hm²，the optimum fertilization rate was N 439.29~587.46 kg/hm²，P 66.92~113.85 kg/hm² and K 374.36~581.89 kg/hm².When the comprehensive score of quality was more than 75，the optimum fertilizer rate was N 302.89~489.67 kg/hm²，P 56.08~98.38 kg/hm² and K 426.30~578.35 kg/hm². Conclusion When the optimum fertilization rate was N 439.29~489.68 kg/hm²，P 66.82~98.39 kg/hm² and K 426.30~578.35 kg/hm²，the yield reached 85 000 kg/hm² and the quality grade was more than 75.The most suitable ratio of N，P₂O₅，K₂O is 1∶0.18∶1.08.

Graphical abstract

关键词

西葫芦 / 基质栽培 / 饱和D-最优设计 / 优化施肥 / 产量 / 品质

Key words

zucchini / substrate-cultivated / saturated D-optimal design / optimized fertilization / yield / quality

Author summay

蒯佳琳，副研究员，硕士，主要从事蔬菜栽培及营养研究。E-mail：[e-mail]

西葫芦（Cucurbita pepo L.）是葫芦科南瓜属植物，果实营养丰富，是甘肃省戈壁日光温室有机生态型无土栽培的主要蔬菜之一^［1-2］。由于其苗龄短、结果较早，营养生长与生殖生长几乎同时进行，故对养分要求严格^［3］。正因如此，优化氮磷钾施用量和比例对于设施西葫芦高产、优质、安全生产具有重要意义^［4］。对西葫芦优化施肥的研究集中在土壤栽培上。齐辉^［3］研究表明日光温室越冬茬西葫芦667 m²产量超过5 000 kg需要氮26.33~42.08 kg/667 m²、钾 27.08~65.92 kg/667 m²。孙明等^［5］研究表明当氮、磷、钾的施肥量为分别为156 kg/667 m²、189 kg/667 m² 、119 kg/667 m²时越冬一大茬西葫芦667m²产量可达到11 700 kg。王蔚杰等^［6］研究表明氮、磷、钾的施肥量分别为21、11、34 kg/667 m²时西葫芦产量最高。徐法君等^［7］发现氮肥对西葫芦品质的影响大于钾肥，获得最佳品质的施肥方案为氮肥17.825 kg/667m²、钾肥36.92 kg/667 m²。从以上结果可以看出，试验区域、栽培模式及气候条件不同所需肥料量及比例也存在较大差异。饱和D-最优设计因其试验处理数少、误差小、精确度高、获取信息量大等特点，在农业试验中作为选择最佳施肥的措施已被广泛应用^［8-10］。像腾云等^［11］、杜少平等^［12］、赵锴等^［13］利用饱和D-最优设计构建的肥料函数模型能够准确客观地反映氮、磷、钾施用量与作物产量及品质的连续变化关系。因此，本研究基于前人在西葫芦土壤栽培中的研究成果为基础，以戈壁温室基质栽培西葫芦为研究对象，通过分析施肥量与产量、品质性状的关系，试图寻找适合戈壁日光温室槽式基质栽培西葫芦的最佳施肥量，为当地西葫芦基质栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于甘肃省张掖市高台县合黎镇甘肃新绿达戈壁农业示范园。试验温室为沙袋墙体钢架结构，跨度10 m、长度100 m。采用基质槽式栽培，栽培槽为下挖式栽培槽，槽内径55 cm，槽深30 cm，槽长8.5 m，走道宽0.75 m。槽内填充25 cm深的栽培基质。基质采用自配基质（玉米秸秆∶牛粪∶菇渣∶炉渣=2.5∶2∶2.5∶3），基本理化性状为：pH 值 7.03、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。

1.2 试验材料

供试西葫芦品种为冬秀3号；供试肥料选用尿素（N 46%）、水溶性磷酸一铵（N 11.5%-P₂O₅ 60.5%）和晶体钾（K₂O 60%）。

1.3 试验设计

试验设氮、磷、钾3个因子，每个因子5个水平，采用二次饱和D－最优设计方案。根据前人研究结果每生产1 000 kg西葫芦需N 5.47 kg/667m²、P₂O₅ 2.22 kg/667 m²、K₂O 4.09 kg/667 m²及栽培基质养分实际，设施肥量的上限和下限分别为N 0~50 kg/667 m²、P₂O₅ 0~15 kg/667 m²、K₂O 0~60 kg/667 m²。按施肥量=（上限量+下限量）/2+码值*（上限量-下限量）/2，算出各处理养分和肥料量。于定植后25 d开始施肥处理，每10 d施肥1次，共施肥10次。每2个栽培槽为1个处理，每处理3次重复，小区面积22.1 m²。西葫芦8月15播种育苗，9月26日定植，株距60 cm。其他均按照当地生产管理水平进行田间管理，各小区田间操作保证一致。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 植株生长指标的测定

定植后每处理随机选定10株，于施肥后25、50、75、100 d测定株高和茎粗。

1.4.2 植株产量的测定

采用田间称量法，记录各处理小区每次的采收量，至采收全部结束后，汇总统计得出各处理小区的总产量。

1.4.3 果实品质的测定

结瓜盛期随机抽取每个处理15个西葫芦果实，截取西葫芦中段，粉碎混匀成匀浆并测定果实VC、可溶性糖、硝酸盐、可溶性固形物等的含量，其中VC采用2，6-二氯靛酚法、可溶性糖采用蒽酮法、硝酸盐采用紫外分光光度法、可溶性固形物用折射仪测定。

西葫芦品质综合评分标准：依据西葫芦生产要求和商品质量标准，并参考杜少平等^［12］、赵锴等^［13］、张俊峰等^［14］学者对洋葱、西瓜、番茄等园艺作物品质的评分标准，设可溶性糖含量55%，可溶性蛋白质含量为2 mg/g，VC 含量为0.3 mg/g，可溶性固形物含量为4.5%，硝酸盐含量50 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（可溶性糖含量权重为0.3，VC含量权重为0.3，可溶性蛋白质权重为0.3，可溶性固形物含量权重为0.1，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GB19338-2003《蔬菜中硝酸盐限量》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。

1.5 数据处理

利用SPSS 21.0 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。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对西葫芦生长的影响

2.1.1 不同施肥处理对西葫芦株高的影响

试验于10月30日开始施肥处理，每25 d测定植株株高、茎粗。从图1可以看出，在西葫芦生长过程中整体呈现先迅速增加后缓慢增加再迅速增加的趋势。施肥后25 d、50 d和75 d，施肥各处理株高与CK差异并不显著。施肥50 d后各处理株高增长率为34.14%~50.73% ，其中T₉处理植株高最大，为50.67 cm，高于其他施肥处理0.22%~28.81%，高于CK 17.22%；施肥75 d后各处理株高增长率为25.66%~36.58 % ，其中T₆处理株高最大，为67.78 cm，高于其他施肥处理2.87%~27.88%，高于CK 16.86%；施肥100 d后各施肥处理株高均大于CK，其中T₆处理株高显著高于CK 21.34%，达100.44 cm，高于其他施肥处理5.36%~19.26%。

2.1.2 不同施肥处理对西葫芦茎粗的影响

从图2可以看出，在西葫芦生长过程中茎粗整体呈现先迅速增加后缓慢增加再迅速增加的趋势。施肥后25 d施肥各处理茎粗与CK差异并不显著；施肥50 d后各施肥处理茎粗均大于CK，其中T₁₁处理茎粗显著大于CK 27.17%，达13.80 mm，高于其他施肥处理3.87%~26.72%；施肥75 d后各施肥处理茎粗均大于CK，其中T₁₁、T₆和T₉处理茎粗显著大于CK 27.27%、18.26%和22.43%；施肥100 d后各施肥处理茎粗均大于CK，其中T₁₁处理茎粗显著高于CK 30.93%，达15.93 mm，高于其他施肥处理6.16%~18.63%。

2.2 不同施肥处理对西葫芦产量和品质的影响

由表2可知，各施肥处理的西葫芦产量均大于CK，其中T₁₁处理产量最大，较CK增产38.26%，较其他处理增产3.68%~26.54%；其次为T₇处理，较CK增产33.36%，较其他处理增产7.46%~22.05%。说明氮钾肥料合理配施有助于产量的提高。其中可溶性糖含量以T₁₁处理最高，T₅最低；各处理硝酸盐含量均显著高于CK，其中T₂处理最高；各处理蛋白质含量并无明显差异，以T₄处理最高，T₁处理最低；维生素C含量T₂处理最高，显著高于除T₁、T₃、T₁₁外的其他处理。可溶性固形物T₃处理显著高于其他处理。

2.3 回归模型的建立

以表 1 中氮、磷、钾肥料编码值为自变量，表2中产量为因变量，进行二次多项式回归分析，得出西葫芦产量与氮、磷、钾肥料之间的回归方程：

Y₁= 87 487.82+4 086.765X₁+455.325X₂+2 293.582X₃-5 291.633X₁²-7 072.94X₂²-3 560.06X₃²-6 771.976X₁X₂-10 769.956X₁X₃-11 269.482X₂X₃ （1）

同理，得出西葫芦品质综合得分与氮、磷、钾肥料之间的回归方程：

Y₂=77.334+0.714X₁-3.378X₂+1.550X₃-0.862X₁²-4.460X₂²-8.279X₃²-7.678X₁X₂ -9.795X₁X₃-4.334X₂X₃（2）

通过对两个效应方程进行F检验，F_产量=16.506，P=0.000 12<0.01表明回归关系极显著；F_品质 =4.352，P =0.022<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西葫芦产量、品质之间的关系，可以作为西葫芦产量和品质预测的依据。

2.4 模型分析

2.4.1 主效因子分析

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西葫芦产量和品质的影响。从方程（1）的一次项的回归系数可以看出，本试验中氮、磷、钾三个因素的偏回归系数绝对值分别为4 086.765、455.325和2 293.582，说明三因素对基质栽培西葫芦产量影响的大小顺序为：氮肥（X₁）>钾肥（X₃）>磷肥（X₂）。方程（2）的一次项的回归系数可以看出，氮、磷、钾的偏回归系数绝对值分别为0.714、3.378和1.550，说明试验中各因素对基质栽培西葫芦品质综合评分影响的大小顺序为：磷肥（X₂）> 钾肥（X₃）>氮肥（X₁）。

2.4.2 单因子效应分析

将模型中3个自变量（X₁、X₂、X₃）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、钾对西葫芦产量［方程（3）、（4）、（5）］和品质综合评分［方程（6）、（7）、（8）］的单因子效应方程模型：

（1） 西葫芦产量

施氮量Y₁₁= 87 487.82+4 086.765X₁-5 291.633X₁² （3）

施磷量Y₁₂= 87 487.82+455.325X₂-7 072.94X₂² （4）

施钾量Y₁₃= 87 487.82+2 293.582X₃-3 560.06X₃²（5）

（2） 西葫芦品质综合评分

施氮量Y₂₁= 77.334 + 0.714X₁-0.862X₁² （6）

施磷量Y₂₂= 77.334-3.378X₂-4.460X₂² （7）

施钾量Y₂₃= 77.334 + 1.550X₃-8.279X₃² （8）

将各单因子效应方程绘图，由图3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，西葫芦产量均随着氮、磷、钾施用量的增加而增加，达到最高产量后，西葫芦产量增幅逐渐减少，特别是氮、磷、钾编码值超过0.5以后，已经没有明显的增产效果；西葫芦品质综合评分在较低施肥量条件下，也随氮、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，西葫芦品质综合得分开始降低。同时，对各单因子效应方程分别求导数，可分别获得西葫芦最高产量及最优品质时的最大施肥量（表3）。

2.4.3 因子交互效应分析

为了探讨各因子之间的交互效应，通过对西葫芦产量回归模型方程（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）。在编码值范围内，氮、磷、钾对西葫芦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西葫芦产量的形成，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，磷的交互效应大于氮。由图4分析得出，在本试验条件下，日光温室基质栽培西葫芦产量≥85 000 kg/hm²的氮磷互作编码区间为 X₁取0.475~0.999，即施氮量为 553.12~749.74 kg / hm²，X₂取-0.842~-0.141，施磷量为6.79~94.86 kg /hm²；氮钾互作编码区间为 X₁取-0.176~0.959 4，即施氮量为309.02~597.90 kg/hm²，X₃取-0.353~0.430，施钾量为291.01~643.60 kg /hm²；磷钾互作编码区间为X₂取-0.508~0.326，即施磷量为55.38~149.26 kg/hm²，X₃取-0.323~0.596，施钾量为304.56~718.17 kg/hm²。

2.4.4 利用模型进行决策

采用频率分析法利用计算机模拟对模型进行寻优，由表4可知，在本试验条件下，戈壁日光温室越冬茬基质栽培西葫芦产量超过85 000 kg/hm²时的氮、磷、钾最优配比方案，即X₁取0.171~0.567，氮肥施用量439.29~587.46 kg/hm²；X₂取-0.406~0.012，磷肥施用量66.92~113.85 kg/hm²；X₃取-0.168~0.293，钾肥施用量374.36~581.89 kg/hm²。

同理可求得在本试验条件下，戈壁日光温室越冬茬基质栽培西葫芦品质综合评分在75分以上的施肥方案（表5），即氮肥施用量302.89~489.67 kg/hm²，磷肥施用量56.08~98.38 kg/hm²，钾肥施用量426.30~578.35 kg/hm²。通过综合分析对比，得出高产优质基质栽培西葫芦的施肥方案，即氮肥施用量439.29~489.68 kg/hm²，磷肥施用量66.82~98.39 kg/hm²，钾肥施用量426.30~578.35 kg/hm²。适宜的N、P₂O₅、K₂O 施用比例约为 1∶0.18∶1.08。

3 讨论

科学合理施用氮、磷、钾肥是保障作物产量及品质形成的重要物质基础^［15］。对比分析氮、磷、钾三因素对西葫芦产量及品质的主因子效应，研究表明氮、磷、钾肥对基质栽培西葫芦产量及品质均有显著影响，且均先随着氮、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。对西葫芦产量的影响大小排序为氮肥>钾肥>磷肥，说明西葫芦对营养元素氮的吸收量大于钾和磷，在一定范围内氮肥施用量的大小是影响西葫芦产量的主要因素。齐辉^［3］、周玲玲等^［16］、陈修斌等^［17］、郭鑫年等^［18］学者在土壤栽培方式下的研究结果也表明氮肥对西葫芦产量的影响明显大于钾肥。而张俊峰等^［14］在相同试验区域基质栽培番茄的研究也证实了这一点。本试验中对西葫芦品质综合得分的影响大小排序为磷肥>钾肥>氮肥。杜少平等^［12］研究发现影响砂田西瓜品质的营养元素以磷肥最大，钾肥次之，氮肥较小。而齐辉^［3］、周玲玲等^［16］在日光温室西葫芦上肥料效应研究也表明钾肥对西葫芦品质的影响效应要大于氮肥。

同时，采用频率分析法利用计算机模拟对模型进行寻优，在本试验条件下，戈壁日光温室越冬茬基质栽培西葫芦产量超过85 000 kg/hm²时的氮肥施用量为439.29~587.46 kg/hm²、磷肥施用量为66.92~113.85 kg/hm²、钾肥施用量为374.36~581.89 kg/hm²。品质综合评分在75分以上的氮肥施用量为302.89~489.67 kg/hm²、磷肥施用量为56.08~98.38 kg/hm²、钾肥施用量为426.30~578.35 kg/hm²。通过综合分析对比，得出高产优质基质栽培西葫芦的施肥方案，即氮肥施用量439.29~489.68 kg/hm²，磷肥施用量66.82~98.39 kg/hm²，钾肥施用量426.30~578.35 kg/hm²，适宜的N、P₂O₅、K₂O 施用比例约为1∶0.18∶1.08。该研究结果基本符合设施蔬菜N∶P₂O₅∶K₂O 适宜吸收比例^{［4，19-21］}。但氮、磷、钾肥的施用量少于齐辉^［3］、徐法君等^［7］学者在日光温室秋冬茬西葫芦土壤栽培条件下的研究结果。这可能一方面是由于本试验所用栽培基质氮、磷、钾基础含量均达到了较高水平，加之栽培基质使用年限较短，养分流失较少，所以相较于土壤栽培施肥量要少；另一方面与试验区气候、试验品种及设施类型等影响因素的差异密切相关，因此在应用中还需根据实际情况具体分析。

4 结论

在本试验条件下，获得西葫芦高产优质的施肥条件为氮肥施用量439.29~489.68 kg/hm²，磷肥施用量66.82~98.39 kg/hm²，钾肥施用量426.30~578.35 kg/hm²，适宜的N、P₂O₅、K₂O 施用比例约为1∶0.18∶1.08。

参考文献

[1] 陈修斌，线国兰，李翊华，等.不同种类基质配比对戈壁温室西葫芦幼苗生长及生理特性的影响［J］.中国瓜菜，2021，34（6）：64-67.

[2] 马彦霞，王晓巍，张玉鑫，等.戈壁日光温室基质栽培西葫芦新品种的引进筛选［J］.甘肃农业科技，2020，（8）：18-21.

[3] 齐辉.氮钾营养对日光温室越冬西葫芦生长发育的影响［D］.泰安：山东农业大学，2004.

[4] 黄绍文，唐继伟，李春花，等.我国蔬菜化肥减施潜力与科学施用对策［J］.植物营养与肥料学报，2017，23（6）：1480-1493.

[5] 孙明，高新昊，李彦，等.追肥减量对设施西葫芦产量、土壤养分及氮磷损失的影响［J］.山东农业科学，2020，52（11）：101-104.

[6] 王蔚杰，张晓燕，李文虎，等.不同施肥量对设施西葫芦产量和养分需求规律的影响［J］.农业开发与装备，2021（11）：231-232.

[7] 徐法君，齐辉，张敏，等.氮钾营养对西葫芦品质的影响［J］.北方园艺，2005（5）：56-57.

[8] 田艺心，高凤菊，曹鹏鹏.饱和D-最优设计在高蛋白大豆施肥优化中的应用［J］.植物营养与肥料学报，2019，25（2）：343-350.

[9] 韩梅.饱和D-最优设计在青海高原蚕豆有机肥替代化肥中的应用［J］.青海大学学报，2021，39（5）：37-44.

[10] 陈博照，张崇岐.混料模型的混合最优设计［J］.数理统计与管理，2015，34（3）：401-408.

[11] 滕云，郭亚芬，张忠学，等.东北半干旱区大豆水肥耦合模式试验研究［J］.东北农业大学学报，2005，36（4）：639-644.

[12] 杜少平，马忠明，薛亮.氮磷钾配施对砂田西瓜产量和品质的影响［J］.植物营养与肥料学报，2016，22（2）：468-475.

[13] 赵锴，李瑾，徐宁，等.氮磷钾配施对洋葱产量和品质的影响［J］.植物营养与肥料学报，2008，14（3）：558-563.

[14] 张俊峰，蒯佳琳，王晓巍，等.氮磷钾配施对戈壁日光温室基质槽培番茄产量和品质的影响［J］.西北农林科技大学学报，2022，50（8）：1-8.

[15] 薛垠鑫，刘根红，王晓钰.滴灌条件下氮磷钾肥配施对玉米株高、光合速率及产量的影响［J］.甘肃农业大学学报，2020，55（6）：77-85.

[16] 周玲玲，张黎杰，余翔，等.基于氮钾二因子饱和 D 最优设计的迁葫 1 号施肥效果研究［J］.江西农业学报，2019，31（4）：51-55.

[17] 陈修斌，邹志荣，姚静，等.日光温室西葫芦水肥耦合效应量化指标研究［J］.西北农林科技大学学报：自然科学版，2004（3）：49-52.

[18] 孙治强，白玉玲，张惠梅.CO₂施肥对日光温室西葫芦光合特性的影响［J］.河南农业大学学报，1997（4）：76-79.

[19] 张帆.基质矿化特性及果菜类蔬菜栽培下养分供给和光合调节机制研究［D］.兰州：甘肃农业大学，2014.

[20] 刘军，曹之富，黄延楠，等.日光温室黄瓜冬春茬栽培氮磷钾吸收特性研究［J］.中国农业科学，2007，40（9）：2109-2113.

[21] 孙权，郭鑫年，李建设，等.宁夏引黄灌区日光温室西葫芦高产施肥量及配比研究［J］.西北农业学报，2010，19（4）：110-114.

基金资助

甘肃省现代农业科技支撑体系区域创新中心重点科技项目(2019GAAS47)

甘肃省引导科技创新发展专项资金项目(2018GAAS13)

财政部和农业农村部：国家现代农业产业技术体系资助(CARS-24-G-28)

农业农村部西北地区蔬菜科学观测实验站(2015-A2621- 620321-G1203-066)