基于土壤養分平衡的無重復灌溉試驗分析與設計

周和平+翟超+趙健

摘要 基于灌溉試驗不設重復，減少土壤肥力不均勻差異性大對試驗效果影響的考慮，以試驗處理小區為研究對象，采用土壤有效養分平衡方法進行分析設計。結果表明，實施土壤有效養分平衡，可較好解決試區因土壤肥力差異性大需設重復處理的問題；此應用方法在灌溉試驗設施調控能力相對較好的條件下，還可以充分利用有限的試區面積，盡可能參與更多的試驗作物、減少試驗周期和研究投入、提高灌溉試驗效率的作用。

關鍵詞 土壤養分平衡；灌溉試驗；無重復設計；分析

中圖分類號 S27；S14；S158 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）23-0180-05

Abstract Based on non-repetition irrigation experiment and consideration of effect of reducing soil fertility uniform difference on the test results，taking test processing area as research object，analysis and design were conducted by soil available nutrient balance method. Results showed that implementation of effective soil nutrient balance could well solve the problem of large amount of repeated treatment due to the difference of soil to plant more test crop fertility in test area. By using this method，when the control ability of irrigation facilities was relatively good，it could make full use of the limited test area，as much as possible，to reduce test cycle and research investment，and to improve the efficiency of irrigation experiment.

Key words soil nutrient balance；irrigation experiment；non-repeated design；analysis

灌溉試驗設計是作物試驗研究方案的重要內容，試驗設計主要包括試驗因素水平、試驗處理與重復和試驗小區布置等。其中，試驗處理重復設置是盡可能減少土壤肥力差異、操作系統誤差對試驗目標產生的影響，以及利用t檢驗或F方差對試驗處理重復進行顯著性檢驗分析，以保障試驗精度和統計分析的需要。因此，我國《灌溉試驗規范》規定[1]，除多點大田示范性試驗外，灌溉試驗處理應設置重復，小區試驗不少于3次重復，中間示范性試驗不少于2次重復。以簡單的單因素（灌水定額或土壤含水率下限）試驗設計為例，一般多為4個以上處理水平，如果3次重復，則需12個試驗處理小區，若2個及以上多因素試驗設計，顯然試驗處理小區將大幅增加。由此帶來的問題：一是試驗設計需要試驗區域面積增多；二是由于試驗區面積有限，試驗周期（2～3年）只能安排少量作物試驗，而一些灌區少則7～8種，多則近20種作物需要灌溉試驗研究，由此完成多作物灌溉試驗，需花費數年甚至十幾年時間，工作時間效率十分低下；三是有些試驗站有先進的試驗設施，為操作系統誤差減少提供了先決條件。如新疆灌溉中心試驗站有廊道式自動化測坑試驗小區48個，該地有12種大田作物急需實施微灌條件下需水規律與灌溉制度研究，若4個處理3次重復設計需12個試驗小區，則48個試驗小區僅安排4種作物，按3年試驗周期9年后才可完成作物試驗，若不設重復3年內可全部完成。因此，基于先進觀測試驗設施仍采用重復設計，不利于先進設施的有效發揮和快出成果，也過多消耗大量人物、資金和時間資源。試驗處理是否設置重復前人多有研究[2]，設置重復試驗能夠估計試驗誤差，重復次數越多試驗誤差越低，精度越高[3-4]。做正交試驗設置適當重復，可增加差異顯著性和方差分析，利于試驗隨機誤差評估。陳 穎等[5-8]認為無重復試驗的飽和析因設計廣泛用于工業許多領域，主要問題是沒有剩余自由度可用來估計誤差，從而無法用標準方差分析對因子進行顯著性檢驗[9]。利用線性混合模型原理和SAS軟件的Proc mixed程序，實現對植物育種無重復試驗數據分析，解決植物育種無重復試驗品系間可比性差及不能進行效應差異顯著性統計測驗問題[10]。小區間土壤差異大小與小區面積成反比，隨著小區面積和重復次數增加，變異系數同步變小，說明較大試區面積不設重復對試驗效果影響小。趙景遺等[11]在區域內多設試驗點以增大代表性，但在各試驗點不設重復，區域試驗并未降低精度，但卻節約經費和人工，提高試驗效率。本文基于充分發揮先進灌溉試驗設施可調控能力，節省試驗研究人物及資金投入，提高灌溉試驗項目研究效率目標，針對試驗處理不設置重復問題，提出土壤養分平衡方法設計分析。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

研究區位于新疆灌溉中心試驗站，地處昌吉市濱湖鎮13戶村，東經87°18′，北緯44°01′，平均海拔600 m。該區處于天山北坡沖積、洪積平原南緣，屬天山北坡帶頭屯河流域，年均降水量181.7 mm、年蒸發量1 739.1 mm，平均日照時數7.8 h，年均氣溫13.1 ℃，≥0 ℃積溫3 834.3 ℃以上，屬典型內陸干旱性氣候。研究區地下水埋深2.5～4.5 m，棕漠土類土壤質地為中—輕壤，0～120 cm土層、耕作層土壤干容重分別為1.46～1.65、1.50～1.60 g/cm3，0～120 cm土層、耕作層田間持水量（干土重）分別為18.8%～23.9%、20.1%～23.4%；地表與地下水礦化度3～4 g/L，為弱咸水，土壤全鹽小于0.2%無鹽漬化；耕作層土壤有機質1.59%肥力屬中偏下水平，土壤含有效氮90.84 mg/kg、有效磷41.63 mg/kg、有效鉀421.2 mg/kg，表現為缺氮少磷鉀的特點。試驗研究區建有2組地下廊道防雨棚式測坑設施，其中1組具有土壤水分、溫度、鹽分自動采集調控，適應不同灌溉試驗設計需要的自動化設施（圖1）。測坑設施總面積604 m2，每組測坑面積301.54 m2（長32.25 m，寬9.35 m），試驗小區24個，以廊道為中心，兩側分布12個試驗小區（長×寬為3.3 m×2.0 m，面積6.6 m2），2組測坑共有48個試驗小區。

1.2 分析方法

1.2.1 試區土壤肥力差異性診斷。土壤肥力不均勻直接影響試驗效果，因此通常方法是設置試驗處理重復，以消減相同處理小區養分不均勻而產生的試驗誤差，并可獲得具有代表性的平均結果。處理小區不設重復的前提應是土壤肥力（養分）相對均勻且肥力差異宜在最小可用范圍內。因此，試驗前需進行試區土壤肥力均勻性診測，由式（1）計算分析試驗處理小區多點變異系數CV值，一般認為，試驗處理區CV值≤5%土壤肥力均勻性較好。

CV=S/x=[Σ（xi-x）2/n]1/2/x（1）

式（1）中：S為樣本離均差；x為樣本均值；xi為n樣品中第i個樣品值；n為樣品數。

由式（1）知，變異系數是樣本離均差與樣本均數比值，S值越小越代表樣本各變量xi的集中性。若S=0，x與xi相等可代表樣本整體，在2個樣本比較時，CV可用百分率表示。

1.2.2 試區土壤養分平衡計算。一般情況下土壤肥力為非均勻性，即使完全均質土壤也存在著一些差異。因此，在試區土壤肥力均勻性診測的基礎上，經過土壤養分平衡獲得處理小區土壤有效養分相對均勻，按照下式進行詳細分析：

W=10γHYi（2）

F=W/η（3）

式（2）、（3）中：W為試驗小區需補充的有效養分量（kg/hm2）；γ為土壤干容重（g/cm3）；H為耕作層深，一般取0.20 m；Yi為需補充的土壤有效養分N、P、K（mg/kg）；F為試驗小區化肥施用量（kg/hm2）；η為折算成施用化肥的含純養分百分率（%）。

按式（2）和式（3）進行試驗處理小區平衡計算的步驟：①選取有效養分最大值，以此作為平衡計算比較值；②每一有效養分值與比較值之差為補充量；③換算每個處理試驗區單位面積上需補充實施的有效養分量；④將補充實施的有效養分量折算為化肥施用量。

2 結果與分析

2.1 試區土壤肥力差異性診斷

為了便于試驗操作管理，將2組測坑分為4個區，即第1組測坑為1-1和1-2；第2組測坑為2-1和2-2，每個區有12個試驗小區，4個區共為48個試驗小區。試驗前或試驗作物收獲后，以區為順序分別在48個試驗小區采用梅花形或“S”形分布，取0～20 cm耕作層5點土樣均勻混合后，及時送往化驗室測試土壤有效養分N、P、K，并且由式（1）分析土壤肥力均勻情況（表1～4）。測驗的結果表明，各個試驗小區變異系數CV在0.081～0.409之間，即CV>5%范圍，說明該區的土壤肥力差異大，均勻性不好，需要進行養分平衡調節。

2.2 試區土壤養分平衡分析

據式（2）和試驗小區平衡計算步驟，將表1試驗小區土壤養分差異不均狀態，進行養分平衡計算分析如表5～8所示，給出每個試區單位面積需補施的有效養分N、P、K量，由式（3）按不同化肥品種養分含量折算為化肥施用量（表9），以試區面積大小換算成試區施肥量，之后人工均勻補充到各試區，從而達到試區土壤肥力相近目標。

3 結論與討論

3.1 結論

在灌溉試驗設施調控能力相對較好條件下，運用養分平衡原理，采用土壤有效養分測驗和差異性診斷、土壤有效養分平衡補充以及土壤有效養分折算為化肥施量的分析設計，較好地解決了試驗區因土壤肥力差異性較大影響試驗效果、試驗處理重復設置占用試驗小區數量較多的問題，有利于在有限的灌溉試驗面積上增加試驗作物數量，減少試驗投入，提升灌溉試驗研究效率。

3.2 討論

本文針對灌溉試驗小區土壤肥力不均勻導致試驗結果誤差較大，試驗小區處理設計不設置重復問題，提出并應用土壤養分平衡方法分析設計，從而減少試驗人物資金投入，提高灌溉試驗效率。試驗處理無重復設置是基于灌溉試驗設施條件相對較好的分析設計，但對于灌溉試驗設施條件較差尤其是試驗控制能力不足的，以及將大田作為試驗區的，尚未進行土壤養分平衡法分析設計討論，這主要是考慮采用土壤養分平衡方法工作量較大，且適用于灌溉試驗設施條件比較好，試驗過程中便于操作控制管理等因素。因此，土壤養分平衡無重復灌溉試驗分析與設計應用范圍和條件有一定的局限性，將這一方法擴展使用尚需做進一步的設計分析。

4 參考文獻

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