黃淮海地區(qū)紫花苜蓿氮磷鉀肥料效應(yīng)與推薦施肥量研究

張鐵軍, 趙忠祥, 龍瑞才, 呂會(huì)剛, 楊青川, 康俊梅*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所， 北京 100193； 2. 滄州市農(nóng)林科學(xué)院， 河北 滄州 061001)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)被譽(yù)為“牧草之王”。近年來(lái)，隨著草牧業(yè)發(fā)展對(duì)優(yōu)質(zhì)苜蓿草產(chǎn)品需求的增加，苜蓿種植規(guī)模迅速擴(kuò)大[1]。一批規(guī)模化、現(xiàn)代化和標(biāo)準(zhǔn)化的苜蓿生產(chǎn)基地與加工企業(yè)迅速崛起，迫切需要深入開(kāi)展苜蓿高效生產(chǎn)管理研究作為技術(shù)支撐。

植物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中需要很多營(yíng)養(yǎng)元素，尤其是生長(zhǎng)多年的紫花苜蓿，僅依靠土壤提供養(yǎng)分是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的[2-4]。施肥是紫花苜蓿高產(chǎn)不可或缺的管理措施，不同的施肥量和養(yǎng)分組合對(duì)紫花苜蓿的產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生較大的影響[5-7]。氮磷鉀肥的合理施用一直是調(diào)控作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量和品質(zhì)的主要措施[8-9]。苜蓿能夠通過(guò)共生固氮得到氮素，但連續(xù)種植苜蓿會(huì)大量消耗土壤氮素，氮肥的用量并不是越多越好，適量的氮肥有一定的增產(chǎn)效果[10]。磷肥是限制紫花苜蓿高產(chǎn)的主要因子之一，鉀肥對(duì)苜蓿的壽命、產(chǎn)量和品質(zhì)有著至關(guān)重要的作用[5]。段玉等[11]研究表明，平衡施肥具有顯著的增產(chǎn)效果，增施磷肥效果最好，其次是鉀肥，氮肥僅在當(dāng)年有效。謝勇等[12]研究指出，在壩上地區(qū)施氮可提高紫花苜蓿產(chǎn)量 8%～25%，施磷增產(chǎn)率在122%～172%，施鉀降低紫花苜蓿產(chǎn)量0～12%。

有關(guān)氮磷鉀不同施肥處理對(duì)紫花苜蓿產(chǎn)量的影響研究較多，但多數(shù)都是在土壤條件要求不嚴(yán)格的處理下進(jìn)行的，而且不同區(qū)域氣候、土壤和管理?xiàng)l件對(duì)施肥效果也有較大影響[13-16]。黃淮海地區(qū)是我國(guó)發(fā)展苜蓿產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)區(qū)域。本試驗(yàn)選擇黃淮海地區(qū)苜蓿生產(chǎn)的典型區(qū)域滄州為試驗(yàn)點(diǎn)，以黃淮海地區(qū)當(dāng)家苜蓿品種中苜3號(hào)為試驗(yàn)材料，連續(xù)二年研究了氮磷鉀不同配比和施肥量對(duì)紫花苜蓿干草產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，以期為當(dāng)?shù)刈匣ㄜ俎Ｉa(chǎn)的科學(xué)施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)于2016年至2017年在河北省滄州市農(nóng)林科學(xué)院前營(yíng)試驗(yàn)站(43°36 N，122°22 E)進(jìn)行，海拔高度178.51 m，為典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫12.5℃，極端最低氣溫-20℃，≥10℃活動(dòng)積溫3 184℃，無(wú)霜期150 d；年平均降水量610 mm，4-9月份降水量占全年降水量的92%。試驗(yàn)田土壤為中壤土，pH值7.97，含鹽量0.11%，0～30 cm深土壤有機(jī)質(zhì)含量8.6 g·kg-1，堿解氮97.14 mg·kg-1，速效磷13.97 mg·kg-1，速效鉀206.53 mg·kg-1。為河北省東部沿海農(nóng)區(qū)的典型地域。前茬作物為玉米。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為中苜3號(hào)苜蓿(MedicagosativaL. ‘Zhongmu No.3’)，供試氮肥為尿素(N≥46.3%)，磷肥為過(guò)磷酸鈣(P2O5≥14%)，鉀肥為硫酸鉀(K2O≥50%)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)農(nóng)業(yè)部《測(cè)土配方施肥技術(shù)規(guī)范(試行)》中推薦的“3414”施肥方案設(shè)計(jì)(表1)，設(shè)氮、磷、鉀三個(gè)因素四個(gè)水平，共14個(gè)處理。隨機(jī)區(qū)組，3次重復(fù)，小區(qū)面積30 m2(5m×6m)。試驗(yàn)田苜蓿于2014年5月5日播種。播種之前精細(xì)整地，采用人工進(jìn)行開(kāi)溝條播，溝深為 1～3 cm，行距為30 cm。試驗(yàn)于2016年至2017年進(jìn)行，肥料每年分兩次施入。2016年9月中旬最后一次刈割后施入年總量的一半，另一半在2017年5月第一次刈割后施入。采用人工開(kāi)溝施肥，在兩行間施入，施肥深度10-15cm，施肥后立即覆土。根據(jù)田間實(shí)際情況人工除草，防治病蟲(chóng)害。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1草產(chǎn)量測(cè)定 草產(chǎn)量測(cè)定在初花期，留茬高度為5 cm，全年共收獲4次。第一茬至第四茬的收獲期分別為2017年5月15日、6月19日、7月25日和9月2日。

每個(gè)小區(qū)全部刈割后，測(cè)定鮮草產(chǎn)量。從每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取1千克的鮮草樣品，剪成3～4cm長(zhǎng)，置于烘箱中，在105℃烘干48小時(shí)至恒重，計(jì)算干鮮比。綜合鮮草產(chǎn)量與干鮮比換算成單位面積干草產(chǎn)量。將每年各茬次產(chǎn)量相加，計(jì)算獲得各年份的年產(chǎn)量。

1.4.2草品質(zhì)測(cè)定 保留第一茬測(cè)定干鮮比的苜蓿干草樣品用于品質(zhì)檢測(cè)。將烘干樣粉碎，過(guò)1 mm篩，在低溫、避光、隔熱條件下保存。苜蓿干草樣品采用FOSS公司的NIR System5000近紅外光譜分析儀掃描分析品質(zhì)。工作參數(shù)：波長(zhǎng)范圍1 100～2 500 nm，波長(zhǎng)間隔2 nm，每個(gè)樣品重復(fù)裝樣及掃樣3次，取平均值，并轉(zhuǎn)化為log1/R形式記錄光譜數(shù)據(jù)。定標(biāo)軟件為WinISI Ш，工作條件室溫25℃穩(wěn)定。測(cè)定指標(biāo)包括粗蛋白、酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維、磷、鉀共五個(gè)指標(biāo)。

表1 試驗(yàn)處理及施肥量Table1 Experiment treatments and fertilizer rates

1.5 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用DPS軟件的一般線性模型(GLM)、方差分析(ANOVA)和“3414”試驗(yàn)設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)分析模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)用Excel 2010 軟件進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析及曲線圖繪制[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理干草年產(chǎn)量的比較

由表2可知，氮、磷、鉀不同施肥水平和組合處理下，中苜3號(hào)苜蓿品種的干草年產(chǎn)量均高于不施肥的處理。其中，干草年產(chǎn)量居前5位的施肥處理編號(hào)依次是處理3，12，2，13，10。產(chǎn)量均超過(guò)23 000 kg·hm-2，分別比不施肥的處理增產(chǎn)15.23%，14.72%，13.58%，13.12%和12.94%。

2.1.1產(chǎn)量模型的建立 試驗(yàn)設(shè)計(jì)矩陣及產(chǎn)量結(jié)果列入表2，對(duì)施肥方案的編碼值與產(chǎn)量結(jié)果經(jīng)計(jì)算，建立了氮、磷、鉀3種肥料用量與產(chǎn)量的回歸方程：

(1)

經(jīng)F檢驗(yàn)，F(xiàn)值= 51.3858，P值= 0.0009，決定系數(shù)R2= 0.9914。方差分析表明，上述模型擬合性好，反映了紫花苜蓿干草產(chǎn)量與氮、磷、鉀三個(gè)主要可控因子的相關(guān)關(guān)系，可以用于決策紫花苜蓿的合理施肥。

表2 氮、磷和鉀肥對(duì)紫花苜蓿干草年產(chǎn)量的綜合效應(yīng)Table 2 The comprehensive effects of N,P and K fertilizer on annual yield of Medicago sativa L. cv. Zhongmu No.3

2.1.2各施肥因子獨(dú)立效應(yīng)分析 對(duì)回歸式Y(jié)分別固定X2與X3，X1與X3，X1與X2，可獲得X1、X2、X3各施肥試驗(yàn)因子對(duì)產(chǎn)量影響的獨(dú)立效應(yīng)降維方程如下：

(2)

(3)

(4)

從上述方程式可看出，各施肥因子對(duì)產(chǎn)量的獨(dú)立效應(yīng)均呈二次拋物線形。獨(dú)立效應(yīng)的大小順序?yàn)閄2>X3>X1，說(shuō)明氮、磷、鉀對(duì)中苜3號(hào)干草產(chǎn)量的效應(yīng)依次為磷肥>鉀肥>氮肥(圖1)。

2.1.3因素間交互效應(yīng)分析 對(duì)產(chǎn)量方程的交互項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行t檢驗(yàn)。結(jié)果表明，N，P互作達(dá)到顯著水平，固定1個(gè)因素X3，可獲得Xl與X2兩個(gè)因素對(duì)產(chǎn)量影響的交互效應(yīng)降維函數(shù)式如下，分析資料見(jiàn)表3。

圖1 氮、磷、鉀肥對(duì)苜蓿干草產(chǎn)量的獨(dú)立效應(yīng)Fig.1 The effect of N,P,and K fertilizer on alfalfa hay yield

表3 施氮和磷肥對(duì)苜蓿干草產(chǎn)量的交互作用Table3 Interaction of nitrogen and phosphorus fertilizer on alfalfa hay yield/kg·hm-2

由表3數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)鉀肥為0水平時(shí)，氮肥施(N1水平)5 kg，磷肥施(P2水平)60 kg時(shí)，苜蓿產(chǎn)量最高，為22 549.2 kg·hm-2。當(dāng)鉀肥為0水平時(shí)，氮肥施(N3水平)15 kg，磷肥施(P3水平)90 kg時(shí)，苜蓿產(chǎn)量最低，為19 861.5 kg·hm-2。還可以看出，N、P互作效應(yīng)在施氮1水平下最大。說(shuō)明在較低的施氮水平下，N和P互作效應(yīng)有利于增產(chǎn)。

2.1.4模型的最優(yōu)解 最高產(chǎn)量必須是回歸方程的極點(diǎn)偏導(dǎo)數(shù)等于零，聯(lián)立求解。在本試驗(yàn)條件下，可獲得最高產(chǎn)量Ymax=23 918.2 kg·hm-2。其相應(yīng)的施肥方案為：施N 4.1 kg·hm-2，施P2O548.5 kg·hm-2，施K2O 270.0 kg·hm-2。

2.2 不同施肥處理下苜蓿草品質(zhì)的比較

在紫花苜蓿初花期分析測(cè)定了中苜3號(hào)苜蓿干草的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量，結(jié)果如表4所示。在14個(gè)氮、磷、鉀肥配施處理中，處理7(N2P3K2)的粗蛋白含量均最高，其次是處理8(N2P2K0)。處理組合3(N1P2K2)和8(N2P2K0)的酸性洗滌纖維含量最低，均低于35%。處理組合7和14(N2P3K2和N2P1K1)中性洗滌纖維含量最低。

表4 不同施肥處理對(duì)苜蓿干草品質(zhì)的影響Table 4 The effects of fertilizer treatments on hay quality of Medicago sativa L. ‘Zhongmu No.3’

注：同列數(shù)值后不同字母表示差異顯著(P<0.05)

Note:Different letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 level

2.2.1不同施氮水平下?tīng)I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量的比較 不同的N，P，K水平處理下，初花期各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量由圖2可見(jiàn)。隨著氮肥施入量的增加，中苜3號(hào)苜蓿初花期的營(yíng)養(yǎng)成分呈現(xiàn)不同的變化。粗蛋白的含量隨N肥的增加表現(xiàn)出先降低再升高的趨勢(shì)，在N3施肥水平時(shí)粗蛋白含量達(dá)到最高值21.66%。方差分析表明，N0水平與N3水平間粗蛋白含量差異顯著(P<0.05)，酸性洗滌纖維含量隨氮肥施用水平的增加呈先增加后減少的趨勢(shì)，N2水平與不施肥N0水平間酸性洗滌纖維含量差異顯著。中性洗滌纖維含量隨氮肥施用水平的增加呈減少的趨勢(shì)，在N3施肥水平時(shí)中性洗滌纖維含量達(dá)到最低值52.34%。方差分析表明，N3水平與不施肥的N0水平間中酸性洗滌纖維含量差異顯著(P<0.05)。磷的含量表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，在N3施肥水平時(shí)達(dá)最高值0.35%，N1水平與N3水平處理的磷含量間差異顯著；鉀的含量表現(xiàn)為先上升后降低的趨勢(shì)，N1水平與N3水平處理的鉀含量間差異顯著(P<0.05)。

圖2 施氮水平對(duì)中苜3號(hào)苜蓿干草品質(zhì)的影響Fig.2 Effect of N rates on hay quality of Medicago sativa L.’ Zhongmu No.3’

2.2.2不同施磷水平下?tīng)I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量的比較 由圖3可見(jiàn)，隨磷肥施用量的不同中苜3號(hào)苜蓿各營(yíng)養(yǎng)成分的變化也不同。粗蛋白的含量隨磷肥的增加呈逐漸升高的趨勢(shì)，在P3施肥水平含量最高達(dá)到23.17%，在P0施肥水平時(shí)含量最低。方差分析表明，P0施肥水平與P3施肥水平粗蛋白含量差異顯著(P<0.05)，其他施肥水平的粗蛋白含量差異不顯著。酸性洗滌纖維含量隨著磷肥的施用量增加呈逐漸降低的趨勢(shì)，P3水平含量最低，為35.11%。方差分析表明，P3施肥水平與不施磷肥的P0，P1，P2施肥水平間酸性洗滌纖維含量差異顯著(P<0.05)；中性洗滌纖維含量隨著磷肥的施用量增加表現(xiàn)出先減少后增加，但總體呈逐漸降低的趨勢(shì)，P3水平含量最低為50.7%，P3施肥水平與不施磷肥的P0及P1，P2施肥水平間中性洗滌纖維含量差異顯著；磷的含量隨施P水平的增加變化不大；鉀的含量隨施P水平的增加變化較小。

圖3 施磷水平對(duì)中苜3號(hào)苜蓿干草品質(zhì)的影響Fig.3 Effect of P rates on hay quality of Medicago sativa L. ‘Zhongmu No.3’

2.2.3不同施鉀水平下?tīng)I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量的比較 由圖4可見(jiàn)，中苜3號(hào)苜蓿的粗蛋白含量隨鉀肥施用量的增加先降低后升高，K3施肥水平粗蛋白的含量最高，達(dá)到20.54%。方差分析表明，K3施肥水平與K0，K1，K2粗蛋白含量差異顯著(P<0.05)，而K0與K2的粗蛋白含量差異不顯著。酸性洗滌纖維的含量是先升高后降低，K3施肥水平酸性洗滌纖維含量最低，為35.9%，K3與K1酸性洗滌纖維含量差異顯著。中性洗滌纖維的含量隨鉀肥施用量的增加先升高后降低，K2施肥水平中性洗滌纖維的含量最低，為52.7%。方差分析表明，K2施肥水平與K0，K1施肥水平中性洗滌纖維含量差異顯著。磷的含量隨施K水平的增加變化很小；鉀的含量隨施K水平的增加呈先降低后升高的趨勢(shì)，但變化幅度較小。

圖4 施鉀水平對(duì)中苜3號(hào)苜蓿干草品質(zhì)的影響Fig.4 Effect of K rates on hay quality of Medicago sativa L. ‘Zhongmu No.3’

3 討論

施肥是紫花苜蓿栽培管理技術(shù)中的重要一環(huán)，合理施肥可以顯著提高苜蓿的干草產(chǎn)量[18]。謝勇等[12]研究表明，在半干旱地區(qū)施氮能促進(jìn)紫花苜蓿增產(chǎn)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，施肥對(duì)苜蓿產(chǎn)量的提高和苜蓿品質(zhì)的改善均有積極的影響。根據(jù)氮、磷、鉀單因素和雙因素肥料效應(yīng)對(duì)苜蓿產(chǎn)量的影響，不同氮、磷、鉀量施用量對(duì)苜蓿產(chǎn)量均有顯著影響，能很好地表現(xiàn)出產(chǎn)量與肥料效應(yīng)。氮、磷、鉀在一定的水平內(nèi)，苜蓿產(chǎn)量隨著施肥量的增加而增加，而到達(dá)一定水平后苜蓿產(chǎn)量增幅反而有所降低。這與范富[16]等的研究結(jié)果一致。賈珺[15]等研究結(jié)果表明，不同NP配施能大幅度提高紫花苜蓿產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度為8. 98%～43. 42%，其中以N 30 kg·hm-2+ P2O5120 kg·hm-2施肥處理最為經(jīng)濟(jì)。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，當(dāng)鉀肥為0水平時(shí)，氮肥施5 kg，磷肥施60 kg時(shí)，苜蓿產(chǎn)量最高，為22 549.17 kg·hm-2。當(dāng)鉀肥為0水平時(shí)，氮肥施15 kg，磷肥施90 kg時(shí)，苜蓿產(chǎn)量最低，為19 861.48 kg·hm-2。說(shuō)明在較低的施氮水平下，N，P互作效應(yīng)有利于增產(chǎn)。

施磷、鉀肥可促進(jìn)苜蓿根瘤形成，提高根瘤活性，進(jìn)而增加苜蓿蛋白質(zhì)含量，提高苜蓿品質(zhì)[19-20]；磷肥對(duì)苜蓿增產(chǎn)效果十分明顯，并且氮、磷、鉀肥之間存在相互促進(jìn)作用[21]。施NPK復(fù)合肥明顯促進(jìn)了紫花苜蓿葉中氮含量，而對(duì)磷含量影響不明顯[22]。紫花苜蓿中粗蛋白含量越高，中性洗滌纖維含量越低，相對(duì)飼用價(jià)值越大，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值越高[23]。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，隨著氮肥、磷肥、鉀肥施入量的增加，苜蓿粗蛋白的含量總體表現(xiàn)出升高的趨勢(shì)，酸性洗滌纖維含量隨施肥水平的增加呈下降的趨勢(shì)，而P、K含量變化不明顯。氮、磷、鉀不同肥料肥效的發(fā)揮受環(huán)境條件的影響很大，針對(duì)不同區(qū)域土壤理化指標(biāo)、氣候條件及苜蓿草地需肥規(guī)律應(yīng)進(jìn)行長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，找出適合當(dāng)?shù)貤l件的最佳施肥配比、施肥量、施肥時(shí)期和施肥方式。鑒于本試驗(yàn)在紫花苜蓿初花期所測(cè)鮮草營(yíng)養(yǎng)成分含量與l4個(gè)N，P，K肥配施處理各施肥量之間不呈回歸關(guān)系，而直觀比較結(jié)果規(guī)律性又不明顯，說(shuō)明紫花苜蓿的植物營(yíng)養(yǎng)、供試土壤養(yǎng)分肥力與N，P，K肥之間的關(guān)系極為復(fù)雜，有待今后深入探討。

4 結(jié)論

在河北滄州地區(qū)，影響中苜3號(hào)苜蓿干草產(chǎn)量高低順序?yàn)榱追?鉀肥>氮肥。該品種在施N 4.10 kg·hm-2，施P2O548.47 kg·hm-2，施K2O 270 kg·hm-2時(shí)可獲得最高產(chǎn)量23 918.2 kg·hm-2。

在本試驗(yàn)處理中，處理7(N2P3K2)粗蛋白含量最高，為22.45%，處理6(N2P2K2)粗蛋白含量最低，為16.87%，酸性洗滌纖維含量最低的處理3(N1P2K2)，為34.14%，最高的處理13(N1P2K1)，為39.69%；中性洗滌纖維的含量最低的處理7(N2P3K2)，為51.27%，最高的處理9(N2P2K1)，為60.29%；相對(duì)飼用價(jià)值最大的為處理7(N2P3K2)，為111.36。綜合分析，中苜3號(hào)苜蓿初花期處理7(N2P3K2)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高。