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Study on mathematical model of optimum fertilizer application to Pinellia ternate cultivation

半夏高产高效栽培最佳施肥数学模型研究


目的:研究北方半夏在人工栽培条件下产量与施肥的数学模型,以指导大田科学施肥。方法:试验采用3因素5水平2次通用旋转组合设计。结果与结论:只有氮(N),磷(P),钾(K)配施,方可实现本试验条件下栽培半夏的最大产量:29 9214 kg·hm-2;此时施肥量N,五氧化二磷(P2O5),氧化钾(K2O)分别为41379,22479,16401 kg·hm-2,施肥纯收益为475 80921 元/hm2。肥料的主效应P>N>K。

Objective: To study the mathematical model of optimum fertilizer application to Pinellia by field experiments.  Method: Three factors and 5 levels quadratic rotational combination design was applied to study the effects of N, P and K.  Result and Conclusion: N, P and K combination application can achieve the maximum yield of 29 9214 kg·hm-2, the amount of N, P2O5, K2O were 41379, 22479, 16401 kg·hm-2, respectively. The effects of the 3 factors were in following orders: P>N>K.


全 文 :半夏高产高效栽培最佳施肥数学模型研究
王 鹏1,裴建文2,孙万仓1,杨少平3,刘文臖4,孙新荣1
(1.甘肃农业大学 农学院,甘肃 兰州 730070;
2.天水师范学院 现代农业与陇东南动植物资源研究保护开发中心,甘肃 天水 741001;
3.天水市麦积区农牧局 农业技术推广中心,甘肃 天水 741020;
4.天水市农业学校,甘肃 天水 741400)
[摘要] 目的:研究北方半夏在人工栽培条件下产量与施肥的数学模型,以指导大田科学施肥。方法:试验采用3因素5
水平2次通用旋转组合设计。结果与结论:只有氮(N),磷(P),钾(K)配施,方可实现本试验条件下栽培半夏的最大产量:
299214kg·hm-2;此时施肥量N,五氧化二磷(P2O5),氧化钾(K2O)分别为41379,22479,16401kg·hm
-2,施肥纯收益为
47580921元/hm2。肥料的主效应P>N>K。
[关键词] 半夏;产量;施肥
[收稿日期] 20080408
[通讯作者] 裴建文,Tel:(0941)3623266,13909415316,Email:
ibh203@126.com
  随着半夏野生资源的不断减少和保护力度的加
大,人工栽培半夏逐渐已成为重要的栽培药材之
一[1]。目前,半夏栽培仅停留在群众经验的基础
上,技术模糊,资料奇缺,生产效益差异悬殊。为了
改变目前的生产现状,在当地主栽区作者研究氮
(N)、磷(P)、钾(K)施肥配方[25],旨在找到施肥与
产量的相关数学模型,为半夏施肥提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验地基本情况
2007年试验设在甘肃省天水市清水县城郊川
水地上,海拔1378m;土质中壤,肥力中等。土壤养
分全氮063g·kg-1,全P2O5129g·kg
-1,全K2O
1685g·kg-1;碱解氮 680mg·kg-1,速效 P2O5
227mg·kg-1,速效K2O1735mg·kg
-1。前茬以
小麦做匀地试验,试验区均匀一致。
1.2 材料
1.2.1 试验用化肥 氮肥用尿素(含N46%,兰州
石化公司产),磷肥用过磷酸钙(含 P2O512%,白银
绿源磷复合肥有限责任公司产),钾肥用氯化钾(含
K2O60%,青海利源化肥厂产)。
1.2.2 供试半夏品种 为采挖的清水县百家乡野
生半夏。
1.3 方法
1.3.1 试验设计 采用3因子2次通用旋转组合
设计。
1.3.2 播种、田间管理及收获 为便于田间管理和
降低因化肥水平渗透作用对试验的影响,每小区做
一畦,四周打埂,埂宽10cm,高15cm。小区净面积
1225m2(35m×35m),共20处理,分2个区组
随机排列(“0”点处理重复6次)。播种时先铲出畦
内表土,整平畦底,将全部化肥混合后一次性施入畦
底,搂入土中混匀后撒播种茎,最后均匀覆土 15
cm。整个生育期内全试验未施有机肥,也不追施其
他肥料。2006年11月13日播种,播量(块茎)4200
kg·hm-2,密度510万粒/hm2。出苗前4月1日浇
透水1次,并地表覆盖麦草保持土壤松软湿润。5
月3日开始出苗,5月25日植株叶片已封住地面。
全生育期视苗情、土壤和大气湿度随时浅灌,并做到
田间无杂草。待全田倒苗,叶片干枯后于2007年9
月15日一次性采挖。每小区四周除去30cm宽的
面积不计产(以进一步消除肥料不同水平在小区间
的横向渗透影响),剩余部分严格计产。生育期间
病虫采用统一方案防治,效果理想。
1.3.3 土壤化验方法 全氮用半微量开氏法、全磷
用氢氧化钠熔融钼锑抗比色法、全钾用氢氧化钠熔
融火焰光度法、碱解氮用碱解扩散法、速效磷用碳
酸氢钠熔融钼锑抗比色法、速效钾用乙酸铵提取
火焰光度法[6]。
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第34卷第6期
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Vol.34,Issue 6
 March,2009
1.4 统计方法
结果数据用软件DPS进行处理。
2 结果与分析
2.1 回归方程
具体的试验方案及结果见表1。
由表1资料得方程:
表1 试验方案及结果
处理
编码值
X1(N) X2(P2O5) X3(K2O)
施肥量/kg·hm-2
N P2O5 K2O
鲜块茎产量/kg·hm-2
Y Y′
产值/
元/hm2
1 -1 -1 -1 12165 6075 6075 203602 204951 32576320
2 -1 -1 1 12165 6075 23925 227614 226680 36418240
3 -1 1 -1 12165 23925 6075 254627 257106 40740320
4 -1 1 1 12165 23925 23925 260130 260576 41620800
5 1 -1 -1 47835 6075 6075 255628 259961 40900480
6 1 -1 1 47835 6075 23925 283642 281690 45382720
7 1 1 -1 47835 23925 6075 281641 287353 45062560
8 1 1 1 47835 23925 23925 291646 290823 46663360
9 -1682 0 0 0 150 150 214607 213900 34337120
10 1682 0 0 600 150 150 288644 285601 46183040
11 0 -1682 0 300 0 150 242121 241738 38739360
12 0 1682 0 300 300 150 296648 293281 47463680
13 0 0 -1682 300 150 0 259630 252661 41540800
14 0 0 1682 300 150 300 270635 273854 43301600
15 0 0 0 300 150 150 286143 285500 45782880
16 0 0 0 300 150 150 289645 285500 46343200
17 0 0 0 300 150 150 287644 285500 46023040
18 0 0 0 300 150 150 282141 285500 45142560
19 0 0 0 300 150 150 283642 285500 45382720
20 0 0 0 300 150 150 283142 285500 45302720
  注:Y为实际值;Y′为依方程计算出的理论值;产值由各处理产量、半夏干块茎48元/kg及鲜块茎出干率3333%折算而来。
  Y′=28549964+2131417X1 +1532205
X2+629981X3 -1263619X1
2 -635898X22 -
786192X3
2 -619050X1X2 + 106300X1X3 -
456475X2X3 (1)
方程经失拟性检验,拟和良好[F1=321,F005
(5,5)=505,即F1<F005],并达极显著水平(F2=
8508>F001=494)。
各回归系数经显著性检验,除 t13外亦均达显著
或极显著水平(t0=16569,t1=1864,t2=
134,t3=551,t12=414,t13=071,t23=
306,t11=1135,t22=571,t33=706)。
说明该方程可以用作施肥对产量的预报。
2.2 施肥对鲜块茎产量的影响
2.2.1 N,P,K配施 原方程⑴剔除不显著项后为:
Y′=28549964+2131417X1+1532205X2+
629981X3 - 1 263619X1
2 - 635898X2
2 -
786192X3
2-619050X1X2-456475X2X3 (2)
对方程⑵求X1,X2,X3的一阶偏导数,并令其为
0得方程组:
2131417-2527238X1-61905X2=0
1 532205 -61905X1 -1 271796X2 -
456475X3=0
629981-456475X2-1572384X3=0
求解知,当编码值 X1=0638,X2=0838,X3=
0157时,方程实现鲜块茎的最大产量299214kg
·hm-2。此时施肥量为 N41379kg·hm-2,P2O5
22479kg·hm-2,K2O16401kg·hm
-2;施肥成本
293328元/hm2,投产比为 16321,施肥纯收益
47580912元/hm2(现市场价 N380元/kg,P2O5
396元/kg,K2O287元/kg;半夏干块茎48元/kg,
栽培半夏的出干率3333%)。
求解经济最佳施肥量知,当N,P,K配施时栽培半
夏的最大产量施肥量与经济最佳施肥量间相差无几。
2.2.2 N,P配施 将 X3=-1682(不施 K)代入
产量方程⑵得:
Y′(N,P)=25266101+2131417X1+2299996
X2-619050X1X2-1263619X1
2-635898X2
2(3)
并计算出N,P配施的交互效应值见表2。
由表2可看出,不施 K肥的情况下,施 N量在
-1682≤X1≤0时,产量随 P2O5施量的增大而增
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   表2 N,P肥对半夏产量的交互效应 kg·hm-2
X1(N)编码值
X2(P2O5)
-1682 -1 0 1 1682
-1682 1068713 1412899 1810612 20811462192705
-1 1516220 1831612 2187107 2415421 2498187
0 1959847 2233021 2526610 2693020 2733566
1 2150751 2381706 2613391 2717895 2716222
1682 2135995 2338156 2527621 2589907 2559440
加;施N量在1≤X1≤1682时,产量先随P2O5施量
的增大而增加,当P2O5施量越过1水平时,则下降。
P2O5施量在-1682≤X2≤1时,产量随施N量的增
大而增加,但N施量越过1水平时,却下降;当P2O5
量取1682水平时,产量也先随 N施量的增大而增
加,一越过0水平时,就下降。
N肥(或 P肥)的增产效果因 P肥(或 N肥)
的施量水平不同而不同。在本试验施 P范围内,
当 P2O5取 -1682,-1,0,1,1682水平时,平均
每 1kgN增产分别为 1779,1542,1195,
848,611kg,可见随P2O5施量增加,平均每1kg
N肥的增产效应逐渐减小;当 N取 -1682,-1,
0,1,1682水平时,平均每 1kgP2O5分别增产
3747,3273,2579,1885,1412kg,随 N施量
  
增加,平均每 kgP2O5肥增产效应也逐渐减小。可
见 N,P配施时,若 P2O5(或 N)施量较小,则单位
N肥(或 P2O5)增产效应较大,反之,则单位 N肥
(或 P2O5)增产效应较小。在不施任何化肥(X1,
X2,X3均取 -1682)时,产量最低,仅 1068713
kg·hm-2。
当编码值 X1=0455,X2=1587时,方程⑶则
实现N,P两素配施的最大产量施肥量和经济最佳
施肥量。
2.2.3 N,K配施 将 X2=-1682(不施 P)代入
产量方程(2)得:
Y′(N,K) = 24 173761 + 3 172659X1 +
1397772X3-1263619X1
2-786192X3
2 (4)
并计算出N,K配施的交互效应值见表3。
表3 N,K肥对半夏产量的交互效应 kg·hm-2
X1(N)编码值
X3(K2O)
-1682 -1 0 1 1682
-1682 1068713 1307845 1526241 1587399 1538923
-1 1516220 1755352 1973748 2034906 1986430
0 1959847 2198980 2417376 2478534 2430058
1 2150751 2389884 2608280 2669438 2620962
1682 2135995 2375128 2593524 2654682 2606206
  由表3可见,不施P肥时,施N(或K2O)量在本
试验设计范围内,产量先随 K2O(或 N)施量的增大
而增加,但K2O(或 N)越过1水平时,则下降,二者
趋势相同;不管K2O(或N)的施量水平如何变化,平
均每1kgN都增产1779kg,而平均每1kgK2O都
增产1567kg。可见N,K配施时,增产效应N>K。
当编码值 X1=1255,X3=0889时,方程⑷则
达N,K两素配施的最大产量施肥量和经济最佳施
肥量。
2.2.4 P,K配施 将 X1=-1682(不施 N)代入
产量方程(2)得:
Y′(P,K) = 21 389986 + 2 573447X2 +
629981X3 - 456475X2 X3 - 635898X2
2 -
786192X3
2 (5)
并计算出P,K配施的交互效应值见表4。
从表4看出,不施N肥,当P2O5量在-1682≤
X2≤-1时,产量先随K2O施量的增大而增加,K2O
施量越过1水平时则下降;而在0≤X2≤1682时,
产量也先随K2O施量的增大而增加,K2O施量一越
过0水平,就下降。但在本试验设计范围内,K2O施
量不管取何水平产量均随P2O5施量的增大而增加。
这说明如果只是P,K配施,P2O5施量如高于本试验
设计范围,产量还可增加。
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表4 P,K肥对半夏产量的交互效应 kg·hm-2
X2(P2O5)编码值
X3(K2O)
-1682 -1 0 1 1682
-1682 1068713 1307845 1526241 1587399 1538923
-1 1412899 1630799 1818064 1848091 1778383
0 1810612 1997381 2138999 2123378 2022538
1 2081146 2236784 2332754 2271485 2139514
1682 2192705 2327111 2391949 2299549 2146346
  K肥(或P肥)的增产效果因 P肥(或 K肥)的
施量水平不同而不同:当P2O5取-1682,-1,0,1
时,平均每 1kgK2O可分别增产 1567,1218,
706,195kg,当P2O5取1682时,平均每1kgK2O
却减产155kg(比不施K肥时X3=-1682),可见
随P2O5施量的增加,平均每1kgK2O的增产效应在
逐渐减小直至减产;与此相似,当K2O取-1682,-
1,0,1,1682时,平均每 1kgP2O5增产量分别为
3747,3398,2886,2374,2025kg,可见随 K2O施
量的增加,每1kgP2O5的平均增产效应也在递减。
当编码值 X1=2098,X3=-0209时,方程⑸
则达 P,K两素配施的最大产量施肥量和经济最佳
施肥量。
2.2.5 N,P,K单施 对方程⑵中 3因子分别取
-1682(不施),使方程降维得单因子产量方程:
Y′(N) = 19 598474 + 3 172659X1 -
1263619X1
2 (6)
Y′(P)=18106124+3341238X2-635898X2

(7)
Y′(K)=15262414+1397772X3-786192X3

(8)
可解出当编码值 X1=1255,X2=2627(已超
出本试验设计上限),X3=0889时,方程(6),(7),
  
(8)则分别达 N,P,K单施的最大产量施肥量和经
济最佳施肥量,见图1。依方(6),(7),(8)再算出
N,P,K单施的效应值见表5。
图1 N,P,K单施效应曲线
表5 N,P,K单施对半夏产量的效应 kg·hm-2
施肥
编码值
-1682 -1 0 1 1682
N 10687131516220195984721507512135995
P2O5 10687131412899181061220811462192705
K2O 10687131307845152624115873991538923
  由表5看出,本试验设计范围内,单施时平均每
kgN,P2O5,K2O分别可增产鲜块茎 1779,3747,
1567kg,增产效应P>N>K。
3 结论
综上分析,计算出不同配施方式的经济效益见
表6。
表6 栽培半夏施肥配合方式的效益比较
方案 施肥方式
最大产量施肥量/kg·hm-2
(N∶P2O5∶K2O)
最大产量
/kg·hm-2
施肥成本
/元/hm2
施肥纯收益
/元/hm2
施肥投产比
最大产量施肥量 N,P,K配施 41379∶22479∶16401 299214 293328 47580912 16321
  N,P配施 38115∶29164 275758 260326 43860954 16948
  N,K配施 52383∶22934 267865 264876 42593524 16181
  P,K配施 33725∶13135 240243 171248 38267632 22447
  单施N 52383 215899 199055 34344785 17354
  单施P 38446 224951 152246 35839914 23641
  单施K 22934 158837 65821 25348099 38611
经济最佳施肥量 N,P,K配施 41379∶22470∶16401 299214 293292 47581017 16323
  N,P配施 38115∶29164 275758 260326 43860954 16948
  N,K配施 52383∶22934 267865 264876 42593524 16181
  P,K配施 33725∶13135 240243 171248 38267632 22447
  单施N 52383 215899 199055 34344785 17354
  单施P 38446 224951 152246 35839914 23641
  单施K 22934 158837 65821 25348099 38611
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第34卷第6期
2009年3月
                             
Vol.34,Issue 6
 March,2009
  从表6可见,最大产量施肥量和经济最佳施肥
量2种方案,只有 N,P,K配施时二者才略有差异,
其余完全相同。不同方式的施肥成本 N,P,K>N,
K>N,P>N>P,K>P>K;最大产量及施肥纯收益
N,P,K>N,P>N,K>P,K>P>N>K;投产比K>
P>P,K>N>N,P>N,P,K>N,K。还可看出,单施
K虽施肥成本最小,投产比最大,但每66667m2施
肥纯收益却最小;N,P,K配施虽施肥成本最高,投
产比偏小,但每 66667m2施肥纯收益却最高。可
见要实现半夏的高产高效栽培,单位面积上创造最
大经济效益,以N,P,K配施最好。
[参考文献]
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[M].北京:科学技术文献出版社,2002:74.
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[6] 中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海:上海
科学技术出版社,1978:62.
Studyonmathematicalmodelofoptimumfertilizerapplicationto
Pineliaternatecultivation
WANGPeng1,PEIJianwen2,SUNWanchang1,YANGShaoping3,LIUWenjun4,SUNXinrong1
(1.ColegeofAgriculture,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China;
2.ProtectionandResearchInstituteofModernAgricultureandAnimalandPlantResourceofEastandSouthofGansu,
TianshuiNormalUniversity,Tianshui741001,China;
3.AgriculturalTechnologyPopularizationCenter,AgriculturalandAnimalHusbandryBureauof
MaijiCounty,Tianshui741020,China;
4.TianshuiAgriculturalSchool,Tianshui741400,China)
[Abstract] Objective:TostudythemathematicalmodelofoptimumfertilizerapplicationtoPineliabyfieldexperiments.
Method:Threefactorsand5levelsquadraticrotationalcombinationdesignwasappliedtostudytheefectsofN,PandK.Resultand
Conclusion:N,PandKcombinationapplicationcanachievethemaximumyieldof299214kg·hm-2,theamountofN,P2O5,
K2Owere41379,22479,16401kg·hm
-2,respectively.Theefectsofthe3factorswereinfolowingorders:P>N>K.
[Keywords] Pineliaternate;yield;applicationfertilizer
[责任编辑 吕冬梅]
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