氮磷硒配施對大豆產(chǎn)量及籽粒硒含量的影響*

陳 鵬， 孫亞波， 張世文， 周 毅， 周 成,， 謝 越， 汪建飛,， 邢素芝

(1.安徽科技學(xué)院農(nóng)業(yè)農(nóng)村部生物有機(jī)肥創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽蚌埠 233400；2.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院 安徽淮南 232001)

大豆[Glycinemax(Linn.) Merr.]是我國乃至世界上重要的豆科經(jīng)濟(jì)作物，由于其營養(yǎng)價值頗高，被冠以“豆中之王”“田中之肉”“綠色的牛乳”等美譽(yù)。大豆不僅含有豐富的蛋白質(zhì)、碳水化合物、礦物質(zhì)以及維生素，而且有促進(jìn)腸道蠕動、降血糖、降血脂等功效，因此成為人們餐桌上不可或缺的一種食物[1]。近年來，一些具有保健功能的大豆食品被開發(fā)與生產(chǎn)出來，滿足了人們?nèi)找嬖鲩L的需求。

硒是人體必需的微量元素，被稱為元素中的“抗癌之王”。當(dāng)人體缺硒時，可能會引發(fā)大骨節(jié)病[2]、克山病[3]等多種疾病。有研究表明，中國是世界上缺硒最嚴(yán)重的國家之一，全國有72%的土地面積處于缺硒地帶，其中30%為嚴(yán)重缺硒地區(qū)[4]。研究發(fā)現(xiàn)，人體主要攝入植物中的硒，這是動物和人類攝入硒最為安全有效的方式[5]。

相對于禾谷類糧食作物，大豆富硒能力較強(qiáng)，有研究表明，富硒大豆中生物可給性高達(dá)90%，建議將其作為富硒農(nóng)產(chǎn)品供居民日常補(bǔ)硒[6]。無論是土壤施用硒肥，還是葉面噴施亞硒酸鈉，均可顯著提高大豆籽粒中硒的含量。同時，硒還能增強(qiáng)植物受到脅迫后的抗性和抗氧化能力，促進(jìn)植物的生長發(fā)育[7]。此前研究關(guān)注的重點(diǎn)是大豆對外源硒的吸收與富集情況，而對大豆生長的影響及籽粒產(chǎn)量相關(guān)性研究則較少[8-9]。因此，本文采用二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，研究氮、磷、硒肥配施對大豆產(chǎn)量以及籽粒硒含量的影響，以獲得最優(yōu)施肥方案，為富硒大豆的實(shí)際生產(chǎn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 供試土壤

盆栽試驗(yàn)的土壤取自安徽科技學(xué)院種植園試驗(yàn)田表土，土壤為下蜀黃土發(fā)育而成的黃褐土。將土壤風(fēng)干、粉碎、混勻，反復(fù)過5 mm篩以確保土壤肥力一致。該土壤基本理化性狀：pH為6.9，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.6 g/kg，堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為112.4 mg/kg，速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25.7 mg/kg，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為196.7 mg/kg。

1.1.2 供試材料

供試大豆：品種為“中黃13”。

供試用盆：試驗(yàn)選用普通塑料盆缽，規(guī)格為22 cm(上口直徑)×14 cm(下口直徑)×17 cm(高)，每盆裝6 kg土壤。

試驗(yàn)用肥料：尿素，N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%，安慶市氮肥廠；過磷酸鈣，P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，安徽六國化工股份有限公司；亞硒酸鈉，Na2SeO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45.6%，廣東先導(dǎo)稀貴金屬材料有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)以氮肥施用量(X1)、磷肥施用量(X2)、硒肥施用量(X3)為試驗(yàn)編碼因素，采用三因素五水平通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，共計(jì)20個處理，每個處理設(shè)2次重復(fù)，施肥水平見表1。

表1 試驗(yàn)因素水平編碼及施肥水平

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，將各處理的氮、磷肥稱好備用，亞硒酸鈉配成對應(yīng)用量的100 mL溶液(即按照表1中各水平編碼所對應(yīng)的1 kg土壤中亞硒酸鈉的用量乘以每盆土壤的質(zhì)量，然后溶解并在100 mL容量瓶中定容至100 mL)。將預(yù)先處理的土壤按每份6 kg分裝，共40份，并分為2組，每組20份。按照每個處理3種肥料用量依次加入，每加入1種肥料都充分混勻土壤，裝盆。每盆噴淋500 mL蒸餾水，放置5 d。

2018年4月27日播種，每盆播種5粒，5月19日間苗，每盆保苗2株，8月26日收獲。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016和DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對單株籽粒產(chǎn)量和籽粒硒含量進(jìn)行多元回歸分析，得到產(chǎn)量(Y1)、籽粒硒含量(Y2)與氮肥施用量(X1)、磷肥施用量(X2)、硒肥施用量(X3)三因素的三元二次回歸數(shù)學(xué)模型見式(1)和式(2)：

表2 各處理試驗(yàn)方案及結(jié)果

(1)

(2)

對式(1)進(jìn)行擬合度檢驗(yàn)，計(jì)算出F1=1.605F0.05(9，10)=3.02，表明回歸系數(shù)達(dá)顯著水平。同樣對式(2)進(jìn)行擬合度檢驗(yàn)和顯著性檢驗(yàn)，得出F1=4.360F0.05(9，10)=3.02，回歸系數(shù)也達(dá)到顯著水平。由此可以看出，式(1)和式(2)均失擬不顯著，且回歸系數(shù)都達(dá)到顯著水平，所以2個二次回歸模型具有代表性，說明試驗(yàn)所選的3個因素對大豆單株籽粒產(chǎn)量和籽粒硒含量均有顯著影響，可以作為預(yù)測模型[10]。

在α=0.10顯著水平剔除不顯著項(xiàng)后，簡化后的回歸方程見式(3)和式(4)：

(3)

(4)

2.2 單因素效應(yīng)分析

2.2.1 單株籽粒產(chǎn)量的單因素效應(yīng)

將式(1)中的任意2個因素固定在零水平，就可以得到單因素一元偏回歸子模型，見式(5)～(7)；然后根據(jù)方程繪制N、P、Se三因素對大豆產(chǎn)量的影響圖，見圖1。

圖1 N、P、Se三因素對大豆產(chǎn)量的影響

(5)

(6)

(7)

由圖1可以看出，大豆單株籽粒產(chǎn)量受氮肥施用量的影響較磷肥和硒肥施用量的大。在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，氮肥施用量在-1.682～1.682水平上，產(chǎn)量隨氮肥施用量的增加而升高；磷肥施用量在-1.682～0水平上，產(chǎn)量隨之升高；磷肥施用量在0～1.682水平上，產(chǎn)量下降；硒肥施用量則在-1.682～1.682水平上，產(chǎn)量隨硒肥施用量的增加而緩慢下降。這3個因素對大豆單株籽粒產(chǎn)量的影響順序?yàn)镹>P>Se。

2.2.2 籽粒硒含量的單因素效應(yīng)

將式(2)中的任意2個因素固定在零水平，得到單因素一元偏回歸子模型，見式(8)～(10)；然后繪制N、P、Se三因素對大豆籽粒硒含量的影響圖，見圖2。

圖2 N、P、Se三因素對大豆籽粒硒含量的影響

(8)

(9)

(10)

由圖2可以看出，大豆籽粒硒含量主要受硒肥施用量影響。在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，氮肥施用量在-1.682～1水平上，籽粒硒含量先隨之升高然后下降；磷肥施用量在-1.682～0水平上，籽粒硒含量隨磷肥施用量的增加緩慢升高，然后磷肥施用量在0～1.682水平上籽粒硒含量緩慢下降；在-1.682～1.682水平上，籽粒硒含量則隨著硒肥施用量的增加快速升高。這3個因素對大豆籽粒硒含量的影響順序?yàn)镾e>N>P。

2.3 兩因素交互效應(yīng)

經(jīng)過對式(1)的交互項(xiàng)檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，氮肥與硒肥(X1X3)、磷肥與硒肥(X2X3)的交互效應(yīng)不顯著，故分析氮肥與磷肥(X1X2)的交互作用。將式(1)中硒肥施用量固定在零水平，得到大豆單株籽粒產(chǎn)量與氮肥和磷肥的二因素子模型見式(11)：

(11)

通過式(11)可以計(jì)算出氮肥與磷肥的交互效應(yīng)，見圖3。

圖3 氮肥與磷肥的交互效應(yīng)

從圖3可以看出：在低氮水平時，大豆產(chǎn)量隨磷肥施用量的增加呈先升高后下降的趨勢，說明氮肥施用量少時不宜多施磷肥；在中、高氮水平時，大豆產(chǎn)量則隨著磷肥施用量的增加逐漸升高，表明氮肥施用量較多時，應(yīng)適當(dāng)增加磷肥的施用量；當(dāng)X1=1.682、X2=1時，X1X2的交互效應(yīng)達(dá)到最大值，即產(chǎn)量達(dá)到最大值。

對式(2)的交互項(xiàng)檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，氮肥與磷肥(X1X2)、磷肥與硒肥(X2X3)的交互效應(yīng)不顯著，所以只分析氮肥與硒肥(X1X3)的交互作用。將式(2)中的磷肥施用量固定在零水平，得到大豆籽粒硒含量與氮肥和硒肥的二因素子模型見式(12)：

(12)

通過式(12)可以計(jì)算出氮肥與硒肥的交互效應(yīng)，見圖4。

圖4 氮肥與硒肥的交互效應(yīng)

由圖4可知：硒肥施用量在-1.682～0水平時，籽粒硒含量隨著氮肥施用量的增加呈先升高后下降的趨勢，表明硒肥施用量少時不宜多施氮肥；硒肥施用量在0～1.682水平時，籽粒硒含量隨著氮肥施用量的增加而逐漸升高，表明硒肥施用量較多時，應(yīng)同時增加氮肥的投入量；當(dāng)X1=1.682、X3=1.682時，X1X3的交互效應(yīng)達(dá)到最大值，即籽粒硒含量達(dá)到最大值。

2.4 最優(yōu)組合分析

2.4.1 產(chǎn)量最優(yōu)組合

經(jīng)過計(jì)算機(jī)模擬，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，大豆的最高單株籽粒產(chǎn)量為12.86 g，其處理組合為X1=1.682、X2=1、X3=-1.682，即氮肥施用量為0.80 g/kg，磷肥施用量為7.97 g/kg，硒肥施用量為1.20 mg/kg。采用頻率分析法對產(chǎn)量回歸模型進(jìn)行再解析，結(jié)果見表3。

表3 單株籽粒產(chǎn)量高于11.13 g的數(shù)值與頻率

從表3可以看出，大豆單株籽粒產(chǎn)量大于11.13 g的組合方案有50個，X1、X2和X3變量的95%置信區(qū)間分別為0.902～1.244、0.177～0.696和-0.343～0.343，相當(dāng)于氮肥施用量為0.616～0.699 g/kg，磷肥施用量為5.526～7.067 g/kg，硒肥施用量為2.282～2.838 mg/kg。

2.4.2 硒含量最優(yōu)組合

經(jīng)模擬計(jì)算，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，大豆籽粒最高硒含量為9.84 μg/g，其處理組合為X1=1.682、X2=-1.682、X3=1.682，即氮肥施用量為0.80 g/kg，磷肥施用量為0，硒肥施用量為3.92 mg/kg。同樣用頻率分析法對硒含量回歸模型進(jìn)行解析，結(jié)果見表4。

表4 大豆籽粒硒含量高于5.09 μg/g的數(shù)值與頻率

由表4可知，大豆籽粒硒含量大于5.09 μg/g的組合方案有70個，X1、X2和X3變量的95%置信區(qū)間分別為-0.159～0.400、-0.290～0.290和0.801～1.115，相當(dāng)于氮肥施用量為0.362～0.496 g/kg，磷肥施用量為4.139～5.861 g/kg，硒肥施用量為3.209～3.463 mg/kg。

3 結(jié)語

近年來，二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)作為一種高效的數(shù)學(xué)模型被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域[11-13]，在計(jì)算黃秋葵[14]、玉米[15]、豇豆[16]等作物的最佳施肥量方面也很常見。有研究表明，硒不僅能提高大豆中蛋白質(zhì)和氨基酸含量[17]，而且可以提高油脂的氧化穩(wěn)定性和脂質(zhì)含量[18]。由于硒元素在人體內(nèi)不可合成，而大豆具有極其豐富的營養(yǎng)價值，將二者有機(jī)結(jié)合，既提高了大豆的營養(yǎng)價值，又保障了人體健康，應(yīng)用前景非常廣闊。

本文通過計(jì)算機(jī)模擬得到的數(shù)學(xué)模型反映了大豆生產(chǎn)中氮、磷、硒等3種肥料的配比與產(chǎn)量和硒含量的關(guān)系，為后續(xù)大豆富硒試驗(yàn)以及生產(chǎn)提供了一定的科學(xué)依據(jù)。但試驗(yàn)結(jié)果是在特定的試驗(yàn)環(huán)境下得到的，具有一定的局限性。另外，大豆籽粒中硒的形態(tài)及其與人體吸收之間的關(guān)系還不很明確，若應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，有待進(jìn)一步深入研究。