周和平+翟超+趙健

摘要 基于灌溉試驗(yàn)不設(shè)重復(fù)，減少土壤肥力不均勻差異性大對試驗(yàn)效果影響的考慮，以試驗(yàn)處理小區(qū)為研究對象，采用土壤有效養(yǎng)分平衡方法進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，實(shí)施土壤有效養(yǎng)分平衡，可較好解決試區(qū)因土壤肥力差異性大需設(shè)重復(fù)處理的問題；此應(yīng)用方法在灌溉試驗(yàn)設(shè)施調(diào)控能力相對較好的條件下，還可以充分利用有限的試區(qū)面積，盡可能參與更多的試驗(yàn)作物、減少試驗(yàn)周期和研究投入、提高灌溉試驗(yàn)效率的作用。

關(guān)鍵詞 土壤養(yǎng)分平衡；灌溉試驗(yàn)；無重復(fù)設(shè)計(jì)；分析

中圖分類號(hào) S27；S14；S158 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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(yàn)設(shè)計(jì)是作物試驗(yàn)研究方案的重要內(nèi)容，試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要包括試驗(yàn)因素水平、試驗(yàn)處理與重復(fù)和試驗(yàn)小區(qū)布置等。其中，試驗(yàn)處理重復(fù)設(shè)置是盡可能減少土壤肥力差異、操作系統(tǒng)誤差對試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)產(chǎn)生的影響，以及利用t檢驗(yàn)或F方差對試驗(yàn)處理重復(fù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)分析，以保障試驗(yàn)精度和統(tǒng)計(jì)分析的需要。因此，我國《灌溉試驗(yàn)規(guī)范》規(guī)定[1]，除多點(diǎn)大田示范性試驗(yàn)外，灌溉試驗(yàn)處理應(yīng)設(shè)置重復(fù)，小區(qū)試驗(yàn)不少于3次重復(fù)，中間示范性試驗(yàn)不少于2次重復(fù)。以簡單的單因素（灌水定額或土壤含水率下限）試驗(yàn)設(shè)計(jì)為例，一般多為4個(gè)以上處理水平，如果3次重復(fù)，則需12個(gè)試驗(yàn)處理小區(qū)，若2個(gè)及以上多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，顯然試驗(yàn)處理小區(qū)將大幅增加。由此帶來的問題：一是試驗(yàn)設(shè)計(jì)需要試驗(yàn)區(qū)域面積增多；二是由于試驗(yàn)區(qū)面積有限，試驗(yàn)周期（2～3年）只能安排少量作物試驗(yàn)，而一些灌區(qū)少則7～8種，多則近20種作物需要灌溉試驗(yàn)研究，由此完成多作物灌溉試驗(yàn)，需花費(fèi)數(shù)年甚至十幾年時(shí)間，工作時(shí)間效率十分低下；三是有些試驗(yàn)站有先進(jìn)的試驗(yàn)設(shè)施，為操作系統(tǒng)誤差減少提供了先決條件。如新疆灌溉中心試驗(yàn)站有廊道式自動(dòng)化測坑試驗(yàn)小區(qū)48個(gè)，該地有12種大田作物急需實(shí)施微灌條件下需水規(guī)律與灌溉制度研究，若4個(gè)處理3次重復(fù)設(shè)計(jì)需12個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，則48個(gè)試驗(yàn)小區(qū)僅安排4種作物，按3年試驗(yàn)周期9年后才可完成作物試驗(yàn)，若不設(shè)重復(fù)3年內(nèi)可全部完成。因此，基于先進(jìn)觀測試驗(yàn)設(shè)施仍采用重復(fù)設(shè)計(jì)，不利于先進(jìn)設(shè)施的有效發(fā)揮和快出成果，也過多消耗大量人物、資金和時(shí)間資源。試驗(yàn)處理是否設(shè)置重復(fù)前人多有研究[2]，設(shè)置重復(fù)試驗(yàn)?zāi)軌蚬烙?jì)試驗(yàn)誤差，重復(fù)次數(shù)越多試驗(yàn)誤差越低，精度越高[3-4]。做正交試驗(yàn)設(shè)置適當(dāng)重復(fù)，可增加差異顯著性和方差分析，利于試驗(yàn)隨機(jī)誤差評(píng)估。陳 穎等[5-8]認(rèn)為無重復(fù)試驗(yàn)的飽和析因設(shè)計(jì)廣泛用于工業(yè)許多領(lǐng)域，主要問題是沒有剩余自由度可用來估計(jì)誤差，從而無法用標(biāo)準(zhǔn)方差分析對因子進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[9]。利用線性混合模型原理和SAS軟件的Proc mixed程序，實(shí)現(xiàn)對植物育種無重復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，解決植物育種無重復(fù)試驗(yàn)品系間可比性差及不能進(jìn)行效應(yīng)差異顯著性統(tǒng)計(jì)測驗(yàn)問題[10]。小區(qū)間土壤差異大小與小區(qū)面積成反比，隨著小區(qū)面積和重復(fù)次數(shù)增加，變異系數(shù)同步變小，說明較大試區(qū)面積不設(shè)重復(fù)對試驗(yàn)效果影響小。趙景遺等[11]在區(qū)域內(nèi)多設(shè)試驗(yàn)點(diǎn)以增大代表性，但在各試驗(yàn)點(diǎn)不設(shè)重復(fù)，區(qū)域試驗(yàn)并未降低精度，但卻節(jié)約經(jīng)費(fèi)和人工，提高試驗(yàn)效率。本文基于充分發(fā)揮先進(jìn)灌溉試驗(yàn)設(shè)施可調(diào)控能力，節(jié)省試驗(yàn)研究人物及資金投入，提高灌溉試驗(yàn)項(xiàng)目研究效率目標(biāo)，針對試驗(yàn)處理不設(shè)置重復(fù)問題，提出土壤養(yǎng)分平衡方法設(shè)計(jì)分析。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆灌溉中心試驗(yàn)站，地處昌吉市濱湖鎮(zhèn)13戶村，東經(jīng)87°18′，北緯44°01′，平均海拔600 m。該區(qū)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(fā)量1 739.1 mm，平均日照時(shí)數(shù)7.8 h，年均氣溫13.1 ℃，≥0 ℃積溫3 834.3 ℃以上，屬典型內(nèi)陸干旱性氣候。研究區(qū)地下水埋深2.5～4.5 m，棕漠土類土壤質(zhì)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(jī)質(zhì)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(xiàn)為缺氮少磷鉀的特點(diǎn)。試驗(yàn)研究區(qū)建有2組地下廊道防雨棚式測坑設(shè)施，其中1組具有土壤水分、溫度、鹽分自動(dòng)采集調(diào)控，適應(yīng)不同灌溉試驗(yàn)設(shè)計(jì)需要的自動(dòng)化設(shè)施（圖1）。測坑設(shè)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(yàn)小區(qū)24個(gè)，以廊道為中心，兩側(cè)分布12個(gè)試驗(yàn)小區(qū)（長×寬為3.3 m×2.0 m，面積6.6 m2），2組測坑共有48個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。

1.2 分析方法

1.2.1 試區(qū)土壤肥力差異性診斷。土壤肥力不均勻直接影響試驗(yàn)效果，因此通常方法是設(shè)置試驗(yàn)處理重復(fù)，以消減相同處理小區(qū)養(yǎng)分不均勻而產(chǎn)生的試驗(yàn)誤差，并可獲得具有代表性的平均結(jié)果。處理小區(qū)不設(shè)重復(fù)的前提應(yīng)是土壤肥力（養(yǎng)分）相對均勻且肥力差異宜在最小可用范圍內(nèi)。因此，試驗(yàn)前需進(jìn)行試區(qū)土壤肥力均勻性診測，由式（1）計(jì)算分析試驗(yàn)處理小區(qū)多點(diǎn)變異系數(shù)CV值，一般認(rèn)為，試驗(yàn)處理區(qū)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(gè)樣品值；n為樣品數(shù)。

由式（1）知，變異系數(shù)是樣本離均差與樣本均數(shù)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(gè)樣本比較時(shí)，CV可用百分率表示。

1.2.2 試區(qū)土壤養(yǎng)分平衡計(jì)算。一般情況下土壤肥力為非均勻性，即使完全均質(zhì)土壤也存在著一些差異。因此，在試區(qū)土壤肥力均勻性診測的基礎(chǔ)上，經(jīng)過土壤養(yǎng)分平衡獲得處理小區(qū)土壤有效養(yǎng)分相對均勻，按照下式進(jìn)行詳細(xì)分析：

W=10γHYi（2）

F=W/η（3）

式（2）、（3）中：W為試驗(yàn)小區(qū)需補(bǔ)充的有效養(yǎng)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(bǔ)充的土壤有效養(yǎng)分N、P、K（mg/kg）；F為試驗(yàn)小區(qū)化肥施用量（kg/hm2）；η為折算成施用化肥的含純養(yǎng)分百分率（%）。

按式（2）和式（3）進(jìn)行試驗(yàn)處理小區(qū)平衡計(jì)算的步驟：①選取有效養(yǎng)分最大值，以此作為平衡計(jì)算比較值；②每一有效養(yǎng)分值與比較值之差為補(bǔ)充量；③換算每個(gè)處理試驗(yàn)區(qū)單位面積上需補(bǔ)充實(shí)施的有效養(yǎng)分量；④將補(bǔ)充實(shí)施的有效養(yǎng)分量折算為化肥施用量。

2 結(jié)果與分析

2.1 試區(qū)土壤肥力差異性診斷

為了便于試驗(yàn)操作管理，將2組測坑分為4個(gè)區(qū)，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(gè)區(qū)有12個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，4個(gè)區(qū)共為48個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。試驗(yàn)前或試驗(yàn)作物收獲后，以區(qū)為順序分別在48個(gè)試驗(yàn)小區(qū)采用梅花形或“S”形分布，取0～20 cm耕作層5點(diǎn)土樣均勻混合后，及時(shí)送往化驗(yàn)室測試土壤有效養(yǎng)分N、P、K，并且由式（1）分析土壤肥力均勻情況（表1～4）。測驗(yàn)的結(jié)果表明，各個(gè)試驗(yàn)小區(qū)變異系數(shù)CV在0.081～0.409之間，即CV>5%范圍，說明該區(qū)的土壤肥力差異大，均勻性不好，需要進(jìn)行養(yǎng)分平衡調(diào)節(jié)。

2.2 試區(qū)土壤養(yǎng)分平衡分析

據(jù)式（2）和試驗(yàn)小區(qū)平衡計(jì)算步驟，將表1試驗(yàn)小區(qū)土壤養(yǎng)分差異不均狀態(tài)，進(jìn)行養(yǎng)分平衡計(jì)算分析如表5～8所示，給出每個(gè)試區(qū)單位面積需補(bǔ)施的有效養(yǎng)分N、P、K量，由式（3）按不同化肥品種養(yǎng)分含量折算為化肥施用量（表9），以試區(qū)面積大小換算成試區(qū)施肥量，之后人工均勻補(bǔ)充到各試區(qū)，從而達(dá)到試區(qū)土壤肥力相近目標(biāo)。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

在灌溉試驗(yàn)設(shè)施調(diào)控能力相對較好條件下，運(yùn)用養(yǎng)分平衡原理，采用土壤有效養(yǎng)分測驗(yàn)和差異性診斷、土壤有效養(yǎng)分平衡補(bǔ)充以及土壤有效養(yǎng)分折算為化肥施量的分析設(shè)計(jì)，較好地解決了試驗(yàn)區(qū)因土壤肥力差異性較大影響試驗(yàn)效果、試驗(yàn)處理重復(fù)設(shè)置占用試驗(yàn)小區(qū)數(shù)量較多的問題，有利于在有限的灌溉試驗(yàn)面積上增加試驗(yàn)作物數(shù)量，減少試驗(yàn)投入，提升灌溉試驗(yàn)研究效率。

3.2 討論

本文針對灌溉試驗(yàn)小區(qū)土壤肥力不均勻?qū)е略囼?yàn)結(jié)果誤差較大，試驗(yàn)小區(qū)處理設(shè)計(jì)不設(shè)置重復(fù)問題，提出并應(yīng)用土壤養(yǎng)分平衡方法分析設(shè)計(jì)，從而減少試驗(yàn)人物資金投入，提高灌溉試驗(yàn)效率。試驗(yàn)處理無重復(fù)設(shè)置是基于灌溉試驗(yàn)設(shè)施條件相對較好的分析設(shè)計(jì)，但對于灌溉試驗(yàn)設(shè)施條件較差尤其是試驗(yàn)控制能力不足的，以及將大田作為試驗(yàn)區(qū)的，尚未進(jìn)行土壤養(yǎng)分平衡法分析設(shè)計(jì)討論，這主要是考慮采用土壤養(yǎng)分平衡方法工作量較大，且適用于灌溉試驗(yàn)設(shè)施條件比較好，試驗(yàn)過程中便于操作控制管理等因素。因此，土壤養(yǎng)分平衡無重復(fù)灌溉試驗(yàn)分析與設(shè)計(jì)應(yīng)用范圍和條件有一定的局限性，將這一方法擴(kuò)展使用尚需做進(jìn)一步的設(shè)計(jì)分析。

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