不同栽培措施对六盘山地区甘蓝高效生产的影响

2023-10-08穆晓国李海俊高富成

农业工程学报 2023年13期

叶林，穆晓国，高虎，李海俊，高富成，张莹

（1.宁夏大学葡萄酒与园艺学院，银川 750021；2.宁夏设施园艺工程技术研究中心，银川 750021）

0 引言

甘蓝是中国蔬菜重要的组成部分，在蔬菜供应与出口贸易中占有重要地位[1]，甘蓝栽培面积广，各栽培区特色鲜明。宁夏六盘山地区具有独特的冷凉气候条件，产出的蔬菜口感好、品质高，已形成特色鲜明、品牌知名度高的“六盘山”冷凉蔬菜产业[2]。但当地甘蓝种植农机农艺融合程度低，没有明确的栽培标准，滞缓甘蓝产业标准化与规模化发展。

有研究表明，起垄高度、覆盖材料等因素均会影响根区温度，进而影响作物产量[3-4]。在马铃薯的不同覆膜以及起垄高度栽培中发现，覆白色地膜马铃薯的产量要高于黑色地膜，同时，当垄高为25 cm 时，产量最高[5-6]。

黄瓜起垄20 和40 cm 栽培条件下，产量均明显比平地提高15 %左右[7]，甜椒不同起垄栽培试验发现高垄还有助于地上部生物量的积累，甜椒在垄高为15 cm 时产量最高[8-9]。由此可以说明，起垄可以促进作物增产，起垄高度还需根据作物类型进行调整。此外，影响作物生长环境的因素还有地膜透光强弱，不同透光率的地膜对覆膜作物产量也会产生较大影响。其中透光率最高的为白色地膜，其次是套色膜，黑膜透光率最低。黑、白地膜在生产中应用最广，从相关研究报道来看，不同作物应用地膜的生产效果存在差异，草莓和油菜白膜覆盖作物的产量较高[10-11]，玉米和甘薯等作物应用黑膜的增产效果比较明显[12-13]。在起垄和覆膜这两种农艺措施的研究中，甘蓝的栽培垄高一般为0、12、15、20、30 cm[14-16]，甘蓝以及其他蔬菜覆膜种类主要为黑、白聚乙烯地膜[17-18]，但覆盖白膜存在杂草长势旺盛的问题，而黑白双色膜有很好的抑草作用，同时不影响作物产量[19]，目前在蔬菜上的应用较少，展开该膜的相关研究很有必要性。

幼苗移栽作为生产最为关键的环节，其大小及长势强弱将会影响移栽成活率以及机械移栽效率。甘蓝移栽苗龄一般在30～40 d[20-21]，同样针对机械移栽甘蓝幼苗大小的研究中，32～44 d 的甘蓝苗龄能适应高度机械化作业，并保证移栽的成活率，因此，苗子株型在移栽机栽植器投喂范围内均可行[22]。移栽幼苗太小容易覆土太松或太深，导致缓苗时间久、长势弱甚至死苗，移栽太晚，根系容易老化，也会导致缓苗时间长长势弱的问题。所以，明确适宜的甘蓝幼苗移栽苗龄，将有利于农机农艺的高效融合。

为了实现六盘山地区甘蓝农机农艺融合高效生产的目标，本试验基于以上分析，对不同栽培措施对甘蓝生长土壤综合环境以及甘蓝产量的影响进行研究，以明确适宜六盘山地区农机农艺高度融合的甘蓝栽培措施。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2022 年5 月在宁夏固原市西吉县黄家川村冷凉蔬菜基地进行。供试甘蓝品种为‘中甘15’，以起垄高度、地膜光照透光率和移栽苗龄为试验因素。各处理重复3 次，18 个小区，小区面积为30 m2（1 m×30 m），各小区随机排列。试验田以300 kg/hm2三元复合肥作为底肥，垄宽设置为60 cm，株、行距分别为30、40 cm，采用覆膜及滴灌的栽培模式。在甘蓝莲座期及结球期由水肥一体机分别施入高氮型水溶肥75 和150 kg/hm2，灌水等其他管理一致，7 月24 日进行甘蓝采收。

本试验所使用起垄覆膜机型号为YSLM-60（无锡悦田农业机械科技有限公司），移栽机型号为2ZB-4（宝鸡市鼎铎机械有限公司）。

1.2 试验设计

已有研究表明适合机械移栽甘蓝的垄高在0～30 cm范围内[14-16]。在宁夏及气候条件相似的甘肃地区甘蓝栽培中，平畦产量最高，其次是15 cm 垄高[23-26]，同时经过对西吉甘蓝种植制度的调研，当地起垄高度错杂，绝大多数的垄高在15 cm 左右，因此，选取15 cm 作为响应曲面试验中起垄高度的中心点。

适合机械移栽的甘蓝幼苗在30～44 d 苗龄[22,27-29]，但是对于甘蓝生长发育情况的优劣少有报道。潘永飞等[29]研究表明，移栽苗龄为30 d 的甘蓝产量最高，其次是40 d。西吉当地甘蓝幼苗一般在35 d 左右开始移栽，因此，选取35 d 的苗龄作为响应曲面中移栽苗龄的中心点。

胡立军等[30]在甘蓝覆膜研究中表明，覆盖相同厚度白色透明地膜的甘蓝产量最高，其次是白色降解地膜。测得白色地膜光照透过率为80.15 %，渗水膜光照透过率为9.89 %，套色膜黑、白比例为1:1，视白色透明地膜与黑色渗水地膜光照透过率之和的平均值为套色膜光照透过率45.02 %，地膜厚度均为0.01 mm，光照透过率取整，因此本试验中以光照透过率为45 %为响应曲面试验中光照透过率的中心点。

本试验采用3 因素3 水平设计方法（表1），设置3 个起垄高度：0、15、30 cm；3 种地膜光照透过率：10%、45 %、80%；3 个幼苗移栽苗龄：30、35、40 d。利用Design-Expert 软件的Box-Behnken 试验原理设计了17 组试验。

表1 试验因素编码Table 1 Test factor codes

1.3 试验指标

1.3.1 土壤理化性质及土壤环境综合指数

地膜光照透过率和起垄高度对土壤温度有直接调节作用，并间接影响土壤化学性质。因此，本试验需测定土壤理化性质，其中土壤温度使用RC-4 型地温计对实时温度进行记录，每个处理布置置3 个测温点，最终对各测温点数据进行平均值计算；使用环刀对土壤取样，通过烘干前后的干鲜重计算土壤含水量，参考张芳等[31]试验中的方法测定土壤速效氮、速效钾、速效磷、全氮以及有机质含量，各处理做9 次重复，并最终取各指标的平均值，作为土壤环境综合指数计算的环境因子。

土壤环境综合指数S为[32]

式中n=1,2,……,7，X1～Xn分别为土壤温度、含水量，速效氮、速效钾、速效磷、全氮及有机质含量指标实测值；～为不同处理的同类土壤温度、含水量，速效氮、速效钾、速效磷、全氮及有机质指标的平均值。

1.3.2 甘蓝产量

各处理剔除外观形态最大和最小的甘蓝，选取9 株大小适中的甘蓝，使用精度0.1 g 的天平进行称量，9 株甘蓝质量总和除以株数，得到每株甘蓝平均质量。根据每公顷栽培甘蓝株数与甘蓝平均质量的乘积，得出每公顷甘蓝产量。

1.4 数据处理

采用Excel 2010 整理数据，采用Design-Expert 8.0.6 Trial 进行响应曲面分析。

2 结果与分析

2.1 模型构建

对表2 不同处理土壤温度、土壤含水量及速效钾等指标进行土壤环境因子综合指标计算，运用Design-Expert 软件进行多元拟合与回归分析。

利用Design-Expert 软件对表3 土壤环境综合指标及产量进行拟合与回归分析，得到与起垄高度、地膜光照透过率以及甘蓝幼苗移栽苗龄之间的响应回归模型分别为

2.2 回归分析

为了进一步判定模型的拟合准确度及各因素对甘蓝土壤环境综合指数的影响主次顺序，利用Design Expert8.0.6 软件对表3 土壤环境综合指数进行方差分析和三元二次回归分析。

如表4 所示，该模型的决定系数为0.90，且模型显著性检验中，F=6.9，P＜0.01，说明回归模型差异极显著；通过失拟性检验发现，F=2.24，P＞0.1，为不显著，说明该模型拟合精度高，能够准确反映土壤环境综合指数与起垄高度、地膜透光率、移栽苗龄之间的关系，可用于土壤环境综合指标的预测分析。

表4 方差分析Table 4 Analysis of variance for overall soil environment indicators

对甘蓝产量进行方差分析及回归分析得出，回归模型的决定系数为0.91，且显著性检验值F=8.26，P＜0.01，有极显著差异；通过失拟性检验可以表明，F=1.23，P=0.41，不具有显著性，因此该模型与实际结果有极高的拟合精度，能够准确反应甘蓝产量与起垄高度、地膜光照透过率、移栽苗龄之间的关系以及甘蓝产量的预测和分析。

2.3 响应面分析

2.3.1 土壤环境总体指数与各因素响应曲面分析

通过Design-Expert 软件分析了不同因素交互作用对土壤环境上的影响，其中地膜光照透过率和移栽苗龄交互作用对土壤环境综合指数的影响显著，起垄高度和苗龄、起垄高度和地膜光照透过率的交互作用对土壤环境综合指数影响不显著（表4）。图1 为地膜光照透过率和移栽苗龄对土壤环境综合指数交互影响的响应曲面，当地膜光照透过率处于高透过率、苗龄越大，土壤环境综合指数越高。主要原因在于，当地膜光照透过率较高时，土壤吸收的热量增加，可以适宜的提高土壤温度，这有利于养分的有效转化[33]。

图1 交互作用对土壤环境综合指数的影响Fig.1 Response surface of interaction effect on the combined soil environment indicators

2.3.2 甘蓝产量与各因素响应曲面分析

通过Design-Expert 软件分析了不同因素交互作用对甘蓝产量的影响，其中起垄高度与地膜光照透过率交互作用、地膜光照透过率和移栽苗龄交互作用对产量的影响显著，起垄高度和苗龄的交互作用对甘蓝产量影响不显著（表4）。图2 为地膜光照透过率和起垄高度对甘蓝产量交互影响的响应曲面，当起垄高度越低、地膜光照透过率越低（图2a），或起垄高度越高、地膜光照透过率越高时（图2b），甘蓝产量呈增加趋势。起垄高度增加可以提高甘蓝产量，这与前人在甜椒[9]、黄瓜[34]、大豆[35]上的研究结果相似。

图2 交互作用对产量影响的响应曲面Fig.2 Response surface of interaction effect on yield

其主要原因可能是起垄高度、地膜光照透过率对土壤环境造成改变，改善田间小气候而导致甘蓝产量产生差异[9]。杨封科等[36]研究指出，不同垄高覆盖黑色地膜土壤中的养分含量均比矮垄覆盖白色地膜土壤养分含量高，而本研究发现，覆盖白色地膜的3 个梯度垄高土壤养分含量较高，3 种不同覆膜土壤养分含量有着共同的变化特征，即随着起垄高度增加，同类膜下土壤养分含量增加。其原因一方面可能在于起垄高度和不同地膜改善了土壤水热条件，形成的土壤水分梯度使得养分在土壤表层聚集[37]，另一方面可能是水热条件的改变使得养分有效性增加[38]。

2.4 参数优化

依据模型分析效果，利用Design-Expert 软件对参数进行优化，为提高甘蓝生长环境质量，应在保证土壤环境综合指数最优的同时，甘蓝产量达到最大。根据拟合的模型以及回归方程对变量区间进行计算，求得优化后各因素优参数为：起垄高度为30 cm、地膜光照透过率为80 %、苗龄为39 d，此时土壤环境综合指数和甘蓝产量表现最佳，分别为7.79 和86.51 t/hm2。

3 验证试验

通过响应回归模型构建对甘蓝栽培制度优化，得出了起垄高度、地膜光照透过率以及苗龄最优参数，于2022 年12 月15 日在宁夏大学北校区日光温室进行了验证试验。以甘蓝产量最高的试验编号为6 和14 的处理组合分别为对照1（CK1）与对照2（CK2），与优化后的试验组合（T1）进行产量比较。通过验证试验，由表5可知，优化后的栽培制度组合T1 甘蓝产量较CK1 高3.1%，具有显著差异，与CK2 无显著差异，其原因在于两个处理组合的起垄高度、地膜光照透过率一致，苗龄接近。这将为六盘山地区甘蓝种植制度提供参考依据，加强农机农艺融合，加速甘蓝产业向标准化发展。