干旱脅迫下鉀肥對甘薯產(chǎn)量形成及鉀素分配利用的影響

孫 哲，史春余，劉中良，焦 娟，田昌庚，柳洪鵑

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018;2.泰安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東泰安 271000)

干旱脅迫下鉀肥對甘薯產(chǎn)量形成及鉀素分配利用的影響

孫 哲1,2，史春余1，劉中良2，焦 娟2，田昌庚2，柳洪鵑1

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018;2.泰安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東泰安 271000)

旨在研究干旱脅迫下鉀肥對甘薯不同時(shí)期生長發(fā)育、產(chǎn)量和鉀素分配利用的影響，以食用型甘薯品種‘泰中6號’為材料，以硫酸鉀(K2SO4)為供試肥料，水分處理設(shè)正常灌水(W1)和干旱處理(W0)，分別為土壤最大持水量的60%～70%和30%～40%；鉀肥(K2O)施用量分別為0 g/m2(K0)、12 g/m2(K1)、24 g/m2(K2)和36 g/m2(K3) 4個(gè)水平，測定莖葉生長指標(biāo)、光合勢、塊根膨大速率、干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、產(chǎn)量和鉀素質(zhì)量分?jǐn)?shù)等。結(jié)果表明，施鉀可以促進(jìn)甘薯莖葉生長和產(chǎn)量提高，隨著施鉀量的增加，正常灌水下，甘薯莖葉生長指標(biāo)、結(jié)薯數(shù)和產(chǎn)量在K2和K3處理均高于K1；而干旱脅迫下K2和K1處理均高于K3。正常灌水下甘薯光合勢和塊根膨大速率隨施鉀量的增加而增大，最大為K3處理，干旱脅迫下最大為K2處理。干旱脅迫下甘薯植株地上部器官中鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于正常灌水，塊根中相反，且甘薯鉀肥利用率顯著低于正常灌水。干旱脅迫下施鉀有利于甘薯莖葉生長，增強(qiáng)單株光合勢，同時(shí)，植株莖葉鉀素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，滲透調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)，從而提高甘薯的抗旱性；施鉀增大干物質(zhì)向塊根的分配，提高塊根產(chǎn)量，而且干旱脅迫下甘薯的適宜施鉀量低于正常灌水。

甘薯；干旱脅迫；鉀肥；產(chǎn)量形成；鉀肥利用率

甘薯是中國重要的糧食、飼料兼用作物，其耐旱性較強(qiáng)，適應(yīng)性廣，常被作為抗旱減災(zāi)作物。在中國北方地區(qū)，甘薯主要種植在山區(qū)和丘嶺薄地，生長過程中經(jīng)常遭遇干旱脅迫，干旱已成為制約甘薯產(chǎn)量進(jìn)一步提高的重要因素。

干旱脅迫使甘薯莖葉和塊根生長受抑，產(chǎn)量顯著降低[1]。許育彬等[2-3]研究表明，通過合理施用氮磷肥可以增強(qiáng)甘薯抗旱能力，促進(jìn)干旱脅迫下莖葉生長，改善光合條件，提高結(jié)薯率，從而提高產(chǎn)量。鉀作為作物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素之一，與作物的抗旱性關(guān)系更為密切，干旱條件下鉀作為最主要的滲透物質(zhì)，能調(diào)節(jié)氣孔運(yùn)動，維持和調(diào)節(jié)干旱條件下許多生理生化過程與代謝平衡的關(guān)系，從而增強(qiáng)作物的抗旱性。研究發(fā)現(xiàn)，施鉀能夠促進(jìn)旱地春玉米大喇叭口期后的葉片生長，顯著提高春玉米整個(gè)生育期的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)[4]；干旱脅迫下，適量施鉀可以通過提高K+質(zhì)量分?jǐn)?shù)增強(qiáng)煙草葉片的保水能力，從而增強(qiáng)煙草葉肉細(xì)胞光合活性，獲得較高的生物量[5]。甘薯作為喜鉀作物，干旱脅迫下鉀營養(yǎng)在甘薯上的應(yīng)用研究鮮有報(bào)道，僅限于干旱脅迫下鉀對甘薯幼苗光合特性及根系活力的影響方面[6]。因此，本文通過研究干旱脅迫和正常灌水下不同施鉀量對不同生長時(shí)期甘薯莖葉生長和收獲期塊根產(chǎn)量、鉀肥分配利用的影響，以期為甘薯的抗旱高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用甘薯品種‘泰中6號’作為供試材料，所用肥料為尿素[w(N)=46%]、過磷酸鈣[w(P2O5)= 15%]和硫酸鉀[w(K2O)=50%]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014年6月-10月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗(yàn)站進(jìn)行，土壤質(zhì)地為棕壤土，土壤有機(jī)質(zhì)1.8 g/kg，堿解氮75.2 mg/kg，速效磷19.83 mg/kg，速效鉀87.62 mg/kg。

水分設(shè)正常灌水(W1)和干旱處理(W0)，分別為土壤最大持水量的60%～70%和30%～40%，采用中子儀測定土壤含水量；鉀肥設(shè)K0、K1、K2、K3 4個(gè)水平，K2O用量分別為0、 12、24和 36 g/m2。小區(qū)面積為12.8 m2，3次重復(fù)。種植密度為5萬株/hm2，株距25 cm，行距 80 cm。各小區(qū)在起壟前施 P2O5(9 g/m2)、N(18 g/m2)，肥料全部基施。

1.3 調(diào)查項(xiàng)目

甘薯栽植后10 d內(nèi)為緩苗期，甘薯生長40 d開始觀察和記錄，此后每隔20 d測定代表性植株3株，測定塊根產(chǎn)量，計(jì)算塊根膨大速率；室內(nèi)調(diào)查蔓長、基部莖粗、單株分枝數(shù)，打孔法測定葉面積，計(jì)算葉面積系數(shù)和光合勢。

收獲期將測產(chǎn)區(qū)內(nèi)的塊根全部挖出，統(tǒng)計(jì)每個(gè)小區(qū)的塊根數(shù)量，然后以小區(qū)為單位稱塊根質(zhì)量，計(jì)算平均單株結(jié)薯數(shù)和塊根質(zhì)量。將植株按塊根、莖、葉和葉柄4部分分樣，對4部分分別稱鮮質(zhì)量(洗凈、晾干)，然后將莖切段、塊根切片連同葉和柄一起，并分別在60 ℃下烘干稱質(zhì)量，測定塊根干質(zhì)量和地上部干質(zhì)量。

采用 FP640型火焰光度計(jì)測各器官全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)。鉀肥吸收利用率 (%) =(施鉀區(qū)鉀素積累量—對照鉀素積累量)/施鉀量×100。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2003作圖，DPS v 7.05 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，LSD法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下鉀肥對甘薯莖葉生長的影響

由圖1可以看出，干旱脅迫嚴(yán)重影響甘薯的生長發(fā)育，蔓長、單株分枝數(shù)、基部莖粗、葉面積系數(shù)均顯著低于正常灌水，而施鉀可以顯著促進(jìn)甘薯莖葉生長。干旱脅迫下，甘薯蔓長、單株分枝數(shù)、基部莖粗、葉面積系數(shù)最大出現(xiàn)在K2和 K1處理，K2與K1處理差異較小，均高于K3處理；而正常灌水條件下，甘薯蔓長、單株分枝數(shù)、基部莖粗、葉面積系數(shù)隨施鉀量的增加而不斷增大，鉀肥用量為K2和K3時(shí)最大，K2與K3處理差異較小，均高于K1處理。

圖1 不同時(shí)期甘薯莖葉的生長Fig.1 Stem and leaf growth during different stages of sweet potato

2.2 干旱脅迫下鉀肥對甘薯光合勢的影響

光合勢是指葉面積與光合時(shí)間的乘積，在一定范圍內(nèi)光合勢與產(chǎn)量呈正相關(guān)。如圖2所示，各處理單株光合勢峰值均出現(xiàn)在栽秧后60～80 d，干旱脅迫下單株光合勢顯著低于正常灌水，施鉀能顯著提高單株光合勢。干旱脅迫下，單株光合勢最大出現(xiàn)在K2處理；而正常灌水條件下，隨施鉀量的增加而不斷增大，鉀肥用量為K3時(shí)最大。

圖2 甘薯葉片的光合勢Fig.2 Leaf photosynthetic potential of sweet potato

2.3 干旱脅迫下鉀肥對甘薯產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表1可知，干旱脅迫下甘薯塊根產(chǎn)量、結(jié)薯數(shù)和單薯質(zhì)量均顯著低于正常灌水處理，施鉀可以提高甘薯塊根產(chǎn)量及其構(gòu)成因素。干旱脅迫下，甘薯單株產(chǎn)量表現(xiàn)為K2>K1>K3>K0，其中K2和K1處理差異較??；正常灌水下，甘薯單株產(chǎn)量表現(xiàn)為K2>K3>K1>K0，其中K2和K3處理差異較小，二者均顯著高于K1。施鉀可以提高單株結(jié)薯數(shù)和單薯質(zhì)量，正常灌水條件下單薯質(zhì)量隨施鉀量的增加而增大，干旱脅迫下K3處理顯著降低，低于K2和K1處理；單株結(jié)薯數(shù)變化規(guī)律與產(chǎn)量相似。說明干旱脅迫下甘薯的適宜施鉀量低于正常灌水。2.4 干旱脅迫下鉀肥對甘薯塊根膨大速率的影響塊根膨大速率在一定程度上能夠反映碳水化合物在塊根中的積累情況，較高的積累速率是獲得較高塊根產(chǎn)量的重要條件。如圖3所示，各處理塊根膨大速率均呈現(xiàn)“升高-降低”的趨勢，各處理塊根膨大速率峰值出現(xiàn)在栽秧后 60～80 d。干旱脅迫下塊根膨大速率顯著低于正常灌水，施鉀在一定范圍內(nèi)能顯著提高塊根膨大速率。干旱脅迫下，塊根膨大速率最大出現(xiàn)在K2處理；而正常灌水條件下，塊根膨大速率隨施鉀量的增加而不斷增大， K3處理最大。

表1 甘薯的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 1 Potassium on yield and its components of sweet potato

注:同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Note:Different letters in the same column mean significant difference atP<0.05.The same as the below.

2.5 干旱脅迫下鉀肥對甘薯收獲期干物質(zhì)分配的影響

由表2可知，干旱脅迫下甘薯收獲期單株干質(zhì)量、塊根干質(zhì)量均顯著高于正常灌水處理，施鉀可以提高甘薯收獲期單株干質(zhì)量、塊根干質(zhì)量和塊根干物質(zhì)分配率。干旱脅迫下，單株干質(zhì)量、地上干質(zhì)量、薯塊干質(zhì)量和塊根干物質(zhì)分配率均為K2處理最大，K3處理顯著降低；正常灌水條件下，單株干質(zhì)量、地上干質(zhì)量、薯塊干質(zhì)量和塊根干物質(zhì)分配率均隨施鉀量的增加而增大，K3處理最大。其規(guī)律與產(chǎn)量相類似。增施鉀肥可以增加干物質(zhì)向塊根中的分配比例，干旱脅迫下鉀肥更有利于干物質(zhì)向塊根的分配，提高塊根產(chǎn)量。

圖3 甘薯塊根膨大速率Fig.3 Increasing velocity sweet potato storage root

表2 甘薯收獲期干物質(zhì)的分配率Table 2 Matter distribution rate of sweet potato

2.6 干旱脅迫下不同處理鉀素的分配與吸收

2.6.1 甘薯對鉀素的分配 干旱脅迫下甘薯植株葉片、葉柄和莖蔓中鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于正常灌水(圖4)，塊根中則相反；各處理甘薯不同部位鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨鉀肥用量的增加而增大。與正常供水處理相比，相同鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，干旱脅迫甘薯葉片中鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加0.04%～0.76%，葉柄中鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加0.08%～0.57%，莖中鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加0.08%～0.57%，而塊根中鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低值為0.22%～0.79%。鉀素在各器官中的分配規(guī)律為葉柄>莖>葉片>塊根。說明干旱脅迫下鉀傾向于向甘薯地上部分配，鉀肥不僅發(fā)揮其營養(yǎng)作用，而且具有滲透調(diào)節(jié)功能，有利于增強(qiáng)甘薯的抗旱性。

2.6.2 鉀肥的利用率 由圖5可以看出，干旱脅迫下甘薯鉀肥利用率顯著低于正常灌水，隨著施鉀量的增加，鉀肥利用率隨之降低。正常灌水條件下各鉀肥處理比干旱脅迫下相同鉀肥處理分別提高11.36%、11.50%和10.53%。雖然干旱脅迫下甘薯植株鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于正常灌水，但由于干旱脅迫下甘薯植株生物量和干質(zhì)量遠(yuǎn)低于正常灌水，干旱脅迫下甘薯的鉀肥利用率還是低于正常灌水。

3 討 論

已有研究表明，正常灌水條件下，增施鉀肥能夠提高干物質(zhì)在塊根中的分配率，提高碳水同化物在塊根中的分配比例，促進(jìn)塊根迅速膨大，增加干物質(zhì)生產(chǎn)量和塊根產(chǎn)量[7-9]。干旱脅迫下，鉀不僅具有維持生長發(fā)育的營養(yǎng)功能，而且能夠提高植物的抗旱能力。張立新等[10]研究表明，干旱條件下施鉀可以顯著提高冬小麥的干物質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量。李明德等[11]、洪世奇等[12]也發(fā)現(xiàn)，旱作農(nóng)田施用鉀肥能促進(jìn)玉米生長，減輕水分脅迫對玉米生長的抑制作用，改善玉米氮鉀營養(yǎng)狀況。本研究發(fā)現(xiàn)，正常灌水和干旱脅迫下施鉀均有利于甘薯莖葉生長，提高收獲期干物質(zhì)產(chǎn)量、塊根產(chǎn)量以及干物質(zhì)在塊根中分配率。然而，前人研究[7,10]發(fā)現(xiàn)正常灌水條件下作物對施鉀量有一定的適應(yīng)范圍，本研究結(jié)果進(jìn)一步表明，干旱脅迫下施鉀量在一定范圍內(nèi)能夠明顯促進(jìn)甘薯的生長和產(chǎn)量的提高，但隨著施鉀量的增加，過量的鉀肥對甘薯的傷害效應(yīng)明顯，產(chǎn)量顯著降低，而且干旱脅迫下甘薯的適宜施鉀量低于正常灌水。首先，干旱脅迫下甘薯塊根產(chǎn)量、塊根膨大速率、干物質(zhì)產(chǎn)量均在K2處理最大，其中K2和K1處理差異較小，均高于K3處理；正常灌水下，甘薯塊根產(chǎn)量、干物質(zhì)產(chǎn)量表現(xiàn)為K2和K3最大，二者均顯著高于K1處理。其次，K2和K1處理甘薯蔓長、單株分枝數(shù)、基部莖粗、葉面積系數(shù)均高于K3處理；而正常灌水條件下，甘薯蔓長、單株分枝數(shù)、基部莖粗、葉面積系數(shù)隨施鉀量的增加而不斷增大，K2和K3均高于K1處理。分析2種水分條件下鉀肥效應(yīng)產(chǎn)生差異的原因，一方面是因?yàn)檎９嗨畻l件下，甘薯莖葉生長旺盛，塊根產(chǎn)量高，鉀營養(yǎng)需求量大；另一方面，由于干旱脅迫下土壤含水量低，鉀元素移動受阻，集中于甘薯根系周圍造成土壤鹽害。

圖4 甘薯不同器官鉀素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.4 Potassium mass fraction of different sweet potato organs

圖5 甘薯鉀肥吸收利用率Fig.5 Potassium utilization efficiency of sweet potato

近年來，隨著甘薯產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，氮、磷肥投入日益增加，而由于鉀素資源缺乏，鉀肥投入不足，種植甘薯的缺鉀土壤范圍在逐漸擴(kuò)大，如何提高鉀肥的利用效率成為亟待解決的問題。甘薯是典型的喜鉀作物，鉀肥對提高作物抗旱性具有顯著效果，甘薯作為中國北方地區(qū)重要的旱作作物，在其生產(chǎn)中應(yīng)重視施用鉀肥[13-14]。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫下施鉀能促進(jìn)甘薯地上部鉀的分配量增加，而塊根鉀元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。這種現(xiàn)象不僅表明鉀對植株的營養(yǎng)功能，促進(jìn)甘薯的生長發(fā)育，而且在干旱脅迫下鉀作為重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)存在于葉片、葉柄和莖中，利于調(diào)節(jié)氣孔運(yùn)動，增強(qiáng)地上部植株保水能力，提高甘薯的抗旱性，而塊根中鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)少則促進(jìn)根系對鉀的吸收。干旱脅迫下鉀肥利用率低于正常灌水，其原因在于干旱脅迫下土壤水分含量低，不利于鉀的移動和吸收。

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(責(zé)任編輯：顧玉蘭 Responsible editor:GU Yulan)

Effect of Potassium Fertilizer Rate on Formation of Storage Root Yield and Potassium Distribution of Sweet Potato under Drought Stress

SUN Zhe1,2,SHI Chunyu1,LIU Zhongliang2,JIAO Juan2,TIAN Changgeng2and LIU Hongjuan1

(1.Agronomy College，Shandong Agricultural University，Tai’ an Shandong 271018,China;2.Tai’ an Academy of Agricultural Sciences Tai’ an Shandong 271000,China)

The experiment was conducted to investigate the effects of different potassium rate on growth and development,storage root yield and potassium distribution under drought stress,which will provide theoretical basis for drought resistance and high yield cultivation of sweet potato.Sweet potato cultivar ‘Taizhong No.6’ was used as tested variety,and the water treatments included normal water supply (W1,soil with water content of 60%-70%) and drought stress (W0,soil with water content of 30%-40%).The K fertilizer treatments included K0(K2O,0 g/m2),K1(K2O,12 g/m2),K2(K2O,24 g/m2) and K3(K2O,36 g/m2),growth and development,leaf photosynthetic potential,storage root increasing velocity,dry matter content,yield and potassium mass fraction were determined.The result showed that application of potassium improved the stem and leaf growth and storage root yield,and there were significant differences in the effect of potassium application under both conditions.Under normal-watered condition,the stem and leaf growth index,tuber number and storage root yield of K2 and K3 were both higher than that of K1; but under drought stress,K2 and K1 were both higher than K3.Under normal-watered condition,photosynthetic potential of leaf and bulking rate of storage root increased with the increase of potassium application,,and the best treatment was K3,while the best one was K2 under drought stress.The potassium mass fraction of overground organs under drought stress was higher than that of normal-watered condition,but the storage root was opposite.The potassium utilization efficiency of the sweet potato under drought stress was lower than that of normal-watered condition.The application of potassium under drought stress was benefit to growth of the stem and leaf,and improvement of leaf photosynthetic potential.Meanwhile,the potassium mass fraction of the stem and leaf were increased,and osmotic adjustment ability was improved,both of them improved the drought resistance of the sweet potato.The application of potassium under drought stress increased dry matter distribution rate of storage root,which improved root yield.And the optimum potassium rate under drought stress was lower than that under well-watered condition.

Sweet potato; Drought stress; Potassium rate; Yield formation; Potassium utilization efficiency

SUN Zhe,male,doctorial student.Research area:high-yield cultivation physiology of sweet potato.E-mail:sunxz_8311@163.com.

SHI Chunyu,male,Ph.D,professor.Research area:crop yield physiology and nutrition quality control.E-mail:scyu@sdau.edu.cn

日期：2017-03-03

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1220.s.20170303.0822.014.html

2016-04-08

2016-05-15

國家自然科學(xué)基金(31371577)；山東省自然科學(xué)基金青年基金(ZR2014CQ040) ；泰安市科技發(fā)展計(jì)劃(201440774-11B)；泰安市農(nóng)業(yè)良種工程(2015LZ06)。

孫 哲，男，博士研究生，從事甘薯高產(chǎn)栽培生理研究。E-mail：sunxz_8311@163.com

史春余，男，博士，教授，主要從事作物產(chǎn)量品質(zhì)生理與營養(yǎng)調(diào)控研究。E-mail：scyu@sdau.edu.cn

S531

A

1004-1389(2017)03-0390-07

Received 2016-04-08 Returned 2016-05-15

Foundation item Natural Science Foundation of China (No.31371577); Natural Science Foundation of Youth Fund of Shandong Province (No.ZR2014CQ040); Science and Technology Development Plan of Tai’an (No.201440774-11B);Agricultural Seed Project of Tai’an (No.2015LZ06).