紅壤旱地不同栽培措施對(duì)甘薯生長及經(jīng)濟(jì)效益的影響與評(píng)價(jià)

肖富良，呂偉生，韓德鵬，李亞貞，鄭偉，肖小軍，黃天寶，陶國華，王小壇，肖國濱*

（1江西省紅壤研究所/江西省紅壤耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部江西耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，南昌 331717；2進(jìn)賢縣前坊鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村辦公室，江西進(jìn)賢 331712；3安?？h平都鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村辦公室，江西安福 343200）

紅壤是我國南方重要的耕地資源，生產(chǎn)潛力大，為我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了重要作用［1，2］。但長期強(qiáng)烈富鋁化和淋溶作用，導(dǎo)致土壤酸化，養(yǎng)分缺乏，保水保肥性差，同時(shí)紅壤區(qū)域降水時(shí)空分布不勻，干旱頻發(fā)，嚴(yán)重限制了該區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展［3］。甘薯是我國重要的糧食作物，由于其適應(yīng)性廣、抗逆性強(qiáng)等特性，在紅壤旱地廣泛種植。但目前紅壤旱地甘薯栽培方式停留于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，沒有有效應(yīng)對(duì)紅壤旱地貧瘠、干旱等特征的栽培措施，無法獲得高產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn)。近年來，隨著勞動(dòng)力成本的提高和種植效益的降低，紅壤旱地拋荒越來越嚴(yán)重，進(jìn)一步限制了紅壤旱地甘薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

針對(duì)種植區(qū)域的環(huán)境條件特點(diǎn)，科學(xué)合理搭配栽培措施是實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)高效的基礎(chǔ)。薄膜覆蓋具有增溫、保墑、提高降水利用率等優(yōu)點(diǎn)；能改善田間小氣候，促進(jìn)甘薯植株生長；且能通過增加單株結(jié)薯數(shù)和單薯鮮重，提高鮮薯產(chǎn)量［4］；對(duì)有效應(yīng)對(duì)早春低溫、夏季持續(xù)伏旱、秋季持續(xù)降雨等氣候條件具有重要作用［5，6］。施用鉀肥可提高光合速率和根系吸收能力［7］，促進(jìn)碳水化合物和糖分的運(yùn)輸［8］，從而提高單株結(jié)薯數(shù)和平均單薯鮮質(zhì)量，顯著提高甘薯產(chǎn)量［9］。秸稈覆蓋可改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤孔隙度和團(tuán)聚體穩(wěn)定性［10］，增強(qiáng)土壤蓄水保水能力和土壤微生物活動(dòng)［11］，同時(shí)能減少無效蒸發(fā)耗水，提高作物全生育期水分利用效率，節(jié)水增產(chǎn)［12］。保水劑能有效改善土壤水分狀況，改良土壤結(jié)構(gòu)，減少水分深層滲漏，從而提高水分利用率，進(jìn)而增加葉片數(shù)、分枝數(shù)和蔓長，顯著提高甘薯產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益［13］。但是以上栽培措施基本都是單項(xiàng)的技術(shù)研究，在紅壤旱地上進(jìn)行多項(xiàng)栽培措施綜合應(yīng)用效果研究與評(píng)價(jià)的報(bào)道較少。因此，筆者將5種主要栽培措施對(duì)甘薯農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量性狀和經(jīng)濟(jì)效益的影響進(jìn)行比較分析，同時(shí)基于主成分分析建立綜合評(píng)價(jià)模型，以期明晰紅壤旱地甘薯適宜的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)栽培措施。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于江西省旱作物良種引育中心（116°20′24″E，28°15′30″N），土壤母質(zhì)為第四紀(jì)紅色黏土，屬于典型亞熱帶紅壤分布區(qū)。0～20 cm耕層土壤含有機(jī)質(zhì)17.8 g/kg、全氮1.1 g/kg、堿解氮102.8 mg/kg、有效磷18.6 mg/kg、速效鉀66.3 mg/kg，pH值為5.3。試驗(yàn)期間日平均氣溫和降水量變化如圖1所示。

圖1 甘薯試驗(yàn)季日平均氣溫和降水量Fig.1 Average daily temperature and rainfall of sweet potato experimental season

1.2 材料及處理

供試品種為贛薯2號(hào)。試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理：T1.黑膜覆蓋，T2.增施鉀肥（K2O，300 kg/hm2），T3.保水劑應(yīng)用（高吸水樹脂SAP，30 kg/hm2），T4.稻草覆蓋（厚度為2～3 cm），T5.常規(guī)栽培（對(duì)照）。黑膜覆蓋為整壟覆蓋后破膜栽插薯苗；增施鉀肥為栽插前鉀肥全部均勻條施；保水劑為中國石化集團(tuán)生產(chǎn)的聚丙烯鈉鹽，施用時(shí)將保水劑與細(xì)土按1∶10比例混合均勻后條施，再栽插薯苗；稻草覆蓋為起壟后覆蓋2～3 cm稻草，再栽插薯苗。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)面積20 m2，5行區(qū)，壟距80 cm，株距25 cm。施用硫酸鉀復(fù)合肥（N∶P∶K=15∶15∶15）900 kg/hm2作底肥。2019年6月15日栽插，11月26日統(tǒng)一收獲。

1.3 測(cè)定方法

（1）農(nóng)藝性狀調(diào)查方法參考甘薯種質(zhì)資源描述規(guī)范［14］。

（2）干物率測(cè)定。將中等大小薯塊切成絲，取500 g，于60℃烘箱中烘至較干燥，再于105℃烘至恒重，計(jì)算干物率。

（3）葉片SPAD值測(cè)定。于甘薯膨大期（9月16日），采用SPAD-502型葉綠素測(cè)定儀測(cè)定倒4葉上部、中部和下部3個(gè)點(diǎn)的SPAD值，計(jì)算其平均值。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用DPS7.5進(jìn)行方差分析，運(yùn)用Spss17.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量性狀

不同栽培措施對(duì)產(chǎn)量性狀的影響見表1。相比常規(guī)栽培（T5），其它栽培措施均能增加地上部分產(chǎn)量、鮮薯產(chǎn)量和生物產(chǎn)量，但降低了經(jīng)濟(jì)系數(shù)。說明其它栽培措施促進(jìn)地上部分生長的效果要優(yōu)于地下部分。黑膜覆蓋（T1）、增施鉀肥（T2）和稻草覆蓋（T4）處理的鮮薯產(chǎn)量顯著高于對(duì)照，分別提高了34.3%、18.2%和9.2%，保水劑應(yīng)用（T3）處理的鮮薯產(chǎn)量比T5提高了1.7%，但薯干產(chǎn)量降低了0.5%，經(jīng)濟(jì)系數(shù)最小，僅促進(jìn)了地上部分生長，增產(chǎn)效果不明顯。

表1 不同栽培措施的甘薯產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)系數(shù)Table 1 Yield and Economic coefficient of sweet potato under different cultivation measures

2.2 農(nóng)藝性狀

不同栽培措施對(duì)農(nóng)藝性狀的影響見表2。相比常規(guī)栽培（T5），其它栽培措施均能增加蔓長和單薯鮮質(zhì)量，降低單株結(jié)薯數(shù)、干物率和R/T值。根據(jù)鮮薯產(chǎn)量構(gòu)成要素分析，黑膜覆蓋（T1）、增施鉀肥（T2）和稻草覆蓋（T4）主要通過增加單薯鮮質(zhì)量而顯著提高了鮮薯產(chǎn)量。增施鉀肥（T2）處理莖粗最高，表明鉀肥能通過提高莖粗來促進(jìn)光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)。黑膜覆蓋（T1）能顯著提高分枝數(shù)，說明黑膜覆蓋處理通過提高蔓長和分枝數(shù)共同促進(jìn)了地上部分生長。

表2 不同栽培措施下甘薯農(nóng)藝性狀比較Table 2 Comparison of agronomic characters of sweet potato under different cultivation measures

2.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

綜合經(jīng)濟(jì)效益分析表明（表3），黑膜覆蓋（T1）經(jīng)濟(jì)效益最高，但需要較高的人工投入；增施鉀肥（T2）產(chǎn)投系數(shù)最高，僅需額外增加肥料投入，就能獲得較高的經(jīng)濟(jì)收益；保水劑應(yīng)用（T3）和稻草覆蓋（T4）產(chǎn)投系數(shù)均小于常規(guī)栽培（T5），經(jīng)濟(jì)效益較差，不適宜在紅壤旱地應(yīng)用。

表3 不同栽培措施的經(jīng)濟(jì)效益分析Table 3 Economic benefit analysis of different cultivation measures

2.4 相關(guān)性分析

由表4可知，莖粗和SPAD值與其它性狀均無顯著相關(guān)性；干物率與蔓長、分枝數(shù)、單薯鮮質(zhì)量、鮮薯產(chǎn)量和生物產(chǎn)量均呈顯著負(fù)相關(guān)，表明不同栽培措施在促進(jìn)植株（地上部和地下部）生長的同時(shí)會(huì)降低干物率；鮮薯產(chǎn)量與蔓長、分枝數(shù)、生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)系數(shù)均呈極顯著正相關(guān)，薯干產(chǎn)量與蔓長、分枝數(shù)、鮮薯產(chǎn)量和生物產(chǎn)量呈顯著或極顯著正相關(guān)，可見地上部的生長是地下部塊根營養(yǎng)儲(chǔ)藏的基礎(chǔ)，好的栽培措施首先要以促進(jìn)地上部分生長為前提；產(chǎn)量構(gòu)成要素中單株結(jié)薯數(shù)與R/T值和經(jīng)濟(jì)系數(shù)呈顯著正相關(guān)，單薯鮮質(zhì)量與蔓長、地上部產(chǎn)量和生物產(chǎn)量呈顯著或極顯著正相關(guān)，與干物率呈顯著負(fù)相關(guān)，說明促進(jìn)光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化能提高單株結(jié)薯數(shù)，而促進(jìn)地上部分生長能提高單薯鮮質(zhì)量，但不能增加單株結(jié)薯數(shù)。

表4 不同栽培措施下農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation analysis of main agronomic characters and yield traits in different cultivation measures

2.5 主成分分析和綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)特征值＞1的標(biāo)準(zhǔn)提取了3個(gè)主成分（表5），其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)96.27%，解釋了13個(gè)變量的大部分信息。主成分PC1解釋了61.86%的總變異信息，具有較大特征值的是蔓長（0.976）、分枝數(shù)（0.832）、單薯鮮質(zhì)量（0.948）、干物率（-0.897）、地上部產(chǎn)量（0.952）、鮮薯產(chǎn)量（0.927）、生物產(chǎn)量（0.986）和薯干產(chǎn)量（0.851），主要反映產(chǎn)量性狀；主成分PC2包含了原始信息的22.31%，具有較大特征值的是單株結(jié)薯數(shù)（0.791）、R/T值（0.777）和經(jīng)濟(jì)系數(shù)（0.838），主要反映經(jīng)濟(jì)性狀；主成分PC3包含了原始信息的12.11%，所攜帶的信息主要是莖粗（0.848）和SPAD值（0.606），主要反映光合產(chǎn)物（生產(chǎn)與運(yùn)輸）性狀。

表5 不同栽培措施下的主要性狀主成分分析Table 5 Principal component analysis of main traits of different cultivation measures

根據(jù)3個(gè)主成分特征向量分析和各性狀指標(biāo)數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)化處理數(shù)據(jù)，建立線性回歸方程：

PC1=0.121×Zscore（X1）+0.046×Zscore（X2）+0.103×Zscore（X3）-0.060×Zscore（X4）+0.118×Zscore（X5）-0.054×Zscore（X6）-0.112×Zscore（X7）-0.078×Zscore（X8）+0.118×Zscore（X9）+0.115×Zscore（X10）+0.123×Zscore（X11）-0.066×Zscore（X12）+0.106×Zscore（X13）；

PC2=0.038×Zscore（X1）+0.006×Zscore（X2）+0.181×Zscore（X3）+0.273×Zscore（X4）-0.073×Zscore（X5）-0.140×Zscore（X6）-0.108×Zscore（X7）+0.268×Zscore（X8）-0.104×Zscore（X9）+0.126×Zscore（X10）+0.052×Zscore（X11）+0.289×Zscore（X12）+0.123×Zscore（X13）；

PC3=0.118×Zscore（X1）+0.539×Zscore（X2）-0.074×Zscore（X3）+0.238×Zscore（X4）-0.151×Zscore（X5）+0.385×Zscore（X6）+0.184×Zscore（X7）-0.020×Zscore（X8）+0.036×Zscore（X9）+0.024×Zscore（X10）+0.030×Zscore（X11）-0.073×Zscore（X12）+0.236×Zscore（X13）。

以各主成分對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重系數(shù)，建立綜合評(píng)價(jià)模型：F=（61.86×PC1+22.31×PC2+12.11×PC3）/96.27。由各主成分的線性回歸方程及綜合評(píng)價(jià)模型，計(jì)算得出不同栽培措施各主因子得分和綜合得分（表6），排序?yàn)楹谀じ采w（T1）＞增施鉀肥（T2）＞稻草覆蓋（T4）＞保水劑應(yīng)用（T3）＞常規(guī)栽培（T5）。黑膜覆蓋（T1）在產(chǎn)量性狀和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上表現(xiàn)優(yōu)異，在光合產(chǎn)物性狀得分較差；增施鉀肥（T2）在光合產(chǎn)物性狀表現(xiàn)優(yōu)異；稻草覆蓋（T4）和保水劑應(yīng)用（T3）3個(gè)性狀均表現(xiàn)較差；常規(guī)栽培（T5）在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上表現(xiàn)優(yōu)異。對(duì)于甘薯而言，黑膜覆蓋（T1）和增施鉀肥（T2）較為適宜紅壤旱地應(yīng)用，而保水劑應(yīng)用（T3）和稻草覆蓋（T4）不適宜在紅壤旱地應(yīng)用。

表6 不同栽培措施的綜合得分及排名Table 6 Comprehensive score of main traits ofdifferent cultivation measures

3 討論

3.1 不同栽培措施對(duì)甘薯產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響

密度、單株結(jié)薯數(shù)和單薯鮮質(zhì)量3個(gè)因素構(gòu)成了甘薯的產(chǎn)量，而在栽培密度一定時(shí)，主要由單株結(jié)薯數(shù)和單薯鮮質(zhì)量決定產(chǎn)量。黑膜覆蓋能通過增加地溫、保肥保水、抑制雜草，從而改善甘薯生長環(huán)境，提高水分利用效率，促進(jìn)作物生長，提高單薯鮮質(zhì)量，達(dá)到增產(chǎn)效果［6，15-17］。而受研究環(huán)境和品種特性等影響，單株結(jié)薯數(shù)變化規(guī)律在不同研究中存在較大差異。本研究結(jié)果顯示，黑膜覆蓋減少了單株結(jié)薯數(shù)，僅靠增加單薯鮮質(zhì)量顯著提高了鮮薯產(chǎn)量。這與蘭孟焦等［18］、李江輝等［15］研究結(jié)果一致，與王翠娟等［4］、丁凡等［19］研究結(jié)果不一致。稻草覆蓋可增強(qiáng)土壤微生物活動(dòng)，提高土壤肥力，促進(jìn)甘薯增產(chǎn)［5，20］。本研究結(jié)果顯示，稻草覆蓋減少了單株結(jié)薯數(shù)，增加了單薯鮮質(zhì)量，顯著提高了鮮薯產(chǎn)量。而趙慶云等［21］研究表明，稻草覆蓋通過增加單株結(jié)薯數(shù)和單薯鮮質(zhì)量共同提高鮮薯產(chǎn)量。甘薯在莖葉封壟期，單株結(jié)薯數(shù)基本穩(wěn)定［22］，因此單株結(jié)薯數(shù)受封壟期前氣候條件和覆蓋栽培增溫保墑效果等因素共同影響。由于本試驗(yàn)甘薯封壟期前氣溫均穩(wěn)定在20℃以上，且大部分降水均集中這一時(shí)期，而黑膜和稻草覆蓋能阻擋降水進(jìn)入膜下土壤，從而降低了土壤含水量［6］，所以相比常規(guī)裸地栽培，覆蓋栽培在封壟前期促進(jìn)幼根生長發(fā)育的效果大于其增溫效果，進(jìn)而影響了單株結(jié)薯數(shù)。

施鉀能提高甘薯光合特性［7］，促進(jìn)光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)［8］，加速塊根中碳的同化［9］，從而提高甘薯單株結(jié)薯數(shù)［9，23-25］和單薯鮮質(zhì)量，最終顯著增產(chǎn)。鉀素缺乏是我國南方紅壤地區(qū)主要障礙因素之一［26］。本試驗(yàn)地0～20 cm土壤速效鉀含量?jī)H為66.3 mg/kg，因此增施鉀肥能顯著提高鮮薯產(chǎn)量。但隨著鉀肥施用量的增加，單株結(jié)薯數(shù)和鮮薯產(chǎn)量不再增加，甚至?xí)档停?5，27］。本試驗(yàn)中增施鉀肥減少了單株結(jié)薯數(shù)，這與史春余等［28］的研究結(jié)果一致。

前人研究表明，保水劑能夠吸收和保存降水，提高土壤含水量，改善土壤結(jié)構(gòu)［29，30］，提高單株結(jié)薯數(shù)和單薯鮮質(zhì)量［31］，顯著提高鮮薯產(chǎn)量和薯干產(chǎn)量［13］。本研究結(jié)果顯示，紅壤旱地施用保水劑顯著降低了單株結(jié)薯數(shù)，而單薯鮮質(zhì)量和鮮薯產(chǎn)量增加不顯著。雷巧等［32］通過研究不同水分條件下保水劑對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響，發(fā)現(xiàn)灌水量為0～40 cm土壤田間持水量的20%和80%時(shí)，施用保水劑增產(chǎn)不顯著，為40%和60%時(shí)增產(chǎn)達(dá)極顯著水平，表明低灌水水平與高灌水水平下，均不利于保水劑發(fā)揮增產(chǎn)效果，而中灌水水平下施用保水劑才能起到顯著增產(chǎn)效果。可能由于整個(gè)試驗(yàn)季降水偏少，導(dǎo)致本研究中保水劑增產(chǎn)效果不顯著。

3.2 基于主成分分析的綜合評(píng)價(jià)體系

主成分分析能將原始的多個(gè)指標(biāo)綜合成幾個(gè)不相關(guān)的新指標(biāo)，對(duì)原始指標(biāo)所包含的信息進(jìn)行解釋，已廣泛應(yīng)用于百香果［33］、草莓［34］、黃 瓜［35］、葛根［36］、黃芪［37］、番茄［38］、木薯［39］等多種作物栽培技術(shù)評(píng)價(jià)。根據(jù)主成分分析結(jié)果，對(duì)紅壤旱地甘薯5種不同栽培措施進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，第1成分主要綜合了產(chǎn)量性狀（蔓長、分枝數(shù)、單薯重、干物率、地上部分產(chǎn)量、鮮薯產(chǎn)量、生物產(chǎn)量和薯干產(chǎn)量），貢獻(xiàn)率高達(dá)61.86%，所以高產(chǎn)是優(yōu)異栽培措施首要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。第2成分包含了原始信息的22.31%，主要由單株結(jié)薯數(shù)、R/T值和經(jīng)濟(jì)系數(shù)等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)決定，是協(xié)調(diào)地下塊莖與地上蔓莖的重要指標(biāo)。第3成分的貢獻(xiàn)率為12.11%，其大小主要由光合產(chǎn)物性狀（莖粗和SPAD值）決定，主要反映光合產(chǎn)物的生產(chǎn)與轉(zhuǎn)運(yùn)能力。這些與實(shí)際生產(chǎn)中要求的高產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)系數(shù)高、光合生產(chǎn)與運(yùn)輸能力強(qiáng)的目標(biāo)相一致，即甘薯源、流、庫關(guān)系協(xié)調(diào)是甘薯獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵［40］。通過對(duì)前3個(gè)主成分的線性回歸方程和貢獻(xiàn)率建立了綜合評(píng)價(jià)模型，結(jié)果表明，黑膜覆蓋和增施鉀肥綜合得分最高，較為適宜紅壤旱地應(yīng)用，保水劑和稻草覆蓋綜合得分也超過常規(guī)栽培，但3個(gè)主成分得分均為負(fù)數(shù)，說明以本研究中的13個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)，保水劑和稻草覆蓋不適宜在紅壤旱地應(yīng)用。通過主成分分析了解不同栽培措施下甘薯各性狀的優(yōu)劣表現(xiàn)，并建立綜合評(píng)價(jià)模型，為紅壤旱地不同栽培措施的評(píng)價(jià)與應(yīng)用提供了參考。

4 結(jié)論

不同栽培措施促進(jìn)地上部分生長的效果要優(yōu)于地下部分，而促進(jìn)光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化能提高單株結(jié)薯數(shù)，所以生產(chǎn)中還需要搭配控旺技術(shù)來調(diào)節(jié)源庫關(guān)系、提高經(jīng)濟(jì)系數(shù)和R/T值，從而獲得高產(chǎn)。通過主成分分析建立的綜合評(píng)價(jià)模型為不同栽培措施的評(píng)價(jià)提供了科學(xué)方法。分析認(rèn)為，黑膜覆蓋和增施鉀肥能顯著提高鮮薯產(chǎn)量和產(chǎn)投系數(shù)，較為適宜紅壤旱地應(yīng)用；而保水劑應(yīng)用和稻草覆蓋降低了產(chǎn)投系數(shù)，不適于該地區(qū)。