不同施肥處理對甘薯產量及土壤肥力與氮素利用的影響

蘭孟焦，張 輝，肖滿秋，潘 皓，侯隆英，張永春，吳問勝

(1.江西省農業(yè)科學院 作物研究所，南昌 330200；2.江蘇省農業(yè)科學院 農業(yè)資源與環(huán)境研究所，南京 210014)

甘薯(IpomoeabatatasL.)是重要的糧食、飼料、工業(yè)原料及新型能源塊根作物[1]，富含多種營養(yǎng)成分和生物活性因子，具有預防癌癥、延緩衰老、增強免疫力等保健功效，在保障國家糧食、能源安全和實施鄉(xiāng)村振興、健康中國戰(zhàn)略中發(fā)揮著重要的作用。目前江西省甘薯種植面積達14.6萬hm2[2]，是全省種植業(yè)結構調整的特色優(yōu)勢農作物之一。近年來，隨著中國國民可支配收入的增加和保健意識的不斷增強，甘薯種植面積日益擴大。然而，化肥的不合理施用，尤其是過量施肥一方面加劇農田環(huán)境的惡化，另一方面又降低肥料利用效率，導致農作物產量和品質下降[3-5]。因此，通過優(yōu)化施肥結構和化肥投入量，改變農民長期大量施用化肥的觀念顯得十分有必要。

近年來，有機肥替代部分化肥施用是農業(yè)部門推廣的一項重要化肥減量增效技術，也是近期作物栽培領域的研究熱點之一。謝軍等[6]研究發(fā)現(xiàn)有機肥氮替代部分化學氮肥，可促進玉米對氮素的吸收積累和向籽粒的轉運，進而提高了玉米的籽粒產量、生物量及氮肥利用效率。蒲瑤瑤等[7]發(fā)現(xiàn)等量養(yǎng)分條件下，有機肥替代部分化肥能有效提高西瓜葉綠素含量、光合性能、產量及品質。梁曼恬等[8]研究表明有機肥替代部分化肥可提高放線菌數(shù)量和改善土壤狀況，同時保持甘藍產量和品質不下降，是相同條件下冬閑田甘藍栽培一種穩(wěn)產合理的施肥模式。也有文獻報道有機肥部分替代化肥短期內可顯著提高土壤養(yǎng)分的容量和供應強度，調節(jié)土壤微生物組成比例，提高土壤酶活性，有利于土壤養(yǎng)分貯存以及作物對土壤養(yǎng)分的吸收利用[9-11]。氮肥減量施用技術也是栽培領域的研究熱點之一，該技術旨在探索作物氮養(yǎng)分需求和土壤氮養(yǎng)分供應之間的平衡關系，在保證作物產量和品質的同時，以提高肥料利用率[12]。Singh等[13]和Kumar等[14]開展了氮肥深度減量技術研究，發(fā)現(xiàn)氮肥施用量降至60kg·hm-2時，水稻可達到較高產量和較好的品質。Vieira等[15]研究也表明，將氮肥用量降至200kg·hm-2時，可兼顧蔬菜的產量和品質。袁麗敏等[16]研究發(fā)現(xiàn)，與習慣施肥量相比，設施辣椒在追肥減氮15%的條件下，產量、肥料利用率及經(jīng)濟效益可達最高。杜詳備等[17]研究表明，氮肥減量分施可促進甘薯根系生長發(fā)育和分化結薯，提高塊根膨大期生物量和分配比例，有利于薯塊的膨大和產量的增加。

目前，關于有機肥替代部分化肥、氮肥減施的文獻報道多集中在小麥、玉米、水稻、常規(guī)葉菜類及瓜類蔬菜栽培中，對甘薯有機肥替代部分化肥、氮肥減施研究相對較少[18-19]。為此，本試驗以甘薯為研究對象，設置習慣施肥、配方施肥、有機肥替代部分化肥和氮肥減施等不同施肥處理，分析不同施肥條件對甘薯葉面積指數(shù)、產量、土壤肥力、養(yǎng)分吸收量及氮素利用率的影響，以期為江西紅壤地區(qū)甘薯生產制定科學的施肥方案，構建健康的土壤環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于江西省高安市相城鎮(zhèn)江西農科西苑試驗基地(115°7′ E，28°15′ N，海拔39 m)。該地屬亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明，全年平均氣溫17.7 ℃，年降雨量1 560 mm，年日照時數(shù) 1 667.2 h，年無霜期276 d。試驗區(qū)土壤類型為紅壤，0～20 cm耕層土壤的基礎理化性質為有機質17.24 g·kg-1、堿解氮 66.06 mg·kg-1、有效磷 5.26 mg·kg-1、速效鉀147 mg·kg-1、pH 5.74。

1.2 試驗材料

供試甘薯品種為‘贛薯4號’，由江西省農業(yè)科學院作物研究所培育。

供試復合肥(15.0% N、15.0% P2O5、 15.0% K2O，湖北鄂中化工有限公司)由江西省農業(yè)科學院作物研究所購自當?shù)剞r資市場。供試自配摻混肥、有機肥由江蘇省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所提供，其中自配摻混肥所用的氮、磷和鉀肥分別為尿素(46% N)、磷酸二銨(18%N，46% P2O5) 和硫酸鉀(51.0% K2O)；有機肥為商品有機肥(有機質≥35%，氮磷鉀≥5%)，由南京寧糧生物肥料有限公司生產。

1.3 試驗設計

試驗于2020年5月至11月進行，選擇地力均勻、地勢平坦的連續(xù)田塊，5月25日機械整地起壟，5月28日栽插，壟作，壟距75 cm，株距為23 cm，理論株數(shù)為58 000株·hm-2，灌溉方式為溝灌，其他田間管理按照當?shù)爻Ｒ?guī)管理進行。試驗設5個處理，T1：空白對照，不施肥；T2：習慣施肥，復合肥(NPK:15-15-15)750 kg·hm-2；T3：配方施肥，自配摻混肥、控氮控鉀(NPK:16-8-20)750 kg·hm-2；T4：替氮配方施肥，在配方施肥處理的基礎上用有機肥氮替代20%的化肥氮；T5：減氮配方施肥，在配方施肥處理的基礎上減少20%的化肥氮。其中T2處理的肥料用量為當?shù)馗适矸N植常規(guī)施用量；T3處理依據(jù)前人研究[20]中甘薯豐產試驗需氮、磷、鉀量的大致比例優(yōu)化設置；T4、T5處理則分別依據(jù)T3等氮量和減氮20%原則設置。各處理3次重復，共15個小區(qū)，小區(qū)面積35 m2(4.50 m×7.78 m)，隨機區(qū)組排列。各處理肥料均在小區(qū)劃好起壟前作基肥一次性施入，后期不再追肥，具體施肥方案如 表1。

表1 不同施肥處理方案Table 1 Fertilization schemes under different treatments

1.4 樣品采集及指標測定

試驗實施前按照“S”形法采集試驗區(qū)0～20 cm土層土樣，剔除石礫和植物殘根等雜物，多個采集點土壤樣品混合成一個樣，經(jīng)風干研磨過篩后測定試驗區(qū)土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質、pH等指標。收獲期，每個小區(qū)按照“S”形法采集 0～20 cm土層土壤，分別測定各小區(qū)土壤理化性質。土壤堿解氮采用堿解擴散法測定；土壤速效磷采用鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀采用火焰光度法測定；土壤有機質采用重鉻酸鉀-外加熱法測定；土壤pH采用電位計法測定[21]。

分別在甘薯苗栽插后30 d、60 d、90 d和 120 d用Li-3000C葉面積儀測定單株葉面積。于甘薯成熟收獲期(2020年11月6-8日)進行小區(qū)考種和測產，測定單株結薯數(shù)、單個薯塊質量、小區(qū)產量、商品薯率等指標。采集樣品植株，每個小區(qū)采取有代表性的甘薯10株，分為莖葉和塊根兩部分，105 ℃殺青30 min，置于烘箱中80 ℃烘干至恒質量，計算干物質量。樣品植株粉碎后用濃H2SO4-H2O2消煮，采用全自動凱氏定氮儀測定植株全氮含量；用鉬銻抗比色法測定全磷含量；用火焰光度計測定全鉀含量[22]。主要計算公式[23-24]：

葉面積指數(shù)(LAI)=單株葉面積×0.6(經(jīng)驗系數(shù))×密度(株數(shù)·hm-2)/10 000

養(yǎng)分吸收量=成熟期單位面積植株養(yǎng)分含量(氮、磷、鉀)×植株總干物質量

收獲指數(shù)=鮮薯產量/植株總生物量

氮素收獲指數(shù)=塊根氮素累積量/植株氮素總累積量

氮肥表觀利用率=(施氮區(qū)氮素累積量-不施氮區(qū)氮素累積量)/施氮量×100%

氮肥偏生產力=施氮區(qū)產量/施氮量

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，采用Duncan’s對甘薯葉面積指數(shù)、產量、土壤肥力、養(yǎng)分吸收量以及氮素利用率等指標進行多重比較，檢驗差異顯著性(α= 0.05)。

2 結果與分析

2.1 葉面積指數(shù)動態(tài)變化

葉片是甘薯進行光合作用、制造光合產物的最主要器官，合理的葉面積指數(shù)是充分利用光能、提高光合效率、保證薯塊高產的主要條件。由圖1可知，在甘薯分枝結薯期(移栽后30～60 d)，葉面積指數(shù)增長速率從大到小的順序為T3>T4>T5>T2>T1；在60 d時，各處理葉面積指數(shù)達到峰值，分別為3.94、3.80、3.58、2.64、1.85，處理T3、T4、T5與空白對照處理(T1)和習慣施肥處理(T2)相比具有顯著差異(P<0.05)，T3顯著高于T5(P<0.05)，但與T4無顯著差異 (P>0.05)。在薯蔓并長期(60～90 d)，配方施肥各處理(T3、T4、T5)保持較高的葉面積指數(shù)，但T3下降速率要顯著快于T4和T5。在薯塊盛長期(90～ 120 d)，T4和T5保持較高的葉面積指數(shù)。試驗結果表明，與習慣施肥相比，配方施肥各處理更有利于提高甘薯葉面指數(shù)，而配方施肥條件下氮肥減量以及有機化肥氮替代化學氮處理有利于甘薯生長后期保持較高的葉面積指數(shù)。

圖1 不同施肥處理下甘薯葉面積指數(shù)Fig.1 Leaf area index of sweet potato under different fertilization treatments

2.2 不同施肥處理對甘薯產量及產量構成的影響

從圖2可見，不同施肥處理的甘薯產量及產量構成因素存在差異。不同施肥處理均可提高甘薯單個薯塊質量、塊根產量及商品薯率。施肥處理中，單株結薯數(shù)、塊根產量以減氮施肥處理(T5)處理最高，為4.50個、36 481.5 kg·hm-2，分別是習慣施肥處理(T2)的1.73倍(P<0.05)和1.87倍(P>0.05)。單個薯塊質量以配方施肥(T3)處理最高，其次為替氮配方施肥處理(T4)、減氮配方施肥處理(T5)，分別為習慣施肥處理(T2)的1.39倍(P<0.05)、1.25倍(P> 0.05)和1.08倍(P>0.05)。不施肥處理(T1)商品薯率僅有70.99%，各施肥處理后商品薯率顯著提高(P<0.05)，其中以配方施肥(T3)處理最高，為93.07%，其次為替氮配方施肥處理(T4)，各施肥處理間差異不顯著(P>0.05)。表明與習慣施肥相比，減氮配方施肥更有利于‘贛薯4號’的生長，提高單株結薯數(shù)和塊根產量。

A.單株結薯數(shù)；B.單個薯塊質量；C.甘薯塊根產量；D.商品薯率。不同小寫字母表示不同處理差異顯著(P<0.05)，下同

2.3 不同施肥處理對土壤養(yǎng)分含量和pH的影響

由表2可以看出，配方施肥各處理(T3、T4、T5)較不施肥處理(T1)、習慣施肥處理(T2)有效改善了土壤養(yǎng)分含量。不同處理有機質含量表現(xiàn)為T4>T5>T3>T1>T2，其中T3、T4、T5分別較T1和T2分別顯著增加了109.01%～ 125.63%(P<0.05)和117.57%～130.91% (P<0.05)，而各配方施肥處理間無顯著差異 (P>0.05)。土壤堿解氮含量表現(xiàn)為T5>T3>T1>T4>T2，其中配方施肥各處理(T3、T4、T5)分別較T2增加21.87%、19.04%和27.38%。土壤有效磷含量表現(xiàn)為T2>T5>T3>T4>T1，其中各施肥處理(T2、T3、T4、T5)較T1顯著提高了116.54%～234.04%(P<0.05)；而配方施肥各處理(T3、T4、T5)土壤有效磷含量較T2顯著降低了30.86%～35.18%(P<0.05)，各配方施肥處理間無顯著差異(P>0.05)。土壤速效鉀含量表現(xiàn)為T4>T3>T5>T2>T1，其中T3、T4分別較T1和T2顯著提高了21.22%、23.90% (P<0.05)和17.77%、20.37%(P<0.05)，T5較T1、T2分別提高13.41%、10.19%，但未達顯著差異(P>0.05)。各處理土壤pH 5.43～ 5.66，其中施肥處理土壤pH值較不施肥處理(T1)有所降低，配方施肥各處理(T3、T4、T5)較習慣施肥處理(T2)增加0.05～0.14，但均未達顯著差異(P>0.05)。試驗結果表明，配方施肥條件下氮肥減量以及有機化肥氮替代部分化學氮能提高土壤中的有機質、堿解氮、速效鉀。

表2 不同處理的土壤養(yǎng)分含量與pHTable 2 Soil nutrient content and pH value under different treatments

2.4 不同施肥處理對甘薯養(yǎng)分吸收量的影響

由圖3可知，不同施肥處理可以提高甘薯塊根和莖葉的氮、磷、鉀吸收總量。與不施肥處理(T1)相比，各施肥處理(T2、T3、T4、T5)的氮、磷、鉀吸收總量均有不同程度的提高，并達到顯著水平(P<0.05)，提高幅度分別為18.46%～ 134.55%、21.29%～109.43%、28.41%～ 112.08%。與習慣施肥處理(T2)相比，配方施肥各處理(T3、T4、T5)的氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收量均有所提高，莖葉氮、磷、鉀吸收量分別提高了 27.50%～55.98%、5.75%～49.87%、12.74%～ 43.05%，塊根氮、磷、鉀吸收量分別提高了 51.01%～187.02%、44.84%～87.62%、46.76%～80.80%。其中塊根氮、磷、鉀吸收量以減氮施肥處理(T5)最高，分別為65.96 mg·kg-1、 14.62 mg·kg-1、95.82 mg·kg-1，均較習慣施肥處理(T2)達顯著水平(P<0.05)；莖葉氮、磷吸收量以替氮施肥處理(T4)最高，分別為48.31 mg·kg-1、4.99 mg·kg-1，鉀吸收量僅次于氮施肥處理(T5)，為52.83 mg·kg-1，T4處理的氮、鉀吸收量均顯著高于T2處理(P<0.05)。結果表明在配方施肥條件下，適量減氮、有機肥適量替代化肥能夠協(xié)調甘薯對氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收與轉化，有利于塊根的形成。

A.甘薯氮吸收量；B.甘薯磷吸收量；C.甘薯鉀吸收量A.N absorption of sweet potato; B.P absorption of sweet potato; C.K absorption of sweet potato

2.5 不同施肥處理對甘薯氮素利用效率的影響

不同施肥處理的甘薯氮素吸收利用指標結果(表3)顯示，甘薯的氮素總積累量為45.54～ 106.82 kg·hm-2；不施肥處理(T1)、習慣施肥處理(T2)的甘薯氮素總積累量較低，分別為45.54、53.95 kg·hm-2，兩處理間差異不顯著(P> 0.05)；配方施肥各處理T3、T4、T5的氮素總積累量較T2處理顯著提高37.52%、58.70%、 98.00%(P<0.05)。不同處理的氮肥表觀利用率為7.47%～63.83%；T2處理的氮肥表觀利用率最低，為7.47%；T5、T4和T3處理的氮肥表觀利用率分別為63.83%、33.40%和23.87%，顯著高于T2處理(P<0.05)。不同處理的氮肥偏生產力為173.17～380.02 kg·kg-1，T5、T4和T3處理的氮肥偏生產力分別比T2處理顯著提高119.45%、26.47%和25.33%(P<0.05)。氮素收獲指數(shù)為42.59%～61.75%，與T2相比，僅T5處理的氮素收獲指數(shù)達顯著性差異(P< 0.05)，T3、T4處理的指數(shù)均未發(fā)生顯著性變化(P>0.05)。表明，與習慣施肥相比，配方施肥各處理的氮素總積累量明顯增加，氮肥表觀利用率和偏生產力顯著提高，尤其是本研究條件下減氮20%處理更為明顯。

表3 不同處理的甘薯氮素吸收與利用率Table 3 Nitrogen absorption and utilization efficiency of sweet potato under different treatments

3 討論與結論

甘薯產量的形成離不開光合作用，葉面積指數(shù)是表征群體光合能力的一項重要指標。葉面積指數(shù)與作物產量密切相關，過小、過大、驟升或驟降均難以獲得高產[25-26]。本研究結果表明，配方施肥各處理有利于甘薯生產前期(移栽后60 d內)葉面指數(shù)的增大，且配方施肥條件下氮肥減量以及有機化肥氮替代化學氮處理有利于甘薯生長后期(移栽后90～ 120 d)保持較高的葉面積指數(shù)。這可能與氮磷鉀綜合配比施用能夠穩(wěn)步促進甘薯莖葉生長發(fā)育，在甘薯膨大期促進地上部光合物質不斷向地下部轉移有關。配方施肥減氮20%處理(T5)葉面積指數(shù)較大且降速慢是其鮮薯產量提高的基礎。

本研究發(fā)現(xiàn)，在配方施肥各處理中，減氮20%處理(T5)的單株結薯和塊根產量最高，分別為習慣施肥處理(T2)的1.73倍和1.87倍。杜備詳?shù)萚17]研究表明，將施氮量由100 kg·hm-2減至80 kg·hm-2，并將其中一半氮肥在塊根形成期追施，可有效促進甘薯根系生長和有效薯塊的早期形成，保證單株結薯數(shù)，提高塊根膨大期生物量和分配比例，促進薯塊的膨大和產量的提高，這與本試驗結果相一致。Hartemink等[27]、陳曉光等[28]也研究得出，過量施氮使光合產物向地下部塊根的運轉量減少，導致地上部旺長，降低干物質收獲指數(shù)；適量減氮可促進甘薯地上部莖葉在生長前期快速生長，塑造相對高效的群體結構，提高群體光合能力，保障干物質生產及其合理分配，進而提高甘薯塊根產量。

本研究發(fā)現(xiàn)，配方施肥條件下氮肥減量以及有機化肥氮替代部分化學氮處理中的土壤中的有機質、堿解氮、速效鉀含量比習慣施肥均有所提高，施肥處理土壤pH較不施肥處理有所降低，但配方施肥各處理較習慣施肥處理略高?？螺韀19]研究結果也證實，有機肥替代部分化肥能夠提高甘薯田土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀的含量。因此，配方施肥條件下氮肥減量以及有機化肥氮替代部分化學氮可以增加土壤有機質含量，提高土壤肥力。

本研究發(fā)現(xiàn)，配方施肥各處理處理的氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收量均有所提高，莖葉氮、磷、鉀吸收量分別提高了27.50%～55.98%、5.75%～ 49.87%、12.74%～43.05%，塊根氮、磷、鉀吸收量分別提高了51.01%～187.02%、44.84%～ 87.62%、46.76%～80.80%。說明氮、磷、鉀的合理配施，可以促進甘薯對養(yǎng)分的吸收，這與張洋等[5]研究結論相一致。黃健超等[28]研究發(fā)現(xiàn)，隨著肥料用量的增加，肥料利用率降低。本研究發(fā)現(xiàn)，配方施肥條件下減氮20%，氮肥利用率最高，較習慣施肥增加了53.36%。說明適宜的減施氮肥，可以提高氮肥利用率。

綜合以上分析，在本試驗條件下，配方施肥減氮20%可顯著提高甘薯產量、土壤肥力和氮素積累利用率。說明配方施肥減氮20%是該地區(qū)甘薯種植中適宜的氮肥施用量。