薯麦轮作体系钾肥全部施于薯季提高甘薯和周年产量

宁运旺，张 辉，许仙菊，马洪波，张永春

（江苏省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部江苏耕地保育科学观测实验站，南京 210014）

钾是作物生长必需的矿质元素，农业生产需要大量的钾[1]。虽然耕地土壤中含有丰富的钾，但其大部分存在形态对作物无效[2–4]，施用化学钾肥已成为改善作物生长、提高作物产量和品质的主要手段。据预测，全球钾肥消费将会显著增长，在发展中国家尤其明显[5]，而钾矿属于不可再生资源，在全球分布极度不均衡[6]，提高钾肥效率对于促进钾资源的可持续利用具有重要意义。

中国是世界上最大的甘薯生产国，其种植面积和总产量均居世界第一[7]，薯麦轮作是其主要轮作模式，广泛分布在长江中下游地区和北方薯区[8]。薯麦轮作中甘薯常生长于夏季多雨季节，封垄后枝蔓蔓节与土壤接触时常长出不定根吸收过多养分，极易造成甘薯地上部分旺长、减产。这种现象与甘薯植株中钾氮比过低有关[9–10]，因此施钾也常被视为防止甘薯旺长、早衰，促进光合产物向块根分配和提高产量的有效手段，如钾的充足供应可以促进甘薯光合产物向地下部运输，有效地防止后期地上部旺长，促进生长中心向块根转移，通过施用钾肥可减少甘薯生长前期功能叶中淀粉的合成，提高叶片中蔗糖的合成能力和蔗糖在块根中转化为淀粉的能力，保证块根中光合产物的充足供应，提高运输有效性，促进茎基部光合产物卸载，获得高产[11–14]。在轮作周年钾肥投入总量不变的前提下，增加甘薯季钾肥投入必然会减少小麦季投入，而我国小麦的施钾效果也越来越明显[15–16]，通过施钾能增强小麦抗逆性能、改善光合作用、提高小麦产量[1,4,17]。薯麦轮作是典型的冬夏两季旱旱轮作，且甘薯又以喜钾著称，探索薯麦轮作最佳钾肥运筹方案非常必要。本研究利用连续3年薯麦轮作田间试验，在不改变轮作周年钾肥投入总量的前提下，调查了不同钾肥运筹下的甘薯产量、产量组成和生物量分配，以及轮作系统钾素的平衡，为设计薯麦轮作中最佳钾肥分配方案提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

连续3年定位试验位于江苏省南京市六合区竹镇江苏省农业科学院六合基地 (118.83°E，32.35°N)，试验地属于丘陵冲田地貌，地势较低，土壤为发育于黄棕壤的马肝土，质地粘。试验前土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为 92.34 mg/kg、7.10 mg/kg、107.4 mg/kg，有机质 12 g/kg，pH 5.75。试验地点地处北亚热带季风气候，四季分明，年均气温、无霜期、日照时数和降雨量分别为15.3℃、235天、2200小时和 1004.7 mm。试验期间 (2012—2014) 试验区年降雨量分别为 938.9 mm、885.4 mm 和 1208.5 mm，年际间差异较大，其中在甘薯生长的5—9月降雨量分别为 599.0 mm、699.8 mm 和 775.0 mm，分别占全年降雨量的63.8%、75.%和64.1%。

1.2 试验设计

试验始于2012年薯季，终于2015年麦季。薯麦轮作周年钾肥总投入量是根据土壤具有较高速效钾含量，并考虑到试验过程中薯蔓和麦秸不还田做出的推荐，为K2O 270 kg/hm2。设5个处理，S表示甘薯、W表示小麦，分别为S0W270、S90W180、S135W135、S180W90和S270W0，3次重复。小区面积 27 m2(4.5 m × 6.0 m)，随机区组设计。

甘薯季 (6—10月)，各处理氮磷肥料用量一致，分别为 N 120 kg/hm2和 P2O575 kg/hm2；钾肥按处理用量加入。氮磷钾肥料品种分别为尿素 (含 N 46.2%)、过磷酸钙 (含 P2O512.0%) 和硫酸钾 (含 K2O 50.0% )。肥料均在起垄前一次撒施，垄距90 cm，薯苗移栽间隔23 cm。3季甘薯品种均为苏薯16 (鲜食型)，为江苏省农业科学院育成品种。小麦季 (11月到次年5月)，各处理氮磷肥料一致，分别为N 210 kg/hm2和 P2O590 kg/hm2；钾肥按相应处理的补充用量加入。氮磷钾肥料品种与甘薯季一致。磷钾肥一次基施，氮肥按基肥70%、追肥30%施入。基肥在旋耕播种前撒施、追肥在拔节前撒施。3季的小麦品种均为适宜试验区域气候特点的春性弱筋中熟品种，根据年度病虫害发生测报分别选择有针对抗性的皖西9101-6、宁麦13和华麦5号，条播。试验过程中收获的薯蔓和麦秸均不还田。

1.3 取样与考种

甘薯于收获前取样，取样时在中间垄挖取连续5株甘薯，调查地上部分、地下部分和商品薯生物量和产量性状 (单株薯数和单个薯重)，取样后收获实际块根产量和商品率。小麦也于收获前取样，取样时每个小区取2个1米样段，混合后考种，调查籽粒和秸秆生物量以及产量性状 (每公顷穗数、每穗粒数和千粒重)，取样后收获实际籽粒产量。取样植株调查后，分收获部分 (甘薯为薯块，小麦为籽粒) 和茎秆 (甘薯为薯蔓，小麦为麦秸) 2部分，于105℃杀青30 min、75℃烘干后，磨细保存，待测养分含量。土壤样品于轮作周年期满即麦季收获后取样，每小区取5点0—20 cm土壤混合样，风干后磨细保存，待测养分含量。

1.4 测定方法和数据分析

土壤养分和植株全钾含量的测定方法参照王振振等[12]，土壤有机质采用水合热重铬酸钾容量法，碱解氮采用碱解扩散法，有效磷采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法，速效钾用NH4OAc (pH 7) 浸提—火焰光度法，有效钾采用冷的 2 mol/L HNO3浸提—火焰光度法测定。植株全钾含量采用硫酸和过氧化氢消化—火焰光度法测定。植株全氮采用凯斯定氮法测定。用SPSS19.0分析数据，LSD法进行方差分析。有关参数的计算方法如下：

2 结果与分析

2.1 钾肥分配方式对甘薯、小麦产量和周年产量的影响

表1显示，不同钾肥运筹处理显著影响甘薯和周年产量，对小麦产量无显著影响。前2个轮作周年甘薯和周年产量均以钾肥全部分配于薯季的S270W0处理最高，钾肥全部分配于麦季的S0W270处理次之；第3个轮作周年的甘薯和周年产量以S0W270处理最高，S270W0处理次之。3年平均，甘薯产量和周年产量均以钾肥全部分配于薯季的S270W0处理最高，比钾肥在薯麦两季都有分配的其他处理分别提高 20.7%～24.5% (P＜0.05) 和 17.8%～20.9%(P＜0.01)；钾肥全部分配于麦季的S0W270处理次之，比钾肥在薯麦两季都有分配的其他处理分别提高 9.9%～13.4% (P ＞ 0.05) 和 8.2%～11.0% (P ＞ 0.05)。连续3年钾肥运筹对小麦产量的影响都未达显著水平。结果表明，钾肥单季分配于薯季或麦季均有利于提高甘薯和周年产量，以单季全部分配于薯季的产量效果最好，钾肥运筹对小麦产量无显著影响。

表1 不同年度和处理的甘薯、小麦产量和周年产量Table1 Yields of sweet potato, wheat, and rotation under different treatments in different years

2.2 钾肥分配方式对产量组成的影响

钾肥运筹显著影响甘薯的单株薯数和单个薯重，而对小麦每公顷穗数、穗粒数和千粒重的影响均未达到显著水平 (表2)。连续三季单株薯数均随钾肥在薯季投入量的增加呈先减少、后增加趋势，三年平均以钾肥单季投入在麦季的S0W270处理单株薯数最高，单季投入在薯季的S270W0次之，分别比在两季投入的其他处理高18.9%～24.8%和5.2%～10.4% (P＜0.001)；连续三季单个薯重均随钾肥在薯季用量的增加呈增加趋势，钾肥单季全部投入在薯季的S270W0处理的单个薯重比其他处理高8.5%～30.6% (P＜0.01)。结果表明，钾肥单季投入于麦季 (S0W270处理)，甘薯产量可能因单株薯数增加而提高；钾肥全部投入于薯季 (S270W0处理)，甘薯产量提高与单株薯数和单个薯重增加都有关。

2.3 钾肥分配方式对钾素吸收与平衡的影响

表3所示，钾肥运筹显著影响甘薯对钾的吸收，而对小麦和周年吸钾量的影响均不显著。甘薯整株吸钾量以钾肥在薯麦两季平均分配的S135W135处理最高，比其他处理高出15.7%～31.7% (P ＜0.001)。但进一步分析发现，除处理S135W135外，甘薯整株吸钾量随钾肥在薯季分配量增加呈显著增加趋势，钾肥侧重薯季分配的两个处理S180W90和S270W0整株吸钾量比侧重麦季分配的两个处理S90W180 和 S0W270 高出 2.6%～13.9% (P＜0.05)。不同处理的麦粒、麦秸和小麦整株吸钾量均无显著差异。甘薯吸钾量平均为K2O 228.0 kg/hm2，是小麦吸钾量的2.29倍；甘薯吸收的钾有46.6%储存在薯蔓中，薯蔓中储存的钾与麦季吸钾量相当；而小麦吸收的钾虽有91.0%储存于麦秸，麦秸中储存的钾只有甘薯吸钾量的40.5%。连续三年秸秆不还田，钾素表观平衡除第一年可以保持外，后两年均亏缺，年末土壤速效钾含量快速降低，三个轮作周期后降低49.2%。而秸秆全量还田时，连续三年钾素表观平衡均为盈余。表明，甘薯和小麦的需钾特性有明显差异，薯季施钾量增加可显著提高甘薯对钾的吸收，而麦季施钾量增加对小麦吸钾无显著影响。

2.4 钾肥分配方式对钾收获指数和生物量分配的影响

表4所示，甘薯的钾收获指数高达0.55 ± 0.09，是小麦的5.5倍，钾肥运筹对甘薯、小麦和周年钾收获指数的影响均未达显著水平，对小麦草谷比也无显著影响。钾肥运筹显著影响甘薯冠根比和周年经济系数，随薯季施钾量增加，甘薯冠根比先增后减，周年经济系数先减后增。钾肥在薯麦两季平均分配的S135W135处理冠根比其他处理显著提高24.0%～54.7% (P＜0.001)，周年经济系数显著降低7.7%～14.3% (P＜0.01)。结果表明，甘薯块根和藤蔓的吸钾量变化具有同步性；施钾对甘薯生物量分配的影响与施钾量有关，不施钾和大量施钾均有利于冠根比降低。

2.5 钾肥分配方式对钾生理效率和甘薯商品率的影响

表5所示，钾肥运筹显著影响甘薯钾生理效率，对小麦和周年钾生理效率无显著影响。随钾肥在薯季分配比例增加，甘薯钾生理效率先降低后增加，以钾肥全部分配于麦季的S0W270处理最高、全部分配于薯季的S270W0次之，分别比其他处理高 18.7%～41.9% 和 8.2%～29.4% (P＜0.01)。甘薯商品率也随钾肥在薯季分配比例的增加呈先降后增的趋势 (P ＞ 0.05)。表明钾肥分配方式可明显提高甘薯的钾生理效率，对商品率的影响较小。

3 讨论

3.1 钾肥运筹与周年产量

一般认为，在一年两熟制种植制度中，钾肥分配于冬夏两季更能获得较高的产量，其中水旱轮作中由于矿物钾在夏季的释放，钾肥应侧重于冬季[18–19]，而旱旱轮作中钾肥应基本平均分配于夏冬两季[20]。薯麦轮作是典型的旱旱轮作，但本研究结果却显示，薯麦轮作中钾肥单独施于薯季或单独施于麦季的单季分配，其周年产量明显高于薯麦两季分配，张书华等也报道，丘陵旱地薯麦轮作中，将钾肥全部施于薯季的效果最好[21]。表明薯麦轮作钾肥最佳运筹方案与其他作物轮作明显不同。

表2 不同年度和处理的甘薯和小麦产量组成Table2 Yield components of sweet potato and wheat under different treatments in different years

进一步分析显示，钾肥运筹主要影响甘薯产量，而对小麦产量无显著影响，这可能与试验土壤速效钾水平较高以及甘薯、小麦需钾特性不同有关。本研究试验前土壤速效钾为K 107.4 mg/kg，第一、二个周年种植后土壤速效钾水平分别为K 114.0 mg/kg和101.6 mg/kg (表3)，按照甘薯和小麦种植土壤速效钾分级均属于较高水平[22–23]。小麦需钾量较小 (本研究中为K2O 99.9 kg/hm2，表3)，一般只有在缺钾土壤上施钾才有增产作用[24–25]，在土壤速效钾水平较高的土壤施用钾肥对小麦产量的影响较小[15–16,26]；而甘薯以喜钾著称 (本研究中需钾量为 K2O 228.0 kg/hm2，表3)，即使在土壤含钾量较高的土壤上施钾也能获得较好的增产效果[27–28]。张书华等报道中，在速效钾只有44 mg/kg的缺钾土壤上，麦季不施钾对小麦产量也无显著影响[21]，虽然报道未做出解释，但显然与薯蔓还田带入的钾素供小麦生长需要有关。

表3 不同年度和处理的钾素吸收量和土壤钾素平衡 (K2O kg/hm2)Table3 Potassium uptakes and balances under different treatments and in different years

3.2 钾肥运筹与钾素吸收

作物对肥料的响应总是先体现在养分吸收并最终体现在产量差异上。本研究中，钾肥运筹显著影响甘薯的钾素吸收，而对小麦的钾素吸收无显著影响，相应地甘薯产量也受到钾肥运筹的显著影响，而小麦产量受钾肥运筹的影响较小。甘薯作为喜钾作物，一般认为随施钾量的增加甘薯吸钾量也会增加[29–30]，本研究中，钾肥在薯季分配较多的两个处理(S180W90和S270W0) 吸钾量比分配较少的两个处理(S0W270和S90W180) 显著增加，与前人报道结果一致。

值得注意的是，本研究中出现的处理S135W135吸钾量显著高于其他处理的特殊现象，表明甘薯对钾的吸收除受到钾肥运筹的影响外，还可能受其他因素的影响。甘薯吸收的钾贮存于地上部分藤蔓和地下部分块根，由于藤蔓钾含量是薯块的4～6倍左右[31]，地上部分生物量占比增加 (或者说冠根比增加)必然导致吸钾量也增加。因此作者推测处理S135W135吸钾量显著高于其他处理这一特殊现象的出现可能与冠根比有关，其依据有三：一是前人报道中甘薯冠根比变化规律与是否施钾的响应不一致，如史春余等、郑艳霞等、王汝娟均认为甘薯施钾能降低冠根比[9,11,13]，宁运旺等、贾赵东等则报道甘薯施钾反而提高了冠根比，不利于光合产物向地下分配[29,32]。二是甘薯冠根比随施钾量的变化规律在前人报道中也存在不一致，既有冠根比随着施钾量的增加逐渐降低的报道[33]，也有冠根比随施钾量增加先减后增[34]的报道，还有冠根比随施钾量增加先增后减的报道[35–36](与本研究不施钾或大量施钾均有利于冠根比下降的结果一致)。三是对比本文出现的处理S135W135与其他处理显著不同的几个性状指标，包括表2中的单株薯数、表4中的冠根比和表5中的钾生理效率

和商品率，以冠根比与其他处理的差异最高。由此可以得出，凡是施钾降低甘薯冠根比的报道均是在北方少雨和壤质土壤上取得的结果，而施钾提高甘薯冠根比的报道和本研究均为南方多雨和粘质土壤上的研究结果，暗示甘薯冠根比变化除与是否施钾有关外，还可能与实验田块所处的区域条件有关；另外，对比梁金平报道[35]和本文结果发现，甘薯的单株薯数和单个薯重随施钾量的变化趋势基本一致，单株薯数随施钾量增加先增后减，单个薯重则呈增加趋势，由于地下部分生物量取决于单株薯数和单个薯重，单株薯数和单个薯重增加均会导致冠根比下降，说明除是否施钾和区域条件外，施钾量大小也可能是决定甘薯冠根比变化的一个重要因素，不施钾时冠根比降低可能与单株薯数增加有关，大量施钾时冠根比降低则可能与单株薯数和单个薯重同时增加有关。

表4 不同年度和处理的钾收获指数和生物量分配Table4 Potassium harvest index (KHI) and biomass distribution under different treatments and in different years

表5 不同年度和处理的钾生理效率和甘薯商品率Table5 Physiological efficiency of potash and commodity rate of sweet potato under different treatments and years

3.3 甘薯产量形成

一定移栽密度下，甘薯块根产量取决于单株薯数和单个薯重，单株薯数初形成于甘薯生长前期的根系分化并与生长过程中块根膨大有关，单个薯重则主要与生长中后期块根膨大有关[37]。已有研究表明，施钾对甘薯生长前期根系分化无显著影响[38–39]，但却可以显著增加甘薯收获时的单株薯数和单个薯重[30]，也有研究认为，施钾对甘薯单株薯数的影响较小，却有利于单个薯重增加[40]。甘薯生长过程中，最初形成的单株薯数能否成为最终收获时的单株薯数还有赖于生物量分配，一些在初期形成的单株薯数在生长过程中还可能由于得不到光合产物补充而停止膨大 (成为柴根或牛蒡根)，使得收获时单株薯数减少，只有那些不断得到光合产物补充、单个薯重不断增加的单株薯数能够最终成薯[41–42]。施钾由于有利于光合产物向地下分配[11–14]，理论上也应同时有利于单株薯数和单个薯重的增加。但本文结果显示，随着钾肥在薯季分配比例增加，单个薯重虽呈递增趋势，单株薯数却呈先减后增的趋势，类似结果还出现在梁金平的报道中[35]。表明施钾对甘薯单株薯数形成的作用还可能受到其他因素的显著影响。在本研究中，笔者认为可能与甘薯的钾氮吸收关系有关：甘薯在生长过程中会维持一个适当的钾氮比值，以利于改善源库关系和提高产量[10,37]，甘薯吸钾量与吸氮量呈极显著正相关[27]，而氮素吸收对甘薯前期根系分化有显著的抑制作用[38–39,43]；当钾肥全部用于麦季时，甘薯可能因吸钾量减少而导致吸氮量减少从而对生长前期的根系分化有一定促进作用，并最终增加单株薯数，因此本研究中表现为钾肥全部分配于麦季时甘薯产量因单株薯数增加而增加；当钾肥全部用于薯季时，甘薯虽然可能因吸钾量增加导致吸氮量增加从而对生长前期的根系分化有一定抑制作用，但由于吸钾量和吸氮量都增加使得光合产物充足，因抑制而延迟分化的根系最终成薯的可能性增加，从而在本研究中表现为钾肥全部分配于薯季时甘薯产量因单株薯数和单个薯重同时增加而增加。

3.4 钾素平衡与薯麦轮作钾肥管理

施钾量推荐。利用养分平衡推荐作物施肥量是一种常用手段，参照玉米–小麦轮作系统钾素平衡计算方法[25]，忽略土壤钾的淋溶，并以钾的自然输入部分 (降雨钾 + 灌溉水钾 + 种子钾) 冲抵径流输出，在保持钾素平衡条件下，肥料钾 = 作物收获携出钾。通过表3可知，秸秆还田条件下，薯麦轮作中的施钾量应等于薯块和麦粒吸钾量之和为K2O 134.3 kg/hm2，秸秆不还田时则应为甘薯和小麦整株吸钾量之和为K2O 327.9 kg/hm2。

钾肥运筹。甘薯喜钾不仅体现在其吸钾量大，钾收获指数也远比一般作物高，如水稻仅为0.126～0.134[44]、小麦仅为0.095～0.112[45]，本试验中小麦的钾收获指数平均为0.10，而甘薯的钾收获指数却高达0.55 (表4)，因此甘薯种植常会加速土壤地力消耗。甘薯的这一特性意味着接茬小麦可能会面临土壤速效钾含量不足，本研究结果也表明 (表3)，秸秆不还田条件下，钾素表观平衡平均每个周年亏缺K2O 81.2 kg/hm2，土壤速效钾含量测定结果也显示在两个轮作周期后呈快速耗竭；但在秸秆还田条件下钾素表观平衡平均每个周年盈余K2O 113.7 kg/hm2，可以预见其土壤速效钾含量会有较大提升。另一方面，由于小麦吸钾量仅为甘薯的43.8%，仅薯蔓中的钾就足以满足接茬小麦的生长需要，麦季不施钾当然不会对小麦产量产生影响 (张书华等报道结果可为例证[21])；而甘薯需钾量大，通过麦秸还田补充的钾仅为甘薯需钾的39.5%，薯季施钾当然也会有较好效果。再者，从连续3年试验结果看，薯麦轮作中将全部钾肥施于薯季可使单株薯数、单个薯重和块根产量都得到提高，小麦产量和产量组成却不受影响(表1和表2)。因此，从薯麦轮作中钾素平衡、甘薯和小麦的需钾特性考虑，无论土壤速效钾水平高低，建议薯麦轮作的钾肥运筹模式为“秸秆还田 +合理施钾量 (本试验条件下为 K2O 134.3 kg/hm2) + 钾肥全部施于甘薯季”。

4 结论

薯麦轮作周年钾肥投入总量相同条件下，钾肥运筹对甘薯产量有显著影响，对小麦产量影响不显著。钾肥单季分配的甘薯产量显著高于两季分配，其中钾肥全部分配于麦季时，甘薯产量增加与单株薯数提高有关；钾肥全部分配于薯季时，甘薯产量增加与单株薯数和单个薯重同时提高有关。钾肥侧重分配于薯季有利于甘薯对钾的吸收，侧重分配于麦季对小麦吸钾量影响不显著。薯季不施钾或大量施钾均有利于冠根比降低。甘薯和小麦的需钾特性有明显差异，甘薯吸钾量是小麦的2.29倍，薯蔓中储存的钾即可满足小麦对钾的需求。因此建议，薯麦轮作的钾肥管理模式为“秸秆还田 + 合理施钾量 +钾肥全部施于薯季”。