不同施肥水平对山药生长发育的影响及基于产量反应的养分用量推荐

张月萌，司焕森，薛 澄，孙志梅*，齐红茹，马文奇

(1.河北农业大学资源与环境科学学院，河北 保定 071001；2.河北蠡县农业局，河北 保定 071400)

我国是世界蔬菜生产和出口第一大国，蔬菜种植面积和产量均居世界首位[1]。据统计，1978～2014年间，我国蔬菜播种面积增长了5.4倍，总产量增长了8.2倍[2]，2015年蔬菜播种面积已超过0.21亿hm2，总产量达7.85亿t[3]。施肥是实现蔬菜优质高产的重要措施，研究表明，蔬菜中的化肥施用量已占到整个农作物施用总量的20%左右，并且呈现逐年升高的趋势[4]。山东寿光设施番茄平均施氮量已达1.0 t/hm2，但氮肥利用率不足10%[5]；杨凌日光温室番茄化肥P2O5和K2O的施用量分别达720和759 kg/hm2，超出推荐用量157%和91%[6]；新疆洋葱N、P2O5、K2O最佳施用量分别为424.5、340.5、150 kg/hm2[7]，而Kumar等[8]研究表明，当N、P2O5、K2O用量分别为100、50、50 kg/hm2时，洋葱的经济效益最高。盲目过量投肥不仅不会带来高产出和高效益，反而会抑制蔬菜的生长及品质的提升。同时，较低的肥料利用率还会造成严重的资源浪费和环境污染[9]。Ramos等[10]研究表明，土壤氮磷流失与施肥量呈显著正相关。现阶段，我国菜田地下水的硝酸盐含量超标率为粮田的3.3倍[11]，92%的设施菜田0～20 cm土层中的Olsen-P含量已超过欧洲规定的磷环境阈值(60 mg/kg)，而20～100 cm土层中的Olsen-P已发生明显淋洗现象[12]。Richardson早在1907年就指出蔬菜中含有大量硝酸盐，小青菜、杭白菜、苋菜等蔬菜的硝酸盐含量与施氮量的相关系数分别达到了84%、96%和97%[13]。因此，根据蔬菜的生长发育特性及对养分的需求特点进行科学合理施肥是保证蔬菜高产优质和环境友好的重要措施。

山药具有较高的食用和药用价值，近年来被广泛用作粮食、蔬菜、药材、饲料和加工原料[14]，随着市场需求量剧增，山药价格不断上涨，种植面积也随之迅速扩大。蠡县作为我国优质山药生产基地，已有3 000多年种植历史，因其适宜的土质结构和光热条件，种植面积及产量稳居全国前列，被誉为“中国山药之乡”。但目前有关山药需肥特性方面的研究较少，多年来农民只能依赖传统种植经验，在水肥管理上存在“大水大肥”和“以肥促产”的现象。调查数据表明，河北省山药主产区化学肥料氮、磷、钾养分平均投入量分别达560、630和720 kg/hm2[15]。长期不科学的施肥必然导致土壤微生态环境的破坏，肥料利用效率低下以及环境污染的加剧，严重制约山药产业的可持续发展。因此，探讨山药的生长发育特性以及养分需求特性，从而确定其合理的氮、磷、钾肥施用量，推广山药定量、平衡施肥技术，对该产业的长期、高效、优质发展具有重要意义。本研究以河北省山药主产区蠡县为研究区域，以麻山药为供试品种，探讨了不同氮磷钾养分供应水平下的山药生长发育特性及产量效应，旨在为实现山药生产中肥料的科学施用和高效利用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验分别于2013年在保定市蠡县宋岗村、2015年在保定市蠡县随东村进行，供试山药品种为当地主栽品种—麻山药，供试土壤为砂质壤土，土壤基本理化性质见表1，以尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O512%)和硫酸钾(K2O 50%)为供试肥料。

表1 土壤基本理化性质

1.2 试验设计

两个年份两个试验地点的试验设计相同，均为3因素4水平，各处理施肥量见表2，其中氮肥基追比为3∶7，磷肥一次性基施，钾肥基追比为4∶6。试验采用随机区组设计，小区面积分别为2.1 m×4 m=8.4 m2(2013年)和3 m×5 m=15 m2(2015年)，各处理设置3次重复。小区内麻山药采用人工种植方式，播深3～4.5 cm，株距12 cm，行距50 cm。2013年宋岗村试验于4月26日播种，6月27日、7月24日、8月21日追肥，11月9日收获；2015年随东村试验于4月30日播种，6月20日、7月23日和8月20日追肥，10月30日收获。田间灌水和病虫害防治等栽培措施按照当地农民的栽培习惯进行。

表2 不同处理的养分施用量 (kg/hm2)

1.3 样本采集、处理及分析方法

2013年宋岗村试验分别在山药播种后第60、90、120和195 d取样；2015年随东村试验则分别在山药播种后第60、90、120和180 d取样。每次每小区取5株山药，分地上和地下两部分，洗净后称重，记录各处理鲜重，然后取部分样品105℃杀青30 min，65℃烘干至恒重，记录干重。收获时，每个小区实收测产，然后折算每公顷产量。

1.4 数据计算及统计分析方法

生长速率[kg/(hm2·d)]=(后一生育期鲜重-前一生育期鲜重)/前后生育期相隔天数

干物质累积速率[kg/(hm2·d)]=(后一生育期干重-前一生育期干重)/前后生育期相隔天数

采用Excel 2003和SPSS 17.0统计软件进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同供氮水平对山药生长发育的影响

2.1.1 对山药生物量的影响

图1表明，各处理地上部生物量随山药的生长发育呈先增加后降低的趋势，120 d时达到峰值；且与N0相比，各施氮处理的地上部生物量均显著增加。对2013年宋岗村不同施氮水平之间进行比较可以看出，除120 d时N1和N2显著高于N3外，其他各采样时期的生物量差异均不显著；但在2015年随东村播种60 d后开始，N2、N3处理的生物量即显著高于N1处理；90～120 d期间，N2、N3处理之间差异不显著，但收获时地上部生物量表现出了随施肥水平的提高而增加的趋势，与N0相比，N1、N2和N3的生物量分别提高了63.58%、116.66%和159.82%。

图1 不同施氮水平的山药地上部鲜重

与地上部生物量变化趋势不同，地下部生物量表现出随播种天数的增加而逐渐增加的趋势(图2)。相较于N0，各施氮处理在60 d后的产量即显著提高，且随着山药的生长发育差异逐渐增大。2013年宋岗村的3个施氮处理之间的地下部生物量差异均不显著，但分别比N0提高了60.26%、69.97%和51.02%；而在2015年随东村，3个施氮处理在60～90 d的地下部生物量差异也不显著，90 d以后，N2、N3处理则显著高于N1，分别提高了32.83%～33.95%和20.74%～28.87%，但N2和N3产量差异不大。

图2 不同施氮水平的山药地下部鲜重

2.1.2 对山药干物质累积量的影响

山药生长发育过程中干物质累积量随生育期的变化趋势与鲜生物量相似，各施氮处理在山药整个生育期内均显著高于N0(图3)。宋岗村山药播种60 d时N3显著高于N1，120 d时N2干物质累积量显著高于N1和N3，但收获时基本相当。在2015年随东村，从山药播种60 d后直至收获，N2和N3处理显著高于N1，且N3在收获时显著高于N2。

图3 不同施氮水平的山药地上部干重

对地下部干物质累积量的分析(图4)发现，与N0相比，增施氮肥可显著提高山药地下部干物质累积量。宋岗村的3个施氮处理60、90和195 d时差异均不显著，120 d时N1、N3处理显著高于N0和N2；随东村的N2和N3干物质累积量在播种90 d后差异不大，但均显著高于N0和N1，120 d时的增幅分别为76.96%、32.83%和69.91%、27.54%，而180 d时的增幅则分别为69.98%、33.95%和63.49%、28.84%。

图4 不同施氮水平的山药地下部干重

2.1.3 对山药生长发育速率和干物质累积速率的影响

对2015年随东村不同氮水平下的生长速率和干物质累积速率进行分析，结果(表3)表明，在播种后的前4个月，山药地上部生长速率随时间延长逐渐提高，各施氮处理地上部生长速率显著高于N0，且N2和N3显著高于N1；播种120 d后，山药地上部生长速率即表现为负增长，但此时N3生长速率下降幅度明显低于其他处理。不同施氮水平下地下部生长速率120 d之前逐渐增加，90～120 d时达到峰值，与地上部达到最大生长速率时间同步。在山药整个生育期内，与其他处理相比，N2和N3处理地下部生长速率均表现出了较高的水平。

表3 不同施氮处理对山药生长速率和干物质累积速率的影响 [kg/(hm2·d)]

注：表中同一列数据后不同小写字母代表差异达0.05显著水平(Duncan法)。下同。

不同施氮处理地上部和地下部的干物质累积速率与生长速率变化趋势一致，播种后的90～120 d也为山药干物质累积最快阶段。N2、N3处理的地上部干物质累积速率在0～120 d均显著高于N0和N1，且N2、N3的地下部干物质累积速率也表现出了一定优势，说明适量氮肥的施用有加速山药干物质累积的作用。

2.2 不同施磷水平对山药生长发育的影响

2.2.1 对山药生物量的影响

两年试验结果(图5)均表明，增施磷肥可以显著提高90 d之后的地上部生物量，但2013年宋岗村3个施磷水平之间的差异没有达到显著水平；而2015年随东村试验则表明，60～90 d时P1处理地上部生物量显著高于P0、P2和P3，且P2与P3之间差异不显著，180 d时P2处理茎叶生物量最高，较P0、P1和P3分别提高了99.95%、18.35%和36.98%。

图6结果表明，P0处理地下部生物量仅在2013年宋岗村收获期显著低于各施磷处理，且3个施磷水平在山药整个生育期内差异均不显著。而在2015年随东村的试验中，各施磷处理地下部生物量在60 d后显著高于P0，但P1、P2和P3之间差异均不显著。由两年收获时的地下部生物量结果看，增施磷肥的山药产量可以提高25.02%～35.26%。

图5 不同施磷水平的山药地上部鲜重

图6 不同施磷水平的山药地下部鲜重

2.2.2 对山药干物质累积量的影响

山药干物质累积量在不同施磷水平下的变化趋势与鲜生物量表现基本一致(图7、图8)。2013年宋岗村各处理地上部干重在90 d时表现为P1﹥P3﹥P2﹥P0，不同处理之间差异显著；而在90 d后，各施磷水平之间差异不大，但均显著高于P0(图7)；2015年随东村各磷处理地上部干重在90 d时表现为P1﹥P2﹥P3﹥P0，90 d后则表现为P2﹥P1﹥P3﹥P0，且各处理之间在收获期差异均达显著水平。

地下部干物质累积量如图8所示，2013年宋岗村P1处理地下部干物质累积量在90 d后表现出一定优势，但各施磷处理在整个生育期内的差异并不显著，仅在195 d时显著高于P0；2015年在随东村山药播后60～90 d时P3处理干物质累积量最高，120～180 d时则为P2最高，但在整个生育期内，3个施磷处理之间差异均未达显著水平，90～180 d则显著高于P0。

图7 不同施磷水平的山药地上部干重

图8 不同施磷水平的山药地下部干重

2.2.3 对山药生长发育速率和干物质累积速率的影响

以2015年随东村试验结果(表4)为例，施磷对山药生长速率和干物质累积速率的影响与氮相似，生长速率最快阶段和下降阶段亦分别出现在播后90～120 d和120 d以后；自播种后90 d始，P2处理地上部生长速率和干物质累积速率均显著高于其他处理，且在山药整个生育期中，P2处理的生长速率和干物质累积速率均显著高于P0。相较于P0，P1和P3处理的地上部生长发育优势分别表现在播后0～120 d和60～120 d，而P2、P3的地下部优势则表现在整个生育期内。

表4 不同施磷处理对山药生长速率和干物质累积速率的影响 [kg/(hm2·d)]

2.3 不同施钾水平对山药生长发育的影响

2.3.1 对山药生物量的影响

2013年宋岗村试验结果(图9)表明，K2、K3处理地上部鲜重仅在收获期表现出优势，与K0和K1处理相比分别提高了54.77%、20.75%和63.23%、27.36%；而2015年随东村试验结果表明，K2、K3处理在山药整个生育期内均显著高于K0和K1，但K2、K3之间差异不大。

图9 不同施钾水平的山药地上部鲜重

图10结果表明，K2处理地下部鲜重在宋岗村播种90 d后显著高于其他处理，收获时，较K0、K1和K3分别提高了51.19%、43.68%和35.91%；随东村各施钾处理的显著差异同样表现在90 d以后，K2和K3显著高于K0和K1，且K1显著高于K0。

图10 不同施钾水平的山药地下部鲜重

2.3.2 对山药干物质累积量的影响

图11结果表明，2013年宋岗村K2和K3处理的地上部干重在90 d之后显著高于K0和K1，但K2和K3处理之间差异不显著。而2015年随东村试验结果则在种植山药的60 d后即表现出了与2013年90 d之后相似的趋势。地下部干物重的分析结果(图12)表明，2013年K2处理90 d之后显著高于其他处理，而在2015年，120～180 d时3个施钾处理均显著高于K0，且K2和K3处理均显著高于K1。

图11 不同施钾水平的山药地上部干重

图12 不同施钾水平的山药地下部干重

2.3.3 对山药生长发育速率和干物质累积速率的影响

施钾对山药生长速率和干物质累积速率的影响如表5所示(以2015年随东村为例)。K3处理的地上部生长速率和干物质累积速率在山药生育期间均显著高于K0，而K2处理在0～90 d和120 d后均为最高。K2、K3地下部生长速率和干物质累积速率在播种后60～120 d均显著高于K0、K1，并在收获期仍表现出一定优势。

表5 不同施钾处理对山药生长速率和干物质累积速率的影响 [kg/(hm2·d)]

2.4 山药氮磷钾最佳用量的推荐

对山药产量与氮肥用量进行回归拟合(图13)，结果表明，2013年宋岗村山药产量与施氮量间呈现明显的报酬递减规律(R2=0.995 2*)，据此可计算出获得最高产量时的施N量为302.2 kg/hm2。而2015年随东村山药产量对氮素供应水平的反应可用线性加平台模型进行描述，据此计算出获得最高产量时的施氮量为300 kg/hm2。

2013年宋岗村山药产量与施磷量之间也符合报酬递减规律(图14，R2=0.918 9*)，产量最高可达42.5 t/hm2，此时P2O5用量为181.8 kg/hm2。根据2015年随东村磷肥用量与产量之间的线性加平台关系可计算出两个直线方程交叉处的磷素供应水平为150 kg/hm2，此时山药最高产量达40.65 t/hm2。

图13 施氮量与山药产量的相关性

图14 施磷量与山药产量的相关性

2013年宋岗村钾肥用量与产量之间的关系未达显著水平(图15)，2015年随东村钾肥用量与产量之间仍可以用线性加平台的相关关系来描述，由此计算出当施钾量达300 kg/hm2时可获得山药最高产量40.76 t/hm2。

图15 施钾量与山药产量的相关性

3 讨论与结论

本研究结果表明，山药地上部的鲜、干生物量均随山药的生长发育呈先增加后降低的趋势，120 d时达最大值，且鲜、干生物量的最快累积阶段均出现在90～120 d；而地下部鲜、干生物量则呈现出持续增加的趋势，收获期达最大值，其最快累积阶段均出现在90～120 d。两年试验结果均表明，氮磷钾肥施用量的提高可显著促进山药地上部和地下部鲜、干生物量的累积，但各处理在不同生育期内的变化不同。2013年宋岗村试验各施氮处理地下部生物量和各施磷处理地上部生物量在山药整个生育期内差异均不显著，而在2015年120～180 d时，N2、N3处理地下部生物量显著高于N1，各施磷处理地上部生物量在60 d时也出现显著差异，且其地下部生物量显著高于P0的时期也相对提前；2013年不同施钾处理的地上部生物量出现差异的时期较2015年滞后。两年试验结果的差异可能与两个试验年度土壤条件及光照、温度、降雨等气候条件的不同有关。根冠比(R/S)可作为施肥是否合适的一个重要指标[16]，2015年随东村试验结果表明，收获时，N3处理地上部的鲜、干生物量显著高于其他处理，而N2处理的地下部鲜、干生物量则最高，此时N2、N3处理的根冠比分别为7.31和6.02；同时N2处理的根冠比和产量在2013年试验中也均大于N3。说明施用氮肥能够促进山药地上部和地下部的生长，但地上部生长过于旺盛，导致较低的根冠比，则不利于产量形成。

山药适宜生长在土质疏松、土层深厚的砂质壤土或砂土中，且需肥量大，而砂质壤土和砂土的总体肥力水平较低，且保水保肥性能普遍较差。因此，科学施肥对保证山药足够的养分供应及提高肥料利用率意义重大。对不同氮磷钾施用水平下山药产量的响应进行分析，结果发现，不施氮肥可以使收获期山药产量下降21.19%～41.17%，不施磷肥使山药减产20.01%～26.07%，而不施钾肥则使山药减产4.97%～33.86%。由此可见，3种元素对山药产量形成的影响程度为氮最大，钾其次，磷最小。而马康谊[17]的研究表明，钾肥对山药产量的影响大于氮肥。这可能与供试山药品种及种植区域的土壤肥力水平差异有关。在实际生产中，应以山药平衡施肥为前提，并注重氮肥和钾肥对山药产量的调控作用和山药在各个生育期对养分的需求特性。

氮磷钾最佳用量试验结果表明，山药产量在2013年与氮、磷施用量呈报酬递减规律，而钾肥施用量与产量之间则未出现显著相关；最高产量对应的N和P2O5用量分别为302.2和181.8 kg/hm2。而在2015年随东村试验中，山药产量与氮、磷、钾用量之间的关系则符合线性加平台的变化规律，当氮、磷、钾施用量分别达300、150和300 kg/hm2时，可获得山药最高产量。结合当地土壤肥力水平和山药养分需求特性，本研究认为，达到40 t/hm2左右产量的最佳施肥量推荐为N 301.1 kg/hm2、P2O5165.9 kg/hm2和K2O 290.3 kg/hm2，根据磷肥施入土壤中移动性较差且肥效期较长的特点，推荐其以基施为主，氮、钾肥则根据适种山药的土壤特性和山药的生长发育特性遵循底肥轻施、追肥重施、分次施用的原则。