不同间作绿肥替代化肥模式对木薯性状和产量的影响

唐红琴 李忠义 董文斌 韦彩会 何铁光 蒙炎成 汤海玲 莫永诚

不同间作绿肥替代化肥模式对木薯性状和产量的影响

唐红琴 李忠义 董文斌 韦彩会 何铁光 蒙炎成 汤海玲 莫永诚

（广西农业科学院农业资源与环境研究所，530007，广西南宁）

通过探讨秸秆还田与化肥减施下间作绿肥对木薯产量性状的影响，着力解决连作木薯土壤肥力提高与改良相关技术的协调增效。于2019-2020年，以木薯品种“南美1号”为供试材料，设置8个处理，调查每个小区的木薯茎径、叶绿素（SPAD）、块根直径、块根长、单株茎秆鲜重、单株块根鲜重、株高、单片叶重、单株块根数以及小区产量等农艺性状。结果表明，处理5（木薯秆还田+化肥减量12.5%+12.5%营养元素当量黑豆绿肥还田）的木薯产量最高，并得到拟合方程。绿肥秸秆还田以及间作绿肥从整体上改良了土壤肥力，并通过显著影响木薯块根、单片叶重以及单株块根数而影响最终产量。

木薯；绿肥；间作；相关性；主成分分析。

木薯（Crantz）既是优良的淀粉作物，又是重要的生物能源作物，是世界三大薯类（马铃薯、甘薯、木薯）之一[1]。作为全国最大的木薯生产基地，广西木薯淀粉及酒精产量均占全国总产量70%以上，木薯产业因比较优势不足，且常年连作导致木薯产量逐年下降，影响种植面积，因此木薯产值较低和连作障碍等问题亟待解决[2]。

木薯是不耐连作作物，连年种植不仅产量降低，品质也下降。关于木薯连作障碍机理，近年来国内外有不少研究。梁海波等[3]研究表明，木薯连作产量降低主要原因之一是连作土壤肥力下降；王战[4]研究结果表明，木薯连作障碍与土壤磷营养有密切关系；周贵靖[5]研究结果表明，木薯连作障碍与土壤理化性状恶化有关。因此，广开肥源、发展绿肥是改良土壤、培肥地力和提高木薯产量的重要措施。绿肥翻埋后，根系的胞外分泌物不但加大了土壤中相关酶的含量，同时也提供了众多能够给根际微生物利用的能源及营养物质，增加土壤中酶类与微生物活性[6]。豆科绿肥植物不但具有固氮作用，同时对土壤中难溶性磷酸盐有很强的吸收能力，可以增加土壤中磷含量。黑豆、绿豆、光叶苕子和苜蓿等绿肥植物的根系能够深入土壤2.50～3.78m，这样的绿肥植物利用自身根系可以吸收更深层土壤中的营养成分[7-9]。绿肥翻压后，能够保证土壤耕层中含有更加丰富的营养。

目前，关于绿肥的研究仅在部分地区开展，耕作模式也比较单一，由于土壤和气候等的差异筛选出的绿肥品种及种植模式只适合特定地区投入使用，推广范围较窄[10]。此外，人们对于绿肥的研究多停留在品种[11]、种植模式[12]及种植绿肥对土壤生态环境影响[13]等方面，而对于绿肥替代化肥作用的研究不够深入。为此，本试验通过对比木薯茎秆直接还田、化肥不同程度减量以及营养元素当量绿豆黑豆绿肥还田模式对木薯生长和产量等性状的影响，选择最佳的木薯茎秆还田、间种套种绿肥以及化肥有机替代方式，并对相关技术组合进行优化，提出适宜间种套种和山地单作木薯的肥料减施增效技术模式和规程。

1 材料与方法

1.1 试验地点及供试材料

试验在广西隆安县农业科学研究所农场进行，前茬作物为甘蔗，土壤为赤红壤，全氮1400mg/kg，全磷500mg/kg，全钾960mg/kg，有机质27.4g/kg，pH 4.61，速效氮93.0mg/kg，速效磷24.6mg/kg，速效钾269.2mg/kg。

供试木薯品种为高产品种南美1号。木薯秸秆养分含量为全氮160kg/hm2，全磷5.8kg/hm2，全钾112kg/hm2。供试绿豆和黑豆分别为桂绿豆3号和桂黑豆1号，由广西农业科学院农业资源与环境研究所选育。供试肥料为尿素（N 46%）、氯化钾（K2O 60%）和钙镁磷肥（P2O518%）。

1.2 试验设计与方法

根据绿肥田间生物量和养分含量，用田间绿肥总营养元素含量达到减施的12.5%和25.0%的化肥总养分当量时，以绿肥当量替代减施的化肥，根据绿肥田间生长情况，设8个处理，处理1：木薯秸秆不还田+常规用肥（CK）；处理2：木薯秸秆还田+常规用肥；处理3：木薯秸秆还田+化肥减量12.5%+12.5%营养元素当量绿豆绿肥还田；处理4：木薯秸秆还田+化肥减量25%+25%营养元素当量绿豆绿肥还田；处理5：木薯秸秆还田+化肥减量12.5%+12.5%营养元素当量黑豆绿肥还田；处理6：木薯秸秆还田+化肥减量25%+25%营养元素当量黑豆绿肥还田；处理7：木薯秸秆还田+化肥减量12.5%；处理8：木薯秸秆还田+化肥减量25%。

根据间作绿肥的生长量，各处理施肥量见表1，木薯基肥和追肥施肥比例如下，基肥为60%氮肥、100%磷肥、45%钾肥；追肥为40%氮肥和55%钾肥。

表1 各处理施肥水平

每个处理3次重复，共24个小区，采用随机区组排列。小区面积60m2（12m×5m），株距80cm，行距100cm，种植密度16 008株/hm2。种植行沟：宽40cm，深度20cm，成“V”型；均匀施肥后摆放种茎。

木薯秸秆翻压：于2019年1月28日和2020年1月22日粉碎翻压木薯秸秆，翻压量21 010.5kg/hm2。

木薯种植分别是2019年3月12日和2020年3月8日。选取具有健康芽眼、大小一致的种茎平放种植，行向为南北走向，统一芽眼朝南。每穴放一根长约20cm的种茎，覆15cm厚土层。

间作绿肥播种：绿豆/黑豆播种与木薯种植同时进行，种植方式为2行木薯行间间作2行绿豆/黑豆，相邻木薯行与绿豆/黑豆行之间的间距均为35cm，绿肥行间距为30cm，绿肥穴间距为20cm（图1）。每穴3株，常规管理，不施肥。

追肥和间作绿肥翻压还田：追肥和间作绿肥翻压还田同时进行，2019年6月10日和2020年5月21日在离木薯根部5cm追施氮钾肥后，把同一小区内所有的绿肥连根拔起，称全重，根据处理要求保留相应的绿肥量均匀覆盖在木薯根部，绿肥上面覆10cm厚土层。

图1 田间种植方式

1.3 测量项目与方法

1.3.1 农艺性状及产量 分别于块根形成初期（种植后100d）、块根膨大初期（种植后155d）、块根膨大中期（种植后210d）和块根成熟期（种植后265d）每小区调查系上黄色绳子标记长势基本一致的木薯5株，测定各个时期的株高和茎径，同时挖出整株木薯3株，调查单株叶片数、单叶片、茎秆、细根、块根的鲜重和细根、块根直径及其长度。使用塔尺测量地面到顶端心叶的植株高度为株高；使用游标卡尺测量距离地面5cm高处主茎的直径为茎径；采用游标卡尺测量木薯块根粗，以块根的中间部位为木薯块根粗；每株木薯完全展开的未枯黄叶片数记为单株叶片数。

产量：分别于2019年12月15日和2020年12月4日按小区收获木薯，各小区单独称重。

1.3.2 叶绿素及土壤养分 采用SPAD测定仪检测叶绿素含量（SPAD值）[14]；分别采用H2SO4-H2O2消煮-凯氏定氮法、H2SO4-H2O2消煮-钼锑抗比色法、H2SO4-H2O2消煮-火焰光度法检测土壤氮、磷和钾含量[15]。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2010进行数据整理，采用SPSS 23.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同年份间木薯产量比较

从表2可见，2019年各小区收获木薯产量平均值为179.16kg，中位数为174.70kg，小区最低产量为136.45kg，最高产量为232.70kg；2020年各小区收获木薯产量平均值为186.10kg，中位数为187.62kg，小区最低产量为136.16kg，最高产量为214.20kg。通过表2发现，2020年较2019年木薯的产量更高，说明通过秸秆还田以及间作绿肥从整体上改良了土壤肥力，从而提高了木薯产量。

表2 2019年和2020年小区木薯产量

2.2 不同处理间木薯产量比较

通过多重比较（表3）发现，处理1较处理2、处理5减产，与处理5产量差异达到显著水平，较其他处理增产，且都达到极显著水平；处理2较处理5减产，较其他处理增产，且达到极显著水平；处理3较处理5减产达到极显著水平，较处理4、处理6、处理7和处理8增产，达到极显著水平；处理4较处理5、处理6减产，达到极显著水平，较处理7、处理8增产，达到极显著水平；处理5较处理6、处理7、处理8增产，达到极显著水平；处理6较处理7、处理8增产，达到极显著水平；处理7较处理8增产，达到极显著水平。由此可见，处理5产量最高。

表3 不同处理间木薯产量多重比较

“*”表示在0.05水平上差异显著，“**”表示在0.01水平上差异极显著

“*”indicates significant difference at 0.05 level, “**”indicates the extremely significant difference at 0.01 level

进一步通过线性、对数、逆、二次、三次、复合、幂、S、增长、指数以及逻辑方程分析（图2），发现三次方程（=229.64-31.31+8.292-0.733）拟合准确率最高，能较好解释8个处理下各小区的产量差异，并再一次表明处理5（木薯秸杆还田+化肥减量12.5%+12.5%营养元素当量黑豆绿肥还田）的木薯产量最高。

2.3 不同处理对木薯农艺性状的影响

通过相关性分析（表4）发现，处理与木薯单片叶重以及单株块根数的相关性达到极显著（=0.463；=0.791），与木薯块根直径之间为显著相关（=0.304），而与其他农艺性状相关性不显著，这说明不同处理通过显著影响木薯块根直径、单片叶重以及单株块根数而影响最终产量。

图2 各处理产量分布情况

2.4 木薯各农艺性状之间相关性分析

通过对木薯各农艺性状进行相关性分析（表5）发现，小区产量与木薯块根直径呈显著正相关（=0.378），与单片叶重以及单株块根数呈极显著正相关（=0.565，=0.910）；木薯各农艺性状之间呈不同程度显著正相关；除单株块根数和小区产量之外，木薯叶片SPAD与其他农艺性状呈不同程度负相关。

表4 处理与木薯各农艺性状之间的相关性

“*”表示在0.05水平上显著相关，“**”表示在0.01水平上极显著相关，下同

“*”indicates significant correlation at 0.05 level, “**”indicates the extremely significant correlation at 0.01 level, the same below

表5 木薯各农艺性状之间相关性分析

2.5 木薯各农艺性状的权重分析

由表5可知，各性状之间具有很大程度相关性，说明这些农艺性状对木薯产量形成具有很强代表性。对这9个指标进行主成分分析（表6）发现，前2个特征值大于1，故选择前2个主成分，第1主成分方差贡献率72.797%，前2个主成分的累积贡献率为86.746%。由此可见，选前2个主成分已足够代表原来的变量。

表7为主成分系数矩阵，可以说明各个主成分在各个变量上的载荷，从而得出各主成分的表达式。值得一提的是，在表达式中各个变量已经不是原始变量而是标准化变量。由此可知：F1=0.937×木薯茎径–0.526×SPAD+0.949×块根直径+0.970×块根长+0.983×单株茎秆鲜重+0.982×单株块根鲜重+0.879×株高+0.888×单片叶重+0.253×单株块根数；F2=-0.024×茎径+0.487×SPAD+0.143×块根直径–0.097×块根长–0.118×单株茎秆鲜重–0.099×单株块根鲜重–0.122×株高+0.372×单片叶重+0.900×单株块根数；在第1主成分中，除单株块根数以外的变量系数都比较大，可以看成反映这些变量方面的综合指标；在第2主成分中，单株块根数的系数比较大，可以看作反映单株块根数的综合指标。

表6 木薯各农艺性状的总方差解释

表7 木薯农艺性状主成分系数矩阵

3 讨论

3.1 秸秆还田对木薯产量性状的影响

秸秆还田作为一种保护性耕作措施，能维持土壤有机质平衡，促进土壤养分循环[16]。我国秸秆还田的研究多集中于北方小麦和玉米，南方主要是水稻和小麦[17]，而在广西特色作物木薯方面的研究报道不多。本试验中处理2较处理1的产量增加未达到显著水平，表明与单施化肥处理相比，木薯秸秆还田与化肥配施还存在其他耦合效应，若要显著提高土壤生产力，可以适当保持氮、磷、钾化肥用量，对促进木薯增产增效具有积极作用，与其他作物秸秆还田有异曲同工之效[18]。

3.2 间作体系及豆类绿肥还田对木薯产量性状的影响

间套作栽培充分利用环境分布和自然资源，具有减少病虫害、实现农业高产高效等优点[19]。木薯生长发育期长，前期生长较为缓慢，幼苗期与大豆全生育期基本相同，并且土地及光能利用率极低，与大豆间作不仅不会对大豆产生荫蔽现象，还可有效地提高单位面积的光能利用率[20]。前人研究[21]表明，木薯与大豆间作不仅对木薯的生长发育无影响，还对木薯具有增产促进作用，大力发展木薯与大豆的间作种植栽培模式，既可以缓解当地耕地面积紧缺，还可以调整当地作物种植结构，进一步缓解农作物品种单一的限制，对当地农业增效和农民增收有着积极地促进作用。因此，适宜的间作距离及间种大豆的种植密度，对提高土壤肥力、促进间作作物生长、获得优质作物和高产稳产至关重要[22]。

绿肥还田是当前农业生产中较常见的提升土壤有机质含量、改善土壤肥力的措施，绿肥进入土壤后，其分解产物与土壤矿物胶结、凝聚形成微团聚体，并在菌丝或根系作用下形成大团聚体，促进土壤有机碳的物理保护作用，并提升土壤团聚体的稳定性[23]。本试验中处理3、5较处理7增产，处理4、6较处理8增产，且都达到极显著水平，表明豆类绿肥还田整体上改良了土壤肥力，一定程度上影响木薯单株块根数、块根长、块根直径和单株产量，使木薯产量性状在后期尤其是第2年连作期间显著优于秸秆未还田的处理组，更有利于木薯块根的生长发育。值得注意的是，处理3较处理5减产，达到极显著水平，这是因为木薯秸秆还田对绿豆生长有延缓作用，使得试验年度绿豆与木薯共生期长，绿豆生长长期对木薯生长产生抑制作用，影响当年木薯产量性状；反之，木薯秸秆还田对黑豆生长没有明显影响，试验年度黑豆整个生长期只相当于木薯生长幼苗期，黑豆生长对木薯生长的抑制作用期相对较短，因此当年木薯产量性状好。

3.3 绿肥替代化肥对木薯产量的影响

在农业生产中，适当施用化肥能迅速增加土壤速效养分，从而提高作物产量。本试验中处理3较处理4、处理5较处理6以及处理7较处理8均增产，且都达到极显著水平，这表明虽然木薯茎秆还田以及豆类绿肥还田能增加土壤各形态养分含量，但化肥施用量低于某一临界值时，有机质还田短期内无法迅速提供木薯这种块根类作物生长所需的养分，而在化肥施用量减少12.5%时，能提高木薯产量。

3.4 综合处理对木薯产量性状的影响

木薯产量性状主要包括单株块根数、块根长、块根直径和单株产量。木薯块根是收获的主要器官，是光合作用主要产物，也是木薯碳水化合物代谢过程的主要贮藏形式[24]。在常规木薯与豆类作物间作体系中，因为木薯是圆锥花序顶生，在前期生长缓慢，木薯株高仅比大豆高出10cm左右，大豆不会产生庇荫现象。本试验中处理与木薯块根直径之间的相关性显著，与木薯单片叶重以及单株块根数的相关性达到极显著，除单株块根数和小区产量之外，木薯叶片SPAD值与其他农艺性状，呈不同程度负相关，这都说明在处理5模式下，一方面豆科作物的固氮作用可以提高氮素的积累量，减少化肥的投入；另一方面通过间作体系改变了木薯和黑豆在空间上的分布，使田间光环境也发生改变，木薯叶片SPAD值较高，从而有利于光合产物的合成和积累。当然，本试验只是初步探究了木薯秸秆还田以及营养元素当量绿肥还田对木薯生长发育以及产量的影响，得到了一些木薯产量性状的相关参数变化情况，至于其作用机制有待进一步解析。

4 结论

秸秆还田对木薯增产增效具有积极作用，木薯与豆类间作是一种高产高效的种植方式，适当施用化肥可以有效提高木薯产量。以木薯秸秆还田+化肥减量12.5%+12.5%营养元素当量黑豆绿肥还田模式最优，是增加木薯种植效益切实有效的措施。

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Effects of Different Intercropping Modes of Green Manure Replacing Chemical Fertilizer on Cassava (Crantz) Traits and Yield

Tang Hongqin, Li Zhongyi, Dong Wenbin, Wei Caihui,He Tieguang, Meng Yancheng, Tang Hailing, Mo Yongcheng

(Institute of Agricultural Resource and Environment, Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning 530007, Guangxi, China)

This study aimed to explore the effects of green manure instead of chemical fertilizer on the growth and yield of cassava and to solve the key technical problems such as synergism between continuous cropping cassava soil fertility improvement and related technologies. Field experiments with eight trial treatments were conducted from 2019 to 2020 with the cassava variety "South America No.1" as the test material and investigated the parameters including stem diameter, SPAD, root diameter, root length, stem fresh weight per plant, root fresh weight, plant height, single leaf weight, root number per plant, and plot yield of cassava. The results showed that the cassava yield was the highest under treatment 5 (cassava straw returning+12.5% chemical fertilizer reduction+12.5% nutrient elements equivalent to black bean green manure returned to the field), and the best fitting equation was obtained. In a word, green manure straw returning and intercropping improved soil fertility on the whole and affected the final yield of cassava by significantly affecting root diameter, single leaf weight, and root number per plant.

Cassava; Green manure; Intercropping; Correlation; Principal component analysis

10.16035/j.issn.1001-7283.2021.04.028

唐红琴，研究方向为农业资源与环境，E-mail：tanghq@gxaas.net

何铁光为通信作者，主要从事农业资源与环境方面研究工作，E-mail：tghe118@163.com

国家重点研发计划：特色经济作物化肥农药减施技术集成研究与示范（2018YFD0201100）；现代农业产业技术体系建设专项资金：国家绿肥产业技术体系（CARS-22）；广西农业科学院绿肥创新团队项目（桂农科2021YT037）

2021-01-25；

2021-06-03；

2021-07-25