不同氮钾互作下甘蔗生长表现及土壤养分变化

张祥会 马晓晓 董斌 林金海 刘文 李荣喜 闫志烨

摘要：为研究雷州半岛砖红壤不同氮钾互作水平下甘蔗农艺性状、产量和土壤养分的变化，采用田间随机区组试验，以尿素和氯化钾为试验材料，各设置4个浓度梯度，开展氮钾互作试验。结果表明：N2K1、N2K2、N2K3、N3K1、N3K2、N3K3试验处理均显著提高甘蔗产量、单茎质量，均在N3K2处理达到最大值，增产幅度分别达32.44%、37.25%;N1K3、N2K2、N2K3、N3K2、N3K3试验处理显著提高甘蔗糖分含量，在N3K3处理达到最大值，增幅达19.72%;N2K1、N2K2、N2K3、N3K1、N3K2、N3K3试验处理均显著提高甘蔗有效茎数，在N3K3处理下达到最大值，增幅分别达14.09%。不同处理土壤pH值均有所降低，N3K3处理pH值降幅最大，降低了0.31个单位，土壤酸化显著;不同处理土壤有机质含量均呈增加趋势，在N3K3处理下达到最大值，增加量为2.82 g/kg;不同处理土壤全氮、有效磷含量均有所降低，速效钾含量均有所增加。相关分析结果表明，甘蔗有效茎与有机质、全氮、速效钾含量呈极显著正相关（P<0.01）;单茎质量与有机质含量呈极显著正相关（P<0.01），与全氮、速效钾含量呈显著正相关（P<0.05）;糖分含量与速效钾含量呈极显著正相关（P<0.01），与有机质含量呈显著正相关（P<0.05）;分蘖率、株高与有机质、全氮呈极显著正相关（P<0.01）;茎径与有机质含量呈极显著正相关（P<0.01），与全氮含量呈显著正相关（P<0.05）。甘蔗主要的农艺性状、土壤有机质、全氮、速效钾分别与土壤pH值呈不同程度的负相关。由主成分分析结果可知，甘蔗各农艺性状对产量直接贡献的大小依次为单茎质量>有效茎>株高>糖分含量>分蘖率>茎径>出芽率。通径结果表明，单茎质量、有效茎和株高通径系数较大，因此在甘蔗生长中应重视这3个性状的生长调控。综上所述，从甘蔗产量、农艺性状、土壤营养和成本综合考虑，推荐N3K2互作处理相对适宜，后续土壤酸化防控栽培技术还需要进一步深入研究。

关键词：氮钾互作;甘蔗;农艺性状;糖分含量;碳氮代谢

中图分类号：S566.106   文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）18-0095-08

收稿日期：2021-06-06

基金项目：国家重点研发计划子课题（编号：2020YFD1000604-15）;广东省普通高校重点科研平台和项目（编号：2017GKQNCX040、2020GCZX009）;广东省农村农业厅农作物良种良法示范基地建设项目（编号：粤财农[2018]125号）。

作者简介：张祥会（1984—），男，山东冠县人，硕士，助理研究员，主要从事土壤与植物营养方面的研究。E-mail：120136456@qq.com。

通信作者：董 斌，博士，副教授，主要从事园林学、作物学方面的研究。E-mail：bbeenn@163.com。

甘蔗（Saccharum officinarum）属于多年生草本植物，是我国重要的糖料作物和能源作物，我国甘蔗种植主要分布在广东、广西、云南、海南等热带、亚热带地区。其中广东甘蔗种植区域主要集中在雷州半岛，种植面积13.3万hm2，占广东省植蔗面积的85%以上[1]，但单位面积产量、糖分含量均比较低，与高产省份仍有不小的差距。施肥不当是导致甘蔗单位面积产量、糖分低的主要原因之一。在氮、磷、钾三要素中，甘蔗喜氮、钾，每生产1 t原料蔗需从土壤中吸收N 1.08～3.20 kg、P2O5 0.27～0.70 kg、K2O 1.01～3.34 kg，被吸收的氮、磷、钾元素直接或间接参与甘蔗体内多种重要化合物组成和营养代谢，从而影响甘蔗生长发育[2-3]。雷州半岛甘蔗常年连作，土壤中氮、钾大量消耗，一般不能满足甘蔗生长的需要，施用氮、钾肥通常是甘蔗补充氮、钾素营养的重要手段。氮、钾施肥不足会影响甘蔗正常生长，施肥过量不仅不能保障甘蔗稳产、增产，还会导致肥料流失，造成农业面源污染。

目前，甘蔗配方施肥相关研究较多，而雷州半岛蔗区氮、钾互作对甘蔗生长表现和土壤养分变化的系统性研究鲜有报道。樊叶等研究表明，氮钾互作对玉米产量影响达到极显著水平[4]。李陶研究发现，氮钾互作能明显促进甘薯养分吸收、利用，提高甘薯产量[5]。林小兵等研究发现，施氮量增加可提高花生荚果产量、单株果质量和饱果率，荚果增产幅度为12.94%～24.62%[6]。张艳梅等研究发现，在适量范围内甘蔗的氮代谢随着施氮量的增加而显著增强[7]。刘子凡等研究表明，钾肥施用量的增加可显著提高蔗汁蔗糖分、总糖，改善甘蔗品质[8]。不同氮、钾的供给量和供给方式，会对作物产量及品质产生不同的影响。同时研究发现长期大量施用生理酸性氮肥会导致土壤酸化和营养变化[9-11]。本研究主要解决雷州半岛砖红壤甘蔗常规施肥条件下甘蔗低产低糖的问题，通过设置不同氮钾互作试验，探究不同氮钾互作水平下雷州半岛甘蔗农艺性状、产量和土壤养分的变化，并研究各参数间的相关性，得出最佳氮钾配施比例，为雷州半岛甘蔗的科学种植和合理施肥提供理論依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于广东省湛江市遂溪县广东农垦湛江垦区国家现代农业产业园（110°07′30″E，21°27′30″N），属热带、亚热带气候，年平均气温 23.5 ℃，1月平均气温16.3 ℃，7月平均气温 29 ℃，5—10月为雨季，9月为暴雨鼎盛期，年平均降水量1 417～1 804 mm，有明显的干、湿季之分。土壤为砖红壤，表层土（0～20 cm）基础养分性质为：有机质含量22.38 g/kg，全氮含量1.22 g/kg，有效磷含量136.01 mg/kg，速效钾含量92.61 mg/kg，pH值4.38。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

本试验选用桂糖08/120为试验品种，采用尿素（总N质量分数≥46.4%）和氯化钾（K2O质量分数≥60%）为试验材料，各设置4个水平，尿素用量分别为0、300、750、1 200 kg/hm2，分别记为N0、N1、N2、N3;氯化钾用量分别为0、300、750、1 200 kg/hm2，分别记为K0、K1、K2、K3，试验共10个处理，3次重复，采取随机区组排列。每个小区种植规格设置为1.4、0.4 m大小双行，长度为10 m，小区面积为18 m2。蔗种均以2%的石灰水+0.05%多菌灵浸种24 h，于2019年2月种下，下种量为 136芽/小区，每个试验小区基施2 kg过磷酸钙。尿素、钾肥施肥采取基施、小培土、大培土3种方式，全年施肥比例为1 ∶1 ∶2，施肥时间分别选在2月5日、4月15日和5月25日。

1.2.2 样品采集和指标测定

在甘蔗苗期调查试验小区的出苗率和分蘖率;在甘蔗成熟期测定试验小区甘蔗株高、茎径、有效茎数;在当年12月份测定甘蔗田间锤度，并计算出蔗糖分;在当年12月份每个小区随机砍10株甘蔗计算单茎质量，次年1月砍蔗称质量计算小区产量。甘蔗播种前和当年11月测定各小区的土壤养分。土壤全氮含量测定采用凯氏定氮法;有效磷含量测定采用钼锑抗比色法;速效钾含量测定采用火焰光度计法;土壤钙、镁测定采用原子吸收法。凯氏定氮法采用瑞典Foss公司产凯氏定氮仪（K8200），比色法采用北京京科瑞达科技有限公司产紫外/可见分光光度计（UV-1801C），火焰光度计法采用Sherwood公司产火焰光度计（410），原子吸收法采用日本岛津产原子吸收光谱仪（AA-6650）。

1.3 数据处理

所有数据主要采用Excel 2010进行整理，甘蔗农艺性状、产量和土壤营养、pH值等数据采用DPS V9.01进行Dunn-Sidak法分析;甘蔗农艺性状及产量和土壤养分指标间的相关性分析采用R语言程序包corrplot、Performance Analytics等完成;甘蔗农艺性状及产量的主成分分析和通径分析采用R语言程序包stat（sprcomp）和agricolae完成。

2 结果与分析

2.1 不同氮钾互作对甘蔗基本农艺性状、糖分及产量的影响

图1-A显示，甘蔗整体发芽率在73%左右，各处理间甘蔗发芽率差异不显著，这可能因为甘蔗发芽所需营养主要依靠自身种茎供给。图1-B中，甘蔗分蘖率与氮钾互作水平显著相关，N2、N3水平下各组处理的分蘖率显著高于对照组。同N施肥水平下，N2、N3水平甘蔗分蘖率与K施肥量差异不显著。同K施肥水平下，各组间甘蔗分蘖率与N施肥量差异不显著，均在N3水平处理下数值较高，在N3K3处理达到最大值，比对照组提高了22.18%。N施肥水平越高，甘蔗分蘖率越高，K施肥水平提高对甘蔗分蘖率有促进作用。

图1-C显示，甘蔗茎径与氮钾互作处理呈相关趋势，除N1K1处理外各处理甘蔗茎径均显著高于对照组，同N施肥水平，N1水平下K3处理甘蔗莖径显著高于K1处理，N2水平下各组甘蔗茎径与K施肥水平差异不显著，N3水平下K2处理显著高于K1、K3处理。同K施肥水平，K1水平下不同N施肥处理甘蔗茎径差异均显著，K2、K3水平下，N3处理显著高于N1和N2处理。图1-D显示，甘蔗株高与氮钾互作处理相关，N2、N3水平下各组甘蔗株高均显著高于对照组，同N施肥水平下，不同K施肥处理甘蔗株高差异不显著。同K施肥水平，K1、K2水平下N3处理甘蔗株高显著高于N1处理，K3水平下不同N施肥水平甘蔗株高差异不显著，甘蔗茎径、株高均在N3K2处理下达到最大值，比对照组分别提高42.01%、14.55%。

图1-E显示，甘蔗有效茎数与氮钾互作水平相关，N2、N3水平下各组甘蔗有效茎数均显著高于对照组，同N施肥水平下K施肥处理差异不显著，N3处理下甘蔗有效茎数整体较多。同K施肥水平，K1、K3水平下N3处理显著高于N1处理，K2水平N2处理显著高于N1处理。甘蔗有效茎数在N3K3处理下达到最大值，比对照提高了14.09%，在N2K2至N3K3处理中，甘蔗有效茎数整体较高，增施氮肥对甘蔗有效茎数有促进作用。

图1-F显示，甘蔗糖分含量与氮钾互作水平相关，N1K3、N2K2、N2K3、N3K2、N3K3处理甘蔗糖分含量均显著高于对照组，N3K3处理达到最大值，比对照提高了19.72%。同N施肥水平下，N1、N2水平下不同K施肥处理甘蔗糖分含量差异不显著，N3水平下K3处理显著高于K1处理。同K施肥水平下，不同N施肥处理差异不显著。

图1-G显示，甘蔗单茎质量与氮钾互作水平相关，N2、N3水平下各组处理甘蔗单茎质量显著高于对照组，在N3K2处理达到最大值，比对照组提高了37.25%。同N施肥水平下，不同K施肥处理不显著。同K施肥水平，K1、K2水平下N3处理显著高于N1和N2处理，K3水平下N2、N3处理显著高于N1处理。

图1-H显示，甘蔗产量与氮钾互作水平相关，除N1K1外各组处理甘蔗产量显著高于对照组，在N3K2处理下达到最大值，比对照组提高了32.44%。同N施肥水平，N1、N2水平下K3处理显著高于K1处理，N3水平下不同K施肥处理差异不显著。同K施肥水平，K1、K2水平下不同N施肥处理甘蔗产量差异均达到显著水平，K3水平下N3、N2处理显著高于N2处理。不同N、K互作处理甘蔗单茎质量和产量与N施肥水平呈显著正相关，提高钾肥施肥水平对甘蔗单茎质量和产量的提升有明显促进作用。

2.2 植蔗土壤养分及pH值

表1和图2-A显示，不同氮钾互作处理下土壤pH值变化量呈递增的趋势，表现为N3K3>N3K2>N3K1>N2K3>N2K1>N2K2>N1K2>N1K3>N0K0=N1K1，均呈现不同程度酸化，N3K3处理pH值变化量达到最大值，减少了0.31个单位。

表1和图2-B显示，不同氮钾互作处理下，土壤有机质含量均呈现不同程度的增加，但组间差异不显著。在N2、N3水平处理下，土壤有机质含量明显增加，且N3K3处理下土壤有机质增加量最大，增加量为2.82 g/kg。

表1和图2-C显示，不同氮钾互作处理下土壤全氮变化量均小于对照组，在N2、N2水平，土壤全N变化量与K施肥水平呈正相关，N3水平下土壤全N变化量整体较小。

表1和图2-D显示，在所有处理中，土壤中有效磷含量均减少。除N3K3外不同氮钾互作处理下土壤中有效磷变化量差异不显著，N3K3处理下减少量显著高于对照组。

表1和图2-E显示，N1K3、N3K3处理土壤中速效钾变化量显著高于对照组，其余各组差异不显著，土壤速效钾变化量与K施肥水平相关。

2.3 甘蔗农艺性状和土壤养分及pH值相关性

由图3可知，有效莖与有机质、全氮、速效钾含量呈极显著正相关（P<0.01）;单茎质量与有机质含量呈极显著正相关（P<0.01），与全氮、速效钾含量呈显著正相关（P<0.05）;糖分含量与速效钾含量呈极显著正相关（P<0.01），与有机质含量呈显著正相关（P<0.05）;分蘖率、株高与有机质、全氮呈极显著正相关（P<0.01）;茎径与有机质含量呈极显著正相关（P<0.01），与全氮含量呈显著正相关（P<0.05）。甘蔗主要的农艺性状、土壤有机质、全氮、速效钾分别与土壤pH值呈不同程度的负相关，有效磷与pH值呈正相关关系。

2.4 甘蔗产量与农艺性状的主成分分析和通径分析

由表2可知，在所有的主成分构成中，信息主要集中在前2个，其累计贡献率达到81.50%，主成分1贡献率最大，为66.00%，其次为主成分2，贡献率为15.50%。在主成分1中单茎质量、有效茎、株高、茎径、分蘖率、糖分含量权重系数较大，即为产量因子;主成分2中出芽率所占权重最大，即为生长势因子。

由表3可知，甘蔗各农艺性状对产量直接贡献的大小依次为单茎质量>有效茎>株高>糖分含量>分蘖率>茎径>出芽率，单茎质量、有效茎、株高、糖分含量、分蘖率、茎径对产量有正向作用，而出芽率本身的直接效应则对产量表现负向效应。其中单茎质量、有效茎、株高对于产量的影响较大，在甘蔗栽培中， 应该着重加强对于以上3个性状的选择和调控，并兼顾其他农艺性状，这是提高甘蔗产量的重要途径。

3 讨论

3.1 甘蔗基本农艺性状、糖度及产量

本研究结果表明，不同氮钾互作处理对甘蔗产量、单茎质量、糖分含量有促进作用，较对照组最高可分别提高32.44%、37.25%和19.72%。甘蔗产量、单茎质量主要取决于N、K营养元素的施用量，甘蔗糖分含量主要取决于K元素的施用量。不同N、K配比对甘蔗农艺性状的影响差异显著， N肥施肥量与甘蔗分蘖率、茎径、株高、有效茎数呈正相关，从而较大程度地影响甘蔗产量;而K施肥水平在N施肥基础上对甘蔗农艺性状有促进作用。王军伟等研究发现，氮钾营养是影响番茄叶片氮代谢和碳代谢的主要因子，氮钾互作对叶片游离氨基酸和谷氨酰胺合成酶活性影响显著，钾营养水平与番茄叶片糖含量和蔗糖磷酸合成酶、酸性转化酶呈正相关趋势[12]。Akhtar等研究发现，氮钾供应水平对番茄产量和品质有决定性的影响[13-15]。牛巧龙等研究发现，在氮钾正常供给处理基础上，适量增施氮肥可提高作物叶片硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、蔗糖磷酸合成酶（SPS）等活性，有利于果实淀粉积累，过量施氮NR、GS活性会降低，不利于植株对氮营养的同化吸收[16-17]。汪顺义等研究发现，钾处理提高氮吸收量和叶片SPS活性，促进光合产物在植株器官中的分配，氮钾互作对NR和SPS活性存在显著的正交互作效应[18]。

3.2 植蔗土壤养分和pH值变化

本研究结果表明，不同氮钾互作处理下，植蔗土壤的pH值、土壤全氮、有效磷等均有所降低。土壤有机质、速效钾等整体略有增加。苗娜研究表明，氮肥施用中铵态氮发生硝化作用会导致土壤酸化[19]，谭宏伟等研究表明，长期施用氮、磷、钾肥会导致红壤交换性酸和交换性铝持续性增加[20-22]。梁红芳研究表明，麦秸秆全量还田下适宜氮肥运筹处理可提高土壤有机质含量[23]。本试验中植蔗土壤有机质含量增加，可能与甘蔗叶腐解有关，而不同氮施肥水平对甘蔗叶腐解起到促进作用。不同N、K互作处理均能有效补充土壤N、K营养，同时又促进甘蔗对N、P、K的吸收，甘蔗叶腐解过程中微生物消耗N元素，从而导致土壤氮营养进一步减少。

3.3 甘蔗农艺性状和土壤养分及pH值相关性

一般情况下，生长期末的养分有效性基本反映当季的土壤养分供应能力[6]。本研究发现土壤有机质、全氮和速效钾与甘蔗单茎质量、糖分含量、茎径表现出协同作用，而与土壤中pH值和有效磷表现出一定负作用;土壤有机质与甘蔗单茎质量、株高、茎径和分蘖率表现出协同作用;土壤全氮与有效茎、分蘖率和株高表现出协同作用;速效钾对糖分含量、有效茎和分蘖率表现出协同作用。黄崇斌研究发现，不同施肥方案对甘蔗农艺性状有显著影响，施肥处理下甘蔗出苗率、有效茎、茎长、茎径比对照组分别提高24.69%、37.52%、26.49%、56.22%，同时研究发现对甘蔗增产效果的影响表现为N>K>P[24]。曾沐梵在酸敏感区域的土壤上，定量了土壤酸化主要驱动力，发现在氮肥施用处理中N过程占总H+产生量的80%[25-28]。同时有研究发现，随农田氮素投入的不断增加，带来的土壤酸化问题也愈加严重，在1980—2000年间，氮肥的施用导致耕地表层土壤pH值平均下降 0.13～0.76个单位[19]。

3.4 甘蔗产量与农艺性状的通径分析

本研究结果表明，不同氮钾互作处理下单茎质量、有效茎、株高为决定甘蔗产量的主要因子，茎径、分蘖率、糖分含量、 出芽率也会不同程度地影响甘蔗产量。在甘蔗生产管理提高产量和糖分中应重视这3个性状营养调控。赵俊等研究发现，株高、茎径、单茎质量、有效茎、蔗糖分是影响蔗、糖产量的重要指标，与品种的蔗、糖产量高低关系密切[29]。谭芳等研究表明，施肥水平和种植密度均影响甘蔗农艺性状从而影响甘蔗产量[30]。

4 结论

本研究结果表明，N2K1、N2K2、N2K3、N3K1、N3K2、N3K3氮钾互作处理对甘蔗分蘖率、茎径、株高、有效茎数、单茎质量和产量呈显著促进作用，N1K3、N2K2、N2K3、N3K2、N3K3氮钾互作处理显著提高甘蔗糖分含量，甘蔗产量、单茎质量和糖分含量较对照最高可分别提高32.44%、37.25%和19.72%。单茎质量、有效茎、株高为决定甘蔗产量的主要因子，在甘蔗生產管理提高产量和糖分中应重视这3个性状的选择与调控。从甘蔗产量、农艺性状、土壤营养和成本综合考虑，推荐N3K2互作处理相对适宜，后续土壤酸化防控栽培技术还需要进一步深入研究。

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