施肥水平对生姜产量和品质的影响

邵海南，刘雲祥，咸文荣*

(1.省部共建三江源生态和高原农牧业国家重点实验室,青海大学，青海 西宁 810016； 2.青海大学农林科学院，农业农村部西宁作物有害生物科学观测实验站，青海省农业有害生物综合治理重点实验室，青海 西宁 810016)

生姜(ZingierofficinaleRoscoe.)原产于东南亚，是姜科姜属植物的根茎。在中国、韩国、澳大利亚等国家被广泛用作草药和香料[1]。生姜生长周期长，生物量大，根系发育不全，喜肥沃土壤。为了满足生姜的生物需求，生产者必须在土壤中使用大量的肥料[2-4]。氮、磷、钾是影响生姜生长发育关键的三大必需元素。合理的施肥可以刺激土壤中微生物的活性，提高土壤肥力，最终实现生姜丰产。但过高或过低的施肥量，可能会导致生姜品质下降，产量降低，最终影响经济效益[5-6]。生姜对环境适应性强，年产量高，耐储藏。近年来，在青海省西宁、大通、湟中、乐都等多地栽培面积不断扩大，每公顷产值约30余万元，种植生姜已经成为青海多地农民致富的重要方式[7]。然而，青海地区生姜产量不高，如何改善土壤肥力以提高生姜品质，成为高原地区生姜产业发展亟待解决的问题。通过施肥来提高青海地区生姜产量和品质的研究仍处于探索阶段。因此，本研究以青海大量种植的山农1号绵姜为对象，明晰不同氮、磷、钾施肥配方对高原地区贫瘠土壤中生姜的产量和品质的影响，并基于隶属函数法对不同配比施肥效果进行综合评价。此外，对氮、磷、钾肥进行三元二次方程的拟合与求解，筛选出最优氮、磷、钾肥施用量，以期为生姜的科学施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地选择在乐都区高庙镇长里村温室中进行。该温室地前茬种植作物为辣椒。试验地土壤为栗钙土，pH 8.32，有机质含量13.31 g/kg，土壤阳离子交换量(CEC)23.42 cmol/kg，全氮0.85 g/kg，碱解氮68.17 mg/kg，速效磷10.08 mg/kg，速效钾85.33 mg/kg。

1.2 试验材料

供试肥料为尿素(N≥46%)由四川天华股份有限公司生产；有效过磷酸钙(P205≥12%)由安宁拓展磷化工有限公司生产；硫酸钾(K2O≥45%)由美国生产；生物有机肥(沃泥尔，有机质≥45%，N+P205+K2O≥6%)由山东广大肥业科技有限公司生产。

1.3 试验设计

本试验采用正交设计方案L9(34)(表1至表3)，设置3个因素为尿素(N≥46%)、过磷酸钙(P205≥12%)、硫酸钾(K2O≥50%)。于2019年3月12号各处理施用全年施肥量的30%；5月10号各处理施入剩余的尿素；8月14号各处理施用全年施肥量的40%的过磷酸钙和硫酸钾；9月10号各处理施用全年施肥量的30%的过磷酸钙和硫酸钾，其中有机肥以基肥的形式一次施入。试验小区面积为7 m×0.7 m×2 m=9.8 m3(每小区2垄生姜)，小区随机区组排列，3次重复,共30个小区，60垄。对照组不施化肥。

表3 施肥种类及肥料全年施肥量

1.4 测定项目与方法

生姜收获时测定株高、茎粗、分枝数、叶长、叶宽、根茎鲜重、小区产量，收获时每个处理每垄随机选取10株生姜，将采集的生姜样品带回实验室内切成小块后混合均匀，抽取3份样品，每份500～1 000 g装袋标记，试验当天送到西北高原生物研究所测试中心。测定姜块的蛋白质、脂肪、维生素C、姜辣素、总糖、干物质含量。

1.5 数据分析

生姜品质是多个相关指标综合反映的结果，采用隶属函数法系统评价施肥处理对生姜品质的影响差异，对各处理生姜蛋白质、脂肪、维生素C、姜辣素、总糖等含量指标用公式(1)进行转换。将转化后的各指标隶属度值累加求得品质综合值，综合值越大，表示生姜品质越好。

X=X(u)×(Xmax-Xmin)+Xmin

(1)

式中:Xmin、Xmax、X(u)分别为各指标的最小值、最大值和平均值。

(2)

(3)

式中:Y0和Y分别为不施肥处理生姜产量和施肥处理生姜产量。

试验数据采用WPS excel 和SPSS 20.0进行处理与分析，绘制表格，采用单因素方差分析(ANOVA)和最小显著极差法(SSR)对不同施肥处理生姜各指标间进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 施肥水平对生姜产量的影响

各施肥处理对生姜株高、茎粗、分枝数有显著的增产作用(表4)，其中以处理5的促进作用最为显著，其株高为80.06 cm，茎粗为14.89 cm，分枝数为14个，增产率高达201.1%。不同施肥处理之间存在着显著差异，处理5显著高于其他处理组，处理4、6显著高于处理9、10，说明施肥量过多或者过少对生姜的产量促进作用均不显著。在本试验中，各施肥处理肥料贡献率不尽相同：处理4、5、6显著高于处理7、9、10，该结果表明随着施肥量增加，肥料贡献率呈现增加的趋势，但随着施肥量进一步增加，肥料贡献率反而呈下降趋势。这说明适宜肥料配比能最大程度提高肥料贡献率，使生姜的生产能力更强。

表4 不同施肥处理对收获期生姜主要生物学性状的影响

2.2 不同施肥处理对生姜品质的影响

由表5可知，氮、磷和钾肥配施对生姜品质各指标有显著影响。施肥处理后的生姜水分含量明显低于CK，说明施肥处理增加了生姜中干物质含量。施肥处理后的蛋白质含量明显高于CK，上升幅度达10.2%～49.0%，处理5显著高于处理2、3、7、9、10，说明生姜中蛋白含量对不同施肥处理响应不同。与对照相比，施肥处理对生姜脂肪含量并没有显著影响。各处理的维生素C、姜辣素和总糖均显著高于未施肥处理，增幅分别达23.8%～60%、34.0%～87.2%、38.9%～84.8%。其中以处理5提升程度最大，表明施肥处理总体上均能提高生姜维生素C、姜辣素和总糖含量。总体表现为中、低水平施肥处理有利于生姜中营养物质的积累，而高水平的施肥处理反而不利于其营养物质的积累。

表5 不同氮、磷、钾施肥处理对生姜品质的影响

生姜品质是多个相关指标的综合反映。为了评价施肥处理对生姜品质的影响，采用隶属函数法，对不同施肥处理后的生姜蛋白质含量、维生素C含量、脂肪含量、姜辣素含量、总糖含量进行转换。累加转化后各指标隶属度值求得品质综合值，并对不同施肥样品的品质综合值进行显著性检验。试验结果表明，处理5、6品质综合值显著高于其他处理。说明中等水平施肥效果最好，但随着施肥量提高，品质综合值反而有所下降。说明适量施用氮磷钾肥能有效提升生姜综合品质，但施肥过量反而不会继续提升生姜品质。

2.3 施肥对生姜产量的综合评定

将生姜产量Y0、氮(X1)、磷(X2)、钾(X3)肥用量进行回归拟合，得到方程：Y0=943.65+110.87X1+25.29X2-50.92X3-1.25X1X1-0.093X2X2+0.428X3X3-0.69X1X2+1.17X1X3+0.45X2X3，对方程进行F检验，达到显著水平(R2=0.783，F=6.787，P<0.05)。因此，回归方程可以反映施肥处理对生姜产量影响的实际情况。对上面的三元二次方程采用矩阵方程模型求解，结果表明，生姜产量最高时的氮、磷、钾肥(尿素、过磷酸钙、硫酸钾)施入量分别为670.20、583.65、785.10 kg/hm2。

3 讨论与结论

通常采用土壤养分含量来衡量土壤肥力[8]，而田间施肥可以改良土壤养分供应状况，农作物产量与土壤养分休戚相关[9]。前人研究表明，田间适量施肥有利于提升作物产量，同时也存在着施肥处理对产量无影响甚至下降的情况，这可能与作物种类、施肥方式、施肥量、气候等条件有关[10]。氮、磷、钾是促进植物生长发育所必需的元素，合理的氮磷钾配施能显著促进植株生长，从而增加产量。这与宇万太等[11]、张西平等[12]及张立联等[13]的研究结果相似。施用氮磷钾肥可以防止土壤退化，提高土壤肥力。土壤的基础肥力越高，作物的生产潜力越大。青海地区土壤有机质含量偏低，施肥是提高农作物产量的重要技术措施。本研究中，不施肥对照反映了土壤的基础肥力，与不施肥处理的结果相比，施肥后的生姜增产率最高可达201.1%，进一步说明应当把巩固和提高土壤基础肥力放在首要位置。同时，良好的土壤肥力是获得生姜高产的必要条件。但随着氮磷钾肥用量的增多，产量反而呈下降趋势，说明过量施肥可能会制约氮磷钾肥的有效性，导致施肥报酬减少。因此，施肥在满足生姜产量的前提下还需要进行合理的配比，避免资源浪费与土壤污染。

有研究表明，合理施肥能显著提高蔬菜中糖分、氨基酸、维生素C和蛋白质等物质的含量，从而改良蔬菜的营养品质[14-15]。以生姜为试验材料的报道较为普遍，其相关研究表明，合理使用氮磷钾肥或与有机肥配比，能明显提高生姜可溶性糖、维生素C和蛋白质的含量，改善生姜的营养品质[8，16-17]。而姜辣素作为生姜的重要成分之一，是生姜辣味物质的总称，对生姜的药用功效起着重要作用[18]。本试验结果也表明，中等施肥水平有利于生姜姜辣素等营养物质积累，提高生姜风味。但施肥量超过一定量时，会导致营养物质含量降低，可能与氮元素过量施入时需要更多的碳链参与氮素代谢转变为其他物质，导致蛋白质和总糖含量下降。钾元素在植物光合作用中起着关键的作用，但供给过量的钾会使植物体内生物合成和能量代谢受阻，从而导致营养物质含量下降。当合理配施氮磷钾时才能最大程度提高目标作物中不同品质指标的含量。施肥可以通过改变土壤养分含量进而促进生姜生长，影响生姜品质，而本试验指标仅包含了氮、磷、钾的含量，施肥还可能造成土壤中微量元素(如B、Fe、Cu、Zn)含量的变化。Bronson等[19]研究结果表明，土壤微量元素对目标产物品质的改变起到不可忽视的作用。土壤中各元素之间的协调作用是否对生姜的产量及本试验结果有影响，有待进一步研究。生姜对任何一种营养元素的吸收利用，也会受到其他营养元素的制约或者促进。

本研究结果表明了施肥能显著提升生姜的株高和分枝数，当施入氮、磷、钾肥(尿素、过磷酸钙、硫酸钾)的量为670.20、583.65、785.10 kg/hm2时，其产量最高。施肥提高了生姜中蛋白质、维生素、姜辣素及总糖的含量，与高、低水平施肥量相比，中等水平的施肥明显提高了生姜的产量与品质。