施钾对我国甘薯产量和土壤钾素平衡影响的Meta分析

卞倩倩，王雁楠，陈金金，乔守晨，胡琳琳，尹雨萌，杨晓平，杨育峰

（河南省农业科学院粮食作物研究所, 河南郑州 450002）

甘薯[Ipomoeabatatas(L.) Lam.]属于旋花科植物，性喜温，不耐寒，是喜光的短日照作物，广泛种植在120多个国家和地区，是世界上重要的粮食、饲料及工业原料作物[1-2]。我国是世界甘薯种植和生产第一大国，据世界粮农组织统计显示[3]，2019年中国甘薯种植面积约为2.37×106hm2，约占世界总面积的30.6%；总产约5.19×1010kg，占世界总产量的56.6%，是仅次于玉米、水稻、小麦和马铃薯之后的第五大粮食作物。随着生活水平的提高，人们对粮食的需求正在从“吃得饱”向“吃得好”转变，甘薯具有适应性强、产量高、营养丰富、保健功能好等优点[4-5]，发展好甘薯产业对保障国家粮食安全和促进国民主食营养结构转型升级具有重要意义。

钾是植物必需营养物质之一，能够促进植物体内多种代谢反应，能通过优化叶片光合作用、促进根系伸长、调节气孔保卫细胞和同化物运输等途径提高作物抗逆性，被称为是“品质元素”[6-7]。钾也是甘薯中最丰富的矿质元素，钾肥对甘薯的生长发育和产量具有重要作用[8-9]。施钾能延长甘薯叶龄，促进叶片的光合产物向薯块转运，提高叶片光合能力，增施钾肥可以增加干物质产量，提高干物质在块根中的分配率，从而提高块根产量[10-11]。但在我国许多地区的甘薯实际生产中，合理施用钾肥的问题并未得到充分重视，钾肥施用不足不利于甘薯产量的提升，也使得种植甘薯的土壤钾素亏缺严重，而过量施钾则不利于甘薯对钾肥的吸收和利用，降低钾肥利用效率[12-13]。因此，明确施钾对甘薯产量和钾素平衡的影响，阐明不同因素下甘薯产量对施钾的响应特性，对于甘薯增产和钾肥资源的合理利用具有重要意义。

目前，我国已有许多研究者针对施钾对甘薯产量的影响开展了大量田间研究，但是不同因素条件下，施钾对甘薯的增产效应以及最佳施钾量的研究结果并不一致。如胡启国等[14]研究表明，在河南地区甘薯施钾450 kg/hm2时产量最高；而王道中等[15]在安徽砂姜黑土区的研究表明，甘薯的最佳施钾量为75～150 kg/hm2。陈根辉等[8]发现，在土壤速效钾含量118.6 mg/kg的肥力水平下，施钾300 kg/hm2时，甘薯可获得最高鲜薯产量、薯干产量、淀粉产量。以往的研究都是基于特定的试验点进行的田间试验，研究结果往往受当地气候、土壤条件的影响较大，且试验面积小，不能反映我国施钾对甘薯产量影响的整体情况，对于我国甘薯产量的提升不具有指导意义。采用Meta分析方法，可以整合同一研究主题下多项独立试验的研究结果[16-17]，定量分析全国范围内甘薯施钾的产量效应。目前该方法在小麦、玉米和马铃薯等作物上均有应用，但在甘薯上的研究还未见报道。因此，本研究基于Meta分析方法，收集我国近20年来发表的钾肥对甘薯产量影响的田间试验数据，研究我国甘薯施钾的产量效应，明确甘薯最佳施钾水平，阐明不同对照组产量水平和土壤条件对甘薯施钾效果的影响，以及明晰不同施钾量下甘薯钾素平衡情况，为甘薯可持续生产提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究基于关键词“甘薯(sweet potato)”、“钾(potassium)”和“产量(yield)”在中国知网、万方、Web of science 等中英文数据库进行检索，收集2000—2020年发表的关于施钾对我国甘薯产量影响的文献。为了确保分析的准确性，遵循以下几个筛选标准对收集到的文献进行筛选：

1)试验地点在国内进行，文中需提供试验点的具体位置或经纬度；

2)试验方式为田间试验；

3)同一组试验中须包含对照组和试验组，对照组为不施钾肥，氮、磷肥正常施用，处理组为施用不同量钾肥且氮、磷肥施用量与对照组相同；

4)数据需包含产量指标，且有明确的标准差或重复值，重复数≥3；

5)不同文献中的相同试验数据只录入一次。

利用筛选后所得文献中表格和图表的数据创建一个新的数据库。利用GetData软件将图表中的数据转换成数字化数据[18]。数据库主要包括以下文献中的原始信息：试验年份、试验点位置(经度和纬度)、土壤基础理化性状(土壤pH、土壤有机质、土壤全氮、土壤速效氮、土壤有效磷、土壤速效钾)、氮磷钾肥施用量、甘薯产量、吸钾量等。共收集到101篇文献，从中获得548组甘薯产量的相关数据，各省份的试验点数如图1所示。

图1 不同省份的试验点数Fig.1 Experiment number of different provinces

1.2 数据分析

1.2.1 标准差计算 Meta分析中计算各研究权重时使用标准差(SD)，若文献中提供的数据为标准误(SE)，则SD可通过公式(1)进行转换[19]：

式中，n是试验重复数。但若文献中也没有列出SE，则使用全部数据计算平均变异系数(CV)，再用CV计算缺失的SD[20]，计算公式为：

式中，X为缺失SD的数据值。

1.2.2 效应值计算 采用效应值lnR分析施钾对甘薯产量的影响[21]，计算公式如下：

式中，R为效应比；Xc和Xt分别为对照组(不施钾)和处理组(施钾)的甘薯产量。变异系数V、权重Wij、加权平均响应比R++、R++的标准误S以及95%CI计算公式如下[22]：

式(5)中，Sc和St分别为对照组和处理组的标准差；Nc和Nt分别为对照组和处理组的样本数。95%CI可用于R++的假设检验：若95%CI下限大于0，说明施钾对甘薯的增产效应显著；若95%CI上限小于0，说明施钾对甘薯产量存在显著的负效应；如果95%CI与0重叠，则说明施钾对甘薯产量无明显影响[23]。为更好地解释施钾对产量变化的影响，将lnR转换为相对变化率(E)[24]，计算公式如下：

1.2.3 异质性检验和发表偏倚检验 数据分析前，需确定不同研究结果间是否存在异质性，并根据异质性情况来选择分析模型。若检验结果P＜ 0.05，说明不同研究结果间具有异质性，采用随机效应模型，反之，则说明不同研究结果间具有同质性，采用固定效应模型[25]。发表偏倚检验采用失安全系数法(Fail-safe N)，若Nfs ＞ 5n+ 10 (n为样本量)，认为数据不存在偏倚，反之，则存在发表偏倚[26]。本研究对获取的548组产量样本进行异质性检验和发表偏倚检验，检验结果表明，不同研究结果间具有显著的异质性，且不存在发表偏倚。

1.2.4 Meta回归和亚组分析 将原文献按照一定标准划分为不同组别，并对其进行Meta回归分析以明确不同研究间异质性的来源。为了进一步阐明不同影响因素下施钾对甘薯的产量效应，对不同的影响因素进行亚组分析。不同因素的分组情况如表1所示，土壤养分指标依据全国第二次土壤普查时土壤养分分级标准划分。

表1 影响因素及分组Table 1 Influencing factors and grouping

1.2.5 钾肥农学效率和钾素表观平衡的计算 钾肥农学效率＝(处理组甘薯产量-对照组甘薯产量)/施钾量

钾素表观平衡＝钾素投入总量-作物带出钾素总量[27]。

1.2.6 数据处理 运用Excel 2010构建数据库，进行数据汇总、分类以及相关指标的计算，采用Meta Win 2.1软件进行Meta分析，采用Stata 19.0进行异质性检验、回归分析和亚组分析，采用Origin 2021软件进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 甘薯产量分布

图2 甘薯产量频率分布Fig.2 Distribution frequency of sweet potato yield

2.2 施钾量对甘薯产量和钾肥农学效率的影响

Meta分析结果显示，与不施钾处理相比，施钾后甘薯产量的总体效应值大于0，且95%置信区间不包含0，说明施用钾肥甘薯增产效应显著(图3)。全国范围内，施钾甘薯产量显著提高18.0% (95%CI：16.9%～19.3%)，随施钾量的增加，增产幅度呈先增加后降低趋势。施钾量为300～375 kg/hm2时，甘薯产量提升最高，为24.3%，其次是施钾225～300 kg/hm2和 ＞ 375 kg/hm2，均高于平均增产率 (18.0%)，而施钾量低于225 kg/hm2时甘薯产量提升均低于平均增产值(图3)。施钾量与钾肥农学效率存在显著的负相关关系，表明随着施钾量的增加，单位施钾量可获得的甘薯产量回报递减(图4)。

图3 施钾对甘薯产量效应值的影响Fig.3 Effects of K application rates on sweet potato yield

图4 甘薯钾肥农学效率与施钾量的关系Fig.4 The relationship between the agronomic K efficiency(AEK) and K application rates of sweet potato

2.3 不同对照组产量下的甘薯施钾增产效应

通过分析不同对照组产量水平下甘薯产量与施钾量的关系，发现对照组产量在 ≤ 25 t/hm2和25～35 t/hm2时，产量与施钾量呈二次曲线关系(P＜0.01)；而当对照组产量 ＞ 35 t/hm2时，产量与施钾量没有显著相关性 (P＞ 0.05) (图5)。

图5 不同对照组产量水平下甘薯产量与施钾量的关系Fig.5 The relationship between sweet potato yields and K application rates under different control yield levels

对照组产量对甘薯施钾增产效应的影响达到极显著水平(P＜ 0.001) (表2)，随着对照组产量的提高，施钾的增产效应逐渐降低，对照组产量为 ≤ 25 t/hm2、25～35 t/hm2和 ＞ 35 t/hm2时，甘薯施钾分别显著增产29.0%、15.7%和11.7% (图6)。对照组产量为 ≤25 t/hm2和25～35 t/hm2时，随着施钾量的增加，增产效应先增加后降低，增产幅度最大的施钾量分别为225～300和300～375 kg/hm2，增产幅度分别为44.4%和21.9%，均显著高于施钾 ≤ 75 kg/hm2时的增产幅度；对照组产量 ＞ 35 t/hm2时，随着施钾量的增加，增产效应逐渐增加，施钾 ＜ 375 kg/hm2时，增产效应显著，施钾 ＞ 375 kg/hm2增产最高，为14.4%，但效应值95%的置信区间包含0，说明增产效应并不显著(图6)。

图6 不同对照组产量水平下施钾对甘薯产量效应值的影响Fig.6 Effects of K application rates on sweet potato yield under different control yield levels

2.4 土壤条件对甘薯施钾增产效应的影响

土壤化学性质是影响甘薯施钾增产效应的重要因素。由表2可知，土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾是引起异质性的重要因素，对施钾增产效应存在极显著影响(P＜ 0.001)，而土壤pH和速效氮对施钾增产效应无显著影响(P＞ 0.05)。

表2 影响因素的Meta回归分析Table 2 Meta regression analysis of different influencing factors

不同土壤条件下，施钾对甘薯的增产效果也不尽相同。酸性土壤中(pH ≤ 6.5)施钾增产最高，为20.9%，其次是中性土壤(6.5 ＜ pH ≤ 7.5)增产19.2%，碱性土壤中(pH ＞ 7.5)增产最低，为17.9%，但三者间增产差异不显著。在土壤速效氮含量较低(≤ 60 mg/kg和60～120 mg/kg)情况下，分别增产17.8%和17.2%，当土壤速效氮 ＞ 120 mg/kg时，施钾的增产效应明显提高，为25.2%。随土壤有机质含量的增加，施钾的增产效应也逐渐增加，具体表现为土壤有机质 ≤ 10 g/kg时增产14.9%，土壤有机质为10～20 g/kg时增产15.7%，土壤有机质 ＞ 20 g/kg时增产38.9%。类似于有机质，随土壤全氮含量的增加，施钾的增产效应逐渐增加，当全氮含量 ≤ 0.75、0.75～1和 ＞ 1 g/kg时，增产分别为14.4%、20.4%和39.9%。不同土壤有效磷条件下，增产效应的差异不明显，土壤有效磷含量 ≤ 10、10～20和 ＞ 20 mg/kg时，增产分别为18.5%、19.3%和17.7% (图7)。

土壤速效钾含量显著影响着甘薯施钾的增产效果。分析发现，随土壤速效钾含量的增加，增产效应逐渐降低，土壤速效钾 ≤ 50 mg/kg时，施钾增产幅度最高，为25.2%，土壤速效钾50～100 mg/kg时施钾增产17.4%，而土壤速效钾 ＞ 100 mg/kg时，施钾增产最低，为17.0% (图7)。此外，整合分析不同土壤速效钾含量下钾肥用量对甘薯产量的影响(图8)，在土壤速效钾含量 ≤ 50、50～100和 ＞ 100 mg/kg时，施钾的增产效应随着施钾量的增加均呈现先增加后降低的趋势。土壤速效钾含量 ≤ 50 mg/kg时，与不施钾相比，施钾量低于75 kg/hm2时甘薯增产最低(8.2%)，且没有显著差异，高于75 kg/hm2时，甘薯施钾增产幅度提高，尤其是施钾225～300 kg/hm2时，增产幅度最高，但是没有显著差异，其次是施钾300～375 kg/hm2时，增产幅度显著增加，达47.6%。土壤速效钾介于50～100 mg/kg时，施钾均具有显著的增产效果，在施钾300～375 kg/hm2时增产幅度最高，达21.4%，其次是施钾225～300 kg/hm2时，达20.5%。土壤速效钾含量 ＞ 100 mg/kg条件下，施钾量225～300 kg/hm2时增产幅度最高，为28.1%。

图7 不同土壤养分条件下施钾对甘薯产量效应值的影响Fig.7 Effects of K application rates on sweet potato yield under different soil conditions

图8 不同土壤速效钾水平下施钾对甘薯产量效应值的影响Fig.8 Effects of K application rates on sweet potato yield under different soil available K levels

2.5 施钾对土壤钾素平衡的影响

钾素平衡是用以评估甘薯对钾肥的利用以及土壤钾素盈亏状况的指标，本研究中钾素的输入和输出分别是钾肥的投入和甘薯携出的钾量，忽略了种苗、降雨、灌溉水等资源的钾输入，以及土壤钾素的损失。

芒沙村隶属勐马镇，相对于勐连县的其他村落来说地势相对较低，气温高，形成了独特的植被和物产资源，这些自然和地理位置因素使得芒沙村成为一个以种植橡胶及茶叶等经济作物为主的村落。

从图9可知，在甘薯秸秆不还田条件下，甘薯施钾量小于225 kg/hm2时，土壤钾素表现为亏缺，随着施钾量的增加，亏缺程度降低。在不施钾时，土壤钾素亏缺量高达168.6 kg/hm2，施钾量≤ 75 kg/hm2和75～150 kg/hm2时，土壤钾素亏缺差异不明显，但相比不施钾降低了约75%。施钾量150～225 kg/hm2时，土壤钾素亏缺量为11.9 kg/hm2，较不施钾降低92.9%。甘薯施钾量大于225 kg/hm2时，土壤钾素表现为盈余，随着施钾量的增加，盈余程度逐渐升高。施钾量225～300、300～375和＞ 375 kg/hm2时，土壤钾素盈余量分别为6.0、121.7和322.6 kg/hm2。由此可见，在甘薯秸秆不还田条件下，施钾量高于225 kg/hm2时开始出现土壤钾素盈余。

在甘薯秸秆还田条件下，不施钾土壤钾素表现为亏缺，亏缺量为94.4 kg/hm2，比秸秆不还田条件下减少44.0%。通过施钾肥后均能维持土壤钾素平衡，随着施钾量的增加，盈余量增加，但施钾量≤ 75 kg/hm2时，土壤钾素盈余量仅为4.3 kg/hm2，因此，甘薯秸秆还田条件下，施钾肥将可能会产生土壤钾素盈余(图9)。

图9 施钾对土壤钾素平衡的影响Fig.9 Effects of K application rates on soil K balance of sweet potato field

3 讨论

3.1 施钾对甘薯产量的影响

甘薯是喜钾作物，施钾肥是提升甘薯产量的重要栽培措施。本研究通过整合101篇文献的548组数据发现，在全国尺度下，施钾可使甘薯增产18.0%(图3)。这可能是因为钾不仅影响甘薯的光合作用，还影响甘薯库-源器官之间光合产物的运转和分配[10-11,28]。增施钾肥不仅可以提高甘薯茎叶碳水化合物的累积，增加甘薯的生物产量，还能促进光合产物向块根中运输，进而提高甘薯产量[29-30]。多项研究也表明，施钾对甘薯产量的提升有明显的作用[31-33]。随着施钾量的增加，增产效应呈现先增加后降低的趋势(图3)。其原因可能是，低钾肥投入会影响甘薯的光合作用，从而导致干物质积累受阻，影响甘薯产量，而过高的钾肥投入会导致地上部旺长，消耗过多的光合产物，影响地下块根的生长，从而降低钾肥的农学效率[8,34]。与黄艳霞等[30]的研究结果类似，施钾过低或过高都不利于产量的提升，适宜施钾量有利于甘薯的生长，提高养分的吸收和利用，促进光合产物向块根运输，增加干物质在块根中的积累量，从而协同实现甘薯产量和效率的提升。

施钾量对甘薯增产的影响与对照组产量有显著的相关性(表2)。本研究发现，在对照组产量小于35 t/hm2时，产量与施钾量显著相关，甘薯增产效应随着施钾量的增加而呈现先增加后降低的趋势，但是当对照组产量超过35 t/hm2时，施钾量对甘薯产量的影响没有显著差异(图5)。其原因可能是，较低的对照组产量说明土壤肥力偏低，土壤养分供应能力差[35]，因此，施钾可以有效地为甘薯生长提供所需养分，显著提高甘薯产量，而在高对照组产量条件下，甘薯产量提升空间相对较小，外源养分供应的效果被削弱，施钾增产效应受到限制。虽然，钾在甘薯增产中发挥至关重要的作用，但我们的研究发现施钾量对甘薯产量的解释度偏低(图5)，一方面由于不同基因型品种生长和代谢所需的钾浓度存在较大差异，且其对土壤中钾营养利用能力也不同[36-37]；另一方面，外界气候、土壤条件、钾肥施用方式及其它栽培管理措施等均影响着甘薯的增产效果[11,30,38-39]。因此，生产中可以根据品种特性和气候、土壤肥力条件，合理配方施肥，科学管理，协同提高甘薯产量。

3.2 土壤条件对甘薯施钾增产的影响

土壤是作物生长的主要载体，土壤条件的优劣不仅决定作物根系生长是否良好，同时与施入土壤中的养分能否高效利用密切相关。很多文献的研究结果表明土壤条件影响施肥的增产效果[40-41]。土壤有机质含量是衡量土壤肥力的重要指标。本研究发现，施钾增产效应随土壤有机质和全氮含量的增加而增加，在土壤有机质含量 ＞ 20 g/kg和全氮含量 ＞ 1 g/kg时，施钾增产效果最好(图7)。其原因可能是，一方面土壤有机质可以改变土壤紧实度，有利于块根膨大[42-43]；另一方面也可以提供甘薯生长所需的养分，促进作物生长和钾肥的吸收，进而提高甘薯产量[44]。当土壤全氮含量高时，一方面可以促进作物对氮素的吸收和利用，进而促进生长前期光合产物向地上部“源”器官分配，构建甘薯地上部植株良好的形态[10,45]；另一方面，氮可以促进钾的吸收和利用，因此，在土壤全氮含量高时施钾肥又能在薯块膨大期促使地上部光合产物向地下部“库”进行转移，获得较高的产量[46]。土壤有效磷含量对甘薯施钾增产效应的影响极显著(表2)。相比于氮和钾，甘薯对磷的需求最少，但也是不可或缺的元素，有研究表明适量的磷能保证植物体内C、N代谢水平，促进甘薯生长前期源库关系建立和平衡，为甘薯块根高产优质奠定基础[47-48]。土壤速效钾含量也显著影响甘薯施钾增产效应，当土壤速效钾水平较低时，施钾甘薯增产效应最高，可能是因为，此时甘薯对钾亏缺较为敏感，通过外源施用钾肥可以有效弥补土壤钾的亏缺，进而提高甘薯产量，而在土壤速效钾水平较高时，土壤原有的速效钾可以提供充足的钾素满足甘薯生长所需，钾肥施用的增产效应则较小，符合施肥报酬递减规律[49]。因此，甘薯钾肥的施入需根据当地土壤养分状况科学施用。

3.3 施钾对土壤钾素平衡的影响

有研究表明，我国农田钾平衡总体表现为亏缺，不同作物间的钾平衡变异较大，其中小麦-玉米、油菜-水稻以及双季稻轮作制度土壤钾素表观平衡亏缺达52.5～107.8 kg/hm2[50]。对于甘薯种植系统来说，由于其生长对钾素需求的特殊性，我国甘薯秸秆还田条件下除了不施钾肥会导致土壤钾库耗竭之外，增施钾肥均可以实现钾素盈余，而在甘薯秸秆不还田条件下，施钾量低于225 kg/hm2时，表现为钾素亏缺，当钾肥投入量超过225 kg/hm2时，出现钾素盈余，并随着钾肥投入量的增加钾素盈余增加。过量的钾肥投入虽然不会产生类似于氮磷的环境威胁，但是却会造成钾肥资源的浪费、差的增产效应和低的经济效益。因此，在我国钾肥资源日益匮乏的背景下，合理施用钾肥和秸秆还田是维持甘薯种植系统中土壤钾素平衡的重要技术[51]。在未来的甘薯生产实践中，要结合施钾肥对甘薯增产效应的影响因素，综合考虑甘薯种植区域和土壤特性等进行合理施肥，协同实现区域甘薯增产增效。

4 结论

1)施钾使我国甘薯产量显著增加18.0%，随施钾量的增加，增产幅度先增加后降低。

2)对照组产量 ≤ 35 t/hm2时，产量与施钾量呈二次曲线关系；对照组产量 ＞ 35 t/hm2时，产量与施钾量没有显著相关性。

3)土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾对施钾增产效果具有极显著影响；在不同的土壤速效钾含量条件下，随着施钾量的增加，施钾的增产效应先增加后降低，且在较低的土壤速效钾条件下具有更好的增产效果。

4)甘薯秸秆不还田时，施钾量高于225 kg/hm2可以维持土壤钾素平衡；秸秆还田时，施钾量 ＞ 75 kg/hm2能更好地维持土壤钾素平衡。