不同施肥处理对甘薯产量及土壤肥力与氮素利用的影响

兰孟焦，张 辉，肖满秋，潘 皓，侯隆英，张永春，吴问胜

(1.江西省农业科学院 作物研究所，南昌 330200；2.江苏省农业科学院 农业资源与环境研究所，南京 210014)

甘薯(IpomoeabatatasL.)是重要的粮食、饲料、工业原料及新型能源块根作物[1]，富含多种营养成分和生物活性因子，具有预防癌症、延缓衰老、增强免疫力等保健功效，在保障国家粮食、能源安全和实施乡村振兴、健康中国战略中发挥着重要的作用。目前江西省甘薯种植面积达14.6万hm2[2]，是全省种植业结构调整的特色优势农作物之一。近年来，随着中国国民可支配收入的增加和保健意识的不断增强，甘薯种植面积日益扩大。然而，化肥的不合理施用，尤其是过量施肥一方面加剧农田环境的恶化，另一方面又降低肥料利用效率，导致农作物产量和品质下降[3-5]。因此，通过优化施肥结构和化肥投入量，改变农民长期大量施用化肥的观念显得十分有必要。

近年来，有机肥替代部分化肥施用是农业部门推广的一项重要化肥减量增效技术，也是近期作物栽培领域的研究热点之一。谢军等[6]研究发现有机肥氮替代部分化学氮肥，可促进玉米对氮素的吸收积累和向籽粒的转运，进而提高了玉米的籽粒产量、生物量及氮肥利用效率。蒲瑶瑶等[7]发现等量养分条件下，有机肥替代部分化肥能有效提高西瓜叶绿素含量、光合性能、产量及品质。梁曼恬等[8]研究表明有机肥替代部分化肥可提高放线菌数量和改善土壤状况，同时保持甘蓝产量和品质不下降，是相同条件下冬闲田甘蓝栽培一种稳产合理的施肥模式。也有文献报道有机肥部分替代化肥短期内可显著提高土壤养分的容量和供应强度，调节土壤微生物组成比例，提高土壤酶活性，有利于土壤养分贮存以及作物对土壤养分的吸收利用[9-11]。氮肥减量施用技术也是栽培领域的研究热点之一，该技术旨在探索作物氮养分需求和土壤氮养分供应之间的平衡关系，在保证作物产量和品质的同时，以提高肥料利用率[12]。Singh等[13]和Kumar等[14]开展了氮肥深度减量技术研究，发现氮肥施用量降至60kg·hm-2时，水稻可达到较高产量和较好的品质。Vieira等[15]研究也表明，将氮肥用量降至200kg·hm-2时，可兼顾蔬菜的产量和品质。袁丽敏等[16]研究发现，与习惯施肥量相比，设施辣椒在追肥减氮15%的条件下，产量、肥料利用率及经济效益可达最高。杜详备等[17]研究表明，氮肥减量分施可促进甘薯根系生长发育和分化结薯，提高块根膨大期生物量和分配比例，有利于薯块的膨大和产量的增加。

目前，关于有机肥替代部分化肥、氮肥减施的文献报道多集中在小麦、玉米、水稻、常规叶菜类及瓜类蔬菜栽培中，对甘薯有机肥替代部分化肥、氮肥减施研究相对较少[18-19]。为此，本试验以甘薯为研究对象，设置习惯施肥、配方施肥、有机肥替代部分化肥和氮肥减施等不同施肥处理，分析不同施肥条件对甘薯叶面积指数、产量、土壤肥力、养分吸收量及氮素利用率的影响，以期为江西红壤地区甘薯生产制定科学的施肥方案，构建健康的土壤环境提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于江西省高安市相城镇江西农科西苑试验基地(115°7′ E，28°15′ N，海拔39 m)。该地属亚热带湿润季风气候，四季分明，全年平均气温17.7 ℃，年降雨量1 560 mm，年日照时数 1 667.2 h，年无霜期276 d。试验区土壤类型为红壤，0～20 cm耕层土壤的基础理化性质为有机质17.24 g·kg-1、碱解氮 66.06 mg·kg-1、有效磷 5.26 mg·kg-1、速效钾147 mg·kg-1、pH 5.74。

1.2 试验材料

供试甘薯品种为‘赣薯4号’，由江西省农业科学院作物研究所培育。

供试复合肥(15.0% N、15.0% P2O5、 15.0% K2O，湖北鄂中化工有限公司)由江西省农业科学院作物研究所购自当地农资市场。供试自配掺混肥、有机肥由江苏省农业科学院农业资源与环境研究所提供，其中自配掺混肥所用的氮、磷和钾肥分别为尿素(46% N)、磷酸二铵(18%N，46% P2O5) 和硫酸钾(51.0% K2O)；有机肥为商品有机肥(有机质≥35%，氮磷钾≥5%)，由南京宁粮生物肥料有限公司生产。

1.3 试验设计

试验于2020年5月至11月进行，选择地力均匀、地势平坦的连续田块，5月25日机械整地起垄，5月28日栽插，垄作，垄距75 cm，株距为23 cm，理论株数为58 000株·hm-2，灌溉方式为沟灌，其他田间管理按照当地常规管理进行。试验设5个处理，T1：空白对照，不施肥；T2：习惯施肥，复合肥(NPK:15-15-15)750 kg·hm-2；T3：配方施肥，自配掺混肥、控氮控钾(NPK:16-8-20)750 kg·hm-2；T4：替氮配方施肥，在配方施肥处理的基础上用有机肥氮替代20%的化肥氮；T5：减氮配方施肥，在配方施肥处理的基础上减少20%的化肥氮。其中T2处理的肥料用量为当地甘薯种植常规施用量；T3处理依据前人研究[20]中甘薯丰产试验需氮、磷、钾量的大致比例优化设置；T4、T5处理则分别依据T3等氮量和减氮20%原则设置。各处理3次重复，共15个小区，小区面积35 m2(4.50 m×7.78 m)，随机区组排列。各处理肥料均在小区划好起垄前作基肥一次性施入，后期不再追肥，具体施肥方案如 表1。

表1 不同施肥处理方案Table 1 Fertilization schemes under different treatments

1.4 样品采集及指标测定

试验实施前按照“S”形法采集试验区0～20 cm土层土样，剔除石砾和植物残根等杂物，多个采集点土壤样品混合成一个样，经风干研磨过筛后测定试验区土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有机质、pH等指标。收获期，每个小区按照“S”形法采集 0～20 cm土层土壤，分别测定各小区土壤理化性质。土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；土壤速效磷采用钼锑抗比色法测定；土壤速效钾采用火焰光度法测定；土壤有机质采用重铬酸钾-外加热法测定；土壤pH采用电位计法测定[21]。

分别在甘薯苗栽插后30 d、60 d、90 d和 120 d用Li-3000C叶面积仪测定单株叶面积。于甘薯成熟收获期(2020年11月6-8日)进行小区考种和测产，测定单株结薯数、单个薯块质量、小区产量、商品薯率等指标。采集样品植株，每个小区采取有代表性的甘薯10株，分为茎叶和块根两部分，105 ℃杀青30 min，置于烘箱中80 ℃烘干至恒质量，计算干物质量。样品植株粉碎后用浓H2SO4-H2O2消煮，采用全自动凯氏定氮仪测定植株全氮含量；用钼锑抗比色法测定全磷含量；用火焰光度计测定全钾含量[22]。主要计算公式[23-24]：

叶面积指数(LAI)=单株叶面积×0.6(经验系数)×密度(株数·hm-2)/10 000

养分吸收量=成熟期单位面积植株养分含量(氮、磷、钾)×植株总干物质量

收获指数=鲜薯产量/植株总生物量

氮素收获指数=块根氮素累积量/植株氮素总累积量

氮肥表观利用率=(施氮区氮素累积量-不施氮区氮素累积量)/施氮量×100%

氮肥偏生产力=施氮区产量/施氮量

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0进行数据统计和分析，采用Duncan’s对甘薯叶面积指数、产量、土壤肥力、养分吸收量以及氮素利用率等指标进行多重比较，检验差异显著性(α= 0.05)。

2 结果与分析

2.1 叶面积指数动态变化

叶片是甘薯进行光合作用、制造光合产物的最主要器官，合理的叶面积指数是充分利用光能、提高光合效率、保证薯块高产的主要条件。由图1可知，在甘薯分枝结薯期(移栽后30～60 d)，叶面积指数增长速率从大到小的顺序为T3>T4>T5>T2>T1；在60 d时，各处理叶面积指数达到峰值，分别为3.94、3.80、3.58、2.64、1.85，处理T3、T4、T5与空白对照处理(T1)和习惯施肥处理(T2)相比具有显著差异(P<0.05)，T3显著高于T5(P<0.05)，但与T4无显著差异 (P>0.05)。在薯蔓并长期(60～90 d)，配方施肥各处理(T3、T4、T5)保持较高的叶面积指数，但T3下降速率要显著快于T4和T5。在薯块盛长期(90～ 120 d)，T4和T5保持较高的叶面积指数。试验结果表明，与习惯施肥相比，配方施肥各处理更有利于提高甘薯叶面指数，而配方施肥条件下氮肥减量以及有机化肥氮替代化学氮处理有利于甘薯生长后期保持较高的叶面积指数。

图1 不同施肥处理下甘薯叶面积指数Fig.1 Leaf area index of sweet potato under different fertilization treatments

2.2 不同施肥处理对甘薯产量及产量构成的影响

从图2可见，不同施肥处理的甘薯产量及产量构成因素存在差异。不同施肥处理均可提高甘薯单个薯块质量、块根产量及商品薯率。施肥处理中，单株结薯数、块根产量以减氮施肥处理(T5)处理最高，为4.50个、36 481.5 kg·hm-2，分别是习惯施肥处理(T2)的1.73倍(P<0.05)和1.87倍(P>0.05)。单个薯块质量以配方施肥(T3)处理最高，其次为替氮配方施肥处理(T4)、减氮配方施肥处理(T5)，分别为习惯施肥处理(T2)的1.39倍(P<0.05)、1.25倍(P> 0.05)和1.08倍(P>0.05)。不施肥处理(T1)商品薯率仅有70.99%，各施肥处理后商品薯率显著提高(P<0.05)，其中以配方施肥(T3)处理最高，为93.07%，其次为替氮配方施肥处理(T4)，各施肥处理间差异不显著(P>0.05)。表明与习惯施肥相比，减氮配方施肥更有利于‘赣薯4号’的生长，提高单株结薯数和块根产量。

A.单株结薯数；B.单个薯块质量；C.甘薯块根产量；D.商品薯率。不同小写字母表示不同处理差异显著(P<0.05)，下同

2.3 不同施肥处理对土壤养分含量和pH的影响

由表2可以看出，配方施肥各处理(T3、T4、T5)较不施肥处理(T1)、习惯施肥处理(T2)有效改善了土壤养分含量。不同处理有机质含量表现为T4>T5>T3>T1>T2，其中T3、T4、T5分别较T1和T2分别显著增加了109.01%～ 125.63%(P<0.05)和117.57%～130.91% (P<0.05)，而各配方施肥处理间无显著差异 (P>0.05)。土壤碱解氮含量表现为T5>T3>T1>T4>T2，其中配方施肥各处理(T3、T4、T5)分别较T2增加21.87%、19.04%和27.38%。土壤有效磷含量表现为T2>T5>T3>T4>T1，其中各施肥处理(T2、T3、T4、T5)较T1显著提高了116.54%～234.04%(P<0.05)；而配方施肥各处理(T3、T4、T5)土壤有效磷含量较T2显著降低了30.86%～35.18%(P<0.05)，各配方施肥处理间无显著差异(P>0.05)。土壤速效钾含量表现为T4>T3>T5>T2>T1，其中T3、T4分别较T1和T2显著提高了21.22%、23.90% (P<0.05)和17.77%、20.37%(P<0.05)，T5较T1、T2分别提高13.41%、10.19%，但未达显著差异(P>0.05)。各处理土壤pH 5.43～ 5.66，其中施肥处理土壤pH值较不施肥处理(T1)有所降低，配方施肥各处理(T3、T4、T5)较习惯施肥处理(T2)增加0.05～0.14，但均未达显著差异(P>0.05)。试验结果表明，配方施肥条件下氮肥减量以及有机化肥氮替代部分化学氮能提高土壤中的有机质、碱解氮、速效钾。

表2 不同处理的土壤养分含量与pHTable 2 Soil nutrient content and pH value under different treatments

2.4 不同施肥处理对甘薯养分吸收量的影响

由图3可知，不同施肥处理可以提高甘薯块根和茎叶的氮、磷、钾吸收总量。与不施肥处理(T1)相比，各施肥处理(T2、T3、T4、T5)的氮、磷、钾吸收总量均有不同程度的提高，并达到显著水平(P<0.05)，提高幅度分别为18.46%～ 134.55%、21.29%～109.43%、28.41%～ 112.08%。与习惯施肥处理(T2)相比，配方施肥各处理(T3、T4、T5)的氮、磷、钾养分吸收量均有所提高，茎叶氮、磷、钾吸收量分别提高了 27.50%～55.98%、5.75%～49.87%、12.74%～ 43.05%，块根氮、磷、钾吸收量分别提高了 51.01%～187.02%、44.84%～87.62%、46.76%～80.80%。其中块根氮、磷、钾吸收量以减氮施肥处理(T5)最高，分别为65.96 mg·kg-1、 14.62 mg·kg-1、95.82 mg·kg-1，均较习惯施肥处理(T2)达显著水平(P<0.05)；茎叶氮、磷吸收量以替氮施肥处理(T4)最高，分别为48.31 mg·kg-1、4.99 mg·kg-1，钾吸收量仅次于氮施肥处理(T5)，为52.83 mg·kg-1，T4处理的氮、钾吸收量均显著高于T2处理(P<0.05)。结果表明在配方施肥条件下，适量减氮、有机肥适量替代化肥能够协调甘薯对氮、磷、钾养分的吸收与转化，有利于块根的形成。

A.甘薯氮吸收量；B.甘薯磷吸收量；C.甘薯钾吸收量A.N absorption of sweet potato; B.P absorption of sweet potato; C.K absorption of sweet potato

2.5 不同施肥处理对甘薯氮素利用效率的影响

不同施肥处理的甘薯氮素吸收利用指标结果(表3)显示，甘薯的氮素总积累量为45.54～ 106.82 kg·hm-2；不施肥处理(T1)、习惯施肥处理(T2)的甘薯氮素总积累量较低，分别为45.54、53.95 kg·hm-2，两处理间差异不显著(P> 0.05)；配方施肥各处理T3、T4、T5的氮素总积累量较T2处理显著提高37.52%、58.70%、 98.00%(P<0.05)。不同处理的氮肥表观利用率为7.47%～63.83%；T2处理的氮肥表观利用率最低，为7.47%；T5、T4和T3处理的氮肥表观利用率分别为63.83%、33.40%和23.87%，显著高于T2处理(P<0.05)。不同处理的氮肥偏生产力为173.17～380.02 kg·kg-1，T5、T4和T3处理的氮肥偏生产力分别比T2处理显著提高119.45%、26.47%和25.33%(P<0.05)。氮素收获指数为42.59%～61.75%，与T2相比，仅T5处理的氮素收获指数达显著性差异(P< 0.05)，T3、T4处理的指数均未发生显著性变化(P>0.05)。表明，与习惯施肥相比，配方施肥各处理的氮素总积累量明显增加，氮肥表观利用率和偏生产力显著提高，尤其是本研究条件下减氮20%处理更为明显。

表3 不同处理的甘薯氮素吸收与利用率Table 3 Nitrogen absorption and utilization efficiency of sweet potato under different treatments

3 讨论与结论

甘薯产量的形成离不开光合作用，叶面积指数是表征群体光合能力的一项重要指标。叶面积指数与作物产量密切相关，过小、过大、骤升或骤降均难以获得高产[25-26]。本研究结果表明，配方施肥各处理有利于甘薯生产前期(移栽后60 d内)叶面指数的增大，且配方施肥条件下氮肥减量以及有机化肥氮替代化学氮处理有利于甘薯生长后期(移栽后90～ 120 d)保持较高的叶面积指数。这可能与氮磷钾综合配比施用能够稳步促进甘薯茎叶生长发育，在甘薯膨大期促进地上部光合物质不断向地下部转移有关。配方施肥减氮20%处理(T5)叶面积指数较大且降速慢是其鲜薯产量提高的基础。

本研究发现，在配方施肥各处理中，减氮20%处理(T5)的单株结薯和块根产量最高，分别为习惯施肥处理(T2)的1.73倍和1.87倍。杜备详等[17]研究表明，将施氮量由100 kg·hm-2减至80 kg·hm-2，并将其中一半氮肥在块根形成期追施，可有效促进甘薯根系生长和有效薯块的早期形成，保证单株结薯数，提高块根膨大期生物量和分配比例，促进薯块的膨大和产量的提高，这与本试验结果相一致。Hartemink等[27]、陈晓光等[28]也研究得出，过量施氮使光合产物向地下部块根的运转量减少，导致地上部旺长，降低干物质收获指数；适量减氮可促进甘薯地上部茎叶在生长前期快速生长，塑造相对高效的群体结构，提高群体光合能力，保障干物质生产及其合理分配，进而提高甘薯块根产量。

本研究发现，配方施肥条件下氮肥减量以及有机化肥氮替代部分化学氮处理中的土壤中的有机质、碱解氮、速效钾含量比习惯施肥均有所提高，施肥处理土壤pH较不施肥处理有所降低，但配方施肥各处理较习惯施肥处理略高。柯蓓[19]研究结果也证实，有机肥替代部分化肥能够提高甘薯田土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾的含量。因此，配方施肥条件下氮肥减量以及有机化肥氮替代部分化学氮可以增加土壤有机质含量，提高土壤肥力。

本研究发现，配方施肥各处理处理的氮、磷、钾养分吸收量均有所提高，茎叶氮、磷、钾吸收量分别提高了27.50%～55.98%、5.75%～ 49.87%、12.74%～43.05%，块根氮、磷、钾吸收量分别提高了51.01%～187.02%、44.84%～ 87.62%、46.76%～80.80%。说明氮、磷、钾的合理配施，可以促进甘薯对养分的吸收，这与张洋等[5]研究结论相一致。黄健超等[28]研究发现，随着肥料用量的增加，肥料利用率降低。本研究发现，配方施肥条件下减氮20%，氮肥利用率最高，较习惯施肥增加了53.36%。说明适宜的减施氮肥，可以提高氮肥利用率。

综合以上分析，在本试验条件下，配方施肥减氮20%可显著提高甘薯产量、土壤肥力和氮素积累利用率。说明配方施肥减氮20%是该地区甘薯种植中适宜的氮肥施用量。