基于“3414”试验的红心甘薯新品种‘莆薯17’优化施肥技术研究

钟玉扬，崔纪超，余金姜，武小霞，洪鼎剀，郑建扬

（莆田市农业科学研究所，福建莆田 351100）

0 引言

中国是世界上最大甘薯生产国，2019年中国甘薯种植面积和甘薯产量分别占世界甘薯生产总量的30.55%和56.62%[1]。甘薯因营养价值高、保健作用突出而深受消费者喜爱[2]。甘薯富含多种人体必需的营养物质，其中红心甘薯富含β-胡萝卜素，对儿童维生素A 缺乏有明显的改善作用[3]。β-胡萝卜素被人体吸收后，可转化为维生素A，在维护上皮组织细胞健康、增强人体免疫力、促进生长和生殖特别是维护正常视觉功能方面有着重要作用[4]。近年来，随着甘薯的营养价值重新被人们认识，甘薯已经由传统的粮食、饲料作物转变为效益型作物，种植甘薯经济效益显著增加，许多地区将甘薯作为特色作物和增收优势作物[5]。氮磷钾是作物生长发育过程中所必需的三大主要营养元素。甘薯生产过程中，每生成500 kg薯块、茎叶，就要供应氮1.75 kg、磷0.75 kg、钾2.9 kg[6]。氮营养与甘薯产量关系密切，一定范围内，增施氮肥可提高甘薯产量，但过高导致甘薯地上部茎叶徒长，块根产量降低[7]。相对于氮钾，甘薯对磷肥需求量较少，但磷肥能促进碳水化合物的合成、转运与储存，增加薯块干物质含量[8]，有利于产量提高。甘薯是典型的喜钾作物，增施钾肥能够提高碳同化物在块根中的分配比例，促进块根迅速膨大[9]，增加块根产量。但作物中营养元素并不是独立调控的，氮磷钾之间存在协同机制以实现作物不同营养的平衡[10]。氮磷钾合理配施才能提高甘薯产量[11]。然而，甘薯生产中施肥不合理现象仍然比较普遍。张辉等[12]对长江中下游甘薯种植农户施肥状况调查表明，配方肥施用仍然不足，氮肥施用趋于合理，磷肥用量偏高，钾肥用量仍有欠缺。因此，根据田间肥效试验，制定合理的施肥措施对提高甘薯产量、节约肥料成本、增加薯农经济效益具有现实意义。

氮磷钾“3414”试验设计是三因素四水平肥料试验，该方案具有回归最优设计处理少、效率高的优点[13]。试验结果可运用全部14 个处理建立氮磷钾三因素、二因素、单因素肥效模型，分析得出作物的氮磷钾3种肥料推荐施用量[14]。作为一种先进的科学施肥手段，已在田间试验中广泛应用[15-17]。‘莆薯17’是莆田市农业科学研究所以‘美F8-18’为母本通过集团杂交选育而成的红心甘薯新品种[登记编号GPD 甘薯(2022)350088]。该品种鲜薯产量高、抗病性强、胡萝卜素含量高，符合当前市场消费需求，具有良好的应用前景。本研究采用“3414”试验设计方案，研究氮磷钾不同施用量对‘莆薯17’产量的影响，通过肥料效应模型获得推荐施肥参数，以期为该品种推广应用和高产高效栽培提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与材料

试验于2021 年在福建省莆田市农业科学研究所黄石清前试验基地进行。试验地前茬为水稻，土壤为粘质壤土，pH 7.26，有机质含量15.52 g/kg，碱解氮64.8 mg/kg，有效磷135.6 mg/kg，速效钾252 mg/kg。供试品种为莆田市农业科学研究所选育的红心甘薯新品种‘莆薯17’，2021 年7 月23 日栽插，2021 年12 月7日收获，全生育期137 d。当年鲜薯售价为1.5 元/kg，供试氮肥为尿素(N≥46%)，磷肥为过磷酸钙(P2O5≥12%)，钾肥为硫酸钾(K2O≥51%)。肥料单价折N、P2O5、K2O分别为6.96、7.50、9.02元/kg。

1.2 试验方法

试验采用“3414”肥料效应完全试验方案。试验设氮磷钾3 个肥料因素，每个因素4 个施肥水平，即0 水平(CK)，不施肥；2水平，当地推荐的施肥量；1水平，施肥量为2 水平的0.5 倍；3 水平，施肥量为2 水平的1.5倍。试验设14 个处理（表1）。试验小区长6 m，每个小区4 行，垄距1 m，小区面积24 m2，随机区组排列，3次重复。所有肥料均在起垄作畦时作基肥一次性施用，田间管理按常规方法进行。收获时各小区单独全部收获，统计鲜薯产量并计算单位面积产量。

表1 ‘莆薯17’施肥试验设计方案和施肥量

1.3 统计分析

采用Excel 2003对试验数据进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对‘莆薯17’产量的影响

测产结果（表2）显示，14 个施肥处理鲜薯产量在21542.74～52877.64 kg/hm2之间。其中处理10(N2P2K3)鲜薯产量最高，为52877.64 kg/hm2；处理7(N2P2K3)鲜薯产量次之，为52377.61 kg/hm2；处理1 (N0P0K0)鲜薯产量最低，仅为21542.74 kg/hm2。各施肥处理产量均比对照区产量高，表明施肥处理有明显增产效果，氮磷钾配施能有效提高甘薯产量。

表2 不同施肥处理‘莆薯17’鲜薯产量

2.2 土壤养分丰缺状况

《测土配方施肥技术规范》[18]土壤养分等级划分建议[相对产量=(缺素区产量/全肥区产量)×100%]，相对产量＜50%为极低，相对产量50%～60%（不含）为低，相对产量60%～70%（不含）为较低，相对产量70%～80%（不含）为中，相对产量80%～90%（不含）为较高，相对产量≥90%为高。由表3可知，空白对照区的相对产量为41.26%，表明该试验地肥力极低。无氮区的相对产量为56.11%，无磷区的相对产量为80.05%，无钾区的相对产量为50.60%。

表3 土壤丰缺状况

2.3 单因素肥料效应

2.3.1 氮肥肥料效应通过处理2、处理3、处理6、处理11 4个数据组建立不同施氮量与‘莆薯17’鲜薯产量的回归模型，如式(1)所示。

从图1可知，鲜薯产量随施氮量增加呈现先增后减趋势。求解方程得出，当最大氮肥施用量201.45 kg/hm2时，对应最大鲜薯产量为53896.26 kg/hm2；最佳氮肥施用量为197.56 kg/hm2时，最佳鲜薯产量为53887.26 kg/hm2。

图1 氮肥肥料效应

2.3.2 磷肥的肥料效应通过处理4、处理5、处理6、处理7 4个数据组建立不同施磷量与‘莆薯17’鲜薯产量的回归模型，如式(2)所示。

从图2可知，鲜薯产量随着施磷量增加呈现先增后减趋势。求解方程得出，当最大磷肥施用量100.89 kg/hm2时，对应最大产量为53328.87 kg/hm2；最佳磷肥施用量为98.62 kg/hm2时，最佳产量为53323.20 kg/hm2。

图2 磷肥肥料效应

2.3.3 钾肥的肥料效应通过处理8、处理9、处理6、处理10 4 个数据组建立不同施氮量与‘莆薯17’鲜薯产量的回归模型，如式(3)所示。

从图3可知，鲜薯产量随着施钾量增加呈现先增后减趋势。求解方程得出，当最大钾肥施用量360.59 kg/hm2时，对应最大产量为54823.63 kg/hm2；最佳钾肥施用量为346.469 kg/hm2时，最佳产量为54781.17 kg/hm2。

图3 钾肥肥料效应

2.4 氮磷钾二因素肥料互作效应及最佳施肥量

2.4.1 氮磷钾互作效应在钾肥施用量为K2水平条件下，氮肥施用量N1水平增加到N2，P1水平增产3926.86 kg/hm2，P2水平增产1666.75 kg/hm2（图4），说明增加磷肥用量会减弱或抑制氮肥肥效作用。在磷肥施用量为P2水平时，氮肥施用量从N1水平增加到N2水平，钾肥K1水平增产583.36 kg/hm2，钾肥K2水平增产1666.75 kg/hm2，说明适量增施钾肥对氮肥有明显促进作用。

图4 磷钾互作

在钾肥施用量为K2水平条件下，磷肥施用量从P1水平增加到P2水平，氮肥N1水平增产3583.51 kg/hm2，氮肥N1水平增产1333.40 kg/hm2（图5），说明氮肥增加用量会减弱磷肥肥效的发挥。在氮肥施用量为N2水平时，磷肥施用量从P1水平增加到P2水平，钾肥K1水平减产3292.54 kg/hm2，钾肥K2水平增产133.40 kg/hm2，说明适量增施钾肥有利于磷肥肥效的发挥。

图5 氮钾互作

在磷肥施用量为P2水平条件下，钾肥施用量从K1水平增加到K2水平，氮肥N1水平增产2916.81 kg/hm2，氮肥N2水平增产4000.20 kg/hm2（图6），说明增施氮肥对钾肥肥效的有正向作用。在氮施用量为N2水平时，钾肥施用量从K1水平增加到K2水平，磷肥P1水平增产3291.83 kg/hm2，磷肥P2水平增产4000.20 kg/hm2，说明增施适量磷肥有利于钾肥肥效的发挥。

图6 氮磷互作

2.4.2 氮磷钾互作效应及最佳施肥量根据表1 数据，通过处理2～7、11、12的结果建立以钾肥施用量K2水平为基础的氮磷二元二次肥料效应方程，通过处理2、3、6、8～11、13的结果建立以磷肥施用量P2水平为基础的氮钾二元二次肥料效应方程，通过处理4～11、14 的结果建立以氮肥施用量N2水平为基础的磷钾二元二次肥料效应方程。拟合结果（表4）显示，各组方程F值均大于F0.05值，拟合方程检验达到显著水平，且二次项均为负值，一次项均为正值，符合肥料报酬递减律。各互作效应R2较高，说明拟合度较好。根据表4 采用微分偏导数法求解得到氮磷钾肥料施用量及对应的最高产量、最佳产量（表5）。

表4 二元二次肥料效应模型拟合结果

表5 二元二次方程下施肥量与产量 kg/hm2

2.5 三因素肥料效应

根据氮、磷、钾肥不同施用量对鲜薯产量的影响，将表2 的试验结果用Excel 2003 进行回归分析，拟合得到三元二次肥料效应方程，如式(4)所示。

式中，X1、X2、X3分别为氮肥、磷肥和钾肥折纯用量，Y为鲜薯产量。

经F检验，F=48.84＞F0.05=0.0010，R2=0.9910，回归拟合较好，可以进行回归模拟。对方程进行求偏导并求解得出，在本试验条件下，鲜薯获得最高产量(55646.98 kg/hm2)时的最大施肥量分别为氮肥206.88 kg/hm2、磷肥100.37 kg/hm2、钾肥252.86 kg/hm2。在肥料价格氮肥6.96元/kg、磷肥7.50元/kg、钾肥9.02元/kg、鲜薯销售价格1.5元/kg条件下，求得氮肥最佳施肥量为199.42 kg/hm2、磷肥最佳施肥量为95.40 kg/hm2、钾肥最佳施肥量为238.50 kg/hm2，对应的最佳鲜薯产量为55574.07 kg/hm2。

2.6 不同施肥处理经济效益分析

由于不同施肥处理的管理成本相同，本研究计算经济效益时只考虑肥料成本，如式(5)～(7)。

其中，氮肥、磷肥、钾肥对照分别为N2P0K2、N2P0K2、N2P2K0。

从表6可见，中氮中磷高钾时产量和产值最高，分别为52877.64 kg/hm2、79316.47 元/hm2。中氮中磷中钾时收益最好，为73234.12 元/hm2。产投比中氮中磷低钾时最高，为18.75。各施肥处理的收益和产投比随着氮、磷、钾肥施用量的增加呈先升后降趋势。

表6 不同施肥处理经济效益分析

3 讨论

施肥是甘薯养分的主要来源，施用氮磷钾均对甘薯具有极显著增产效果[19]，氮磷钾合理配施是甘薯高产稳产的有效栽培措施[20]。本研究试验条件下，缺素相对产量结果表明，氮磷钾3 种肥料对‘莆薯17’产量增产效应依次为钾肥＞氮肥＞磷肥，这与冉园园等[21]研究不同地貌甘薯种植区氮磷钾增产效应结论一致。研究表明，甘薯不同生育阶段吸收氮磷钾的强度和数量不同[22]，与氮磷相比，全生育期吸收钾最多，块根膨大阶段尤为明显[23]。

本研究通过开展“3414”肥料效应试验，建立以‘莆薯17’产量为因变量、氮磷钾肥为自变量的肥料效应模型，方差分析表明，肥料效应模型的F值均大于F0.05，差异达显著水平。从单因素肥料效应分析，氮、磷、钾3个因素的产量均呈先升后降的趋势，3种肥料对产量的单因素效应达最大值时，氮磷钾的施用量分别为201.45、100.89、257.56 kg/hm2，N:P:K=1:0.5:1.28。这一结果与李慧峰等[24]、王和寿等[25]研究结果趋势一致。王艳等[26]研究赤红壤区粉葛的肥效效应，结果表明，P、N均与K呈负交互作用。本研究两因素互作分析，氮磷呈负交互作用，氮钾、磷钾均呈正交互作用，与前人研究结果不一致，主要可能是作物不同导致。本研究模拟的氮磷钾施用量与‘莆薯17’产量的效应函数寻优结果，三元二次方程中P0.05最小，拟合度最高，可作施肥推荐，即鲜薯获得最高产量(55646.98 kg/hm2)时的最大施肥量分别为氮肥206.88 kg/hm2、磷肥100.37 kg/hm2、钾肥252.86 kg/hm2，N:P:K=1:0.49:1.22。氮肥最佳施肥量为199.42 kg/hm2、磷肥最佳施肥量为95.40 kg/hm2、钾肥最佳施肥量为238.50 kg/hm2，对应的最佳鲜薯产量为55574.07 kg/hm2，N:P:K=1:0.48:1.2。这一结果与前人研究结果略有差异，但趋势一致[24-25]。主要原因是甘薯对氮磷钾吸收比例因甘薯品种和生产条件变化产生一定差异[22]。

由于各年度鲜薯和肥料的价格售价变化很大，对收益和产投比影响较大。因此，要根据当年度肥料价格，以及对收获时甘薯价格的合理预测，寻找最高产投比来确定肥料配比，以获得最佳收益。本研究只对主栽因素氮磷钾施用量进行试验，其他影响因素如种植密度、施肥方式等有待进一步研究。

4 结论

合理配施氮磷钾可以提高‘莆薯17’产量，氮磷钾3种肥料对‘莆薯17’产量增产效应依次为钾肥＞氮肥＞磷肥，氮、磷、钾3 个因素的单因素肥料效应均呈先升后降的趋势。氮磷钾之间互作均可影响‘莆薯17’产量。氮磷钾施用量与‘莆薯17’产量的效应函数寻优结果，鲜薯获得最高产量(55646.98 kg/hm2)时的最大施肥量分别为氮肥206.88 kg/hm2、磷肥100.37 kg/hm2、钾肥252.86 kg/hm2，氮磷钾配比为1:0.49:1.22。氮肥最佳施肥量为199.42 kg/hm2、磷肥最佳施肥量为95.40 kg/hm2，钾肥最佳施肥量为238.50 kg/hm2，对应的最佳鲜薯产量为55574.07 kg/hm2，氮磷钾配比为1:0.48 :1.2。