紅壤旱地不同栽培措施對甘薯生長及經濟效益的影響與評價

肖富良，呂偉生，韓德鵬，李亞貞，鄭偉，肖小軍，黃天寶，陶國華，王小壇，肖國濱*

（1江西省紅壤研究所/江西省紅壤耕地保育重點實驗室/國家紅壤改良工程技術研究中心/農業(yè)農村部江西耕地保育科學觀測實驗站，南昌 331717；2進賢縣前坊鎮(zhèn)農業(yè)農村辦公室，江西進賢 331712；3安福縣平都鎮(zhèn)農業(yè)農村辦公室，江西安福 343200）

紅壤是我國南方重要的耕地資源，生產潛力大，為我國社會經濟發(fā)展發(fā)揮了重要作用［1，2］。但長期強烈富鋁化和淋溶作用，導致土壤酸化，養(yǎng)分缺乏，保水保肥性差，同時紅壤區(qū)域降水時空分布不勻，干旱頻發(fā)，嚴重限制了該區(qū)農業(yè)的發(fā)展［3］。甘薯是我國重要的糧食作物，由于其適應性廣、抗逆性強等特性，在紅壤旱地廣泛種植。但目前紅壤旱地甘薯栽培方式停留于傳統(tǒng)經驗，沒有有效應對紅壤旱地貧瘠、干旱等特征的栽培措施，無法獲得高產與穩(wěn)產。近年來，隨著勞動力成本的提高和種植效益的降低，紅壤旱地拋荒越來越嚴重，進一步限制了紅壤旱地甘薯產業(yè)的發(fā)展。

針對種植區(qū)域的環(huán)境條件特點，科學合理搭配栽培措施是實現作物高產高效的基礎。薄膜覆蓋具有增溫、保墑、提高降水利用率等優(yōu)點；能改善田間小氣候，促進甘薯植株生長；且能通過增加單株結薯數和單薯鮮重，提高鮮薯產量［4］；對有效應對早春低溫、夏季持續(xù)伏旱、秋季持續(xù)降雨等氣候條件具有重要作用［5，6］。施用鉀肥可提高光合速率和根系吸收能力［7］，促進碳水化合物和糖分的運輸［8］，從而提高單株結薯數和平均單薯鮮質量，顯著提高甘薯產量［9］。秸稈覆蓋可改善土壤理化性質，提高土壤孔隙度和團聚體穩(wěn)定性［10］，增強土壤蓄水保水能力和土壤微生物活動［11］，同時能減少無效蒸發(fā)耗水，提高作物全生育期水分利用效率，節(jié)水增產［12］。保水劑能有效改善土壤水分狀況，改良土壤結構，減少水分深層滲漏，從而提高水分利用率，進而增加葉片數、分枝數和蔓長，顯著提高甘薯產量和經濟效益［13］。但是以上栽培措施基本都是單項的技術研究，在紅壤旱地上進行多項栽培措施綜合應用效果研究與評價的報道較少。因此，筆者將5種主要栽培措施對甘薯農藝性狀、產量性狀和經濟效益的影響進行比較分析，同時基于主成分分析建立綜合評價模型，以期明晰紅壤旱地甘薯適宜的高產、穩(wěn)產栽培措施。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于江西省旱作物良種引育中心（116°20′24″E，28°15′30″N），土壤母質為第四紀紅色黏土，屬于典型亞熱帶紅壤分布區(qū)。0～20 cm耕層土壤含有機質17.8 g/kg、全氮1.1 g/kg、堿解氮102.8 mg/kg、有效磷18.6 mg/kg、速效鉀66.3 mg/kg，pH值為5.3。試驗期間日平均氣溫和降水量變化如圖1所示。

圖1 甘薯試驗季日平均氣溫和降水量Fig.1 Average daily temperature and rainfall of sweet potato experimental season

1.2 材料及處理

供試品種為贛薯2號。試驗設置5個處理：T1.黑膜覆蓋，T2.增施鉀肥（K2O，300 kg/hm2），T3.保水劑應用（高吸水樹脂SAP，30 kg/hm2），T4.稻草覆蓋（厚度為2～3 cm），T5.常規(guī)栽培（對照）。黑膜覆蓋為整壟覆蓋后破膜栽插薯苗；增施鉀肥為栽插前鉀肥全部均勻條施；保水劑為中國石化集團生產的聚丙烯鈉鹽，施用時將保水劑與細土按1∶10比例混合均勻后條施，再栽插薯苗；稻草覆蓋為起壟后覆蓋2～3 cm稻草，再栽插薯苗。采用隨機區(qū)組設計，每個處理3次重復，小區(qū)面積20 m2，5行區(qū)，壟距80 cm，株距25 cm。施用硫酸鉀復合肥（N∶P∶K=15∶15∶15）900 kg/hm2作底肥。2019年6月15日栽插，11月26日統(tǒng)一收獲。

1.3 測定方法

（1）農藝性狀調查方法參考甘薯種質資源描述規(guī)范［14］。

（2）干物率測定。將中等大小薯塊切成絲，取500 g，于60℃烘箱中烘至較干燥，再于105℃烘至恒重，計算干物率。

（3）葉片SPAD值測定。于甘薯膨大期（9月16日），采用SPAD-502型葉綠素測定儀測定倒4葉上部、中部和下部3個點的SPAD值，計算其平均值。

1.4 統(tǒng)計分析

采用Excel 2007進行數據處理，采用DPS7.5進行方差分析，運用Spss17.0軟件進行相關性分析和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 產量性狀

不同栽培措施對產量性狀的影響見表1。相比常規(guī)栽培（T5），其它栽培措施均能增加地上部分產量、鮮薯產量和生物產量，但降低了經濟系數。說明其它栽培措施促進地上部分生長的效果要優(yōu)于地下部分。黑膜覆蓋（T1）、增施鉀肥（T2）和稻草覆蓋（T4）處理的鮮薯產量顯著高于對照，分別提高了34.3%、18.2%和9.2%，保水劑應用（T3）處理的鮮薯產量比T5提高了1.7%，但薯干產量降低了0.5%，經濟系數最小，僅促進了地上部分生長，增產效果不明顯。

表1 不同栽培措施的甘薯產量及經濟系數Table 1 Yield and Economic coefficient of sweet potato under different cultivation measures

2.2 農藝性狀

不同栽培措施對農藝性狀的影響見表2。相比常規(guī)栽培（T5），其它栽培措施均能增加蔓長和單薯鮮質量，降低單株結薯數、干物率和R/T值。根據鮮薯產量構成要素分析，黑膜覆蓋（T1）、增施鉀肥（T2）和稻草覆蓋（T4）主要通過增加單薯鮮質量而顯著提高了鮮薯產量。增施鉀肥（T2）處理莖粗最高，表明鉀肥能通過提高莖粗來促進光合產物的轉運。黑膜覆蓋（T1）能顯著提高分枝數，說明黑膜覆蓋處理通過提高蔓長和分枝數共同促進了地上部分生長。

表2 不同栽培措施下甘薯農藝性狀比較Table 2 Comparison of agronomic characters of sweet potato under different cultivation measures

2.3 經濟效益分析

綜合經濟效益分析表明（表3），黑膜覆蓋（T1）經濟效益最高，但需要較高的人工投入；增施鉀肥（T2）產投系數最高，僅需額外增加肥料投入，就能獲得較高的經濟收益；保水劑應用（T3）和稻草覆蓋（T4）產投系數均小于常規(guī)栽培（T5），經濟效益較差，不適宜在紅壤旱地應用。

表3 不同栽培措施的經濟效益分析Table 3 Economic benefit analysis of different cultivation measures

2.4 相關性分析

由表4可知，莖粗和SPAD值與其它性狀均無顯著相關性；干物率與蔓長、分枝數、單薯鮮質量、鮮薯產量和生物產量均呈顯著負相關，表明不同栽培措施在促進植株（地上部和地下部）生長的同時會降低干物率；鮮薯產量與蔓長、分枝數、生物產量和經濟系數均呈極顯著正相關，薯干產量與蔓長、分枝數、鮮薯產量和生物產量呈顯著或極顯著正相關，可見地上部的生長是地下部塊根營養(yǎng)儲藏的基礎，好的栽培措施首先要以促進地上部分生長為前提；產量構成要素中單株結薯數與R/T值和經濟系數呈顯著正相關，單薯鮮質量與蔓長、地上部產量和生物產量呈顯著或極顯著正相關，與干物率呈顯著負相關，說明促進光合產物的轉化能提高單株結薯數，而促進地上部分生長能提高單薯鮮質量，但不能增加單株結薯數。

表4 不同栽培措施下農藝性狀和產量性狀的相關系數Table 4 Correlation analysis of main agronomic characters and yield traits in different cultivation measures

2.5 主成分分析和綜合評價

根據特征值＞1的標準提取了3個主成分（表5），其累計貢獻率達96.27%，解釋了13個變量的大部分信息。主成分PC1解釋了61.86%的總變異信息，具有較大特征值的是蔓長（0.976）、分枝數（0.832）、單薯鮮質量（0.948）、干物率（-0.897）、地上部產量（0.952）、鮮薯產量（0.927）、生物產量（0.986）和薯干產量（0.851），主要反映產量性狀；主成分PC2包含了原始信息的22.31%，具有較大特征值的是單株結薯數（0.791）、R/T值（0.777）和經濟系數（0.838），主要反映經濟性狀；主成分PC3包含了原始信息的12.11%，所攜帶的信息主要是莖粗（0.848）和SPAD值（0.606），主要反映光合產物（生產與運輸）性狀。

表5 不同栽培措施下的主要性狀主成分分析Table 5 Principal component analysis of main traits of different cultivation measures

根據3個主成分特征向量分析和各性狀指標數值的標準化處理數據，建立線性回歸方程：

PC1=0.121×Zscore（X1）+0.046×Zscore（X2）+0.103×Zscore（X3）-0.060×Zscore（X4）+0.118×Zscore（X5）-0.054×Zscore（X6）-0.112×Zscore（X7）-0.078×Zscore（X8）+0.118×Zscore（X9）+0.115×Zscore（X10）+0.123×Zscore（X11）-0.066×Zscore（X12）+0.106×Zscore（X13）；

PC2=0.038×Zscore（X1）+0.006×Zscore（X2）+0.181×Zscore（X3）+0.273×Zscore（X4）-0.073×Zscore（X5）-0.140×Zscore（X6）-0.108×Zscore（X7）+0.268×Zscore（X8）-0.104×Zscore（X9）+0.126×Zscore（X10）+0.052×Zscore（X11）+0.289×Zscore（X12）+0.123×Zscore（X13）；

PC3=0.118×Zscore（X1）+0.539×Zscore（X2）-0.074×Zscore（X3）+0.238×Zscore（X4）-0.151×Zscore（X5）+0.385×Zscore（X6）+0.184×Zscore（X7）-0.020×Zscore（X8）+0.036×Zscore（X9）+0.024×Zscore（X10）+0.030×Zscore（X11）-0.073×Zscore（X12）+0.236×Zscore（X13）。

以各主成分對應的方差貢獻率作為權重系數，建立綜合評價模型：F=（61.86×PC1+22.31×PC2+12.11×PC3）/96.27。由各主成分的線性回歸方程及綜合評價模型，計算得出不同栽培措施各主因子得分和綜合得分（表6），排序為黑膜覆蓋（T1）＞增施鉀肥（T2）＞稻草覆蓋（T4）＞保水劑應用（T3）＞常規(guī)栽培（T5）。黑膜覆蓋（T1）在產量性狀和經濟指標上表現優(yōu)異，在光合產物性狀得分較差；增施鉀肥（T2）在光合產物性狀表現優(yōu)異；稻草覆蓋（T4）和保水劑應用（T3）3個性狀均表現較差；常規(guī)栽培（T5）在經濟指標上表現優(yōu)異。對于甘薯而言，黑膜覆蓋（T1）和增施鉀肥（T2）較為適宜紅壤旱地應用，而保水劑應用（T3）和稻草覆蓋（T4）不適宜在紅壤旱地應用。

表6 不同栽培措施的綜合得分及排名Table 6 Comprehensive score of main traits ofdifferent cultivation measures

3 討論

3.1 不同栽培措施對甘薯產量構成要素的影響

密度、單株結薯數和單薯鮮質量3個因素構成了甘薯的產量，而在栽培密度一定時，主要由單株結薯數和單薯鮮質量決定產量。黑膜覆蓋能通過增加地溫、保肥保水、抑制雜草，從而改善甘薯生長環(huán)境，提高水分利用效率，促進作物生長，提高單薯鮮質量，達到增產效果［6，15-17］。而受研究環(huán)境和品種特性等影響，單株結薯數變化規(guī)律在不同研究中存在較大差異。本研究結果顯示，黑膜覆蓋減少了單株結薯數，僅靠增加單薯鮮質量顯著提高了鮮薯產量。這與蘭孟焦等［18］、李江輝等［15］研究結果一致，與王翠娟等［4］、丁凡等［19］研究結果不一致。稻草覆蓋可增強土壤微生物活動，提高土壤肥力，促進甘薯增產［5，20］。本研究結果顯示，稻草覆蓋減少了單株結薯數，增加了單薯鮮質量，顯著提高了鮮薯產量。而趙慶云等［21］研究表明，稻草覆蓋通過增加單株結薯數和單薯鮮質量共同提高鮮薯產量。甘薯在莖葉封壟期，單株結薯數基本穩(wěn)定［22］，因此單株結薯數受封壟期前氣候條件和覆蓋栽培增溫保墑效果等因素共同影響。由于本試驗甘薯封壟期前氣溫均穩(wěn)定在20℃以上，且大部分降水均集中這一時期，而黑膜和稻草覆蓋能阻擋降水進入膜下土壤，從而降低了土壤含水量［6］，所以相比常規(guī)裸地栽培，覆蓋栽培在封壟前期促進幼根生長發(fā)育的效果大于其增溫效果，進而影響了單株結薯數。

施鉀能提高甘薯光合特性［7］，促進光合產物的轉運［8］，加速塊根中碳的同化［9］，從而提高甘薯單株結薯數［9，23-25］和單薯鮮質量，最終顯著增產。鉀素缺乏是我國南方紅壤地區(qū)主要障礙因素之一［26］。本試驗地0～20 cm土壤速效鉀含量僅為66.3 mg/kg，因此增施鉀肥能顯著提高鮮薯產量。但隨著鉀肥施用量的增加，單株結薯數和鮮薯產量不再增加，甚至會降低［25，27］。本試驗中增施鉀肥減少了單株結薯數，這與史春余等［28］的研究結果一致。

前人研究表明，保水劑能夠吸收和保存降水，提高土壤含水量，改善土壤結構［29，30］，提高單株結薯數和單薯鮮質量［31］，顯著提高鮮薯產量和薯干產量［13］。本研究結果顯示，紅壤旱地施用保水劑顯著降低了單株結薯數，而單薯鮮質量和鮮薯產量增加不顯著。雷巧等［32］通過研究不同水分條件下保水劑對冬小麥產量及水分利用效率的影響，發(fā)現灌水量為0～40 cm土壤田間持水量的20%和80%時，施用保水劑增產不顯著，為40%和60%時增產達極顯著水平，表明低灌水水平與高灌水水平下，均不利于保水劑發(fā)揮增產效果，而中灌水水平下施用保水劑才能起到顯著增產效果。可能由于整個試驗季降水偏少，導致本研究中保水劑增產效果不顯著。

3.2 基于主成分分析的綜合評價體系

主成分分析能將原始的多個指標綜合成幾個不相關的新指標，對原始指標所包含的信息進行解釋，已廣泛應用于百香果［33］、草莓［34］、黃 瓜［35］、葛根［36］、黃芪［37］、番茄［38］、木薯［39］等多種作物栽培技術評價。根據主成分分析結果，對紅壤旱地甘薯5種不同栽培措施進行綜合評價，第1成分主要綜合了產量性狀（蔓長、分枝數、單薯重、干物率、地上部分產量、鮮薯產量、生物產量和薯干產量），貢獻率高達61.86%，所以高產是優(yōu)異栽培措施首要的評價指標。第2成分包含了原始信息的22.31%，主要由單株結薯數、R/T值和經濟系數等經濟指標決定，是協(xié)調地下塊莖與地上蔓莖的重要指標。第3成分的貢獻率為12.11%，其大小主要由光合產物性狀（莖粗和SPAD值）決定，主要反映光合產物的生產與轉運能力。這些與實際生產中要求的高產、經濟系數高、光合生產與運輸能力強的目標相一致，即甘薯源、流、庫關系協(xié)調是甘薯獲得高產的關鍵［40］。通過對前3個主成分的線性回歸方程和貢獻率建立了綜合評價模型，結果表明，黑膜覆蓋和增施鉀肥綜合得分最高，較為適宜紅壤旱地應用，保水劑和稻草覆蓋綜合得分也超過常規(guī)栽培，但3個主成分得分均為負數，說明以本研究中的13個指標來評價，保水劑和稻草覆蓋不適宜在紅壤旱地應用。通過主成分分析了解不同栽培措施下甘薯各性狀的優(yōu)劣表現，并建立綜合評價模型，為紅壤旱地不同栽培措施的評價與應用提供了參考。

4 結論

不同栽培措施促進地上部分生長的效果要優(yōu)于地下部分，而促進光合產物的轉化能提高單株結薯數，所以生產中還需要搭配控旺技術來調節(jié)源庫關系、提高經濟系數和R/T值，從而獲得高產。通過主成分分析建立的綜合評價模型為不同栽培措施的評價提供了科學方法。分析認為，黑膜覆蓋和增施鉀肥能顯著提高鮮薯產量和產投系數，較為適宜紅壤旱地應用；而保水劑應用和稻草覆蓋降低了產投系數，不適于該地區(qū)。