不同施肥處理對甘薯產(chǎn)量及土壤肥力與氮素利用的影響

蘭孟焦，張 輝，肖滿秋，潘 皓，侯隆英，張永春，吳問勝

(1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物研究所，南昌 330200；2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，南京 210014)

甘薯(IpomoeabatatasL.)是重要的糧食、飼料、工業(yè)原料及新型能源塊根作物[1]，富含多種營養(yǎng)成分和生物活性因子，具有預(yù)防癌癥、延緩衰老、增強(qiáng)免疫力等保健功效，在保障國家糧食、能源安全和實施鄉(xiāng)村振興、健康中國戰(zhàn)略中發(fā)揮著重要的作用。目前江西省甘薯種植面積達(dá)14.6萬hm2[2]，是全省種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的特色優(yōu)勢農(nóng)作物之一。近年來，隨著中國國民可支配收入的增加和保健意識的不斷增強(qiáng)，甘薯種植面積日益擴(kuò)大。然而，化肥的不合理施用，尤其是過量施肥一方面加劇農(nóng)田環(huán)境的惡化，另一方面又降低肥料利用效率，導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降[3-5]。因此，通過優(yōu)化施肥結(jié)構(gòu)和化肥投入量，改變農(nóng)民長期大量施用化肥的觀念顯得十分有必要。

近年來，有機(jī)肥替代部分化肥施用是農(nóng)業(yè)部門推廣的一項重要化肥減量增效技術(shù)，也是近期作物栽培領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。謝軍等[6]研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥氮替代部分化學(xué)氮肥，可促進(jìn)玉米對氮素的吸收積累和向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而提高了玉米的籽粒產(chǎn)量、生物量及氮肥利用效率。蒲瑤瑤等[7]發(fā)現(xiàn)等量養(yǎng)分條件下，有機(jī)肥替代部分化肥能有效提高西瓜葉綠素含量、光合性能、產(chǎn)量及品質(zhì)。梁曼恬等[8]研究表明有機(jī)肥替代部分化肥可提高放線菌數(shù)量和改善土壤狀況，同時保持甘藍(lán)產(chǎn)量和品質(zhì)不下降，是相同條件下冬閑田甘藍(lán)栽培一種穩(wěn)產(chǎn)合理的施肥模式。也有文獻(xiàn)報道有機(jī)肥部分替代化肥短期內(nèi)可顯著提高土壤養(yǎng)分的容量和供應(yīng)強(qiáng)度，調(diào)節(jié)土壤微生物組成比例，提高土壤酶活性，有利于土壤養(yǎng)分貯存以及作物對土壤養(yǎng)分的吸收利用[9-11]。氮肥減量施用技術(shù)也是栽培領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，該技術(shù)旨在探索作物氮養(yǎng)分需求和土壤氮養(yǎng)分供應(yīng)之間的平衡關(guān)系，在保證作物產(chǎn)量和品質(zhì)的同時，以提高肥料利用率[12]。Singh等[13]和Kumar等[14]開展了氮肥深度減量技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)氮肥施用量降至60kg·hm-2時，水稻可達(dá)到較高產(chǎn)量和較好的品質(zhì)。Vieira等[15]研究也表明，將氮肥用量降至200kg·hm-2時，可兼顧蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)。袁麗敏等[16]研究發(fā)現(xiàn)，與習(xí)慣施肥量相比，設(shè)施辣椒在追肥減氮15%的條件下，產(chǎn)量、肥料利用率及經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)最高。杜詳備等[17]研究表明，氮肥減量分施可促進(jìn)甘薯根系生長發(fā)育和分化結(jié)薯，提高塊根膨大期生物量和分配比例，有利于薯塊的膨大和產(chǎn)量的增加。

目前，關(guān)于有機(jī)肥替代部分化肥、氮肥減施的文獻(xiàn)報道多集中在小麥、玉米、水稻、常規(guī)葉菜類及瓜類蔬菜栽培中，對甘薯有機(jī)肥替代部分化肥、氮肥減施研究相對較少[18-19]。為此，本試驗以甘薯為研究對象，設(shè)置習(xí)慣施肥、配方施肥、有機(jī)肥替代部分化肥和氮肥減施等不同施肥處理，分析不同施肥條件對甘薯葉面積指數(shù)、產(chǎn)量、土壤肥力、養(yǎng)分吸收量及氮素利用率的影響，以期為江西紅壤地區(qū)甘薯生產(chǎn)制定科學(xué)的施肥方案，構(gòu)建健康的土壤環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于江西省高安市相城鎮(zhèn)江西農(nóng)科西苑試驗基地(115°7′ E，28°15′ N，海拔39 m)。該地屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，全年平均氣溫17.7 ℃，年降雨量1 560 mm，年日照時數(shù) 1 667.2 h，年無霜期276 d。試驗區(qū)土壤類型為紅壤，0～20 cm耕層土壤的基礎(chǔ)理化性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)17.24 g·kg-1、堿解氮 66.06 mg·kg-1、有效磷 5.26 mg·kg-1、速效鉀147 mg·kg-1、pH 5.74。

1.2 試驗材料

供試甘薯品種為‘贛薯4號’，由江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所培育。

供試復(fù)合肥(15.0% N、15.0% P2O5、 15.0% K2O，湖北鄂中化工有限公司)由江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所購自當(dāng)?shù)剞r(nóng)資市場。供試自配摻混肥、有機(jī)肥由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所提供，其中自配摻混肥所用的氮、磷和鉀肥分別為尿素(46% N)、磷酸二銨(18%N，46% P2O5) 和硫酸鉀(51.0% K2O)；有機(jī)肥為商品有機(jī)肥(有機(jī)質(zhì)≥35%，氮磷鉀≥5%)，由南京寧糧生物肥料有限公司生產(chǎn)。

1.3 試驗設(shè)計

試驗于2020年5月至11月進(jìn)行，選擇地力均勻、地勢平坦的連續(xù)田塊，5月25日機(jī)械整地起壟，5月28日栽插，壟作，壟距75 cm，株距為23 cm，理論株數(shù)為58 000株·hm-2，灌溉方式為溝灌，其他田間管理按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理進(jìn)行。試驗設(shè)5個處理，T1：空白對照，不施肥；T2：習(xí)慣施肥，復(fù)合肥(NPK:15-15-15)750 kg·hm-2；T3：配方施肥，自配摻混肥、控氮控鉀(NPK:16-8-20)750 kg·hm-2；T4：替氮配方施肥，在配方施肥處理的基礎(chǔ)上用有機(jī)肥氮替代20%的化肥氮；T5：減氮配方施肥，在配方施肥處理的基礎(chǔ)上減少20%的化肥氮。其中T2處理的肥料用量為當(dāng)?shù)馗适矸N植常規(guī)施用量；T3處理依據(jù)前人研究[20]中甘薯豐產(chǎn)試驗需氮、磷、鉀量的大致比例優(yōu)化設(shè)置；T4、T5處理則分別依據(jù)T3等氮量和減氮20%原則設(shè)置。各處理3次重復(fù)，共15個小區(qū)，小區(qū)面積35 m2(4.50 m×7.78 m)，隨機(jī)區(qū)組排列。各處理肥料均在小區(qū)劃好起壟前作基肥一次性施入，后期不再追肥，具體施肥方案如 表1。

表1 不同施肥處理方案Table 1 Fertilization schemes under different treatments

1.4 樣品采集及指標(biāo)測定

試驗實施前按照“S”形法采集試驗區(qū)0～20 cm土層土樣，剔除石礫和植物殘根等雜物，多個采集點(diǎn)土壤樣品混合成一個樣，經(jīng)風(fēng)干研磨過篩后測定試驗區(qū)土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、pH等指標(biāo)。收獲期，每個小區(qū)按照“S”形法采集 0～20 cm土層土壤，分別測定各小區(qū)土壤理化性質(zhì)。土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定；土壤速效磷采用鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀采用火焰光度法測定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法測定；土壤pH采用電位計法測定[21]。

分別在甘薯苗栽插后30 d、60 d、90 d和 120 d用Li-3000C葉面積儀測定單株葉面積。于甘薯成熟收獲期(2020年11月6-8日)進(jìn)行小區(qū)考種和測產(chǎn)，測定單株結(jié)薯數(shù)、單個薯塊質(zhì)量、小區(qū)產(chǎn)量、商品薯率等指標(biāo)。采集樣品植株，每個小區(qū)采取有代表性的甘薯10株，分為莖葉和塊根兩部分，105 ℃殺青30 min，置于烘箱中80 ℃烘干至恒質(zhì)量，計算干物質(zhì)量。樣品植株粉碎后用濃H2SO4-H2O2消煮，采用全自動凱氏定氮儀測定植株全氮含量；用鉬銻抗比色法測定全磷含量；用火焰光度計測定全鉀含量[22]。主要計算公式[23-24]：

葉面積指數(shù)(LAI)=單株葉面積×0.6(經(jīng)驗系數(shù))×密度(株數(shù)·hm-2)/10 000

養(yǎng)分吸收量=成熟期單位面積植株養(yǎng)分含量(氮、磷、鉀)×植株總干物質(zhì)量

收獲指數(shù)=鮮薯產(chǎn)量/植株總生物量

氮素收獲指數(shù)=塊根氮素累積量/植株氮素總累積量

氮肥表觀利用率=(施氮區(qū)氮素累積量-不施氮區(qū)氮素累積量)/施氮量×100%

氮肥偏生產(chǎn)力=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，采用Duncan’s對甘薯葉面積指數(shù)、產(chǎn)量、土壤肥力、養(yǎng)分吸收量以及氮素利用率等指標(biāo)進(jìn)行多重比較，檢驗差異顯著性(α= 0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉面積指數(shù)動態(tài)變化

葉片是甘薯進(jìn)行光合作用、制造光合產(chǎn)物的最主要器官，合理的葉面積指數(shù)是充分利用光能、提高光合效率、保證薯塊高產(chǎn)的主要條件。由圖1可知，在甘薯分枝結(jié)薯期(移栽后30～60 d)，葉面積指數(shù)增長速率從大到小的順序為T3>T4>T5>T2>T1；在60 d時，各處理葉面積指數(shù)達(dá)到峰值，分別為3.94、3.80、3.58、2.64、1.85，處理T3、T4、T5與空白對照處理(T1)和習(xí)慣施肥處理(T2)相比具有顯著差異(P<0.05)，T3顯著高于T5(P<0.05)，但與T4無顯著差異 (P>0.05)。在薯蔓并長期(60～90 d)，配方施肥各處理(T3、T4、T5)保持較高的葉面積指數(shù)，但T3下降速率要顯著快于T4和T5。在薯塊盛長期(90～ 120 d)，T4和T5保持較高的葉面積指數(shù)。試驗結(jié)果表明，與習(xí)慣施肥相比，配方施肥各處理更有利于提高甘薯葉面指數(shù)，而配方施肥條件下氮肥減量以及有機(jī)化肥氮替代化學(xué)氮處理有利于甘薯生長后期保持較高的葉面積指數(shù)。

圖1 不同施肥處理下甘薯葉面積指數(shù)Fig.1 Leaf area index of sweet potato under different fertilization treatments

2.2 不同施肥處理對甘薯產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

從圖2可見，不同施肥處理的甘薯產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素存在差異。不同施肥處理均可提高甘薯單個薯塊質(zhì)量、塊根產(chǎn)量及商品薯率。施肥處理中，單株結(jié)薯數(shù)、塊根產(chǎn)量以減氮施肥處理(T5)處理最高，為4.50個、36 481.5 kg·hm-2，分別是習(xí)慣施肥處理(T2)的1.73倍(P<0.05)和1.87倍(P>0.05)。單個薯塊質(zhì)量以配方施肥(T3)處理最高，其次為替氮配方施肥處理(T4)、減氮配方施肥處理(T5)，分別為習(xí)慣施肥處理(T2)的1.39倍(P<0.05)、1.25倍(P> 0.05)和1.08倍(P>0.05)。不施肥處理(T1)商品薯率僅有70.99%，各施肥處理后商品薯率顯著提高(P<0.05)，其中以配方施肥(T3)處理最高，為93.07%，其次為替氮配方施肥處理(T4)，各施肥處理間差異不顯著(P>0.05)。表明與習(xí)慣施肥相比，減氮配方施肥更有利于‘贛薯4號’的生長，提高單株結(jié)薯數(shù)和塊根產(chǎn)量。

A.單株結(jié)薯數(shù)；B.單個薯塊質(zhì)量；C.甘薯塊根產(chǎn)量；D.商品薯率。不同小寫字母表示不同處理差異顯著(P<0.05)，下同

2.3 不同施肥處理對土壤養(yǎng)分含量和pH的影響

由表2可以看出，配方施肥各處理(T3、T4、T5)較不施肥處理(T1)、習(xí)慣施肥處理(T2)有效改善了土壤養(yǎng)分含量。不同處理有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為T4>T5>T3>T1>T2，其中T3、T4、T5分別較T1和T2分別顯著增加了109.01%～ 125.63%(P<0.05)和117.57%～130.91% (P<0.05)，而各配方施肥處理間無顯著差異 (P>0.05)。土壤堿解氮含量表現(xiàn)為T5>T3>T1>T4>T2，其中配方施肥各處理(T3、T4、T5)分別較T2增加21.87%、19.04%和27.38%。土壤有效磷含量表現(xiàn)為T2>T5>T3>T4>T1，其中各施肥處理(T2、T3、T4、T5)較T1顯著提高了116.54%～234.04%(P<0.05)；而配方施肥各處理(T3、T4、T5)土壤有效磷含量較T2顯著降低了30.86%～35.18%(P<0.05)，各配方施肥處理間無顯著差異(P>0.05)。土壤速效鉀含量表現(xiàn)為T4>T3>T5>T2>T1，其中T3、T4分別較T1和T2顯著提高了21.22%、23.90% (P<0.05)和17.77%、20.37%(P<0.05)，T5較T1、T2分別提高13.41%、10.19%，但未達(dá)顯著差異(P>0.05)。各處理土壤pH 5.43～ 5.66，其中施肥處理土壤pH值較不施肥處理(T1)有所降低，配方施肥各處理(T3、T4、T5)較習(xí)慣施肥處理(T2)增加0.05～0.14，但均未達(dá)顯著差異(P>0.05)。試驗結(jié)果表明，配方施肥條件下氮肥減量以及有機(jī)化肥氮替代部分化學(xué)氮能提高土壤中的有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀。

表2 不同處理的土壤養(yǎng)分含量與pHTable 2 Soil nutrient content and pH value under different treatments

2.4 不同施肥處理對甘薯養(yǎng)分吸收量的影響

由圖3可知，不同施肥處理可以提高甘薯塊根和莖葉的氮、磷、鉀吸收總量。與不施肥處理(T1)相比，各施肥處理(T2、T3、T4、T5)的氮、磷、鉀吸收總量均有不同程度的提高，并達(dá)到顯著水平(P<0.05)，提高幅度分別為18.46%～ 134.55%、21.29%～109.43%、28.41%～ 112.08%。與習(xí)慣施肥處理(T2)相比，配方施肥各處理(T3、T4、T5)的氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收量均有所提高，莖葉氮、磷、鉀吸收量分別提高了 27.50%～55.98%、5.75%～49.87%、12.74%～ 43.05%，塊根氮、磷、鉀吸收量分別提高了 51.01%～187.02%、44.84%～87.62%、46.76%～80.80%。其中塊根氮、磷、鉀吸收量以減氮施肥處理(T5)最高，分別為65.96 mg·kg-1、 14.62 mg·kg-1、95.82 mg·kg-1，均較習(xí)慣施肥處理(T2)達(dá)顯著水平(P<0.05)；莖葉氮、磷吸收量以替氮施肥處理(T4)最高，分別為48.31 mg·kg-1、4.99 mg·kg-1，鉀吸收量僅次于氮施肥處理(T5)，為52.83 mg·kg-1，T4處理的氮、鉀吸收量均顯著高于T2處理(P<0.05)。結(jié)果表明在配方施肥條件下，適量減氮、有機(jī)肥適量替代化肥能夠協(xié)調(diào)甘薯對氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收與轉(zhuǎn)化，有利于塊根的形成。

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

2.5 不同施肥處理對甘薯氮素利用效率的影響

不同施肥處理的甘薯氮素吸收利用指標(biāo)結(jié)果(表3)顯示，甘薯的氮素總積累量為45.54～ 106.82 kg·hm-2；不施肥處理(T1)、習(xí)慣施肥處理(T2)的甘薯氮素總積累量較低，分別為45.54、53.95 kg·hm-2，兩處理間差異不顯著(P> 0.05)；配方施肥各處理T3、T4、T5的氮素總積累量較T2處理顯著提高37.52%、58.70%、 98.00%(P<0.05)。不同處理的氮肥表觀利用率為7.47%～63.83%；T2處理的氮肥表觀利用率最低，為7.47%；T5、T4和T3處理的氮肥表觀利用率分別為63.83%、33.40%和23.87%，顯著高于T2處理(P<0.05)。不同處理的氮肥偏生產(chǎn)力為173.17～380.02 kg·kg-1，T5、T4和T3處理的氮肥偏生產(chǎn)力分別比T2處理顯著提高119.45%、26.47%和25.33%(P<0.05)。氮素收獲指數(shù)為42.59%～61.75%，與T2相比，僅T5處理的氮素收獲指數(shù)達(dá)顯著性差異(P< 0.05)，T3、T4處理的指數(shù)均未發(fā)生顯著性變化(P>0.05)。表明，與習(xí)慣施肥相比，配方施肥各處理的氮素總積累量明顯增加，氮肥表觀利用率和偏生產(chǎn)力顯著提高，尤其是本研究條件下減氮20%處理更為明顯。

表3 不同處理的甘薯氮素吸收與利用率Table 3 Nitrogen absorption and utilization efficiency of sweet potato under different treatments

3 討論與結(jié)論

甘薯產(chǎn)量的形成離不開光合作用，葉面積指數(shù)是表征群體光合能力的一項重要指標(biāo)。葉面積指數(shù)與作物產(chǎn)量密切相關(guān)，過小、過大、驟升或驟降均難以獲得高產(chǎn)[25-26]。本研究結(jié)果表明，配方施肥各處理有利于甘薯生產(chǎn)前期(移栽后60 d內(nèi))葉面指數(shù)的增大，且配方施肥條件下氮肥減量以及有機(jī)化肥氮替代化學(xué)氮處理有利于甘薯生長后期(移栽后90～ 120 d)保持較高的葉面積指數(shù)。這可能與氮磷鉀綜合配比施用能夠穩(wěn)步促進(jìn)甘薯莖葉生長發(fā)育，在甘薯膨大期促進(jìn)地上部光合物質(zhì)不斷向地下部轉(zhuǎn)移有關(guān)。配方施肥減氮20%處理(T5)葉面積指數(shù)較大且降速慢是其鮮薯產(chǎn)量提高的基礎(chǔ)。

本研究發(fā)現(xiàn)，在配方施肥各處理中，減氮20%處理(T5)的單株結(jié)薯和塊根產(chǎn)量最高，分別為習(xí)慣施肥處理(T2)的1.73倍和1.87倍。杜備詳?shù)萚17]研究表明，將施氮量由100 kg·hm-2減至80 kg·hm-2，并將其中一半氮肥在塊根形成期追施，可有效促進(jìn)甘薯根系生長和有效薯塊的早期形成，保證單株結(jié)薯數(shù)，提高塊根膨大期生物量和分配比例，促進(jìn)薯塊的膨大和產(chǎn)量的提高，這與本試驗結(jié)果相一致。Hartemink等[27]、陳曉光等[28]也研究得出，過量施氮使光合產(chǎn)物向地下部塊根的運(yùn)轉(zhuǎn)量減少，導(dǎo)致地上部旺長，降低干物質(zhì)收獲指數(shù)；適量減氮可促進(jìn)甘薯地上部莖葉在生長前期快速生長，塑造相對高效的群體結(jié)構(gòu)，提高群體光合能力，保障干物質(zhì)生產(chǎn)及其合理分配，進(jìn)而提高甘薯塊根產(chǎn)量。

本研究發(fā)現(xiàn)，配方施肥條件下氮肥減量以及有機(jī)化肥氮替代部分化學(xué)氮處理中的土壤中的有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀含量比習(xí)慣施肥均有所提高，施肥處理土壤pH較不施肥處理有所降低，但配方施肥各處理較習(xí)慣施肥處理略高。柯蓓[19]研究結(jié)果也證實，有機(jī)肥替代部分化肥能夠提高甘薯田土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀的含量。因此，配方施肥條件下氮肥減量以及有機(jī)化肥氮替代部分化學(xué)氮可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高土壤肥力。

本研究發(fā)現(xiàn)，配方施肥各處理處理的氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收量均有所提高，莖葉氮、磷、鉀吸收量分別提高了27.50%～55.98%、5.75%～ 49.87%、12.74%～43.05%，塊根氮、磷、鉀吸收量分別提高了51.01%～187.02%、44.84%～ 87.62%、46.76%～80.80%。說明氮、磷、鉀的合理配施，可以促進(jìn)甘薯對養(yǎng)分的吸收，這與張洋等[5]研究結(jié)論相一致。黃健超等[28]研究發(fā)現(xiàn)，隨著肥料用量的增加，肥料利用率降低。本研究發(fā)現(xiàn)，配方施肥條件下減氮20%，氮肥利用率最高，較習(xí)慣施肥增加了53.36%。說明適宜的減施氮肥，可以提高氮肥利用率。

綜合以上分析，在本試驗條件下，配方施肥減氮20%可顯著提高甘薯產(chǎn)量、土壤肥力和氮素積累利用率。說明配方施肥減氮20%是該地區(qū)甘薯種植中適宜的氮肥施用量。