氮肥分期运筹对套作甘薯产量、品质及氮素效率的影响

安建刚 敬 夫 丁 祎 肖 怡 尚浩浩 李宏利 杨晓璐 唐道彬 王季春



氮肥分期运筹对套作甘薯产量、品质及氮素效率的影响

安建刚**敬 夫**丁 祎 肖 怡 尚浩浩 李宏利 杨晓璐 唐道彬 王季春*

西南大学农学与生物科技学院, 重庆 400716

为了探寻套作甘薯高产优质的氮肥运筹方式, 以甘薯套作及单作为主区, 定量氮肥全部基施、分2期和分3期运筹为副区, 于2015—2016两年度探讨了不同处理对2个甘薯品种(渝紫7号和万薯10号)块根产量、品质及氮肥利用效率的影响。结果表明, 2个品种无论单作或套作, 定量氮肥分2期或分3期运筹显著提高甘薯块根产量、单薯重、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、氮肥表观利用率和氮肥偏生产力; 套作中定量氮肥不同运筹方式对2个甘薯品种商品薯率影响不显著, 但单作中分3期运筹时最高; 万薯10号块根β-胡萝卜素含量以定量氮肥分3期运筹最高, 渝紫7号块根花青素含量以分2期和3期运筹最高, 2个品种块根淀粉含量以氮肥全部基施最高。套作降低了除甘薯块根可溶性糖含量外的其他营养品质以及产量和氮肥利用效率, 但套作定量氮肥分2期或3期运筹, 可使这些指标达到或优于单作氮肥全部基施水平。为提高块根淀粉含量, 定量的氮肥宜采用全部基施, 为同时优化其他营养品质、提高甘薯产量和氮肥利用效率, 定量的氮肥宜采用分2期或分3期运筹。

套作甘薯; 氮肥分期运筹; 产量; 营养品质; 氮素利用效率

我国西南地区耕地以丘陵山地为主, 人均耕地较少, 光热水资源丰富, 多熟套作能够充分利用光、热、水、养分、土地资源[1], 有效缓解作物间季节矛盾, 充分增加单位土地面积的农作物生产种类及产值[2], 是我国西南地区主要种植制度, 以玉米/甘薯套作面积最大。

相比单作, 玉米/甘薯套作系统中存在强烈的种间竞争现象, 玉米始终占据套作系统的优势生态位[3],空间低位作物甘薯生长和产量受到严重限制, 是这种套作系统中无法避免的问题。有研究表明, 相关套作系统中通过调节氮肥施用量可以缓解小麦[4]、大豆[5]、马铃薯[6]等低位作物产量受限的问题。

作物在不同阶段对养分的需求情况不一, 氮肥全部基施往往导致氮素利用率低[7], 甚至减产[8]。合理的氮肥运筹在提高作物产量、氮肥利用率及改善作物品质等方面已有诸多有益探索。苏伟等[9]通过盆栽试验模拟不同时期和比例的氮肥运筹对油菜产量、氮肥利用率及氮素淋失的影响, 发现氮肥分期施用提高了油菜籽的产量、氮肥的利用效率和较好的环境效应。陈源等[10]以定量氮肥分别设置2个棉花品种基肥、花铃肥、桃肥的比例试验, 发现吸N量为208.5~243.0 kg hm–2, 科棉1号和科棉4号3个时期的氮肥施用比例分别为20∶60∶20和15∶70∶15, 且促花肥为30%时, 有利于大铃的形成和纤维品质的优化, 桃肥施用量为15%~20%时有利于秋桃的形成。氮肥按2∶1基追比分别于种植前基施和在块茎膨大前追施可有效提高马铃薯块茎中养分分配比例, 提高马铃薯产量[11]。王小晶等[12]研究氮磷钾不同比例和组合分期施用对单作甘薯产量和品质的影响, 发现氮磷钾分期运筹可以提高豫薯王的产量, 改善可溶性糖、蛋白质等部分营养品质。董月等[13]研究定量的氮肥分3个时期不同比例运筹对单作甘薯干物质累积及氮素吸收的影响, 发现在甘薯移栽后30 d和60 d追施氮肥有利于氮素积累和向块根转移, 基施和30 d或60 d追施氮肥各半(比例5∶5∶0和5∶0∶5)均能获得较高产量。

前人众多研究表明, 氮肥施用量和分期运筹均有利于作物生长, 对单作甘薯的研究也表明氮肥分期运筹是提高甘薯产量、氮肥利用率和改善营养品质的有效途径[12-13], 能否通过氮肥分期运筹解决套作甘薯产量低下的问题, 尚有待研究。本研究探讨氮肥分期运筹对单作甘薯和玉米/甘薯套作下的甘薯产量、营养品质及肥料利用率的影响, 以期确定甘薯/玉米模式中甘薯最佳氮肥施用方式, 为建立套作甘薯高产优质的氮肥管理措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地及试验材料

试验于2015—2016年在重庆北碚区歇马镇进行, 试验地土壤为沙壤土, 0~20 cm土层土壤的基本理化性质见表1。试验选用重庆市主推甘薯品种万薯10号(橘黄肉, 淀粉含量为16.30%, β-胡萝卜素含量为2.5 mg 100 g–1鲜薯)、渝紫7号(紫肉, 淀粉含量为19.59%, 花青素含量为17.85 mg 100 g–1鲜薯), 玉米材料为西大985 (半紧凑型)。供试肥料为尿素(含N 46%), 过磷酸钙(含P2O512%), 硫酸钾(含K2O 50%)。

1.2 试验设计与方法

采用二因素裂区试验设计。主区为甘薯单作(A)和玉米/甘薯(B) 2个种植模式; 副区为3种氮肥分期运筹方式, 用NOA、NSA、NTA表示, 分别表示总量90 kghm–2的氮肥分1次施用、分2次施用和分3次施用, 用量分别为100%、60%+40%、40%+30%+ 30%, 3次施氮时期分别为甘薯移栽前基施、甘薯移栽后30 d和甘薯移栽后60 d。磷肥(P2O5) 45 kg hm–2, 钾肥(K2O) 180 kg hm–2在甘薯移栽时各小区作基肥施入。小区面积为13.32 m2, 长3.7 m, 甘薯和玉米2∶2行比套作, 每个小区2个条带, 带宽1.8 m (甘薯双垄各单行栽培, 垄距60 cm, 薯玉间距40 cm, 玉米小行距40 cm), 甘薯单作中玉米行不栽种玉米, 3次重复。于每年3月中旬育甘薯苗, 5月中旬剪苗, 薯蔓入土两节扦插, 株距18.5 cm, 密度60 000株 hm–2。于每年3月20日左右用穴盘育玉米苗, 每孔1粒, 至二叶一心时单株移栽, 株距32 cm, 密度33 000株 hm–2。对玉米基施复合肥(N∶P2O5∶K2O = 15∶15∶15) 750 kg hm–2, 大喇叭口期追施尿素150 kg hm–2。其他田间管理同一般生产田。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 土壤基本理化性质 试验开始前以整个试验田为单元, 采用“S”型取样法采集0~20 cm土层土样5份, 风干过筛后备用。采用重铬酸钾容量法测定土壤有机质, 采用重铬酸钾容量法-外加热法测定全氮, 采用碱解扩散法-标准酸滴定测定碱解氮, 采用0.5 mol L–1NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定速效磷, 采用1 mol L–1NH4OAc 浸提-火焰光度法测定速效钾, 按照水土比2.5∶1.0, 用pH计测定pH[14]。

表1 不同试验年份移栽前土壤肥力状况

1.3.2 甘薯养分吸收 甘薯收获前1 d在每个小区随机挖取3株整株, 按照块根、茎秆和叶片分开后称重, 烘干后分别称重和粉碎。采用硫酸-双氧水消煮-凯氏蒸馏法测定全氮, 计算甘薯植株养分吸收[14]。

1.4 计算方法

商品薯率(%) = 单位面积大中薯重/单位面积总薯重×100% (其中50 g及以上且完好的块根以大中薯计重, 50 g以下或受伤的块根以小薯计重);

甘薯淀粉含量[15]= 0.86945-6.34587 (即, 淀粉率= 烘干率×0.86945-6.34587);

氮素吸收量= 每公顷甘薯叶干重×每千克叶片氮素含量+每公顷甘薯茎杆干重×每千克茎杆氮素含量+每公顷甘薯块根干重×每千克块根氮素含量;

氮肥表观利用率= 氮肥投入量/氮素总积累量;

氮素收获指数= 块根氮素积累量/全株氮素吸收量[16];

氮肥偏生产力= 甘薯收获期块根干重/氮肥投入量[16]。

1.5 数据处理

采用SPSS 19.0数据处理软件中一般线性模型进行二因素方差分析, 通过Duncan’s法进行多重比较。采用Microsoft Excel 2013软件制图。

2 结果与分析

2.1 甘薯产量性状

甘薯单作和套作中定量的氮肥分2期和3期运筹较全部基施均有效提高块根产量和单薯重(表2)。单作万薯10号和渝紫7号在NSA处理时产量和单薯重最高, 两年平均产量比NOA分别提高了17.5%和24.61%, 平均单薯重分别提高了26.09%和28.96%。相同处理的套作万薯10号和渝紫7号产量比单作均有一定的降低, 但通过氮肥分2期和3期运筹较氮肥全部基施同样可以显著提高产量和单薯重, 且在NSA处理时最高, 两年平均产量比NOA分别提高了25.41%和19.51%, 平均单薯重分别提高了41.61%和41.14%。在套作中通过氮肥分2期和3期运筹, 甘薯产量和单薯重均可以达到或显著高于单作中氮肥全部基施处理。NTA处理较NOA和NSA显著提高了单作万薯10号(2016年)和单作渝紫7号的商品薯率, 但在甘薯套作中氮肥分期运筹对甘薯商品薯率没有显著影响。万薯10号和渝紫7号套作平均商品薯率比单作分别降低了5.26%和5.40%。

不同的甘薯品种对产量、单薯重的影响达到了显著水平, 对商品薯率的影响不显著。种植制度对甘薯块根产量(2016年)、单薯重和商品薯率(2016年)的影响达到极显著水平。氮肥分期运筹方式对上述指标的影响均达到极显著水平, 甘薯品种与种植制度以及甘薯品种与氮肥分期运筹方式在上述指标中的互作效应均未达到显著水平。种植制度与氮肥分期运筹在甘薯产量和商品薯率上有显著的互作效应(表2)。

2.2 氮素利用效率

从表2可以看出, 甘薯不同种植模式中, 相比氮肥全部基施, 氮肥分期运筹均显著提高了氮肥表观利用率, 相同的氮肥分期运筹方式下的氮肥表观利用率在甘薯套作中显著低于单作。万薯10号单作中, NSA和NTA处理的氮肥表观利用率无显著差异, 两年平均分别比NOA处理高30.55%和29.59%; 万薯10号套作中NSA处理下最高, 比NOA处理高30.95%。渝紫7号单作中NSA处理下氮肥表观利用率最高, 比NOA处理高40.59%, 套作中NTA处理最高, 比NOA处理高45.75%。甘薯氮素收获指数在不同年份间表现不一, 单作万薯10号氮素收获指数在不同氮肥分期运筹下没有显著差异, 套作中2016年不同氮肥分期运筹的氮素收获指数无差异, 两年平均值在NSA处理下达到最大, 比NOA处理高7.59%。2015年单作渝紫7号不同氮肥分期运筹的氮素收获指数无差异, 两年平均值在NTA处理下达到最大, 比NOA处理高14.41%, 套作中在NSA处理下最高, 两年平均比NOA处理高54.65%。单作万薯 10 号氮肥偏生产力随氮肥分期次数的增加呈先增加后降低的趋势, 在NSA处理下达到最大, 比NOA处理高30.37%, 套作中NSA和NTA处理下无差异, 两年平均分别比NOA高35.16%和35.05%。相同种植模式中渝紫7号NSA和NTA处理下的氮肥偏生产力没有显著差异, 单作中两年平均比NOA处理分别高47.14%和52.66%, 套作中分别高59.27%和48.77%。

品种差异对氮肥表观利用率和氮肥偏生产力的影响达到极显著水平; 种植制度对氮肥表观利用率、氮素收获指数和氮肥偏生产力(2016年)的影响达到极显著水平; 氮肥分期运筹差异对氮肥表观利用率、氮素收获指数和氮肥偏生产力的影响均达到极显著水平; 品种与种植制度在2015年氮肥表观利用率、氮素收获指数和氮肥偏生产力中存在极显著互作; 品种与氮肥分期运筹在2016年氮肥表观利用率和氮素收获指数存在极显著互作, 在两年氮肥偏生产力中存在显著互作。种植制度与氮肥分期运筹的互作效应在氮肥表观利用率、氮素收获指数(2015年)和氮肥偏生产力(2015年)达到显著或极显著水平(表2)。

2.3 甘薯营养品质

通过栽培措施获取红肉甘薯更高的β-胡萝卜素含量及紫肉甘薯更高的花青素含量是生产的期望。相同处理下套作万薯10号β-胡萝卜素含量比单作均有一定的降低, 相同种植模式下, NOA处理和NSA处理的β-胡萝卜素含量没有显著差异, 且在NTA处理下达到最高(图1), 单作中NTA处理β-胡萝卜素两年平均含量比NOA处理提高了28.35%, 套作中提高了40.88%。表明万薯10号套作中氮肥分3期运筹最利于β-胡萝卜素含量的积累。渝紫7号单作和套作中, NSA和NTA处理的花青素含量间没有显著差异, 但均显著高于NOA (图2), 单作中NTA处理两年平均比NOA提高了29.71%, 套作中NSA处理两年平均比NOA提高了39.9%; 同时套作中NSA和NTA处理的花青素含量也均达到或显著高于单作中NOA处理。

从图3可以看出, 不同种植模式下万薯10号块根可溶性蛋白含量均在NTA处理下达到最高, 两年平均含量比NOA处理分别高19.66% (<0.05)和12.53% (<0.05), NOA处理及NSA处理的可溶性蛋白含量在不同种植模式中没有显著差异, 但NTA处理下块根可溶性蛋白含量单作中显著高于套作, 套作中NSA与单作NOA处理没有显著差异, 但套作中NTA处理显著高于单作中NOA处理; 渝紫7号单作NSA和NTA处理块根可溶性蛋白含量没有显著差异, 两年分别比NOA处理高15.33% (<0.05)和12.83% (<0.05), 渝紫7号套作中NSA处理下块根可溶性蛋白含量最高, 两年平均比NOA处理高10.72% (<0.05)。

图1 万薯10号β-胡萝卜素含量

A: 甘薯单作; B: 玉米/甘薯; NOA: 定量氮肥全部基施; NSA: 定量氮肥分2期运筹; NTA: 定量氮肥分3期运筹。图柱顶端不同字母表示处理间差异达到0.05显著水平。

A: sweet potato monocropping; B: sweet potato-maize interplanting; NOA: single N application, NSA: 2-split N application, NTA: 3-split N application N. Bars superscripted by different letters are significantly different between treatments at the 0.05 probability leave.

图2 渝紫7号花青素含量

图柱顶端不同字母表示处理间差异达到0.05显著水平。缩写同图1。

Bars superscripted by different letters are significantly different between treatments at the 0.05 probability leave. Abbreviations are the same as those given in Fig. 1.

2015年NOA处理的块根可溶性蛋白含量在渝紫7号单作和套作中没有显著差异, 2016年单作中显著高于套作, 其余各处理均在单作中显著高于套作, 套作中NSA处理下含量达到单作中NOA处理水平。

万薯10号和渝紫7号在相同种植模式中随氮肥运筹次数的增加其块根淀粉含量有下降的趋势, 相同氮肥分期运筹方式下的块根淀粉含量在单作中显著高于套作, 套作万薯10号和渝紫7号块根淀粉含量比其单作中两年平均降低了17.64%和14.12% (图4)。表明甘薯单作和套作中, 增加氮肥分期运筹次数均不利于甘薯块根淀粉的积累, 套作种植会显著降低甘薯块根淀粉含量。

图柱顶端不同字母表示处理间差异达到0.05显著水平。缩写同图1。

Bars superscripted by different letters are significantly different between treatments at the 0.05 probability leave. Abbreviations are the same as those given in Fig. 1.

从图5可以看出, 同一品种甘薯在相同氮肥运筹下的块根可溶性糖含量套作中比单作中有一定的提高, 但未达到显著水平。万薯10号在不同种植模式中NSA处理下块根可溶性糖含量均最高, 两年平均比NOA处理分别高62.04% (<0.05)和42.52% (<0.05); 渝紫7号单作中NSA处理下块根可溶性糖含量最高, 两年平均比NOA处理增加了37.02% (<0.05), 套作中NTA处理下最高, 两年平均比NOA处理增加了34.56% (<0.05)。两品种甘薯套作中NSA和NTA处理的块根可溶性糖含量均显著高于单作中NOA处理。

图4 甘薯块根淀粉含量

图柱顶端不同字母表示处理间差异达到0.05显著水平。缩写同图1。

Bars superscripted by different letters are significantly different between treatments at the 0.05 probability leave. Abbreviations are the same as those given in Fig. 1.

图5 甘薯块根可溶性糖含量

图柱顶端不同字母表示处理间差异达到0.05显著水平。缩写同图1。

Bars superscripted by different letters are significantly different between treatments at the 0.05 probability leave. Abbreviations are the same as those given in Fig. 1.

3 讨论

3.1 氮肥分期运筹效应

NOA、NSA和NTA三种氮肥分期运筹方式的特点是依次增加了甘薯生长中后期氮素的直接供应量, 延长了氮肥的有效供应期。结果发现, 氮肥分2期和3期运筹均比氮肥全部基施显著提高了氮肥的表观利用率, 促进了甘薯块根产量的形成, 此结果与宁运旺等[17]关于甘薯分期需氮特性研究以及董月等[13]关于氮肥运筹对甘薯干物质累积及氮素吸收影响的研究结果一致。甘薯块根β-胡萝卜素和花青素均属于植物次生代谢产物, 其代谢受环境因素的影响, 养分的有效供应主要调节其持续的合成与积累, 氮肥分3期运筹可以有效提高红肉甘薯块根β-胡萝卜素含量, 氮肥分2期运筹可以有效提高紫甘薯块根花青素含量。陈梦云等[18]发现提高穗肥占总施氮量的比例可以显著提高了稻米的蛋白质含量, 显著降低了稻米直链淀粉含量。本研究中氮肥分2期和3期运筹有效提高了块根可溶性蛋白含量, 不同品种因生长习性和对不同种植模式的适应性不同, 其最佳的氮肥运筹方式不一。但块根淀粉含量显著降低, 这与陈梦云等[18]的研究结果相似。同时氮肥分2期和3期运筹显著增加了块根可溶性糖含量, 淀粉含量与可溶性糖含量具有明显的负相关性。即通过氮肥分期运筹可以有效减少块根可溶性糖合成淀粉, 提高块根含糖量, 从而保证食用型甘薯良好的适口性。

3.2 套作效应

“甘薯/玉米”模式是依据喜光与耐阴作物组合、高矮作物搭配、根系深浅疏密结合、生育期长短前后“交错确定的田间作物群体结构[19-20]。但在共生期内, 玉米始终占据优势生态位, 相比之下, 甘薯单作系统强烈地限制了甘薯的生长发育, 降低了产量和品质[3,21-22], 这是甘薯套作系统无法回避的问题。套作系统存在对光照、养分等资源强烈的种间竞争关系, 这是本研究中甘薯套作中块根产量、氮肥表观利用率以及β-胡萝卜素、花青素、淀粉含量等营养品质显著低于单作的主要原因。本研究还发现, 在套作甘薯中, 通过氮肥分2期运筹和3期运筹时块根产量、单薯重、氮肥表观利用率、氮肥偏生产力、块根可溶性蛋白含量、可溶性糖含量以及万薯10号β-胡萝卜素含量和渝紫7号花青素含量无法达到单作中相同氮肥运筹时的水平, 但均可以达到(> 0.05)或显著高于(< 0.05)单作时氮肥全部基施处理。考虑到氮肥分期运筹较全部基施需投入更多劳动成本以及套作甘薯生长环境的特殊性, 在甘薯单作中或可采用氮肥全部基施处理, 但在甘薯套作中必须采用氮肥分2期或3期运筹。

王庆美等[23]在研究遮荫对紫甘薯块根品质影响时发现该处理明显降低了紫甘薯的总淀粉含量和花青素含量。本研究中套作渝紫7号淀粉含量比单作中降低了14.12%, 花青素含量较单作降低了18.62%, 这与王庆美等[23]的研究结果相符。控制甘薯块根花青素合成的酶是光诱导类酶, 短期弱光对该酶活性影响较小, 长期弱光时, 花青素合成酶活性受到抑制, 进而影响花青素的合成[24]。甘薯块根中β-胡萝卜素的合成与光也有密切的关系, 我国西南地区甘薯/玉米种植制度中两种作物共生期可以达到90 d左右, 玉米对甘薯长时间的荫蔽严重[25]是造成套作渝紫7号甘薯花青素含量以及万薯10号β-胡萝卜素含量较单作中低的主要原因。

4 结论

甘薯套作与单作中, 定量的氮肥分 2 期或分 3期运筹均比氮肥全部基施可以提高产量和氮肥利用效率, 优化除甘薯淀粉含量外的其他营养品质。相同种植模式中同种氮肥运筹方式难以达到高产优质的统一, 依据不同的生产目的选择恰当的氮肥分期运筹方式是达到生产目标的有效手段。

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Effects of Split Application of Nitrogen Fertilizer on Yield, Quality and Nitrogen Use Efficiency of Sweet Potato

AN Jian-Gang**, JING Fu**, DING Yi, XIAO Yi, SHANG Hao-Hao, LI Hong-Li, YANG Xiao-Lu, TANG Dao-Bin, and WANG Ji-Chun*

College of Agronomy and Biotechnology, Southwest University, Chongqing 400716, China

To explore the optimal split nitrogen fertilizer application methods for high yield and quality sweet potato production in intercropping, we conducted a field experiment using two sweet potato cultivars Yuzi 7 and Wanshu 10 with single N application, 2-split and 3-split N application, and measured the yield, quality, and nitrogen use efficiency in monocropping and interplanting in 2015-2016. The yield, single storage root weight, soluble protein content, soluble sugar content of storage root, apparent nitrogen use efficiency and partial nitrogen productivity were significantly increased in the two tested cultivars under 2-split and 3-split N application in monocropping and interplanting. Under interplanting, commodity rate was not significantly different in the two cultivars among the three N application treatments, however, the highest commodity rate was obtained under 3-split N application in monocropping. The highest content of β-carotene in the storage root was obtained when 3-split N application was used in Wanshu 10, and the highest content of anthocyanin in the storage root was obtained when 2-split N application was used in Yuzi 7, but the highest starch content of storage root was obtained when non-split N application was used in the two cultivars. All of the quality traits except soluble protein content of storage root, and yield and nitrogen use efficiency reduced in intercropping, but these traits were equal or better in 2 or 3-split N application when compared to those in monocropping. In conclusion, non-split N application could be used to increase the starch content of storage root, and 2 or 3-split N application could be used to increase other quality traits, yield and nitrogen efficiency of sweet potato.

sweet potato-maize interplanting; split application of nitrogen fertilizer; yield; quality; nitrogen use efficiency

2018-03-04;

2018-07-20;

2018-07-30.

10.3724/SP.J.1006.2018.01858

通信作者(Corresponding author):王季春, E-mail: wchun1963@163.com

**同等贡献(Contributed equally to this work)

安建刚, E-mail: 1406771446@qq.com

本研究由“十三五”重庆市薯类主题专项重大项目(CSTC2015shms-ztzx80002, CSTC2015shms-ztzx80003, CSTC2015shms-ztzx80004)资助。

This study was supported by the “13th Five-Year” Potato Theme Project of Chongqing (CSTC2015shms-ztzx80002, CSTC2015shms- ztzx80003, CSTC2015shms-ztzx80004).

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20180730.0948.008.html