红壤旱地不同栽培措施对甘薯生长及经济效益的影响与评价

肖富良，吕伟生，韩德鹏，李亚贞，郑伟，肖小军，黄天宝，陶国华，王小坛，肖国滨*

（1江西省红壤研究所/江西省红壤耕地保育重点实验室/国家红壤改良工程技术研究中心/农业农村部江西耕地保育科学观测实验站，南昌 331717；2进贤县前坊镇农业农村办公室，江西进贤 331712；3安福县平都镇农业农村办公室，江西安福 343200）

红壤是我国南方重要的耕地资源，生产潜力大，为我国社会经济发展发挥了重要作用［1，2］。但长期强烈富铝化和淋溶作用，导致土壤酸化，养分缺乏，保水保肥性差，同时红壤区域降水时空分布不匀，干旱频发，严重限制了该区农业的发展［3］。甘薯是我国重要的粮食作物，由于其适应性广、抗逆性强等特性，在红壤旱地广泛种植。但目前红壤旱地甘薯栽培方式停留于传统经验，没有有效应对红壤旱地贫瘠、干旱等特征的栽培措施，无法获得高产与稳产。近年来，随着劳动力成本的提高和种植效益的降低，红壤旱地抛荒越来越严重，进一步限制了红壤旱地甘薯产业的发展。

针对种植区域的环境条件特点，科学合理搭配栽培措施是实现作物高产高效的基础。薄膜覆盖具有增温、保墒、提高降水利用率等优点；能改善田间小气候，促进甘薯植株生长；且能通过增加单株结薯数和单薯鲜重，提高鲜薯产量［4］；对有效应对早春低温、夏季持续伏旱、秋季持续降雨等气候条件具有重要作用［5，6］。施用钾肥可提高光合速率和根系吸收能力［7］，促进碳水化合物和糖分的运输［8］，从而提高单株结薯数和平均单薯鲜质量，显著提高甘薯产量［9］。秸秆覆盖可改善土壤理化性质，提高土壤孔隙度和团聚体稳定性［10］，增强土壤蓄水保水能力和土壤微生物活动［11］，同时能减少无效蒸发耗水，提高作物全生育期水分利用效率，节水增产［12］。保水剂能有效改善土壤水分状况，改良土壤结构，减少水分深层渗漏，从而提高水分利用率，进而增加叶片数、分枝数和蔓长，显著提高甘薯产量和经济效益［13］。但是以上栽培措施基本都是单项的技术研究，在红壤旱地上进行多项栽培措施综合应用效果研究与评价的报道较少。因此，笔者将5种主要栽培措施对甘薯农艺性状、产量性状和经济效益的影响进行比较分析，同时基于主成分分析建立综合评价模型，以期明晰红壤旱地甘薯适宜的高产、稳产栽培措施。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于江西省旱作物良种引育中心（116°20′24″E，28°15′30″N），土壤母质为第四纪红色黏土，属于典型亚热带红壤分布区。0～20 cm耕层土壤含有机质17.8 g/kg、全氮1.1 g/kg、碱解氮102.8 mg/kg、有效磷18.6 mg/kg、速效钾66.3 mg/kg，pH值为5.3。试验期间日平均气温和降水量变化如图1所示。

图1 甘薯试验季日平均气温和降水量Fig.1 Average daily temperature and rainfall of sweet potato experimental season

1.2 材料及处理

供试品种为赣薯2号。试验设置5个处理：T1.黑膜覆盖，T2.增施钾肥（K2O，300 kg/hm2），T3.保水剂应用（高吸水树脂SAP，30 kg/hm2），T4.稻草覆盖（厚度为2～3 cm），T5.常规栽培（对照）。黑膜覆盖为整垄覆盖后破膜栽插薯苗；增施钾肥为栽插前钾肥全部均匀条施；保水剂为中国石化集团生产的聚丙烯钠盐，施用时将保水剂与细土按1∶10比例混合均匀后条施，再栽插薯苗；稻草覆盖为起垄后覆盖2～3 cm稻草，再栽插薯苗。采用随机区组设计，每个处理3次重复，小区面积20 m2，5行区，垄距80 cm，株距25 cm。施用硫酸钾复合肥（N∶P∶K=15∶15∶15）900 kg/hm2作底肥。2019年6月15日栽插，11月26日统一收获。

1.3 测定方法

（1）农艺性状调查方法参考甘薯种质资源描述规范［14］。

（2）干物率测定。将中等大小薯块切成丝，取500 g，于60℃烘箱中烘至较干燥，再于105℃烘至恒重，计算干物率。

（3）叶片SPAD值测定。于甘薯膨大期（9月16日），采用SPAD-502型叶绿素测定仪测定倒4叶上部、中部和下部3个点的SPAD值，计算其平均值。

1.4 统计分析

采用Excel 2007进行数据处理，采用DPS7.5进行方差分析，运用Spss17.0软件进行相关性分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 产量性状

不同栽培措施对产量性状的影响见表1。相比常规栽培（T5），其它栽培措施均能增加地上部分产量、鲜薯产量和生物产量，但降低了经济系数。说明其它栽培措施促进地上部分生长的效果要优于地下部分。黑膜覆盖（T1）、增施钾肥（T2）和稻草覆盖（T4）处理的鲜薯产量显著高于对照，分别提高了34.3%、18.2%和9.2%，保水剂应用（T3）处理的鲜薯产量比T5提高了1.7%，但薯干产量降低了0.5%，经济系数最小，仅促进了地上部分生长，增产效果不明显。

表1 不同栽培措施的甘薯产量及经济系数Table 1 Yield and Economic coefficient of sweet potato under different cultivation measures

2.2 农艺性状

不同栽培措施对农艺性状的影响见表2。相比常规栽培（T5），其它栽培措施均能增加蔓长和单薯鲜质量，降低单株结薯数、干物率和R/T值。根据鲜薯产量构成要素分析，黑膜覆盖（T1）、增施钾肥（T2）和稻草覆盖（T4）主要通过增加单薯鲜质量而显著提高了鲜薯产量。增施钾肥（T2）处理茎粗最高，表明钾肥能通过提高茎粗来促进光合产物的转运。黑膜覆盖（T1）能显著提高分枝数，说明黑膜覆盖处理通过提高蔓长和分枝数共同促进了地上部分生长。

表2 不同栽培措施下甘薯农艺性状比较Table 2 Comparison of agronomic characters of sweet potato under different cultivation measures

2.3 经济效益分析

综合经济效益分析表明（表3），黑膜覆盖（T1）经济效益最高，但需要较高的人工投入；增施钾肥（T2）产投系数最高，仅需额外增加肥料投入，就能获得较高的经济收益；保水剂应用（T3）和稻草覆盖（T4）产投系数均小于常规栽培（T5），经济效益较差，不适宜在红壤旱地应用。

表3 不同栽培措施的经济效益分析Table 3 Economic benefit analysis of different cultivation measures

2.4 相关性分析

由表4可知，茎粗和SPAD值与其它性状均无显著相关性；干物率与蔓长、分枝数、单薯鲜质量、鲜薯产量和生物产量均呈显著负相关，表明不同栽培措施在促进植株（地上部和地下部）生长的同时会降低干物率；鲜薯产量与蔓长、分枝数、生物产量和经济系数均呈极显著正相关，薯干产量与蔓长、分枝数、鲜薯产量和生物产量呈显著或极显著正相关，可见地上部的生长是地下部块根营养储藏的基础，好的栽培措施首先要以促进地上部分生长为前提；产量构成要素中单株结薯数与R/T值和经济系数呈显著正相关，单薯鲜质量与蔓长、地上部产量和生物产量呈显著或极显著正相关，与干物率呈显著负相关，说明促进光合产物的转化能提高单株结薯数，而促进地上部分生长能提高单薯鲜质量，但不能增加单株结薯数。

表4 不同栽培措施下农艺性状和产量性状的相关系数Table 4 Correlation analysis of main agronomic characters and yield traits in different cultivation measures

2.5 主成分分析和综合评价

根据特征值＞1的标准提取了3个主成分（表5），其累计贡献率达96.27%，解释了13个变量的大部分信息。主成分PC1解释了61.86%的总变异信息，具有较大特征值的是蔓长（0.976）、分枝数（0.832）、单薯鲜质量（0.948）、干物率（-0.897）、地上部产量（0.952）、鲜薯产量（0.927）、生物产量（0.986）和薯干产量（0.851），主要反映产量性状；主成分PC2包含了原始信息的22.31%，具有较大特征值的是单株结薯数（0.791）、R/T值（0.777）和经济系数（0.838），主要反映经济性状；主成分PC3包含了原始信息的12.11%，所携带的信息主要是茎粗（0.848）和SPAD值（0.606），主要反映光合产物（生产与运输）性状。

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

根据3个主成分特征向量分析和各性状指标数值的标准化处理数据，建立线性回归方程：

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）。

以各主成分对应的方差贡献率作为权重系数，建立综合评价模型：F=（61.86×PC1+22.31×PC2+12.11×PC3）/96.27。由各主成分的线性回归方程及综合评价模型，计算得出不同栽培措施各主因子得分和综合得分（表6），排序为黑膜覆盖（T1）＞增施钾肥（T2）＞稻草覆盖（T4）＞保水剂应用（T3）＞常规栽培（T5）。黑膜覆盖（T1）在产量性状和经济指标上表现优异，在光合产物性状得分较差；增施钾肥（T2）在光合产物性状表现优异；稻草覆盖（T4）和保水剂应用（T3）3个性状均表现较差；常规栽培（T5）在经济指标上表现优异。对于甘薯而言，黑膜覆盖（T1）和增施钾肥（T2）较为适宜红壤旱地应用，而保水剂应用（T3）和稻草覆盖（T4）不适宜在红壤旱地应用。

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

3 讨论

3.1 不同栽培措施对甘薯产量构成要素的影响

密度、单株结薯数和单薯鲜质量3个因素构成了甘薯的产量，而在栽培密度一定时，主要由单株结薯数和单薯鲜质量决定产量。黑膜覆盖能通过增加地温、保肥保水、抑制杂草，从而改善甘薯生长环境，提高水分利用效率，促进作物生长，提高单薯鲜质量，达到增产效果［6，15-17］。而受研究环境和品种特性等影响，单株结薯数变化规律在不同研究中存在较大差异。本研究结果显示，黑膜覆盖减少了单株结薯数，仅靠增加单薯鲜质量显著提高了鲜薯产量。这与兰孟焦等［18］、李江辉等［15］研究结果一致，与王翠娟等［4］、丁凡等［19］研究结果不一致。稻草覆盖可增强土壤微生物活动，提高土壤肥力，促进甘薯增产［5，20］。本研究结果显示，稻草覆盖减少了单株结薯数，增加了单薯鲜质量，显著提高了鲜薯产量。而赵庆云等［21］研究表明，稻草覆盖通过增加单株结薯数和单薯鲜质量共同提高鲜薯产量。甘薯在茎叶封垄期，单株结薯数基本稳定［22］，因此单株结薯数受封垄期前气候条件和覆盖栽培增温保墒效果等因素共同影响。由于本试验甘薯封垄期前气温均稳定在20℃以上，且大部分降水均集中这一时期，而黑膜和稻草覆盖能阻挡降水进入膜下土壤，从而降低了土壤含水量［6］，所以相比常规裸地栽培，覆盖栽培在封垄前期促进幼根生长发育的效果大于其增温效果，进而影响了单株结薯数。

施钾能提高甘薯光合特性［7］，促进光合产物的转运［8］，加速块根中碳的同化［9］，从而提高甘薯单株结薯数［9，23-25］和单薯鲜质量，最终显著增产。钾素缺乏是我国南方红壤地区主要障碍因素之一［26］。本试验地0～20 cm土壤速效钾含量仅为66.3 mg/kg，因此增施钾肥能显著提高鲜薯产量。但随着钾肥施用量的增加，单株结薯数和鲜薯产量不再增加，甚至会降低［25，27］。本试验中增施钾肥减少了单株结薯数，这与史春余等［28］的研究结果一致。

前人研究表明，保水剂能够吸收和保存降水，提高土壤含水量，改善土壤结构［29，30］，提高单株结薯数和单薯鲜质量［31］，显著提高鲜薯产量和薯干产量［13］。本研究结果显示，红壤旱地施用保水剂显著降低了单株结薯数，而单薯鲜质量和鲜薯产量增加不显著。雷巧等［32］通过研究不同水分条件下保水剂对冬小麦产量及水分利用效率的影响，发现灌水量为0～40 cm土壤田间持水量的20%和80%时，施用保水剂增产不显著，为40%和60%时增产达极显著水平，表明低灌水水平与高灌水水平下，均不利于保水剂发挥增产效果，而中灌水水平下施用保水剂才能起到显著增产效果。可能由于整个试验季降水偏少，导致本研究中保水剂增产效果不显著。

3.2 基于主成分分析的综合评价体系

主成分分析能将原始的多个指标综合成几个不相关的新指标，对原始指标所包含的信息进行解释，已广泛应用于百香果［33］、草莓［34］、黄 瓜［35］、葛根［36］、黄芪［37］、番茄［38］、木薯［39］等多种作物栽培技术评价。根据主成分分析结果，对红壤旱地甘薯5种不同栽培措施进行综合评价，第1成分主要综合了产量性状（蔓长、分枝数、单薯重、干物率、地上部分产量、鲜薯产量、生物产量和薯干产量），贡献率高达61.86%，所以高产是优异栽培措施首要的评价指标。第2成分包含了原始信息的22.31%，主要由单株结薯数、R/T值和经济系数等经济指标决定，是协调地下块茎与地上蔓茎的重要指标。第3成分的贡献率为12.11%，其大小主要由光合产物性状（茎粗和SPAD值）决定，主要反映光合产物的生产与转运能力。这些与实际生产中要求的高产、经济系数高、光合生产与运输能力强的目标相一致，即甘薯源、流、库关系协调是甘薯获得高产的关键［40］。通过对前3个主成分的线性回归方程和贡献率建立了综合评价模型，结果表明，黑膜覆盖和增施钾肥综合得分最高，较为适宜红壤旱地应用，保水剂和稻草覆盖综合得分也超过常规栽培，但3个主成分得分均为负数，说明以本研究中的13个指标来评价，保水剂和稻草覆盖不适宜在红壤旱地应用。通过主成分分析了解不同栽培措施下甘薯各性状的优劣表现，并建立综合评价模型，为红壤旱地不同栽培措施的评价与应用提供了参考。

4 结论

不同栽培措施促进地上部分生长的效果要优于地下部分，而促进光合产物的转化能提高单株结薯数，所以生产中还需要搭配控旺技术来调节源库关系、提高经济系数和R/T值，从而获得高产。通过主成分分析建立的综合评价模型为不同栽培措施的评价提供了科学方法。分析认为，黑膜覆盖和增施钾肥能显著提高鲜薯产量和产投系数，较为适宜红壤旱地应用；而保水剂应用和稻草覆盖降低了产投系数，不适于该地区。