长期施用有机肥对潮土区甘薯碳氮积累与分配的影响

赵鹏，刘明，靳容，陈晓光，张爱君，唐忠厚，魏猛

徐州农业科学研究所/江苏徐州甘薯研究中心/农业农村部甘薯生物学与遗传育种重点实验室，江苏徐州 221131

0 引言

【研究意义】甘薯作为全球重要的粮食作物，产量位居世界粮食作物产量的第七位[1]。甘薯不仅能作为粮食保障民生，还是饲料与工业原料的重要来源，特别对于欠发达地区，甘薯具有重要的经济与社会意义[2-3]。中国作为世界上最大的甘薯生产国，种植面积超过660万hm2，约占世界总面积的70%[4]，特别近年来，由于对于甘薯营养价值的深入研究[5]，人们对甘薯的需求正在上升。【前人研究进展】块根类作物的产量，主要取决于库源关系的调控，促进碳氮同化物在块根部分的分配与积累是提高甘薯产量与品质的关键[6]。因此，通过改变农业措施合理调配甘薯碳氮同化物的分配积累是保证甘薯高产的重要手段。施肥制度作为农业生产最重要的环节，直接影响作物生长与发育，是保证产量的最基本措施之一。同样在我国甘薯种植中，为获得高产，过高依赖化肥的现象普遍存在[7]，不仅造成了肥料利用效率低下，同时氮、磷等养分的流失也对环境造成了严重污染。因此科学合理的施肥制度，既能合理调控块根类作物碳氮同化物的运转与分配进而获得高产，同时也能提高肥料的利用效率、减少环境污染，实现生态与经济效益的双赢[8]。外源有机肥料的添加，使水稻土壤微生物获得充足的碳源，改善土壤微生物群落结构，因此改变土壤养分供给特征，提高养分的可利用性[9]；并通过改善土壤养分的可利用性改变光合产物的运转过程，进而影响碳氮同化物的分配过程[10]。同时有机肥料对养分的物理固持作用使养分具有缓释性，持续保证养分的供给，有利于小麦等作物生育后期干物质的积累与运转[11]。同时有机肥料代替部分化肥，也在甘薯、马铃薯等块根类作物栽培中具有显著的增产作用[12-13]。【本研究切入点】然而，基于长期定位肥料试验对甘薯碳氮积累与分配的研究甚少，因此研究长期施用有机肥对甘薯碳氮积累与分配的影响、碳氮积累分配与土壤特征间的相互关系具有重要意义。【拟解决的关键问题】本研究以潮土区长期定位试验为基础，通过分析不同施肥措施下甘薯收获期的地上、地下部生物量以及各主要功能器官的碳氮含量以及耕作层土壤性质，阐明不同施肥处理对甘薯碳氮含量及其在各功能器官中分配比例的影响，以及不同施肥措施下甘薯地上、地下部碳氮比的变化，并运用主成分分析法解析甘薯碳氮分配与土壤性质的关系，为潮土区实现甘薯高产高效栽培提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究在江苏徐州甘薯研究中心 （ 34°16' N，117°17' E）内进行。研究中心位于江苏省徐州市徐州经济技术开发区，属暖温带半湿润气候区，年均气温14℃，≥10℃的活动积温5 240℃，年均降雨量为860 mm，且主要集中在7—8 月，年均蒸发量1 870 mm，全年无霜期约 210 d，日照时数 2 317 h。土壤类型为砂壤质潮土，长期试验开始时耕层土壤主要性状为有机质（SOM）10.80 g·kg-1，全氮（TN）0.66 g·kg-1，全磷（TP）0.74g·kg-1，有效磷 12.0 mg·kg-1，速效钾 63.0 mg·kg-1，缓效钾 738.5 mg·kg-1，pH 8.01。种植制度在1981—2001年为一年两熟小麦-玉米轮作，2002年后调整为一年两熟小麦-甘薯轮作。

1.2 长期定位试验设计

长期定位试验开始于1980年，共设8个处理，结合本研究目标，选择 4 个处理作为研究对象，分别为：（1）CK（不施肥）；（2）NPK（施氮磷钾）；（3）M（施有机肥料）；（4）MNPK（有机肥料+氮磷钾肥处理）。重复4 次，随机区组排列。小区面积为33.3 m2，小区间筑水泥墙体，深度为0.6 m，宽度为0.8 m，作永久性田埂分离，中间有管灌溉渠道通各小区。

1981—2001年小麦-玉米轮作，种植作物品种为当年的主栽品种，每5—7年进行更换；2002 年后改为小麦-甘薯轮作制。目前，小麦播种行距为15 cm，基本苗 3.0×106株/hm2，播种方式为人工条播；甘薯品种为徐薯32，密度为 49 500株/hm2，采用人工栽插种植。长期试验每季作物施N 165 kg·hm-2，1992 年后改为每季作物施N 150 kg·hm-2，详细施肥用量见表1。小麦、玉米季氮肥分基肥与追肥两次施用，追基比为1∶1，磷钾肥与有机肥作为基肥施用；甘薯季氮、磷、钾肥及有机肥均作为基肥一次性施用。

表1 长期定位试验不同处理年施肥量（1985—2019年）Table 1 Fertilizer application rates in different treatments(1985-2019)

氮肥为尿素与磷酸二铵，磷肥为磷酸二铵，钾肥为硫酸钾；有机肥在1981—1984年，采用马粪，年施用量（鲜）75 t·hm-2，有机碳含量为 14.8%—15.9%，水分含量为 42%—55%，年均氮投入量为 221—308 kg N·hm-2。1985年以后改为施猪粪，年施用量（鲜）37.5 t·hm-2，有机碳含量为 13.8%—30.1%，水分含量为 45%—58%，年均氮投入量为98—141 kg N·hm-2。

1.3 样品采集与测定

于2019年10月甘薯收获期，在各小区随机采集6株甘薯植株样品，并按照植株器官将甘薯植株分为叶、叶柄、藤蔓与地下部块根4部分，所有分离样品分别进行鲜重、杀青、烘干、称重、粉碎，并过0.25 mm筛备用；之后采用CN元素分析仪测定甘薯不同器官碳、氮含量及其碳、氮固持量（甘薯植株中碳氮总储量，即各器官碳/氮含量×干重的总和）。

并于甘薯收获后，采用多点混合法按照“S”形采集0—20 cm土层土样，自然风干后去除土壤表层枯叶、石砾及根系等，过1 mm 和0.25 mm 筛备用。土壤酸碱度（pH）和电导率（EC）采用pH 计（梅特勒FE20，上海）和电导率仪（梅特勒 FE30，上海）测定；土壤有机碳（SOC）采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；土壤全氮（TN）采用凯氏定氮法测定；土壤有效磷（AP）采用碳酸氢钠溶液浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾（AK）采用醋酸铵浸提-火焰光度计法测定。

1.4 数据分析

所有数据处理和分析均在Excel 2016、SPSS 23.0以及Canoco 4.5软件中进行。采用单因素方差分析进行方差分析；采用LSD法检验处理间P＜0.05水平的差异显著性；采用 Pearson相关系数分析甘薯碳氮固持与土壤特性的相关关系；采用主成分分析（PCA）检验不同处理间甘薯碳氮分配与土壤特征的差异性。作图采用Excel 2016、OriginLab 8以及CanoDraw软件完成。

2 结果

2.1 长期施肥对土壤特性的影响

如表2所示，与CK相比，NPK、M对土壤pH的影响并不显著，MNPK处理使土壤pH显著降低（P＜0.05）；且长期施肥均能显著降低土壤电导率（EC）（P＜0.05），其中M处理降幅最高为78.3%；同时，长期施肥显著提高了土壤有机碳、全氮、有效磷以及速效钾的含量（P＜0.05）。此外，相比NPK处理，施用有机肥处理（M与MNPK）土壤有机碳分别提高了35.0%与39.2%；土壤全氮分别提高21.3%与36.7%；特别对于土壤速效磷含量，M与 MNPK分别是NPK处理的13.5倍与10.2倍。而NPK相比M处理，显著提高了土壤速效钾含量（P＜0.05），但仍低于MNPK处理26.1%（P＜0.05）。

表2 不同处理土壤性质Table 2 Soil properties relative to treatment

2.2 甘薯生物量及干物质积累量

长期不同施肥处理对甘薯不同器官生物量及干物质量的影响如表3所示。各长期施肥处理相比CK，均能显著提高甘薯不同器官的生物量与干物质量（P＜0.05），其中块根生物量增产率达到169.2%— 330.3%。在各施肥处理中，MNPK处理不同器官生物量与干物质量均最高，其中块根生物量与干物质量显著高于M与NPK处理（P＜0.05），分别达到了49.2与15.5 t·hm-2；但对于叶片生物量与干物质量，3个处理之间并无显著差异。对于NPK处理叶柄与藤蔓生物量低于MNPK处理36.8%与28.0%（P＜0.05），但与M处理无显著差异。

表3 不同处理甘薯各器官生物量及干物质量Table 3 Biomass and dry matter quality of organs in different treatments of sweetpotato

2.3 甘薯各器官碳氮含量及其固持量

长期施肥对甘薯不同器官碳、氮含量影响显著（图1、图2），且各器官碳氮含量对施肥处理响应不同。对于不同器官碳含量，MNPK相比其他处理显著（P＜0.05）提高了叶片的碳含量，而NPK叶片碳含量低于CK对照21.4%（P＜0.05）；而NPK相较CK显著（P＜0.05）提高了叶柄的碳含量。对于甘薯块根部分，CK处理的块根碳含量最高（79.5%），且显著高于施肥处理M（P＜0.05）；在不同施肥处理之间，NPK与MNPK处理块根碳含量分别高于M处理18.6%与16.1%，其中NPK处理显著高于M处理（P＜0.05）。长期施肥处理相比CK显著（P＜0.05）提高了叶片的氮含量，且显著降低了藤蔓部分的氮含量；但叶柄氮含量并未表现出显著差异。在不同施肥处理之间，M与MNPK处理相比NPK，叶片氮含量提高了13.3%、16.2%。在甘薯的块根部分，M在各处理中有最高值（0.84%，P＜0.05），而 NPK块根氮含量低于CK处理26.5%（P＜0.05）。

长期施肥均显著提升了甘薯地上部、地下部碳氮固持量（图3）（P＜0.05）。对于碳固持量，MNPK地上与地下部碳固持量均最高，分别为1.76 t·hm-2与11.14 t·hm-2；且地下部碳固持量显著高于NPK与M处理（P＜0.05）。对于地上部氮固持量，3个长期施肥处理之间并无显著差异，而MNPK与M处理地下部氮固持量分别高于NPK处理118.9%与86.8%（P＜0.05）。

2.4 甘薯各器官碳氮分配比例

碳氮在甘薯不同器官的分配比例对长期施肥的响应差异显著（图4、图5）。各处理中，碳主要分配于地下块根中，在83.5%—86.6%范围内；而地上部碳主要分配于叶片中（7.9%—10.0%）；此外，碳在藤蔓中分配比例（3.6%—4.3%）仅高于在叶柄中的分配比例（1.7%—2.8%），且在M与NPK处理下显著高于 MNPK处理（P＜0.05）。对于氮在各器官中的分配比例，在CK、M与MNPK处理中主要集中于地下部块根部分（55.9%—62.2%），且显著高于 NPK处理下氮在块根中的分配比例（P＜0.05）。而对于NPK处理，氮分配在叶片与块根基本持平，分别在44.0%与43.8%；同时，氮在叶片中的分配比例显著高于其他处理（P＜0.05）。此外，氮素在藤蔓的分配为6.1%—8.4%，且NPK处理显著高于M、MNPK处理的氮在藤蔓的分配比例（P＜0.05）。

甘薯各器官C/N对长期施肥的响应如图6所示。各器官中，甘薯叶片C/N最低，其中CK叶片C/N最高（22.7），且显著高于M与NPK处理（P＜0.05）。甘薯叶柄与藤蔓的C/N在31.4—44.0之间，各处理大小排序均为 NPK ＞ M ＞ MNPK ＞ CK，且 CK 均显著低于NPK与M处理（P＜0.05）。甘薯块根C/N以NPK处理最高（142.2），且显著高于其他处理（P＜0.05）；同时，M处理下C/N最低，仅为74.3，显著低于其他处理（P＜0.05）。

2.5 长期施肥下土壤性质与甘薯碳氮分配的关系

由表4所示，甘薯块根碳固持量、叶柄氮固持量与土壤pH呈显著负相关（P＜0.05），其余不同器官的碳氮固持量并未与土壤pH表现出相关关系；而甘薯各器官的碳氮固持量，除叶片碳固持量与土壤 EC表现出显著负相关外（P＜0.05），其余器官碳氮固持量均呈极显著负相关（P＜0.01）。同时，甘薯各器官碳氮固持量与土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）速效钾含量呈极显著正相关（P＜0.01）。而土壤有效磷（AP）含量并未与甘薯叶片碳氮含量表现出相关关系，但与块根氮固持量呈极显著正相关（P＜0.01），相关系数达0.839。甘薯地上部各器官中叶片C/N与土壤 EC呈极显著正相关（P＜0.01），叶柄与藤蔓C/N与土壤EC呈极显著负相关（P＜0.01），甘薯地下块根C/N与土壤有效磷含量呈极显著负相关（P＜0.01）。

表4 土壤性质与甘薯碳氮固持及碳氮比之间的相关性Table 4 Correlation between soil properties and C/N fixation and C/N ratio of sweetpotato

通过对碳氮固持量在地上部、地下部的分配比例以及地上部、地下部的C/N进行主成分分析（PCA），结果表明（图7）前两个轴共同解释了66.6%的变异，第一主成分轴贡献率为42.8%。CK与NPK处理在轴1上的排序较高，说明两者处理下土壤pH与EC值较高，且对于碳氮在甘薯地上部的分配以及地下部C/N的解释度较高。此外，施用有机肥处理（M 与MNPK）下土壤SOC、TN、AP以及AK含量较高，且对于碳氮在甘薯地下块根部分的分配基于地上部C/N的解释度较高。

3 讨论

3.1 长期有机肥料添加对甘薯生物量的影响

本研究表明，长期NPK化肥配施有机肥料，相较化肥或有机肥料单一施用，能显著提高甘薯及其各器官生物量与干物质量（表 3）；且长期单施化肥与长期单施有机肥料对甘薯生物量的增产效果相一致。这一结果表明，以化肥为基础的旱作农田种植系统通过有机肥料的添加能够实现作物的更高生产力，这与许多其他长期添加有机肥的定位试验结果[14-16]相一致。这很大程度上归因于外源有机肥料的添加，土壤有机碳、全氮含量的提高以及土壤养分有效性的提升[17-18]。以上结论同样在本研究得到验证（表 2）。这源于有机肥料对土壤微生物群落结构的重塑，通过介导根际微生物的代谢能力（包括水分的运输、养分的传递以及能量的交换等）实现对作物产量的影响[19-20]。其次，甘薯等块根类作物，土壤钾素的含量及其有效性是其生物量形成的关键[21-22]，前人研究[23]证实添加有机肥料能够提高潮土的土壤速效钾含量，也能显著改变土壤碱性阳离子的交换量[24]，而且在本研究的结果中，有机肥料同样显著提高了土壤速效钾含量（表2）；但有机肥料对土壤钾素有效性的影响，不同长期试验的结果差异很大[25]，这可能与不同有机物料的特征以及土壤类型有关。第三，已有研究[26]表明作物生育期进行肥料的分次施用能够提高甘薯对养分的吸收，进而提高生物量，有机肥料的添加对土壤具有一定的养分缓释作用[27-28]，本研究中施用有机肥料有利于甘薯生物量的增加。因此，长期化肥施用配合有机肥料添加对甘薯的增产效果最为显著。

3.2 长期有机肥料添加对甘薯碳氮分配的影响

甘薯生物量的形成是光合产物积累与分配的过程，而产量的形成取决于库源关系的调控，促进C、N同化物向甘薯块根的运转，是提高甘薯产量及养分利用效率的关键[29]。在本研究中，有机肥料的添加，同样影响了作物碳同化过程与碳同化物在作物体内的分配，有机肥料配合化肥提高了甘薯叶片C、N含量（图1、图2），进而提高了甘薯对C、N的固持量（图3）。前人研究表明，土壤中养分的可利用性会改变碳在作物地上部分与地下部分的分配[30]。有机肥料的添加通过激发效应能够提高土壤氮素的可利用性[31]，进而使氮素更容易被作物吸收，提高作物对氮素的吸收效率，因此通过地上部光合作用形成的碳同化物向地下根系部分运输量减少[10,32]；此外，植株的碳同化过程与氮积累过程存在正相关关系，植株氮吸收效率的提高同样促进了叶片的光合作用[33]，因此有机肥料的添加通过提高土壤氮素的可利用性，进而改变了碳同化物在植株体内的分配，提高了地上部的碳氮含量。此外，相对NPK化肥施用，增施有机肥料降低了氮素在叶片的分配比例（图5），提高了叶片的C/N比（图6），同时提高了氮素在块根的分配比例（图5）。化肥能够显著降低叶片C/N，说明甘薯叶片生长旺盛，在叶片部分同化了大量光合产物，不利于光合产物向地下根系的转运[34-35]，因此会降低碳氮在地下部分的分配比例，进而限制块根类作物产量的增加。另一方面，由长期施用化肥导致土壤质量下降、可利用性养分含量降低，作物生长会受到磷限制，叶片扩展受到影响，进而限制叶片通过光合作用实现碳固定功能[36-37]，进而导致了叶片内碳同化物降低，提高了叶片C/N，而本研究中长期施用化肥（NPK）相较有机肥料添加处理，土壤速效磷含量显著下降（表 2），也反映了长期施用化肥引起磷亏缺限制。

3.3 土壤性质与甘薯碳氮分配的关系

由于有机肥料本身具有大量含碳有机化合物，能够直接增加土壤有机碳含量[38]，此外大量外源碳的输入，为土壤微生物提供了大量养分，促进了微生物的丰度与活性，促进了土壤养分的循环过程[39]。因此，长期添加有机肥料，能够显著增加土壤有机碳、全氮含量，并改善土壤养分的可利用性，本研究的结果也同样证明了这一结论。同时，本研究发现长期施肥条件下土壤养分状况的改善，能够提高碳氮在甘薯地下块根中的分配比例；而土壤pH与EC的升高会促使碳氮更多向甘薯地上部积累（图7）。土壤性质一方面在养分可利用性方面影响作物营养进而改变碳氮在植物体内的分配[40]；另一方面，可能由土壤理化性质改变引起了生理胁迫也可能是影响植物碳氮分配的关键因素[41]。该研究发现，长期施有机肥通过改善土壤养分状况（表2），促进了甘薯对养分的吸收，进而促进了碳氮在块根部分的积累与分配、提高了甘薯产量的形成[18]；同时，由于养分更易获得，使叶片通过光合作用产生的碳同化物更多被保留在地上部分，减少了向地下部转运的部分[10]，因此地上部的 C/N升高。反之，长期不施肥或者长期施用化肥导致土壤质量恶化、土壤养分的可利用性下降，光合产物更多地被运转至地下部用于土壤养分的获取[42-43]，地下部 C/N提高、碳氮的积累受限，故不利于甘薯产量的形成。

4 结论

长期NPK化肥配施有机肥，相较有机肥或化肥单一施用，甘薯生物量与干物质量显著提高；同时甘薯地上部与地下部碳氮的固持量以及土壤全氮、速效钾含量均显著提高。对于碳氮在甘薯不同器官内更多被分配于块根部分，且增施有机肥料后，与NPK化肥施用相比，降低了氮素在叶片的分配比例，提高了叶片的C/N，同时提高了氮素在块根的分配比例。通过相关性分析与主成分分析结果表明，土壤养分状况的改善，能够合理调配各器官C/N，提高碳氮在甘薯地下块根部分的分配比例，促进甘薯产量的形成。