氮磷钾配施下赤红壤区粉葛的肥料效应及产量和品质研究

王 艳 许振欣 何明慧 黄廉康 欧昆鹏 王学礼,

(1 广西农业科学院生物技术研究所，广西 南宁 530007；2 广西大学农学院，广西 南宁 530004)

粉葛(PuerariathomsoniiBenth)为豆科葛属植物[1]，是最早被收入药食同源目录的植物[2]。粉葛块根富含淀粉、氨基酸及大豆苷元、葛根素等成分，对心血管、糖尿病、高血压等疾病具有明显的防治作用[3-4]。我国人工种植粉葛的基地集中在广西、广东、江西等地区[5]。粉葛是需肥量较高且耐肥的植物，为追求产量增长的目标，一些地区采取了过量或单一施用化肥的手段，但近年来出现了增肥不增产的现象。这种不科学的施肥方式不仅造成种植成本增加，还带来了农田环境污染的风险[6]。

氮、磷、钾是限制植物生长的三大营养元素[7]。已有研究表明，氮、磷、钾配施可显著增加丹参[8]、黄芪[9]、桔梗[10]等药材的产量与品质。有关施肥对粉葛养分吸收、产量和品质的影响已有少量报道。如何美军[11]以叶片喷施不同梯度氮、磷、钾肥的研究方式，总结发现粉葛是喜钾、偏磷、轻氮的作物；张蕊[12]通过追施20 kg·667 m-2生物钾肥，发现粉葛产量最高达1 841.12 kg·667 m-2；吴潇[13]对粉葛采用有机-无机复混肥的施肥水平比较试验，确定了每667 m2种植密度1 000株、施肥量为300 kg时效益达到最大值；顾彩霞[14]选用磷肥与复合肥进行梯度试验，发现穴施磷肥50 g时粉葛块根生物量最高，穴施100 g复合肥时葛根素含量最高。目前关于粉葛的研究主要在种质资源[15]、工艺提取[16]、化学成分分析[17]等领域，而针对赤红壤区粉葛的肥料效应研究尚鲜见报道。

广西作为中国最大的粉葛生产基地，现总种植面积为10 201 hm2[18]。规模化种植基地主要分布在桂中南地区，85%以上的粉葛种植土壤类型为砂质土，土壤pH值4.5～6.0，以连作种植为主，一年一熟采收，目前关于广西粉葛主产区施肥效应的研究尚鲜见报道。因此，本试验针对桂中南地区的粉葛种植模式、土壤地力水平和施肥习惯，采用“3414”肥料效益试验方案，探讨氮、磷、钾配施对粉葛产量、淀粉、葛根素及经济效益的影响，并构建施肥效益模型，总结氮、磷、钾肥最佳施用量，以期为赤红壤区粉葛科学施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验在广西壮族自治区南宁市武鸣区甘圩镇试验基地(22°84′70″N，108°24′45″E)进行，试验地平均海拔55.43 m，土壤类型为砂页岩发育的赤红壤，属于南亚热带季风气候，年平均气温20.9℃。在试验进行前，取0～30 cm土层土壤测定其理化性质，结果如表1所示。

表1 大田土壤理化性质Table 1 Physical and chemical properties of field soil

1.2 试验材料

供试的粉葛种苗为桂粉葛1号，由广西农业科学院生物技术研究所提供。氮、磷、钾肥均采用常规的尿素(含N 46.4%)、钙镁磷肥(含P2O518%)、硫酸钾(含K2O 52%)。

1.3 试验设计与田间管理

试验设计：田间试验采用“3414”方案，设置N、P、K 3个因素，4个施肥水平，共14个处理，每个处理重复3次。小区面积为22.75 m2，采用起垄种植方式，粉葛种植密度为1.2万株·hm-2。4个施肥水平如下：对照组处理为0水平(N0P0K0)，不施肥；正常施肥处理为2水平(N2P2K2)，当地推荐的施肥量；减量施肥处理为1水平(N1P2K2、N2P1K2、N2P2K1、N1P1K2、N1P2K1、N2P1K1)，施肥量为2水平的0.5倍；过量施肥处理为3水平(N2P3K2、N2P2K3、N3P2K2)，施肥量为2水平的1.5倍。增设缺素处理(N0P2K2、N2P0K2、N2P2K0)。全部磷肥和20%钾肥做基肥，20%氮肥和20%钾肥于粉葛苗期施入，50%氮肥和40%钾肥于粉葛块根形成期施入，30%氮肥和20%钾肥于粉葛块根膨大期施入，全生育期的施肥量见表2。

淀粉含量和葛根素含量按照氮、磷、钾单肥效应分析，设计对照组处理(N0P0K0)；减量施肥处理(N1P2K2、N2P1K2、N2P2K1)；正常施肥处理(N2P2K2)；过量施肥处理(N3P2K2、N2P3K2、N2P2K3)，施肥量与上述4个施肥水平相同。

田间管理：粉葛幼苗于2020年3月15日移栽，移栽后20 d追施苗肥，当苗高60 cm时进行引竿上架绑蔓；6月中旬，块根直径达1 cm时追肥，对根系进行修根(选留1～2条根系继续膨大)，及时抹除芦头上生长的腋芽，当藤叶生长旺盛时进行修剪，防止田间荫蔽；7月25日最后一次追肥；同年12月15日收获。

表2 粉葛施肥试验设计方案Table 2 Fertilization experiment design scheme of Pueraria thomsonii Benth /(kg·hm-2)

1.4 试验方法

土壤基本理化性质测定参照鲍士旦[19]的方法：pH值采用SevevMulti型pH计(瑞士梅特勒-托利多公司)测定；有机质含量采用H2SO4-K2CrO7外加热法测定；速效氮含量采用碱解扩散法测定；速效含量磷采用钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用火焰光度法测定。

葛根素含量测定：采用液相色谱法，选用LC-20AT高效液相色谱仪(日本岛津公司)测定[20]。称取0.1 g样本，放入研钵中磨碎，加入0.5 mL预冷的甲醇(色谱纯，德国默克公司)25℃超声提取30 min，12 000 r·min-1离心10 min，离心后的沉淀物再次用0.5 mL预冷的甲醇25℃超声提取30 min，离心后取上清液，合并两次上清液，定容至1 mL，用针头式过滤器过滤于带有内衬管的样品瓶内待测。设置进样量10 μL，流速 1 mL·min-1， 柱温30℃，走样时间30 min，检测波长250 nm。

淀粉含量采用蒽酮比色法[21]测定。

经济效益的计算方法：鉴于不同处理的田间耕作及管理成本相同，故不纳入计算，以粉葛收购价6元·kg-1、 氮(N)肥4.74元·kg-1、磷(P2O5)肥8.33元·kg-1、钾(K2O)肥7.69元·kg-1的价格，按照以下公式计算单位面积经济效益：

单位面积经济效益(元·hm-2) =

产量×收购价-施肥量×肥料价格。

1.5 数据分析

试验数据通过Microsoft Excel 2010软件整理制图。利用SPSS21.0软件进行方差分析，选择多重极差检验(duncan multiple range test，Duncan)和最小显著差异(least significance difference, LSD)检验法进行多重比较，检验不同处理间的指标差异性，进行粉葛产量与施肥用量之间的多元回归分析。

2 结果与分析

2.1 施肥对粉葛产量及经济效益的影响

氮、磷、钾配施对粉葛产量及经济效益的提高具有明显作用，且作用强弱与施肥量有关。由表3可知，减量施肥处理(1水平)产量和经济效益为33 381 kg·hm-2、 192 579元·hm-2，正常施肥处理(2水平)产量和经济效益为39 224 kg·hm-2、225 113元·hm-2， 过量施肥处理(3水平)产量和经济效益为29 664 kg·hm-2、 166 021元·hm-2，对照组(0水平)产量和经济效益为20 937 kg·hm-2、125 624元·hm-2。 综上分析，施肥效果表现为2水平>1水平>3水平>0水平，其中2水平和1水平施肥处理增产较3水平施肥处理增产效果明显，2水平和1水平处理的产量及经济效益较0水平处理分别提高了87%、79%和59%、53%。而缺素处理(N0P2K2、N2P0K2、N2P2K0)的产量、经济效益与对照(N0P0K0)相比差异不显著。

2.2 施肥对粉葛淀粉含量的影响

由图1可知，减量施氮(N1P2K2)处理的粉葛淀粉含量(40%)最高，磷肥的效应态势与氮肥相反，而钾肥表现为先上升后下降的趋势。整体比较，减量施肥处理的淀粉含量平均值为32%，比对照组提高了10个百分点；正常施肥处理的平均值为32%，比对照组提高了10个百分点；过量施肥处理的平均值为29%，比对照组提高了7个百分点。综合分析，减量施氮(N1P2K2)处理与正常施肥(N2P2K2)处理更有利于促进粉葛淀粉的形成。

表3 氮磷钾配施对粉葛的产量及经济效益的影响Table 3 The effect of N、P、K application on Pueraria thomsonii Benth yield and economic benefit

2.3 施肥对粉葛葛根素含量的影响

由图2可知，随着氮肥、磷肥用量的增加，葛根素含量整体逐渐减少，减量施氮(N1P2K2)处理显著高于正常施肥(N2P2K2)和过量施氮(N3P2K2)，而钾肥效应的葛根素含量变幅较大，其中减量施钾(N2P2K1)处理的葛根素含量(2.19 mg·g-1)高于其他处理。整体分析，减量施肥处理的葛根素含量平均值为1.65 mg·g-1， 较对照组提高了30%，减量施肥处理(N1P2K2、N2P1K2、N2P2K1)更有利于粉葛葛根素的积累。

2.4 N、P、K施肥效应

2.4.1 N肥效应 当P、K肥保持2水平时，根据N肥的3个施肥水平(N1、N2、N3)进行效应分析。由表4可知，N1、N2处理的产量比N0分别显著提高了71%和84%，但过量施氮的N3处理粉葛产量并未显著增加。3个施N水平经济效益的变化趋势与产量一致，N1和N2的经济效益比N0分别显著提高了75%和88%。总体来看，过量施氮不利于粉葛产量的提高。

表4 粉葛氮肥效应Table 4 The effect of nitrogen fertilizer on Pueraria thomsonii Benth

表5 粉葛磷肥效应Table 5 The effect of phosphorus fertilizer on Pueraria thomsonii Benth

注：对照组不作施肥处理；减量施肥的施肥水平为1(N: 251 kg·hm-2, P2O5: 248 kg·hm-2, K2O: 250 kg·hm-2)；正常施肥的施肥水平为2(N: 494 kg·hm-2, P2O5: 494 kg·hm-2, K2O: 491 kg·hm-2)； 过量施肥的施肥水平为3(N: 745 kg·hm-2, P2O5: 743 kg·hm-2, K2O: 741 kg·hm-2)。不同小写字母表示 不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。Note: There is no treatment of using fertilizer in control group. Fertilizer level of group of less fertilizer is 1(N: 251 kg·hm-2, P2O5: 248 kg·hm-2, K2O: 250 kg·hm-2). Fertilizer level of group of medium fertilizer is 2(N: 494 kg·hm-2, P2O5: 494 kg·hm-2, K2O: 491 kg·hm-2). Fertilizer level of group of high fertilizer is 3(N: 745 kg·hm-2, P2O5: 743 kg·hm-2, K2O: 741 kg·hm-2). Different lowercase letters indicate significant difference among different treatments at 0.05 level. The same as following.图1 粉葛淀粉含量的氮、磷、钾效应分析Fig.1 The effect of nitrogen、phosphorus and potassium on starch content of Pueraria thomsonii Benth

图2 粉葛葛根素含量的氮、磷、钾效应分析Fig.2 The effect of nitrogen、phosphorus and potassium on starch content of Pueraria thomsonii Benth

2.4.2 P肥效应 当N、K肥保持2水平时，进行不同P肥水平(P1、P2、P3)的效应分析。由表5可知，3个P肥水平的产量、经济效益均与P0处理存在显著性差异，但P1、P2、P3之间无显著差异。整体分析，正常施磷(N2P2K2)处理的磷肥效应最佳。

2.4.3 K肥效应 当N、P肥保持2水平时，对3个K肥水平(K1、K2、K3)效应进行分析。由表6可知，产量与经济效益均表现为K1、K2与K0呈显著性差异，而K3与K0、K1与K2间无显著差异，K1、K2、K3比K0分别增产48%、57%、15%。综上，正常施钾处理更有利于粉葛产量及经济效益的提高。

2.5 氮、磷、钾肥配施的互作效应

2.5.1 P、K不同施肥水平的N肥效应 由图3可知，当钾肥处于2水平(K2)时，分析N肥变量(N1、N2)对P1K2和P2K2处理产量及经济效益的影响，P肥减量处理下，P1K2处理中N2的产量和经济效益比N1分别减少了500 kg·hm-2和4 000元·hm-2，随着P肥的增加，P2K2处理中N2的产量和经济效益比N1分别增加了2 800 kg·hm-2和15 000元·hm-2；当磷肥处于2水平(P2)时，钾肥减量处理下，P2K1处理中N2比的产量和经济效益N1分别增加了4 000 kg·hm-2和23 000元·hm-2，P2K1处理增产效果优于P2K2处理。综上所述，本试验条件下磷肥正常施肥，钾肥减量才有利于促进氮肥肥效的发挥，即P与N呈正交互作用，K与N呈负交互作用。

表6 粉葛钾肥效应Table 6 The effect of potassium fertilizer on Pueraria thomsonii Benth

注：不同小写字母表示全部处理间差异显著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level among all treatments. The same as following.图3 P、K不同施肥水平的N肥效应Fig.3 The response of nitrogen fertilizer during different stage of phosphorus and potassium

2.5.2 N、K不同施肥水平的P肥效应 由图4可知，当钾肥处于2水平(K2)时，分析P肥变量(P1、P2)对N1K2和N2K2处理的产量及经济效益影响，N1K2处理中P1与P2结果基本一致，N2K2处理中P2的产量和经济效益比P1分别增加了4 600 kg·hm-2和25 000 元·hm-2； 而氮肥保持2水平(N2)下，P肥的增量使K肥减量处理(N2K1)的产量及经济效益显著提高，N2K1处理中P2的产量和经济效益比P1分别增加了12 900 kg·hm-2和76 000元·hm-2。综上所述，本试验交互效应中钾肥的作用发挥明显，钾肥减量和磷肥正常施肥的条件下，粉葛的产量和经济效应显著提高，即K与P呈负交互作用。

图4 N、K不同施肥水平的P肥效应Fig.4 The response of phosphorus fertilizer during different stage of potassium and nitrogen

2.5.3 N、P不同施肥水平的K肥效应 根据图5分析K肥(K1、K2)变量对N、P不同施肥水平处理的影响。结果显示，当磷肥处于2水平(P2)时，N1P2处理中K2的产量和经济效益比K1分别增加了3 400 kg·hm-2和19 000元·hm-2，N2P2处理中K2的产量和经济效益比K1分别增加了2 200 kg·hm-2和11 000元·hm-2， N1P2的增产幅度大于N2P2；当氮肥处于2水平(N2)时，N2P1处理中K2的产量和经济效益比K1分别显著增加了10 500 kg·hm-2和62 000元·hm-2。 综合比较，增产幅度表现N2P1>N1P2>N2P2，说明在磷肥、氮肥正常施肥时，增施钾肥有利于粉葛产量及经济效应提升，即P、N均与K呈负交互作用。

图5 N、P不同施肥水平的K肥效应Fig.5 The response of potassium fertilizer during different stage of phosphorus and nitrogen

2.6 最佳氮、磷、钾肥配施方案的估计

以经济效益(Y2)和产量(Y1)为因变量，氮、磷、钾施肥量为自变量做三元二次方程模型回归分析，结果如表7所示。经过F检验，两个方程的P值均小于0.05，可认为两个方程模型总体显著。加之决定系数在0.9以上，一次项系数和二次项系数符合典型肥料效应函数的要求。两个方程均存在最大值，即当施加N(N) 343 kg·hm-2、P(P2O5) 423 kg·hm-2、K(K2O) 402 kg·hm-2时，粉葛产量最高，为37 780 kg·hm-2；当施加N(N) 272 kg·hm-2、P(P2O5) 295 kg·hm-2、K(K2O) 427 kg·hm-2时，粉葛经济效益最高，为219 175元·hm-2。

表7 施肥效益的肥料模型Table 7 The fertilizer response models on fertilizer levels

在三元二次方程模型的基础上，对粉葛田间试验数据应用频率分析法筛选氮、磷、钾肥配施方案，以产量≥35 000 kg·hm-2和经济效益≥150 000元·hm-2为目标产量和经济效益，可筛选出11组和26组符合相应要求的施肥方案。为提高粉葛产量和经济效益，从配施方案的交集中再筛选出11组产量≥35 000 kg·hm-2且经济效益≥150 000元·hm-2的施肥方案，其氮、磷、钾施肥量分别为312～455 kg·hm-2、 397～547 kg·hm-2、362～489 kg·hm-2(表8)。

粉葛属生物量大且生育期较长的藤本植物，以收获块根为种植目的，生产中平均产量达35 000 kg·hm-2以上，适宜粉葛生长的土壤类型为砂质土，该质地土壤保肥性差，因而在栽培管理过程中的肥料投入量较高。根据综合产量及品质等指标，推荐的氮、磷、钾肥配比为N1P2K2，此施肥方案下粉葛收获后土壤速效氮、速效磷、速效钾含量(表9)基本上与试验前保持了相同的水平，可见推荐的施肥方案在土壤肥力保持方面具有明显的优势。

3 讨论

氮、磷、钾肥合理的配比能够协调植物在光合作用中源和库的关系，从而获得较高的经济产量[22]。本试验条件下，减量施肥处理(1水平)和正常施肥处理(2水平)的粉葛产量及经济效益均显著高于对照组(0水平)和缺素处理(N0P2K2、N2P0K2、N2P2K0)，氮、磷、钾处于2水平施肥量时的粉葛经济产量最高，当施肥量达3水平时，其产量与经济效益表现出下降趋势，究其原因，推测为粉葛属豆科植物，具有固氮养地的特点[23]，加之当地常年大量施用复合肥，土壤中氮、磷、钾等营养元素比较丰富，所以减量施肥处理已能满足生产需求。从本试验“单肥效应”分析，N、P、K单因子的产量与经济效益均表现为先上升后下降的趋势，N、K单因子效应的1水平、2水平处理均与对照存在显著差异，P单因子不同水平处理均与对照处理呈显著性差异，但P1、P2、P3处理之间无显著差异，说明过量的磷并未引起粉葛大幅度增产，可能与当地重施磷肥轻施有机肥，土壤有机质含量与土壤有效磷效率呈现极显著正相关关系有关[24]，本研究中土壤的有效磷含量较高而有机质含量较低，也许导致了磷肥的肥效下降；另外可能与本试验选用的磷肥种类有关，钙镁磷肥的肥效较长但供肥缓慢，当季粉葛对该种类的磷肥不同施入水平反应不明显。桂中南地区多为酸性赤红壤土，由于大量游离的铁、铝等离子的存在，磷素易被固定为难溶性的闭蓄态磷，大大降低磷的有效性[25]。因此，建议在赤红壤上可配合施用钙镁磷肥和水溶性磷肥，并重视有机肥的施用，以提高磷肥的肥效，从而满足粉葛的生长需求。

表8 氮、磷、钾肥配施方案频率分析Table 8 The combined application frequencies on N, P and K fertilizer levels

表9 收获后土壤氮、磷、钾有效态含量Table 9 Available content of nitrogen, phosphorus and potassium in soil after Pueraria thomsoniiBenth harvest /(mg·kg-1)

淀粉与葛根素含量是粉葛药食两用品质的主要评价指标[26]。本研究显示，减量施氮(N1P2K2)处理粉葛的淀粉含量(40%)最高，随着N肥的增加其含量逐渐减少，与之相反，淀粉含量随着P肥的增加而不断提高，这与顾彩霞[14]的研究结果一致。原因可能是随着施N量的增加，块根中蛋白质开始大量积累，淀粉和蛋白质积累出现了彼此消长的现象[27]，而磷肥用量的增加促进了光合作用和碳水化合物的合成与转运，当粉葛进入生长中后期，通过光合作用积累的光合产物大量向根部转移，块根膨大末期淀粉含量最高[28]。另外，在钾肥效应中发现，施用一定量的钾肥有助于粉葛淀粉的合成，当钾肥施用过量时，粉葛淀粉含量开始减少，可能是因为适量的K具有激活淀粉合成酶的作用[29]，而过量的K易引发植株体内养分比例失调，进而导致不良效应。葛根素在N、P、K肥减量处理下含量较高，其中减N处理(N1P2K2)均利于淀粉和葛根素的积累，另外发现P、K肥变量处理下的这两种成分含量变化呈相反趋势，即淀粉含量随着P肥施用量的增加逐渐增加，葛根素含量则逐渐减少，当K处于正常施肥(2水平)时，淀粉含量最高而葛根素含量最低，推测P、K肥增施处理可能引起了初生生长和次生代谢产物积累的竞争关系[30-31]，粉葛淀粉的积累在一定程度上抑制了葛根素的合成。因此同时考虑产量及品质因素，本研究条件下最优的施肥方案为N1P2K2，即少施氮肥，正常施用磷肥和钾肥。

4 结论

本研究结果表明，氮、磷、钾肥合理配施可有效提高粉葛的产量及经济效益，并显著影响淀粉与葛根素的积累。综合考虑，减量施氮、正常施用磷肥和钾肥配施方案(N1P2K2)更利于粉葛药食两用的种植目的。以产量、品质及经济效益为目标，对多元回归模型进行优化，明确桂中南赤红壤区粉葛产量≥35 000 kg·hm-2、 经济效益≥150 000元·hm-2的推荐施肥方案为施氮(N)量312～455 kg·hm-2、施磷(P2O5)量397～547 kg·hm-2、 施钾(K2O)量362～489 kg·hm-2。