氮钾减量配施对甘薯产量和品质的影响

杨春菊 唐道彬 张 凯 杜 康 黄 红 乔欢欢 王季春,* 吕长文,*

研究简报

氮钾减量配施对甘薯产量和品质的影响

杨春菊1,2唐道彬1,2张 凯1,2杜 康1,2黄 红1,2乔欢欢1,2王季春1,2,*吕长文1,2,*

1西南大学农学与生物科技学院, 重庆 400715;2薯类生物学与遗传育种重庆市重点实验室, 重庆 400715

基于重庆地区土壤肥力及施肥水平, 在保证作物稳产、优质的情况下, 探讨氮钾减量配施对甘薯产量、品质、养分利用和土壤肥力的影响, 以期确定本地区甘薯是否存在减肥空间以及适宜的减量配施策略。2021—2022年连续2年在重庆市北碚区歇马街道西南大学薯类作物研究所开展田间试验, 采用双因素随机区组试验设计, 氮、钾各三水平, 分别以常规施N量为126.00 kg hm–2(A1), 减施10% (A2)和20% (A3); 常规施K2O量96.00 kg hm–2(B1), 减施5% (B2)和10% (B3)。试验结果表明, 一定程度的氮钾减量配施不会造成甘薯产量的显著下降, 氮肥减施达到20% (A3)甘薯单株结薯数显著降低, A3较A1显著减产9.25%。氮肥减施10%和20%分别较A1的块根可溶性糖含量显著增加了0.25%和0.36%, 钾肥减施10%则较B1的可溶性糖含量显著增加了0.47%。但氮钾减量配施对甘薯块根淀粉率和可溶性蛋白含量存在不利影响。综上所述, 相较于本地常规施氮钾量, 减氮10% (A2)配合减钾5% (B2), 即施氮量为119.70 kg hm–2、施钾量为86.40 kg hm–2, 不会降低渝薯198产量和土壤酶活性, 可作为本区域甘薯生产中的推荐施肥量｡

甘薯; 氮钾肥减量配施; 产量品质; 土壤肥力

甘薯, 又名红薯、红苕、地瓜等, 是旋花科甘薯属、多年生或一年生草本植物。起源于中南美洲热带地区, 具有栽培简单、适应性广、繁殖力强和产量高等特点[1]。在我国分布广泛, 其中仅四川和重庆就超过90万公顷, 是成渝地区主要粮食作物之一。

氮(N)和钾(K)作为作物生长必需的营养元素, 适量的施加氮肥对甘薯茎叶生物量和叶面积指数的提高有积极影响, 并且可以延缓叶片衰老, 提高甘薯叶片的叶绿素含量, 有效提高甘薯平均单薯重和薯块产量[2]; 适量施钾可提高甘薯的净同化率, 提高甘薯光合产物向块根的分配, 最终增加甘薯的干物质产量, 鲜薯产量增加[3]。因此, 施用氮钾肥已成为甘薯实际生产中的必然措施。然而由于受近年来高投入高产出的生产模式影响, 我国化肥实际施用量远高于作物需求量, 甘薯生产也不例外。这导致我国化肥利用效率仅为33%, 其中氮肥为30%～50%, 钾肥为35%～50%[4]。而且，氮肥的大量不合理施用将造成氮肥偏生产力下降[5], 植株奢侈吸氮, 贪青迟熟, 同时加重作物病虫害, 降低作物产量、品质, 还会对土壤及周围环境产生严重的影响[6-9]。

前人关于氮肥或钾肥单一减量对作物生长生理、产量和品质形成影响机理和施用技术已有大量研究, 基于高施肥量的适度氮肥或钾肥减量不但不会造成作物产量的显著减低, 甚至会有所提高, 而且对作物品质、养分吸收利用、土壤肥力等等有很大的提升。但对于不同地区的土壤及施肥水平的甘薯生产, 针对氮钾肥减量配施的研究较少。如何在“节肥高效”生产要求下, 进行氮钾肥减量配施以实现甘薯丰产稳产、提质增效栽培, 还需根据具体生态和生产条件进行研究明确[10]。因此, 本研究基于重庆区域当前甘薯常规氮钾施用水平, 在保证产量品质不显著下降的前提下, 通过研究氮钾肥的减量空间与配施比例, 寻求甘薯氮钾减施技术与模式, 不仅契合国家“双减”战略目标, 也为本地区甘薯绿色高效栽培提供了重要的理论参考与现实途径。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021—2022年在重庆市北碚区西南大学薯类作物研究所歇马基地(29°46'N, 106°21'E)开展, 供试土壤为沙壤土, 土壤肥力均匀, 偏碱性, 栽插前0～20 cm土层混合土样基础养分含量见表1。

表1 2021-2022年歇马试验点土壤基础养分含量

北碚区属亚热带季风性湿润气候, 年均降雨量1156.8 mm, 年均日照时数1316 h, 全年无霜期331 d。2021—2022年甘薯生长季气候数据(5月至11月)通过安装于距地面2 m的田间小型农业气象站记录(图1)。

1.2 试验设计

供试品种为淀粉型甘薯品种渝薯198, 由西南大学农学与生物科技学院薯类作物研究所选育。采用双因素完全随机区组试验设计, 以重庆地区常规施氮量(A1)为对照、减氮10% (A2)和减氮20% (A3); 以常规施钾量(B1)为对照、减钾5% (B2)和减钾10% (B3), 不同氮钾减施配比组合详见表2, 共9个处理, 各处理移栽前氮、磷、钾肥均作底肥一次性施入, 其中氮肥为尿素(四川天华有限责任公司, 含N不少于46.4%), 磷肥为过磷酸钙30 kg hm-2(四川省奥施沃尔有限责任公司, ≥12.0%), 钾肥为硫酸钾(国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司, K2O≥52.0%)。每处理3次重复, 每小区面积9.6 m2(2.0 m´4.8 m), 甘薯起垄种植, 垄高0.35 m, 垄宽0.80 m, 栽插密度为56,250株hm-2, 2021、2022年度分别于5月25日和5月20日栽插, 11月15日和11月10日收获, 田间管理同当地高产管理水平。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 产量及品质测定 于收获时记录每小区总薯数并折算单株结薯数, 同时称取各小区甘薯鲜薯重量并折算产量(kg hm–2), 每处理进行3次生物学重复。另于每小区选取3个形态一致的200～300 g的完好薯块, 洗净后将其进行横剖和纵剖, 对称取样切成1 cm3小块混匀称重, 并于105℃下杀青30 min, 然后于80℃下烘干至恒重, 并采用烘干法计算干率(%); 根据吴春红提供的方法[11]计算淀粉率(%); 另一半于液氮速冻后置于超低温冰箱作为鲜样保存, 分别采用考马斯亮蓝染色法[12]和蒽酮比色法[13]测定块根可溶性蛋白和可溶性糖含量。

图1 2021–2022年歇马试验点甘薯生长季温度和降雨量

表2 氮钾减量配施处理组合

1.3.2 养分含量测定 于收获时每小区另取3株长势一致的样品, 将块根、茎和叶分开称重后于105℃杀青30 min并于80℃下烘干至恒重, 粉碎后过筛测定植株的养分含量。采用硫酸-双氧水-凯氏定氮法测定全氮含量; 采用硫酸-双氧水-火焰光度计法[14]测定全钾含量。

1.3.3 土壤速效养分含量测定 采用碱解氮扩散法测定[15]土壤碱解氮含量; 使用托普养分测定仪(托普云农科技股份有限公司, 浙江)测定土壤有效磷和速效钾含量。

1.4 数据统计及分析

采用Microsoft Excel 2013软件对数据进行处理和计算, SPSS 26.0统计软件进行数据统计及方差分析, 用Duncan’s新复极差法进行差异显著性分析(<0.05)。Origin 2020软件进行绘图分析。

2 结果与分析

2.1 氮钾减量配施对甘薯产量及产量构成的影响

通过对不同氮钾减量配施下甘薯产量变异来源分析可知(表3), 年际间(Y)、年度与氮肥减施(Y´A)、年度与钾肥减施(Y´B)的互作效应对产量性状的影响均不显著; 氮肥减施(A)对单株结薯数和薯块产量的影响达到极显著水平(0.01), 钾肥减施(B)对单株结薯数和薯块产量的影响达显著水平(<0.05); 氮钾减施互作(A´B)效应显著影响薯块产量。

与A1B1相比, A3B1、A3B2和A3B3单株结薯数在2021年分别减少9.7%、14.9%和12.4%; 在2022年分别减少12.8%、15.5%和12.6%。不同氮钾减量配施处理下的单薯重差异不显著。与A1B1下的薯块产量相比, 仅A3B2和A3B3处理下薯块产量差异显著, 薯块产量在2021和2022年分别降低9.6%、15.3%和8.9%、11.8%。此外与A1B1相比, A1B2处理下单株结薯数、单薯重和薯块产量均有最大值, 分别为每株4.41个、176.85 g和43,448.77 kg hm–2。同时, 分别从减氮、减钾的效果看, 减氮20%导致单薯重和总产量显著下降, 减钾有利于单株结薯数的显著提升, 但对单薯重和薯块产量无显著影响。说明氮、钾肥过度减施不利于单株结薯数和产量的形成, 但适度减施(A1B2)有利于甘薯产量的形成。

2.2 氮钾减量配施对甘薯品质的影响

由表4可知, 年际间(Y)、年度与氮肥减施(Y´A)、年度与钾肥减施(Y´B)的互作效应对甘薯淀粉率、可溶性糖和可溶性蛋白含量的影响不显著。氮肥减施(A)、钾肥减施(B)对甘薯淀粉率、可溶性糖和可溶性蛋白含量的影响均达到极显著差异水平(<0.01), 而二者互作仅对淀粉率和可溶性糖的影响达到极显著差异水平。

从单一因素的平均值看, 减氮对甘薯淀粉率无显著影响, 但随着减施量的增加, 可溶性糖和可溶性蛋白含量有显著增加的趋势; 减施钾肥显著降低了淀粉率和可溶性蛋白含量, 但减钾10% (B2)的处理下, 薯块可溶性糖含量反而显著上升。但从减量配施效果而言, 与常规氮钾施用(A1B1)相比, 除A2B1和A2B2处理外, 其余氮钾减量处理下的淀粉率均达到显著差异水平, 2年淀粉率最多降低了13.0%和13.1%; 可溶性蛋白则仅在2021年的A3B3处理和2022年的A2B3、A3B3处理下显著降低, 2年最多分别降低9.8%和10.2%。但A1B3、A2B3、A3B1、A3B3处理下可溶性糖含量反而显著高于对照, 在A3B3处理时块根可溶性糖含量在2021年和2022年分别增加了9.2%和8.7%。可见, 氮钾减量配施有利于块根可溶性糖含量增加, 但不利于淀粉率和可溶性蛋白含量的升高, 总体降低了块根品质。

同一年度同一列中不同小写字母表示在0.05概率水平差异显著。*和**分别表示在0.05和0.01概率水平差异显著。处理同表2。

Different lowercase in the single column indicates significant difference at the 0.05 probability level in the same year.*and**mean significant differences at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. Treatments are the same as those given in Table 2.

表4 氮钾减量配施对块根品质的影响

(续表4)

同一年同一列中不同小写字母表示在0.05概率水平差异显著。*和**分别表示在0.05和0.01概率水平差异显著。处理同表2。

Different lowercase in the single column indicates significant difference at the 0.05 probability level in the same year.*and**mean significant differences at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. Treatments are the same as those given in Table 2.

2.3 氮钾减量配施对土壤酶活及养分的影响

2.3.1 土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶 年际间(Y)、钾肥减施(B)以及两者的互作对土壤酶活性均无显著影响(表5), 而氮肥减施极显著影响土壤的脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性, 且氮肥减施与年际间的互作效应对脲酶影响也达到极显著水平; 氮肥和钾肥减量配施(A´B)对土壤脲酶和过氧化氢酶活性的影响存在显著的交互效应。

同时由表5单因素平均值可知, 随着施氮水平的下降,土壤脲酶活性无显著变化, 减氮20%导致土壤蔗糖酶活性显著下降, 但显著提高了过氧化氢酶的活性; 3种酶活性在不同钾素水平下差异均不显著。从配施效果看, 脲酶在不同处理组合下的活性变化无明显规律, 如2021年A1B3组合土壤脲酶显著低于A1B1, 降幅为28.53%, 但在2022年时两者就无显著差异; 对于蔗糖酶而言, 尽管2022年A3B1、A3B2组合土壤蔗糖酶显著低于A1B1, 但在同一年度内的相同氮肥水平下, 不同减钾处理差异不显著; A2B1组合下土壤过氧化氢酶活性也显著低于对照。

2.3.2 土壤速效养分含量 氮肥减量对土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量变化有显著影响, 而钾肥减量仅对土壤的有效磷含量有显著影响, 且两者的互作效应不显著(表6)。从单因素均值来看, 随着施氮量的下降, 土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量均呈显著下降趋势, 当钾肥减施10% (B3)时, 有效磷含量显著下降, 但对其他2类养分无显著影响。从配施效果看, 与常规氮钾施用相比, 氮钾减施总体减少土壤碱解氮的含量, 2021年A3B2和2022年A3B3处理土壤碱解氮含量分别减少42.4%和53.8%; 就有效磷含量变化而言, 仅2021年A2B3和A3B3处理与A1B1间存在显著差异, 分别降低了13.4%和21.4%; 而速效钾含量受氮钾减量的影响仅在2022年的A3B1和A3B3处理下达到显著差异水平, 与A1B1相比分别减少35.6%和40.4%。

表5 氮钾减量配施处理对土壤酶活性的影响

同列数据后不同字母表示同一年度不同处理差异显著(< 0.05)。*和**分别表示在0.05和0.01概率水平差异显著。处理同表2。

Different letters after the data indicate significant differences between different treatments in the same year (< 0.05).*and**indicate significant differences at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. Treatments are the same as those given in Table 2.

表6 氮钾减量配施处理对土壤速效养分的影响

(续表6)

同列数据后不同字母表示同一年度不同处理差异显著(< 0.05)。*和**分别表示在0.05和0.01概率水平差异显著。处理同表2。

Different letters after the data indicate significant differences between different treatments in the same year (< 0.05).*and**indicate significant differences at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. Treatments are the same as those given in Table 2.

2.4 相关性分析

相关分析发现, 甘薯产量、单株结薯数与土壤蔗糖酶活性、碱解氮、有效磷均呈极显著正相关; 淀粉率与可溶性糖为极显著负相关关系, 与可溶性蛋白、速效钾为极显著正相关关系; 土壤蔗糖酶活性与有效磷呈极显著正相关(表7)。此外, 速效钾与产量和单株结薯数呈显著正相关, 与单薯重呈显著负相关; 可溶性蛋白与碱解氮、有效磷均为显著正相关, 与单薯重为显著负相关。

3 讨论

3.1 氮钾肥减量配施对甘薯产量和品质的影响

氮钾肥用量与减量水平对产量品质的影响并无定论, 在小麦、马铃薯习惯氮肥施用量基础上, 减氮10%～20%对其产量和构成因素影响不大[17-18], 但超过20%马铃薯产量将显著下降[19]。同时也有研究发现施氮量210 kg hm-2(减氮12.5%)能显著提高小麦产量10.30%[20]。这些结果不仅与上述研究所在地的土壤肥力水平有关, 同时也因为产量与施肥量之间并不是简单的直线关系, 甚至是二次曲线关系, 即不同作物在不同栽培环境条件下均存在一个最合理施肥区间, 在高于合理施肥区间上限减量有利于作物增产, 反之会导致减产。本试验结果表明, 基于本地常规施肥量基础上, 适当的氮钾减量配施不会造成甘薯块根产量的显著降低, 减氮超过20%甘薯就显著减产。在保证产量不显著降低的前提下, 最多可减氮10%, 同时减钾10%, 即氮钾施用量分别为119.70 kg hm-2和76.80 kg hm-2。同时, 从产量构成因素来看, 过量氮钾减量显著降低了甘薯单株结薯数, 进而导致了甘薯产量的显著下降。这与前人大量的甘薯试验结果一致, 即施肥可显著影响单薯的质量, 从而影响甘薯产量[21]。

块根干物质的增加主要靠块根淀粉量的积累, 适宜的氮钾配比可提高块根淀粉、可溶性糖与蛋白含量[22-23]。这是因为适宜的施钾量可以促进叶片中的碳水化合物向块根运输, 显著提高甘薯块根可溶性糖含量[24-26], 为其淀粉合成提供充足的原料[27]。但从本试验结果来看, 氮钾减量反而有利于甘薯可溶性糖含量的提升, 且对甘薯淀粉率和可溶性蛋白含量存在不利影响。减氮10%不会显著降低甘薯淀粉率, 但可显著提高甘薯可溶性糖含量, 减钾10%导致甘薯淀粉率较对照降低6.74%, 可溶性糖含量较对照提高了3.44%。从块根中的淀粉与可溶性糖等糖类物质代谢平衡的来说, 这是否是因为氮钾施用水平的下降, 淀粉合成受阻, 进而引起可溶性糖的积累, 导致其含量上升, 还有待于进一步研究。从氮钾减量配施对品质的综合影响看, 品质性状不同, 影响规律不同, 最优水平也有差异。可见, 在生产实践中需根据不同的产量或品质的具体要求和目标, 选择不同的氮钾肥减量配施方案。

表7 甘薯产量品质与肥效及土壤肥力性状的相关性

*和**分别表示在0.05和0.01概率水平差异显著。SRY: 产量; SRNSP: 单株结薯数; STRW: 单薯重; SC: 淀粉率; SSC: 可溶性糖; SPC: 可溶性蛋白; Ua: 脲酶; Sa: 蔗糖酶; Ca: 过氧化氢酶; AN: 碱解氮; APh: 速效钾; APo: 有效磷。

*and**indicate significant differences at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. SRY: storage root yield; SRNSP: storage root number of single plant; STRW: single storage root weight; SC: starch content; SSC: soluble sugar content; SPC: soluble protein content; Ua: urease; Sa: saccharase; Ca: catalase; AN: alkaline nitrogen; APh: available phosphorus; APo: available potassium.

3.2 氮钾肥减量配施对土壤速效养分和相关酶的影响

土壤酶参与土壤中的生物化学反应, 是土壤生物化学反应的催化剂, 为土壤肥力形成和演化过程中不可缺少的一部分, 腐殖质的形成和养分的释放都与其密切相关[28], 能有效反映土壤养分转化能力的强弱及土壤供应植物根系营养量的潜在能力[29]。本试验结果表明, 随氮肥施用量的减少, 土壤速效养分含量逐渐减少; 随钾肥施用量的减少, 土壤有效磷含量逐渐降低; 不同土壤酶活在不同的氮钾减量水平下无明显规律, 这也进一步说明土壤养分水平高低并非土壤酶活性高低的决定因素。这一点在小麦-水稻轮作系统中也有发现, 较常规施氮量减施20%后, 作物产量与氮素养分吸收量及土壤酶活性等并没有出现明显变化[30]。但若减氮量过大(N由225 kg hm-2减至120 kg hm–2), 土壤脲酶和蔗糖酶活性均会显著下降[31]。可见, 在不同区域能否减量、减量多少, 不仅与作物有关, 还需确保适宜的土壤肥力水平, 以保证土地的可持续利用和作物高产。

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Effect of reducing nitrogen and potassium application on yield and quality in sweet potato

YANG Chun-Ju1,2, TANG Dao-Bin1,2, ZHANG Kai1,2, DU Kang1,2, HUANG Hong1,2, QIAO Huan-Huan1,2, WANG Ji-Chun1,2,*, and LYU Chang-Wen1,2,*

1College of Agronomy and Biotechnology, Southwest University, Chongqing 400715, China;2Key Laboratory of Biology and Genetic Breeding for Tuber and Root Crops in Chongqing, Chongqing 400715, China

Based on the soil fertility and fertilization level in the Chongqing region, to ensure the stable and high-quality crop yields, we explored the effects of reducing nitrogen and potassium application on sweet potato yield, quality, nutrient utilization, and soil fertility, in order to determine whether there is any space for reducing fertilizer application in sweet potatoes in this area and propose the appropriate reduction application strategy. Field experiments were conducted in two consecutive years from 2021 to 2022 at the base of the Potato Crops Research Institute of Southwest University in Xiema Street, Beibei District, Chongqing. Double factor randomized block experimental design was adopted with three levels of nitrogen and potassium applied in this study. The conventional N application rate was 126.00 kg hm-2(A1), the N application rate was reduced by 10% (A2) and 20% (A3), respectively. The conventional application amount of K2O was 96.00 kg hm-2(B1), the application amount of K2O was reduced by 5% (B2) and 10% (B3), respectively. The results showed that moderate N and K2O reduction combined application would not significantly reduce the yield of sweet potato, but reducing N by 20% significantly reduced the number of sweet potato per plant, and the yield of A3 significantly reduced by 9.25% compared to A1. Compared to the control, the soluble sugar content of A2 and A3 significantly increased by 0.25% and 0.36%, respectively, while B3 significantly increased by 0.47% compared to B1. However, it was unfavorable to the starch content and soluble protein content of sweet potato. Therefore, compared with local conventional N and K2O fertilizer application, both reducing N by 10% (A2, 119.70 kg hm-2) and K2O by 5% (B2, 86.40 kg hm-2) did not significantly decrease the yield of Yushu-198 and soil enzyme activity, which could be recommended as the appropriate fertilization recommendation for sweet potato production in this region.

sweet potato; reducing nitrogen and potassium fertilizer application; yield and quality; soil fertility

10.3724/SP.J.1006.2024.34147

本研究由重庆市创新与应用研发重点项目(cstc2021jscx-gksbX0022), 中央高校基本科研业务专项(XDJK2020B032, XDJK2021 F001)和重庆市现代农业产业技术体系创新团队项目(CQMAITS202303)资助。

This study was supported by the Technology Innovation and Application Development Key Project of Chongqing (cstc2021 jscx-gksbX0022), the Fundamental Research Funds for the Central Universities (XDJK2020B032; XDJK2021 F001), and the Chongqing Modern Agricultural Industry Technology System (CQMAITS202303).

吕长文, E-mail: lvcgwn@163.com; 王季春, E-mail: wjchun@swu.edu.cn

E-mail: 2270316165@qq.com

2023-08-31;

2024-01-12;

2024-02-09.

URL: https://link.cnki.net/urlid/11.1809.S.20240207.1447.003

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