施氮量和种植密度对甘薯封垄期干物质积累和分配及收获期产量的影响

陈玥　梁清干　王蒙召　陈艳丽　朱国鹏

关键词：甘薯；施氮量；种植密度；干物质积累；分配；产量

中图分类号：S531 文献标志码：A

甘薯[Ipomoea batatas （L.） Lam]是世界三大薯类作物之一，是我国第四大粮食作物[1]。甘薯块根产量由栽植密度，单株结薯数，单薯重共同决定，栽植密度一定时，单株结薯数对产量贡献较大[2-3]。甘薯单株结薯数在封垄期趋于稳定，其与块根商品性和外观性状密切相关[4]。研究表明增加甘薯单株结薯数，可明显改善块根外观性状、商品性和产量[5]。

源库关系的建立、发展和平衡，对作物产量形成具有重要的意义。一方面，“源”的生长决定光合产物的多少及其运转能力，为“源”的形成和发育提供必要的物质基础；另一方面，“源”的形成和发育反馈“源”的光合产物合成和运输，从而调节“源”的生长[6]。甘薯具有典型的源库关系，源库协调发展是甘薯获得高产的重要前提。氮素是甘薯生长发育所必须的大量营养元素[7]，在甘薯生长前期，合理的氮素运筹可促进源端光合同化物的合成、分配和积累[8]。如果氮素施用量过低或过多则导致源叶发育失衡，光合产物的合成、分配和积累受阻，抑制块根分化建成[9-10]。种植密度是调节作物群体结构的有效手段，良好的群体结构，可优化作物个体的光合特性[11]。合理的种植密度可以提高水肥利用效率，促进源叶生长，提高干物质分配比，促进库的形成[12-14]。氮肥和种植密度综合管理是优化作物群体结构、促进养分吸收、提高生产能力、改善品质、增加产量的有效措施[15-16]。因此生产上可通过氮肥和种植密度运筹（简称：氮密运筹。下同）的途径提高作物干物质生产能力和产量。

截至目前，有关氮肥或种植密度单因素对甘薯产量和品质影响的研究较多，其二者互作效应对甘薯干物质积累特性和产量的影响鲜有报道。因此，本试验以海南省主栽品种高系14 为研究材料，探究氮密运筹对甘薯生长前期光合特性、茎叶发育、干物质分配和结薯特性的影响以及收获期产量的影响，为甘薯高产高效栽培生产技术的研究与应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2019 年在海南省土壤总站琼海中原基地（19°09′89″N，110°51′27″E）进行。供试品种为鲜食型品种高系14。供试土壤为沙壤土（含沙量50.4%），0～30 cm 土壤基本理化性状为：pH6.8，有机质1.2%，碱解氮52.6 mg/kg，有效磷9.0 mg/kg，速效钾80.6 mg/kg。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 大田试验采用双因素裂区设计，主区为种植密度（D），D₁：47 600 株/hm²（株距：30 cm）；D₂：71 400 株/hm²（株距：20 cm）；D₃：142 900 株/hm²（株距：10 cm）。副区为氮肥水平（N），N₀：不施氮肥；N1：施纯氮60 kg/hm²；N₂：施纯氮120 kg/hm²；N₃：施纯氮180 kg/hm²。3 次重复，小区面积20 m²。2019 年11 月3 日种植， 同时一次性施入P₂O₅120 kg/hm²、K₂O120 kg/hm²，氮、磷、钾肥分别为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P₂O₅12%）和硫酸钾（含K₂O 50%），2020 年3 月4 日收获。全生育期管理同一般大田生产。

1.2.2 指标测定 栽后茎叶封垄期，晴天上午9：00—11：00，利用Li-6400 型便携式光合作用测定仪，测定功能叶（茎尖第4 片完全展开叶）净光合速率（Pn）、胞间CO₂浓度（C_i）、气孔导度（G_s）、蒸腾速率（T_r）。利用SPAD-502 便携式叶绿素测定仪（日本Konica Minoltal 公司生产），测定功能叶（茎尖第4 片完全展开叶）叶绿素相对含量（SPAD）值。每次测定5 株取其平均值，每小区重复3 次。水分利用效率（WUE）=净光合速率（P_n）/蒸腾速率（T_r）[17]。

栽后茎叶封垄期，每小区随机选取具有代表性植株5 株，分别调查甘薯地上部和地下部农艺性状。地上部农艺性状包括单株的茎叶鲜重、分枝数、最长蔓长、茎粗等；地下部农艺性状包括块根鲜重和结薯数，根据WANG 等[18]划分方式，将块根分为不定根粗根（2<≤5 mm），膨大根（5<≤20 mm）和贮藏根（>20 mm），调查后将茎叶和块根分别装入信封，105 ℃烘箱中杀青30 min，晾干后，80 ℃烘干至恒重，称量干重并计算干物质分配比及根冠比（R/T 值）。干物质分配比=植株某部位干重/植株总干重；R/T=甘薯地下部干重/甘薯地上部干重。

栽后120 d 收获并进行测产。根据汪宝卿等[5]划分标准，将块根直径達到1.0 cm 以上且有明显膨大部位的甘薯块根为有效薯块。将所有薯块完整挖出，记录每个试验小区的有效株数、有效薯块数量和薯块鲜重，统计单株结薯数，单株薯重，单薯重和产量。另外每小区选取5 株代表性植株，调查块根商品性，将具有明显膨大部位的直径1.0 cm、单薯重50 g 以上的薯块为商品薯。近年来在鲜薯市场交易中，将50～100 g 的块根为小型薯块；100～250 g 为中型薯块；250 g 以上为大型薯块。

1.3 数据处理

试验数据利用Microsoft Excel 2021 和SPSS19.0 软件进行统计分析，采用Duncans 新复极差法进行差异显著性分析，采用Pearson 进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量和种植密度对甘薯封垄期光合特性和SPAD 的影响

由方差分析结果（表1）可知，种植密度对甘薯封垄期的P_n、G_s存在极显著影响，施氮量对甘薯封垄期的SPAD、WUE 和P_n、G_s、T_r、C_i均有显著影响，密度和施氮量二者交互作用对甘薯G_s、T_r 存在极显著作用，对SPAD、Pn、WUE 存在显著作用。随着施氮量的增加，各处理间差异显著：其中SPAD 呈现逐渐增加的趋势，其均值在N3 处理达到最大；P_n、G_s、C_i、T_r、WUE 均呈先增加后降低的趋势，在N₁ 处理时达到最大。随着种植密度的增加，对甘薯的SPAD 和Tr 值的影响差异不显著；P_n、G_s均呈现先增加后降低的趋势，其均值在D₂处理达到最大值；WUE 呈现先增加后降低的趋势，其均值也在D₂处理达到最大。

2.2 不同施氮量和种植密度对甘薯封垄期茎叶生长的影响

由表2 可知，不同的氮肥施用量对甘薯封垄期叶鲜重、茎鲜重、最长蔓长和分枝数等影响显著，而种植密度和施氮量二者交互作用仅在叶鲜重和茎鲜重的影响差异显著。随着施氮量的增加，茎叶鲜重、茎粗、主茎长和分枝数呈先增加后降低的趋势，其中N1 处理下，叶鲜重、茎鲜重、茎粗、最长蔓长和分枝数均值最高，较处理N0 分别增加了57.6%、56.9%、15.9%、29.0%和30.2%。随着种植密度的增加，叶鲜重、茎鲜重和最长蔓长逐渐下降，在D1 处理下，叶鲜重、茎鲜重、主茎长和分枝数均值较高，较处理D3 各指标分别增加了57.6%、57.3%、25.1%和30.5%。

2.3 不同施氮量和种植密度对甘薯封垄期不同部位干物质积累与分配的影响

由表3 可知，随着施氮量的增加，甘薯封垄期叶干重、茎干重、根干重呈先增加后降低的趋势，其均值在N₁处理下达到最大；干物质茎叶分配比呈逐渐增加的趋势，N₃处理的干物质叶分配比显著高于N₀、N₁、N₂处理；干物质根分配比例和根冠比呈逐渐降低的趋势，其均值在N₀处理下达到最大。随着种植密度的增加，甘薯封垄期叶干重、茎干重、根干重、干物质叶分配比均呈逐渐减少的趋势，其均值在D₁ 处理下均值达到最大且显著高于D₂、D₃处理；干物质茎分配比呈逐渐增加的趋势，其均值在D₃处理下最大；干物质根分配比例呈先增加后降低的趋势，其均值在D₂处理达到最大且显著高于D₁处理，但D₂与D₃处理间无显著差异；根冠比呈逐渐增加的趋势，其均值在D₃ 处理下达到最大。由此可见，在本试验条件下，不同的种植密度对甘薯封垄期叶干重、茎干重、根干重、干物质叶分配比和干物质根分配比有显著影响，施氮量以及种植密度和施氮量二者交互作用均对甘薯封垄期叶干重、茎干重、根干重、干物质叶分配比、干物质茎分配比、干物质根分配比、根冠比有显著影响。

2.4 不同施氮量和种植密度对甘薯封垄期结薯特性的影响

由表4 可知，随着施氮量的增加，甘薯封垄期的块根直径、贮藏根、单株薯重、单株结薯数和单薯重呈先增加后下降的趋势，其中块根直径、贮藏根、单株薯重、单株结薯数均值在N₁处理达到最大，单薯重均值在N₂ 处理达到最大；膨大根呈逐渐降低的趋势。随着种植密度的增加，甘薯封垄期的块根直径、单株薯重、单株结薯数和单薯重逐渐降低，其均值均在D₁处理下最大；膨大根呈现先降低后增加的趋势，其均值在D₃处理下最大；贮藏根呈先增加后降低的趋势，其均值在D₂ 处理下最大。施氮量以及施氮量和种植密度二者交互作用对单株结薯数有显著影响。施氮量对甘薯封垄期结薯特性的影响高于种植密度。

2.5 不同施氮量和种植密度对甘薯收获期产量及其构成因素的影响

由收获期整个试验小区调查与统计分析结果可知（表5），随着施氮量的增加，甘薯单株结薯数和产量均呈先增加后降低的趋势，单株结薯数的均值在N₁时达到最大，较N₀时增加了19.2%；甘薯产量均值在N₂ 时达到最大，较N₀增加了32.0%。随着种植密度的增加，甘薯单株结薯数、单株薯重和单薯重呈逐渐降低的趋势，其均值均在D₁处理时达到最大，较D₃增加了20.6%、46.7%和33.2%；甘薯产量呈逐渐增加的趋势，其均值在D₃處理时达到最大。种植密度对甘薯单株结薯数、单株薯重、单薯重和产量达到显著影响，施氮量对甘薯单株结薯数和产量达到显著影响，种植密度和施氮量二者交互作用对其影响均不显著。综合产量结果分析，甘薯产量在D₃N₁时最大，达到30.1 t/hm²；在D₁N₀时最低，仅12.8 t/hm²。

2.6 不同施氮量和种植密度对甘薯收获期块根商品性的影响

试验小区5 株代表性植株商品薯调查结果见表6。由表6 可知，随着施氮量的增加，甘薯单薯重呈先增加后降低的趋势，其均值在N₁时达到最大，N₀时最小；甘薯小型薯率呈先降低后增加的趋势，其均值在N₀ 时达到最大；甘薯大中型薯率呈现先增加后降低的趋势，其均值在N₁处理最大，在N₀处理时最小。随着种植密度的增加，甘薯单株薯重、单株结薯数呈逐渐降低的趋势，其均值均在D₁处理时达到最大，在D₃ 处理时最小；甘薯小型薯率呈先降低后增加的趋势，其均值在D₃ 处理时达到最大；甘薯大中型薯率呈现先增加后降低的趋势，其均值在D₂处理时达到最大。种植密度对甘薯单株薯重、单株商品结薯数有显著影响，施氮量对甘薯单薯重有显著影响。综合商品率的结果分析，甘薯商品率在D₃N₁时最大，达到94.3%；在D₃N₀时最低，达到43.0%。

2.7 施氮量和种植密度与甘薯农艺性状的相关性分析

对甘薯施氮量、种植密度及农艺性状进行Pearson 相关性分析（表7）可见，施氮量与SPAD、干物质叶分配比、干物质茎分配比和收获期产量均呈极显著正相关，相关系数分别为0.520、0.629、0.670 和0.489；与茎鲜重、叶干重和茎干重均呈显著正相关，相关系数分别为0.359、0.354和0.388；与净光合速率和根干物质分配比呈极显著负相关，相关系数分别为-0.576 和-0.667。种植密度与收获期产量呈极显著正相关，相关系数为0.704；与叶鲜重、茎鲜重、主茎长、分枝数、叶干重、茎干重和根干重均呈极显著负相关，相关系数分别为-0.574、-0.593、-0.447、-0.541、-0.712、0.601 和-0.521。净光合速率与根干重呈显著正相关，与干物质根分配比呈极显著正相关，相关系数分别为0.353 和0.523，说明提高光合速率有利于块根干物质积累与分配，促进块根形成。甘薯干物质根分配比和产量与叶鲜重、茎鲜重、分枝数、叶干重、茎干重均呈负相关关系，表明甘薯地上部旺盛生长不利于干物质向块根转运和块根产量的形成。

3 讨论

3.1 施氮量和种植密度处理对甘薯干物质分配的影响

地上部茎蔓和地下部块根的协调生长是甘薯取得高产的关键，而氮肥对茎蔓的生长和块根的形成以及二者的协调生长有较大的影响[19]。研究表明，适量施氮可增加甘薯叶片净光合速率和叶绿素含量，促进地上部快速生长，保障干物质生产及其合理分配，从而提高块根产量[20]。本研究中，适当增施氮肥（60 kg/hm²）可以促进甘薯SPAD 和净光合速率，增加茎叶鲜重、茎粗、最长蔓长和分枝数，从而促进地上部“源”的建成，为干物质合成奠定基础，而继续提高氮肥施用量则抑制甘薯茎叶生长，这与窦怀良等[21]部分研究结果相一致。水肥运筹与干物质和氮素的吸收、转移及分配有着紧密联系且存在显著交互作用[22-23]。本研究还发现，施纯氮量为60 kg/hm² 时有助于单株干物质积累，促进干物质向地下部分配，有效提高甘薯产量。适量施氮明显提高土壤有效水分的利用、作物的蒸腾效率和水分利用效率[24]。本研究表明，适宜的氮密处理能够提高甘薯对土壤水分的利用，D₂N₁ 处理的水分利用效率最高，与不施氮肥低密度（D₁N₀）相比增加了21.3%，这是由于适量施肥能够提高作物的渗透调节能力，显著抑制甘薯叶片蒸腾失水，并且促进甘薯冠层发育，增加了蒸腾量，减少了蒸发量，使水分利用效率显著提高。也证实了适量施氮使甘薯地上部分生长前期快速生长，提高群体光合性能，保障干物质生产及其合理分配，从而提高块根产量[25-26]。

甘薯是以收获块根为目的的作物，甘薯地上部茎叶不断制造和运输光合产物，形成了甘薯的“源”，地下部块根积累碳水化合物，即为甘薯的“库”，而合理的栽植密度是提高库容的前提[15]。研究表明，增加种植密度，提高“库”容，才能承接更多地上部合成的光合产物，然而密度过高会使甘薯的根系受到抑制，薯块变小，不利于提高产量[27-28]。本研究中，随着种植密度的增加，叶片净光合速率先增加后降低，植株间生长紧凑，通风透光不良，造成最长蔓长、茎叶干鲜重呈降低趋势，但同时块根干物质分配比、根冠比和产量逐渐增加。这表明，在一定范围内，随着种植密度的增加，植株冠层结构较为合理，光合产物向地下部的分配比例增加，为甘薯后期块根膨大提供较多的光合产物。这与宁运旺等[9]的部分研究结果一致。

3.2 施氮量和种植密度互作对甘薯产量和商品性的影响

甘薯块根的产量由种植密度、单株结薯数和单株薯重3 个要素构成，在种植密度一定时，单株结薯数对产量的影响最大[2]。已有研究表明，增施氮肥可以提高甘薯干物质生产能力和块根产量，施氮过高会延迟结薯，导致地上部旺盛，块根产量降低[29]；增加种植密度可以提高甘薯块根膨大过程中光合产物的转运能力，提高光合产物向块根中的分配比率，促进块根膨大，从而增加甘薯单株结薯数和商品薯率，提高甘薯块根产量[30-31]。本研究发现，高系14 的单株结薯数随着氮肥施用量的增加呈现先提高后降低的趋势，N₁较N₀ 處理增加了19.2%；增加种植密度显著降低甘薯单株结薯数、单株薯重和单薯重。当施氮量为60 kg/hm²和种植密度为142 900 株/hm²处理（D₃N₁）时，高系14 的产量及商品性均达到最大。这与杜祥备等[32]、刘明等[11]的部分研究结果相一致。

甘薯块根的大小、长度、直径、整齐度等与其外观品质密切相关，而块根的外观品质是影响鲜食型甘薯市场认可度的重要因素[33]。研究表明，甘薯结薯数多的品种，小型和大型薯块的比例较低，中型薯块的比例较高，块根的外观商品较好[34]。本研究发现，在一定范围内，适当增施氮肥（60 kg/hm²）增加甘薯收获期的单株结薯数和大中型薯率，但随着种植密度的增加，地下部因为竞争空间和营养，甘薯单薯重呈逐渐降低的趋势，而在本研究中，将具有明显膨大部位的直径1.0 cm、单薯重50 g 以上的薯块定义为商品薯，因此种植密度增加与单株商品薯较低呈负相关关系，即随着种植密度增加，单株非商品薯数量也增加。虽然D₃处理种植密度单株商品薯数量较小，但是其种植株数较多，因此其商品薯产量仍然较高。

4 结论

综上所述，当施氮量为60 kg/hm²、种植密度为142 900 株/hm²处理（D₃N₁）时，高系14 的产量最高。相关性分析表明，种植密度对产量的相关系数高于施氮量。适宜的氮密处理可改善甘薯封垄期光合特性，有利于源端光合碳转化和分配，促进块根干物质积累，提高根冠比，促进甘薯块根形成，增加了块根数量，提高甘薯块根产量和改善块根商品性，为甘薯高效生产奠定基础。