華北旱地覆膜對春甘薯干物質和氮素生產特征的影響

劉勝堯，范鳳翠，賈宋楠，石玉芳，張立峰，賈建明*

（1.河北省農林科學科院農業信息與經濟研究所，河北 石家莊 050051；2.河北農業大學農學院，河北 保定 071001）

我國是世界第一大甘薯種植國，2015年甘薯種植面積為883萬hm2[1]。其中，河北省年甘薯種植面積達27萬hm2以上，主要分布在冀中北部、山區丘陵地帶、土壤貧瘠灌溉條件不發達地區[2]。華北地區春季干旱少雨、蒸發量大、氣溫不穩、冷害頻發，夏季降雨集中、水澇頻現[3，4]，秋旱時有發生，“春旱、夏澇、秋吊”的氣候條件限制了區域農田生產力的提高。因此，發展以水分保持和高效利用為主的甘薯種植，對保障與提高該區糧食產量和農民收入具有重要意義。

地膜覆蓋能夠顯著改善耕層土壤的水熱狀況[5～7]，增加土壤微生物數量，提高土壤酶活性，活化土壤養分，顯著提高養分的有效性[8～14]，該技術已在我國西北、東北地區和華北北部得到了大面積應用。付文娥等[10]研究表明，地膜覆蓋較裸地種植能夠促進甘薯早期生長發育，使甘薯緩苗分枝期提早2～3 d，封壟期提前3～4 d，大中薯率提高11.0%，增產21.2%。

前人對甘薯覆膜效果的研究主要集中在覆膜對甘薯生長、生理和產量的影響方面[7，15，16]，而有關覆膜對甘薯干物質和養分積累轉運的研究較少。秉承“蓄水、節水、高產”路徑，在華北山區丘陵旱地保證養分與優良品種前提下，設置不同水分管理方式的田間試驗，揭示農田不同水分條件下春甘薯的碳氮積累、轉運與分配特征，旨為深度開發高產作物春甘薯的生產潛力，以及創新以蓄水、節水、合理施肥為核心的雨養旱作配套技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2012～2013年連續2 a在河北省農林科學院大河綜合試驗站（鹿泉市）進行。該區屬溫帶半濕潤偏旱大陸性季風氣候，四季分明，日平均氣溫13.6℃，年均降水量536 mm且降水主要分布在七八月，年均日照時數2 554 h，無霜期230 d。試驗地土壤為黏壤質洪沖積石灰性褐土，0～100 cm土體土壤容重1.49 g/cm3，田間持水量21.17%，凋萎含水量11.0%；0～20 cm耕層土壤基礎養分含量為有機質1.96%、全氮0.10%（其中速效氮86.10 mg/kg）、速效磷32.75 mg/kg和速效鉀185.40mg/kg，pH值7.74。試驗站內有自動氣象站記錄全年的氣象條件，2012年、2013年甘薯生育期內的降水量分別為460.8和534.4mm。2個年度的降水差異主要體現在8月上旬前，其中，2012年降水集中在8月上旬（降水量199mm，占甘薯生育期總降水量的43.22%），而前期和后期均較少；2013年6～9月的逐月降水量分別占甘薯生育期總降水量的26%、32%、20%和17%，降水時空分布比較均勻。

1.2 試驗材料

試驗甘薯品種為冀薯99（優質鮮食品種）。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 甘薯采用壟作栽培，帶寬60 cm，每帶起底寬40 cm、頂部寬25 cm、高15 cm的小壟，壟上栽秧，株距37cm。種植方式設覆膜和裸地（CK）2個處理，其中，覆膜處理用90 cm寬的地膜全部覆蓋溝壟，在壟底部打直徑0.3 cm的小孔（便于雨水入滲）。小區面積54 m2，隨機區組排列，3次重復。

甘薯栽秧前旋耕整地，并施入包衣緩釋肥（N、P2O5、K2O含量均為15%） 900 kg/hm2做底肥；整個生育期不進行人工灌溉，常規管理。2012年5月1日種植，10月17日收獲。2013年試驗是在2012年的基礎上又增加了1個汛期揭膜處理（揭膜時間為7月20日），其他管理措施相同。

1.3.2 測定項目與方法 分別于甘薯分枝期（5月1日～6月5日）、結薯期（6月5～20日）、封壟期（6月20日～7月3日）、莖葉盛長前期（7月3～27日）、莖葉盛長后期（7月27日～8月26日）、薯塊盛長期（8月26日～9月27日） 和收獲期（9月27日～10月17日），每小區均選擇有代表性的植株10株采集鮮樣，分器官擦洗干凈后稱量鮮重；然后置烘箱內，先105℃殺青30 min，而后80℃烘干至恒重，測定單株生物量。將各器官粉碎后取樣，用濃H2SO4-H2O2消解，采用連續流動分析儀測定氮素含量。根據公式，計算相關指標：

利用2012年的試驗數據對覆膜條件下甘薯的干物質和氮素生產特征進行分析。

2 結果與分析

2.1 旱地覆膜對春甘薯產量及產量相關因素的影響

2012年，與CK相比，覆膜處理的甘薯生物產量增加了0.10%，鮮薯產量和薯干產量分別降低了1.86%和2.71%，但差異均不顯著（表1）。進一步對甘薯產量構成因素進行分析發現，雖然2個處理的單株薯塊數和和單株薯重差異均不顯著，但覆膜條件下單株薯塊數增多了14.95%，而單株薯重卻降低了14.02%。可以看出，在甘薯生育前期，覆膜表現出的聚肥增溫及保水效應對以薯塊為表征的薯塊庫容構建起到了積極作用；但是在雨季（7月26日～8月26日）覆膜會導致土壤過度囊水、透氣性差，致使莖葉盛長后期葉片出現早衰，還影響塊根的膨大生長，最終造成經濟產量的降低。

表1 覆膜對甘薯產量及產量構成因素的影響Table 1 Effects of plastic film mulching on the yield and yield components of sweet potato

2013年，與CK相比，覆膜和揭膜處理的甘薯生物產量分別增加了10.07%和12.12%，鮮薯產量分別增加了7.79%和19.39%，薯干產量分別增加了6.47%和18.47%，且差異均達到了顯著水平。進一步對揭膜與覆膜處理的甘薯產量及其構成因素進行分析發現，揭膜條件下除單株薯塊數略有降低外，其他指標均明顯提高，單株薯重、生物產量、鮮薯產量和薯干產量分別較覆膜處理提高了10.76%、1.87%、10.76%和11.27%?？梢钥闯?，覆膜對甘薯的產量效應受年度降水時空分布影響較大，雨季降水少時有利于覆膜甘薯的生長，其中，汛期揭膜處理的產量效果明顯優于全程覆膜。揭膜處理較覆膜處理能夠明顯提高甘薯的單株薯重和經濟產量，與汛期揭膜后土壤通透性增加，有利于甘薯生育后期薯塊膨大生長有關。

2.2 旱地覆膜對春甘薯干物質積累與轉移特征的影響

2.2.1 春甘薯干物質積累特征 春甘薯生育期的全株干物質積累量一直呈持續增加趨勢（圖1）。封壟階段（7月1日），覆膜處理的全株干物質積累量較CK增加了32.57%，其中，塊根增產的貢獻率為88.80%；塊根增產率最高，較CK高143.80%。表明覆膜處理的增溫與保水效應促進了春甘薯生長前期的干物質積累。

圖1 春甘薯各器官的干物質積累量（a）及其階段積累速率（b）Fig.1 Dry matter accumulation amount and accumulation rate of different organs of spring sweet potato at different growth stages

春甘薯生育期的全株干物質積累速率呈雙谷雙峰的“N”型變化。其中，分枝期以莖葉生長為主，甘薯干物質積累速度 〔50.66～75.66 kg/（hm2·d）〕 較慢；結薯至封壟期（6月5日～7月3日），莖葉生長與薯塊生長并進，甘薯干物質積累速率增快，達到了139.04～186.16 kg/（hm2·d）；在莖葉盛長前期，甘薯積累速率達到第一高峰，為 224.36～237.57 kg/（hm2·d）；在莖葉盛長后期和薯塊盛長期，甘薯干物質積累速率下降，與此時高溫多雨致使土壤濕度大，不利于甘薯生長有關；9月27日到收獲，出現以薯塊干物重增長為主的第2次積累速率高峰。

在甘薯生長前期（7月16日前），覆膜處理的干物質積累速率高于裸地（CK）；而在甘薯生長后期，覆膜的保水增濕作用致使土壤通透性差而影響塊根的膨大生長，導致干物質積累速率低于裸地，其中，莖葉盛長前期（7月27日）全株干物質積累速率較CK降低了5.56%，莖葉盛長后期（8月26日）全株干物質積累速率為CK的68.78%、薯塊干物質增長率只有CK的44.84%。

監測結果顯示，春甘薯地上器官和塊根的干物質積累速率受溫度與降水因素的共同影響。與裸地（CK）相比，甘薯分枝期氣溫低，覆膜處理受到的影響相對較小，地上器官干物重較CK高49.36%；封壟期正值干旱期，覆膜處理的地上干物質積累受干旱影響較大，而塊根受到的影響小于對照，覆膜處理的地上器官干物重較CK高88.80%。與前一生育期相比，覆膜處理封壟期的整株干物質積累速率降低21.21%、塊根干物質積累速率增加24.49%，而CK的2個指標分別降低了3.21%和22.72%。莖葉盛長前期水溫適宜，無論是覆膜處理還是裸地對照，其干物質積累速率均達到最高；莖葉盛長后期，隨著降雨量的增加，2個處理的干物質積累均受到嚴重影響，覆膜處理整株、塊根的干物質積累速率分別只有上一生育時期的38.63%和21.28%，而CK整株、塊根的干物質積累速率分別為上一生育時期的51.16%和42.14%，可以看出，覆膜處理受到土壤高濕的影響高于裸地，地上和塊根的干物質積累速率均低于裸地。

2.2.2 春甘薯干物質轉運特征 春甘薯在薯塊盛長期出現地上葉片、葉柄等地上器官的干物質向塊根轉移，轉移量為822.75～1 147.12 kg/hm2，轉移比例為7.79%～10.28%，對全株干物質的貢獻比例為7.73%～10.39%；薯塊盛長期到收獲期地上器官的干物質積累貢獻給薯塊的比例高達78.42%～82.36%（表2）。表明薯塊盛長期到收獲期薯塊的干物質快速積累來自當時葉片的光合產物供應，而不是前期干物質的轉移。因此，延長薯塊盛長期到收獲期的時間、提高葉片光合速率是甘薯高產的關鍵。各器官中，葉片的干物質轉移量和轉移率均為最高。

表2 春甘薯各器官干物質向塊根的轉運量和轉運率Table 2 Translocation amount and transport rate of dry matter from vegetative organs to tuber of spring sweet potato

覆膜處理的地上器官干物質轉移量和轉移率均＜CK，降幅分別為28.27%和29.63%。表明覆膜條件下不利于地上器官的干物質向薯塊轉移。這可能與覆膜條件下地溫較高有關。雨季揭膜是解決問題的關鍵措施。

2.3 旱地覆膜對春甘薯氮積累與轉運特征的影響

2.3.1 春甘薯氮素積累特征

2.3.1.1 春甘薯氮積累量 封壟前是氮素的主要積累時期，氮素積累量占全生育氮素積累總量的55.74%～66.91%。覆膜顯著影響甘薯的氮素積累量，覆膜處理的氮素積累量除薯塊盛長期外其他各時期均＞CK，增長率為20.57%～74.48%。覆膜甘薯收獲期地上器官的氮素轉移量＜塊根的氮素積累量，而CK收獲期營養器官的氮素轉移量＞塊根的氮素積累量。表明覆膜處理的甘薯庫容大，增產潛力高；裸地處理的甘薯庫容小，造成氮素大量流失。

從不同生育時期的氮素積累量看，覆膜處理分枝期的氮素積累優勢最大，較CK高74.48%；隨著生育進程發展，這種優勢效應降低，在薯塊盛長期氮素積累量較CK低3.30%。表明覆膜前期可以促進甘薯對氮素的吸收，后期效果降低。

2.3.1.2 春甘薯氮積累速率 甘薯整株氮素積累速率呈以結薯期為峰值的單峰增長特征，其中，結薯期峰值氮素積累速率達 5.36～5.65 kg/（hm2·d），其他時期積累速率均相對較小（圖2）。甘薯莖葉器官氮素積累特征呈以結薯期和莖葉生長盛期為峰值的雙峰增長趨勢，其中，進入薯塊盛長期后氮素積累速率迅速降低，表現出莖葉器官氮素向其他器官轉移的趨勢。而莖葉快速生長是在結薯期和封壟期，2個處理的積累速率均＞其他時期。薯塊的氮素積累速率呈前期和后期較高、中期最低的“V”字型增長趨勢，覆膜處理和CK均以收獲期氮素階段積累速率最高，分別為3.75 和 2.49 kg/（hm2·d），這主要與前期和后期土壤水分以及溫度適宜薯塊生長有關。覆膜甘薯生育階段的氮積累速率表現為前期和后期＞CK、中期＜CK，即：在莖葉盛長期前（正值汛期，7月27日）和收獲期快于CK，莖葉盛長后期和薯塊盛長期慢于CK。

2.3.2 春甘薯氮素轉運特征 在薯塊盛長期，春甘薯地上營養器官向薯塊的氮素轉移量為164.25～171.64kg/hm2，氮素轉移率為55.86%～65.19%，薯塊貢獻率為63.83%～65.34%（表3）。其中，葉片中的氮素轉移率最大，達到了73.48%～83.90%；葉柄中的氮素轉運量和轉運貢獻率均最低，分別為5.65～17.89 kg/hm2和3.21%～12.12%。

在薯塊盛長期到收獲期，甘薯地上器官的氮素轉運量＞薯塊積累量，全株出現氮素流失的現象。地上器官氮素轉移到薯塊的比例只有57.35%～67.00%，大量氮素流失，同時表明，薯塊盛長期薯塊的氮素積累主要以氮素轉運為主，提高地上器官氮素轉移到薯塊的比例，降低流失率是提高氮素效率的關鍵。

綜上分析可以看出，與裸地（CK）相比，覆膜處理地上器官的氮素轉運量增加了4.50%，轉運率降低了9.33個百分點，轉運到薯塊的比例提高了9.65個百分點。

圖2 春甘薯各器官的氮素積累量（a）及其階段積累速率（b）Fig.2 Nitrogen accumulation amount and accumulation rate of different organs of spring sweet potato at different growth stages

表3 春甘薯各器官的氮素向塊根轉運量和轉運率Table 3 Translocation amount and transport rate of nitrogen from vegetative organs to tuber of spring sweet potato

3 結論與討論

3.1 覆膜對甘薯產量的影響

研究表明，覆膜栽培可以明顯提高甘薯產量[15～17]。主要原因是覆膜顯著提高了單株薯塊鮮重，降低了生長前期甘薯莖葉鮮重與塊根鮮重的比值，提高了塊根膨大高峰期的日鮮重增長速率[16]。本研究結果顯示，與裸地對照相比，覆膜處理的增溫作用促進了甘薯的前期生長，但是在汛期會導致土壤濕度大，不利于甘薯生長，最終增產效果不顯著甚至減產。本研究中，2012年七八月降雨量大且集中，造成土壤囊水，覆膜處理的甘薯減產1.86%；2013年8月出現伏旱，覆膜處理較裸地對照增產7.79%，而揭膜處理較裸地處理增產幅度達到19.39%。表明覆膜只在甘薯生長前期起保水、增溫作用；甘薯封壟后，覆膜的增溫與保水作用減弱，水澇條件下還會造成減產。研究表明，土壤濕度＞田間持水量的80%時不利塊根膨大，鮮薯產量開始下降[18]。揭膜處理能夠促進土壤水分蒸發，使土壤變得疏松，有利于塊根膨大，其綜合了覆膜甘薯的前期優勢和裸地處理的后期優勢從而顯著提高產量。因此，甘薯覆膜栽培時，雨季揭膜并配合中耕作業以降低土壤濕度，是明顯提高甘薯產量的關鍵技術之一。

3.2 覆膜促氮吸收對甘薯的負效應

張海燕等[19]認為氮肥是影響甘薯產量的主要因素之一，氮肥用量過高會導致甘薯莖葉徒長，經濟產量降低。董曉霞等[20]研究發現，對于基礎養分含量高的褐土，施肥會導致甘薯減產；對于基礎養分含量低的褐土，施用氮磷鉀肥后甘薯產量達到了最高。張海燕等[19]研究認為，施用氮肥在甘薯生育后期不利于薯塊干物質的積累，會導致產量降低；施用磷鉀肥有利于養分向塊根中運輸，最終薯塊干物質含量提高。眾多研究表明，覆膜具有提高氮素活性，促進作物對氮素吸收的作用[11～13]。本研究也發現，覆膜處理提高了甘薯的氮積累量，較裸地對照最高增幅達20.56%；覆膜處理過高的氮積累，使得植株含氮量過高，引起地上部死蔓，落葉增加，新舊交替嚴重，光合產物大量消耗于地上部，同時導致干物質向薯塊的轉運量降低28.27%，從而造成減產。因此，甘薯覆膜栽培時，應適當降低氮肥的施入量。