氮磷鉀配施下赤紅壤區粉葛的肥料效應及產量和品質研究

王 艷 許振欣 何明慧 黃廉康 歐昆鵬 王學禮,

(1 廣西農業科學院生物技術研究所，廣西 南寧 530007；2 廣西大學農學院，廣西 南寧 530004)

粉葛(PuerariathomsoniiBenth)為豆科葛屬植物[1]，是最早被收入藥食同源目錄的植物[2]。粉葛塊根富含淀粉、氨基酸及大豆苷元、葛根素等成分，對心血管、糖尿病、高血壓等疾病具有明顯的防治作用[3-4]。我國人工種植粉葛的基地集中在廣西、廣東、江西等地區[5]。粉葛是需肥量較高且耐肥的植物，為追求產量增長的目標，一些地區采取了過量或單一施用化肥的手段，但近年來出現了增肥不增產的現象。這種不科學的施肥方式不僅造成種植成本增加，還帶來了農田環境污染的風險[6]。

氮、磷、鉀是限制植物生長的三大營養元素[7]。已有研究表明，氮、磷、鉀配施可顯著增加丹參[8]、黃芪[9]、桔梗[10]等藥材的產量與品質。有關施肥對粉葛養分吸收、產量和品質的影響已有少量報道。如何美軍[11]以葉片噴施不同梯度氮、磷、鉀肥的研究方式，總結發現粉葛是喜鉀、偏磷、輕氮的作物；張蕊[12]通過追施20 kg·667 m-2生物鉀肥，發現粉葛產量最高達1 841.12 kg·667 m-2；吳瀟[13]對粉葛采用有機-無機復混肥的施肥水平比較試驗，確定了每667 m2種植密度1 000株、施肥量為300 kg時效益達到最大值；顧彩霞[14]選用磷肥與復合肥進行梯度試驗，發現穴施磷肥50 g時粉葛塊根生物量最高，穴施100 g復合肥時葛根素含量最高。目前關于粉葛的研究主要在種質資源[15]、工藝提取[16]、化學成分分析[17]等領域，而針對赤紅壤區粉葛的肥料效應研究尚鮮見報道。

廣西作為中國最大的粉葛生產基地，現總種植面積為10 201 hm2[18]。規模化種植基地主要分布在桂中南地區，85%以上的粉葛種植土壤類型為砂質土，土壤pH值4.5～6.0，以連作種植為主，一年一熟采收，目前關于廣西粉葛主產區施肥效應的研究尚鮮見報道。因此，本試驗針對桂中南地區的粉葛種植模式、土壤地力水平和施肥習慣，采用“3414”肥料效益試驗方案，探討氮、磷、鉀配施對粉葛產量、淀粉、葛根素及經濟效益的影響，并構建施肥效益模型，總結氮、磷、鉀肥最佳施用量，以期為赤紅壤區粉葛科學施肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗在廣西壯族自治區南寧市武鳴區甘圩鎮試驗基地(22°84′70″N，108°24′45″E)進行，試驗地平均海拔55.43 m，土壤類型為砂頁巖發育的赤紅壤，屬于南亞熱帶季風氣候，年平均氣溫20.9℃。在試驗進行前，取0～30 cm土層土壤測定其理化性質，結果如表1所示。

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

1.2 試驗材料

供試的粉葛種苗為桂粉葛1號，由廣西農業科學院生物技術研究所提供。氮、磷、鉀肥均采用常規的尿素(含N 46.4%)、鈣鎂磷肥(含P2O518%)、硫酸鉀(含K2O 52%)。

1.3 試驗設計與田間管理

試驗設計：田間試驗采用“3414”方案，設置N、P、K 3個因素，4個施肥水平，共14個處理，每個處理重復3次。小區面積為22.75 m2，采用起壟種植方式，粉葛種植密度為1.2萬株·hm-2。4個施肥水平如下：對照組處理為0水平(N0P0K0)，不施肥；正常施肥處理為2水平(N2P2K2)，當地推薦的施肥量；減量施肥處理為1水平(N1P2K2、N2P1K2、N2P2K1、N1P1K2、N1P2K1、N2P1K1)，施肥量為2水平的0.5倍；過量施肥處理為3水平(N2P3K2、N2P2K3、N3P2K2)，施肥量為2水平的1.5倍。增設缺素處理(N0P2K2、N2P0K2、N2P2K0)。全部磷肥和20%鉀肥做基肥，20%氮肥和20%鉀肥于粉葛苗期施入，50%氮肥和40%鉀肥于粉葛塊根形成期施入，30%氮肥和20%鉀肥于粉葛塊根膨大期施入，全生育期的施肥量見表2。

淀粉含量和葛根素含量按照氮、磷、鉀單肥效應分析，設計對照組處理(N0P0K0)；減量施肥處理(N1P2K2、N2P1K2、N2P2K1)；正常施肥處理(N2P2K2)；過量施肥處理(N3P2K2、N2P3K2、N2P2K3)，施肥量與上述4個施肥水平相同。

田間管理：粉葛幼苗于2020年3月15日移栽，移栽后20 d追施苗肥，當苗高60 cm時進行引竿上架綁蔓；6月中旬，塊根直徑達1 cm時追肥，對根系進行修根(選留1～2條根系繼續膨大)，及時抹除蘆頭上生長的腋芽，當藤葉生長旺盛時進行修剪，防止田間蔭蔽；7月25日最后一次追肥；同年12月15日收獲。

表2 粉葛施肥試驗設計方案Table 2 Fertilization experiment design scheme of Pueraria thomsonii Benth /(kg·hm-2)

1.4 試驗方法

土壤基本理化性質測定參照鮑士旦[19]的方法：pH值采用SevevMulti型pH計(瑞士梅特勒-托利多公司)測定；有機質含量采用H2SO4-K2CrO7外加熱法測定；速效氮含量采用堿解擴散法測定；速效含量磷采用鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用火焰光度法測定。

葛根素含量測定：采用液相色譜法，選用LC-20AT高效液相色譜儀(日本島津公司)測定[20]。稱取0.1 g樣本，放入研缽中磨碎，加入0.5 mL預冷的甲醇(色譜純，德國默克公司)25℃超聲提取30 min，12 000 r·min-1離心10 min，離心后的沉淀物再次用0.5 mL預冷的甲醇25℃超聲提取30 min，離心后取上清液，合并兩次上清液，定容至1 mL，用針頭式過濾器過濾于帶有內襯管的樣品瓶內待測。設置進樣量10 μL，流速 1 mL·min-1， 柱溫30℃，走樣時間30 min，檢測波長250 nm。

淀粉含量采用蒽酮比色法[21]測定。

經濟效益的計算方法：鑒于不同處理的田間耕作及管理成本相同，故不納入計算，以粉葛收購價6元·kg-1、 氮(N)肥4.74元·kg-1、磷(P2O5)肥8.33元·kg-1、鉀(K2O)肥7.69元·kg-1的價格，按照以下公式計算單位面積經濟效益：

單位面積經濟效益(元·hm-2) =

產量×收購價-施肥量×肥料價格。

1.5 數據分析

試驗數據通過Microsoft Excel 2010軟件整理制圖。利用SPSS21.0軟件進行方差分析，選擇多重極差檢驗(duncan multiple range test，Duncan)和最小顯著差異(least significance difference, LSD)檢驗法進行多重比較，檢驗不同處理間的指標差異性，進行粉葛產量與施肥用量之間的多元回歸分析。

2 結果與分析

2.1 施肥對粉葛產量及經濟效益的影響

氮、磷、鉀配施對粉葛產量及經濟效益的提高具有明顯作用，且作用強弱與施肥量有關。由表3可知，減量施肥處理(1水平)產量和經濟效益為33 381 kg·hm-2、 192 579元·hm-2，正常施肥處理(2水平)產量和經濟效益為39 224 kg·hm-2、225 113元·hm-2， 過量施肥處理(3水平)產量和經濟效益為29 664 kg·hm-2、 166 021元·hm-2，對照組(0水平)產量和經濟效益為20 937 kg·hm-2、125 624元·hm-2。 綜上分析，施肥效果表現為2水平>1水平>3水平>0水平，其中2水平和1水平施肥處理增產較3水平施肥處理增產效果明顯，2水平和1水平處理的產量及經濟效益較0水平處理分別提高了87%、79%和59%、53%。而缺素處理(N0P2K2、N2P0K2、N2P2K0)的產量、經濟效益與對照(N0P0K0)相比差異不顯著。

2.2 施肥對粉葛淀粉含量的影響

由圖1可知，減量施氮(N1P2K2)處理的粉葛淀粉含量(40%)最高，磷肥的效應態勢與氮肥相反，而鉀肥表現為先上升后下降的趨勢。整體比較，減量施肥處理的淀粉含量平均值為32%，比對照組提高了10個百分點；正常施肥處理的平均值為32%，比對照組提高了10個百分點；過量施肥處理的平均值為29%，比對照組提高了7個百分點。綜合分析，減量施氮(N1P2K2)處理與正常施肥(N2P2K2)處理更有利于促進粉葛淀粉的形成。

表3 氮磷鉀配施對粉葛的產量及經濟效益的影響Table 3 The effect of N、P、K application on Pueraria thomsonii Benth yield and economic benefit

2.3 施肥對粉葛葛根素含量的影響

由圖2可知，隨著氮肥、磷肥用量的增加，葛根素含量整體逐漸減少，減量施氮(N1P2K2)處理顯著高于正常施肥(N2P2K2)和過量施氮(N3P2K2)，而鉀肥效應的葛根素含量變幅較大，其中減量施鉀(N2P2K1)處理的葛根素含量(2.19 mg·g-1)高于其他處理。整體分析，減量施肥處理的葛根素含量平均值為1.65 mg·g-1， 較對照組提高了30%，減量施肥處理(N1P2K2、N2P1K2、N2P2K1)更有利于粉葛葛根素的積累。

2.4 N、P、K施肥效應

2.4.1 N肥效應 當P、K肥保持2水平時，根據N肥的3個施肥水平(N1、N2、N3)進行效應分析。由表4可知，N1、N2處理的產量比N0分別顯著提高了71%和84%，但過量施氮的N3處理粉葛產量并未顯著增加。3個施N水平經濟效益的變化趨勢與產量一致，N1和N2的經濟效益比N0分別顯著提高了75%和88%。總體來看，過量施氮不利于粉葛產量的提高。

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

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

注：對照組不作施肥處理；減量施肥的施肥水平為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為2(N: 494 kg·hm-2, P2O5: 494 kg·hm-2, K2O: 491 kg·hm-2)； 過量施肥的施肥水平為3(N: 745 kg·hm-2, P2O5: 743 kg·hm-2, K2O: 741 kg·hm-2)。不同小寫字母表示 不同處理間差異顯著(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.圖1 粉葛淀粉含量的氮、磷、鉀效應分析Fig.1 The effect of nitrogen、phosphorus and potassium on starch content of Pueraria thomsonii Benth

圖2 粉葛葛根素含量的氮、磷、鉀效應分析Fig.2 The effect of nitrogen、phosphorus and potassium on starch content of Pueraria thomsonii Benth

2.4.2 P肥效應 當N、K肥保持2水平時，進行不同P肥水平(P1、P2、P3)的效應分析。由表5可知，3個P肥水平的產量、經濟效益均與P0處理存在顯著性差異，但P1、P2、P3之間無顯著差異。整體分析，正常施磷(N2P2K2)處理的磷肥效應最佳。

2.4.3 K肥效應 當N、P肥保持2水平時，對3個K肥水平(K1、K2、K3)效應進行分析。由表6可知，產量與經濟效益均表現為K1、K2與K0呈顯著性差異，而K3與K0、K1與K2間無顯著差異，K1、K2、K3比K0分別增產48%、57%、15%。綜上，正常施鉀處理更有利于粉葛產量及經濟效益的提高。

2.5 氮、磷、鉀肥配施的互作效應

2.5.1 P、K不同施肥水平的N肥效應 由圖3可知，當鉀肥處于2水平(K2)時，分析N肥變量(N1、N2)對P1K2和P2K2處理產量及經濟效益的影響，P肥減量處理下，P1K2處理中N2的產量和經濟效益比N1分別減少了500 kg·hm-2和4 000元·hm-2，隨著P肥的增加，P2K2處理中N2的產量和經濟效益比N1分別增加了2 800 kg·hm-2和15 000元·hm-2；當磷肥處于2水平(P2)時，鉀肥減量處理下，P2K1處理中N2比的產量和經濟效益N1分別增加了4 000 kg·hm-2和23 000元·hm-2，P2K1處理增產效果優于P2K2處理。綜上所述，本試驗條件下磷肥正常施肥，鉀肥減量才有利于促進氮肥肥效的發揮，即P與N呈正交互作用，K與N呈負交互作用。

表6 粉葛鉀肥效應Table 6 The effect of potassium fertilizer on Pueraria thomsonii Benth

注：不同小寫字母表示全部處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level among all treatments. The same as following.圖3 P、K不同施肥水平的N肥效應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肥效應 由圖4可知，當鉀肥處于2水平(K2)時，分析P肥變量(P1、P2)對N1K2和N2K2處理的產量及經濟效益影響，N1K2處理中P1與P2結果基本一致，N2K2處理中P2的產量和經濟效益比P1分別增加了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肥減量處理(N2K1)的產量及經濟效益顯著提高，N2K1處理中P2的產量和經濟效益比P1分別增加了12 900 kg·hm-2和76 000元·hm-2。綜上所述，本試驗交互效應中鉀肥的作用發揮明顯，鉀肥減量和磷肥正常施肥的條件下，粉葛的產量和經濟效應顯著提高，即K與P呈負交互作用。

圖4 N、K不同施肥水平的P肥效應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肥效應 根據圖5分析K肥(K1、K2)變量對N、P不同施肥水平處理的影響。結果顯示，當磷肥處于2水平(P2)時，N1P2處理中K2的產量和經濟效益比K1分別增加了3 400 kg·hm-2和19 000元·hm-2，N2P2處理中K2的產量和經濟效益比K1分別增加了2 200 kg·hm-2和11 000元·hm-2， N1P2的增產幅度大于N2P2；當氮肥處于2水平(N2)時，N2P1處理中K2的產量和經濟效益比K1分別顯著增加了10 500 kg·hm-2和62 000元·hm-2。 綜合比較，增產幅度表現N2P1>N1P2>N2P2，說明在磷肥、氮肥正常施肥時，增施鉀肥有利于粉葛產量及經濟效應提升，即P、N均與K呈負交互作用。

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

2.6 最佳氮、磷、鉀肥配施方案的估計

以經濟效益(Y2)和產量(Y1)為因變量，氮、磷、鉀施肥量為自變量做三元二次方程模型回歸分析，結果如表7所示。經過F檢驗，兩個方程的P值均小于0.05，可認為兩個方程模型總體顯著。加之決定系數在0.9以上，一次項系數和二次項系數符合典型肥料效應函數的要求。兩個方程均存在最大值，即當施加N(N) 343 kg·hm-2、P(P2O5) 423 kg·hm-2、K(K2O) 402 kg·hm-2時，粉葛產量最高，為37 780 kg·hm-2；當施加N(N) 272 kg·hm-2、P(P2O5) 295 kg·hm-2、K(K2O) 427 kg·hm-2時，粉葛經濟效益最高，為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礎上，對粉葛田間試驗數據應用頻率分析法篩選氮、磷、鉀肥配施方案，以產量≥35 000 kg·hm-2和經濟效益≥150 000元·hm-2為目標產量和經濟效益，可篩選出11組和26組符合相應要求的施肥方案。為提高粉葛產量和經濟效益，從配施方案的交集中再篩選出11組產量≥35 000 kg·hm-2且經濟效益≥150 000元·hm-2的施肥方案，其氮、磷、鉀施肥量分別為312～455 kg·hm-2、 397～547 kg·hm-2、362～489 kg·hm-2(表8)。

粉葛屬生物量大且生育期較長的藤本植物，以收獲塊根為種植目的，生產中平均產量達35 000 kg·hm-2以上，適宜粉葛生長的土壤類型為砂質土，該質地土壤保肥性差，因而在栽培管理過程中的肥料投入量較高。根據綜合產量及品質等指標，推薦的氮、磷、鉀肥配比為N1P2K2，此施肥方案下粉葛收獲后土壤速效氮、速效磷、速效鉀含量(表9)基本上與試驗前保持了相同的水平，可見推薦的施肥方案在土壤肥力保持方面具有明顯的優勢。

3 討論

氮、磷、鉀肥合理的配比能夠協調植物在光合作用中源和庫的關系，從而獲得較高的經濟產量[22]。本試驗條件下，減量施肥處理(1水平)和正常施肥處理(2水平)的粉葛產量及經濟效益均顯著高于對照組(0水平)和缺素處理(N0P2K2、N2P0K2、N2P2K0)，氮、磷、鉀處于2水平施肥量時的粉葛經濟產量最高，當施肥量達3水平時，其產量與經濟效益表現出下降趨勢，究其原因，推測為粉葛屬豆科植物，具有固氮養地的特點[23]，加之當地常年大量施用復合肥，土壤中氮、磷、鉀等營養元素比較豐富，所以減量施肥處理已能滿足生產需求。從本試驗“單肥效應”分析，N、P、K單因子的產量與經濟效益均表現為先上升后下降的趨勢，N、K單因子效應的1水平、2水平處理均與對照存在顯著差異，P單因子不同水平處理均與對照處理呈顯著性差異，但P1、P2、P3處理之間無顯著差異，說明過量的磷并未引起粉葛大幅度增產，可能與當地重施磷肥輕施有機肥，土壤有機質含量與土壤有效磷效率呈現極顯著正相關關系有關[24]，本研究中土壤的有效磷含量較高而有機質含量較低，也許導致了磷肥的肥效下降；另外可能與本試驗選用的磷肥種類有關，鈣鎂磷肥的肥效較長但供肥緩慢，當季粉葛對該種類的磷肥不同施入水平反應不明顯。桂中南地區多為酸性赤紅壤土，由于大量游離的鐵、鋁等離子的存在，磷素易被固定為難溶性的閉蓄態磷，大大降低磷的有效性[25]。因此，建議在赤紅壤上可配合施用鈣鎂磷肥和水溶性磷肥，并重視有機肥的施用，以提高磷肥的肥效，從而滿足粉葛的生長需求。

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

表9 收獲后土壤氮、磷、鉀有效態含量Table 9 Available content of nitrogen, phosphorus and potassium in soil after Pueraria thomsoniiBenth harvest /(mg·kg-1)

淀粉與葛根素含量是粉葛藥食兩用品質的主要評價指標[26]。本研究顯示，減量施氮(N1P2K2)處理粉葛的淀粉含量(40%)最高，隨著N肥的增加其含量逐漸減少，與之相反，淀粉含量隨著P肥的增加而不斷提高，這與顧彩霞[14]的研究結果一致。原因可能是隨著施N量的增加，塊根中蛋白質開始大量積累，淀粉和蛋白質積累出現了彼此消長的現象[27]，而磷肥用量的增加促進了光合作用和碳水化合物的合成與轉運，當粉葛進入生長中后期，通過光合作用積累的光合產物大量向根部轉移，塊根膨大末期淀粉含量最高[28]。另外，在鉀肥效應中發現，施用一定量的鉀肥有助于粉葛淀粉的合成，當鉀肥施用過量時，粉葛淀粉含量開始減少，可能是因為適量的K具有激活淀粉合成酶的作用[29]，而過量的K易引發植株體內養分比例失調，進而導致不良效應。葛根素在N、P、K肥減量處理下含量較高，其中減N處理(N1P2K2)均利于淀粉和葛根素的積累，另外發現P、K肥變量處理下的這兩種成分含量變化呈相反趨勢，即淀粉含量隨著P肥施用量的增加逐漸增加，葛根素含量則逐漸減少，當K處于正常施肥(2水平)時，淀粉含量最高而葛根素含量最低，推測P、K肥增施處理可能引起了初生生長和次生代謝產物積累的競爭關系[30-31]，粉葛淀粉的積累在一定程度上抑制了葛根素的合成。因此同時考慮產量及品質因素，本研究條件下最優的施肥方案為N1P2K2，即少施氮肥，正常施用磷肥和鉀肥。

4 結論

本研究結果表明，氮、磷、鉀肥合理配施可有效提高粉葛的產量及經濟效益，并顯著影響淀粉與葛根素的積累。綜合考慮，減量施氮、正常施用磷肥和鉀肥配施方案(N1P2K2)更利于粉葛藥食兩用的種植目的。以產量、品質及經濟效益為目標，對多元回歸模型進行優化，明確桂中南赤紅壤區粉葛產量≥35 000 kg·hm-2、 經濟效益≥150 000元·hm-2的推薦施肥方案為施氮(N)量312～455 kg·hm-2、施磷(P2O5)量397～547 kg·hm-2、 施鉀(K2O)量362～489 kg·hm-2。