長江中下游甘薯氮磷鉀肥施用效果與區域土壤養分豐缺指標研究①

張 輝，譚 誠，周曉月，馬洪波，許仙菊，汪吉東，寧運旺，張永春

長江中下游甘薯氮磷鉀肥施用效果與區域土壤養分豐缺指標研究①

張 輝1,2，譚 誠1,3，周曉月1,3，馬洪波1,2，許仙菊1,2，汪吉東1,2，寧運旺1*，張永春2*

(1 江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，南京 210014；2 江蘇大學環境與安全工程學院，江蘇鎮江 212013；3 海南大學園藝學院，海口 570228)

根據2009—2014年在長江中下游薯區實施的68個氮、磷、鉀肥料用量田間試驗結果，建立了基于養分豐缺指標法——肥料效應函數的甘薯氮、磷、鉀施肥指標體系。結果表明：施用氮肥、磷肥、鉀肥均對甘薯具有極顯著的增產效果(<0.01)；植薯土壤水解性氮含量的“高”、“低”指標分別為170 mg/kg和100 mg/kg，有效磷含量的臨界指標為17 mg/kg，土壤速效鉀含量“高”、“低”的指標分別為110 mg/kg和30 mg/kg；高產田塊甘薯的氮、磷、鉀肥最佳經濟推薦施用量分別為N 125 kg/hm2、P2O5160 kg/hm2和K2O 182 kg/hm2，中低產田塊的氮、磷、鉀肥最佳經濟推薦施用量分別為N 155 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2和K2O 220 kg/hm2。

長江中下游；甘薯；速效氮、磷、鉀；豐缺指標；推薦施肥

甘薯是世界上重要的糧食作物、飼料作物和工業原料作物[1]。中國是世界上最大的甘薯生產國家，根據聯合國糧食及農業組織(FAO)的統計結果，2019年中國甘薯種植面積和產量分別為2.36×106hm2、5.19×107t，分別占世界總量的30.55% 和56.62%。甘薯根系具有分布廣、數量多的特點，有較強的養分吸收能力。生產中由于甘薯常表現較強的耐瘠薄特性，因此，甘薯種植過程施肥問題沒有得到足夠重視[2-3]。一方面，種植戶認為甘薯可以忽略肥料的施用而導致施肥量太少；另一方面，為了獲得高產，種植戶過高依賴化肥而導致施肥量過多的現象也普遍存在[4]。施肥是保障作物生長的基本措施之一，因此，施肥管理落后已經是制約甘薯生產水平進一步提高的重要限制因素之一，過低的養分投入直接限制了甘薯的生長和發育，也不能滿足人們對甘薯日益增長的需求；而過高的養分投入則不僅造成肥料利用效率低，同時養分流失也對環境造成污染。

建立和完善氮、磷、鉀施肥指標體系是作物高效施肥的關鍵[5-7]。我國在各地相繼建立了水稻、玉米、小麥等大宗作物的施肥指標體系，但對甘薯，目前只有福建開展了比較系統的研究，建立了氮磷鉀施肥指標體系[6,8]。如章明清等[6]根據2009年之前在福建省進行的118個“3414”試驗結果，認為氮磷鉀對甘薯均有顯著增產效果，土壤水解性氮、有效磷和速效鉀含量的高產臨界指標分別為176、17和106 mg/kg；鄭荔敏等[8]的結果表明，福建莆田植薯土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量的豐缺指標臨界值分別為 85 ～ 128、10 ～ 24 和 42 ～ 115 mg/kg。

甘薯在我國分布非常廣泛，南北種植區跨度從18° ～ 48° N，海拔跨度從沿海平原到海拔近2 000 m的云貴高原[9]。為在更大范圍內建立甘薯的氮、磷、鉀施肥指標體系，本文根據2009—2014年在長江中下游薯區實施的68個氮、磷、鉀肥料用量試驗結果，建立基于養分豐缺指標法——肥料效應函數[10]的甘薯的氮、磷、鉀施肥指標體系，以期為甘薯高效施肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

2009—2014年在長江中下游薯區的江蘇、安徽、湖北、湖南、四川等地實施了22個氮肥用量試驗、22個磷肥用量試驗和24個鉀肥用量試驗。氮、磷、鉀肥料用量均設6個水平，3次重復，其中氮肥用量分別為N 0、60、120、180、240和300 kg/hm2，磷肥用量分別為P2O50、45、90、135、180和225 kg/hm2，鉀肥用量分別為K2O 0、60、120、180、240和300 kg/hm2，個別區域鉀肥試驗鉀肥用量為K2O 0、75、150、225、300和375 kg/hm2，所有處理3 ～ 4 次重復。氮肥用量試驗中，磷肥和鉀肥用量固定，分別為P2O545 ～ 90 kg/hm2和K2O 150 ～ 225 kg/hm2；磷肥用量試驗中，氮肥和鉀肥的用量固定，分別為N 120 ～ 180 kg/hm2和K2O 150 ～ 225 kg/hm2；鉀肥用量試驗中，氮肥和磷肥的用量固定，分別為N 120 ～ 180 kg/hm2和P2O545 ～ 90 kg/hm2。供試肥料品種分別為尿素(含N 460 g/kg)、過磷酸鈣(含P2O5120 g/kg)和硫酸鉀(含K2O 500 g/kg)。所有小區面積20 m2以上，試驗田塊四周設1壟以上保護行。甘薯品種每個試驗點一致，薯苗扦插要求長度及入土節數一致。每個試驗點的水分管理、除草、病蟲害防治等措施均保持一致。收獲時各小區單獨計產，記錄鮮重產量。

1.2 土樣采集與測定

田間試驗實施前，每個試驗田塊按規范取0 ～ 20 cm土壤樣品10 ～ 15個，混合均勻后四分法保留樣品1個500 ～ 1 000 g的樣品。采用常規方法測定土壤主要理化性狀[11]。其中，pH為電位法，有機質為重鉻酸鉀容量法，水解性氮為堿解擴散法，有效磷為0.5 mol/L碳酸氫鈉提取–鉬銻抗比色法，速效鉀為乙酸銨提取–火焰光度計測定。測定獲得供試土壤的基本理化性狀為：pH 5.95(±0.72)，有機質16.5 (± 6.9) g/kg，水解性氮117.8(±41.4) mg/kg，有效磷16.5(±12.9) mg/kg，速效鉀100.1(±58.2) mg/kg。

1.3 數據整理與計算

1.3.1 土壤養分豐缺指標的確定 單個肥料用量試驗中，以產量最高的單質肥料用量處理作為該試驗的最佳處理，即優化處理，以氮肥、磷肥或者鉀肥用量為0的處理作為缺素處理，計算缺素處理的鮮薯產量與優化處理鮮薯產量比值的百分數，即為相對產量。根據相對產量與土壤有效養分(水解性氮、有效磷和速效鉀)測定值的關系做散點圖，根據顯著性檢驗結果選擇合適的回歸曲線模型擬合鮮薯相對產量與土壤水解性氮、有效磷和速效鉀含量之間的關系，以確定土壤氮磷鉀豐缺指標。根據我國農業部頒發的《測土配方施肥技術規范》[12]中的規定，土壤養分豐缺指標可分為5個級別：極高、高、中、較低、低，而大部分研究者認為，劃分3個或4個級別就已足夠[5,6,13]。本文參照全國“土壤養分豐缺指標”協作組制定的我國農田土壤通用劃分級別，將土壤養分分為“低”、“中等”、“高”和“極高”4個級別，其中，相對產量在75% 以下時對應的土壤養分含量為“低”，相對產量在75% ～ 90% 的為“中等”，90% ～ 95% 的為“高”，大于95% 的為“極高”[10]。

1.3.2 氮磷鉀最佳施肥量的確定 由于試驗區域范圍較廣，品種、栽培方式、土壤、氣候等使得各試驗鮮薯產量差異較大，為消除試驗條件帶來的誤差，按產量水平將甘薯種植土壤分為中低產田和高產田，即計算氮肥、磷肥或者鉀肥用量為0的處理的鮮薯產量平均值，低于該平均產量的試驗田塊為中低產田，高于平均產量的試驗田塊為高產田。根據測土配方施肥規范中的方法，建立氮、磷、鉀肥施用量與鮮薯產量的一元二次方程，根據邊際產量和邊際效益分別求得最高產量施肥量和最佳經濟效益施肥量。

1.3.3 數據分析 用SPSS18.0進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 氮、磷、鉀肥的增產效應

22個氮肥試驗、22個磷肥試驗和24個鉀肥試驗的優化處理和缺素處理的產量結果如表1所示。由表1可知，施用氮、磷、鉀肥每公頃平均增產分別為3 876、3 919和4 771 kg，增產率分別為14.3%、11.5% 和9.4%，每施用1 kg氮(N)、磷(P2O5)和鉀(K2O)可分別增產鮮薯31.7、60.6和21.7 kg。與缺素處理相比，其中以施鉀的優化處理增產量最大，施氮的優化處理增產率最高。采用配對法檢驗對優化處理和缺素處理的試驗結果進行分析，結果表明，施用氮肥(=2.870，<0.01)、磷肥(=5.036，<0.01)和鉀肥(=4.528，<0.01)均對甘薯有極顯著的增產效果。

2.2 土壤養分豐缺指標

按照1.3中的方法，根據氮、磷、鉀缺素處理的相對產量，與對應的水解性氮、有效磷和速效鉀含量測定值，在坐標圖上繪制散點圖，結果如圖1所示，可見，甘薯相對產量與水解性氮和速效鉀含量呈正比關系，而隨著有效磷含量的增加，甘薯相對產量先上升后降低。根據各點分布的整體趨勢建立數學模型，結果表明，土壤水解性氮含量與鮮薯相對產量呈冪函數相關(=7.493，<0.05)，土壤有效磷含量與鮮薯相對產量呈二次項相關(=15.440，<0.01)，土壤速效鉀含量與鮮薯相對產量呈復合模型相關(=5.434，<0.05)。根據得到的土壤速效氮、磷、鉀含量與鮮薯相對產量之間的校驗曲線模型，按照1.3中的方法進行土壤速效養分豐缺指標的計算，結果表明，土壤水解性氮含量“高”、“低”的指標分別為168 mg/kg和98 mg/kg，土壤速效鉀含量“高”、“低”的指標分別為112 mg/kg和28 mg/kg(表2)。一般方程擬合過程中，增加或減少樣本數量擬合結果會發生變化，因此，可將計算結果進行取整來消除擬合結果的波動，同時，也為了養分豐缺指標在甘薯生產中的推廣和應用，建議土壤水解性氮含量“高”、“低”的指標分別為170 mg/kg和100 mg/kg，土壤速效鉀含量“高”、“低”的指標分別為110 mg/kg和30 mg/kg。

3 討論

3.1 土壤養分增產效益及豐缺指標

本研究中，土壤水解性氮含量與鮮薯相對產量之間的散點圖是從22個氮肥用量試驗中先剔除了由于試驗誤差造成優化處理減產的4個試驗點，再在18個試驗點中剔除了與整體分布有明顯偏離的2個試驗點(占11.1%)后得到的，而土壤有效磷、速效鉀含量與相對產量之間的散點圖則包括所有試驗點數據，這在章明清等[6]的研究中也有類似報道。其中土壤水解性氮含量指標與章明清等[6]所得到的福建省指標比較接近，而土壤速效鉀含量“低”的指標比福建省指標下降了1/3，表明甘薯雖為喜鉀作物，但對低鉀土壤有較強的忍耐能力。

表1 甘薯施用氮、磷、鉀肥的增產效果

圖1 土壤速效氮、磷、鉀含量與甘薯相對產量的校驗曲線

表2 土壤水解性氮、有效磷和速效鉀豐缺指標

值得注意的是，依據土壤有效磷含量與鮮薯相對產量之間的二次回歸方程無法進行土壤有效磷分級，但可依據邊際相對產量求出獲得最高相對產量時的土壤有效磷含量為17.2 mg/kg，與福建省甘薯種植土壤有效磷含量“高”的指標17.0 mg/kg極為接近，雖然由于校驗曲線回歸模型的差異，對兩者的解讀有所不同，但其本質含義卻基本一致。應用指數模型得到的福建省甘薯種植土壤有效磷含量“高”、“低”的指標分別為17.0 mg/kg和10 mg/kg[6]，表明當土壤有效磷含量高于17 mg/kg時，不施磷對照的相對產量即能超過90%，施磷的效果不明顯；當土壤有效磷含量低于10 mg/kg時，不施磷對照的相對產量低于80%，施磷有較好的增產效果。本研究中應用二次函數模型得到的甘薯種植土壤最佳有效磷含量為17.2 mg/kg，表明當土壤有效磷低于17.2 mg/kg時，甘薯施磷有較好的增產效果，當土壤有效磷高于17.2 mg/kg時，甘薯施磷的效果不明顯。因此，可把17 mg/kg視為土壤有效磷的臨界指標。

3.2 基于肥料效應方程的氮磷鉀肥推薦施用量

在建立肥料效應函數方程之前對68個試驗分別進行獨立回歸分析，從22個氮肥試驗中剔除6個統計不顯著的試驗點，22個磷肥試驗中剔除7個統計不顯著的試驗點，24個鉀肥試驗中剔除7個統計不顯著的試驗點。對統計回歸分析結果顯著的試驗點按照1.3.2中的方法進行產量水平分類，根據《測土配方施肥技術規程》[2]中的方法建立施肥量與鮮薯產量之間的一元二次方程，以邊際產量和邊際效應分別計算不同產量水平田塊種植甘薯的氮、磷、鉀肥最高產量施肥量和最佳經濟效益施肥量(表3)。其中肥料和鮮薯價格按照2010—2015年的價格估算，分別為尿素價格N 5.0元/kg，普鈣價格P2O55.2元/kg，鉀肥價格K2O 5.8元/kg，鮮薯價格1.0元/kg。分析結果表明，對于產量水平中等偏低的試驗田塊，甘薯的N、P2O5、K2O最高施用量分別為164.0、124.0和246.7 kg/hm2，最佳經濟施用量分別為155.0、118.1和219.9 kg/hm2。產量水平較高的試驗田塊其N、P2O5、K2O最高施用量分別為132.2、163.6和202.2 kg/hm2，最佳經濟施用量分別為126.9、157.9和182.0 kg/hm2。甘薯的平均N、P2O5、K2O最高施用量為148.1、143.8和225.0 kg/hm2，平均N、P2O5、K2O最佳經濟施用量分別為141.0、139.0和201.0 kg/hm2(表3)。為了推薦施肥量在甘薯生產中的推廣和應用，對該計算結果進行了取整處理，建議高產田甘薯的N、P2O5、K2O最佳經濟推薦施用量分別為125、160和180 kg/hm2，中低產田塊的N、P2O5、K2O最佳經濟推薦施用量分別為155、120和220 kg/hm2。

表3 不同產量水平的甘薯推薦施肥量

3.3 基于土壤養分測定值的氮磷鉀肥推薦施用量

應用土壤養分豐缺指標，結合土壤速效養分測定值，能夠定性地指導肥料施用量，但并不能定量地確定施肥量的多少。為此，不少研究者依據大量田間研究結果試圖建立土壤速效養分測定值與推薦施肥量之間的函數模型，以定量地根據土壤養分測定值計算具體田塊的推薦施肥量。如李文彪等[5]依據234個“3414”試驗結果分別建立了內蒙古河套地區的春玉米種植土壤氮磷鉀測定值與推薦施肥量之間的指數模型，章明清等[6]依據118個氮磷鉀肥效試驗建立了福建省甘薯種植土壤測定值與推薦施肥量之間的指數模型。本文依據前述15個氮肥試驗、15個磷肥試驗和17個鉀肥試驗結果，試圖建立土壤水解性氮、有效磷和速效鉀含量與最佳經濟施肥量之間的回歸模型，結果表明，土壤水解性氮含量與推薦施氮量之間的指數回歸模型達到了顯著水平(=4.861，<0.05)，而土壤有效磷含量與推薦施磷量、土壤速效鉀含量與推薦施鉀量之間均未達到顯著相關水平(圖2)。章明清等[6]研究結果中典型肥效模型推薦施肥量和相應的試驗點的土壤水解性氮、有效磷和速效鉀含量分別滿足指數模型，而本研究中僅有土壤水解性氮含量與推薦施氮量之間的回歸方程達到顯著水平，分析其原因，本研究與之相比，試驗區域較大，各試驗點的水分條件、土壤質地等因素均可能對試驗結果產生較大的影響，而章明清等[6]的研究結果則集中在福建地區，除了試驗變量之外的環境因素較為統一，因此，更容易獲得較好的擬合結果。同時，本研究結果也表明，氮肥施用對甘薯產量的影響受其他因素的影響較小，而磷肥和鉀肥的施用對產量的影響與氮肥相比，敏感性降低，這與前文提到的與缺素處理相比，施氮的優化處理增產率最高這個結果保持一致。

圖2 土壤水解性氮、有效磷和速效鉀含量測定值與推薦施肥量的關系

3.4 甘薯氮磷鉀肥推薦施用量的評價

一般而言，高產田塊具有較高的土壤肥力水平，且表現出較高的產量水平和較低的推薦施肥量，但在本研究中卻得到與此相反的試驗結果。本研究涉及的試驗田塊，中低產田塊大多位于平原地帶，土壤肥力較高，土壤的水解性氮、有效磷和速效鉀含量平均值分別為120、21、116 mg/kg；高產田塊大多處于丘陵地帶，土壤肥力較低，土壤的水解性氮、有效磷和速效鉀含量平均值分別為116、12、85 mg/kg。此外，高產田塊的氮肥和鉀肥推薦用量分別比中低產田塊低N 30 kg/hm2和K2O 40 kg/hm2左右，磷肥的推薦用量反而比中低產田塊高P2O540 kg/hm2左右。這一現象與其他大田作物在不同土壤肥力水平的肥料推薦用量表現出明顯不同[14-15]。分析其原因，首先，可能與土壤水分條件有關，本研究涉及的試驗田塊，中低產田塊大多地勢平坦，土壤水分充足，而高產田塊大多處于崗坡地，中低產田的甘薯根系分布可能更廣，對土壤中移動性較差的磷的吸收能力更強，因此，導致中低產田塊上磷的推薦施用量低于高產田塊。再者，生長在中低產田塊上的甘薯由于根系數量多、分布廣，極易造成地上部分“源”生長過旺，同時對氮的需求增加，庫源關系失衡。而甘薯具有典型的庫源關系，塊根(庫)膨大與地上部分葉片(源)光合作用和光合產物的分配(流)密切相關[16]，而氮鉀的協同對調節甘薯庫源關系有非常重要的作用[17-18]，氮鉀配施對甘薯產量的增加呈顯著的正交互效應[18]。這也可能是上述高產田塊土壤的速效氮、鉀養分含量低于中低產田塊，但高產田塊的氮、鉀推薦施用量卻低于中低產田塊的原因。

包啟平等[19]對東北春玉米的氮肥推薦模型的研究結果表明，同一土壤類型上，由于土壤肥力水平的不同，導致肥料效應函數擬合差異很大，而即使在同一肥力水平的土壤上，由于土壤類型的不同，肥料效應函數差異也很大，因此，在今后的研究中，對甘薯推薦施肥模型的建立時，應借鑒此方法，以進一步探討更為準確的擬合結果。

4 結論

1) 研究區施用氮、磷、鉀肥料均對甘薯具有極顯著的增產效果(<0.01)。

2) 以缺素區鮮薯產量分別占優化處理區鮮薯產量90% 以上和75% 以下為土壤速效養分“高”和“低”的指標，植薯土壤水解性氮含量的“高”、“低”指標分別為170 mg/kg和100 mg/kg，有效磷含量的臨界指標為17 mg/kg，速效鉀含量“高”、“低”的指標分別為110 mg/kg和30 mg/kg。

3) 以缺素處理平均產量作為劃分高產田和中低產田的標準，高產田甘薯的氮磷鉀肥最佳經濟推薦施用量分別為N 125 kg/hm2、P2O5160 kg/hm2和K2O 180 kg/hm2，中低產田塊的氮磷鉀肥最佳經濟推薦施用量分別為N 155 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2和K2O 220 kg/hm2。

致謝：感謝國家甘薯產業技術體系研發中心、武漢試驗站、杭州試驗站、南京試驗站、合肥試驗站、長沙試驗站和南充試驗站給予本工作的大力支持和幫助！

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Study on Application Effects of N, P and K Fertilizers on Sweet Potato and Abundance-deficiency Indexes of Regional Soil Nutrients in Middle and Lower Reaches of Yangtze River

ZHANG Hui1,2, TAN Cheng1,3, ZHOU Xiaoyue1,3, MA Hongbo1,2, XU Xianju1,2, WANG Jidong1,2, NING Yunwang1*, ZHANG Yongchun2*

(1 Institute of Agricultural Resources and Environmental Sciences, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China; 2 School of Environment & Safety Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China; 3 School of Horticulture, Hainan University, Haikou 570228, China)

According to the results of 68 field experiments on N, P and K fertilizer application in the middle and lower reaches of Yangtze River from 2009 to 2014, N, P and K fertilizer application index system was established for sweet potato, which was based on nutrient abundance and deficiency index method and fertilizer effect function. The results show that application of N, P and K fertilizers have significant effects on increasing yield of sweet potato (<0.01). For potato-growing soil, the “High” and “Low” indexes are 170 mg/kgand 100 mg/kg for available (hydrolytic) nitrogen, 110 mg/kg and 30 mg/kg for available potassium, respectively, while the critical index is 17 mg/kg for available phosphorus. The optimal economic recommended rates of nitrogen, phosphorus and potassium are N 125 kg/hm2, P2O5160 kg/hm2and K2O182 kg/hm2, respectively, the optimal economic recommended application rates of N, P and K for medium and low yield fields are N 155 kg/hm2, P2O5120 kg/hm2and K2O 220 kg/hm2, respectively.

Middle and lower reaches of Yangtze River; Sweet potato; Available N, P and K; Abundance-deficiency index; Recommended fertilization

S531.062

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.04.003

張輝, 譚誠, 周曉月, 等. 長江中下游甘薯氮磷鉀肥施用效果與區域土壤養分豐缺指標研究. 土壤, 2022, 54(4): 676–681.

國家甘薯產業技術體系項目(CARS-10)、江蘇省自然科學基金項目(BK20190259)和江蘇省農業科技自主創新資金項目(CX(21)3002)資助。

(ningyunwang@sina.com；yczhang66@sina.com)

張輝(1983—)，女，江蘇淮陰人，博士，副研究員，主要研究方向為甘薯養分管理。E-mail: 9833672@qq.com