無機肥與有機肥配施對甘薯生理特性及產量構成因素的影響

李敏 劉亞軍 王文靜 胡啟國 儲鳳麗 劉廣卿 孫喜云 丁芳

摘要：研究無機肥與有機肥配施對甘薯生理特性及產量構成因素的影響，以期為甘薯連作田有機肥的施入提供理論依據。2020—2022年，通過田間定位試驗，設置不施肥（CK）、化肥單施（SF）、緩控釋肥單施（SSF）、生物有機肥單施（SBF）、1/2化肥配施1/2生物有機肥（FBF）、1/2緩控釋肥配施1/2生物有機肥（SFBF）6個處理，研究不同施肥處理對甘薯葉片SPAD值、熒光參數、光合特性、抗氧化系統以及產量構成因素的影響。結果表明，與CK處理相比，不同施肥處理能夠提高甘薯葉片SPAD值、熒光參數以及光合作用能力；提高CAT、POD、SOD活性，降低MDA含量；提高鮮薯產量、商品率以及干物率，降低T/R值。其中，SF處理的SPAD值、單株蔓莖生物量以及單株薯塊質量在生長前期均最高，但隨著栽插時間延長，無機肥與有機肥配施處理SPAD值、單株蔓莖生物量以及單株薯塊質量明顯高于CK處理或單一施肥處理。與CK處理相比，FBF處理F_o、F_m、q_P、ETR值分別顯著提高24.80%、37.66%、23.21%、7.86%；SFBF處理G_s值以及FBF處理P_n、T_r值分別顯著提高39.29%和9.41%、14.09%；FBF處理CAT、POD活性以及SFBF處理SOD活性分別顯著提高40.57%、23.71%和19.98%，SSF、SBF、FBF、SFBF處理MDA含量分別顯著降低7.04%、4.93%、9.86%、11.27%。FBF處理鮮薯產量較其他處理提高3.26%～34.59%，FBF處理干物率較CK、SF、SBF處理分別顯著提高7.30%、5.35%、6.13%，SFBF處理商品薯率較CK、SBF處理分別顯著提高13.81%、8.23%，FBF、SFBF處理T/R值均最低，較CK、SF、SBF處理分別顯著降低14.29%、7.69%、7.69%。相關性分析表明，鮮薯產量與植株葉片光合特性以及抗氧化系統指標具有顯著的相關性。綜合可知，無機肥與有機肥配施能夠提升植株光合作用以及抗逆境能力，提高鮮薯產量，降低T/R值。其中，化肥減量配施生物有機肥處理表現較優。

關鍵詞：施肥；甘薯；葉綠素；光合特性；抗氧化系統；產量

中圖分類號：S531.06；S143.6文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）16-0091-07

收稿日期：2023-03-23

基金項目：國家甘薯產業技術體系建設專項（編號：CARS-10）。

作者簡介：李 敏（1984—），女，河南商丘人，碩士，副研究員，主要從事甘薯新品種選育及栽培工作。E-mail：limin039671@163.com。

通信作者：胡啟國，碩士，副研究員，主要從事甘薯新品種選育及利用工作。E-mail：huqiguo1234@126.com。

甘薯屬于旋花科一年生或多年生草本植物，因營養豐富、產量高、易栽活等特點被廣泛接受，在我國具有悠久的栽培史^［1-2］。近年來，隨著新型能源的開發利用，甘薯被選作為重要能源作物，且隨著甘薯產業的發展與調整，優良甘薯品種受到廣泛喜愛，人民對甘薯產量的需求逐年增加^［3-4］。而受耕地面積限制，甘薯種植面積波動幅度并不大。常年連作種植，致使土壤肥力降低，微生物菌群失衡，甘薯產量及品質均大幅度降低^［5-6］。目前通過其他作物已有的種植制度改變來解決連作障礙問題并不適宜當前的甘薯產業發展，廣大種植戶大多選擇通過追加施肥來抵消連作障礙帶來的產量、品質降低等負面影響^［7］。但長期大量施用化肥，不僅會使土壤養分失衡、生物學活性降低，還會改變土壤物理結構，影響作物對土壤養分的吸收利用，從而抑制作物生長發育^［8-10］。因此，改變施肥模式可能是解決目前甘薯生產困境的有效途徑。

光合作用是作物生長發育以及積累生物量的重要過程，而植株葉片葉綠素含量、熒光參數以及光合特性是衡量作物植株光合能力強弱的重要指標^［11-12］。當植株受到逆境脅迫時，體內的抗氧化系統能夠有效清除體內活性氧，增加逆境抵抗力^［13］。因此，探究植株葉片光合特性以及抗氧化系統能力對了解作物生長發育具有一定的積極意義。有研究表明，無機肥與有機肥配施能夠提高植株葉片葉綠素含量，延緩葉片衰老，以及延長植株葉片持綠時間，改善葉片熒光參數，提升光合作用能力以及抗逆境能力，進而提高作物產量及品質^［14-16］。

生物有機肥含有豐富的營養物質和微生物菌群，施入土壤中能夠提高微生物代謝活性，促進難溶養分分解，提高土壤養分供應能力和作物吸收利用能力，進而影響植株葉片光合特性和抗氧化系統^［17-18］。而緩控釋肥能夠根據作物需肥特性調整肥效釋放速率，提高肥料利用率^［19］。且生物有機肥與緩控釋肥的肥力緩慢釋放特點能夠滿足甘薯后期對養分的吸收與利用，減緩植株葉片衰老，維持足夠的綠色葉面積和長時間葉片持綠，能夠調整葉綠素熒光參數，提升葉片光合能力，增加甘薯應對逆境脅迫能力^［20-21］。因此，探究無機肥與有機肥配施條件下甘薯葉片熒光參數、光合特性以及抗氧化系統的變化特點，對了解甘薯生長發育，提高甘薯產能具有重要意義。目前，有機肥與無機肥配施對甘薯的研究主要集中在土壤肥力及微生物菌群結構方面，關于甘薯光合特性和抗氧化系統的研究較少^［22-24］。其中，魏猛等主要研究了化肥與有機肥配施對甘薯葉片葉綠素含量、光合特性以及農藝性狀的研究，對葉綠素熒光參數和抗氧化系統的變化并未涉及到，且不同地區氣候條件、土壤類型以及作物茬口均有所不同^［25］。因此，作者期望通過化肥、緩控釋肥與生物有機肥配施，研究不同處理條件下甘薯葉片葉綠素熒光參數、光合特性、抗氧化系統以以及產量構成因素的變化特點，以期為甘薯連作田有機肥的合理施入提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地點位于河南省商丘市梁園區雙八鎮朱莊村（116°37′ E，39°93′ N），平均海拔53 m，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。該區域年平均溫度14.2 ℃，年平均降水量675 mm，無霜期約212 d，年平均日照時數2 200 h。土壤類型為黃潮土黏土質，耕層土壤（0～20 cm）基礎速效養分含量為：堿解氮 54.69 mg/kg，速效磷37.68 mg/kg，速效鉀 123.37 mg/kg，pH值8.02。

1.2 供試材料

供試甘薯品種為商薯18，由商丘市農林科學院生物研究所育種；供試小麥為商麥167，由商丘市農林科學院國家農作物區試站育種；供試化肥養分含量（N、P₂O₅、K₂O含量分別為10%、10%、20%），由河南億豐年生物科技有限公司生產；供試緩控釋肥養分含量（N、P₂O₅、K₂O含量分別為18%、9%、18%），由湖北金峰農業科技有限公司生產；供試生物有機肥養分含量（有機質≥40%，黃腐酸≥12%，功能菌種為芽孢桿菌，有效活菌數≥0.5億CFU/g），由山東泉林嘉有機肥料有限責任公司生產。

1.3 試驗設計

試驗于2020年6月15日至2022年10月15日進行。試驗田為甘薯—小麥輪作地塊，其中，甘薯季進行不同施肥處理，小麥季按照當地農民習慣種植，不進行特殊施肥處理。試驗采用隨機區組設計，共設6個處理，分別為：不施肥（CK）、化肥單施（SF）、緩控釋肥單施（SSF）、生物有機肥單施（SBF）、1/2化肥配施1/2生物有機肥（FBF）、1/2緩控釋肥配施1/2生物有機肥（SFBF），各處理重復3次，每個處理地塊面積56 m²。化肥、緩控釋肥和生物有機肥單施用量分別為750、750、1 200 kg/hm²，化肥、緩控釋肥與生物有機肥配施處理用量均減半。各處理肥料在旋耕起壟前均作為基肥施入，生育期內不追肥。甘薯生育期為6月15日至10月17日，甘薯株行距為0.28 m×0.8 m；小麥生育期為10月20日至來年6月8日。

1.4 樣品采集與測定方法

1.4.1 SPAD值、熒光參數以及光合特性測定 于2022年莖葉盛長期0、10、20、30、40 d調查甘薯葉片SPAD值。每小區選取甘薯連續10株，利用 SPAD-502 葉綠素儀測定最長蔓莖第3葉片SPAD 值。測定后使用紅繩標記，用于下一次測定。并在莖葉盛長期30 d利用FMS-2 便攜式脈沖調制式熒光儀測定葉綠素熒光參數，包括初始熒光（F_o）、最大熒光（F_m）、最大光化學效率（F_v/F_m）、實際光化學效率（Φ_PSⅡ）、光化學猝滅系數（q_P）和電子傳遞速率（ETR）6個葉綠素熒光參數；利用LI-6400 便攜式光合儀測定葉片氣孔導度（G_s）、胞間CO₂濃度（C_i）、凈光合速率（P_n）、蒸騰速率（T_r）。

1.4.2 抗氧化酶活性和丙二醛含量測定 于莖葉盛長期30 d測定葉片抗氧化酶活性和丙二醛含量。過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法測定；過氧化物酶（POD）采用愈創木酚氧化法測定；超氧化物歧化酶（SOD）采用氮藍四唑光化還原法測定；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法^［25］測定。

1.4.3 植株生長發育 分別于栽后15、30、60、90、120 d測定地下部與地上部生物量。每小區連續選取5株用于地下部薯塊與地上部蔓莖生物量測定。

1.4.4 產量及構成因素測定 在甘薯收獲期（2022年）進行產量及其構成因素測定。其中，每小區選取連續4行，每行20株用于鮮薯產量及商品薯率的測定；每小區選取大小均勻，無明顯蟲眼、病蟲害薯塊3個用于薯塊干物率測定；每小區選取3株用于根冠比測定：根冠比=地下部生物量/地上部生物量。

1.5 數據處理與統計分析

采用Excel 2018和SPSS 19.0軟件進行數據分析，利用SPSS進行單因素方差分析與相關性分析，利用Excel進行圖表制作。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對甘薯葉片葉綠素相對含量（SPAD值）的影響

由圖1可知，不同施肥處理甘薯葉片葉綠素SPAD值隨著施肥時間的延長呈先升高后降低的趨勢。與CK處理相比，除莖葉盛長期20 d時T3處理SPAD值無顯著差異外，其他不同施肥處理SPAD值均顯著提高，而不同施肥處理間也表現出明顯差異。其中，莖葉盛長期0 d時，SF處理葉綠素SPAD值最高，較其他施肥處理提高4.55%～11.09%，顯著高于SSF、SBF、SFBF處理。FBF處理其次，較SBF處理顯著提高6.25%，與其他施肥處理均無顯著性差異。10 d時，SF、SSF、FBF、SFBF處理葉綠素SPAD值較SBF處理分別顯著提高8.77%、5.91%、9.61%、6.68%。其中，FBF處理葉綠素SPAD值最高，SBF處理顯著最低，而SF、SSF、FBF、SFBF處理間均無顯著性差異。20 d時，FBF處理葉綠素SPAD值最高，SFBF處理其次，較SBF處理分別顯著提高7.76%、6.17%，與SF、SSF相比無顯著性差異。30 d 時，FBF處理葉綠素SPAD值最高，較SF、SBF處理分別顯著提高6.94%、5.64%，與SSF、SFBF處理相比無顯著性差異，此時，SF處理葉綠素SPAD值最低。40 d時，FBF處理葉綠素SPAD值最高，較SF、SSF、SBF處理分別顯著提高10.71%、5.26%、8.61%。SFBF處理其次，較SF、SBF處理分別顯著提高7.56%、8.47%，與SSF、FBF處理相比均無顯著性差異。

2.2 不同施肥處理對甘薯葉綠素熒光參數的影響

由表1可知，不同施肥處理條件下甘薯葉綠素熒光參數變化較大。不同施肥處理對甘薯初始熒光（F_o）、最大熒光（F_m）、光化學猝滅系數（q_P）和電子傳遞速率（ETR）均有顯著影響，而對最大光化學效率（F_v/F_m）、實際光化學效率（PSⅡ）均無顯著影響。與CK處理相比，不同施肥處理F_o、F_m、q_P、ETR、F_o/F_m、Φ_PSⅡ值均有不同程度提高。其中，FBF處理F_o、F_m、q_P、ETR、F_v/F_m、Φ_PSⅡ值均最高，F_o、F_m、q_P、ETR值較CK處理分別顯著提高24.80%、37.66%、23.21%、7.86%，F_v/F_m、Φ_PSⅡ值無顯著性變化，而F_o、F_m、q_P值均顯著高于SF、SSF、SBF處理。SFBF處理F_o、F_m、q_P、ETR、F_v/F_m、Φ_PSⅡ值均其次，除F_m值顯著低于FBF處理外，其他指標與FBF處理相比均無顯著性差異。

2.3 不同施肥處理對甘薯葉片光合特性的影響

由表2可知，不同施肥處理條件下甘薯葉片氣孔導度（G_s）、胞間CO₂濃度（C_i）、凈光合速率（P_n）、蒸騰速率（T_r）均發生較大變化。與CK處理相比，不同施肥處理G_s、P_n、T_r均不同程度提高，C_i均不同程度降低。其中，SFBF處理G_s最高，較CK處理顯著提高39.29%，較其他施肥處理提高2.63%～21.88%，顯著高于除FBF處理外的其他施肥處理。FBF處理P_n、T_r均最高，較CK處理分別顯著提高9.41%、14.09%，P_n較SBF處理顯著提高6.70%，T_r較SF、SBF處理分別顯著提高6.05%、8.11%。

SFBF處理P_n、T_r均次高，均顯著高于CK處理，但與其他施肥處理相比均無顯著性變化。FBF處理C_i最低，較CK處理顯著降低11.80%，較SF、SBF處理分別顯著降低5.51%、9.03%。SFBF處理C_i顯著低于CK、SF、SBF處理。

2.4 不同施肥處理對甘薯葉片抗氧化系統的影響

由表3可知，不同施肥處理對葉片抗氧化酶活性和丙二醛含量產生顯著影響。與CK處理相比，不同施肥處理葉片過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）活性均顯著提高，丙二醛（MDA）含量均不同程度降低。其中，FBF處理CAT、POD活性較CK處理分別顯著提高40.57%、23.71%，較SF、SSF、SBF處理分別顯著提高20.09%、8.59%、26.03%和10.25%、7.54%、13.74%。SFBF處理SOD活性較CK處理顯著提高19.98%，較SF、SSF、SBF處理分別顯著提高13.50%、5.80%、12.10%，FBF處理CAT、POD、SOD活性與SFBF處理相比均無顯著性差異。SSF、SBF、FBF、SFBF處理MDA含量較CK處理分別顯著降低7.04%、4.93%、9.86%、11.27%，SFBF處理最低，較SF、SBF處理顯著降低7.35%、6.67%，與FBF處理相比無顯著性差異。

2.5 不同施肥處理對甘薯地上部蔓莖生物量變化的影響

由表4可知，不同施肥處理條件下隨著栽插時間的延長各處理甘薯地上部蔓莖生物量表現出不同的變化。隨著栽插時間的延長，各處理蔓莖生物量均不同程度提高。其中，與CK處理相比，不同施肥處理蔓莖生物量均顯著提高。而不同施肥處理對比發現，栽插15 d時，SF處理蔓莖生物量最高，較SSF、SBF、SFBF處理分別顯著提高17.18%、20.49%、6.81%。FBF處理蔓莖生物量其次，顯著高于SSF、SBF處理，而與SF、SFBF處理相比無顯著性變化。栽插30 d時，SF處理蔓莖生物量仍最高，較其他施肥處理顯著提高6.37%～27.44%。FBF處理蔓莖生物量其次，顯著高于SSF、SBF處理，而與SF、SFBF處理相比無顯著性變化。栽插60、90、120 d時，FBF處理蔓莖生物量均最高，較其他施肥處理分別顯著提高12.44%～47.01%、9.05%～25.43%、6.38%～21.92%。60 d時，SBF處理蔓莖生物量最低，而隨著栽插時間的延長（90、120 d時），SF處理蔓莖生物量均低于其他施肥處理。

2.6 不同施肥處理對甘薯地下部薯塊質量變化的影響

由表5可知，不同施肥處理條件下隨著栽插時間的延長各處理甘薯地下部薯塊質量表現出不同的變化。與CK處理相比，除栽插15 d時未結薯外，不同施肥處理薯塊質量均顯著提高。而不同施肥處理對比發現，栽插30、60 d時，SF處理單株薯塊質量均最高，較其他施肥處理分別提高14.35%～44.00%、2.70%～16.38%，顯著高于除栽插60 d時FBF處理外的其他施肥處理。FBF處理單株薯塊其次，30 d時顯著高于SSF、SBF處理，60 d時顯著高于SBF處理。栽插90、120 d時，FBF處理單株薯塊質量均最高，較其他施肥處理分別提高 8.30%～41.18%、3.65%～17.58%，顯著高于除栽插120 d時SFBF處理外的其他施肥處理。SFBF處理單株薯塊其次，均顯著高于SF、SSF、SBF處理。而不同栽插時期，SBF處理單株薯塊質量均最低。

2.7 不同施肥處理對甘薯產量及構成因素的影響

由表6可知，不同施肥處理對甘薯產量及構成因素產生顯著的影響。與CK處理相比，不同施肥處理鮮薯產量、商品薯率、干物率均不同程度提高，T/R值均降低。其中，FBF處理鮮薯產量最高，較其他處理提高3.26%～34.59%，顯著高于除SFBF處理外的其他處理，SFBF處理鮮薯產量其次，也均顯著高于CK、SF、SSF、SBF處理。SFBF處理商品薯率最高，較CK、SBF處理分別顯著提高13.81%、8.23%。FBF處理其次，顯著高于CK、SBF處理，而與SF、SSF、SFBF處理相比均無顯著性差異。FBF處理干物率最高，較CK、SF、SBF處理分別顯著提高7.30%、5.35%、6.13%。SFBF處理其次，與其他處理相比均無顯著性差異。FBF、SFBF處理T/R值均最低，較CK、SF、SBF處理分別顯著降低14.29%、7.69%、7.69%，與SSF處理相比無顯著性差異。

2.8 指標間相關性分析

鮮薯產量與葉片生理特性的相關性分析（表7）表明：鮮薯產量與葉片光合速率呈極顯著（P<0.01）正相關關系，與葉片蒸騰速率、過氧化物酶、超氧化物歧化酶呈顯著（P<0.05）正相關關系，與葉片胞間CO₂濃度、丙二醛呈顯著（P<0.05）負相關關系；葉片氣孔導度與葉片光合速率、蒸騰速率呈極顯著（P<0.01）正相關關系，與葉片過氧化氫酶呈顯著（P<0.05）正相關關系，與葉片胞間CO₂濃度、丙二醛呈顯著（P<0.05）負相關關系；葉片胞間CO₂濃度與葉片光合速率、蒸騰速率、過氧化氫酶呈極顯著（P<0.01）負相關關系，與丙二醛呈顯著（P<0.05）正相關關系；光合速率與過氧化氫酶、過氧化物酶呈顯著（P<0.05）正相關關系，與丙二醛呈顯著（P<0.05）負相關關系；過氧化氫酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶間均呈顯著（P<0.05）正相關關系，而與丙二醛均呈顯著（P<0.05）負相關關系。

3 討論

葉綠素是反映植株光合作用強弱的重要生理指標，其含量的高低直接影響植株光合能力，而葉綠素熒光參數、光合參數的變化可以反映出植株光合作用變化的強度及方向^［27-28］。有研究表明，合理施肥措施有利于植株對土壤養分的吸收與利用，能夠促進植株生長發育，提高光合作用能力^［21］。本研究結果顯示，甘薯生長前期時，化肥單施處理葉片SPAD值最高，但隨著栽插時間的延長，與對照不施肥處理或單一施肥處理相比，無機肥與有機肥配施處理的葉片SPAD值、熒光參數F_o、F_m、q_P、ETR、F_v/F_m、Φ_PSⅡ值以及光合參數G_s、P_n、T_r值均有不同程度地提高，而C_i值均降低。其中，化肥與生物有機肥配施處理表現更為突出。這與魏猛等的研究^［25］較為一致。

本研究中單施化肥處理葉片SPAD值隨著栽插時間延長逐漸降低，而無機肥與有機肥配施處理葉片SPAD值逐漸升高。這是由于單施化肥處理肥效時間較短，而隨著栽插時間延長，緩控釋肥、生物有機肥能夠持續釋放肥力供植株吸收利用。其中，緩控釋肥配施生物有機肥處理由于前期養分釋放速率明顯弱于化肥配施生物有機肥處理，使得植株生長發育受到明顯影響。而化肥配施生物有機肥處理不僅能夠在甘薯前、中、后期均能持續保障養分的供應，還能夠為微生物活動提供豐富的營養，提高微生物代謝活動，促進難溶養分分解，提高土壤養分供應能力和作物吸收利用能力，延緩植株葉片衰老，進而促進作物生長發育。光合參數G_s、P_n、T_r值的提高表明無機肥與有機肥配施能夠明顯提高植株葉片光合作用。葉綠素F_v/F_m和Φ_PSⅡ值上升表明無機肥與有機肥配施能夠提高光能利用能力，而q_P、ETR值的提高表明植株葉片能夠通過光合作用促進光合產物的合成^［29］。本研究中無機肥與有機肥配施處理地上部與地下部生物量隨著栽插時間延長而逐漸增加，以及鮮薯產量的提高和T/R值的降低，說明無機肥與有機肥配施在提高光合作用的同時，能夠促使產生較多的光合產物向地下部運輸。

植物中活性氧的產生與消除始終保持在某種動態平衡中，當植株受到逆境脅迫時，植物體內會產生大量活性氧，使得丙二醛含量增加，而此時體內的抗氧化活性酶會迅速提高酶活性用于消除多余的活性氧，減輕活性氧對膜質過氧化的傷害^［13］。本研究中，與對照不施肥處理或單一施肥處理相比，化肥或緩控釋肥減量配施生物有機肥處理能夠提高甘薯植株葉片CAT、POD、SOD活性，降低MDA含量。說明無機肥與有機肥配施在合理分配養分釋放的同時，能夠促使植株對土壤的養分吸收與利用，延長植株葉片的持綠時間，防止葉片早衰，保障葉片的光合作用時間，進而提高甘薯植株生長發育。相關性分析表明，鮮薯產量與植株葉片光合特性以及抗氧化系統指標具有顯著的相關性。說明無機肥與有機肥配施在持續提供養分的同時，能夠改善土壤微生態環境，提升植株養分利用效率、植株生理特性以及抗逆境能力，進而提高甘薯產量。

4 結論

與不施肥或單一施肥處理相比，化肥、緩控釋肥減量與生物有機肥配施能夠提高莖葉生長后期甘薯葉片SPAD值、葉綠素熒光參數F_o、F_m、q_P、ETR、F_v/F_m、Φ_PSⅡ值以及光合作用能力；提升甘薯葉片抗氧化酶活性，降低丙二醛含量，增強葉片持綠性，延緩葉片衰老；提高鮮薯產量、商品率以及干物率，降低T/R值。其中，化肥減量配施生物有機肥處理表現較好。

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