Recommended NPK Fertilization and Partial Replacement with Organic Manure for Sweet Potato Cultivation in Fujian
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摘要:目的 提高甘薯施肥效益，实现化肥减施增效目标，探讨推荐施肥和有机肥替代化肥的技术模式。方法 根据甘薯氮磷钾田间肥效试验结果，定量确定福建甘薯最佳施肥类别；然后分别建立各施肥类别的三元非结构肥效模型和推荐施肥量，在此基础上开展有机肥替代化肥潜力的试验研究，并进行田间示范。结果 甘薯施肥可划分为高产田、中产田、中低产田和低产田等4个施肥类别，高产田的氮肥增产效应明显高于其他施肥类别，但磷钾肥的增产效应则反之。基于不同施肥类别的三元非结构肥效模型，甘薯平均经济施肥量为N 160 kg∙hm−2、P2O5 62 kg∙hm−2、K2O 212 kg∙hm−2，三要素适宜比例为1 ∶ 0.4 ∶ 1.3，但不同施肥类别的推荐施肥量有明显差异。在推荐施肥基础上有机肥替代25%化肥具有最佳增产增收效果，平均比推荐施肥增产13.0%，净增收1802元∙hm−2。在N、P2O5投入比习惯施肥下降16.7%和47.4%以及K2O投入提高94.0%的条件下，79个化肥推荐施肥田间示范比习惯施肥平均增产7.9%，净增收3 394元∙hm−2；基于推荐施肥量的16个有机肥替代25%化肥的田间示范则平均增产11.3%，净增收4 192元∙hm−2。结论 化肥推荐施肥和在此基础上有机肥替代25%化肥是可供推广应用的甘薯化肥减施增效技术模式，后者效果更佳。Abstract:Objective NPK fertilization and utilization of manure for partial replacement in sweet potato farming were optimized for the agriculture in Fujian.Method Based on field experiments, sweet potato growing fields in the province were classified. A ternary non-structural fertilization response model was constructed for each class to optimize the fertilization. Field tests and demonstrations were conducted to scrutinize and promote the recommended program.Result The 4 classes of sweet potato fields in the province included (1) high yield paddy, (2) medium yield paddy, (3) medium-to-low yield field, and (4) low yield field. The sweet potato plants were highly responsive to N fertilizer application on the fields of higher yield, but P or K tended to benefit more the plants grown on lands of lower yields. According to the fertilization response models, the economic applications averaged 160 kg·hm−2 on N, 62 kg·hm−2 on P2O5, and 212 kg·hm−2 on K2O in the ratio of 1:0.4:1.3. However, the recommendation for different classes of field differed significantly. By replacing 25% NPK in the recommended fertilizations (RF) with manure, on average a 13.0% increase on tuber yield and 1 802 yuan·hm−2 increase on net revenue over RF were realized. In the 79 field demonstrations with RF, the application of N was reduced by 16.7% and P2O5 by 47.41% while K2O increased by 79.3% which resulted in 7.9% rise on yield and 3 394 yuan·hm−2 more on net revenue over what practiced by the farmers (FP). On the other hand, in the 16 field tests where 25% NPK fertilizers was replaced with manure, the average yield rose by 11.0% with 4 192 yuan·hm−2 higher in revenue.Conclusion Although either RF or 25% NPK replaced by organic manure could significantly improve the sweet potato productivity and profitability, the use of organic manure to partially substitute chemical fertilizer was deemed superior for the farming in the province.
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Keywords:
- Sweet potato /
- field classification /
- fertilizer /
- organic manure /
- recommended fertilization /
- fertilization model
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文心兰Oncidium又名舞女兰、瘤瓣兰等，主要分布于中南美洲的热带和亚热带地区。文心兰花色艳丽、花型奇特、观赏期长，是世界重要的盆花和切花种类之一。我国从20世纪90年代开始引种文心兰[1]，主要以切花栽培为主。切花文心兰为具假鳞茎薄叶种，15~30℃范围内均能正常生长，15~20℃适宜营养生长，20~25℃适宜开花[2-3]。福建属亚热带湿润气候，其特点是温暖湿润，年平均气温15~22℃，非常适宜文心兰切花栽培，但福州等地夏季持续的高温严重影响了文心兰植株的生长，导致假鳞茎易皱缩，从而影响秋冬季开花产量和品质。
目前国内学者对春兰[4]、杂交兰[5]、金线兰[6]、蝴蝶兰[7]等兰科植物进行了高温胁迫研究，有关文心兰高温胁迫的研究尚未见报道。因此本研究根据福州夏季气温自然变化规律，在光照培养箱中模拟高温胁迫，测定文心兰新芽顶叶中叶绿素、可溶性糖、还原糖、脯氨酸(Pro)等含量及相对电导率、过氧化物酶(POD)活性等多项生理指标，以探讨高温胁迫下文心兰生理变化规律和耐热机制，为筛选出文心兰耐热性鉴定生理指标及建立适宜夏季高温气候特点的栽培管理技术提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 试验材料
以自育切花文心兰新品种‘金辉’为试验试材，选择1个饱满假鳞茎带1个新芽(新芽高度一致，新芽假鳞茎未膨大)的幼苗共192株为供试材料。
1.2 高温处理及取样方法
根据福州夏季日夜气温的自然变化规律，用光照培养箱(光照培养箱为“一恒MGC-450HP-2”，光照时强度为12 000 lx，空气相对湿度75%~80%)模拟高温胁迫。以夏季最高温时温室能调控的温度(黑暗28℃ 10 h→光照30℃ 5 h→光照32℃ 4 h→光照30℃ 5 h，以此循环)为对照(CK)，高温处理(T)温度变化为黑暗28℃ 10 h→光照32℃ 2 h→光照36℃ 3 h→光照40℃ 4 h→光照36℃ 3 h→光照32℃ 2 h，以此循环。高温胁迫前在CK条件下预处理7 d，CK与高温胁迫各96株，处理过程中均保持栽培介质湿润。高温胁迫处理共42 d，CK与高温处理均每隔7 d随机选取12株新芽的2片顶叶共24片叶进行生理指标的测定。
1.3 测定内容
各生理指标测定方法参考《植物生理生化实验原理和技术》[8]、《植物生理学实验指导》[9-10]中提供的方法并适当改进。叶绿素含量的测定采用丙酮浸提法，相对电导率的测定采用电导仪法(电导仪为“HANNA HI8733”)，可溶性糖的测定采用蒽酮比色法，还原糖的测定采用3，5-二硝基水杨酸法，Pro含量的测定采用茚三酮法，POD活性的测定采用愈创木酚法。紫外可见分光光度计型号为“岛津UV-1780”。各项生理指标的测定均重复3次。叶绿素、可溶性糖、还原糖、Pro的含量均为鲜重的含量，相对电导率及POD活性为鲜样的测定值。用Excel和SPSS软件进行数据统计分析。
2. 结果与分析
2.1 高温胁迫对文心兰形态和叶绿素含量的影响
对照处理42 d后假鳞茎饱满，叶色浓绿无坏死，且新芽基部基本已膨大形成假鳞茎；而高温胁迫处理42 d后植株虽无死亡，但假鳞茎明显失水皱缩，顶叶叶尖出现焦枯，顶叶叶色由浓绿变为黄绿，部分苞叶变黄甚至坏死，新芽基部极少能膨大形成假鳞茎。高温处理后的植株转入温室中均能恢复生长。从图 1可知，受高温胁迫后文心兰顶叶叶绿素(a+b)含量总体上呈现不断下降的变化趋势，而对照则呈平缓上升的变化趋势。高温胁迫7 d时，高温处理叶绿素含量略高于对照，至14~21 d时则低于对照，但差异不显著；当高温胁迫至28 d时叶绿素含量(0.698 mg·g-1)则显著低于对照(0.781 mg·g-1)；当高温胁迫至42 d时，叶绿素含量(0.676 mg·g-1)进一步显著降低，比对照下降19.12%。
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图 1 高温胁迫对文心兰新芽顶叶叶绿素含量的影响注：不同小写字母表示同一处理不同时间差异显著(P＜0.05)，*表示相同处理时间不同处理差异显著(P＜0.05)，下同。Figure 1. Effect of heat on chlorophyll content in sprouting apical leaves on an Oncidium plant2.2 高温胁迫对可溶性糖含量的影响
从图 2可知，对照中可溶性糖含量呈不断上升的变化趋势，由7 d的0.189%上升到42 d的0.351%。高温胁迫7~21 d时可溶性糖含量分别为0.222%、0.247%和0.317%，分别比对照提高17.16%、19.32%和10.07%，差异均显著；28~35 d时可溶性糖含量与对照差异不显著，且增幅均减小；至42 d时高温胁迫下可溶性糖含量为0.321%，比对照降低8.55%，差异显著。
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图 2 高温胁迫对文心兰新芽顶叶可溶性糖含量的影响Figure 2. Effect of heat on soluble sugar content in sprouting apical leaves on an Oncidium plant2.3 高温胁迫对还原糖含量的影响
从图 3可知，对照与高温胁迫处理还原糖含量的变化趋势基本一致，总体上均持续增加，但在不同时期的增幅和含量有显著差异。高温胁迫7 d时还原糖含量为2.512%，比对照高18.83%，差异显著；随后高温胁迫下还原糖含量增幅减小，至28 d时与对照差异不显著，至35、42 d时高温胁迫下还原糖含量分别为2.750%、2.958%，与对照相比显著降低了11.66%和11.36%。
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图 3 高温胁迫对文心兰新芽顶叶还原糖含量的影响Figure 3. Effect of heat on reducing sugar content in sprouting apical leaves on an Oncidium plant2.4 高温胁迫对相对电导率的影响
从图 4可知，对照相对电导率呈现先升后降，然后再升再降的变化趋势，而高温胁迫下相对电导率先升高后趋于稳定的变化趋势，高温胁迫下相对电导率显著高于对照，提高幅度为8.49~20.66%。高温胁迫7~35 d时相对电导率持续上升，由21.48%上升到24.80%；35~42 d时下降，但差异不显著。
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图 4 高温胁迫对文心兰新芽顶叶相对电导率的影响Figure 4. Effect of heat on relative conductivity of sprouting apical leaves on an Oncidium plant2.5 高温胁迫对Pro含量的影响
从图 5可知，对照与高温胁迫处理下文心兰顶叶Pro含量的变化趋势基本一致，均呈升、降、升的变化趋势，但高温胁迫下Pro含量均显著高于对照。7~14 d时Pro含量均持续上升，至14 d时高温胁迫下Pro含量为25.69 μg·g-1，比对照高51.30%；14~28 d时Pro含量均缓慢下降；高温胁迫28~42 d时Pro含量急剧上升，至42 d时Pro含量高达28.38 μg·g-1，比对照高56.11%。
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图 5 高温胁对文心兰新芽顶叶Pro含量的变化Figure 5. Effect of heat on Pro content in sprouting apical leaves on an Oncidium plant2.6 高温胁迫对POD活性的影响
从图 6可知，随高温胁迫时间的增加，文心兰顶叶中POD活性呈不断上升的变化趋势。处理7~21 d时POD活性上升较缓，且低于对照，但差异不显著；高温胁迫28 d以后POD活性具有较大幅度的增强，且高于对照；至35、42 d时POD活性显著提高，分别为0.0464U·g-1·min-1和0.0496 U·g-1·min-1，分别比对照提高8.47%和11.58%。
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图 6 高温胁迫对文心兰新芽顶叶POD活性的影响Figure 6. Effect of heat on POD activity of sprouting apical leaves on an Oncidium plant3. 讨论与结论
叶绿素是光合作用不可缺少的物质，叶绿素含量多少与光合机能大小密切相关。本研究中受持续高温胁迫后文心兰顶叶叶绿素含量不断下降，这与春兰[4]、蝴蝶兰[7, 11]的研究结果一致。本研究中高温胁迫7 d时叶绿素含量略高于对照，这与短暂的高温提高了叶绿素合成相关酶的活性，从而加快了叶绿素的合成有关[12]，银杏中也有类似的报道[13]；随高温胁迫时间的延长，持续高温降低了叶绿素的合成，同时高温胁迫下活性氧氧化加速了叶绿素的降解[14]，因此叶绿素含量显著降低。
脯氨酸、可溶性糖是重要的渗透调节物质。当植物处于逆境胁迫下，脯氨酸合成酶类对脯氨酸的反馈抑制的敏感性降低，导致体内游离脯氨酸含量增加[15]，且增长的百分率大小与耐热性有关[16]，但胁迫温度过高时又会导致脯氨酸含量降低[17]。本研究中受高温胁迫文心兰顶叶中脯氨酸含量显著提高，且与对照保持一致的动态变化趋势，说明文心兰具有较好的耐热性。可溶性糖是重要的光合产物，本研究发现高温胁迫初期能显著提高可溶性糖的积累，但随高温胁迫时间的进一步延长，可溶性糖的积累显著下降，可能是高温胁迫后期叶绿素降解导致光合效率降低引起的，这与金线莲的研究结果一致[6]。本研究中高温胁迫初期还原糖含量显著提高，这可能与高温胁迫下植株体内碳水化合物转换以提高抗性有关[18]，随高温胁迫时间的延长，还原糖含量显著低于对照，这可能与光合作用减弱而呼吸作用加强有关，这与在黄瓜中的研究结果一致[19]。
高温胁迫下膜蛋白受伤害导致细胞膜透性增加，胞液外渗而使相对电导率增大[20]，因此叶片相对电导率是耐热性鉴定的重要生理指标。本研究中高温胁迫下顶叶相对电导率显著高于对照，高温胁迫前期相对电导率增幅较大，后期趋于稳定，表明高温胁迫初期一定程度上破坏了细胞膜，后期电导率的下降说明植株抗逆性增强，提高了对高温环境的适应能力。本研究中相对电导率的变化与甜椒[21]、辣椒[22]的研究结果一致。
POD是氧化酶系统中的保护酶，是细胞内防御酶系统中重要的清除酶之一。高温胁迫下POD活性变化主要与品种耐热性、处理温度及处理时间有关[23]，POD含量越高，其耐热性越好，适应性越强[24]。本研究中高温胁迫初期POD活性低于对照，但后期活性急剧增加且显著高于对照，这种变化规律与小苍兰类似[25]，这可能与叶绿素降解和膜脂过氧化有关。不断升高的POD活性能分解膜脂过氧化产生的H2O2，从而防止细胞膜的伤害，表明文心兰具有很好的耐热性。
综上所述，高温胁迫下文心兰顶叶的相对电导率及脯氨酸含量均显著高于对照，而叶绿素含量则不断降低，说明以上指标可作为鉴定文心兰耐热性的关键指标；可溶性糖含量、还原糖含量、POD活性的变化趋势则与高温胁迫的时间有关，可作为辅助指标。
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表 1 供试土壤主要理化性状
Table 1 Major physiochemical properties of soils at test fields
试验或示范类型
Experiment or demonstration试验数
No. of trialspH 有机质
Organic Matter/
（g∙kg−1）碱解氮
Alkaline hydrolytic nitrogen/
（mg∙kg−1）有效磷
Olsen-P/
（mg∙kg−1）速效钾
Available K/
（mg∙kg−1）“3414”肥效试验
Fertilizer effect experiment using “3414”design110 5.2±1.4 24.94±10.56 121.9±43.6 32.0±26.3 77.5±45.7 有机肥替代试验
Replacement fertilizer with organic manure14 5.7±0.5 19.04±6.48 103.0±19.3 66.4±29.8 120.7±33.3 化肥推荐施肥田间示范
Recommended fertilization demonstration76 5.6±0.7 19.66±8.18 88.3±38.7 53.1±31.7 81.6±43.7 有机肥替代化肥田间示范
Organic manure replacement fertilizer demonstration16 5.6±0.4 17.46±7.67 102.4±18.1 67.4±29.1 121.4±33.5 
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表 2 甘薯有机肥替代化肥田间试验设计
Table 2 Field experiment design on sweet potato grown under NPK fertilization with organic manure
序号
No.处理
Treatments施肥量 Application rate/（kg∙hm−2） N P2O5 K2O 有机肥 Organic manure 1 空白 CK 0 0 0 0 2 习惯施肥 FP 216 114 116 0 3 推荐施肥 RF 180 60 225 0 4 25%有机肥替代化肥 OR25% 135 45 170 3 000 5 50%有机肥替代化肥 OR50% 90 30 113 6 000 有机肥指商品有机肥，N+P2O5+K2O≥5%，养分总量以5%计，含水量以25%计；处理3、处理4和处理5为等氮磷钾养分数量。FP、RF、OR25%、OR50%处理分别表示习惯施肥、化肥推荐施肥、有机肥替代25%化肥和有机肥替代50%化肥。下同。
Commercial organic manure contained N+P2O5+K2O≥5%, total nutrients of 5%, and moisture content of 25%; same application rates of N, P2O5, and K2O for Treatments 3, 4, and 5. FP: farmer practice; RF: recommend fertilization; OR25% and OR50%: 25% and 50% of chemical fertilizer replaced with organic manure, respectively. Same for below.
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表 3 甘薯氮磷钾施肥类别及各类别的施肥效应
Table 3 Sweet potato field classes for NPK fertilization study and resulting tuber yields
施肥类别
Fertilization category试验数
No. of trials处理（6）施肥量
Application rate of treatment 6/（kg∙hm−2）各处理甘薯产量
Peanut yield/（kg∙hm−2）N P2O5 K2O CK N2P2K2 N0P2K2 N2P0K2 N2P2K0 高产田
High yield field5 180±16 60±17 288±24 35 445±7 102 73 650±7 881 45 510±8 091 66 000±8 091 63 915±8 164 中产田
Middle yield field26 176±3 70±19 237±31 26 024±5 776 44 571±5 681 29 492±5 846 36 922±6 944 33 994±5 637 中低产田
Middle-low yield field28 182±5 60±10 248±18 14 321±3 603 27 106±4 550 17 842±4 246 22 478±4 147 21 159±3 951 低产田
Low yield field51 181±3 66±20 248±22 11 587±3 306 19 339±3 504 14 000±4 019 15 579±4 302 13 833±3 285
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表 4 甘薯不同施肥类别的氮磷钾三元非结构肥效模型
Table 4 Ternary non-structural fertilization response models for sweet potato cultivated on fields of different classes
施肥类别
Fertilization category模型参数
Model parameter统计检验
Statistical test模型典型性
Model typicalityA×103 N0 P0 K0 c1×103 c2×103 c3×103 F R2 高产田
High yield field8.302 5 91.573 120.420 387.340 3.483 7 4.889 2 1.444 2 18.93** 0.942 0 典型式 中产田
Middle yield field10.455 0 115.41 86.937 226.160 3.567 1 6.952 2 2.274 7 18.81** 0.941 6 典型式 中低产田
Middle-low yield field5.301 3 119.21 89.095 237.590 3.158 7 6.419 4 2.093 0 62.49** 0.981 7 典型式 低产田
Low yield field3.178 6 150.140 100.520 219.120 3.169 8 5.951 4 2.149 0 14.87** 0.927 2 典型式 “**”表示P＜0.01。
“**” represents P＜0.01.
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表 5 基于农学效应的甘薯氮磷钾推荐施肥量
Table 5 Limit standards of NPK fertilization based on agronomic effects for sweet potato cultivation
施肥类别
Fertilization categories空白区产量
Blank yield/
（kg∙hm−2）目标产量
Target yield/
（kg∙hm−2）最高施肥量及产量
Maxium fertilizer rate and yield/（kg∙hm−2）经济施肥量及产量
Economic fertilizer rate and yield/（kg∙hm−2）N P2O5 K2O 产量Yield N P2O5 K2O 产量 Yield 高产田
High yield field35 000±7 100 73 000±7 900 195 84 305 72 880 191 82 284 72 833 中产田
Middle yield field26 000±5 800 45 000±5 700 165 57 213 42 636 158 55 199 42 595 中低产田
Middle-low yield field14 000±3 600 27 000±4 600 197 67 240 26 400 183 64 213 26 322 低产田
Low yield field11 000±3 300 19000±3500 165 68 246 18300 145 62 210 18192 表中各施肥类别的空白区产量和目标产量是在肥效模型计算值的基础上取整数。
Control and target yields of each sweet potato field class were rounded values from fertilization response models.
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表 6 不同有机肥替代化肥比例对甘薯产量和施肥效益的影响
Table 6 Sweet potato yield and economic benefits under varied percentages of organic manure replacement on NPK application
施肥类别
Fertilization categories项目 Items 施肥处理 Treatments 方差分析
Variance analysisCK FP RF OR25% OR50% 高产田
High yield field（n=5）产量 Yield/（kg∙hm−2） 35 586 d 40 055 c 41 710 b 43 397 a 41 357 b F=57.2** 增产 Yield increase/% −14.5 −4.0 — 4.0 −0.8 净增收 Net income/（元∙hm−2） −668 1 −236 3 — 751 −408 0 中产田
Middle yield field（n=5）产量 Yield/（kg∙hm−2） 23 072 c 33 477 b 34 816 b 36 969 a 34 510 b F=146.4** 增产 Yield increase/% −33.7 −3.8 — 6.2 −0.9 净增收 Net income/（元∙hm−2） −15 111 −1 889 — 1 450 −4 009 中低产田
Middle-low yield field（n=3）产量 Yield/（kg∙hm−2） 19 051 c 28 165 b 30 492 ab 33 656 a 29 212 b F=28.2** 增产 Yield increase/% −37.5 −7.6 — 10.4 −4.2 净增收 Net income/（元∙hm−2） −14 656 −3 371 — 2 966 −5 470 低产田
Low yield field（ n =1）产量 Yield/（kg∙hm−2） 13 150 c 18 167 b 19 433 b 24 167 a 22 083 a F=6.4* 增产 Yield increase/% −32.3 −6.5 — 24.4 13.6 净增收 Net income/（元∙hm−2） −6920 −1780 — 5321 425 ① “*”表示P＜0.05， “**”表示P＜0.01， 同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。②CK、FP、RF、OR25%、OR50%处理的肥料成本分别为0、2386、2505、4285和6055元∙hm−2。
① “*”: P＜0.05, “**”: P＜0.01. Different lowcase letters of the same row in the table showed significant difference(P<0.05). ② Fertilizer costs of CK, FP, RF, OR25 % and OR50% were 0, 2 386, 2 505, 4 285, and 6 055 yuan·hm−2, respectively.
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表 7 化肥减施增效示范田的甘薯产量和施肥效益
Table 7 Sweet potato yield and economic benefit on demonstration field with fertilizer reduction and efficiency improvement
施肥类别
Fertilization categories项目 Items 化肥推荐施肥
Recommended fertilization有机肥替代化肥
organic manure replacement of chemical fertilizerCK FP RF CK PF OR25/% 高产田
High yield field产量 Yield/（kg∙hm−2） 37 513±7 186 47 455±1 735 51 026±3 412 32 625±1 199 45 381±1 637 48 871±1 412 增产 Yield increase/% — — 7.0 — — 7.1 净增收
Net income/（元∙hm−2）— — 5 008 — — 3 333 中产田
Middle yield field产量 Yield/（kg∙hm−2） 26 704±5 406 34 119±3 209 36 091±5 442 26 862±6 261 34 786±3 496 39 210±1 412 增产 Yield increase/% — — 5.5 — — 11.3 净增收
Net income/（元∙hm−2）— — 2457 — — 4737 中低产田
Middle-low yield field产量 Yield/（kg∙hm−2） 17 819±5 432 26 175±3 249 29 190±3 227 22 061±2 610 28 410±3 057 32 217±2 839 增产 Yield increase/% — — 10.3 — — 11.8 净增收
Net income/（元∙hm−2）— — 4 094 — — 3 812 低产田 Low yield field 产量Yield/（kg∙hm−2） 13 537±2 256 17 611±1 663 21 291±1 400 13 158 18 141 24 192 增产 Yield increase/% — — 17.3 — — 25.0 净增收
Net income/（元∙hm−2）— — 5 271 — — 7 177 化肥推荐施肥的高产田、中产田、中低产田、低产田的示范田数量分别为7、40、24、5个，有机肥替代化肥的示范田数量则分别为4、5、6、1个。
There were 7 demonstration fields for high yield, 40 for medium yield, 24 for middle-low yield, and 5 for low-yield class in RF treatment; and 4 demonstration fields for high yield, 5 for medium yield, 6 for middle-low yield, and one for low-yield class in 25% organic manure replacement treatment.
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