华北旱地覆膜对春甘薯干物质和氮素生产特征的影响

刘胜尧，范凤翠，贾宋楠，石玉芳，张立峰，贾建明*

（1.河北省农林科学科院农业信息与经济研究所，河北 石家庄 050051；2.河北农业大学农学院，河北 保定 071001）

我国是世界第一大甘薯种植国，2015年甘薯种植面积为883万hm2[1]。其中，河北省年甘薯种植面积达27万hm2以上，主要分布在冀中北部、山区丘陵地带、土壤贫瘠灌溉条件不发达地区[2]。华北地区春季干旱少雨、蒸发量大、气温不稳、冷害频发，夏季降雨集中、水涝频现[3，4]，秋旱时有发生，“春旱、夏涝、秋吊”的气候条件限制了区域农田生产力的提高。因此，发展以水分保持和高效利用为主的甘薯种植，对保障与提高该区粮食产量和农民收入具有重要意义。

地膜覆盖能够显著改善耕层土壤的水热状况[5～7]，增加土壤微生物数量，提高土壤酶活性，活化土壤养分，显著提高养分的有效性[8～14]，该技术已在我国西北、东北地区和华北北部得到了大面积应用。付文娥等[10]研究表明，地膜覆盖较裸地种植能够促进甘薯早期生长发育，使甘薯缓苗分枝期提早2～3 d，封垄期提前3～4 d，大中薯率提高11.0%，增产21.2%。

前人对甘薯覆膜效果的研究主要集中在覆膜对甘薯生长、生理和产量的影响方面[7，15，16]，而有关覆膜对甘薯干物质和养分积累转运的研究较少。秉承“蓄水、节水、高产”路径，在华北山区丘陵旱地保证养分与优良品种前提下，设置不同水分管理方式的田间试验，揭示农田不同水分条件下春甘薯的碳氮积累、转运与分配特征，旨为深度开发高产作物春甘薯的生产潜力，以及创新以蓄水、节水、合理施肥为核心的雨养旱作配套技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2012～2013年连续2 a在河北省农林科学院大河综合试验站（鹿泉市）进行。该区属温带半湿润偏旱大陆性季风气候，四季分明，日平均气温13.6℃，年均降水量536 mm且降水主要分布在七八月，年均日照时数2 554 h，无霜期230 d。试验地土壤为黏壤质洪冲积石灰性褐土，0～100 cm土体土壤容重1.49 g/cm3，田间持水量21.17%，凋萎含水量11.0%；0～20 cm耕层土壤基础养分含量为有机质1.96%、全氮0.10%（其中速效氮86.10 mg/kg）、速效磷32.75 mg/kg和速效钾185.40mg/kg，pH值7.74。试验站内有自动气象站记录全年的气象条件，2012年、2013年甘薯生育期内的降水量分别为460.8和534.4mm。2个年度的降水差异主要体现在8月上旬前，其中，2012年降水集中在8月上旬（降水量199mm，占甘薯生育期总降水量的43.22%），而前期和后期均较少；2013年6～9月的逐月降水量分别占甘薯生育期总降水量的26%、32%、20%和17%，降水时空分布比较均匀。

1.2 试验材料

试验甘薯品种为冀薯99（优质鲜食品种）。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 甘薯采用垄作栽培，带宽60 cm，每带起底宽40 cm、顶部宽25 cm、高15 cm的小垄，垄上栽秧，株距37cm。种植方式设覆膜和裸地（CK）2个处理，其中，覆膜处理用90 cm宽的地膜全部覆盖沟垄，在垄底部打直径0.3 cm的小孔（便于雨水入渗）。小区面积54 m2，随机区组排列，3次重复。

甘薯栽秧前旋耕整地，并施入包衣缓释肥（N、P2O5、K2O含量均为15%） 900 kg/hm2做底肥；整个生育期不进行人工灌溉，常规管理。2012年5月1日种植，10月17日收获。2013年试验是在2012年的基础上又增加了1个汛期揭膜处理（揭膜时间为7月20日），其他管理措施相同。

1.3.2 测定项目与方法 分别于甘薯分枝期（5月1日～6月5日）、结薯期（6月5～20日）、封垄期（6月20日～7月3日）、茎叶盛长前期（7月3～27日）、茎叶盛长后期（7月27日～8月26日）、薯块盛长期（8月26日～9月27日） 和收获期（9月27日～10月17日），每小区均选择有代表性的植株10株采集鲜样，分器官擦洗干净后称量鲜重；然后置烘箱内，先105℃杀青30 min，而后80℃烘干至恒重，测定单株生物量。将各器官粉碎后取样，用浓H2SO4-H2O2消解，采用连续流动分析仪测定氮素含量。根据公式，计算相关指标：

利用2012年的试验数据对覆膜条件下甘薯的干物质和氮素生产特征进行分析。

2 结果与分析

2.1 旱地覆膜对春甘薯产量及产量相关因素的影响

2012年，与CK相比，覆膜处理的甘薯生物产量增加了0.10%，鲜薯产量和薯干产量分别降低了1.86%和2.71%，但差异均不显著（表1）。进一步对甘薯产量构成因素进行分析发现，虽然2个处理的单株薯块数和和单株薯重差异均不显著，但覆膜条件下单株薯块数增多了14.95%，而单株薯重却降低了14.02%。可以看出，在甘薯生育前期，覆膜表现出的聚肥增温及保水效应对以薯块为表征的薯块库容构建起到了积极作用；但是在雨季（7月26日～8月26日）覆膜会导致土壤过度囊水、透气性差，致使茎叶盛长后期叶片出现早衰，还影响块根的膨大生长，最终造成经济产量的降低。

表1 覆膜对甘薯产量及产量构成因素的影响Table 1 Effects of plastic film mulching on the yield and yield components of sweet potato

2013年，与CK相比，覆膜和揭膜处理的甘薯生物产量分别增加了10.07%和12.12%，鲜薯产量分别增加了7.79%和19.39%，薯干产量分别增加了6.47%和18.47%，且差异均达到了显著水平。进一步对揭膜与覆膜处理的甘薯产量及其构成因素进行分析发现，揭膜条件下除单株薯块数略有降低外，其他指标均明显提高，单株薯重、生物产量、鲜薯产量和薯干产量分别较覆膜处理提高了10.76%、1.87%、10.76%和11.27%。可以看出，覆膜对甘薯的产量效应受年度降水时空分布影响较大，雨季降水少时有利于覆膜甘薯的生长，其中，汛期揭膜处理的产量效果明显优于全程覆膜。揭膜处理较覆膜处理能够明显提高甘薯的单株薯重和经济产量，与汛期揭膜后土壤通透性增加，有利于甘薯生育后期薯块膨大生长有关。

2.2 旱地覆膜对春甘薯干物质积累与转移特征的影响

2.2.1 春甘薯干物质积累特征 春甘薯生育期的全株干物质积累量一直呈持续增加趋势（图1）。封垄阶段（7月1日），覆膜处理的全株干物质积累量较CK增加了32.57%，其中，块根增产的贡献率为88.80%；块根增产率最高，较CK高143.80%。表明覆膜处理的增温与保水效应促进了春甘薯生长前期的干物质积累。

图1 春甘薯各器官的干物质积累量（a）及其阶段积累速率（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质积累速率呈双谷双峰的“N”型变化。其中，分枝期以茎叶生长为主，甘薯干物质积累速度 〔50.66～75.66 kg/（hm2·d）〕 较慢；结薯至封垄期（6月5日～7月3日），茎叶生长与薯块生长并进，甘薯干物质积累速率增快，达到了139.04～186.16 kg/（hm2·d）；在茎叶盛长前期，甘薯积累速率达到第一高峰，为 224.36～237.57 kg/（hm2·d）；在茎叶盛长后期和薯块盛长期，甘薯干物质积累速率下降，与此时高温多雨致使土壤湿度大，不利于甘薯生长有关；9月27日到收获，出现以薯块干物重增长为主的第2次积累速率高峰。

在甘薯生长前期（7月16日前），覆膜处理的干物质积累速率高于裸地（CK）；而在甘薯生长后期，覆膜的保水增湿作用致使土壤通透性差而影响块根的膨大生长，导致干物质积累速率低于裸地，其中，茎叶盛长前期（7月27日）全株干物质积累速率较CK降低了5.56%，茎叶盛长后期（8月26日）全株干物质积累速率为CK的68.78%、薯块干物质增长率只有CK的44.84%。

监测结果显示，春甘薯地上器官和块根的干物质积累速率受温度与降水因素的共同影响。与裸地（CK）相比，甘薯分枝期气温低，覆膜处理受到的影响相对较小，地上器官干物重较CK高49.36%；封垄期正值干旱期，覆膜处理的地上干物质积累受干旱影响较大，而块根受到的影响小于对照，覆膜处理的地上器官干物重较CK高88.80%。与前一生育期相比，覆膜处理封垄期的整株干物质积累速率降低21.21%、块根干物质积累速率增加24.49%，而CK的2个指标分别降低了3.21%和22.72%。茎叶盛长前期水温适宜，无论是覆膜处理还是裸地对照，其干物质积累速率均达到最高；茎叶盛长后期，随着降雨量的增加，2个处理的干物质积累均受到严重影响，覆膜处理整株、块根的干物质积累速率分别只有上一生育时期的38.63%和21.28%，而CK整株、块根的干物质积累速率分别为上一生育时期的51.16%和42.14%，可以看出，覆膜处理受到土壤高湿的影响高于裸地，地上和块根的干物质积累速率均低于裸地。

2.2.2 春甘薯干物质转运特征 春甘薯在薯块盛长期出现地上叶片、叶柄等地上器官的干物质向块根转移，转移量为822.75～1 147.12 kg/hm2，转移比例为7.79%～10.28%，对全株干物质的贡献比例为7.73%～10.39%；薯块盛长期到收获期地上器官的干物质积累贡献给薯块的比例高达78.42%～82.36%（表2）。表明薯块盛长期到收获期薯块的干物质快速积累来自当时叶片的光合产物供应，而不是前期干物质的转移。因此，延长薯块盛长期到收获期的时间、提高叶片光合速率是甘薯高产的关键。各器官中，叶片的干物质转移量和转移率均为最高。

表2 春甘薯各器官干物质向块根的转运量和转运率Table 2 Translocation amount and transport rate of dry matter from vegetative organs to tuber of spring sweet potato

覆膜处理的地上器官干物质转移量和转移率均＜CK，降幅分别为28.27%和29.63%。表明覆膜条件下不利于地上器官的干物质向薯块转移。这可能与覆膜条件下地温较高有关。雨季揭膜是解决问题的关键措施。

2.3 旱地覆膜对春甘薯氮积累与转运特征的影响

2.3.1 春甘薯氮素积累特征

2.3.1.1 春甘薯氮积累量 封垄前是氮素的主要积累时期，氮素积累量占全生育氮素积累总量的55.74%～66.91%。覆膜显著影响甘薯的氮素积累量，覆膜处理的氮素积累量除薯块盛长期外其他各时期均＞CK，增长率为20.57%～74.48%。覆膜甘薯收获期地上器官的氮素转移量＜块根的氮素积累量，而CK收获期营养器官的氮素转移量＞块根的氮素积累量。表明覆膜处理的甘薯库容大，增产潜力高；裸地处理的甘薯库容小，造成氮素大量流失。

从不同生育时期的氮素积累量看，覆膜处理分枝期的氮素积累优势最大，较CK高74.48%；随着生育进程发展，这种优势效应降低，在薯块盛长期氮素积累量较CK低3.30%。表明覆膜前期可以促进甘薯对氮素的吸收，后期效果降低。

2.3.1.2 春甘薯氮积累速率 甘薯整株氮素积累速率呈以结薯期为峰值的单峰增长特征，其中，结薯期峰值氮素积累速率达 5.36～5.65 kg/（hm2·d），其他时期积累速率均相对较小（图2）。甘薯茎叶器官氮素积累特征呈以结薯期和茎叶生长盛期为峰值的双峰增长趋势，其中，进入薯块盛长期后氮素积累速率迅速降低，表现出茎叶器官氮素向其他器官转移的趋势。而茎叶快速生长是在结薯期和封垄期，2个处理的积累速率均＞其他时期。薯块的氮素积累速率呈前期和后期较高、中期最低的“V”字型增长趋势，覆膜处理和CK均以收获期氮素阶段积累速率最高，分别为3.75 和 2.49 kg/（hm2·d），这主要与前期和后期土壤水分以及温度适宜薯块生长有关。覆膜甘薯生育阶段的氮积累速率表现为前期和后期＞CK、中期＜CK，即：在茎叶盛长期前（正值汛期，7月27日）和收获期快于CK，茎叶盛长后期和薯块盛长期慢于CK。

2.3.2 春甘薯氮素转运特征 在薯块盛长期，春甘薯地上营养器官向薯块的氮素转移量为164.25～171.64kg/hm2，氮素转移率为55.86%～65.19%，薯块贡献率为63.83%～65.34%（表3）。其中，叶片中的氮素转移率最大，达到了73.48%～83.90%；叶柄中的氮素转运量和转运贡献率均最低，分别为5.65～17.89 kg/hm2和3.21%～12.12%。

在薯块盛长期到收获期，甘薯地上器官的氮素转运量＞薯块积累量，全株出现氮素流失的现象。地上器官氮素转移到薯块的比例只有57.35%～67.00%，大量氮素流失，同时表明，薯块盛长期薯块的氮素积累主要以氮素转运为主，提高地上器官氮素转移到薯块的比例，降低流失率是提高氮素效率的关键。

综上分析可以看出，与裸地（CK）相比，覆膜处理地上器官的氮素转运量增加了4.50%，转运率降低了9.33个百分点，转运到薯块的比例提高了9.65个百分点。

图2 春甘薯各器官的氮素积累量（a）及其阶段积累速率（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块根转运量和转运率Table 3 Translocation amount and transport rate of nitrogen from vegetative organs to tuber of spring sweet potato

3 结论与讨论

3.1 覆膜对甘薯产量的影响

研究表明，覆膜栽培可以明显提高甘薯产量[15～17]。主要原因是覆膜显著提高了单株薯块鲜重，降低了生长前期甘薯茎叶鲜重与块根鲜重的比值，提高了块根膨大高峰期的日鲜重增长速率[16]。本研究结果显示，与裸地对照相比，覆膜处理的增温作用促进了甘薯的前期生长，但是在汛期会导致土壤湿度大，不利于甘薯生长，最终增产效果不显著甚至减产。本研究中，2012年七八月降雨量大且集中，造成土壤囊水，覆膜处理的甘薯减产1.86%；2013年8月出现伏旱，覆膜处理较裸地对照增产7.79%，而揭膜处理较裸地处理增产幅度达到19.39%。表明覆膜只在甘薯生长前期起保水、增温作用；甘薯封垄后，覆膜的增温与保水作用减弱，水涝条件下还会造成减产。研究表明，土壤湿度＞田间持水量的80%时不利块根膨大，鲜薯产量开始下降[18]。揭膜处理能够促进土壤水分蒸发，使土壤变得疏松，有利于块根膨大，其综合了覆膜甘薯的前期优势和裸地处理的后期优势从而显著提高产量。因此，甘薯覆膜栽培时，雨季揭膜并配合中耕作业以降低土壤湿度，是明显提高甘薯产量的关键技术之一。

3.2 覆膜促氮吸收对甘薯的负效应

张海燕等[19]认为氮肥是影响甘薯产量的主要因素之一，氮肥用量过高会导致甘薯茎叶徒长，经济产量降低。董晓霞等[20]研究发现，对于基础养分含量高的褐土，施肥会导致甘薯减产；对于基础养分含量低的褐土，施用氮磷钾肥后甘薯产量达到了最高。张海燕等[19]研究认为，施用氮肥在甘薯生育后期不利于薯块干物质的积累，会导致产量降低；施用磷钾肥有利于养分向块根中运输，最终薯块干物质含量提高。众多研究表明，覆膜具有提高氮素活性，促进作物对氮素吸收的作用[11～13]。本研究也发现，覆膜处理提高了甘薯的氮积累量，较裸地对照最高增幅达20.56%；覆膜处理过高的氮积累，使得植株含氮量过高，引起地上部死蔓，落叶增加，新旧交替严重，光合产物大量消耗于地上部，同时导致干物质向薯块的转运量降低28.27%，从而造成减产。因此，甘薯覆膜栽培时，应适当降低氮肥的施入量。