福建甘薯氮磷鉀推薦施肥與有機肥替代化肥技術模式

李 娟，張立成，張 華，張世昌，潘住財，張民生，林明賢，章明清

（1.福建省農業科學院土壤肥料研究所，福建 福州 350013；2.福建省農田建設與土壤肥料技術推廣站，福建福州 350003；3.福建省南安市農業局，福建 南安 362300；4.福建省云霄縣土肥站，福建 云霄 363300；5.福建省漳浦縣土壤肥料技術推廣站，福建 漳浦 363200）

0 引 言

【研究意義】甘薯是我國重要的糧食、工業原料和飼料作物，是福建省種植面積位居第二的大田農作物，常年種植面積17萬hm2[1]。福建甘薯種植大部分集中在山區和沿海丘陵坡耕地，土壤貧瘠，有機質含量偏低。因此，探討甘薯的化肥和化肥配施有機肥的施肥技術，對進一步提高甘薯產量和施肥效益等具有重要生產意義?！厩叭搜芯窟M展】近年來，我國甘薯養分管理技術研究取得長足進展，在施肥現狀調研[2-3]、養分吸收和營養特性[4-6]、化肥推薦施肥或化肥配施有機肥對產量和品質影響[7-12]等方面進行了許多深入研究，為甘薯合理施肥提供了重要依據。然而，相關研究的試驗規模普遍偏小，甘薯不同生產條件的施肥指標體系和能直接用于指導區域施肥的科技成果尚少。自2005年以來，在全國測土配方施肥項目推動下，福建省對不同目標產量的甘薯推薦施肥量、施肥時期和施肥方法等方面進行了較為深入的研究，構建了甘薯氮磷鉀施肥指標體系[13-16]，為甘薯測土配方施肥技術推廣應用提供了技術支撐?！颈狙芯壳腥朦c】以往相關研究的推薦施肥計量模型依據是三元二次多項式函數，但這種模型存在推薦用量偏高的問題[17]；已有的研究是針對化肥推薦施肥技術，有機肥替代化肥潛力的研究尚少涉及?！緮M解決的關鍵問題】根據本課題組近年提出的三元非結構肥效模型[18]，總結近10年來完成的甘薯氮磷鉀田間肥效試驗結果，構建不同目標產量下的甘薯氮磷鉀推薦施肥量。在此基礎上，探討有機肥替代化肥的最佳技術模式，旨在為福建甘薯化肥減施增效技術推廣應用提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 甘薯氮磷鉀“3414”設計田間肥效試驗

近10年來，本課題組在福建甘薯主產區完成了110個氮磷鉀田間肥效試驗。試驗采用“3414”設計方案，氮磷鉀各4個水平，共14個處理，即：（1）N0P0K0；（2）N0P2K2；（3）N1P2K2；（4）N2P0K2；（5）N2P1K2；（6）N2P2K2；（7）N2P3K2；（8）N2P2K0；（9）N2P2K1；（10）N2P2K3；（11）N3P2K2；（12）N1P1K2；（13）N1P2K1；（14）N2P1K1。其中，“2”水平表示試驗前的推薦施肥量，分別為N 180 kg·hm-2、P2O560 kg·hm-2和 K2O 225 kg·hm-2，“0”水平為不施肥，“1”水平施肥量為“2”水平的 50%，“3”水平施肥量為“2”水平的150%。按照測土配方施肥田間試驗規范，試驗采用隨機區組排列和多點分散不設重復的方法。選擇當地具有代表性的土壤類型和肥力水平的地塊作為試驗田，小區面積20～25 m2，同一個試驗小區面積相同。試驗分散設置在福建各地市的甘薯主產區。

試驗肥料分別選用尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）和氯化鉀（K2O 60%）。甘薯施肥分為基肥、苗期追肥和薯塊膨大期追肥3次施用。其中，基肥時氮肥、鉀肥施用量占總施用量的50%，磷肥則占總用量的100%。苗期追肥在薯苗插植后約20 d施用，氮肥用量占總施肥量的35%；鉀肥用量占總施肥量的20%。薯塊膨大初期追施剩余的15%氮肥和30%鉀肥?；什捎萌珜由钍?，結合整地時進行；追肥采用開淺溝施用，結合中耕培土。供試甘薯品種選用當地大面積種植的良種，試驗時間均在當地甘薯正常生產季節進行。試驗區周圍設1 m寬以上的保護行，其他的栽培管理措施與當地大田生產一致。

試驗實施前，在試驗地以“S”型布點，采集一個耕層混合基礎土樣1 kg。用常規方法[19]測定供試土壤主要理化性狀（表1）。供試土壤包括旱地土壤的灰赤沙土、赤沙土和稻田土壤的灰沙田、黃泥田等主要耕作土壤類型（土屬）。甘薯收獲時，各小區單收單稱，分別記錄薯塊鮮重產量。

表1 供試土壤主要理化性狀Table 1 Major physiochemical properties of soils at test fields

1.2 甘薯有機肥替代化肥田間試驗

為完成化肥減施增效技術項目研究，近年來在甘薯主產區選擇代表性田塊設置了14個有機肥替代化肥田間試驗。試驗設5個處理（表2），其中，習慣施肥以測土配方施肥項目在全省甘薯生產施肥現狀調查結果的平均施肥量為依據，推薦施肥則以上述甘薯“3414”設計氮磷鉀田間肥效試驗的平均推薦施肥量為依據；處理3、處理4和處理5是在等量氮磷鉀基礎上設置的處理，全省統一實施方案。供試土壤的主要理化性狀見表1。

表2 甘薯有機肥替代化肥田間試驗設計Table 2 Field experiment design on sweet potato grown under NPK fertilization with organic manure

試驗設3次重復，每個小區20 m2，隨機區組排列。有機肥作基肥一次性施用，其他相關田間試驗實施方法、供試土壤、土樣采集和測定、田間施肥管理措施和產量驗收等，與上述“3414”設計的田間試驗實施方法相同。

1.3 甘薯化肥減施增效主推技術的田間示范

在甘薯氮磷鉀推薦施肥和有機肥替代化肥田間試驗基礎上，為加快化肥減施增效技術的推廣應用，近年來在甘薯主產區設置了76個化肥推薦施肥技術模式示范田和16個有機肥替代化肥技術模式示范田。其中，化肥推薦施肥技術模式的示范田設置了CK、習慣施肥和化肥推薦施肥對比，有機肥替代化肥技術模式示范田則設CK、習慣施肥和有機肥替代25%化肥對比。示范田的化肥推薦施肥量以甘薯不同施肥類別的經濟施肥量為依據，有機肥替代25%化肥的施肥量以上述有機肥替代化肥試驗結果為依據，肥料種類與表2的相關處理相同。

示范田分散設置在各地市甘薯主產區。每個處理300 m2，不設重復。供試土壤的主要理化性狀見表1。田間示范供試土壤選擇、土樣采集和測定、田間施肥管理措施和產量驗收與上述“3414”設計的田間試驗實施方法相同，不再贅述。

1.4 試驗數據處理

在甘薯“3414”設計的氮磷鉀田間肥效試驗結果匯總時，為確保各施肥類別間的施肥效應具有顯著差異，采用歐氏距離-離差平方和法系統聚類分析結合類別間施肥效應差異顯著性檢驗技術[20-21]，確定甘薯最佳施肥類別數量；然后針對各施肥類別對應的試驗點，分別構建三元肥效模型，并計算推薦施肥量。

由于三元非結構肥效模型較好地克服了三元二次多項式肥效模型的設定偏誤和多重共線性的缺陷，推薦施肥量普遍低于多項式模型[17]，故本研究采用該模型擬合相關試驗結果：

其中，N0、P0、K0分別表示供試土壤的氮、磷、鉀供肥當量，并以N、P2O5、K2O養分形態計量，計量單位為 kg·hm-2；c1、c2、c3分別表示施用氮、磷、鉀養分的增產效應系數；N、P、K表示N、P2O5、K2O養分用量；A表示施肥量等于零時土壤肥力與作物產量之間的轉換系數，綜合反映了試驗地的土壤生產力。該模型在一定施肥量范圍內存在一個產量峰值，由此分別計算最高產量施肥量和經濟產量施肥量[18]。

本研究的系統聚類分析、施肥類別間差異顯著性檢驗和相關產量統計采用MATLAB R2019b全功能免費試用版軟件的統計工具箱完成，三元非結構肥效模型典型性判別則使用MATLAB 語言編程計算。雙側檢驗，檢驗水準α=0.05。

2 結果與分析

2.1 甘薯的氮磷鉀施肥類別和施肥效應

對110個氮磷鉀田間肥效試驗結果進行統計分析，結果表明，若將甘薯施肥類別劃分為5個或5個以上，則最少有一對施肥類別間施肥效應差異不顯著，導致分類結果無效；若施肥類別劃分為3個或2個，雖然各施肥類別間的施肥效應可達到顯著差異，但對區域甘薯生產而言，尚嫌施肥類別數過少而使推薦施肥針對性較差。若將施肥類別數劃分為4個，這時類別1與類別2、類別3、類別4之間的F值分別為13.1**、66.9**、97.6**，類別2與類別3、類別4之間的F值分別為135.8**、232.5**，類別3與類別4之間的F值則為31.0**，顯示各施肥類別間的施肥效應均有顯著差異，分類結果有效。因此，福建甘薯主產區的最佳施肥類別數量為4個。

根據空白區和處理（6）的產量水平，4個施肥類別從高產到低產分別命名為高產田、中產田、中低產田和低產田等4種類型。表3的統計結果表明，處理（6）平衡施肥的薯塊加權平均產量為29 779 kg·hm-2，土壤對產量的貢獻率為56.4%；氮磷鉀化肥的加權平均增產率分別為23.1%、17.7%和25.0%，顯示氮鉀肥的增產效果相當，都明顯高于磷肥，與供試土壤速效氮磷鉀豐缺狀況（表1）一致。其中，髙、中、中低以及低產田的氮肥平均增產率分別為38.2%、33.8%、34.2%和27.6%；磷肥的平均增產率分別為10.4%、17.2%、17.1%和19.4%，鉀肥則分別為13.2%、23.7%、21.9%和28.5%。結果表明，高產田的氮肥效應明顯高于其他類型田塊，但中、低產田類型的磷鉀肥增產效應明顯高于高產田。

表3 甘薯氮磷鉀施肥類別及各類別的施肥效應Table 3 Sweet potato field classes for NPK fertilization study and resulting tuber yields

2.2 不同施肥類別的甘薯氮磷鉀推薦施肥量

根據各施肥類別對應的甘薯氮磷鉀田間肥效試驗結果，分別建立三元非結構肥效模型（表4）。結果表明，4個三元非結構肥效模型均達到統計顯著水平以上，R2達到0.927 2以上，模型均為典型式，可用于甘薯推薦施肥。

表4 甘薯不同施肥類別的氮磷鉀三元非結構肥效模型Table 4 Ternary non-structural fertilization response models for sweet potato cultivated on fields of different classes

因此，根據三元非結構肥效模型推薦施肥的計算式[18]，計算甘薯最高產量施肥量（表5），以每kgN 6.0元、P2O55元、K2O 5元和薯塊1.5元的市場均價計算經濟施肥量。平均而言，最高產量施肥量加權平均為 N 175 kg·hm-2、P2O566 kg·hm-2、K2O 239 kg·hm-2，預期薯塊產量為28 595 kg·hm-2；經濟施肥量加權平均則為 N 160 kg·hm-2、P2O562 kg·hm-2、K2O 212 kg·hm-2，預期產量為28 513 kg·hm-2，氮磷鉀適宜比例為1∶0.4∶1.3。

表5 基于農學效應的甘薯氮磷鉀推薦施肥量Table 5 Limit standards of NPK fertilization based on agronomic effects for sweet potato cultivation

因此，在實際應用中，可根據表5的施肥目標產量結合空白區產量水平，確定具體田塊所屬的施肥類別及其最佳氮磷鉀養分投入量。

2.3 有機肥替代化肥對薯塊產量和經濟效益的影響

為降低甘薯施肥的化肥投入數量，近年來在甘薯主產區不同施肥類別田塊上設置了14個有機肥替代化肥的田間試驗（表6）。結果表明，與空白區相比，不同施肥處理的薯塊產量都有顯著增產作用，但增產效果有明顯差異。其中，在推薦施肥基礎上采用有機肥替代25%化肥養分處理的薯塊產量最高，均顯著高于習慣施肥，髙、中、中低以及低產田分別增產7.7%、9.4%、16.3%和24.8%，加權平均增產18.2%。除了中低產田施肥類別的有機肥替代25%化肥養分處理與推薦施肥產量沒有差異外，其他3個施肥類別的薯塊產量均顯著高于化肥推薦施肥；從高產到低產的不同施肥類別分別增產3.9%、5.8%、9.4%和19.6%，加權平均增產13.0%。但是，有機肥替代50%化肥養分的處理，除了低產田施肥類別外，其他3個施肥類別的薯塊產量均低于化肥推薦施肥。

以上述相同的肥料和薯塊價格以及商品有機肥800元·t-1的市場均價，計算不同施肥模式的肥料成本和施肥效益（表6）。結果表明，與空白區相比，不同施肥模式的甘薯均獲得增產增收。與化肥推薦施肥相比，有機肥替代25%化肥處理的加權平均凈增收1 802元·hm-2，但有機肥替代50%化肥處理，除了低產田施肥類別外，其他施肥類別由于增產幅度較小，且大幅度增加肥料成本，凈增收均低于化肥推薦施肥。

表6 不同有機肥替代化肥比例對甘薯產量和施肥效益的影響Table 6 Sweet potato yield and economic benefits under varied percentages of organic manure replacement on NPK application

2.4 甘薯化肥減施增效技術田間示范效果

田間示范結果顯示，與不施肥相比，習慣施肥、化肥推薦施肥以及有機肥替代25%化肥的施肥模式的薯塊產量都獲得顯著提高。在N、P2O5投入量比習慣施肥下降16.7%和47.4%以及K2O投入量提高94.0%的條件下，79個化肥推薦施肥田間示范（表7）表明，高、中、中低和低產田的4個施肥類別的薯塊產量分別比習慣施肥增產7.0%、5.5%、10.3%和17.3%，加權平均增產7.9%。在推薦施肥基礎上，16個有機肥替代25%化肥田間示范（表7）結果顯示，4個施肥類別的薯塊產量比習慣施肥分別增產7.1%、11.3%、11.8%和25.0%，加權平均增產11.3%?；释扑]施肥比習慣施肥加權平均凈增收3 394元·hm-2，有機肥替代25%化肥的加權平均凈增收則為 4 192 元·hm-2。

表7 化肥減施增效示范田的甘薯產量和施肥效益Table 7 Sweet potato yield and economic benefit on demonstration field with fertilizer reduction and efficiency improvement

因此，甘薯化肥推薦施肥具有較好的增產增收效果，在推薦施肥基礎上有機肥替代25%化肥可進一步提高甘薯產量和凈增收。

3 討論

作為世界上重要的糧食、工業原料和飼料作物的甘薯，中國是最大生產國。聯合國糧農組織（FAO）統計表明，2018 年中國甘薯種植總面積為237.93萬hm2，占世界種植面積的29.0%，總產占到世界的57.0%[22]。但長期以來，我國對甘薯的營養特性和施肥技術研究和推廣應用重視不夠。長江中下游薯區472個甘薯農戶的施肥現狀調查[2]顯示，在肥料結構上，目前仍然以45%通用型復合肥投入為主，施用專用配方肥和有機肥的農戶比例只有4.0%和23.9%。安徽省48個農戶的調查[23]表明，80%以上的農戶以硫酸鉀型復合肥為主，沒有專用肥和有機肥投入。福建泉州市200個種植大戶的調查[24]表明，甘薯施肥中存在氮磷鉀養分過量與不足并存，N∶P2O5∶K2O 為 1∶0.46∶0.33，鉀肥失調比例最大。目前的甘薯施肥現狀普遍存在配方肥和有機肥施用不足、氮磷鉀用量和比例失調、施肥時期和方法不合理等現象。因此，對現有的眾多甘薯施肥試驗研究結果進行歸納總結，制定方便實用的甘薯施肥技術規范，對指導廣大種植戶科學施肥具有重要的生產意義。

在對多年多點田間肥效試驗進行歸納總結時，針對服務區域內要劃分多少個有意義的施肥類別（土壤肥力等級）是首先要解決的問題。迄今不少學者已經研究提出了許多分類或聚類方法[25-27]，但類別間的施肥效應是否具有顯著差異均未進行統計檢驗。本研究根據110個甘薯氮磷鉀田間肥效試驗結果，應用系統聚類方法結合方差協方差矩陣差異顯著性檢驗技術[20-21]，從定量角度較好地解決了施肥類別到底應該劃分多少個等級的問題。結果表明，福建甘薯種植地可以劃分為高產田、中產田、中低產田和低產田4種施肥類別。這種方法的優點是，不同施肥類別間的氮磷鉀施肥效應具有顯著水平差異，確保了分類結果的有效性。

在此基礎上，本研究根據各施肥類別的甘薯田間肥效試驗結果建立了三元非結構肥效模型，得到各施肥類別的推薦施肥量。在以往研究中，通常根據田間試驗結果建立三元二次多項式肥效模型和計算推薦施肥量[28]。但是，已有研究指出多項式模型的推薦施肥量普遍偏高[17,29]。章明清等[15]建立了三元二次多項式肥效模型，得到全省甘薯平均最高施肥 量 分 別 為 N199 kg·hm-2、P2O580 kg·hm-2和 K2O 259 kg·hm-2。由于最高施肥量不受價格因素的影響，與全省平均最高施肥量相比，三元非結構肥效模型的氮、磷、鉀養分平均推薦用量分別降低了12.1%、17.5%和7.7%。因此，三元非結構肥效模型較好地克服了三元二次多項式肥效模型推薦施肥量偏高的問題，更好地滿足了化肥減施增效的時代需求。

我國甘薯主要種植在丘陵坡地，土壤肥力較低。眾多研究表明，增施有機肥對提高土壤肥力水平、促進甘薯高產穩產和改善薯塊品質等具有重要作用[7,11-12,30]。但有機肥的增產效應因生產條件和土壤肥力狀況等不同而存在差異[31-32]。坡耕地是福建甘薯主要種植區域，利用強度大，土壤貧瘠和酸化，有機質含量普遍偏低。14個有機肥替代化肥田間試驗表明，在當前土壤肥力水平下，在推薦施肥基礎上以有機肥替代25%化肥的技術模式具有最佳的增產增收效果。這主要歸因于配施有機肥料，提高了土壤有機碳和土壤全氮含量以及提升了土壤養分有效性等[33-34]。

田間示范表明，76個化肥推薦施肥示范田的甘薯平均產量比習慣施肥增產7.9%，凈增收3 394元·hm-2。在推薦施肥基礎上配施適當比例的有機肥可進一步提高甘薯產量和凈增收，16個有機肥替代25%化肥處理比習慣施肥增產11.3%，凈增收則為4 192元·hm-2。因此，2種化肥減施增效技術模式均有較好的增產增收效果，甘薯生產者可根據當地土壤肥力性狀和肥源狀況選用不同技術模式。

4 結論

福建甘薯施肥可劃分為高產田、中產田、中低產田和低產田等4個施肥類別；平均經濟施肥量為 N 160 kg·hm-2、P2O562 kg·hm-2、K2O 212 kg·hm-2，但不同施肥類別間有明顯差異?；释扑]施肥或有機肥替代25%化肥可作為甘薯減肥增效技術模式推廣應用。