氮肥与木醋液协同作用对甘薯生长发育的影响

陈伟 ,  王巍凝

山西农业科学 ›› 2024, Vol. 52 ›› Issue (05) : 98 -106.

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山西农业科学 ›› 2024, Vol. 52 ›› Issue (05) : 98 -106. DOI: 10.3969/j.issn.1002-2481.2024.05.13
农业资源与环境

氮肥与木醋液协同作用对甘薯生长发育的影响

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Effects of Synergistic Effect of Nitrogen Fertilizer and Wood Vinegar on Growth and Development of Sweet Potato

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摘要

为了给甘薯栽培中化肥减量增效提供技术支撑,达到甘薯栽培的高产高效,以辽薯28为供试材料进行大田试验,先在叶面喷施0.1%、0.2%、0.3%、0.4%木醋液,与叶面不喷施木醋液的对照组进行比较,找出最适木醋液浓度。在最适木醋液条件下,设置4个氮肥施用浓度(0.5%、1.0%、1.5%、2.0%),每株5 mL,以叶面单独喷施氮肥为对照,调查田间甘薯生长发育情况及产量指标,分析氮肥与木醋液协同作用对甘薯生长发育的影响。结果表明,单一施肥时,氮肥处理最佳浓度为1.5%,木醋液处理最佳浓度为0.3%,且单一施加0.3%木醋液时,甘薯单株茎叶鲜质量、单株结薯数、鲜薯产量均高于CK,分别显著提高27.89%、41.17%、37.11%。当叶面喷施0.3%木醋液加1.5%氮肥(每株5 mL)时,田间甘薯生长发育情况及产量显著高于对照。其中,蔓长、茎粗、单株茎叶鲜质量分别比CK显著提高22.98%、25.66%、45.26%;鲜薯产量、干薯产量分别比CK显著提高41.05%、26.38%。综上,在甘薯定植后,每隔21 d叶面喷施0.3%木醋液加1.5%氮肥(每株5 mL),共5次可达到较佳的施肥效果。

Abstract

In order to provide technical support for the reduction and efficiency increase of chemical fertilizers in sweet potato cultivation and achieve high yield and high efficiency of sweet potato, in this study, field experiments were carried out with Liaoshu 28 sweet potato as the test material. The foliar spray of 0.1%, 0.2%, 0.3%, and 0.4% of wood vinegar was first applied to the foliar surface and compared with the control group without foliar wood vinegar to find out the optimal wood vinegar concentration. Under the optimal wood vinegar conditions, four nitrogen fertilizer application concentrations(0.5%, 1.0%, 1.5%, and 2.0%) at 5 ml per plant were set up, and the foliar nitrogen fertilizer spraying alone was used as the control(CK) to investigate the growth and development, and the yield indexes of sweet potato in the field, and the influence of the synergistic effect of nitrogen fertilizer and wood vinegar on the growth and development of sweet potato were analyzed. The results showed that the optimal concentration of nitrogen fertilizer treatment was 1.5% and the optimal concentration of wood vinegar treatment was 0.3% under single fertilization. When single application of 0.3% of wood vinegar was applied, the fresh weight of stems and leaves, the number of potatoes per plant and the yield of fresh potatoes were higher than those of CK, and were significantly increased by 27.89%, 41.17% and 37.11% respectively compared with CK. When foliar spray of 0.3% of wood vinegar and 1.5% of nitrogen fertilizer at 5 ml per plant, the growth, development, and yield of sweet potato in the field were significantly higher than those of the control. Among them, the vine length, stem diameter and fresh weight of stems and leaves per plant were significantly increased by 22.98%, 25.6%, and 45.26% compared with CK, respectively. The yield of fresh potato and dry potato was significantly increased by 41.05% and 26.38% respectively compared with CK. In summary, after sweet potato planting, foliar spraying of 0.3% of wood vinegar and 1.5% of nitrogen fertilizer every 21 days for a total of 5 times could achieve a better fertilization effect.

Graphical abstract

关键词

氮肥 / 甘薯 / 木醋液 / 生长发育 / 产量

Key words

nitrogen fertilizer / sweet potato / wood vinegar solution / growth and development / yield

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陈伟,王巍凝. 氮肥与木醋液协同作用对甘薯生长发育的影响[J]. 山西农业科学, 2024, 52(05): 98-106 DOI:10.3969/j.issn.1002-2481.2024.05.13

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甘薯(Ipomoea batatas)是全球重要的粮食作物,在世界粮食生产中位列第7[1]。近年来,我国甘薯种植总面积不断增加,现已经成为世界上最大的甘薯生产国[2]。近年来,辽宁省甘薯种植规模不断扩大,甘薯产量及品质逐步提升,现已实现甘薯公顷增产15 t的种植目标。传统的施肥方式会加剧农田环境恶化,进而降低作物产量和品质[3],长此以往,将限制我国农业发展。因此,优化甘薯生产中的施肥结构对促进农业可持续发展具有重要意义。
氮素是农业生产中获得高产的主要决定因子[4]。研究表明,缺氮会导致农作物产量降低[5],因此,目前我国甘薯生产中常投入大量氮肥[6]。但前人研究发现,氮肥增施不一定有助于产量增加[7],相反容易增加畸形薯发生的概率[8],且在甘薯生产中,氮肥施加过量容易导致茎叶旺长、延迟结薯,最终使甘薯产量显著降低[9-11]。适当投入氮肥才是使作物增产的有力措施[12],且能提高作物中营养物质含量。
传统施肥方式中过量施加化肥,降低了作物的品质,同时带来严重的环境问题[6]。近年来,农业部门推广使用有机肥替代部分化肥的技术,以达到化肥减量增效的目的,可提高叶绿素含量、光合性能,改善土壤状况,增加作物产量、提高品质[13-14]。当前,这项技术在玉米、蔬菜等作物栽培中均已应用,但在甘薯种植中尚不普及。
木醋液是生物质热解制炭产生的副产物,具有原料广泛、无污染、制作成本低的特点[15]。其中含有数百种有机物质[16],能改变植物激素代谢,影响酶系统,进而对植物生长进行调节[17],增加产量[18-19]。在作物生产中,木醋液可与化肥混施,达到改良土壤、增产增收、防治病虫害的目的[20-22]。胡世龙等[23]研究发现,低氮条件下喷施木醋液可显著提高水稻产量及品质。目前,氮肥和木醋液协同作用对甘薯影响的报道甚少,且大多集中在对产量影响的研究上,对生长发育指标影响的研究少有涉及。
本试验设置不同氮肥、木醋液浓度处理,探究有机肥部分替代氮肥对甘薯生长发育和产量的影响,获得叶面喷施木醋液和氮肥协同对甘薯生长发育和产量的最佳配比,旨在为甘薯合理施肥、优质种植提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2020年在辽宁省抚顺市望花区沈阳工学院学生大田实验基地(123°55'E,41°52')进行。抚顺市地处中温带东亚大陆季风气候区,无霜期151 d。试验期间降雨充沛、无极端恶劣天气。土壤为棕壤土,土壤pH值为6.58,有机质含量为3.02%,全氮含量为0.17%,全磷含量为0.066%,全钾含量为1.51%。

1.2 试验材料

供试甘薯为辽宁省广泛种植的辽薯28,由辽宁省农业科学院作物所选育。叶面喷施的氮肥为尿素,含氮量为46.3%;木醋液由玉米秸秆等农业废弃物在制备生物质炭过程中冷凝产生,均由辽宁天隆种业科技有限公司生产。

1.3 试验设计

试验甘薯采用大田种植,木醋液、氮肥均叶面喷施。试验共设12个处理及1个对照(表1)。其中,N1、N2、N3、N4处理仅叶面喷施氮肥,浓度分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%;M1、M2、M3、M4处理仅叶面喷施木醋液,浓度分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%;N1+M~N4+M处理为不同浓度叶面氮肥与最适木醋液混合喷施;对照组叶面不喷施氮肥或木醋液。每个处理5次重复,共65个小区。小区面积5.04 m2,每小区6垄,每垄3株,单垄单行,行距60 cm,株距30 cm,外层设有保护行。试验甘薯4月21日栽插,8月7日收获,共种植110 d,包括还苗返青期、分枝结薯期、薯蔓同长期、成熟期等4个栽种周期,采取水平扦插法移栽薯苗,种植7 d后每隔21 d叶面喷施木醋液、氮肥、蒸馏水,共喷5次。

1.4 测定项目及方法

在甘薯成熟期,选择连续晴朗天气测定甘薯蔓长、茎粗、叶面积指数、叶绿素含量、可溶性糖含量、淀粉含量、单株茎叶鲜质量。于9:00—11:00选取无遮阴的健康叶片用SPAD-502叶绿素测定仪测定叶绿素含量。同时采集叶片带回实验室,测定叶片的可溶性糖含量、淀粉含量,均采用蒽酮比色法,用分光光度计在620 nm波长下进行比色[23],得到吸光度。根据文献[24]方法计算可溶性糖含量。

在甘薯成熟期,测定单株结薯数,以每株甘薯收获期的平均产量,计算单株鲜薯质量,以甘薯总产量计算鲜薯质量,烘干后计算甘薯质量。

1.5 数据分析

试验数据整理使用Excel 2023,采用SPSS 27.0软件对不同处理下甘薯生长发育及产量指标进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 叶面喷施木醋液对甘薯生长发育和产量的影响

2.1.1 叶面喷施木醋液对甘薯生长发育的影响

图1可知,叶面喷施木醋液后甘薯蔓长、茎粗、单株茎叶鲜质量总体上处于增长趋势。甘薯蔓长、茎粗及单株茎叶鲜质量整体上均随木醋液浓度增加呈先增加后降低的趋势。其中,M3处理的蔓长、茎粗、单株茎叶鲜质量最大,分别比CK显著提高21.75%、18.58%、27.89%(P<0.05)。各木醋液处理的蔓长均显著高于CK,而对于茎粗、单株茎叶鲜质量而言,M1处理低于CK,其他处理则显著高于CK(P<0.05)。

图2可知,叶面喷施木醋液后甘薯叶面积指数、叶绿素含量总体上处于增长趋势。随木醋液浓度增加,甘薯叶面积指数、叶绿素含量均呈先增加后降低的趋势;M3处理的叶面积指数、叶绿素含量最大,分别比CK显著提高15.79%、19.75%(P<0.05)。其中,M1处理的叶面积指数、叶绿素含量低于CK,其他处理则显著高于CK(P<0.05)。

图3可知,叶面喷施木醋液后甘薯的可溶性糖含量、淀粉含量总体上处于增长趋势。随木醋液浓度的增加甘薯的可溶性糖、淀粉含量均呈先增加后降低的趋势,M3处理的可溶性糖、淀粉含量最大,分别比CK显著提高9.7%、4.8%(P<0.05)。其中,M1处理的可溶性糖、淀粉含量低于CK,其他处理则显著高于CK(P<0.05)。

2.1.2 叶面喷施木醋液对甘薯产量的影响

图4可知,叶面喷施木醋液后甘薯产量总体上处于增长趋势。随木醋液浓度的增加,甘薯的单株鲜薯质量、单株结薯数、鲜薯产量、干薯产量均呈先增加后降低的趋势,M3处理的各指标最大,分别比CK显著提高23.47%、41.17%、37.11%、22.08%(P<0.05)。其中,M1处理的各指标低于CK,其他处理则显著高于CK(P<0.05)。

叶面喷施木醋液后甘薯生长发育和产量指标随木醋液浓度的增加,均呈先增加后降低的趋势。M3处理下各指标均最大,显著高于CK(P<0.05)。M1处理的蔓长显著高于CK(P<0.05),其他指标则低于CK。在M3处理的基础上进一步研究氮肥与木醋液混施处理对甘薯生长发育和产量的影响。

2.2 氮肥与木醋液混施处理对甘薯生长发育和产量的影响

2.2.1 氮肥与木醋液混施处理对甘薯生长发育的影响

图5可知,氮肥与木醋液混施后,随氮肥浓度的增加,甘薯蔓长、茎粗、单株茎叶鲜质量均呈先增加后降低的趋势。N3+M处理的蔓长、茎粗、单株茎叶鲜质量最大,分别比CK显著提高22.98%、25.66%、45.26%(P<0.05)。氮肥与木醋液混施对甘薯蔓长、茎粗、单株茎叶鲜质量具有显著协同效应,N3+M处理的蔓长、茎粗、单株茎叶鲜质量分别比N3显著提高5.29%、8.53%、14.52%,比M3显著提高1.0%、5.6%、5.7%(P<0.05)。各处理的蔓长均显著高于CK,而对于茎粗、单株茎叶鲜质量而言,N1、N1+M处理均低于CK,N4+M处理单株茎叶鲜质量低于CK。

图6可知,氮肥与木醋液混施后,随着氮肥浓度的增加,甘薯的叶面积指数、叶绿素含量均呈先增加后降低的趋势。N3+M处理的叶面积指数、叶绿素含量最大,分别比CK显著提高17.89%、23.35%(P<0.05)。氮肥与木醋液混施对甘薯的叶面积指数、叶绿素含量具有显著协同效应,N3+M处理的叶面积指数、叶绿素含量分别比N3处理显著提高2.51%、2.14%,比M3处理显著提高4.32%、2.92%(P<0.05)。对于叶面积指数而言,N1+M处理低于CK,其他处理均显著高于CK(P<0.05)。对于叶绿素含量而言,N1+M、N2+M处理低于CK,其他处理均显著高于CK(P<0.05)。

图7可以看出,氮肥与木醋液混施后,随氮肥浓度的增加,甘薯的可溶性糖、淀粉含量均呈先增加后降低的趋势。N3+M处理的可溶性糖、淀粉含量最大,分别比CK显著提高17.1%、5.5%(P<0.05)。氮肥与木醋液混合施用对甘薯的可溶性糖及淀粉含量具有显著的协同效应,N3+M处理的可溶性糖、淀粉含量分别比N3处理显著提高4.8%、1.6%,比M3处理显著提高6.3%、0.6%(P<0.05)。对于可溶性糖含量而言,N1、N2、N1+M处理低于CK,其他处理均显著高于CK(P<0.05)。对于淀粉含量而言,N1、N1+M、N4+M处理低于CK,其他处理均显著高于CK(P<0.05)。

2.2.2 氮肥与木醋液混施处理对甘薯产量的影响

氮肥与木醋液混施处理下甘薯产量比较结果如图8所示。

图8可以看出,氮肥与木醋液混施后,甘薯各个产量指标均呈现出随氮肥浓度的增加先增加后降低的趋势。N3+M处理的单株鲜薯质量、单株结薯数、鲜薯产量、干薯产量分别比CK显著提高26.93%、41.17%、41.05%、26.38%(P<0.05)。氮肥与木醋液混施对甘薯产量增加具有显著协同效应,N3+M处理的单株鲜薯质量、单株结薯数、鲜薯产量、干薯产量分别比N3处理显著提高2.11%、8.33%、7.09%、4.04%(P<0.05)。N3+M处理的单株鲜薯质量、鲜薯产量、干薯产量分别比M3处理显著提高2.73%、2.87%、3.39%(P<0.05),单株结薯数与M3处理相同,无显著变化。对于单株结薯数而言,N1、N2、N1+M处理低于CK,其他处理均显著高于CK(P<0.05)。对于单株结薯质量、鲜薯产量、干薯产量而言,N1、N1+M处理低于CK,其他处理均显著高于CK(P<0.05)。

氮肥与木醋液混施后,随着氮肥浓度的增加,甘薯生长发育及产量指标均呈先增加后降低的趋势。N3+M处理的各指标均最大,显著高于其他处理(P<0.05)。

3 结论与讨论

3.1 叶面喷施木醋液对甘薯生长发育及产量的影响

本研究结果表明,叶面喷施木醋液能促进甘薯生长发育、提高产量。其表现在叶面喷施0.2%~0.4%木醋液后甘薯生长发育及产量指标均高于对照。这一结果与朱坤淼等[25]发现喷施一定浓度木醋液能促进水稻生长、提高产量的研究结果相一致。这是因为环境中的营养物质含量、植物抗氧化酶系统稳定性及内源激素平衡等因素共同影响植物生长发育情况。一定浓度木醋液会引发轻微逆境胁迫,进而增加作物体内抗氧化酶活性、提高内源激素含量[19],促进作物生长。

木醋液对植物生长的调节作用与其浓度有关[26]。本研究中,甘薯生长发育及产量各项指标随木醋液浓度增加均呈先增加后降低的趋势,当木醋液浓度为0.3%时,甘薯生长发育及产量各项指标均最大,0.1%木醋液未达到甘薯生长所需临界值,对甘薯生长无响应。本研究结果与谷思成等[27]发现喷施不同浓度木醋液对油菜生长的促进作用不同的研究结果相一致。这是因为木醋液是生物质原料高温热解后冷凝得到的混合物[28],其中的不同成分对植物生长的影响不同[29],如醇类促进植株生长,酚类抑制生物活动[30],二者互相作用,在适宜浓度时形成有利于作物生长的互作关系。且不同作物施用木醋液的适宜浓度不同[2325]

3.2 氮肥与木醋液混施处理对甘薯生长发育和产量的影响

本研究结果表明,一定浓度的木醋液与氮肥协同作用能显著促进甘薯生长发育、提高块根产量。其表现在0.3%木醋液添加1.5%氮肥时,甘薯生长发育及产量指标均显著高于其他处理。这与胡世龙等[22]发现氮肥与木醋液混施增加水稻产量的研究结果相一致。这是因为土壤中的有机肥除了为作物生长提供养分外,还能改良土壤理化性质、增加土壤养分[31],同时优化土壤中微生物群落结构。因此,有机肥与无机肥混合施用能够显著提高土壤中有效养分含量,改变土壤中微生物数量及种类,改善土壤环境[32]。而土壤中微生物含量及土壤养分含量对作物生长发育及最终产量起促进作用。

本研究中,相同浓度木醋液下,不同施氮量显著影响了甘薯生长发育,随氮肥浓度增加,甘薯生长发育及产量指标整体呈低-高-低的趋势,且0.3%木醋液下,1.0%~2.0%氮肥对甘薯产量具有促进作用。这表明有机肥施用时,氮肥在一定范围内能促进作物生长发育、提高作物产量。这是因为有机肥与无机肥料混合使用能增加氮肥的肥料利用率。当尿素与有机肥料混合施用入土壤后,土壤微生物活动加剧,氮肥被固定在微生物体内的含量增加,氮肥挥发减少。作物需肥量增加时,土壤中的微生物因养分不足,无法维持自身生命活动,发生死亡现象,此时微生物体内氮素释放被植物根系吸收。

本研究表明,氮肥施用量相等时,与单一施加氮肥相比,氮肥与木醋液协同作用对甘薯生长发育的促进作用显著加强。这与高妍等[33]发现氮肥配施不同浓度木醋液均能促进小麦生长,提高产量的研究结果相一致。这是因为适宜浓度的木醋液叶面喷施后对甘薯产生酸性刺激,根系分泌物增加,根际微环境得到改善,微生物繁殖加快,养分有效性增加,使得甘薯根系对养分元素吸收能力增加。施氮量过高时,植物叶片光合产物运转至块根受限,大量光合产物在茎叶中积聚,导致甘薯地上部分旺长。喷施木醋液能促进光合产物向块根转移,有效降低光合产物地上部积累[4]。足够的养分促进植物光合作用及代谢[13],代谢促进植物根系生长发育,地上、地下部分相互促进,最终导致生长发育指标提高[19]

木醋液对甘薯生长发育的促进程度与浓度有关,其最优浓度为0.3%。叶面喷施0.2%~0.4%浓度木醋液时,随木醋液浓度增加,甘薯生长发育及产量各项指标呈先增加后降低的趋势。0.1%木醋液未达到甘薯生长所需临界值,对甘薯生长无响应。木醋液与氮肥混施对甘薯生长发育及产量提高具有协同作用,1.5%氮肥与0.3%木醋液混施为最优浓度,增产效果显著。在甘薯生产中,可采用氮肥与木醋液协同处理的方式提高经济产量。

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