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生姜是我国传统的经济作物之一，常年种植面积约 27 万 hm2[1]，近年来随着生姜价格的持续走高，种植面积呈快速增长趋势。据统计，山东省是目前我国生姜栽培面积最大的省份[2]，2019 年种植面积为 10.3 万 hm2，产量约 500 万 t，均占全国的 1/3 左右。
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生姜是高产作物，氮、钾需求量相对较高，且实际生产中为追求高产普遍重施肥料，造成土壤质量下降严重，生姜病虫害日益加重，严重影响了生姜产业的可持续发展。“十三五”期间启动的系列 “双减”项目[3]，为生姜种植的化肥农药减施提供了有利契机。但是课题组查阅文献资料发现，针对生姜干物质累积及养分吸收规律这一化肥减施技术基础的研究，仍停留在生姜产量 75～90 t·hm-2 的水平[4-5]。随着生姜种植水平的提高及高产新品种的推广，设施和露地两种种植模式下产量达 150 t·hm-2 的高产姜田面积越来越大，原有的研究报道已无法为当前产量水平下的生姜生产提供科学准确的指导。因此，课题组以产量水平为 150 t·hm-2 的缅姜为研究对象，在山东生姜主产区潍坊，通过对设施和露地两种种植模式下生姜化肥施用进行优化，监测不同生育期的养分吸收动态及累积变化规律，以期为生姜化肥科学减施技术提供数据支撑。
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1 材料与方法
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1.1 试验地点及供试土壤
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试验点分别位于山东省安丘市凌河镇小大路村（设施）和景芝镇游家庄村（露地）。试验地土壤类型均为潮土，0～20 cm 土壤基础肥力指标状况如表1 所示。
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1.2 试验材料
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供试品种为缅姜。催芽后，设施处理生姜于 2020 年 3 月 16 日定植，定植密度为 54000 株·hm-2，露地处理生姜于 4 月 5 日定植，定植密度 71400 株·hm-2，10 月 17 日收获。试验用化学肥料由河南心连心化学工业集团股份有限公司生产；有机肥料由农户在当地自行采购。
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1.3 试验设计
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两地优化处理均在常规施肥基础上进行化肥的优化施用（总折纯量减少 30%）。各个时期的化肥用量如表2 所示，两块试验地内除化肥（氮、磷、钾肥）外，其他肥料品种及用量相同，均与当地农民习惯一致，具体施用量及施用时期如表3 所示。优化及常规施肥均设置 3 个重复，以 3 沟为 1 个小区，共 6 个小区，随机排列。设施和露地试验小区面积分别为 222 和 168 m2。
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1.4 测定项目及方法
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生姜出苗后，每隔 30 d 左右取样 1 次，共取样 5 次，每次于小区中间行连续取 3 株姜苗。样品洗净后，将根茎与地上部的茎叶分开，置烘箱内 105℃杀青 10 min，在 75℃下烘干至恒重[4]。将干样磨碎并过 0.25 mm 筛，准确称 0.2000 g，置于100 mL 消化管中，H2SO4-H2O2 消煮后，用凯氏法测全氮，钒钼黄比色法测全磷，火焰光度法测全钾[6]。
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数据采用 Excel 2010 和 SAS 8.1 进行统计分析。
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2 结果与分析
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2.1 生姜干物质累积动态变化
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由图1 可知，设施和露地生姜整个生育期的单株干物质量累积呈慢-快-慢的“S”型曲线变化。自定植后至第 1 次取样，生姜单株干物质量最高仅为 10.17 g，设施和露地条件下的优化处理干物质量和常规处理无显著差异。第 2 次取样时，各处理单株干物质积累量均显著增加，但优化处理与常规处理仍无显著差异；此时生姜进入发棵期，干物质积累量快速增加，至第 3 次取样时，设施和露地条件下的优化处理较常规处理分别显著增加 37.16% 和 27.27%；发棵期内，设施和露地条件下的优化处理干物质积累量较常规处理分别显著增加 68.50% 和 52.37%。根茎膨大期是生姜干物质量积累的关键时期，此阶段的干物质累积量能够占到全生育期的 1/3 以上，至第 4 次取样时，设施和露地条件下的优化处理较常规处理分别显著增加 29.54% 和 16.48%。而后至第 5 次取样前，生姜干物质量积累速率略有下降，此阶段内优化与常规处理的干物质量积累速率无显著差异，但设施和露地条件下的优化处理在收获时的干物质累积量仍较常规处理分别显著增加 18.36% 和 12.85%。此外，图1 所示的优化处理生姜单株干物质积累量均高于同一种植模式下的常规处理，这可能与优化施肥技术更贴合生姜需肥规律，使其更早地建立起较大的同化系统有关。
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图1 单株干物质积累量动态变化
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姜块干物质积累量动态变化与单株干物质量变化规律基本一致（图2）。但第 1 次取样时，设施优化处理姜块干物质积累量较常规处理显著增加 23.31%。第 3 次取样时，设施和露地条件下的优化处理较常规处理分别显著增加 57.58% 和 59.27%。由此可知，设施和露地条件下优化处理的姜块干物质积累量均自发棵期快速增加，与全株干物质积累量规律一致，但优化处理更加显著地促进了姜块干物质的积累，分别达常规处理的 2.18 和 2.65 倍。之后至第 4 次取样前的根茎膨大期，姜块干物质快速积累，各处理此阶段积累量均占全生育期的 30% 以上，其中露地条件下的常规和优化处理分别达 47.38% 和 46.95%，但二者间无显著差异。至收获取样时，设施和露地条件下的优化处理姜块干物质积累量分别较常规处理显著增加 20.95% 和 20.16%。
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图2 姜块干物质积累量动态变化
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2.2 生姜氮、磷、钾养分吸收动态变化
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图3 为生姜植株的 N、P2O5、K2O 吸收动态。设施和露地生姜的 N 吸收动态变化与干物质积累规律基本一致。设施和露地每次取样时，优化处理的 N 吸收量基本均高于常规处理，其中设施优化处理的 N 吸收量在第 3 次取样和收获时分别较常规处理显著增加 34.27% 和 10.61%；而露地优化处理的 N 吸收量则仅在收获时较常规处理显著增加 24.85%。
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图3 生姜植株的 N、P2O5、K2O 吸收动态
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设施第 2、3 次取样时，优化处理的 P2O5 吸收量较常规处理分别显著增加 29.87%、46.53%。收获时，优化处理的 P2O5 吸收量较常规处理显著增加 7.50%。露地生姜的 P2O5 吸收规律与设施条件下基本一致，即自苗期开始快速增加，但露地优化处理的 P2O5 吸收量增加较慢，至第 3 次取样时，较常规处理显著增加 29.16%。至收获时，优化处理 P2O5 吸收量较常规处理显著提高 15.45%。
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设施优化处理的 K2O 吸收量在整个生育期内均显著高于常规处理；露地优化处理的 K2O 吸收量除第 1 次取样时略低于常规处理外，之后均较常规处理提高 20% 以上。在整个生育期内，设施和露地优化施肥处理的 K2O 吸收量均与定植天数呈显著的线性相关关系（r=0.9985 和 r=0.9953）。设施和露地生姜收获时，优化施肥处理的 K2O 吸收量分别达 17.24 和 13.56 g·株-1，较常规处理分别显著增加 13.86% 和 23.85%。
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2.3 生姜不同生育期氮、磷、钾的吸收规律
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生姜的发芽期较长，但生长较为缓慢，干物质积累量较小，因此对氮、磷、钾的吸收速率均相对较低（表4）。露地生姜发芽期的氮、磷、钾吸收量相对较低，与其定植时间晚于设施生姜有关。设施和露地生姜发芽期的氮、磷、钾吸收比例基本一致，分别为 3.0∶1.0∶8.8～9.0 和 3.4∶1.0∶8.8～9.0，此时期养分吸收量较低，所需养分主要由姜母提供，施肥时补充低浓度的氮、磷、钾便可增加生姜植株的株高、分枝数和叶片增长速率[7]。苗期生姜植株生长加速，对氮、磷、钾的吸收速率迅速提高，其中优化处理对钾的吸收速率显著高于常规处理，设施和露地条件下的吸收量分别增加 22.62% 和 37.16%，但优化处理的吸氮量与常规处理仍无显著差异。此外，设施优化处理的吸磷量较常规处理显著增加 33.34%，而露地优化处理的吸磷量与常规处理无显著差异。设施和露地生姜苗期的氮、磷、钾吸收量均较发芽期明显增加，有效促进了根系发育[8]和植株生长[9]，从而为根茎膨大期的养分吸收转运和干物质积累提供保障[10]；优化施肥处理则明显提高了发棵期生姜的氮、磷、钾吸收速率和吸收量，从而进一步提高了养分吸收量。
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设施和露地种植模式下，优化和常规施肥处理的生姜在根茎膨大期和转色期对氮、磷、钾的吸收速率差异不大。根茎膨大期是生姜对氮、钾吸收的高峰期，其中设施和露地模式下的氮素吸收速率分别为 5.10～5.34 和 4.76～5.99 kg·hm-2·d-1，此阶段的氮素吸收量占全生育期的比例分别为 38.72%～44.78% 和 46.37%～46.76%；钾的吸收速率则分别为 9.43～9.86 和 6.77～9.51 kg·hm-2·d-1，此阶段的钾吸收量占全生育期的比例分别为 25.27%～30.10% 和 28.58%～32.40%。此外，优化施肥处理有效提高了生姜发棵期之前和转色期对磷的吸收比例，促进了根系发育，从而为增产提供了保障；其中优化施肥模式下，设施和露地生姜对磷的吸收高峰均在转色期内，相对吸收量分别达 33.88% 和 28.45%，这可能与此阶段生姜地下根茎干物质量仍快速增加有关。
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3 讨论
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3.1 生姜干物质累积动态变化
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本研究中，设施和露地生姜整个生育期的单株干物质量累积呈慢-快-慢的“S”型曲线变化，且优化施肥处理的干物质积累量总体高于常规施肥处理。至收获取样时，优化施肥处理的设施和露地姜块干物质积累量分别达 151.5 和107.8 g·株-1，分别占全株干物质积累量的 54.82% 和 45.20%，这与王馨笙等[4] 的研究结果相差不大。但本研究中，设施模式下的姜块干物质积累量明显高于露地模式，实际生产中宜采用设施模式，以保证姜块的干物质积累量和养分的高效吸收利用。
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3.2 生姜氮、磷、钾养分吸收动态变化
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设施和露地生姜的氮、磷、钾吸收动态变化与干物质积累规律基本一致。设施生姜植株中的氮、磷、钾吸收量均高于露地生姜，这可能与设施生姜种植较早，且在 6 月份后有较好的遮荫系统，强光等不利环境因素对生姜生长造成的影响较小有关[11]。生姜收获时，优化施肥处理 N、 P2O5 和 K2O 的单株吸收量平均值（设施和露地模式下的优化处理取平均值）分别为 6.01、2.21 和 15.40 g·株-1，其中氮、钾的平均单株吸收量较王馨笙等[4]研究分别增加 6.56%、76.00%，这可能正是生姜产量大幅增长的原因所在[2]，单株吸钾量的大幅升高，则主要与 10 年来的姜种繁育及高钾型水溶肥的推广应用造成的土壤中钾含量较高有关。
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3.3 生姜不同生育期氮、磷、钾的吸收规律
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根茎膨大期是生姜产量形成的重要时期，在此时期内，生姜迅速生长，根茎膨大速度加快，对氮、钾的吸收速率均达到了峰值，这与郭衍银等[12]的研究结果一致。此外，本试验中全生育期对钾素的需求量最大，氮素次之、磷素最少，也与已有研究[13-14] 结论是一致的，但设施和露地生姜对K2O的吸收比例较王馨笙等[4] 的研究结果大幅增加，N、P2O5、K2O 吸收比例分别介于 2.3～2.4∶1.0∶6.3～6.7 和 2.9～3.2∶1.0∶6.8～7.3。
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本试验优化施肥条件下，增产效果显著（图4），其中设施姜块产量为 180.5 t·hm-2，每生产 1000 kg 姜块的 N、P2O5、K2O 吸收量分别为 2.41、1.01、 6.82 kg；露地姜块产量为 172.5 t·hm-2，每生产 1000 kg 姜块的 N、P2O5、K2O 吸收量分别为 2.45、 0.77、5.61 kg。设施和露地模式生产 1000 kg 姜块所吸收养分量均低于王馨笙等[4]在 84.5 t·hm-2 产量水平下的研究结果，这可能与不同生姜品种[15]及生姜成倍增产所造成的养分含量稀释效应有关[16]，但相关性曲线仍需进一步研究。
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图4 姜块产量情况
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4 结论
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设施和露地生姜整个生育期的干物质积累总体呈“S”型。收获时，设施和露地姜块干物质积累量分别占全株干物质积累量的 53.64%～54.82% 和 42.45%～45.20%，设施种植模式下的生姜经济产量较高，更符合生姜绿色高效种植的需求。
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生姜对氮素的吸收主要集中在根茎膨大期，设施和露地生姜此阶段的氮吸收量占全生育期的比例分别为 38.72%～44.78% 和 46.37%～46.76%；各生育期对磷的吸收量呈小幅增长趋势，优化施肥处理吸收峰均在转色期内，相对吸收量分别达 33.88% 和 28.45%；对钾的吸收则呈波动式线性增长，在苗期和根茎膨大期均出现吸收高峰，设施和露地生姜在吸收高峰期的钾相对吸收量分别达 62.23%～64.42% 和 53.62%～60.12%。
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本试验中，在设施和露地两种高产模式（优化施肥）下，每生产 1000 kg 姜块的 N、P2O5、K2O 吸收量分别为 2.41、1.01、6.82 和 2.45、0.77、5.61 kg，实际生产中过量施肥现象较为严重，化肥优化减施有较大潜力。
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摘要
生姜栽培面积逐渐扩大，产量水平不断提升；明确高产栽培模式下，生姜干物质累积和养分吸收规律是实现生姜高产高效种植的重要基础，为生姜养分高效利用和可持续生产提供理论支撑。通过优化生姜施肥管理，对设施和露地两种模式下关键生育期植株连续取样观测，分析了不同模式下的干物质及氮、磷、钾养分吸收累积规律及特点。设施和露地栽培生姜整个生育期的干物质累积总体呈“S”型。根茎膨大期是生姜干物质积累的主要时期，至收获时，设施和露地生姜单株干物质累积量分别为 233.6 ～ 276.4 和 211.2 ～ 238.4 g；姜块干物质积累量分别占全株干物质积累量的 53.64% ～ 54.82% 和 42.53% ～ 45.20%。设施和露地生姜对氮的吸收主要集中在根茎膨大期，占全生育期的比例分别为 38.72% ～ 44.78% 和 46.37 ～ 46.76%；各生育期对磷的吸收量呈小幅增长趋势，其中优化施肥处理的磷吸收高峰均在转色期，相对吸收量分别为 33.88% 和 28.45%；对钾的吸收则呈波动式线性增长，在苗期和根茎膨大期均出现吸收高峰，其中在根茎膨大期对钾的吸收量占全生育期的比例分别为 25.27% ～ 26.14% 和 28.58% ～ 32.40%。在设施和露地两种高产模式下，干物质累积特征均呈“S”型。生姜收获时，单株氮、磷、钾吸收量比例分别为 2.4 ～ 3.0∶1.0 ∶6.3 ～ 6.7 和 2.9 ～ 3.2∶1.0 ∶6.8 ～ 7.3；优化施肥技术下，设施和露地种植每生产 1000 kg 姜块的 N、P2O5、K2O 吸收量分别为 2.41、1.01、6.82 和 2.45、0.77、5.61 kg。
Abstract
With the gradual expanding of ginger cultivation area and the improving of yield level，the dry matter accumulation and nutrient absorption of ginger under high-yield cultivation mode were clarified in this study，which could be an important basis for high-yield and high-efficiency cultivation of ginger，and provide theoretical support for efficient utilization of chemical fertilizer in sustainable production of ginger. Through optimizing fertilization management of ginger，continuous sampling and observation of plants at key growth stages under facility and open-field modes were carried out to analyze the absorption and accumulation rules and characteristics of dry matter and nitrogen，phosphorus and potassium nutrients under different modes. The dry matter accumulation of ginger under the facility and open-field during the whole growth period was generally showed as the“S”type. The rhizome expanding stage was the main period for the dry matter accumulation of ginger. At the harvest，the dry matter accumulation per plant of ginger in facility and open-field ranged from 233.6 to 276.4 g and 211.2 to 238.4 g，respectively，and the dry matter accumulation of ginger tuber accounted for 53.64%-54.82% and 42.53%-45.20% of that of the whole plant，respectively. The nitrogen absorption of facility and open-field ginger mainly concentrated in the root and stem expansion stage，accounting for 38.72%-44.78% and 46.37-46.76%，respectively. The phosphorus uptake in each growth period showed a slight increase trend，and the peaks of phosphorus uptake in the optimized fertilization occurred at transition period，which was 33.88% and 28.45%，respectively. The absorption of potassium was increased linearly in a fluctuating pattern，and the absorption peak appeared in both seedling and root expansion stages. The proportion of potassium uptake in the two growth stages was 25.27%-26.14% and 28.58%-32.40%，respectively. The dry matter accumulation characteristics were S-shaped under both facility and open-field high yield modes. When ginger was harvested，the ratio of nitrogen，phosphorus and potassium uptake per plant ranged from 2.4-3.0∶1.0 ∶6.3-6.7 and 2.9-3.2∶1.0 ∶6.8 -7.3， respectively. Under the optimized fertilization technique，the N，P2O5 and K2O uptake of 1000 kg ginger tuber in facility and open-field were 2.41，1.01，6.82，and 2.45，0.77，5.61 kg，respectively.