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甘薯具有环境适应性强、高产稳产、营养丰富等优点，是世界卫生组织推荐的最佳食物之一，已成为粮食、饲料、观赏和工业食品原料等多功能型作物[1]。我国甘薯种植面积稳定在 3.5×106～4.0×106 hm2，约占世界甘薯种植总面积的 30%，甘薯平均单产 21.87 t/hm2，是世界的 1.81 倍，总产占世界的 54.97%[2]。我国是世界最大的甘薯生产国和消费国。在甘薯产业迅速发展过程中，一些甘薯主产区甘薯种植年份长，出现了一些问题，特别是病虫害频发，而且比较严重，极大地限制了甘薯生产[3]。在目前土地复种指数高、甘薯连作严重的现实条件下，解决甘薯连作障碍问题是保障甘薯产业健康发展的必需途径。
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作物连作障碍是农业生产中一个突出问题，针对连作障碍发生原因和解决技术，已开展了众多研究，尤其在蔬菜和豆科作物连作障碍上，研究较为深入。作物连作障碍发生的原因一般认为是土壤变劣，可归结为以下 3 个原因：（1）土壤理化性质恶化，特别是养分失衡；（2）土壤微生态体系劣变，土传病虫害微生物聚集；（3）植物自毒物质在土壤中的大量积累[4-5]。目前尚未找到彻底解决作物连作障碍的方法，但是一些技术可有效缓解作物连作障碍发生程度，主要有：（1）改变耕作栽培制度，合理轮作；（2）选种耐连作障碍的作物种类或品种；（3）土壤生物防治，调节土壤微生物，增加有益微生物数量，如增施有机肥、生物肥等；（4）土壤消毒措施，通过物理和化学的方法，快速消杀土壤病虫微生物；（5）合理施肥，调节土壤 pH[4-5]。甘薯作为一种特殊类型的块根作物，农田管理和养分需求不同于其他作物，甘薯连作障碍发生的原因和防控措施也不同于其他作物连作障碍。因此，亟需认清甘薯连作障碍发生机制，提出针对性的防控技术。
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一些报道已表明，生物菌剂、有机肥、腐植酸、轮作-间作制度等在一定程度上缓解甘薯连作障碍，改善连作障碍土壤上甘薯生长状况[6-12]。随着土壤微生物研究技术的快速发展，越来越多的研究关注甘薯连作障碍对土壤微生物区系特别是线虫组成和群落结构的影响，以揭示甘薯连作障碍发生的微生物机制[8，13-19]。虽然甘薯连作障碍发生机制和防控技术研究取得了一些进展，但是确切机制仍不清楚，精准防控技术也不成熟。甘薯连作障碍需要多年连续种植才能发生，目前的研究大都是在较短时间尺度上研究甘薯连作障碍，缺乏较长时间尺度研究。另外，作物连作障碍发生的根本原因是土壤性质的破坏，土壤性质的改变也是土壤微生物改变的主要诱因，但是目前尚未见到长期甘薯连作年限土壤性质的比较。基于以上这些考虑，本研究采集了不同甘薯连作年限的土壤，测定了土壤养分含量，从土壤养分角度，揭示甘薯连作障碍发生机制，为防控甘薯连作障碍提供理论依据。
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1 材料与方法
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1.1 试验区概况
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5年甘薯连作障碍监测点设在江苏省灌云县，土壤类型为盐土。监测点所在地属暖温带海洋季风性气候，雨量充沛，年降水量 800～900 mm，年均日照总时数 2456.2 h，年均气温 13～15℃。 10 年甘薯连作障碍监测点在南京市六合区竹镇镇（江苏省农业科学院六合动物科学基地），土壤类型为黄棕壤。监测点所在地属亚热带湿润季风性气候，年均降水量 1269 mm，年均日照总时数 1810～2100 h，年均气温 15.8～17.5℃。15 年甘薯连作障碍监测点在安徽泗县，土壤类型为砂姜黑土。监测点所在地属暖温带半温润季风性气候。年均降水量 800～930 mm，年均日照总时数为 2284～2495 h，年均气温 14℃。
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1.2 土壤采样方法
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于 2020 年 10 月甘薯收获后，采集 5、10 和 15 年的甘薯连作障碍土壤（灌云 5 年、六合 10 年、泗县 15 年）及其附近非连作甘薯的对照土壤。同一地块用 5 点采样法采集 0～20 cm 的混合土壤样品，3 个重复测定。采样时，先剔除表层杂草和甘薯凋落物等杂质，然后再采集 1 kg 左右的新鲜土壤。采集的混合土壤样品混匀后，除杂、风干、磨细，过 1 mm 筛用来测定土壤中碱解氮、有效磷、速效钾、pH、阳离子交换量、交换性钙、交换性镁、有效态铁、锰、铜和锌、有效硫和有效硅，过 0.149 mm 筛用来测定土壤全氮、全磷、全钾、有机质。
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1.3 测定项目及分析方法
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土壤理化性质采用常规方法测定[20]。土壤 pH 用电位法（水土比 2.5∶1）测定；土壤有机质含量用重铬酸钾容量法—外加热法测定；土壤经 HClO4-H2SO4 消解后，采用凯氏定氮法测定土壤全氮含量，采用钼锑抗比色法测定全磷含量，采用火焰光度计（FP640，中国上海）测定全钾含量。碱解氮用碱解扩散法测定；有效磷采用 0.5 mol/L（pH 8.5） NaHCO3 溶液浸提—钼蓝比色法测定；速效钾用 1 mol/L NH4OAc 浸提—火焰光度法（FP640 型火焰光度计）测定；阳离子交换量采用 pH 7.0 的 1 mol/L 乙酸铵溶液反复处理，凯氏定氮仪测定。交换性钙和交换性镁用乙酸铵浸提，原子吸收光谱仪测定。有效态铁、锰、铜和锌用 DTPA 浸提，原子吸收光谱仪测定。有效硫是用磷酸盐-乙酸溶液浸提，用硫酸钡比浊法测定，有效硅是用柠檬酸浸提，用钼蓝比色法测定。
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1.4 数据分析
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试验数据采用 SPSS 18.0 进行统计分析处理。
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2 结果与分析
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2.1 不同连作年限甘薯土壤 pH、有机质和阳离子交换量变化
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表1 结果表明，5 和 10 年对照土壤 pH 本身较高，而 15 年对照土壤 pH 较低；5 年对照土壤有机质偏高，而 10 和 15 年对照土壤有机质偏低。这可能受这几个点的土壤本身性质影响。经过不同连作年限后，相比于对照，5 年甘薯连作显著提高了土壤 pH，但是 10 和 15 年连作显著降低了土壤 pH，这可能受这几个点的土壤本身性质及施肥等管理的影响；5 年连作对土壤有机质含量影响较小，但是 10 和 15 年连作提高了土壤有机质含量，15 年连作显著提高了土壤有机质含量；不同连作年限对土壤阳离子交换量影响较小。因此，多年甘薯连作导致土壤酸化和有机质含量升高。
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注：* 指的是对照和连作之间的差异达显著水平（P<0.05）。下同。
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2.2 不同连作年限甘薯土壤氮磷钾全量和有效态含量变化
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表2 结果表明，相比于对照，5 年甘薯连作略微降低了土壤全氮和碱解氮含量，但是 10 和 15 年连作均显著提高了土壤全氮和碱解氮含量；5、10 和 15 年连作均显著提高了土壤全磷和有效磷含量； 5 和 10 年连作对土壤全钾含量影响较小，15 年连作显著降低了土壤全钾含量，但是 5 和 15 年连作都显著提高了土壤速效钾含量，10 年连作对土壤速效钾含量的影响较小。15 年连作土壤全钾含量降低而速效钾含量升高，这可能是因为土壤缓效钾转化为速效钾的量超过了甘薯吸收的速效钾量。
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2.3 不同连作年限甘薯土壤有效态中微量元素含量变化
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表3 结果表明，相比于对照，5 年甘薯连作显著降低了土壤交换性钙和有效硅含量，降低幅度为 65.4%～76.4%，而显著提高了土壤有效硫、有效铁、有效锰和有效铜含量，提高幅度为 22.6%～417.3%；10 年甘薯连作显著降低土壤交换性镁、有效铁、有效锰、有效铜和有效硅含量，降低幅度为 22.0%～71.1%，而显著提高了土壤有效锌含量，提高了 1 倍；15 年甘薯连作显著降低了土壤有效硫和有效锰含量，降低幅度为 22.0%～32.1%，而显著提高了土壤交换性钙、有效铁、有效锌和有效硅含量，提高幅度为 36.7%～310.9%。这些结果综合表明，不同连作年限对土壤中微量元素的影响规律不明显。
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2.4 不同连作年限甘薯土壤氮磷钾含量比值变化
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表4 结果表明，相比于对照，5、10 和 15 年甘薯连作均降低了全量和有效态氮 / 磷；5 年连作降低了全量和有效态氮 / 钾，10 年连作提高了全量和有效态氮 / 钾，15 年连作提高了全量氮 / 钾而降低了有效态氮 / 钾；5、10 和 15 年连作均提高了全量和有效态磷 / 钾。这些结果综合表明，3 种元素相对来讲，土壤磷提高最多，其次是氮，钾的提高相对最少。
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3 讨论
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本研究表明，相对于各自对照土壤，10 和 15 年甘薯连作土壤 pH 大幅降低，甘薯连作导致土壤酸化。前人的报道也表明，4 年连续种植甘薯导致土壤酸化[18-19]，但是本研究结果表明 5 年甘薯连作提高了土壤 pH，这可能与地块选择以及初期施肥管理的差异有关。中国三大薯区土壤调查的结果也表明，南方薯区和长江中下游薯区土壤偏酸，其中浙江、江西和湖南薯区部分土壤 pH 已接近于 4.5，酸化严重[21]。土壤酸化对土壤物理、化学和生物性状有很大影响，特别是改变土壤微生物区系结构，破坏土壤微生态平衡，还增加土壤重金属的生物有效性，抑制作物生长[18-19，22]。本研究表明，相对于各自对照土壤，10 和 15 年甘薯连作土壤有机质含量升高。与本研究结果相反，前人 4 年甘薯连续种植后，土壤有机质含量降低[18]。土壤有机质含量变化是一个十分缓慢的过程，短时间的变化可能具有偶然性，同时，甘薯是一种耐贫瘠土壤的作物类型。因此，土壤酸化可能是甘薯连作障碍发生的诱因之一，而土壤肥力降低可能不是甘薯连作障碍发生的原因，相反，长期甘薯连作甚至会提高土壤有机质含量。
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与土壤有机质升高结果相一致，本研究结果表明，甘薯连作多年后，土壤氮、磷、钾养分含量都有不同程度的升高，再次证明肥力降低不是甘薯连作障碍发生的原因。虽然土壤氮、磷、钾养分含量都有升高，但是升高的幅度不一样。土壤养分失衡被认为作物连作障碍发生的一个主要原因[4]。我们进一步计算了氮、磷、钾之间的比值，整体上，甘薯连作降低了土壤氮 / 磷，提高了土壤氮 / 钾和磷 / 钾。这一变化说明多年甘薯连作后，土壤磷含量升高幅度最大，其次是氮，最低的是钾。甘薯是一种喜钾作物，高钾可促进块根膨大，抑制地上部旺长，提高甘薯产量[23-27]。增施钾肥，减施氮肥，适施磷肥，合理的氮、磷、钾比例可显著提高甘薯产量和品质[26，28]。甘薯苗期生长受氮磷钾缺乏的影响大小顺序为缺氮 >缺钾 >缺磷[29]。很多氮磷钾肥料配比试验提出了甘薯氮磷钾的适宜配比，如 1∶1∶2[26]，1∶0.3～0.5∶0.8～1.2[30]，1∶0.38∶1.24[31]，1∶1∶2.5[32]，都表明甘薯需钾量最高，其次为氮，最少的是磷。然而，本研究的结果表明，长期甘薯连作后，土壤磷增加最大，其次是氮，最后是钾，这与甘薯对氮、磷、钾的需求规律正好相反。我们最近耐连作障碍甘薯品种的筛选结果也表明，氮、磷、钾营养失衡是甘薯连作障碍发生的一个原因，耐连作障碍的甘薯品种具有较强的氮、磷、钾吸收平衡能力，因而耐连作障碍能力较强[33]。另外，土壤氮磷钾养分的失衡也会影响土壤微生物群落组成和结构，有益微生物比例降低，有害微生物比例升高[16-19]。本研究对中微量元素含量的分析结果表明，甘薯连作主要降低了土壤有效锰含量而提高了有效锌含量，我们推测这可能由于土壤酸化造成的，可能不是甘薯连作障碍发生的主要原因。综合这些分析，除土壤酸化外，推测土壤氮磷钾养分失衡是甘薯连作障碍发生的另一个原因。与我们的结果类似，前人研究结果也表明土壤养分失衡是烤烟和三七连作障碍产生的原因[34-35]。依据本研究的试验结果，在甘薯连作障碍的防治过程中，建议采取提高土壤 pH，例如施用石灰，同时，适当减少氮、磷肥用量，提高钾肥用量。
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4 结论
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本研究 5、10 和 15 年甘薯连作障碍土壤性质的分析结果表明：（1）甘薯多年连作造成土壤 pH降低，土壤酸化可能是甘薯连作障碍发生的一个原因；（2）甘薯多年连作后，土壤有机质和氮、磷、钾养分含量都有升高，所以土壤肥力降低不是甘薯连作障碍发生的原因；（3）甘薯多年连作后土壤氮 / 磷降低，氮 / 钾和磷 / 钾升高，导致钾的相对缺乏，土壤养分失衡可能是甘薯连作障碍发生的另一个原因。
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参考文献
-
[1] 王欣，李强，曹清河，等．中国甘薯产业和种业发展现状与未来展望［J］．中国农业科学，2021，54（3）：483-492．
-
[2] 李强，赵海，靳艳玲，等．中国甘薯产业助力国家粮食安全的分析与展望［J］．江苏农业学报，2022，38（6）：1484-1491．
-
[3] 马代夫，李强，曹清河，等．中国甘薯产业及产业技术的发展与展望［J］．江苏农业学报，2012，28（5）：969-973．
-
[4] 李天来，杨丽娟．作物连作障碍的克服——难解的问题［J］． 中国农业科学，2016，49（5）：916-918．
-
[5] 喻景权，杜尧舜．蔬菜设施栽培可持续发展中的连作障碍问题［J］．沈阳农业大学学报，2000，31（1）：124-126．
-
[6] 马洪波，杨苏，李传哲，等．不同肥料和生物菌剂对重茬甘薯产量及土壤质量的影响［J］．江苏农业科学，2019，47（24）：47-49，57．
-
[7] 朱海波，刘刚，尉继强，等．不同肥料种类对缓解甘薯连作障碍的作用研究［J］．农业科技通讯，2019（11）：170-173．
-
[8] 金凤柱，海棠，武宝悦，等．几种不同农艺措施对土壤甘薯茎线虫种群动态的影响［J］．中国生态农业学报，2008，16（4）：921-924．
-
[9] 乔月静，刘琪，曾昭海，等．轮作方式对甘薯根际土壤线虫群落结构及甘薯产量的影响［J］．中国生态农业学报（中英文），2019，27（1）：20-29．
-
[10] 储凤丽，李淑敏，刘亚军，等．甘薯玉米间作对土壤性质与作物产量的影响［J］．山西农业科学，2020，48（9）：1445-1448，1455．
-
[11] 张艳，郭书亚，尚赏，等．甘薯/玉米不同间作方式对土壤养分、酶活性及作物产量的影响［J］．山西农业科学，2020，48（8）：1234-1238．
-
[12] 罗密，邓仁菊，尹旺，等．甘薯轮作模式对土壤理化特性的影响［J］．贵州农业科学，2021，49（9）：21-26．
-
[13] 海棠，彭德良，曾昭海，等．耕作制度对甘薯地土壤线虫群落结构的影响［J］．中国农业科学，2008，41（6）：1851-1857．
-
[14] 高志远，胡亚亚，刘兰服，等．甘薯连作对根际土壤微生物群落结构的影响［J］．核农学报，2019，33（6）：1248-1255．
-
[15] 胡启国，刘亚军，王文静，等．甘薯轮作与间作对根际土壤微生物群落的影响［J］．作物杂志，2021（5）：153-159．
-
[16] Gao Z，Han M，Hu Y，et al．Effects of continuous cropping of sweet potato on the fungal community structure in rhizospheric soil ［J］．Frontiers in Microbiology，2019，10：2269．
-
[17] Gao Z Y，Hu Y Y，Han M K，et al．Effects of continuous cropping of sweet potatoes on the bacterial community structure in rhizospheric soil［J］．BMC Microbiology，2021，21（1）：102-115．
-
[18] Li H，Wang J Q，Liu Q，et al．Effects of consecutive monoculture of sweet potato on soil bacterial community as determined by pyrosequencing［J］．Journal of Basic Microbiology，2019，59：181-191．
-
[19] Xiang D，Wu Y，Li H，et al．Soil fungal diversity and community composition in response to continuous sweet potato cropping practices［J］．Journal of Experimental Botany，2021，90（4）：1247-1258．
-
[20] 鲁如坤．土壤农业化学分析方法［M］．北京：中国农业科技出版社，2000：308-316．
-
[21] 许仙菊，张永春，汪吉东，等．中国三大薯区土壤养分状况及土壤肥力质量评价［J］．中国土壤与肥料，2021（5）：27-33．
-
[22] 张玲玉，赵学强，沈仁芳．土壤酸化及其生态效应［J］．生态学杂志，2019，38（6）：1900-1908．
-
[23] 吕长文，赵勇，唐道彬，等．不同类型甘薯品种氮、钾积累分配及其与产量性状的关系［J］．植物营养与肥料学报，2012，18（2）：475-482．
-
[24] 史春余，王振林，赵秉强，等．钾营养对甘薯某些生理特性和产量形成的影响［J］．植物营养与肥料学报，2002，8（1）：81-85．
-
[25] 宁运旺，曹炳阁，朱绿丹，等．施钾水平对甘薯干物质积累与分配和钾效率的影响［J］．江苏农业学报，2012，28（2）：320-325．
-
[26] 杨育峰，张晓申，王慧瑜，等．氮、磷、钾肥配施对甘薯农艺性状和产量的影响［J］．河南农业科学，2015，44（6）：81-83，89．
-
[27] 汪顺义，刘庆，史衍玺，等．氮钾配施对甘薯光合产物积累及分配的影响［J］．中国农业科学，2017，50（14）：2706-2716．
-
[28] 宁运旺，曹炳阁，马洪波，等．氮肥用量对滨海滩涂区甘薯干物质积累、氮素效率和钾钠吸收的影响［J］．中国生态农业学报，2012，20（8）：982-987．
-
[29] 宁运旺，马洪波，许仙菊，等．氮磷钾缺乏对甘薯前期生长和养分吸收的影响［J］．中国农业科学，2013，46（3）：486-495．
-
[30] 盛锦寿．氮磷钾肥配合施用对甘薯的增产效果［J］．土壤肥料，2005（5）：29-31．
-
[31] 章明清，李娟，孔庆波，等．福建甘薯氮磷钾施肥指标研究 ［J］．土壤通报，2012，43（4）：861-866．
-
[32] 郭清霞，侯占领，师小周．褐土区甘薯氮磷钾配比试验与应用［J］．土壤肥料，2001（4）：40-42．
-
[33] 许仙菊，姜晓蕊，陈丹艳，等．耐连作甘薯品种的筛选及薯块氮、磷、钾营养状况分析［J］．江苏农业学报，2023，39（3）：657-664．
-
[34] 汤宏，刘文祥，曾掌权，等．烤烟连作障碍产生的原因及消减措施研究进展［J］．湖南农业科学，2022（10）：107-110．
-
[35] 魏薇，郑建芬，尹兆波，等．不同氮磷施肥水平与三七连作障碍的关系研究［C］//中国植物病理学会2015年学术年会论文集，北京：中国植物病理学会，2015：567．
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摘要
连作障碍是甘薯种植中的一个突出问题。为了阐明甘薯连作障碍发生的原因，分别采集了 5、10 和 15 年连作甘薯及其对照土壤，分析了土壤 pH、有机质、阳离子交换量、全量和有效态氮、磷、钾含量、有效态中微量元素含量，并计算了土壤氮、磷、钾之间的比值。结果表明：相比于各自对照，5 年甘薯连作显著提高了土壤 pH，但是 10 和 15 年连作显著降低了土壤 pH；5 年连作对土壤有机质含量影响较小，但是 10 和 15 年连作提高了土壤有机质含量，其中 15 年连作达显著水平；5 年连作对土壤全氮和碱解氮含量影响较小，但是 10 和 15 年连作均显著提高了土壤全氮和碱解氮含量；5、10 和 15 年连作均显著提高了土壤全磷和有效磷含量；不同连作年限对土壤全钾、速效钾和中微量元素（钙、镁、硫、铁、锰、铜、锌、硅）含量的影响没有明显规律；甘薯多年连作后，土壤氮 / 磷降低，氮 / 钾和磷 / 钾升高，导致土壤氮、磷、钾失衡，氮磷过多可能引起钾的相对缺乏，也会破坏土壤微生态体系，引起病虫害发生。甘薯是一种耐贫瘠且喜钾植物，基于上述结果，甘薯连作一般不会造成土壤肥力的降低，土壤酸化和氮磷钾养分失衡可能是造成甘薯连作障碍发生的两个主要原因。
Abstract
Continuous cropping obstacle is a critical problem during the cultivation of sweet potato，but the factors responsible for the occurrence of sweet potato continuous cropping obstacle are not clear. In this study，5-year，10-year， and 15-year continuous cropping sweet potato soils were collected，and soil pH，organic matter，cation exchange contents， total and available nitrogen（N），phosphorus（P）and potassium（K），and available medium and trace elements contents were analyzed，and the ratios of N/P，N/K，P/K were calculated. The results showed that，compared with their own control，5-year continuous cropping sweet potato increased soil pH，but 10-year and 15-year continuous cropping decreased soil pH. 5-year continuous cropping sweet potato had little effects on the contents of soil organic matter，total and available N， whereas 10-year and 15-year continuous cropping increased their contents, and the organic matter contert in 15-year, total and available N contents in 10-year and 15-year were increased significantly. 5-year，10-year and 15-year continuous cropping increased the contents of total and available P. There was no obvious law with regard to the effects of continuous cropping on contents of total and available K，and available medium and trace elements（Ca，Mg，S，Fe，Mn，Cu，Zn，Si）. Continuous cropping sweet potato decreased the N/P ratio，but increased the N/K and P/K ratios，resulting in the imbalance of N，P，and K. The enrichment of N and P might induce the relative K deficiency and destroy soil microbiota，causing the occurrence of plant diseases and insect pests. Given that sweet potato is tolerant to poor soil conditions and K-preferring，it can be concluded that continuous cropping obstacle of sweet potato is attributable to soil acidification and N-P-K imbalance rather than decreased soil fertility.