炭基有机肥对甘薯块根形成及产量的影响

Effects of Biochar-Based Organic Fertilizer on Storage Root Formation and Yield of Sweet Potato

doi: 10.3969/j.issn.2096-7047.2026.02.005

龚锐 Rui GONG , 宋一铭 Yiming SONG , 邓淑文 Shuwen DENG , 李玉翠 Yucui LI , 赵瑞娜 Ruina ZHAO , 赵方熙 Fangxi ZHAO , 王腾龙 Tenglong WANG , 吕长文 Changwen LÜ , 王季春 Jichun WANG , 孙光燕 Guangyan SUN

1 西南大学农学与生物科技学院重庆 400700 College of Agronomy and Biotechnology, Southwest University, Chongqing 400700, China 2 西南大学宜宾研究院四川宜宾 644005 Southwest University Yibin Research Institute, Yibin, Sichuan 644005, China

Author notes:

Correspondence to: 孙光燕(1998—)，女，博士研究生，研究方向为甘薯栽培生理；sunguangyan98@163.com

摘要：

为探究炭基有机肥对甘薯块根形成和产量的作用机制，明确生物炭与有机肥的最适配比，以渝红心薯3号(Y3)和渝红心薯98(Y98)为研究对象，开展了大田试验。试验共设置单施化肥(CF)、有机肥替代30%化肥氮(OF)、炭基有机肥(生物炭质量分数分别为15%、30%)替代30%化肥氮(BOF15、BOF30)等4种施肥模式，考察了不同施肥处理对甘薯根系形态、品质指标及块根产量及其构成因素的影响。结果表明：炭基有机肥可显著促进根系生长(总根长表现为BOF15＞BOF30＞CF＞OF)，提高块根形成期根系中淀粉、可溶性糖和蔗糖的含量，并降低木质素积累；炭基有机肥显著提高了甘薯块根产量，其中BOF15处理的增产效果最显著，Y3和Y98品种的产量分别较CF处理的提高63.88%和25.28%。在试验条件下，炭基有机肥中生物炭质量分数为15%时，对甘薯块根形成和产量的提高较理想。

关键词：

甘薯; 炭基有机肥; 生物炭; 块根; 根系形态; 产量;

Abstract：

To investigate the mechanism of biochar-based organic fertilizer on storage root formation and yield of sweet potato, and to determine the optimal blending ratio of biochar to organic fertilizer, a field experiment is conducted using two sweet potato cultivars, Yuhongxinshu 3 (Y3) and Yuhongxinshu 98 (Y98). Four fertilization treatments are established: chemical fertilizer alone (CF), organic fertilizer replacing 30% of chemical fertilizer nitrogen (OF), and biochar-based organic fertilizer (with biochar mass fractions of 15% and 30%, respectively) replacing 30% of chemical fertilizer nitrogen (BOF15, BOF30). The effects of different fertilization treatments on root morphology, quality indices, storage root yield, and its components are investigated. The results show that biochar-based organic fertilizer significantly promotes root growth (total root length followed the order BOF15 > BOF30 > CF > OF), increases the contents of starch, soluble sugars, and sucrose in the roots during the storage root formation period, and reduces lignin accumulation. Biochar-based organic fertilizer significantly increases sweet potato storage root yield, with the BOF15 treatment showing the most pronounced yield-increasing effect. Compared with the CF treatment, the yields of Y3 and Y98 under BOF15 treatment increases by 63.88% and 25.28%, respectively. Under the experimental conditions, a biochar mass fraction of 15% in the biochar-based organic fertilizer is ideal for promoting storage root formation and increasing yield of sweet potato.

Keyword：

sweet potato; biochar-based organic fertilizer; biochar; storage root; root morphology; yield;

甘薯作为世界三大薯类作物之一^[1]，2022年在我国的种植面积达216万hm²(占全球种植面积的29.76%)，总产量为46 820 kt(占全球总产量的54.19%)，稳居世界首位^[2]。在重庆等西南地区，甘薯多种植于丘陵山地，该区域土壤瘠薄、保水保肥性差，加之长期过量施用化肥，易引发土壤板结、微生物群落失衡等问题^[3]，严重制约了甘薯产量的提升。因此，探索科学的施肥措施，成为突破甘薯生产困境的关键。

研究表明，有机肥配施化肥可显著提升土壤中有机质及氮、磷、钾含量，并显著提高甘薯、马铃薯等块根作物的产量^[4-6]。生物炭作为秸秆等生物质经过高温裂解后的产物，具有碳含量高、多孔结构发达及吸附能力强等特点，能够改良土壤的理化性状，为植物和微生物提供营养^[7-8]。生物炭与有机肥混合制成的炭基有机肥，既能增强土壤对氮、磷的固持能力，提高肥料利用率，又能减少面源污染^[9]。

目前多数研究表明，施用生物炭可提高作物产量。任少勇等^[10]的研究表明，随着炭基肥施用量的增加，马铃薯产量提升了26.01%~49.71%。但也有研究指出，过量施用生物炭可能会抑制作物生长^[11]。施立善等^[12]的研究表明，甘薯的不同农艺性状对小麦生物炭施用量的敏感度存在显著性差异，甘薯产量随小麦生物炭施用量的增加呈先直线后抛物线形状的变化。目前，对于炭基有机肥对甘薯块根形成及产量影响的研究较少，生物炭与有机肥的最适配比尚不明确。因此，本文采取不同的施肥模式，探究不同炭基有机肥配比对甘薯块根形成及产量的影响机制，旨在明确生物炭与有机肥的最适配比，为炭基有机肥的生产应用及甘薯高产提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2024—2025年在重庆市北碚区歇马镇西南大学薯类作物研究所试验基地(29°80′ N，106°40′ E)进行。供试土壤为紫色土黏土质，试验前土壤理化性状：w(碱解氮)为61.31 mg/kg，w(速效钾)为63.12 mg/kg，w(有效磷)为171.51 mg/kg，w(有机质)为14.64 g/kg，pH为5.56。

1.2 试验材料

供试作物：甘薯，品种分别为“渝红心薯3号”(Y3)和“渝红心薯98”(Y98)，均属于鲜食型甘薯品系，由西南大学薯类作物研究所选育并提供。

供试肥料：炭基有机肥和有机肥，N-P₂O₅-K₂O=1.21-2.08-0.71，w(有机质)≥30%，四川施利旺农业科技开发有限公司；复合肥，N-P₂O₅-K₂O=15-15-15，四川邦瑞特生物科技有限公司；尿素，w(N)≥46%，四川天华股份有限公司；硫酸钾，w(K₂O)≥52%，国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司；过磷酸钙，w(P₂O₅)≥12%，四川省奥施沃尔有限责任公司。

1.3 试验设计

试验采用两因素裂区设计。品种为主区，分别为Y3、Y98。肥料处理为副区，分别为：CF，只施化肥；OF，有机肥替代30%化肥氮；BOF15，炭基有机肥(生物炭质量分数为15%)替代30%化肥氮；BOF30，炭基有机肥(生物炭质量分数为30%)替代30%化肥氮。共8个处理，每个处理重复3次，小区面积为10 m²。

各施肥处理保证N、P₂O₅、K₂O施用量一致，有机肥及炭基有机肥处理均为替代30%化肥氮，不足养分用单质肥补充，具体施肥量见表 1。60%化肥作为底肥一次性施用，有机肥全部作为底肥施用；40%化肥作为追肥，于栽后20 d施用。甘薯株距22 cm，垄距60 cm，设置边行。栽种当天覆遮光膜，田间管理按常规方法进行。

表 1

施肥水平

处理	化肥施用量/(kg·hm^-2)			有机肥或炭基有机肥施用量/(kg·hm^-2)
处理	N	P₂O₅	K₂O	N	P₂O₅	K₂O
CF	149.25	149.25	149.25	0	0	0
OF/BOF15/BOF30	104.47	72.27	122.97	44.78	76.98	26.28

栽后第25天、第35天、第45天取样，每个处理选取长势一致的植株6株。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 块根形成期糖类物质、淀粉和木质素含量

于甘薯栽后第45天测定甘薯根系淀粉、可溶性糖、蔗糖及木质素的含量。淀粉、蔗糖、可溶性糖的含量采用蒽酮比色法测定，木质素的含量采用紫外分光光度法测定^[13]。

1.4.2 根系形态特征

于甘薯栽后第25天、第35天和第45天分别取样，采集完整植株根系进行形态测定。将根系于清水中反复洗净后，用中晶8370扫描仪(上海中晶科技有限公司)扫描完整根系形态。将扫描获得的根系图像利用WinRHIZO Pro根系分析软件进行相关根系指标的分析，包括根长、平均直径、表面积和体积等^[14]。

1.4.3 产量

于甘薯收获时记录每个小区的总薯数，并折算单株结薯数。同时，称取各小区甘薯鲜薯质量，并折算产量。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2021软件进行数据处理，采用SPSS 26.0软件进行方差分析，采用Origin 2024软件作图，采用Tukey′s多重比较法进行差异显著性检验(P < 0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对甘薯块根形成期根系形态的影响

不同施肥处理的甘薯块根形成期根系形态见表 2，表中同列数据后不同小写字母表示各处理间差异显著，*表示在0.05概率水平差异显著，**表示在0.01概率水平差异极显著，ns表示无显著差异，下同。

表 2

不同施肥处理的甘薯块根形成期根系形态

品种	处理	栽后第25天
品种	处理	总根长/cm	根系平均直径/mm	根系体积/cm³	根系总表面积/cm²
Y3	CF	233.30±7.78 b	0.12±0.01 a	4.51±0.14 c	99.75±2.26 c
	OF	169.34±21.19 c	0.10±0.01 b	2.96±0.42 d	85.36±6.38 d
	BOF15	292.25±15.72 a	0.09±0.01 b	5.34±0.31 b	114.24±3.92 b
	BOF30	273.09±11.98 a	0.09±0.01 b	9.70±0.45 a	124.44±3.20 a
Y98	CF	163.94±9.28 b	0.10±0.01 a	8.05±1.35 c	104.94±5.03 c
	OF	107.28±21.95 c	0.08±0.01 b	4.87±0.88 d	88.18±5.53 d
	BOF15	233.30±14.74 a	0.08±0.01 b	10.51±0.52 b	121.70±2.02 b
	BOF30	212.01±21.68 a	0.07±0.01 b	12.91±0.32 a	138.02±7.22 a
显著性检验
处理		**	**	**	**
品种		**	**	**	**
处理×品种		ns	ns	**	ns

品种	处理	栽后第35天
品种	处理	总根长/cm	根系平均直径/mm	根系体积/cm³	根系总表面积/cm²
Y3	CF	176.59±7.69 c	0.11±0.01 ab	3.61±0.12 c	75.46±3.97 c
	OF	131.24±16.34 d	0.13±0.01 a	3.16±0.23 d	59.50±3.50 d
	BOF15	264.10±8.52 a	0.10±0.01 b	5.33±0.09 a	113.76±6.46 a
	BOF30	211.61±13.75 b	0.10±0.01 b	3.97±0.10 b	87.88±3.16 b
Y98	CF	87.23±7.20 c	0.11±0.01 b	1.13±0.10 c	26.30±3.59 c
	OF	62.35±6.53 d	0.13±0.01 a	0.73±0.12 d	17.66±1.30 d
	BOF15	205.81±14.56 a	0.09±0.01 c	1.75±0.09 a	57.95±3.97 a
	BOF30	116.57±13.33 b	0.08±0.01 c	1.44±0.10 b	34.99±2.09 b
显著性检验
处理		**	**	**	**
品种		**	**	**	**
处理×品种		*	ns	**	*

品种	处理	栽后第45天
品种	处理	总根长/cm	根系平均直径/mm	根系体积/cm³	根系总表面积/cm²
Y3	CF	208.95±17.28 c	0.11±0.01 c	3.25±0.08 c	72.64±2.89 c
	OF	134.73±10.24 d	0.13±0.01 ab	2.57±0.19 d	52.72±3.51 d
	BOF15	281.21±14.76 a	0.14±0.00 a	4.33±0.22 a	87.93±3.20 a
	BOF30	245.27±5.91 b	0.12±0.01 bc	3.67±0.10 b	81.10±2.38 b
Y98	CF	79.02±6.07 c	0.11±0.01 c	2.15±0.15 c	33.64±1.37 c
	OF	63.08±0.71 d	0.15±0.00 b	1.69±0.15 d	28.45±1.64 d
	BOF15	176.09±7.35 a	0.18±0.02 a	3.35±0.25 a	52.70±2.63 a
	BOF30	97.71±4.11 b	0.13±0.01 bc	2.58±0.09 b	38.46±0.61 b
显著性检验
处理		**	**	**	**
品种		**	**	**	**
处理×品种		**	**	ns	**

由表 2可知：甘薯栽后第25天、第35天、第45天时，Y3和Y98两个品种的总根长均呈现BOF15＞BOF30＞CF＞OF的变化趋势；其中，BOF15、BOF30处理的总根长显著长于CF、OF处理的，这表明炭基有机肥(尤其是BOF15处理)能显著促进根系生长，而有机肥的效果则弱于单施化肥的。

甘薯栽后第25天，两个品种的根系总表面积均表现为BOF30＞BOF15＞CF＞OF，各处理间差异显著。在栽后第35天和第45天，两个品种的根系总表面积均表现为BOF15＞BOF30＞CF＞OF，各处理间差异显著。在BOF15处理下，Y3品种的根系总表面积在第35天、第45天分别达到113.76、87.93 cm²，Y98品种的根系总表面积在第35天、第45天分别达到57.95、52.70 cm²。

甘薯栽后第25天，两个品种的根系体积表现为BOF30＞BOF15＞CF＞OF，各处理间差异显著。在栽后第35天、第45天，两个品种的根系体积表现为BOF15＞BOF30＞CF＞OF，各处理间差异显著。在栽后第45天，BOF15处理的两个品种的根系体积最大，分别为4.33、3.35 cm³。

甘薯栽后第25天，CF处理的根系平均直径显著大于其他处理的。在栽后第35天，OF处理显著促进了根系的增粗。在栽后第45天，根系平均直径表现为BOF15＞OF＞BOF30＞CF，其中BOF15处理的根系平均直径显著大于CF处理的。

以上结果表明，炭基有机肥(尤其是BOF15处理)能够显著促进甘薯根系的生长、根系表面积和体积的增大。

2.2 不同施肥处理对甘薯块根形成期糖类和淀粉含量的影响

栽后第45天，不同施肥处理的甘薯块根形成期糖类和淀粉的含量见图 1，图中不同小写字母表示各处理间差异显著(P＜0.05)，下同。

图 1

不同施肥处理的甘薯块根形成期糖类和淀粉的含量

由图 1可知：不同施肥处理的两个品种的根系中可溶性糖、蔗糖、淀粉含量差异显著，且均表现为OF＞BOF15＞BOF30＞CF；对于Y3品种，OF处理与CF处理相比，可溶性糖、蔗糖、淀粉含量分别增加了73.76%、74.79%、26.57%；对于Y98品种，OF处理与CF处理相比，可溶性糖、蔗糖、淀粉含量分别增加了61.64%、28.27%、14.48%。

2.3 不同施肥处理对甘薯块根形成期木质素含量的影响

栽后第45天，不同施肥处理的甘薯块根形成期木质素的含量见图 2。

图 2

不同施肥处理的甘薯块根形成期木质素的含量

由图 2可知：不同施肥处理的两个品种的甘薯根系中木质素含量差异显著，均表现为CF＞BOF30＞BOF15＞OF。BOF30、BOF15、OF处理与CF处理相比，对于Y3品种，木质素含量分别降低了5.45%、11.41%、18.73%；对于Y98品种，木质素含量分别降低了5.37%、11.89%、19.42%。结果表明，施用有机肥与炭基有机肥均降低了甘薯根系中木质素的含量，其中施用有机肥的效果最显著。

2.4 不同施肥处理对甘薯产量及其构成因素的影响

不同施肥处理的甘薯产量及其构成因素见表 3。

表 3

不同施肥处理的甘薯产量及其构成因素

品种	处理	产量/(kg·hm^-2)	单株薯质量/g	单株结薯数/块
Y3	CF	20 305.71±1 825.08 d	305.41±27.45 d	2.94±0.10 d
	OF	25 877.09±1 374.38 c	389.20±20.67 c	3.16±0.08 c
	BOF15	33 276.18±687.82 a	500.49±10.35 a	3.39±0.07 b
	BOF30	30 111.36±1 024.34 b	452.89±15.41 b	3.64±0.11 a
Y98	CF	34 803.90±638.38 d	523.47±9.60 d	2.66±0.07 d
	OF	37 359.00±1 099.89 c	561.90±16.54 c	3.09±0.09 c
	BOF15	43 603.69±1 041.30 a	655.82±15.66 a	3.40±0.02 b
	BOF30	39 998.81±863.62 b	601.60±12.99 b	3.58±0.08 a
显著性检验
处理		**	**	**
品种		**	**	**
处理×品种		**	*	*

由表 3可知：施肥处理与品种对甘薯产量、单株薯质量和单株结薯数的影响均达到极显著水平，且处理和品种的互作效应显著影响甘薯的块根产量、单株薯质量和单株结薯数；在Y3、Y98品种中，BOF15处理的甘薯块根产量及单株薯质量最高，分别为33 276.18、43 603.69 kg/hm²及500.49、655.82 g，显著高于其他处理的，且Y98品种的产量及单株薯质量明显高于Y3品种的；在Y3、Y98品种中，与CF处理相比，BOF15处理的甘薯产量分别显著增加了63.88%、25.28%；BOF30处理的单株结薯数最多，分别较CF处理的显著增加23.81%、34.59%，且该处理的单株结薯数与OF、BOF15处理的相比差异显著。以上结果表明，炭基有机肥能显著提高甘薯产量、单株薯质量和单株结薯数，且其效果优于有机肥的替代使用。

3 讨论

前人的研究表明，由于生物炭具有多孔结构和吸附特性，添加到炭基有机肥中可延缓化肥中养分的释放，改善土壤养分有效性，从而增强根系对养分的吸收能力，促进块根膨大^[15]。本试验中，BOF15处理显著提高了甘薯的根系总根长、总表面积和体积。这与刘柏延等^[16]的研究结果一致，生物炭可能通过改善土壤结构来促进甘薯根系发育。在块根分化阶段，木质素的沉积与细胞壁硬化密切相关。研究发现，木质化程度过高的不定根无法膨大形成块根，而适度的木质素沉积可维持维管组织的机械强度，促进水分和养分运输^[17]。本研究发现，OF处理在提升根系可溶性糖、蔗糖及淀粉含量和降低木质素积累方面表现最为显著，这可能是因为有机肥提供的速效碳源及矿化养分能够更直接地促进光合产物向根部的转运。同时，其缓释特性优化了糖代谢关键酶活性^[6]，从而促进了糖类和淀粉的积累。此外，有机肥还改善了根际微环境(如微生物活性提升)，这可能加速了木质素前体的降解，从而减少了细胞壁硬化的风险。而BOF15处理的产量显著高于OF处理的，这表明添加的生物炭通过其多孔结构可延缓养分释放、增强土壤保水性^[7]，使糖类物质能够更高效地转化为支持块根膨大的储备性碳水化合物。同时，生物炭对土壤物理结构的改良(如降低容重、增加孔隙度)，可以进一步促进根系扩展，为高产奠定形态基础。

然而，生物炭的施用效果并非呈线性增加。本研究中，BOF30处理的增产效果略低于BOF15处理的，可能与高比例生物炭导致土壤pH升高或养分吸附过强有关^[18]。这一现象表明，生物炭与有机肥的配比需控制在适宜范围内，过量施用可能会抑制甘薯生长，这与施立善等^[12]提出的生物炭施用量阈值理论一致。Y3、Y98品种在产量提升上表现有差异，可能与品种间遗传差异对炭基有机肥的响应不同有关，这与施立善等^[12]关于甘薯农艺性状对生物炭敏感性差异的研究一致。

4 结语

本研究结果表明，炭基有机肥能够促进甘薯块根形成期根系的生长，提高根系中淀粉、可溶性糖和蔗糖的含量，降低木质素的含量，从而促进块根膨大和干物质积累，并显著提高甘薯收获期的产量。其中，15%生物炭配比处理对甘薯块根形成和产量的提升效果最好，是实现甘薯高产的最优施肥模式。

ckwx 参考文献

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.

Food and Agriculture Organization of the United Nations. FAOSTAT[DB/OL]. [2025-06-10]. https://www.fao.org/faostat/en/#rankings/countries_by_commodity.

李敏, 刘亚军, 王文静, 等. 无机肥与有机肥配施对甘薯生理特性及产量构成因素的影响[J]. 江苏农业科学, 2023, 51(16): 91-98.

魏猛, 张爱君, 诸葛玉平, 等. 长期不同施肥对黄潮土区冬小麦产量及土壤养分的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(2): 304-312.

王文丽, 靳海波, 李娟, 等. 生物有机肥料对连作马铃薯根际营养及生长发育的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2018(6): 187-191.

邓仁菊, 尹旺, 罗密, 等. 不同有机肥对甘薯产量、品质及土壤肥力的影响[J]. 热带作物学报, 2024, 45(2): 351-361.

HOSSAIN M Z, BAHAR M M, SARKAR B, et al. Biochar and its importance on nutrient dynamics in soil and plant[J]. Biochar, 2020, 2: 379-420.

程双煜, 张博琳, 康琦瑾, 等. 生物炭施用对农田土壤改良的研究综述与展望[J]. 农业与技术, 2025, 45(18): 100-105.

QIAN S X, ZHOU X R, FU Y K, et al. Biochar-compost as a new option for soil improvement: application in various problem soils[J]. Science of the Total Environment, 2023, 870: 162024.

任少勇, 王姣, 黄美华, 等. 炭基肥对马铃薯品质和产量的影响[J]. 中国农学通报, 2014, 30(6): 233-237.

刘超, 魏永霞. 秸秆生物炭对寒地黑土区玉米生长发育及耗水规律的影响[J]. 中国农村水利水电, 2015(4): 5-8.

施立善, 朱蕴晨, 尚赏, 等. 不同用量生物炭对甘薯农艺性状及产量的影响[J]. 安徽农学通报, 2021, 27(17): 112-115.

张志良, 李小方. 植物生理学实验指导[M]. 5版. 北京: 高等教育出版社, 2016.

徐倩, 段文学, 张海燕, 等. 施氮量对鲜食型甘薯根系生长与干物质积累分配的影响[J]. 山东农业科学, 2018, 50(8): 86-90.

MATISIC M, DUGAN I, BOGUNOVIC I. Challenges in sustainable agriculture—the role of organic amendments[J]. Agriculture, 2024, 14(4): 643. doi:10.3390/agriculture14040643

刘柏延, 陈姗姗, 苏丽影, 等. 生物炭对甘薯生长和产量性状的影响[J]. 东北农业科学, 2023, 48(5): 117-121.

RAVI V, CHAKRABARTI S K, MAKESHKUMAR T, et al. Molecular regulation of storage root formation and development in sweet potato[J]. Horticultural Reviews, 2014, 42: 157-208.

GUO M, SONG W, TIAN J. Biochar-facilitated soil remediation: mechanisms and efficacy variations[J]. Frontiers in Environmental Science, 2020, 8: 521512. doi:10.3389/fenvs.2020.521512