保水剂和氮肥配施对马铃薯生长和水肥利用的影响

穆俊祥,曹兴明,刘拴成(集宁师范学院 生物系,内蒙古 乌兰察布 012000)

保水剂和氮肥配施对马铃薯生长和水肥利用的影响

穆俊祥,曹兴明,刘拴成
(集宁师范学院 生物系,内蒙古 乌兰察布 012000)

为探讨乌兰察布地区马铃薯生产中节水抗旱和水肥高效利用模式,通过田间试验设置2个保水剂水平(0、45 kg/hm2)、5个氮素水平(0、120、140、160、180 kg/hm2)共10个处理,研究保水剂和氮肥配施对马铃薯生长和水肥利用的影响。结果表明:同一施氮水平下,总体上施用保水剂处理马铃薯冠幅、总生物量、土壤贮水量、马铃薯产量、商品率、水分利用效率、水分产出效率和氮素农学利用率均显著增加;同一保水剂用量水平下,总体上马铃薯冠幅和生物量随着氮肥用量的增加而增加,但马铃薯产量、商品薯产量、商品率、水分利用效率、水分产出效率、氮素农学利用率总体均随着氮肥用量的增加先增加后降低,均以保水剂45 kg/hm2+氮素160 kg/hm2处理最高,分别为19 083 kg/hm2、16 290 kg/hm2、85.4%、24.6 kg/(mm·hm2)、69.0 kg/(mm·hm2)、19.5 kg/kg，分别较对照(不施氮肥和保水剂处理)提高33.8%、102.0%、51.2%、49.1%、38.0%。综合考虑，该处理是乌兰察布地区马铃薯生产中最适宜的保水剂与氮素配施组合。

保水剂; 氮肥; 马铃薯; 水分利用效率; 氮素农学利用率

乌兰察布市地处内蒙古高原,由于其特有的地理位置和气候条件,非常适宜马铃薯种植。目前,该地区马铃薯种植面积和总产量在全国地级市排名第一,已成为全国重要的种薯、商品薯和加工专用薯基地[1]。2015年12月,“乌兰察布马铃薯”地理标志产品成功入选中国品牌价值评价信息榜,在初级农产品类地理标志产品中排名17位,品牌价值105.66亿元,马铃薯产业已成为推动该地区经济发展的主导产业之一。但该地区为干旱半干旱地区,水资源亏缺且土壤贫瘠,严重限制了区内马铃薯的产量和经济效益。因此,充分利用有限的水资源和节水保肥技术是提高该地区马铃薯产量和经济效益的重要途径。

研究表明,保水剂可调节降水的季节分配,改善土壤水分状况,提高作物产量和水分利用效率(WUE),同时保水剂可促进植株对氮、磷、钾等养分的吸收[2-5];适宜氮素可提高植物叶片光合作用,增加干物质积累,显著提高作物产量及水分利用效率[6-25];保水剂和氮肥合理配施不但可以显著提高小麦的千粒质量、产量及水分生产效率[26],还可大幅提高肥料利用率,降低肥料损失[27]。目前,在马铃薯生产中有关保水剂和氮肥配施的研究非常少。俞满源等[28]研究发现,保水剂与施肥的交互作用增加马铃薯花期生物积累量,延长茎叶生育期,且增产效果显著。而有关保水剂和氮肥配施对马铃薯整个生育期生长状况、节水节肥效果的研究却未见报道。为此,研究保水剂和氮肥配施对马铃薯生长状况和水肥利用的影响,旨在为乌兰察布地区马铃薯生产中保水剂与氮肥的合理应用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于集宁师范学院园艺实训基地,地处阴山山脉灰腾梁南麓,海拔高度1 417 m,年平均气温4.4 ℃,年日照时间为3 130 h,近10 a平均降水量约360 mm,无霜期130 d。试验地土壤类型为砂壤土,土壤理化性质为:有机质9.10 g/kg、碱解氮 93.16 mg/kg、速效磷23.23 mg/kg、速效钾183.65 mg/kg、pH值7.09、0～80 cm土层土壤容重1.34 g/cm3。

1.2 试验设计

供试马铃薯品种为乌兰察布主栽品种克新1号(乌兰察布种子管理站提供)。试验设置保水剂用量和氮素用量2个因素,结合刘殿红等[29]研究结果,保水剂用量设2个水平:0、45 kg/hm2;结合穆俊祥等[30]研究结果,氮素(纯N)用量设5个水平:0、120、140、160、180 kg/hm2,以不施氮肥和保水剂处理为对照,共10个处理,每个处理3次重复,随机区组设计,小区面积为20 m2。保水剂为任丘市广汇化工有限公司购买的白色晶体(主要成分为丙烯酸盐聚合交联物和丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物)。根据苟春林等[31]研究结果,保水剂和尿素配施节水保肥效果优于其他氮肥,故本试验选用尿素作为氮肥。保水剂于马铃薯出齐苗时(7月2日)在幼苗周围5 cm挖深15 cm穴撒入;尿素一半作为基肥,和有机肥(腐熟羊粪,含N 0.61%、P2O50.42%、K2O 0.22%)20 000 kg/hm2、磷酸二铵(含N 18%、P2O546%)240 kg/hm2、硫酸钾(含K2O 50%)220 kg/hm2混合一起施入,另一半于块茎形成期作为追肥施入。

马铃薯于2014年5月9日播种,株、行距为40 cm×50 cm,基本苗为50 000株/hm2,于9月25日收获。全生育期不灌水,利用自然降水,试验年份马铃薯生育期内该地区降水量为288 mm，且降水量主要集中于7、8、9月，总体上与近10 a该地区降水量平均数(287 mm)相当，其中8月份降水量略低于近10 a平均数，9月份降水量略高于近10 a平均数。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 生长发育指标 在马铃薯苗期(7月5日)、块茎形成期(7月23日)、块茎膨大期(8月15日)、淀粉积累期(9月10日)和收获期(9月25日),每小区取样3株,分别测定其蔓延南北、东西距离并计算冠幅(南北距离乘东西距离),后取回实验室用自来水冲洗,滤纸吸水,按叶片、地上茎、地下茎、块茎将各器官分开,取样于105 ℃杀青30 min,然后80 ℃烘干至恒质量,称质量,计算单位面积总生物量。

1.3.2 马铃薯产量和商品率 按小区实收计算马铃薯块茎鲜产量,并计算氮素农学利用率[32],氮素农学利用率=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮量;并进行商品薯(薯块质量≥60 g)分级，计算商品率和商品薯产量。

1.3.3 土壤贮水量、田间耗水量和水分利用及产出效率 在马铃薯播种和收获时每小区按20 cm土层分层取样,测定0～80 cm土层土壤含水量,并根据不同土层土壤容重计算不同土层土壤贮水量(W)[33]:W=h×a×b×10,式中h为土层深度,a为土壤容重,b为土壤含水量。0～80 cm土层土壤贮水量为0～20、20～40、40～60、60～80 cm土层土壤贮水量之和。

马铃薯田间耗水量(ET)计算公式[3]为:ET=P+W1-W2,式中P为生育期内降雨量,W1为播种时土壤贮水量,W2为收获后土壤贮水量。

水分利用效率(WUE)计算公式[3]为:WUE=B/ET,式中B为总生物量。

水分产出效率(A)计算公式[3]为:A=Y/ET,式中Y为块茎产量。

1.4 数据分析

数据采用SPSS 19.0和Excel 2003进行处理分析,方差分析采用单因素方差分析,多重比较采用Duncan氏新复极差法。

2 结果与分析

2.1 保水剂和氮肥配施对马铃薯生长发育的影响

如表1所示,与对照相比,施用保水剂和氮肥对马铃薯各生育时期总生物量和除苗期以外其他生育时期冠幅均有显著影响。与不施保水剂处理相比,施用保水剂后马铃薯苗期、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期的平均冠幅和总生物量分别增加2.15%、11.07%、14.62%、14.25%和5.22%、11.43%、15.57%、25.49%,总体上随着生育期的推进,保水剂对马铃薯生长的影响越来越明显;在相同的施氮水平下,总体上除苗期外施用保水剂均显著提高了马铃薯的冠幅和总生物量。在同一保水剂施用水平下,在块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期,在施氮量为0～160 kg/hm2时马铃薯冠幅及总生物量总体上均随着氮肥用量的增加显著增加,且施用保水剂处理比不施用保水剂处理的增幅大；但当氮素用量超过160 kg/hm2时，冠幅和总生物量增加不显著,甚至降低。这说明保水剂和适宜用量的氮肥更有利于促进马铃薯的生长,氮肥用量过大对马铃薯生长促进作用不大甚至起到抑制作用。在苗期马铃薯冠幅和总生物量变化不显著是由于马铃薯苗期的生长主要依赖种薯内部的水分和养分,保水剂和氮肥的作用还未体现所致。综合考虑,保水剂45 kg/hm2+氮素160 kg/hm2处理最有利于马铃薯生长。

表1 保水剂和氮肥配施对马铃薯生长发育的影响

注:同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同。

2.2 保水剂和氮肥配施对马铃薯产量和商品率的影响

从表2可以看出,和对照相比,施用保水剂和氮肥后马铃薯产量、商品薯产量、商品率和收获时总生物量都显著增加。在相同施氮水平下,施用保水剂处理的产量、商品薯产量、商品率和收获时总生物量都显著高于不施保水剂处理。在相同保水剂用量条件下,马铃薯产量和总生物量在施氮量为0～160 kg/hm2时随着施氮量的增加显著增加,但施氮量超出160 kg/hm2时马铃薯产量和总生物量增加不显著;马铃薯商品薯产量和商品率在施氮量为0～160 kg/hm2时随着施氮量的增加也显著增加,当施氮量增加到180 kg/hm2时反而显著降低,说明适宜用量的氮肥更有利于促进马铃薯商品薯产量和商品率的增加,当氮素过量时地上部分营养生长过剩,地下块茎的生长减弱从而导致商品薯产量和商品率下降。综合考虑,保水剂45 kg/hm2+氮素160 kg/hm2组合处理最佳,其马铃薯产量、商品薯产量和商品率分别比对照增加33.8%、102.0%和51.2%。

表2 保水剂和氮肥配施对马铃薯产量和商品率的影响

2.3 保水剂和氮肥配施对马铃薯收获期土壤含水量的影响

在马铃薯收获期对0～80 cm土层土壤含水量进行分析(表3)发现,总体来看, 在相同施氮水平下,由于保水剂的吸水、保水功能,施用保水剂处理0～80 cm土层土壤含水量显著高于未施保水剂处理。同一处理，不同土层间土壤含水量差异明显,20～40 cm和40～60 cm土层土壤含水量高于0～20 cm和60～80 cm土层含水量,这是由于地表蒸发量较大，且自然降水量少故其只能下渗到20～60 cm土层处。在未施保水剂处理中,总体上随着施氮量的增加各土层土壤含水量降低,这是由于未施保水剂处理土壤水分较为缺乏，同时氮肥的溶解需要吸收水分，从而导致土壤含水量下降；但在施用保水剂处理中，各土层土壤含水量在施氮量0～160 kg/hm2时随着施氮量增加而增加, 施氮量160 kg/hm2时最高，之后当施氮量增加到180 kg/hm2时土壤含水量降低,这可能是因为保水剂吸收较高浓度的氮肥之后水分吸收减少,导致提供给植株的氮肥和水分同时降低[27]。综上,在保水剂45 kg/hm2+氮素160 kg/hm2组合处理下20～60 cm土层土壤含水量最高,有利于马铃薯水分利用。

表3 保水剂和氮肥配施对马铃薯收获期0～80 cm土层土壤含水量的影响

保水剂用量/(kg/hm2)氮素用量/(kg/hm2)土壤含水量/%0～20cm20～40cm40～60cm60～80cm0011．79e13．30d13．78cd11．67b12011．96de13．37d13．48e11．09c14011．42f13．20d12．74f10．98c16011．06g12．88e12．38g10．66d18010．72h12．47f12．04h10．68d45012．09d13．37d13．85c12．10a12012．38c13．67c14．15b12．22a14012．72ab14．02ab14．21b12．22a16012．89a14．19a14．47a12．26a18012．56bc13．89bc13．61de11．75b

2.4 保水剂和氮肥配施对马铃薯水肥利用效率的影响

由表4可知,同一施氮水平下,收获时施用保水剂处理的土壤贮水量显著高于未施保水剂处理;未施保水剂处理田间土壤贮水量随氮素用量的增加而减少,施用保水剂处理田间贮水量随氮素用量的增加先增加后减少,以保水剂45 kg/hm2+氮素160 kg/hm2组合处理最高。同一施氮水平下,马铃薯全生育期田间耗水量表现为未施保水剂处理显著高于施用保水剂处理;未施保水剂处理田间耗水量随氮素用量的增加而增加,施用保水剂处理田间耗水量随氮素用量的增加先降低后增加,以保水剂45 kg/hm2+氮素160 kg/hm2组合处理最低。

同一施氮水平下,施用保水剂处理马铃薯水分利用效率和水分产出效率均显著高于不施保水剂处理,在氮素用量0、120、140、160、180 kg/hm2条件下,施用保水剂处理水分利用效率和水分产出效率分别比未施保水剂处理显著提高21.8%、25.1%、25.6%、28.1%、24.5%和13.2%、15.3%、16.8%、18.6%、19.9%;同一保水剂用量条件下,总体上马铃薯水分利用效率和水分产出效率均随着施氮量的增加先增加后降低,均以保水剂45 kg/hm2+氮素160 kg/hm2组合处理最高,分别比对照提高49.1%和38.0%。

同一施氮水平下,施用保水剂处理马铃薯氮素农学利用率总体上均显著高于未施保水剂处理, 在氮素用量120、140、160、180 kg/hm2条件下,施用保水剂处理氮素农学利用率分别比未施保水剂处理提高43.1%、20.7%、20.4%、21.3%;同一保水剂用量条件下,马铃薯氮素农学利用率随着氮素用量增加先增加而后降低,以保水剂45 kg/hm2+氮素160 kg/hm2组合处理氮素农学利用率最高,为19.5 kg/kg。

表4 保水剂和氮肥配施对马铃薯水肥利用效率的影响

3 结论与讨论

氮素是影响作物生长发育最重要的因素之一,在适度范围内增施氮肥可促进马铃薯生长发育并提高马铃薯产量、品质和商品率[30，34]。保水剂具有吸水、保水和保肥的功能,可改善土壤水分和养分环境,促进作物生长[6,29,35]。本研究结果表明,在氮素用量为0～160 kg/hm2时，总体上随着氮肥用量增加马铃薯冠幅、总生物量、产量、商品薯产量和商品率均显著增加,同时在保水剂的配合下，上述指标较不施保水剂处理显著增加,这与前人[3-6,29]研究结果相符；但当氮素用量超过160 kg/hm2时,产量、总生物量无显著变化,商品薯产量和商品率显著下降,这说明保水剂和氮肥配施表现出水分和养分间较好的协同和叠加效应,从而更能促进马铃薯生长发育,这与徐刚等[27]、俞满源等[28]、耿宏焯等[36]在辣椒、马铃薯、咖啡等作物上的研究结果类似,这一结论对保水剂和氮素肥料合理配施实现水肥同步、提高作物产量具有现实指导意义。

研究表明，施用保水剂可改善土壤结构,提高土壤含水量和水分利用效率[3,6,37]。本研究结果表明，同时施用保水剂和适量氮肥后土壤贮水量、水分利用效率和水分产出效率较仅施氮肥不施保水剂处理显著提高,说明保水剂与适宜氮肥配施更有利于马铃薯对水分的吸收与利用,可获得较高的产量和生物量,其水分利用效率和水分产出效率也相应提高,这与张扬等[3]研究结果基本一致,但本研究中有关土壤贮水量的变化和杨永辉等[26]研究的结果不一致,这可能是由于降水时间和土壤含水量测定时间差异造成,还需进一步研究。同时施氮量过高总体上水分利用效率和水分产出效率反而下降,这也与徐刚等[27]、杨永辉等[26]和牛晓丽等[38]在辣椒、冬小麦和番茄上的研究结果类似,这是因为氮素可改变干旱条件下作物根系的生长行为,降低根源ABA浓度,提高作物吸水能力,但当施氮量过高时,渗透调节作用下降,膜透性增大,进而导致水分利用效率下降[39]。

在本试验条件下,保水剂和氮肥配施显著提高了马铃薯产量,相应地提高了马铃薯氮素农学利用率,并且所有处理中保水剂45 kg/hm2和氮素用量160 kg/hm2配施处理最高,这说明采用保水剂与适量氮肥配施的方式可显著提高氮肥利用率,但氮素用量过大时由于保水剂吸收较高浓度的氮肥之后水分吸收减少,因此供给植株的氮肥量降低,从而降低氮肥利用率[27]。所以,保水剂与氮肥配施,不但可以提高肥料养分利用率,更重要的是可减少肥料过度使用、降低环境污染。综上，在乌兰察布地区以保水剂45 kg/hm2+氮素160 kg/hm2处理更有利于马铃薯生长和水肥利用。

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Effects of Combined Application of Water-retaining Agent and Nitrogen Fertilizer on Growth and Water and Fertilizer Utilization of Potato

MU Junxiang,CAO Xingming,LIU Shuancheng
(Department of Biology,Jining Normal University,Wulanchabu 012000,China)

In order to explore the optimal mode of water-saving,drought resistance and efficient use of water and fertilizer for potato in Wulanchabu,a field experiment was carried out to study the effect of the combined application of water-retaining agent and nitrogen fertilizer on the growth and water and fertilizer utilization of potato.There were ten treatments,including two water-retaining agent levels (0,45 kg/ha) and five nitrogen levels (0,120,140,160,180 kg/ha).The results indicated that on the whole,potato crown width,biomass,soil moisture content,yields,commodity rate,water use efficiency,water production rate and agronomic nitrogen use efficiency of treatments with water-retaining agent increased significantly,compared with the treatment without water-retaining agent with the same nitrogen amount;at the same level of the water-retaining agent,with the increase of nitrogen dosage,potato crown width and biomass increased but potato yield,commodity potato yields,commodity rate,water utilization efficiency, agronomic nitrogen use efficiency and water production rate were first increased and then reduced,and reached the highest value under the treatment with water-retaining agent of 45 kg/ha and nitrogen application of 160 kg/ha,which were 19 083 kg/ha,16 290 kg/ha,85.4%,24.6 kg/(mm·ha),69.0 kg/(mm·ha),19.5 kg/kg,respectively,and increased by 33.8%,102.0%,51.2%,49.1%,38.0% compared with CK without water-retaining agent and nitrogen fertilizer,respectively.In consideration of the comprehensive performance of the parameters,the treatment with water-retaining agent of 45 kg/ha and nitrogen application of 160 kg/ha was the best for the production of potato in Wulanchabu.

water-retaining agent; nitrogen fertilizer; potato; water utilization efficiency; agronomic nitrogen use efficiency

2016-03-20

内蒙古自治区高等学校科研项目(NJZY14301)

穆俊祥(1978-)，男，内蒙古四子王旗人，副教授，硕士，主要从事园艺植物栽培及土壤肥料等方面研究。 E-mail:tlmjx@sina.com

S143.1;S482.99;S532

A

1004-3268(2016)09-0035-06