有机肥替代部分化肥对甘肃省中部沿黄灌区马铃薯产量、土壤矿质氮水平及氮肥效率的影响

高怡安，程万莉，张文明，李亚娟，沈宝云，王蒂，邱慧珍

(1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃省干旱生境作物学重点实验室,甘肃 兰州　730070；2.甘肃农业大学草业学院,甘肃 兰州　730070；3.景泰条山农场农科所，甘肃 白银　730400；4.甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室,甘肃 兰州　730070;5.甘肃农业大学农学院,甘肃 兰州　730070)



有机肥替代部分化肥对甘肃省中部沿黄灌区马铃薯产量、土壤矿质氮水平及氮肥效率的影响

高怡安1，程万莉1，张文明1，李亚娟2，沈宝云3，王蒂4,5，邱慧珍1

(1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃省干旱生境作物学重点实验室,甘肃 兰州730070；2.甘肃农业大学草业学院,甘肃 兰州730070；3.景泰条山农场农科所，甘肃 白银730400；4.甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室,甘肃 兰州730070;5.甘肃农业大学农学院,甘肃 兰州730070)

摘要：【目的】 为提高肥料的利用率，减少过量施用化肥的负面作用.【方法】 通过田间试验研究了不同有机肥替代部分化肥对马铃薯块茎产量、氮肥利用效率和土壤矿质氮含量的影响.【结果】 有机肥替代部分化肥的各处理产量均高于100%化肥的处理(T2)，以200 kg/667m2普通有机肥替代10%化肥处理(T3)的增产幅度最大，为12.6%;单施有机肥在短期内不能提高马铃薯块茎产量.有机肥替代部分化肥可提高N肥利用效率，以200 kg/667m2普通有机肥替代20%化肥处理(T5)最高，比T2提高了24.8%.与不施肥的对照(T1)和单施有机肥的处理(T9和T10)相比，施用化肥能明显提高0～40 cm土层硝态氮的含量.不同处理未对土壤铵态氮含量造成显著影响.0～40 cm土层矿质氮变化量与化肥施肥比例呈显著正相关.【结论】 有机肥替代部分化肥能够保持(提高)产量，其中以200 kg/667m2有机肥替代10%～30%化肥为宜.

关键词：马铃薯；有机肥；矿质氮；产量

世界马铃薯(Solanumtuberosum)的种植面积达到 0.187×108hm2，总产量为 3.3×108t， 是仅次于玉米、小麦和水稻的全球第4大粮食作物，其总产量和产值均占粮食作物的 13%左右[1-2].中国是马铃薯生产大国，马铃薯是甘肃省第三大农作物，自2003年以来，甘肃省马铃薯种植面积稳居全国第二，总产稳居全国第一.马铃薯近些年出现专业化、规模化、商品化生产，马铃薯产业已成为甘肃省旱作农业区农民脱贫致富和增加收入的重要产业[3-4].

甘肃省中部马铃薯主产区的肥料施用以尿素、过磷酸钙和复合肥等化肥为主，越来越多的农民依靠增加化肥的投入以期保持和提高产量，而有机肥提供的养分比例不断减少，甚至不用有机肥[5].长期大量单施化肥造成土壤理化性质变差，土壤残留矿质氮增加，环境风险日益增大.用一定量的有机肥料替代部分化学肥料，对于保证作物产量、提高品质、改善土壤理化性质起着重要的作用[8-9].

国内不同有机肥替代部分化肥的研究在水稻、棉花、烤烟、番茄和玉米等[7，15-17，21]作物上已经进行了大量的研究，得到有机肥替代部分化肥能够提高作物产量和品质，同时还能够提高肥料利用效率和改善土壤环境等.而且已有的研究指出，有机肥替代化肥的比例不同，对作物产量和改善土壤理化性质的效果也不尽相同，并非有机肥所占比例越高越好，需要寻找替代的最佳比例[10-11].有机肥替代部分化肥对马铃薯影响的研究鲜见报道，有机肥在马铃薯生产中的作用还不明确.本研究在甘肃省景泰县条山农场进行了大田试验，研究不同有机肥替代部分化肥对马铃薯产量、氮肥利用率及土壤矿质氮的影响,以明确有机肥替代化肥最佳比例，在保证提高产量的同时，减少化肥用量、降低土壤中矿质氮的水平，提高氮肥利用率.

1材料与方法

1.1试验地概况

田间试验于2014年4月～9月在甘肃省中部沿黄灌区的白银市景泰县条山农场进行，位于N 37°12′，E 104°1′，海拔1 631 m，年平均气温为9.1 ℃，无霜期在141 d左右，属温带大陆性干旱气候.年平均降水量为185.6 mm，年平均蒸发量为1 722.8 mm，年平均日照时数2 713 h，该地区光热资源丰富，日照百分率62%，太阳年平均辐射量147.8 kcal/cm2，≥0 ℃的年活动积温3 614.8 ℃，≥10 ℃的有效积温3 038.2 ℃，是我国除青藏高原外光热资源最丰富的地区之一.该区土壤类型为灰钙土，质地为砂壤.供试土壤基本理化性质见表1.

1.2试验设计

本试验设10个处理:T1:对照，不施肥处理(CK)；T2:100%化肥(100%CF)；T3:90%化肥+普通有机肥(90%CF+OF)；T4:90%化肥+“爸爱我”生物有机肥(90%CF+BOF)；T5:80%化肥+普通有机肥(80%CF+OF)；T6:70%化肥+普通有机肥(70%CF+OF)；T7:80%化肥+“爸爱我”生物有机肥(80%CF+BOF)；T8:70%化肥+“爸爱我”生物有机肥(70%CF+BOF)；T9:普通有机肥(OF)；T10:“爸爱我”生物有机肥(BOF).

表1　试验地土壤基础理化性质

*表示pH为水土比5∶1)时的测定值.

每个处理设 4次重复，完全随机区组排列.普通有机肥(OF)和“爸爱我”生物有机肥(BOF)施用量均为200 kg/667m2，100%化肥处理，用量为N 210 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶0.7∶1.1，化肥分别用撒可富复合肥(15-15-15)、尿素(N，46%)、磷酸二铵(18-46-0)，普通有机肥为白银鑫昊工贸有限公司提供的有机肥(N∶P2O5∶K2O=7.4∶1.2∶1.8，有机质含量为49.2%)，生物有机肥由江苏新天地生物肥料工程中心有限公司提供的“爸爱我”生物有机肥(N∶P2O5∶K2O=5.9∶3.9∶1.8，有机质含量为52.2%).2014年4月29日播种，马铃薯种薯品种为‘大西洋’(Atlantic)，由甘肃省白银市景泰县条山农场提供.采用宽垄双行覆膜种植，播种前一天切种薯，并用1.5%浓度的高锰酸钾溶液浸泡消毒，垄宽1.35 m，行距70 cm，株距20 cm，小区面积为5.4 m×7 m(4垄8行).种植密度约为5 000株/667m2.所有肥料均在播种时混匀后一次性基施:将化肥按比例混合均匀洒到小区地表，而后将肥料翻入0～20 cm的表层土壤中，其余各化肥处理小区依次减量而行.有机肥称量好后直接均匀洒到马铃薯的播种沟内，而后覆土2 cm，避免肥料和种薯的直接接触.起垄而后覆膜，无追肥，其余栽培、灌溉和田间管理措施均按农场习惯方法统一进行，各地块保持一致，播种和施肥过程均由人工进行.

在马铃薯花期、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期和成熟期，分小区按0～20、20～40、40～60 cm土层用土钻在垄上2行马铃薯植株之间随机采集土壤样品，小区取5点，混匀，去掉石子植物残体等杂物，用密封袋装好，带回实验室，过2 mm筛，经四分后，一部分烘干法测含水量[12]，一部分放入4 ℃冰箱冷藏备用.9月6号，各小区随机选取长势一致的4株马铃薯植株，分别测定：株高、茎围、主茎数、单株结薯数，单株结薯质量，平均单薯质量.9月10号收获，各小区实测记产.

1.3测定指标与方法

植株各器官全氮含量：收获前每个小区随机选取5株有代表性长势均匀的马铃薯植株，装袋带回实验室，考种后，分地上茎、叶、地下茎、根、块茎洗净，称质量，分别用牛皮纸档案袋装好，置于105 ℃烘箱中杀青30 min，以80 ℃恒温烘干至恒质量，称干样质量，同一小区同一器官干样混合粉碎，过0.2 mm筛，采用H2SO4-H2O2消煮，半微量凯式定氮法测定植株各器官全氮含量.

土壤铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)含量：用0.01 mol/L CaCl2浸提，注射流动分析仪测定，仪器型号为德国Bran Luebbe GmbH公司产AA3注射流动分析仪[13].

1.4计算方法与数据处理

氮收获指数(%)=(块茎吸氮量/作物吸氮量)×100%

氮素吸收效率(kg/kg N)=作物吸氮量/施氮量

氮肥利用率(%)=(施氮处理吸氮量-不施肥处理吸氮量)×100/施氮量

氮肥农学利用率(kg/kg N)=(施氮处理产量-不施肥处理产量)/施氮量[14]

式中“不施肥处理吸氮量/产量”，在施用有机肥各处理计算时，应当减去相应的“施纯有机肥处理吸氮量/产量”.

所有数据采用 Microsoft Excel 2007计算、统计和作图，用 SPSS 19.0软件进行方差和相关性分析， Duncan’s新复极差法进行多重比较.

2结果与分析

2.1有机肥替代部分化肥对马铃薯产量及产量构成因素的影响

收获后对试验各小区马铃薯的块茎产量、株高、分支数、茎粗、单株块茎数、单株薯质量等产量及产量构成因素的测定结果见表2，3.可以看出，有机肥替代部分化肥各处理的块茎产量均高于纯化肥处理，除T9和T10处理外，各施肥处理产量显著高于T1处理，其中T3(90%CF+OF)处理产量最高，相比T1处理提高了43.8%，相比T2处理提高了12.6%.T9(OF)和T10(BOF)处理产量高于T1处理，分别提高了17.9%和5%，但均低于纯化肥处理T2.配施普通有机肥处理要略优于配施生物有机肥处理，同一替代比例下配施普通有机肥产量要比配施生物有机肥高6.7%(90%CF)、2.7%(80%CF)、2.8%(70%CF)、12.4%(纯有机肥).

不同处理间株高和分支数无显著差异，从数值上来看，有机肥替代部分化肥各处理比T1、T2、T9和T10要高；施有机肥各处理间的茎粗无显著差异，但是均显著高于T1处理和T2处理；各处理间单株块茎数无显著差异，施化肥各处理间单株块茎质量无显著差异，但是均显著高于对照处理和纯有机肥处理.总体来看，有机肥替代部分化肥有利于马铃薯的生长.统计表明：茎粗和单株薯质量与块茎产量具有极显著的线性相关，相关系数分别为0.810和0.866.株高和分支数与块茎产量具有显著的线性相关，单株块茎数与块茎产量没有显著相关性.

表2　不同施肥处理对马铃薯产量及其构成因素的影响

表3　块茎产量与其他因素的相关性分析(n=40)

2.2有机肥替代部分化肥对马铃薯氮肥效率的影响

不同施肥处理马铃薯氮肥效率如表4所示.从氮收获指数上来看，相对于对照，各处理值都比较高，表明收获时马铃薯块茎的N积累量在植株总N积累占比最大.其中T1处理最低，T10处理最高，其他各处理的收获指数和施化肥比例没有相关性.有机肥替代部分化肥各处理的氮肥利用效率均高于T2处理，说明有机肥替代部分化肥能够提高马铃薯对氮肥吸收效率.普通有机肥与生物有机肥之间没有差异.氮肥利用效率上看，有机肥替代部分化肥各处理均显著高于T2处理，表明有机肥替代部分化肥有利于提高马铃薯对氮肥的利用率.各有机肥部分替代化肥处理的氮肥农学利用效率明显高于T2处理，其中以T8处理最高，达到49.1 kg/kg N.生物有机肥替代部分化肥各处理的氮肥农学利用效率均明显高于对应的普通有机肥处理.同种有机肥不同替代比例上来看，随着有机肥替代比例的增加，氮肥农学利用效率表现出提高的趋势.

表4　不同施肥处理对马铃薯氮肥效率的影响

2.3有机肥替代部分化肥对马铃薯土壤矿质氮的影响

2.3.1土壤铵态氮时空分布特征不同施肥处理土壤的铵态氮和硝态氮见图1.可以看出，有机肥替代部分化肥处理对土壤铵态氮没有明显的影响.整体来讲，土壤铵态氮含量很低，随着土层加深，铵态氮表现出降低的趋势.0～20 cm土层铵态氮总体随生育期推进而增加，20～40 cm土层铵态氮呈先增加后降低的变化趋势，以7月20号最高.40～60 cm的铵态氮也呈先增加后降低的趋势，其最高值出现在8月8号.0～60 cm土层铵态氮含量随土壤深度缓慢的下降.

2.3.2土壤硝态氮时空分布特征由图1可以看出，不同施肥处理的硝态氮含量明显不同，3个土层的结果均表现出T1、T9、T103个处理的硝态氮含量显著低于其他各处理，表明施用化肥能明显提高马铃薯土壤硝态氮含量，其含量随生育期和土层深度的变化而变化.各处理硝态氮在7月5号至7月20号下降明显，在7月20号至8月20号基本保持稳定趋势.施化肥各处理较对照与施纯有机肥差异达到显著水平，与施化肥量达到了显著性相关性.从0～20 cm土层硝态氮来看，T2处理硝态氮在整个生育期呈下降趋势，其他有机肥部分替代化肥各处理硝态氮是呈下降-平缓-下降的趋势，表明有机肥能够缓冲土壤中硝态氮的变化.7月5号时，T2、T3和T4处理0～20 cm硝态氮要高于T5、T6、T7和T8，这表明施用化肥量越多，土壤积累的硝态氮越多.9月6号有小幅下降.20～40 cm和40～60 cm土层硝态氮有一个微弱上升的趋势，这可能是因为0～20 cm土层中硝态氮淋洗的作用.但是在9月6号有明显的降低，这可能是因为处在耕作层的硝态氮含量减少到一定程度，0～20 cm土壤向下淋洗作用减小，而20～60 cm土层中的硝态氮继续向下淋洗所致.

图1　各处理土壤中矿质氮动态Fig.1　Dynamics of soil Nmin content during treatments

2.4土壤矿质氮与施肥之间的关系

马铃薯种薯在起垄后离垄面20 cm左右，而‘大西洋’的根长在20 cm左右，所以马铃薯能直接吸收利用的矿质氮主要集中在0～40 cm土层，将普通有机肥和生物有机肥各处理施用化肥比例与其0～40 cm土层矿质氮变化值(7月5号测得矿质氮值减去9月6号测的值)做线性相关分析，结果见图2.可以看出，相关系数R2分别达到：0.965(BOF)、0.917(OF)，可见，不论是以那种有机肥替代部分化肥，矿质氮变化与施化肥量呈显著正相关关系.

图2　化肥施用比例与0～40 cm矿质氮的相关性Fig.2　Correlation between the ratio of chemical fertilizer and 0～40 cm soil layer Nmin

3结论与讨论

3.1马铃薯产量和氮肥效率

有机肥与化肥配合施用一直是我国农业施肥指导方针.在水稻、棉花、烤烟等[15-17]研究表明，有机肥与化肥配施都能显著提高作物产量.王晓春[18]等研究表明：增施生物有机肥能显著提高马铃薯产量和块茎中淀粉含量.本试验中有机肥替代部分化肥可以提高马铃薯产量，较T2处理分别提高了：12.6%(T3)、5.5%(T4)、10.9%(T5)、8.9%(T6)、8.1%(T7)、5.9%(T8).单施有机肥处理较对照处理产量高，但显著低于T2处理产量，综合收益不高，单施有机肥短期不能提高产量，普通有机肥和生物有机肥之间差异不明显.本研究发现，单株薯质量和植株茎粗与产量呈显著相关，产量的增加依赖于单株薯重的增加，刘星等[19]对连作马铃薯产量构成因素的研究表明，单薯质量变化是产量变化的直接原因.茎是植株运输养分和水分的重要通道，茎粗的大小影响着植株库源流动，进而影响干物质分配.

氮肥效率是施氮量、作物产量和氮养分利用的综合体现[20].史春余等[21]、张玉平[22]等研究表明有机肥配施化肥提高了肥料的利用效率.本研究中，有机肥替代部分化肥处理较T2处理均显著提高了氮肥吸收效率、氮肥利用效率及氮肥农学利用效率.商跃凤[11]研究表明有机肥的交换容量大，对NH4+-N的吸附量多，分解过程中产生的有机酸可降低其周围土壤中脲酶和硝化、反硝化微生物活性，连续施用后明显增加土壤养分容量，减少N素的损失与挥发，从而提高了化肥的利用率.T2处理的N吸收效率最低，这也说明在本试验条件下施肥量越多，氮的吸收效率越小.除配施生物有机肥处理的氮肥农学利用效率较配施普通有机肥处理略高，氮肥效率在普通有机肥和生物有机肥处理之间差异并不明显，原因有待进一步研究.

3.2马铃薯土壤矿质氮动态分布

试验结果表明0～60 cm土层铵态氮含量均较低(<12 mg/kg)，这与巨晓棠等[24-25]研究结果相符，因此土壤存在和作物吸收利用的矿质氮主要是集中在耕作层的硝态氮.本研究表明有机肥能够缓冲土壤中硝态氮的变化，并且施用化肥量越多，土壤积累的硝态氮越多.高亚军等[26]研究亦认为，施氮是造成土壤中硝态氮积累的主要原因.试验地马铃薯种薯种植在膜下20 cm左右，根据考种数据，供试马铃薯品种‘大西洋’地下茎平均长度为18.2 cm(淀粉积累期和成熟期).Iwama[23]研究表明，马铃薯根量较少且主要分布在耕作层，越早熟的品种，根系分布越浅.由此可知‘大西洋’根系主要分布在耕作层.根据马铃薯栽培与生长特点，0～40 cm土层硝态氮可以作为土壤供氮能力的一个指标，这一土层矿质氮变化与化肥施用量呈显著相关性.但是从马铃薯植株最后积累的全N来看，施化肥比例与其不成正比.从矿质氮数据来看，试验中不同有机肥替代不同比例化肥的矿质氮含量差异不显著，具体原因有待进一步研究.

综合分析不同有机肥替代部分化肥处理对马铃薯产量及氮肥效率的影响，并考虑施肥带来的土壤硝态氮对环境带来的风险，初步得到，在本研究地区适宜的施肥方法应该为：施用70%～90%的化肥，即N 147～189 kg/hm2，同时配施200 kg/667m2普通有机肥，以达到减少化肥施用量保产增产，且能提高氮肥效率目的，因试验只设置了相同有机肥量替代10%～30%化肥处理的限制，具体的最佳配施比例还需进一步研究.

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(责任编辑李辛)

Effect of organic fertilizer partially replace chemical fertilizer on yield,Nmin's level in soil and N fertilizer efficiency of potato in the Yellow River irrigation area of the central in Gansu

GAO Yi-an1,CHENG Wan-li1,ZHANG Wen-ming1,LI Ya-juan2,SHEN Bao-yun3,WANG Di4,5,QIU Hui-zhen1

(1.College of Resources and Environmental Sciences,Gansu Agricultural University，Gansu Provincial Key Lab of Arid Land Crop Science,Lanzhou 730070,China;2.College of Prataculture,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China;3.Institute of Agricultural Science,Tiaoshan Farm,Jingtai 730400,China；4.Gansu Key Laboratory of Crop Genetic and Germplasm Enhancement,Lanzhou 730070,China;5.College of Agronomy,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070, China;)

Abstract：【Objective】 In order to improve the ecological fertility of soil and fertilizer efficiency and to reduce the adverse effects of excessive use of fertilizers to environment.【Method】 The effects of different organic fertilizer to replace some chemical fertilizer were studied on potato yield,nitrogen efficiency and soil mineral nitrogen through field trials.【Result】 The results showed that organic fertilizer to replace some fertilizer treatments were higher than the yield of T2 treatment,the most significant increase with 200 kg/667m2 ordinary organic fertilizer to replace 10% chemical fertilizer treatment,than chemical fertilizer treatment,an increase of 12.6%,a single organic fertilizer in the short term did not improve the yield of potato tubers.Organic fertilizer to replace part of fertilizer enhanced N fertilizer use efficiency,the highest was T5 treatment,than T2 treatment increased 58.4%.Each soil nitrate value of chemical fertilizer treatment compared with T1,T9 and T10were significantly improved.Soil ammonium value was stable and low,no significant difference among the treatments.There was significant positive correlation between 0-40 cm of soil mineral nitrogen variation and ratio of chemical fertilization.【Conclusion】 Organic fertilizer to replace part of chemical fertilizer increases the tuber yield of potato;200 kg/667m2 ordinary organic fertilizer to replace 10%～30% fertilizer treatment is appropriate.

Key words：potato;organic fertilizer;Nmin;yield

通信作者：邱慧珍，女，教授，博士生导师，主要从事植物营养与营养生态的教学与科研工作.E-mail:hzqiu@gsau.edu.cn

基金项目：国家公益性行业(农业)科研专项(201103004)；国家科技支撑计划项目(2012BAD06B03)；甘肃省科技支撑计划项目(1011NKCA070)；甘肃省科技重大专项(1102NKDA025).

收稿日期：2015-04-13；修回日期：2015-05-06

中图分类号：S 532

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2016)02-0054-07

第一作者：高怡安(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为马铃薯最佳养分资源管理.E-mail:gya1989@sina.com