氮肥施用量对水浇地覆膜马铃薯土壤矿质氮含量及马铃薯产量的影响

李梦龙，何万春，何昌福，张春红，李亚，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.甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室，甘肃 兰州　730070；3.甘肃农业大学农学院,甘肃 兰州　730070)



氮肥施用量对水浇地覆膜马铃薯土壤矿质氮含量及马铃薯产量的影响

(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.甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室，甘肃 兰州730070；3.甘肃农业大学农学院,甘肃 兰州730070)

摘要：【目的】 针对马铃薯生产中存在的氮肥过量施用问题，探索氮素在土壤中的残留情况和马铃薯最佳施氮量,为科学施用氮肥提供参考.【方法】 通过田间试验，研究不同氮肥水平(0,75,150,225,300，375 N kg/hm2)对水浇地覆膜马铃薯‘青薯9号’各生育期土壤0～20 cm和20～40 cm土层矿质氮(铵态氮+硝态氮)含量及马铃薯产量的影响.【结果】 随施氮量的增加，土壤铵态氮含量变化较小，但0～20 cm和20～40 cm土层硝态氮的含量随施氮量增加显著增加，不同氮肥用量T2、T3、T4、T5和T6处理的0～20 cm土层中硝态氮含量至收获期时高达57.53，88.53，149.86，185.10 mg/kg和240.42 mg/kg，比播前增加了40～200 mg/kg；20～40 cm土层硝态氮含量至收获期时分别为63.90，88.11，156.70，192.13 mg/kg和244.51 mg/kg，比播前增加了30～200 mg/kg；过量施氮(T5和T6)和氮肥施用不足(T1、T2和T3)均降低了马铃薯的块茎产量.【结论】 试验条件下，马铃薯的经济最佳施氮量和最高产量施氮量分别为180.99 kg/hm2和231.07 kg/hm2.不同氮水平主要通过影响‘青薯9号’的平均单株薯质量而影响块茎产量.

关键词：马铃薯；产量；矿质氮；铵态氮；硝态氮

马铃薯是重要的粮菜兼用作物，其产量和品质都与氮素营养密切相关[1,2]，长期以来马铃薯的氮素利用率(NUE),即作物吸收的氮素占所施总氮的比率，大部分在35%～50%之间[3]，有的地区氮素利用率甚至只有20%左右.农业上长期施用高量氮肥是造成地下饮用水硝酸盐污染的重要原因之一[4]，其中重要的原因就是硝态氮的淋溶.20世纪80年代欧洲发达国家化学氮肥用量在持续增长40 a后到顶点，以纯氮计每公顷施用量约为200 kg，与此同时，这些国家开始为施用大量的农用氮肥所引起的地下水、饮用水硝酸盐污染的问题困扰.甘肃省定西市是马铃薯产业比较集中的区域，然而该地区农业技术相对落后，农民对于氮肥的施用往往是凭借经验，因此过量、不科学施用氮肥的情况普遍存在，这样不仅仅造成大量肥料资源的浪费，还对该地区的环境造成潜在威胁，因此有必要了解该地区在氮肥的施用过程中矿质氮素，尤其是硝态氮在马铃薯农田土壤中的残留状况，为科学的施用氮肥以及减少氮肥施用所带来的环境问题提供参考依据.

1材料与方法

1.1试验地概况

试验地设立在甘肃省定西市香泉乡，于2014年4月至10月进行，该地区是典型的干旱半干旱地区.试验区海拔2 200 m，年均温度6.2 ℃，年降水量 415.2 mm，无霜期140 d.80%保证率≥10 ℃的积温为2 075.1 ℃，热量不足，蒸发量大，属中温带半干旱气候.该区土壤类型为黄绵土，滴灌灌溉.

1.2供试品种

本试验马铃薯品种为‘青薯9号’，由定西市旱作农业科研推广中心提供.

1.3试验设计

试验共设6个氮水平处理，分别为T1(CK纯N 0 kg/hm2)、T2(纯N 75 kg/hm2)、T3(纯N 150 kg/hm2)、T4(纯N 225 kg/hm2)、T5(纯N 300 kg/hm2)、T6(纯N 375 kg/hm2)，肥底为磷钾肥，P2O5105 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2.氮肥用尿素(N 46%)，磷肥用过磷酸钙(P2O516%)，钾肥用硫酸钾(钾 52%)，所有肥料在播种时全部沟施.播种前各处理土壤平均矿质氮含量见表1.采用宽隆双行种植模式，每处理重复4次，随机区组排列，小区面积为7.2 m×9 m=64.8 m2，行距0.5 m，株距0.3 m，种植密度为66 750株/hm2，于2014年4月28日播种，10月21日收获.

表1　播前各处理不同土层矿质氮含量

1.4样品采集与测定方法

试验在播种后，分别在马铃薯出苗后块茎形成期、块茎增长前期、块茎增长后期、淀粉积累期、收获期(出苗后49、84、107、127 d和177 d)分层采取0～20、20～40 cm土层的新鲜土壤.使用土钻，每个小区随机采3钻，相同土层的土样混合成为一个样，带回实验室.称取12.00 g过2 mm筛的新鲜土壤样品于锥形瓶中,加入100 mL 0.01 mol/L的CaCl2溶液，振荡1 h,过滤，滤液冷冻保存[5].测定前解冻，采用连续流动分析仪(TRACCS-2000 continuous flow analytical CFA)测定滤液中的硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N)含量.测产时在每个试验小区中部选取株行距均等，不缺株的3个样点，每个样点取3行，每行长1 m，称取块茎质量.选择10株典型样株并记录每株块茎的质量、块茎数等.

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结果分析

2.1不同施氮量对马铃薯不同生育期土壤铵态氮含量的影响

由图1可见，随着马铃薯生育期的推进，0～20、20～40 cm土层中铵态氮含量都表现出先下降后上升的趋势，分别在播种后49 d和播种后84 d达到最低，然后逐渐升高.从图1还可发现，随着氮肥施用量的增加，对两个土层中的土壤铵态氮含量影响并不明显，各处理间未见显著差异(P<0.05).

图1　不同施氮处理马铃薯农田土壤铵态氮含量的动态变化Fig.1　The dynamic changes of the content of ammonium nitrogen in the soil under different treatments

2.2不同施氮量对马铃薯不同生育期土壤硝态氮含量的影响

由图2可以看出，在整个马铃薯生育周期内，土壤中硝态氮含量总体表现出是一个逐渐积累的过程，0～20 cm土层中，在氮肥施用量相对不是很高的T2和T3处理水平下，土壤中硝态氮含量上升趋势较为平缓，而施氮量较高的T4、T5和T6水平处理下，在块茎形成期土壤中硝态氮含量急剧上升，之后趋于平缓.在20～40 cm土层中，土壤中硝态氮含量也表现出同样的趋势.从收获期的土壤硝态氮含量可以看出，土壤中硝态氮含量都显著高于播前土壤中硝态氮含量.在马铃薯收获期，0～20 cm土层T2、T3、T4、T5、T6处理下土壤中硝态氮含量分别为57.53，88.53，149.86，185.10，240.43 mg/kg，20～40 cm土层土壤中硝态氮含量分别为63.90，88.11，156.70，192.13，244.51 mg/kg.可以看出随着氮肥施用量的增加，硝态氮在马铃薯农田土壤中的含量几乎呈线性增长，在T5水平达到最大，20～40 cm土层土壤中硝态氮含量在各个处理间均高于0～20 cm土层土壤中硝态氮含量.

图2　不同施氮处理马铃薯农田土壤硝态氮含量的动态变化Fig.2　The dynamic changes of the content of nitrate nitrogen in the soil under different treatments

2.3不同施氮量对马铃薯产量以及构成因素的影响

通过对供试的6个氮素水平下的马铃薯平均产量及其构成因素的比较分析(表2)，可以得出，在一定氮水平范围内，马铃薯的产量随着氮肥施用量的增加而提高，在T4(N 225 kg/hm2)氮水平处理下马铃薯产量达到最高，即51 484.05 kg/hm2；当继续增加氮肥施用量，马铃薯的产量反而表现出下降的趋势，在T6(N 375 kg/hm2)氮素水平下，马铃薯的产量同CK没有差异.马铃薯的单株薯质量在T3(N 150 kg/hm2)水平处理达到最大，然后表现出下降趋势，但单株薯质量在T2、T3、T4、T54个水平之间差异不显著(P<0.05).平均块茎质量在T4(N 225 kg/hm2)氮素水平处理下达到最大之后下降，但是在各处理之间差异并不显著(P<0.05).马铃薯单株结薯数在T3(N 150 kg/hm2)水平处理达到最大，之后表现出逐渐下降趋势，但各个处理水平之间差异不显著(P<0.05).马铃薯的收获指数在各个处理之间差异并不显著(P<0.05)，在T4(N 225 kg/hm2)氮水平处理下达到最大.

表2　不同施氮水平马铃薯的产量及产量构成因素

3讨论与结论

土壤液相中的铵态氮和硝态氮是植物可以直接吸收利用的氮素形态.本研究结果表明，不同施氮水平土壤的铵态氮含量相差不大，已有的研究表明对于铵态氮来说，土壤不仅含有自然固定态铵，而且具有固定加入铵的能力，并且这种能力是很快的，一个周期结束后铵态氮的含量总体变化不大[6].苗艳芳等[7]通过对小麦土壤研究也得出了相同的结果.本研究还发现在马铃薯整个生育周期内铵态氮表现出现先下降后上升的趋势.

硝态氮容易随着土壤水分流失，不容易被土壤吸附固定，这是造成氮肥流失的重要原因.过量的施用氮肥，造成硝态氮的积累，是造成地下水污染的重要原因.本研究中随着马铃薯生育周期的推进，土壤中硝态氮含量逐渐增加，随着氮肥施用量的增加，土壤中硝态氮含量几乎呈线性增加.在马铃薯收获期，20～40 cm土层中硝态氮含量在各个施用氮肥处理水平下均高于0～20 cm土层硝态氮含量.已有的研究结果均表明，氮肥投入过量，土壤中的硝态氮积累会随着氮肥施用量的增长呈线性增长[8-9].黄绍荣[10]对小麦田土壤的研究也表明，氮肥投入量与土壤下渗水中硝态氮含量呈线性关系.巨晓棠等[11]的研究表明农业系统中大量施用的氮肥，虽然不能很快进入地下水或者地表水，但是可以积累在土壤的不同位置，随着灌溉和大量的降水，向土壤更深层次移动，这一结论与本研究结果基本一致.

过量的氮肥投入造成大量的氮素残留在土壤中，这不仅会导致作物生理功能降低，产量下降，而且还会对环境造成极大的影响.因此控制氮肥的施用量，以求达到经济效益和环境效益的平衡是我们应该着重考虑的问题.不同作物对于氮素营养的需求不同，张小燕[12]和朱勇臣等[13]的研究结果都表明，氮肥施用量在180 kg/hm2时，马铃薯‘陇薯三号’产量最高，经济效益最好，继续增加氮肥施用量，马铃薯产量反而下降.王博等[14]对小麦的研究结果表明，在中肥力田干旱条件下，小麦的最佳施氮量在160 kg/hm2.张佳等[15]对玉米的研究表明，控制氮肥施用量在200 kg/hm2时，玉米的经济效益和环境效益达到最大.郑福丽等[16]通过研究不同氮肥施用量对姜产量和土壤中硝态氮积累的影响，得出周年氮肥投入550～650 kg/hm2为宜.本试验条件下，对于‘青薯9号’马铃薯品种，在氮肥施用量在225 kg/hm2时产量达到最大，土壤中硝态氮含量较为稳定；当继续增加氮肥施用量时，产量表现出下降趋势,土壤中硝态氮含量增幅度较大，更容易对环境造成威胁.经济最佳施氮量为180.99 kg/hm2，最高产量施氮量为231.07 kg/hm2.

本研究的马铃薯品种为‘青薯9号’，试验地为水浇地，而其他马铃薯品种以及旱地条件下施氮量对土壤矿质氮含量及马铃薯产量的影响还有待进一步研究.

参考文献

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(责任编辑胡文忠)

Effects of nitrogen fertilizer rates on content of soil mineral nitrogen and potato tuber yield under film mulching

LI Meng-long1,HE Wan-chun1,HE Chang-fu1,ZHANG Chun-hong1,LI Ya-juan2,WANG Di3,QIU Hui-xhen1

(1.College of Resources and Environmental Sciences,Gansu Agricultural University,Gansu Key Laboratory of Aridland Grop Science,Lanzhou 730070，China;2.Gansu Key Lab of Crop Improvement and Germplasm Enhancement,Lanzhou 730070 China;3.College of Agronomy,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

Abstract：【Objective】 Aimed at the problem of excessive applying nitrogen fertilizer,this study explores the residual of nitrogen element in the soil and optimum nitrogen application rate.【Method】 A field experiment was carried out in Dingxi County of Gansu Province to determine the reasonable N fertilizer rates and effects on content of soil mineral nitrogen(NH4+-N,NO3--N) and potato tuber yield under film mulching culture conditions.Six N fertilizer rates (0,75,150,225,300 and 375 N kg N/hm2) were laid out in a randomized complete block design with four replications.【Result】 The content of ammonium nitrogen (NH4+-N) in soil was relatively stable,but the content of nitrate nitrogen(NO3--N)increased significantly with the increase of N fertilizer rates.NO3--N content in 0～20 cm soil layer of T2，T3，T4，T5and T6at the harvest period reached to the higher levels of 57.53，88.53，149.86，185.10 and 240.43 mg/kg,which in 20～40 cm soil layer were 63.90 mg/kg,88.11 mg/kg,156.70 mg/kg,192.13 mg/kg and 244.51 mg/kg,much higher than that in the same soil layers before the sowing period.Both N deficiency and excessive application of N fertilizer led to decline in potato tuber yield.【Conclusion】 Under the condition of this experiment,the N rates for highest yield and largest economic benefit are 180.99 kg/hm2and 231.07 kg/hm2respectively.The yield component factor analysis result showed that the average fresh-weight was the major factors affecting the potato tuber yield under the different N rates.

Key words：potato;yield;soil mineral nitrogen;ammonium nitrogen;nitrate nitrogen

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)；国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-10-P18)和甘肃省科技重大专项(1102NKDA025).

收稿日期：2015-03-24；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)03-0060-05

第一作者：李梦龙(1988-)，男，硕士研究生，研究方向为马铃薯最佳养分资源管理.E-mail:unclecold@163.com