不同种植模式下施肥对马铃薯产量和水肥利用效率的影响

王 耀,孙小娟

(甘肃省天祝县农产品质量检测检验站，甘肃天祝 733299)

马铃薯是继小麦、玉米和水稻之后的世界第四大粮食作物，具有适应性广、营养价值高和产业链长等特点[1]，在中国粮食生产和农村经济发展中具有举足轻重的作用。地膜覆盖是马铃薯增产的重要栽培措施，覆膜可以有效改善土壤水热微环境，促进植株营养器官快速生长，进而有利于结薯[2-3]。近年来，随着全膜覆盖垄沟种植技术的大面积推广应用，显著提高了降雨利用效率和马铃薯产量，从根本上克服旱地雨热不同季的难题[4-5]，是一项集保墒、集雨、增温为一体的高产高效栽培技术[6-8]。

全膜覆盖垄沟种植技术实现了旱作农业区对水资源的高效利用，但目前在养分管理方面还存在许多的问题，包括过量施肥、养分投入失衡如氮肥施用过多而钾肥施用较少等[9-11]。氮磷钾肥的合理施用是实现马铃薯优质高产的重要途径，可减轻马铃薯病害或降低病情指数[12-14]。但是，为了获得高产高效，盲目施肥的现象越来越普遍，肥料的过度投入已经造成严重的环境问题，如土壤酸化、水体富营养化和大气氮沉降等[15-16]。张小静等[17]研究发现，氮肥施用过多对马铃薯出苗和植株生长均造成不利的影响，而且还阻碍块茎的膨大。尽管高量施肥可以明显增加马铃薯开花期干物质的积累量，但也同时降低光合速率和气孔导度，难以提高块茎的质量[18]。此外，过量施氮减少旱作马铃薯花期0～200 cm土层的土壤贮水量，影响生育后期块茎膨大和淀粉积累，最终导致马铃薯块茎产量和水分利用效率的降低[19-20]。研究表明，钾素可以明显地提高植株干物质的转运率，还在一定程度上增强作物对干旱胁迫环境的适应能力[21-22]；马铃薯对钾肥的需求量最多，但在半干旱区马铃薯种植中钾素主要来自于农家肥中，远不能达到马铃薯生长的需求量[10,23-24]。在全膜覆盖垄沟种植模式下，如何优化养分管理措施是目前实现马铃薯增产、水肥高效利用和环境友好急需突破的瓶颈。施肥是旱地农业中提高土壤水分利用的有效途径[25]，关于覆膜种植方式下施肥对马铃薯产量和肥料利用率影响的研究鲜见报道。为此，本试验探讨垄沟集雨种植模式和施肥对马铃薯干物质生产、产量和肥料利用的影响，旨在研究半干旱区马铃薯增产增效的最佳覆膜种植方式及其与之配套的施肥水平，为马铃薯覆膜栽培技术和养分优化管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2015年4-10月在甘肃省武威市天祝藏族自治县打柴沟镇大湾村(E 102°57′，N 37°04′)进行。天祝藏族自治县位于祁连山的东端，是河西走廊的“东大门”。境内属大陆性高原季风气候，年均降雨量为265～632 mm[26]，日照充足，气候冷凉湿润，昼夜温差大，7至8月日均温达14.0～18.5 ℃[27]。天祝县有耕地面积5.54万hm2，其中旱地面积占76.7%，马铃薯作为旱作农业区主栽的作物之一，常年种植面积超过6 500 hm2[28]。研究区域海拔为2 670 m，日照时数2 600 h，年蒸发量2 500 mm，年降雨量260 mm，多集中在6至9月(65%～80%)，无霜期110 d。试验地前茬为小麦，地力均匀，肥力中等。试验地土壤属砂壤土，0～20 cm土壤基础养分为：有机质质量分数2.15%，铵态氮质量浓度1.17 mg·L-1，硝态氮质量浓度24.17 mg·L-1，速效磷质量浓度15.89 mg·L-1，速效钾质量分数230.80 mg·kg-1，pH 8.34。

1.2 试验设计

试验设集雨种植模式和施肥水平2个因素，集雨种植模式方式有3种，分别为露地垄作(F0：垄宽70 cm、高20 cm，沟宽40 cm，垄上不覆膜，播种在垄上)、全膜覆盖双垄垄播(F1：大垄宽70 cm、高20 cm，小垄宽40 cm、高10 cm，地膜全地面覆盖，大小垄种植，播种在垄上，并在沟中膜上打孔利于水分入渗)、全膜覆盖双垄沟播(F2：起垄方式同F1，播种在沟内)；施肥水平有3个，即不施肥(N0)、配方施肥(N1)和农民习惯施肥(N2)。田间排列采用随机区组设计，共9个处理(表1)。以当地主栽品种‘青薯2号’为试验材料，各处理株距均为20 cm，种植密度为4 500株·hm-2。4月24日播种，9月25日收获。小区面积为21 m2(7 m×3 m)，3次重复。地膜选用幅宽120 cm(用于全膜覆盖)和70 cm(用于半膜覆盖)，厚度均为0.008 mm。肥料品种为尿素(N质量分数是46%)、过磷酸钙(P2O5质量分数是14%)和氯化钾(K2O质量分数是60%)，所有肥料全部作为基肥一次性施入。

表1 试验处理Table 1 The field experiment

1.3 测定项目与方法

1.3.1 干物质 在马铃薯苗期(6月3日)、块茎形成期(6月25日)、块茎膨大期(7月18日)、淀粉积累期(8月13日)和成熟期(9月17日)分别取具有代表性的植株3株，分根、茎、叶和块茎不同器官分别称鲜质量，烘干后称量。

1.3.2 产量及其构成因子 按小区单收计产，计算块茎产量。每个小区取10株考种，分析单株结薯数、单薯质量以及商品率。商品薯评价标准为50 g以上。

1.3.3 收获指数 收获指数=块茎产量/收获期全株生物量。

1.3.4 耗水量 在马铃薯播前和收获后用土钻取0～200 cm土样，每20 cm为一个土层。采用烘干法测定土壤质量含水量，并计算土壤贮水量。土壤贮水量为W=h×ρ×w×10，式中，W为土壤贮水量(mm)，h为土层厚度(cm)，ρ为土壤体积质量(g·cm-3)，w为土壤质量含水量(%)。农田耗水量为ET=(W1-W2)+P，式中，ET为马铃薯生育期耗水量(mm)，W1、W2分别为播前和收获时的土壤贮水量(mm)，P为马铃薯生育期≥5 mm有效降雨量。

1.3.5 水分利用效率 水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)=块茎产量(kg·hm-2)/农田耗水量(mm)

1.3.6 肥料利用效率 肥料农学效率(kg·kg-1) =(施肥区块茎产量-不施肥区块茎产量)/肥料用量。肥料偏生产力(kg·kg-1)=施肥区块茎产量/肥料用量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0软件处理和分析数据，用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同覆膜方式下施肥对马铃薯不同生育时期干物质积累量的影响

2.1.1 马铃薯全株干物质积累量 马铃薯全株干物质积累量随着生育进程的顺延不断增加，在块茎形成期后迅速增加，至成熟期达到峰值(表2)。不同处理对马铃薯各个生育时期全株干物质积累量的影响表现为：块茎形成期以F1N1处理的最高，而在其他生育时期均以F2N2处理的最高。在F0和F2覆膜方式下，马铃薯苗期、淀粉积累期和成熟期的全株干物质积累量以N2水平的最高，较其他施肥水平明显增加了9.42%～20.65%和5.62%～22.25%、11.41%～20.19%和4.02%～26.91%、4.47%～14.18%和0.83%～21.13%；在F1覆膜方式下，马铃薯苗期、块茎形成期和块茎膨大期均以N1水平的干物质积累量最高，较其他施肥水平显著增加了6.63%～30.05%、18.61%～51.01%和25.10%～52.16%(P<0.05)，而在淀粉积累期和成熟期N1与N2之间差异不显著(P>0.05)。在N1水平下，马铃薯各个生育时期全株干物质积累量表现为F1>F2；而在N2水平下与之相反，以F2处理的最高，除块茎形成期处理之间差异不显著外，其他生育时期均存在显著差异，其中马铃薯成熟期分别比F1、F0处理增加了7.70%、27.23%。

2.1.2 马铃薯块茎干物质积累量 由表3可知，块茎膨大期是马铃薯块茎干物质积累量的转折点，与块茎形成期相比，此时期不同处理的块茎干物质积累量平均增加了3.42倍，而淀粉积累期和成熟期的块茎干物质积累量较块茎膨大期分别增加了1.54和3.60倍。同一覆膜方式下，马铃薯块茎膨大期、淀粉积累期和成熟期均以N1水平的最高，比N0水平增加了27.68%～51.21%、20.68%～43.32%、13.57%～24.09%，而高于N2水平6.13%～11.13%、4.80%～17.24%、5.55%～17.31%，差异均显著(P<0.05)。同一施肥水平下，不同覆膜方式对马铃薯各个生育时期的块茎干物质积累量有较大的影响。马铃薯苗期，在N2水平下F1的块茎干物质积累量明显高于F2处理6.08%；3种覆膜方式在块茎形成期的干物质积累量以F1的最高，与F2、F0处理相比，在N1水平下增加了6.67%、26.94%，而N2水平下增加幅度分别为7.36%、11.64%；在块茎膨大期，F2处理的块茎干物质积累量最大，在N1、N2水平下分别高于F1处理7.08%、10.61%，而较F0增加了45.72%、43.76%，差异显著；在淀粉积累期和成熟期以F1N1处理的块茎干物质积累量最大，比F2N1处理增加了5.59%和2.88%，二者之间差异显著。

表2 不同处理下马铃薯各生育时期全株干物质积累量

注：数据为“平均数±标准差”，不同小写字母表示处理间在0.05水平上差异显著。下同。

Note:The data were “mean±standard deviation” , and the different lowercase letters indicated that the difference was significant at the 0.05 level. The same below.

表3 不同处理下马铃薯各生育时期块茎干物质积累量Table 3 The dry matter accumulation at different stage of potato tuber under different treatments kg·hm-2

2.3 不同覆膜方式下施肥对马铃薯产量及其构成因子的影响

由表4可知，不同处理的马铃薯块茎产量从高到低的顺序依次为：F1N1> F2N1> F1N2> F2N2> F0N1> F0N2> F2N0> F1N0> F0N0，与F0N0处理相比，增产率分别为56.35%、49.48%、42.06%、30.86%、11.47%、8.91%、6.92%和5.04%。在F0方式下，N1水平的块茎产量分别比N2、N0水平增加了11.47%和8.91%；在F1、F2方式下，3种施肥处理的块茎产量之间均存在显著差异(P<0.05)，其中以N1水平的最高，高于N0水平48.85%和39.81%，较N2水平分别增加了10.06%和14.23%。不同覆膜方式下马铃薯的块茎产量表现为：在N0水平下，各处理的块茎产量之间差异不显著(P>0.05)；在N1、N2水平下均以F1处理的最高，分别比F0处理显著增加了40.26%、30.44%，而F2处理的次之，高于F0处理34.10%、20.16%。马铃薯的单株结薯数以F1N1的最多，多达4.83个，比其他处理显著增加了2.74%～36.30%。在同一覆膜方式下，不同施肥水平的单薯质量以N1水平的最高，平均分别比N0、N2水平增加了39.79%和13.27%；在N1水平下，F1与F2处理之间有显著差异，二者的单薯质量分别比F0处理显著增加了36.06%和27.50%。各处理的平均单薯质量表现为F1N1处理的最高，较F1N1、F2N2处理分别增加了3.86%和8.00%，除这3个处理外，其他处理之间的差异均不显著。在F0、F1方式下，N1与N2水平的商品率均未达到显著差异水平，而F2方式下，N1水平的商品率显著高于N0、N2水平20.35%和10.00%；不同覆膜方式下的商品率在N0、 N2水平下表现为F1>F2>F0，而N1水平下3种覆膜方式的商品率之间有显著差异，以F2处理的最高，明显高于F2、F0处理15.54%和5.40%。

表4 不同处理下马铃薯的块茎产量及产量构成因素Table 4 The tuber yield and components of potato under different treatments

2.4 不同覆膜方式下施肥对马铃薯收获指数和水分利用效率的影响

2.4.1 马铃薯收获指数 由图1可知，覆膜和施肥处理可以明显提高马铃薯的收获指数，以F1N1处理的收获指数最高，显著高于其他处理3.87%～14.02%(P<0.05)。在同一覆膜方式下，不同施肥水平下马铃薯的收获指数表现为N1>N2>N0，与N0水平相比，N1水平的收获指数在F0、F1、F2覆膜方式下分别显著增加了6.38%、13.76%和4.12%；相比较N2水平可以发现，N1水平的收获指数增加了2.84%、3.87%、1.57%，二者之间存在显著差异。就同一施肥水平下马铃薯收获指数的变化而言，在N0水平下，F0、F1处理的收获指数之间的差异不显著(P>0.05)，且分别比F2处理降低了0.23%和3.81%，其中F1、F2处理之间有显著差异；在N1、N2水平下，不同覆膜方式的收获指数均以F1处理的最高，分别显著高于F0处理7.18%、6.11%，而比F2处理增加了5.33%、3.00%，达到显著差异水平。

不同小写字母表示处理间在0.05水平上差异显著,下同 The different lowercase letters above the bar indicated the difference at the 0.05 significant level,the same below

图1不同处理下马铃薯的收获指数
Fig.1Theharvestindexofpotatounderthedifferenttreatments

图2 不同处理下马铃薯的水分利用效率Fig.2 The water use efficiency of potato under different treatments

2.4.2 马铃薯水分利用效率 由图2可知，覆膜和施肥对马铃薯的水分利用效率有较大的影响作用。F1N1处理的水分利用效率最高，高达121.72 kg·hm-2·mm-1，F2N1处理的次之，二者分别比其他处理显著增加了8.34%～33.34%、6.88%～31.55%(P<0.05)。比较相同覆膜方式下水分利用效率的变化发现， N1水平的最高，其次为N2水平，N0水平的最低。在F0方式下，N1、N2水平的水分利用效率为10.64 kg·hm-2·mm-1和10.48 kg·hm-2·mm-1，分别比N0水平显著增加了14.62%、10.06%；在F1、F2方式下，N1与N2水平之间存在显著差异，且N1水平的水分利用效率分别高于N2水平8.34%、9.47%，而较N0水平明显增加了13.90%、18.27%。在同一施肥水平下，不同覆膜方式的水分利用效率表现为F1>F2>F0。在N0、N1水平下，F1处理的水分利用效率比F2处理增加了5.25%、1.36%，差异不显著(P>0.05)，而显著高于F0处理17.07%、16.33%；在N2水平下，F1、F2处理之间的差异不显著，但二者的水分利用效率分别高于F0处理11.82%、9.18%，呈显著差异水平。

2.5 不同覆膜方式下施肥对马铃薯肥料利用效率的影响

由表5可知，在相同覆膜方式下，不同施肥水平马铃薯的氮素农学效率表现为N2>N1，在F1覆膜方式下，N2处理的氮素农学效率比N1的显著增加了29.86%(P<0.05)，而其他覆膜方式下二者之间不存在显著差异(P>0.05)；磷素农学效率的变化正好与之相反，在F0、F1、F2方式下，N1处理的磷素农学效率明显高于N2处理71.76%、84.80%和135.13%。在相同施肥水平下，不同覆膜处理的氮、磷素农学效率均表现为F1>F2>F0，与F0相比较，N1、N2水平下F1处理的氮素农学效率分别增加了3.47和3.15倍； 而覆膜处理的磷素农学效率平均分别增加了3.35和2.33倍。钾素农学效率以F1N1处理的最高，其次为F2N1处理，分别比F0N1处理提高了4.47倍和3.71倍。就肥料的偏生产力而言，不同处理的氮、磷素偏生产力之间均有较大的差异，在相同覆膜方式下N2处理的氮素偏生产力明显高于N1处理57.57%～78.56%，而磷素偏生产力显著低于N1处理26.72%～34.34%。在N1水平下，F1、F2处理的氮素偏生产力分别为92.87、88.79 kg·kg-1，相比较F0处理明显提高了40.27%和34.10%，而在N2水平下，增加幅度分别为30.44%和20.17%；同一施肥水平下，不同覆膜方式的磷素偏生产力表现以F1处理的最高，F2处理的次之，分别显著高于F0处理30.43%～40.26%、20.16%～34.09%。F1N1、F2N1处理的钾素偏生产力分别为69.65、66.59 kg·kg-1，分别比F0N1处理的显著增加了40.25%、34.09%，但F1N1与F2N1处理之间差异不显著。

表5 不同处理下马铃薯的肥料农学效率和肥料偏生产力Table 5 The agronomic efficiency and partial factor productivity of appliedfertilizer under different treatments of potato kg·kg-1

3 讨论与结论

自然降雨是半干旱区作物生产唯一的水分来源，如何科学“蓄住天上水，保住地里墒情，用好用活天然降雨”是提高旱作农业生产水平的有效途径[29]。随着沟垄覆膜栽培技术的推广和应用，不仅有利于挖掘旱区粮食生产的潜力，还保证了旱区粮食的稳定增产，是关系中国粮食安全、经济发展和社会稳定的基础。氮磷钾是马铃薯生长和发育过程中必需的营养物质，通过参与促进同化物的合成、转运和分配，对马铃薯的产量形成有极大的作用[30]。合理施肥可以节本增效，在一定程度上促进垄沟覆膜集雨提高作物产量和水分利用效率的重要措施[25]。

马铃薯干物质生产是产量形成的物质基础，干物质积累是物质生产的主要表现[31]。谭雪莲等[32]研究发现，覆膜栽培明显提高马铃薯的生物量，马铃薯全株、块茎和地上部干物质与露地处理间均有显著差异。张平良等[33]指出，N、P、K平衡施肥可以促进马铃薯的生长，从而增加地上部干物质积累量。本研究结果表明，在F0和F2覆膜方式下，马铃薯苗期、淀粉积累期和成熟期的全株干物质积累量均以N2水平的最高；而在F1覆膜方式下，马铃薯各个生育时期的全株干物质积累量均表现为N1>N2>N0，其中苗期至块茎膨大期N1水平的较其他施肥处理显著增加6.63%～52.16%。此外，在N1水平下马铃薯各个生育时期全株干物质积累表现为F1>F2>F0；而在N2水平下，以F2处理的最高，且在马铃薯生育后期显著高于其他覆膜处理7.70%～70.53%。这表明F2N2处理对马铃薯生育后期的全株干物质积累量的影响较为突出。块茎干物质的积累主要在块茎膨大期[25]。就块茎干物质积累量的变化而言，同一覆膜方式下，马铃薯块茎膨大期至成熟期均以N1水平的最高，高于N2水平4.80%～17.31%；同一施肥水平下，3种覆膜方式在块茎膨大期的干物质积累量以F2的最高，高于F1处理7.08%～16.60%；在淀粉积累期和成熟期以F1N1处理的块茎干物质积累量最大，比F2N1处理增加了5.59%和2.88%。可见，全膜覆盖双垄垄播(F1)种植方式下马铃薯生育后期块茎干物质积累量的增加较为明显，N225P150K300(N1)施肥效果尤为突出。这主要是由于全地面覆膜可以有效地增加春季地表温度，双垄膜面可以更好地蓄集降雨，保证马铃薯生长水分需求；同时，相比沟播种植而言，垄上种植对马铃薯根系的生长和块茎的膨大有明显的促进作用[34]。

在旱作农业区，田间养分管理的出发点和最终目的是水分的高效利用，起到“以肥调水”和“以水促肥”的施肥耦合作用，协同增加作物的水肥利用效率，是解决马铃薯产量低而不稳“瓶颈”的有效措施[35-36]。全膜覆盖垄沟种植技术可以实现半干旱旱作区水资源利用最大化，通过养分管理调控作物的水分利用是实现作物高产和水肥高效利用的关键所在[36]。在覆膜方式下，合理施用氮、磷、钾可以提高马铃薯的块茎产量和水分利用效率[33]。本研究结果表明，与F0N0处理相比，不同覆膜方式下施肥处理的马铃薯块茎产量和水分利用效率均以F1N1处理的最高，较其他处理的增加了5.04%～56.35%和8.34%～33.34%。同一覆膜方式下，马铃薯的块茎产量和水分利用效率均以N1水平的最高，且明显高于其他施肥水平8.91%～39.81%和13.90%～18.27%。在N1和N2水平下，F1处理的产量和水分利用效率最高，比其他覆膜方式增加了 40.26%～30.44%和11.82%～16.33%。可见，在全膜覆盖双垄沟播种植方式下，实施N、P、K平衡施肥对马铃薯种植具有明显的增产效果[34]，由于集雨、保墒等效果也有利于水分利用效率的提高。肥料农学效率和肥料偏生产力是国际上常用来表征农田肥料利用效率的参数，肥料农学效率可以综合反映施肥的增产效果，而增加土壤基础养分含量和肥料农学效率可以促进肥料偏生产力的提高[37-38]。在本试验中，氮素农学效率和氮素偏生产力以F1N2最高，而F1N1处理的磷、钾素农学效率显著高于其他处理0.21～6.68倍和0.21～3.47倍，磷、钾素偏生产力增幅分别为0.05～0.91倍和0.05～0.40倍。这表明F1N1不仅可以协同提高马铃薯的块茎产量和水肥利用效率，而且与其他处理相比，可以更好地促进磷、钾素农学效率和偏生产力的增加，这对于马铃薯种植中水肥的高效利用具有重要的意义。因此，F1N1处理更有利于实现马铃薯增产和资源高效利用的目的，是半干旱区马铃薯增产增效的最佳覆膜种植方式和养分管理模式。

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