内蒙古马铃薯主产区基础地力及增产潜力研究

王迎男，高 娃，郜翻身，朴明姬，樊明寿，贾立国，柳 昱，郑海春*

（1 内蒙古自治区土壤肥料和节水农业工作站，呼和浩特 010011；2 内蒙古农业大学，呼和浩特 010018）

马铃薯是中国第四大粮食作物之一。2016年中国马铃薯种植面积达581.3万公顷，总产量为9906.6万吨，较2006年面积增加38.0%，产量增加83.4% (FAO)，种植面积的增加、肥料的投入、马铃薯品种的改良、管理措施的改进以及土壤肥力的提升是马铃薯产量提高的重要因素[1]。内蒙古是我国马铃薯主产省区之一，其种植面积、产量均居于全国前列[2]。种植区域主要集中在阴山南麓区、阴山北麓区、燕山丘陵区和大兴安岭北麓区。由于生态类型与栽培技术匹配性差，加之肥料的过量投入，导致肥料利用率降低[3-4]。因此，探究内蒙古马铃薯主产区基础地力对马铃薯产量的影响，对于指导内蒙古地区合理施肥具有重要的意义。前人研究[5-6]指出，作物施肥产量与基础地力呈显著正相关，基础地力越高，作物施肥产量越高。Fan等[7]采用地力贡献率评价了基础地力对施肥产量的影响，提升基础地力，可增加作物产量，即地力对施肥产量的贡献率越大。梁涛等[8]研究表明，土壤基础地力越高，在合理施肥的条件下，可获得的作物产量潜力越大，作物产量的稳定性和可持续性越好。然而，有关内蒙古马铃薯主产区土壤基础地力现状的研究未见报道，针对主产区基础地力对马铃薯产量的影响尚不清晰。因而探究基础地力和施肥效应与马铃薯产量的关系对于指导不同生态区土壤肥力下的马铃薯科学施肥显得尤为重要。本研究收集了2006—2015年在内蒙古阴山南麓区、阴山北麓区、燕山丘陵区、大兴安岭北麓区4个生态区开展的1118个试验点，对马铃薯主产区基础地力产量、贡献率以及基础地力和肥料效应对产量的影响进行评估，旨在揭示内蒙古马铃薯主产区土壤基础地力及马铃薯的产量潜力，为区域马铃薯增产和提质增效奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古马铃薯种植范围较广，主要分布在阴山南麓区、北麓区，燕山丘陵区和大兴安岭北麓区。阴山南麓位于大青山南部冲击平原，属中温带大陆性季风气候，≥ 10℃有效积温2000～3000℃，年平均降水量为335～535 mm，主要土壤类型为栗钙土、草甸土、风沙土等；阴山北麓区位于内蒙古中部大青山背部山地丘陵区，属中温带大陆性季风气候，≥ 10℃有效积温1800～2500℃，年平均降水量为150～450 mm，主要土壤类型为栗钙土；燕山丘陵区位于内蒙古燕山低山丘陵区，属中温带半干旱大陆性季风气候，≥ 10℃有效积温为1800～3300℃，年平均降水量为300～500 mm，主要土壤类型为栗钙土、褐土、草甸土、栗褐土、风沙土等；大兴安岭北麓区位于内蒙古呼伦贝尔市东北部，属中温带大陆性季风气候，≥ 10℃有效积温为1651～2647℃，年平均降水量为250～550 mm，主要土壤类型为黑钙土、栗钙土、草甸土、灰色森林土等。具体旗县分布见表1。

1.2 研究内容与方法

本研究收集了2006—2015年国家测土配方施肥项目在内蒙古开展的1118个马铃薯田间试验，试验分别在阴山南麓区、阴山北麓区、燕山丘陵区、大兴安岭北麓区4个生态区进行，各生态区马铃薯试验样本数分别为336个、571个、129个和82个，各生态区的土壤基本理化性状见表2。试验小区面积为20～50 m2。选取每个试验点无肥对照 (CK) 和氮磷钾肥 (NPK) 处理的马铃薯产量数据，对照处理不施用任何肥料，氮磷钾肥处理按照试验点当地测土配方施肥结果推荐施用，4个生态区的氮磷钾肥施用量见表1。供试氮肥为尿素 (N 46%)，磷肥为过磷酸钙 (P2O514%)，钾肥有硫酸钾 (K2O 50%) 和氯化钾(K2O 60%)，其中磷肥和钾肥全部基施，氮肥分次追施。试验由试验点当地的农技部门人员开展，试验肥料、田间管理以及产量的测定等均参照农业农村部《测土配方施肥技术规范》[9]进行。

1.3 数据处理与分析

土壤基础地力 (indigenous soil productivity，ISP)通常可以用不施肥条件下作物产量来评价土壤基础地力状况[7]。本研究用无肥区 (CK) 马铃薯产量表示马铃薯基础地力产量；同时，为了评价作物产量对土壤的依赖性，计算土壤 (对产量的) 贡献率(Csoil)。

式中，YCK为无肥区处理的平均产量；YNPK为氮磷钾处理的平均产量。

采用线性回归[8]和边界线分析方法[10]量化基础地力对施肥产量和产量差的影响。边界线拟合计算方法如下：

式中，Yp是边界线预测产量，Ya是氮磷钾肥处理可获得的最高预测产量，K、R为方程常数。

表1 内蒙古马铃薯主产区旗县分布及施肥量Table 1 Banners and counties located in each eco-region of Inner Mongolia and the corresponding fertilization rate

表2 内蒙古马铃薯主产区土壤基础理化性状Table 2 The physical-chemical properties on main production areas of potato in Inner Mongolia

根据边界线拟合得到的最高产量 (Ya) 计算产量差 (Ygap)。

式中，Ygap是产量差，表示施用氮磷钾肥处理可获得的最高预测产量与试验现实产量之差。

作物产量的可持续性指数 (sustainable yield index，SYI) 是衡量系统能否持续生产的一个参数，SYI值越大，表明产量的可持续性越好。产量稳定性指数 (stability index，SI) 是衡量作物产量稳定性的重要参数，SI值越低表明产量越稳定[11]。计算方法为：

可持续性指数 (SYI) = [AVE (YNPK) - STD(YNPK)]/YNPK-max

稳定性指数 (SI) = STD (YNPK)/AVE (YNPK)

式中，AVE (YNPK) 为平均产量，STD (YNPK) 为标准差，YNPK-max为试验中的最高产量。

为评价马铃薯产量和肥料对土壤基础地力的响应，本文采用平均单产法[5]将1118个试验按照不施肥对照产量的高低将土壤地力产量分为 ＜ 6、6～12、12～18、18～24、24～30 和 ＞ 30 t/hm2共 6 个等级。

利用Excel2010、SPSS25.0、Sigmaplot10.0软件进行数据统计与分析。

2 结果与分析

2.1 马铃薯主产区基础地力产量及地力贡献率

马铃薯主产区基础地力产量及地力贡献率统计结果 (表3)表明，内蒙古地区马铃薯土壤基础地力产量在13.10～16.45 t/hm2，平均为14.98 t/hm2。按四个生态区比较，基础地力产量由高到低依次为大兴安岭北麓区 ＞ 燕山丘陵区 ＞ 阴山北麓区 ＞ 阴山南麓区，阴山南麓区显著低于其他三个区。在现有基础地力条件下，四个生态区氮磷钾推荐施肥下的马铃薯产量、增产量以及地力贡献率由大到小的顺序与地力相同，阴山南麓区施肥产量、施肥增产量和地力贡献率均显著低于其他三个生态区。

2.2 马铃薯主产区基础地力水平对产量贡献率的影响

各生态区中，当基础地力产量由小于6 t/hm2增加到大于30 t/hm2时，马铃薯地力贡献率阴山南麓区由52.7% 增加到72.2%，阴山北麓区由56.2%增加到74.5%，燕山丘陵区由39.0%增加到75.7%，大兴安岭北麓区由52.4%增加到76.7%。4个马铃薯产区的结果均表明，随着基础地力的提升，土壤基础地力对施肥产量的贡献率呈现逐渐上升的趋势 (图1)。

2.3 基础地力和施肥对马铃薯预测产量与实测产量差值的影响

对马铃薯施肥产量与基础地力产量进行直线拟合，阴山南麓区、阴山北麓区、燕山丘陵区、大兴安岭北麓区的拟合决定系数分别为0.769、0.876、0.770和0.790 (P＜ 0.0001)，直线斜率均为正值，表明随着土壤基础地力的提高，马铃薯推荐施肥产量也随之提高 (表4、图2)。然而，实测结果表明，随着基础地力的提高，肥料的增产效应呈现下降趋势，当基础地力产量由 ＜ 6 t/hm2上升到 ＞ 30 t/hm2时，肥料增产率从120%下降到35.4% (表5)。说明施肥产量并不能随着基础地力的提升而不断增加。

基础地力与马铃薯施肥产量的边界线拟合结果见表4和图2。阴山南麓区、阴山北麓区、燕山丘陵区、大兴安岭北麓区马铃薯边界线拟合系数分别为0.852、0.877、0.666 和 0.832 (P ＜ 0.0001)。四个生态区马铃薯施肥可获得的产量潜力 (Ya) 分别为53.68、62.87、65.39 和 69.65 t/hm2。

施用氮磷钾肥处理可获得的最高预测产量与试验现实产量之差即为产量差。图3为不同基础地力等级下马铃薯的产量差。阴山南麓区当马铃薯基础地力产量由小于6 t/hm2增加到大于30 t/hm2时，产量差由44.36 t/hm2下降至11.06 t/hm2；阴山北麓区马铃薯基础地力产量由小于6 t/hm2增加到大于30 t/hm2时，产量差由56.48 t/hm2下降至12.85 t/hm2；燕山丘陵区马铃薯基础地力产量由小于6 t/hm2增加到大于30 t/hm2时，产量差由51.56 t/hm2下降至13.97 t/hm2；大兴安岭北麓区马铃薯基础地力产量由小于6 t/hm2增加到大于30 t/hm2时，产量差由55.36 t/hm2下降至19.11 t/hm2，表现为随着基础地力的提升，马铃薯获得区域高产潜力的产量差逐渐降低，表明通过提升土壤基础地力，可以缩减产量差，实现马铃薯高产。

表3 马铃薯主产区基础地力产量、施肥产量及地力贡献率Table 3 The yield in ISP and fertilization yield and the contribution of ISP on main production areas of potato in Inner Mongolia

图 1 各生态区基础地力对地力贡献率的影响Fig. 1 Effect of indigenous soil productivity on contribution rate of soil productivity in each eco-region of Inner Mongolia

表4 基础地力与马铃薯施肥产量的直线拟合和边界线分析Table 4 Linear fitting and boundary line analysis of indigenous soil productivity and fertilization yield

图 2 马铃薯施肥产量与基础地力的关系Fig. 2 The relationship between fertilization yield and indigenous soil productivity

2.4 基础地力对马铃薯产量稳定性和可持续性的影响

从图4可以看出，不同生态区马铃薯产量的稳定性和可持续性随着土壤基础地力的变化而变化。各生态区土壤基础地力上升时，马铃薯施肥产量的稳定性指数呈现出下降趋势，而可持续性指数呈现明显的上升趋势；当土壤基础地力由小于6 t/hm2上升到大于30 t/hm2时，阴山南麓区马铃薯产量稳定性指数由0.19下降至0.07，可持续性指数由0.11上升至0.49；阴山北麓区马铃薯产量稳定性指数由0.33下降至0.06，可持续性指数由0.03上升至0.42；燕山丘陵区马铃薯产量稳定性指数由0.19下降至0.06，可持续性指数由0.14上升至0.46；大兴安岭北麓区马铃薯产量稳定性指数由0.16下降至0.06，可持续性指数由0.15上升至0.70。因此，土壤基础地力较低的地块不仅马铃薯产量稳定性和可持续性较低，而且产量波动性较大，易受环境和气候的影响；土壤基础地力较高的地块易获得更高的产量，且稳定性和可持续性相对较好，所以提升土壤基础地力可同时促进马铃薯产量的稳定性和可持续性，有利于实现马铃薯的高产和稳产。

3 讨论

3.1 提升土壤基础地力，实现作物的高产稳产和可持续性生产

图 3 基础地力对马铃薯施肥产量差的影响Fig. 3 Effect of indigenous soil productivity on fertilization yield gap of potato

大量试验研究结果表明，作物产量与土壤基础地力密切相关，基础地力产量和地力贡献率是衡量基础地力的综合指标[7-8,12-13]，基础地力产量是确定适宜施肥水平的重要依据。鲁艳红等[14-15]通过长期定位试验表明，土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾是影响土壤基础地力产量的主要养分因子。有机质在土壤中既可以周转养分，稳定土壤结构，又可以促进根系环境的发展，有利于土壤水分的保持。本研究对内蒙古马铃薯主产区的基础地力评价结果显示，大兴安岭北麓区土壤类型主要以黑钙土为主，有机质平均含量较高，阴山南麓区土壤类型主要有栗钙土、风沙土等，土壤有机质平均含量较低，低于全区平均水平。土壤有机质含量表现为阴山南麓区 ＜ 阴山北麓区 ＜ 燕山丘陵区 ＜ 大兴安岭北麓区(表2)，马铃薯基础地力产量依次为13.10、14.67、15.71和16.45 t/hm2，其高低顺序与有机质含量相同。基础地力对马铃薯产量的贡献率与基础地力产量表现出相同的规律，基础地力产量越高，土壤对产量的贡献率越大。然而，内蒙古马铃薯主产区地力的时空特征尚不明晰，尤其是对基础地力较低的土壤空间分布分析较少，这将成为今后的重点研究方向。

3.2 提升基础土壤肥力，提高肥料的效益

土壤基础地力与肥料相对贡献率呈显著负相关[7]，土壤基础地力的提升可以有效降低作物产量对肥料的依赖，实现作物的高产稳产。本研究通过对多年多点田间试验的总结发现，在内蒙古马铃薯主产区，施肥产量均与土壤基础地力呈显著正相关 (图2)，与徐春丽等[16]、黄兴成等[12]在粮油作物和玉米上的研究结果一致。然而，随着基础地力的提高，肥料增产效果有所下降，当基础地力产量小于6 t/hm2时，肥料增产率可达到120%，当基础地力产量增加到大于30 t/hm2时，肥料增产率仅为35.4% (表5)。另外，通过对基础地力与马铃薯施肥产量的边界线拟合发现，阴山南北麓、燕山丘陵区、大兴安岭北麓区施肥可获得的产量潜力分别为53.68、62.87、65.39和69.65 t/hm2。这充分说明土壤基础地力越高，可获得的产量潜力越大，因此通过提高土壤基础地力，不仅可以挖掘农田生产潜力，增加作物产量，还可以减少对外源肥料的依赖，将肥料用量控制在适宜范围内，降低农业环境污染。通过研究还发现，土壤基础地力的提升对降低作物产量差至关重要，表现在随着基础地力的提升，马铃薯获得区域高产潜力的产量差逐渐降低 (图3)，表明通过基础地力的提升，可以缩减产量差，实现马铃薯高产，为今后马铃薯产量差缩减途径研究提供了新方向。土壤生产力的稳定性和可持续性是实现区域作物绿色生产的必然要求，本研究结果显示，随着土壤基础地力的提升，马铃薯施肥产量稳定性和可持续性随之提高 (图4)，表明地力的提升不仅能够促进马铃薯高产潜力的挖掘，还可以有效促进区域马铃薯稳产和可持续性生产，为实现区域马铃薯绿色生产提供了有力保障。

图 4 不同生态区土壤基础地力下的马铃薯产量稳定性和可持续性Fig. 4 Stability and sustainable yield indexes (SI and SYI) of potato under different indigenous soil productivity

阴山南北麓区马铃薯播种面积达44 万公倾，约占全区马铃薯播种面积的75%，是内蒙古马铃薯主产区域。但是，产量占全区马铃薯产量的69% (低于面积占比)，主要是由于阴山南麓区耕地水蚀和风蚀沙化严重。没有完善的水保措施，都存在不同程度的水蚀；气候干旱，植被稀疏，风蚀沙化耕地面积占总耕地面积的23.4%。加之水资源紧缺，天然降水和灌溉用水的利用效率低。阴山北麓区土壤养分贫瘠，物理性状差，土壤有机质含量低于20 g/kg、全氮含量低于1.0 g/kg；耕层土壤质地以沙壤土、沙土为主，土体构型薄层型、漏沙型，保水保肥能力低等因素制约了马铃薯产量的提高。因此，可以采取以下保护措施进行改善：一是通过风蚀沙化耕地治理工程，采用农田整治、田林路配套、建设生物篱带等措施开展风蚀沙化耕地治理；二是耕层建设工程，推广轮作免耕深松、增施有机肥或者建设小型智能化配肥站；三是农田节水工程，配套滴灌、喷灌等设施，建设实施水肥一体化。以往内蒙古地区土壤地力研究主要为单一或多肥力因子，鲜少有长期定位监测评价体系的报道研究，缺乏对造成我区土壤地力低的障碍因素的综合分析，因此建立土壤耕地地力等级变更评价体系，实现耕地保护与质量提升和化肥减量增效是马铃薯产业可持续发展中亟待解决的重大课题。

4 结论

1) 内蒙古马铃薯各主产区的土壤基础地力产量、施肥产量及地力贡献率存在差异。土壤基础地力产量在13.10～16.45 t/hm2，平均为14.98 t/hm2，其中阴山南麓区、阴山北麓区、燕山丘陵区、大兴安岭北麓区马铃薯基础地力产量分别为13.10、14.67、15.71和16.45 t/hm2，基础地力对产量的贡献率分别为57.6%、62.7%、63.9%和66.2%。氮磷钾推荐施肥产量在20.90～26.54 t/hm2，施肥平均增产9.01 t/hm2。

2) 边界线拟合结果表明，阴山南麓区、阴山北麓区、燕山丘陵区、大兴安岭北麓区施肥可获得的最高预测产量分别为53.68、62.87、65.39和69.65 t/hm2。随着土壤基础地力的提升，土壤对产量的贡献率增加，施肥可获得的产量潜力增大。

3) 土壤基础地力与马铃薯产量差呈显著负相关，通过提升基础地力，可以缩减产量差。随着土壤基础地力提升，马铃薯施肥产量的稳定性指数下降，可持续性指数增大，意味着提升基础地力有利于马铃薯的高产、稳产。