基于陕北地区土壤水分和养分含量对马铃薯增产潜力的影响

刘婉如，陈文渊，贺鹏飞，罗 森，沈 晗，蔺 鑫

(延安大学生命科学学院，陕西延安716000)

马铃薯在陕北地区具有良好的种植基础，是该地区近年来发展的主要经济作物和特色产业，年种植面积15.3×104hm2，仅次于玉米、小杂粮[1]。三大粮食作物的平均单产已远高于世界平均水平，种植面积短期内将保持下降的趋势，近年来其单产基本没有增加[2]。马铃薯适应性广，生产潜力较大，具有能在干旱半干旱地区获得高产的优良特性[3]。蔡兴奎等[4]研究认为我国马铃薯生产现处于全面发展时期，国家将会在马铃薯相关产业方面投入技术和科技，结合相关政策推动我国马铃薯总产量和单产水平的提升。陕北地区已实施多年退更还林政策，总耕种面积减少，提高粮食单产是提高该地区产量的主要途径[5]。

Datta[6]首次提出产量差的概念，Lobell等[7]在研究中定义当前常用的产量的等级为模拟产量潜力、试验产量潜力、高产农户产量和平均农户产量，不同的学者因所研究的特殊情况会对其中某些等级进行替换。范兰等[8]总结前人研究资料得出，作物的产量研究尺度分为全球尺度、区域尺度和田块尺度三类，本文的研究尺度为田块尺度，借助试验样地数据探讨产量差的限制因子。近年来许多国内外学者研究马铃薯产量潜力及产量差的影响因素，积极从水肥配比和农业措施方面进行探索。张富仓等[9]马铃薯试验田进行水肥配比试验，得出的产量均值为53628 kg/hm2，表明该地区的试验田产量潜力较高，提升的空间较大。特定区域内研究产量差及其限制因素，可以帮助该区域农民采取有针对性的措施，提高作物产量，提升经济效益。

陕北地区降雨量小且降雨时期集中，而农业生产用水主要依靠降雨[10]。马铃薯生长中对水分的需求量较大，马铃薯不同生育期遭受干旱胁迫时对马铃薯产量会产生不同程度的影响，块茎形成期遭受水分胁迫对产量影响较大[11]。0～100 cm耕作层土壤贮水量与马铃薯产量具有显著的积分回归关系，20～40 cm耕作层的土壤贮水量与马铃薯产量的相关系数最高，是马铃薯产量形成的关键层[12]。

杜常亮等[13]设置设施栽培马铃薯试验，两年研究结果表明灌水会对马铃薯产量和品质产生显著影响。高月[14]研究马铃薯全株中养分元素含量，得出马铃薯氮磷钾吸收积累量呈“S”型生长曲线变化规律。穆俊祥等[15]试验表明N、P、K和有机肥施用对马铃薯淀粉含量和淀粉产量均有显著影响，肥料合理配施可显著提高马铃薯淀粉含量和产量。刘中良等[16]采用“3414”肥料试验设计开展早熟马铃薯的氮、磷、钾肥料效应研究，结果表明增产效果从大到小排列为钾肥>氮肥>磷肥，综合比较产量和收益得出的最佳肥料用量钾肥>氮肥>磷肥。张静等[17]通过对氮、磷、钾肥与马铃薯产量进行一元模型拟合，发现氮、磷、钾肥对马铃薯产量的影响均呈报酬递减规律。张富仓等[9]水肥一体化试验得出结论为不同的水肥组合对滴灌条件下大田马铃薯有显著性影响，其产量随着灌水量的增加而增加，随着施肥量的增加先增大后减小，且最大产量在高水处理和中肥处理获得。

本文以陕北地区马铃薯产量和马铃薯大田土壤为研究对象，采用野外采样与室内农化分析相结合的方法，研究陕北地区马铃薯产量潜力、产量差和土壤含水量与氮磷钾含量对产量的影响，明确陕北大田种植马铃薯的主要限制因素，以期为陕北地区马铃薯增产提供一定的依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

陕北部分地区采样点：本次采集的马铃薯样地位于陕北部分地区(36°40′-38°21′N，108°46′-109°44′E)，属于黄土塬区的典型黄土丘陵地貌，干旱半干旱大陆性季风气候，年平均降水量500 mm左右，年总辐射量5016～5852 MJ/m2，年平均气温9 ℃，无霜期156～205 d，土壤类型主要为黄绵土和风沙土，肥力水平偏低。供试土壤有机质含量2.16～20 g/kg，硝态氮含量2.17～20.12 mg/kg，速效磷含量1.49～33.775 mg/kg，速效钾含量14～475.28 mg/kg。

陕北榆林试验站采样点：马铃薯样地位于榆林马铃薯试验站(109°43′N，38°23′E)，属于干旱半干旱大陆性季风气候，年平均降水量371 mm，年总辐射量606.7×107J/m2，年平均气温8.6 ℃，无霜期167 d，土壤为风沙土，肥力水平中等。供试土壤有机质含量7.85 g/kg，硝态氮含量48.9 mg/kg，速效磷含量13.95 mg/kg，速效钾含量87 mg/kg。

采样地马铃薯品种难以区分，为排除品种因素的影响，将榆林试验站采样点中28个品种数据计入陕北地区采样点。陕北部分地区采样点共计56个，采样个数168；榆林试验站采样点共计1个，采样个数126。

1.2 实验设计

陕北部分地区采样点：沿陕北地区各级公路，间隔30～50 km距离，选取面积大于1 hm2的马铃薯农田，利用定位软件记录样地名称及经纬度，记录农户在该地块的种植措施及施肥情况，利用卷尺测量株距和行距，采集马铃薯与土壤样品，做好标记密封后带回实验室。

陕北榆林试验站采样点：参照试验站马铃薯种植区块面积制定采样数量，记录马铃薯生育期内施肥情况，利用卷尺测量株距和行距，采集马铃薯与土壤样品，做好标记密封后带回实验室。

1.3 测定指标与方法

产量采集与测定：在陕北地区马铃薯收获期间，选取样地中心位置，采集3株连续且相邻的马铃薯植株，拭去马铃薯块茎表面土壤，用弹簧秤称取单株薯重，采用小区测产的方法计算马铃薯产量。因采集区域地幅辽阔，马铃薯种植时间不统一及植株发育期不同，故采样期间某地块50%马铃薯植株地上部分未丧失功能，则乘以收获系数校正产量。

土壤样品采集：在马铃薯样地中随机选取3个样点，距马铃薯植株根部10～20 cm处，利用取土钻沿垂直方向取0～20 cm土壤混匀，装入塑封袋后密封袋口，带回实验室湿土时测定含水量，阴干土壤后依据测定对土壤粒径的需求过筛测定有机质、硝态氮、速效磷和速效钾。

土壤样品测定：含水量(烘干法)；有机质(重铬酸钾容量法—外加热法)；硝态氮(2 mol/L KCl浸提，210 nm比色法)；速效磷(0.5 mol/L NaHCO3浸提，钼锑抗比色法)；速效钾(NH4OAc浸提，火焰光度法)[18，19]。

1.4 产量差确定

参照Lobell[20]的分类方法，把采集的陕北地区马铃薯产量数据集划分为四类。第一类记作试验高产，抽取试验站中种植的马铃薯产量均值数据前5%；第二类记作试验均产，抽取试验站中种植的马铃薯产量均值数据中间的80%；第三类记作农户高产，抽取陕北地区马铃薯大田产量均值数据的前10%；第四类记作农户均量，抽取陕北地区马铃薯大田产量均值数据的前80%。

依据试验高产、试验均产、农户高产、农户均产四种类对产量差定义，YG1为农户高产与农户均产产量差值，YG2试验均产与农户均产产量差值，YG3试验高产与农户均产产量差值。

1.5 数据的处理及统计分析

用Microsoft Excell 2010进行数据计算；SPSS 20.0统计软件进行单因素和相关性分析；SigmaPlot14.0绘图。

2 结果分析

2.1 陕北地区马铃薯产量潜力与产量差

图1为陕北地区马铃薯产量潜力与产量差。由图1可知陕北地区农户均产组与试验高产、试验均产组和农户均产组之间的马铃薯产量间存在显著差异，试验均产组与农户高产组产量无显著差异。其中试验高产组产量最高为72678 kg/hm2，农户均产组产量最低仅为19386 kg/hm2，YG3达到最大值53292 kg/hm2，农户均产组实现试验高产组产量的26.7%；试验均产组产量为36083 kg/hm2，YG2为16697 kg/hm2，农户均产组实现试验均产组产量的53.7%；农户高产产量为34259 kg/hm2，YG1为14873 kg/hm2，农户均产组实现农户高产组产量的56.6%。产量差由大到小排列为YG3>YG2>YG1，其中YG3比YG1和YG2高72%、69%。

2.2 陕北地区马铃薯产量与土壤水分及养分比较分析

2.2.1 陕北地区各等级马铃薯产量与土壤水分及养分关系

图2-a陕北地区马铃薯大田土壤含水量。试验高产、试验均产、农户均产和农户均产各组土壤含水量达到显著差异，含水量由高到低依次为农户均产>农户高产>试验均产>试验高产，含水量最高是农户均产组为8.333%，含水量最低是试验高产组为5.427%，随土壤含水量升高马铃薯产量有逐渐降低的趋势。

图2-b陕北地区马铃薯大田土壤有机质含量。试验高产、试验均产、农户高产与农户均产各组土壤有机质无显著差异，试验均产组土壤中有机质含量最低为4.922 g/kg，农户均产组土壤中有机质含量最高6.095 g/kg。试验均产、农户高产和农户均产的产量与土壤中有机质含量仍存在随产量的减少有机质含量上升的现象，试验高产组土壤有机质含量不符合此变化规律。

图2-c陕北地区马铃薯大田土壤硝态氮含量。农户均产与试验高产、试验均产和农户高产组间土壤中硝态氮含量具有显著差异，含量最高为试验均产组5.649 mg/kg，含量最低为农户均产组2.630 mg/kg。土壤硝态氮含量由高到低为试验均产>农户高产>试验高产>农户均产，试验高产组土壤中硝态氮含量低于试验均产和农户高产组，产量和土壤中硝态氮含量变化规律不明显。

图2-d陕北地区马铃薯大田土壤速效磷含量。试验高产、试验均产、农户高产和农户均产各组土壤有机质无显著差异，土壤中有机质最低试验均产组与最高农户均产组，两组差值为3.318 mg/kg。土壤中速效磷含量与产量成正比，土壤中速效磷含量较大的地区，马铃薯产量相应较大。

图2-e陕北地区马铃薯大田土壤速效钾含量。试验高产组与试验均产组土壤中速效钾含量无差异，农户高产组与农户均产组土壤速效钾含量无差异，试验组与农户组的差异达到极显著。农户组土壤中速效钾含量均值为49.247 mg/kg，试验组土壤中速效钾含量均值为9.322 mg/kg，试验组是农户组速效钾含量的18.9%，土壤中速效钾含量与马铃薯产量成反比。

2.2.2 陕北地区马铃薯大田土壤水分及养分含量与产量的关系

图3-a陕北地区马铃薯大田中土壤含水量。陕北地区农田土壤含水量范围在3.218%～15.888%之间，其中60%含水量数据分布在4%～8%的范围内，土壤中含水量地区间差异较大平。产量小于20000 kg/hm2的地区含水量含量较高且变化范围较大，产量大于20000 kg/hm2的地区土壤含水量较为接近，只有极少数地区含水量数据出现异常。

图3-b陕北地区马铃薯大田中土壤有机质含量。土壤有机质含量范围在2.153～12.485 g/kg，其中60%有机质数据分布在4～6 g/kg的范围内，大部分地区土壤中有机质含量较少，累计投入量不足。产量小于20000 kg/hm2的地区有机质含量相对较高，变异系数较大；产量大于20000 kg/hm2的地区土壤有机质含量较为均一。

图3-c陕北地区马铃薯大田中土壤硝态氮含量。土壤硝态氮含量范围在0.21～20.12 mg/kg，88.9%的硝态氮含量数据7 mg/kg之下。产量为40000 kg/hm2以上的地区，土壤中硝态氮含量均在5 mg/kg以下；产量为40000 kg/hm2以下的地区，土壤中硝态氮含量波动明显。

图3-d陕北地区马铃薯大田中土壤速效磷含量。土壤速效磷含量范围在1.975～33.775 mg/kg，0～40000 kg/hm2产量阶段内的土壤速效磷含量差异较大，产量为60000 kg/hm2以上地区土壤速效磷含量普遍较小。

图3-e陕北地区马铃薯大田中土壤速效钾含量。土壤速效钾含量范围在5～89.5 mg/kg，速效钾含量产生两极分化的现象，43.9%的地区含量高于40 mg/kg，52.9%的地区含量低于20 mg/kg，产量为40000 kg/hm2以上地区土壤速效磷含量均低于20000 mg/kg。

3 讨论

分析陕北地区田间调查数据，得出马铃薯试验高产、试验均产、农户高产和农户均产的产量间存在显著差异，各分组产量与农户均产组产量的差值较大。Haverkort[21]在环境因素极优的情况下，利用模型预测的马铃薯实际产量为140000 kg/hm2，本次调查陕北地区马铃薯试验高产组产量可达72678 kg/hm2，实现该模型预测产量的51.9%，表明陕北地区马铃薯试验区具有较大增产潜力，应从管理因素和环境因素综合考虑，进行试验田种植试验研究该地区实际产量的最大值，并以此为目标逐步实现该地区马铃薯增产。钟鑫等[22]马铃薯主产区的比较优势及其变化趋势进行分析，结果表明西北、西南和东北三个地区的马铃薯生产综合比较优势较高。本次调查陕北地区马铃薯均产为29000 kg/hm2，与徐亚新等[23]汇总多年该地区的产量数据接近，表明该地区多年来马铃薯产量较为稳定，农户种植马铃薯措施和种植面积变动幅度不大。本研究中农户高产组与试验均产组产量数据无差异，表明整个地区有实现试验均产组产量的基本生态条件，且部分农户已经掌握马铃薯高产的技术要求。

土壤肥力的高低在一定程度上决定了土壤生产力的高低[24]，通过对陕北地区马铃薯产量测定和马铃薯大田土壤理化性质试验，研究土壤养分含量对马铃薯产量的影响。结果表明对马铃薯产量影响显著的因素为含水量、有机质含量、硝态氮含量和速效钾含量，其中土壤速效钾含量的影响因子最大。

土壤贮水量是影响产量的重要因素[25]，本研究得出土壤含水量与产量具有显著负相关，土壤含水量最低的地区产量最佳，一方面是因为马铃薯整个生长阶段对水分的需求量比较大，收获前马铃薯产量较大地区对土壤水分供应良好，马铃薯吸收土壤中水分越多，土壤中残留水分越少，水分利用效率较高。宋娜等[26]研究结果是土壤湿润比较高的处理，马铃薯产量及水分利用效率最大。另一方面收获后马铃薯地上部分枯萎，土壤水分蒸散量变大。马铃薯成熟期是土壤蒸发的高峰期，而其他生育期的蒸发相对平稳[27]。

本次研究得出陕北地区有机质含量均值为5.56 g/kg，在全国第二次土壤普查养分分级标准分类中属于六级。张立超等[28]研究表明马铃薯在生育期内吸收有机质含量约19%，仅有少量有机质在下层土壤中积累。本次测定的土壤有机质数据表明整个陕北地区土壤中有机肥含量较低，施入量低且累计消耗量大。本研究产量与有机质含量整体符合负相关变化规律，试验高产和试验均产组有机质含量无差异，导致这种现象出现的原因可能是实验组的施用有机肥量无差异。

吴金水等[29]研究表明种植作物显著地改变土壤剖面水分和硝态氮的分布情况，并使其含量发生大幅度的季节变化，该变化产生的原因主要是作物的利用导致。土壤中硝态氮含量与产量呈显著正相关，魏峭嵘等[30]研究表明随施氮量增加马铃薯产量呈先增后减的趋势，王秀康等[31]研究表明施氮量越高硝态氮的淋失量越大，司转运等[32]研究证明施氮显著增加0～100 cm土体不同土层的硝态氮含量，随着施氮量增加，土壤硝态氮含量增大。赵俊晔等[33]利用15N示踪技术研究得出小麦在生育期内吸收当季施氮肥的比例远远低于土壤中氮含有量。根据上述结论推测陕北地区马铃薯产量较高地区，大田土壤中累积的氮含量越高，其前期施氮肥量越大；不排除农户投入氮肥量较高，由降水等因素导致肥料损失率过高而马铃薯产量降低的可能性。

本次得到的实验数据进行相关性分析和灰色关联度分析，结果表明土壤速效钾含量与产量成显著负相关，相关性达到R2=0.1599。卢建武等[34]研究表明钾在马铃薯植株内参与物质运输和积累，起到重要的作用。马铃薯是一种钾低效作物[35]，即钾肥施用量大于马铃薯生长所需时，马铃薯才能从土壤中吸收充足的钾。本次测定农户组土壤中速效钾含量普遍较高，产量反而普遍较低，漆辉等[36]研究证明即使不施用钾肥，土壤速效钾含量仍保持在一定的水平，但从维系土壤供钾能力及其可持续利用的角度出发，农业生产中仍需合理施用钾肥。康小华等[37]研究结果为钾肥施用量过高过低都会导致产量下降，表明陕北地区产量仍处在峰值之下，可能的原因是上述调查农田中土壤速效钾未被充分利用。程东娟等[38]研究表明土壤速效钾含量与马铃薯产量呈显著正相关，本研究结果与之相反，原因可能是其处理中采用覆膜显著增加土壤硝态氮含量[39]；本次研究区域施肥配比不统一，其它土壤养分等缺失会对马铃薯生长发育产生负效应，间接影响马铃薯吸收土壤速效钾；土壤养分配比不合理时，导致作物对某种养分吸收效率下降。据上述学者研究结论推断陕北地区大田中速效钾含量维持中等水平，但马铃薯吸收利用效率较低，促进速效钾为马铃薯所用是增产的关键之一。本次试验中试验组土壤中速效钾含量较低，原因可能是该地块种植前经均一化处理，以减少土壤中原有养分对施肥处理的影响，另一方面表明试验组中钾肥的利用率远远地大于农户组。

本次研究得出土壤中硝态氮含量与速效磷含量和速效钾含量显著相关，其中硝态氮与速效磷呈正相关，与速效钾呈负相关。对氮肥的利用效率产生影响的因素是施氮量、补水量、水肥施用时期分配、有机肥施用量、施钾量，高水高氮组合配比效果最佳[40]。韦剑锋等[41]研究表明单一增施氮肥不利于磷肥和钾肥的高效利用，深入研究土壤肥效间的相互作用，明确施肥比例。漆辉等[36]研究认为施氮量与土壤中速效磷和速效钾含量呈显著正相关，王西娜等[42]认为适量施氮会促进作物对土壤水氮的利用，提高作物生物量和产量，因此提高氮肥施用水平，并施用磷肥和钾肥助于土壤中养分的积累，有利于马铃薯对水肥的吸收利用。

4 结论

本次研究陕北地区马铃薯试验高产组产量为72678 kg/hm2，试验均产组产量为36083 kg/hm2，农户高产组产量为34259 kg/hm2，农户均产组产量19386 kg/hm2。陕北地区马铃薯产量差距较大，意味着该地区马铃薯产量潜力巨大。深入研究该地区产量的影响因素，制定适宜的耕种和施肥措施，逐步消除各级产量差，将会大幅提高该地区马铃薯产量。

本次研究陕北地区土壤中速效钾的含量对马铃薯产量的影响最大，建议寻找活化该地区土壤中速效钾的方式，提高该地区钾肥的利用率；合理供给土壤钾肥，保证土壤的供钾能力和钾素的可持续利用。土壤含水量对马铃薯的生长发育较为重要，特别是陕北特殊的降雨条件，建议在马铃薯生育期降雨较少的情况下改善供水情况，保障马铃薯生长的基本条件，促进产量的提高。土壤中氮元素含量与其它元素含量呈显著相关，表明氮肥与其它肥料结合施用对产量产生重要作用，建议提高氮肥的施入量，提高马铃薯对氮肥及其它肥料的吸收利用。土壤含水量是供给马铃薯生长发育的关键，考虑该地区降水量较低，建议采用滴灌等节水措施，保持较高含水量以提供马铃薯生长所需。