长期轮作与施肥对马铃薯土壤养分和产量的影响

王晓军 孙玉琴 杨军学 王勇 张尚沛 程炳文 张晓娟

摘    要：为探明长期轮作与施肥对马铃薯土壤养分和产量的影响，采用随机区组设计，研究了9 a（年）间不同肥料配比对马铃薯与杂粮轮作土壤养分含量的影响。结果表明，经过9 a轮作与施肥，磷钾肥区旱作土壤有机质含量从2011年的6.46 g·kg-1上升到2019年的11.79 g·kg-1，土壤速效养分含量总体呈现出缓慢递增的趋势，全量养分含量呈递增-降低-递增-降低的“M”态势，不同氮磷钾肥配比对马铃薯增产效果显著，在2019年产量达到最高，为12 015 kg·hm-2。综上所述，经过9 a的长期轮作与施肥后，土壤质量明显提高。

关键词：马铃薯;轮作与施肥;旱作;土壤养分;产量

Abstract： In order to investigate the effects of long-term crop rotation and fertilization on soil nutrient and yield of potato， the effect of different fertilizer ratio on soil nutrient content of potato and multi-grain rotation was studied by random block design. The results showed that after nine years of rotation and fertilization， dry land soil organic matter was increased  from 6.46 g·kg -1（2011） to 11.79 g·kg -1 （2019）， soil available nutrient content presented a slowly increasing trend， the total amount of nutrient content showed an "M" trend of increasing - decreasing - increasing - decreasing， the effect of different N， P and K fertilizer ratio on potato yield increase was significant， the annual output reached the highest at 12 015 kg·hm-2 in 2019. In conclusion， after 9 years of rotation and fertilization， the soil quality was significantly improved.

Key words： Potato; Crop rotation and fertilization; Dry farming; Soil nutrients; Production

寧夏南部山区属于旱作农业雨养区域，水资源短缺、土壤贫瘠是制约当地农业生产的主要因素[1-2]。当前，肥料利用效率低，土壤养分不平衡等问题日益突出，对旱作土壤养分丰缺状况进行定位监测，分析土壤理化性状变化趋势，研究轮作和施肥与土壤质量的关系，对于指导科学施肥具有重要意义。

养分是反映土壤质量变化的重要指标[3]，施肥是提高土壤肥力的重要农艺措施，王晓军等研究表明，施肥能显著改变作物耕层土壤养分含量和土壤养分在剖面的分布[4]，而不同氮磷钾肥配比能使土壤肥料利用效率提高45%以上[5]。王晓军等[6]研究表明，长期定位施肥对土壤团聚体也具有一定的影响。然而不合理的施肥措施会导致土壤肥力下降，针对土壤肥力变化情况，定位试验可以解决这一生产上的难题[7]。目前基于定位施肥试验研究宁夏南部山区土壤养分变化的报道很多，也取得了一系列研究成果[8-11]。然而，在旱作土壤研究方面，利用轮作与施肥研究土壤养分含量变化的研究报道较少，笔者利用定位试验，研究了马铃薯与谷子9 a（年）长期定位轮作与施肥对马铃薯土壤养分含量的动态变化的影响，为完善该地区土壤合理培肥技术、增加马铃薯产量提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2011年在宁夏农林科学院固原分院长期定位试验基地进行。试验地处东经106 ?44 ′，北纬36 ?44 ′，海拔1550 m，年降水量200～350 mm，冬春干旱，降水一般集中在7—9月份，四季多风，年蒸发量1650 mm，≥10 ℃积温2800～3500 ℃，年无霜期150～200 d，试验地平坦，土壤类型为湘黄土。土壤理化性质为：速效氮质量分数32.21 mg·kg-1，速效磷质量分数23.88 mg·kg-1，速效钾质量分数174.89 mg·kg-1，全氮质量分数0.61 g·kg-1，全磷质量分数0.79 g·kg-1，全钾质量分数14.56 g·kg-1，有机质质量分数6.48 g·kg-1，pH值8.63。前茬作物收获后施入底肥，秋耕、耙耱。

1.2 材料

肥料：氮肥为尿素（含N 46.4%）、磷肥为重过磷酸钙（含P2O5 43%）、钾肥为硫酸钾（含K2O 45%）。作物：谷子品种为张杂13号;马铃薯品种为冀张薯8号，为中晚熟菜用型品种，自河北省高寒作物研究所引进。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，小区长5 m，宽6 m，面积30 m2，2次重复，行距50 cm，株距33 cm，种植密度为每6000株·hm-2，种植深度为12 cm。所有肥料70%做基肥施入，30%在灌浆期追施。谷子于每年4月20日左右种植，9月下旬收获，谷子轮作年份为2012、2014、2016、2018年;马铃薯于每年4月20日种植，9月下旬收获，马铃薯轮作年份为2011、2013、2015、2017、2019年。肥料于播前撒施后，翻入土中，田间管理按常规进行。

1.4 测定项目与方法

每年在收获后采集试验处理土壤样品（0～20 cm），自然风干后分别过1 mm和0.25 mm筛，供测定养分分析用。

采用重铬酸钾-硫酸消化法测定有机质、全氮含量;采用高氯酸-硫酸消化法测定全磷含量;采用火焰光度计法测定全钾含量;采用直接蒸馏、盐酸滴定法测定速效氮含量;采用Olsen法测定速效磷质量;采用乙酸铵提取、火焰光度计法测定速效钾含量[12]。测定结果以风干基表示，马铃薯产量以小区实测数据计算。

1.5 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2010计算整理及制表作图，采用DPS 20.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 長期定位施肥对马铃薯轮作土壤化学性质及含量的影响

2.1.1 长期定位施肥对马铃薯轮作土壤有机质的影响 从图1可以看出，2011年土壤有机质质量分数平均为6.48 g·kg-1，经过9 a施肥与轮作后，各处理有机质均呈现上升趋势，2019年平均为10.98 g·kg-1，高于2011年。不同处理间比较，施磷钾肥（T3）有机质质量分数增长最快，到2019年时达11.79 g·kg-1，其次是施氮磷钾肥（T1）和施氮肥（T2）分别为10.79、10.35 g·kg-1。

2.1.2 长期定位施肥对马铃薯轮作土壤速效养分含量的影响 从表2可以看出，2011年各处理土壤速效养分含量较低，土壤速效氮、速效磷、速效钾平均质量分数分别为32.21、23.88、174.96 mg·kg-1;经过9 a轮作与施肥后，土壤速效养分含量总体均呈增高趋势，2019年平均分别为71.67、41.33、281.33 mg·kg-1，所有处理土壤速效养分含量均显著高于对照。

不同处理间比较，随着轮作年限的延续，各处理速效氮质量分数在2013年下降之后又快速上升，2013年平均为16.73 mg·kg-1，主要原因是黄土丘陵地区，每年8—9月份降雨较多，黄土地表疏松，土壤养分流失较严重。速效磷含量除T2、T3处理在2013年均升高外，各处理均呈现出降低-升高-降低-升高的“W”形状，但总体以增加趋势为主。速效钾质量分数在2013年施氮肥区（T2）达到最大，为301.41 mg·kg-1，其次是只施磷钾肥区（T3）和施氮磷钾肥区（T1），速效钾质量分数分别为275.31和264.71 mg·kg-1，分别较对照（184.00 mg·kg-1）增加49.6%和44%;随后各处理速效钾含量随之下降，只施氮肥区（T2）速效钾质量分数在2017年比2015年略有提升，分别为160.00、158.33 mg·kg-1;2017年之后各处理又上升，速效钾总体呈上升趋势，且各施肥处理与对照差异显著。

2.1.3 长期定位施肥对马铃薯轮作土壤全量养分含量的影响 从表3可以看出，长期定位施肥对马铃薯轮作土壤全氮、全磷、全钾含量影响较大，所有处理在9 a间均呈现增高-降低-增高-降低的“M”形状。各处理全氮质量分数在2013年均达到最大值，平均为1.05 g·kg-1，显著高于对照;随后又迅速下降，在2015年下降到最低，各处理全氮质量分数为0.46～0.57 g·kg-1，平均为0.50 g·kg-1;2017年各处理全氮质量分数又呈现增加趋势，为0.83～0.97 g·kg-1，平均为0.88 g·kg-1;2019年各处理全氮质量分数均下降，为0.66～0.67 g·kg-1，平均为0.66 g·kg-1，各施肥处理全氮含量均与对照差异显著，全氮含量总体呈现上升趋势，说明轮作与施肥对土壤全氮含量影响较大。

全磷含量变化趋势与全氮含量变化相反，随着试验年限的推进，各处理呈现下降趋势。2013年各处理全磷质量分数达到最大值，为0.95～0.99 g·kg-1，平均为0.97 g·kg-1，各处理全磷含量均显著高于对照;随后各处理又下降，但2017年各施肥处理全磷质量分数稍微有所增加，为0.90～0.96 g·kg-1，平均为0.93 g·kg-1，T2处理全磷含量显著高于对照，其他处理与对照差异不显著;2019年全磷质量分数达到最低，各处理为0.63～0.70 g·kg-1，平均为0.65 g·kg-1，较对照差异显著。

全钾含量尽管也呈现出“M”形状，但总体呈现出递增且富集的趋势，2011年各处理土壤全钾平均质量分数为14.56 g·kg-1，通过9 a轮作与施肥后，2019年各处理土壤全钾平均质量分数达到19.43 g·kg-1，增加33.08%。

2.2 长期定位施肥对马铃薯产量的影响

由表4可知，各处理随着试验年限的推进，马铃薯产量呈逐渐增加趋势。在2019马铃薯产量分别达到最大值，其中施氮磷钾肥区（ T1 ）最大，为12 015 kg·hm-2;其次是施磷钾肥区（T3），为10 800 kg·hm-2;最后是施氮肥区（T2），为10 488 kg·hm-2，分别较对照增加86.71%、67.83%和62.98%，各施肥处理马铃薯产量均显著高于对照，而T2与T3处理间马铃薯产量差异不显著。从以上可以看出，合理的氮磷钾肥配比，使土壤养分达到作物的需求，能够显著提高马铃薯的产量。

3 讨论与结论

土壤有机质是作物矿质营养和有机营养的重要来源，影响土壤的保肥性和通透性，研究表明，长期不施肥会导致土壤有机质含量下降[13]，但笔者研究发现，马铃薯9 a间不施肥处理土壤有机质含量和施肥处理一样呈递增趋势，但增长趋势较缓慢，主要原因可能是每年作物收获之后对秸杆粉碎还田导致不施肥处理土壤有机质含量缓慢增加，也许还有其它因素，具体原因有待进一步探明。同时也可能是不同作物之间长期轮作导致土壤有机质含量增加，这一结论已被众多研究所证明[14-16]。

土壤中氮、磷、钾三元素对培肥地力起着重要的作用。研究表明，长期施用化肥，尤其是氮磷钾肥配施，可以显著提高土壤有机质含量[17]，同时，有机质含量的提升也促进有效氮的积累[18-19]，相关研究结果均证明氮、磷、钾化肥配施能有效增加土壤养分含量，是培肥地力的最佳施肥组合[20]。9 a的测试数据结果表明，各处理土壤速效氮、速效磷、速效钾质量分数和土壤有机质质量分数一样，多呈现出增加趋势，并在2019年达到最大值，平均分别为71.67、41.33、281.33 mg·kg-1。

近9 a来，经过长期轮作与施肥，旱作土壤速效养分含量总体呈上升趋势。研究表明[21]，长期不施用磷肥会导致土壤全磷和有效磷含量下降，而长期施用磷肥能够显著提高土壤有效磷含量。本研究中2013年开始施肥处理和对照速效磷含量增加的差异较大，速效磷含量除T3、T3处理在2013年均升高外，各处理均且呈现出“W”形状，主要原因可能是土壤速效磷含量的升高与磷肥的施入有关，而磷素移动性差，在土壤中不断积累，提高了磷的容量和强度，土壤有效磷含量也随之增加[22]。2019年施肥处理土壤速效磷质量分数均值达41.58 mg·kg-1，但土壤全磷含量缺逐年下降，导致这一结果的原因有待进一步研究。土壤速效钾含量总体呈升高、降低、稳定再升高的趋势，2011年土壤速效钾质量分数平均水平为175.19 mg·kg-1，该时期由于当地农户对钾肥重视不够，长期不施或者少施，导致钾肥用量普遍较低，土壤速效钾含量只能维持在初始水平，近年来，随着钾肥施用量的增加，土壤速效钾质量分数逐年提高，2019年平均达到281.71 mg·kg-1，较2011年提高了60.8%。

同样，氮、磷、钾三元素在促进马铃薯器官的形成和生长发育，块茎膨大期光和源的建成等方面起到较大作用[23]。相关研究表明，生产1000 kg马铃薯所需（N∶P2O5∶K2O）比例平均为1∶0.87∶3.44[24]。本研究中不同施肥处理的马铃薯产量随着轮作年限逐渐增加，到2019年分别达到最大值，其中施氮磷钾肥区（T1）最大，为12 015 kg·hm-2，其次是施磷钾肥（T3），为10 800 kg·hm-2，最后是施氮肥（T2），为10 488 kg·hm-2，分别较对照增加86.71%、67.83%、62.98%。

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