不同施肥处理对阴山北麓旱作区土壤肥力及马铃薯产量的影响

景宇鹏，赵沛义，康文钦，连海飞，张君，栗艳芳，梁俊梅，于伟卓，段玉，李蕾

（1.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古呼和浩特010031；2.内蒙古旱作农业重点实验室，内蒙古呼和浩特010031；3.农业农村部武川农业环境科学观测试验站，内蒙古武川011705；4.农业农村部内蒙古耕地保育科学观测试验站，内蒙古武川011705；5.鄂尔多斯市水土保持监督执法局，内蒙古鄂尔多斯017010）

土壤肥力是土壤基本性质的综合反映[1]，是衡量土壤为作物生长提供各种养分能力的重要指标[2]，直接影响作物的生长、产量、品质以及农业生产的可持续性[3]。农田土壤肥力的高低主要取决于生产消耗与培育补偿的动态平衡[4-6]。施肥是土壤肥力演变最直接的影响因子，科学施肥不仅能够使作物获得高产稳产以及提高养分利用效率，也是提高土壤肥力的重要措施[7-9]。因此，采取科学合理的施肥措施，是保证作物稳定和培肥地力的重要措施，也是实现区域农业高效利用的关键。

目前，有关施肥措施对土壤肥力的影响，研究认为合理施肥措施既可以提高作物生产能力和养分吸收能力又可以培肥地力提高土壤养分含量[10-14]；而过量或者不合理的施肥措施则可以引起土壤肥力持续下降，导致作物生长不平衡而减产[15-16]。汪建飞等[17]研究认为，长期单施化肥导致土壤质量严重下降；张秀芝等[18]、高洪军等[19]、查燕等[20]、夏文建等[21]、曹宏杰等[22]、许咏梅等[23]、赵玉皓等[24]研究认为，单施有机肥虽然可以提高土壤养分含量，但因养分供应缓慢等导致作物产量较低，而有机无机肥配合施用既可提高土壤养分含量和培肥地力又能增加作物产量。上述研究结果为作物科学合理施肥以及土壤质量培育提供了有效支撑条件。但有关旱作区土壤施肥的研究目前报道较少。因此，本研究以内蒙古自治区农牧业科学院武川旱作试验站的长期定位试验为基础，探讨不同施肥措施对土壤肥力以及马铃薯产量的影响，旨在为阴山北麓旱作条件下土壤合理施肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验区位于内蒙古自治区农牧业科学院武川旱作试验站，地理坐标北纬为41°08′22.8″，东经为111°17′43.6″，海拔1 570 m，地处阴山北麓旱作区，属中温带大陆性季风气候，年降水量250～400 mm，年蒸发量1 848.3 mm，年平均气温1.5～3.7℃，无霜期为90～120 d；土壤为典型栗钙土。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，共设置4个处理，分别为单施氮磷钾肥（NPK）、单施有机肥（有机肥）、有机无机配施（NPK+有机肥）和不施肥对照（CK），每个处理3次重复，共12个小区，每个小区面积5 m×10 m=50 m2。供试作物为马铃薯，供试有机肥为腐熟的羊粪，施用量为15 000 kg/hm2，氮肥为尿素（326 kg/hm2），磷肥为过磷酸钙（6.5 kg/hm2），钾肥为氯化钾（10 kg/hm2），化肥纯养分N-P2O5-K2O施用量分别为150、45、75 kg/hm2，有机肥在每年春播时均匀撒施于地表，人工翻压与土混合，化肥在人工播种时开沟施用。

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 土壤采集与指标测定2019年在马铃薯收获后采集土壤样品，每小区随机选择3个取样点，用土钻按0～10、10～20、20～40 cm分层取样，同时人工挖取一个50 cm×50 cm×50 cm的土壤剖面，用环刀分层采集0～10、10～20、20～40 cm土层土样用于土壤容重的测定。将采集的土壤样品在室内风干、粉碎过2 mm和0.15 mm筛后保存。土壤有机质采用重铬酸钾容量外加热法测定，土壤全氮采用半微量凯氏定氮法测定，土壤碱解氮采用碱解扩散法测定，有效磷采用碳酸氢钠浸提钼锑比色法测定，速效钾采用乙酸铵浸提火焰光度计法测定[25]。

1.3.2 马铃薯产量测定在9月下旬马铃薯成熟时，对各小区中间2垄进行全部收获测产。

1.3.3 计算方法

1.4 数据分析

数据采用Excel 2010作图，统计分析采用SPSS 18.0。

2 结果与分析

2.1 不同施肥措施对土壤物理性状的影响

由图1和图2可知，不同施肥处理土壤容重大小顺序为：CK＞NPK+有机肥＞NPK＞有机肥，土壤孔隙度大小顺序为有机肥＞NPK+有机肥＞NPK＞CK；其中，0～10 cm土层土壤容重和土壤总孔隙度有机肥、NPK+有机肥处理与不施肥处理（CK）相比，差异达显著水平（P＜0.05），土壤容重分别较不施肥处理（CK）较低了13.25%、10.60%，总孔隙度分别较不施肥处理（CK）增加了17.55%、15.77%；而不同施肥处理均能降低10～20、20～40 cm土层土壤容重和增加土壤总孔隙度，但差异未达到显著水平（P＞0.05）。这说明单施有机肥、有机无机配合施用能够改善土壤结构，降低土壤容重和增加土壤孔隙度，尤其对表层（0～10 cm）土壤的影响最为显著。

图1 不同施肥处理下土壤容重变化

图2 不同施肥处理下土壤总孔隙度变化

2.2 不同施肥措施对土壤有机质和全氮的影响

由图3可知，与不施肥处理（CK）相比，单施有机肥、有机肥+NPK处理显著提高了土壤有机质含量，不同施肥处理土壤有机质含量随土层深度增加而下降，大小顺序为：NPK+有机肥＞有机肥＞NPK＞CK。NPK+有机肥处理土壤有机质含量最高，不施肥处理（CK）有机质含量最低。0～10 cm土层单施NPK、有机肥、NPK+有机肥处理土壤有机质分别较对照提高了20.40%、42.96%、78.33%，其中，有机肥、NPK+有机肥处理与不施肥处理（CK），有机肥处理、NPK处理与NPK+有机肥处理差异显著（P＜0.05）；10～20 cm土层单施NPK、有机肥、NPK+有机肥处理土壤有机质含量分别较不施肥处理（CK）提高了2.09%、37.78%、70.70%，其中NPK+有机肥处理与不施肥处理（CK）差异显著；20～40 cm土层单施NPK、有机肥、NPK+有机肥处理均较不施肥处理不同程度地增加了土壤有机质含量，但不同处理差异不显著（P＞0.05）。

图3 不同施肥处理下土壤有机质变化

由图4可知，不同施肥处理均较不施肥处理不同程度地提高不同土层土壤全氮含量，且随土层深度增加土壤全氮含量逐渐降低，大小顺序为：NPK+有机肥＞有机肥＞NPK＞CK。0～10 cm土层单施NPK、有机肥、NPK+有机肥处理土壤全氮含量分别较对照提高了82.08%、38.68%、14.15%，其中，单施有机肥、NPK+有机肥处理与不施肥处理（CK），有机肥、NPK处理与NPK+有机肥处理差异显著（P＜0.05）；10～20 cm土层NPK+有机肥处理土壤全氮含量较不施肥处理（CK）提高了73.53%且差异显著（P＜0.05），20～40 cm土层单施NPK、有机肥、NPK+有机肥处理能较不施肥处理不同程度提高土壤全氮含量，但差异未达显著水平（P＞0.05）。

图4 不同施肥措施下土壤全氮处理变化

2.3 不同施肥处理对土壤速效养分的影响

由表1可知，不同施肥处理随土层深度增加碱解氮含量逐渐降低，且不同施肥处理均较不施肥处理不同程度地增加了不同土层土壤碱解氮含量，其中不施肥处理（CK）不同土层土壤碱解氮含量最低，NPK+有机肥处理最高，二者差异达显著水平（P＜0.05）。其大小顺序为：NPK+有机肥＞有机肥＞NPK＞CK。单施NPK、有机肥、NPK+有机肥处理0～10 cm土层碱解氮含量显著高于不施肥处理（CK），分别较不施肥处理（CK）提高了65.86%、123.16%、157.84%；10～20 cm土层单施NPK、有机肥、NPK+有机肥处理土壤碱解氮含量分别较不施肥处理（CK）提高了32.10%、45.90%、131.81%，其中有机肥、NPK+有机肥处理与不施肥处理（CK）差异达显著水平（P＜0.05）；20～40 cm土层单施NPK、有机肥、NPK+有机肥处理土壤碱解氮含量分别较不施肥处理（CK）提高了2.17%、43.23%、118.94%，同样也是有机肥、NPK+有机肥处理与不施肥处理（CK）差异达显著水平（P＜0.05），而NPK处理与不施肥处理（CK）差异不显著（P＞0.05）。

由表1可知，不同施肥处理随土层深度增加土壤有效磷含量逐渐降低，且不同施肥处理均较不施肥处理不同程度地增加了不同土层土壤有效磷含量，其中不施肥处理（CK）土壤有效磷含量最低，NPK+有机肥处理有效磷含量最高。其大小顺序为：NPK+有机肥＞有机肥＞NPK＞CK。0～10 cm和10～20 cm土层单施NPK、有机肥、NPK+有机肥处理土壤有效磷含量均显著高于不施肥处理（CK）（P＜0.05），分别较不施肥处理（CK）提高了20.60、7.67、6.87、18.60、5.34、4.80 mg/kg；而有机肥处理与NPK处理差异不显著（P＞0.05）；20～40 cm土层单施NPK、有机肥、NPK+有机肥处理土壤有效磷含量较不施肥处理（CK）均有不同程度的提高，但与不施肥处理（CK）差异不显著（P＞0.05）。

由表1可知，不施肥处理（CK）土壤速效钾含量降低，而其他施肥处理均较不施肥处理不同程度地增加了土壤速效钾含量，大小顺序为：NPK+有机肥＞有机肥＞NPK＞CK。0～10 cm和10～20 cm土层有机肥、NPK+有机肥处理土壤速效钾含量与不施肥处理（CK）差异达显著水平（P＜0.05），0～10 cm土层分别较不施肥处理（CK）提高了59.66、179.66 mg/kg，10～20 cm土层分别较不施肥处理（CK）提高了59.67、138.00 mg/kg；20～40 cm土层有机肥处理土壤速效钾含量最高，但不同施肥处理差异不显著（P＞0.05）。

表1 不同施肥措施土壤速效养分变化

2.4 不同施肥措施对马铃薯产量、商品薯率及肥料贡献率的影响

由表2可知，NPK、有机肥、NPK+有机肥与不施肥处理（CK）相比，均能显著增加马铃薯产量（P＜0.05），以NPK+有机肥处理马铃薯产量增幅最高，达到171.64%，其次为单施有机肥处理，增幅为156.64%；单施NPK处理增幅最低，为119.30%，且3种施肥处理差异达显著水平（P＜0.05）。从商品薯重方面来看，NPK、有机肥、NPK+有机肥处理与不施肥处理（CK）差异也达显著水平（P＜0.05），同样以NPK+有机肥处理商品薯重最高，NPK、有机肥、NPK+有机肥处理与不施肥处理（CK）分别增加了22.42、20.53、16.00 t/hm2。有机肥、NPK、NPK+有机肥处理商品薯数和商品薯率与不施肥处理（CK）差异显著（P＜0.05），NPK+有机肥处理较CK提高了50.87个百分点，但NPK+有机肥处理与有机肥处理差异不显著（P＞0.05）；而单施有机肥处理与单施NPK处理平均单薯重差异显著（P＜0.05）。从肥料对产量的贡献率来看，以NPK+有机肥处理最高，为63.18%，其次为单施有机肥处理，而单施NPK处理最低，为54.39%。

表2 不同施肥处理下马铃薯产量及商品薯率

2.5 土壤养分与马铃薯产量及商品薯率的相关性

由表3可知，不同施肥措施下土壤有机质与全氮变化趋势基本一致，二者呈极显著正相关关系，相关系数达0.915，且土壤全氮含量随有机肥的施用而增大；马铃薯产量与土壤全氮、碱解氮、速效钾呈显著或极显著的正相关关系，其中，产量与土壤速效钾含量相关性最大，相关系数高达0.708；商品薯率与土壤全氮、碱解氮、速效钾、有机质、有效磷含量呈显著或极显著的正相关关系，其中，商品薯率与土壤氮素含量相关性最大，相关系数达0.900以上，其次与土壤速效钾和有机质含量相关性较大，相关系数在0.800以上。

表3 土壤养分与作物产量及商品薯率的相关性

3 讨论

不同施肥措施对作物产量变化影响的研究一直受到研究者们的广泛关注，而作物产量主要受土壤肥力、生物、环境气候条件及人为因素等的影响[26]，土壤肥力的提高也体现在作物生产力上，施肥措施是保证作物获得高产稳产的最为关键因素。大量研究表明，单施用有机肥或化学肥料均能有效提高作物产量，而有机肥与无机肥的配合施用更是作物获得稳产高产的可持续施肥模式[27]。本研究结果表明，不同施肥处理马铃薯产量大小顺序为NPK+有机肥＞有机肥＞NPK＞CK，其中，NPK+有机肥处理即有机无机肥配合施用对提高马铃薯产量表现出最大的优势，其次是有机肥处理和NKP处理，这主要是由于NPK即化学肥料的肥效较快，可以迅速提高土壤速效养分含量，提高土壤的供肥能力，可满足马铃薯生长的需求；有机肥的肥效较慢，在土壤中是逐渐释放的过程，速度较慢，长期施用有助于土壤肥力的提高，而有机无机配合肥施用既避免单施有机肥土壤养分不足的问题，也解决了单施化学肥料土壤有机质含量偏低的问题[28]。因此，在北方农牧交错带旱作区马铃薯的生产过程中也应该注重有机肥与无机肥的配合施用。

施肥是影响土壤养分循环的重要因素，不同施肥处理对土壤养分的影响程度各不相同。本研究结果表明，不同施肥处理均能不同程度提高土壤养分含量，其中NPK+有机肥即有机无机肥配合施用显著提高土壤有机质、全氮、速效养分含量，这是由于有机肥的施用在提高土壤有机质含量的同时，在一定程度上增加了土壤中氮磷钾营养元素的含量，这与大多数研究结果一致[29]；但单施化学肥料（NPK）与单施有机肥处理差异不显著，这与前人的研究结果不同[14，30]，这可能由于研究区域的气候、土壤条件不同所致，有待研究。同时通过对不同施肥措施下土壤肥力与马铃薯产量及商品薯率的相关性深入研究，结果表明，马铃薯产量与土壤速效钾含量呈极显著的正相关关系，这与以往的研究结果一致，马铃薯作为典型的喜钾作物，钾素在其生长发育过程中有着不可或缺的作用，如果在其生长过程中土壤不能有效地补充钾素，不仅影响植株生长，还会很大程度地限制其产量商品薯率、品质等[31-36]。

4 结论

不同施肥处理均能降低不同土层土壤容重和增加土壤孔隙度，有机肥、NPK+有机肥处理对0～10 cm土层土壤物理性状的改良效果最为理想，表现出显著差异，土壤容重分别降低13.25%、10.60%，土壤总孔隙度分别增加17.55%、15.77%。

不同施肥处理对不同土层土壤有机质和全氮的影响差异不同；单施有机肥能显著提高0～10 cm土层土壤有机质和全氮的含量，与不施肥处理相比，有机质和全氮含量分别提高了42.96%和38.68%；有机肥+NPK处理能显著提高0～20 cm土层土壤有机质和全氮含量，与不施肥处理相比，0～10 cm土层有机质和全氮含量分别提高了78.33%和82.08%；10～20 cm土层有机质和全氮含量分别提高了70.70%和73.53%。有机肥、NPK+有机肥处理同样可以显著提高不同土层土壤碱解氮的含量，其中有机肥处理碱解氮提高了43.23%～123.16%，NPK+有机肥处理土壤碱解氮提高了118.94%～157.84%；有机肥、NPK+有机肥处理同样可显著提高0～20 cm土层土壤有效磷和速效钾含量，而对下层20～40 cm影响不显著。

NPK、有机肥、NPK+有机肥处理显著提高马铃薯总产量、商品薯产量及商品薯率，以NPK+有机肥处理表现最优，其产量和商品薯重分别增加了21.97、22.42 t/hm2，商品薯率提高50.87个百分点。从肥料对产量的贡献率来看，NPK+有机肥处理对马铃薯的贡献率最大，高达63.18%。

马铃薯产量与土壤全氮、碱解氮、速效钾呈显著或极显著的正相性，与速效钾含量相关性最大；马铃薯商品薯率与土壤全氮、碱解氮、速效钾、有机质相关性较大。