氮肥减施对马铃薯产量及水分利用效率的影响

杜二小，李焕春，任永峰，高日平，韩云飞，刘小月，武生财，赵沛义，于伟卓

随着马铃薯主粮化战略的有效实施和持续推进，我国马铃薯种植面积和产量不断提升[1]，2019年我国马铃薯单位面积产量达3 804.70 kg/hm2，在确保我国粮食安全中具有重要作用[2]。内蒙古阴山北麓地区气候冷凉，是我国重要的马铃薯生产基地[3]。近年来，随着该地区马铃薯种植面积的不断扩大及产量需求的提高，化肥施用量增大、施用方式不合理、氮素利用率低和损失严重等问题日益突出，造成土壤板结、透水透气性差、土壤养分比例失调，严重制约了当地马铃薯的可持续生产[4]。施用有机肥和不同新型肥料替代部分化肥是实现化肥减量增效和农业可持续发展的重要措施[5]。石晓华[6]研究表明，施用有机肥可以增加土壤养分和有机质，改善土壤微生物群体结构，促进马铃薯对养分和水分利用。段玉等[7]研究表明，施用缓释尿素比普通尿素农学效率提高7.5～8.8 kg，氮素利用效率提高15.9 个百分点。姬丽君等[8]研究表明，水溶肥和化肥配施能够有效提高马铃薯地上茎叶、干物质积累量和块茎产量，但关于内蒙古阴山北麓地区马铃薯化肥减施条件下各种新型肥料替代部分氮肥的施肥模式鲜有报道[9]。本试验通过探究阴山北麓干旱半干旱地区氮肥减施下不同施肥模式对马铃薯生长、产量及水分利用效率的影响，明确马铃薯生长规律和土壤水分变化机制，以期为阴山北麓干旱半干旱地区马铃薯减肥稳产增效和可持续发展提供技术参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验在内蒙古自治区农牧业科学院武川旱作试验站进行，试验区为半干旱偏旱气候，降水集中于7—8月，年降水量300～350 mm，年蒸发量高达1 850 mm，年平均气温2.60 ℃，无霜期90～110 d，地形以缓坡丘陵为主，土壤类型为砂质栗钙土。2020年4—10月降雨量为192 mm，≥0 ℃积温为2 596 ℃。试验田土壤肥力为中等水平，养分情况见表1。

表1 试验地点土壤养分情况

1.2 试验材料与试验设计

马铃薯供试品种华颂7 号。供试肥料为尿素（N 46.0%），过磷酸钙（P2O516.0%），硫酸钾（K2O 50.0%），缓释尿素（N 44.5%，释放周期90 d），水溶肥为（含N 14.0%、P2O50.7%、K2O 24.0%），生物有机肥为（N、P、K＞6%，有机质＞30%），有机肥为腐熟羊粪（有机质25.8%、N 0.5%、P2O50.4%、K2O 0.2%）。试验采用随机区组设计，设置7 个处理：NPK（平衡施用氮磷钾肥）、PK（不施氮肥）、RN（减少施氮量20%，磷钾肥用量同NPK）、RN+WF（减少施氮量20%，水溶肥替代总施氮量的20%）、RN+SM（减少施氮量20%，羊粪替代总施氮量的20%）、RN+BM（减少施氮量20%，生物有机肥替代总施氮量的20%）、RN+RUN（减少施氮量20%，缓释尿素替代总施氮量的20%），以NPK 为对照（表2）。每个处理3 次重复，小区面积为40 m2（5 m×8 m）。大垄2 行种植，起垄宽度为40 cm，垄高为25 cm，种植密度为52 500 株/hm2。2020年5月10日采用人工穴播方式播种，播种深度10～13 cm，播种后镇压保墒，肥料于起垄前成行施入垄的基部，全生育期采用滴灌方式灌溉3 次，待马铃薯茎叶枯黄变黑时（9月28日）收获测产。

表2 试验设计方案

1.3 测试指标及方法

1.3.1 单株干物质积累量 称取5 株求平均值测定干物质积累量[10]。将马铃薯植株整株挖出，用清水将植株清洗干净，分别装入统一制作的牛皮纸袋，105 ℃杀青40 min 后于80 ℃烘干至恒重，称重。

1.3.2 叶面积指数 将整株叶片剪下，用滤纸擦去叶片表层尘土，使用LI3000C 叶面积仪测定。叶面积指数（LAI）=植株叶面积×单位面积株数。

1.3.3 土壤含水量 马铃薯播种前和收获后及每个关键生育时期在小区随机选取3 点，用直径3 cm 的土钻分层取0～100 cm 土层样品，每层20 cm，将各层3 点土样混合装入铝盒，采用烘干法测定土壤含水量。

式中，W 为土壤含水量（%）；MW 为湿土质量（g）；MD为干土质量（g）；MB 为铝盒质量（g）。

田间耗水量（ET）由作物蒸腾和土壤蒸发两部分组成。田间耗水量主要来自播种前土壤贮水和生育时期降水，由水量平衡公式计算

式中，△W 为作物播种到成熟1 m 土壤深度中贮藏水分的变化情况，等于作物成熟时测得的土壤贮水量和播种前土壤贮水量的差值[11]（mm）；P 为降水量（mm）；I 为灌溉量（mm）；G 为地下毛管水上升量（mm）；ET 为作物田间耗水量（mm）；R 为径流量（mm）；D 为渗漏量（mm）。本试验以旱地为主，且该地区气候干旱少雨，因此，计算时忽略毛管上升水量G、径流量R 和渗漏量D。

试验期间在马铃薯关键生育时期进行3 次30 mm 灌溉，将补灌量加入同时期的降水量进行计算。公式可以简化为

水分利用效率（WP）是指作物单位耗水量所获得的作物产量。

式中，WP 为作物水分生产力（kg/m3）；Y 为作物产量（kg/hm2）。

1.3.4 产量 于收获期进行商品薯（薯重大于150 g）和小薯（薯重小于150 g）产量测定，每小区中间取两行进行产量测定。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2007 软件进行数据处理，SigmaPlot 12.5 软件进行绘图、SPSS 16.0 软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对马铃薯单株干物质积累量的影响

随着马铃薯生育进程的推进，单株干物质积累量呈“S”形增加趋势（图1），增加速率总体上表现为缓慢增长—快速增长—缓慢增长的变化规律，在马铃薯块茎膨大期—淀粉积累期增长速率最快，成熟期达到峰值。在马铃薯整个生育时期中RN+BM 处理增长速率最快，处理间单株干物质积累量大小顺序为RN+BM＞RN+RUN＞RN+SM ＞RN+WF ＞NPK ＞RN＞PK。生物有机肥和缓释尿素替代部分化肥可以有效增加马铃薯干物质积累量，马铃薯苗期、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期和成熟期RN+BM 处理较NPK 处理分别提高10.07%、26.01%、16.09%、15.38%和11.97%。

图1 不同处理下马铃薯单株干物质积累规律

2.2 不同处理对马铃薯LAI 的影响

不同施肥模式和替代下马铃薯LAI 变化规律表现为先增加后趋于平稳的变化趋势（图2），在马铃薯苗期到块茎膨大期增长速率最快，淀粉积累期到成熟期达到峰值。在马铃薯整个生育时期中RN+BM处理增长速率最快，各处理间大小顺序为RN+BM＞RN+RUN＞RN+SM＞RN+WF＞NPK＞RN＞PK，马铃薯的叶片生长主要集中于苗期到块茎膨大期，该阶段是马铃薯生长发育的关键期。因此，生物有机肥和缓释尿素替代部分化肥能够有效促进LAI 的提高，有利于马铃薯光合性能的改善和植株形态的建成。马铃薯苗期、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期和成熟期RN+BM 处理较NPK 处理分别提高14.62%、11.83%、3.10%、3.31%和3.12%。

2.3 不同处理对马铃薯农田土壤含水量的影响

图2 不同处理下马铃薯LAI 变化规律

马铃薯各生育时期农田土壤含水量表现为RN+BM＞RN+RUN＞RN+SM＞RN+WF＞NPK＞RN＞PK（图3），RN+BM、RN+RUN、RUN+SM、RN+WF 处理土壤含水量显著高于NPK 处理（P＜0.05），且生物有机肥替代部分氮肥对保持土壤水分效果最好，表明部分有机肥和新型肥料替代普通化肥能够改善土壤保水能力、提高土壤含水率，可以为马铃薯生长提供足够水分。RN、PK 处理显著低于NPK 处理（P＜0.05），说明减施氮肥和不施氮肥不利于土壤含水量保持。各处理土层含水量在0～30 cm 处出现峰值，马铃薯块茎膨大期、淀粉积累期土壤含水量在60 cm 处出现第2 个峰值，至成熟期，0～100 cm 土层土壤含水量总体趋于下降趋势，说明马铃薯生长后期加大了对土壤水分消耗。

2.4 不同处理对马铃薯产量和水分利用效率的影响

由表3 可知，不同施肥措施下马铃薯产量和水分利用效率各处理表现差异显著（P＜0.05），RN+BM、RN+RUN、RN+SM、RU+WF 处理显著高于NPK 处理（P＜0.05），RN、PK 处理显著低于NPK 处理（P＞0.05），不同肥料替代表现为RN+BM 处理最高。RN+BM 处理的产量和水分利用效率较NPK 处理分别提高16.95%、8.86%，RN+WF 处理和RN+RUN 处理产量和水分利用效率差异不显著（P＞0.05），表明在马铃薯肥料替代减氮措施下辅助施用有机肥和新型肥料可提高马铃薯产量和水分利用效率。

3 讨论与结论

图3 不同处理对马铃薯土壤含水量的影响

表3 不同处理对马铃薯产量和水分利用效率的影响

作物物质生产是产量形成的前提和基础，干物质积累是反映物质生产的主要表现之一。王国兴等[12]研究表明，有机无机肥配施可显著提高马铃薯生物量117.1%。刘飞等[13]研究认为，与普通肥料相比控释肥有利于提高马铃薯株高、茎粗和叶绿素含量，分别提高5.94%、9.04%、5.55%。郭斌煜等[14]研究表明，水溶肥对马铃薯生长前期干物质积累影响较小，但对马铃薯生长后期干物质积累具有明显的促进作用。本试验结果表明，有机无机肥配施和不同肥料替代对马铃薯干物质积累有明显的促进作用，生物有机肥替代20%氮肥表现最高，其次是水溶肥和缓释尿素，说明在平衡施肥的基础上减氮20%施用不同肥料替代可有效提高马铃薯干物质积累量，为马铃薯高产奠定了基础，这与前人研究结果基本一致。

从产量和水分利用效率来看，本试验结果基本与前人研究结果一致，生物有机肥、缓释尿素和水溶肥均可提高马铃薯的产量和水分利用效率，RN+BM处理的产量较NPK 提高16.95%，水溶肥和缓释尿素替代部分氮肥差异不显著。研究表明，生物有机肥配施化肥比单施化肥马铃薯产量增加12.8%[15-16]，岳超等[17]研究表明，马铃薯在施用缓控释肥时产量可以提高7.88%。还有研究表明，施用有机肥1 800 kg/hm2时水分利用效率提高20.2%[18-19]，说明施用有机肥对土壤蓄水有明显的提高作用。孙梦媛等[20]研究表明，缓控肥施用可以分别提高马铃薯产量、水分利用效率17.17%、11.58%。在平衡施用氮磷钾肥的基础上，科学替代不同肥料后，一方面，保证了马铃薯生长发育过程中所需养分；另一方面，不仅提高了肥料的利用效率，而且减少了农田环境的污染，达到了农业绿色可持续发展的要求。

从环境方面来看，化肥虽然大幅度提高了作物产量，但是也带来了环境的严重恶化。郑超等[21]研究表明，施用有机肥，一方面能增加土壤肥力，还对水土保持具有重要作用，另一方面将畜禽粪便和生活中有机废物作为肥料参与土壤物质循环，从而解决了环境污染问题。缓释肥具有吸收快、用量少等特点，可控制肥效释放周期，肥效释放速率与作物需肥规律基本一致[22]，能提高肥料的利用率，减少养分损失和农田环境面源污染。

从肥料投入成本来看，使用有机肥的成本远远低于使用缓释尿素、水溶肥，再加上产量较高，使用有机肥经济效益要高于其他肥料。同时，有机肥也是一种缓释肥料，除了含有大量元素还含有微量元素，长期施用有机肥还可以达到培肥地力、改良土壤结构的效果，有机无机肥配施可以达到减肥增效的目的。与平衡施用氮磷钾肥处理相比，在减氮20%基础上，马铃薯产量最高，RN+BM 处理与NPK 处理差异显著（P＜0.05），产量提高16.95%，综合LAI、干物质积累量和水分利用效率来看，RN+BM 处理是最佳的施肥模式，可作为阴山北麓干旱半干旱地区马铃薯种植合理施肥技术加以应用。