不同水氮用量对马铃薯产量、品质及水氮利用的影响

郝喜英, 胡晨阳, 魏 伟, 杨金翰, 索文康, 丁洪峰, 田小明

(河北北方学院农林科技学院,河北张家口 075000)

马铃薯是我国第四大主粮,也是河北张家口的三大传统作物之一。由于该地区属于干旱半干旱区,春季降水较少、夏季气候冷凉降水集中,水资源分布严重不平衡,且农业生产用水量大,水资源极度匮乏,特别是作为马铃薯重要生产基地的坝上,农业生产中长期使用大水漫灌等传统灌溉方式,导致水肥利用效率逐年降低[1]。郭涛通过分析延安地区土壤环境、马铃薯的生长情况、产量与品质,得出了当地马铃薯节水节肥的灌溉施肥量[2]。王海东通过研究陕北地区马铃薯的生长和生理、产量与品质、水肥吸收利用以及根区土壤水分养分迁移分布,提出了当地马铃薯最佳的灌溉施肥量[3]。然而如何促进坝上马铃薯水肥高效利用还有待研究,故本试验通过在不同灌水施氮基础上添加调理剂,分析比较土壤水分氮素、根系结构、根冠干物质量和全氮含量、马铃薯产量、品质及水氮利用的变化特征,明确不同水氮用量对马铃薯产量、品质及水氮利用的影响,筛选出最优的灌水施氮方式,为坝上马铃薯高效生产提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于2021年4月28日至9月25日在河北省张家口宏基农业科技开发有限公司岗子基地(沽源县二道渠乡,地理位置115°57′E、41°46′N)进行大田试验。种植期间年降水量为503 mm,平均气温16.04 ℃(图1),平均海拔1 395 m。属大陆性季风气候区,春季干旱多风,夏季炎热少雨,秋季晴朗凉爽,冬季寒冷少雪。试验地土壤以沙壤栗钙土为主,土壤有机质含量16.1 g/kg,全氮含量0.79 g/kg,碱解氮含量48.4 mg/kg, 速效磷含量39.6 mg/kg, 速效钾含量107 mg/kg,pH值8.23。

1.2 试验设计

于2021年4月28日完成马铃薯播种,试验参考当地马铃薯灌水量(1 125 m3/hm2)和氮肥施用量(270 kg/hm2),并以此施肥量和灌水量为对照(W100F100)。在添加土壤调理剂(液体,由阴离子聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、硫酸锰合成,具有保水、缓释作用,有效成分为2%,其中C和N含量分别占0.2%、0.04%)基础上设置2因素试验。因素1为不同氮肥用量:氮肥270 kg/hm2+调理剂600 L/hm2(PF100)、氮肥229.5 kg/hm2+调理剂600 L/hm2(PF85)、氮肥189 kg/hm2+调理剂600 L/hm2(PF70);因素2为不同灌水量:分别是1 125 m3/hm2(W100)、956.25 m3/hm2(W85)、787.5 m3/hm2(W70)。共10个处理,每个处理3 个重复,共 30个小区。小区长20 m,宽1.8 m,面积36 m2。

马铃薯种植品种为布尔班克,种植模式为机械起垄种植,行距90 cm,株距24 cm,为了避免不同处理间的相互影响,小区两端设置保护行。马铃薯全生育期灌水8次,施肥4次(苗期和块茎形成期共施20%,膨大期施55%,淀粉积累期施25%)。施肥方式根据当地传统施肥习惯确定,其中磷肥(145 kg/hm2)和钾肥(270 kg/hm2)在播种前施入每个小区,氮肥按照各处理用量的50%作为基肥,其余均追施。调理剂(一次性施入)溶于水通过施肥罐滴施,种植和管理等方式均按当地习惯。

1.3 取样与测定

于2021年9月25日进行取样,采集表层土样(0～20 cm),用于分析土壤含水量及全氮、硝态氮、铵态氮含量;采集植株用于测定根系结构(根长、根体积和根表面积)以及各个器官干物质量和全氮含量,同时在各小区选取3处长势较为一致的区域(3 m×1 m)进行产量和品质测定。

土壤水分测定采用取土烘干法[4];土壤全氮含量测定采用半微量凯氏定氮法[5];硝态氮含量测定采用酚二磺酸比色法[6];铵态氮含量测定采用靛酚蓝比色法[7];各器官生物量测定通过各小区随机取3株马铃薯植株,用剪刀分别按照马铃薯的根、茎、叶、块茎器官分解,将分解的各个部分置于烘箱中105 ℃杀青 30 min,然后在80 ℃下烘干48 h称质量[8];各器官全氮含量测定采用半微量凯氏定氮法[5];蛋白质含量测定采用染料结合法[8];还原糖含量测定采用DNS(二硝基水杨酸)比色法[8];可溶性糖含量测定采用蒽酮-硫酸法[8]。

氮肥偏生产力=产量(kg/hm2)/单位施氮量(kg/hm2);

(1)

IWUE=Y/I。

(2)

式中:IWUE为灌溉水分利用效率;Y为作物产量, kg/hm2;I为作物全生育期的灌水量,mm[4]。

1.4 统计分析

试验数据用Excel 2007整理和计算,运用SPSS 25.0进行单因素方差分析和差异显著性检验[最小显著差异(LSD)法,α=0.05]和主成分分析(PCA),同时采用Origin 8.0软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 不同水氮用量对土壤水分及氮素含量的影响

由表1可知,不同节水减氮措施对土壤含水量的影响较大。PW100F100、PW100F85、PW85F100、PW70F100处理的土壤含水量较W100F100处理分别显著提高4.96%、4.13%、1.65%和1.65%(P<0.05),而PW85F85和PW85F70与W100F100处理的土壤含水量差异不显著。通过对土壤氮素含量分析发现,与W100F100处理相比,PW100F100处理的土壤全氮和铵态氮含量分别显著增加了7.69%和42.86%(P<0.05);PW100F85的土壤全氮含量显著提高了8.91%(P<0.05)。不同处理对土壤硝态氮含量增幅更为明显,除了PW70F70和PW100F100处理外,其他处理土壤硝态氮含量较W100F100处理均显著提高。

表1 土壤水分及氮素含量的变化

2.2 不同水氮用量对马铃薯根系及各器官干物质量的影响

由表2可知,与W100F100处理相比,PW100F100处理根长、根体积和根表面积分别显著提高52.77%、39.63%和27.81%;PW100F85处理根体积显著提高30.07%;PW70F85处理根体积和根表面积分别显著提高24.48%和27.55%。通过对马铃薯各器官干物质量分析发现,PW100F100、PW85F100、PW85F85、PW85F70、PW70F100和PW70F85处理的根干物质量较W100F100处理分别显著增加了72.66%、33.59%、28.13%、19.53%、22.66%和14.84%(P<0.05);PW100F100、PW85F100、PW85F85、PW85F70和PW70F100处理的茎干物质量较W100F100处理分别显著提高了31.10%、25.68%、22.11%、61.63%和10.84%(P<0.05);PW100F100、PW100F85、PW85F70和PW70F100处理的叶干物质量较W100F100处理分别提高了22.79%、19.61%、76.90%和19.82%(P<0.05)。

表2 马铃薯根系及各器官干物质量的变化

2.3 不同水氮用量对马铃薯氮素含量及品质的影响

由表3可知,不同处理对马铃薯各器官全氮含量影响较大。其中,PW100F100和PW85F100处理的茎全氮含量较W100F100处理分别显著提高26.57%和23.78%(P<0.05)。不同处理对根、叶的全氮含量增幅更为明显,与W100F100处理相比,除了PW100F85、PW100F70和PW85F70处理的根全氮含量差异不显著外,其他处理均有显著提高。同样叶的全氮含量除了PW70F85处理差异不显著外,其他处理也均有显著提高。通过对马铃薯品质分析发现,与W100F100处理相比,PW100F100、PW100F85、PW100F70、PW85F100、PW85F85和PW70F100处理的蛋白质含量分别显著提高154.32%、88.58%、82.41%、137.65%、116.05%和96.30%(P<0.05);PW85F100处理的还原糖含量显著提高了18.29%。不同处理对马铃薯可溶性糖含量的增幅更为明显,除PW85F85处理外,其他处理均较W100F100处理有显著增加。

表3 马铃薯氮素含量及块茎品质的变化

2.4 不同水氮用量对马铃薯产量及水氮利用的影响

由表4可知,不同水氮用量对马铃薯产量的影响较小。与W100F100处理相比,PW100F85和PW100F70处理的氮肥偏生产力分别显著提高了22.22%和38.56%(P<0.05),其他处理差异均不显著;PW70F100和PW70F85处理的灌溉水分利用率分别显著提高49.19%和40.54%(P<0.05),其他处理差异较小。

表4 马铃薯产量及水氮利用的变化

2.5 不同灌水和施氮量对马铃薯产量品质影响的主成分分析

由表5可以看出,前2个主因子的贡献率已分别达到34.46%、17.76%。在第1主因子(PCA1)上,大部分指标均有较大的正值,如土壤全氮含量、土壤铵态氮含量、土壤含水量、根长、根体积、根表面积、根干物质量、茎干物质量、根-全氮含量、叶-全氮含量、蛋白质含量、还原糖含量和产量。第2主因子(PCA2)中仅有可溶性糖含量和灌溉水分利用率有较大的正值。总体来讲,第1主因子(PCA1)能够综合反映土壤环境、根系结构、产量、品质以及水分利用的高低。各处理中第1主因子特征值最高为PW100F100处理,最低的为PW85F70处理,其他处理均较为集中(图2)。其中与W100F100处理特征值相近的是PW85F85和PW70F85处理。同样,在综合评价中也可以看出,PW85F85(0.01)、PW70F85(0.09)处理与W100F100处理(-0.047)的得分相近。

表5 旋转因子载荷矩阵

3 讨论

有研究表明,土壤中加入适当比例的保水材料能够改善土壤三相比例,有效调节土壤水肥气热状况,改善作物根系周围环境,增强水分和养分供给[9]。马斌等在旱作农田中研究发现,连续4年施用聚丙烯酰胺-钾和聚丙烯酰胺的0～60 cm土层的土壤含水量较对照平均增加了27.18%和34.40%[10]。本研究在传统灌溉施肥(W100F100)条件下添加调理剂不仅可以提高土壤水分含量,而且能够增加土壤全氮和铵态氮含量。可能由于该调理剂主要由阴离子聚丙烯酰胺合成,具有良好的保水[11]和吸附养分能力[12];也可能是由于其改善了土壤物理结构[12],提高了旱作农田土壤持水肥能力[13]。罗健航等研究发现,与常规处理相比,减氮节水和节水增施有机肥的淋溶水量减少了14.6%～18.4%,控释肥配施复合肥的总氮淋失量降低了68.4%～74.7%[14]。与常规灌水施氮(W100F100)相比,PW100F85、PW100F70、PW85F100、PW85F85、PW85F70、PW70F100和PW70F85处理的土壤硝态氮含量均有显著增加,表明在一定范围内减少水氮供应添加调理剂能够提升表层土壤硝态氮积累,降低硝态氮的淋溶风险。

滴灌施肥条件下不同灌水量和施肥量将造成土壤环境中水分和养分在作物根区分布的差异,根系吸收水分和养分的差异将影响作物生长发育。Al-Taey 等在伊拉克中部和南部的研究指出,在相同灌水条件下,NPK肥料(50%)与稻米废物之间的相互作用可以显著促进马铃薯的生长[15]。本研究也得到了相似结果,在传统灌水施肥(W100F100)基础上添加调理剂可以显著提高马铃薯根长、根体积、根表面积以及各器官(根、茎、叶)干物质量。王振华等研究发现,灌溉量和施肥量对株高影响极显著,适宜的水肥调控通过渗透调节和抗氧化能力,从而促进叶面积的增加、根系生长发育并增强作物对水分和养分的吸收,利于作物生长[16]。本研究在不同节水减氮基础上添加调理剂对马铃薯各器官的干物质量的影响也较大,特别是PW85F70和 PW70F100处理。在适宜水氮用量的基础上添加调理剂可以保证作物根系的发育环境,促进马铃薯生长。

水和氮对作物养分及品质的影响与灌水量和施氮量的多少密切相关。本研究PW100F100处理的各器官全氮含量、蛋白质和可溶性糖含量均较 W100F100处理有显著提高,说明在传统灌溉施肥条件下添加调理剂可以促进植株氮素吸收,进而提高了马铃薯品质。Carli等在乌兹别克斯坦塔什干地区的研究发现,在马铃薯块茎形成后减少灌水量能提高马铃薯淀粉和干物质含量,但维生素C含量有所降低[17]。宋娜等发现在相同的水分条件下,马铃薯的单株块茎质量、商品薯质量、块茎淀粉含量和维生素C含量均随着施氮量的增加而逐渐增加,但施氮量过多会使马铃薯的品质降低[18]。本研究与W100F100处理相比,在相同的水分条件下,PW70F100、PW70F85和PW70F70处理的可溶性糖和根全氮含量,PW100F100、PW100F85和PW100F70以及PW85F100和 W85F85处理的蛋白质和叶全氮含量均有显著增加。这说明在较低灌水(传统灌水量的70%)条件下添加调理剂有利于根系氮素吸收及块茎糖分积累。同时在传统灌水条件下减少施氮以及中度灌水(传统灌水量的85%)条件下正常施氮或减少施氮均有利于马铃薯叶片氮素吸收和块茎蛋白质的积累。

有研究指出,由于高灌溉下的高氮浸出,马铃薯产量不会随着灌溉量的增加而增加[19]。Ayyub等研究发现,随着氮肥用量的增加块茎数量也呈二次抛物线趋势变化,当氮肥超过 250 kg/hm2时并没有增加马铃薯营养生长和产量[20]。本研究结果与之相似,尽管PW100F100处理的马铃薯产量、氮肥偏生产力和灌溉水分利用率较W100F100处理有所提高,但差异均不显著。说明在较高灌水和施肥环境下,尽管土壤调理剂对土壤水分和氮素的保持有一定作用,也能够对马铃薯生长发育、养分吸收以及品质优化起到较好的效果,但是在提高马铃薯产量和水氮利用方面的效果并不显著。水分与氮素之间具有密不可分的联系,二者相互促进或相互制约,在一定范围内调节灌溉量和肥料用量,对作物水氮利用效率有显著的影响。本研究PW100F70和 PW100F85处理的氮肥偏生产力以及PW70F100和 PW70F85处理的灌溉水分利用率均较W100F100处理有显著增加。表明正常灌水减施氮肥能够提高氮肥利用,减少灌水30%的前提下,不减氮或减氮15%均可增加水分利用。同时结合主成分分析发现,PW70F85处理可作为坝上地区比较合理的节水减氮方式。

4 结论

在常规灌水施肥基础上添加调理剂可以增加土壤水分和氮素(全氮和铵态氮)含量,改善根系生长环境,促进马铃薯生长和氮素吸收,进而提高马铃薯品质。不同减水减氮添加调理剂对土壤硝态氮含量均有不同程度的提升,其中以灌水85%施氮85%、灌水85%施氮70%和灌水70%施氮85%的提升效果较佳。正常灌水条件下减少施氮以及中度灌水(灌水85%)条件下施氮100%或85%均有利于提高马铃薯叶片氮素吸收和块茎蛋白质的积累;较低灌水(灌水70%)条件下施氮100%或85%则有利于增加马铃薯根的干物质量和全氮含量,以及块茎可溶性糖含量,提升马铃薯灌溉水分利用率。综合考虑在坝上地区灌水70%和施氮85%添加调理剂是比较理想的节水减氮方式。