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半干旱区减氮增钾、有机肥替代对全膜覆盖垄沟种植马铃薯水肥利用和生物量积累的调控

花匠小妙招
2025-10-13 11:40

0 引言

【研究意义】施肥过量是中国肥料利用效率低的最主要原因,同时也造成巨大的资源浪费和环境压力[1-2]。减少化肥投入、有机肥替代和根据作物需肥规律来高效管理养分资源,是实现作物高产、水肥资源高效利用和农田环境保护的根本出路[3-5]。马铃薯是西北黄土高原半干旱区主要栽培作物之一,尤其在全膜覆盖垄沟种植技术应用之后,产量得以大幅度提高,为当地农业增产和农民增收发挥了支撑性作用[6-8]。全膜覆盖垄沟种植技术实现了对水资源的高效利用,但目前在养分管理方面存在较多问题,如过量施肥和养分不足的问题并存、有机肥施用不足,肥料投入表现出报酬递减趋势,以及养分投入失衡如氮肥投入过多而钾肥施用不足等[9-12]。因此,通过氮肥减量和分期施肥、增施有机肥来替代化肥、以及增施钾肥等措施来提高肥料利用效率,建立半干旱马铃薯全膜覆盖垄沟种植优化的养分管理模式,提高马铃薯产量和水肥利用效率,是实现马铃薯高产高效和环境友好目标亟需解决的问题。【前人研究进展】过量施肥使中国肥料利用效率显著下降,从20世纪80 年代到现在粮食作物的单位面积化肥用量从64.9 kg·hm-2 增加到274 kg·hm-2,而化肥偏生产力从42.1 kg·kg-1 逐渐下降到16.9 kg·kg-1 [1]。再次,过量施肥已经造成了严重的环境问题,如土壤酸化、大气氮沉降和氮氧化物排放加剧等[13-14]。另外,过量施肥尤其是氮肥,会对作物生长造成不利影响,如根系发育受阻[15]、群体冠层光合速率和作物生长速率显著下降[16]、同化物运转受阻[17]、籽粒品质下降[18]和土壤脲酶和硝酸还原酶等功能性酶活性下降[19]等。过量施氮对马铃薯出苗和植株生长均有负面影响,并抑制块茎增大[20]。于亚军等[21]研究表明,高量施肥虽然显著提高马铃薯开花期干物质量,但降低了光合速率和气孔导度,而且不能明显提高块茎重量;过量施氮使旱作马铃薯块茎产量和水分利用效率下降[22-23],这可能是由于其降低了花期0—200 cm土层的土壤贮水量,对后期块茎膨大和淀粉积累造成了不利影响。钾素能够促进干物质运转,并增强作物对干旱的适应能力[24-25],但在半干旱区马铃薯生产中钾素主要来自于农家肥,远不能满足马铃薯生长的需要[8-10]。【本研究切入点】全膜覆盖垄沟种植的肥料大多采用基施,使作物前期耗水加剧而造成生殖生长阶段的土壤干旱,降低经济产量[26-27];另外,长期地膜覆盖会使土壤有机碳含量明显降低,导致土壤质量下降[28-31];再次,半干旱旱作区提高作物养分利用效率的关键在于通过养分科学管理实现对作物水分利用的过程调控[32],实现水肥利用效率和产量的协同提高。因此,研究明确半干旱区全膜覆盖垄沟种植马铃薯氮肥减量分期施用、增施钾肥和有机肥替代的水分调节效应及其对产量和水肥利用效率的影响,依据马铃薯水肥需求特性建立资源高效和环境安全的养分综合管理技术,是进一步挖掘该区域马铃薯增产增效潜力和保护耕地质量的基础。【拟解决的关键问题】在4年大田定位试验的基础上,以当前施肥模式为对照,设置氮肥减量25%并花期追肥、氮肥减量50%与有机肥替代并花期追肥两种养分管理模式,定点定期测定土壤湿度,马铃薯生物量与产量,并计算作物耗水量、水分利用效率和化肥偏生产力等指标,来明确氮肥减量、分期施肥和有机肥替代的水分调控效应,以及它们对马铃薯水肥利用效率和干物质积累的影响,为建立半干旱旱作区马铃薯增产增效和环境友好的养分管理模式提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

试验于2011—2014年在甘肃省农业科学院定西试验站（甘肃省定西市安定区团结镇唐家堡村,104°36′ E, 35°35′N）进行。该区海拔1 970 m,年平均气温6.2℃,年辐射总量5 898 MJ·m-2,年日照时数2 500 h,≥10℃积温2 075.1℃,无霜期140 d,属中温带半干旱气候。作物一年一熟,为典型旱地雨养农业区。年均降水量415 mm,6—9月降水量占年降水量的68%,降水相对变率为24%,400 mm降水保证率为48%。试验区土壤为黄绵土,0—30 cm土层平均容重1.25 g·cm-3,田间持水量为21.18%,凋萎系数为7.2%,土壤有机质、全氮、全磷、全钾、NH4+-N、NO3--N、速效磷、速效钾分别为 11.99 g·kg -1、1.16 g·kg -1、0.73 g·kg-1、17.28 g·kg-1、4.8 mg·kg-1、0.8 mg·kg -1、8.67 mg·kg-1和121.50 mg·kg -1,pH 8.35。

1.2 试验设计

试验采用全膜覆盖垄作种植,种植带宽100 cm,宽窄行种植,宽行60 cm,窄行40 cm（

图1

）,沟内每隔50 cm左右扎眼以便于水分入渗。试验处理设置见

表1

,采用随机区组设计,试验小区面积45m2（6 m×7.5 m）,4次重复。将马铃薯种植在垄侧,播种深度10 cm。供试马铃薯品种为“新大坪”,行距50 cm,株距35 cm,播种密度57 000株/hm2。

图1 马铃薯全膜覆盖垄沟种植技术示意图

Fig. 1 Schematic diagram of potato ridges and furrows planting with plastic mulching

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表1 试验处理

Table 1 The treatments of experiment

处理 Treatment 肥料种类及用量 Fertilizer type and dosage 肥料总用量 Total fertilizer quantity 传统施肥
Traditional fertilizer (PM) 有机肥15 000 kg·hm-2;化肥纯N：180 kg·hm-2,P2O5：105 kg·hm-2,全部基施 Organic manure 15000 kg·hm-2; N, 180 kg·hm-2; P2O5, 105 kg·hm-2 N：255 kg·hm-2,P2O5：157.5 kg·hm-2, K2O：60 kg·hm-2 减量追施
Reduced chemical fertilizer dressing (PMN) 有机肥15 000 kg·hm-2;化肥纯N：135 kg·hm-2,P2O5：73.5 kg·hm-2,K2O：30 kg·hm-2。基﹕追=6﹕4,花期追肥 Organic manure 15000 kg·hm-2; N, 135 kg·hm-2; P2O5, 73.5 kg·hm-2; K2O, 30 kg·hm-2. The ratio between base and dressing fertilizer was 6:4, flowering fertilizer N：210 kg·hm-2,P2O5：126 kg·hm-2, K2O：90 kg·hm-2 有机肥替代
Organic manure
substitution (PMO) 有机肥30 000 kg·hm-2;化肥纯N：90 kg·hm-2,P2O5：52.5 kg·hm-2, K2O：22.5 kg·hm-2。基﹕追=6﹕4,花期追肥 Organic manure 30 000 kg·hm-2; N, 90 kg·hm-2; P2O5, 52.5 kg·hm-2; K2O, 22.5kg·hm-2. The ratio between base and dressing fertilizer was 6:4, flowering fertilizer N：240 kg·hm-2,P2O5：157.5 kg·hm-2, K2O：142.5 kg·hm-2

2011年4月25日播种,9月5日收获;2012年4月20日播种,9月15日收获;2013年4月20日播种,9月20日收获;2014年4月20日播种,9月25日收获。各处理全生育期均不进行灌溉,除拔草外不进行其他管理。

1.3 试验区2011—2014年降雨量及平均气温

根据甘肃省农业科学院定西试验站气象资料统计,试验区2011年属严重的欠水年份,2012年属平水年份,2013年属丰水年份,2014年属平水年份（

表2

）。试验区降雨量年际间变率较大,年内季节分配不均（

图2

）,对马铃薯的生长造成一定影响,导致年际间产量不一致。

表2 试验区2011-2014年降雨量及平均气温

Table 2 The rainfall and air temperature from 2011 to 2014 in experimental region

年份
Year 全年降雨量
Annual
rainfall (mm) 生育期降雨量
Seasonal
rainfall (mm) 最低气温
Lowest air
temperature (℃) 最高温度
Highest air
temperature (℃) 平均温度
Average
temperature (℃) 2011 346.4 232.8 -16.4 23.6 6.6 2012 484.4 394.6 -19.8 21.6 6.33 2013 551.9 445.1 -13.6 21.4 7.19 2014 482.2 355.3 -11.9 23.6 6.96

图2 2011—2014年试验区降水分布和平均气温变化

Fig. 2 Precipitation and average air temperature in test areas from 2011 to 2014

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1.4 测定指标及方法

1.4.1 土壤水分在马铃薯播期、苗期、现蕾期、开花期、盛花期、块茎膨大期和收获期用烘干法测定0—200 cm土层土壤含水量,每20 cm为一个层次,每小区平均10—15 d测定1次,每小区在垄上马铃薯株间测定一个位点。土壤贮水量计算公式：SWS（mm）= WS×γ×d /100。式中,WS为土壤重量含水量（g·kg-1）;γ为土壤容重（g·cm-3）;d为土壤深度（cm）。

1.4.2 生物量在马铃薯播期、苗期、现蕾期、开花期、盛花期、块茎膨大期和收获期,每小区选取长势均匀的3株,用烘干法测定地上和地下生物量。地下生物量包括主根和块茎的干物质重量。

1.4.3 产量马铃薯成熟期收获后每小区按实际块茎鲜重计算产量。

1.4.4 阶段耗水量（ETi） ETi= SWSi-SWSi+1+P。式中,SWSi为某个生育时期初始时的土壤贮水量;SWSi+1为该生育时期结束时的土壤贮水量;P为生育期降雨量。

1.4.5 生长速率（R）参考赵风华等的方法[16],R=DWi/d,式中,DWi为某个生育期干物质增加的重量,d为该生育期天数。

1.4.6 养分偏生产力（PFP）肥料偏生产力 PFPT= Yd/F[1],式中,Yd为马铃薯单位面积产量（kg·hm-2）,F为总施肥量（kg·hm-2）;化肥偏生产力 PFPC=Yd/C,式中,Yd为马铃薯单位面积产量（kg·hm-2）,C为化肥施肥量（kg·hm-2）;氮素偏生产力 PFPN=Yd/N,式中,Yd为马铃薯单位面积产量（kg·hm-2）,N为总氮素施用量（kg·hm-2）;化肥氮素偏生产力 PFPCN= Yd/CN,式中,Yd为马铃薯单位面积产量（kg·hm-2）,CN为化肥氮素施用量（kg·hm-2）。

1.4.7 水分利用效率（WUE） WUE=Yd/ET[23],式中,Yd为马铃薯单位面积产量（kg·hm-2）;ET= SWSBF- SWSHA+P, 式中SWSBF为播种前土壤贮水量,SWSHA为收获后土壤贮水量,P为马铃薯全生育期降雨量。

1.5 数据分析

采用DPS数据处理软件对数据进行 ANOVA方差分析,并用LSD法进行多重比较。

2 结果

2.1 不同施肥模式对马铃薯花前花后耗水的影响

氮肥减量分期施用和增施钾肥显著调节了马铃薯的耗水进程,PMN的花前耗水量显著低于PM和PMO,但PM和PMO之间的花前耗水量无显著差异（

图3

）。花后耗水量以PMN最高,在4年间显著高于PM,2011—2014年分别增加了36.2%、23.0%、24.8%和19.0%;在2013和2014年显著高于PMO,分别增加了16.0%和14.5%。2011—2012年PMO的花后耗水量较PM显著增加,分别增加了20.7%和16.3%,但在2013和2014年无显著差异。表明减氮追施和增钾可使马铃薯花后耗水量增加,而有机肥替代虽然没有降低马铃薯花前耗水,但提高了干旱年份（2011年）的花后耗水量。同一年份处理间总耗水量无显著差异,但年际间变化幅度较大,2011年最低,2014年最高。

图3 施肥对马铃薯花前花后耗水量的影响

Fig. 3 Effects of fertilizer application on soil water depletion in potato pre- and post-flowering periods

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2.2 不同施肥模式对马铃薯地上地下生物量累积的影响

PMO较PM能够显著促进不同降水年型马铃薯在不同生育期的地上和地下干物质积累,而PMN与PM的地上地下生物量在苗期和现蕾期无显著差异（

图4

）。开花后PMN和PMO的地上地下生物量显著高于PM。盛花期PMN的地上生物量在2011—2014年分别较PM增加了52.4%、41.7%、45.0%和49.3%,地下部生物量分别增加了40.8%、39.5%、26.6%和12.6%;PMO 的地上生物量在2011—2014年分别较PM增加了103.9%、122.7%、102.9%和92.6%,地下部生物量分别增加了76.2%、65.8%、31.6%和52.0%;成熟期PMO和PMN的地上地下生物量在2011和2012年无显著差异,但在2013和2014年,PMO的地下生物量显著高于PMN。结果表明,氮肥减量追施能够促进马铃薯地上地下生物量积累,尤其开花后效果显著;氮肥减半追施和有机肥替代能显著提高马铃薯不同生育期地上地下生物量累积,这为马铃薯块的增加奠定了生物学基础。

图4 施肥对马铃薯生物量积累的影响

Fig. 4 Effects of fertilizer application on potato biomass assimilation

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2.3 不同施肥模式对马铃薯生长速率的影响

不同施肥模式的马铃薯地上生长速率有显著差异（

表3

）。在出苗到现蕾期,2013年3个处理的地上生长速率无显著差异,其余年份PMO显著高于PMN;除2014年PM的地上生长速率显著高于PMN外,其余年份无显著差异。在现蕾期到盛花期,2011—2014年PMO和PMN的地上生长速率显著高于PM,但PMO和PMN在2013和2014年无显著差异。在盛花期到块茎膨大期,PMN的地上生长速率显著高于PMO和PM;PMO在2011和2012年显著低于PM,而在2013和2014年则相反。在块茎膨大期到成熟期,地上生长速率在2012—2013年以PMN最高,2011和2014年以PMO最高。

表3 施肥对马铃薯生长速率的影响

Table 3 Effects of fertilizer application on potato growth rate (g·d-1)

年份
Year 出苗-现蕾
Emergency-Squaring 现蕾-盛花
Squaring-Flowering 盛花-膨大
Flowering-Expending 膨大-成熟
Expending-Maturing PM PMN PMO PM PMN PMO PM PMN PMO PM PMN PMO 地上部分
Aboveground biomass 2011 0.50ab 0.47b 0.53a 1.68c 2.97b 3.81a 0.90b 1.05a 0.52c 0.02c 0.07b 0.12a 2012 0.54b 0.55b 0.65a 2.04c 3.34b 3.91a 0.26b 0.54a 0.20c 0.21b 0.26a 0.07c 2013 0.57a 0.56a 0.58a 1.88b 2.69a 2.68a 0.08c 0.40a 0.35b 0.32b 0.38a 0.35ab 2014 0.53a 0.48b 0.54a 1.90b 3.29a 3.44a 0.17c 0.47a 0.34b 0.10c 0.14b 0.21a 地下部分
Underground biomass 2011 0.33b 0.38a 0.41a 1.27c 2.27b 3.26a 1.12b 1.22b 1.57a 6.21c 9.43b 10.43a 2012 0.43b 0.46b 0.52a 1.56c 2.53b 4.39a 0.76b 0.92a 0.95a 3.85b 6.51a 6.47a 2013 0.45b 0.47b 0.50a 1.33c 2.29b 3.51a 0.68c 1.19b 1.61a 4.29c 5.20b 6.33a 2014 0.40b 0.44ab 0.46a 1.34c 2.11b 3.30a 0.69b 0.95a 0.79b 4.12c 5.73b 6.97a 不同小写字母在0.05水平差异显著

马铃薯地下生长速率受施肥方式显著影响（

表3

）。在苗期-现蕾期,PMO的地下生长速率显著高于PM,而且在干旱的2011年,PMO的地下生长速率较PM增加了24.2%,达到显著差异;PMO在2012和2013年显著高于PMN,但在2011年和2014年,两个处理差异不明显。在现蕾期-盛花期,PMO的地下生长速率最高,PMN次之,PM最低,并且3个处理之间达到显著差异。在盛花期-块茎膨大期,2011年PMO的地下生长速率显著高于PMN和PM,虽然PMN较PM提高了8.9%,但二者无显著差异;2012年PMO和PMN无显著差异,但显著高于PM;2013年PMO最高,PMN次之,PM最低,处理间差异显著;2014年PMN显著高于PMO和PM,但PMO和PM之间无显著差异。在块茎膨大期-成熟期,除2011年PMN和PM之间无显著差异外,其余年份均以PMO最高,PMN次之,PM最低,且处理间差异显著。

2.4 不同施肥模式对马铃薯肥料偏生产力的影响

PMN的肥料偏生产力（PFPT）在2011—2014年显著高于PMO和PM,较PMO提高了21.7%、22.3%、25.5%和18.4%,较PM提高了10.4%、21.0%、30.1%和21.6%;PMO的PFPT在2011年显著低于PM,但在2012—2014年二者无显著差异（

图5

）。化肥偏生产力（PFPC）以PMO最高,PMN次之,PM最低,处理间差异显著。表明在当前施肥水平下（PM）,马铃薯肥料偏生产力有较大提升空间,在氮肥减量50%分期施和有机肥替代的情况下,化肥偏生产力显著增加,证明有机肥替代能够促进化肥偏生产力的提高,提高马铃薯对化肥的利用效率。

图5 施肥对马铃薯肥料偏生产力的影响

Fig. 5 Effects of fertilizer application on potato partial factor productivity from applied fertilizer

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与肥料偏生产力相似,氮素偏生产力（PFPN）以PMN最高,PMO次之,PM最低,处理间达到显著差异;化肥氮素偏生产力（PFPCN）与化肥偏生产力的结果相似,以PMO最高,PMN次之,PM最低,且处理间差异显著。结果证明,氮肥减量25%分期施能够显著提高马铃薯的养分利用效率,而氮肥减量50%和有机肥替代显著提高了马铃薯的化肥偏生产力。

2.5 不同施肥模式对马铃薯产量、耗水量和水分利用效率的影响

除干旱年份（2011年）处理间产量无显著差异外,在2012—2014年PMN的块茎产量较PM增加了9.1%、17.3%和9.7%,且在2013和2014年达到显著差异;PMO较PM提高了13.0%、18.5%和17.4%,均达到显著差异;4年间PMN和PMO的产量无显著差异（

图6

）。水分利用效率（WUE）的变化规律与产量相似,2011年处理间无显著差异;2013和2014年PMN和PMO的WUE显著高于PM,而且在2014年PMO显著高于PMN。表明氮肥减量25%分期施和增施钾肥不会降低马铃薯产量,而且能提高WUE;氮肥减量50%分期施和有机肥替代能够同时提高马铃薯产量和WUE,实现资源的高效利用。

图6 施肥对马铃薯产量和水分利用的影响

Fig. 6 Effects of fertilizer application on potato yield and water utilization

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3 讨论

养分资源综合管理是中国乃至全球以较低环境代价获得较高粮食产出、保障未来人类粮食安全和环境安全,推动农业可持续发展的必然选择[33-34]。针对中国目前农业生产养分管理中存在的问题,首要问题是减少化肥用量并寻求可循环利用的替代肥料[1,3-4]。就旱作农业区而言,养分管理的出发点、措施和归宿是水分的高效利用,实现以肥调水和以水促肥,协同提高作物的水肥利用效率 [32]。全膜覆盖垄沟种植技术实现了半干旱旱作区水资源量的最大化,通过养分管理来调控作物的水分利用过程则是实现水肥资源高效利用的关键[32]。本试验结果表明,PMN使马铃薯花后耗水增加、花前耗水降低,使较多的水分供马铃薯块茎生长所需。与PM相比,PMN促进花后干物质尤其是地下干物质的积累,并显著提高了花后地下生物量的生长速率,提高了丰水年（2013年）和平水年（2012年和2014年）块茎产量。PMO虽不能降低花前耗水量,但使花后耗水量显著增加,地上地下生物量和生长速率均显著高于PM,4年产量平均增加了2 945 kg·hm-2,增产效应显著。在耗水量无显著增加的条件下,PMO较PMN有更为明显的增产优势,4年平均增产1 017 kg·hm-2。

化肥减量能够显著提高作物的养分利用效率[33-34]。对半干旱区全膜覆盖垄沟种植马铃薯而言,氮肥减量追施和增施钾肥显著提高了肥料偏生产力、化肥偏生产力、氮素偏生产力和化肥氮素偏生产力;在干旱的2011年处理间的水分利用效率无显著差异,但在2013和2014年PMN和PMO显著提高了马铃薯水分利用效率,说明水分和养分有明显的互作效应,在缺水条件下,施肥模式对马铃薯水分利用的调控作用有限,但在水分相对充足的条件下,PMN能够显著提高马铃薯的水分利用效率和化肥利用效率,达到以肥调水和以水促肥的目的。PMN不会降低马铃薯产量,而且能同时提高马铃薯的水肥利用效率;PMO不仅能够协同提高马铃薯的产量、水分利用效率和肥料偏生产力,而且与PMN相比,显著提高了化肥偏生产力,对促进马铃薯高效利用化肥有重要作用。所以,通过氮肥减量和有机肥替代的养分管理模式,可以实现作物增产和水肥资源高效利用的目的。

4 结论

减量追施（PMN）降低了马铃薯花前耗水,提高花后耗水量;有机肥替代（PMO）的马铃薯花前耗水量无明显升高,但使花后耗水量显著增加。与传统施肥（PM）相比,减量追施（PMN）和有机肥替代（PMO）均能使地上地下生物量增加,提高地上部分的生长速率,在不增加耗水量的前提下使产量和水分利用效率增加,并显著提高马铃薯的养分偏生产力。与减量追施（PMN）相比,有机肥替代（PMO）不但显著降低了氮肥用量,而且显著提高了马铃薯产量、WUE、化肥偏生产力和化肥氮素的偏生产力,更能实现作物增产和资源高效利用的目标,是半干旱旱作区全膜覆盖垄沟种植条件下更为高效的养分管理模式。

{{custom_citation.doi}2}

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