减氮追施和增密对全膜覆盖垄上微沟马铃薯水分利用及生长的影响

于显枫 张绪成,* 方彦杰 陈光荣 王红丽 侯慧芝 马一凡 赵记军



减氮追施和增密对全膜覆盖垄上微沟马铃薯水分利用及生长的影响

于显枫1张绪成1,*方彦杰1陈光荣1王红丽1侯慧芝1马一凡1赵记军2

1甘肃省农业科学院旱地农业研究所/ 甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室, 甘肃兰州 730070;2甘肃省农业生态环境保护管理站, 甘肃兰州 730000

优化垄沟配置方式、种植密度和施肥方式可显著提高降水利用效率、作物产量和水分利用效率。以西北半干旱区全膜覆盖垄上微沟种植马铃薯, 设置49,500株 hm–2(低密度)和64,500株 hm–2(高密度) 2个播种密度, 传统施肥(PM)、减量追施(PMN)、有机肥替代(PMO) 3个施肥模式, 随机区组设计。研究施肥和密度对马铃薯不同生育期土壤温度、阶段耗水量、产量及水分利用效率的影响。结果表明, 增密对土壤温度、叶绿素相对含量(SPAD)和产量无显著影响, 但降低了花前耗水量、单株地上生物量和水分利用效率, 提高了叶面积指数(LAI)和花后耗水量。在块茎膨大期, 高密度处理的LAI较低密度增加了3.64%~15.01%; 花后耗水量在2015—2016年较低密度增加了6.50%~ 48.52%。与PM 处理相比, PMN和PMO均能提高花前土壤温度、现蕾期-块茎膨大期的马铃薯叶片SPAD值和LAI, 其中LAI在花期增加了10.42%~44.26%。PMN和PMO降低了花前耗水量, 增加花后耗水量和地上生物量, 在块茎膨大期地上生物量较PM增加了6.95%~49.85%。PMN能提高低密度马铃薯的块茎产量和水分利用效率(WUE), 2015—2017年产量较PM和PMO分别提高了9.96%~20.87%和13.64%~17.61%, 水分利用效率提高了5.46%~20.81%和13.25%~45.24%。因此, 增加密度对产量和水分利用效率无显著影响, 但化肥减量追施或有机肥替代均可显著促进马铃薯花后耗水和提高LAI, 使马铃薯块茎产量和WUE显著增加, 是西北黄土高原半干旱区增产增效的养分管理模式。

减氮追施; 增密; 全膜覆盖垄上微沟; 马铃薯; 产量; 水分利用效率

西北半干旱区年降雨量为250~450 mm, 受降水资源的限制, 作物产量长期低而不稳[1]。为解决这一问题, 全膜覆盖垄沟种植技术在当地得到广泛应用。马铃薯是该区的三大粮食作物之一, 常年种植面积和产量均高于玉米和小麦[2]。然而, 采用全膜覆盖垄沟种植技术后马铃薯产量依然较低, 徘徊在15,000~22,500 kg hm–2, 其主要原因是水资源利用效率仍处于较低水平。针对以上问题, 在长期试验研究的基础上, 我们提出了马铃薯全膜覆盖垄上微沟种植技术, 该技术0~200 cm土层土壤贮水量、产量和水分利用效率在季节性干旱年份显著高于全膜覆盖垄沟种植, 进一步挖掘了旱作区马铃薯水分生产潜力[2-3]。

养分管理是影响马铃薯产量和水分利用效率的一个关键因素, 过量施肥使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274.0 kg hm–2 [4]。本试验区位于甘肃省中东部半干旱区, 平均氮肥用量115.8 kg hm–2, 但接近一半农户的施氮量超过150 kg hm–2 [5], 过量施用氮肥造成马铃薯植株营养生长过旺、结薯延迟、减少干物质在块茎中的积累, 使块茎产量降低[4,6]; 而氮肥施用不足, 马铃薯生长中心则过早由叶转向块茎, 营养器官生长量不足, 光合生产“源”发育受限, 干物质合成量减少, 块茎产量降低[7-8]。合理的施氮量及施肥方式是确保马铃薯生长中期植株稳健生长、延长后期光合器官的生理功能、制造更多同化产物的有效措施, 有利于干物质在各时期的合理分配[9-10]。马铃薯产量近60%是在块茎膨大初期和中期形成的, 该时期是马铃薯需氮关键期, 因此调节氮肥施用量及基追肥比例以便更好地满足马铃薯植株关键时期对氮素的需求, 为块茎生长提供良好的氮素供应, 从而达到优质高产。

密度是影响马铃薯块茎大小和产量的另外一个关键因素, 马铃薯产量和密度呈抛物线变化关系。随马铃薯种植密度的增加产量逐渐增加[11], 但经济性状相反。在密度较低的条件下, 增加肥料能明显提高产量; 而密度较高时, 增加肥料用量反而会造成产量的下降[12], 可见合理密植能提高马铃薯的产量和品质。因此, 氮素和密度是影响马铃薯产量和品质的2个最为重要的因素, 不仅影响产量物质的形成, 也影响着该物质的分配和积累。

旱作农田全膜覆盖后, 一般采用全部基施肥料方式, 这对后期生殖生长阶段的作物生产和水分利用造成一定胁迫, 不利于提高作物经济产量和水分利用效率。因此, 在旱作农田全膜覆盖种植模式下, 通过改进施肥方式来调节作物对水分的耗散过程、以及合理优化作物营养生长和生殖生长阶段的耗水分配, 是进一步提高作物产量和水分利用效率的有效途径, 但目前这方面研究报道较少。因此, 本试验设不同施肥方式和播种密度处理, 测定马铃薯不同生育时期的土壤温度、叶绿素相对含量(Soil and Plant Analyzer Development, SPAD)值、LAI和产量, 分析阶段耗水量和水分利用效率, 明确全膜覆盖垄上微沟种植模式下, 种植密度、氮肥减量、分期施肥和有机肥替代的水分调控效应对马铃薯水分利用效率和干物质积累的影响, 为建立旱作区马铃薯增产增效和环境友好的养分管理模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

甘肃省定西市安定区团结镇唐家堡村甘肃省农业科学院试验站, 地处104°36′E, 35°35′N, 海拔1970 m, 年均气温6.2℃, 年辐射总量5898 MJ m–2, 年日照时数2500 h, ≥10℃积温2075.1℃, 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月至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N、全P、全K、NH4+-N、NO3-N、速效P、速效K分别为11.99 g kg–1、1.16 g kg–1、25.3 mg kg–1、172.8 mg 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

采用全膜覆盖垄上微沟种植, 种植带宽100 cm, 大垄宽60 cm、高20 cm、大沟宽40 cm; 在大垄面正中间开小沟, 小沟宽20 cm, 深10 cm (图1), 小沟内每隔50 cm扎眼以便水分入渗。采用随机区组设计, 2个密度(49,500株 hm–2和64,500株 hm–2), 3个施肥处理(表1), 试验小区面积7.0 m × 6.5 m = 45.5 m2, 3次重复。有机肥为风干的羊粪, 含全氮0.5%、P2O50.35%、K2O 0.4%, 一次性基施。化肥60%基施, 40%追施, 在播前撒施有机肥和化肥, 旋耕入土; 在马铃薯花期用点播器在两株马铃薯之间点播追施化肥。

图1 马铃薯全膜覆盖垄上微沟种植技术示意图

表1 试验设置

PML: traditional fertilizer with low density; PMNL: reduced chemical fertilizer dressing with low density; PMOL: organic manure substitution with low density; PMH: traditional fertilizer with high density; PMNH: reduced chemical fertilizer dressing with high density; PMOH: organic manure substitution with high density.

将马铃薯种植在大垄的垄侧, 播种深度10 cm。供试马铃薯品种为“新大坪”。2015年4月19日播种, 9月13日收获; 2016年4月19日播种, 10月8日收获; 2017年4月19日播种, 9月26日收获。各处理全生育期均不灌溉, 除拔草外不进行其他管理。

1.3 试验区2015—2017马铃薯生育期降水量及平均气温

根据试验站气象资料统计, 试验区2015、2016、2017年均属干旱年份。2015年的全年降水量为346 mm, 马铃薯生育期的降水量为236.5 mm, 与多年平均值接近, 为平水年; 2016年的全年降水量为289.3 mm, 马铃薯生育期的降水量为204.8 mm, 低于多年平均值, 为欠水年; 2017年的全年降水量为418.3 mm, 马铃薯生育期的降水量为326.1 mm, 高于多年平均值, 为丰水年(图2)。2015年在马铃薯生育期降水47次, 有效降水12次(>10 mm); 2016年在马铃薯生育期降水39次, 有效降水9次(>10 mm); 2017年在马铃薯生育期降水48次, 有效降水14次(>10 mm)。在马铃薯的关键生育期块茎膨大期的7月和8月2015年降水量为104.4 mm、2017年降水量为180.7 mm、2016年降水量仅为75.1 mm。尤其是在2016年7月22日到8月22日降水3次, 共计6.9 mm, 而2017年的6月24日到7月24日的降水2次, 共计20 mm (7月5日降水量9 mm, 7月14日降水量11 mm), 在马铃薯的结薯期和块茎膨大期, 2个关键生育期没有降水, 满足不了马铃薯正常生长所需要的水分。2015年最低温为6.2℃, 最高温为23.1℃, 平均气温为15.07℃; 2016年最低温为6.6℃, 最高温为24.2℃, 平均气温为16.31℃; 2017年最低温为5.1℃, 最高温为25.1℃, 平均气温为15.98℃。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 土壤温度 在马铃薯苗期、现蕾期、盛花期、块茎膨大期、淀粉积累期、成熟期用地温计在垄上两株马铃薯植株间测定0~25 cm地温, 每5 cm为1个测定层, 每小区测定1个位点, 在8:00、14:00、20:00各测定1次, 定点测定, 分析时取平均值。

图2 2015–2017年马铃薯生育期降水分布和平均气温变化

1.4.2 SPAD 在马铃薯苗期、现蕾期、盛花期、块茎膨大期、淀粉积累期从每小区选取长势均匀的3株, 用SPAD-502plus叶绿素仪对马铃薯倒四叶的顶小叶进行SPAD值的测定, 每一片叶测5个位点, 取平均值。

1.4.3 LAI 在马铃薯现蕾期、盛花期、块茎膨大期、淀粉积累期用CI-110植物冠层结构分析仪(CID, 美国)测定LAI, 每小区重复5次, 取平均值。

1.4.4 生物量 在马铃薯现蕾期、盛花期、块茎膨大期和成熟期, 从每小区选取长势均匀的5株, 用烘干法测定地上生物量。

1.4.5 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1个层次, 平均每10~15 d每小区测定1次, 每小区在垄上马铃薯株间测定1个位点。

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)。

阶段耗水量ET= SWS−SWS+1+, 式中, SWS为某个生育时期初始时的土壤贮水量; SWS+1为该生育时期结束时的土壤贮水量;为生育期降雨量。

1.4.6 水分利用效率(WUE) WUE = Yd/ET, 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 统计分析

用Microsoft Excel 2010软件作图, DPS数据处理软件进行二因素试验统计分析, 用Tukey法检验处理间的差异显著性(<0.05和<0.01)。

2 结果与分析

2.1 施肥模式和播种密度对马铃薯0~25 cm土壤平均地温的影响

苗期, 2015年高密度减量追施(PMNH)较高密度传统施肥(PMH)增温0.60℃; 2017年低密度有机肥替代(PMOL)较低密度传统施肥(PML)增温1.10℃; 2016年低密度减量追施(PMNL)较PML增温1.10℃ (<0.05)。现蕾期, 2015年, PMNH较PMH和高密度有机肥替代(PMOH)分别增温1.34℃和1.09℃; 2016年PMOL较PML和低密度减量追施(PMNL)相比分别增温0.61℃和1.07℃ (<0.05), 2017年各处理之间差异不显著。块茎膨大期, PMNL和PMOL较PML在2015—2017年分别增温0.87℃、0.35℃, 1.55℃、2.98℃和0.27℃、0.41℃, 只有2016年差异显著(表2)。从3年的试验结果得出, 密度改变, 土壤温度不变; 施肥模式对花前的土壤温度有影响, 花后没有显著影响; 年际间的变化幅度较大。

2.2 马铃薯叶片SPAD对施肥和密度的响应

SPAD在不同年份表现出来的趋势不一致(表3)。增施有机肥能够增加马铃薯叶片SPAD值。2015年花期, PMOL较PML和PMNL增加了19.81%、49.78% (<0.05), PMOH较PMH和PMNH增加了14.02% (<0.05)、0.8%; 块茎膨大期PMOL较PML和PMNL增加了23.24%、12.05% (<0.05), PMOH较PMH和PMNH增加了10.76%、16.93% (<0.05)。2016年现蕾期, PMOL较PML和PMNL增加了6.38%、6.98%, 但差异不显著; PMOH和PMNH较PMH增加了23.77% (<0.05)。2015—2017年密度对SPAD影响不显著。PMO能够提高现蕾期—块茎膨大期马铃薯叶片SPAD值, 但年份不同, 结果不同。

表2 施肥方式和播种密度对土壤温度的影响

(续表2)

年份Year处理Treatment苗期 Seedling现蕾期 Squaring花期Blooming块茎膨大期Bulking淀粉积累期Accumulating收获期Maturing 2016传统施肥低密度PML19.8 c23.5 c21.6 d25.0 e24.1 c13.2 ab 减量追施低密度PMNL20.9 d23.0 d22.4 cd26.5 c24.8 b12.4 b 有机肥替代低密度PMOL21.4 b24.1 b23.3 b28.0 a25.9 a13.7 a 传统施肥高密度PMH22.1 a25.7 a24.9 a27.5 b25.7 a13.8 a 减量追施高密度PMNH20.2 b24.1 b22.6 bc25.8 d24.6 b12.7 b 有机肥替代高密度PMOH20.9 b24.1 b22.4 cd25.9 d24.6 b13.7 a 2017传统施肥低密度PML20.1 c21.3 a25.2 ab25.3 a23.0 a17.0 a 减量追施低密度PMNL20.8 abc22.6 a26.0 a25.6 a25.0 a17.5 a 有机肥替代低密度PMOL21.2 ab22.0 a26.0 a25.7 a24.0 a17.8 a 传统施肥高密度PMH20.3 abc22.5 a25.4 ab25.3 a23.8 a17.4 a 减量追施高密度PMNH21.6 a23.0 a25.6 ab25.4 a23.6 a17.2 a 有机肥替代高密度PMOH20.7 bc21.8 a24.3 b24.1 a22.9 a17.5 a

标以不同字母的值在同一年份同一生育期不同处理间差异显著(< 0.05)。

Values followed by different letters in the same growth stage and the same year are significantly different among treatments at0.05. PML: traditional fertilizer with low density; PMNL: reduced chemical fertilizer dressing with low density; PMOL: organic manure substitution with low density; PMH: traditional fertilizer with high density; PMNH: reduced chemical fertilizer dressing with high density; PMOH: organic manure substitution with high density.

表3 施肥方式和播种密度对叶片SPAD的影响

标以不同字母的值在同一年份同一生育期不同处理间差异显著(< 0.05)。

Values followed by different letters in the same growth stage and the same year are significantly different among treatments at0.05. PML: traditional fertilizer with low density; PMNL: reduced chemical fertilizer dressing with low density; PMOL: organic manure substitution with low density; PMH: traditional fertilizer with high density; PMNH: reduced chemical fertilizer dressing with high density; PMOH: organic manure substitution with high density.

2.3 不同施肥方式和播种密度对马铃薯LAI的影响

PMN和PMO都能增加马铃薯LAI, 随着密度增加LAI增加, 并且峰值出现在块茎膨大期(表4)。花期PMN和PMO较PM的增加幅度最大, 花后的增加幅度降低。花期PMNL和PMOL的LAI在2015—2017年较PML增加19.20%和20.23%、10.42%和26.67%、36.27%和44.26%, 2015年和2017年达显著差异, 2016年差异不显著; PMNH和PMOH的LAI较PMH增加了43.51%和20.87%、39.04%和34.23%、24.18%和38.01% (<0.05)。淀粉积累期在2016—2017年, PMNH显著高于其他处理, 尤其较PMH增加了63.55%和38.46% (<0.05)。密度增加, 马铃薯叶片的LAI增加, 尤其在现蕾期PMH、PMNH和PMOH的LAI在2016和2017年较PML、PMNL和PMOL增加了79.25%、94.51%、66.67%和19.57%、56.23%、35.29% (<0.05)。密度增加、化肥减量、分期追施并增施有机肥能够增加马铃薯叶片的LAI。

表4 施肥方式和播种密度对马铃薯LAI的影响

标以不同字母的值在同一年份同一生育期不同处理间差异显著(< 0.05)。

Values followed by different letters in the same growth stage and the same year are significantly different among treatments at0.05. PML: traditional fertilizer with low density; PMNL: reduced chemical fertilizer dressing with low density; PMOL: organic manure substitution with low density; PMH: traditional fertilizer with high density; PMNH: reduced chemical fertilizer dressing with high density; PMOH: organic manure substitution with high density.

2.4 不同施肥方式和播种密度对马铃薯植株生物量的影响

随着生育期的推进, 地上生物量增加, 其峰值出现在马铃薯的块茎膨大期(图3)。除2016年苗期外, 处理间马铃薯地上生物量呈显著差异, 低密度显著高于高密度。花期PMN和PMO的地上生物量较PM显著增加, 2015年和2016年PMNL和PMOL较PML增加了20.11%、45.37%和84.95%、53.54% (<0.05), PMNH和PMOH较PMH增加了31.12%、49.47%和47.98%、58.29% (<0.05)。低密度的地上生物量较高密度增加, 尤其是PMNL的地上生物量显著高于高密度处理, 其中PMNL的地上生物量较PMNH在2015—2017年增加了12.64%、29.41%和21.27%。块茎膨大期PMNL和PMOL的地上生物量在2015—2017年分别较PML增加了49.85%和37.27%、17.49%和12.49% (差异不显著)、11.87%和17.72%; PMNH 和PMOH分别较PMH增加了6.95%和15.22% (差异不显著)、39.57%和37.81%、35.09%和54.73%。PMNL和PMOL处理的地上生物量在2015年和2016年较PML分别增加了18.35%、28.06%和28.80%、34.29% (淀粉积累期), 23.84%、22.13%和18.85%、16.04% (收获期)(<0.05)。结果表明, 降低密度、氮肥减量追施并增施有机肥能够促进马铃薯地上生物量积累。

图3 施肥模式和播种密度对干物质积累量的影响

PM: 传统施肥; PMN: 减量追施; PMO: 有机肥替代。

PM: traditional fertilizer; PMN: reduced chemical fertilizer dressing; PMO: organic manure substitution.

2.5 马铃薯阶段耗水量对施肥方式和播种密度的响应

对3年马铃薯总耗水量的综合分析表明, 年份(<0.01)、密度(<0.01)和肥料(<0.01)对马铃薯耗水量影响极显著, 除年份×密度的交互作用不显著外, 其余两个因素交互作用均极显著(表5)。增施有机肥能提高总耗水量, 2016—2017年PMOL较PML和PMNL分别增加了4.81%、5.76%和29.25%、29.26%, PMOH较PMH和PMNH增加了10.15%、1.98%和8.48%、15.27%, 其中2017年差异极显著(图4)。密度间耗水量在2015—2016年差异不显著, 但在2017年随密度增加总耗水量增加(<0.05)。化肥减量和增施有机肥均能显著降低花前耗水量, 2015年PMNL和PMOL较PML降低了15.33%、17.54%, PMNH和PMOH较PMH降低了26.43%、19.79%; 2016—2017年PMNL较PML和PMOL降低了16.33%、11.87%和20.94%、25.15%, 其他处理间差异不显著。而密度对花前耗水量的影响不显著, 只有2015年高密度降低了花前耗水量, 分别较低密度降低了16.76%、27.68%和19.03% (<0.05)。

增施有机肥能够降低花期耗水量, 2015—2016年PMOL较PMNL降低了38.84%、34.15%, PMOH较PMNH降低了34.24%、14.22% (差异不显著); 但2017年增施有机肥处理较化肥减量追施在高低密度处理分别增加了20.78%、34.62% (<0.05)。这与花期的降雨量有关, 2015—2016年花期的降雨量为27.7 mm和11.5 mm, 而2017年只有6.8 mm。同时高密度也降低了花期耗水量, PMNH、PMOH较PMNL、PMOL降低了14.36%、7.91% (差异不显著)(2015年)和22.04%、13.11% (2017年)(<0.05)。

PMN和PMO都能够提高马铃薯的花后耗水量, 2015—2016年PMNL和PMOL较PML分别增加了28.84%、40.16%和30.90%、41.46% (<0.05); 同时密度增加, 马铃薯的花后耗水量也增加, PMH和PMNH分别较PML和PMNL增加了48.52%和30.36%、19.03%和6.50%。PMN和PMO都能够降低花前耗水量, 增加花后耗水量; 而密度增加对花前耗水量影响不大, 但增加了花后耗水量。

表5 年份、密度和施肥对耗水量的方差分析

图4 施肥方式和播种密度对阶段耗水量的影响

PML: 传统施肥低密度; PMNL: 减量追施低密度; PMOL: 有机肥替代低密度; PMH: 传统施肥高密度; PMNH减量追施高密度; PMOH:有机肥替代高密度。

PML: traditional fertilizer with low density; PMNL: reduced chemical fertilizer dressing with low density; PMOL: organic manure substitution with low density; PMH: traditional fertilizer with high density; PMNH: reduced chemical fertilizer dressing with high density; PMOH: organic manure substitution with high density.

表6 施肥方式和播种密度对总耗水量的影响

标以不同字母的值在同一年份同一生育期不同处理间差异显著(< 0.05)。

Values followed by different letters in the same growth stage and the same year are significantly different among treatments at0.05. PML: traditional fertilizer with low density; PMNL: reduced chemical fertilizer dressing with low density; PMOL: organic manure substitution with low density; PMH: traditional fertilizer with high density; PMNH: reduced chemical fertilizer dressing with high density; PMOH: organic manure substitution with high density.

2.6 马铃薯产量和水分利用效率对施肥方式和播种密度的响应

对3年马铃薯产量的综合分析表明, 年份(<0.05)、肥料(<0.01)对马铃薯产量影响极显著, 而密度(>0.05)对马铃薯产量影响不显著; 除年份×密度的交互作用显著外, 其余两因素交互作用均不显著(表7)。在不同降水年型和密度条件下, PMN和PMO都能够提高马铃薯的块茎产量, 但密度对马铃薯块茎产量的影响不一致。2015—2017年PMNL马铃薯的块茎产量较PML和PMOL提高了9.96%和13.65%、14.48%和17.61%、20.87%和14.51%, 并在2015年差异显著(图5)。2015年PMOL、PMNL和PML的马铃薯块茎产量较PMOH、PMNH、PMH分别增加了21.59%、30.83%、13.58% (<0.05), 而2016—2017年差异不显著。

图5 施肥方式和播种密度对产量和水分利用效率的影响

PM: 传统施肥; PMN: 减量追施; PMO: 有机肥替代。

PM: traditional fertilizer; PMN: reduced chemical fertilizer dressing; PMO: organic manure substitution.

表7 年份、密度和施肥对产量及WUE的方差分析

对3年WUE的综合分析表明, 年份(<0.01)、密度(<0.01)和肥料(<0.01)对WUE影响极显著; 两因素交互作用均明显(表7)。PMN和PMO都能够提高马铃薯的水分利用效率, 但密度在不同降雨年型的表现不一致(图5)。3年PMNL均能提高WUE, 在3年与PMOL达显著差异, 并在2016年与PML达显著差异。2015年降低密度可使WUE增加, PML和PMNL较PMH和PMNH增加了28.80%、35.65%; 而2017年增加密度使WUE增加, PMOH较PMOL增加了41.86%, 其他处理差异不显著; 2016年各处理差异不显著。

3 讨论

化肥减量和分期追施、有机肥替代化肥能显著调节马铃薯花前花后耗水量, 增加生物量和提高生长速率, 使得马铃薯块茎产量、水分利用效率和养分利用效率增加[7,13-14]; 而过量施用氮肥会造成源库关系失调[15-18], 降低单株结薯重量和平均单薯重, 导致马铃薯减产。通过块茎膨大期前一周左右追施总施肥量1/3的氮肥, 可提高块茎产量[5,19-21]。因此, 基追肥结合是提高马铃薯养分利用效率和产量的有效途径。本试验结果表明, 两种密度条件下增施有机肥都能增加花期—茎膨大期的马铃薯叶片SPAD值和LAI, 尤其在2015年的块茎膨大期SPAD增幅最为明显, 2015—2017年花期的LAI增加幅度最大。较高的叶面积指数和叶片SPAD值为光合作用奠定了基础, 有利于物质同化和块茎的形成。另外, 有机肥替代和化肥减量追施降低花前耗水, 促进花后耗水, 在总耗水量无明显变化的前提下, 优化马铃薯水分利用进程, 协同提高水肥利用效率[7]。基于较高的马铃薯群体和光合能力, 以及对水分利用过程的优化, PMN和PMO都能使马铃薯的地上生物量、块茎产量和水分利用效率显著增加。

合理密植有利于马铃薯光合产物的累积, 促进根系对水分养分的吸收, 提高单株产量。马铃薯产量与密度呈抛物线关系, 产量在一定范围内随着播种密度的增加而提高[22]。齐爽等[23]研究结果表明, 低密度对马铃薯营养生长更有利, 而马铃薯的干物质积累则是在高密度下更好。本试验的研究区域属半干旱旱作区, 季节性干旱特征明显, 密度增加可能加剧季节性干旱对马铃薯生长的危害程度而造成减产[24]。因此, 选择适宜密度是该区马铃薯稳产增产的一项关键技术措施。本研究结果表明, 增加密度对土壤温度和马铃薯叶片SPAD值无明显作用, 但导致LAI增加, 尤其在块茎膨大期减氮追施的高密度处理较低密度增加了3.64%~15.01%。但低密度处理并没有降低马铃薯的块茎产量、耗水量和水分利用效率, 尤其在降水分布均匀的2015年, 低密度的产量较高密度增加了5703、8321和3715 kg hm–2。这主要是低密度条件下, 植株叶面积发育快, 根系发育良好, 而高密度表现生长缓慢, 干物质积累减少, 产量降低。而在2016—2017年, 密度之间的产量差异不显著, 这与马铃薯块茎形成期和膨大期的降雨量有关。高密度对花前耗水量无显著影响, 但却增加了花后耗水量, 在常规施肥和减氮追施条件下分别较低密度增加了6.5%~48.52%。另外, 低密度提高了马铃薯WUE, 在2015—2016年较高密度增加了4.08%~35.65%, 表明低密度可促进同化产物的积累和向块茎的分配[25-26], 从而增加马铃薯块茎产量。

施肥和密度对马铃薯的水分利用效率、干物质积累和产量有明显的互作效应。田丰等[11]研究表明, 密度对马铃薯产量的影响较施肥量小, 刘明霞等[27]在降水较充足地区的研究表明, 在氮肥基追比为 8︰2的条件下, 密度对产量的影响最大, 氮肥次之。本试验结果表明, 肥密互作对地温和SPAD值的影响不显著, 但对LAI 有显著影响, 在花期PMNH的LAI较PML增加了46.30%和92.92% (2015—2016年)。密度和肥料互作对马铃薯的总耗水量和水分利用效率影响极显著, 对马铃薯的块茎产量影响不显著, 而年份和密度的交互作用对马铃薯的块茎产量影响极显著。2015—2017年马铃薯的生育期降水量分别为236.5、289.3和326.1 mm。2016年和2017年的产量低于2015年, 这主要是在马铃薯的花期和块茎膨大期遭遇严重干旱, 因此, 通过调节密度和优化施肥模式, 可以增加马铃薯花后耗水量、提高叶片SPAD, 降低季节性干旱对块茎形成和生长的影响, 进而提高块茎产量和水分利用效率。

4 结论

减氮追施和有机肥替代都能使全膜覆盖垄上微沟低密度马铃薯花后耗水量明显增加, 提高马铃薯块茎膨大期的叶片SPAD值和LAI, 这有利于马铃薯的物质同化和促进块茎形成, 并促进块茎的膨大和同化物质积累, 显著提高了马铃薯的水分利用效率。增加密度不能显著提高马铃薯块茎产量和水分利用效率, 而且密度和肥料互作同样不能明显提高块茎产量。因此, 在适当降低密度的基础上减氮追施或有机肥替代, 是半干旱旱作区全膜覆盖垄上微沟种植马铃薯高效的养分管理模式。

[1] 侯慧芝, 王娟, 张绪成, 方彦杰, 于显枫, 王红丽, 马一凡. 半干旱区全膜覆盖垄上微沟种植对土壤水热及马铃薯产量的影响. 作物学报, 2015, 41: 1582–1590. Hou H Z, Wang J, Zhang X C, Fang Y J, Yu X F, Wang H L, Ma Y F. Effects of mini-ditch planting with plastic mulching in ridges on soil water content, temperature and potato yield in rain-fed semiarid region., 2015, 41: 1582–1590 (in Chinese with English abstract).

[2] 秦舒浩, 张俊莲, 王蒂, 蒲育林, 杜全中. 覆膜与沟垄种植模式对旱作马铃薯产量形成及水分运移的影响. 应用生态学报, 2011, 22: 389–394. Qin S H, Zhang J L, Wang D, Pu Y L, Du Q Z. Effects of different film mulch and ridge-furrow cropping patterns on yield formation and water translocation of rainfed potato., 2011, 22: 389–394 (in Chinese with English abstract).

[3] 侯慧芝, 方彦杰, 张绪成, 王红丽, 于显枫, 马一凡. 半干旱区旱地马铃薯全膜覆盖起垄微沟种植技术. 中国马铃薯, 2015, (1): 18–20. Hou H Z, Fang Y J, Zhang X C, Wang H L, Yu X F, Ma Y F. Potato planting technology of ridge with mini-ditch and whole field plastic mulch in semiarid region., 2015, (1): 18–20 (in Chinese with English abstract).

[4] 张福锁, 王激清, 张卫峰, 崔振岭, 马文奇, 陈新平, 江荣风. 中国主要粮食作物肥料利用现状与提高途径. 土壤学报, 2008, 45: 915–924. Zhang F S, Wang J Q, Zhang W F, Cui Z L, Ma W Q, Chen X P, Jiang R F. Nutrient use efficiencies of major cereal crops in China and measures for improvement., 2008, 45: 915–924 (in Chinese with English abstract).

[5] 陈亚兰, 张健, 韩儆仁, 王会蓉. 陇中干旱半干旱地区马铃薯养分资源投入的调查与分析. 中国马铃薯, 2013, 27: 208–211. Chen Y L, Zhang J, Han J R, Wang H R. Investigation and analysis of potato nutrient resource inputting in longzhong arid and semiarid area., 2013, 27: 208–211 (in Chinese with English abstract).

[6] 张福锁, 崔振岭, 王激清, 李春俭, 陈新平. 中国土壤和植物养分管理现状与改进策略. 植物学通报, 2007, 24: 687–694. Zhang F S, Cui Z L, Wang J Q, Li C J, Chen X P. Current status of soil and plant nutrient management in china and improvement strategies., 2007, 24: 687–694 (in Chinese with English abstract).

[7] 张绪成, 于显枫, 王红丽, 侯慧芝, 方彦杰, 马一凡. 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. 中国农业科学, 2016, 49: 852–864. Zhang X C, Yu X F, Wang H L, Hou H Z, Fang Y J, Ma Y F. Regulations of reduced chemical nitrogen, potassium fertilizer application and organic manure substitution on potato water- fertilizer utilization and biomass assimilation under whole field plastics mulching and ridge-furrow planting system on semi-arid area., 2016, 49: 852–864 (in Chinese with English abstract).

[8] 于显枫, 张绪成, 王红丽, 马一凡, 侯慧芝, 方彦杰. 施肥对旱地全膜覆盖垄沟种植马铃薯耗水特征及产量的影响. 应用生态学报, 2016, 27: 883–890. Yu X F, Zhang X C, Wang H L, Ma Y F, Hou H Z, Fang Y J. Effects of fertilizer application on water consumption characteristics and yield of potato cultured under ridge-furrow and whole field plastic mulching in rain-fed area., 2016, 27: 883–890 (in Chinese with English abstract).

[9] 何华, 赵世伟, 陈国良. 不同水氮条件对马铃薯肥料利用率的影响. 应用生态学报, 2000, 11: 235–239. He H, Zhao S W, Chen G L. Effect of different watering and fertilization on N utilization efficiency., 2000, 11: 235–239 (in Chinese with English abstract).

[10] 段玉, 妥德宝, 赵沛义, 李焕春. 马铃薯施肥肥效及养分利用率的研究. 中国马铃薯, 2008, 22: 197–200. Duan Y, Tuo D B, Zhao P Y, Li H C. Effect of fertilizer and nutrient use efficiency on potato in inner mondolia., 2008, 22: 197–200 (in Chinese with English abstract).

[11] 田丰, 张永成, 张凤军, 石小红, 马福荣. 不同肥料和密度对马铃薯光合特性和产量的影响. 西北农业学报, 2010, 19(6): 95–98. Tian F, Zhang Y C, Zhang F J, Shi X H, Ma F R. Effects of ferti­lizer and density on photosynthetic characteristics and yield of potato., 2010, 19(6): 95–98 (in chinese with English abstract).

[12] 马文奇, 张福锁, 陈新平. 中国养分资源综合管理研究的意义与重点. 科技导报, 2006, 24(10): 64–67. Ma W Q, Zhang F S, Chen X P. Significance and keystone of research of integrated nutrient resource management in china., 2006, 24(10): 64–67 (in Chinese with English abstract).

[13] 易琼, 张秀芝, 何萍, 杨利, 熊桂云. 氮肥减施对稻-麦轮作体系作物氮素吸收、利用和土壤氮素平衡的影响. 植物营养与肥料学报, 2010, 16: 1069–1077. Yi Q, Zhang X Z, He P, Yang L, Xiong G Y. Effects of reducing N application on crop N uptake, utilization, and soil N balance in rice-wheat rotation system., 2010, 16: 1069–1077 (in Chinese with English abstract).

[14] 陈光荣, 王立明, 杨如萍, 董博, 杨桂芳, 张国宏, 杨文钰. 平衡施肥对马铃薯–大豆间作系统中作物产量的影响. 作物学报, 2017, 43: 596–607. Chen G R, Wang L M, Yang R P, Dong B, Yang G F, Zhang G H, Yang W Y. Effect of balanced fertilizer application on crop yield in potato–soybean relay-cropping system., 2017, 43: 596–607 (in Chinese with English abstract).

[15] 陈建国, 何文寿, 代晓华, 王耀科, 马俭. 施肥对旱作马铃薯干物质及养分吸收的影响. 中国马铃薯, 2016, 30: 282–288. Chen J G, He W S, Dai X H, Wang Y K, Ma J. Effect of fertilization on dry matter and nutrient uptake of potato under dry farming system.2016, 30: 282–288 (in Chinese with English abstract).

[16] 崔学开, 陈建林, 王明义, 杨国苍, 郑红英. 不同施肥和密度对马铃薯产量的影响. 中国马铃薯, 2010, 24: 360–363. Cui X K, Chen J L, Wang M Y, Yang G C, Zheng H Y. Effect of fertilization and plant density on potato yield.2010, 24: 360–363 (in Chinese with English abstract).

[17] 李玲玲. 有机肥氮素有效性和替代化肥氮比例研究. 中国农业科学院硕士学位论文, 北京, 2011. Li L L. Manure Nitrogen Availability and Its Substitution Ratio for Chemical Fertilizer Nitrogen. MS Thesis of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing, China, 2011 (in Chinese with English abstract).

[18] 何万春, 何昌福, 邱慧珍, 张文明, 王亚飞, 张春红, 王蒂. 不同氮水平对旱地覆膜马铃薯干物质积累与分配的影响. 干旱地区农业研究, 2016, 34(4): 175–182. He W C, He C F, Qiu H Z, Zhang W M, Wang Y F, Zhang C H, Wang D. Effect of nitrogen rates on dry matter accumulation and distribution of potato plants under film mulching in dry land., 2016, 34(4): 175–182 (in Chinese with English abstract).

[19] 刘向梅, 孙磊, 李功义, 石立航, 王弘, 徐姗姗. 氮磷钾肥施用量及施用时期对马铃薯养分转运分配的影响. 中国土壤与肥料, 2013, (4): 59–65.Liu X M, Sun L, Li G Y, Shi L H, Wang H, Xu S S. Effect of N, P, K fertilizers application rate and time on translocation and distribution of nutrients in potato plant., 2013, (4): 59–65 (in Chinese with English abstract).

[20] 薛俊武, 任稳江, 严昌荣. 覆膜和垄作对黄土高原马铃薯产量及水分利用效率的影响. 中国农业气象, 2014, 35: 74–79. Xue J W, Ren W J, Yan C R. Effects of plastic film mulching and ridge planting on yield and water use efficiency of potato in loess plateau., 2014, 35: 74–79 (in Chinese with English abstract).

[21] 张永成, 张凤军. 马铃薯产量与栽培密度及氮磷钾施肥用量的关系研究. 中国种业, 2010, (9): 68–70. Zhang Y C, Zhang F J. Study on the relationship between potato yield and cultivation density and N, P, K fertilizer application., 2010, (9): 68–70 (in Chinese with English abstract).

[22] 郑顺林, 王良俊, 万年鑫, 胡建军, 何卫, 袁继超. 密度对不同生态区马铃薯产量及块茎空间分布的影响. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 2017, 45(7): 15–23. Zheng S L, Wang L J, Wan N X, Hu J J, He W, Yuan J C. Effect of plant density on tuber yield and spatial distribution response of potato from different ecological regions in Sichuan.(Nat Sci Edn), 2017, 45(7): 15–23 (in Chinese with English abstract).

[23] 齐爽, 廉华, 马光恕, 李忠魁. 不同栽培密度对马铃薯生长特性的影响. 安徽农学通报, 2009, 15(24): 71–73. Qi S, Lian H, Ma G S, Li Z K. Effects of different planting densities on growth characteristics of potato., 2009, 15(24): 71–73 (in Chinese with English abstract).

[24] 岳云, 朱永永, 赵贵宾, 熊春荣, 赵小文, 边彩燕, 罗磊. “一膜两年用”不同播种密度对马铃薯生长及产量的影响. 西北农业学报, 2017, 26: 384–389. Yue Y, Zhu Y Y, Zhao G B, Xiong C R, Zhao X W, Bian C Y, Luo L. Effect of different planting densities on potato growth and yield in two-year plastic film mulching., 2017, 26: 384–389 (in Chinese with English abstract).

[25] Subrahmaniyan K, Mathieu N. Polyethylene and biodegradable mulches for agricultural applications: a review., 2012, 32: 501–529.

[26] Li X Y. Gravel-sand mulch for soil and water conservation in the semiarid loess region of northwest China., 2003, 2: 105–127.

[27] 刘明霞, 王一航, 陆立银, 谢奎忠, 陈年来. 氮磷肥及栽培密度对‘陇薯8号’产量的影响. 甘肃农业大学学报, 2011, 46(4): 80–84. Liu M X, Wang Y H, Lu L Y, Xie K Z, Chen N L. Effect of nitrogen phosphorus and planting density on yield of ‘Longshu 8’ potato., 2011, 46(4): 80–84 (in Chinese with English abstract).

Effects of top dressing with reduced nitrogen fertilizer and density enhancement on water use efficiency and growth of potatoes planted in mini-ditch on ridges with plastic mulching

YU Xian-Feng1, ZHANG Xu-Cheng1,*, FANG Yan-Jie1, CHEN Guang-Rong1, WANG Hong-Li1, HOU Hui-Zhi1, MA Yi-Fan1, andZHAO Ji-Jun2

1Institute of Dryland Farming, Gansu Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of High Water Utilization on Dryland of Gansu Province, Lanzhou 730070, Gansu, China;2Gansu Agriculture Environment Protection Station, Lanzhou 730000, Gansu, China

The optimization of ridge-furrow construction, plant density and fertilizer application are three promising ways to increase rainwater use efficiency, crop yield and water use efficiency. A long-term field experiment was carried out in semi-arid area of northwestern China from 2015 to 2017, using potatoes planted in mini-ditch on ridges with plastic mulching, to explore the effects of fertilizer application and plant density on soil temperature, water consumption at different growth stages, yield and water use efficiency. Two plant densities (low density of 49,500 plants ha–1, and high density of 64,500 plants ha–1) and three fertilization methods (traditional fertilizer application, PM; reduced chemical fertilizer dressing, PMN; and organic fertilizer substitution, PMO) were set up as treatments, using randomized block design with three replications. The high density did not affect soil temperature, SPAD values and yield significantly, but lowered water consumption in pre-flowering stage, above-ground biomass per plant, and water use efficiency. However, LAI and water consumption were improved in post-flowering stage. Compared with low density treatments, LAI in high density increased by 3.64%–15.01%, and water consumption in tuber bulking period increased by 6.50%–48.52%. Both PMN and PMO increased soil temperature in pre-flowering stage, potato foliar SPAD and LAI from squaring to tuber bulking stage, compared with PM. For example, LAI increased by 10.42%–44.26% at flowering stage. PMN and PMO decreased water consumption during pre-flowering period, but increased it during post–flowering period, resulting in a 6.95%–49.85% increment in aboveground biomass at bulking stage. On average, PMN increased potato tuber yield and WUE under low density by 9.96%–20.87% and 13.64%–17.61%, 5.46%–20.81% and 13.25%–45.24%, respectively, compared with PM and PMO. Consequently, the increment of plant density did not affect potato tuber yield and WUE. However, PMN and PMO promoted potato water utilization in post-flowering period and increased LAI, resulting in significant increment of potato tuber yield and WUE, showing an efficient way for fertilization management of potato in semiarid loess plateau of northwestern China.

reduced chemical nitrogen fertilizer dressing; density enhancement; mini-ditch planting on ridges with plastic mulching; potato; yield; water use efficiency

2018-01-30;

2018-12-24;

2019-01-07.

10.3724/SP.J.1006.2019.84014

张绪成, E-mail: gszhangxuch@163.com, Tel: 0931-7614864

E-mail: jackey_xf@126.com

本研究由国家科技支撑计划项目(2015BAD22B04), 甘肃省农业科学院农业科技创新专项(2017GAAS27)和甘肃省重点研发计划项目(18YF1WA092)资助。

The study was supported by the National Science and Technology Research Projects of China (2015BAD22B04), the Agricultural Science and Technology Innovation Plan of Gansu Academy of Agricultural Sciences (2017GAAS27), and the Key R&D Projects in Gansu Province (18YF1WA092).

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.s.20190106.1840.002.html