内蒙古马铃薯施肥效应特征参数与施肥推荐

段 玉，张 君，张三粉，景宇鹏，王 博，莎 娜，栗艳芳，李书田

（1.内蒙古农牧业科学院资源环境与检测技术研究所，内蒙古 呼和浩特 010031；2.国际植物营养研究所北京办事处，北京 100081；3.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

马铃薯（Solanum tuberosum L.）营养价值较高，容易栽培，产量亦高，种植广泛，是世界上仅次于稻、麦、玉米的第四大粮食作物。中国是世界上最大的马铃薯生产国，2010～2014 年马铃薯播种面积平均为547 万hm2，总产达9 081 万t，占世界总产量的25%左右[1]。内蒙古自治区具有独特的种植马铃薯区位优势和产品优势，是中国马铃薯主产区之一，2010～2014 年全区马铃薯播种面积平均64.5万hm2，占全区播种面积的12%，总产占全国总产量的10%[2]。中国马铃薯总产量偏低，其主要原因之一是肥料养分施用与作物需求不匹配，养分投入不平衡。内蒙古马铃薯主产区氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）投入量分别为150～750，75～375 和0～750 kg/hm2。宁夏南部山区旱地马铃薯氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）投入量分别为249，95 和60 kg/hm2。陕西省马铃薯化肥氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）投入量分别为155，78和13 kg/hm2[3-5]。整体来看，中国马铃薯氮磷投入量偏高，钾素投入严重不足，化肥施用不尽合理，简单易行的推荐施肥技术研究与推广势在必行。科学合理施肥是马铃薯增产增收的物质基础，每生产1 000 kg 马铃薯块茎吸收N，P2O5，K2O 的量变化范围较大，频率分析发现，需N 多集中在3.0～6.0 kg，P2O5集中在1.0～1.5 kg，K2O 在4.0～8.0 kg[6-10]。马铃薯根系浅，养分吸收面积小，多种植在质地较粗的土壤上，使得马铃薯的养分管理更加困难。国内外学者开展了大量针对氮磷钾合理配施对马铃薯产量影响的研究，但由于种植方式、品种、土壤、施肥方式、施肥量等不同，获得的最高产量的推荐施肥差异较大，推荐用 量N 60～350 kg/hm2、P2O530～200 kg/hm2、K2O 45～375 kg/hm2[11-19]。这些研究主要采用肥料效应函数法，只能针对一定区域或一定的土壤养分范围，不宜大面积应用。另一种马铃薯推荐施肥方法是依据土壤供肥能力、养分损失率和栽培品种的生产潜力等来确定施肥量[20-22]，虽然这一方法可有效地用于指导施肥，但测试土壤的氮磷钾的临界水平难以确定，且难以及时测定进行大面积推广应用，特别是氮肥用量与土测值没有多少相关性。基于作物产量反应和农学效率的推荐施肥方法是一种简单易于掌握的作物增产增收、提高肥料利用率和保护环境的新方法，不需要取土测试，已在小麦和玉米上进行了大面积应用[23-28]。但马铃薯施用氮磷钾肥的产量反应和农学效率以及二者之间的相互关系，基于产量反应与农学效率的马铃薯推荐施肥方法等相关研究未见报道。本研究以内蒙古马铃薯主产区为研究区域，采用多年多点试验，研究马铃薯施用氮磷钾养分的产量反应、农学效率以及产量反应与农学效率的相关关系，建立基于产量反应与农学效率的马铃薯氮磷钾养分推荐方法，确定内蒙古马铃薯生产中氮磷钾肥的适宜推荐用量范围，这对于指导区域作物科学施肥具有重要的理论与实践意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

2002～2014年在内蒙古马铃薯主产区的武川县（62 项次）、察右中旗（20 项次）和固阳县（34 项次）的不同试验地块共进行116 项次试验。试验地土壤为栗钙土，砂壤，每个试验播前取0～20 cm耕层土样分析，土壤养分状况和养分施用量见表1。

1.2 试验设计

试验设4 个处理：即NPK，PK，NK，NP。（1）NPK：N、P、K 化肥配合施用的最优施肥处理，由中国农业科学院-加拿大国际植物营养研究所联合实验室推荐[29,30]。最优施肥处理的推荐用量 为N 45～300 kg/hm2，P2O530～150 kg/hm2，K2O 30～225 kg/hm2，平 均N∶P2O5∶K2O = 172.3∶75.2∶94.2 kg/hm2（表1）。（2）PK：不施氮肥处理。（3）NK：不施磷肥处理。（4）NP：不施钾肥处理。每个处理3次重复，随机区组设计，小区面积30 m2。在总的116 项次试验中，布置全肥区（NPK）、不施氮肥（PK）、不施磷肥（NK）和不施钾肥（NP）的4个处理试验有62 项次，设置全肥区（NPK）和不施钾肥（NP）试验有54项次。

供试马铃薯品种为‘克新1 号’一级种薯。试验用氮肥为尿素（N 46%），磷肥为重过磷酸钙（P2O546%），钾肥为氯化钾（K2O 60%），磷钾肥全部作种肥一次基施，氮肥40%基施，60%在开花期追施。田间管理同一般生产田。

表1 供试土壤养分状况与施肥量Table 1 Properties of tested soils and nutrients applied in trials

1.3 测定方法

收获时各小区分别收获记产，每小区随机取样3 株，测定茎、叶和块茎的鲜重，切碎后80 ℃烘干测定茎、叶和块茎干物质重，混匀后粉碎，过2 mm 筛备用。植株样品用H2SO4-H2O2消解后，全氮用凯氏定氮法，全磷用钒钼黄比色法，全钾用火焰光度法测定[31]。

有关计算公式：

某元素的相对产量（RY）（%）=缺该元素区产量/全肥区产量×100，RY（%）=Y0/Y×100

某养分元素的产量反应（YR）（t/hm2）=全肥区产量－缺该元素区产量，YR（t/hm2）=Y-Y0

某养分元素的农学效率（AE）（kg/kg）=（全肥区产量－缺该养分区产量）/该养分施入量，AE（kg/kg）=（Y-Y0）/F

某养分元素的利用率（NUE）（%）=（全肥区该元素吸收量－缺该元素区养分吸收量）/全肥区该元素养分用量×100，NUE（%）=（NU-NU0）/F×100

某养分元素的吸收比率（NR）（kg/t）= 全肥区该元素吸收量/全肥区产量，NR（kg/t）=NU/Y

1.4 统计分析

缺素区的相对产量、施肥的产量反应和农学效率、NPK 养分的养分利用率和NPK 养分的吸收比率的频率分布图和统计表使用SPSS 20软件。

分别用对数曲线模型来描述产量反应与相对产量和产量反应与农艺效率之间的关系。用对数曲线模型来描述土壤速效养分含量与缺素区相对产量之间的关系。回归方程的系数值和R2测定值由Microsoft Excel 2010计算。

2 结果与分析

2.1 缺氮磷钾区的相对产量

2002～2014年进行的116项次马铃薯田间试验结果表明（表2），NPK 处理的产量为5.3～60.2 t/hm2，平均22.4 t/hm2；PK 处理的产量为4.2～51.2 t/hm2，平均18.9 t/hm2；NK 处理的产量为4.4～51.4 t/hm2，平均19.5 t/hm2；NP 处理的产量为4.9～55.5 t/hm2，平均19.7 t/hm2。马铃薯缺素区的相对产量（不施用氮磷钾肥）反映了该元素对马铃薯产量影响的重要程度。不施氮肥的相对产量（n=62）为55.7%～97.3%，平均为81.7%，其频率分布如图1a，出现频率较高的是75%～90%，占72.5%。不施磷肥的相对产量（n = 62）为61.5%～98.8%，平均为84.5%，其频率分布如图1b，出现频率较高的是75%～90%，占64.5%。不施钾肥的相对产量（n =116）为69.8%～99.1%，平均为87.8%，其频率分布如图1c，出现频率较高的是80%～95%，占72.4%。因此，结合N、P、K 的产量反应可以看出，氮肥是影响马铃薯能否获得高产的主要因子，其次是磷肥，钾肥对产量的影响相对最小。

表2 施用NPK养分对马铃薯的相对产量的影响Table 2 Effect of NPK nutrients on potato relative yield

2.2 施用氮磷钾肥的马铃薯产量反应

施用氮磷钾肥区（NPK）与缺素区（PK，NK，NP）的产量差称为缺该元素的产量反应（表3）。氮肥的产量反应（YRN）为0.7～12.6 t/hm2，平均为4.2 t/hm2（n=62），频率分布表明（图2a），＜1 t/hm2占7%，1～5 t/hm2占61%，＞5 t/hm2占32%；磷肥的产量反应（YRP）为0.2～16.0 t/hm2，平均为3.6 t/hm2（n =62），频率分布表明（图2b），＜1 t/hm2占9.7%，1～5 t/hm2占69.3%，＞5 t/hm2占21%；钾肥的产量反应（YRK）为0.2～13.0 t/hm2，平均为2.7 t/hm2（n =116），频率分布表明（图2c），＜1 t/hm2占16.4%，1～5 t/hm2占71.5%，＞5 t/hm2占12.1%。由此看出，施肥的增产效果为氮肥＞磷肥＞钾肥。

表3 施用NPK养分对马铃薯产量反应的影响Table 3 Effect of NPK nutrients on potato yield response

图2 施用氮磷钾肥的产量反应的频率分布Figure 2 Frequency distribution of yield response with NPK application on potato

2.3 施用氮磷钾肥的农学效率

农学效率是反映施肥肥效的重要指标之一，是推荐施肥中不可或缺的指标（表4）。结果表明施用氮肥的农学效率为每公斤N 增产马铃薯块茎4.6～90.3 kg，平均为27.5 kg，频率分布表明（图3a），N 的农学效率在10～40 kg 占64.5%，＞40 kg占16.1%，＜10 kg 占19.4%；施用磷肥，每公斤P2O5增产马铃薯块茎1.8～133.3 kg，平均为46.6 kg，频率分布表明（图3b），P2O5的农学效率在20～70 kg占77%，＞70 kg 占15%，＜20 kg 占8%；施用钾肥，每公斤K2O 增产马铃薯块茎1.7～95.0 kg，平均为29.3 kg，频率分布表明（图3c），K2O 的农学效率在15～40 kg 占50%，＞40 kg 占24%，＜15 kg 占26%。说明在目前进行的肥料试验的施肥量情况下，每公斤纯养分增产的马铃薯数量（农学效率）分别为P2O5＞K2O ＞N。施肥的产量反应反映了该肥料的增产潜力，能够更好地反映产量对养分的依赖性。农学效率尽管也是反映施肥肥效的重要指标，但受施肥量的影响，施肥量大，农学效率相对较小；反之，施肥量小，农学效率就较大，本文中氮肥的农学效率较低，磷钾肥的农学效率较高，主要是试验中氮肥用量较大，磷钾肥用量较小。

表4 施用NPK养分对马铃薯农学效率的影响Table 4 Effect of NPK nutrients on potato agronomic efficiency(AE)

图3 施用氮磷钾肥的农学效率的频率分布Figure 3 Frequency distributions of agronomic efficiency with NPK fertilization

2.4 施用NPK肥的肥料利用率

由于各试验点的土壤肥力、施肥用量、施肥方式、管理水平等差异，施用氮磷钾肥的肥料利用率有较大差异。施用氮肥的利用率（NUEN，N）为15.7%～57.7%，平均为31.8%，频率分布表明（表5，图4a），20%～40%占86.5%，＞40%占10.8%，＜20% 占2.7% ； 施 用 磷 肥 的 利 用 率（NUEP，P2O5）为7.5%～20.9%，平均为15.3%，频率分布表明（图4b），13%～20%占64.9%，＞20%占8.1%，＜13%占27.0%；施用钾肥的利用率（NUEK，K2O）为10.2%～92.6%，平均37.4%，频率分布表明（图4c），20%～55%占81.3%，＞55%占8.8%，＜20%占9.9%。

表5 施用NPK肥料对马铃薯肥料利用率和吸收量的影响Table 5 Effect of NPK application on nutrient use efficiency (NUE) and uptake of potato

图4 马铃薯施用氮磷钾肥的肥料利用率频率分布Figure 4 Frequency distributions of nutrient use efficiency (NUE) with NPK application

表6 施用NPK肥料对马铃薯养分吸收量的影响Table 6 Effect of NPK application on nutrient uptake of potato

2.5 生产1 t马铃薯吸收氮磷钾养分量

每生产1 t 马铃薯吸收的氮磷钾养分量（表6）由于种植方式、土壤状况、施肥方式、施肥量等不同有较大差异。每生产1 t马铃薯吸收氮素（N）为3.3～8.0 kg，平均为5.6 kg，频率分布表明（图5a），＜4.0 kg/t 占8%，4.0～6.0 kg/t 占62%，＞6.0 kg/t 占30%；每生产1 t 马铃薯吸收P2O5为0.9～2.5 kg，平均为1.5 kg/t，频率分布表明（图5b），＜1.0 kg/t 占3%，1.0～2.0 kg/t 占83%，＞2.0 kg/t 占14%；每生产1 t 马铃薯吸收K2O 为3.2～13.8 kg，平均为6.1 kg/t，频率分布表明（图5c），＜4.0 kg/t占4%，4.0～8.0 kg/t占88%，＞8.0 kg/t占8%。

2.6 产量反应与相对产量和农学效率的相互关系

从图6 氮、磷、钾的产量反应与相对产量之间的关系可以看出，施用氮磷钾肥的产量反应（x）与缺素区的相对产量（y）呈显著或极显著的负相关关系。施用氮肥为：yN=-6.107ln(x) +88.861，R2= 0.314 5*（n = 62）；施用磷肥为：yP=-6.058ln(x) + 90.231，R2= 0.455 1**（n = 62）；施用钾肥为：yK=-6.27ln(x)+91.834，R2=0.597 6**（n=116）。

对于单项试验来说，农学效率=产量反应/施肥量。对于多年多点试验，施用氮磷钾肥的产量反应（x）和农学效率（y）之间也存在极显著的正相关关系（P ＜0.01）（图7），表明施肥的产量反应越小农学效率越低，产量反应越大农学效率越高。施用氮肥为：yN=17.94ln(x)+6.401，R2=0.556 2**（n=62）；施用磷肥为：yP=30.652ln(x)+17.599，

图5 马铃薯施用氮磷钾肥的养分吸收量频率分布Figure 5 Frequency distributions of nutrient uptake with NPK application

图6 产量反应与相对产量的相关关系Figure 6 Relationship between yield response and relative yield

图7 产量反应与农学效率的相关关系Figure 7 Relationship between yield response and agronomic efficiency

2.7 土壤磷钾养分丰缺指标

土壤测试值是评价土壤肥力的重要依据，可以用于指导马铃薯的推荐施肥。土壤碱解氮（x）与缺氮区相对产量（yN）之间可用对数曲线表达：土壤有效磷（x）和缺磷区相对产量（yP）之间可用对数曲线表达：yP=16.417ln(x)+49.152，R2=0.636 1**（n = 62）；土壤交换性钾（x）和缺钾区相对产量（yK）之间也可用对数曲线表达：yK= 14.59ln(x) +19.323，R2=0.512 6**（n=116）（图8）。

如果把缺素区相对产量低于70%设定为土壤养分极缺，相对产量70%～80%为缺乏，相对产量80%～90%为中等，相对产量90%～95%为丰富，相对产量大于95%为极丰富，共5 个等级，从而可基于上述2 个回归方程确定内蒙古马铃薯生产中的土壤碱解氮、土壤有效磷和土壤交换性钾的养分丰缺指标（表7）。

图8 土壤养分状况与相对产量的相关关系Figure 8 Relationship between soil nutrient and relative yield

表7 土壤养分丰缺指标Table 7 Soil nutrient abundance and deficiency indicators

可见土壤碱解氮达到240 mg/kg 以上时，说明土壤氮素比较丰富，不需要施氮肥。土壤有效磷达到12 mg/kg 以上时，说明土壤磷素比较丰富，不需要施用磷肥。土壤速效钾达到127 mg/kg 以上时，说明土壤钾素比较丰富，可以不施钾肥。但本方法需要取土测试，针对每一农户田块进行测土推荐施肥存在困难。

2.8 基于产量反应与农学效率的马铃薯施肥推荐

基于产量反应与农学效率（AE）的推荐施肥量（F）（N 或P2O5或K2O）（kg/hm2）=产量反应（kg/hm2）/农学效率（AEN或AEP或AEK）（kg/kg）即F=YR/AE，YR是施用氮磷钾肥的产量反应（t/hm2），AE是施肥的农学效率（每公斤养分增产的块茎产量，kg/kg）。由YR =（1- RY）× Ya，那么F =（1 - RY）× Ya/AE，RY 是特定土壤养分测试水平下的相对产量（%），如果已知土壤养分测定值，那么RY 可用土壤养分测定值与相对产量之间的回归方程进行估计；Ya 是施肥获得的产量（生产实践中的目标产量）（kg/hm2）。

对于氮素养分推荐量，主要依据产量反应和农学效率，即FN=（1 - RYN）× Ya/AEN，如目标产量为30 t/hm2，那么推荐施氮量（N）为：FN=（1 - 81.7%）× 30 t/hm2× 1 000 kg/t/27.5 kg/kg =200 kg/hm2。

而对于磷、钾的推荐，除考虑肥效外，要考虑土壤养分平衡，主要基于产量反应和土壤本身供应量给出推荐施肥量，即FP（K）=[1-RYP（K）]×Ya/AEP（K）+Ya×RYP（K）×NRP（K），如目标产量为30 t/hm2，那么推荐施磷量（P2O5）为：FP=（1-84.5%）×30 t/hm2×1 000 kg/t/46.6 kg/kg + 30 t/hm2× 0.845 × 1.52 kg/t =138 kg/hm2；那么推荐施钾量（K2O）为：FK=（1-87.8%）× 30 t/hm2× 1 000 kg/t/29.3 kg/kg + 30 t/hm2×0.878×6.13 kg/t=309 kg/hm2。如果不知道土壤养分含量，可以采用表8 确定不同目标产量的施肥推荐。

表8 内蒙古马铃薯氮磷钾养分推荐量（无测试值）Table 8 NPK nutrient recommendation for potato in Inner Mongolia

表9 内蒙古马铃薯磷钾养分推荐量（有测试值时）Table 9 PK nutrient recommendation for potato in Inner Mongolia

如果已知该地块的土壤测试值，对于氮素的推荐仍然采用基于产量反应与农学效率的推荐方法（表8）；对于磷肥推荐，相对产量（RYP）可以用RYP= yP= 16.417ln(x) + 49.152（图8b，x 表示土壤有效磷值）估算，推荐施磷（P2O5）量为：FP=（1-RYP）× Ya/AEP+ Ya × NRP= [1-（16.417ln(x) +49.152）/100] × Ya/AEP+ Ya × NRP，如目标产量为30 t/hm2，土壤有效磷10 mg/kg，那么FP= [1-（16.417ln(10)+49.152）/100]×30×1 000/46.6+30×1.52 = 130 kg/hm2。对于钾肥推荐，相对产量（RYK）可以用RYK=yK=14.59ln(x)+19.323（图8c，x 表示土壤速效钾值）估算，推荐施钾（K2O）量为：FK=（1- RYK）× Ya/AEK+ Ya × NRK= [1-（14.59ln(x)+19.323）/100]×Ya/AEK+Ya×NRK，如目标产量为30 t/hm2，土壤速效钾为100 mg/kg，那么FK= [1 -（14.59ln(100) +19.323）/100] × 30 ×1 000/29.3+30×6.13=322 kg/hm2（表9）。

3 讨 论

作物产量反应可以表征土壤的养分状况，而农学效率是评价施肥效应最为直接的手段。

马铃薯缺素区的相对产量（不施用氮、磷、钾肥）反映了该元素对马铃薯产量影响的重要程度。缺素区的马铃薯相对产量越高，表明缺少该养分元素对产量的影响越小，反之对产量影响越大。本研究表明不施氮肥的相对产量为81.7%，不施磷肥的相对产量为84.5%，不施钾肥的相对产量为87.8%。马铃薯施用氮磷钾肥区（NPK）较缺素区（PK，NK，NP）的产量增加值称为缺该元素的产量反应，氮、磷、钾肥的产量反应因土壤养分供应状况、施肥水平等不同而有较大差异，产量反应越大表明施肥效果越好。本试验中氮磷钾的产量反应分别为4.2，3.6 和2.7 t/hm2。由相对产量和产量反应看出，氮肥＞磷肥＞钾肥，说明氮肥仍然是限制产量的最主要元素，其次是磷钾肥。这与其他人的研究结果基本相似[9-18]。

施肥的农学效率反映了施肥效果和投入产出状况，施用氮磷钾肥的产量反应与缺素区的相对产量有显著的负相关关系，相对产量较高表明土壤本身供肥能力较强，土壤本身生产能力和可获得的产量差距较小，这样施肥后的产量反应也较小。施用氮肥（N）的农学效率为27.5 kg/kg，施用磷肥（P2O5）的农学效率为46.6 kg/kg，施用钾肥（K2O）的农学效率为29.3 kg/kg。施用氮磷钾肥的产量反应和农学效率之间有显著的正相关关系，通常产量反应越小表明土壤的肥力越高，导致农学效率较低。相反，产量反应越高意味着土壤供肥能力越低，因而施肥的农学效率相对较高。可以采用基于作物产量反应和农学效率的推荐施肥方法进行马铃薯的施肥推荐。这种推荐施肥方法已在小麦和玉米上进行了应用[23-28]。

生产单位产量马铃薯块茎需要吸收的养分量受土壤养分供应状况、栽培管理技术和气候条件等综合因素的影响其数值不是绝对稳定的而是相对的[6-9]，由这一数值可以确定一定马铃薯目标产量的养分需求量。土壤测试值是评价土壤肥力的重要依据，可以用于指导马铃薯生产的推荐施肥，特别是磷钾肥。土壤有效磷和速效钾含量和缺素区相对产量之间有较好的线性相关关系，依据这一相关关系可以确定内蒙古马铃薯生产的土壤有效磷和土壤交换性钾的养分丰缺指标，可以指导测土推荐磷钾肥。可以依据土壤测试值、目标产量的养分吸收量、肥料利用率等参数确定一定马铃薯产量下的养分推荐施用量，郑海春等[32]、张子义等[33]、田越和李勇[34]依据土壤养分丰缺指标对阴山南北麓和陕南的马铃薯提出了施肥建议。

本文提出的采用基于作物产量反应和农学效率的马铃薯推荐施肥方法，可以应用于内蒙古马铃薯的施肥推荐。对于土壤钾素含量较低的区域可以采用本方法进行钾肥推荐，但是对于土壤钾素含量较高的地块，钾肥推荐量可以不考虑土壤植物系统的钾素平衡，只考虑施钾的产量反应进行推荐。本方法解决了目前马铃薯生产上由于没有较适用的推荐施肥方法而盲目施肥问题，具有重要意义。