滴灌施肥条件下减量施肥对马铃薯田土壤养分积累及产量的影响

冯志文，万书勤，康跃虎,3，孙清华，张若芳

(1.内蒙古大学马铃薯工程技术研究中心，呼和浩特 010021；2.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室，北京 100101；3.中国科学院大学，北京 100049)

0 引 言

马铃薯是一种化肥密集型作物，实际生产中过量施肥和盲目施肥现象普遍存在。据调查，以内蒙古为代表的北方集约化规模化种植区，过量施肥问题尤为突出，化肥用量普遍在2400～3600 kg/hm2，远远超过了最佳施肥量水平[1]。同时，马铃薯企业为追求效益最大化，存在对土地进行“只种不养”的掠夺式经营，在提高产量的同时，也造成土壤理化性状逐年恶化、养分流失严重和环境污染加剧[2]。目前，国家已将“减施增效”提升为国家战略，相继出台政策支持马铃薯化肥减施，可见，马铃薯化肥减施势在必行。

滴灌施肥能够精确控制灌水量、施肥量和灌溉施肥时间，可以根据马铃薯的需肥规律和土壤养分状况，将肥料直接供应到根区，实现了“按需施肥”，显著提高了养分利用效率，被认为是实现马铃薯化肥减施的有效途径之一[1]。然而实际生产中，采用不合理的施肥制度，如按照传统施肥方法进行滴灌施肥，造成水肥耦合不协调，肥料施用量过高、肥料浪费的现象在许多地区依然普遍存在[3]。因此，制定合理地滴灌施肥灌溉制度始终是化肥减施的关键。以地面灌溉作物高产或测土配方施肥量为基础，采用比例法布置不同施肥量的田间试验确定的滴灌施肥灌溉制度已经在油菜[4]、枸杞[5]和辣椒[6]等作物上获得良好地应用，不仅产量高，而且水肥利用效率较高。

冯志文等[7,8]以当地推荐施肥量为基准，采用比例法研究了不同施肥量对滴灌施肥马铃薯生长、产量与水肥利用的影响，认为内蒙古沙地滴灌施肥条件下，当滴头正下方20 cm深度处的土壤基质势下限在-25 kPa时进行施肥灌溉时，且当施肥量比例为推荐施肥量的72%～85%(即施肥量减少15%～28%)时，不仅减少了化肥的施用量，还在保证产量的同时提高了水肥利用效率。万书勤等[9]在柴达木盆地的研究也同样表明，施肥量比例为当地马铃薯推荐施肥量的70%左右(施肥量减少30%)时，马铃薯既能获得高产，又可保证较高的水肥利用效率。前人研究表明，滴灌施肥时施肥量明显影响养分在土壤中的运移分布，施肥量高时也存在养分从根系分布层淋失的风险[10-12]。从环保角度出发，上述研究采用比例法确定的马铃薯滴灌施肥灌溉制度下，土壤养分能否得到有效利用与积累、是否存在淋失的风险还需要进一步研究。

因此，本研究通过田间试验，以推荐施肥量为基准，采用比例法分析了滴灌施肥灌溉条件下不同施肥量对土壤养分(硝态氮、铵态氮、速效磷与速效钾)积累和马铃薯产量的影响，以期为进一步确定合理施肥量、有效地指导滴灌条件下的肥料管理提供理论指导与技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗白泥井镇(110°28′E，40°18′N)进行。试验区位于库布其沙漠带与黄河冲积平原过渡带上，为典型半干旱大陆季风气候，常年干旱多风少雨，年均风沙日在70 d以上，降水少而分布不均，年均降水量240～310 mm，主要集中在7-9月份，年均蒸发量2 100 mm。昼夜温差大，日照强烈，年均气温为6.1～7.1 ℃，最高气温35.8 ℃，最低气温-32.6 ℃，无霜期135～150 d。土壤为砂土，以粗砂粒(0.05～2 mm)为主，接近于流沙，保水保肥性差，基础理化性质见表1。

表1 试验前土壤基础理化状况Tab.1 Basic fertility of the experiment soil before experiment

1.2 试验设计

研究发现，采用负压计制定马铃薯滴灌灌溉计划且当控制滴头正下方20 cm深度处的土壤基质势在-25 kPa以上时，马铃薯不仅获得高产，而且水分利用效率高[13-16]。参考以上研究结果，试验采用负压计来指导马铃薯进行施肥灌溉，并且控制滴头正下方20 cm深度处的土壤基质势下限在-25 kPa时进行施肥灌溉。

与传统地面灌溉(或喷灌)相比，因土壤水分运动及其时空变异和施肥方式的不同，滴灌施肥灌溉下养分在土壤中分布特点和运移状况不同，而作物获得高产的需肥规律主要由其生物学特点决定，故基于植物营养学和农业栽培试验获得的地面灌溉(或喷灌)下的施肥量，同样可以反映其需肥规律。因此，本研究选用马铃薯主栽品种“夏波蒂”，基于养分平衡法并参考当地马铃薯企业大型喷灌机条件下的施肥方案进行微调得到推荐施肥量(N、P2O5、K2O施用量分别为420、105、495 kg/hm2)，设计了5个施肥量比例的滴灌施肥灌溉处理，即施肥量分别为推荐施肥量的10%(F1)、30%(F2)、50%(F3)、70%(F4)和90%(F5)。采用随机区组布置试验小区，每个处理重复3次，共15个小区，小区长5.5 m，宽5.4 m，面积29.7 m2。

参考当地马铃薯企业大型喷灌机条件下的施肥方案，其中常规马铃薯专用复合肥(氮磷钾比例为16-14-15)以磷肥作为基肥一次性沟施，氮肥和钾肥除以基肥施入外，其余以尿素(46% N)和硝酸钾(13.9% N，46.5% K)采用滴灌施肥灌溉进行追肥(表2)。马铃薯完全出苗后开始进行追肥，将总追肥量按马铃薯生育期天数平均分配到每天，每次灌溉前根据灌溉间隔将计算好的尿素和硝酸钾溶解在施肥罐中，随水施肥。马铃薯施肥灌溉后的前35 d追施尿素和硝酸钾，后40 d仅追施硝酸钾，收获前20 d停止施肥灌溉，收获前10 d停止灌溉。

表2 不同滴灌施肥灌溉处理的施肥量 kg/hm2Tab.2 Fertilizer amount of different treatments under drip fertigation

1.3 灌溉与农艺措施

每一处理(包括3个试验小区)均由独立的滴灌系统控制，控制灌溉面积为89.1 m2。滴灌首部控制单元均由闸阀、水表、压力表、网式过滤器和压差式施肥罐组成，滴灌带的滴头间距0.3 m，工作压力控制在0.1 MPa时滴头流量为1.38 L/h。

马铃薯起垄种植，垄间距1.1 m，垄肩宽0.5 m，垄高0.3 m，每条垄中心铺设1条滴灌带，垄上双行交错种植马铃薯，行距0.3 m，株距0.3 m(图1)。每个试验小区种植5垄，垄长5.4 m。5月13日播种，播种后统一灌水45 mm。6月4日开始出苗，6月17日完全出苗后利用负压计指示土壤基质势低于-25 kPa时开始施肥灌溉，每次灌水6～8 mm。9月7日停止灌溉，9月19日收获。

图1 马铃薯起垄种植模式与土壤取样点分布(单位：cm)Fig.1 Planting pattern of potato and distribution of soil sampling point

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤基质势

每个处理(第二个重复)于中间垄上滴头正下方20 cm深度处埋设一支负压计，每天8∶00和15∶00观测负压计读数，并指导灌溉。

1.4.2 土壤速效养分

试验开始前在试验地呈“S”形选取5个代表性样点用土钻取土，取样深度为0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100和100～120 cm。马铃薯收获前(9月10日)各小区中间垄上选取代表性地段，以滴头为原点，垂直于滴灌带，在水平距离滴头0、10、20、30、40和55 cm处进行取样，取样深度分别为0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm(图1)。土样风干、过筛(1 mm)，称取一定量的土样加入煮沸过的冷蒸馏水，静置10 h，调制成饱和泥浆，然后离心(4 000 r/min，30 min)获得提取液，分别采用紫外分光光度法测定硝态氮浓度，靛酚蓝比色法测定铵态氮浓度，ICP-ASE法测定速效磷和速效钾浓度。

各土层的养分浓度均值(C)通过加权平均法计算，具体公式如下：

(1)

式中：j为距离滴头6个不同的水平距离(n为起始水平距离)；k为8个不同的取样深度(m为起始取样深度)；S(j,k)为样品的权重。

1.4.3 产 量

马铃薯完全成熟后，每个小区收获最中间1行，称重测定产量。

1.5 数据处理与分析

采用Excel 2016对试验数据进行处理，采用Surfer 12.0软件和软件Origin 9.0进行绘图。采用SPSS 13.0软件进行单因素方差分析，Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 土壤硝态氮

马铃薯种植前，土壤硝态氮主要集中在0～60 cm土层，平均浓度为47.4 mg/L，其中根区土层(0～40 cm)的平均浓度为48.8 mg/L，而60～120 cm土层的硝态氮浓度仅为22.7 mg/L，不足0～60 cm土层的50%(表1)。经过整个生育期的滴灌施肥灌溉后，收获前各处理的硝态氮浓度在土壤中的分布表现出明显的差异，如图2所示。各处理的硝态氮浓度均主要集中在距离滴头0～40 cm范围内，且随着施肥量的增加，0～40 cm范围内的硝态氮浓度逐渐增加。距离滴头0～40 cm范围外，各处理的硝态氮浓度沿水平方向上变化较小，整体上呈下降的趋势，而沿垂直方向上则变化剧烈，呈先下降后上升的趋势，且施肥量越大，硝态氮向土壤下层移动越多。

经过一个生长季的滴灌施肥灌溉，各处理的硝态氮仍主要集中在0～60 cm土层，100～120 cm土层次之，60～100 cm土层最低。F1处理在0～60、60～100和100～120 cm土层的平均硝态氮浓度分别为7.7、4.9和9.2 mg/L，明显低于种植前，表明施肥量比例为10%时不能满足马铃薯对硝态氮的需求，需要从根区土层(0～40 cm)甚至更深土层中吸收硝态氮才能满足马铃薯的生长。F2处理硝态氮主要集中在滴头附近40 cm范围内(平均浓度为30.2 mg/L)，40～60、60～100和100～120 cm土层的硝态氮浓度分别为10.9、7.5和11.4 mg/L，均低于种植前，同样需要从根区和深层土壤吸收硝态氮来满足马铃薯对硝态氮的需求。F3处理0～60 cm土层的平均硝态氮浓度为26.3 mg/L，其中距离滴头0～40 cm范围内平均浓度为35.6 mg/L，且60 cm以下土层的硝态氮浓度则明显低于12.3 mg/L，浓度均低于播种前，表明施肥量比例在50%时仍不能满足马铃薯对硝态氮的需求，同时没有硝态氮从根系分布层淋失。随着施肥量的增加，F4与F5处理的硝态氮浓度明显增加，0～60 cm土层滴头附近40 cm范围内的平均硝态氮浓度分别为44.5和44.7 mg/L，与播种前浓度接近，基本上能够满足马铃薯对硝态氮的吸收。同时，硝态氮从根系分布层的淋失也逐渐增加，F4和F5处理在100～120 cm土层的平均硝态氮浓度，分别为21.0和20.1 mg/L，且比播种前高出21.2%和16.4%，表现出明显地硝态氮积累。然而，F5处理在60～100 cm土层的硝态氮浓度为22.0 mg/L，与播种前接近，且明显高于F4处理(平均硝态氮浓度为12.0 mg/L)。因此，马铃薯滴灌施肥灌溉时，施肥量比例为70%(F4处理)即可满足其对硝态氮的需求，并能有效地将硝态氮保持在根系分布层，减少了向下淋洗的损失。

图2 马铃薯生长季末土壤剖面硝态氮空间分布图Fig.2 The spatial distribution of concentration in the vertical transects perpendicular to the drip lines at the end of growing season

2.2 土壤铵态氮

马铃薯种植前，0～120 cm土层的铵态氮分布相对均匀，平均浓度为0.87 mg/L，铵态氮浓度在0～40 cm土层为0.82 mg/L，40～120 cm土层为0.90 mg/L(表1)。经过整个生长季的滴灌施肥灌溉后，生长季末各处理的铵态氮浓度在土壤中的分布表现出明显的差异(图3)。铵态氮随水在土壤中的垂直移动距离较小，水平移动距离较大，主要集中在水平距离滴头55 cm的30 cm土层内，与播前相比，均有不同程度的增加。随着施肥量的增加，0～40 cm土层的铵态氮浓度呈先增加后下降的趋势，而下层土壤(60～120 cm)的铵态氮浓度变化正好相反，呈现先下降后增加的趋势。

经过一个生长季后，各处理的铵态氮主要集中在0～30 cm土层，F1、F2、F3、F4和F5处理的铵态氮浓度分别为1.33、1.62、1.91、2.20和1.39 mg/L，这主要是因为铵态氮在土壤中易被土壤颗粒吸附在表层，不易随水移动，且位于其下层的根系不易吸收的缘故。30～120 cm土层的铵态氮浓度以F1处理最高，为1.11 mg/L，且分布不均，40～60 cm土层距滴头水平15～35 cm的范围内有一明显积累区，平均浓度为2.34 mg/L。这可能是因为低施肥量比例时，经过多次滴灌施肥灌溉后，铵态氮被土壤颗粒吸附相对较少，而随灌溉水向下移动较多的缘故。同时，较小的根系对铵态氮吸收相对较少可能也是造成这种现象的原因之一。随着施肥量的增加，30～90 cm土层的铵态氮浓度明显降低，F2和F3处理的平均铵态氮浓度分别为0.62和0.65 mg/L，两个处理在90 cm以下土层的铵态氮浓度均较低，且分布均匀，仅为0.38 mg/L，这可能是根系从下层土壤吸收铵态氮以满足马铃薯生长的缘故。施肥量进一步增加后，30～90和90～120 cm土层的铵态氮浓度均有所增加，且在垂直方向上增加明显，水平距离滴头30 cm内，F4和F5处理在30～120 cm土层的铵态氮浓度分别为0.99和0.72 mg/L，与播种前浓度接近。因此，滴灌施肥灌溉施肥量比例为70%(F4处理)时，铵态氮不仅可以满足马铃薯生长的需求，还能有效地积累在根系分布范围内(特别是表层)。

图3 马铃薯生长季末土壤剖面铵态氮空间分布图Fig.3 The spatial distribution of concentration in the vertical transects perpendicular to the drip lines at the end of growing season

2.3 土壤速效磷

马铃薯播种前，土壤速效磷除表层(0～10 cm)浓度较高(0.147 mg/L)外，0～120 cm土层内分布相对均一，平均浓度为0.070 mg/L；0～40和40～120 cm土层的速效磷浓度分别为0.083和0.064 mg/L(表1)。播种时条施磷肥后，经过整个生育期的滴灌施肥灌溉，生长季末各处理土壤的速效磷分布表现出明显的差异(图4)。磷在土壤中容易被吸附，随灌溉水在土壤中的移动距离较小，故速效磷主要集中在滴头附近0～30 cm范围内，与播种前相比，各处理均有不同程度的增加，增幅在62.0%～280.6%，这主要是由于磷肥在播种时全部条施于地表10 cm的缘故。随着施肥量的增加，0～30 cm土层的速效磷浓度呈先增加后下降的趋势，而60～120 cm土层的速效磷浓度则在各处理间差异较小。

图4 马铃薯生长季末土壤剖面速效磷空间分布图Fig.4 The spatial distribution of available phosphorus concentration in the vertical transects perpendicular to the drip lines at the end of growing season

经过一个生长季的滴灌施肥灌溉后，F1、F2、F3、F4和F5处理在滴头附近30 cm范围内的平均速效磷浓度分别为0.134、0.174、0.196、0.316和0.190 mg/L。除F3处理在40～60 cm土层距滴头水平距离10～30 cm范围内有一个明显积累区(平均浓度0.366 mg/L)外，各处理呈分层分布，且差异较小，30～60、60～90和90～120 cm土层的速效磷浓度分别为0.093～0.188、0.073～0.103和0.037～0.130 mg/L。30～120 cm土层的速效磷浓度与播前接近，表明施肥量对中下层土壤的速效磷浓度影响较小，这与磷容易被土壤颗粒吸附且在土壤中移动性差有关。因此，滴灌施肥灌溉下施肥量比例在50%～70%(F3和F4处理)时，速效磷能够有效地积累在土壤表层0～30 cm，且可满足马铃薯对磷的吸收。

2.4 土壤速效钾

马铃薯种植前，土壤速效钾除了表层土壤(0～10 cm)浓度较高(25.9 mg/L)外，0～120 cm土层内分布相对均匀，平均浓度为12.1 mg/L，0～40和40～120 cm土层的速效钾浓度分别为14.5和10.9 mg/L(表1)。经过整个生长季的滴灌施肥灌溉后，生长季末各处理的速效钾在土壤中的分布表现出明显的差异(图5)。速效钾主要集中在0～60 cm土层，随着施肥量的增加，速效钾垂直分布减弱，而水平分布增加，60～120 cm土层的速效钾浓度则呈下降的趋势。与播种前相比，各处理的速效钾浓度明显增加。

经过一个生长季的滴灌施肥灌溉后，F1处理的速效钾浓度主要分布在0～60 cm土层水平距离滴头25 cm范围内，平均浓度约为73.3 mg/L。随着施肥量的增加，速效钾水平分布范围增加，F2、F3、F4和F5处理分别增加至35、40、55和55 cm，垂直分布范围减少，F2、F3、F4和F5处理则垂直分布在60、60、50和45 cm土层内。F2、F3、F4和F5处理速效钾在集中分布土体内的平均浓度分别为39.4、42.3、40.7和45.5 mg/L。60～120 cm土层各处理的速效钾浓度较低，F1、F2、F3和F4处理分别主要分布在水平0～30 cm(平均浓度为34.0 mg/L)、0～40 cm(平均浓度为27.9 mg/L)、0～40 cm(平均浓度为28.2 mg/L)和25～55 cm(平均浓度为33.4 mg/L)范围内，其他范围均低于20.0 mg/L。F5处理在50～120 cm土层分布均匀，平均浓度为17.9 mg/L。结果表明，随着施肥量的增加，上层土壤对速效钾的吸附作用增强，随灌溉水在水平方向上的分布范围增大。因此，滴灌施肥灌溉下施肥量比例在50%以上时，速效钾主要积累在0～40 cm土层，但施肥量比例过大时，水平分布范围过大，仍存在马铃薯根系不能吸收利用速效钾的风险。

图5 马铃薯生长季末土壤剖面速效钾空间分布图Fig.5 The spatial distribution of available potassium concentration in the vertical transects perpendicular to the drip lines at the end of growing season

2.5 产 量

随着施肥量的增加，夏波蒂的产量呈先增加后下降的趋势，以F3处理产量最高，为25.3 t/hm2，除显著高于F1处理外，与其他处理间差异不显著(图6)。回归分析发现产量(y)与施肥量(x)的关系为二次曲线关系，表达式为y=16.34+24.57x-16.89x2(R2=0.941 8)，即当施肥量比例为推荐施肥量的72.7%(F4处理附近)时，产量最高。

图6 马铃薯产量与施肥量的关系Fig.6 Relationships between tuber yield with fertilization levels

3 结 语

马铃薯田经过整个生育期的滴灌施肥灌溉后，随着施肥量的增加，0～60 cm土层的硝态氮浓度增加，且向土壤下层的移动增加；0～40 cm土层的铵态氮浓度和0～30 cm土层的速效磷浓度呈先增加后下降的趋势；0～60 cm土层的速效钾浓度在垂直分布减弱，而水平分布增加。当施肥量比例在70%左右(F4处理)时，即可满足马铃薯对土壤速效养分的需求，有利于根区土壤速效养分含量的提高，同时减少了养分从根区的淋失。当施肥量比例为推荐施肥量的72.7%(F4处理附近)时，夏波蒂的产量最高。结合农田土壤养分积累情况与产量认为，滴灌施肥灌溉时，当施肥量比例为推荐施肥量的70%左右时，不仅满足了马铃薯对土壤速效养分的需求，产量较高，而且降低了施肥量、减少了养分从根区的淋失。