深施肥对立式深旋耕马铃薯水分利用效率及产量的影响

于显枫, 张绪成*, 缪平贵, 方彦杰, 马一凡, 王红丽, 侯慧芝

(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, 兰州 730070; 2.甘肃省农业工程技术研究院, 甘肃 武威 733006)

自改革开放以来，我国粮食单产和总产大幅提高，人均粮食生产量超过了世界平均水平, 其中化肥的投入发挥了巨大作用[1]。然而，当前我国农业生产面临着增肥不增产、土壤养分过量累积、化肥施用过量和施用方法不当、养分利用效率降低等重大问题[2-3]。尤其是化肥地表撒施方法造成养分因地表径流或挥发而流失，致使肥料利用率降低，并带来环境污染问题[4]。研究发现，化肥深施对提高肥料利用率有积极作用，一方面有效减少氮的损失，另一方面有利于促进作物根系下扎、扩大根系吸收面积及增大深层根系比重和活力[4]，进而提高产量和水分利用效率，降低环境污染风险，这一结论已在水稻[5]、小麦[6-7]、玉米[8]、大豆[9]、油菜[10]等作物上得到验证。在干旱地区的研究证明，与表面撒施相比，施氮深度20 cm可使小麦产量提高7.2%～9.8%，氮肥偏生产力提高8.0%～10.9%[6]。因此，化肥深施能够降低化肥用量、生产成本和减少面源污染，对实现农业生产可持续发展有重要作用。

但是，当前浅旋耕使得耕层变浅、犁底层加厚，无法达到化肥深施的土壤基础条件。因此，改良耕作技术以打破犁底层，才可以实现化肥深施的目的。立式深旋耕技术是近年来在深松耕技术基础上发展起来的一项新型耕作技术，其配套新型土壤耕作机具——立式深旋耕作机，装配专用的机械垂直螺旋型钻头后，钻头垂直入土高速旋转横向切割旋磨土壤，使之自然悬浮成垄且不乱土层，可一次性完成深耕、粉碎、成垄等作业，兼具旋耕和深松的优点，可显著降低土壤容重，提高土壤孔隙度[11]。研究表明，立式深旋耕能够显著降低0—40 cm土层的土壤容重，孔隙度增加12.3%～23.7%[11-13]，这为化肥深施创造了良好的土壤条件。然而，目前对立式深旋耕作条件下化肥深施的作物产量和水肥利用效率尚缺乏研究分析，而这对探索西北半干旱区旱地作物水肥高效技术途径具有重要启示作用。针对上述问题，本研究在立式深旋耕的耕作条件下，设置不同施肥深度，通过测定不同生育时期马铃薯叶片SPAD值、土壤水分含量、植株干物质积累量等指标，计算土壤贮水量、阶段耗水量和水分利用效率，揭示立式深旋耕条件下深施肥对马铃薯干物质积累量、土壤水分利用效率和马铃薯产量的影响特征，旨在为旱地马铃薯的合理施肥提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验设在甘肃省定西市安定区团结镇唐家堡村甘肃省农业科学院定西试验站，该站海拔1 970 m，年均气温6.2 ℃，年均降水量415 mm，无霜期140 d，为典型旱地雨养农业区。试验区土壤为黄绵土，耕层土壤平均容重1.25 g·cm-3，田间持水量21.18%，凋萎系数7.2%。试验区2018年全年降水量533.3 mm，马铃薯生育期降水量441.1 mm，2019年全年降水量509 mm，马铃薯生育期降水量426.5 mm。2018年日平均气温最高为21.9 ℃，最低为6.9 ℃；2019年日平均气温最高为21.7 ℃，最低为6.2 ℃。

1.2 试验设计

试验采用立式深旋耕作机早春耕作，耕深40 cm左右。试验设置3个处理(表1)，覆膜深旋松不施肥(vertically rotary tillage with plastic mulching，VP)、覆膜深旋松15 cm处施肥(vertically rotary tillage with plastic mulching and traditional fertilizer application，VPF)、覆膜深旋松30 cm处施肥(vertically rotary tillage with plastic mulching and deeply fertilizer application，VPD)，随机区组设计。试验小区面积63 m2(7 m×9 m)，3次重复。马铃薯种植模式为全膜覆盖垄上微沟(图1)，种植带宽100 cm，大垄宽60 cm，高20 cm，大沟宽40 cm；大垄正中间开小沟，小沟宽20 cm，深10 cm，小沟内每隔50 cm扎眼以利于降水下渗。马铃薯供试品种为“陇薯10号”，种植在大垄垄侧，播种深度10 cm，播种密度60 000株·hm-2。2018年4月19日播种，10月2日收获；2019年4月19日播种，9月27日收获。马铃薯全生育期不灌溉，除拔草外不进行其他田间管理。

表1 试验各处理的施肥量Table 1 Fertilizing amount in each treatment (kg·hm-2)

1.3 测定指标及方法

1.3.1SPAD值 在马铃薯苗期、现蕾期、始花期、盛花期、块茎膨大期、淀粉积累期，分别从每小区选取长势均匀的3株，用SPAD-502 Plus叶绿素仪(日本柯尼卡美能达公司生产)对马铃薯倒四叶的顶小叶测定SPAD值，每一片叶测5个位点，取平均值。

1.3.2土壤水分含量 在马铃薯播前、苗期、盛花期、块茎膨大期、淀粉积累期、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，每小区在垄上马铃薯株间测定1个位点。土壤贮水量(soil water storage，SWS)计算公式如下。

SWS(mm)=WS×γ×d/100

(1)

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。

1.3.3植株生物量 在马铃薯苗期、现蕾期、花期、块茎膨大期、淀粉积累期、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。

1.3.4阶段耗水量 0—200 cm阶段耗水量(evapotranspiration,ET)计算公式如下。

ETi=SWSi-SWSi+1+P

(2)

式中,SWSi为第i个生育时期初始时的土壤贮水量，mm；SWSi+1为第i+1个生育时期初始时的土壤贮水量，mm；P为全生育期降水量，mm。

1.3.5产量及其构成因素 马铃薯成熟期收获后每小区取10株考种，计算单株马铃薯个数，测定单株鲜薯重，并按实际块茎鲜重计算小区产量。

1.3.6水分利用效率 水分利用效率(water use efficiency,WUE)计算公式如下。

WUE=Yd/ET

(3)

ET=SWSBF-SWSHA+P

(4)

式中,Yd为马铃薯单位面积产量，kg·hm-2；SWSBF为马铃薯播种前土壤贮水量，mm；SWSHA为马铃薯收获后土壤贮水量，mm；P为全生育期降水量，mm。

1.4 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 结果与分析

2.1 深施肥对立式深旋耕马铃薯0—200 cm土壤贮水量的影响

图2显示，深施肥可显著增加花前0—200 cm土壤贮水量，降低花后贮水量。2018年，VPD在苗期较VP、VPF分别增加了8.4%、12.1%；在盛花期分别增加了13.6%、18.9%，差异显著(P<0.05)。花后VPD处理的0—200 cm土壤贮水量降低，在块茎膨大期较VPF降低了2.9%；在淀粉积累期较VPF降低了13.4%，差异显著(P<0.05)。2019年VPF和VPD全生育期的0—200 cm土壤贮水量都较VP降低，在苗期较VP分别降低了10.5%、6.0%；在盛花期较VP分别降低了12.6%、15.3%；在块茎膨大期较VP分别降低了15.3%、21.6%，VPF和VPD差异不显著。淀粉积累期到收获期VPF和VPD较VP降低，淀粉积累期降低了33.0%、39.0%；收获期降低了14.9%、22.1%，差异显著(P<0.05)，且VPD降低的幅度更大。结果表明，深施肥可降低花后贮水量，增加耗水量。

2.2 深施肥对立式深旋耕马铃薯阶段耗水量的影响

从图3可知，2018年，VPD处理降低了马铃薯的花前耗水量，增加了花后耗水量。花前耗水量较VP和VPF分别降低了36.5%、43.3%；花后耗水量较VP和VPF分别增加了58.7%、49.8%，差异均达到显著水平(P<0.05)。2019年，VPD处理增加了花前耗水量，较VP和VPF增加了36.9%、10.2%，差异显著(P<0.05)；3个处理间花后耗水量无显著差异。

2.3 深施肥对立式深旋耕马铃薯叶片SPAD值的影响

图4结果显示，深施肥对马铃薯花前叶片的SPAD值无明显影响，但可显著提高花后叶片的SPAD值。2018年，30 cm处施肥(VPD)的叶片SPAD值在盛花期较不施肥(VP)、15 cm处施肥(VPF)分别增加了12.0%、4.3%；在块茎膨大期较VP、VPF分别增加了8.6%、5.8%；淀粉积累期较VP、VPF分别增加了13.6%、0.2%。2019年，VPF和VPD处理的SPAD值基本一致，在盛花期较VP处理分别增加了17.1%、13.4%；在块茎膨大期较VP处理分别增加了9.4%、10.2%。在淀粉积累期VPD处理的SPAD值最高，较VPF、VP分别增加了13.8%、7.7%，差异达显著水平(P<0.05)。可见，深施肥可增加马铃薯生育后期叶片的SPAD值。

2.4 深施肥对立式深旋耕马铃薯干物质量的影响

从图5可以看出，2018年盛花期—块茎膨大期，VPD处理的地上干物质量最高，花期较VP、VPF分别增加了125.4%、15.1%；块茎膨大期增加了46.2%、22.7%，差异均达到显著水平(P<0.05)。淀粉积累期VPD和VPF较VP分别增加了62.4%、63.6%，达显著性差异水平(P<0.05)。2019年现蕾期—盛花期，VPD的地上干物质量最高，现蕾期较VP、VPF分别增加了99.7%、43.8%；盛花期分别增加了348.1%、58.2%，差异显著(P<0.05)。VPD和VPF的地上干物质量在块茎膨大期较VP分别增加了379.2%、313.4%，在淀粉积累期分别增加了413.3%、324.0%，差异均达到显著水平(P<0.05)。

2018年盛花期—收获期，VPD处理的地下干物质量最高，盛花期较VP和VPF分别增加了57.7%、24.8%；块茎膨大期增加了36.7%、20.7%，VP和VPF差异不显著。淀粉积累期较VP和VPF分别增加了53.9%、21.8%，收获期较VP和VPF分别增加了56.9%、16.9%，差异显著(P<0.05)。2019年盛花期—收获期，VPD处理的地下干物质量最高，花期较VP和VPF分别增加了75.6%、33.7%；块茎膨大期分别增加了48.4%、28.1%；淀粉积累期分别增加了195.1%、20.6%；收获期分别增加了99.3%、15.2%，差异均达显著性水平(P<0.05)。

2.5 深施肥对立式深旋耕马铃薯产量构成因素的影响

从表2可以看出，VPD、VPF处理的2年马铃薯单株结薯数较VP分别增加7.3%、19.5%和23.8%、35.7%，差异显著(P<0.05)；VPD、VPF单株鲜薯重较VP分别增加27.3%、44.2%和27.6%、45.6%，差异显著(P<0.05)；VPD、VPF处理2018年小于50 g鲜薯个数及鲜薯重较VP分别降低30.0%、30.0%和41.0%、49.2%，2019年较VP分别降低35.3%、47.1%和57.5%、59.4%(P<0.05)； 2018年50～150 g鲜薯个数及鲜薯重，VPF处理较VP降低11.8%、5.1%，VPD较VP增加11.8%、13.5%(P<0.05)， 而2019年较VP分别增加46.2%、69.2%(P<0.05)；VPD处理2018年大于150 g鲜薯个数及鲜薯重较VPF、VP分别增加4.5%%、64.3%和12.2%、65.0%，而2019年较VPF、VP分别增加18.2%、116.7%和10.7%、76.0% (P<0.05)；VPD处理2年商品率较VPF、VP分别增加1.9%、13.4%和6.8%、41.5%(P<0.05)。

表2 立式深旋耕马铃薯产量构成因素对深施肥的响应Table 2 Response of potato yield components to deep fertilization under vertically rotary tillage

2.6 深施肥对立式深旋耕马铃薯产量和水分利用效率的影响

图6结果显示，2018年，VPD和VPF处理的马铃薯产量较VP分别增加8 536.5、5 782.5 kg·hm-2，分别提高了28.6%、19.4%，差异显著(P<0.05)；VPD较VPF产量增加2 754.0 kg·hm-2，提高7.7%。2019年，VPD处理的马铃薯产量最高，较VP和VPF分别增加18 278.3、4 620.1 kg·hm-2，提高56.9%、10.1%，差异显著(P<0.05)。2018—2019年，VPF和VPD处理的水分利用效率较VP分别增加了12.2%、16.8%和28.2%、27.1%，差异显著(P<0.05)。2018年VPD处理的水分利用效率较VPF提高4.1%，而2019年降低0.8%，无显著差异。

3 讨论

3.1 立式深旋耕深施肥有利于马铃薯干物质量的积累和产量的形成

土壤养分含量水平和分布特征是作物高产与否的关键，而施肥方式是影响土壤养分含量和分布特征最为显著的调控措施，对土壤可持续生产具有重要意义[14]。肥料合理施用可减少土壤氮素的残留和损失，提高氮素利用效率。沈玉芳等[15]、张永清等[16]研究认为，深施肥(10—30 cm)小麦叶色深绿，株高、叶片数、地上部干重都高于浅施肥，这更有利于提高小麦深层根长密度、根重及根系活力，进而促进小麦根系对较深层次土壤中养分的利用，最终提高小麦产量。本研究结果表明，深施肥能够增加马铃薯叶片SPAD值，较VPF而言，VPD虽对马铃薯生育前期的叶片SPAD值影响不大，但对后期有较大影响，能够明显增加马铃薯生育后期叶片的SPAD值。已有研究表明，尿素表施氨挥发损失率高达46.1%，而深施尿素时氨挥发损失率仅为6.2%，氮肥深施可明显降低氨的挥发损失率，有利于给作物提供较多的养分，促进作物吸收和植株的生长[17]。赵亚丽等[18]研究发现，磷肥深施(15 cm)可提高夏玉米产量、养分吸收量和磷肥利用效率。本研究结果也表明，VPD提高了马铃薯花后地下部分的干物质积累量，2年的数据显示，盛花期-收获期马铃薯的地下干物质积累量较VPF增加了15.2%～33.7%。作物生育期内干物质的积累是产量形成的基础，其分配与转运不仅决定了产量的高低，且主要决定了叶片后期的光合生产能力[6]。SPAD值增加可延缓作物生育后期叶片的衰老，维持叶片较高的叶绿素含量持续时间和净光合速率[19]，延长叶片光合功能期，利于植株后期干物质积累，进而增加作物产量[20]。已有研究得出，化肥深施在大豆上可增产225.0～375.0 kg·hm-2[9]、在棉花上可增产75.0～120.0 kg·hm-2，增产效果显著[21]。本研究结果显示，由于VPD增加了马铃薯生育后期叶片SPAD值，促进了光合物质的积累，提高了马铃薯花后地下部分的干物质量，不仅提高了马铃薯单株结薯数、大中薯个数和重量所占比例，还显著提高了商品率。2年VPD较VPF马铃薯的块茎产量增加7.7%～10.1%；较VP增加28.6%～56.9%。

3.2 立式深旋耕深施肥有利于水分高效利用

水资源不足是制约和影响西北黄土高原半干旱地区作物生长的主要限制因子[22]。合理的施肥方式可以优化作物耗水进程，增加作物产量，提高水肥利用效率[23]。吕殿青等[23]研究表明，在渭北旱源地小麦生育期间降水183 mm条件下，提前深耕一次并深施肥比播前深耕一次浅施肥或分次施肥有明显增产效果，水分利用效率提高9.0%。本研究结果表明，2年VPD较VP提高水分利用效率16.8%～27.1%，差异显著；2018年较VPF提高4.1%，而2019年降低0.8%，无显著性差异；但增加马铃薯花前0—200 cm土壤贮水量37.3～72.9 mm，降低花后贮水量11.2～46.8 mm。这说明VPD较VPF有效调节马铃薯生育期的耗水进程，降低了花前耗水量，增加了花后耗水量，这一作用在2018年尤为明显，花前耗水量较浅施肥降低达43.3%，花后耗水量增加达49.8%。因此，在半干旱雨养农业区，立式深旋耕30 cm处施肥处理能够优化马铃薯耗水进程，促进花后耗水和水分高效利用。

综上可知，立式深旋耕30 cm处施肥能够有效调控马铃薯生育期的耗水进程，降低花前耗水量，提高花后耗水量，增加总耗水量，增加了马铃薯生育后期叶片的SPAD值，促进了光合物质的积累，有利于马铃薯的物质同化和促进块茎形成，提高马铃薯单株结薯数、大中薯个数及产量，显著提高了商品率。因此，立式深旋耕30 cm处施肥是西北半干旱区马铃薯高效种植的养分管理模式。