化肥减施和施肥方式对马铃薯产量和块茎氮素积累的影响

李成晨, 索海翠, 罗焕明, 安康, 刘计涛,王丽, 单建伟, 杨少海, 李小波*

(1.广东省农业科学院作物研究所, 广东省农作物遗传改良重点实验室, 广州 510640; 2.广东省农业科学院, 广州 510640)

马铃薯是继水稻、小麦和玉米之后我国第四大主粮作物，其块茎营养成分齐全，富含钙、铁、锌、磷、钾、镁、蛋白质、维生素、赖氨酸和色氨酸等人体所需的各种营养物质，特别是富含谷物类所缺少的赖氨酸、色氨酸、维生素C和胡萝卜素，因营养成分远高于苹果，被称为“地下苹果”[1]。冬种马铃薯是广东省特色农业，能够充分利用当地的区位优势、气候优势、市场优势和冬闲田优势，对粤港澳大湾区“菜篮子”具有重要作用[2]。

马铃薯对肥料的利用率较低，因此，大量施用化肥成为马铃薯获得高产的重要途径[2-3]。然而，化肥增产效应受报酬递减率的制约，即随着施肥量增大，投入产出效率和肥料利用率持续下降[4]。过多的养分流失造成水体与面源污染、土传病害增多、土壤酸化、有害元素增长等问题，严重影响了农业生态的健康发展[5-7]。研究表明，适量减少化肥用量对水稻和小麦的产量不仅无显著影响，还能提高肥料利用率和肥料偏生产力，减少养分径流，增加土壤有机质和养分含量[8-9]。因此，合理使用化肥对绿色农业的发展尤为重要。

化肥用量和施用方式影响作物对养分的吸收和利用，特别是肥料深施或者在土壤中集中施肥会在根系区域形成肥料微域环境[10]，减少土壤对养分的固定，提高植物对肥料的利用率，但若施肥量过多易造成烧苗[11]。新型的控释肥可以根据作物生长季节释放养分，但由于土壤类型、气候变化、作物品种和生育期的差异，控释肥养分的释放不能完全符合作物的生长需求。水肥一体化施肥技术可以根据作物的生长需求随时调整肥料用量，以液体肥的形式将肥料滴在作物根系区域，减少土壤对养分的固定，提高肥料利用率，增产效果显著[12]。赵宗海等[13]研究表明，与传统化肥基施相比，马铃薯水肥一体化(基肥50%+追肥50%)的施肥模式下马铃薯产量最高，且能增加0—20 cm耕层土壤有机质及有效态氮、磷、钾含量。沈建国等[14]连续两年对春辣椒采用水肥一体化滴灌减肥30%的施肥模式，显著促进了大棚辣椒的生长，提高了辣椒产量、品质和效益。

调查广东省马铃薯施肥现状发现，近年来，由于受种植成本和经济效益影响，马铃薯种植大多采用地膜覆盖、一次性基施化肥的施肥方式[2]。地膜覆盖提高了马铃薯的商品性，减少了多次施肥、除草的劳动力成本，但给马铃薯生长后期追肥带来困难，因此，大多农户采用增大基施化肥的用量来保障马铃薯生长所需养分的供给和马铃薯稳产。一次性基施大量化肥，一方面易造成烧苗，影响马铃薯的出苗率；另一方面肥料养分释放不符合马铃薯生长的需肥规律，造成马铃薯生长后期养分不足。因此，在当前种植模式下，研究合理的施肥方式和化肥用量对减少化肥使用、保护环境和土壤健康具有重要意义。因此，本研究以马铃薯费乌瑞它为试验材料，设置一次性基施和水肥一体化滴灌追施两种施肥方式，探讨了不同施肥方式和化肥减量对马铃薯产量、农艺性状、肥料利用率和氮素积累的影响，为广东省合理使用化肥和发展绿色农业提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2019年在广东省惠州市惠东县石桥村农田(E 114°49′，N 22°45′，海拔6 m)进行，试验地前茬作物为两季水稻，供试土壤类型为浅褐色壤土，土壤pH 5.26, 有机质48.1 g·kg-1、碱解氮360.8 mg·kg-1、速效磷160.0 mg·kg-1、速效钾293.0 mg·kg-1。马铃薯生育期日间平均气温21.25 ℃，夜间平均气温13.25 ℃，累计降雨天数17.3 d，日平均降水量2.2 mm，空气平均湿度72%。

1.2 试验设计

以内蒙古坤元太和农业科技有限公司提供的脱毒种薯-费乌瑞它为供试品种。于2018年10月—2019年2月进行马铃薯冬种。播种垄宽1.2 m，每垄种植两行，呈“品”字形种植，株距0.22 m，行距0.4 m。播种后覆盖黑色地膜。试验设置：不施肥(CK)、一次性基施化肥100%用量(TCF100)、一次性基施化肥80%用量(TCF80)、水肥一体化滴灌施化肥100%用量(WCF100)、水肥一体化滴灌施化肥80%用量(WCF80)和水肥一体化滴灌施化肥60%用量(WCF60)共6个处理。各处理均基施有机肥(腐熟的鸡粪)6 000 kg·hm-2；化肥按照不同施肥方式使用，但TCF100和WCF100处理具有等量养分含量。TCF100处理施用复合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)1 875 kg·hm-2，TCF80处理施用同样复合肥1 500 kg·hm-2；水肥一体化滴灌施肥方式采用基施化肥和追施液体化肥的方式进行，WCF100基施尿素(46%)415.8 kg·hm-2、过磷酸钙(12%)1 863.75 kg·hm-2和氯化钾(60%)287.25 kg·hm-2；WCF80和WCF60处理根据WCF100施肥用量按比例减施。液体肥在马铃薯出苗后30 d开始追施，依次追施的液体肥(购自东莞一翔液体肥料有限公司)包括壮根肥(12-16-10)75 kg·hm-2、旺苗肥(15-10-13)240 kg·hm-2、膨果肥(14-6-18)180 kg·hm-2和壮果肥(11-6-21)180 kg·hm-2。每7 d施肥1次，液体肥随水混合滴入根际，其中旺苗肥、膨果肥和壮果肥均分3次施用。CK处理不施用化学肥料，为了方便施肥操作和条件管理，采用裂区试验设计，随机排列，每处理重复4次。

1.3 项目测定及方法

1.3.1农艺性状 出苗后60 d选择长势均匀的10株植株，测量地面到植株顶端的垂直高度记作株高；选择植株第三至第四复叶顶叶测定叶片SPAD值，每片叶片测量4个不同位置；统计主茎上分枝数量和地下部的匍匐茎数量。

1.3.2生物量 分别在马铃薯出苗后30(30DAE)、60(60DAE)和90 d(90DAE)选取每小区长势均匀的4株马铃薯植株，分地上部、根部和块茎于烘箱105 ℃杀青30 min，随后75 ℃烘干至恒重，测定干物质含量。

1.3.3生长速率 生长速率为马铃薯某个生育时期(天数)块茎干物质重量的增长量。

1.3.4产量 马铃薯成熟后，按照每小区实际块茎鲜重质量计算产量(kg·hm-2)。

1.3.5植株氮含量测定 收获时分地上部、根部和块茎，75 ℃烘干至恒重后称重，磨碎样品，采用浓H2SO4-H2O2消煮法消化，凯氏定氮法测定样品氮含量。

1.3.6养分偏生产力 肥料偏生产力(partial factor productivity of total fertilizer, PFPT)、化肥偏生产力(PFP of chemical fertilizer，PFPC)、氮素偏生产力(PFP of total nitrogen，PFPTN)和化肥氮素偏生产力(PFP of chemical nitrogen，PFPCN)的计算参考张绪成等[15]方法，其计算方法如下。

PFPT= Yd/F

PFPC= Yd/C

PFPTN= Yd/N

PFPCN= Yd/CN

其中，Yd表示马铃薯产量(kg·hm-2)；F为总施肥量(kg·hm-2)；C为化肥施用量(kg·hm-2)；N为总氮素施用量(kg·hm-2)；CN为化肥中氮素施用量(kg·hm-2)。

1.4 数据分析

采用Excel 2016软件进行数据整理和绘图，采用SPSS 19.0 软件进行数据方差分析，使用Duncan’s multiple range test 法进行样本间差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 施肥方式和化肥减施对马铃薯农艺性状的影响

不同施肥方式和化肥减施对马铃薯株高、叶片SPAD值、分枝数和茎粗的影响如图1所示，施肥处理的株高、叶片SPAD值、分枝数和茎粗均较CK显著增加。一次性基施模式下， TCF80处理与TCF100处理相比，株高、叶片SPAD值和茎粗均无显著性差异，但分枝数显著减少了6.67%。水肥一体化滴灌施肥方式下，WCF80处理的株高较WCF100处理显著增加了15.32%，但叶片SPAD值、分枝数和茎粗无显著性差异；与WCF100处理相比，WCF60处理的株高显著增加了12.82%，分枝数显著减少了26.56%，但叶片SPAD值和茎粗无显著差异。

注：不同小写字母表示不同处理间在P<0.05水平差异显著。Note: Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments at P<0.05 level.图1 不同施肥处理下马铃薯的农艺性状Fig.1 Agronomic characters of potato under different fertilizer treatments

不同施肥方式和化肥减施对马铃薯匍匐茎和块茎数的影响如图2所示，与CK相比，施肥对匍匐茎和块茎数量均无显著影响。其中，水肥一体化滴灌方式下， WCF80处理的匍匐茎数较WCF100处理显著增加了33.33%；WCF60处理的匍匐茎数和块茎数与WCF100处理间差异不显著。

注：不同小写字母表示不同处理间在P<0.05水平差异显著。Note: Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments at P<0.05 level.图2 不同施肥处理下马铃薯的匍匐茎和块茎数Fig.2 Number of potato stolons and tubers under different fertilizer treatments

2.2 施肥方式和化肥减施对马铃薯植株生物量的影响

不同施肥处理下马铃薯生物量的结果表明(图3)，随着植株的生长发育，马铃薯地上部干重、块茎干重及植株生物量均显著增加。出苗后30 d，WCF80处理的地上部、根部和块茎干重及生物量均显著高于CK、WCF100和TCF80处理。出苗后60 d，与CK相比，施肥处理的地上部、根部和块茎干重及植株生物量均显著增加，且不同施肥处理间差异不显著。出苗后90 d，除WCF60块茎干重外，施肥处理的马铃薯地上部、根部和块茎干重及生物量均较对照显著增加。其中，TCF100与TCF80处理间差异不显著，WCF100和WCF80差异不显著；但相同施肥量时，WCF80处理的生物量较TCF80处理显著增加了27.8%。

注：不同的希腊字母表示不同生长天数间在P<0.05水平差异显著；不同英文字母表示相同生育期下不同施肥处理间在P<0.05水平差异显著。Note: Different Greek letters indicate significant differences between different growth days at P<0.05 level; different English letters indicate significant differences between fertilization treatments in same growth day at P<0.05 level.图3 不同施肥处理下马铃薯的生物量Fig.3 Biomass of potato under different fertilizer treatments

2.3 施肥方式和化肥减施对马铃薯产量和块茎生长速率的影响

不同施肥方式和化肥减施处理下马铃薯的产量结果表明(图4)，除WCF60外，施肥处理的产量均显著高于对照。采用一次性基施的TCF80和TCF100处理间产量差异不显著；同样，水肥一体化的WCF80产量为46 513.25 kg·hm-2，与WCF100间差异不显著；但WCF60处理的产量显著低于WCF80和WCF100。对不同施肥方式进行比较，水肥一体化施肥处理的产量高于一次性基施处理。其中,WCF80处理显著高于TCF100和TCF80；与相同施肥量的TCF80处理相比，WCF80处理显著增产31.9%。

注：不同小写字母表示不同处理间在P<0.05水平差异显著。Note: Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments at P<0.05 level.图4 不同施肥处理下马铃薯的产量Fig.4 Yield of potato under different fertilizer treatments

马铃薯块茎形成期，不同施肥处理下马铃薯块茎的生长速率结果表明(表1)，出苗31～60 d，马铃薯块茎的平均生长速率较快，随后平均生长速率降低；与CK相比，施肥处理的块茎生长速率均显著高于CK。其中，出苗31～60 d，块茎的平均生长速率较快，不同施肥处理间均无显著差异；出苗61～90 d，块茎的平均生长速率减缓，WCF60处理的生长速率显著低于TCF100和WCF80处理，其他处理间无显著差异。

表1 不同施肥下马铃薯块茎的生长速率Table 1 Growth rate of potato tubers under different fertilizer treatments

2.4 施肥方式和化肥减施对马铃薯氮含量的影响

不同施肥方式和化肥减施对马铃薯氮含量的影响如图5所示，与CK相比，施肥处理显著增加了马铃薯植株氮含量。其中， TCF80和WCF80处理分别与TCF100和WCF100处理均无显著差异；但WCF60处理植株的氮含量较WCF100显著降低。分析不同器官氮含量表明，马铃薯植株各部位氮含量由高到低依次为块茎>地上部>根部。与CK相比，施肥处理块茎、地上部和根部的氮含量均显著增加。一次性基施模式下，与全肥处理TCF100相比，TCF80处理块茎的氮含量显著减少了19.87%；地上部和根部的氮含量分别显著增加了39.55%和28.72%。水肥一体化滴灌模式下，与全肥处理WCF100相比，WCF80处理块茎中的氮含量显著减少了10.20%，地上部氮含量显著增加了46.15%，根部氮含量无显著变化；WCF60处理块茎中的氮含量显著降低，地上部和根部的氮含量均无显著变化。由此表明，化肥施用量减少20%使马铃薯块茎中氮含量显著减少，但地上部和根部氮含量显著增加。地上部和根部氮含量的增加对氮素的循环利用和下茬作物的氮素减施具有重要意义。

注：不同小写字母表示不同处理间在P<0.05水平差异显著。Note: Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments at P<0.05 level.图5 不同施肥处理下马铃薯的氮含量Fig.5 Nitrogen content of potato under different fertilizer treatments

2.5 施肥方式和化肥减施对氮素偏生产力的影响

不同施肥方式和化肥减施对氮素偏生产力的影响如图6所示。一次性基施模式下，TCF80处理与TCF100相比，PFPT、PFPC、PFPTN和PFPCN均无显著差异。水肥一体化滴灌施肥模式下，与WCF100处理相比，WCF80处理的PFPT、PFPC、PFPTN和PFPCN均显著增加了37.83%、45.49%、45.04%、45.49%；而WCF60与WCF100处理间差异不显著。在相同施肥量下， WCF80处理的PFPT、PFPC、PFPTN、PFPCN较TCF80分别显著增加了31.96%、31.97%、31.97%、31.96%。

注：不同小写字母表示不同处理间在P<0.05水平差异显著。Note: Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments at P<0.05 level.图6 不同施肥处理下氮素的偏生产力Fig.6 PFP under different fertilizer treatments

2.6 施肥方式和化肥减施对根际土壤pH的影响

不同施肥处理下根际土壤pH如图7所示。与CK相比，施肥处理显著降低了马铃薯根际土壤pH。相同施肥模式下，TCF80和TCF100处理根际土壤pH差异不显著；WCF100、WCF80和WCF60间差异不显著。相同施肥量时，WCF100处理较TCF100处理使根际土壤pH显著增加 0.46；WCF80处理较TCF80处理显著增加0.51。由此表明，水肥一体化滴灌施肥可有效缓解化学肥料对土壤的酸化。

注：不同小写字母表示不同处理间在P<0.05水平差异显著。Note: Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments at P<0.05 level.图7 不同施肥处理下根际土壤pH Fig.7 pH of soil in rhizosphere under different fertilizer treatments

2.7 施肥方式和化肥减施对马铃薯生长的PLS-DA分析

PLS-DA是一种偏最小二乘法判别分析方法，该方法结合了多元线性回归和主成分分析的优点。施肥方式和化肥减施对马铃薯生长的PLS-DA分析结果(图8)表明，施肥处理与CK存在显著差异。一次性基施模式下， TCF100和TCF80处理间差异不显著；水肥一体化滴灌模式下， WCF80与WCF100、WCF60处理间差异显著。相同施肥量时，WCF80和TCF80处理间也存在显著差异。由此表明，水肥一体化滴灌施肥方式优于一次性基施施肥方式。

图8 不同施肥处理对马铃薯生长的PLS-DA分析Fig.8 PLS-DA Analysis of different fertilization treatments on potato growth

2.8 施肥方式和化肥减施对马铃薯生长、块茎形成及土壤生长环境因素的主成分分析

施肥方式和化肥减施对马铃薯生长、块茎形成及生长环境的主成分分析结果表明(图9)，共提取了两个主成分，第一个主成分占52%，第二主成分占13%。与马铃薯块茎形成生长相关的指标主要分布于第一主成分的0.0～0.4范围内，即第一和第四象限；与土壤性质有关的pH分布在第二象限。第一主成分主要综合了产量、块茎干重、匍匐茎数量、块茎数量、植株生物量、株高、分枝数、SPAD、根部干重、地上部干重、根部氮含量、块茎和地上部氮含量等信息，土壤pH距离第一主成分距离较远。

3 讨论

3.1 化肥减施和施肥方式对马铃薯产量和生长的影响

马铃薯产量受土壤养分、气候条件和管理模式等因素影响[15-16]。而施肥是保证马铃薯高产、稳产的有效措施[2]。但过量施肥不但影响产量，也会造成土壤和水体的富营养化[2]。田昌等[9]研究发现，氮肥或氮磷肥减少20%施用量对水稻产量无显著影响。耿荣等[17]研究表明，化肥减量10%、20%或30%时增施有机肥(200 kg·667 m-2)对小麦产量无显著影响。本研究表明，无论是一次性基施，还是水肥一体化滴灌施肥，仅WCF60处理的马铃薯产量显著减少，而TCF80和WCF80处理的马铃薯的产量与全肥处理相比均无显著差异，即化肥施用量减少20%对马铃薯产量无显著影响。且与WCF100(N∶P2O5∶K2O为18∶18∶18 kg)相比， WCF80处理的株高和匍匐茎数显著增加，可能是由于化肥减施后的氮磷含量(N∶P2O5∶K2O为15∶15∶15 kg)更接近马铃薯生长的需肥规律(生产3 000 kg鲜薯需要N∶P2O5∶K2O为15∶6∶33 kg)；且水肥一体化滴灌施肥方式较一次性集中施肥更符合马铃薯的生长需要，促进了马铃薯地上部的生长[10]。

肥料的施用方式影响作物对养分的吸收和利用，特别是肥料深施或者在土壤中集中施肥会在根系区域形成肥料微域环境[10]，从而诱导根系的生长，引起根系结构和形态的变化，影响根系对养分的吸收和植株的生长。合理的施肥方式能提高玉米[18-19]、水稻[20-21]、小麦[22-23]和大豆[24-25]等作物的产量和肥料利用效率，减少养分的损失。吕伟生等[10]研究表明，种肥异位同步播施明显提高了油菜的干物质含量，促进了根系对氮、磷、钾等养分的吸收，增加了油菜的产量。本研究表明，在化肥施用量减少20%时，水肥一体化滴灌施肥处理WCF80的产量、块茎生长速率、干物质积累量、植株分枝数显著高于一次性基施处理TCF80。由此表明，滴灌施肥方式更有利用促进马铃薯植株生长，进而增加产量。而全肥时，TCF100和WCF100产量差异不显著，可能是由于化肥施用量较高，出现了马铃薯产量的报酬递减现象，进而限制了马铃薯产量的增加[26]。

3.2 施肥方式和化肥减施对氮肥偏生产力的影响

科学的施肥方式是提高肥料利用率、保障作物高产的重要措施[27]。吕伟生等[10]研究发现，种肥播施模式下的肥料利用率、肥料偏生产力和肥料贡献率较种肥土表撒施更高，特别是在低肥力条件下效果更为显著，增幅约为18.3%～18.6%。陈晓影等[19]研究表明，磷肥深施能够显著提高植株对磷肥的吸收和利用效率。本研究表明，在化肥施用量减少20%时，水肥一体化滴灌施肥处理WCF80 的PFPT、PFPC、PFPTN、PFPCN较一次性基施处理TCF80显著提高，可能是由于水肥一体化滴灌减少了土壤对肥料的固定和径流损失，从而提高了肥料利用率。

适当的减少化肥用量不仅对作物产量无显著影响，还可提高肥料农学效率和肥料偏生产力。田昌等[9]研究表明，磷肥施用量减少20%对水稻产量无显著影响，还提高了肥料利用率。耿荣等[17]研究显示，肥料施用量减少10%～30%，对小麦产量无显著影响。本研究发现，水肥一体化滴灌施肥模式下，与WCF100相比，WCF80处理的PFPT、PFPC、PFPTN、PFPCN显著提高，与前人研究结果相一致。但一次性基施施肥模式下， TCF80与TCF100处理在产量和肥料偏生产力(PFPT、PFPC、PFPTN、PFPCN)上无显著差异，这可能与马铃薯自身肥料利用率低的特性有关[28]。马铃薯根系较少，吸收土壤中养分的能力较差[27-29]，其根系结构和种植密度与水稻、玉米、小麦等作物大不相同[14, 20, 30-31]。一次性基施模式下，马铃薯的肥料利用率较低，且由于化肥对土壤的酸化作用，使得部分养分元素被固定，从而影响马铃薯块茎膨大期对养分的吸收。为了产量和收益，农户不断增加肥料施用量[2]。但是，过量施用化肥不仅未能使作物显著增产，还给生态环境造成污染。与传统施肥方式相比，水肥一体化滴灌施肥模式在马铃薯根际区域进行施肥，弥补了马铃薯根系少、吸收差的缺点，提高了肥料利用率，增加了经济效益。

3.3 施肥方式和化肥减施对土壤pH的影响

土壤pH不仅影响土壤有效态养分的释放，也影响作物的生长。长期过量施用化肥可能造成土壤酸化、板结，导致土壤有效态养分被固定，难以被作物吸收利用，造成一些元素在作物体内富集或缺乏，威胁人体健康[32]。本研究发现，与不施肥处理相比，施肥处理显著降低土壤pH，其中一次性基施的施肥方式对土壤pH影响较大；而水肥一体化滴灌施肥方式对土壤pH的影响显著低于一次性基施施肥方式。由此表明，水肥一体化滴灌施肥方式可以有效缓解化肥对土壤的酸化作用，有利于作物根系对土壤养分(特别是磷)的吸收，提高养分利用率。

3.4 化肥减施和施肥方式对马铃薯植株氮养分的再分配

养分的循环利用是减少化肥用量的主要策略之一。增加作物秸秆中的养分含量对可持续农业发展具有重要意义[33]。罗上轲等[34]研究发现，氮肥施用量减少25%，玉米籽粒中的氮含量显著降低5.51%，而叶片和茎杆中的氮含量增加。德木其格等[35]研究表明，减少氮肥施用量能显著增加叶片和茎秆的氮素转运速率。杨鹏等[36]研究发现，化肥减量并配施有机肥能显著提高甘蓝品质。王秀康等[37]研究发现，氮肥减施下配施有机肥减少了水稻田的氮素流失，提高了水稻增产潜力。本研究显示，化肥减少20%(TCF80和WCF80)，马铃薯块茎中的氮素含量显著降低，而地上部氮素含量显著增加；特别是水肥一体化施肥模式下(WCF80)，地上部氮素含量增加了6.60%。由此表明，减少化肥施用量增加了马铃薯地上部的氮含量，有利于马铃薯植株茎秆还田时增加土壤氮含量，从而减少下茬作物的氮肥施用。