滴灌施肥对马铃薯根层土壤养分含量、产量及水分利用效率的影响

郭 涛，邢英英，姜文婷，李卓远，张 腾，密菲瑶，王秀康

（延安大学 生命科学学院，陕西 延安 716000）

马铃薯（Solanum tuberosumL.）富含维生素A、维生素C 和维生素B6及多酚类物质，可有效预防癌症，还有健脾益气、和胃调中等功效[1]。我国马铃薯单产低，主要原因是肥料管理措施与其他作物相比较粗放、脱毒种薯的应用面积小。马铃薯产量和品质的高低也受种植地区土壤、气候和栽培条件等影响，其中，肥料的影响作用很大。在马铃薯生产中，养分平衡供应是获得高产和高效的关键[2]。据统计，肥料对作物增产的作用高达50%，种植业生产成本投入中，肥料投入约占50%，全世界50%人口的粮食需求是由肥料的增产作用来满足的[3]。我国马铃薯生产过程中，普遍存在不合理施肥和施肥时期、施肥方法、栽培方式不当等问题，导致种植成本偏高、土壤养分失衡、盐碱化严重等，严重制约了马铃薯的优质、高产及其产业的可持续发展[4]。马铃薯属喜钾作物，钾素的作用是将碳水化合物转运到马铃薯块茎中，马铃薯整个生育期对钾的需求量较大；磷作用是调节马铃薯块茎的大小与数量；氮肥对马铃薯地上部分和地下部分的生长均有直接影响[5]。水、肥对马铃薯产量、品质均有重要影响，施肥和灌水的高效利用和管理可显著提高马铃薯产量、品质和经济效益[6]。在水分调亏模式下，膜下滴灌模式不仅降低了整个生育期马铃薯的耗水量，还提高了水分利用效率；在不影响产量的基础上，可以在马铃薯块茎形成期进行轻度水分调亏[7⁃8]。在苗期，进行轻度水分调亏可提高马铃薯的商品薯率[9]。在高频少量灌溉模式下，作物根系更易吸收水分，对植株的生长有明显的促进作用[10]。李国琴等[11]研究发现，在农家肥98 864 kg/hm2、氮肥60.426 kg/hm2、磷肥57.17 kg/hm2组合下马铃薯的产量和经济效益最高。随施肥量增加，马铃薯的单株块茎质量、产量、商品薯率和淀粉含量呈抛物线趋势变化，其中，淀粉含量、商品薯率和产量均表现最好的水肥组合是中等氮肥水平配合多次灌水（低灌水量）[12]。氮、磷、钾养分配比合理有利于马铃薯块茎产量和品质的提高，施肥、灌水及两者耦合均对马铃薯产量有显著影响[13]。

在干旱、半干旱地区，自然降水中的60%～70%为无效蒸发，仅有20%～25%会形成初级生产力[14]。该区域浪费了大部分降水资源，但通过覆盖地膜可以显著提高土壤的保墒、保温和蓄水能力，提高马铃薯根系土壤养分，从而促进作物产量的提高。滴灌施肥可精确控制施肥量和灌水量，根据作物土壤养分状况和需肥规律，将水肥直接供应到根区，实现了按需施肥，可提高水肥利用效率，是实现作物水肥减施的有效途径之一。研究发现，水肥调控或采用膜下滴灌技术可显著提高小麦[15⁃17]、玉米[18]、葡萄[19]、马铃薯[20⁃21]、番茄[22]等旱地作物的水分利用效率、产量、品质等。陕北的延安市为典型的干旱、半干旱地区，具有昼夜温差大、日照时间长、土壤通气性良好等自然优势资源，是我国西北重要的马铃薯主产区。但该区水源不足，灌溉和施肥方式是较为粗放的漫灌和撒施，导致水肥利用效率低。目前，滴灌条件下马铃薯的水肥管理研究较少，滴灌量、施肥量及施肥时期不尽相同[20⁃21]，且不同肥力条件下的最佳水肥组合不同，尚未见陕北地区滴灌施肥对马铃薯根层土壤养分含量、产量及水分利用效率的影响研究。为此，在陕北的延安市，研究覆膜条件下不同滴灌量和施肥量（在不同生育时期分次施肥）对马铃薯根层土壤养分含量、产量和水分利用效率的影响，探索合理的滴灌和施肥组合，为该地区马铃薯水肥精准管理提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验于2019 年3—7 月（第一次试验）和8—12月（第二次试验）在延安市宝塔区李渠镇延安大学生命科学学院试验基地（36°38'7″E、109°26'56″N）进行，试验地海拔953 m，属典型的大陆性干旱季风气候，冬季严寒干燥，夏秋多雨，年均气温9.1 ℃，年均降雨量473 mm，降雨主要集中在6—9 月，占全年降雨总量的60% 左右，年均蒸发量为1 400～1 800 mm。供试土壤为黄壤土，土壤含水率为8.5%，耕作层土壤平均容重1.26 g/cm3。种植前试验地土壤肥力状况：硝态氮26.54 mg/kg、碱解氮22.27 mg/kg、有效磷26.2 mg/kg、铵态氮6.9 mg/kg、速效钾29.49 mg/kg、有机质6.73 g/kg，pH值为8.3。

供试马铃薯品种为陕北地区普遍种植的荷兰15 号。试验所用肥料为尿素（含N 46%）、磷酸一铵（含N 18%、P2O546%）、硫酸钾（含K2O 52%）。

1.2 试验设计

试验设置3 个滴灌量水平：W1(100%马铃薯需水量)、W2(80%马铃薯需水量)、W3(60%马铃薯需水量)，3 个施肥量水平：F1(氮、磷、钾肥施用量分别为240、120、300 kg/hm2)、F2(氮、磷、钾肥施用量分别为180、90、225 kg/hm2)、F3(氮、磷、钾肥施用量分别为120、60、150 kg/hm2)，以灌溉60%马铃薯需水量和不施肥处理为对照（CK），共10个处理。肥料分6次施用，分别为幼苗期1 次、块茎形成期2 次、块茎增长期2次、淀粉积累期1次，施肥比例为1∶1∶2∶2∶2∶2。小区长3.5 m、宽3.3 m，小区间防渗隔离采用宽60 cm的隔水板，各小区定植30株，株距为30 cm，种植 密 度 为43 290 株/hm2。分 别 于2019 年3 月25 日播种，7 月15 日收获；2019 年8 月1 日播种，11 月21日收获。在播种后，立即对所有试验小区进行全覆膜处理，播种前对试验区灌水约40 mm，幼苗期和块茎形成期的灌水周期为7 d，块茎增长期的灌水周期为5 d，淀粉积累期的灌水周期为3 d。

1.3 土壤样品采集

在马铃薯收获时采集土样：以垄中心为0点，沿水平方向0、15、30 cm取3个点，再从这3个点取0～60 cm土样，每10 cm为一层，共18个样点。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 马铃薯需水量 马铃薯需水量等于参考作物需水量乘以马铃薯作物系数。马铃薯全生育期内Kc：幼苗期取0.5，块茎形成期取0.65，块茎增大期取1.15，淀粉积累期取1.15，成熟期取0.75[25]。试验地内设有自动气象站，ET0通过气象站的各参数计算得出。

式中，T为空气平均温度，G是土壤热通量，ea是空气实际水汽压，u2为地面以上2 m 高处的风速，Rn是地表净辐射，γ 是温度计常数，es是空气饱和水气压，Δ为饱和水气压与温度关系曲线的斜率。

1.4.2 土壤养分含量 土样经风干磨细后，过0.85 mm 筛，用于测定硝态氮、有效磷、速效钾含量。其中，硝态氮含量采用紫外分光光度计法测定，有效磷含量采用钼蓝比色法测定，速效钾含量采用火焰光度法测定[26]。

1.4.3 产量和水分利用效率 在马铃薯成熟期，各小区随机选择5株，测定其单株结薯质量和结薯数，进而计算各小区产量，并计算水分利用效率，其公式[27]如下：

式中：WUE为水分利用效率，SWSHA为收获后土壤贮水量，Yd为马铃薯产量，ET为耗水量，SWSBF为播种前土壤贮水量，P为播种后至收获前各处理的滴灌总量。

1.5 数据分析

利用Excel 2010 进行数据处理，采用SPSS 20.0进行单因素方差分析，使用Sigmaplot 14进行制图。

2 结果与分析

2.1 滴灌施肥对马铃薯根层土壤硝态氮、有效磷和速效钾含量的影响

2.1.1 硝态氮含量 由图1 可知，2 次试验大部分处理的0～20 cm土层硝态氮含量高于30～60 cm土层。对于0～60 cm 土层硝态氮含量平均值，第一次试验以W3F1 处理最高，较CK 提高166.03%，W1F3处理次之；第二次试验，以W1F3 处理最高，显著高于其他处理（除W1F2、CK 和W3F1 处理），较CK 提高39.3%。第一次试验，在0～60 cm 土层中，W3F1处理10～20 cm 土层土壤硝态氮含量最高，为76.25 mg/kg，0～10 cm 土层次之；第二次试验，在0～60 cm 土层中，W1F3 处理0～10 cm 硝态氮含量最高，为84.42 mg/kg，10～20 cm 土层次之。对于2 次试验平均值，在F1 处理下，土壤硝态氮含量随滴灌量的增加而降低；在F2 和F3 处理下，土壤硝态氮含量随滴灌量的增加而增加。对于2 次试验平均值，在W1和W2处理下，土壤硝态氮含量随施肥量的增加而降低；在W3处理下，土壤硝态氮含量随施肥量的增加先降低后增加。

2.1.2 有效磷含量 由图2 可知，2 次试验中大部分处理0～20 cm土层有效磷含量高于30～60 cm土层。对于0～60 cm 土层有效磷含量平均值，第一次试验，W1F3 处理显著高于其他处理，较CK 提高105.60%；第二次试验，W1F3 处理显著高于其他处理，较CK 提高34.99%。2 次试验下，在0～60 cm 土层中，W1F3 处理0～10 cm 土层土壤有效磷含量均最高，第一次为66.1 mg/kg，第二次为70.9 mg/kg。对于2 次试验平均值，在F1 和F2 处理下，土壤有效磷含量随滴灌量的增加而降低；在F3 处理下，土壤有效磷含量随滴灌量的增加而增加。对于2次试验平均值，在W1 和W3 处理下，土壤有效磷含量随施肥量的增加先降后增；在W2处理下，土壤有效磷含量随施肥量的增加而降低。

2.1.3 速效钾含量 由图3 可知，2 次试验中大部分处理的0～20 cm 土层速效钾含量高于30～60 cm土层。对于0～60 cm 土层有效磷含量平均值，2 次试验均以W1F3处理最高，显著高于其他处理，第一次试验较CK 提高96.67%，第二次试验较CK 提高50.14%。对于2 次试验，在0～60 cm 土层中，均以W1F3 处理0～10 cm 土层速效钾含量最高，第一次为244.0 mg/kg，第二次为204.3 mg/kg。第一次试验，CK土壤速效钾含量高于W1F1和W3F2处理，低于其他处理；第二次试验，CK 土壤有效磷含量高于其他处理（除W2F3 和W1F3 处理）。对于2 次试验平均值，在F1 和F2 处理下，土壤速效钾含量随滴灌量增加先增后降；在F3 处理下，土壤速效钾含量随滴灌量增加而增加。对于2 次试验平均值，在W1处理下，土壤速效钾含量随施肥量增加而降低；在W2和W3处理下，土壤速效钾含量随施肥量增加先降低后增加。

2.2 滴灌施肥对马铃薯产量和水分利用效率的影响

由图4 可知，第一次试验中，W2F2 处理马铃薯产量最高，为21 292 kg/hm2，W1F1 处理次之，为16 348 kg/hm2，两者差异不显著，但均显著高于其他处理，分别较CK 提高126.9%和74.2%。第二次试验中，W1F1 处理马铃薯产量最高，为35 979 kg/hm2，显著高于CK 和W1F2 处理，与其他处理差异不显著，较CK 提高183.3%；W1F3 处理次之，为34 500 kg/hm2，较CK 显著提高172.1%。对于2 次试验平均值，马铃薯产量最高的是W1F1 处理，为26 164 kg/hm2，较CK 提高136.98%。对于2 次试验平均值，在F1 处理下，马铃薯产量随滴灌量增加而增加；在F2 处理下，马铃薯产量随滴灌量增加先增加后降低；在F3 处理下，马铃薯产量随滴灌量增加先降低后增加。对于2 次试验平均值，在W1 处理下，马铃薯产量随施肥量先降低后增加；在W2 和W3 处理下，马铃薯产量随施肥量增加先增加后降低。

由图4 可知，第一次试验中W2F2 处理马铃薯水分利用效率最高，为75.4 kg/(hm2·mm)，较CK显著提高102.1%。第二次试验中，马铃薯水分利用效率最高的是W1F1 处理，为180.5 kg/(hm2·mm)，较CK显著提高247.8%。对于2 次试验平均值，马铃薯水分利用效率最高的是W1F1 处理，为113.1 kg/(hm2·mm)，较CK 提高153.5%。对于2 次试验平均值，在F1 处理下，马铃薯水分利用效率随滴灌量的增加而增加；在F2 处理下，马铃薯水分利用效率随滴灌量的增加先增加后降低；在F3 处理下，马铃薯水分利用效率随滴灌量的增加先降低后增加。对于2 次试验平均值，在W1 处理下，马铃薯水分利用效率随施肥量的增加先降低后增加；在W2处理下，马铃薯水分利用效率随施肥量的增加而增加；在W3 处理下，马铃薯水分利用效率随施肥量的增加先增加后降低。

3 结论与讨论

土壤氮含量是土壤肥力的重要指标之一，与氮肥施用量呈正相关[28]；土壤磷含量是表征土壤供磷能力、确定磷肥用量、农业磷环境风险评价的重要指标[29]；土壤速效钾含量是衡量土壤钾素供应能力的重要指标之一。在马铃薯生长过程中，在低氮处理下，作物对氮需求量大，氮肥利用效率也相应提高；当作物对氮的需求量达到饱和后，过量的氮肥会造成资源浪费，降低氮肥利用效率，还会抑制作物生长[30]。合理的水肥调控可以提高氮肥利用效率，进而提高作物的产量与品质[31]。磷肥的施用可增强氮肥的增产效应，合理施用磷肥可促进马铃薯根系尤其是侧根的发育、植株地上部的生长、块茎的成熟，增加块茎中淀粉含量，提高淀粉品质[32]。钾可以提高马铃薯植株光合作用效率，促进光合产物的合成与运输，可使茎部结实、植株健壮、叶片变厚，增强对病害和低温的抵抗能力；在马铃薯生育后期，追施钾肥可提高叶片光合强度及叶绿素含量，从而延缓衰老速度，延长生育期，进而提高马铃薯产量[33⁃34]。氮、磷、钾是植株生长过程中必需的营养元素，对马铃薯的生长发育和产量均有非常重要的作用，适宜的氮、磷、钾施用量既可以节省成本又可以达到增产增效的效果[35]；过量的养分供应会使植株吸收过多，可能会提升作物产量，但却大大降低生产效益，对环境也会造成一定的威胁。本研究结果表明，对于2 次试验平均值，W1F3 处理0～60 cm 土层的硝态氮、有效磷和速效钾含量均最高，分别较CK 提高72.72%、58.00%和69.33%，W1F1 处理最低，说明W1F1 处理的土壤养分大部分已被马铃薯植株吸收利用。

本研究结果表明，第一次试验中，W2F2 处理马铃薯产量最高，为21 292 kg/hm2；第二次试验中，W1F1 处理马铃薯产量最高，为35 979 kg/hm2；对于2 次试验平均值，马铃薯产量最高的是W1F1 处理，为26 164 kg/hm2，较CK 提高136.98%。对于2 次试验平均值，马铃薯水分利用效率最高的是W1F1 处理，为113.1 kg/(hm2·mm)，较CK 提高153.5%。在同一施肥水平下，马铃薯水分利用效率总体表现为W2＞W3＞W1；在同一滴灌水平下，水分利用效率总体表现为F1＞F2＞F3。对于2 次试验平均值，高水高肥处理马铃薯水分利用效率最高，中水高肥和中水中肥处理马铃薯水分利用效率较高，高水中肥或中水低肥处理马铃薯水分利用效率较低，这与何华等[36]研究结果相似。

综合考虑，马铃薯滴灌施肥的最佳用量组合为W1F1。