喷灌施氮对马铃薯氮素积累及土壤硝态氮影响

裴沙沙，黎耀军，严海军，顾涛

(1. 中国农业大学水利与土木工程学院, 北京 100083; 2. 河北省水利科学研究院, 河北 石家庄 050051; 3. 中国灌溉排水发展中心, 北京 100054)

马铃薯是中国第四大粮食作物，确保马铃薯产量对保障国家粮食安全具有重要意义.东北半湿润区是中国重要的马铃薯生产基地，然而氮肥施用严重过量，普遍采用的“一炮轰”施肥方式加剧了氮素淋失.为了实现马铃薯提质增产，优化施氮模式，提高氮肥利用率，成为东北地区马铃薯绿色生产和资源可持续利用亟待解决的问题.

大量研究表明，水肥一体化可以实现水肥协同供给，实时、适量地满足作物对水分和养分的需求，促进作物生长、提高作物产量和养分利用效率[1-2].水肥一体化条件下，可获得较高的马铃薯产量和养分利用效率.井涛[3]研究发现，马铃薯块茎产量随滴灌水肥一体化的施氮量增加而先升高后降低，但过量施氮并不能提高马铃薯块茎产量.西北旱区不同水氮耦合的对比研究[4]发现，膜下滴灌水肥一体化条件下施氮180 kg/hm2可以达到马铃薯高产优质的目标.臧文静等[5]研究发现，高频次高追肥量可以提高马铃薯产量.

总之，水肥一体化少量多次的施肥模式可有效调节施肥量和施肥时间，显著减少土壤氮素淋失，提高氮素利用效率，但施氮量与土层硝态氮残留量、表观损失氮量显著正相关，过量施氮并不能持续增加马铃薯的吸氮量，而土壤剖面硝态氮积累和氮素表观损失会大幅增加，氮素利用效率下降[6-8].然而，东北半湿润区高有机质黑钙土条件下，关于喷灌施氮模式对马铃薯产量、氮素吸收以及土壤硝态氮分布的综合研究鲜见报道.

马铃薯高垄栽培是近年来黑龙江半湿润区广泛采用的新型栽培模式，基于圆形喷灌机的水肥一体化技术逐渐得到推广.为探明新型栽培模式和喷灌水肥一体化模式下较优的灌溉施肥制度，减少化肥施用量，提高氮肥利用效率和马铃薯产量，文中通过黑龙江省齐齐哈尔市克山地区马铃薯高垄栽培的喷灌水肥一体化试验，研究不同喷灌水肥一体化条件下施氮量和施氮频次对马铃薯产量、氮素积累及土壤硝态氮分布的影响，为优化马铃薯水肥管理制度提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年5—9月在黑龙江省齐齐哈尔市克山县某农场(125°36′34.53″E，48°15′3.47″N)进行.该试验区位于松嫩平原北部，属寒温带大陆季风气候区，年平均气温为2.4 ℃，大于等于10 ℃的年有效积温为2 400 ℃.该地区多年平均降水量为500 mm左右，降雨集中在6—8月份.试验地区土壤以黑钙土为主，有机质含量高，播种前土壤理化性质见表1，表中h为土层深度，ω为质量比.

表1 土壤理化性质测定结果

1.2 喷灌水肥一体化系统

试验采用圆形喷灌机进行水肥一体化灌溉施肥.喷灌机组共有4跨，每跨长度为60.63 m，末端悬臂长度为25.08 m.安装美国Nelson公司D3000低压喷头.喷灌机末端配有P85ASV型尾枪，其额定流量为7.1 m3/h，射程为20 m.喷灌机入机压力为0.2 MPa，入机流量为75 m3/h.圆形喷灌机水肥一体化系统包括灌溉系统与注肥系统[9].

1.3 试验设计

试验供试马铃薯品种为尤金885.马铃薯株距为16.7 cm，垄距为0.9 m，种薯埋深10～12 cm，播种密度为66 534株/hm2.播种时施入底肥(N：75 kg/hm2，P2O5：150 kg/hm2，K2O：90 kg/hm2).试验设置施氮量和施氮频次2个因素，施氮量设置3个水平：115，165，215 kg/hm2(分别以F1，F2，F3表示)；施氮频次设置3个水平：2，4，6次(分别以C2，C4，C6表示).选取传统人工沟施追肥作为对照，施氮量和施氮频次与F3C6相同.根据马铃薯各生育期的划分[5,10]，设计试验方案见表2.试验处理布置在喷灌机第4跨，设置3个重复试验小区.

1.4 测定项目及方法

气象数据：马铃薯生育期内累计有效降雨量为352 mm，超该地区马铃薯需水量(约为313～332 mm)[5].

马铃薯产量测定：在马铃薯成熟期，随机选取每个试验小区中3段长度为5 m的垄，称取块茎鲜质量，将结果按每hm2马铃薯播种数量和成活率进行折合计算，并计量商品薯的质量(单个块茎质量大于75 g)[5].

土壤硝态氮含量测定：分别在块茎形成期末、块茎膨大期末、成熟期末采用土钻取土80 cm，每20 cm为1层，采用流动分析仪测定土样中硝态氮的含量.

植株全氮含量测定：取成熟期末的马铃薯茎、叶和块茎的干物质样品研磨制成测试样品，利用凯氏定氮仪测定样品的全氮含量.

2 结果与分析

2.1 施氮处理对马铃薯产量及产量构成的影响

图1为不同施氮组合对马铃薯产量的影响，图中Y为马铃薯产量；表3为不同施氮组合对马铃薯产量、产量构成、氮肥偏生产力PFPN的影响，表中m，mc，r分别为结薯数、商品薯数、商品薯率.由图1和表3可知，不同施氮处理的马铃薯产量为49 728～62 380 kg/hm2，水肥一体化处理产量较处理CK提高0.73%～25.44%.

图1 不同施氮组合对马铃薯产量的影响

表3 不同施氮组合对马铃薯产量、产量构成、氮肥偏生产力的影响

当施氮量一定时，随施氮频次增加，马铃薯产量呈增加趋势.当施氮频次一定时，除C2的产量表现为F3的最大、F1的最小外，在C4与C6下，均表现为F2的最大、F1的最小，这表明在较低追肥频次下，马铃薯产量随施氮量增加而增加，而当施氮频次大于4次时，在F2基础上继续施加氮肥并未导致马铃薯块茎产量增加.其中，处理F2C6的产量比其他水肥一体化处理显著提高6.08%～24.53%(P<0.05)，为62 380 kg/hm2.

由表3还可知，施氮量相同时，结薯数、商品薯数和商品薯率均随施氮频次增加而增加；施氮频次相同时，结薯数、商品薯数和商品薯率随施氮量的变化与产量的变化规律相似.

2.2 不同施氮处理的氮肥偏生产力

图2为施氮组合对马铃薯氮肥偏生产力的影响.由图2可知，喷灌水肥一体化施氮组合氮肥偏生产力较CK显著提高了14.93%～100.07%(P<0.05).在施氮组合中，F1C6氮肥偏生产力较其他处理高出了4.14%～74.08%(P<0.05).同一施氮频次下，马铃薯的氮肥偏生产力随施氮量增加而减小；在施氮量相同时，马铃薯氮肥偏生产力随着施氮频次的增加略有增加.

图2 施氮组合对马铃薯氮肥偏生产力的影响

2.3 施氮对马铃薯氮素积累的影响

表4为不同施氮组合对氮素积累的影响，表中ρ为不同部位氮质量分数.由表可知，喷灌水肥一体化施氮组合下马铃薯茎氮质量分数较CK显著提升15.33%以上，其中处理F3C6的马铃薯茎氮素质量分数较其他处理高出5.70%～29.11%.同一施氮频次下，成熟期马铃薯茎氮素质量分数随施氮量增加呈增加趋势.施氮量相同时，成熟期马铃薯茎氮质量分数随施氮频次增加而增加.

水肥一体化处理的马铃薯叶氮质量分数显著高于CK的，其中处理F3C6的马铃薯叶氮素质量分数最高，较其他处理高3.83%～20.41%.在同一施氮频次下，马铃薯叶氮质量分数随施氮量增加而增加.相同施氮量条件下，马铃薯叶氮质量分数随着施氮频次增加呈增加趋势，但差异不具有统计学意义(P>0.05).

喷灌水肥一体化处理较CK的块茎氮质量分数显著提升29.51%以上(P<0.05)，其中处理F2C6的块茎氮质量分数显著高于其他处理的.同一施氮频次条件下，成熟期马铃薯块茎氮质量分数随施氮量增加呈先增加后减少的趋势.在水平C2下，F2的块茎氮质量分数较F1和F3分别高19.75%(P<0.05)和22.78%(P<0.05)；在水平C4和C6下，块茎含氮量表现为F2的最高、F1的最低.施氮量相同时，马铃薯块茎氮质量分数随施氮频次增加而增加.在水平F1下，C6较C2与C4分别显著提升了27.16%和28.75%(P<0.05)；在水平F2和F3下，块茎氮质量分数表现为C6的最高、C2的最低.

表4 不同施氮组合对氮素积累的影响

2.4 施氮频次对土壤硝态氮质量比的影响

由图3aii可知，水平F1下，块茎膨大期施肥后，0～20 cm土层硝态氮质量比平均值较块茎形成期有所增加，不同频次的水肥一体化处理，该土层硝态氮质量比均略高于CK；相同施氮量下，20～40 cm土层的硝态氮质量比差异明显，施氮频次越高，该土层硝态氮质量比越低，CK的土壤硝态氮质量比最高，CK较水平C2，C4和C6的硝态氮质量比分别高出21.53%，32.83%，54.26%(P<0.05).

马铃薯块茎成熟期，随施氮频次增加，土壤硝态氮质量比显著降低，不同施氮处理均在20～40 cm土层中土壤硝态氮质量比最高.由图3b和3c可知，在水平F2和F3下，不同生育期和不同土层之间土壤硝态氮质量比随施氮频次的变化趋势，与水平F1的变化趋势相似.

图3 不同施氮频次对土壤硝态氮质量比的影响

3 讨 论

研究表明，与沟施雨养对照区相比，喷灌水肥一体化方式下生育期末土壤硝态氮质量比显著降低，马铃薯植株氮素积累显著提升，产量及商品薯率也有明显提高.其主要原因是喷灌水肥一体化下，通过水肥耦合效应，氮素具有较高的迁移速率与较强的吸收效率[11-13].

喷灌水肥一体化条件下，中肥高频次处理(F2C6)效果最佳，这与井涛[3]研究结果一致.喷灌水肥一体化条件下，施氮量存在阈值反应，当低于阈值，增加氮肥投入具有增产效果；高于阈值，可能导致减产.在低氮条件下，马铃薯对氮肥的需求大，植株对氮肥的吸收竞争更加激烈，氮肥的利用效率提高，因此提升了低肥高频次处理的氮肥偏生产力；当作物对氮肥的需求达到饱和，过量的氮肥超出了植株对氮素的需求及利用能力，造成农作物吸收营养元素时离子之间增强拮抗作用，使农作物根系吸收水分和中微量元素强度较弱，不仅导致植株对氮素的奢侈吸收，降低氮肥利用效率，还可能抑制作物的生长，影响农产品的产量和品质[6-7].

研究中，试验年份自然降雨偏多，不同处理间灌水差异在14 mm之内，相比起水肥处理期间的降雨量(150.5 mm)仅占9.30%.因此认为灌水差异对马铃薯的产量及氮素积累不具有统计学意义(P>0.05)[14].

4 结 论

1) 喷灌水肥一体化条件下，施氮量相同，随施氮频次增加，马铃薯产量、商品薯率和氮肥偏生产力均增加；相同施氮频次下，随施氮量增加，马铃薯产量与商品薯率先增大后减小，氮肥偏生产力随施氮量增加呈减小趋势.处理F2C6的马铃薯产量与商品薯率最高，为62 380 kg/hm2和81.09 %.

2) 喷灌水肥一体化下，中肥高频处理(F2C6)的马铃薯块茎氮质量分数显著高于其他处理，且茎、叶氮质量分数低于高肥高频处理，表明营养物质更有效转移至块茎中，有利于提高马铃薯产量.

3) 同一施氮量，随着施氮频次增加，块茎膨大期后土壤中硝态氮质量比逐渐减少，增加施氮频次有利于作物对氮素的吸收.