不同有机培肥措施对宁南山区新修梯田马铃薯光合特性及产量的影响研究

岳自慧，刘 平

(宁夏回族自治区水利科学研究院，宁夏 银川 750021)

宁夏南部山区(简称“宁南山区”)处于我国北方黄土高原半干旱区，是全国有名的低产缺粮区，也是全国生态最脆弱的地区之一，山大坡陡，侵蚀程度以中度以上为主，平均侵蚀模数为5 000～10 000 t/(km2·a)[1]。该区无灌溉条件，作物生长依靠自然降雨，属于典型的雨养农业区[2-3]，极易受干旱威胁。水平梯田的建设对改善当地生态环境、减少水土流失、稳定粮食产量起到了非常重要的作用。宁南山区规模性的水平梯田建设自20世纪90年代开始，建设部门有水利、国土、财政、扶贫、农业等相关部门，其中水利水保部门在宁南山区开展了国家坡耕地水土流失综合治理工程、国家农业综合开发水土保持项目、国家水土保持重点建设工程等，建设了大量的水平梯田，水土保持效果非常明显，促进了当地经济发展。截至2020年底，宁南山区已建设水平梯田31.56万hm2，但由于水平梯田建设过程中土壤理化性状发生了较大改变，因此建设初期耕地质量、保水保土能力、粮食产量下降明显，急需完善新修水平梯田耕地质量提升技术，尤其是以作物秸秆翻压配施生物有机肥为主的有机培肥技术，为宁南山区及周边地区合理利用作物秸秆、提升新修水平梯田土壤质量提供理论支撑。

宁夏回族自治区水利科学研究院对宁南山区水平梯田建设初期种植作物的合理性选择开展了长期的研究，研究结果表明：马铃薯可以作为宁南山区水平梯田修建初期种植的先锋作物，坡耕地改梯田后的前2年，种植马铃薯不仅不会出现减产现象，还可实现增产；水平梯田建设后3～5年，种植作物可以选择马铃薯、玉米、豆类和牧草等；水平梯田建设5年后，种植作物不再受限。本研究针对宁南山区新修梯田土壤贫瘠、农村农家肥日益紧缺、化学培肥不利于土壤持续利用等问题，选择新修梯田先锋作物马铃薯为参试作物，开展作物秸秆配施生物菌肥、作物秸秆配施益生菌等新的耕地质量提升技术研究，旨在揭示作物秸秆配施生物菌肥及益生菌后马铃薯光合特性和产量的变化规律，进一步丰富宁南山区新修梯田耕地质量提升技术。

1 研究区概况

研究区地处宁夏彭阳县白阳乡玉洼村境内，位于彭阳县城西北30 km，属黄土高原中部丘陵沟壑区，为黄土丘陵地貌，以梁、台、壕、掌形式出现，海拔1 671～1 867 m，地形起伏较大，沟谷纵横。该区地处温带半干旱区，为大陆性季风气候，春季气温多变，夏季短暂凉爽，秋季降温迅速，冬季寒冷漫长，多年平均气温7.4 ℃，无霜期120～160 d，多年平均降水量440 mm，且季节分布不均，7—9月降水量占全年的67%左右。研究区地带性植被类型为半干旱草原，有铁杆蒿、长芒草、茭蒿、百里香等草原草种和杂类草草甸草种，植被覆盖率30%左右。人工栽培树种主要有山桃、山杏、沙棘、柠条、油松等，种植作物以马铃薯、玉米、春小麦、冬小麦为主。

2 试验设计与方法

2.1 试验设计

试验地为2019年秋季新修的水平梯田，底肥条件一致。参试作物为马铃薯(青薯6号)，4月中下旬播种，穴播，行距70 cm、株距40 cm。试验采用单因素随机区组设计，小区面积为200 m2(25 m×8 m)，作物秸秆选择小麦和玉米秸秆，还田量均按照每公顷生物量进行全量还田，再折算到每个试验小区。试验设计如下：

设计一：①处理1(XT0)，只翻压小麦秸秆；②处理2(XT1)，小麦秸秆+复合肥600 kg/hm2，折合到小区复合肥施用量为12 kg；③处理3(XT2)，小麦秸秆+生物菌肥2 250 kg/hm2，折合到小区生物菌肥施用量为45 kg；④处理4(XT3)，小麦秸秆+益生菌150 kg/hm2，折合到小区益生菌施用量为3 kg；⑤处理5(XT4)，小麦秸秆+复合肥300 kg/hm2+生物菌肥2 250 kg/hm2，折合到小区复合肥和生物菌肥施用量分别为6和45 kg；⑥处理6(XT5)，小麦秸秆+复合肥300 kg/hm2+益生菌150 kg/hm2，折合到小区复合肥和益生菌施用量分别为6 和3 kg。每个处理设3个重复。同时选择试验小区周边种植区域作为空白对照(CK)。

设计二：①处理1(YT0)，只翻压玉米秸秆；②处理2(YT1)，玉米秸秆+复合肥600 kg/hm2，折合到小区复合肥施用量为12 kg；③处理3(YT2)，玉米秸秆+生物菌肥2 250 kg/hm2，折合到小区生物菌肥施用量为45 kg；④处理4(YT3)，玉米秸秆+益生菌150 kg/hm2，折合到小区益生菌施用量为3 kg；⑤处理5(YT4)，玉米秸秆+复合肥300 kg/hm2+生物菌肥2 250 kg/hm2，折合到小区复合肥和生物菌肥施用量分别为6和45 kg；⑥处理6(YT5)，玉米秸秆+复合肥300 kg/hm2+益生菌150 kg/hm2，折合到小区复合肥和益生菌施用量分别为6 和3 kg。每个处理设3个重复。同时选择试验小区周边种植区域作为空白对照(CK)。

2.2 测定内容与方法

2.2.1 叶绿素含量

在马铃薯膨大期用便携式叶绿素测定仪在田间试验小区直接测定马铃薯功能叶片的叶绿素含量，每个处理测5片叶。

2.2.2 光合特性

选择晴天用CIRS-1型便携式光合仪，采用标准叶室，开放式气路，从9:00到17:00每隔2 h测定各处理马铃薯的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、细胞间隙CO2浓度、叶温、大气温度、光合有效辐射、相对湿度、空气CO2浓度等指标。每个小区选择生长一致、叶位相同的样株5株，每株随机测定3片叶，手工记录每片叶2组稳定读数。

2.2.3 马铃薯产量

马铃薯成熟后，各小区实打实收，统计马铃薯经济产量。

2.3 数据统计与分析

试验数据用Excel软件和SPSS数据统计分析软件处理。

3 结果与分析

3.1 不同有机培肥措施对新修梯田马铃薯叶绿素含量的影响

叶绿素是参与光合作用光能吸收、传递和转化的重要色素，其含量直接影响作物的光合作用和有机物的积累，是反应作物光合生理状况的一个基本指标[4]。叶片叶绿素含量的高低与光合速率密切相关，特别是在同化物积累期间，叶片的叶绿素含量与其光合强度呈正相关，因而叶绿素含量的多少会影响光合作用的强弱，进而对作物产量产生影响[5]。

小麦秸秆翻压各处理马铃薯植株叶绿素含量详见表1。由表1可知，小麦秸秆翻压各施肥处理马铃薯叶绿素含量较CK分别增加了6.95%、20.86%、40.51%、21.08%、37.98%、27.15%，较只翻压小麦秸秆的XT0处理分别增加了13.00%、31.37%、13.21%、29.01%、18.89%。

表1 小麦秸秆翻压各处理马铃薯植株叶绿素含量

玉米秸秆翻压各处理马铃薯植株叶绿素含量详见表2。由表2可知，玉米秸秆翻压各施肥处理马铃薯叶绿素含量较CK分别增加13.08%、26.93%、39.85%、41.83%、43.82%、22.85%，较只翻压玉米秸秆的YT0处理分别增加了12.25%、23.67%、25.43%、27.18%、8.64%。

表2 玉米秸秆翻压各处理马铃薯植株叶绿素含量

总体来看，翻压小麦秸秆各处理中XT2对增加马铃薯叶绿素含量效果较为显著，其次是XT4；翻压玉米秸秆各处理中YT4对增加马铃薯叶绿素含量效果较为显著。

3.2 不同有机培肥措施对新修梯田马铃薯光合特性的影响

3.2.1 对新修梯田马铃薯净光合速率的影响

光合速率，是一个描述光合机构功能状况的指标，代表作物在单位时间、单位叶面积吸收的二氧化碳或释放的氧气或增加的干物质量[6]。

小麦秸秆翻压和玉米秸秆翻压各处理马铃薯净光合速率日变化结果分别见图1和图2。由图1和图2可看出：小麦秸秆翻压和玉米秸秆翻压各处理马铃薯光合日变化有明显的午休现象，午休出现在12:00—13:00；除XT0和YT0处理外，各翻压秸秆处理的马铃薯净光合速率均高于对照CK；各施肥处理的马铃薯净光合速率高于只翻压秸秆的处理，XT4和YT4处理高于其他处理。总体来看，各施肥处理均能提高马铃薯的净光合速率，XT4和YT4处理对提高马铃薯净光合速率效果较为显著。

图1 小麦秸秆翻压各处理马铃薯净光合速率

图2 玉米秸秆翻压各处理马铃薯净光合速率

3.2.2 对新修梯田马铃薯蒸腾速率的影响

蒸腾不仅为作物内部物质、水分运输提供动力，还有利于光合作用中二氧化碳的固定，其速率高低与作物光合作用密切相关。

小麦秸秆翻压和玉米秸秆翻压各处理马铃薯蒸腾速率日变化结果分别见图3和图4。由图3和图4可看出：小麦秸秆翻压和玉米秸秆翻压各处理马铃薯的蒸腾速率日变化均呈单峰曲线，各处理峰值出现在12:00—13:00；各翻压秸秆处理的马铃薯蒸腾速率均低于对照CK，各施肥处理的马铃薯蒸腾速率低于只翻压秸秆处理；XT4、XT5处理马铃薯总体蒸腾速率低于其他处理，XT5处理在出现峰值后蒸腾速率降低趋势变缓，在11:00—13:00时段内XT5处理的蒸腾速率低于XT4处理；YT4、YT3处理马铃薯总体蒸腾速率低于其他处理，YT4处理较YT3处理的蒸腾速率更低。总体来看，各施肥处理均能有效降低马铃薯蒸腾速率，XT4、XT5、YT4、YT3处理降低马铃薯蒸腾速率效果较为明显。

图3 小麦秸秆翻压各处理马铃薯蒸腾速率

3.2.3 对新修梯田马铃薯气孔导度的影响

气孔是植物叶片与外界环境进行气体交换的通道，气孔开放程度对植物的碳同化、呼吸作用及蒸腾作用具有重要的影响[7]。

小麦秸秆翻压和玉米秸秆翻压各处理马铃薯气孔导度日变化结果分别见图5和图6。由图5和图6可看出：小麦秸秆翻压和玉米秸秆翻压各处理马铃薯的气孔导度日变化呈双峰曲线，在11:00各处理气孔导度出现首个峰值，在13:00各处理气孔导度均出现明显的低谷，随后各处理气孔导度呈上升趋势，在15:00左右出现第二次峰值，之后各处理都开始下降；XT4和YT5处理比其他各处理的气孔导度峰值都大。总体来看，XT4和YT5对提高马铃薯气孔导度效果较为显著。

图5 小麦秸秆翻压各处理马铃薯气孔导度

图6 玉米秸秆翻压各处理马铃薯气孔导度

3.3 对新修梯田马铃薯产量的影响

小麦秸秆翻压各处理马铃薯产量统计结果见图7。由图7可看出，小麦秸秆翻压各处理中产量最高的是XT4处理，其次是XT5处理。与CK相比，XT0、XT1、XT2、XT3、XT4、XT5处理分别增产11.28%、32.64%、26.02%、22.05%、53.06%、39.54%；与只翻压小麦秸秆的XT0处理相比，XT1、XT2、XT3、XT4、XT5处理分别增产24.07%、16.62%、12.14%、47.09%、31.85%。

图7 小麦秸秆翻压各处理马铃薯产量

玉米秸秆翻压各处理马铃薯产量统计结果见图8。由图8可看出，玉米秸秆翻压各处理中产量最高的是YT4处理，其次是YT5处理。与CK相比，YT0、YT1、YT2、YT3、YT4、YT5处理分别增产33.12%、50.57%、44.78%、38.16%、65.79%、58.91%；与只翻压玉米秸秆的YT0处理相比，YT1、YT2、YT3、YT4、YT5处理分别增产26.10%、17.43%、7.54%、48.84%、38.55%。

图8 玉米秸秆翻压各处理马铃薯产量

2013—2017年，宁夏回族自治区水利科学研究院对宁南山区不同种植年限梯田马铃薯产量进行了系统的监测，监测结果显示：1～2年新修梯田马铃薯平均产量为19 041.15 kg/hm2，3～5年梯田为20 228.55 kg/hm2，5年以上梯田为21 596.85 kg/hm2，坡耕地马铃薯产量为17 139.0 kg/hm2。2021年马铃薯产量低于多年平均产量，主要是2021年为多年来少有的枯水年，研究区作物生育期4—9月降水量为265.8 mm，其中6—8月均无有效降水，导致马铃薯2021年较正常年份减产严重。研究区2021年作物生育期降水量统计情况详见表3。

表3 项目区2021年作物生育期降水量统计 mm

4 结 论

(1)小麦/玉米秸秆各施肥处理均能有效增加马铃薯叶片叶绿素含量，翻压小麦秸秆效果最为显著的是小麦秸秆+生物菌肥，其次是小麦秸秆+复合肥+生物菌肥，翻压玉米秸秆效果最为显著的是玉米秸秆+复合肥+生物菌肥。

(2)小麦/玉米秸秆翻压各处理均能提高马铃薯的净光合速率，效果较为显著的是小麦/玉米秸秆+复合肥+生物菌肥。

(3)小麦/玉米秸秆翻压各处理马铃薯的蒸腾速率日变化呈单峰曲线，各施肥处理均能有效降低马铃薯蒸腾速率，降低效果较为明显的是小麦/玉米秸秆+复合肥+生物菌肥、小麦秸秆+复合肥+益生菌、玉米秸秆+益生菌。

(4)小麦/玉米秸秆翻压各处理马铃薯的气孔导度日变化呈双峰曲线，提高马铃薯气孔导度效果最为显著的分别是小麦秸秆+复合肥+生物菌肥和玉米秸秆+复合肥+益生菌。

(5)对马铃薯增产效果最显著的是小麦/玉米秸秆+复合肥+生物菌肥，其次是小麦/玉米秸秆+复合肥+益生菌。

综合以上，推荐的相关技术参数为：①小麦/玉米秸秆(全量还田)+复合肥300 kg/hm2+生物菌肥2 250 kg/hm2；②小麦/玉米秸秆(全量还田)+复合肥300 kg/hm2+益生菌150 kg/hm2。