有机肥替代氮肥对马铃薯氮素吸收利用及土壤氮素供应的影响

李超　赵国鼎　李利　张少华　樊明寿　石晓华

摘    要：探究有機肥替代化肥氮及不同配施比例对马铃薯氮素吸收及土壤氮素供应的影响，为保证马铃薯产量和减少土壤氮素损失提供科学指导。设置5个处理，分别为不施氮肥（CK）、100%氮肥施入（T0）、30%有机肥替代氮肥（T1）、60%有机肥替代氮肥（T2）、100%有机肥替代氮肥（T3）。通过大田试验，比较各处理马铃薯干物质量、氮素吸收利用、土壤矿质氮含量、土壤氮素平衡等方面的差异。结果表明：与100%化肥氮施入相比，60%有机肥替代化肥氮2年平均产量提高了10.31%，氮素累积量提高了8.14%，氮肥偏生产力提高了9.85%，氮肥利用效率提高8.07%，提高了土壤矿质氮含量，减少氮素表观损失量和氮素盈余量。从马铃薯的干物质质量、氮素吸收利用、土壤矿质氮含量、土壤氮素平衡等方面考虑，在60%有机肥替代氮肥时提高了产量、氮素吸收利用，同时减少了氮素表观损失量和氮素盈余量。

关键词：有机肥替代氮肥；氮素供应; 氮素利用

中图分类号：S682.2      文献标识码：A      DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2023.S.024

The Effect of Organic Fertilizer Replacing Fertilizer Nitrogen on Potato Nitrogen Absorption and Soil Nitrogen Supply

LI Chao1， ZHAO Guoding1， LI Li， ZHANG Shaohua2，FAN Mingshou1， SHI Xiaohua1

（1.College of Agriculture，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot，Inner Mongolia  010019，China；2. Qahar Youyi Middle Banner Agricultural and Animal Husbandry，Science and Technology Bureau， Kebuer，Inner Mongolia 013550， China）

Abstract：To explore the effects of organic fertilizer replacing chemical fertilizer nitrogen and different application ratios on potato nitrogen absorption and soil nitrogen supply， in order to provide scientific guidance for ensuring potato yield and reducing soil nitrogen loss. This paper set up five processes， including no nitrogen application （CK）， 100% fertilizer nitrogen application （T0）， 30% organic fertilizer instead of fertilizer nitrogen （T1）， 60% organic fertilizer instead of fertilizer nitrogen （T2）， and 100% organic fertilizer instead of fertilizer nitrogen（T3）. Through field experiments， the differences in potato dry matter quality， nitrogen absorption and utilization， soil mineral nitrogen content， and soil nitrogen balance among different treatments were compared. Compared with the application of 100% chemical fertilizer nitrogen， the replacement of 60% organic fertilizer nitrogen increased yield by an average of 10.31%， nitrogen accumulation increased by 8.14%， nitrogen partial productivity increased by 9.85%， nitrogen utilization efficiency increased by 8.07%， soil mineral nitrogen content increased， and nitrogen apparent loss and surplus decreased over the past two years. Considering the dry matter quality， nitrogen absorption and utilization， soil mineral nitrogen content， and soil nitrogen balance of potatoes， when 60% organic fertilizer replaces chemical fertilizer nitrogen， it improves yield， nitrogen absorption and utilization， while reducing nitrogen apparent loss and nitrogen surplus.

Key words： organic fertilizer replacing fertilizer nitrogen; nitrogen supply; nitrogen utilization

马铃薯（Solanum tuberosum）起源于南美和北美州，全世界有约158个国家和地区种植，约10亿人将马铃薯作为主食。我国是马铃薯种植大国，产量约占世界总产量的1/4[1]。氮素供应是马铃薯生长发育和产量的关键限制因子之一[2]。化学氮肥是保障马铃薯丰产稳产的重要措施。但长期不合理的施用化学氮肥不仅不能增产，还将对生态系统和自然环境造成严重威胁[3]。因此，探究一种安全有效的氮肥施用方案迫在眉睫。施用有机肥可以改善生态环境、提高养分利用效率[4-5]，但存在养分含量低、肥效慢等特点[6]，单施有机肥往往不能满足作物的养分需求，特别是在作物需氮较多的关键生育时期[7]。大量研究发现，有机肥替代氮肥能够增加作物氮素吸收的同时，提高土壤氮素供应水平。但对马铃薯农田上有机肥替代氮肥对马铃薯氮素吸收及氮素供应鲜有研究[8-9]。本研究针对内蒙古马铃薯主产区农田长期施入氮肥造成的土壤氮素累积、环境风险日益增大等问题[10-11]，通过设置有机肥替代氮肥比例，探究有机肥替代氮肥对马铃薯氮素吸收利用和土壤氮素供应的影响，为提高马铃薯氮素利用效率和降低马铃薯农田土壤氮素损失提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021年4月至2022年9月在内蒙古自治区乌兰察布市察哈尔右翼中旗西壕堑村进行，该地区处于温带大陆性气候，海拔1  780  m，平均气温1.3 ℃，试验田土壤为栗钙土。播前土理化性质见表1。

1.2 试验设计

供试品种为‘克新1号，内蒙古旭丰农业科技有限公司提供。供试肥料为商品有机肥（养分含量见表2），供试肥料为尿素（N 46%）、重过磷酸钙（P2O5 46%）、硫酸钾（K2O 51%）。

试验采用随机区组设计，垄作栽培模式，种植密度46 000株·hm-2，灌溉方式为滴灌。每个处理重复3次，小区面积90 m2。该试验共设置5个处理，不施氮肥处理（CK）、100%氮肥施入处理（T0）、30%有机肥替代氮肥处理1（T1）、60%有机肥替代氮肥处理2（T2）、100%有机肥替代氮肥处理3（T3）。有机肥、氮、磷、钾肥均作为基肥一次性施入。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 测定方法 （1）植株干物质量：出苗后15、30、45、60、75 d各处理分别取3株马铃薯植株，将马铃薯分为根、茎、叶、块进行处理，将各部分置于烘箱110 ℃杀青30 min，然后在80 ℃烘干48 h，取出称质量。将烘干植株样品粉碎后，处于Skalar杜馬斯仪器中，使用燃烧法测定植株全氮含量。收获时分小区实测记产。（2）土壤矿质氮：土壤样品采用流动分析仪法进行测定。

1.3.2 计算方法 氮肥偏生产力和氮肥表观利用率公式如下：

氮肥偏生产力（kg·kg-1）=产量（kg·hm-2）/施氮量（kg·hm-2）（1）

氮肥表观利用率=（施氮处理作物吸氮量-不施氮处理作物吸氮量）/施氮量×100%（2）

氮素表观损失量和氮素盈余量公式如下：

氮素表观损失量（kg·hm-2）=（施氮量+土壤起始无机氮累积量+土壤氮素净矿化量）-（作物吸氮量+土壤残留无机氮累积量）（3）

氮素盈余量（kg·hm-2）=氮素表观损失量+土壤残留无机氮累积量（4）

土壤各土层无机氮（硝态氮和铵态氮）累积量（Nmin，kg·hm-2）计算公式如下：

Nmin = h×C×B/10（5）

式中，h为土层厚度（cm）；C为无机氮含量（mg·kg-1）；B为土层土壤容重（g·cm-3）。

1.4 数据分析

试验土壤及植株数据采用Microsoft Excel 2016进行数据统计，采用SPSS 25.0软件进行方差分析（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 有机肥替代氮肥对马铃薯干物质质量的影响

由图1可以看出，在整个马铃薯生育时期，马铃薯干物质质量随着时间的变化而逐渐升高。出苗后15 d左右，各处理无显著差异；出苗后30 d，2021年T0处理干物质质量显著高于CK处理，增幅为39.26%，2022年T0处理显著高出其他处理，增幅为12.15%～35.54%，T1、T2、T3处理间无显著差异；出苗后45 d，2021年T2处理显著高于CK、T1、T3处理，增幅为11.31%～42.93%，2022年T0处理显著高于其他处理；出苗后60 d，2021年各处理与CK差异显著，2022年T2处理与其他处理差异显著，增幅为18.36%～27.20%；出苗后75 d，2年均表现出T2处理显著高于T0处理，其中2年增幅分别为3.13%、5.49%。

2.2 有机肥替代氮肥对马铃薯氮素吸收利用的影响

氮素对马铃薯营养器官形成和生长都有着良好的促进作用（图2）。从2年数据中看出，马铃薯氮素累积量在出苗后15 d各个处理均没有表现出明显差异；出苗后30 d，2021年CK处理显著低于其他处理，其他处理增幅为27.52%～34.74%，2022年T0处理显著高于其他处理，增幅为11.73%～39.58%；出苗后45 d，2021年T0、T1、T2处理显著高于其他处理，其中T2处理氮素累积量最高，T2处理与T3、CK处理相比，增幅为19.00%～53.87%，T0、T1、T2处理间无显著差异，2022年T2处理显著高于其他处理，增幅为9.85%～42.49%；出苗后60 d，2021年T2处理显著高于其他处理，增幅为5.03%～51.21%，2022年T2处理显著高于其他处理，增幅为12.70%～41.94%；出苗后75 d，2年均表现为T2处理显著高于其他处理，增幅为8.14%～60.30%。以上表明，氮素吸收在出苗后45～60 d达到氮素吸收的高峰，且在有机肥替代60%氮肥时，马铃薯氮素累积最高，适宜马铃薯的生长。

由图3可知，有机肥替代氮肥对产量影响明显，但不同处理对产量影响不一致。2年结果均表现为T2处理显著高于其他处理，其中T2处理与T0处理相比，增幅为8.31%～12.31%，T2与其他处理相比，增幅为15.65%～26.59%。2年增幅表现为：T2>T0>T1>T3>CK。尽管100%氮肥施入处理使马铃薯产量提高，但适宜的有机肥替代氮肥比例会使马铃薯产量高于氮肥输入。若有机肥替代氮肥过高或过低，也会造成马铃薯产量过低。

偏生产力是反映土壤肥力水平和肥料输入量综合效应的重要指标。由图4可以看出，2021年T2处理显著高于其他处理，T1处理和T0处理间无显著差异，其中T2处理较其他处理增幅为11.39%～22.14%；2022年T2处理显著高于其他处理，且各处理都存在显著差异，T2处理较其他处理增幅为8.32%～21.86%；2年数据均表现为：T2>T0>T1>T3。

由图5可知，2021年T2处理显著高于其他处理，T1和T3处理间无显著差异，其中T2处理较其他处理增幅为8.67%～22.88%；2022年T2处理显著高于其他处理为：增幅为7.48%～21.95%；2年数据均表现为T2>T0>T1>T3。

2.3 有机肥替代氮肥对马铃薯农田土壤氮素供应的影响

土壤矿质氮是马铃薯能够直接吸收利用的养分。由图6可以看出，2年数据显示，随着土层加深，矿质氮含量下降，同时随着时间的变化，矿质氮含量呈先下降后上升的趋势。在0～20 cm土层中，出苗15 d，2021年T0处理显著高于其他处理，T0处理较CK和T3处理增幅22.57%、52.97%，T0与T1、T2处理无显著差异；2022年T0处理显著高出其他处理，T0处理较CK、T2、T3处理增幅55.92%、15.39%、21.72%，T0与T1处理无显著差异。出苗后30 d，2021年除CK处理外，其他各处理间无显著差异，其他处理与CK处理相比，增幅为44.52%～52.87%；2022年T2处理显著高于其他处理，增幅为5.84%～70.47%。出苗后45 d，2021年除CK处理外，其他各处理间无显著差异，其他处理与CK处理相比，增幅为43.06%～56.15%；2022年T1处理显著高于CK、T2、T3处理，增幅为75.33%、9.02%、12.90%。出苗后60 d，2年均表现为CK显著低于其他处理；2021年其他处理与CK处理相比，增幅为49.44%～54.72%；2022年其他处理与CK处理相比，增幅为52.61%～55.15%。出苗后75 d，2021年T3处理显著高于CK、T0处理，T3与T1、T2处理不显著，增幅18.99%、62.63%；2022年CK显著低于其他处理，与CK处理相比，各处理增幅为62.49%～67.32%。

由图7可知，在20～40 cm土层中，出苗15 d，2021年T0处理显著高于其他处理，T0与T1处理无显著差异，T0处理较CK和T2、T3处理增幅为55.29%、16.02%、18.00%；2022年T0处理显著高出其他处理，T0与T1处理无显著差异，T0处理较CK、T2、T3处理增加47.61%、12.91%、23.00%。出苗后30 d，2021年除CK处理外，其他各处理间无显著差异，其他处理与CK处理相比，增幅为40.80%～50.92%；2022年T0处理显著高于CK、T3处理，增加52.90%和14.97%，T0与T1、T2处理无显著差异。出苗后45 d，2年表现为除CK处理外，其他各处理间无显著差异，其他处理与CK处理相比，2021年增幅为47.17%～52.00%，2022年增幅为59.38%～62.08%。出苗后60 d，2021年T3处理显著高于CK、T0处理，增幅为54.06%、25.39%；2022年除CK处理外，其他各处理间无显著差异，其他处理与CK处理相比，增幅为47.73%～52.55%。出苗后75 d，年均表现为T3处理显著高于其他处理（除T2处理外），2021年增幅为24.36%～62.08%，2022年增幅为11.99%～55.15%。

2年数据显示，出苗后60 d与出苗后15 d相比，矿质氮含量下降45.71%～54.41%。而在T2处理中，矿质氮含量下降30.17%～32.21%。出苗后60 d为马铃薯膨大期，该时期为马铃薯最大需氮时期，其下降趋势表明，在0～40 cm土层中，T2处理较T0处理有较强的供氮能力。

通过不同有机肥替代氮肥下土壤-马铃薯体系氮素平衡分析（表4），各处理的氮素输入以肥料氮投入为主，占氮素输入总量的66.11%、75.76%；其次是净矿化量投入，占氮素输入总量的22.82%、12.21%；而土壤起始无机氮比例最低，占氮素输入总量的11.07%、12.08%。各处理的氮素输出以作物吸收为主，其次为氮素表观损失量，氮素残留无机氮占比最低。不同处理间土壤残留无机氮，T3处理残留无机氮最高，与T3处理比较，T2处理氮素表观损失量显著减少63.2、54.9 kg·hm-2。不同处理均表现出氮素盈余，盈余量介于190.7～259.6 kg·hm-2、241.1～307.0 kg·hm-2，其中T3处理氮素盈余量最高，显著高于T2处理。T3处理氮素盈余量較T2处理2年分别高出68.9、65.9 kg·hm-2。

3 讨论与结论

有机肥替代氮肥能有效提高土壤氮素供应原因，以供作物吸收利用[12]。张济世[13]研究发现，当有机肥替代20%氮肥时，较100%氮肥施入，能够显著增加水稻氮素累积量。原因可能是有机肥优化了土壤氮素供应水平，进而促进了地上部发育和干物质积累。陈志龙[14]研究发现，小麦使用有机肥替代氮肥与100%氮肥施入相比，小麦产量较低，但氮肥利用率高于100%氮肥处理。原因可能是100%氮肥施入可以保证小麦在前期养分供应充足，但后期养分供应不足。本研究发现，当有机肥替代60%氮肥时，马铃薯干物质质量、氮素累积量、氮肥利用率、产量均高于100%氮肥施入处理。原因可能是前期100%氮肥施入使氮素供应充足，但在马铃薯块茎膨大期之后，氮肥氮素供应低于有机肥替代化肥氮，有机肥替代氮肥提高了后期供氮水平，满足了作物后期对氮的需求。原因供应可能是有机肥中含有腐植酸类物质，施入土壤后促进了微生物的繁殖，在作物生长期间持续矿化出可利用的氮，优化了土壤供氮水平[15-16]，满足了马铃薯对氮素的需求，进而提高了马铃薯的干物质质量、氮素累积量、产量。

有机肥替代氮肥不仅能够提高作物对氮的吸收利用，还能够降低环境危险。在大田作物中，未被作物当季利用的氮主要通过无机氮残留和氮素表观损失形式损失[17]。贾绪存[18]研究发现，夏玉米施用一定数量的有机肥较施用化学氮肥相比，可有效减少土壤氮素损失。本研究发现，用有机肥替代60%氮肥，提高了马铃薯对氮素的吸收利用，减少了氮素损失。原因可能是有机肥改善了土壤氮循环，进而减少了氮素损失[19]。

综上所述，有机肥替代氮肥后对马铃薯氮素吸收的影响主要在关键生育期（马铃薯块茎膨大期）。在马铃薯块茎膨大期氮素吸收利用处于峰点[20]，有机肥替代60%氮肥处理在马铃薯膨大期满足了马铃薯氮素供应，从而促进了马铃薯产量增长。本研究结果可为马铃薯生产上有机肥替代氮肥的施用提供参考。

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收稿日期：2023-05-31

基金项目：内蒙古自治区高等学校科学研究项目（NJZY22482）；内蒙古自治区科技重大专项（2021ZD0043）

作者简介：李超（1997—），男，内蒙古呼伦贝尔人，在读硕士生，主要从事为植物营养生理学研究。

通讯作者简介：石晓华（1986—），男，内蒙古乌兰察布人，讲师，博士，主要从事马铃薯养分生理研究。