不同水氮处理对膜下滴灌马铃薯产量、品质及土壤硝态氮运移的影响

2020-01-07商美新房增国李俊良

华北农学报 2019年6期

商美新，房增国，梁斌，王萌，李俊良

(青岛农业大学资源与环境学院，山东青岛 266109)

马铃薯膜下滴灌栽培是近年来北方一些地区开始推广的新型栽培模式[1-3]，但受到农民种植习惯的影响，滴灌施肥过程中存在过量的氮肥投入和水分投入的问题，这种盲目大肥、大水栽培方式不仅极大地提高了生产成本，使产品质量下降，而且对地下水污染严重[4]，国内外研究表明，地下水中的硝态氮含量在有灌溉条件且排水良好的集约化农区明显增高，对地下水质带来安全隐患[5-6]。虽然关于灌水和施氮对马铃薯产量、肥料利用率影响的研究已较多[7-9]。但多集中在水分或氮肥单因子水平上，而在滴灌条件下对水氮交互作用下的影响少有研究。本试验利用防雨旱棚中马铃薯膜下滴灌试验，研究不同水氮处理对马铃薯产量、品质及土壤硝态氮积累、氮肥利用效率及水分利用效率的影响。旨在得出最优的马铃薯管理制度、为马铃薯设施栽培中氮肥利用率及水分利用率的提高提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2016年在山东省胶州市胶莱镇青岛农业大学现代农业科技示范园温室大棚中进行。试验地土壤类型为砂姜黑土，质地为砂壤，土质疏松。胶莱镇是青岛市高效农业区，青岛市无公害蔬菜示范基地，该地气候宜人，冬无严寒，夏无酷暑，四季分明，年平均降水量755.6 mm，年均无霜期210 d。土壤肥沃，土层厚达8～10 cm，水蕴藏量丰富，地表河流多，大沽河、胶莱河穿流而过，为发展蔬菜生产提供了有利的条件。试验地土壤理化性质见表1。

表1 试验地土壤理化性质Tab.1 Soil physical and chemical properties in experimental plots

1.2 试验设计

试验采用二因素三水平完全随机区组设计。3个施氮水平(N kg/hm2)为150，225，300；3个灌溉水平(m3/hm2)450，900，1 350；共计9个水氮组合处理，每个处理重复3次，共计27个小区，小区面积11.5 m×5.0 m，为了消除各小区氮素移动所带来的误差，各小区之间设置2行的隔离，具体处理见表2。

供试马铃薯品种为荷兰15号。供试肥料底肥施入复合肥N-P2O5-K2O(15-15-15)450 kg/hm2，氮肥为尿素(含N 46%)60%基施，40%追施(追肥次数为4次，随每次灌溉水进入，其各次分配比例按照顺序依次为33.3%，26.7%，26.7%，13.3%)，磷肥和钾肥分别为重过磷酸钙90 kg/hm2(含P2O543%)，硫酸钾225 kg/hm2(含K2O 50%)，作为基肥一次性施入。灌水按照生育时期分5次进行，按照试验设计的灌水量总量按比例进行分配，除定植水10%之外，其余各灌水次数均依次与追肥时间相同，按照灌水总量的20%，20%，25%，25%进行。

马铃薯种植，采用高垄覆膜滴灌的设施栽培模式(图1)，株距30 cm，行距60 cm，垄宽80 cm，垄间距20 cm，种植密度为61 800株/hm2。马铃薯生长期间进行正常的生产种植管理，于收获计产。

表2 试验设计处理Tab.2 Test design processing

图1 覆膜滴灌剖面示意图Fig.1 Profile of drip irrigation under plastic cover

1.3 测定项目及方法

在马铃薯的苗期4月25日、块茎形成期5月10日、块茎膨大期5月25日、淀粉积累期6月10日、成熟期6月25日用“S型法”取0～100 cm深度土样，每20 cm为1层，同层土样进行混合，并将混匀的土样放在-4 ℃冰箱中保存；采集各处理马铃薯完整植株6株，洗净表面泥土，用去离子水冲洗在105 ℃烘箱中杀青30 min，然后在60 ℃下烘干至恒质量，测干质量。

土壤硝态氮含量：采用连续流动分析仪(AA3型)测土壤浸提样中的硝态氮[10]、检测前把采集的土壤浸提样从冰箱中取出自然解冻，用1 mol/L KCl浸提,水土比= 10∶1。

产量的测定：在马铃薯成熟期，选取2.20 m×3.03 m小区进行测产，每个小区重复3次，最后根据小区面积产量换算每个处理马铃薯总质量。

品质的测定：维生素C采用2，6-二氯靛酚滴定法[11]。硝酸盐采用紫外分光光度法[11]。淀粉、可溶性糖采用蒽酮比色法[12]。可溶性蛋白采用考马斯亮蓝法[12]。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2010、SPSS 19.0等软件进行整理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同水氮处理对马铃薯产量的影响

从图2 可以看出，N1W1处理下的马铃薯产量最低，为24 409.9 kg/hm2。N2W2处理下的马铃薯产量最高，为35 299.9 kg/hm2；最大增产10 890.0 kg/hm2，增幅为44.6%。在相同水分处理下，随着施氮量的增加，产量明显增加，其中以施氮量在150～225 kg/hm2时增加最为显著，继续增加氮肥投入达到300 kg/hm2，产量增加趋势不明显，反而略有下降。在相同施氮水平下，各处理产量变化不明显，但在施氮量为225 kg/hm2时，产量随着灌水量的增加而增加，在灌水量为900 m3/hm2时达到最大，最大增幅21.86%。

不同字母表示不同处理间差异达5%显著水平。图3同。 Different letters mean significant difference among the nitrogen treatments at 5% levels. The same as Fig.3.

2.2 不同水氮处理对马铃薯产量构成及商品率影响

由表3可知，随着施氮量的增加，马铃薯商品率呈先升高后降低的趋势，在灌水量一致的情况下，这一趋势表现得更加明显，当施氮量为225 kg/hm2、灌水量为900 m3/hm2时，马铃薯的商品率最大为77.9%，且较其他处理显著增加。在相同的中低施氮量下，随着灌水量的增加，马铃薯的商品率呈现增加的趋势，而在高施氮量下，则呈现降低的变化趋势。在施氮量为225 kg/hm2时，大块茎及中块茎个数随着灌水量的增加呈现先升高后降低的趋势，且均在施氮量225 kg/hm2灌水量为900 m3/hm2时显著高于其他处理。

2.3 不同水氮处理条件下对马铃薯品质的影响

由表4可以看出，施用氮肥及灌水，对马铃薯维生素C(以鲜质量计)、淀粉(以干质量计)、蛋白质(以干质量计)、可溶性糖(以干质量计)及硝酸盐(以鲜质量计)含量有着显著的影响。在施氮量为300 kg/hm2时，维C含量随着灌水量的增加不断降低,在施氮量为150,225 kg/hm2时，随灌水量增加，淀粉含量不断降低，但均没有显著性变化，而硝酸盐含量则显著降低，降幅为31.4%～42.9%。可溶性糖及可溶性蛋白随着灌水量的增加呈现抛物线变化趋势。

表3 不同水氮处理马铃薯的产量构成及商品率Tab.3 Yield and commodity rate of potato under different water and nitrogen treatments

注：大块茎指单个块茎质量>400 g，400 g≥中块茎指单个块茎质量≥100 g，小块茎指单个块茎<100 g。同一列数值后的不同小写字母表示处理间在P<0.05水平差异显著。表4-5同。

Note: Values followed by different within each column are significant between different treatments atP<0.05 level. The same as Tab.4-5.

表4 不同水氮处理条件下马铃薯的品质Tab.4 Quality of potato under different water and nitrogen treatment conditions

在灌水量450,900 m3/hm2时，随着施氮量的增加，可溶性蛋白含量显著增加，在相同灌水量下，随着施氮量的增加，硝酸盐含量明显增加，维生素C含量不断增加。淀粉含量随着施氮量的增加，不断降低，在施氮量为300 kg/hm2，灌水量1 350 m3/hm2时达到最低，为134.3 g/kg，较含量最高处理显著降低了22.9 g/kg。可溶性糖含量随着施氮量的增加呈现抛物线变化趋势。在施氮量225 kg/hm2，灌水量900 m3/hm2为达到最高水平，含量为17.0 g/kg，较最低处理增加了5.5 g/kg。

2.4 不同水氮处理对马铃薯氮素吸收及水分利用的影响

由表5可以看出，在相同施氮量下，随着灌水量的增加，块茎吸氮量呈现抛物线变化趋势，且各处理间差异较为显著，在相同灌水量下，随着施氮量的增加，块茎吸氮量显著增加，在施氮量为300 kg/hm2，灌水量1 350 m3/hm2时达到最大，为212.4 kg/hm2。氮收获指数(NHI)表示氮素向块茎转移的效率，从表5可以看出，不同水氮处理下马铃薯NHI变化在45.8%～52.5%，且随着施氮量的增加而增加；然而在相同施氮量下，以中等水量的NHI最高，且与其他2个灌水量差异较为显著。马铃薯的氮素偏生产力反映试验地土壤基础养分水平和化肥施用量综合效应。表5显示，在相同施氮量下，随着灌水量的增加，氮肥偏生产力呈现先升高后降低的趋势，而在相同灌水量下，随着氮肥的不断投入，氮肥偏生产力显著降低。水分生产率反映了水量的投入产出效率，是衡量农业生产水平和农业用水科学性与合理性的综合指标，也是节水灌溉与高效农业发展的重要指标之一。由表5可以看出，在施氮150 kg/hm2时，不同灌水量处理对水分生产率整体呈现降低趋势，但是下降不显著。而在相同灌水量下，随着施氮量的增加，水分生产率呈现先升高后降低的趋势，尤其在施氮量225 kg/hm2，灌水量1 350 m3/hm2时最大，达到22.4 kg/m3。

表5 不同水氮处理对马铃薯氮素吸收及水分利用的影响Tab.5 Effects of different water and nitrogen treatment on nitrogen absorption and water utilization of potato

注：NHI.氮收获指数；NPFP.氮肥偏生产力。

Note：NHI. Nitrogen harvest index；NPFP. Nitrogen partial factor productivity。

2.5 马铃薯生育期施氮量对不同土层硝态氮含量的影响

图3 马铃薯生育期间不同土层深度土壤硝态氮含量Fig.3 Soil nitrate nitrogen content in different soil depths during potato growth

3 讨论与结论

有研究表明[13-14],提高土壤湿润比或增施氮肥都可以增加马铃薯的产量。本试验表明，灌水量相同时，随着施氮量的增加，马铃薯产量呈增加趋势，这与高锋[15]的研究结果一致。本试验研究发现，继续增加氮肥投入，马铃薯块茎产量呈现抛物线趋势变化。而在相同施氮情况下，马铃薯块茎产量随着灌水量的增加同样呈现抛物线趋势变化，这与臧文静等[7]研究结果一致。说明适量的水氮投入，显著增加马铃薯块茎产量，继续投入产量随之降低。

宋娜等[16]和刘云等[17]认为施氮量决定马铃薯块茎淀粉、维生素C、可溶性糖等含量的高低，随着施氮量的增加这些指标含量增加，但是高施氮量不会使这些指标含量一直增加，而是使其含量开始降低，这与本试验结果相符。本试验中，在225 kg/hm2施氮量水平下马铃薯的商品薯率和可溶性糖的品质指标质量分数均为最高。同时在相同灌溉量条件下，马铃薯块茎可溶性蛋白含量随着施氮量的增加而不断增加，这与臧文静等[7]、李井会[18]、韩文锋等[19]研究结果一致。在相同施氮量水平下，各处理均表现为随着灌溉量的增加，淀粉等品质指标含量先上升后下降，淀粉等指标是衡量马铃薯品质的重要指标，随着灌溉量的增加淀粉等指标含量不断减少，灌溉量过多不利于马铃薯品质的改善。说明应适量灌溉，灌溉量过多或者过少均会影响马铃薯的正常生长，本试验中，在900 m3/hm2灌水量水平下马铃薯可溶性糖质量分数达到最高值。

本试验研究表明，在相同灌水量下，马铃薯块茎吸氮量与氮收获指数均随着施氮量的增加而增加，这与井涛等[20]的研究结论相符。但随着灌水量的增加，两者呈现先升高后降低的变化，说明适量灌水能够促进马铃薯块茎吸氮量并增加氮收获指数，而过量灌溉使得根层氮素损失，从而降低了块茎吸氮量和氮收获指数。肥料偏生产力是国际上常用来表征农田肥料利用率的参数[21]。本试验显示，随着施氮量的增加，肥料偏生力显著降低，与张富仓等[22]的研究结果相似。说明施氮量在超过适宜用量之后，过量的肥料并没有被马铃薯吸收利用，同时过量的灌溉也将马铃薯未能吸收的氮素带出根层。

灌水与施氮是影响土壤剖面氮素积累和淋失的关键因子[23-24]。在本试验条件下，马铃薯在苗期及块茎形成期，相同灌水量处理，各土层硝态氮含量随着施氮量的增加而增加，施氮处理明显增加0～100 cm土层硝态氮含量，当施氮量超过时，随着灌水量的增加，土壤剖面中的硝态氮由上层向下层移动，这与谷晓博等[25]研究结果一致。粱运江等[26]研究表明，灌水与施氮对0～20 cm土层硝态氮含量有显著的影响，且0～20 cm土层硝态氮含量与灌水呈负相关而与施氮量呈正相关，与本试验硝态氮主要在0～20 cm土层的变化基本吻合。说明过量的灌水将部分硝态氮淋洗出根层土壤，而随着生育期的推进这种淋洗量及淋洗层显著降低。

综合考虑马铃薯块茎品质、产量和水分利用效率，在本试验条件下，马铃薯产量随着施氮量的增加呈现抛物线趋势变化，在施氮量为225 kg/hm2时，灌水量900 m3/hm2，马铃薯产量较高为35 299.9 kg/hm2，商品率为77.9%，可溶性糖含量为17.0 g/kg，水分生产率为 21.7 kg/m3。马铃薯在苗期及块茎形成期，相同灌水量处理，各土层硝态氮含量随着施氮量的增加而增加，施氮处理显著增加0～40 cm各土层硝态氮含量，当施氮量超过时，随着灌水量的增加，土壤剖面中的硝态氮由上层向下层移动。