滴灌施肥條件下減量施肥對馬鈴薯田土壤養(yǎng)分積累及產(chǎn)量的影響

馮志文，萬書勤，康躍虎,3，孫清華，張若芳

(1.內蒙古大學馬鈴薯工程技術研究中心，呼和浩特 010021；2.中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，北京 100101；3.中國科學院大學，北京 100049)

0 引 言

馬鈴薯是一種化肥密集型作物，實際生產(chǎn)中過量施肥和盲目施肥現(xiàn)象普遍存在。據(jù)調查，以內蒙古為代表的北方集約化規(guī)?；N植區(qū)，過量施肥問題尤為突出，化肥用量普遍在2400～3600 kg/hm2，遠遠超過了最佳施肥量水平[1]。同時，馬鈴薯企業(yè)為追求效益最大化，存在對土地進行“只種不養(yǎng)”的掠奪式經(jīng)營，在提高產(chǎn)量的同時，也造成土壤理化性狀逐年惡化、養(yǎng)分流失嚴重和環(huán)境污染加劇[2]。目前，國家已將“減施增效”提升為國家戰(zhàn)略，相繼出臺政策支持馬鈴薯化肥減施，可見，馬鈴薯化肥減施勢在必行。

滴灌施肥能夠精確控制灌水量、施肥量和灌溉施肥時間，可以根據(jù)馬鈴薯的需肥規(guī)律和土壤養(yǎng)分狀況，將肥料直接供應到根區(qū)，實現(xiàn)了“按需施肥”，顯著提高了養(yǎng)分利用效率，被認為是實現(xiàn)馬鈴薯化肥減施的有效途徑之一[1]。然而實際生產(chǎn)中，采用不合理的施肥制度，如按照傳統(tǒng)施肥方法進行滴灌施肥，造成水肥耦合不協(xié)調，肥料施用量過高、肥料浪費的現(xiàn)象在許多地區(qū)依然普遍存在[3]。因此，制定合理地滴灌施肥灌溉制度始終是化肥減施的關鍵。以地面灌溉作物高產(chǎn)或測土配方施肥量為基礎，采用比例法布置不同施肥量的田間試驗確定的滴灌施肥灌溉制度已經(jīng)在油菜[4]、枸杞[5]和辣椒[6]等作物上獲得良好地應用，不僅產(chǎn)量高，而且水肥利用效率較高。

馮志文等[7,8]以當?shù)赝扑]施肥量為基準，采用比例法研究了不同施肥量對滴灌施肥馬鈴薯生長、產(chǎn)量與水肥利用的影響，認為內蒙古沙地滴灌施肥條件下，當?shù)晤^正下方20 cm深度處的土壤基質勢下限在-25 kPa時進行施肥灌溉時，且當施肥量比例為推薦施肥量的72%～85%(即施肥量減少15%～28%)時，不僅減少了化肥的施用量，還在保證產(chǎn)量的同時提高了水肥利用效率。萬書勤等[9]在柴達木盆地的研究也同樣表明，施肥量比例為當?shù)伛R鈴薯推薦施肥量的70%左右(施肥量減少30%)時，馬鈴薯既能獲得高產(chǎn)，又可保證較高的水肥利用效率。前人研究表明，滴灌施肥時施肥量明顯影響?zhàn)B分在土壤中的運移分布，施肥量高時也存在養(yǎng)分從根系分布層淋失的風險[10-12]。從環(huán)保角度出發(fā)，上述研究采用比例法確定的馬鈴薯滴灌施肥灌溉制度下，土壤養(yǎng)分能否得到有效利用與積累、是否存在淋失的風險還需要進一步研究。

因此，本研究通過田間試驗，以推薦施肥量為基準，采用比例法分析了滴灌施肥灌溉條件下不同施肥量對土壤養(yǎng)分(硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷與速效鉀)積累和馬鈴薯產(chǎn)量的影響，以期為進一步確定合理施肥量、有效地指導滴灌條件下的肥料管理提供理論指導與技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市達拉特旗白泥井鎮(zhèn)(110°28′E，40°18′N)進行。試驗區(qū)位于庫布其沙漠帶與黃河沖積平原過渡帶上，為典型半干旱大陸季風氣候，常年干旱多風少雨，年均風沙日在70 d以上，降水少而分布不均，年均降水量240～310 mm，主要集中在7-9月份，年均蒸發(fā)量2 100 mm。晝夜溫差大，日照強烈，年均氣溫為6.1～7.1 ℃，最高氣溫35.8 ℃，最低氣溫-32.6 ℃，無霜期135～150 d。土壤為砂土，以粗砂粒(0.05～2 mm)為主，接近于流沙，保水保肥性差，基礎理化性質見表1。

表1 試驗前土壤基礎理化狀況Tab.1 Basic fertility of the experiment soil before experiment

1.2 試驗設計

研究發(fā)現(xiàn)，采用負壓計制定馬鈴薯滴灌灌溉計劃且當控制滴頭正下方20 cm深度處的土壤基質勢在-25 kPa以上時，馬鈴薯不僅獲得高產(chǎn)，而且水分利用效率高[13-16]。參考以上研究結果，試驗采用負壓計來指導馬鈴薯進行施肥灌溉，并且控制滴頭正下方20 cm深度處的土壤基質勢下限在-25 kPa時進行施肥灌溉。

與傳統(tǒng)地面灌溉(或噴灌)相比，因土壤水分運動及其時空變異和施肥方式的不同，滴灌施肥灌溉下養(yǎng)分在土壤中分布特點和運移狀況不同，而作物獲得高產(chǎn)的需肥規(guī)律主要由其生物學特點決定，故基于植物營養(yǎng)學和農(nóng)業(yè)栽培試驗獲得的地面灌溉(或噴灌)下的施肥量，同樣可以反映其需肥規(guī)律。因此，本研究選用馬鈴薯主栽品種“夏波蒂”，基于養(yǎng)分平衡法并參考當?shù)伛R鈴薯企業(yè)大型噴灌機條件下的施肥方案進行微調得到推薦施肥量(N、P2O5、K2O施用量分別為420、105、495 kg/hm2)，設計了5個施肥量比例的滴灌施肥灌溉處理，即施肥量分別為推薦施肥量的10%(F1)、30%(F2)、50%(F3)、70%(F4)和90%(F5)。采用隨機區(qū)組布置試驗小區(qū)，每個處理重復3次，共15個小區(qū)，小區(qū)長5.5 m，寬5.4 m，面積29.7 m2。

參考當?shù)伛R鈴薯企業(yè)大型噴灌機條件下的施肥方案，其中常規(guī)馬鈴薯專用復合肥(氮磷鉀比例為16-14-15)以磷肥作為基肥一次性溝施，氮肥和鉀肥除以基肥施入外，其余以尿素(46% N)和硝酸鉀(13.9% N，46.5% K)采用滴灌施肥灌溉進行追肥(表2)。馬鈴薯完全出苗后開始進行追肥，將總追肥量按馬鈴薯生育期天數(shù)平均分配到每天，每次灌溉前根據(jù)灌溉間隔將計算好的尿素和硝酸鉀溶解在施肥罐中，隨水施肥。馬鈴薯施肥灌溉后的前35 d追施尿素和硝酸鉀，后40 d僅追施硝酸鉀，收獲前20 d停止施肥灌溉，收獲前10 d停止灌溉。

表2 不同滴灌施肥灌溉處理的施肥量 kg/hm2Tab.2 Fertilizer amount of different treatments under drip fertigation

1.3 灌溉與農(nóng)藝措施

每一處理(包括3個試驗小區(qū))均由獨立的滴灌系統(tǒng)控制，控制灌溉面積為89.1 m2。滴灌首部控制單元均由閘閥、水表、壓力表、網(wǎng)式過濾器和壓差式施肥罐組成，滴灌帶的滴頭間距0.3 m，工作壓力控制在0.1 MPa時滴頭流量為1.38 L/h。

馬鈴薯起壟種植，壟間距1.1 m，壟肩寬0.5 m，壟高0.3 m，每條壟中心鋪設1條滴灌帶，壟上雙行交錯種植馬鈴薯，行距0.3 m，株距0.3 m(圖1)。每個試驗小區(qū)種植5壟，壟長5.4 m。5月13日播種，播種后統(tǒng)一灌水45 mm。6月4日開始出苗，6月17日完全出苗后利用負壓計指示土壤基質勢低于-25 kPa時開始施肥灌溉，每次灌水6～8 mm。9月7日停止灌溉，9月19日收獲。

圖1 馬鈴薯起壟種植模式與土壤取樣點分布(單位：cm)Fig.1 Planting pattern of potato and distribution of soil sampling point

1.4 測定項目與方法

1.4.1 土壤基質勢

每個處理(第二個重復)于中間壟上滴頭正下方20 cm深度處埋設一支負壓計，每天8∶00和15∶00觀測負壓計讀數(shù)，并指導灌溉。

1.4.2 土壤速效養(yǎng)分

試驗開始前在試驗地呈“S”形選取5個代表性樣點用土鉆取土，取樣深度為0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100和100～120 cm。馬鈴薯收獲前(9月10日)各小區(qū)中間壟上選取代表性地段，以滴頭為原點，垂直于滴灌帶，在水平距離滴頭0、10、20、30、40和55 cm處進行取樣，取樣深度分別為0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm(圖1)。土樣風干、過篩(1 mm)，稱取一定量的土樣加入煮沸過的冷蒸餾水，靜置10 h，調制成飽和泥漿，然后離心(4 000 r/min，30 min)獲得提取液，分別采用紫外分光光度法測定硝態(tài)氮濃度，靛酚藍比色法測定銨態(tài)氮濃度，ICP-ASE法測定速效磷和速效鉀濃度。

各土層的養(yǎng)分濃度均值(C)通過加權平均法計算，具體公式如下：

(1)

式中：j為距離滴頭6個不同的水平距離(n為起始水平距離)；k為8個不同的取樣深度(m為起始取樣深度)；S(j,k)為樣品的權重。

1.4.3 產(chǎn) 量

馬鈴薯完全成熟后，每個小區(qū)收獲最中間1行，稱重測定產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2016對試驗數(shù)據(jù)進行處理，采用Surfer 12.0軟件和軟件Origin 9.0進行繪圖。采用SPSS 13.0軟件進行單因素方差分析，Duncan法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 土壤硝態(tài)氮

馬鈴薯種植前，土壤硝態(tài)氮主要集中在0～60 cm土層，平均濃度為47.4 mg/L，其中根區(qū)土層(0～40 cm)的平均濃度為48.8 mg/L，而60～120 cm土層的硝態(tài)氮濃度僅為22.7 mg/L，不足0～60 cm土層的50%(表1)。經(jīng)過整個生育期的滴灌施肥灌溉后，收獲前各處理的硝態(tài)氮濃度在土壤中的分布表現(xiàn)出明顯的差異，如圖2所示。各處理的硝態(tài)氮濃度均主要集中在距離滴頭0～40 cm范圍內，且隨著施肥量的增加，0～40 cm范圍內的硝態(tài)氮濃度逐漸增加。距離滴頭0～40 cm范圍外，各處理的硝態(tài)氮濃度沿水平方向上變化較小，整體上呈下降的趨勢，而沿垂直方向上則變化劇烈，呈先下降后上升的趨勢，且施肥量越大，硝態(tài)氮向土壤下層移動越多。

經(jīng)過一個生長季的滴灌施肥灌溉，各處理的硝態(tài)氮仍主要集中在0～60 cm土層，100～120 cm土層次之，60～100 cm土層最低。F1處理在0～60、60～100和100～120 cm土層的平均硝態(tài)氮濃度分別為7.7、4.9和9.2 mg/L，明顯低于種植前，表明施肥量比例為10%時不能滿足馬鈴薯對硝態(tài)氮的需求，需要從根區(qū)土層(0～40 cm)甚至更深土層中吸收硝態(tài)氮才能滿足馬鈴薯的生長。F2處理硝態(tài)氮主要集中在滴頭附近40 cm范圍內(平均濃度為30.2 mg/L)，40～60、60～100和100～120 cm土層的硝態(tài)氮濃度分別為10.9、7.5和11.4 mg/L，均低于種植前，同樣需要從根區(qū)和深層土壤吸收硝態(tài)氮來滿足馬鈴薯對硝態(tài)氮的需求。F3處理0～60 cm土層的平均硝態(tài)氮濃度為26.3 mg/L，其中距離滴頭0～40 cm范圍內平均濃度為35.6 mg/L，且60 cm以下土層的硝態(tài)氮濃度則明顯低于12.3 mg/L，濃度均低于播種前，表明施肥量比例在50%時仍不能滿足馬鈴薯對硝態(tài)氮的需求，同時沒有硝態(tài)氮從根系分布層淋失。隨著施肥量的增加，F(xiàn)4與F5處理的硝態(tài)氮濃度明顯增加，0～60 cm土層滴頭附近40 cm范圍內的平均硝態(tài)氮濃度分別為44.5和44.7 mg/L，與播種前濃度接近，基本上能夠滿足馬鈴薯對硝態(tài)氮的吸收。同時，硝態(tài)氮從根系分布層的淋失也逐漸增加，F(xiàn)4和F5處理在100～120 cm土層的平均硝態(tài)氮濃度，分別為21.0和20.1 mg/L，且比播種前高出21.2%和16.4%，表現(xiàn)出明顯地硝態(tài)氮積累。然而，F(xiàn)5處理在60～100 cm土層的硝態(tài)氮濃度為22.0 mg/L，與播種前接近，且明顯高于F4處理(平均硝態(tài)氮濃度為12.0 mg/L)。因此，馬鈴薯滴灌施肥灌溉時，施肥量比例為70%(F4處理)即可滿足其對硝態(tài)氮的需求，并能有效地將硝態(tài)氮保持在根系分布層，減少了向下淋洗的損失。

圖2 馬鈴薯生長季末土壤剖面硝態(tài)氮空間分布圖Fig.2 The spatial distribution of concentration in the vertical transects perpendicular to the drip lines at the end of growing season

2.2 土壤銨態(tài)氮

馬鈴薯種植前，0～120 cm土層的銨態(tài)氮分布相對均勻，平均濃度為0.87 mg/L，銨態(tài)氮濃度在0～40 cm土層為0.82 mg/L，40～120 cm土層為0.90 mg/L(表1)。經(jīng)過整個生長季的滴灌施肥灌溉后，生長季末各處理的銨態(tài)氮濃度在土壤中的分布表現(xiàn)出明顯的差異(圖3)。銨態(tài)氮隨水在土壤中的垂直移動距離較小，水平移動距離較大，主要集中在水平距離滴頭55 cm的30 cm土層內，與播前相比，均有不同程度的增加。隨著施肥量的增加，0～40 cm土層的銨態(tài)氮濃度呈先增加后下降的趨勢，而下層土壤(60～120 cm)的銨態(tài)氮濃度變化正好相反，呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢。

經(jīng)過一個生長季后，各處理的銨態(tài)氮主要集中在0～30 cm土層，F(xiàn)1、F2、F3、F4和F5處理的銨態(tài)氮濃度分別為1.33、1.62、1.91、2.20和1.39 mg/L，這主要是因為銨態(tài)氮在土壤中易被土壤顆粒吸附在表層，不易隨水移動，且位于其下層的根系不易吸收的緣故。30～120 cm土層的銨態(tài)氮濃度以F1處理最高，為1.11 mg/L，且分布不均，40～60 cm土層距滴頭水平15～35 cm的范圍內有一明顯積累區(qū)，平均濃度為2.34 mg/L。這可能是因為低施肥量比例時，經(jīng)過多次滴灌施肥灌溉后，銨態(tài)氮被土壤顆粒吸附相對較少，而隨灌溉水向下移動較多的緣故。同時，較小的根系對銨態(tài)氮吸收相對較少可能也是造成這種現(xiàn)象的原因之一。隨著施肥量的增加，30～90 cm土層的銨態(tài)氮濃度明顯降低，F(xiàn)2和F3處理的平均銨態(tài)氮濃度分別為0.62和0.65 mg/L，兩個處理在90 cm以下土層的銨態(tài)氮濃度均較低，且分布均勻，僅為0.38 mg/L，這可能是根系從下層土壤吸收銨態(tài)氮以滿足馬鈴薯生長的緣故。施肥量進一步增加后，30～90和90～120 cm土層的銨態(tài)氮濃度均有所增加，且在垂直方向上增加明顯，水平距離滴頭30 cm內，F(xiàn)4和F5處理在30～120 cm土層的銨態(tài)氮濃度分別為0.99和0.72 mg/L，與播種前濃度接近。因此，滴灌施肥灌溉施肥量比例為70%(F4處理)時，銨態(tài)氮不僅可以滿足馬鈴薯生長的需求，還能有效地積累在根系分布范圍內(特別是表層)。

圖3 馬鈴薯生長季末土壤剖面銨態(tài)氮空間分布圖Fig.3 The spatial distribution of concentration in the vertical transects perpendicular to the drip lines at the end of growing season

2.3 土壤速效磷

馬鈴薯播種前，土壤速效磷除表層(0～10 cm)濃度較高(0.147 mg/L)外，0～120 cm土層內分布相對均一，平均濃度為0.070 mg/L；0～40和40～120 cm土層的速效磷濃度分別為0.083和0.064 mg/L(表1)。播種時條施磷肥后，經(jīng)過整個生育期的滴灌施肥灌溉，生長季末各處理土壤的速效磷分布表現(xiàn)出明顯的差異(圖4)。磷在土壤中容易被吸附，隨灌溉水在土壤中的移動距離較小，故速效磷主要集中在滴頭附近0～30 cm范圍內，與播種前相比，各處理均有不同程度的增加，增幅在62.0%～280.6%，這主要是由于磷肥在播種時全部條施于地表10 cm的緣故。隨著施肥量的增加，0～30 cm土層的速效磷濃度呈先增加后下降的趨勢，而60～120 cm土層的速效磷濃度則在各處理間差異較小。

圖4 馬鈴薯生長季末土壤剖面速效磷空間分布圖Fig.4 The spatial distribution of available phosphorus concentration in the vertical transects perpendicular to the drip lines at the end of growing season

經(jīng)過一個生長季的滴灌施肥灌溉后，F(xiàn)1、F2、F3、F4和F5處理在滴頭附近30 cm范圍內的平均速效磷濃度分別為0.134、0.174、0.196、0.316和0.190 mg/L。除F3處理在40～60 cm土層距滴頭水平距離10～30 cm范圍內有一個明顯積累區(qū)(平均濃度0.366 mg/L)外，各處理呈分層分布，且差異較小，30～60、60～90和90～120 cm土層的速效磷濃度分別為0.093～0.188、0.073～0.103和0.037～0.130 mg/L。30～120 cm土層的速效磷濃度與播前接近，表明施肥量對中下層土壤的速效磷濃度影響較小，這與磷容易被土壤顆粒吸附且在土壤中移動性差有關。因此，滴灌施肥灌溉下施肥量比例在50%～70%(F3和F4處理)時，速效磷能夠有效地積累在土壤表層0～30 cm，且可滿足馬鈴薯對磷的吸收。

2.4 土壤速效鉀

馬鈴薯種植前，土壤速效鉀除了表層土壤(0～10 cm)濃度較高(25.9 mg/L)外，0～120 cm土層內分布相對均勻，平均濃度為12.1 mg/L，0～40和40～120 cm土層的速效鉀濃度分別為14.5和10.9 mg/L(表1)。經(jīng)過整個生長季的滴灌施肥灌溉后，生長季末各處理的速效鉀在土壤中的分布表現(xiàn)出明顯的差異(圖5)。速效鉀主要集中在0～60 cm土層，隨著施肥量的增加，速效鉀垂直分布減弱，而水平分布增加，60～120 cm土層的速效鉀濃度則呈下降的趨勢。與播種前相比，各處理的速效鉀濃度明顯增加。

經(jīng)過一個生長季的滴灌施肥灌溉后，F(xiàn)1處理的速效鉀濃度主要分布在0～60 cm土層水平距離滴頭25 cm范圍內，平均濃度約為73.3 mg/L。隨著施肥量的增加，速效鉀水平分布范圍增加，F(xiàn)2、F3、F4和F5處理分別增加至35、40、55和55 cm，垂直分布范圍減少，F(xiàn)2、F3、F4和F5處理則垂直分布在60、60、50和45 cm土層內。F2、F3、F4和F5處理速效鉀在集中分布土體內的平均濃度分別為39.4、42.3、40.7和45.5 mg/L。60～120 cm土層各處理的速效鉀濃度較低，F(xiàn)1、F2、F3和F4處理分別主要分布在水平0～30 cm(平均濃度為34.0 mg/L)、0～40 cm(平均濃度為27.9 mg/L)、0～40 cm(平均濃度為28.2 mg/L)和25～55 cm(平均濃度為33.4 mg/L)范圍內，其他范圍均低于20.0 mg/L。F5處理在50～120 cm土層分布均勻，平均濃度為17.9 mg/L。結果表明，隨著施肥量的增加，上層土壤對速效鉀的吸附作用增強，隨灌溉水在水平方向上的分布范圍增大。因此，滴灌施肥灌溉下施肥量比例在50%以上時，速效鉀主要積累在0～40 cm土層，但施肥量比例過大時，水平分布范圍過大，仍存在馬鈴薯根系不能吸收利用速效鉀的風險。

圖5 馬鈴薯生長季末土壤剖面速效鉀空間分布圖Fig.5 The spatial distribution of available potassium concentration in the vertical transects perpendicular to the drip lines at the end of growing season

2.5 產(chǎn) 量

隨著施肥量的增加，夏波蒂的產(chǎn)量呈先增加后下降的趨勢，以F3處理產(chǎn)量最高，為25.3 t/hm2，除顯著高于F1處理外，與其他處理間差異不顯著(圖6)。回歸分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)量(y)與施肥量(x)的關系為二次曲線關系，表達式為y=16.34+24.57x-16.89x2(R2=0.941 8)，即當施肥量比例為推薦施肥量的72.7%(F4處理附近)時，產(chǎn)量最高。

圖6 馬鈴薯產(chǎn)量與施肥量的關系Fig.6 Relationships between tuber yield with fertilization levels

3 結 語

馬鈴薯田經(jīng)過整個生育期的滴灌施肥灌溉后，隨著施肥量的增加，0～60 cm土層的硝態(tài)氮濃度增加，且向土壤下層的移動增加；0～40 cm土層的銨態(tài)氮濃度和0～30 cm土層的速效磷濃度呈先增加后下降的趨勢；0～60 cm土層的速效鉀濃度在垂直分布減弱，而水平分布增加。當施肥量比例在70%左右(F4處理)時，即可滿足馬鈴薯對土壤速效養(yǎng)分的需求，有利于根區(qū)土壤速效養(yǎng)分含量的提高，同時減少了養(yǎng)分從根區(qū)的淋失。當施肥量比例為推薦施肥量的72.7%(F4處理附近)時，夏波蒂的產(chǎn)量最高。結合農(nóng)田土壤養(yǎng)分積累情況與產(chǎn)量認為，滴灌施肥灌溉時，當施肥量比例為推薦施肥量的70%左右時，不僅滿足了馬鈴薯對土壤速效養(yǎng)分的需求，產(chǎn)量較高，而且降低了施肥量、減少了養(yǎng)分從根區(qū)的淋失。