內蒙古馬鈴薯主產區基礎地力及增產潛力研究

王迎男，高 娃，郜翻身，樸明姬，樊明壽，賈立國，柳 昱，鄭海春*

（1 內蒙古自治區土壤肥料和節水農業工作站，呼和浩特 010011；2 內蒙古農業大學，呼和浩特 010018）

馬鈴薯是中國第四大糧食作物之一。2016年中國馬鈴薯種植面積達581.3萬公頃，總產量為9906.6萬噸，較2006年面積增加38.0%，產量增加83.4% (FAO)，種植面積的增加、肥料的投入、馬鈴薯品種的改良、管理措施的改進以及土壤肥力的提升是馬鈴薯產量提高的重要因素[1]。內蒙古是我國馬鈴薯主產省區之一，其種植面積、產量均居于全國前列[2]。種植區域主要集中在陰山南麓區、陰山北麓區、燕山丘陵區和大興安嶺北麓區。由于生態類型與栽培技術匹配性差，加之肥料的過量投入，導致肥料利用率降低[3-4]。因此，探究內蒙古馬鈴薯主產區基礎地力對馬鈴薯產量的影響，對于指導內蒙古地區合理施肥具有重要的意義。前人研究[5-6]指出，作物施肥產量與基礎地力呈顯著正相關，基礎地力越高，作物施肥產量越高。Fan等[7]采用地力貢獻率評價了基礎地力對施肥產量的影響，提升基礎地力，可增加作物產量，即地力對施肥產量的貢獻率越大。梁濤等[8]研究表明，土壤基礎地力越高，在合理施肥的條件下，可獲得的作物產量潛力越大，作物產量的穩定性和可持續性越好。然而，有關內蒙古馬鈴薯主產區土壤基礎地力現狀的研究未見報道，針對主產區基礎地力對馬鈴薯產量的影響尚不清晰。因而探究基礎地力和施肥效應與馬鈴薯產量的關系對于指導不同生態區土壤肥力下的馬鈴薯科學施肥顯得尤為重要。本研究收集了2006—2015年在內蒙古陰山南麓區、陰山北麓區、燕山丘陵區、大興安嶺北麓區4個生態區開展的1118個試驗點，對馬鈴薯主產區基礎地力產量、貢獻率以及基礎地力和肥料效應對產量的影響進行評估，旨在揭示內蒙古馬鈴薯主產區土壤基礎地力及馬鈴薯的產量潛力，為區域馬鈴薯增產和提質增效奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

內蒙古馬鈴薯種植范圍較廣，主要分布在陰山南麓區、北麓區，燕山丘陵區和大興安嶺北麓區。陰山南麓位于大青山南部沖擊平原，屬中溫帶大陸性季風氣候，≥ 10℃有效積溫2000～3000℃，年平均降水量為335～535 mm，主要土壤類型為栗鈣土、草甸土、風沙土等；陰山北麓區位于內蒙古中部大青山背部山地丘陵區，屬中溫帶大陸性季風氣候，≥ 10℃有效積溫1800～2500℃，年平均降水量為150～450 mm，主要土壤類型為栗鈣土；燕山丘陵區位于內蒙古燕山低山丘陵區，屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候，≥ 10℃有效積溫為1800～3300℃，年平均降水量為300～500 mm，主要土壤類型為栗鈣土、褐土、草甸土、栗褐土、風沙土等；大興安嶺北麓區位于內蒙古呼倫貝爾市東北部，屬中溫帶大陸性季風氣候，≥ 10℃有效積溫為1651～2647℃，年平均降水量為250～550 mm，主要土壤類型為黑鈣土、栗鈣土、草甸土、灰色森林土等。具體旗縣分布見表1。

1.2 研究內容與方法

本研究收集了2006—2015年國家測土配方施肥項目在內蒙古開展的1118個馬鈴薯田間試驗，試驗分別在陰山南麓區、陰山北麓區、燕山丘陵區、大興安嶺北麓區4個生態區進行，各生態區馬鈴薯試驗樣本數分別為336個、571個、129個和82個，各生態區的土壤基本理化性狀見表2。試驗小區面積為20～50 m2。選取每個試驗點無肥對照 (CK) 和氮磷鉀肥 (NPK) 處理的馬鈴薯產量數據，對照處理不施用任何肥料，氮磷鉀肥處理按照試驗點當地測土配方施肥結果推薦施用，4個生態區的氮磷鉀肥施用量見表1。供試氮肥為尿素 (N 46%)，磷肥為過磷酸鈣 (P2O514%)，鉀肥有硫酸鉀 (K2O 50%) 和氯化鉀(K2O 60%)，其中磷肥和鉀肥全部基施，氮肥分次追施。試驗由試驗點當地的農技部門人員開展，試驗肥料、田間管理以及產量的測定等均參照農業農村部《測土配方施肥技術規范》[9]進行。

1.3 數據處理與分析

土壤基礎地力 (indigenous soil productivity，ISP)通常可以用不施肥條件下作物產量來評價土壤基礎地力狀況[7]。本研究用無肥區 (CK) 馬鈴薯產量表示馬鈴薯基礎地力產量；同時，為了評價作物產量對土壤的依賴性，計算土壤 (對產量的) 貢獻率(Csoil)。

式中，YCK為無肥區處理的平均產量；YNPK為氮磷鉀處理的平均產量。

采用線性回歸[8]和邊界線分析方法[10]量化基礎地力對施肥產量和產量差的影響。邊界線擬合計算方法如下：

式中，Yp是邊界線預測產量，Ya是氮磷鉀肥處理可獲得的最高預測產量，K、R為方程常數。

表1 內蒙古馬鈴薯主產區旗縣分布及施肥量Table 1 Banners and counties located in each eco-region of Inner Mongolia and the corresponding fertilization rate

表2 內蒙古馬鈴薯主產區土壤基礎理化性狀Table 2 The physical-chemical properties on main production areas of potato in Inner Mongolia

根據邊界線擬合得到的最高產量 (Ya) 計算產量差 (Ygap)。

式中，Ygap是產量差，表示施用氮磷鉀肥處理可獲得的最高預測產量與試驗現實產量之差。

作物產量的可持續性指數 (sustainable yield index，SYI) 是衡量系統能否持續生產的一個參數，SYI值越大，表明產量的可持續性越好。產量穩定性指數 (stability index，SI) 是衡量作物產量穩定性的重要參數，SI值越低表明產量越穩定[11]。計算方法為：

可持續性指數 (SYI) = [AVE (YNPK) - STD(YNPK)]/YNPK-max

穩定性指數 (SI) = STD (YNPK)/AVE (YNPK)

式中，AVE (YNPK) 為平均產量，STD (YNPK) 為標準差，YNPK-max為試驗中的最高產量。

為評價馬鈴薯產量和肥料對土壤基礎地力的響應，本文采用平均單產法[5]將1118個試驗按照不施肥對照產量的高低將土壤地力產量分為 ＜ 6、6～12、12～18、18～24、24～30 和 ＞ 30 t/hm2共 6 個等級。

利用Excel2010、SPSS25.0、Sigmaplot10.0軟件進行數據統計與分析。

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯主產區基礎地力產量及地力貢獻率

馬鈴薯主產區基礎地力產量及地力貢獻率統計結果 (表3)表明，內蒙古地區馬鈴薯土壤基礎地力產量在13.10～16.45 t/hm2，平均為14.98 t/hm2。按四個生態區比較，基礎地力產量由高到低依次為大興安嶺北麓區 ＞ 燕山丘陵區 ＞ 陰山北麓區 ＞ 陰山南麓區，陰山南麓區顯著低于其他三個區。在現有基礎地力條件下，四個生態區氮磷鉀推薦施肥下的馬鈴薯產量、增產量以及地力貢獻率由大到小的順序與地力相同，陰山南麓區施肥產量、施肥增產量和地力貢獻率均顯著低于其他三個生態區。

2.2 馬鈴薯主產區基礎地力水平對產量貢獻率的影響

各生態區中，當基礎地力產量由小于6 t/hm2增加到大于30 t/hm2時，馬鈴薯地力貢獻率陰山南麓區由52.7% 增加到72.2%，陰山北麓區由56.2%增加到74.5%，燕山丘陵區由39.0%增加到75.7%，大興安嶺北麓區由52.4%增加到76.7%。4個馬鈴薯產區的結果均表明，隨著基礎地力的提升，土壤基礎地力對施肥產量的貢獻率呈現逐漸上升的趨勢 (圖1)。

2.3 基礎地力和施肥對馬鈴薯預測產量與實測產量差值的影響

對馬鈴薯施肥產量與基礎地力產量進行直線擬合，陰山南麓區、陰山北麓區、燕山丘陵區、大興安嶺北麓區的擬合決定系數分別為0.769、0.876、0.770和0.790 (P＜ 0.0001)，直線斜率均為正值，表明隨著土壤基礎地力的提高，馬鈴薯推薦施肥產量也隨之提高 (表4、圖2)。然而，實測結果表明，隨著基礎地力的提高，肥料的增產效應呈現下降趨勢，當基礎地力產量由 ＜ 6 t/hm2上升到 ＞ 30 t/hm2時，肥料增產率從120%下降到35.4% (表5)。說明施肥產量并不能隨著基礎地力的提升而不斷增加。

基礎地力與馬鈴薯施肥產量的邊界線擬合結果見表4和圖2。陰山南麓區、陰山北麓區、燕山丘陵區、大興安嶺北麓區馬鈴薯邊界線擬合系數分別為0.852、0.877、0.666 和 0.832 (P ＜ 0.0001)。四個生態區馬鈴薯施肥可獲得的產量潛力 (Ya) 分別為53.68、62.87、65.39 和 69.65 t/hm2。

施用氮磷鉀肥處理可獲得的最高預測產量與試驗現實產量之差即為產量差。圖3為不同基礎地力等級下馬鈴薯的產量差。陰山南麓區當馬鈴薯基礎地力產量由小于6 t/hm2增加到大于30 t/hm2時，產量差由44.36 t/hm2下降至11.06 t/hm2；陰山北麓區馬鈴薯基礎地力產量由小于6 t/hm2增加到大于30 t/hm2時，產量差由56.48 t/hm2下降至12.85 t/hm2；燕山丘陵區馬鈴薯基礎地力產量由小于6 t/hm2增加到大于30 t/hm2時，產量差由51.56 t/hm2下降至13.97 t/hm2；大興安嶺北麓區馬鈴薯基礎地力產量由小于6 t/hm2增加到大于30 t/hm2時，產量差由55.36 t/hm2下降至19.11 t/hm2，表現為隨著基礎地力的提升，馬鈴薯獲得區域高產潛力的產量差逐漸降低，表明通過提升土壤基礎地力，可以縮減產量差，實現馬鈴薯高產。

表3 馬鈴薯主產區基礎地力產量、施肥產量及地力貢獻率Table 3 The yield in ISP and fertilization yield and the contribution of ISP on main production areas of potato in Inner Mongolia

圖 1 各生態區基礎地力對地力貢獻率的影響Fig. 1 Effect of indigenous soil productivity on contribution rate of soil productivity in each eco-region of Inner Mongolia

表4 基礎地力與馬鈴薯施肥產量的直線擬合和邊界線分析Table 4 Linear fitting and boundary line analysis of indigenous soil productivity and fertilization yield

圖 2 馬鈴薯施肥產量與基礎地力的關系Fig. 2 The relationship between fertilization yield and indigenous soil productivity

2.4 基礎地力對馬鈴薯產量穩定性和可持續性的影響

從圖4可以看出，不同生態區馬鈴薯產量的穩定性和可持續性隨著土壤基礎地力的變化而變化。各生態區土壤基礎地力上升時，馬鈴薯施肥產量的穩定性指數呈現出下降趨勢，而可持續性指數呈現明顯的上升趨勢；當土壤基礎地力由小于6 t/hm2上升到大于30 t/hm2時，陰山南麓區馬鈴薯產量穩定性指數由0.19下降至0.07，可持續性指數由0.11上升至0.49；陰山北麓區馬鈴薯產量穩定性指數由0.33下降至0.06，可持續性指數由0.03上升至0.42；燕山丘陵區馬鈴薯產量穩定性指數由0.19下降至0.06，可持續性指數由0.14上升至0.46；大興安嶺北麓區馬鈴薯產量穩定性指數由0.16下降至0.06，可持續性指數由0.15上升至0.70。因此，土壤基礎地力較低的地塊不僅馬鈴薯產量穩定性和可持續性較低，而且產量波動性較大，易受環境和氣候的影響；土壤基礎地力較高的地塊易獲得更高的產量，且穩定性和可持續性相對較好，所以提升土壤基礎地力可同時促進馬鈴薯產量的穩定性和可持續性，有利于實現馬鈴薯的高產和穩產。

3 討論

3.1 提升土壤基礎地力，實現作物的高產穩產和可持續性生產

圖 3 基礎地力對馬鈴薯施肥產量差的影響Fig. 3 Effect of indigenous soil productivity on fertilization yield gap of potato

大量試驗研究結果表明，作物產量與土壤基礎地力密切相關，基礎地力產量和地力貢獻率是衡量基礎地力的綜合指標[7-8,12-13]，基礎地力產量是確定適宜施肥水平的重要依據。魯艷紅等[14-15]通過長期定位試驗表明，土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀是影響土壤基礎地力產量的主要養分因子。有機質在土壤中既可以周轉養分，穩定土壤結構，又可以促進根系環境的發展，有利于土壤水分的保持。本研究對內蒙古馬鈴薯主產區的基礎地力評價結果顯示，大興安嶺北麓區土壤類型主要以黑鈣土為主，有機質平均含量較高，陰山南麓區土壤類型主要有栗鈣土、風沙土等，土壤有機質平均含量較低，低于全區平均水平。土壤有機質含量表現為陰山南麓區 ＜ 陰山北麓區 ＜ 燕山丘陵區 ＜ 大興安嶺北麓區(表2)，馬鈴薯基礎地力產量依次為13.10、14.67、15.71和16.45 t/hm2，其高低順序與有機質含量相同。基礎地力對馬鈴薯產量的貢獻率與基礎地力產量表現出相同的規律，基礎地力產量越高，土壤對產量的貢獻率越大。然而，內蒙古馬鈴薯主產區地力的時空特征尚不明晰，尤其是對基礎地力較低的土壤空間分布分析較少，這將成為今后的重點研究方向。

3.2 提升基礎土壤肥力，提高肥料的效益

土壤基礎地力與肥料相對貢獻率呈顯著負相關[7]，土壤基礎地力的提升可以有效降低作物產量對肥料的依賴，實現作物的高產穩產。本研究通過對多年多點田間試驗的總結發現，在內蒙古馬鈴薯主產區，施肥產量均與土壤基礎地力呈顯著正相關 (圖2)，與徐春麗等[16]、黃興成等[12]在糧油作物和玉米上的研究結果一致。然而，隨著基礎地力的提高，肥料增產效果有所下降，當基礎地力產量小于6 t/hm2時，肥料增產率可達到120%，當基礎地力產量增加到大于30 t/hm2時，肥料增產率僅為35.4% (表5)。另外，通過對基礎地力與馬鈴薯施肥產量的邊界線擬合發現，陰山南北麓、燕山丘陵區、大興安嶺北麓區施肥可獲得的產量潛力分別為53.68、62.87、65.39和69.65 t/hm2。這充分說明土壤基礎地力越高，可獲得的產量潛力越大，因此通過提高土壤基礎地力，不僅可以挖掘農田生產潛力，增加作物產量，還可以減少對外源肥料的依賴，將肥料用量控制在適宜范圍內，降低農業環境污染。通過研究還發現，土壤基礎地力的提升對降低作物產量差至關重要，表現在隨著基礎地力的提升，馬鈴薯獲得區域高產潛力的產量差逐漸降低 (圖3)，表明通過基礎地力的提升，可以縮減產量差，實現馬鈴薯高產，為今后馬鈴薯產量差縮減途徑研究提供了新方向。土壤生產力的穩定性和可持續性是實現區域作物綠色生產的必然要求，本研究結果顯示，隨著土壤基礎地力的提升，馬鈴薯施肥產量穩定性和可持續性隨之提高 (圖4)，表明地力的提升不僅能夠促進馬鈴薯高產潛力的挖掘，還可以有效促進區域馬鈴薯穩產和可持續性生產，為實現區域馬鈴薯綠色生產提供了有力保障。

圖 4 不同生態區土壤基礎地力下的馬鈴薯產量穩定性和可持續性Fig. 4 Stability and sustainable yield indexes (SI and SYI) of potato under different indigenous soil productivity

陰山南北麓區馬鈴薯播種面積達44 萬公傾，約占全區馬鈴薯播種面積的75%，是內蒙古馬鈴薯主產區域。但是，產量占全區馬鈴薯產量的69% (低于面積占比)，主要是由于陰山南麓區耕地水蝕和風蝕沙化嚴重。沒有完善的水保措施，都存在不同程度的水蝕；氣候干旱，植被稀疏，風蝕沙化耕地面積占總耕地面積的23.4%。加之水資源緊缺，天然降水和灌溉用水的利用效率低。陰山北麓區土壤養分貧瘠，物理性狀差，土壤有機質含量低于20 g/kg、全氮含量低于1.0 g/kg；耕層土壤質地以沙壤土、沙土為主，土體構型薄層型、漏沙型，保水保肥能力低等因素制約了馬鈴薯產量的提高。因此，可以采取以下保護措施進行改善：一是通過風蝕沙化耕地治理工程，采用農田整治、田林路配套、建設生物籬帶等措施開展風蝕沙化耕地治理；二是耕層建設工程，推廣輪作免耕深松、增施有機肥或者建設小型智能化配肥站；三是農田節水工程，配套滴灌、噴灌等設施，建設實施水肥一體化。以往內蒙古地區土壤地力研究主要為單一或多肥力因子，鮮少有長期定位監測評價體系的報道研究，缺乏對造成我區土壤地力低的障礙因素的綜合分析，因此建立土壤耕地地力等級變更評價體系，實現耕地保護與質量提升和化肥減量增效是馬鈴薯產業可持續發展中亟待解決的重大課題。

4 結論

1) 內蒙古馬鈴薯各主產區的土壤基礎地力產量、施肥產量及地力貢獻率存在差異。土壤基礎地力產量在13.10～16.45 t/hm2，平均為14.98 t/hm2，其中陰山南麓區、陰山北麓區、燕山丘陵區、大興安嶺北麓區馬鈴薯基礎地力產量分別為13.10、14.67、15.71和16.45 t/hm2，基礎地力對產量的貢獻率分別為57.6%、62.7%、63.9%和66.2%。氮磷鉀推薦施肥產量在20.90～26.54 t/hm2，施肥平均增產9.01 t/hm2。

2) 邊界線擬合結果表明，陰山南麓區、陰山北麓區、燕山丘陵區、大興安嶺北麓區施肥可獲得的最高預測產量分別為53.68、62.87、65.39和69.65 t/hm2。隨著土壤基礎地力的提升，土壤對產量的貢獻率增加，施肥可獲得的產量潛力增大。

3) 土壤基礎地力與馬鈴薯產量差呈顯著負相關，通過提升基礎地力，可以縮減產量差。隨著土壤基礎地力提升，馬鈴薯施肥產量的穩定性指數下降，可持續性指數增大，意味著提升基礎地力有利于馬鈴薯的高產、穩產。