水氮磷鉀耦合效應對旱區馬鈴薯增產增效的研究

賈 帥，郭媛姣，高洪香，李夢剛

（1.寧夏職業技術學院（寧夏廣播電視大學），銀川750021；2.寧夏水文水資源監測預警中心，銀川750002；3.寧夏水利水電勘測設計研究院有限公司，銀川750004）

0 引 言

寧夏中部干旱（區）帶降雨稀少，蒸發量較大，是制約當地旱農生產和經濟發展的重要因素，而土壤肥力低下，抑制了有效灌溉水在生產潛力的發揮作用。通過優化水、氮、磷、鉀組合進行灌溉施肥，可有效改善作物生長狀況，促進作物增產增效，提高作物品質和水肥利用效率[1]。

目前有研究表明，水分和氮磷鉀對作物的影響有相似的臨界值，但影響的順序不同，依次為水、氮、磷、鉀[2]；黃長江等[3]對大白菜采用“3414”試驗設計，得出肥料對大白菜生長和產量的影響依次為氮、磷、鉀；文玉能等[4]研究表明，氮、磷、鉀肥對馬鈴薯產量的影響為：磷肥＞氮肥＞鉀肥，氮、磷、鉀肥交互效應均為正；說明氮肥的施入量對作物生長和提高產量影響較明顯。作物的產量與施肥量均呈拋物線形增長[5]，在實際生產過程中，為提高馬鈴薯的產量，投入大量的肥料使用量，使得土壤中的肥料偏高，導致土壤中出現肥料污染，也造成了環境的污染[6]。在現代農業發展中，作物對水肥的依賴性較強，并且水肥之間的交互作用更加重要，灌水和施肥量的多少對作物品質、產量以及經濟效益都起著決定性作用。以往的研究主要集中在水肥耦合下對膜下滴灌馬鈴薯產量和水分利用效率的研究，肥料主要以氮肥施入為主，得出的結論也不盡相同。并且在研究水肥耦合過程中對水氮磷鉀交互作用研究較少。

因此，針對寧夏干旱區膜下滴灌馬鈴薯的水肥管理，本文開展水、氮、磷、鉀交互作用下馬鈴薯的生長發育、產量、水分利用效率、肥料利用效率等研究，提出了馬鈴薯高產高效水肥管理的最優組合，對提高馬鈴薯單產和肥料養分利用效率等方面具有十分重要的實際應用價值。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

田間試驗于2019年在寧夏同心縣王團鎮科技示范園區進行。該地區屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，全年干旱少雨，蒸發量大，年平均降水量272.6 mm，多年平均日照3 024 h，無霜期120～280 d，年平均氣溫8.6 ℃。試驗區土壤理化性質，試驗區土壤為沙壤土，0～60 cm 土層田間持水率和土壤容重分別為22.25%和1.32 g∕cm3，具體如表1所示。

表1 試驗地土壤理化性質概況Tab.1 Situation of soil physical and chemical properties in upper layer of test area

試驗馬鈴薯采用“青薯168”，全生育期150 d 左右；特點：幼苗生長強，成熟后形狀近似橢圓，表皮紅色，抗病性強，植株耐旱。

采用尿素提供N（46-0-0），磷酸二銨提供P（15-42-0），硫酸鉀復合提供K（15-15-15）。

采用寧夏銀河鋼塑滴灌設備有限公司提供的φ16 PE 滴灌帶，滴水間距為300 mm，流量為2～4 L∕h。

1.2 試驗設計

試驗設灌水量、施氮量、施磷量、施鉀量4 因素3 水平的正交試驗，共9 個處理，每個處理3 次重復，試驗設計見表2。

表2 試驗設計Tab.2 Experimental design

試驗小區采用單壟單條滴灌帶雙行種植模式，壟寬80 cm，壟高20 cm，行距40 cm，株距30 cm。小區長6 m，寬5m，小區面積30 m2，小區間設1 m寬隔離帶，小區四周種植同品種馬鈴薯。馬鈴薯生育時期分苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期、淀粉積累期，按照不同時期需水量分10 次完成各處理的灌水量，每次灌水量用法蘭水表精確控制；根據馬鈴薯需肥規律，各處理均在馬鈴薯后3 個生育時期完成氮肥、鉀肥、磷肥的施入。

試驗種植前土地整理，于2019年5月12日人工撒施磷酸二胺（60 kg∕hm2）、硫酸鉀復合肥（90 kg∕hm2）和尿素（150 kg∕hm2）作為播種前基肥，與試驗處理施入氮、磷、鉀肥分開，旋耕并平整土地。進行小區劃分，人工起壟、鋪管、覆膜。于5月13日進行播種；6月7日馬鈴薯出苗；2019年10月12日收獲；全生育時期共153 d，全生育期內降雨量為212.6 mm，全生育時期內每天的降雨情況如圖1所示。

1.3 測定項目與方法

（1）作物生長指標：作物生長指標內容包括株高、莖粗、干物質積累量等。莖粗采用精度為0.01 mm 的游標卡尺通過十字交叉法測量；收獲時取馬鈴薯地上部分鮮物質，在105 ℃下殺青1 h，70 ℃下烘干至恒重，用電子天平稱重。

（2）土壤含水率：采用傳統土鉆法在馬鈴薯各生育時期前后分別在各試驗小區取3 個點，分別對0～20、20～40、40～60 cm土層取樣，用烘干法測其土壤含水率。

（3）產量Y：作物成熟后，按小區進行測產，折合成每公頃產量。

（4）商品薯率(%) =≥250 g；單薯個數∕馬鈴薯收獲個數×100%。

（5）作物耗水量：采用水量平衡法計算，計算公式為：

式中：ET0為耗水量，mm；P為生育期內降雨量，mm；I為灌水量，mm；ΔW為生育期開始時土壤貯水量與生育期結束時土壤貯水量之差，mm；R為地表徑流量，mm；D為耕層土壤水的滲漏量，mm。

本試驗條件下，地下水位在80 m 以下，每次灌溉量均未能產生徑流，R和D忽略不計。

（6）水分利用效率：

式中：WUE為水分利用效率，kg∕m3；Y為馬鈴薯產量，kg∕hm2。

（7）肥料偏生產力（kg∕kg）=施肥區產量∕施肥量。

1.4 數據處理

試驗數據均采用Excel 2010 和SPSS 17.0 軟件進行統計及方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對馬鈴薯農藝性狀的影響

2.1.1 莖 粗

不同水肥處理對馬鈴薯莖粗的影響如表3所示，各處理的馬鈴薯莖粗隨著生育時期延長逐漸增大，苗期至塊莖膨大期莖粗的增幅較塊莖膨大期至塊莖膨大期、塊莖膨大期至淀粉積累期大，總體增幅表現為先增加后降低。隨著灌水量的增加各生育時期馬鈴薯莖粗逐漸增加，施氮量、施鉀量、施磷量的增加對馬鈴薯莖粗的變化無明顯規律；馬鈴薯各生育時期，水氮磷鉀耦合效應組合均表現T9 處理最大，各生育時期分別為11.05（苗期）、18.35（塊莖形成期）、22.45（塊莖膨大期）、22.58 mm（淀粉積累期）。各處理馬鈴薯莖粗從苗期到塊莖形成期增幅最大T6 處理為7.61 mm，最小T3 處理為6.30 mm；從塊莖形成期至塊莖膨大期增幅最大T7處理為4.70 mm，最小T1 處理為1.72 mm；從塊莖膨大期到淀粉積累期增幅最大T4處理為1.58 mm，最小T7處理為0.13 mm；從苗期到淀粉積累期增幅增大T7處理為12.03，最小T1為10.05 mm。

表3 不同水氮磷鉀耦合效應對馬鈴薯莖粗的影響 mmTab.3 Effects of different water nitrogen，phosphorus and potassium coupling on potato stem thickness

2.1.2 干物質積累量

不同水肥處理對馬鈴薯各生育時期干物質積累量的影響如圖2所示。由圖2可以看出，馬鈴薯干物質積累量增量在塊莖形成期最多，其次是苗期，塊莖膨大期增量較少。苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期均為T9 處理干物質積累量最多，全生育時期內各處理馬鈴薯干物質積累量從大到小依次為T9＞T5＞T7＞T6＞T8＞T3＞T4＞T3＞T2＞T1。T2 處理在塊莖膨大期增量最小為0.9 g∕株，T9 處理最大為15.63 g∕株，較T2 處理增加了14.73 g∕株。

2.2 不同處理對馬鈴薯耗水量、產量、商品率、水分利用效率及肥料偏生產力的影響

不同水肥處理對馬鈴薯產量、商品率、水分利用效率和肥料利用率的影響，如表4所示，可以看出，隨著灌水量的增加，耗水量逐漸增加。馬鈴薯產量表現T9 處理最大為30.21 t∕hm2，與其他處理均存在顯著差異（P＜0.05），T1 處理產量最低為22.68 t∕hm2，比T9處理降低了5.87%。馬鈴薯商品率隨著灌水量的增加逐漸增大，T9 處理最高為68.76%，與其他處理均存在顯著差異（P＜0.05）。水分利用效率T8、T7、T5處理最大，分別為11.06、11.05、11.00 kg∕m3，3 個處理之間無顯著差異（P＞0.05），與其他處理均存在顯著差異（P＜0.05），T7處理水分利用效率最低為9.95 kg∕m3。T8處理的產量較T7、T5處理高，存在顯著差異（P＜0.05）。

表4 不同水氮磷鉀耦合效應對馬鈴薯產量和商品率的影響Tab.4 Effects of different water nitrogen，phosphorus and potassium coupling effects on potato yield and commodity rate

T7 處理氮肥偏生產力最高為228.67 kg∕kg，與其他處理均存在顯著差異（P＜0.05），T3 處理最低為97.38 kg∕kg，隨著氮肥施入量的增加，氮肥偏生產力逐漸降低；T8 處理磷肥偏生產力最大為319.56 kg∕kg，與T6 無顯著差異（P＞0.05），與其他處理存在顯著差異（P＜0.05），T3 處理最低為111.29 kg∕kg，隨著磷肥施入量的增加，磷肥偏生產力逐漸降低；T9 處理鉀肥偏生產力最大為335.67 kg∕kg，與其他處理均存在顯著差異（P＜0.05），T3 處理最低為155.80，隨著鉀肥施入量的增加，鉀肥偏生產力逐漸降低；氮磷鉀肥的偏生產力均表現為灌水量大，肥料偏生產力高。

2.3 各因素對馬鈴薯產量和水分利用效率的影響

對各處理馬鈴薯的產量、水分利用效率數據與灌水量、施氮量、施磷量、施鉀量4 因素進行方差分析如表5所示，灌水量單因素對馬鈴薯產量影響達到極顯著（P＜0.01），施氮量、施磷量、施鉀量3因素分別對馬鈴薯產量影響不顯著（P＞0.05）；4 個因素均對馬鈴薯水分利用效率影響不顯著（P＞0.05）。并且對4 個因素產量和水分利用效率進行極差R分析，可以得出，馬鈴薯產量在4 個因素下極差R（灌水量）＞R（施氮量）＞R（施磷量）＞R（施鉀量），馬鈴薯水分利用效率在4個因素下極差R（施氮量）＞R（施磷量）＞R（施鉀量）＞R（灌水量）；則灌水量是影響馬鈴薯產量的主要因素，施氮量是影響馬鈴薯水分利用效率的主要因素。

表5 馬鈴薯產量、水分利用效率與4因素關系的方差分析Tab.5 Variance analysis of the relationship between new shoot length and three factors

圖3為4 個因素對馬鈴薯產量、水分利用效率的曲線效應，可以看出，馬鈴薯產量隨著灌水量和施氮量的增加逐漸增加，灌水量增加幅度較施氮量大；馬鈴薯產量隨著施磷量和施鉀量的增加逐漸降低。馬鈴薯水分利用效率隨著灌水量和施氮量的增加先增加后降低，灌水量增加過程低于施氮量增加過程，但水分利用效率降低過程大于施氮量；馬鈴薯水分利用效率隨著施磷量和施鉀量的增加先降低后增加，施磷量對馬鈴薯水分利用效率降低幅度大于增加幅度，施鉀量對馬鈴薯水分利用效率降低幅度與增加幅度接近。

3 討 論

膜下滴灌是寧夏旱區眾多有限補灌技術中應用較廣的高效節水灌溉方式，通過將有限的水資源充分利用，極大地降低了水分的無效消耗；適量的氮、磷、鉀肥的供應有利于作物營養器官(根、莖、葉等)的發育和植株群體指標的協調發展，可增加作物農藝性狀、干物質的積累，減少產量損失，提高水肥利用效率[7]。本研究采用膜下滴灌的方式，通過水氮磷鉀正交組合試驗得出，隨著灌水量的增加，馬鈴薯的農藝性狀較優，產量逐漸增加且有顯著差異，并與P S Kashyap 和EI-Gindy A M 學者研究結果一致[8,9]；適宜的水肥配比保障了作物在不減產的前提下，更能有效提高水肥利用效率[10]，本研究T6處理為中水灌溉，與T8處理產量和水分利用效率無顯著差異，并且水分利用效率最高。

合理的水肥配比，可達到“以肥調水、以水促肥、肥水協調”目的，對作物產量、水分利用效率、肥料偏生產力均有提高。大量水氮磷鉀交互作用下作物生長研究，主要集中探索適宜的水肥配比是否能促使作物根系效應，促進植物的根系生長發育，提高植吸水能力，增強忍耐干旱能力，提高水肥利用效率，有研究已表明[11,12]，氮磷鉀肥是馬鈴薯生長所需的主要營養物質，合理配比的氮磷鉀肥的施入能夠有效提高馬鈴薯產量。梁錦秀等[5,13,14]認為氮、磷、鉀肥耦合馬鈴薯的產量呈拋物線增長方式，施氮量對增產效果最明顯，其次為磷肥、鉀肥；合理的水氮磷鉀組合可促進植物生長發育，減少田間無效蒸發，提高水分的利用效率和肥料利用率；本研究結果中，從單因素方差分析氮磷鉀肥對產量和水分利用效率的影響因素依次為施氮量＞施磷量＞施鉀量，T8 處理為高水中氮低磷高鉀組合，水分利用效率和磷肥偏生產力最高。因此，T8處理可作為干旱地區馬鈴薯高產高效水肥管理組合。

4 結 論

本文以不同灌水量和氮、磷、鉀肥施用量交互作用對旱地馬鈴薯農藝性狀、產量及水、肥利用率的影響進行研究，得出以下結果：

（1）在干旱地區采用膜下滴灌的補水方式，馬鈴薯的莖粗和干物質積累量均隨著灌水量的增加逐漸增大，中水量下，中氮高磷低鉀組合下有利于馬鈴薯農藝性狀的增加。氮磷鉀肥料的不同施入量對馬鈴薯的莖粗和干物質積累量影響規律不明顯。

（2）合理的水肥組合有利于提高馬鈴薯產量、商品率、水分利用效率和肥料偏生產力；高水條件下，高氮中磷低鉀組合下產量和商品率最高，與其他處理均存在顯著差異（P＜0.05）。適宜的水肥組合有利于提高馬鈴薯水分利用效率，T5、T6、T8處理的水分利用效率之間無顯著差異（P＞0.05）；氮磷鉀施入量越低，灌溉量越大，肥料偏生產力越高；綜合考慮產量、肥料偏生產力和水肥利用效率，T8處理較優。

（3）灌水量和施氮量單因素對產量的影響呈增加趨勢，施磷量和施鉀量單因素對產量的影響呈遞減趨勢；灌水量和施氮量單因素對水分利用效率的影響呈先增加后降低趨勢，施磷量和施鉀量單因素對水分利用效率的影響呈先降低后增加趨勢；4 個因素對馬鈴薯產量的影響依次為灌水量、施氮量、施磷量、施鉀量，對水分利用效率依次為施氮量、施磷量、施鉀量、灌水量。