馬鈴薯氮素營養特性及氮肥管理

于 靜，陳 楊，樊明壽

（內蒙古農業大學農學院，內蒙古 呼和浩特 010019）

氮是馬鈴薯生長發育中需求量較大的營養元素，土壤中充足的氮素供應是馬鈴薯高產的基礎，因此，氮肥是中國不同產區馬鈴薯生產中施用量最多的肥分之一。但是，中國馬鈴薯生產對氮肥依賴性日益增加，氮肥利用率遠低于發達國家。即使在氮肥利用效率相對較高的東北產區，馬鈴薯的氮肥偏生產力也僅為N 180 kg/kg[1]，遠低于歐美發達國家[2,3]，而在華北集約化經營的馬鈴薯生產體系，氮肥的偏生產力不到N 90 kg/kg[1]。由于氮肥損失途徑多，極易淋洗、揮發，過量施用的環境代價日趨嚴重，而且過量施氮已導致馬鈴薯質量下降、生產成本增加等問題，因此，減氮增效逐漸成為業界的普遍共識。

在國內，不同研究團隊根據馬鈴薯生育進程、種植模式、灌溉方法、土壤理化性質等對氮肥的使用數量進行了大量的研究，提出了許多氮肥推薦方法[4-8]，對改進馬鈴薯氮肥管理技術具有重要意義。然而，上述研究還不能完全滿足減氮增效的需求，關于馬鈴薯氮肥管理的理論與技術研究仍需進一步深入。馬鈴薯氮肥管理策略除需考慮上述因素外，還需要考慮馬鈴薯根系生物學特性、氮素營養規律、馬鈴薯產質量形成規律。由于塊莖發生發育是馬鈴薯產量形成的基礎和前提，而且近年來關于氮素營養與馬鈴薯塊莖形成、發育的關系研究取得了重要進展，因此為進一步研究優化馬鈴薯氮肥管理技術，挖掘提升馬鈴薯氮肥利用率的潛力，本文對馬鈴薯氮素營養規律研究進展做一綜述，并針對中國馬鈴薯生產中氮肥管理存在的問題，提出馬鈴薯氮肥管理的原則和研究方向。

1 馬鈴薯氮營養規律

1.1 馬鈴薯對氮的需求

單位經濟產量的氮素需求量是確定作物氮肥施用總量必須考慮的因子[4]。研究表明，平均每生產1 t塊莖，馬鈴薯植株需要吸收N 4～6 kg。但馬鈴薯氮素需求量因品種和產量水平有所變化，而且變化幅度遠大于禾本科作物[9]，這可能是由于馬鈴薯塊莖為營養體的緣故。中國幅員遼闊，各地生態條件及推廣的馬鈴薯品種差異較大，因此制定馬鈴薯施肥方案時，養分需求量指標應基于當地的研究結果，不能盲目照搬。

由于氮肥的損失途徑較多，因此氮肥分期調控被普遍接受并已成為作物養分管理技術的重要內容[4,5,9,10]。基于此，科學的氮肥管理措施不僅需要了解馬鈴薯的氮素需求數量，而且需要深入、準確理解馬鈴薯的氮素吸收規律。一般而言，馬鈴薯的生長發育可分成5個不同生育時期：芽條生長期、苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期、淀粉積累期或成熟期。本課題組綜合國內外不同研究團隊的報道，總結了馬鈴薯不同生育時期的氮素吸收比例如圖1[8]。其中，馬鈴薯在塊莖形成期與塊莖膨大期所吸收的氮素占整個生育期吸收量的80%左右。因此，其為氮素營養關鍵期，顯然這是馬鈴薯氮肥施用的理論基礎。

1.2 氮供應數量對馬鈴薯塊莖發育的影響

圖1 馬鈴薯不同生育期氮素吸收比例[8]Figure 1 Percentage of N absorption by potato plants at different growth stages

早在20世紀80年代Krass和Marschner[11]就提出氮素水平是影響馬鈴薯塊莖形成的環境因素之一。之后，在組培、水培及田間條件下均證明高濃度氮積結薯數是重要的產量構成因子，這意味著要協同提高馬鈴薯的產量與氮肥利用率，氮肥施用時間與數量極為重要。如果種肥氮施用過多，不僅不利于馬鈴薯塊莖形成，而且由于馬鈴薯苗期氮素需求量較小，氮素淋洗和揮發的風險增加。素供應推遲馬鈴薯結薯，甚至抑制結薯[11-13]。敖孟奇等[13]研究發現，馬鈴薯苗期土壤礦質態氮（Nmin）含量在一定范圍內時，馬鈴薯結薯數隨著Nmin而增加，但當土壤Nmin達到一定程度時，馬鈴薯結薯數則表現為隨Nmin的增加而降低（圖2）。由于單位面

圖2 土壤Nmin與馬鈴薯結薯數的關系[13]Figure 2 Relation between soil Nmin and potato tuber number per plant

1.3 氮形態與馬鈴薯生育

植物可吸收的氮源主要為硝態氮和銨態氮，且不同植物對氮素形態的喜好存在差異。1986年，Davis等[14]研究發現長期供應NH4-N，馬鈴薯的生長受到抑制，因此認為馬鈴薯為喜硝作物。而芶久蘭等[15]、焦峰等[16]相繼在大田條件下研究發現，NH4-N供應下馬鈴薯產量顯著高于供應NO3-N，這可能由于田間NO3-N淋洗損失較多的原因。還有田間試驗表明，馬鈴薯在NO3-N和NH4-N混合介質中比在其單一介質中生長得更好[17]。綜合分析國內外不同團隊的研究結果，不難發現氮素形態對馬鈴薯生長發育的影響極其復雜，不能簡單而論。

由于馬鈴薯產量與塊莖形成時間和塊莖數量存在天然的聯系，因此馬鈴薯塊莖形成過程及其機理一直是植物生理和農學領域長期的研究熱點。Gao等[18]（表1）、Suyala等[19]在嚴格控制氮素轉化的條件下研究發現，在塊莖形成前持續供應馬鈴薯植株硝態氮，植物形成較多的匍匐莖和塊莖，但供應NH4-N馬鈴薯植株形成塊莖較早。Gao等[18]同時也發現整個生育期供應NO3-N的單株塊莖產量并不高于NH4-N。顯然，這是由于馬鈴薯最終的產量不僅取決于塊莖數（庫容），而且與葉叢光合同化能力（源）密不可分。

塊莖雖非生殖器官，馬鈴薯的生育階段也不能表述為塊莖形成后的植株由營養生長進入生殖生長階段，但塊莖形成是馬鈴薯生長發育的標志性進程，塊莖形成后同化物的分配發生了顯著變化[8]。因此，Suyala等[19]、蘇亞拉其其格等[20]以塊莖形成期為界，設置塊莖形成前、后分別供應NO3-N和NH4-N兩種形態氮素，觀察其對馬鈴薯生長發育與塊莖形成、塊莖產量的影響。在塊莖形成前供應NO3-N或NH4-N條件下，馬鈴薯植株高度、葉面積、葉片SPAD值、整株干物質積累量無顯著差異，而塊莖形成后供應NH4-N的馬鈴薯葉片SPAD值、植株生長速度均顯著高于NO3-N處理。以上結果充分說明氮素形態與馬鈴薯生育的關系不能簡單冠以“喜硝”或“喜銨”，而應該隨馬鈴薯生育階段和生長中心的變化系統理解，并從協調庫-源關系著手進行氮素形態的搭配與調控。

表1 砂培條件下氮素形態對‘克新1號’馬鈴薯塊莖形成期匍匐莖、塊莖發育的影響[18]Table1 Effectsof Nform on potatostolon and tuber growth of cultivar'Kexin 1'at tuber initiation stageunder sand cultureconditions

2 馬鈴薯根系特征

雖然葉面施肥方式早已不再新鮮，但其僅是根系營養的補充，而根系始終是作物吸收養分的主要器官，其地位不可取代，因此正確認識馬鈴薯根系的特點是進行合理養分管理的基礎和前提。盡管個別晚熟馬鈴薯品種的單條根軸有時可延伸到土層1 m以下，但與玉米等大田作物相比，馬鈴薯屬于典型的淺根系作物（圖3）[21-23]。日本北海道大學的Iwama[23]曾對馬鈴薯、小麥、玉米、水稻、大豆和甜菜進行過觀察比較，馬鈴薯不僅單根長度遠低于其他5種作物，其根系主要分布在淺層土壤，而且在土壤中的根系密度也遠低于其他作物，單位體積土壤內馬鈴薯的根系長度不及小麥的1/4。由于根系截獲是植物吸收土壤中養分的重要環節，因此馬鈴薯的養分吸收能力較弱，養分利用率遠低于小麥、玉米等作物[24]，在相同的田塊，土壤養分對馬鈴薯的空間有效性會低于其他作物。根系的這一特點決定了馬鈴薯的養分管理比其他大田作物要更加精細，尤其需注意避免養分淋洗到根層以下，否則不僅養分利用率難以提高，造成肥料資源浪費、生產成本增加，而且會增加地下水污染的風險。

圖3 馬鈴薯與玉米根系的比較[21]Figure 3 Comparison of potato rootsand maizeroots

3 氮肥淋洗損失

農田土壤氮素損失途徑包括氨揮發、淋洗、硝化與反硝化損失。雖然北方石灰性土壤容易發生氨揮發損失，但由于深施肥理念被廣泛接受且技術較為普及，目前馬鈴薯田氨揮發損失量較小，僅占氮肥投入量的1.2%左右[25]。反硝化損失量更小，占氮肥投入量的0.6%左右[25]。氮素的淋洗損失是指土壤中的氮隨水向下移動至根系活動層以下，從而不能被作物根系吸收所造成的氮素損失。這一損失與土壤理化性質、灌水量或降雨量密切相關。在滲濾池試驗中，華北地區小麥玉米氮肥的淋失率為4.4%～18.7%，在江西紅壤旱地上用接水盤法在田間進行的觀測表明，淋洗損失占施氮量的7.2%～18.6%[26]。不同類型作物對土壤硝態氮的截獲能力也不同。Nielsen和Jensen[27]研究發現，甜菜、晚栽禾草、白三葉草以及冬季谷類作物能夠降低土壤硝態氮淋洗的風險。即使是同類作物不同品種對土壤硝態氮截獲能力也不同，冬小麥比春小麥在1.0～2.5 m土層內多截獲約81 kg/hm2的無機態氮，這主要是由于冬小麥根系較春小麥發達[28]。馬鈴薯是典型的淺根系作物，因此馬鈴薯田氮素淋洗損失相對較大。楊海波等[25]在陰山北麓地區的研究發現，淋洗量占氮肥投入量的17.6%左右。在一些過量灌溉或降雨量大的地區，薯田氮素淋洗量可能更大。因此，要提高馬鈴薯氮肥利用率，必須充分考慮阻控薯田氮素的淋洗。

4 馬鈴薯氮肥管理原則

4.1 分期調控

由于馬鈴薯屬于典型的淺根系作物，多數根系分布在30～40 cm的土層中，且根系密度遠低于谷類作物，養分吸收能力弱[21-24]，而氮的移動性極強，當其隨水淋洗到根層土壤以下時便成為對馬鈴薯無效的養分，轉而成為污染因子[29]。因此，少量多次的氮肥分期調控原則對馬鈴薯更為必要。即使在雨養馬鈴薯種植區，也要盡可能實施分次施用。

馬鈴薯氮肥分期調控是建立在氮肥總量確定基礎之上的，因此確定施氮總量必不可少。粗略而言，在一定土壤條件、氣候條件和空間范圍內，由于土壤有機氮礦化，農田土壤潛在氮素供應水平在較長時間段內相對穩定，氮肥施用總量控制到與馬鈴薯吸收帶走的氮素相當。即，施氮總量=產量×單位塊莖產量需氮量。欲使施氮總量更加精準，就必須考慮土壤氮素供應水平，而各地農技部門制定的土壤氮素豐缺指標是重要參考。近年來，一些研究小組根據耕層土壤NO3-N含量與馬鈴薯產量的密切關系提出了基于土壤NO3-N測試的氮肥推薦方法，克服了使用全氮和堿解氮含量作為土壤供氮水平的弊端，值得推廣使用。此外，對于前茬土壤氮素殘留較少的區域，可以利用現有的肥料效應函數求得最佳產量的施氮量，也可以將多年多點的最佳產量施氮量平均，獲得一定區域的馬鈴薯推薦施氮量[4]。

氮肥分期調控的根本依據就是馬鈴薯的氮素吸收規律（圖1），實施時還需考慮土壤質地、種植模式和灌溉方法。近年來，滴灌技術正在馬鈴薯生產中大力推廣，為氮肥分期施用提供了便利，有望使馬鈴薯的氮素需求與供應實現進一步的時空匹配。

4.2 前輕后重

經過多年的知識普及和技術推廣，全國各地馬鈴薯生產中氮肥“分期調控”的理念正在被接受，一次性施肥的現象顯著減少[8]，但施氮次數、比例等仍存在諸多不合理的問題[29]。本課題組曾在內蒙古自治區陰山北麓進行的大規模調查發現，即使在使用滴灌、噴灌等設備的馬鈴薯生產中，氮肥基追比多數大于3∶2[10]。依據圖1所示的馬鈴薯氮素吸收規律[8]，并結合考慮內蒙古自治區陰山北麓農田砂質土壤特性[29]，以及馬鈴薯根系淺、密度低的構型特點[23]，不難得出，前期氮肥施用比例過高是馬鈴薯氮肥利用率低的重要原因之一。另外，如前文所述，前期氮肥施用過多，會推遲馬鈴薯塊莖形成[13,14]，雖然后期科學合理的管理可以適當彌補，但對于生長期有限或無霜期較短的地區，馬鈴薯塊莖同化物快速積累的時間非常有限，因此“前重后輕”的氮肥施用存在較大問題。綜合分析氮素損失途徑、土壤質地、馬鈴薯氮素吸收規律、氮素供應與塊莖發育關系、馬鈴薯根系特征等因素，可以認為改變目前“前重后輕”的氮肥管理模式勢在必行，因地制宜的“前輕后重”氮肥分配辦法應是馬鈴薯氮肥管理的重要原則。

4.3 實時監測

本研究團隊曾為內蒙古自治區馬鈴薯主產區制定了氮肥分期調控實施明細表，示范表明顯著提高了馬鈴薯氮肥利用效率[8]，但其是一個區域的普遍辦法，對具體田塊的指導性較差。解決之道便是氮素的實時監測，具體包括根層土壤氮素監測和植株氮素監測，并根據檢測結果進行精準氮肥追施。

所謂根層土壤氮素監測是指在作物關鍵生長期前和生長期內取一定土層深度的土壤樣品測定無機氮Nmin，從而給出合理的氮肥推薦施肥用量。目前，歐美等國廣泛采用土壤剖面Nmin作為推薦施肥的診斷指標。但由于中國農民種植馬鈴薯多有施用有機肥的習慣，該技術在應用中受不同田塊有機質礦化差異的影響。另一方面，分析技術繁瑣，時效性較差。

作物體內的含氮量可以直接反映作物的氮素營養狀況，因此常作為檢測對象和推薦施肥的指標。通常包括植株全氮含量、組織汁液含量、植株硝酸鹽快速診斷（包括二苯胺法和反射儀法）。這些方法需要樣品采集、處理、分析測試、數據處理等一系列過程，耗費大量人力、物力、財力。隨著相關技術的發展，一些無損氮素快速檢測或診斷技術，如葉綠素儀（SPAD儀）法、遙感技術等相繼產生。基于不同診斷方法和儀器的優缺點，結合中國馬鈴薯生產的特點，無損傷的SPAD葉綠素測定在馬鈴薯氮素營養診斷具有較大的推廣可能性或潛力。早在1993年，荷蘭Vos和Bom[30]就進行過檢測，發現SPAD值不僅與馬鈴薯葉片葉綠素高度正相關，而且與葉片全氮的含量顯著正相關。之后，這一結果被國內外一些小組的研究陸續證明[31-34]。本課題組多年、多點的研究結果表明，盡管馬鈴薯葉片SPAD值會隨地點、品種、年份變化，但SPAD值與葉片含氮量的正相關趨勢不變。基于此，本研究小組提出了基于SPAD儀診斷的馬鈴薯氮肥推薦辦法[32]。

4.4 形態搭配

由于氮素形態與馬鈴薯植株生長發育和塊莖形成密切相關[14-20]，同時其影響隨馬鈴薯生育進程而變化[19]，因此要協同提高馬鈴薯產量和氮肥利用率，在馬鈴薯氮肥管理中必須充分考慮氮素形態，而且需動態調整。基于硝態氮對根系的誘導作用[35]、對匍匐莖及塊莖生長的促進作用[18-20]，在馬鈴薯生育前期（苗期、塊莖形成前期）一定比例的硝態氮肥供應是必需的。特別是在春天氣候比較冷涼的北方一作區，銨態氮在土壤中轉化速度極為緩慢，硝態氮肥的配施顯得更為必要，而作為種肥使用的馬鈴薯復合肥理所應當含有適當比例的硝態氮。但是，硝態氮肥容易淋洗，而且在馬鈴薯生育中后期銨態氮對馬鈴薯莖葉生長的促進作用明顯優于硝態氮[18-20]，因此在塊莖形成后，馬鈴薯的氮肥供應需調整為以銨態氮為主，同時根據各地的氣候條件，研究氮在土壤中的轉化速度，以此作為氮肥追施頻次的重要依據。

4.5 水氮協調

由于降水不足或降水與馬鈴薯需求時間不匹配，灌溉成為許多產區馬鈴薯高產的必要條件。但是水資源短缺是中國的基本國情，節水已成為馬鈴薯業界的普遍共識[8]。另外，節水不僅是水資源可持續利用的需要，也是馬鈴薯氮肥精準管理的需要。如前文所述，農田氮素淋洗受灌溉量影響，隨著灌溉量的增加，氮素淋洗損失顯著增加[25-28]。特別是在土質為砂土或砂壤土的農田中，淋洗損失更大，而中國許多馬鈴薯產區的土壤多為砂質土壤。近年來，一些地區在推廣減氮技術時出現了減產的現象，重要的原因就是簡單減氮，而過量灌溉的生產習慣沒有改變，造成氮肥淋洗嚴重，馬鈴薯生育后期脫氮。因此水肥協調是減肥增效的基本前提。滴灌設備及技術的應用為水肥一體或水肥協調提供了極大的便利，但是目前生產中節水設備與節水技術脫節、節水與節肥脫節的問題普遍存在[8,10]，水分管理基本依賴經驗。而不同生態區馬鈴薯水分與氮素吸收規律、土壤水分運移規律及氮素供應能力的闡明是實現水氮協調的基礎，因此應引起研究人員的關注。

4.6 合理輪作

由于馬鈴薯連作會引起土傳病害加劇等一系列問題，因此輪作是馬鈴薯生產的基本常識。但是，如何選擇輪作作物？除了考慮阻斷病害傳播途徑外，還需要考慮氮素回收利用的問題。如圖4所示，即便上述氮肥管理原則全部落實，仍有相當數量的氮素淋溶到馬鈴薯根層以下[23]，成為潛在的環境風險因子。在此情況下，如果輪作作物選擇深根系作物，既可實現傳統輪作目的，又可回收馬鈴薯季殘留于深層土壤的氮素養分，使整個輪作體系的氮肥利用效率達到最大。Hu等[22]在內蒙古自治區的研究表明，選擇大白菜作為馬鈴薯的后作，可以減少60～160 cm土層內硝態氮殘留N 7～15 kg/hm2。

圖4 馬鈴薯與大白菜根系比較示意圖（左：馬鈴薯；右：大白菜）[22]Figure 4 Diagram of cabbageand potatoroots(Left:potato;Right:Chinesecabbage)

5 小結

綜上所述，除了遵循作物養分管理的普遍原則外，基于馬鈴薯的氮素吸收規律、根系構型特點、氮素與塊莖發生發育的關系等，馬鈴薯氮肥管理還需遵循分期調控、前輕后重、實時監測、形態合理搭配、水肥協調及合理輪作的原則。根據上述原則，結合當地生態條件下馬鈴薯的生長發育規律、土壤基本性質、種植模式、灌溉方式，完全可以確立合理的馬鈴薯氮肥減施增效措施，實現馬鈴薯產量和氮肥利用效率的協同提高。