深施肥對立式深旋耕馬鈴薯水分利用效率及產量的影響

于顯楓, 張緒成*, 繆平貴, 方彥杰, 馬一凡, 王紅麗, 侯慧芝

(1.甘肅省農業科學院旱地農業研究所, 甘肅省旱作區水資源高效利用重點實驗室, 蘭州 730070; 2.甘肅省農業工程技術研究院, 甘肅 武威 733006)

自改革開放以來，我國糧食單產和總產大幅提高，人均糧食生產量超過了世界平均水平, 其中化肥的投入發揮了巨大作用[1]。然而，當前我國農業生產面臨著增肥不增產、土壤養分過量累積、化肥施用過量和施用方法不當、養分利用效率降低等重大問題[2-3]。尤其是化肥地表撒施方法造成養分因地表徑流或揮發而流失，致使肥料利用率降低，并帶來環境污染問題[4]。研究發現，化肥深施對提高肥料利用率有積極作用，一方面有效減少氮的損失，另一方面有利于促進作物根系下扎、擴大根系吸收面積及增大深層根系比重和活力[4]，進而提高產量和水分利用效率，降低環境污染風險，這一結論已在水稻[5]、小麥[6-7]、玉米[8]、大豆[9]、油菜[10]等作物上得到驗證。在干旱地區的研究證明，與表面撒施相比，施氮深度20 cm可使小麥產量提高7.2%～9.8%，氮肥偏生產力提高8.0%～10.9%[6]。因此，化肥深施能夠降低化肥用量、生產成本和減少面源污染，對實現農業生產可持續發展有重要作用。

但是，當前淺旋耕使得耕層變淺、犁底層加厚，無法達到化肥深施的土壤基礎條件。因此，改良耕作技術以打破犁底層，才可以實現化肥深施的目的。立式深旋耕技術是近年來在深松耕技術基礎上發展起來的一項新型耕作技術，其配套新型土壤耕作機具——立式深旋耕作機，裝配專用的機械垂直螺旋型鉆頭后，鉆頭垂直入土高速旋轉橫向切割旋磨土壤，使之自然懸浮成壟且不亂土層，可一次性完成深耕、粉碎、成壟等作業，兼具旋耕和深松的優點，可顯著降低土壤容重，提高土壤孔隙度[11]。研究表明，立式深旋耕能夠顯著降低0—40 cm土層的土壤容重，孔隙度增加12.3%～23.7%[11-13]，這為化肥深施創造了良好的土壤條件。然而，目前對立式深旋耕作條件下化肥深施的作物產量和水肥利用效率尚缺乏研究分析，而這對探索西北半干旱區旱地作物水肥高效技術途徑具有重要啟示作用。針對上述問題，本研究在立式深旋耕的耕作條件下，設置不同施肥深度，通過測定不同生育時期馬鈴薯葉片SPAD值、土壤水分含量、植株干物質積累量等指標，計算土壤貯水量、階段耗水量和水分利用效率，揭示立式深旋耕條件下深施肥對馬鈴薯干物質積累量、土壤水分利用效率和馬鈴薯產量的影響特征，旨在為旱地馬鈴薯的合理施肥提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗設在甘肅省定西市安定區團結鎮唐家堡村甘肅省農業科學院定西試驗站，該站海拔1 970 m，年均氣溫6.2 ℃，年均降水量415 mm，無霜期140 d，為典型旱地雨養農業區。試驗區土壤為黃綿土，耕層土壤平均容重1.25 g·cm-3，田間持水量21.18%，凋萎系數7.2%。試驗區2018年全年降水量533.3 mm，馬鈴薯生育期降水量441.1 mm，2019年全年降水量509 mm，馬鈴薯生育期降水量426.5 mm。2018年日平均氣溫最高為21.9 ℃，最低為6.9 ℃；2019年日平均氣溫最高為21.7 ℃，最低為6.2 ℃。

1.2 試驗設計

試驗采用立式深旋耕作機早春耕作，耕深40 cm左右。試驗設置3個處理(表1)，覆膜深旋松不施肥(vertically rotary tillage with plastic mulching，VP)、覆膜深旋松15 cm處施肥(vertically rotary tillage with plastic mulching and traditional fertilizer application，VPF)、覆膜深旋松30 cm處施肥(vertically rotary tillage with plastic mulching and deeply fertilizer application，VPD)，隨機區組設計。試驗小區面積63 m2(7 m×9 m)，3次重復。馬鈴薯種植模式為全膜覆蓋壟上微溝(圖1)，種植帶寬100 cm，大壟寬60 cm，高20 cm，大溝寬40 cm；大壟正中間開小溝，小溝寬20 cm，深10 cm，小溝內每隔50 cm扎眼以利于降水下滲。馬鈴薯供試品種為“隴薯10號”，種植在大壟壟側，播種深度10 cm，播種密度60 000株·hm-2。2018年4月19日播種，10月2日收獲；2019年4月19日播種，9月27日收獲。馬鈴薯全生育期不灌溉，除拔草外不進行其他田間管理。

表1 試驗各處理的施肥量Table 1 Fertilizing amount in each treatment (kg·hm-2)

1.3 測定指標及方法

1.3.1SPAD值 在馬鈴薯苗期、現蕾期、始花期、盛花期、塊莖膨大期、淀粉積累期，分別從每小區選取長勢均勻的3株，用SPAD-502 Plus葉綠素儀(日本柯尼卡美能達公司生產)對馬鈴薯倒四葉的頂小葉測定SPAD值，每一片葉測5個位點，取平均值。

1.3.2土壤水分含量 在馬鈴薯播前、苗期、盛花期、塊莖膨大期、淀粉積累期、收獲期用烘干法測定0—200 cm土層土壤含水量，每20 cm為1個層次，每小區在壟上馬鈴薯株間測定1個位點。土壤貯水量(soil water storage，SWS)計算公式如下。

SWS(mm)=WS×γ×d/100

(1)

式中，WS為土壤重量含水量，g·kg-1；γ為土壤容重，g·cm-3；d為土壤深度，cm。

1.3.3植株生物量 在馬鈴薯苗期、現蕾期、花期、塊莖膨大期、淀粉積累期、收獲期，每小區選取長勢均勻的3株，用烘干法測定地上和地下生物量。

1.3.4階段耗水量 0—200 cm階段耗水量(evapotranspiration,ET)計算公式如下。

ETi=SWSi-SWSi+1+P

(2)

式中,SWSi為第i個生育時期初始時的土壤貯水量，mm；SWSi+1為第i+1個生育時期初始時的土壤貯水量，mm；P為全生育期降水量，mm。

1.3.5產量及其構成因素 馬鈴薯成熟期收獲后每小區取10株考種，計算單株馬鈴薯個數，測定單株鮮薯重，并按實際塊莖鮮重計算小區產量。

1.3.6水分利用效率 水分利用效率(water use efficiency,WUE)計算公式如下。

WUE=Yd/ET

(3)

ET=SWSBF-SWSHA+P

(4)

式中,Yd為馬鈴薯單位面積產量，kg·hm-2；SWSBF為馬鈴薯播種前土壤貯水量，mm；SWSHA為馬鈴薯收獲后土壤貯水量，mm；P為全生育期降水量，mm。

1.4 數據分析

采用DPS數據處理軟件對數據進行ANOVA方差分析，并用LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 深施肥對立式深旋耕馬鈴薯0—200 cm土壤貯水量的影響

圖2顯示，深施肥可顯著增加花前0—200 cm土壤貯水量，降低花后貯水量。2018年，VPD在苗期較VP、VPF分別增加了8.4%、12.1%；在盛花期分別增加了13.6%、18.9%，差異顯著(P<0.05)。花后VPD處理的0—200 cm土壤貯水量降低，在塊莖膨大期較VPF降低了2.9%；在淀粉積累期較VPF降低了13.4%，差異顯著(P<0.05)。2019年VPF和VPD全生育期的0—200 cm土壤貯水量都較VP降低，在苗期較VP分別降低了10.5%、6.0%；在盛花期較VP分別降低了12.6%、15.3%；在塊莖膨大期較VP分別降低了15.3%、21.6%，VPF和VPD差異不顯著。淀粉積累期到收獲期VPF和VPD較VP降低，淀粉積累期降低了33.0%、39.0%；收獲期降低了14.9%、22.1%，差異顯著(P<0.05)，且VPD降低的幅度更大。結果表明，深施肥可降低花后貯水量，增加耗水量。

2.2 深施肥對立式深旋耕馬鈴薯階段耗水量的影響

從圖3可知，2018年，VPD處理降低了馬鈴薯的花前耗水量，增加了花后耗水量。花前耗水量較VP和VPF分別降低了36.5%、43.3%；花后耗水量較VP和VPF分別增加了58.7%、49.8%，差異均達到顯著水平(P<0.05)。2019年，VPD處理增加了花前耗水量，較VP和VPF增加了36.9%、10.2%，差異顯著(P<0.05)；3個處理間花后耗水量無顯著差異。

2.3 深施肥對立式深旋耕馬鈴薯葉片SPAD值的影響

圖4結果顯示，深施肥對馬鈴薯花前葉片的SPAD值無明顯影響，但可顯著提高花后葉片的SPAD值。2018年，30 cm處施肥(VPD)的葉片SPAD值在盛花期較不施肥(VP)、15 cm處施肥(VPF)分別增加了12.0%、4.3%；在塊莖膨大期較VP、VPF分別增加了8.6%、5.8%；淀粉積累期較VP、VPF分別增加了13.6%、0.2%。2019年，VPF和VPD處理的SPAD值基本一致，在盛花期較VP處理分別增加了17.1%、13.4%；在塊莖膨大期較VP處理分別增加了9.4%、10.2%。在淀粉積累期VPD處理的SPAD值最高，較VPF、VP分別增加了13.8%、7.7%，差異達顯著水平(P<0.05)。可見，深施肥可增加馬鈴薯生育后期葉片的SPAD值。

2.4 深施肥對立式深旋耕馬鈴薯干物質量的影響

從圖5可以看出，2018年盛花期—塊莖膨大期，VPD處理的地上干物質量最高，花期較VP、VPF分別增加了125.4%、15.1%；塊莖膨大期增加了46.2%、22.7%，差異均達到顯著水平(P<0.05)。淀粉積累期VPD和VPF較VP分別增加了62.4%、63.6%，達顯著性差異水平(P<0.05)。2019年現蕾期—盛花期，VPD的地上干物質量最高，現蕾期較VP、VPF分別增加了99.7%、43.8%；盛花期分別增加了348.1%、58.2%，差異顯著(P<0.05)。VPD和VPF的地上干物質量在塊莖膨大期較VP分別增加了379.2%、313.4%，在淀粉積累期分別增加了413.3%、324.0%，差異均達到顯著水平(P<0.05)。

2018年盛花期—收獲期，VPD處理的地下干物質量最高，盛花期較VP和VPF分別增加了57.7%、24.8%；塊莖膨大期增加了36.7%、20.7%，VP和VPF差異不顯著。淀粉積累期較VP和VPF分別增加了53.9%、21.8%，收獲期較VP和VPF分別增加了56.9%、16.9%，差異顯著(P<0.05)。2019年盛花期—收獲期，VPD處理的地下干物質量最高，花期較VP和VPF分別增加了75.6%、33.7%；塊莖膨大期分別增加了48.4%、28.1%；淀粉積累期分別增加了195.1%、20.6%；收獲期分別增加了99.3%、15.2%，差異均達顯著性水平(P<0.05)。

2.5 深施肥對立式深旋耕馬鈴薯產量構成因素的影響

從表2可以看出，VPD、VPF處理的2年馬鈴薯單株結薯數較VP分別增加7.3%、19.5%和23.8%、35.7%，差異顯著(P<0.05)；VPD、VPF單株鮮薯重較VP分別增加27.3%、44.2%和27.6%、45.6%，差異顯著(P<0.05)；VPD、VPF處理2018年小于50 g鮮薯個數及鮮薯重較VP分別降低30.0%、30.0%和41.0%、49.2%，2019年較VP分別降低35.3%、47.1%和57.5%、59.4%(P<0.05)； 2018年50～150 g鮮薯個數及鮮薯重，VPF處理較VP降低11.8%、5.1%，VPD較VP增加11.8%、13.5%(P<0.05)， 而2019年較VP分別增加46.2%、69.2%(P<0.05)；VPD處理2018年大于150 g鮮薯個數及鮮薯重較VPF、VP分別增加4.5%%、64.3%和12.2%、65.0%，而2019年較VPF、VP分別增加18.2%、116.7%和10.7%、76.0% (P<0.05)；VPD處理2年商品率較VPF、VP分別增加1.9%、13.4%和6.8%、41.5%(P<0.05)。

表2 立式深旋耕馬鈴薯產量構成因素對深施肥的響應Table 2 Response of potato yield components to deep fertilization under vertically rotary tillage

2.6 深施肥對立式深旋耕馬鈴薯產量和水分利用效率的影響

圖6結果顯示，2018年，VPD和VPF處理的馬鈴薯產量較VP分別增加8 536.5、5 782.5 kg·hm-2，分別提高了28.6%、19.4%，差異顯著(P<0.05)；VPD較VPF產量增加2 754.0 kg·hm-2，提高7.7%。2019年，VPD處理的馬鈴薯產量最高，較VP和VPF分別增加18 278.3、4 620.1 kg·hm-2，提高56.9%、10.1%，差異顯著(P<0.05)。2018—2019年，VPF和VPD處理的水分利用效率較VP分別增加了12.2%、16.8%和28.2%、27.1%，差異顯著(P<0.05)。2018年VPD處理的水分利用效率較VPF提高4.1%，而2019年降低0.8%，無顯著差異。

3 討論

3.1 立式深旋耕深施肥有利于馬鈴薯干物質量的積累和產量的形成

土壤養分含量水平和分布特征是作物高產與否的關鍵，而施肥方式是影響土壤養分含量和分布特征最為顯著的調控措施，對土壤可持續生產具有重要意義[14]。肥料合理施用可減少土壤氮素的殘留和損失，提高氮素利用效率。沈玉芳等[15]、張永清等[16]研究認為，深施肥(10—30 cm)小麥葉色深綠，株高、葉片數、地上部干重都高于淺施肥，這更有利于提高小麥深層根長密度、根重及根系活力，進而促進小麥根系對較深層次土壤中養分的利用，最終提高小麥產量。本研究結果表明，深施肥能夠增加馬鈴薯葉片SPAD值，較VPF而言，VPD雖對馬鈴薯生育前期的葉片SPAD值影響不大，但對后期有較大影響，能夠明顯增加馬鈴薯生育后期葉片的SPAD值。已有研究表明，尿素表施氨揮發損失率高達46.1%，而深施尿素時氨揮發損失率僅為6.2%，氮肥深施可明顯降低氨的揮發損失率，有利于給作物提供較多的養分，促進作物吸收和植株的生長[17]。趙亞麗等[18]研究發現，磷肥深施(15 cm)可提高夏玉米產量、養分吸收量和磷肥利用效率。本研究結果也表明，VPD提高了馬鈴薯花后地下部分的干物質積累量，2年的數據顯示，盛花期-收獲期馬鈴薯的地下干物質積累量較VPF增加了15.2%～33.7%。作物生育期內干物質的積累是產量形成的基礎，其分配與轉運不僅決定了產量的高低，且主要決定了葉片后期的光合生產能力[6]。SPAD值增加可延緩作物生育后期葉片的衰老，維持葉片較高的葉綠素含量持續時間和凈光合速率[19]，延長葉片光合功能期，利于植株后期干物質積累，進而增加作物產量[20]。已有研究得出，化肥深施在大豆上可增產225.0～375.0 kg·hm-2[9]、在棉花上可增產75.0～120.0 kg·hm-2，增產效果顯著[21]。本研究結果顯示，由于VPD增加了馬鈴薯生育后期葉片SPAD值，促進了光合物質的積累，提高了馬鈴薯花后地下部分的干物質量，不僅提高了馬鈴薯單株結薯數、大中薯個數和重量所占比例，還顯著提高了商品率。2年VPD較VPF馬鈴薯的塊莖產量增加7.7%～10.1%；較VP增加28.6%～56.9%。

3.2 立式深旋耕深施肥有利于水分高效利用

水資源不足是制約和影響西北黃土高原半干旱地區作物生長的主要限制因子[22]。合理的施肥方式可以優化作物耗水進程，增加作物產量，提高水肥利用效率[23]。呂殿青等[23]研究表明，在渭北旱源地小麥生育期間降水183 mm條件下，提前深耕一次并深施肥比播前深耕一次淺施肥或分次施肥有明顯增產效果，水分利用效率提高9.0%。本研究結果表明，2年VPD較VP提高水分利用效率16.8%～27.1%，差異顯著；2018年較VPF提高4.1%，而2019年降低0.8%，無顯著性差異；但增加馬鈴薯花前0—200 cm土壤貯水量37.3～72.9 mm，降低花后貯水量11.2～46.8 mm。這說明VPD較VPF有效調節馬鈴薯生育期的耗水進程，降低了花前耗水量，增加了花后耗水量，這一作用在2018年尤為明顯，花前耗水量較淺施肥降低達43.3%，花后耗水量增加達49.8%。因此，在半干旱雨養農業區，立式深旋耕30 cm處施肥處理能夠優化馬鈴薯耗水進程，促進花后耗水和水分高效利用。

綜上可知，立式深旋耕30 cm處施肥能夠有效調控馬鈴薯生育期的耗水進程，降低花前耗水量，提高花后耗水量，增加總耗水量，增加了馬鈴薯生育后期葉片的SPAD值，促進了光合物質的積累，有利于馬鈴薯的物質同化和促進塊莖形成，提高馬鈴薯單株結薯數、大中薯個數及產量，顯著提高了商品率。因此，立式深旋耕30 cm處施肥是西北半干旱區馬鈴薯高效種植的養分管理模式。