不同水氮用量對馬鈴薯產量、品質及水氮利用的影響

郝喜英, 胡晨陽, 魏 偉, 楊金翰, 索文康, 丁洪峰, 田小明

(河北北方學院農林科技學院,河北張家口 075000)

馬鈴薯是我國第四大主糧,也是河北張家口的三大傳統作物之一。由于該地區屬于干旱半干旱區,春季降水較少、夏季氣候冷涼降水集中,水資源分布嚴重不平衡,且農業生產用水量大,水資源極度匱乏,特別是作為馬鈴薯重要生產基地的壩上,農業生產中長期使用大水漫灌等傳統灌溉方式,導致水肥利用效率逐年降低[1]。郭濤通過分析延安地區土壤環境、馬鈴薯的生長情況、產量與品質,得出了當地馬鈴薯節水節肥的灌溉施肥量[2]。王海東通過研究陜北地區馬鈴薯的生長和生理、產量與品質、水肥吸收利用以及根區土壤水分養分遷移分布,提出了當地馬鈴薯最佳的灌溉施肥量[3]。然而如何促進壩上馬鈴薯水肥高效利用還有待研究,故本試驗通過在不同灌水施氮基礎上添加調理劑,分析比較土壤水分氮素、根系結構、根冠干物質量和全氮含量、馬鈴薯產量、品質及水氮利用的變化特征,明確不同水氮用量對馬鈴薯產量、品質及水氮利用的影響,篩選出最優的灌水施氮方式,為壩上馬鈴薯高效生產提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2021年4月28日至9月25日在河北省張家口宏基農業科技開發有限公司崗子基地(沽源縣二道渠鄉,地理位置115°57′E、41°46′N)進行大田試驗。種植期間年降水量為503 mm,平均氣溫16.04 ℃(圖1),平均海拔1 395 m。屬大陸性季風氣候區,春季干旱多風,夏季炎熱少雨,秋季晴朗涼爽,冬季寒冷少雪。試驗地土壤以沙壤栗鈣土為主,土壤有機質含量16.1 g/kg,全氮含量0.79 g/kg,堿解氮含量48.4 mg/kg, 速效磷含量39.6 mg/kg, 速效鉀含量107 mg/kg,pH值8.23。

1.2 試驗設計

于2021年4月28日完成馬鈴薯播種,試驗參考當地馬鈴薯灌水量(1 125 m3/hm2)和氮肥施用量(270 kg/hm2),并以此施肥量和灌水量為對照(W100F100)。在添加土壤調理劑(液體,由陰離子聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、硫酸錳合成,具有保水、緩釋作用,有效成分為2%,其中C和N含量分別占0.2%、0.04%)基礎上設置2因素試驗。因素1為不同氮肥用量:氮肥270 kg/hm2+調理劑600 L/hm2(PF100)、氮肥229.5 kg/hm2+調理劑600 L/hm2(PF85)、氮肥189 kg/hm2+調理劑600 L/hm2(PF70);因素2為不同灌水量:分別是1 125 m3/hm2(W100)、956.25 m3/hm2(W85)、787.5 m3/hm2(W70)。共10個處理,每個處理3 個重復,共 30個小區。小區長20 m,寬1.8 m,面積36 m2。

馬鈴薯種植品種為布爾班克,種植模式為機械起壟種植,行距90 cm,株距24 cm,為了避免不同處理間的相互影響,小區兩端設置保護行。馬鈴薯全生育期灌水8次,施肥4次(苗期和塊莖形成期共施20%,膨大期施55%,淀粉積累期施25%)。施肥方式根據當地傳統施肥習慣確定,其中磷肥(145 kg/hm2)和鉀肥(270 kg/hm2)在播種前施入每個小區,氮肥按照各處理用量的50%作為基肥,其余均追施。調理劑(一次性施入)溶于水通過施肥罐滴施,種植和管理等方式均按當地習慣。

1.3 取樣與測定

于2021年9月25日進行取樣,采集表層土樣(0～20 cm),用于分析土壤含水量及全氮、硝態氮、銨態氮含量;采集植株用于測定根系結構(根長、根體積和根表面積)以及各個器官干物質量和全氮含量,同時在各小區選取3處長勢較為一致的區域(3 m×1 m)進行產量和品質測定。

土壤水分測定采用取土烘干法[4];土壤全氮含量測定采用半微量凱氏定氮法[5];硝態氮含量測定采用酚二磺酸比色法[6];銨態氮含量測定采用靛酚藍比色法[7];各器官生物量測定通過各小區隨機取3株馬鈴薯植株,用剪刀分別按照馬鈴薯的根、莖、葉、塊莖器官分解,將分解的各個部分置于烘箱中105 ℃殺青 30 min,然后在80 ℃下烘干48 h稱質量[8];各器官全氮含量測定采用半微量凱氏定氮法[5];蛋白質含量測定采用染料結合法[8];還原糖含量測定采用DNS(二硝基水楊酸)比色法[8];可溶性糖含量測定采用蒽酮-硫酸法[8]。

氮肥偏生產力=產量(kg/hm2)/單位施氮量(kg/hm2);

(1)

IWUE=Y/I。

(2)

式中:IWUE為灌溉水分利用效率;Y為作物產量, kg/hm2;I為作物全生育期的灌水量,mm[4]。

1.4 統計分析

試驗數據用Excel 2007整理和計算,運用SPSS 25.0進行單因素方差分析和差異顯著性檢驗[最小顯著差異(LSD)法,α=0.05]和主成分分析(PCA),同時采用Origin 8.0軟件進行制圖。

2 結果與分析

2.1 不同水氮用量對土壤水分及氮素含量的影響

由表1可知,不同節水減氮措施對土壤含水量的影響較大。PW100F100、PW100F85、PW85F100、PW70F100處理的土壤含水量較W100F100處理分別顯著提高4.96%、4.13%、1.65%和1.65%(P<0.05),而PW85F85和PW85F70與W100F100處理的土壤含水量差異不顯著。通過對土壤氮素含量分析發現,與W100F100處理相比,PW100F100處理的土壤全氮和銨態氮含量分別顯著增加了7.69%和42.86%(P<0.05);PW100F85的土壤全氮含量顯著提高了8.91%(P<0.05)。不同處理對土壤硝態氮含量增幅更為明顯,除了PW70F70和PW100F100處理外,其他處理土壤硝態氮含量較W100F100處理均顯著提高。

表1 土壤水分及氮素含量的變化

2.2 不同水氮用量對馬鈴薯根系及各器官干物質量的影響

由表2可知,與W100F100處理相比,PW100F100處理根長、根體積和根表面積分別顯著提高52.77%、39.63%和27.81%;PW100F85處理根體積顯著提高30.07%;PW70F85處理根體積和根表面積分別顯著提高24.48%和27.55%。通過對馬鈴薯各器官干物質量分析發現,PW100F100、PW85F100、PW85F85、PW85F70、PW70F100和PW70F85處理的根干物質量較W100F100處理分別顯著增加了72.66%、33.59%、28.13%、19.53%、22.66%和14.84%(P<0.05);PW100F100、PW85F100、PW85F85、PW85F70和PW70F100處理的莖干物質量較W100F100處理分別顯著提高了31.10%、25.68%、22.11%、61.63%和10.84%(P<0.05);PW100F100、PW100F85、PW85F70和PW70F100處理的葉干物質量較W100F100處理分別提高了22.79%、19.61%、76.90%和19.82%(P<0.05)。

表2 馬鈴薯根系及各器官干物質量的變化

2.3 不同水氮用量對馬鈴薯氮素含量及品質的影響

由表3可知,不同處理對馬鈴薯各器官全氮含量影響較大。其中,PW100F100和PW85F100處理的莖全氮含量較W100F100處理分別顯著提高26.57%和23.78%(P<0.05)。不同處理對根、葉的全氮含量增幅更為明顯,與W100F100處理相比,除了PW100F85、PW100F70和PW85F70處理的根全氮含量差異不顯著外,其他處理均有顯著提高。同樣葉的全氮含量除了PW70F85處理差異不顯著外,其他處理也均有顯著提高。通過對馬鈴薯品質分析發現,與W100F100處理相比,PW100F100、PW100F85、PW100F70、PW85F100、PW85F85和PW70F100處理的蛋白質含量分別顯著提高154.32%、88.58%、82.41%、137.65%、116.05%和96.30%(P<0.05);PW85F100處理的還原糖含量顯著提高了18.29%。不同處理對馬鈴薯可溶性糖含量的增幅更為明顯,除PW85F85處理外,其他處理均較W100F100處理有顯著增加。

表3 馬鈴薯氮素含量及塊莖品質的變化

2.4 不同水氮用量對馬鈴薯產量及水氮利用的影響

由表4可知,不同水氮用量對馬鈴薯產量的影響較小。與W100F100處理相比,PW100F85和PW100F70處理的氮肥偏生產力分別顯著提高了22.22%和38.56%(P<0.05),其他處理差異均不顯著;PW70F100和PW70F85處理的灌溉水分利用率分別顯著提高49.19%和40.54%(P<0.05),其他處理差異較小。

表4 馬鈴薯產量及水氮利用的變化

2.5 不同灌水和施氮量對馬鈴薯產量品質影響的主成分分析

由表5可以看出,前2個主因子的貢獻率已分別達到34.46%、17.76%。在第1主因子(PCA1)上,大部分指標均有較大的正值,如土壤全氮含量、土壤銨態氮含量、土壤含水量、根長、根體積、根表面積、根干物質量、莖干物質量、根-全氮含量、葉-全氮含量、蛋白質含量、還原糖含量和產量。第2主因子(PCA2)中僅有可溶性糖含量和灌溉水分利用率有較大的正值。總體來講,第1主因子(PCA1)能夠綜合反映土壤環境、根系結構、產量、品質以及水分利用的高低。各處理中第1主因子特征值最高為PW100F100處理,最低的為PW85F70處理,其他處理均較為集中(圖2)。其中與W100F100處理特征值相近的是PW85F85和PW70F85處理。同樣,在綜合評價中也可以看出,PW85F85(0.01)、PW70F85(0.09)處理與W100F100處理(-0.047)的得分相近。

表5 旋轉因子載荷矩陣

3 討論

有研究表明,土壤中加入適當比例的保水材料能夠改善土壤三相比例,有效調節土壤水肥氣熱狀況,改善作物根系周圍環境,增強水分和養分供給[9]。馬斌等在旱作農田中研究發現,連續4年施用聚丙烯酰胺-鉀和聚丙烯酰胺的0～60 cm土層的土壤含水量較對照平均增加了27.18%和34.40%[10]。本研究在傳統灌溉施肥(W100F100)條件下添加調理劑不僅可以提高土壤水分含量,而且能夠增加土壤全氮和銨態氮含量。可能由于該調理劑主要由陰離子聚丙烯酰胺合成,具有良好的保水[11]和吸附養分能力[12];也可能是由于其改善了土壤物理結構[12],提高了旱作農田土壤持水肥能力[13]。羅健航等研究發現,與常規處理相比,減氮節水和節水增施有機肥的淋溶水量減少了14.6%～18.4%,控釋肥配施復合肥的總氮淋失量降低了68.4%～74.7%[14]。與常規灌水施氮(W100F100)相比,PW100F85、PW100F70、PW85F100、PW85F85、PW85F70、PW70F100和PW70F85處理的土壤硝態氮含量均有顯著增加,表明在一定范圍內減少水氮供應添加調理劑能夠提升表層土壤硝態氮積累,降低硝態氮的淋溶風險。

滴灌施肥條件下不同灌水量和施肥量將造成土壤環境中水分和養分在作物根區分布的差異,根系吸收水分和養分的差異將影響作物生長發育。Al-Taey 等在伊拉克中部和南部的研究指出,在相同灌水條件下,NPK肥料(50%)與稻米廢物之間的相互作用可以顯著促進馬鈴薯的生長[15]。本研究也得到了相似結果,在傳統灌水施肥(W100F100)基礎上添加調理劑可以顯著提高馬鈴薯根長、根體積、根表面積以及各器官(根、莖、葉)干物質量。王振華等研究發現,灌溉量和施肥量對株高影響極顯著,適宜的水肥調控通過滲透調節和抗氧化能力,從而促進葉面積的增加、根系生長發育并增強作物對水分和養分的吸收,利于作物生長[16]。本研究在不同節水減氮基礎上添加調理劑對馬鈴薯各器官的干物質量的影響也較大,特別是PW85F70和 PW70F100處理。在適宜水氮用量的基礎上添加調理劑可以保證作物根系的發育環境,促進馬鈴薯生長。

水和氮對作物養分及品質的影響與灌水量和施氮量的多少密切相關。本研究PW100F100處理的各器官全氮含量、蛋白質和可溶性糖含量均較 W100F100處理有顯著提高,說明在傳統灌溉施肥條件下添加調理劑可以促進植株氮素吸收,進而提高了馬鈴薯品質。Carli等在烏茲別克斯坦塔什干地區的研究發現,在馬鈴薯塊莖形成后減少灌水量能提高馬鈴薯淀粉和干物質含量,但維生素C含量有所降低[17]。宋娜等發現在相同的水分條件下,馬鈴薯的單株塊莖質量、商品薯質量、塊莖淀粉含量和維生素C含量均隨著施氮量的增加而逐漸增加,但施氮量過多會使馬鈴薯的品質降低[18]。本研究與W100F100處理相比,在相同的水分條件下,PW70F100、PW70F85和PW70F70處理的可溶性糖和根全氮含量,PW100F100、PW100F85和PW100F70以及PW85F100和 W85F85處理的蛋白質和葉全氮含量均有顯著增加。這說明在較低灌水(傳統灌水量的70%)條件下添加調理劑有利于根系氮素吸收及塊莖糖分積累。同時在傳統灌水條件下減少施氮以及中度灌水(傳統灌水量的85%)條件下正常施氮或減少施氮均有利于馬鈴薯葉片氮素吸收和塊莖蛋白質的積累。

有研究指出,由于高灌溉下的高氮浸出,馬鈴薯產量不會隨著灌溉量的增加而增加[19]。Ayyub等研究發現,隨著氮肥用量的增加塊莖數量也呈二次拋物線趨勢變化,當氮肥超過 250 kg/hm2時并沒有增加馬鈴薯營養生長和產量[20]。本研究結果與之相似,盡管PW100F100處理的馬鈴薯產量、氮肥偏生產力和灌溉水分利用率較W100F100處理有所提高,但差異均不顯著。說明在較高灌水和施肥環境下,盡管土壤調理劑對土壤水分和氮素的保持有一定作用,也能夠對馬鈴薯生長發育、養分吸收以及品質優化起到較好的效果,但是在提高馬鈴薯產量和水氮利用方面的效果并不顯著。水分與氮素之間具有密不可分的聯系,二者相互促進或相互制約,在一定范圍內調節灌溉量和肥料用量,對作物水氮利用效率有顯著的影響。本研究PW100F70和 PW100F85處理的氮肥偏生產力以及PW70F100和 PW70F85處理的灌溉水分利用率均較W100F100處理有顯著增加。表明正常灌水減施氮肥能夠提高氮肥利用,減少灌水30%的前提下,不減氮或減氮15%均可增加水分利用。同時結合主成分分析發現,PW70F85處理可作為壩上地區比較合理的節水減氮方式。

4 結論

在常規灌水施肥基礎上添加調理劑可以增加土壤水分和氮素(全氮和銨態氮)含量,改善根系生長環境,促進馬鈴薯生長和氮素吸收,進而提高馬鈴薯品質。不同減水減氮添加調理劑對土壤硝態氮含量均有不同程度的提升,其中以灌水85%施氮85%、灌水85%施氮70%和灌水70%施氮85%的提升效果較佳。正常灌水條件下減少施氮以及中度灌水(灌水85%)條件下施氮100%或85%均有利于提高馬鈴薯葉片氮素吸收和塊莖蛋白質的積累;較低灌水(灌水70%)條件下施氮100%或85%則有利于增加馬鈴薯根的干物質量和全氮含量,以及塊莖可溶性糖含量,提升馬鈴薯灌溉水分利用率。綜合考慮在壩上地區灌水70%和施氮85%添加調理劑是比較理想的節水減氮方式。