2. 农业部云贵高原马铃薯与油菜科学观测实验站, 昆明 650205;
3. 陆良县农业技术推广中心, 云南陆良 655600;
4. 昆明医科大学海源学院, 昆明 650101
氮素营养供应对马铃薯生长和产量形成具有重要的调节作用。适量施氮可促进马铃薯的生长发育和产量的形成[1], 并且在一定施氮范围内, 马铃薯的产量随着氮肥施用量的增加而提高[2], 然而过量施氮虽能使地上部茎叶生长得更加旺盛, 但由于生长中心不能适时转移, 导致生育期延迟, 干物质分配失衡, 块茎产量和干物质含量降低[3-4], 且过高的氮肥除被作物吸收利用一部分外, 其余则以氨挥发、反硝化、土壤残留、淋失等途径损失, 不仅导致氮肥肥效降低, 造成资源浪费, 而且易对生态环境、食物等造成污染, 成为现代农业迫切需要解决的问题[5]。此外, 施氮与马铃薯的经济效益也密切相关, 李书田等[6]研究指出, 马铃薯施用氮、磷、钾肥可以获得较高的经济收益, 施肥效应和纯收入是氮 > 钾 > 磷; 张炜等[3]研究发现, 施用适量的氮肥可显著增加农民收入, 施氮量180 kg/hm2处理的施氮产值和纯增收均显著高于其他处理, 纯增收达13 143.8元/hm2, 施氮量超过180 kg/hm2后施氮产值和纯增收均逐步降低。因此合理施用氮肥是兼顾产量、增加经济效益、提高氮素利用效率和控制农业面源污染的重要措施[7]。
云南省是我国马铃薯生产的第四大省份[8], 陆良县位于云南省东部, 是全省冬马铃薯主要生产区之一, 近年来随着膜下滴灌技术在云南省马铃薯冬作区迅速推广应用, 虽然水资源利用率大大提高, 但在生产过程中存在氮肥施用过量的问题, 导致马铃薯抗性降低, 品质、效益下降, 资源浪费、化肥污染等问题日益突出, 因此, 科学施肥已经成为冬马铃薯产业发展的重要技术支撑。目前, 关于氮肥用量对马铃薯产量、品质、氮肥利用效率、干物质积累与分配及生理性状等方面的研究报道很多, 但在膜下滴灌条件下氮肥用量对马铃薯产量、施氮效应和经济效益研究报道较少, 且多集中在北方作区[6, 9-10], 而云南省在这方面的研究尚属空白。为此, 本研究在膜下滴灌条件下, 通过田间试验研究不同氮肥用量对冬马铃薯产量和经济效益的影响, 为确定马铃薯适宜的氮肥用量, 提高马铃薯产量和经济效益提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验材料试验地点:试验于2016年12月至2017年5月在云南省陆良县小百户镇中坝村委会2组农户代甲林的责任田进行, 地理坐标:103.57°E、25.08°N, 海拔:1 960 m, 属北亚热带高原季风型冬干夏湿气候区, 年均气温14.7 ℃, ≥10 ℃活动积温4 436.3 ℃, 无霜期249 d, 年日照时数2 239.1 h, 年太阳辐射量125.2 kcal/cm2, 年均降雨量976.3 mm。土壤为砂页岩黄红砂土, 土壤质地为砂壤土, 粒状结构, 0 ~ 20 cm土层理化性状为:土壤有机质33.9 g/kg、全氮2.78 g/kg、碱解氮258 mg/kg、有效磷84.8 mg/kg、速效钾248 mg/kg、pH 4.87, 土壤容重1.13 g/cm3, 田间持水量0.426。前作秋马铃薯, 施肥情况为:农家肥18 000 kg/hm2、纯N 459.2 kg/hm2、P2O5 234.8 kg/hm2, K2O 182.6 kg/hm2。
供试品种:马铃薯品种为丽薯6号(原种), 种薯由陆良县农技中心提供。
供试肥料:尿素(N 46%), 由四川泸天化股份有限公司生产; 普钙(P2O5 16%), 由陆良磷肥厂生产; 硫酸钾(K2O 50%), 由云南云天化股份有限公司生产。
滴灌施肥设备包括水泵、PVC管材及相关配件、滴灌管、液体肥料配比罐等, 均为大禹节水公司产品。其中滴灌管滴头型号为铁片式, 滴头间距为30 cm, 滴头流量为2.34 L/h, 浸润宽度30 ~ 40 cm; 地膜为0.01 mm厚度黑色地膜, 由曲靖市塑料厂生产。
1.2 试验设计试验在磷、钾肥相同用量(P2O5 150 kg/hm2, K2O 180 kg/hm2)的基础上, 氮肥设0、195、270、345、420和495 kg/hm2 6个纯氮用量处理, 分别以N0、N195、N270、N345、N420和N495表示。各处理重复3次, 共18个小区, 随机区组排列, 每个小区长6.1 m, 宽2.2 m(两垄), 小区面积13.42 m2。
试验采用高垄双行膜下滴灌种植, 行距1.1 m(大行距70 cm, 小行距40 cm), 株距29 cm。种植密度为62 700株/hm2。各处理全部磷、钾肥及农家肥30 000 kg/hm2一次性基施, 氮肥分两次施入, 60%氮肥基施, 40%氮肥于3月10日(苗期)进行滴灌追施。试验田间管理一致, 播种后及时铺设滴灌带, 覆盖地膜, 生长期间共灌水6次, 灌水量为1 050 m3/hm2, 防治病虫害2次。试验于2016年12月29日播种, 2017年5月16日收获。
1.3 样品的采集与测定播种前按照“随机”、“等量”和“多点混合”的原则采用“S”形布点采集基础土样, 风干晾晒后采用土壤农化分析方法[11]测定土壤养分。
出苗达75%左右时, 对每小区标定5株进行株高和叶绿素含量测定, 用SPAD-502叶绿素仪对马铃薯倒4叶的顶小叶进行SPAD值的测定, 每片叶测3个位点, 取平均值。同时对各处理马铃薯的生育时期、生物学性状进行观察记载。
在马铃薯生育期间, 分别于3月16日(苗期)、4月13日(块茎膨大期)、4月28日(淀粉积累初期)、5月15日(收获期)共进行4次取样, 各处理每次在第一重复小区随机取3株植株, 擦净叶片, 用打孔器打取叶片不同部位10圆片, 间接称重法测定叶面积指数[12]。收获时, 马铃薯成熟期各小区单收进行测产, 同时调查各小区大薯(> 150 g)、中薯(75 ~ 150 g)、小薯(< 75 g)的个数和重量, 折算成单位产量, 商品率为大中薯重量的百分比。
1.4 计算方法与数据处理马铃薯叶面积指数的计算参照姜丽丽等[13]的方法, 施氮效应、效益及效率参照李书田等[6]的方法, 具体计算方法如下:
叶面积=叶重/打孔叶重×打孔叶面积
叶面积指数=叶面积/土地面积
施氮效应(kg/hm2)=施氮处理块茎产量-不施氮处理块茎产量
氮肥农学效率(AE)(kg/kg)=施氮效应/施氮量
施氮效益(元/hm2)=施氮效应×块茎价格
氮肥投入(元/hm2)=施氮量×氮肥价格
施氮纯收入=施氮效益-氮肥投入
氮肥产投比(VCR)(元/元)=施氮效益/氮肥投入
试验数据用Excel 2010数据处理软件进行统计分析。
2 结果与分析 2.1 氮肥用量对马铃薯生育期的影响由表 1可见, 马铃薯生育期随氮肥用量的增加有逐渐延长的趋势, 从马铃薯生育进程来看, 出苗期到现蕾期不同处理的生育期变化范围在20 ~ 22 d, 相比N0处理, N195处理缩短了1 d, N270处理延长了1 d, 其他处理无明显差异; 现蕾期到成熟期不同处理的生育期变化范围在65 ~ 68 d, 相比N0处理, N270、N195处理分别延长了2 d、3 d, N420和N345处理均延长了4 d, N495处理延长了5 d。说明从出苗期到现蕾期氮肥用量对马铃薯生育期影响较小, 现蕾期后影响较大, 且随氮肥用量的增加, 盛花期和成熟期延迟。
氮肥用量对马铃薯出苗率产生影响(图 1)。不同处理的马铃薯出苗率变化范围为97.2% ~ 99.2%, N0、N270和N345处理均达最大值, 但与N195和N420处理无显著差异, 而N495处理的出苗率显著下降, 达最小值, 比其他处理降低1.2 ~ 2.0个百分点。说明氮肥用量在一定范围内对马铃薯的出苗率影响不大, 超过此范围会显著降低马铃薯的出苗率。
氮肥用量对马铃薯株高的影响因不同生育时期表现了不同差异(图 2)。各处理马铃薯株高在整个生育期呈慢-快-慢的“S”型增长趋势, 在出苗后17 ~ 31 d (苗期到块茎形成中期)株高增长较慢, 从出苗后31 ~ 51 d(块茎形成中期到块茎膨大期)增长最快, 之后再次进入缓慢增长期, 特别是出苗后66 d(淀粉积累初期)以后趋于平缓, 出苗后79 d(淀粉积累末期)达到最大值。苗期各处理株高差异不明显, 块茎形成中期以后N345处理的株高迅速增加, 高于其他处理, 但与其他处理差异并不显著; N495、N195处理的株高在块茎形成末期前(出苗后43 d左右)低于其他处理, 之后也快速增加, 明显高于N270、N420和N0处理, 但差异不显著; 而N0、N270、N420处理在各生育时期没有明显差异。说明氮肥不足和过量均会影响马铃薯的生长。
氮肥用量对马铃薯叶片SPAD值的影响也因不同生育时期表现了不同差异(图 3)。整个生育期各处理马铃薯叶片SPAD值以出苗后23 ~ 36 d时(苗期到块茎形成中期)最高, 以后逐渐下降。在不同生育时期, 施氮处理的SPAD值除出苗后36 d(块茎形成中期)外均高于N0处理, 且N420处理除出苗后66 d(淀粉积累初期)外均高于其他施氮处理。出苗后23 d(苗期)和出苗后79 d(淀粉积累末期)各处理之间无显著差异, 而出苗后36 d(块茎形成中期)N420处理显著高于N195处理, 但与其他处理差异并不显著; 出苗后51 d(块茎膨大期)N495、N420、N270处理显著高于N195、N0处理, 但N270 ~ N495处理间差异不显著; 出苗后66 d(淀粉积累初期)N345 ~ N495处理显著高于N0处理, 但与N195、N270处理差异并不显著。说明施氮可提高马铃薯叶片SPAD值, 块茎膨大期氮肥用量对SPAD值影响较大, 且在施氮量0 ~ 270 kg/hm2时随氮肥用量的增加而增加, 当超出此范围, SPAD值不会发生明显增加[12]。
由表 2可见, 马铃薯叶面积指数随生育进程的推进呈先增加后降低的趋势, 其中N0、N195处理在出苗后51 d(块茎膨大期)达到最大值, 而N270 ~ N495处理则在出苗后66 d(淀粉积累初期)达到最大值。随氮肥用量的增加马铃薯叶面积指数亦呈先增加后降低的趋势, 在不同生育时期, N345处理的叶面积指数均达最大值, N0处理均达最小值。出苗后23 ~ 51 d各处理间无显著差异, 而出苗后66 ~ 83 d, N345与N0、N195处理差异显著, 但N270 ~ N495处理间差异并不显著。说明适量施氮可提高马铃薯叶面积指数, 且在块茎膨大期前氮肥用量对叶面积指数影响差异不明显, 之后, 氮肥不足导致叶片早衰, 光合面积下降, 而氮肥充足植株生长旺盛, 有利于光合面积的维持。
从马铃薯产量构成因子来看(表 3), 马铃薯单株结薯数、单株薯重与块茎产量的变化趋势相同, 均以N345处理最高, N0处理最低, 且N345处理的单株结薯数与N0、N195处理差异显著, 单株薯重分别与N0、N195处理差异达极显著和显著水平, 但N270 ~ N495处理间的单株结薯数、单株薯重差异不显著; 单薯重在N270处理下达到最大之后下降, 但各处理间差异不显著。块茎分级结果表明, 大薯数以N345和N495处理最多, N420处理次之, 而N0处理显著减少; 大薯重在N345处理下达到最大之后逐步下降, 但N195、N345、N420、N495处理间差异不显著, 而N345处理分别较N270、N0处理显著和极显著增加; 中薯数和中薯重均在N270处理下达最大值, 且N270处理的中薯数显著高于N195处理, 中薯重极显著高于其他处理; 小薯数和小薯重在不同处理间差异均不显著; 商品薯率以N495处理最高, 但各处理间差异并不显著。
氮肥用量对马铃薯块茎产量产生了显著影响(表 3)。随氮肥用量的增加马铃薯块茎产量呈先增加后降低的趋势, N345处理产量达最大值, 较N0处理极显著增产24.58%, 较N195处理显著增产14.13%;而N420和N495处理分别较N345处理产量下降6.78%和9.76%, N495处理减产显著。应用二次多项式模型对马铃薯产量与氮肥用量进行拟合发现(图 4), 氮肥效应曲线为一条抛物线, 存在着适宜的施氮幅度, 施氮不足或过量均不利于高产, 其氮肥效应方程为:y = -0.078N2+53.315N+46 250.5, R2 = 0.778, 由该方程可知, 当施氮量为341.7 kg/hm2时马铃薯块茎产量达到理论最大值55 359.3 kg/hm2, 因此其最高产量施氮量为341.7 kg/hm2; 按2017年当地冬马铃薯平均销售价格2.0元/kg, 氮肥4.56元/kg计算, 得出马铃薯经济最佳施氮量为327.1 kg/hm2, 其经济最佳产量为55 344.3 kg/hm2, 这与最高产量相差不大, 而施氮量则比最高产量施氮量降低了4.27%。这表明马铃薯在经济最佳施氮量下不仅能获得较高的产量, 而且还能降低氮肥投入, 提高经济效益。
氮肥用量对马铃薯经济效益产生显著影响(表 4)。施氮效应和施氮效益均随氮肥用量的增加先增加后降低, 均在N345处理下达最大值, N195处理下达最小值, 且N345处理与N195、N495处理差异达显著水平, 与其他处理差异不显著; 氮肥投入随氮肥用量的增加而逐步增加, N345处理的氮肥投入虽然较N195、N270处理有所增加, 但其较高的施氮效益导致施氮纯收入高于其他处理, 达21 516.4元/hm2, 分别比N195、N270处理高178.8%、44.1%, 且N345与N195处理差异显著; 施氮量超过345 kg/hm2后施氮纯收入逐步降低, N495处理的氮肥投入过多导致施氮纯收入较N345处理显著降低。氮肥产投比(VCR)和农学效率(AE)均随氮肥用量的增加先增加后降低, 均在N345处理下达到最大值, 但N195 ~ N420处理间无显著差异, 而N495处理较N345处理显著下降。说明适量施用氮肥可显著提高马铃薯的施氮效应, 增加经济效益, 但过量施用氮肥增加了肥料投入, 并没有提高施氮效应, 从而降低了经济效益和氮肥农学效率。
在马铃薯生产中, 养分平衡供应是获得高产和高效的关键[12], 氮是马铃薯生长发育所必需的营养元素, 氮素不足或过量均会导致马铃薯生长发育不良, 光合性能下降, 源库关系失调, 影响块茎产量[13-15], 因此合理的氮素供应可协调马铃薯茎叶生长和块茎生长, 维持光合器官和储存器官的适宜比例, 增加结薯数和大中薯比例, 从而提高块茎产量[16]。本试验结果表明, 马铃薯生育期随氮肥用量的增加逐渐延长, 马铃薯叶面积指数、单株结薯数、单株薯重和块茎产量均随氮肥用量的增加呈先升高后降低的趋势, 均在345 kg/hm2施氮量时最高, 同时在该施氮量下马铃薯长势好, 株高和大薯重高于其他处理, 而施氮量达495 kg/hm2时马铃薯出苗率、块茎产量显著下降, 这与前人的研究结果基本一致[5, 17-19]。主要原因可能是, 氮肥供应不足时, 马铃薯植株生长缓慢, 茎叶生长量不够, 叶面积减小, 光合生产“源”不足, 生长中心过早向块茎转移, 生育进程缩短, 干物质合成量减少, 导致块茎产量降低。然而, 过量施用氮肥, 一方面会抑制马铃薯萌发出苗和块茎的形成[17, 20], 导致出苗率降低, 结薯数减少; 另一方面在相同灌水量下, 过高的氮肥会导致马铃薯根区养分浓度较高, 不利于根系对水肥的吸收, 抑制了马铃薯的生长[19], 造成叶面积下降, 光合效率降低, 块茎干物质累积及分配比例下降, 从而降低块茎产量。合理施用氮肥可促进马铃薯生长, 改善群体光照, 提高光合效率, 促进光合产物适时向块茎运输和分配, 增加单株结薯数[12]和薯重, 同时可避免过多的氮肥降低出苗率, 保证单位面积有效株数而获取高产。
马铃薯产量对氮肥用量的反应是由产量构成因子的差异决定的。何万春等[21]研究认为, 施氮量对马铃薯单株结薯重量和平均单薯重有显著影响, 单株结薯重量和平均单薯重的变化是导致产量降低的直接原因。本试验研究表明, 氮肥用量对马铃薯小薯数、小薯重、单薯重和商品薯率没有显著影响, 而对单株结薯数、单株薯重、大中薯数、大中薯重有显著或极显著影响, 且随氮肥用量的增加, 马铃薯单株结薯数、单株薯重和大薯重有着与块茎产量相同的变化趋势, 说明马铃薯块茎产量的差异主要是由单株结薯数、单株薯重和大薯重的差异造成的, 单株结薯数、单株薯重和大薯重的降低直接导致了产量的降低, 这与井涛[9]的研究结果基本相似。
氮素涉及马铃薯植株整个生育期的调控, 不仅影响块茎产量的形成, 还调控着地上部分生长[20]。马铃薯生长对氮肥用量的反应不仅与施氮水平有关, 还受土壤肥力、供试品种、栽培管理等因素的综合影响。有研究认为, 马铃薯的叶面积指数、叶片SPAD值随着施氮量的增加而增加, 马铃薯的株高在块茎成熟期随施氮量的增加而显著增加[13, 22-23]。也有研究认为, 施氮量在一定范围内可显著促进马铃薯地上部生长, 当施氮量达到一定的阈值以后, 叶片SPAD值与产量的变化相似, 不再随施氮量的增加而增加[3, 5, 12]。本试验研究发现, 马铃薯株高在整个生育期呈慢-快-慢的“S”型增长趋势, 苗期各处理株高差异不明显, 块茎形成中期后N345处理的株高明显高于其他处理; 马铃薯叶面积指数随氮肥用量的增加呈先增加后降低的变化趋势, 而氮肥用量对马铃薯块茎膨大期叶片SPAD值影响较大, 且在施氮量0 ~ 270 kg/hm2时随氮肥用量的增加而增加, 当超出此范围, SPAD值不会发生明显增加。这与前人的研究不尽相同, 其原因一方面可能与本试验土壤氮素养分含量高, 植株对肥料氮的吸收不敏感有关; 另一方面可能与品种、研究方法以及栽培管理不同有关。井涛[9]研究发现在土壤水分适宜供应的条件下, 施用氮肥能有效地提高马铃薯的氮素吸收速率, 但当施氮量超过时, 再增加氮肥用量实际上不能继续提高马铃薯对氮素的吸收利用。戚迎龙等[24]研究发现, 膜下滴灌下低灌水量不能有效发挥氮对玉米产量的贡献, 灌水1 800 ~ 2 100 m3/hm2、施氮250 ~ 280 kg/hm2能获得比较高的产量和水氮协同增产效应。本研究也发现, 氮肥用量在相同灌水量下对马铃薯的生长影响较大, 说明水分管理也是影响马铃薯对氮肥吸收利用的重要因素之一, 因此, 在以后的研究中还将结合马铃薯生长时期对水分的需求, 考虑氮肥用量与之相适应的水分管理, 进一步研究不同氮肥用量下的适宜灌水量, 寻求合理的水、氮供应方案, 达到以水调氮的目的, 这对于提高马铃薯产量和水、氮利用效率具有重要意义。
经济效益是科学施肥管理的最终目标, 李书田等[6]研究认为, 不合理的施肥会降低马铃薯的经济效益, 减小产投比。张晓光等[25]研究表明, 增施少量氮肥不能明显增加白萝卜的生物产量、经济产量、肉质根产量和经济产值, 只有达到一定量时才能促进各项产量和经济产值的增加, 同时过量施用氮肥并不能促进白萝卜生物产量、经济产量、肉质根产量和经济产值的增加。本试验结果表明, 施氮量在195 ~ 345 kg/hm2时施氮效应、施氮效益、施氮纯收入和氮肥产投比均随氮肥用量的增加而增加, 施氮量超过345 kg/hm2时均逐渐下降, 并且施氮量达495 kg/hm2时显著下降, 该结果与张炜等[3]研究结果基本一致。氮肥农学利用率是单位施肥量对作物产量增加的反应, 是农业生产中最关心的经济指标之一[26], 井涛[9]研究表明, 马铃薯的氮素吸收利用率、氮素农学利用率和氮素生理利用率均随着施氮量的增加呈现显著降低的趋势。黄继川等[5]研究表明, 氮素农学利用效率和氮素生理利用率均在施氮量240 kg/hm2时上升至最大值。本试验结果表明, 氮肥农学效率随氮肥用量的增加呈先增后降的趋势, 在施氮量345 kg/hm2时达最大值, 而施氮量达495 kg/hm2时显著下降, 说明施氮量在195 ~ 345 kg/hm2范围内, 单位增施氮肥具有较好的增产效果, 而施氮量超过345 kg/hm2时, 单位增施氮肥增产效果下降, 造成减产。因此控制适宜的氮肥用量是提高马铃薯产量、经济效益和氮肥利用率的重要农艺措施。
目前关于马铃薯的适宜氮肥用量研究报道较多, 然而, 不同地区由于自然条件、土壤类型、生长季节、栽培管理及品种等差异, 适宜的氮肥用量存在较大差异[1], 如广西南宁[14]、内蒙古武川[27]、珠三角地区[5]、湖北省襄阳[3]的适宜施氮量分别为160、185、240、261.7 kg/hm2。而本试验结果表明, 马铃薯最高产量施氮量和经济最佳施氮量分别为341.7、327.1 kg/hm2, 施氮量偏高, 其原因一方面可能与供试品种、栽培环境等因素有关, 另一方面可能与本试验土壤pH偏低, 影响了马铃薯根系对氮素的吸收, 需要更多的氮肥投入有关。
4 结论氮是影响马铃薯生长发育和产量形成的重要元素, 膜下滴灌条件下, 适宜的氮肥用量可促进马铃薯生长, 提高出苗率、叶面积指数, 维持良好的光合势, 延长叶片的衰老, 有利于增加单株结薯数、单株薯重和大薯重, 提高块茎产量和经济效益。过高的氮肥用量会抑制马铃薯生长, 出苗率、叶面积指数下降, 生育进程推迟, 不利于单株结薯数、单株薯重和块茎产量的提高, 导致经济效益和氮肥农学效率下降。本试验条件下, 马铃薯产量和经济效益均随氮肥用量的增加先增加后降低, 在345 kg/hm2施氮量时马铃薯产量、施氮纯收入、氮肥产投比和农学效率最高, 但与施氮量为270 kg/hm2和420 kg/hm2的处理无显著差异, 而施氮量增加到495 kg/hm2时显著下降。因此, 按照“增产施肥、经济施肥、环保施肥”理念, 从马铃薯的生长、产量和经济效益方面综合考虑, 膜下滴灌冬马铃薯适宜的氮肥用量应该控制在270 ~ 327.1 kg/hm2, 可获得较高的产量和经济效益。
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2. Scientific Observing and Experimental Station of Potato and Rapeseed in Yunnan-Guizhou Plateau, Ministry of Agriculture, Kunming 650205, China;
3. The Center for Agricultural Technology Extension in Luliang County of Yunnan Province, Luliang, Yunnan 655600, China;
4. Hai Yuan School of Kunming Medical College, Kunming 650101, China