高怡安,程萬莉,張文明,李亞娟,沈寶云,王蒂,邱慧珍
(1.甘肅農業(yè)大學資源與環(huán)境學院,甘肅省干旱生境作物學重點實驗室,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院,甘肅 蘭州 730070;3.景泰條山農場農科所,甘肅 白銀 730400;4.甘肅省作物遺傳改良與種質創(chuàng)新重點實驗室,甘肅 蘭州 730070;5.甘肅農業(yè)大學農學院,甘肅 蘭州 730070)
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有機肥替代部分化肥對甘肅省中部沿黃灌區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量、土壤礦質氮水平及氮肥效率的影響
高怡安1,程萬莉1,張文明1,李亞娟2,沈寶云3,王蒂4,5,邱慧珍1
(1.甘肅農業(yè)大學資源與環(huán)境學院,甘肅省干旱生境作物學重點實驗室,甘肅 蘭州730070;2.甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院,甘肅 蘭州730070;3.景泰條山農場農科所,甘肅 白銀730400;4.甘肅省作物遺傳改良與種質創(chuàng)新重點實驗室,甘肅 蘭州730070;5.甘肅農業(yè)大學農學院,甘肅 蘭州730070)
摘要:【目的】 為提高肥料的利用率,減少過量施用化肥的負面作用.【方法】 通過田間試驗研究了不同有機肥替代部分化肥對馬鈴薯塊莖產(chǎn)量、氮肥利用效率和土壤礦質氮含量的影響.【結果】 有機肥替代部分化肥的各處理產(chǎn)量均高于100%化肥的處理(T2),以200 kg/667m2普通有機肥替代10%化肥處理(T3)的增產(chǎn)幅度最大,為12.6%;單施有機肥在短期內不能提高馬鈴薯塊莖產(chǎn)量.有機肥替代部分化肥可提高N肥利用效率,以200 kg/667m2普通有機肥替代20%化肥處理(T5)最高,比T2提高了24.8%.與不施肥的對照(T1)和單施有機肥的處理(T9和T10)相比,施用化肥能明顯提高0~40 cm土層硝態(tài)氮的含量.不同處理未對土壤銨態(tài)氮含量造成顯著影響.0~40 cm土層礦質氮變化量與化肥施肥比例呈顯著正相關.【結論】 有機肥替代部分化肥能夠保持(提高)產(chǎn)量,其中以200 kg/667m2有機肥替代10%~30%化肥為宜.
關鍵詞:馬鈴薯;有機肥;礦質氮;產(chǎn)量
世界馬鈴薯(Solanumtuberosum)的種植面積達到 0.187×108hm2,總產(chǎn)量為 3.3×108t, 是僅次于玉米、小麥和水稻的全球第4大糧食作物,其總產(chǎn)量和產(chǎn)值均占糧食作物的 13%左右[1-2].中國是馬鈴薯生產(chǎn)大國,馬鈴薯是甘肅省第三大農作物,自2003年以來,甘肅省馬鈴薯種植面積穩(wěn)居全國第二,總產(chǎn)穩(wěn)居全國第一.馬鈴薯近些年出現(xiàn)專業(yè)化、規(guī)模化、商品化生產(chǎn),馬鈴薯產(chǎn)業(yè)已成為甘肅省旱作農業(yè)區(qū)農民脫貧致富和增加收入的重要產(chǎn)業(yè)[3-4].
甘肅省中部馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)的肥料施用以尿素、過磷酸鈣和復合肥等化肥為主,越來越多的農民依靠增加化肥的投入以期保持和提高產(chǎn)量,而有機肥提供的養(yǎng)分比例不斷減少,甚至不用有機肥[5].長期大量單施化肥造成土壤理化性質變差,土壤殘留礦質氮增加,環(huán)境風險日益增大.用一定量的有機肥料替代部分化學肥料,對于保證作物產(chǎn)量、提高品質、改善土壤理化性質起著重要的作用[8-9].
國內不同有機肥替代部分化肥的研究在水稻、棉花、烤煙、番茄和玉米等[7,15-17,21]作物上已經(jīng)進行了大量的研究,得到有機肥替代部分化肥能夠提高作物產(chǎn)量和品質,同時還能夠提高肥料利用效率和改善土壤環(huán)境等.而且已有的研究指出,有機肥替代化肥的比例不同,對作物產(chǎn)量和改善土壤理化性質的效果也不盡相同,并非有機肥所占比例越高越好,需要尋找替代的最佳比例[10-11].有機肥替代部分化肥對馬鈴薯影響的研究鮮見報道,有機肥在馬鈴薯生產(chǎn)中的作用還不明確.本研究在甘肅省景泰縣條山農場進行了大田試驗,研究不同有機肥替代部分化肥對馬鈴薯產(chǎn)量、氮肥利用率及土壤礦質氮的影響,以明確有機肥替代化肥最佳比例,在保證提高產(chǎn)量的同時,減少化肥用量、降低土壤中礦質氮的水平,提高氮肥利用率.
1材料與方法
1.1試驗地概況
田間試驗于2014年4月~9月在甘肅省中部沿黃灌區(qū)的白銀市景泰縣條山農場進行,位于N 37°12′,E 104°1′,海拔1 631 m,年平均氣溫為9.1 ℃,無霜期在141 d左右,屬溫帶大陸性干旱氣候.年平均降水量為185.6 mm,年平均蒸發(fā)量為1 722.8 mm,年平均日照時數(shù)2 713 h,該地區(qū)光熱資源豐富,日照百分率62%,太陽年平均輻射量147.8 kcal/cm2,≥0 ℃的年活動積溫3 614.8 ℃,≥10 ℃的有效積溫3 038.2 ℃,是我國除青藏高原外光熱資源最豐富的地區(qū)之一.該區(qū)土壤類型為灰鈣土,質地為砂壤.供試土壤基本理化性質見表1.
1.2試驗設計
本試驗設10個處理:T1:對照,不施肥處理(CK);T2:100%化肥(100%CF);T3:90%化肥+普通有機肥(90%CF+OF);T4:90%化肥+“爸愛我”生物有機肥(90%CF+BOF);T5:80%化肥+普通有機肥(80%CF+OF);T6:70%化肥+普通有機肥(70%CF+OF);T7:80%化肥+“爸愛我”生物有機肥(80%CF+BOF);T8:70%化肥+“爸愛我”生物有機肥(70%CF+BOF);T9:普通有機肥(OF);T10:“爸愛我”生物有機肥(BOF).
表1 試驗地土壤基礎理化性質
*表示pH為水土比5∶1)時的測定值.
每個處理設 4次重復,完全隨機區(qū)組排列.普通有機肥(OF)和“爸愛我”生物有機肥(BOF)施用量均為200 kg/667m2,100%化肥處理,用量為N 210 kg/hm2,N∶P2O5∶K2O=1∶0.7∶1.1,化肥分別用撒可富復合肥(15-15-15)、尿素(N,46%)、磷酸二銨(18-46-0),普通有機肥為白銀鑫昊工貿有限公司提供的有機肥(N∶P2O5∶K2O=7.4∶1.2∶1.8,有機質含量為49.2%),生物有機肥由江蘇新天地生物肥料工程中心有限公司提供的“爸愛我”生物有機肥(N∶P2O5∶K2O=5.9∶3.9∶1.8,有機質含量為52.2%).2014年4月29日播種,馬鈴薯種薯品種為‘大西洋’(Atlantic),由甘肅省白銀市景泰縣條山農場提供.采用寬壟雙行覆膜種植,播種前一天切種薯,并用1.5%濃度的高錳酸鉀溶液浸泡消毒,壟寬1.35 m,行距70 cm,株距20 cm,小區(qū)面積為5.4 m×7 m(4壟8行).種植密度約為5 000株/667m2.所有肥料均在播種時混勻后一次性基施:將化肥按比例混合均勻灑到小區(qū)地表,而后將肥料翻入0~20 cm的表層土壤中,其余各化肥處理小區(qū)依次減量而行.有機肥稱量好后直接均勻灑到馬鈴薯的播種溝內,而后覆土2 cm,避免肥料和種薯的直接接觸.起壟而后覆膜,無追肥,其余栽培、灌溉和田間管理措施均按農場習慣方法統(tǒng)一進行,各地塊保持一致,播種和施肥過程均由人工進行.
在馬鈴薯花期、塊莖形成期、塊莖膨大期、淀粉積累期和成熟期,分小區(qū)按0~20、20~40、40~60 cm土層用土鉆在壟上2行馬鈴薯植株之間隨機采集土壤樣品,小區(qū)取5點,混勻,去掉石子植物殘體等雜物,用密封袋裝好,帶回實驗室,過2 mm篩,經(jīng)四分后,一部分烘干法測含水量[12],一部分放入4 ℃冰箱冷藏備用.9月6號,各小區(qū)隨機選取長勢一致的4株馬鈴薯植株,分別測定:株高、莖圍、主莖數(shù)、單株結薯數(shù),單株結薯質量,平均單薯質量.9月10號收獲,各小區(qū)實測記產(chǎn).
1.3測定指標與方法
植株各器官全氮含量:收獲前每個小區(qū)隨機選取5株有代表性長勢均勻的馬鈴薯植株,裝袋帶回實驗室,考種后,分地上莖、葉、地下莖、根、塊莖洗凈,稱質量,分別用牛皮紙檔案袋裝好,置于105 ℃烘箱中殺青30 min,以80 ℃恒溫烘干至恒質量,稱干樣質量,同一小區(qū)同一器官干樣混合粉碎,過0.2 mm篩,采用H2SO4-H2O2消煮,半微量凱式定氮法測定植株各器官全氮含量.
土壤銨態(tài)氮(NH4+-N)和硝態(tài)氮(NO3--N)含量:用0.01 mol/L CaCl2浸提,注射流動分析儀測定,儀器型號為德國Bran Luebbe GmbH公司產(chǎn)AA3注射流動分析儀[13].
1.4計算方法與數(shù)據(jù)處理
氮收獲指數(shù)(%)=(塊莖吸氮量/作物吸氮量)×100%
氮素吸收效率(kg/kg N)=作物吸氮量/施氮量
氮肥利用率(%)=(施氮處理吸氮量-不施肥處理吸氮量)×100/施氮量
氮肥農學利用率(kg/kg N)=(施氮處理產(chǎn)量-不施肥處理產(chǎn)量)/施氮量[14]
式中“不施肥處理吸氮量/產(chǎn)量”,在施用有機肥各處理計算時,應當減去相應的“施純有機肥處理吸氮量/產(chǎn)量”.
所有數(shù)據(jù)采用 Microsoft Excel 2007計算、統(tǒng)計和作圖,用 SPSS 19.0軟件進行方差和相關性分析, Duncan’s新復極差法進行多重比較.
2結果與分析
2.1有機肥替代部分化肥對馬鈴薯產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素的影響
收獲后對試驗各小區(qū)馬鈴薯的塊莖產(chǎn)量、株高、分支數(shù)、莖粗、單株塊莖數(shù)、單株薯質量等產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素的測定結果見表2,3.可以看出,有機肥替代部分化肥各處理的塊莖產(chǎn)量均高于純化肥處理,除T9和T10處理外,各施肥處理產(chǎn)量顯著高于T1處理,其中T3(90%CF+OF)處理產(chǎn)量最高,相比T1處理提高了43.8%,相比T2處理提高了12.6%.T9(OF)和T10(BOF)處理產(chǎn)量高于T1處理,分別提高了17.9%和5%,但均低于純化肥處理T2.配施普通有機肥處理要略優(yōu)于配施生物有機肥處理,同一替代比例下配施普通有機肥產(chǎn)量要比配施生物有機肥高6.7%(90%CF)、2.7%(80%CF)、2.8%(70%CF)、12.4%(純有機肥).
不同處理間株高和分支數(shù)無顯著差異,從數(shù)值上來看,有機肥替代部分化肥各處理比T1、T2、T9和T10要高;施有機肥各處理間的莖粗無顯著差異,但是均顯著高于T1處理和T2處理;各處理間單株塊莖數(shù)無顯著差異,施化肥各處理間單株塊莖質量無顯著差異,但是均顯著高于對照處理和純有機肥處理.總體來看,有機肥替代部分化肥有利于馬鈴薯的生長.統(tǒng)計表明:莖粗和單株薯質量與塊莖產(chǎn)量具有極顯著的線性相關,相關系數(shù)分別為0.810和0.866.株高和分支數(shù)與塊莖產(chǎn)量具有顯著的線性相關,單株塊莖數(shù)與塊莖產(chǎn)量沒有顯著相關性.
表2 不同施肥處理對馬鈴薯產(chǎn)量及其構成因素的影響
表3 塊莖產(chǎn)量與其他因素的相關性分析(n=40)
2.2有機肥替代部分化肥對馬鈴薯氮肥效率的影響
不同施肥處理馬鈴薯氮肥效率如表4所示.從氮收獲指數(shù)上來看,相對于對照,各處理值都比較高,表明收獲時馬鈴薯塊莖的N積累量在植株總N積累占比最大.其中T1處理最低,T10處理最高,其他各處理的收獲指數(shù)和施化肥比例沒有相關性.有機肥替代部分化肥各處理的氮肥利用效率均高于T2處理,說明有機肥替代部分化肥能夠提高馬鈴薯對氮肥吸收效率.普通有機肥與生物有機肥之間沒有差異.氮肥利用效率上看,有機肥替代部分化肥各處理均顯著高于T2處理,表明有機肥替代部分化肥有利于提高馬鈴薯對氮肥的利用率.各有機肥部分替代化肥處理的氮肥農學利用效率明顯高于T2處理,其中以T8處理最高,達到49.1 kg/kg N.生物有機肥替代部分化肥各處理的氮肥農學利用效率均明顯高于對應的普通有機肥處理.同種有機肥不同替代比例上來看,隨著有機肥替代比例的增加,氮肥農學利用效率表現(xiàn)出提高的趨勢.
表4 不同施肥處理對馬鈴薯氮肥效率的影響
2.3有機肥替代部分化肥對馬鈴薯土壤礦質氮的影響
2.3.1土壤銨態(tài)氮時空分布特征不同施肥處理土壤的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮見圖1.可以看出,有機肥替代部分化肥處理對土壤銨態(tài)氮沒有明顯的影響.整體來講,土壤銨態(tài)氮含量很低,隨著土層加深,銨態(tài)氮表現(xiàn)出降低的趨勢.0~20 cm土層銨態(tài)氮總體隨生育期推進而增加,20~40 cm土層銨態(tài)氮呈先增加后降低的變化趨勢,以7月20號最高.40~60 cm的銨態(tài)氮也呈先增加后降低的趨勢,其最高值出現(xiàn)在8月8號.0~60 cm土層銨態(tài)氮含量隨土壤深度緩慢的下降.
2.3.2土壤硝態(tài)氮時空分布特征由圖1可以看出,不同施肥處理的硝態(tài)氮含量明顯不同,3個土層的結果均表現(xiàn)出T1、T9、T103個處理的硝態(tài)氮含量顯著低于其他各處理,表明施用化肥能明顯提高馬鈴薯土壤硝態(tài)氮含量,其含量隨生育期和土層深度的變化而變化.各處理硝態(tài)氮在7月5號至7月20號下降明顯,在7月20號至8月20號基本保持穩(wěn)定趨勢.施化肥各處理較對照與施純有機肥差異達到顯著水平,與施化肥量達到了顯著性相關性.從0~20 cm土層硝態(tài)氮來看,T2處理硝態(tài)氮在整個生育期呈下降趨勢,其他有機肥部分替代化肥各處理硝態(tài)氮是呈下降-平緩-下降的趨勢,表明有機肥能夠緩沖土壤中硝態(tài)氮的變化.7月5號時,T2、T3和T4處理0~20 cm硝態(tài)氮要高于T5、T6、T7和T8,這表明施用化肥量越多,土壤積累的硝態(tài)氮越多.9月6號有小幅下降.20~40 cm和40~60 cm土層硝態(tài)氮有一個微弱上升的趨勢,這可能是因為0~20 cm土層中硝態(tài)氮淋洗的作用.但是在9月6號有明顯的降低,這可能是因為處在耕作層的硝態(tài)氮含量減少到一定程度,0~20 cm土壤向下淋洗作用減小,而20~60 cm土層中的硝態(tài)氮繼續(xù)向下淋洗所致.
圖1 各處理土壤中礦質氮動態(tài)Fig.1 Dynamics of soil Nmin content during treatments
2.4土壤礦質氮與施肥之間的關系
馬鈴薯種薯在起壟后離壟面20 cm左右,而‘大西洋’的根長在20 cm左右,所以馬鈴薯能直接吸收利用的礦質氮主要集中在0~40 cm土層,將普通有機肥和生物有機肥各處理施用化肥比例與其0~40 cm土層礦質氮變化值(7月5號測得礦質氮值減去9月6號測的值)做線性相關分析,結果見圖2.可以看出,相關系數(shù)R2分別達到:0.965(BOF)、0.917(OF),可見,不論是以那種有機肥替代部分化肥,礦質氮變化與施化肥量呈顯著正相關關系.
圖2 化肥施用比例與0~40 cm礦質氮的相關性Fig.2 Correlation between the ratio of chemical fertilizer and 0~40 cm soil layer Nmin
3結論與討論
3.1馬鈴薯產(chǎn)量和氮肥效率
有機肥與化肥配合施用一直是我國農業(yè)施肥指導方針.在水稻、棉花、烤煙等[15-17]研究表明,有機肥與化肥配施都能顯著提高作物產(chǎn)量.王曉春[18]等研究表明:增施生物有機肥能顯著提高馬鈴薯產(chǎn)量和塊莖中淀粉含量.本試驗中有機肥替代部分化肥可以提高馬鈴薯產(chǎn)量,較T2處理分別提高了:12.6%(T3)、5.5%(T4)、10.9%(T5)、8.9%(T6)、8.1%(T7)、5.9%(T8).單施有機肥處理較對照處理產(chǎn)量高,但顯著低于T2處理產(chǎn)量,綜合收益不高,單施有機肥短期不能提高產(chǎn)量,普通有機肥和生物有機肥之間差異不明顯.本研究發(fā)現(xiàn),單株薯質量和植株莖粗與產(chǎn)量呈顯著相關,產(chǎn)量的增加依賴于單株薯重的增加,劉星等[19]對連作馬鈴薯產(chǎn)量構成因素的研究表明,單薯質量變化是產(chǎn)量變化的直接原因.莖是植株運輸養(yǎng)分和水分的重要通道,莖粗的大小影響著植株庫源流動,進而影響干物質分配.
氮肥效率是施氮量、作物產(chǎn)量和氮養(yǎng)分利用的綜合體現(xiàn)[20].史春余等[21]、張玉平[22]等研究表明有機肥配施化肥提高了肥料的利用效率.本研究中,有機肥替代部分化肥處理較T2處理均顯著提高了氮肥吸收效率、氮肥利用效率及氮肥農學利用效率.商躍鳳[11]研究表明有機肥的交換容量大,對NH4+-N的吸附量多,分解過程中產(chǎn)生的有機酸可降低其周圍土壤中脲酶和硝化、反硝化微生物活性,連續(xù)施用后明顯增加土壤養(yǎng)分容量,減少N素的損失與揮發(fā),從而提高了化肥的利用率.T2處理的N吸收效率最低,這也說明在本試驗條件下施肥量越多,氮的吸收效率越小.除配施生物有機肥處理的氮肥農學利用效率較配施普通有機肥處理略高,氮肥效率在普通有機肥和生物有機肥處理之間差異并不明顯,原因有待進一步研究.
3.2馬鈴薯土壤礦質氮動態(tài)分布
試驗結果表明0~60 cm土層銨態(tài)氮含量均較低(<12 mg/kg),這與巨曉棠等[24-25]研究結果相符,因此土壤存在和作物吸收利用的礦質氮主要是集中在耕作層的硝態(tài)氮.本研究表明有機肥能夠緩沖土壤中硝態(tài)氮的變化,并且施用化肥量越多,土壤積累的硝態(tài)氮越多.高亞軍等[26]研究亦認為,施氮是造成土壤中硝態(tài)氮積累的主要原因.試驗地馬鈴薯種薯種植在膜下20 cm左右,根據(jù)考種數(shù)據(jù),供試馬鈴薯品種‘大西洋’地下莖平均長度為18.2 cm(淀粉積累期和成熟期).Iwama[23]研究表明,馬鈴薯根量較少且主要分布在耕作層,越早熟的品種,根系分布越淺.由此可知‘大西洋’根系主要分布在耕作層.根據(jù)馬鈴薯栽培與生長特點,0~40 cm土層硝態(tài)氮可以作為土壤供氮能力的一個指標,這一土層礦質氮變化與化肥施用量呈顯著相關性.但是從馬鈴薯植株最后積累的全N來看,施化肥比例與其不成正比.從礦質氮數(shù)據(jù)來看,試驗中不同有機肥替代不同比例化肥的礦質氮含量差異不顯著,具體原因有待進一步研究.
綜合分析不同有機肥替代部分化肥處理對馬鈴薯產(chǎn)量及氮肥效率的影響,并考慮施肥帶來的土壤硝態(tài)氮對環(huán)境帶來的風險,初步得到,在本研究地區(qū)適宜的施肥方法應該為:施用70%~90%的化肥,即N 147~189 kg/hm2,同時配施200 kg/667m2普通有機肥,以達到減少化肥施用量保產(chǎn)增產(chǎn),且能提高氮肥效率目的,因試驗只設置了相同有機肥量替代10%~30%化肥處理的限制,具體的最佳配施比例還需進一步研究.
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(責任編輯李辛)
Effect of organic fertilizer partially replace chemical fertilizer on yield,Nmin's level in soil and N fertilizer efficiency of potato in the Yellow River irrigation area of the central in Gansu
GAO Yi-an1,CHENG Wan-li1,ZHANG Wen-ming1,LI Ya-juan2,SHEN Bao-yun3,WANG Di4,5,QIU Hui-zhen1
(1.College of Resources and Environmental Sciences,Gansu Agricultural University,Gansu Provincial Key Lab of Arid Land Crop Science,Lanzhou 730070,China;2.College of Prataculture,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China;3.Institute of Agricultural Science,Tiaoshan Farm,Jingtai 730400,China;4.Gansu Key Laboratory of Crop Genetic and Germplasm Enhancement,Lanzhou 730070,China;5.College of Agronomy,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070, China;)
Abstract:【Objective】 In order to improve the ecological fertility of soil and fertilizer efficiency and to reduce the adverse effects of excessive use of fertilizers to environment.【Method】 The effects of different organic fertilizer to replace some chemical fertilizer were studied on potato yield,nitrogen efficiency and soil mineral nitrogen through field trials.【Result】 The results showed that organic fertilizer to replace some fertilizer treatments were higher than the yield of T2 treatment,the most significant increase with 200 kg/667m2 ordinary organic fertilizer to replace 10% chemical fertilizer treatment,than chemical fertilizer treatment,an increase of 12.6%,a single organic fertilizer in the short term did not improve the yield of potato tubers.Organic fertilizer to replace part of fertilizer enhanced N fertilizer use efficiency,the highest was T5 treatment,than T2 treatment increased 58.4%.Each soil nitrate value of chemical fertilizer treatment compared with T1,T9 and T10were significantly improved.Soil ammonium value was stable and low,no significant difference among the treatments.There was significant positive correlation between 0-40 cm of soil mineral nitrogen variation and ratio of chemical fertilization.【Conclusion】 Organic fertilizer to replace part of chemical fertilizer increases the tuber yield of potato;200 kg/667m2 ordinary organic fertilizer to replace 10%~30% fertilizer treatment is appropriate.
Key words:potato;organic fertilizer;Nmin;yield
通信作者:邱慧珍,女,教授,博士生導師,主要從事植物營養(yǎng)與營養(yǎng)生態(tài)的教學與科研工作.E-mail:hzqiu@gsau.edu.cn
基金項目:國家公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(201103004);國家科技支撐計劃項目(2012BAD06B03);甘肅省科技支撐計劃項目(1011NKCA070);甘肅省科技重大專項(1102NKDA025).
收稿日期:2015-04-13;修回日期:2015-05-06
中圖分類號:S 532
文獻標志碼:A
文章編號:1003-4315(2016)02-0054-07
第一作者:高怡安(1989-),男,碩士研究生,研究方向為馬鈴薯最佳養(yǎng)分資源管理.E-mail:gya1989@sina.com