氮肥施用量對水澆地覆膜馬鈴薯土壤礦質氮含量及馬鈴薯產(chǎn)量的影響

李夢龍，何萬春，何昌福，張春紅，李亞，邱慧珍

(1.甘肅農(nóng)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.甘肅省作物遺傳改良與種質創(chuàng)新重點實驗室，甘肅 蘭州　730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院,甘肅 蘭州　730070)

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氮肥施用量對水澆地覆膜馬鈴薯土壤礦質氮含量及馬鈴薯產(chǎn)量的影響

(1.甘肅農(nóng)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.甘肅省作物遺傳改良與種質創(chuàng)新重點實驗室，甘肅 蘭州730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院,甘肅 蘭州730070)

摘要：【目的】 針對馬鈴薯生產(chǎn)中存在的氮肥過量施用問題，探索氮素在土壤中的殘留情況和馬鈴薯最佳施氮量,為科學施用氮肥提供參考.【方法】 通過田間試驗，研究不同氮肥水平(0,75,150,225,300，375 N kg/hm2)對水澆地覆膜馬鈴薯‘青薯9號’各生育期土壤0～20 cm和20～40 cm土層礦質氮(銨態(tài)氮+硝態(tài)氮)含量及馬鈴薯產(chǎn)量的影響.【結果】 隨施氮量的增加，土壤銨態(tài)氮含量變化較小，但0～20 cm和20～40 cm土層硝態(tài)氮的含量隨施氮量增加顯著增加，不同氮肥用量T2、T3、T4、T5和T6處理的0～20 cm土層中硝態(tài)氮含量至收獲期時高達57.53，88.53，149.86，185.10 mg/kg和240.42 mg/kg，比播前增加了40～200 mg/kg；20～40 cm土層硝態(tài)氮含量至收獲期時分別為63.90，88.11，156.70，192.13 mg/kg和244.51 mg/kg，比播前增加了30～200 mg/kg；過量施氮(T5和T6)和氮肥施用不足(T1、T2和T3)均降低了馬鈴薯的塊莖產(chǎn)量.【結論】 試驗條件下，馬鈴薯的經(jīng)濟最佳施氮量和最高產(chǎn)量施氮量分別為180.99 kg/hm2和231.07 kg/hm2.不同氮水平主要通過影響‘青薯9號’的平均單株薯質量而影響塊莖產(chǎn)量.

關鍵詞：馬鈴薯；產(chǎn)量；礦質氮；銨態(tài)氮；硝態(tài)氮

馬鈴薯是重要的糧菜兼用作物，其產(chǎn)量和品質都與氮素營養(yǎng)密切相關[1,2]，長期以來馬鈴薯的氮素利用率(NUE),即作物吸收的氮素占所施總氮的比率，大部分在35%～50%之間[3]，有的地區(qū)氮素利用率甚至只有20%左右.農(nóng)業(yè)上長期施用高量氮肥是造成地下飲用水硝酸鹽污染的重要原因之一[4]，其中重要的原因就是硝態(tài)氮的淋溶.20世紀80年代歐洲發(fā)達國家化學氮肥用量在持續(xù)增長40 a后到頂點，以純氮計每公頃施用量約為200 kg，與此同時，這些國家開始為施用大量的農(nóng)用氮肥所引起的地下水、飲用水硝酸鹽污染的問題困擾.甘肅省定西市是馬鈴薯產(chǎn)業(yè)比較集中的區(qū)域，然而該地區(qū)農(nóng)業(yè)技術相對落后，農(nóng)民對于氮肥的施用往往是憑借經(jīng)驗，因此過量、不科學施用氮肥的情況普遍存在，這樣不僅僅造成大量肥料資源的浪費，還對該地區(qū)的環(huán)境造成潛在威脅，因此有必要了解該地區(qū)在氮肥的施用過程中礦質氮素，尤其是硝態(tài)氮在馬鈴薯農(nóng)田土壤中的殘留狀況，為科學的施用氮肥以及減少氮肥施用所帶來的環(huán)境問題提供參考依據(jù).

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗地設立在甘肅省定西市香泉鄉(xiāng)，于2014年4月至10月進行，該地區(qū)是典型的干旱半干旱地區(qū).試驗區(qū)海拔2 200 m，年均溫度6.2 ℃，年降水量 415.2 mm，無霜期140 d.80%保證率≥10 ℃的積溫為2 075.1 ℃，熱量不足，蒸發(fā)量大，屬中溫帶半干旱氣候.該區(qū)土壤類型為黃綿土，滴灌灌溉.

1.2供試品種

本試驗馬鈴薯品種為‘青薯9號’，由定西市旱作農(nóng)業(yè)科研推廣中心提供.

1.3試驗設計

試驗共設6個氮水平處理，分別為T1(CK純N 0 kg/hm2)、T2(純N 75 kg/hm2)、T3(純N 150 kg/hm2)、T4(純N 225 kg/hm2)、T5(純N 300 kg/hm2)、T6(純N 375 kg/hm2)，肥底為磷鉀肥，P2O5105 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2.氮肥用尿素(N 46%)，磷肥用過磷酸鈣(P2O516%)，鉀肥用硫酸鉀(鉀 52%)，所有肥料在播種時全部溝施.播種前各處理土壤平均礦質氮含量見表1.采用寬隆雙行種植模式，每處理重復4次，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積為7.2 m×9 m=64.8 m2，行距0.5 m，株距0.3 m，種植密度為66 750株/hm2，于2014年4月28日播種，10月21日收獲.

表1　播前各處理不同土層礦質氮含量

1.4樣品采集與測定方法

試驗在播種后，分別在馬鈴薯出苗后塊莖形成期、塊莖增長前期、塊莖增長后期、淀粉積累期、收獲期(出苗后49、84、107、127 d和177 d)分層采取0～20、20～40 cm土層的新鮮土壤.使用土鉆，每個小區(qū)隨機采3鉆，相同土層的土樣混合成為一個樣，帶回實驗室.稱取12.00 g過2 mm篩的新鮮土壤樣品于錐形瓶中,加入100 mL 0.01 mol/L的CaCl2溶液，振蕩1 h,過濾，濾液冷凍保存[5].測定前解凍，采用連續(xù)流動分析儀(TRACCS-2000 continuous flow analytical CFA)測定濾液中的硝態(tài)氮(NO3--N)和銨態(tài)氮(NH4+-N)含量.測產(chǎn)時在每個試驗小區(qū)中部選取株行距均等，不缺株的3個樣點，每個樣點取3行，每行長1 m，稱取塊莖質量.選擇10株典型樣株并記錄每株塊莖的質量、塊莖數(shù)等.

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結果分析

2.1不同施氮量對馬鈴薯不同生育期土壤銨態(tài)氮含量的影響

由圖1可見，隨著馬鈴薯生育期的推進，0～20、20～40 cm土層中銨態(tài)氮含量都表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，分別在播種后49 d和播種后84 d達到最低，然后逐漸升高.從圖1還可發(fā)現(xiàn)，隨著氮肥施用量的增加，對兩個土層中的土壤銨態(tài)氮含量影響并不明顯，各處理間未見顯著差異(P<0.05).

圖1　不同施氮處理馬鈴薯農(nóng)田土壤銨態(tài)氮含量的動態(tài)變化Fig.1　The dynamic changes of the content of ammonium nitrogen in the soil under different treatments

2.2不同施氮量對馬鈴薯不同生育期土壤硝態(tài)氮含量的影響

由圖2可以看出，在整個馬鈴薯生育周期內，土壤中硝態(tài)氮含量總體表現(xiàn)出是一個逐漸積累的過程，0～20 cm土層中，在氮肥施用量相對不是很高的T2和T3處理水平下，土壤中硝態(tài)氮含量上升趨勢較為平緩，而施氮量較高的T4、T5和T6水平處理下，在塊莖形成期土壤中硝態(tài)氮含量急劇上升，之后趨于平緩.在20～40 cm土層中，土壤中硝態(tài)氮含量也表現(xiàn)出同樣的趨勢.從收獲期的土壤硝態(tài)氮含量可以看出，土壤中硝態(tài)氮含量都顯著高于播前土壤中硝態(tài)氮含量.在馬鈴薯收獲期，0～20 cm土層T2、T3、T4、T5、T6處理下土壤中硝態(tài)氮含量分別為57.53，88.53，149.86，185.10，240.43 mg/kg，20～40 cm土層土壤中硝態(tài)氮含量分別為63.90，88.11，156.70，192.13，244.51 mg/kg.可以看出隨著氮肥施用量的增加，硝態(tài)氮在馬鈴薯農(nóng)田土壤中的含量幾乎呈線性增長，在T5水平達到最大，20～40 cm土層土壤中硝態(tài)氮含量在各個處理間均高于0～20 cm土層土壤中硝態(tài)氮含量.

圖2　不同施氮處理馬鈴薯農(nóng)田土壤硝態(tài)氮含量的動態(tài)變化Fig.2　The dynamic changes of the content of nitrate nitrogen in the soil under different treatments

2.3不同施氮量對馬鈴薯產(chǎn)量以及構成因素的影響

通過對供試的6個氮素水平下的馬鈴薯平均產(chǎn)量及其構成因素的比較分析(表2)，可以得出，在一定氮水平范圍內，馬鈴薯的產(chǎn)量隨著氮肥施用量的增加而提高，在T4(N 225 kg/hm2)氮水平處理下馬鈴薯產(chǎn)量達到最高，即51 484.05 kg/hm2；當繼續(xù)增加氮肥施用量，馬鈴薯的產(chǎn)量反而表現(xiàn)出下降的趨勢，在T6(N 375 kg/hm2)氮素水平下，馬鈴薯的產(chǎn)量同CK沒有差異.馬鈴薯的單株薯質量在T3(N 150 kg/hm2)水平處理達到最大，然后表現(xiàn)出下降趨勢，但單株薯質量在T2、T3、T4、T54個水平之間差異不顯著(P<0.05).平均塊莖質量在T4(N 225 kg/hm2)氮素水平處理下達到最大之后下降，但是在各處理之間差異并不顯著(P<0.05).馬鈴薯單株結薯數(shù)在T3(N 150 kg/hm2)水平處理達到最大，之后表現(xiàn)出逐漸下降趨勢，但各個處理水平之間差異不顯著(P<0.05).馬鈴薯的收獲指數(shù)在各個處理之間差異并不顯著(P<0.05)，在T4(N 225 kg/hm2)氮水平處理下達到最大.

表2　不同施氮水平馬鈴薯的產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素

3討論與結論

土壤液相中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是植物可以直接吸收利用的氮素形態(tài).本研究結果表明，不同施氮水平土壤的銨態(tài)氮含量相差不大，已有的研究表明對于銨態(tài)氮來說，土壤不僅含有自然固定態(tài)銨，而且具有固定加入銨的能力，并且這種能力是很快的，一個周期結束后銨態(tài)氮的含量總體變化不大[6].苗艷芳等[7]通過對小麥土壤研究也得出了相同的結果.本研究還發(fā)現(xiàn)在馬鈴薯整個生育周期內銨態(tài)氮表現(xiàn)出現(xiàn)先下降后上升的趨勢.

硝態(tài)氮容易隨著土壤水分流失，不容易被土壤吸附固定，這是造成氮肥流失的重要原因.過量的施用氮肥，造成硝態(tài)氮的積累，是造成地下水污染的重要原因.本研究中隨著馬鈴薯生育周期的推進，土壤中硝態(tài)氮含量逐漸增加，隨著氮肥施用量的增加，土壤中硝態(tài)氮含量幾乎呈線性增加.在馬鈴薯收獲期，20～40 cm土層中硝態(tài)氮含量在各個施用氮肥處理水平下均高于0～20 cm土層硝態(tài)氮含量.已有的研究結果均表明，氮肥投入過量，土壤中的硝態(tài)氮積累會隨著氮肥施用量的增長呈線性增長[8-9].黃紹榮[10]對小麥田土壤的研究也表明，氮肥投入量與土壤下滲水中硝態(tài)氮含量呈線性關系.巨曉棠等[11]的研究表明農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中大量施用的氮肥，雖然不能很快進入地下水或者地表水，但是可以積累在土壤的不同位置，隨著灌溉和大量的降水，向土壤更深層次移動，這一結論與本研究結果基本一致.

過量的氮肥投入造成大量的氮素殘留在土壤中，這不僅會導致作物生理功能降低，產(chǎn)量下降，而且還會對環(huán)境造成極大的影響.因此控制氮肥的施用量，以求達到經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的平衡是我們應該著重考慮的問題.不同作物對于氮素營養(yǎng)的需求不同，張小燕[12]和朱勇臣等[13]的研究結果都表明，氮肥施用量在180 kg/hm2時，馬鈴薯‘隴薯三號’產(chǎn)量最高，經(jīng)濟效益最好，繼續(xù)增加氮肥施用量，馬鈴薯產(chǎn)量反而下降.王博等[14]對小麥的研究結果表明，在中肥力田干旱條件下，小麥的最佳施氮量在160 kg/hm2.張佳等[15]對玉米的研究表明，控制氮肥施用量在200 kg/hm2時，玉米的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益達到最大.鄭福麗等[16]通過研究不同氮肥施用量對姜產(chǎn)量和土壤中硝態(tài)氮積累的影響，得出周年氮肥投入550～650 kg/hm2為宜.本試驗條件下，對于‘青薯9號’馬鈴薯品種，在氮肥施用量在225 kg/hm2時產(chǎn)量達到最大，土壤中硝態(tài)氮含量較為穩(wěn)定；當繼續(xù)增加氮肥施用量時，產(chǎn)量表現(xiàn)出下降趨勢,土壤中硝態(tài)氮含量增幅度較大，更容易對環(huán)境造成威脅.經(jīng)濟最佳施氮量為180.99 kg/hm2，最高產(chǎn)量施氮量為231.07 kg/hm2.

本研究的馬鈴薯品種為‘青薯9號’，試驗地為水澆地，而其他馬鈴薯品種以及旱地條件下施氮量對土壤礦質氮含量及馬鈴薯產(chǎn)量的影響還有待進一步研究.

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(責任編輯胡文忠)

Effects of nitrogen fertilizer rates on content of soil mineral nitrogen and potato tuber yield under film mulching

LI Meng-long1,HE Wan-chun1,HE Chang-fu1,ZHANG Chun-hong1,LI Ya-juan2,WANG Di3,QIU Hui-xhen1

(1.College of Resources and Environmental Sciences,Gansu Agricultural University,Gansu Key Laboratory of Aridland Grop Science,Lanzhou 730070，China;2.Gansu Key Lab of Crop Improvement and Germplasm Enhancement,Lanzhou 730070 China;3.College of Agronomy,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

Abstract：【Objective】 Aimed at the problem of excessive applying nitrogen fertilizer,this study explores the residual of nitrogen element in the soil and optimum nitrogen application rate.【Method】 A field experiment was carried out in Dingxi County of Gansu Province to determine the reasonable N fertilizer rates and effects on content of soil mineral nitrogen(NH4+-N,NO3--N) and potato tuber yield under film mulching culture conditions.Six N fertilizer rates (0,75,150,225,300 and 375 N kg N/hm2) were laid out in a randomized complete block design with four replications.【Result】 The content of ammonium nitrogen (NH4+-N) in soil was relatively stable,but the content of nitrate nitrogen(NO3--N)increased significantly with the increase of N fertilizer rates.NO3--N content in 0～20 cm soil layer of T2，T3，T4，T5and T6at the harvest period reached to the higher levels of 57.53，88.53，149.86，185.10 and 240.43 mg/kg,which in 20～40 cm soil layer were 63.90 mg/kg,88.11 mg/kg,156.70 mg/kg,192.13 mg/kg and 244.51 mg/kg,much higher than that in the same soil layers before the sowing period.Both N deficiency and excessive application of N fertilizer led to decline in potato tuber yield.【Conclusion】 Under the condition of this experiment,the N rates for highest yield and largest economic benefit are 180.99 kg/hm2and 231.07 kg/hm2respectively.The yield component factor analysis result showed that the average fresh-weight was the major factors affecting the potato tuber yield under the different N rates.

Key words：potato;yield;soil mineral nitrogen;ammonium nitrogen;nitrate nitrogen

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(nóng)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)；國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系建設專項(CARS-10-P18)和甘肅省科技重大專項(1102NKDA025).

收稿日期：2015-03-24；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)03-0060-05

第一作者：李夢龍(1988-)，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:unclecold@163.com