不同水氮處理對膜下滴灌馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤硝態(tài)氮運移的影響

商美新，房增國，梁 斌，王 萌，李俊良

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109)

馬鈴薯膜下滴灌栽培是近年來北方一些地區(qū)開始推廣的新型栽培模式[1-3]，但受到農(nóng)民種植習(xí)慣的影響，滴灌施肥過程中存在過量的氮肥投入和水分投入的問題，這種盲目大肥、大水栽培方式不僅極大地提高了生產(chǎn)成本，使產(chǎn)品質(zhì)量下降，而且對地下水污染嚴(yán)重[4]，國內(nèi)外研究表明，地下水中的硝態(tài)氮含量在有灌溉條件且排水良好的集約化農(nóng)區(qū)明顯增高，對地下水質(zhì)帶來安全隱患[5-6]。雖然關(guān)于灌水和施氮對馬鈴薯產(chǎn)量、肥料利用率影響的研究已較多[7-9]。但多集中在水分或氮肥單因子水平上，而在滴灌條件下對水氮交互作用下的影響少有研究。本試驗利用防雨旱棚中馬鈴薯膜下滴灌試驗，研究不同水氮處理對馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤硝態(tài)氮積累、氮肥利用效率及水分利用效率的影響。旨在得出最優(yōu)的馬鈴薯管理制度、為馬鈴薯設(shè)施栽培中氮肥利用率及水分利用率的提高提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年在山東省膠州市膠萊鎮(zhèn)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園溫室大棚中進行。試驗地土壤類型為砂姜黑土，質(zhì)地為砂壤，土質(zhì)疏松。膠萊鎮(zhèn)是青島市高效農(nóng)業(yè)區(qū)，青島市無公害蔬菜示范基地，該地氣候宜人，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，四季分明，年平均降水量755.6 mm，年均無霜期210 d。土壤肥沃，土層厚達8～10 cm，水蘊藏量豐富，地表河流多，大沽河、膠萊河穿流而過，為發(fā)展蔬菜生產(chǎn)提供了有利的條件。試驗地土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗地土壤理化性質(zhì)Tab.1 Soil physical and chemical properties in experimental plots

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用二因素三水平完全隨機區(qū)組設(shè)計。3個施氮水平(N kg/hm2)為150，225，300；3個灌溉水平(m3/hm2)450，900，1 350；共計9個水氮組合處理，每個處理重復(fù)3次，共計27個小區(qū)，小區(qū)面積11.5 m×5.0 m，為了消除各小區(qū)氮素移動所帶來的誤差，各小區(qū)之間設(shè)置2行的隔離，具體處理見表2。

供試馬鈴薯品種為荷蘭15號。供試肥料底肥施入復(fù)合肥N-P2O5-K2O(15-15-15)450 kg/hm2，氮肥為尿素(含N 46%)60%基施，40%追施(追肥次數(shù)為4次，隨每次灌溉水進入，其各次分配比例按照順序依次為33.3%，26.7%，26.7%，13.3%)，磷肥和鉀肥分別為重過磷酸鈣90 kg/hm2(含P2O543%)，硫酸鉀225 kg/hm2(含K2O 50%)，作為基肥一次性施入。灌水按照生育時期分5次進行，按照試驗設(shè)計的灌水量總量按比例進行分配，除定植水10%之外，其余各灌水次數(shù)均依次與追肥時間相同，按照灌水總量的20%，20%，25%，25%進行。

馬鈴薯種植，采用高壟覆膜滴灌的設(shè)施栽培模式(圖1)，株距30 cm，行距60 cm，壟寬80 cm，壟間距20 cm，種植密度為61 800株/hm2。馬鈴薯生長期間進行正常的生產(chǎn)種植管理，于收獲計產(chǎn)。

表2 試驗設(shè)計處理Tab.2 Test design processing

圖1 覆膜滴灌剖面示意圖Fig.1 Profile of drip irrigation under plastic cover

1.3 測定項目及方法

在馬鈴薯的苗期4月25日、塊莖形成期5月10日、塊莖膨大期5月25日、淀粉積累期6月10日、成熟期6月25日用“S型法”取0～100 cm深度土樣，每20 cm為1層，同層土樣進行混合，并將混勻的土樣放在-4 ℃冰箱中保存；采集各處理馬鈴薯完整植株6株，洗凈表面泥土，用去離子水沖洗在105 ℃烘箱中殺青30 min，然后在60 ℃下烘干至恒質(zhì)量，測干質(zhì)量。

土壤硝態(tài)氮含量：采用連續(xù)流動分析儀(AA3型)測土壤浸提樣中的硝態(tài)氮[10]、檢測前把采集的土壤浸提樣從冰箱中取出自然解凍，用1 mol/L KCl浸提,水土比= 10∶1。

產(chǎn)量的測定：在馬鈴薯成熟期，選取2.20 m×3.03 m小區(qū)進行測產(chǎn)，每個小區(qū)重復(fù)3次，最后根據(jù)小區(qū)面積產(chǎn)量換算每個處理馬鈴薯總質(zhì)量。

品質(zhì)的測定：維生素C采用2，6-二氯靛酚滴定法[11]。硝酸鹽采用紫外分光光度法[11]。淀粉、可溶性糖采用蒽酮比色法[12]?？扇苄缘鞍撞捎每捡R斯亮藍法[12]。

相關(guān)參數(shù)計算:

塊莖產(chǎn)量(g/株)=小區(qū)產(chǎn)量/小區(qū)株數(shù)；

氮收獲指數(shù)(NHI，%)=(塊莖吸氮量/植株總吸氮量)×100%；

氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP，kg/kg)=施氮區(qū)塊莖產(chǎn)量/施氮量；

水分生產(chǎn)效率(kg/m3)=作物產(chǎn)量/凈灌溉水量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010、SPSS 19.0等軟件進行整理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮處理對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

從圖2 可以看出，N1W1處理下的馬鈴薯產(chǎn)量最低，為24 409.9 kg/hm2。N2W2處理下的馬鈴薯產(chǎn)量最高，為35 299.9 kg/hm2；最大增產(chǎn)10 890.0 kg/hm2，增幅為44.6%。在相同水分處理下，隨著施氮量的增加，產(chǎn)量明顯增加，其中以施氮量在150～225 kg/hm2時增加最為顯著，繼續(xù)增加氮肥投入達到300 kg/hm2，產(chǎn)量增加趨勢不明顯，反而略有下降。在相同施氮水平下，各處理產(chǎn)量變化不明顯，但在施氮量為225 kg/hm2時，產(chǎn)量隨著灌水量的增加而增加，在灌水量為900 m3/hm2時達到最大，最大增幅21.86%。

不同字母表示不同處理間差異達5%顯著水平。圖3同。 Different letters mean significant difference among the nitrogen treatments at 5% levels. The same as Fig.3.

2.2 不同水氮處理對馬鈴薯產(chǎn)量構(gòu)成及商品率影響

由表3可知，隨著施氮量的增加，馬鈴薯商品率呈先升高后降低的趨勢，在灌水量一致的情況下，這一趨勢表現(xiàn)得更加明顯，當(dāng)施氮量為225 kg/hm2、灌水量為900 m3/hm2時，馬鈴薯的商品率最大為77.9%，且較其他處理顯著增加。在相同的中低施氮量下，隨著灌水量的增加，馬鈴薯的商品率呈現(xiàn)增加的趨勢，而在高施氮量下，則呈現(xiàn)降低的變化趨勢。在施氮量為225 kg/hm2時，大塊莖及中塊莖個數(shù)隨著灌水量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且均在施氮量225 kg/hm2灌水量為900 m3/hm2時顯著高于其他處理。

2.3 不同水氮處理條件下對馬鈴薯品質(zhì)的影響

由表4可以看出，施用氮肥及灌水，對馬鈴薯維生素C(以鮮質(zhì)量計)、淀粉(以干質(zhì)量計)、蛋白質(zhì)(以干質(zhì)量計)、可溶性糖(以干質(zhì)量計)及硝酸鹽(以鮮質(zhì)量計)含量有著顯著的影響。在施氮量為300 kg/hm2時，維C含量隨著灌水量的增加不斷降低,在施氮量為150,225 kg/hm2時，隨灌水量增加，淀粉含量不斷降低，但均沒有顯著性變化，而硝酸鹽含量則顯著降低，降幅為31.4%～42.9%?？扇苄蕴羌翱扇苄缘鞍纂S著灌水量的增加呈現(xiàn)拋物線變化趨勢。

表3 不同水氮處理馬鈴薯的產(chǎn)量構(gòu)成及商品率Tab.3 Yield and commodity rate of potato under different water and nitrogen treatments

注：大塊莖指單個塊莖質(zhì)量>400 g，400 g≥中塊莖指單個塊莖質(zhì)量≥100 g，小塊莖指單個塊莖<100 g。同一列數(shù)值后的不同小寫字母表示處理間在P<0.05水平差異顯著。表4-5同。

Note: Values followed by different within each column are significant between different treatments atP<0.05 level. The same as Tab.4-5.

表4 不同水氮處理條件下馬鈴薯的品質(zhì)Tab.4 Quality of potato under different water and nitrogen treatment conditions

在灌水量450,900 m3/hm2時，隨著施氮量的增加，可溶性蛋白含量顯著增加，在相同灌水量下，隨著施氮量的增加，硝酸鹽含量明顯增加，維生素C含量不斷增加。淀粉含量隨著施氮量的增加，不斷降低，在施氮量為300 kg/hm2，灌水量1 350 m3/hm2時達到最低，為134.3 g/kg，較含量最高處理顯著降低了22.9 g/kg?？扇苄蕴呛侩S著施氮量的增加呈現(xiàn)拋物線變化趨勢。在施氮量225 kg/hm2，灌水量900 m3/hm2為達到最高水平，含量為17.0 g/kg，較最低處理增加了5.5 g/kg。

2.4 不同水氮處理對馬鈴薯氮素吸收及水分利用的影響

由表5可以看出，在相同施氮量下，隨著灌水量的增加，塊莖吸氮量呈現(xiàn)拋物線變化趨勢，且各處理間差異較為顯著，在相同灌水量下，隨著施氮量的增加，塊莖吸氮量顯著增加，在施氮量為300 kg/hm2，灌水量1 350 m3/hm2時達到最大，為212.4 kg/hm2。氮收獲指數(shù)(NHI)表示氮素向塊莖轉(zhuǎn)移的效率，從表5可以看出，不同水氮處理下馬鈴薯NHI變化在45.8%～52.5%，且隨著施氮量的增加而增加；然而在相同施氮量下，以中等水量的NHI最高，且與其他2個灌水量差異較為顯著。馬鈴薯的氮素偏生產(chǎn)力反映試驗地土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分水平和化肥施用量綜合效應(yīng)。表5顯示，在相同施氮量下，隨著灌水量的增加，氮肥偏生產(chǎn)力呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，而在相同灌水量下，隨著氮肥的不斷投入，氮肥偏生產(chǎn)力顯著降低。水分生產(chǎn)率反映了水量的投入產(chǎn)出效率，是衡量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和農(nóng)業(yè)用水科學(xué)性與合理性的綜合指標(biāo)，也是節(jié)水灌溉與高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要指標(biāo)之一。由表5可以看出，在施氮150 kg/hm2時，不同灌水量處理對水分生產(chǎn)率整體呈現(xiàn)降低趨勢，但是下降不顯著。而在相同灌水量下，隨著施氮量的增加，水分生產(chǎn)率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，尤其在施氮量225 kg/hm2，灌水量1 350 m3/hm2時最大，達到22.4 kg/m3。

表5 不同水氮處理對馬鈴薯氮素吸收及水分利用的影響Tab.5 Effects of different water and nitrogen treatment on nitrogen absorption and water utilization of potato

注：NHI.氮收獲指數(shù)；NPFP.氮肥偏生產(chǎn)力。

Note：NHI. Nitrogen harvest index；NPFP. Nitrogen partial factor productivity。

2.5 馬鈴薯生育期施氮量對不同土層硝態(tài)氮含量的影響

圖3 馬鈴薯生育期間不同土層深度土壤硝態(tài)氮含量Fig.3 Soil nitrate nitrogen content in different soil depths during potato growth

3 討論與結(jié)論

有研究表明[13-14],提高土壤濕潤比或增施氮肥都可以增加馬鈴薯的產(chǎn)量。本試驗表明，灌水量相同時，隨著施氮量的增加，馬鈴薯產(chǎn)量呈增加趨勢，這與高鋒[15]的研究結(jié)果一致。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，繼續(xù)增加氮肥投入，馬鈴薯塊莖產(chǎn)量呈現(xiàn)拋物線趨勢變化。而在相同施氮情況下，馬鈴薯塊莖產(chǎn)量隨著灌水量的增加同樣呈現(xiàn)拋物線趨勢變化，這與臧文靜等[7]研究結(jié)果一致。說明適量的水氮投入，顯著增加馬鈴薯塊莖產(chǎn)量，繼續(xù)投入產(chǎn)量隨之降低。

宋娜等[16]和劉云等[17]認(rèn)為施氮量決定馬鈴薯塊莖淀粉、維生素C、可溶性糖等含量的高低，隨著施氮量的增加這些指標(biāo)含量增加，但是高施氮量不會使這些指標(biāo)含量一直增加，而是使其含量開始降低，這與本試驗結(jié)果相符。本試驗中，在225 kg/hm2施氮量水平下馬鈴薯的商品薯率和可溶性糖的品質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為最高。同時在相同灌溉量條件下，馬鈴薯塊莖可溶性蛋白含量隨著施氮量的增加而不斷增加，這與臧文靜等[7]、李井會[18]、韓文鋒等[19]研究結(jié)果一致。在相同施氮量水平下，各處理均表現(xiàn)為隨著灌溉量的增加，淀粉等品質(zhì)指標(biāo)含量先上升后下降，淀粉等指標(biāo)是衡量馬鈴薯品質(zhì)的重要指標(biāo)，隨著灌溉量的增加淀粉等指標(biāo)含量不斷減少，灌溉量過多不利于馬鈴薯品質(zhì)的改善。說明應(yīng)適量灌溉，灌溉量過多或者過少均會影響馬鈴薯的正常生長，本試驗中，在900 m3/hm2灌水量水平下馬鈴薯可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到最高值。

本試驗研究表明，在相同灌水量下，馬鈴薯塊莖吸氮量與氮收獲指數(shù)均隨著施氮量的增加而增加，這與井濤等[20]的研究結(jié)論相符。但隨著灌水量的增加，兩者呈現(xiàn)先升高后降低的變化，說明適量灌水能夠促進馬鈴薯塊莖吸氮量并增加氮收獲指數(shù)，而過量灌溉使得根層氮素?fù)p失，從而降低了塊莖吸氮量和氮收獲指數(shù)。肥料偏生產(chǎn)力是國際上常用來表征農(nóng)田肥料利用率的參數(shù)[21]。本試驗顯示，隨著施氮量的增加，肥料偏生力顯著降低，與張富倉等[22]的研究結(jié)果相似。說明施氮量在超過適宜用量之后，過量的肥料并沒有被馬鈴薯吸收利用，同時過量的灌溉也將馬鈴薯未能吸收的氮素帶出根層。

灌水與施氮是影響土壤剖面氮素積累和淋失的關(guān)鍵因子[23-24]。在本試驗條件下，馬鈴薯在苗期及塊莖形成期，相同灌水量處理，各土層硝態(tài)氮含量隨著施氮量的增加而增加，施氮處理明顯增加0～100 cm土層硝態(tài)氮含量，當(dāng)施氮量超過時，隨著灌水量的增加，土壤剖面中的硝態(tài)氮由上層向下層移動，這與谷曉博等[25]研究結(jié)果一致。粱運江等[26]研究表明，灌水與施氮對0～20 cm土層硝態(tài)氮含量有顯著的影響，且0～20 cm土層硝態(tài)氮含量與灌水呈負(fù)相關(guān)而與施氮量呈正相關(guān)，與本試驗硝態(tài)氮主要在0～20 cm土層的變化基本吻合。說明過量的灌水將部分硝態(tài)氮淋洗出根層土壤，而隨著生育期的推進這種淋洗量及淋洗層顯著降低。

綜合考慮馬鈴薯塊莖品質(zhì)、產(chǎn)量和水分利用效率，在本試驗條件下，馬鈴薯產(chǎn)量隨著施氮量的增加呈現(xiàn)拋物線趨勢變化，在施氮量為225 kg/hm2時，灌水量900 m3/hm2，馬鈴薯產(chǎn)量較高為35 299.9 kg/hm2，商品率為77.9%，可溶性糖含量為17.0 g/kg，水分生產(chǎn)率為 21.7 kg/m3。馬鈴薯在苗期及塊莖形成期，相同灌水量處理，各土層硝態(tài)氮含量隨著施氮量的增加而增加，施氮處理顯著增加0～40 cm各土層硝態(tài)氮含量，當(dāng)施氮量超過時，隨著灌水量的增加，土壤剖面中的硝態(tài)氮由上層向下層移動。