長期輪作與施肥對(duì)馬鈴薯土壤養(yǎng)分和產(chǎn)量的影響

王曉軍 孫玉琴 楊軍學(xué) 王勇 張尚沛 程炳文 張曉娟

摘? ? 要：為探明長期輪作與施肥對(duì)馬鈴薯土壤養(yǎng)分和產(chǎn)量的影響，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，研究了9 a（年）間不同肥料配比對(duì)馬鈴薯與雜糧輪作土壤養(yǎng)分含量的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過9 a輪作與施肥，磷鉀肥區(qū)旱作土壤有機(jī)質(zhì)含量從2011年的6.46 g·kg-1上升到2019年的11.79 g·kg-1，土壤速效養(yǎng)分含量總體呈現(xiàn)出緩慢遞增的趨勢(shì)，全量養(yǎng)分含量呈遞增-降低-遞增-降低的“M”態(tài)勢(shì)，不同氮磷鉀肥配比對(duì)馬鈴薯增產(chǎn)效果顯著，在2019年產(chǎn)量達(dá)到最高，為12 015 kg·hm-2。綜上所述，經(jīng)過9 a的長期輪作與施肥后，土壤質(zhì)量明顯提高。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯;輪作與施肥;旱作;土壤養(yǎng)分;產(chǎn)量

Abstract： In order to investigate the effects of long-term crop rotation and fertilization on soil nutrient and yield of potato， the effect of different fertilizer ratio on soil nutrient content of potato and multi-grain rotation was studied by random block design. The results showed that after nine years of rotation and fertilization， dry land soil organic matter was increased? from 6.46 g·kg -1（2011） to 11.79 g·kg -1 （2019）， soil available nutrient content presented a slowly increasing trend， the total amount of nutrient content showed an "M" trend of increasing - decreasing - increasing - decreasing， the effect of different N， P and K fertilizer ratio on potato yield increase was significant， the annual output reached the highest at 12 015 kg·hm-2 in 2019. In conclusion， after 9 years of rotation and fertilization， the soil quality was significantly improved.

Key words： Potato; Crop rotation and fertilization; Dry farming; Soil nutrients; Production

寧夏南部山區(qū)屬于旱作農(nóng)業(yè)雨養(yǎng)區(qū)域，水資源短缺、土壤貧瘠是制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素[1-2]。當(dāng)前，肥料利用效率低，土壤養(yǎng)分不平衡等問題日益突出，對(duì)旱作土壤養(yǎng)分豐缺狀況進(jìn)行定位監(jiān)測(cè)，分析土壤理化性狀變化趨勢(shì)，研究輪作和施肥與土壤質(zhì)量的關(guān)系，對(duì)于指導(dǎo)科學(xué)施肥具有重要意義。

養(yǎng)分是反映土壤質(zhì)量變化的重要指標(biāo)[3]，施肥是提高土壤肥力的重要農(nóng)藝措施，王曉軍等研究表明，施肥能顯著改變作物耕層土壤養(yǎng)分含量和土壤養(yǎng)分在剖面的分布[4]，而不同氮磷鉀肥配比能使土壤肥料利用效率提高45%以上[5]。王曉軍等[6]研究表明，長期定位施肥對(duì)土壤團(tuán)聚體也具有一定的影響。然而不合理的施肥措施會(huì)導(dǎo)致土壤肥力下降，針對(duì)土壤肥力變化情況，定位試驗(yàn)可以解決這一生產(chǎn)上的難題[7]。目前基于定位施肥試驗(yàn)研究寧夏南部山區(qū)土壤養(yǎng)分變化的報(bào)道很多，也取得了一系列研究成果[8-11]。然而，在旱作土壤研究方面，利用輪作與施肥研究土壤養(yǎng)分含量變化的研究報(bào)道較少，筆者利用定位試驗(yàn)，研究了馬鈴薯與谷子9 a（年）長期定位輪作與施肥對(duì)馬鈴薯土壤養(yǎng)分含量的動(dòng)態(tài)變化的影響，為完善該地區(qū)土壤合理培肥技術(shù)、增加馬鈴薯產(chǎn)量提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2011年在寧夏農(nóng)林科學(xué)院固原分院長期定位試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)地處東經(jīng)106 ?44 ′，北緯36 ?44 ′，海拔1550 m，年降水量200～350 mm，冬春干旱，降水一般集中在7—9月份，四季多風(fēng)，年蒸發(fā)量1650 mm，≥10 ℃積溫2800～3500 ℃，年無霜期150～200 d，試驗(yàn)地平坦，土壤類型為湘黃土。土壤理化性質(zhì)為：速效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)32.21 mg·kg-1，速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)23.88 mg·kg-1，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)174.89 mg·kg-1，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.61 g·kg-1，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.79 g·kg-1，全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)14.56 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.48 g·kg-1，pH值8.63。前茬作物收獲后施入底肥，秋耕、耙耱。

1.2 材料

肥料：氮肥為尿素（含N 46.4%）、磷肥為重過磷酸鈣（含P2O5 43%）、鉀肥為硫酸鉀（含K2O 45%）。作物：谷子品種為張雜13號(hào);馬鈴薯品種為冀張薯8號(hào)，為中晚熟菜用型品種，自河北省高寒作物研究所引進(jìn)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)長5 m，寬6 m，面積30 m2，2次重復(fù)，行距50 cm，株距33 cm，種植密度為每6000株·hm-2，種植深度為12 cm。所有肥料70%做基肥施入，30%在灌漿期追施。谷子于每年4月20日左右種植，9月下旬收獲，谷子輪作年份為2012、2014、2016、2018年;馬鈴薯于每年4月20日種植，9月下旬收獲，馬鈴薯輪作年份為2011、2013、2015、2017、2019年。肥料于播前撒施后，翻入土中，田間管理按常規(guī)進(jìn)行。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

每年在收獲后采集試驗(yàn)處理土壤樣品（0～20 cm），自然風(fēng)干后分別過1 mm和0.25 mm篩，供測(cè)定養(yǎng)分分析用。

采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測(cè)定有機(jī)質(zhì)、全氮含量;采用高氯酸-硫酸消化法測(cè)定全磷含量;采用火焰光度計(jì)法測(cè)定全鉀含量;采用直接蒸餾、鹽酸滴定法測(cè)定速效氮含量;采用Olsen法測(cè)定速效磷質(zhì)量;采用乙酸銨提取、火焰光度計(jì)法測(cè)定速效鉀含量[12]。測(cè)定結(jié)果以風(fēng)干基表示，馬鈴薯產(chǎn)量以小區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010計(jì)算整理及制表作圖，采用DPS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期定位施肥對(duì)馬鈴薯輪作土壤化學(xué)性質(zhì)及含量的影響

2.1.1 長期定位施肥對(duì)馬鈴薯輪作土壤有機(jī)質(zhì)的影響 從圖1可以看出，2011年土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為6.48 g·kg-1，經(jīng)過9 a施肥與輪作后，各處理有機(jī)質(zhì)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，2019年平均為10.98 g·kg-1，高于2011年。不同處理間比較，施磷鉀肥（T3）有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增長最快，到2019年時(shí)達(dá)11.79 g·kg-1，其次是施氮磷鉀肥（T1）和施氮肥（T2）分別為10.79、10.35 g·kg-1。

2.1.2 長期定位施肥對(duì)馬鈴薯輪作土壤速效養(yǎng)分含量的影響 從表2可以看出，2011年各處理土壤速效養(yǎng)分含量較低，土壤速效氮、速效磷、速效鉀平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為32.21、23.88、174.96 mg·kg-1;經(jīng)過9 a輪作與施肥后，土壤速效養(yǎng)分含量總體均呈增高趨勢(shì)，2019年平均分別為71.67、41.33、281.33 mg·kg-1，所有處理土壤速效養(yǎng)分含量均顯著高于對(duì)照。

不同處理間比較，隨著輪作年限的延續(xù)，各處理速效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2013年下降之后又快速上升，2013年平均為16.73 mg·kg-1，主要原因是黃土丘陵地區(qū)，每年8—9月份降雨較多，黃土地表疏松，土壤養(yǎng)分流失較嚴(yán)重。速效磷含量除T2、T3處理在2013年均升高外，各處理均呈現(xiàn)出降低-升高-降低-升高的“W”形狀，但總體以增加趨勢(shì)為主。速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2013年施氮肥區(qū)（T2）達(dá)到最大，為301.41 mg·kg-1，其次是只施磷鉀肥區(qū)（T3）和施氮磷鉀肥區(qū)（T1），速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為275.31和264.71 mg·kg-1，分別較對(duì)照（184.00 mg·kg-1）增加49.6%和44%;隨后各處理速效鉀含量隨之下降，只施氮肥區(qū)（T2）速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2017年比2015年略有提升，分別為160.00、158.33 mg·kg-1;2017年之后各處理又上升，速效鉀總體呈上升趨勢(shì)，且各施肥處理與對(duì)照差異顯著。

2.1.3 長期定位施肥對(duì)馬鈴薯輪作土壤全量養(yǎng)分含量的影響 從表3可以看出，長期定位施肥對(duì)馬鈴薯輪作土壤全氮、全磷、全鉀含量影響較大，所有處理在9 a間均呈現(xiàn)增高-降低-增高-降低的“M”形狀。各處理全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2013年均達(dá)到最大值，平均為1.05 g·kg-1，顯著高于對(duì)照;隨后又迅速下降，在2015年下降到最低，各處理全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.46～0.57 g·kg-1，平均為0.50 g·kg-1;2017年各處理全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)又呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，為0.83～0.97 g·kg-1，平均為0.88 g·kg-1;2019年各處理全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均下降，為0.66～0.67 g·kg-1，平均為0.66 g·kg-1，各施肥處理全氮含量均與對(duì)照差異顯著，全氮含量總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，說明輪作與施肥對(duì)土壤全氮含量影響較大。

全磷含量變化趨勢(shì)與全氮含量變化相反，隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜耐七M(jìn)，各處理呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。2013年各處理全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值，為0.95～0.99 g·kg-1，平均為0.97 g·kg-1，各處理全磷含量均顯著高于對(duì)照;隨后各處理又下降，但2017年各施肥處理全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)稍微有所增加，為0.90～0.96 g·kg-1，平均為0.93 g·kg-1，T2處理全磷含量顯著高于對(duì)照，其他處理與對(duì)照差異不顯著;2019年全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最低，各處理為0.63～0.70 g·kg-1，平均為0.65 g·kg-1，較對(duì)照差異顯著。

全鉀含量盡管也呈現(xiàn)出“M”形狀，但總體呈現(xiàn)出遞增且富集的趨勢(shì)，2011年各處理土壤全鉀平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.56 g·kg-1，通過9 a輪作與施肥后，2019年各處理土壤全鉀平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到19.43 g·kg-1，增加33.08%。

2.2 長期定位施肥對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響

由表4可知，各處理隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜耐七M(jìn)，馬鈴薯產(chǎn)量呈逐漸增加趨勢(shì)。在2019馬鈴薯產(chǎn)量分別達(dá)到最大值，其中施氮磷鉀肥區(qū)（ T1 ）最大，為12 015 kg·hm-2;其次是施磷鉀肥區(qū)（T3），為10 800 kg·hm-2;最后是施氮肥區(qū)（T2），為10 488 kg·hm-2，分別較對(duì)照增加86.71%、67.83%和62.98%，各施肥處理馬鈴薯產(chǎn)量均顯著高于對(duì)照，而T2與T3處理間馬鈴薯產(chǎn)量差異不顯著。從以上可以看出，合理的氮磷鉀肥配比，使土壤養(yǎng)分達(dá)到作物的需求，能夠顯著提高馬鈴薯的產(chǎn)量。

3 討論與結(jié)論

土壤有機(jī)質(zhì)是作物礦質(zhì)營養(yǎng)和有機(jī)營養(yǎng)的重要來源，影響土壤的保肥性和通透性，研究表明，長期不施肥會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量下降[13]，但筆者研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯9 a間不施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)含量和施肥處理一樣呈遞增趨勢(shì)，但增長趨勢(shì)較緩慢，主要原因可能是每年作物收獲之后對(duì)秸桿粉碎還田導(dǎo)致不施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)含量緩慢增加，也許還有其它因素，具體原因有待進(jìn)一步探明。同時(shí)也可能是不同作物之間長期輪作導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，這一結(jié)論已被眾多研究所證明[14-16]。

土壤中氮、磷、鉀三元素對(duì)培肥地力起著重要的作用。研究表明，長期施用化肥，尤其是氮磷鉀肥配施，可以顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[17]，同時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量的提升也促進(jìn)有效氮的積累[18-19]，相關(guān)研究結(jié)果均證明氮、磷、鉀化肥配施能有效增加土壤養(yǎng)分含量，是培肥地力的最佳施肥組合[20]。9 a的測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果表明，各處理土壤速效氮、速效磷、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)一樣，多呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，并在2019年達(dá)到最大值，平均分別為71.67、41.33、281.33 mg·kg-1。

近9 a來，經(jīng)過長期輪作與施肥，旱作土壤速效養(yǎng)分含量總體呈上升趨勢(shì)。研究表明[21]，長期不施用磷肥會(huì)導(dǎo)致土壤全磷和有效磷含量下降，而長期施用磷肥能夠顯著提高土壤有效磷含量。本研究中2013年開始施肥處理和對(duì)照速效磷含量增加的差異較大，速效磷含量除T3、T3處理在2013年均升高外，各處理均且呈現(xiàn)出“W”形狀，主要原因可能是土壤速效磷含量的升高與磷肥的施入有關(guān)，而磷素移動(dòng)性差，在土壤中不斷積累，提高了磷的容量和強(qiáng)度，土壤有效磷含量也隨之增加[22]。2019年施肥處理土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值達(dá)41.58 mg·kg-1，但土壤全磷含量缺逐年下降，導(dǎo)致這一結(jié)果的原因有待進(jìn)一步研究。土壤速效鉀含量總體呈升高、降低、穩(wěn)定再升高的趨勢(shì)，2011年土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均水平為175.19 mg·kg-1，該時(shí)期由于當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶對(duì)鉀肥重視不夠，長期不施或者少施，導(dǎo)致鉀肥用量普遍較低，土壤速效鉀含量只能維持在初始水平，近年來，隨著鉀肥施用量的增加，土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐年提高，2019年平均達(dá)到281.71 mg·kg-1，較2011年提高了60.8%。

同樣，氮、磷、鉀三元素在促進(jìn)馬鈴薯器官的形成和生長發(fā)育，塊莖膨大期光和源的建成等方面起到較大作用[23]。相關(guān)研究表明，生產(chǎn)1000 kg馬鈴薯所需（N∶P2O5∶K2O）比例平均為1∶0.87∶3.44[24]。本研究中不同施肥處理的馬鈴薯產(chǎn)量隨著輪作年限逐漸增加，到2019年分別達(dá)到最大值，其中施氮磷鉀肥區(qū)（T1）最大，為12 015 kg·hm-2，其次是施磷鉀肥（T3），為10 800 kg·hm-2，最后是施氮肥（T2），為10 488 kg·hm-2，分別較對(duì)照增加86.71%、67.83%、62.98%。

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