不同施肥處理對陰山北麓旱作區(qū)土壤肥力及馬鈴薯產(chǎn)量的影響

景宇鵬，趙沛義，康文欽，連海飛，張君，栗艷芳，梁俊梅，于偉卓，段玉，李蕾

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010031；2.內(nèi)蒙古旱作農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古呼和浩特010031；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部武川農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測試驗(yàn)站，內(nèi)蒙古武川011705；4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部內(nèi)蒙古耕地保育科學(xué)觀測試驗(yàn)站，內(nèi)蒙古武川011705；5.鄂爾多斯市水土保持監(jiān)督執(zhí)法局，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017010）

土壤肥力是土壤基本性質(zhì)的綜合反映[1]，是衡量土壤為作物生長提供各種養(yǎng)分能力的重要指標(biāo)[2]，直接影響作物的生長、產(chǎn)量、品質(zhì)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性[3]。農(nóng)田土壤肥力的高低主要取決于生產(chǎn)消耗與培育補(bǔ)償?shù)膭討B(tài)平衡[4-6]。施肥是土壤肥力演變最直接的影響因子，科學(xué)施肥不僅能夠使作物獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)以及提高養(yǎng)分利用效率，也是提高土壤肥力的重要措施[7-9]。因此，采取科學(xué)合理的施肥措施，是保證作物穩(wěn)定和培肥地力的重要措施，也是實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)高效利用的關(guān)鍵。

目前，有關(guān)施肥措施對土壤肥力的影響，研究認(rèn)為合理施肥措施既可以提高作物生產(chǎn)能力和養(yǎng)分吸收能力又可以培肥地力提高土壤養(yǎng)分含量[10-14]；而過量或者不合理的施肥措施則可以引起土壤肥力持續(xù)下降，導(dǎo)致作物生長不平衡而減產(chǎn)[15-16]。汪建飛等[17]研究認(rèn)為，長期單施化肥導(dǎo)致土壤質(zhì)量嚴(yán)重下降；張秀芝等[18]、高洪軍等[19]、查燕等[20]、夏文建等[21]、曹宏杰等[22]、許詠梅等[23]、趙玉皓等[24]研究認(rèn)為，單施有機(jī)肥雖然可以提高土壤養(yǎng)分含量，但因養(yǎng)分供應(yīng)緩慢等導(dǎo)致作物產(chǎn)量較低，而有機(jī)無機(jī)肥配合施用既可提高土壤養(yǎng)分含量和培肥地力又能增加作物產(chǎn)量。上述研究結(jié)果為作物科學(xué)合理施肥以及土壤質(zhì)量培育提供了有效支撐條件。但有關(guān)旱作區(qū)土壤施肥的研究目前報(bào)道較少。因此，本研究以內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院武川旱作試驗(yàn)站的長期定位試驗(yàn)為基礎(chǔ)，探討不同施肥措施對土壤肥力以及馬鈴薯產(chǎn)量的影響，旨在為陰山北麓旱作條件下土壤合理施肥提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院武川旱作試驗(yàn)站，地理坐標(biāo)北緯為41°08′22.8″，東經(jīng)為111°17′43.6″，海拔1 570 m，地處陰山北麓旱作區(qū)，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年降水量250～400 mm，年蒸發(fā)量1 848.3 mm，年平均氣溫1.5～3.7℃，無霜期為90～120 d；土壤為典型栗鈣土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)置4個(gè)處理，分別為單施氮磷鉀肥（NPK）、單施有機(jī)肥（有機(jī)肥）、有機(jī)無機(jī)配施（NPK+有機(jī)肥）和不施肥對照（CK），每個(gè)處理3次重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積5 m×10 m=50 m2。供試作物為馬鈴薯，供試有機(jī)肥為腐熟的羊糞，施用量為15 000 kg/hm2，氮肥為尿素（326 kg/hm2），磷肥為過磷酸鈣（6.5 kg/hm2），鉀肥為氯化鉀（10 kg/hm2），化肥純養(yǎng)分N-P2O5-K2O施用量分別為150、45、75 kg/hm2，有機(jī)肥在每年春播時(shí)均勻撒施于地表，人工翻壓與土混合，化肥在人工播種時(shí)開溝施用。

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1 土壤采集與指標(biāo)測定2019年在馬鈴薯收獲后采集土壤樣品，每小區(qū)隨機(jī)選擇3個(gè)取樣點(diǎn)，用土鉆按0～10、10～20、20～40 cm分層取樣，同時(shí)人工挖取一個(gè)50 cm×50 cm×50 cm的土壤剖面，用環(huán)刀分層采集0～10、10～20、20～40 cm土層土樣用于土壤容重的測定。將采集的土壤樣品在室內(nèi)風(fēng)干、粉碎過2 mm和0.15 mm篩后保存。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量外加熱法測定，土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測定，土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定，有效磷采用碳酸氫鈉浸提鉬銻比色法測定，速效鉀采用乙酸銨浸提火焰光度計(jì)法測定[25]。

1.3.2 馬鈴薯產(chǎn)量測定在9月下旬馬鈴薯成熟時(shí)，對各小區(qū)中間2壟進(jìn)行全部收獲測產(chǎn)。

1.3.3 計(jì)算方法

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2010作圖，統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 18.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥措施對土壤物理性狀的影響

由圖1和圖2可知，不同施肥處理土壤容重大小順序?yàn)椋篊K＞NPK+有機(jī)肥＞NPK＞有機(jī)肥，土壤孔隙度大小順序?yàn)橛袡C(jī)肥＞NPK+有機(jī)肥＞NPK＞CK；其中，0～10 cm土層土壤容重和土壤總孔隙度有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥處理與不施肥處理（CK）相比，差異達(dá)顯著水平（P＜0.05），土壤容重分別較不施肥處理（CK）較低了13.25%、10.60%，總孔隙度分別較不施肥處理（CK）增加了17.55%、15.77%；而不同施肥處理均能降低10～20、20～40 cm土層土壤容重和增加土壤總孔隙度，但差異未達(dá)到顯著水平（P＞0.05）。這說明單施有機(jī)肥、有機(jī)無機(jī)配合施用能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重和增加土壤孔隙度，尤其對表層（0～10 cm）土壤的影響最為顯著。

圖1 不同施肥處理下土壤容重變化

圖2 不同施肥處理下土壤總孔隙度變化

2.2 不同施肥措施對土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的影響

由圖3可知，與不施肥處理（CK）相比，單施有機(jī)肥、有機(jī)肥+NPK處理顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，不同施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度增加而下降，大小順序?yàn)椋篘PK+有機(jī)肥＞有機(jī)肥＞NPK＞CK。NPK+有機(jī)肥處理土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，不施肥處理（CK）有機(jī)質(zhì)含量最低。0～10 cm土層單施NPK、有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥處理土壤有機(jī)質(zhì)分別較對照提高了20.40%、42.96%、78.33%，其中，有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥處理與不施肥處理（CK），有機(jī)肥處理、NPK處理與NPK+有機(jī)肥處理差異顯著（P＜0.05）；10～20 cm土層單施NPK、有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥處理土壤有機(jī)質(zhì)含量分別較不施肥處理（CK）提高了2.09%、37.78%、70.70%，其中NPK+有機(jī)肥處理與不施肥處理（CK）差異顯著；20～40 cm土層單施NPK、有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥處理均較不施肥處理不同程度地增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，但不同處理差異不顯著（P＞0.05）。

圖3 不同施肥處理下土壤有機(jī)質(zhì)變化

由圖4可知，不同施肥處理均較不施肥處理不同程度地提高不同土層土壤全氮含量，且隨土層深度增加土壤全氮含量逐漸降低，大小順序?yàn)椋篘PK+有機(jī)肥＞有機(jī)肥＞NPK＞CK。0～10 cm土層單施NPK、有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥處理土壤全氮含量分別較對照提高了82.08%、38.68%、14.15%，其中，單施有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥處理與不施肥處理（CK），有機(jī)肥、NPK處理與NPK+有機(jī)肥處理差異顯著（P＜0.05）；10～20 cm土層NPK+有機(jī)肥處理土壤全氮含量較不施肥處理（CK）提高了73.53%且差異顯著（P＜0.05），20～40 cm土層單施NPK、有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥處理能較不施肥處理不同程度提高土壤全氮含量，但差異未達(dá)顯著水平（P＞0.05）。

圖4 不同施肥措施下土壤全氮處理變化

2.3 不同施肥處理對土壤速效養(yǎng)分的影響

由表1可知，不同施肥處理隨土層深度增加堿解氮含量逐漸降低，且不同施肥處理均較不施肥處理不同程度地增加了不同土層土壤堿解氮含量，其中不施肥處理（CK）不同土層土壤堿解氮含量最低，NPK+有機(jī)肥處理最高，二者差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。其大小順序?yàn)椋篘PK+有機(jī)肥＞有機(jī)肥＞NPK＞CK。單施NPK、有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥處理0～10 cm土層堿解氮含量顯著高于不施肥處理（CK），分別較不施肥處理（CK）提高了65.86%、123.16%、157.84%；10～20 cm土層單施NPK、有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥處理土壤堿解氮含量分別較不施肥處理（CK）提高了32.10%、45.90%、131.81%，其中有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥處理與不施肥處理（CK）差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）；20～40 cm土層單施NPK、有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥處理土壤堿解氮含量分別較不施肥處理（CK）提高了2.17%、43.23%、118.94%，同樣也是有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥處理與不施肥處理（CK）差異達(dá)顯著水平（P＜0.05），而NPK處理與不施肥處理（CK）差異不顯著（P＞0.05）。

由表1可知，不同施肥處理隨土層深度增加土壤有效磷含量逐漸降低，且不同施肥處理均較不施肥處理不同程度地增加了不同土層土壤有效磷含量，其中不施肥處理（CK）土壤有效磷含量最低，NPK+有機(jī)肥處理有效磷含量最高。其大小順序?yàn)椋篘PK+有機(jī)肥＞有機(jī)肥＞NPK＞CK。0～10 cm和10～20 cm土層單施NPK、有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥處理土壤有效磷含量均顯著高于不施肥處理（CK）（P＜0.05），分別較不施肥處理（CK）提高了20.60、7.67、6.87、18.60、5.34、4.80 mg/kg；而有機(jī)肥處理與NPK處理差異不顯著（P＞0.05）；20～40 cm土層單施NPK、有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥處理土壤有效磷含量較不施肥處理（CK）均有不同程度的提高，但與不施肥處理（CK）差異不顯著（P＞0.05）。

由表1可知，不施肥處理（CK）土壤速效鉀含量降低，而其他施肥處理均較不施肥處理不同程度地增加了土壤速效鉀含量，大小順序?yàn)椋篘PK+有機(jī)肥＞有機(jī)肥＞NPK＞CK。0～10 cm和10～20 cm土層有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥處理土壤速效鉀含量與不施肥處理（CK）差異達(dá)顯著水平（P＜0.05），0～10 cm土層分別較不施肥處理（CK）提高了59.66、179.66 mg/kg，10～20 cm土層分別較不施肥處理（CK）提高了59.67、138.00 mg/kg；20～40 cm土層有機(jī)肥處理土壤速效鉀含量最高，但不同施肥處理差異不顯著（P＞0.05）。

表1 不同施肥措施土壤速效養(yǎng)分變化

2.4 不同施肥措施對馬鈴薯產(chǎn)量、商品薯率及肥料貢獻(xiàn)率的影響

由表2可知，NPK、有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥與不施肥處理（CK）相比，均能顯著增加馬鈴薯產(chǎn)量（P＜0.05），以NPK+有機(jī)肥處理馬鈴薯產(chǎn)量增幅最高，達(dá)到171.64%，其次為單施有機(jī)肥處理，增幅為156.64%；單施NPK處理增幅最低，為119.30%，且3種施肥處理差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。從商品薯重方面來看，NPK、有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥處理與不施肥處理（CK）差異也達(dá)顯著水平（P＜0.05），同樣以NPK+有機(jī)肥處理商品薯重最高，NPK、有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥處理與不施肥處理（CK）分別增加了22.42、20.53、16.00 t/hm2。有機(jī)肥、NPK、NPK+有機(jī)肥處理商品薯數(shù)和商品薯率與不施肥處理（CK）差異顯著（P＜0.05），NPK+有機(jī)肥處理較CK提高了50.87個(gè)百分點(diǎn)，但NPK+有機(jī)肥處理與有機(jī)肥處理差異不顯著（P＞0.05）；而單施有機(jī)肥處理與單施NPK處理平均單薯重差異顯著（P＜0.05）。從肥料對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率來看，以NPK+有機(jī)肥處理最高，為63.18%，其次為單施有機(jī)肥處理，而單施NPK處理最低，為54.39%。

表2 不同施肥處理下馬鈴薯產(chǎn)量及商品薯率

2.5 土壤養(yǎng)分與馬鈴薯產(chǎn)量及商品薯率的相關(guān)性

由表3可知，不同施肥措施下土壤有機(jī)質(zhì)與全氮變化趨勢基本一致，二者呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.915，且土壤全氮含量隨有機(jī)肥的施用而增大；馬鈴薯產(chǎn)量與土壤全氮、堿解氮、速效鉀呈顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系，其中，產(chǎn)量與土壤速效鉀含量相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.708；商品薯率與土壤全氮、堿解氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、有效磷含量呈顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系，其中，商品薯率與土壤氮素含量相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.900以上，其次與土壤速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)性較大，相關(guān)系數(shù)在0.800以上。

表3 土壤養(yǎng)分與作物產(chǎn)量及商品薯率的相關(guān)性

3 討論

不同施肥措施對作物產(chǎn)量變化影響的研究一直受到研究者們的廣泛關(guān)注，而作物產(chǎn)量主要受土壤肥力、生物、環(huán)境氣候條件及人為因素等的影響[26]，土壤肥力的提高也體現(xiàn)在作物生產(chǎn)力上，施肥措施是保證作物獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的最為關(guān)鍵因素。大量研究表明，單施用有機(jī)肥或化學(xué)肥料均能有效提高作物產(chǎn)量，而有機(jī)肥與無機(jī)肥的配合施用更是作物獲得穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的可持續(xù)施肥模式[27]。本研究結(jié)果表明，不同施肥處理馬鈴薯產(chǎn)量大小順序?yàn)镹PK+有機(jī)肥＞有機(jī)肥＞NPK＞CK，其中，NPK+有機(jī)肥處理即有機(jī)無機(jī)肥配合施用對提高馬鈴薯產(chǎn)量表現(xiàn)出最大的優(yōu)勢，其次是有機(jī)肥處理和NKP處理，這主要是由于NPK即化學(xué)肥料的肥效較快，可以迅速提高土壤速效養(yǎng)分含量，提高土壤的供肥能力，可滿足馬鈴薯生長的需求；有機(jī)肥的肥效較慢，在土壤中是逐漸釋放的過程，速度較慢，長期施用有助于土壤肥力的提高，而有機(jī)無機(jī)配合肥施用既避免單施有機(jī)肥土壤養(yǎng)分不足的問題，也解決了單施化學(xué)肥料土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低的問題[28]。因此，在北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶旱作區(qū)馬鈴薯的生產(chǎn)過程中也應(yīng)該注重有機(jī)肥與無機(jī)肥的配合施用。

施肥是影響土壤養(yǎng)分循環(huán)的重要因素，不同施肥處理對土壤養(yǎng)分的影響程度各不相同。本研究結(jié)果表明，不同施肥處理均能不同程度提高土壤養(yǎng)分含量，其中NPK+有機(jī)肥即有機(jī)無機(jī)肥配合施用顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效養(yǎng)分含量，這是由于有機(jī)肥的施用在提高土壤有機(jī)質(zhì)含量的同時(shí)，在一定程度上增加了土壤中氮磷鉀營養(yǎng)元素的含量，這與大多數(shù)研究結(jié)果一致[29]；但單施化學(xué)肥料（NPK）與單施有機(jī)肥處理差異不顯著，這與前人的研究結(jié)果不同[14，30]，這可能由于研究區(qū)域的氣候、土壤條件不同所致，有待研究。同時(shí)通過對不同施肥措施下土壤肥力與馬鈴薯產(chǎn)量及商品薯率的相關(guān)性深入研究，結(jié)果表明，馬鈴薯產(chǎn)量與土壤速效鉀含量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，這與以往的研究結(jié)果一致，馬鈴薯作為典型的喜鉀作物，鉀素在其生長發(fā)育過程中有著不可或缺的作用，如果在其生長過程中土壤不能有效地補(bǔ)充鉀素，不僅影響植株生長，還會很大程度地限制其產(chǎn)量商品薯率、品質(zhì)等[31-36]。

4 結(jié)論

不同施肥處理均能降低不同土層土壤容重和增加土壤孔隙度，有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥處理對0～10 cm土層土壤物理性狀的改良效果最為理想，表現(xiàn)出顯著差異，土壤容重分別降低13.25%、10.60%，土壤總孔隙度分別增加17.55%、15.77%。

不同施肥處理對不同土層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的影響差異不同；單施有機(jī)肥能顯著提高0～10 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的含量，與不施肥處理相比，有機(jī)質(zhì)和全氮含量分別提高了42.96%和38.68%；有機(jī)肥+NPK處理能顯著提高0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量，與不施肥處理相比，0～10 cm土層有機(jī)質(zhì)和全氮含量分別提高了78.33%和82.08%；10～20 cm土層有機(jī)質(zhì)和全氮含量分別提高了70.70%和73.53%。有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥處理同樣可以顯著提高不同土層土壤堿解氮的含量，其中有機(jī)肥處理堿解氮提高了43.23%～123.16%，NPK+有機(jī)肥處理土壤堿解氮提高了118.94%～157.84%；有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥處理同樣可顯著提高0～20 cm土層土壤有效磷和速效鉀含量，而對下層20～40 cm影響不顯著。

NPK、有機(jī)肥、NPK+有機(jī)肥處理顯著提高馬鈴薯總產(chǎn)量、商品薯產(chǎn)量及商品薯率，以NPK+有機(jī)肥處理表現(xiàn)最優(yōu)，其產(chǎn)量和商品薯重分別增加了21.97、22.42 t/hm2，商品薯率提高50.87個(gè)百分點(diǎn)。從肥料對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率來看，NPK+有機(jī)肥處理對馬鈴薯的貢獻(xiàn)率最大，高達(dá)63.18%。

馬鈴薯產(chǎn)量與土壤全氮、堿解氮、速效鉀呈顯著或極顯著的正相性，與速效鉀含量相關(guān)性最大；馬鈴薯商品薯率與土壤全氮、堿解氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)相關(guān)性較大。