噴灌施氮對馬鈴薯氮素積累及土壤硝態(tài)氮影響

裴沙沙，黎耀軍，嚴(yán)海軍，顧濤

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院, 北京 100083; 2. 河北省水利科學(xué)研究院, 河北 石家莊 050051; 3. 中國灌溉排水發(fā)展中心, 北京 100054)

馬鈴薯是中國第四大糧食作物，確保馬鈴薯產(chǎn)量對保障國家糧食安全具有重要意義.東北半濕潤區(qū)是中國重要的馬鈴薯生產(chǎn)基地，然而氮肥施用嚴(yán)重過量，普遍采用的“一炮轟”施肥方式加劇了氮素淋失.為了實現(xiàn)馬鈴薯提質(zhì)增產(chǎn)，優(yōu)化施氮模式，提高氮肥利用率，成為東北地區(qū)馬鈴薯綠色生產(chǎn)和資源可持續(xù)利用亟待解決的問題.

大量研究表明，水肥一體化可以實現(xiàn)水肥協(xié)同供給，實時、適量地滿足作物對水分和養(yǎng)分的需求，促進(jìn)作物生長、提高作物產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率[1-2].水肥一體化條件下，可獲得較高的馬鈴薯產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率.井濤[3]研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯塊莖產(chǎn)量隨滴灌水肥一體化的施氮量增加而先升高后降低，但過量施氮并不能提高馬鈴薯塊莖產(chǎn)量.西北旱區(qū)不同水氮耦合的對比研究[4]發(fā)現(xiàn)，膜下滴灌水肥一體化條件下施氮180 kg/hm2可以達(dá)到馬鈴薯高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的目標(biāo).臧文靜等[5]研究發(fā)現(xiàn)，高頻次高追肥量可以提高馬鈴薯產(chǎn)量.

總之，水肥一體化少量多次的施肥模式可有效調(diào)節(jié)施肥量和施肥時間，顯著減少土壤氮素淋失，提高氮素利用效率，但施氮量與土層硝態(tài)氮殘留量、表觀損失氮量顯著正相關(guān)，過量施氮并不能持續(xù)增加馬鈴薯的吸氮量，而土壤剖面硝態(tài)氮積累和氮素表觀損失會大幅增加，氮素利用效率下降[6-8].然而，東北半濕潤區(qū)高有機(jī)質(zhì)黑鈣土條件下，關(guān)于噴灌施氮模式對馬鈴薯產(chǎn)量、氮素吸收以及土壤硝態(tài)氮分布的綜合研究鮮見報道.

馬鈴薯高壟栽培是近年來黑龍江半濕潤區(qū)廣泛采用的新型栽培模式，基于圓形噴灌機(jī)的水肥一體化技術(shù)逐漸得到推廣.為探明新型栽培模式和噴灌水肥一體化模式下較優(yōu)的灌溉施肥制度，減少化肥施用量，提高氮肥利用效率和馬鈴薯產(chǎn)量，文中通過黑龍江省齊齊哈爾市克山地區(qū)馬鈴薯高壟栽培的噴灌水肥一體化試驗，研究不同噴灌水肥一體化條件下施氮量和施氮頻次對馬鈴薯產(chǎn)量、氮素積累及土壤硝態(tài)氮分布的影響，為優(yōu)化馬鈴薯水肥管理制度提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年5—9月在黑龍江省齊齊哈爾市克山縣某農(nóng)場(125°36′34.53″E，48°15′3.47″N)進(jìn)行.該試驗區(qū)位于松嫩平原北部，屬寒溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為2.4 ℃，大于等于10 ℃的年有效積溫為2 400 ℃.該地區(qū)多年平均降水量為500 mm左右，降雨集中在6—8月份.試驗地區(qū)土壤以黑鈣土為主，有機(jī)質(zhì)含量高，播種前土壤理化性質(zhì)見表1，表中h為土層深度，ω為質(zhì)量比.

表1 土壤理化性質(zhì)測定結(jié)果

1.2 噴灌水肥一體化系統(tǒng)

試驗采用圓形噴灌機(jī)進(jìn)行水肥一體化灌溉施肥.噴灌機(jī)組共有4跨，每跨長度為60.63 m，末端懸臂長度為25.08 m.安裝美國Nelson公司D3000低壓噴頭.噴灌機(jī)末端配有P85ASV型尾槍，其額定流量為7.1 m3/h，射程為20 m.噴灌機(jī)入機(jī)壓力為0.2 MPa，入機(jī)流量為75 m3/h.圓形噴灌機(jī)水肥一體化系統(tǒng)包括灌溉系統(tǒng)與注肥系統(tǒng)[9].

1.3 試驗設(shè)計

試驗供試馬鈴薯品種為尤金885.馬鈴薯株距為16.7 cm，壟距為0.9 m，種薯埋深10～12 cm，播種密度為66 534株/hm2.播種時施入底肥(N：75 kg/hm2，P2O5：150 kg/hm2，K2O：90 kg/hm2).試驗設(shè)置施氮量和施氮頻次2個因素，施氮量設(shè)置3個水平：115，165，215 kg/hm2(分別以F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3表示)；施氮頻次設(shè)置3個水平：2，4，6次(分別以C2，C4，C6表示).選取傳統(tǒng)人工溝施追肥作為對照，施氮量和施氮頻次與F3C6相同.根據(jù)馬鈴薯各生育期的劃分[5,10]，設(shè)計試驗方案見表2.試驗處理布置在噴灌機(jī)第4跨，設(shè)置3個重復(fù)試驗小區(qū).

1.4 測定項目及方法

氣象數(shù)據(jù)：馬鈴薯生育期內(nèi)累計有效降雨量為352 mm，超該地區(qū)馬鈴薯需水量(約為313～332 mm)[5].

馬鈴薯產(chǎn)量測定：在馬鈴薯成熟期，隨機(jī)選取每個試驗小區(qū)中3段長度為5 m的壟，稱取塊莖鮮質(zhì)量，將結(jié)果按每hm2馬鈴薯播種數(shù)量和成活率進(jìn)行折合計算，并計量商品薯的質(zhì)量(單個塊莖質(zhì)量大于75 g)[5].

土壤硝態(tài)氮含量測定：分別在塊莖形成期末、塊莖膨大期末、成熟期末采用土鉆取土80 cm，每20 cm為1層，采用流動分析儀測定土樣中硝態(tài)氮的含量.

植株全氮含量測定：取成熟期末的馬鈴薯莖、葉和塊莖的干物質(zhì)樣品研磨制成測試樣品，利用凱氏定氮儀測定樣品的全氮含量.

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮處理對馬鈴薯產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

圖1為不同施氮組合對馬鈴薯產(chǎn)量的影響，圖中Y為馬鈴薯產(chǎn)量；表3為不同施氮組合對馬鈴薯產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成、氮肥偏生產(chǎn)力PFPN的影響，表中m，mc，r分別為結(jié)薯數(shù)、商品薯數(shù)、商品薯率.由圖1和表3可知，不同施氮處理的馬鈴薯產(chǎn)量為49 728～62 380 kg/hm2，水肥一體化處理產(chǎn)量較處理CK提高0.73%～25.44%.

圖1 不同施氮組合對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

表3 不同施氮組合對馬鈴薯產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成、氮肥偏生產(chǎn)力的影響

當(dāng)施氮量一定時，隨施氮頻次增加，馬鈴薯產(chǎn)量呈增加趨勢.當(dāng)施氮頻次一定時，除C2的產(chǎn)量表現(xiàn)為F3的最大、F1的最小外，在C4與C6下，均表現(xiàn)為F2的最大、F1的最小，這表明在較低追肥頻次下，馬鈴薯產(chǎn)量隨施氮量增加而增加，而當(dāng)施氮頻次大于4次時，在F2基礎(chǔ)上繼續(xù)施加氮肥并未導(dǎo)致馬鈴薯塊莖產(chǎn)量增加.其中，處理F2C6的產(chǎn)量比其他水肥一體化處理顯著提高6.08%～24.53%(P<0.05)，為62 380 kg/hm2.

由表3還可知，施氮量相同時，結(jié)薯數(shù)、商品薯數(shù)和商品薯率均隨施氮頻次增加而增加；施氮頻次相同時，結(jié)薯數(shù)、商品薯數(shù)和商品薯率隨施氮量的變化與產(chǎn)量的變化規(guī)律相似.

2.2 不同施氮處理的氮肥偏生產(chǎn)力

圖2為施氮組合對馬鈴薯氮肥偏生產(chǎn)力的影響.由圖2可知，噴灌水肥一體化施氮組合氮肥偏生產(chǎn)力較CK顯著提高了14.93%～100.07%(P<0.05).在施氮組合中，F(xiàn)1C6氮肥偏生產(chǎn)力較其他處理高出了4.14%～74.08%(P<0.05).同一施氮頻次下，馬鈴薯的氮肥偏生產(chǎn)力隨施氮量增加而減?。辉谑┑肯嗤瑫r，馬鈴薯氮肥偏生產(chǎn)力隨著施氮頻次的增加略有增加.

圖2 施氮組合對馬鈴薯氮肥偏生產(chǎn)力的影響

2.3 施氮對馬鈴薯氮素積累的影響

表4為不同施氮組合對氮素積累的影響，表中ρ為不同部位氮質(zhì)量分?jǐn)?shù).由表可知，噴灌水肥一體化施氮組合下馬鈴薯莖氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較CK顯著提升15.33%以上，其中處理F3C6的馬鈴薯莖氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較其他處理高出5.70%～29.11%.同一施氮頻次下，成熟期馬鈴薯莖氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨施氮量增加呈增加趨勢.施氮量相同時，成熟期馬鈴薯莖氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨施氮頻次增加而增加.

水肥一體化處理的馬鈴薯葉氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于CK的，其中處理F3C6的馬鈴薯葉氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，較其他處理高3.83%～20.41%.在同一施氮頻次下，馬鈴薯葉氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨施氮量增加而增加.相同施氮量條件下，馬鈴薯葉氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著施氮頻次增加呈增加趨勢，但差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05).

噴灌水肥一體化處理較CK的塊莖氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著提升29.51%以上(P<0.05)，其中處理F2C6的塊莖氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他處理的.同一施氮頻次條件下，成熟期馬鈴薯塊莖氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨施氮量增加呈先增加后減少的趨勢.在水平C2下，F(xiàn)2的塊莖氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較F1和F3分別高19.75%(P<0.05)和22.78%(P<0.05)；在水平C4和C6下，塊莖含氮量表現(xiàn)為F2的最高、F1的最低.施氮量相同時，馬鈴薯塊莖氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨施氮頻次增加而增加.在水平F1下，C6較C2與C4分別顯著提升了27.16%和28.75%(P<0.05)；在水平F2和F3下，塊莖氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為C6的最高、C2的最低.

表4 不同施氮組合對氮素積累的影響

2.4 施氮頻次對土壤硝態(tài)氮質(zhì)量比的影響

由圖3aii可知，水平F1下，塊莖膨大期施肥后，0～20 cm土層硝態(tài)氮質(zhì)量比平均值較塊莖形成期有所增加，不同頻次的水肥一體化處理，該土層硝態(tài)氮質(zhì)量比均略高于CK；相同施氮量下，20～40 cm土層的硝態(tài)氮質(zhì)量比差異明顯，施氮頻次越高，該土層硝態(tài)氮質(zhì)量比越低，CK的土壤硝態(tài)氮質(zhì)量比最高，CK較水平C2，C4和C6的硝態(tài)氮質(zhì)量比分別高出21.53%，32.83%，54.26%(P<0.05).

馬鈴薯塊莖成熟期，隨施氮頻次增加，土壤硝態(tài)氮質(zhì)量比顯著降低，不同施氮處理均在20～40 cm土層中土壤硝態(tài)氮質(zhì)量比最高.由圖3b和3c可知，在水平F2和F3下，不同生育期和不同土層之間土壤硝態(tài)氮質(zhì)量比隨施氮頻次的變化趨勢，與水平F1的變化趨勢相似.

圖3 不同施氮頻次對土壤硝態(tài)氮質(zhì)量比的影響

3 討 論

研究表明，與溝施雨養(yǎng)對照區(qū)相比，噴灌水肥一體化方式下生育期末土壤硝態(tài)氮質(zhì)量比顯著降低，馬鈴薯植株氮素積累顯著提升，產(chǎn)量及商品薯率也有明顯提高.其主要原因是噴灌水肥一體化下，通過水肥耦合效應(yīng)，氮素具有較高的遷移速率與較強(qiáng)的吸收效率[11-13].

噴灌水肥一體化條件下，中肥高頻次處理(F2C6)效果最佳，這與井濤[3]研究結(jié)果一致.噴灌水肥一體化條件下，施氮量存在閾值反應(yīng)，當(dāng)?shù)陀陂撝?，增加氮肥投入具有增產(chǎn)效果；高于閾值，可能導(dǎo)致減產(chǎn).在低氮條件下，馬鈴薯對氮肥的需求大，植株對氮肥的吸收競爭更加激烈，氮肥的利用效率提高，因此提升了低肥高頻次處理的氮肥偏生產(chǎn)力；當(dāng)作物對氮肥的需求達(dá)到飽和，過量的氮肥超出了植株對氮素的需求及利用能力，造成農(nóng)作物吸收營養(yǎng)元素時離子之間增強(qiáng)拮抗作用，使農(nóng)作物根系吸收水分和中微量元素強(qiáng)度較弱，不僅導(dǎo)致植株對氮素的奢侈吸收，降低氮肥利用效率，還可能抑制作物的生長，影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)[6-7].

研究中，試驗?zāi)攴葑匀唤涤昶啵煌幚黹g灌水差異在14 mm之內(nèi)，相比起水肥處理期間的降雨量(150.5 mm)僅占9.30%.因此認(rèn)為灌水差異對馬鈴薯的產(chǎn)量及氮素積累不具有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)[14].

4 結(jié) 論

1) 噴灌水肥一體化條件下，施氮量相同，隨施氮頻次增加，馬鈴薯產(chǎn)量、商品薯率和氮肥偏生產(chǎn)力均增加；相同施氮頻次下，隨施氮量增加，馬鈴薯產(chǎn)量與商品薯率先增大后減小，氮肥偏生產(chǎn)力隨施氮量增加呈減小趨勢.處理F2C6的馬鈴薯產(chǎn)量與商品薯率最高，為62 380 kg/hm2和81.09 %.

2) 噴灌水肥一體化下，中肥高頻處理(F2C6)的馬鈴薯塊莖氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他處理，且莖、葉氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于高肥高頻處理，表明營養(yǎng)物質(zhì)更有效轉(zhuǎn)移至塊莖中，有利于提高馬鈴薯產(chǎn)量.

3) 同一施氮量，隨著施氮頻次增加，塊莖膨大期后土壤中硝態(tài)氮質(zhì)量比逐漸減少，增加施氮頻次有利于作物對氮素的吸收.