有機(jī)肥替代氮肥對(duì)馬鈴薯氮素吸收利用及土壤氮素供應(yīng)的影響

李超　趙國(guó)鼎　李利　張少華　樊明壽　石曉華

摘? ? 要：探究有機(jī)肥替代化肥氮及不同配施比例對(duì)馬鈴薯氮素吸收及土壤氮素供應(yīng)的影響，為保證馬鈴薯產(chǎn)量和減少土壤氮素?fù)p失提供科學(xué)指導(dǎo)。設(shè)置5個(gè)處理，分別為不施氮肥（CK）、100%氮肥施入（T0）、30%有機(jī)肥替代氮肥（T1）、60%有機(jī)肥替代氮肥（T2）、100%有機(jī)肥替代氮肥（T3）。通過大田試驗(yàn)，比較各處理馬鈴薯干物質(zhì)量、氮素吸收利用、土壤礦質(zhì)氮含量、土壤氮素平衡等方面的差異。結(jié)果表明：與100%化肥氮施入相比，60%有機(jī)肥替代化肥氮2年平均產(chǎn)量提高了10.31%，氮素累積量提高了8.14%，氮肥偏生產(chǎn)力提高了9.85%，氮肥利用效率提高8.07%，提高了土壤礦質(zhì)氮含量，減少氮素表觀損失量和氮素盈余量。從馬鈴薯的干物質(zhì)質(zhì)量、氮素吸收利用、土壤礦質(zhì)氮含量、土壤氮素平衡等方面考慮，在60%有機(jī)肥替代氮肥時(shí)提高了產(chǎn)量、氮素吸收利用，同時(shí)減少了氮素表觀損失量和氮素盈余量。

關(guān)鍵詞：有機(jī)肥替代氮肥；氮素供應(yīng); 氮素利用

中圖分類號(hào)：S682.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2023.S.024

The Effect of Organic Fertilizer Replacing Fertilizer Nitrogen on Potato Nitrogen Absorption and Soil Nitrogen Supply

LI Chao1， ZHAO Guoding1， LI Li， ZHANG Shaohua2，F(xiàn)AN Mingshou1， SHI Xiaohua1

（1.College of Agriculture，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot，Inner Mongolia? 010019，China；2. Qahar Youyi Middle Banner Agricultural and Animal Husbandry，Science and Technology Bureau， Kebuer，Inner Mongolia 013550， China）

Abstract：To explore the effects of organic fertilizer replacing chemical fertilizer nitrogen and different application ratios on potato nitrogen absorption and soil nitrogen supply， in order to provide scientific guidance for ensuring potato yield and reducing soil nitrogen loss. This paper set up five processes， including no nitrogen application （CK）， 100% fertilizer nitrogen application （T0）， 30% organic fertilizer instead of fertilizer nitrogen （T1）， 60% organic fertilizer instead of fertilizer nitrogen （T2）， and 100% organic fertilizer instead of fertilizer nitrogen（T3）. Through field experiments， the differences in potato dry matter quality， nitrogen absorption and utilization， soil mineral nitrogen content， and soil nitrogen balance among different treatments were compared. Compared with the application of 100% chemical fertilizer nitrogen， the replacement of 60% organic fertilizer nitrogen increased yield by an average of 10.31%， nitrogen accumulation increased by 8.14%， nitrogen partial productivity increased by 9.85%， nitrogen utilization efficiency increased by 8.07%， soil mineral nitrogen content increased， and nitrogen apparent loss and surplus decreased over the past two years. Considering the dry matter quality， nitrogen absorption and utilization， soil mineral nitrogen content， and soil nitrogen balance of potatoes， when 60% organic fertilizer replaces chemical fertilizer nitrogen， it improves yield， nitrogen absorption and utilization， while reducing nitrogen apparent loss and nitrogen surplus.

Key words： organic fertilizer replacing fertilizer nitrogen; nitrogen supply; nitrogen utilization

馬鈴薯（Solanum tuberosum）起源于南美和北美州，全世界有約158個(gè)國(guó)家和地區(qū)種植，約10億人將馬鈴薯作為主食。我國(guó)是馬鈴薯種植大國(guó)，產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的1/4[1]。氮素供應(yīng)是馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的關(guān)鍵限制因子之一[2]?；瘜W(xué)氮肥是保障馬鈴薯豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施。但長(zhǎng)期不合理的施用化學(xué)氮肥不僅不能增產(chǎn)，還將對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和自然環(huán)境造成嚴(yán)重威脅[3]。因此，探究一種安全有效的氮肥施用方案迫在眉睫。施用有機(jī)肥可以改善生態(tài)環(huán)境、提高養(yǎng)分利用效率[4-5]，但存在養(yǎng)分含量低、肥效慢等特點(diǎn)[6]，單施有機(jī)肥往往不能滿足作物的養(yǎng)分需求，特別是在作物需氮較多的關(guān)鍵生育時(shí)期[7]。大量研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥替代氮肥能夠增加作物氮素吸收的同時(shí)，提高土壤氮素供應(yīng)水平。但對(duì)馬鈴薯農(nóng)田上有機(jī)肥替代氮肥對(duì)馬鈴薯氮素吸收及氮素供應(yīng)鮮有研究[8-9]。本研究針對(duì)內(nèi)蒙古馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)農(nóng)田長(zhǎng)期施入氮肥造成的土壤氮素累積、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)日益增大等問題[10-11]，通過設(shè)置有機(jī)肥替代氮肥比例，探究有機(jī)肥替代氮肥對(duì)馬鈴薯氮素吸收利用和土壤氮素供應(yīng)的影響，為提高馬鈴薯氮素利用效率和降低馬鈴薯農(nóng)田土壤氮素?fù)p失提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2021年4月至2022年9月在內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市察哈爾右翼中旗西壕塹村進(jìn)行，該地區(qū)處于溫帶大陸性氣候，海拔1? 780? m，平均氣溫1.3 ℃，試驗(yàn)田土壤為栗鈣土。播前土理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試品種為‘克新1號(hào)，內(nèi)蒙古旭豐農(nóng)業(yè)科技有限公司提供。供試肥料為商品有機(jī)肥（養(yǎng)分含量見表2），供試肥料為尿素（N 46%）、重過磷酸鈣（P2O5 46%）、硫酸鉀（K2O 51%）。

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，壟作栽培模式，種植密度46 000株·hm-2，灌溉方式為滴灌。每個(gè)處理重復(fù)3次，小區(qū)面積90 m2。該試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理，不施氮肥處理（CK）、100%氮肥施入處理（T0）、30%有機(jī)肥替代氮肥處理1（T1）、60%有機(jī)肥替代氮肥處理2（T2）、100%有機(jī)肥替代氮肥處理3（T3）。有機(jī)肥、氮、磷、鉀肥均作為基肥一次性施入。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 測(cè)定方法 （1）植株干物質(zhì)量：出苗后15、30、45、60、75 d各處理分別取3株馬鈴薯植株，將馬鈴薯分為根、莖、葉、塊進(jìn)行處理，將各部分置于烘箱110 ℃殺青30 min，然后在80 ℃烘干48 h，取出稱質(zhì)量。將烘干植株樣品粉碎后，處于Skalar杜馬斯儀器中，使用燃燒法測(cè)定植株全氮含量。收獲時(shí)分小區(qū)實(shí)測(cè)記產(chǎn)。（2）土壤礦質(zhì)氮：土壤樣品采用流動(dòng)分析儀法進(jìn)行測(cè)定。

1.3.2 計(jì)算方法 氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥表觀利用率公式如下：

氮肥偏生產(chǎn)力（kg·kg-1）=產(chǎn)量（kg·hm-2）/施氮量（kg·hm-2）（1）

氮肥表觀利用率=（施氮處理作物吸氮量-不施氮處理作物吸氮量）/施氮量×100%（2）

氮素表觀損失量和氮素盈余量公式如下：

氮素表觀損失量（kg·hm-2）=（施氮量+土壤起始無機(jī)氮累積量+土壤氮素凈礦化量）-（作物吸氮量+土壤殘留無機(jī)氮累積量）（3）

氮素盈余量（kg·hm-2）=氮素表觀損失量+土壤殘留無機(jī)氮累積量（4）

土壤各土層無機(jī)氮（硝態(tài)氮和銨態(tài)氮）累積量（Nmin，kg·hm-2）計(jì)算公式如下：

Nmin = h×C×B/10（5）

式中，h為土層厚度（cm）；C為無機(jī)氮含量（mg·kg-1）；B為土層土壤容重（g·cm-3）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)土壤及植株數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行方差分析（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)肥替代氮肥對(duì)馬鈴薯干物質(zhì)質(zhì)量的影響

由圖1可以看出，在整個(gè)馬鈴薯生育時(shí)期，馬鈴薯干物質(zhì)質(zhì)量隨著時(shí)間的變化而逐漸升高。出苗后15 d左右，各處理無顯著差異；出苗后30 d，2021年T0處理干物質(zhì)質(zhì)量顯著高于CK處理，增幅為39.26%，2022年T0處理顯著高出其他處理，增幅為12.15%～35.54%，T1、T2、T3處理間無顯著差異；出苗后45 d，2021年T2處理顯著高于CK、T1、T3處理，增幅為11.31%～42.93%，2022年T0處理顯著高于其他處理；出苗后60 d，2021年各處理與CK差異顯著，2022年T2處理與其他處理差異顯著，增幅為18.36%～27.20%；出苗后75 d，2年均表現(xiàn)出T2處理顯著高于T0處理，其中2年增幅分別為3.13%、5.49%。

2.2 有機(jī)肥替代氮肥對(duì)馬鈴薯氮素吸收利用的影響

氮素對(duì)馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)器官形成和生長(zhǎng)都有著良好的促進(jìn)作用（圖2）。從2年數(shù)據(jù)中看出，馬鈴薯氮素累積量在出苗后15 d各個(gè)處理均沒有表現(xiàn)出明顯差異；出苗后30 d，2021年CK處理顯著低于其他處理，其他處理增幅為27.52%～34.74%，2022年T0處理顯著高于其他處理，增幅為11.73%～39.58%；出苗后45 d，2021年T0、T1、T2處理顯著高于其他處理，其中T2處理氮素累積量最高，T2處理與T3、CK處理相比，增幅為19.00%～53.87%，T0、T1、T2處理間無顯著差異，2022年T2處理顯著高于其他處理，增幅為9.85%～42.49%；出苗后60 d，2021年T2處理顯著高于其他處理，增幅為5.03%～51.21%，2022年T2處理顯著高于其他處理，增幅為12.70%～41.94%；出苗后75 d，2年均表現(xiàn)為T2處理顯著高于其他處理，增幅為8.14%～60.30%。以上表明，氮素吸收在出苗后45～60 d達(dá)到氮素吸收的高峰，且在有機(jī)肥替代60%氮肥時(shí)，馬鈴薯氮素累積最高，適宜馬鈴薯的生長(zhǎng)。

由圖3可知，有機(jī)肥替代氮肥對(duì)產(chǎn)量影響明顯，但不同處理對(duì)產(chǎn)量影響不一致。2年結(jié)果均表現(xiàn)為T2處理顯著高于其他處理，其中T2處理與T0處理相比，增幅為8.31%～12.31%，T2與其他處理相比，增幅為15.65%～26.59%。2年增幅表現(xiàn)為：T2>T0>T1>T3>CK。盡管100%氮肥施入處理使馬鈴薯產(chǎn)量提高，但適宜的有機(jī)肥替代氮肥比例會(huì)使馬鈴薯產(chǎn)量高于氮肥輸入。若有機(jī)肥替代氮肥過高或過低，也會(huì)造成馬鈴薯產(chǎn)量過低。

偏生產(chǎn)力是反映土壤肥力水平和肥料輸入量綜合效應(yīng)的重要指標(biāo)。由圖4可以看出，2021年T2處理顯著高于其他處理，T1處理和T0處理間無顯著差異，其中T2處理較其他處理增幅為11.39%～22.14%；2022年T2處理顯著高于其他處理，且各處理都存在顯著差異，T2處理較其他處理增幅為8.32%～21.86%；2年數(shù)據(jù)均表現(xiàn)為：T2>T0>T1>T3。

由圖5可知，2021年T2處理顯著高于其他處理，T1和T3處理間無顯著差異，其中T2處理較其他處理增幅為8.67%～22.88%；2022年T2處理顯著高于其他處理為：增幅為7.48%～21.95%；2年數(shù)據(jù)均表現(xiàn)為T2>T0>T1>T3。

2.3 有機(jī)肥替代氮肥對(duì)馬鈴薯農(nóng)田土壤氮素供應(yīng)的影響

土壤礦質(zhì)氮是馬鈴薯能夠直接吸收利用的養(yǎng)分。由圖6可以看出，2年數(shù)據(jù)顯示，隨著土層加深，礦質(zhì)氮含量下降，同時(shí)隨著時(shí)間的變化，礦質(zhì)氮含量呈先下降后上升的趨勢(shì)。在0～20 cm土層中，出苗15 d，2021年T0處理顯著高于其他處理，T0處理較CK和T3處理增幅22.57%、52.97%，T0與T1、T2處理無顯著差異；2022年T0處理顯著高出其他處理，T0處理較CK、T2、T3處理增幅55.92%、15.39%、21.72%，T0與T1處理無顯著差異。出苗后30 d，2021年除CK處理外，其他各處理間無顯著差異，其他處理與CK處理相比，增幅為44.52%～52.87%；2022年T2處理顯著高于其他處理，增幅為5.84%～70.47%。出苗后45 d，2021年除CK處理外，其他各處理間無顯著差異，其他處理與CK處理相比，增幅為43.06%～56.15%；2022年T1處理顯著高于CK、T2、T3處理，增幅為75.33%、9.02%、12.90%。出苗后60 d，2年均表現(xiàn)為CK顯著低于其他處理；2021年其他處理與CK處理相比，增幅為49.44%～54.72%；2022年其他處理與CK處理相比，增幅為52.61%～55.15%。出苗后75 d，2021年T3處理顯著高于CK、T0處理，T3與T1、T2處理不顯著，增幅18.99%、62.63%；2022年CK顯著低于其他處理，與CK處理相比，各處理增幅為62.49%～67.32%。

由圖7可知，在20～40 cm土層中，出苗15 d，2021年T0處理顯著高于其他處理，T0與T1處理無顯著差異，T0處理較CK和T2、T3處理增幅為55.29%、16.02%、18.00%；2022年T0處理顯著高出其他處理，T0與T1處理無顯著差異，T0處理較CK、T2、T3處理增加47.61%、12.91%、23.00%。出苗后30 d，2021年除CK處理外，其他各處理間無顯著差異，其他處理與CK處理相比，增幅為40.80%～50.92%；2022年T0處理顯著高于CK、T3處理，增加52.90%和14.97%，T0與T1、T2處理無顯著差異。出苗后45 d，2年表現(xiàn)為除CK處理外，其他各處理間無顯著差異，其他處理與CK處理相比，2021年增幅為47.17%～52.00%，2022年增幅為59.38%～62.08%。出苗后60 d，2021年T3處理顯著高于CK、T0處理，增幅為54.06%、25.39%；2022年除CK處理外，其他各處理間無顯著差異，其他處理與CK處理相比，增幅為47.73%～52.55%。出苗后75 d，年均表現(xiàn)為T3處理顯著高于其他處理（除T2處理外），2021年增幅為24.36%～62.08%，2022年增幅為11.99%～55.15%。

2年數(shù)據(jù)顯示，出苗后60 d與出苗后15 d相比，礦質(zhì)氮含量下降45.71%～54.41%。而在T2處理中，礦質(zhì)氮含量下降30.17%～32.21%。出苗后60 d為馬鈴薯膨大期，該時(shí)期為馬鈴薯最大需氮時(shí)期，其下降趨勢(shì)表明，在0～40 cm土層中，T2處理較T0處理有較強(qiáng)的供氮能力。

通過不同有機(jī)肥替代氮肥下土壤-馬鈴薯體系氮素平衡分析（表4），各處理的氮素輸入以肥料氮投入為主，占氮素輸入總量的66.11%、75.76%；其次是凈礦化量投入，占氮素輸入總量的22.82%、12.21%；而土壤起始無機(jī)氮比例最低，占氮素輸入總量的11.07%、12.08%。各處理的氮素輸出以作物吸收為主，其次為氮素表觀損失量，氮素殘留無機(jī)氮占比最低。不同處理間土壤殘留無機(jī)氮，T3處理殘留無機(jī)氮最高，與T3處理比較，T2處理氮素表觀損失量顯著減少63.2、54.9 kg·hm-2。不同處理均表現(xiàn)出氮素盈余，盈余量介于190.7～259.6 kg·hm-2、241.1～307.0 kg·hm-2，其中T3處理氮素盈余量最高，顯著高于T2處理。T3處理氮素盈余量較T2處理2年分別高出68.9、65.9 kg·hm-2。

3 討論與結(jié)論

有機(jī)肥替代氮肥能有效提高土壤氮素供應(yīng)原因，以供作物吸收利用[12]。張濟(jì)世[13]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有機(jī)肥替代20%氮肥時(shí)，較100%氮肥施入，能夠顯著增加水稻氮素累積量。原因可能是有機(jī)肥優(yōu)化了土壤氮素供應(yīng)水平，進(jìn)而促進(jìn)了地上部發(fā)育和干物質(zhì)積累。陳志龍[14]研究發(fā)現(xiàn)，小麥?zhǔn)褂糜袡C(jī)肥替代氮肥與100%氮肥施入相比，小麥產(chǎn)量較低，但氮肥利用率高于100%氮肥處理。原因可能是100%氮肥施入可以保證小麥在前期養(yǎng)分供應(yīng)充足，但后期養(yǎng)分供應(yīng)不足。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有機(jī)肥替代60%氮肥時(shí)，馬鈴薯干物質(zhì)質(zhì)量、氮素累積量、氮肥利用率、產(chǎn)量均高于100%氮肥施入處理。原因可能是前期100%氮肥施入使氮素供應(yīng)充足，但在馬鈴薯塊莖膨大期之后，氮肥氮素供應(yīng)低于有機(jī)肥替代化肥氮，有機(jī)肥替代氮肥提高了后期供氮水平，滿足了作物后期對(duì)氮的需求。原因供應(yīng)可能是有機(jī)肥中含有腐植酸類物質(zhì)，施入土壤后促進(jìn)了微生物的繁殖，在作物生長(zhǎng)期間持續(xù)礦化出可利用的氮，優(yōu)化了土壤供氮水平[15-16]，滿足了馬鈴薯對(duì)氮素的需求，進(jìn)而提高了馬鈴薯的干物質(zhì)質(zhì)量、氮素累積量、產(chǎn)量。

有機(jī)肥替代氮肥不僅能夠提高作物對(duì)氮的吸收利用，還能夠降低環(huán)境危險(xiǎn)。在大田作物中，未被作物當(dāng)季利用的氮主要通過無機(jī)氮?dú)埩艉偷乇碛^損失形式損失[17]。賈緒存[18]研究發(fā)現(xiàn)，夏玉米施用一定數(shù)量的有機(jī)肥較施用化學(xué)氮肥相比，可有效減少土壤氮素?fù)p失。本研究發(fā)現(xiàn)，用有機(jī)肥替代60%氮肥，提高了馬鈴薯對(duì)氮素的吸收利用，減少了氮素?fù)p失。原因可能是有機(jī)肥改善了土壤氮循環(huán)，進(jìn)而減少了氮素?fù)p失[19]。

綜上所述，有機(jī)肥替代氮肥后對(duì)馬鈴薯氮素吸收的影響主要在關(guān)鍵生育期（馬鈴薯塊莖膨大期）。在馬鈴薯塊莖膨大期氮素吸收利用處于峰點(diǎn)[20]，有機(jī)肥替代60%氮肥處理在馬鈴薯膨大期滿足了馬鈴薯氮素供應(yīng)，從而促進(jìn)了馬鈴薯產(chǎn)量增長(zhǎng)。本研究結(jié)果可為馬鈴薯生產(chǎn)上有機(jī)肥替代氮肥的施用提供參考。

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收稿日期：2023-05-31

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目（NJZY22482）；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技重大專項(xiàng)（2021ZD0043）

作者簡(jiǎn)介：李超（1997—），男，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，在讀碩士生，主要從事為植物營(yíng)養(yǎng)生理學(xué)研究。

通訊作者簡(jiǎn)介：石曉華（1986—），男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，講師，博士，主要從事馬鈴薯養(yǎng)分生理研究。