作物杂志, 2019, 35(6): 90-93 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2019.06.014

生理生化·植物营养·栽培耕作

内蒙古灌溉马铃薯氮肥减施依据及措施

陈杨1, 秦永林2, 于静2, 贾立国2, 樊明寿2

1内蒙古农业大学草原与资源环境学院,010011,内蒙古呼和浩特

2内蒙古农业大学农学院,010019,内蒙古呼和浩特

Basis and Measures for Reducing Nitrogen Fertilizer on Irrigated Potato in Inner Mongolia

Chen Yang1, Qin Yonglin2, Yu Jing2, Jia Liguo2, Fan Mingshou2

1College of Grassland, Resources and Environmental, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010011, Inner Mongolia, China

2College of Agronomy, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, Inner Mongolia, China

通讯作者: 贾立国,副教授,主要从事马铃薯营养生理研究

收稿日期: 2019-04-24   修回日期: 2019-06-4   网络出版日期: 2019-12-15

基金资助: 内蒙古创新引导基金“马铃薯轮作体系优化及水肥资源高效利用技术的研究与应用”(KCBJ2018010)
自治区高校科学技术研究项目“石灰性土壤马铃薯田磷素无效化途径研究”(NJZY18056)

Received: 2019-04-24   Revised: 2019-06-4   Online: 2019-12-15

作者简介 About authors

陈杨,副教授,主要从事马铃薯养分管理研究 。

摘要

内蒙古是我国重要的马铃薯种薯和商品薯生产基地,灌溉马铃薯虽然种植面积仅占20%,但对总产的贡献非常大。在前期调查中发现,该地区氮肥施用普遍过量,氮肥利用效率非常低,造成资源浪费和环境风险双重问题。通过多年的研究及农户调查数据分析,得出以下结论:氮肥用量超过300kg/hm2、产量低于45t/hm2、氮肥偏生产力(PFPN)小于150kg/kg的农户为氮肥减施对象;可通过总量控制、分期施用及有机肥替代等措施实行氮肥减施;植株叶片SPAD仪营养诊断可应用于指导分期调控的氮肥减施实践。

关键词: 灌溉 ; 马铃薯 ; 氮肥减施 ; 措施

Abstract

Inner Mongolia is the important region for potato and potato seed production, where irrigated potato is a major contribution to the total production although it accounts only for 20% of the planting area. Based on our previous survey, it was found that over-use of nitrogen fertilizer was very popular, which resulted in low nitrogen use efficiency and high envioronmental risk. After analyzing the results from multi-year field experiments and farmer survey by our research group, it was concluded that the fields with more than 300kg/hm 2 nitrogen application, the tuber yield of less than 45t/hm 2 and PFPN lower than 150kg/kg needed to decrease nitrogen input. The measures for reducing nitrogen fertilizer could be carried out by the control of total use of nitrogen fertilizer, application by stages, as well as organic fertilizer substitution and so on; Nitrogen fertilizer application can be recommended based on leaf SPAD diagnosis method.

Keywords: Irrigation ; Potato ; Decrease of nitrogen fertilizer use ; Measure

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陈杨, 秦永林, 于静, 贾立国, 樊明寿. 内蒙古灌溉马铃薯氮肥减施依据及措施[J]. 作物杂志, 2019, 35(6): 90-93 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2019.06.014

Chen Yang, Qin Yonglin, Yu Jing, Jia Liguo, Fan Mingshou. Basis and Measures for Reducing Nitrogen Fertilizer on Irrigated Potato in Inner Mongolia[J]. Crops, 2019, 35(6): 90-93 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2019.06.014

马铃薯生长需要气候凉爽、病虫害较少、土质疏松、昼夜温差大等条件,内蒙古非常适宜马铃薯的生产,其播种面积、总产量均居全国前列,是我国重要的马铃薯种薯和商品薯生产基地[1]。灌溉马铃薯虽然种植面积仅为内蒙古总面积的20%,但对产量的贡献非常大,与旱作相比,灌溉马铃薯的产量可高达10倍,其原因不仅是水分供应充足,而且是养分投入大幅增加。笔者所在课题组前期的农户调查结果表明,该区域46%的农户氮肥投入偏高,当地马铃薯的氮肥偏生产力(PFPN)仅为发达国家的1/3。氮肥的过量投入不仅造成资源利用效率低,而且还会带来巨大的环境风险。因此,在保证该地区马铃薯不减产的前提下,减少氮肥的用量成为目前马铃薯产业绿色发展的重要目标。

1 氮肥减施对象的确定

马铃薯生产中氮肥施用过量和施用不足的情况并存,因此在氮肥减施工作中,首先要明确该生产系统中氮肥减施对象,并确定预期减施的力度及能达到的减施效果。在确立减施对象时,不仅需考虑氮肥施用的绝对数量或氮肥利用率,还需要同时考虑马铃薯产量与肥料利用率两个关键指标。在众多肥料利用率指标中,PFPN是一个能够反映产量和氮肥施肥效应的最简单的指标,本研究将施氮量和马铃薯PFPN相结合判断氮肥施用是否合理。多年多点及测土配方施肥工程进行的3414试验表明[2,3,4,5,6,7,8,9],在内蒙古马铃薯主产区,灌溉马铃薯的合理氮肥推荐量为300kg/hm2,在此施肥条件下并配套其他措施,多年的产量平均为45t/hm2,PFPN为150kg/kg。

据此,把调查的所有农户分成如图1所示的4个区域,其中,Ⅰ区农户氮肥投入量低,但马铃薯产量很高,这部分农户仅占全部农户的1.9%,这部分农户不是我们的减肥对象,而是减肥所要达到的目标和配套措施可以采用的标准;Ⅱ区农户氮肥施用量低,但是产量也低,这部分农户占全部农户的35.8%,对这部分农户而言,低的肥料投入是限制马铃薯高产的原因之一,因此,这部分农户应该通过增加氮肥用量,使光照、水分、土壤、种子、农药等条件与养分资源合理搭配,进而达到高产的目的;Ⅲ区农户氮肥投入量高,但产量也高,这部分农户占全部农户的2.4%;Ⅳ区农户氮肥投入量高,但是产量很低(施氮量超过300kg/hm2,PFPN低于150kg/kg),这部分农户的氮肥利用效率极低,占全部农户的59.9%,是主要的氮肥减施对象。

图1

图1   内蒙古农户氮肥用量与马铃薯产量的关系

Fig.1   Relationship between nitrogen application rate and potato yield of farmers in Inner Mongolia


2 氮肥减施的技术措施

笔者所在课题组多年致力于氮素养分管理的研究[10,11,12,13,14],遵循氮肥“总量控制,分期调控”的原则进行了多点试验。其中总量控制是基于目标产量(45t/hm2),马铃薯生产1 000kg块茎需要5kg氮素,根据当地的农户管理模式及土壤特征等确定氮肥推荐用量(300kg/hm2),然后应用各种优化措施进行调控,例如:氮肥分期施用、营养诊断(叶柄硝酸盐诊断、GreenSeeker诊断、SPAD仪诊断)、有机肥替代等。从表1中可以看出,氮肥分期施用可显著提高马铃薯产量及PFPN,可以作为氮肥减施的技术措施;营养诊断方式可显著提高马铃薯的PFPN,与农户模式(漫灌)比较,PFPN的增幅高达109.1%~144.9%,因此营养诊断可作为氮肥减施的主要推广技术。虽然有机肥替代对PFPN的增幅没有营养诊断高,但是增幅仍可达54.1%,而且内蒙古马铃薯主产区处在典型的农牧交错带,当地牧业所产生的粪便为有机肥替代技术提供了条件。

表1   不同管理模式对马铃薯产量及PFPN的影响

Table 1  Effects of different cultivation mode on potato yield and PFPN

生产模式
Cultivation mode
氮肥用量(N kg/hm2)
Nitrogen application rate
产量(t/hm2)
Yield
PFPN
(kg/kg)
PFPN的增幅(%)
PFPNincrease
优化措施
Optimized measure
农户模式(漫灌)
Farmer mode (flood irrigation)
22522.198.2-
农户模式(滴灌)
Farmer mode (drip irrigation)
33036.0109.111.1
优化模式Optimized mode27045.0166.769.7分期调控
Stage regulation
22546.2205.3109.1叶柄硝酸盐诊断
Diagnosis of petiole nitrate
20048.1240.5144.9GreenSeeker诊断
Diagnosis of GreenSeeker
20145.0223.9128.0SPAD仪诊断
Diagnosis of SPAD meter
30045.4151.354.1有机肥替代
Organic fertilizer substitution

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2.1 植株营养诊断(SPAD仪诊断)

2.1.1 施氮量的确定 以养分归还学说为基础,考虑当地土壤特点、马铃薯需肥规律及灌溉马铃薯的特点,根据“测土配方”及笔者所在课题组多年多点试验结果,确定了不同目标产量马铃薯不同生长期氮肥推荐量,确定块茎形成期追施氮肥40%,块茎膨大期追施氮肥30%(表2)。

表2   马铃薯氮肥推荐用量

Table 2  Recommended amount of nitrogen fertilizer of potato

目标产量(t/hm2)
Aimed yield
推荐用量(N kg/hm2)
Recommended dosage
基肥(N kg/hm2)
Base fertilizer
追肥Topdressing (N kg/hm2)
块茎形成期Tuber formation stage块茎膨大期Tuber enlargement stage
37.52507510075
45.03009012090
52.5350105140105
60.0400120160120

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2.1.2 基于SPAD仪营养诊断的精准施肥 在水稻、玉米等大田作物上研究表明,应用SPAD仪进行氮素营养诊断时,诊断部位的不同会使SPAD值有很大差异[15,16,17]。笔者所在课题组确立了马铃薯的倒4叶与倒8叶的顶小叶作为诊断部位(样本数≥30)[18,19],用它们的差值作SL4-8(SPAD4-SPAD8)与临界SL4-8进行比较,当实测值高于临界值时,判断马铃薯需要补充氮肥,而当实测值低于或等于临界值时,则诊断为马铃薯氮素营养状况良好[20];并确定块茎形成期临界SL4-8=-1.8637,块茎膨大期临界SL4-8=-1.4031[21],如果需要追施氮肥,氮肥的追施量根据下列公式进行计算:

N1'=N1×(1+α1);N2'=N2×(1+α2)
α=(Nthreshold-Nreal)/Nthreshold

Nthreshold为该时期临界SL4-8的吸氮量;Nreal为该时期实测SL4-8的吸氮量。

块茎形成期吸氮量(Y)与SL4-8(X)的关系:

Y=-4.2205X+26.932

块茎膨大期吸氮量(Y)与SL4-8(X)的关系:

Y=-9.3181X+129.41

公式中,N1为块茎形成期计划追氮量,N2为块茎膨大期计划追氮量;N1'为块茎形成期实际追氮量,N2'为块茎膨大期实际追氮量,α为追肥系数,根据公式即可计算氮肥追施量。例如,马铃薯的目标产量是45t/hm2,推荐施氮量(N)是300kg/hm2,其中基肥占30%,为90kg/hm2,块茎形成期计划追肥120kg/hm2,块茎膨大期计划追肥90kg/hm2;在块茎形成期进行SPAD仪营养诊断,测定的SL4-8为2,大于临界SL4-8(-1.8637),因此需要进行追肥。根据公式(3)计算块茎形成期临界吸氮量(Y)为34.798kg/hm2,块茎形成期实际吸氮量(Y)为18.491kg/hm2,然后根据公式(2)计算α为0.469,确定α后根据公式(1)计算N1'为176.2kg/hm2,即该时期应追施氮肥176.2kg/hm2,比计划追肥增加了56.2kg/hm2。所以,可利用SPAD仪诊断进行氮肥需求量监控。

2.2 有机肥替代

我国农业生产中化肥的用量逐年增加,有机肥的用量越来越少,但作物的产量在不断增加,这其中化肥的施用起到了重要的作用。但是化肥施用带来的环境问题、资源问题及土壤肥力下降等问题已经成为制约农业可持续发展的重要因素,因此国家实施了“双减专项”,要求农业生产必须减少化肥施用量,其中一个重要的举措就是利用有机肥替代部分化肥,在保证稳产的前提下减少化肥用量,增加有机肥用量,这样不仅保护环境、减少资源浪费,还可以培肥土壤,充分发挥土壤肥力。笔者所在课题组经过3年的大田试验研究表明,有机肥替代可保证马铃薯的产量,并可增加马铃薯产量(表3)。为保证所有处理的氮肥管理一致,氮肥的投入均采用基肥一次性施入,在生产实践中可采取氮肥总量60%进行有机肥替代,剩余40%的化肥进行分期调控,调控的方式可结合SPAD仪营养诊断。

表3   有机肥替代化肥对马铃薯产量的影响

Table 3  Effects of organic fertilizer replacing chemical fertilizer on potato yield

处理
Treatment
氮肥被替代比例(%)
Replacement ratio of nitrogen fertilizer
氮肥(kg/hm2)
Nitrogen fertilizer
产量(t/hm2)
Yield
增产率(%)
Yield increase
1030040.0c-
23030042.2b5.5
36030045.4a13.5
410030039.4c-1.5

Note: Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05)

注:不同小写字母表示处理间显著性差异(P<0.05)

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3 结论

内蒙古灌溉区马铃薯种植户氮肥用量偏高,PFPN较低,进行氮肥减施增效十分必要。

氮肥用量超过300kg/hm2、产量低于45t/hm2、PFPN小于150kg/kg的马铃薯种植农户应为重点减氮对象。可通过氮肥总量控制、分期施用以及有机肥替代实现马铃薯稳产和氮肥利用效率的提升。植株SPAD仪营养诊断可作为氮肥分期调控的指导。

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通过田间试验研究了高垄覆膜滴灌条件下施氮量(N 0、90、180、270、360 kg/hm2)对马铃薯产量、土壤硝态氮积累、氮素平衡及氮肥利用率的影响。结果表明,N180处理的马铃薯块茎产量最高。马铃薯收获期各处理硝态氮含量为表层土(0&mdash;20cm)最高,且在0&mdash;120 cm剖面呈现降低的趋势;各处理0&mdash;40 cm土层硝态氮积累量占0&mdash;120cm土层硝态氮积累总量的47.74%~53.17%。施氮量与马铃薯吸氮量、土壤硝态氮残留量、氮素表观损失量呈显著正相关,马铃薯吸氮量、硝态氮残留量和氮素表观损失量分别占增加纯氮的37.93%、45.99%和16.08%。马铃薯块茎吸氮量和收获指数随着施氮量的增加有增加的趋势;氮肥吸收利用率、氮肥农学利用效率、氮肥生理利用效率均以N 90处理最高,分别为67.97%、68.06 kg/kg和154.92 kg/kg。在内蒙古阴山北麓马铃薯主产区,覆膜滴灌施氮量应控制在90~180 kg/hm2。

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合理使用氮肥,提高氮肥利用效率,降低环境风险,是实现农业可持续发展的重要环节,氮素营养诊断技术的研究和应用是合理氮素管理的前提。本文介绍了氮素营养诊断的方法、特点以及发展,并在此基础上综述了马铃薯氮素营养诊断的研究进展,分析了在我国马铃薯生产深入开展氮素营养诊断的必要性和重要意义。最后提出了马铃薯营养诊断需解决的关键问题。

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To reduce the nitrate leaching risk after potato (Solanum tuberosum L.) harvest and improve nitrogen fertilizer-use efficiency, a potato-cabbage double cropping system (DCS) was established at Hetao, North China, an arid area with irrigated land. A two-year field experiment demonstrated that planting early-maturing potato cultivar under plastic mulch shortened its growth period by 14 d and allowed a second crop of cabbage to scavenge the soil residual NO3--N to a depth of 160 cm, substantially reducing the risk of nitrate leaching into groundwater. The yearly total N uptake in DCS was about 110 kg ha(-1) more than that in the conventional cropping system (CCS), i.e., mono potato planting. This accounted for apparent nitrogen recovery (ANR) improvement of 16.90%-26.57% in the DCS as compared to that in the CCS for both years. As a result, the soil residual NO3--N in the 0-160 cm soil profile in the DCS was lower than that in the CCS. The solar energy-use efficiency and soil-use efficiency were also substantially increased with DCS.

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以高产、高效为目标的马铃薯生产需要合理的氮素管理。本文分析了马铃薯氮肥利用现状,针对存在的问题提出了氮素管理的思路,即在了解马铃薯的氮素需求规律、明确马铃薯农田氮素走向的基础上选择适宜的栽培措施。在氮素管理策略上,提出既要总量控制又要分期调控,实施关键生育期氮素精确诊断监测,采用合理的施肥方式,研发适合马铃薯的新型氮素缓/控释肥料。最后,对马铃薯氮素管理的研究方向进行了展望。

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阴山北麓马铃薯在不同灌溉模式下的水肥效率

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为明确内蒙古阴山北麓马铃薯主产区不同灌溉模式对水肥利用效率以及土壤无机氮残留的影响, 2009-2010年进行了漫灌(农民习惯)、喷灌、露地滴灌、膜下滴灌4种灌溉模式对比研究, 分析了不同灌溉模式对马铃薯产量形成、水分利用效率、养分偏生产力、经济净收益以及土壤无机氮残留的影响。结果表明: 膜下滴灌马铃薯的产量、水分利用效率、氮磷钾肥料的偏生产力以及经济净收益均显著高于其他3种灌溉模式。其中, 膜下滴灌的马铃薯产量分别比漫灌、喷灌和露地滴灌增加35.7%、26.0%、12.9%, 水分利用效率和经济净收益分别增加200.2%、91.8%、23.7%和37.7%、30.1%、10.7%; 氮肥偏生产力膜下滴灌比漫灌、喷灌和露地滴灌分别增加50.6 kg?kg-1、39.8 kg?kg-1、22.0 kg?kg-1, 磷肥偏生产力分别增加126.6 kg?kg-1、99.4 kg?kg 1、55.0 kg?kg-1, 钾肥偏生产力分别增加42.3 kg?kg-1、33.2 kg?kg-1、18.4 kg?kg-1。漫灌马铃薯收获后60~120 cm土层无机氮残留量达102.95 kg?hm-2, 分别是喷灌、露地滴灌和膜下滴灌的1.36倍、2.11倍和2.28倍。由此可见, 露地滴灌和膜下滴灌不仅节水, 且马铃薯高产、养分资源和经济高效, 可显著减少薯田氮素淋洗, 从而降低环境污染的风险。

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