马铃薯是世界第四大粮食作物,是全世界公认的全价食品^[1,2,3],是甘肃省第三大粮食作物,特别是在甘肃定西地区,马铃薯是重要的经济作物,年种植面积约6.67万hm²,是定西地区经济发展、农业增效和农民增收的重要战略性产业。然而,为提高马铃薯单产,化肥的大量投入施用已成为增产的关键,但是化肥的过量施用一方面造成了肥料资源的浪费,另一方面也造成了非常严重的土壤和生态环境问题,如肥料利用率下降、土壤板结和水体富营养化等。因此,为实现定西地区马铃薯产业和生态环境的持续健康发展,合理配合施用有机肥和化肥已成为主要任务。

马铃薯根的直径和根序为根系的重要结构特征^[4],有研究认为,细根为直径≤2mm或5mm的根系,在结构和生理方面与中根和粗根基本相同^[5,6,7,8]。但也有一些学者认为,不同径级的细根功能有所差异,将细根又分为0~0.5、0.5~1.0、1.0~1.5和1.5~2.0mm或0~1.0、1.0~2.0和2.0~5.0mm等不同直径等级^[6,7]。采用上述径级分类方法在研究细根形态特征时,尤其是研究细根的生产和周转时相对简便,在很多研究中得到应用。

目前,有关不同施用量有机肥氮替代化肥氮对马铃薯的影响研究大多集中在对马铃薯农艺性状和产量方面^[9,10],对马铃薯根系吸收能力和形态,尤其是不同直径范围内根系形态特征的研究鲜见报道。因此,本研究在定西市农业科学研究院科技创新基地进行试验,研究了有机肥氮部分替代化肥氮对马铃薯根系吸收能力和形态的影响,以期为定西地区马铃薯产业的健康持续发展提供参考。

试验于2018年4月-10月在定西市农业科学研究院科技创新基地进行。试验地海拔2 109m,年均辐射量592.85kJ/cm²,年均气温6.4℃,≥10℃积温2 239.1℃,年均降水量415.2mm,年蒸发量1 531mm。试验地土壤类型为黄绵土,肥力均匀,有机质19.5g/kg,全氮0.9g/kg,碱解氮87.3mg/kg,速效磷25.1mg/kg,速效钾220.6mg/kg,pH值为8.0。

试验品种为陇薯10号,由定西市农业科学研究院提供。

试验共设6个处理: 不施肥料（CK,T1）;单施化肥氮,施氮量为纯氮180kg/hm²（T2）;10%有机肥氮替代10%化肥氮（T3）;20%有机肥氮替代20%化肥氮（T4）;30%有机肥氮替代30%化肥氮（T5）;40%有机肥氮替代40%化肥氮（T6）。

氮、磷、钾配比为N:P₂O₅:K₂O=4:3:3。供试有机肥为生物有机肥,由甘肃大行农业科技开发有限公司生产,化肥分别为尿素（N≥46%）、过磷酸钙（P₂O₅≥12%）和氯化钾（K₂O≥24%）。各施肥处理分别扣除有机肥N、P₂O₅和K₂O含量后用尿素、过磷酸钙和氯化钾补充。有机肥和氮、磷、钾肥作基肥一次性施入。各处理重复3次,随机区组排列,60 000株/hm²,株距31cm,行距70cm。小区面积55m²（5.5m×10m）,田间管理同大田一致。

在马铃薯盛花期（出苗后65d）,尽量完整地挖出马铃薯植株,用剪刀将根系剪下,先用自来水冲洗2~3次,再用蒸馏水冲洗2次,用滤纸吸干表面水分,测定根系相关生理及形态指标。

采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法测定马铃薯根系活力,采用甲烯蓝吸附法测定根系吸收面积。

用数字化扫描仪Epson Scanner对各处理的根系进行扫描,扫描完成后用Win-RHIZOTM 2008a根系图像分析软件对扫描后的根系图像进行形态指标分析,根系形态指标取根系总长度、根直径、总表面积、总体积和根尖数。

收获时按小区面积测定产量。

使用Excel 2010对试验数据进行统计汇总,并使用SPSS 19对各处理数据进行方差分析和最小显著性检验（LSR法）。

由表1可以看出,施用有机肥处理显著增加了马铃薯根系活力、根系活跃吸收面积和总吸收面积,随着有机肥施用量的增加,马铃薯根系活力、根系活跃吸收面积和总吸收面积逐渐增加,均在T5处理达到最大值,而后随着有机肥用量的增加逐渐降低。与T1相比,T3、T4、T5和T6处理根系活力分别增加了69.29%、86.47%、112.36%和76.81%,根系活跃吸收面积分别增加了92.16%、121.57%、198.04%和117.65%,根系总吸收面积分别增加了92.23%、133.98%、178.64%和105.83%;与T2相比,T3、T4、T5和T6处理根系活力分别增加了17.20%、29.10%、47.02%和22.41%,根系活跃吸收面积分别增加了36.11%、56.94%、111.11%和54.17%,根系总吸收面积分别增加了28.57%、56.49%、86.36%和37.66%。其原因可能是增施有机肥改变了土壤理化性状,使土壤疏松多孔,有利于土壤中水分和养分的运移,同时也改善了土壤生物性状,增加了土壤微生物和酶的活性,因此更有利于马铃薯根系的生长,进一步为块茎产量的提高打下坚实基础;但当有机肥氮替代化肥的比例超过30%时,根系活力、根系活跃吸收面积和根系总吸收面积反而下降,可能是由于有机肥养分释放缓慢,养分供应不足所致。

马铃薯根系形态指标有总根长、根体积、总根尖数和主根直径等,可反映根系的结构特征。由表2可以看出,增施有机肥显著提高了马铃薯根系总根长、根体积、总根尖数和主根直径,且随着有机肥氮替代化肥氮比例的增加,总根长、根体积、总根尖数和主根直径均逐渐增加,T5处理达到最大值,而后随着有机肥施用量的增加而减少。与T1相比,T3、T4、T5和T6处理总根长分别增加了28.40%、36.60%、46.00%和24.89%,根体积分别增加了62.52%、83.94%、111.97%和66.61%,总根尖数分别增加了49.50%、71.58%、93.70%和56.07%,主根直径分别增加了49.46%、58.06%、74.19%和55.91%;与T2相比,T3、T4、T5和T6处理总根长分别增加了10.48%、17.54%、25.63%和7.46%,根体积分别增加了19.86%、35.66%、56.33%和22.88%,总根尖数分别增加了10.59%、26.93%、43.29%和15.45%,主根直径分别提高了11.20%、17.60%、29.60%和16.00%。主要原因可能是增施有机肥改善了土壤理化性状和生物性状,同时,有机肥平衡了养分释放过程,促进了根系的生长发育,但有机肥用量过多导致养分供应不足,影响根系生长。

由表3可以看出,施用有机肥对0~0.50、0.51~1.00和1.01~1.50mm直径范围内马铃薯根系总根长具有显著影响,且随着施肥量的增加0~0.50、0.51~1.00和1.01~1.50mm直径范围内总根长明显增加,T5处理0~0.50、0.51~1.00和1.01~1.50mm直径范围内总根长达到最大值,而后随着有机肥施用量的增加而减少,与T1相比,T3、T4、T5和T6处理0~0.50mm范围内总根长分别增加了36.80%、43.56%、49.69%和26.73%;与T2相比,T3、T4、T5和T6处理0~0.50mm范围内总根长分别增加了14.89%、20.56%、25.71%和6.43%。主要是由于施用有机肥改善了土壤理化性状和营养条件所致,这与前面根系吸收能力和根系形态的结果相对应。

由图1可知,施用有机肥显著增加了马铃薯块茎产量,随着有机肥用量的增加马铃薯产量随之增加,T5处理马铃薯块茎产量达到最大值,而后随着有机肥施用量的增加而降低。与T1相比,T3、T4、T5和T6处理块茎产量分别增加44.17%、50.28%、59.99%和45.94%;与T2相比,T3、T4、T5和T6处理块茎产量分别增加11.32%、16.04%、23.53%和12.69%。由此可见,30%有机肥氮替代化肥氮是适合定西地区马铃薯生产的施肥方式。

施肥量和方式是马铃薯生产管理的关键,长期以来,马铃薯的生产主要以施用大量化学肥料为主,因此也造成了一系列生态环境问题。根系作为马铃薯地下部吸收、合成和储存等代谢中心,与马铃薯整体的生长发育密不可分,而根系活力作为根系吸收、合成和氧化还原能力的综合体现^[11,12],可以客观反映根系的生命活动。李艳平等^[11]对烤烟的研究表明,增施有机肥可以提高烤烟的根系活力,进一步提高烤烟的生物产量;宋以玲等^[12]对油菜的研究表明,施用生物有机肥可以改善土壤生物酶的活性,提高根系活力。本研究表明,施用生物有机肥能够显著提高马铃薯根系吸收能力。

本试验结果表明,施用有机肥显著影响了0~0.50、0.51~1.00和1.01~1.50mm直径范围内马铃薯根系总根长,随着有机肥施用量的增加,0~0.50、0.51~1.00和1.01~1.50mm直径范围内马铃薯根系总根长逐渐增加,当有机肥氮替代化肥氮的比例达到30%时总根长达到最大值,而后随着有机肥施用量的增加而减少。潘艳花等^[5]研究表明,不同直径范围根系的吸收能力存在差别,一般认为细根的吸收能力强于粗根。本研究施用有机肥促进了马铃薯根系的生长发育,施用有机肥处理块茎产量显著高于对照和纯施化肥处理,在有机肥氮替代化肥氮的比例达到30%时,块茎产量达到最大值,为43 818.9kg/hm²。

在干旱半干旱定西地区,施氮量为纯氮180kg/hm²,氮、磷、钾配比为4:3:3（N:P₂O₅:K₂O）,有机肥氮替代化肥氮比例为30%是最佳施肥方式。