我国是世界上最大的马铃薯生产国[1]，发展马铃薯产业对维持我国粮食安全具有重要的意义。在传统马铃薯种植中，需要施用大量的化肥，而化肥过量会造成资源严重浪费、土壤生态恶化和重金属积累等问题。因此，国家“十三五”规划实施“药肥双减”的绿色农业战略，旨在以化肥农药减施为手段改善生态环境[2]。科学施肥能优化土壤营养结构，增加肥料吸收利用效率，促进作物生长，提高产量，提升品质，是提高马铃薯养分管理水平的重要策略[3⇓-5]。目前，马铃薯施肥管理存在化肥施用过量、有机肥施用不足、肥料投入报酬递减、养分投入失衡、营养运筹不科学等问题[6-7]，导致土壤盐度增加、板结、微生物多样性下降，从而使马铃薯生长环境受到影响、肥料利用效率降低[8⇓-10]、生长缓慢、产量降低[11]、干物质合成受阻、品质下降[12]等。因此，通过研究有机肥替代部分氮肥方式，根据马铃薯需肥规律来高效管理养分资源，是优化改善土壤结构、提高马铃薯水肥利用及实现高产优质的策略之一。本试验设置有机肥梯度替代氮肥，从马铃薯生长发育、品质特性、土壤特性和酶活性变化特点分析，探索黄土高原旱区有机肥替代部分氮肥的施肥模式，为区域马铃薯绿色栽培和养分科学管理提供数据支撑。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于甘肃省定西市安定区香泉镇香泉村（103°52′~105°13′ E，34°26′~35°35′ N，海拔2365m）进行，试验地属于黄土高原半干旱农业气候区，年降水量300~450mm，年均气温7.2℃，平均温差26.2℃，年均日照时数2502h，无霜期135~145d。土壤基础肥力为全氮0.99g/kg、全磷0.88g/kg、全钾21.77g/kg、碱解氮114.13mg/kg、有效磷22.2mg/kg、速效钾148.67mg/kg、有机质14.8g/kg。
1.2 试验材料
供试马铃薯品种为陇薯10号脱毒原种。供试肥料为尿素[甘肃刘化（集团）有限责任公司，N≥46%]、过磷酸钙（广西西江化工有限责任公司，P2O5≥16%）、硫酸钾（国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司，K2O≥50%）、有机肥（甘肃金九月有限责任公司，有机质≥45%，N≈3.13%）。供试地膜为黑色聚乙烯微膜（灵武市塑料制品有限公司，宽度1.2m，厚度0.008mm）。
1.3 试验设计
试验田在2013-2020年连续多年种植马铃薯，2018-2020年定位本试验。采用随机区组设计，共设5个施肥处理（表1），分别为当地传统施肥（CK，N 180kg/hm2，P2O5 90kg/hm2，K2O 108kg/hm2）、NR15/C5（减氮10%，无机氮减量15%+有机氮替代补偿5%）、NR30/C10（减氮20%，无机氮减量30%+有机氮替代补偿10%）、NR45/C15（减氮30%，无机氮减量45%+有机氮替代补偿15%）、NR60/C20（减氮40%，无机氮减量60%+有机氮替代补偿20%）。每个处理3次重复，试验共15个小区，每个小区面积42m2（7m×6m），5垄区，每垄1.2m。
表1 氮肥减量有机肥替代施肥
Table 1
| 处理 Treatment | N | P2O5 | K2O | 有机肥 Organic fertilizer |
|---|---|---|---|---|
| 传统施肥 Traditional fertilization (CK) | 180 | 90 | 108 | 0 |
| NR15/C5 | 162 | 90 | 108 | 288 |
| NR30/C10 | 144 | 90 | 108 | 576 |
| NR45/C15 | 126 | 90 | 108 | 864 |
| NR60/C20 | 108 | 90 | 108 | 1152 |
试验于4月下旬播种，旋耕耙耱，采用全程机械化施肥（全部基施，不追肥）、起垄、覆膜，采用人工穴播播种，密度5.25×105株/hm2，播深9cm，栽培方式如图1。田间管理按照当地栽培管理和马铃薯区域病虫害具体情况统一防治，人工除草。
图1
1.4 测定项目与方法
于2020年马铃薯淀粉积累期（9月5日）取样测定。所测土壤为垄面5~15cm深表层土壤，用土钻取样，在生长健壮的马铃薯近根系随机采集5个点土样混合，带回实验室后在4℃冰箱保存待测。选择小区中部生长均称的中等薯块为材料测定干物质含量。数据为小区内随机5个单株或样本参数的平均值。
1.4.1 生长、产量与品质
用直尺测定垄面到株顶的距离，即株高；用数显卡尺测量茎粗；用SPAD仪测定相对叶绿素含量（SPAD值）；产量为小区产量折算值。用直接干燥法测定干物质含量，用旋光法测定淀粉含量，用凯氏定氮法测定蛋白质含量，用荧光法测定维生素C（Vc）含量，用滴定法测定还原糖含量。
1.4.2 土壤特性和养分
用电极法测定pH，用电导率法测定盐度，用环刀法测定土壤容重，用重铬酸钾硫酸氧化―外加热法测定有机质含量，用半微量凯氏法测定全氮含量，用碱熔―钼锑抗比色法测定全磷含量，用碱融―火焰光度法测定全钾含量，用碱解扩散法测定碱解氮含量，用碳酸氢钠提取―钼锑抗比色法测定有效磷含量，用乙酸铵浸提―火焰光度法测定速效钾含量。
1.4.3 土壤酶活性
采用苯酚钠―次氯酸钠比色法测定土壤脲酶活性，用可见分光光度法测定酸性蛋白酶活性，用磷酸苯二钠比色法测定碱性磷酸酶活性，用高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶活性，采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶活性。
1.5 数据处理
用Excel 2007和SPSS软件进行数据处理与方差分析。
2 结果与分析
2.1 有机肥替代氮肥对连作马铃薯生长特性的影响
图2显示，随着有机肥替代氮肥量的增加，株高和SPAD值呈现先增大后变小趋势，NR30/ C10和NR45/C15处理株高较CK差异达显著水平。随着氮肥减量/有机肥替代氮肥量的增加，茎粗和产量逐渐增大，NR30/C10、NR45/C15和NR60/C20处理的产量与CK差异均达显著水平。
图2
图2
有机肥替代氮肥对马铃薯生长特性的影响
不同小写字母表示不同处理间差异显著（P < 0.05），下同
Fig.2
Effects of organic fertilizer replacing nitrogen fertilizer on growth characteristics of potato
Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments (P < 0.05), the same below
2.2 有机肥替代氮肥对连作马铃薯品质的影响
图3显示，马铃薯块茎干物质、蛋白质和粗淀粉含量随有机肥替代氮肥量呈先小幅减小，后变大再变小的“S型”变化特征，干物质和粗淀粉峰值出现在NR30/C10处理，蛋白质峰值在NR45/C15处理。并且，马铃薯块茎干物质、蛋白质和粗淀粉含量总体较CK大幅提升，NR30/C10和NR45/C15处理与CK差异显著。相反，马铃薯块茎Vc含量随有机肥替代氮肥量呈先减小后变大的“U型”变化特征。
图3
图3
有机肥替代氮肥对马铃薯品质的影响
Fig.3
Effects of organic fertilizer replacing nitrogen fertilizer on potato quality
2.3 有机肥替代氮肥对连作马铃薯土壤特性的影响
图4显示，随着有机肥替代氮肥量的增加，土壤pH逐渐减小，有机质含量增加，盐度和土壤容重先增大后减小，呈现“倒U型”变化特征，盐度峰值在NR30/C10处理，土壤容重峰值在NR15/C5处理。其中，pH在NR60/C20处理与CK差异显著；有机质在NR30/C10、NR60/C20处理与CK差异显著；各处理的土壤容重较CK差异不显著。
图4
图4
有机肥替代氮肥对马铃薯连作土壤特性的影响
Fig.4
Effects of organic fertilizer replacing nitrogen fertilizer on soil characteristics of potato continuous cropping
2.4 有机肥替代氮肥对连作马铃薯土壤养分的影响
表2显示，随着有机肥替代氮肥量的增加，土壤碱解氮和全氮含量逐渐减小，在NR30/C10、NR45/C15和NR60/C20处理较CK差异显著；有效磷和全磷含量逐渐增加，有效磷含量在NR60/ C20较CK差异显著，全磷含量较CK差异不显著；速效钾含量先增大后减小，呈现“倒U型”变化特征，峰值在NR30/C10处理，全钾含量变化没有一定的规律。
表2 有机肥替代氮肥对马铃薯连作土壤养分的影响
Table 2
| 处理 Treatment | 碱解氮 Alkaline hydrolysis of nitrogen (mg/kg) | 有效磷 Available phosphorus (mg/kg) | 速效钾 Quick-acting potassium (mg/kg) | 全氮 Total N (g/kg) | 全磷 Total P (g/kg) | 全钾 Total K (g/kg) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| CK | 114.13±5.24a | 22.20±3.13b | 148.67±14.06b | 0.95±0.13a | 0.88±0.07a | 21.77±3.31a |
| NR15/C5 | 111.40±3.26ab | 25.50±2.06b | 161.00±9.56ab | 0.91±0.08a | 0.89±0.09a | 20.77±2.23a |
| NR30/C10 | 94.03±7.42b | 31.63±3.22ab | 216.00±8.01a | 0.86±0.08b | 0.92±0.08a | 22.67±0.95a |
| NR45/C15 | 79.17±3.58c | 35.87±1.78ab | 200.33±12.44a | 0.86±0.16b | 0.96±0.15a | 21.36±4.27a |
| NR60/C20 | 82.83±7.51c | 43.63±1.66a | 191.00±10.25a | 0.72±0.20c | 0.95±0.12a | 23.80±2.81a |
不同小写字母表示0.05水平差异显著
The different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level
2.5 有机肥替代氮肥对连作马铃薯土壤酶活性的影响
表3显示，随着有机肥替代氮肥量的增加脲酶活性逐渐减小，其活性在NR30/C10、NR45/C15和NR60/C20处理与CK差异显著；随着有机肥替代氮肥量的增加，酸性蛋白酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性逐渐增大，酸性蛋白酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性在NR45/C15和NR60/C20处理较CK差异显著；过氧化氢酶活性变化没有一定规律。
表3 有机肥替代氮肥对马铃薯连作土壤酶活性的影响
Table 3
| 处理 Treatment | 脲酶 Urease [NH3-N mg/(g·d)] | 酸性蛋白酶 Acid protease (U/g) | 碱性磷酸酶 Alkaline phosphatase (U/g) | 过氧化氢酶 Catalase [0.1mol/L KMnO4 mL/(g·h)] | 蔗糖酶 Sucrase [Glucose mg/(g·d)] |
|---|---|---|---|---|---|
| CK | 4308.0±245.1a | 10.20±1.13c | 13.81±2.21c | 16.33±0.42a | 0.32±0.02c |
| NR15/C5 | 4033.5±102.4b | 10.13±1.09c | 14.08±1.65c | 16.00±0.33a | 0.34±0.02c |
| NR30/C10 | 3917.7±221.4bc | 12.30±0.79b | 14.94±1.42bc | 15.82±0.89a | 0.34±0.02c |
| NR45/C15 | 3812.8±97.0c | 13.63±1.25ab | 15.86±0.98b | 16.45±0.85a | 0.37±0.01b |
| NR60/C20 | 3786.0±312.2c | 15.07±0.62a | 17.11±1.15a | 15.42±0.63a | 0.43±0.01a |
3 讨论
2015年以来，农业农村部组织开展化肥农药使用量零增长行动，截至2020年底，中国化肥农药减量增效实现预期目标，化肥农药使用量显著减少，种植业高质量发展效果明显[13]。化肥减施和有机肥替代化肥是现阶段绿色优质栽培的重要农业措施，一定程度的化肥减量结合有机肥能促进作物增产和品质提升。刘志都等[14]研究表明，化肥减量结合有机肥施用，能提高马铃薯的肥料利用效率，提高马铃薯品质和产量。李成晨等[12]研究表明，化肥减量20%处理使马铃薯产量增加，提出适度减氮有利于氮素循环利用，促进增产，且化肥减量后，马铃薯生物量和干物质含量显著增加。本试验在有机肥替代部分氮肥模式下，研究替代量对马铃薯产量形成与品质的影响，结果发现。随着有机肥替代氮肥量的增加，株高、SPAD值、干物质、蛋白质和粗淀粉含量呈现先增大后变小趋势，茎粗和产量逐渐增大，干物质和粗淀粉峰值出现在NR30/C10处理，蛋白质峰值在NR45/C15处理。说明有机肥替代部分氮肥后，马铃薯植株生长加快，SPAD增大，进而提高了干物质积累，促进产量形成，有机肥替代部分氮肥实现马铃薯增产提质的结果与上述研究结论基本一致。
过量氮肥施用不仅影响作物生理生态特性，减少产量，带来面源污染，同时也大幅降低土壤肥力[15-16]。研究[17]表明，集约化生产条件下长期过度施氮对土壤生化和微生物性质有负面影响，如降低酶活性，抑制微生物活性和生物量，减少微生物群落多样性和丰富度，这些都会对土壤生态系统健康产生不利影响。降低粮食生产系统化学氮肥用量，维护粮食生产用地土壤质量迫在眉睫。本试验发现，随着有机肥替代氮肥量的增加，土壤pH、碱解氮、全氮含量和脲酶活性逐渐减小，有效磷、全磷、有机质、酸性蛋白酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性增加；盐度和土壤容重先增大后减小，盐度峰值在NR30/C10处理，土壤容重峰值在NR15/C5处理。有机肥替代部分氮肥模式下，碱解氮和全氮含量下降，可能与无机氮肥的施用量下降有关，而土壤无机氮含量降低，诱导脲酶活性下降。有机肥影响土壤磷组成，使土壤磷含量增加，诱导碱性磷酸酶活性增强，有机质和秸秆代谢中，蛋白酶和蔗糖酶活性增加。另外，有机肥替代氮肥后，土壤有机酸作用降低土壤pH，土壤容重和盐度在氮肥减量一定程度后下降，土壤结构优化。说明氮肥减量到一定程度、有机肥替代量过大，会使土壤蔗糖酶活性显著降低，这可能与马铃薯连作农田土壤有机碳含量下降、土壤微生物活动受到影响有关[18-19]，进而影响农田土壤中微生物种群对土壤酶活性的响应，促进马铃薯对土壤养分利用效率，马铃薯生长加快，叶绿素含量增加，促进了马铃薯干物质积累和产量形成。
4 结论
有机肥替代部分氮肥能够有效改善土壤理化性质，优化土壤营养结构，均衡氮素供应，提高利用效率，促进马铃薯生长与产量形成，加速干物质积累。与传统施肥相比，NR45/C15处理效果最好，可能因无机氮肥减少量与有机肥补偿氮量在全生育期达到适度均衡，马铃薯生育前期无机氮满足马铃薯植株对氮素的基本需求，随着作物吸收，当无机氮释放量减少时，有机肥释放的氮素有效补充了马铃薯后生育期的氮素需求，使马铃薯在整个生育期均衡获取营养，促进了氮素和干物质的积累与转运，最终提高马铃薯产量。NR60/C20处理无机氮肥减量过大，有机肥替代虽然对马铃薯生长发育具有促进作用，但前后期氮素供应量不能有效衔接，影响了马铃薯对氮素营养的正常需求，进而影响马铃薯产量形成与干物质积累。总之，有机肥替代部分氮肥方式通过2种不同形态氮素投入，产生的不同消解与吸收方式，优劣互补、缓急并重、供肥平衡，有效增加马铃薯产量和干物质积累。有机肥替代部分氮肥是一种节肥高效的施肥方式，值得在旱作区应用和推广。
参考文献
Yield levels of potato crops: recent achievements and future prospects
DOI:10.1016/j.fcr.2015.06.002 URL [本文引用: 1]
Topographic and soil influences on root productivity of three bioenergy cropping systems
DOI:10.1111/nph.12302
PMID:23692583
[本文引用: 1]
Successful modeling of the carbon (C) cycle requires empirical data regarding species-specific root responses to edaphic characteristics. We address this need by quantifying annual root production of three bioenergy systems (continuous corn, triticale/sorghum, switchgrass) in response to variation in soil properties across a toposequence within a Midwestern agroecosystem. Using ingrowth cores to measure annual root production, we tested for the effects of topography and 11 soil characteristics on root productivity. Root production significantly differed among cropping systems. Switchgrass root productivity was lowest on the floodplain position, but root productivity of annual crops was not influenced by topography or soil properties. Greater switchgrass root production was associated with high percent sand, which explained 45% of the variation. Percent sand was correlated negatively with soil C and nitrogen and positively with bulk density, indicating this variable is a proxy for multiple important soil properties. Our results suggest that easily measured soil parameters can be used to improve model predictions of root productivity in bioenergy switchgrass, but the edaphic factors we measured were not useful for predicting root productivity in annual crops. These results can improve C cycling modeling efforts by revealing the influence of cropping system and soil properties on root productivity. © 2013 The Authors. New Phytologist © 2013 New Phytologist Trust.
Soil chemical property changes in eggplant/garlic relay intercropping systems under continuous cropping
DOI:10.1371/journal.pone.0111040 URL [本文引用: 1]
Response of soil fungal community structure to longterm continuous soybean cropping
DOI:10.3389/fmicb.2018.03316 URL [本文引用: 1]
旱区马铃薯化肥减量/绿色替代模式研究
DOI:10.11924/j.issn.1000-6850.casb2021-0629
[本文引用: 1]
为了提高马铃薯施肥科学管理,构建旱区马铃薯绿色高效施肥模式,试验设置传统施肥(CK)、化肥减量/有机肥替代(FRS)、化肥减量/有机肥替代+微量元素+秸秆(GFA)模式,研究不同施肥模式对马铃薯生长、SPAD值、产量、经济效益、增效潜力和品质的影响。结果表明,FRS模式下,马铃薯株高、经济产量、经济效益较对照小幅提升,差异不显著,增效潜力均为负值。GFA模式下,马铃薯株高、SPAD值、产量、经济效益和品质显著增加,韩湾村、三合村和葫阳村3区域产量分别较CK增产10.80%、4.34%和11.73%,经济效益提高9.47%、0.01%和12.29%,干物质含量增加10.66%、11.67%和6.00%,粗淀粉含量增高13.57%、23.17%和13.18%,维生素C含量增加5.76%、6.25%和6.64%,增效潜力为0.94、0.01和0.97。说明GFA模式能有效促进旱区马铃薯增产提质,具有一定增效潜力,是一种绿色高效的施肥管理模式,在中国旱区具有推广应用价值。
有机肥施用量对马铃薯品质和土壤环境的影响
在河北坝上地区开展田间小区试验，设置N0（0 kg·hm-2），N1（35 640 kg·hm-2），N2（47 520 kg·hm-2），N3（59 400 kg·hm-2），N4（71 280 kg·hm-2），N5（95 040 kg·hm-2）6个有机肥投入水平和1个常规施肥处理（N6），以马铃薯病害发生情况、产量、品质指标和土壤硝态氮、速效磷残留作为综合评判指标，寻求有机肥最佳投入量。结果表明，N2，N3和N4处理的马铃薯病害发生率较低，N4处理的马铃薯产量最高，N3处理的马铃薯淀粉、粗蛋白和维生素C的含量最高。N0，N1，N2和N3处理的土壤硝酸盐含量在1403～1516 mg·kg-1之间，显著（P<005）低于N4，N5和N6处理。建议有机肥施用量为59 400 kg·hm-2，既可以在保持土壤肥力的基础上降低环境风险，又具有较高的经济效益。
Methodology of fertilizer recommendation based on yield response and agronomic efficiency for rice in China
