膜下滴灌不同施肥处理对马铃薯产量和品质及肥料利用率的影响

吴晓红,曾路生,李俊良,房增国,梁 斌,魏福龙

(青岛农业大学 资源与环境学院,山东省水肥一体化工程技术研究中心，山东 青岛 266109)



膜下滴灌不同施肥处理对马铃薯产量和品质及肥料利用率的影响

吴晓红,曾路生,李俊良,房增国,梁 斌,魏福龙

(青岛农业大学 资源与环境学院,山东省水肥一体化工程技术研究中心，山东 青岛 266109)

针对当前高产马铃薯普遍存在水肥资源的大量投入带来了水肥利用率低、养分损失量大等一系列问题,采用田间试验方法,以农民传统灌溉施肥处理CF(沟灌+复合肥1 500 kg/hm2)为对照,研究了膜下滴灌条件下不同施肥处理,即CK(不施肥)、D1(缓释肥1 245 kg/hm2)、D2(复合肥1 500 kg/hm2) 和D3(水溶肥675 kg/hm2)对马铃薯生长、品质和养分利用率的影响。结果表明,滴灌条件下施用不同肥料均可促进马铃薯株高、根长、根体积、叶面积指数、叶绿素和植株鲜质量的增加,降低了丙二醛含量和SOD活性。试验同时表明,与传统沟灌施肥比较,膜下滴灌的D1、D2和D3处理促进了马铃薯对土壤养分的吸收与积累,使产量分别增加了18.4%,13.3%,26.0%;淀粉含量分别增加了10.3%,5.5%,15.1%;粗蛋白含量增加了12.9%,8.6%,13.8%;而可溶性糖则分别降低了5.6%,2.4%,15.3%。尤其是采用水肥一体化的D3处理,氮、磷和钾肥的利用率分别提高了22.7%,20.5%,23.5%。从农学利用效率和肥料偏生产力来看,磷肥要高于氮肥和钾肥。因此,马铃薯生产中需重视水肥一体化技术的推广和肥料的科学施用。

滴灌;施肥处理;马铃薯;产量;品质;肥料利用率

马铃薯(SolanumtuberosumL.)属茄科茄属多年生草本植物。目前,马铃薯是继小麦、玉米、水稻之后的世界第四大粮食作物,因为它具有耐旱、高产稳产、适应性广、营养价值高和产业链长的特点,而受到全世界的高度重视[1]。我国是世界人口最多的国家,粮食需求量大。2015年,农业部副部长余欣荣在“马铃薯主粮化战略研讨会”上表示,要以科技创新引领马铃薯主粮化发展,推进马铃薯成为我国主粮产品,对保障国家粮食安全意义重大。

目前,我国过量施用化学肥料和农药,因此造成了环境污染和农产品质量安全等重大问题。巨晓棠等[2]研究认为,在氮肥施用中损失严重是我国作物生产中的主要问题,这既是经济损失,又是环境污染。为此,国家鼓励开展化肥农药减施增效技术研究,以提高各种资源利用率和保护生态环境。

滴灌施肥技术作为现代农业发展的综合管理措施,具有显著的节水、节肥、提高作物产量和改善产品品质等优点[3-4],已经越来越受到世界各国种植业者的重视。邓兰生等[5]研究表明,滴灌施肥较常规处理能显著增加马铃薯块茎产量,同时节约成本10%;周娜娜等[6]报道,在宁夏地区,小水量多次灌水条件下低氮水平(180 kg/hm2)可以使马铃薯产量及商品薯率表现最好;秦军红等[7]研究表明,膜下滴灌均能显著影响马铃薯的产量和品质以及水肥利用效率。Janat[8]研究认为,滴灌施肥可以显著提高氮肥利用率,增加马铃薯产量。井涛等[9]报道,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。

山东省马铃薯单产水平连续多年位居全国第一,传统种植以“肥大水勤”为重要特征[10]。因此,进一步提高水肥资源的利用效率显得尤为迫切。本试验旨在探讨在滴灌条件下,施用不同种类肥料对马铃薯的生长、品质及肥料利用率的影响,从而为指导马铃薯生产中的科学灌溉施肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验在山东省胶州市胶莱镇青岛农业大学高科技示范园进行。试验地土壤类型为砂姜黑土,质地为沙壤,土质疏松。胶莱镇是青岛市高效农业区,青岛市“无公害蔬菜示范基地”,该地气候宜人,冬无严寒,夏无酷暑,四季分明,年平均降水量755.6 mm。土壤肥沃,土层厚达8～10 m,水蕴藏量丰富,地表河流多,大沽河、胶莱河穿流而过,为发展蔬菜生产提供了有利条件。试验地0～20 cm耕层土壤有机质14.6 g/kg,碱解氮82.7 mg/kg,速效磷33.3 mg/kg,速效钾185.8 mg/kg,pH值6.8。

供试品种为荷兰15号,又叫荷兰薯,属于早熟、高产品种。

供试肥料为豆粕粉状有机肥、缓释肥(18-8-16)、复合肥(15-10-20)、水溶肥(19-19-19、16-6-32)。

滴灌施肥系统包括一次性滴灌带、施肥罐、PVC管件及相关配件。

1.2 试验设计

试验于2014年3-7月进行,大田试验采用随机区组设计,每小区面积为100 m2。膜下滴灌在一次性施入粉状有机肥1 200 kg/hm2做底肥,共设4个不同化肥处理,即:处理1(CK):滴灌+不施化肥;处理2(D1):滴灌+缓释肥(1 245 kg/hm2);处理3(D2):滴灌+复合肥(1 500 kg/hm2);处理4(D3):滴灌+水溶肥(水肥一体化,675 kg/hm2),同时以农民传统处理(CF):沟灌+复合肥(1 500 kg/hm2)做对照,每个处理3次重复,随机排列。

传统处理马铃薯整个生育期总灌水量为1 425 m3/hm2,滴灌处理总灌水量为855 m3/hm2,水溶肥随水施入,共灌水施肥5次,前期施用19-19-19的水溶性肥,后期施用16-6-32的水溶性肥;缓释肥、复合肥均采用一次性基肥施入。

马铃薯定植于2014年3月9日,种植方式为覆膜双行垄栽,行距60 cm,株距30 cm,种植密度为61 800 株/hm2,采用专用播种机将播种、施肥、喷药、铺设滴灌带、覆膜同时进行,播种深度8～10 cm。在马铃薯生长期间进行正常的培土、除草、浇水、施肥等管理,6月30日收获计产。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 测定方法 土壤分析：用“五点法”采集播种前和收获后各处理0～20 cm土样,风干过筛,采用常规分析法测定土壤pH值、有机质、土壤碱解氮、速效磷和速效钾等含量。

生长指标：马铃薯的株高和根长直接量出;用排水法测定根体积;用天平称鲜质量;叶面积采用打孔重量法测定。

生理指标：采用SPAD-520型叶绿素仪测定叶绿素SPAD值;采用巴比妥酸显色法测定丙二醛含量;采用氮蓝四哇(NBT)光化学还原法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性。

品质分析：收获后块茎杀青烘干至恒重后打粉,淀粉含量采用碘比色法测定;可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定;粗蛋白质含量采用凯氏定氮法测定。

产量测定：在马铃薯成熟期,称重法测定每个处理小区的产量。

养分积累：在马铃薯收获时期,取各器官烘干粉碎,用硫酸-双氧水进行消煮,全氮含量采用凯氏定氮法测定;全磷含量采用钒钼黄比色法测定;全钾含量采用火焰光度计法测定。

1.3.2 相关参数计算 肥料利用率=(收获期施肥区植株吸收的养分-收获期未施肥区植物吸收的养分)/施肥量×100%;

肥料表观利用率=(收获期施肥区地上部养分总吸收量-收获期不施肥区地上部养分总吸收量)/施肥量×100%;

肥料农学利用效率(kg/kg)=(施肥区作物产量-不施肥区作物产量)/施肥量;

肥料偏生产力(kg/kg)=施肥区马铃薯产量/施肥量。

1.4 数据处理

试验数据釆用Excel 2010、SPSS 19.0等软件进行整理与统计分析。

2 结果与分析

2.1 滴灌不同施肥处理对马铃薯生长的影响

在块茎膨大期(75 d)时,马铃薯正处于生长旺盛期,滴灌不同施肥处理对马铃薯生长的影响见表1。分析可知,各个施肥处理的各项生长指标均高于不施肥的CK处理,说明肥料是促进马铃薯生长的重要物质保证,在生产中必须重视肥料的合理施用。

表1 不同施肥处理对滴灌马铃薯生长的影响

注:不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。表2-3、图2同。

Note:The same column indicates that the difference is significant at the 0.05 level.The same as Tab.2-3,Fig.2.

与传统的沟灌施肥处理CF相比,膜下滴灌不同施肥的D1、D2和D3处理各个生长指标均高于CF,说明膜下滴灌比传统沟灌更能促进马铃薯的生长。其中，D1、D2、D3处理的株高、根长、根体积和鲜质量分别比CF增加8.8%,4.9%,14.2%;1.3%,3.3%,7.8%;1.8%,8.0%,13.5%;17.9%,10.4%,25.4%。因此,膜下滴灌对马铃薯生物量的促进作用更明显。特别是膜下滴灌的水肥一体化D3处理,促进马铃薯生长的各项指标增加幅度最大,与传统处理的CF比较,达到显著差异。

叶片不仅是进行光合作用的主要场所,更是判断植株生长旺盛与否的重要标志。叶面积指数是单位土地面积上植株的总叶面积,叶面积指数越大,叶片交错重叠程度越大,更有利于植株养分积累与生物量的形成。从图1分析可知,随着马铃薯生长发育叶面积指数逐渐增加,在块茎膨大时期达到最大值。然后随着马铃薯生长,叶面积指数不断减小。进入成熟期,块茎产量不断增加,但叶片开始枯黄,叶面积指数进一步下降至低值。

不同施肥处理的叶面积指数均高于不施肥的空白对照,与传统沟灌施肥比较,膜下滴灌施肥处理具有更高的叶面积指数,大小顺序为D3>D2>D1>CF>CK,说明滴灌更有利于马铃薯的生长。特别是水肥一体化的D3处理,叶面积指数最大。

图1 不同施肥处理对滴灌马铃薯生育期叶面积指数的影响

2.2 滴灌不同施肥处理对马铃薯生理性状的影响

不同的灌溉与施肥处理影响到马铃薯生理生化指标的变化见表2。在块茎膨大期,不施肥的CK具有较低的叶绿素SPAD值和较高的丙二醛(MDA)含量及超氧化物歧化酶(SOD)活性。与传统沟灌施肥比较,膜下滴灌施肥处理总体具有较高的SPAD值和较低的MDA含量及SOD活性。说明滴灌更有利于提高马铃薯叶绿素含量,降低膜脂过氧化作用,缓解马铃薯植株受到逆境伤害。特别是水肥一体化的D3处理,具有更好的生产效果。与传统CF比较,叶绿素SPAD值增加了3.0%,MDA含量及SOD活性分别减少了12.7%和13.1%。

表2 不同施肥处理对滴灌马铃薯生理性状的影响

2.3 滴灌不同施肥处理对马铃薯养分积累的影响

氮、磷、钾是植物生长必需的大量营养元素,植株氮磷钾积累量将影响作物产量的高低。图2表明,在马铃薯成熟时期,各施肥处理的植株氮磷钾积累量均高于CK,说明肥料是促进作物生长的物质基础。与传统沟灌施肥比较,滴灌不同施肥处理均具有较高的氮磷钾积累量。其中,D1处理氮积累量更高,D3与D1处理磷的积累量较高,而D2处理钾积累量最高。整体来看,各处理氮磷钾积累量均呈现为K>N>P,说明马铃薯为喜钾作物,应重视钾肥的施用。

图2 不同施肥处理对滴灌马铃薯氮磷钾积累量的影响

2.4 滴灌不同施肥处理对马铃薯产量和品质的影响

滴灌不同施肥处理影响到马铃薯的产量和品质。由表3分析可知,各施肥处理的产量均高于不施肥的对照处理,说明肥料是马铃薯增产不可缺少的必要条件;同时增加了马铃薯淀粉和粗蛋白含量,降低了可溶性糖含量。与传统沟灌施肥CF比较,滴灌不同施肥处理的D1、D2 和D3产量分别增加了18.4%,13.3%,26.0%;淀粉含量分别增加了10.3%,5.5%,15.1%;粗蛋白含量分别增加了12.9%,8.6%,13.8%;而可溶性糖则分别降低了5.6%,2.4%,15.3%。因此,根据马铃薯生育期需求而滴施水溶肥的D3处理能达到最好的生产效果。

表3 滴灌不同施肥处理对马铃薯产量和品质的影响

2.5 滴灌不同施肥处理对马铃薯肥料利用率的影响

肥料利用效率主要受肥料种类、施肥量、施肥方法、施肥时期、作物养分需求、土壤和肥料的养分供给等因素的影响。肥料表观利用率能很好地反映作物对肥料养分的吸收状况,是目前国内外比较通用的肥料利用率指标。肥料偏生产力比较适合我国目前土壤和环境养分供应量大、化肥增产效益下降的现实,是评价肥料效应的适宜指标。肥料农学利用率指单位施肥量所增加的作物产量,是评价肥料增产效应较为准确的指标。

由表4分析可知,不同的施肥处理,马铃薯的肥料利用效率表现不一样。与传统沟灌施肥比较,膜下滴灌施肥处理的D1、D2和D3氮肥利用率分别增加了10.3%,7.1%,22.7%;磷肥利用率分别增加了9.9%,5.1%,20.5%;钾肥利用率分别增加了15.8%,4.7%,23.5%。可见,滴灌水溶肥的D3处理氮、磷、钾的利用率均最高。

从肥料利用率和表观利用率来看,钾肥的肥料利用率最高,氮肥次之,磷肥最低。从农学利用效率和肥料偏生产力来看,磷肥要高于氮肥和钾肥。

表4 滴灌不同施肥处理对马铃薯肥料利用率的影响

3 讨论与结论

灌溉方式直接影响到马铃薯的生长与肥料利用率的变化。试验结果表明,在施肥量和施肥种类相同,均用复合肥1 500 kg/hm2的条件下,采用滴灌方式的D2处理比传统的沟灌方式CF更能促进马铃薯的生长和肥料利用率的提高。其中，马铃薯的株高、根长、根体积和鲜质量分别增加了4.9%，3.3%，8.0%，10.4%，而MDA含量和SOD活性均低于CF处理。同时，产量、淀粉含量和粗蛋白含量分别提高了13.3%，5.5%，8.6%，可溶性糖降低了2.4%，氮、磷、钾的肥料利用率分别提高了7.1%，5.1%，4.7%。因不同灌溉方式均影响到土体内水肥气热的变化,传统覆膜采用沟灌情况下,水分从沟中侧渗进入土壤,使土体变得紧实,水分过多,土温较低,不利于土壤微生物活动和土壤养分的转化,从而影响马铃薯根系的生长和对养分的吸收。同时,沟灌时水量较大,为1 425 m3/hm2,易造成土壤养分的向下淋洗而损失,进一步影响马铃薯的生长。而采用滴灌时,水分由上向下滴入,对土壤结构的破坏较小,土壤能保持较好的通气透水性,土温升得快,有利于土壤养分转化和马铃薯的生长[11]。同时,灌水量较少,为855 m3/hm2,对土壤养分的淋洗损失较少。李炫臻等[12]研究表明,马铃薯膜下滴灌调亏可影响各器官干物质质量,有利于水分利用效率的提高。滴灌处理可提高马铃薯产量和偏生产力[13]。

施肥处理也影响到马铃薯的生长和肥料效率。本试验中,滴灌处理总灌水量均为855 m3/hm2条件下,采用水溶肥的D3处理与施用缓释肥的D1和复合肥的D2处理相比，马铃薯产量、氮、磷、钾的肥料利用率均明显高于D1和D2处理。说明肥料利用率的提高是增加马铃薯产量的重要前提。从生产效果来看,水溶肥效果最好,其次是缓释肥,再次为普通复合肥。因缓释肥和复合肥均为固体肥料,养分不能完全释放出来,有部分会被土壤固持,作物难以利用[14]。而水溶肥为速效养分,并根据马铃薯不同的生长时期采用不同的比例组合,适合马铃薯需求,养分有效性高,从而提高了产量和养分效率。由于滴灌施肥提高了马铃薯对养分的吸收利用,可减少肥料对环境的污染,对保护农田生态环境具有重要意义。

灌溉施肥处理同样影响到马铃薯的品质。本试验中,滴灌比传统沟灌具有较高的淀粉和粗蛋白含量和较低的还原性糖含量。在滴灌不同施肥处理中,水溶肥滴灌的马铃薯具有较高的品质。而韩文锋等[15]报道,滴灌量为300 m3/hm2处理可显著地提高马铃薯产量、大中薯率及经济效益,但块茎还原糖、Vc 和淀粉含量均没有明显变化。董亮等[16]报道,与习惯施肥相比,适量减量施用包膜尿素能较好地保证马铃薯产量、叶片叶绿素含量及提高马铃薯品质。可见,合理的灌溉施肥对提高马铃薯块茎的品质具有重大意义。

肥料性质影响到马铃薯的肥料利用效率和偏生产力,整体来看,钾肥的肥料利用效率更高,磷肥的偏生产力更高。因此,马铃薯生产过程中需要进一步提高氮肥和磷肥的利用效率,并重视磷肥的合理施用,能带来较大的增产潜力。

周瑞荣等[17]研究发现,施用缓释肥的处理能够显著提高马铃薯的产量,改善马铃薯的品质和提高肥料利用效率。胡莹莹等[18]研究表明,与普通速效复合肥相比,控释复肥可以有效地提高土壤中有效磷的含量,对马铃薯块茎的磷累积吸收量有显著的促进作用。焦瑞枣等[19]报道,炭基肥可减少马铃薯田间土壤容重,增加孔隙度和促进土壤养分转化。邢海峰等[20]研究表明,磷肥分次滴灌施用可提高马铃薯群体磷素吸收及磷利用率。控释肥可提高土壤酶活性促进马铃薯生长[21]。在水分相同情况下,马铃薯块茎质量、块茎淀粉含量、块茎维生素C含量和水分利用效率都随施氮量的增加而呈抛物线趋势变化[22]。

秦永林等[23]总结了国内近几年关于马铃薯当季氮肥利用率的研究,结果表明，马铃薯的氮肥利用率平均值为32.2%,但与发达国家50%～60%的氮肥利用率相比,相差甚远。本试验中,滴灌+缓释肥及滴灌+复合肥处理的氮肥利用率分别为42.2%和39.0%,高于全国平均水平但低于国外发达国家水平。而滴灌+水溶肥的水肥一体化技术使氮肥利用率增加到54.6%,达到国外发达国家水平。可见,水肥一体化技术可以有效地提高马铃薯产量、品质及肥料利用率,响应国家政策对农业的高产高效、肥料零增长具有一定的积极作用,对马铃薯主粮化具有推动作用。

与传统沟灌施肥比较,滴灌不同施肥处理均可提高肥料利用率,增加马铃薯产量和提高马铃薯品质。尤其是滴灌+水溶肥(D3)处理,即水肥一体化技术能使氮、磷和钾肥利用率分别达到54.6%,30.7%,63.9%,产量达到39.7 t/hm2,明显高于传统和其他施肥处理。同时,增加了淀粉和粗蛋白含量,明显降低MDA含量、SOD活性和还原性糖含量。可见,水肥一体化技术能促进马铃薯生产高产、高效、优质,宜在生产实践中推广应用。

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Effects of Different Fertilizer Treatments on Yield,Quality and Fertilizer Utilization Ratio of Potato under Mulching Drip Irrigation Conditions

WU Xiaohong,ZENG Lusheng,LI Junliang,FANG Zengguo,LIANG Bin,WEI Fulong

(College of Resources and Environment,Qingdao Agricultural University,Shandong Provincial Engineering Technology Research Center for Fertigation,Qingdao 266109,China)

In view of a series of problems of a large number of inputs bringing the low utilization rate of water and fertilizer and nutrient loss in current production of high yield of potato,the effect of different fertilizer treatments on the yield,quality and the fertilizer utilization ratio of potato under mulching drip irrigation were studied in this paper under open field conditions.The different fertilizer treatments were composed of CK(No fertilizer),D1(1 245 kg/ha of slow-released of fertilizer),D2(1 500 kg/ha of compound fertilizer) and D3(675 kg/ha of water soluble fertilizer),and with farmers′ conventional irrigation fertilization treatment CF(1 500 kg/ha of compound fertilizer with furrow irrigation) for comparison.The results indicated that different fertilization treatments under drip irrigation conditions increased the plant height,root length,root volume,leaf area index,chlorophyll content and plant fresh weight of potato and reduced the MDA content and SOD activity of potato.The test results also indicated that compared with conventional furrow irrigation fertilization,the treatments of D1,D2 and D3 with drip irrigation under mulch film promoted the potato on the absorption and accumulation of soil nutrients,increased the potato production by 18.4%,13.3% and 26.0% respectively.Starch content increased by 10.3%,5.5%,15.1% respectively,and the crude protein content increased by 12.9%,8.6% and 13.8% respectively.While the soluble sugar content reduced by 5.6%,2.4% and 15.3%respectively.Especially the D3 treatment with drip fertigation increased the fertilizer utilization ratio of nitrogen,phosphorus and potassium by 22.7%,20.5% and 23.5% respectively.From the point of view of the efficiency of agricultural use and the partial productivity of fertilizer,phosphate fertilizer was higher than that of nitrogen fertilizer and potassium fertilizer.Therefore,we should pay attention to the promotion of fertigation technology and the scientific application of fertilizer in potato production.

Drip irrigation;Fertilization treatment;Potato;Yield;Quality;Fertilizer use efficiency

2016-05-23

山东省现代农业产业技术体系薯类产业创新团队栽培与土肥岗位项目(SDAIT-15-08)

吴晓红(1989-),女,甘肃山丹人,在读硕士,主要从事马铃薯水肥一体化技术研究。

李俊良(1962-),男,山东青岛人,教授,博士,博士生导师,主要从事经济作物水肥一体化技术研究。

S152;S532

A

1000-7091(2016)05-0193-06

10.7668/hbnxb.2016.05.029