水肥供应对马铃薯根层养分及产量的影响

郭 涛，刘婉如，方玉川，李梅甜，谢 奎，王 飞，李 霞，杜娟，姜文婷，邢英英，王秀康

(1.延安大学生命科学学院，陕西 延安 716000；2.榆林市农业科学研究院，陕西 榆林 719000；3.延安市农业科学研究院，陕西 延安 716000)

马铃薯(SolanumtuberosumL.)属于茄科茄属多年生草本块茎作物，是世界上继玉米、水稻、小麦之后的第四大粮食作物，栽培历史己超过7 000 a[1-3]。马铃薯有多种用途，深受人们喜爱。目前，我国马铃薯种植面积已达508万hm2，是世界第一大马铃薯生产国。陕西省常年种植面积为26.7万hm2，是我国马铃薯主要生产省份之一。马铃薯种植业是西北地区最具发展潜力产业之一，已成为陕西省第三大种植作物，仅次于小麦和玉米。随着我国马铃薯加工业的逐步兴起，马铃薯需求量迅猛增长，种植面积快速扩大。陕北地区具有土壤通气性良好，日照时间长，昼夜温差大等自然资源优势，适宜出产优质马铃薯，是全国五大马铃薯优势种植区之一。

滴灌膜下栽培技术是一项新型农业技术，其把地膜覆盖保墒技术与滴灌节水技术等结合，具有增温、保墒、节水、增产和优质等优点[4]。研究报道，膜下滴灌技术在甜椒、棉花、玉米和菘蓝等[5-8]作物上已有大量应用。合理的水肥供应对旱地作物生长具有显著的促进作用[9],在西北旱区，水分始终是作物生产的主要限制因子。在延安地区，虽然氮肥投入量大，但氮肥利用率却很低，产量未同步增加，不仅增加了成本，还给土壤环境带来潜在的威胁。

Saravia等[10]研究表明，马铃薯在生长过程中受到干旱胁迫后，其光合速率会显著降低，营养代谢和能量代谢失调，最终导致马铃薯的产量显著降低。Wang等[11]研究得出，在相同灌水量下高频滴灌能使土壤水分保持在一个比较稳定的范围，有利于马铃薯的生长和产量的提高。康跃虎等[12]研究得出滴灌灌溉频率和土壤水势对马铃薯生长有显著影响，过高的灌水频率会使土壤表面长期保持水分较高状态，加大土面蒸发，不利于马铃薯生长。张小静等[13]研究了施肥比例对西北干旱区马铃薯生长和产量的影响，得出按照氮磷钾施肥比例为12∶10∶8进行配施，适度减少施肥量对马铃薯前期生长无显著影响，在施肥总量确定下，该施肥比例马铃薯商品薯和产量最高。李燕山等[14]研究表明，马铃薯生育期在氮肥用量增加的条件下逐渐延长，叶面积指数、单株结薯数、单株薯重和块茎产量随氮肥用量的增加呈先增加后降低的趋势，施氮量为345 kg·hm-2时最高。Milroy等[15]研究得出在充足的灌水条件下，马铃薯的产量随着施氮量的增加而增加，但在水分亏缺的条件下，施氮量的增加则对产量产生负影响。综上表明，土壤水分是马铃薯产量的重要影响因子，施肥是保持土壤肥力和增加马铃薯产量的重要环节，有效管理灌水和施肥是马铃薯增产和提高马铃薯经济效益的重要手段。国内外研究重点已从灌溉施肥技术参数对作物生长和产量的影响，逐步向灌溉施肥制度的建立，以及对作物增产和品质的扩展研究，随着人们生活水平的提高，将会更加注重马铃薯品质的研究。因此，在干旱半干旱地区，在合理的水肥结合下达到最佳的交互耦合作用，是马铃薯提高品质、增产的重要途径，还可实现水肥资源的高效利用。

本研究以陕北延安地区日光温室马铃薯为研究对象，采用起垄覆普通塑料地膜与膜下滴灌，将灌水量和施肥量二因素组合，探求其对陕北地区马铃薯地上部分生长、产量以及品质的影响规律。旨在提出陕北地区马铃薯提质增效的施肥量与灌水量组合，为该地区优质高效种植模式提供技术指导和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年在陕西省延安市延安大学生命科学学院试验基地进行，试验站(36°38′E，109°26′N)海拔为953 m，试验地所在区域属典型的大陆性干旱季风气候，夏秋多雨，冬季严寒干燥，年均气温9.1℃，多年平均降雨量473 mm，降雨集中在6—9月，年均蒸发量为1 400～1 800 mm。供试土壤为粉质壤土，pH值为8.33，萎蔫含水率为8.5%，耕作层土壤平均容重1.26 g·cm-3。试验区0～60 cm土层土壤含水量为11.5%，硝态氮含量为12.9 mg·kg-1±1.6 mg·kg-1，速效磷含量为38.2 mg·kg-1±5.2 mg·kg-1，铵态氮含量为6.9 mg·kg-1±0.7 mg·kg-1，pH值为8.3。

1.2 试验设计及方法

供试马铃薯为陕北地区大面积种植的荷兰15号，试验所用肥料氮肥为尿素(N量≥46%),磷肥为过磷酸钙(P2O5量≥12%),钾肥为硫酸钾(K2O 量≥52%)。试验以100%ET0(W1)和当地推荐施肥量(F1，N-P2O5-K2O为240-120-300 kg·hm-2)为依据，设置灌水量及施肥量2因素3水平试验，灌水量处理分别为W1，W2(80%ET0)和W3(60%ET0)，施肥量分别为F1，F2(75%F1)和F3(50%F1)，以60%ET0灌水水平和不施肥处理为对照组(CK)，共10个处理，分别为：W3F1、W2F3、W1F2、W3F3、W2F2、W1F1、W3F2、W2F1、W1F3和CK。试验田的长度和宽度分别为20 m和8 m。试验处理采用随机区组排列，小区长3.5 m、宽3.3 m、面积11.55 m2，小区间采用60 cm隔水板做防渗隔离。试验开展前，对整个试验田进行40 cm翻耕(两次)，平整后起高35 cm、宽70 cm垄，垄间距30 cm。试验小区采用起垄覆膜种植模式。各小区定植30株，株距30 cm，滴灌管沿垄中线置于膜下，滴头间距30 cm，地膜厚度为0.006 mm，宽度为100 cm。试验于2019年3月25日播种，7月15日收获。

播种前灌水40 mm，处理开始后平均每7 d灌1次水。参考作物需水量的确定采用孙景生等[16]适用于风沙区参考作物需水量(ET0)的Penman-Monteith公式。

其中，Δ为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率(kPa·℃-1)，Rn是地表净辐射(MJ·m-2·d-1)，G是土壤热通量(MJ·m-2·d-1)，γ是温度计常数(kPa·℃-1),es是空气饱和水汽压(kPa),ea是空气实际水汽压(kPa)，T为空气平均温度(℃),u2为地面以上2 m高处的风速(m·s-1)。

肥料分6次施入，幼苗期1次、块茎形成期2次、块茎增长期2次和淀粉积累期1次，施肥比例为1∶1∶2∶2∶2∶2；每个灌水处理小区都单独安装水表，通过水表和加压泵精确控制灌水量和施肥量。仅灌水不施肥时，用水表精确控制每个灌水处理的水量。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 样品采集 植物样品采集：植株样品采集分4个时期进行，分别为苗期(4月22日)、块茎形成期(5月12日)、块茎增长期(5月27日)和淀粉积累期(6月12日)。每个处理随机选取3株，取样后立即带回实验室，将根、茎、叶、块茎分开(苗期无块茎)。

土壤样品采集：为研究滴灌施肥供水供肥方式下土壤中水分养分的空间分布情况，分6次取土，分别于种植时、第2次、第3次、第4次、第5次滴灌施肥前和马铃薯收获后进行，每个处理的取样从滴头正下方为0点，沿水平方向分0、15、30 cm取3个测点，沿垂直滴灌带方向分10、20、30、40、50、60 cm取6个土层深度，共18个测点。

马铃薯样品采集：马铃薯收获后，每个处理随机选取3株块茎，用直径为6 mm的打孔器取马铃薯块茎芽眼周围部位的组织并称鲜重，然后装入塑封袋中，用液氮速冻1 min后置于-70℃冰箱中低温保存。

1.3.2 测定指标与测定方法

土壤水分：土壤含水量测定深度为0～60 cm，10 cm为1层；每个处理随机选取3个测点，共计18个测点，用土钻取土，105℃烘干至恒重后称重。

阶段耗水量(ETi)计算公式[17]：

ETi=SWSi-SWSi+1+P

式中,SWSi为某个生育时期初始时的土壤贮水量(mm)；SWSi+1为该生育时期结束时的土壤贮水量(mm)；P为生育期降雨量(mm)。

水分利用效率(WUE)计算公式[17]：

WUE=Yd/ET

ET=SWSBF-SWSHA+P

式中，Yd为马铃薯单位面积产量(kg·hm-2)；SWSBF为播种前土壤贮水量(mm)；SWSHA为收获后土壤贮水量(mm)；P为马铃薯全生育期降雨量(mm)。

土壤理化性质：土样经实验室内风干磨细后，过20目筛。土壤硝态氮采用水土比2 mol·L-1KCl浸提后用紫外分光光度计法测定[18]；土壤pH值用雷磁pHB-4便携式pH计测量，土水比为1∶2.5；电导率用雷磁便携式电导率仪测定；碱解氮用碱解扩散法测定。

产量测定：在马铃薯成熟期，各小区随机选择10株，测定各小区马铃薯块茎产量，大薯、中薯、小薯个数及质量，单株结薯数，单株结薯重。

1.4 数据处理与分析

用SPSS 20.0统计软件进行单因素方差分析，如果差异显著(p<0.05)，则采用Duncan’s法进行比较，用Sigmaplot.14进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 不同水肥供应对马铃薯产量的影响

不同水肥供应对马铃薯产量的影响如图1所示。W2F2产量最高，比CK高55.7%，W1F1比CK高36.2%。W3F1、W2F3、W1F2、W3F3比CK的产量低32.4%、28.5%、25.3%和17.4%。W2F2与CK、W3F1、W2F3、W1F2、W3F3间存在显著差异，与其余处理差异不显著。在F1处理下，产量随灌水量增大而增加；在F2下，产量随灌水量增大呈先增加后降低；在F3下，产量随灌水量增大呈先降低后增加。在W3和W2下，产量随着施肥量的增加呈先增后降，在W1下，产量随施肥量增加呈先降低后增加。

注 Note: W3F1-60%ET0,N-P2O5-K2O:240-120-300 kg·hm-2;W2F3-80%ET0,50%F1;W1F2-100%ET0, 75%F1;W3F3-60%ET0,50%F1;W2F2-80%ET0,75%F1;W1F1-100%ET0,N-P2O5-K2O:240-120-300 kg·hm-2;W3F2-60%ET0, 75%F1;W2F1-80%ET0, N-P2O5-K2O:240-120-300 kg·hm-2;W1F3-100%ET0, 50%F1; CK-60%ET0.柱形图上不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05), 下同。Different lowercase letters on the column chart showed significant differences among treatments, the same below.图1 不同水肥供应下马铃薯块茎产量Fig.1 Potato tuber yield under different water and fertilizer supply

2.2 不同水肥供应对马铃薯根层土壤含水量的影响

不同水肥供应对马铃薯根层土壤水分含量及分布影响如图2所示。灌水量增大，水分积累层就会向下迁移；当灌水量恰好等于马铃薯所需水分时，土壤水分积累层则位于土壤上层(10～30 cm)。在种植前(图2a)，W2F2在60 cm土层土壤含水量最高，为20.37%；在萌芽期(图2b)，W2F3在10 cm土层土壤含水量最大，为24.68%；在幼苗期(图2c),不同处理之间含水量分布较为一致，10～50 cm土层的含水量主要在8%～15%。在块茎形成期(图2d)，W2F2在60 cm土层含水量最大，为20.44%；在10～30 cm土层，CK处理土壤含水量最高。在块茎增长期(图2e)，W1F2在20 cm土层含水量最大，为16.84%; W1F2的平均含水量比CK高38.2%；在淀粉积累期(图2f)，所有处理在上层(10～30 cm)土壤含水量均低于CK，W2F2在60 cm土层含水量最大，为20.39%。

2.3 不同水肥供应对马铃薯耗水量和水分利用效率的影响

不同水肥供应处理马铃薯各生长阶段耗水量如图3(a)所示。在整个生育期，W1F2处理耗水量最高，为366.33 mm,比CK高45.54%；W1F1处理次之，为358.90 mm,比CK高42.58%。耗水量最高的时期为幼苗期，其次是淀粉积累期。幼苗期W1F3耗水量最高，比CK高69.9%；块茎形成期W2F3耗水量最高，比CK高155.4%；块茎增长期W1F3耗水量最高，比CK高100.4%；淀粉积累期W1F2耗水量最高，比CK高29.8%。在整个生育期，马铃薯耗水量随灌水量的增加而增加。在相同施肥量的条件下，马铃薯耗水量随灌水量的增加而增加；在W3下，耗水量随施肥量增大而增加；在W2水平下，耗水量随施肥量增加先降低后增大；在W1水平下，耗水量随施肥量增加先增大后降低。

不同水肥供应对马铃薯水分利用效率的影响如图3(b)所示。W3F2的水分利用效率最高，比CK高39.6%；其次是W2F2，比CK高38.7%。W1F2的水分利用效率最低。在F1水平下，水分利用效率随灌水量增加而增大；在F2水平下，水分利用率随灌水量增大而降低；在F3水平下，水分利用率随灌水量增大先降低后增大。在W3、W2和W1水平下，水分利用效率比CK分别高2.1%和降低2.8%、23.9%。在F3、F1和F2水平下，水分利用效率比CK分别降低20%、14.4%和提高9.9%。

2.4 不同水肥供应对马铃薯根层土壤pH值和电导率的影响

不同处理下各土层pH值如表1所示。土壤pH值随土层深度的增加而增大，各处理平均pH值都低于CK。土壤上层(10～30 cm)pH值均小于土壤下层(30～60 cm)。在相同施肥量条件下，土壤pH值随灌水量增大而降低。F3、F2和F1水平下10～60 cm土层pH值比CK分别降低6.1%和4.5%和5.5%；W3、W2和W1水平下10～60 cm土层pH值比CK分别降低4.03%、5.15%和6.86%。

不同水肥供应对土壤电导率的影响如表2所示。所有处理土壤上层(0～30 cm)电导率值大于下层(30～60 cm)。其中W3F3的电导率最高，为501.9 μs·cm-1，比CK高48.4%，W3F1的电导率(407.9 μs·cm-1)比CK提高20.6%。在F1和F3水平下，电导率随灌水量增大而降低，在F2下，电导率随灌水量增加而增大。F3、F2和F1处理平均土壤电导率比CK分别高19.4%，低16.6%、2.6%。在W3和W2下，电导率随施肥量增加而降低，在W1下，电导率随施肥量增加先增大后降低。CK在水平方向距根部15 cm、纵深10 cm处出现最高值,为893 μS·cm-1，整个剖面电导率值变化范围为129.6～893 μS·cm-1。W3F3在水平方向距根部10 cm、纵深30 cm处出现最高值，比CK增高48.44%。W2F1在水平方向距根部30 cm、纵深60 cm处出现最低值,为92 μS·cm-1。

注：(a)种植前；(b)萌芽期；(c)幼苗期；(d)块茎形成期；(e)块茎增长期；(f)淀粉积累期。Note：(a) before planting;(b) germination stage;(c) seedling stage;(d) tuber formation stage;(e) tuber growth period;(f) starch accumulation stage.图2 不同水肥供应对马铃薯根层土壤含水量的影响Fig.2 Effect of different water and fertilizer supply on soil moisture content of potato root layer

图3 不同水肥供应对马铃薯耗水量和水分利用效率的影响Fig.3 Effect of different water and fertilizer supply on water consumption and water use efficiency of potato

表1 不同水肥供应对马铃薯根层土壤pH值的影响

表2 不同水肥供应对马铃薯根层土壤电导率的影响/(μS·cm-1)

2.5 不同水肥供应对马铃薯根层土壤硝态氮、铵态氮和碱解氮的影响

不同水肥供应对马铃薯根层硝态氮含量的影响如表3所示。上层(10～30 cm)土壤硝态氮含量高于下层(30～60 cm)。W3F1在10～60 cm土层硝态氮含量平均值最高，比CK高166.1%。在F3和F1水平下，硝态氮含量随灌水量增加先降低后增大，在F3、F2和F1下硝态氮含量均值比CK分别高144%、92%和106.1%。在W2和W1水平下，硝态氮含量随着施肥量增加而降低。在W3、W2和W1下硝态氮含量均值比CK分别高112%、104.9%和125.1%。W2F2处理在水平距根部0 cm、深10 cm处出现最高值，为85.3 mg·kg-1,其10～60 cm土层的硝态氮含量平均值比CK高107.02%；CK处理在根部正中纵深60 cm处出现最低值，为1.7 mg·kg-1。

不同水肥供应对马铃薯根层铵态氮含量的影响如表4所示。铵态氮含量分布总体随土层深度增加呈先增后降趋势。W2F2在10～60 cm土层的铵态氮含量均值最高，比CK高61%。在F3处理下，铵态氮含量随灌水量的增加呈现先降后增趋势；在F2下，铵态氮含量随灌水量增加呈先增后降趋势；在F1下，铵态氮含量随灌水量增加而增大。在F3、F2和F1下铵态氮含量均值比CK分别高30%、29.4%和30.1%。在W3和W1下，铵态氮含量随施肥量的增加呈现先减后增趋势，在W2下，铵态氮含量随施肥量的增加呈现先增后降趋势。在W3、W2和W1下的铵态氮含量均值比CK分别高19.7%、36.8%和33%。W1F3处理在水平距根部0 cm、纵深20 cm处出现最高值，为13.50 mg·kg-1；平均铵态氮含量比CK高42.7%；W2F3处理在水平距根部10 cm、纵深40 cm处出现最低值，为3.91 mg·kg-1。

表3 不同水肥供应对马铃薯根层土壤硝态氮含量的影响/(mg·kg-1)

表4 不同水肥供应对马铃薯根层土壤铵态氮的影响/(mg·kg-1)

不同水肥供应对马铃薯根层碱解氮含量影响如表5所示，土壤碱解氮主要积累于土壤表层(10～30 cm)。W3F3处理在10～60 cm土层土壤碱解氮含量最高，平均值比CK高11.3%。在F3和F1下，碱解氮含量随灌水量增加呈先降后增趋势；在F2下，碱解氮含量随灌水量的增加而增加。在F3、F2和F1下碱解氮含量均值比CK分别高3.3%和降低21%和26.7%。在W2和W1下，碱解氮含量随施肥量的增加呈降低趋势。在W3、W2和W1下碱解氮含量均值比CK分别低6.4%、21.8%和16.2%。W1F3处理在水平距根部0 cm、纵深30 cm处值最高(59.9 mg·kg-1),其10～60 cm土层碱解氮含量平均值比CK增高1.54%;W2F1在水平、纵深距根部距离15、40 cm，30、50 cm，30、60 cm，0、60 cm 4个点出现最低值，为0.4 mg·kg-1，其10～60 cm土层碱解氮含量平均值较CK降低47.05%。

表5 不同水肥供应对马铃薯根层土壤碱解氮的影响/(mg·kg-1)

3 讨 论

3.1 不同水肥供应对马铃薯根层土壤含水率分布、耗水量和水分利用效率的影响

灌水量、施肥量以及灌水方式是影响水分养分利用效率主要因素，滴灌施肥方式可以根据土壤状况及作物不同生长阶段特性，有效地控制水分、养分供给的比例，既能保证作物对水分需求，又可以减少肥料淋失，充分发挥水肥耦合效应，提高水肥利用率。关于滴灌施肥对马铃薯耗水特征的影响，国内外学者进行了相关研究。本试验在膜下滴灌条件下，研究了不同灌溉施肥对马铃薯根层土壤水分含量和分布及水分效率的影响。结果表明，提高土壤湿润比或增加施肥量都可以增加马铃薯的单株块茎质量，从而增加马铃薯产量，这与前人的研究结果相似[20-22]。但在相同灌水条件下，随着施肥量增大，产量和水分利用效率由增高变为降低。何华等[23]研究表明，水肥配合下的水分利用效率，中水中肥与低水低肥有较好的效应值，高水低肥或高肥低水配合会大幅度降低WUE。本试验中W2F2处理水分利用效率位于第二，但产量为最高。在同一灌水水平下，水分利用效率随施肥量增大呈抛物线变化，水分利用效率F2>F1>F3；在同一施肥水平下，水分利用效率W3>W2>W1，因此马铃薯在W3和F2下，有较好的水分利用效率，与前人研究结果一致[24]。

地表经覆膜后，有效减少了土壤水分的无效蒸发，保蓄了土壤水分，从而提高了土壤含水率。滴灌水分主要在土壤表层运动，大部分被马铃薯吸收，用于地上和地下部分生长，一部分迁移到土壤下层。本试验结果表明，土壤含水率最大值多数出现于土壤上层(10～30 cm)，马铃薯根部主要位于0～40 cm土层，适宜的土壤水分环境不仅利于根系生长，而且能抑制马铃薯旺盛的营养生长，水分过多或不足，都会对马铃薯的生长有不利的影响。

滴灌施肥对不同生长阶段马铃薯的耗水量有显著影响(p<0.05)。本试验表明，马铃薯幼苗期耗水量约占全生育期耗水量的30%左右，块茎形成期耗水量约占全生育期耗水量的22%左右，块茎增长期耗水量约占全生育期耗水量的17%左右，淀粉积累期耗水量约占全生育期耗水量的27%左右。这与刘战东等[25]的研究结果，马铃薯的耗水规律总体上是前期耗水强度小，中期逐渐变大，后期又减少的趋势有差异。

马铃薯在幼苗期和淀粉积累期耗水量较大。产量随耗水量增大先增加后降低，水分不足会影响马铃薯的产量，过度灌水会让马铃薯植株产生“徒长”现象。在马铃薯各生育期适量增加灌水，有利于产量增加。W2F2处理下增产率最高，说明W2F2水肥配比合理，马铃薯生长效果最佳。

3.2 不同水肥供应对马铃薯根层土壤养分的影响

土壤中碱解氮含量可以很好地反映作物吸收氮状况[26]。孔令郁等[27]研究表明，马铃薯肥料充足，氮、磷、钾养分配比合理时，植株达到最大生物产量的同时块茎产量也相应达到最高，过量施肥不仅造成植株对养分的奢侈吸收，降低生产效益，还会造成环境污染。因此，合理使用肥料，不仅能实现高效、高产，也能对环境起到一定的保护。

本研究表明，水肥互作显著影响马铃薯根层碱解氮含量与分布，土壤碱解氮主要积累于表层(10～30 cm)，大部分处理10～60 cm土层的碱解氮含量低于CK。在同一施肥水平下，随灌水量的增大碱解氮平均含量呈现先降后增，在同一灌水水平下，随施肥量的增加而增加。

4 结 论

1)不同水肥供应对马铃薯根层养分及产量有显著影响，W3F1处理在10～60 cm土层的硝态氮含量平均值最高，为46.7 mg·kg-1，比CK增高166.1%；W2F2处理在10～60 cm土层的铵态氮含量平均值最高，为8.86 mg·kg-1，比CK增高61%；W3F3处理的碱解氮含量平均值最高，为31.0 mg·kg-1，比CK增高11.3%。W3F3处理在10～60 cm土层的电导率平均值最高，为501.9 μS·cm-1，比CK增高48.44%。W2F2处理的土壤养分含量较高，主要集中在10～30 cm土层，有利于马铃薯地下部分的吸收。

2)在整个马铃薯生育期内，耗水量由大到小依次为：幼苗期>块茎增长期>块茎形成期>淀粉积累期。W3F2处理的水分利用效率最高，为44.69 kg·hm-2·mm-1，比CK增高39.64%，W2F2处理位于第二，为44.41 kg·hm-2·mm-1，比CK增高38.75%。W2F2处理产量最高，为12 539.33 kg·hm-2，比CK增高55.65%。

3)综合考虑水肥交互作用对马铃薯的土壤理化性质、水分分布和产量的影响，W2F2处理为该地区适宜的灌水量和施肥量。