減氮追施和增密對全膜覆蓋壟上微溝馬鈴薯水分利用及生長的影響

于顯楓 張緒成,* 方彥杰 陳光榮 王紅麗 侯慧芝 馬一凡 趙記軍

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減氮追施和增密對全膜覆蓋壟上微溝馬鈴薯水分利用及生長的影響

于顯楓1張緒成1,*方彥杰1陳光榮1王紅麗1侯慧芝1馬一凡1趙記軍2

1甘肅省農業科學院旱地農業研究所/ 甘肅省旱作區水資源高效利用重點實驗室, 甘肅蘭州 730070;2甘肅省農業生態環境保護管理站, 甘肅蘭州 730000

優化壟溝配置方式、種植密度和施肥方式可顯著提高降水利用效率、作物產量和水分利用效率。以西北半干旱區全膜覆蓋壟上微溝種植馬鈴薯, 設置49,500株 hm–2(低密度)和64,500株 hm–2(高密度) 2個播種密度, 傳統施肥(PM)、減量追施(PMN)、有機肥替代(PMO) 3個施肥模式, 隨機區組設計。研究施肥和密度對馬鈴薯不同生育期土壤溫度、階段耗水量、產量及水分利用效率的影響。結果表明, 增密對土壤溫度、葉綠素相對含量(SPAD)和產量無顯著影響, 但降低了花前耗水量、單株地上生物量和水分利用效率, 提高了葉面積指數(LAI)和花后耗水量。在塊莖膨大期, 高密度處理的LAI較低密度增加了3.64%~15.01%; 花后耗水量在2015—2016年較低密度增加了6.50%~ 48.52%。與PM 處理相比, PMN和PMO均能提高花前土壤溫度、現蕾期-塊莖膨大期的馬鈴薯葉片SPAD值和LAI, 其中LAI在花期增加了10.42%~44.26%。PMN和PMO降低了花前耗水量, 增加花后耗水量和地上生物量, 在塊莖膨大期地上生物量較PM增加了6.95%~49.85%。PMN能提高低密度馬鈴薯的塊莖產量和水分利用效率(WUE), 2015—2017年產量較PM和PMO分別提高了9.96%~20.87%和13.64%~17.61%, 水分利用效率提高了5.46%~20.81%和13.25%~45.24%。因此, 增加密度對產量和水分利用效率無顯著影響, 但化肥減量追施或有機肥替代均可顯著促進馬鈴薯花后耗水和提高LAI, 使馬鈴薯塊莖產量和WUE顯著增加, 是西北黃土高原半干旱區增產增效的養分管理模式。

減氮追施; 增密; 全膜覆蓋壟上微溝; 馬鈴薯; 產量; 水分利用效率

西北半干旱區年降雨量為250~450 mm, 受降水資源的限制, 作物產量長期低而不穩[1]。為解決這一問題, 全膜覆蓋壟溝種植技術在當地得到廣泛應用。馬鈴薯是該區的三大糧食作物之一, 常年種植面積和產量均高于玉米和小麥[2]。然而, 采用全膜覆蓋壟溝種植技術后馬鈴薯產量依然較低, 徘徊在15,000~22,500 kg hm–2, 其主要原因是水資源利用效率仍處于較低水平。針對以上問題, 在長期試驗研究的基礎上, 我們提出了馬鈴薯全膜覆蓋壟上微溝種植技術, 該技術0~200 cm土層土壤貯水量、產量和水分利用效率在季節性干旱年份顯著高于全膜覆蓋壟溝種植, 進一步挖掘了旱作區馬鈴薯水分生產潛力[2-3]。

養分管理是影響馬鈴薯產量和水分利用效率的一個關鍵因素, 過量施肥使肥料利用效率顯著下降, 從20世紀80年代到現在糧食作物的單位面積化肥用量從64.9 kg hm–2增加到274.0 kg hm–2 [4]。本試驗區位于甘肅省中東部半干旱區, 平均氮肥用量115.8 kg hm–2, 但接近一半農戶的施氮量超過150 kg hm–2 [5], 過量施用氮肥造成馬鈴薯植株營養生長過旺、結薯延遲、減少干物質在塊莖中的積累, 使塊莖產量降低[4,6]; 而氮肥施用不足, 馬鈴薯生長中心則過早由葉轉向塊莖, 營養器官生長量不足, 光合生產“源”發育受限, 干物質合成量減少, 塊莖產量降低[7-8]。合理的施氮量及施肥方式是確保馬鈴薯生長中期植株穩健生長、延長后期光合器官的生理功能、制造更多同化產物的有效措施, 有利于干物質在各時期的合理分配[9-10]。馬鈴薯產量近60%是在塊莖膨大初期和中期形成的, 該時期是馬鈴薯需氮關鍵期, 因此調節氮肥施用量及基追肥比例以便更好地滿足馬鈴薯植株關鍵時期對氮素的需求, 為塊莖生長提供良好的氮素供應, 從而達到優質高產。

密度是影響馬鈴薯塊莖大小和產量的另外一個關鍵因素, 馬鈴薯產量和密度呈拋物線變化關系。隨馬鈴薯種植密度的增加產量逐漸增加[11], 但經濟性狀相反。在密度較低的條件下, 增加肥料能明顯提高產量; 而密度較高時, 增加肥料用量反而會造成產量的下降[12], 可見合理密植能提高馬鈴薯的產量和品質。因此, 氮素和密度是影響馬鈴薯產量和品質的2個最為重要的因素, 不僅影響產量物質的形成, 也影響著該物質的分配和積累。

旱作農田全膜覆蓋后, 一般采用全部基施肥料方式, 這對后期生殖生長階段的作物生產和水分利用造成一定脅迫, 不利于提高作物經濟產量和水分利用效率。因此, 在旱作農田全膜覆蓋種植模式下, 通過改進施肥方式來調節作物對水分的耗散過程、以及合理優化作物營養生長和生殖生長階段的耗水分配, 是進一步提高作物產量和水分利用效率的有效途徑, 但目前這方面研究報道較少。因此, 本試驗設不同施肥方式和播種密度處理, 測定馬鈴薯不同生育時期的土壤溫度、葉綠素相對含量(Soil and Plant Analyzer Development, SPAD)值、LAI和產量, 分析階段耗水量和水分利用效率, 明確全膜覆蓋壟上微溝種植模式下, 種植密度、氮肥減量、分期施肥和有機肥替代的水分調控效應對馬鈴薯水分利用效率和干物質積累的影響, 為建立旱作區馬鈴薯增產增效和環境友好的養分管理模式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

甘肅省定西市安定區團結鎮唐家堡村甘肅省農業科學院試驗站, 地處104°36′E, 35°35′N, 海拔1970 m, 年均氣溫6.2℃, 年輻射總量5898 MJ m–2, 年日照時數2500 h, ≥10℃積溫2075.1℃, 無霜期140 d, 屬中溫帶半干旱氣候。作物一年一熟, 為典型旱地雨養農業區。年均降水量415 mm, 6月至9月降水量占年降水量的68%, 降水相對變率為24%, 400 mm降水保證率為48%。試驗區土壤為黃綿土, 0~30 cm土層平均容重1.25 g cm–3, 田間持水量為21.18%, 凋萎系數為7.2%, 土壤有機質、全N、全P、全K、NH4+-N、NO3-N、速效P、速效K分別為11.99 g kg–1、1.16 g kg–1、25.3 mg kg–1、172.8 mg kg–1、4.8 mg kg–1、0.8 mg kg–1、8.67 mg kg–1和121.50 mg kg–1, pH 8.35。

1.2 試驗設計

采用全膜覆蓋壟上微溝種植, 種植帶寬100 cm, 大壟寬60 cm、高20 cm、大溝寬40 cm; 在大壟面正中間開小溝, 小溝寬20 cm, 深10 cm (圖1), 小溝內每隔50 cm扎眼以便水分入滲。采用隨機區組設計, 2個密度(49,500株 hm–2和64,500株 hm–2), 3個施肥處理(表1), 試驗小區面積7.0 m × 6.5 m = 45.5 m2, 3次重復。有機肥為風干的羊糞, 含全氮0.5%、P2O50.35%、K2O 0.4%, 一次性基施。化肥60%基施, 40%追施, 在播前撒施有機肥和化肥, 旋耕入土; 在馬鈴薯花期用點播器在兩株馬鈴薯之間點播追施化肥。

圖1 馬鈴薯全膜覆蓋壟上微溝種植技術示意圖

表1 試驗設置

PML: traditional fertilizer with low density; PMNL: reduced chemical fertilizer dressing with low density; PMOL: organic manure substitution with low density; PMH: traditional fertilizer with high density; PMNH: reduced chemical fertilizer dressing with high density; PMOH: organic manure substitution with high density.

將馬鈴薯種植在大壟的壟側, 播種深度10 cm。供試馬鈴薯品種為“新大坪”。2015年4月19日播種, 9月13日收獲; 2016年4月19日播種, 10月8日收獲; 2017年4月19日播種, 9月26日收獲。各處理全生育期均不灌溉, 除拔草外不進行其他管理。

1.3 試驗區2015—2017馬鈴薯生育期降水量及平均氣溫

根據試驗站氣象資料統計, 試驗區2015、2016、2017年均屬干旱年份。2015年的全年降水量為346 mm, 馬鈴薯生育期的降水量為236.5 mm, 與多年平均值接近, 為平水年; 2016年的全年降水量為289.3 mm, 馬鈴薯生育期的降水量為204.8 mm, 低于多年平均值, 為欠水年; 2017年的全年降水量為418.3 mm, 馬鈴薯生育期的降水量為326.1 mm, 高于多年平均值, 為豐水年(圖2)。2015年在馬鈴薯生育期降水47次, 有效降水12次(>10 mm); 2016年在馬鈴薯生育期降水39次, 有效降水9次(>10 mm); 2017年在馬鈴薯生育期降水48次, 有效降水14次(>10 mm)。在馬鈴薯的關鍵生育期塊莖膨大期的7月和8月2015年降水量為104.4 mm、2017年降水量為180.7 mm、2016年降水量僅為75.1 mm。尤其是在2016年7月22日到8月22日降水3次, 共計6.9 mm, 而2017年的6月24日到7月24日的降水2次, 共計20 mm (7月5日降水量9 mm, 7月14日降水量11 mm), 在馬鈴薯的結薯期和塊莖膨大期, 2個關鍵生育期沒有降水, 滿足不了馬鈴薯正常生長所需要的水分。2015年最低溫為6.2℃, 最高溫為23.1℃, 平均氣溫為15.07℃; 2016年最低溫為6.6℃, 最高溫為24.2℃, 平均氣溫為16.31℃; 2017年最低溫為5.1℃, 最高溫為25.1℃, 平均氣溫為15.98℃。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 土壤溫度 在馬鈴薯苗期、現蕾期、盛花期、塊莖膨大期、淀粉積累期、成熟期用地溫計在壟上兩株馬鈴薯植株間測定0~25 cm地溫, 每5 cm為1個測定層, 每小區測定1個位點, 在8:00、14:00、20:00各測定1次, 定點測定, 分析時取平均值。

圖2 2015–2017年馬鈴薯生育期降水分布和平均氣溫變化

1.4.2 SPAD 在馬鈴薯苗期、現蕾期、盛花期、塊莖膨大期、淀粉積累期從每小區選取長勢均勻的3株, 用SPAD-502plus葉綠素儀對馬鈴薯倒四葉的頂小葉進行SPAD值的測定, 每一片葉測5個位點, 取平均值。

1.4.3 LAI 在馬鈴薯現蕾期、盛花期、塊莖膨大期、淀粉積累期用CI-110植物冠層結構分析儀(CID, 美國)測定LAI, 每小區重復5次, 取平均值。

1.4.4 生物量 在馬鈴薯現蕾期、盛花期、塊莖膨大期和成熟期, 從每小區選取長勢均勻的5株, 用烘干法測定地上生物量。

1.4.5 土壤水分 在馬鈴薯播期、苗期、現蕾期、開花期、盛花期、塊莖膨大期和收獲期用烘干法測定0~200 cm土層土壤含水量, 每20 cm為1個層次, 平均每10~15 d每小區測定1次, 每小區在壟上馬鈴薯株間測定1個位點。

SWS(mm) = WS×γ×d /100, 式中, WS為土壤重量含水量(g kg–1); γ為土壤容重(g cm–3); d為土壤深度(cm)。

階段耗水量ET= SWS?SWS+1+, 式中, SWS為某個生育時期初始時的土壤貯水量; SWS+1為該生育時期結束時的土壤貯水量;為生育期降雨量。

1.4.6 水分利用效率(WUE) WUE = Yd/ET, 式中, Yd為馬鈴薯單位面積產量(kg hm–2); ET = SWSBF? SWSHA+P, 式中, SWSBF為播種前土壤貯水量, SWSHA為收獲后土壤貯水量, P為馬鈴薯全生育期降雨量。

1.5 統計分析

用Microsoft Excel 2010軟件作圖, DPS數據處理軟件進行二因素試驗統計分析, 用Tukey法檢驗處理間的差異顯著性(<0.05和<0.01)。

2 結果與分析

2.1 施肥模式和播種密度對馬鈴薯0~25 cm土壤平均地溫的影響

苗期, 2015年高密度減量追施(PMNH)較高密度傳統施肥(PMH)增溫0.60℃; 2017年低密度有機肥替代(PMOL)較低密度傳統施肥(PML)增溫1.10℃; 2016年低密度減量追施(PMNL)較PML增溫1.10℃ (<0.05)?，F蕾期, 2015年, PMNH較PMH和高密度有機肥替代(PMOH)分別增溫1.34℃和1.09℃; 2016年PMOL較PML和低密度減量追施(PMNL)相比分別增溫0.61℃和1.07℃ (<0.05), 2017年各處理之間差異不顯著。塊莖膨大期, PMNL和PMOL較PML在2015—2017年分別增溫0.87℃、0.35℃, 1.55℃、2.98℃和0.27℃、0.41℃, 只有2016年差異顯著(表2)。從3年的試驗結果得出, 密度改變, 土壤溫度不變; 施肥模式對花前的土壤溫度有影響, 花后沒有顯著影響; 年際間的變化幅度較大。

2.2 馬鈴薯葉片SPAD對施肥和密度的響應

SPAD在不同年份表現出來的趨勢不一致(表3)。增施有機肥能夠增加馬鈴薯葉片SPAD值。2015年花期, PMOL較PML和PMNL增加了19.81%、49.78% (<0.05), PMOH較PMH和PMNH增加了14.02% (<0.05)、0.8%; 塊莖膨大期PMOL較PML和PMNL增加了23.24%、12.05% (<0.05), PMOH較PMH和PMNH增加了10.76%、16.93% (<0.05)。2016年現蕾期, PMOL較PML和PMNL增加了6.38%、6.98%, 但差異不顯著; PMOH和PMNH較PMH增加了23.77% (<0.05)。2015—2017年密度對SPAD影響不顯著。PMO能夠提高現蕾期—塊莖膨大期馬鈴薯葉片SPAD值, 但年份不同, 結果不同。

表2 施肥方式和播種密度對土壤溫度的影響

(續表2)

年份Year處理Treatment苗期 Seedling現蕾期 Squaring花期Blooming塊莖膨大期Bulking淀粉積累期Accumulating收獲期Maturing 2016傳統施肥低密度PML19.8 c23.5 c21.6 d25.0 e24.1 c13.2 ab 減量追施低密度PMNL20.9 d23.0 d22.4 cd26.5 c24.8 b12.4 b 有機肥替代低密度PMOL21.4 b24.1 b23.3 b28.0 a25.9 a13.7 a 傳統施肥高密度PMH22.1 a25.7 a24.9 a27.5 b25.7 a13.8 a 減量追施高密度PMNH20.2 b24.1 b22.6 bc25.8 d24.6 b12.7 b 有機肥替代高密度PMOH20.9 b24.1 b22.4 cd25.9 d24.6 b13.7 a 2017傳統施肥低密度PML20.1 c21.3 a25.2 ab25.3 a23.0 a17.0 a 減量追施低密度PMNL20.8 abc22.6 a26.0 a25.6 a25.0 a17.5 a 有機肥替代低密度PMOL21.2 ab22.0 a26.0 a25.7 a24.0 a17.8 a 傳統施肥高密度PMH20.3 abc22.5 a25.4 ab25.3 a23.8 a17.4 a 減量追施高密度PMNH21.6 a23.0 a25.6 ab25.4 a23.6 a17.2 a 有機肥替代高密度PMOH20.7 bc21.8 a24.3 b24.1 a22.9 a17.5 a

標以不同字母的值在同一年份同一生育期不同處理間差異顯著(< 0.05)。

Values followed by different letters in the same growth stage and the same year are significantly different among treatments at0.05. PML: traditional fertilizer with low density; PMNL: reduced chemical fertilizer dressing with low density; PMOL: organic manure substitution with low density; PMH: traditional fertilizer with high density; PMNH: reduced chemical fertilizer dressing with high density; PMOH: organic manure substitution with high density.

表3 施肥方式和播種密度對葉片SPAD的影響

標以不同字母的值在同一年份同一生育期不同處理間差異顯著(< 0.05)。

Values followed by different letters in the same growth stage and the same year are significantly different among treatments at0.05. PML: traditional fertilizer with low density; PMNL: reduced chemical fertilizer dressing with low density; PMOL: organic manure substitution with low density; PMH: traditional fertilizer with high density; PMNH: reduced chemical fertilizer dressing with high density; PMOH: organic manure substitution with high density.

2.3 不同施肥方式和播種密度對馬鈴薯LAI的影響

PMN和PMO都能增加馬鈴薯LAI, 隨著密度增加LAI增加, 并且峰值出現在塊莖膨大期(表4)。花期PMN和PMO較PM的增加幅度最大, 花后的增加幅度降低。花期PMNL和PMOL的LAI在2015—2017年較PML增加19.20%和20.23%、10.42%和26.67%、36.27%和44.26%, 2015年和2017年達顯著差異, 2016年差異不顯著; PMNH和PMOH的LAI較PMH增加了43.51%和20.87%、39.04%和34.23%、24.18%和38.01% (<0.05)。淀粉積累期在2016—2017年, PMNH顯著高于其他處理, 尤其較PMH增加了63.55%和38.46% (<0.05)。密度增加, 馬鈴薯葉片的LAI增加, 尤其在現蕾期PMH、PMNH和PMOH的LAI在2016和2017年較PML、PMNL和PMOL增加了79.25%、94.51%、66.67%和19.57%、56.23%、35.29% (<0.05)。密度增加、化肥減量、分期追施并增施有機肥能夠增加馬鈴薯葉片的LAI。

表4 施肥方式和播種密度對馬鈴薯LAI的影響

標以不同字母的值在同一年份同一生育期不同處理間差異顯著(< 0.05)。

Values followed by different letters in the same growth stage and the same year are significantly different among treatments at0.05. PML: traditional fertilizer with low density; PMNL: reduced chemical fertilizer dressing with low density; PMOL: organic manure substitution with low density; PMH: traditional fertilizer with high density; PMNH: reduced chemical fertilizer dressing with high density; PMOH: organic manure substitution with high density.

2.4 不同施肥方式和播種密度對馬鈴薯植株生物量的影響

隨著生育期的推進, 地上生物量增加, 其峰值出現在馬鈴薯的塊莖膨大期(圖3)。除2016年苗期外, 處理間馬鈴薯地上生物量呈顯著差異, 低密度顯著高于高密度?；ㄆ赑MN和PMO的地上生物量較PM顯著增加, 2015年和2016年PMNL和PMOL較PML增加了20.11%、45.37%和84.95%、53.54% (<0.05), PMNH和PMOH較PMH增加了31.12%、49.47%和47.98%、58.29% (<0.05)。低密度的地上生物量較高密度增加, 尤其是PMNL的地上生物量顯著高于高密度處理, 其中PMNL的地上生物量較PMNH在2015—2017年增加了12.64%、29.41%和21.27%。塊莖膨大期PMNL和PMOL的地上生物量在2015—2017年分別較PML增加了49.85%和37.27%、17.49%和12.49% (差異不顯著)、11.87%和17.72%; PMNH 和PMOH分別較PMH增加了6.95%和15.22% (差異不顯著)、39.57%和37.81%、35.09%和54.73%。PMNL和PMOL處理的地上生物量在2015年和2016年較PML分別增加了18.35%、28.06%和28.80%、34.29% (淀粉積累期), 23.84%、22.13%和18.85%、16.04% (收獲期)(<0.05)。結果表明, 降低密度、氮肥減量追施并增施有機肥能夠促進馬鈴薯地上生物量積累。

圖3 施肥模式和播種密度對干物質積累量的影響

PM: 傳統施肥; PMN: 減量追施; PMO: 有機肥替代。

PM: traditional fertilizer; PMN: reduced chemical fertilizer dressing; PMO: organic manure substitution.

2.5 馬鈴薯階段耗水量對施肥方式和播種密度的響應

對3年馬鈴薯總耗水量的綜合分析表明, 年份(<0.01)、密度(<0.01)和肥料(<0.01)對馬鈴薯耗水量影響極顯著, 除年份×密度的交互作用不顯著外, 其余兩個因素交互作用均極顯著(表5)。增施有機肥能提高總耗水量, 2016—2017年PMOL較PML和PMNL分別增加了4.81%、5.76%和29.25%、29.26%, PMOH較PMH和PMNH增加了10.15%、1.98%和8.48%、15.27%, 其中2017年差異極顯著(圖4)。密度間耗水量在2015—2016年差異不顯著, 但在2017年隨密度增加總耗水量增加(<0.05)?；蕼p量和增施有機肥均能顯著降低花前耗水量, 2015年PMNL和PMOL較PML降低了15.33%、17.54%, PMNH和PMOH較PMH降低了26.43%、19.79%; 2016—2017年PMNL較PML和PMOL降低了16.33%、11.87%和20.94%、25.15%, 其他處理間差異不顯著。而密度對花前耗水量的影響不顯著, 只有2015年高密度降低了花前耗水量, 分別較低密度降低了16.76%、27.68%和19.03% (<0.05)。

增施有機肥能夠降低花期耗水量, 2015—2016年PMOL較PMNL降低了38.84%、34.15%, PMOH較PMNH降低了34.24%、14.22% (差異不顯著); 但2017年增施有機肥處理較化肥減量追施在高低密度處理分別增加了20.78%、34.62% (<0.05)。這與花期的降雨量有關, 2015—2016年花期的降雨量為27.7 mm和11.5 mm, 而2017年只有6.8 mm。同時高密度也降低了花期耗水量, PMNH、PMOH較PMNL、PMOL降低了14.36%、7.91% (差異不顯著)(2015年)和22.04%、13.11% (2017年)(<0.05)。

PMN和PMO都能夠提高馬鈴薯的花后耗水量, 2015—2016年PMNL和PMOL較PML分別增加了28.84%、40.16%和30.90%、41.46% (<0.05); 同時密度增加, 馬鈴薯的花后耗水量也增加, PMH和PMNH分別較PML和PMNL增加了48.52%和30.36%、19.03%和6.50%。PMN和PMO都能夠降低花前耗水量, 增加花后耗水量; 而密度增加對花前耗水量影響不大, 但增加了花后耗水量。

表5 年份、密度和施肥對耗水量的方差分析

圖4 施肥方式和播種密度對階段耗水量的影響

PML: 傳統施肥低密度; PMNL: 減量追施低密度; PMOL: 有機肥替代低密度; PMH: 傳統施肥高密度; PMNH減量追施高密度; PMOH:有機肥替代高密度。

PML: traditional fertilizer with low density; PMNL: reduced chemical fertilizer dressing with low density; PMOL: organic manure substitution with low density; PMH: traditional fertilizer with high density; PMNH: reduced chemical fertilizer dressing with high density; PMOH: organic manure substitution with high density.

表6 施肥方式和播種密度對總耗水量的影響

標以不同字母的值在同一年份同一生育期不同處理間差異顯著(< 0.05)。

Values followed by different letters in the same growth stage and the same year are significantly different among treatments at0.05. PML: traditional fertilizer with low density; PMNL: reduced chemical fertilizer dressing with low density; PMOL: organic manure substitution with low density; PMH: traditional fertilizer with high density; PMNH: reduced chemical fertilizer dressing with high density; PMOH: organic manure substitution with high density.

2.6 馬鈴薯產量和水分利用效率對施肥方式和播種密度的響應

對3年馬鈴薯產量的綜合分析表明, 年份(<0.05)、肥料(<0.01)對馬鈴薯產量影響極顯著, 而密度(>0.05)對馬鈴薯產量影響不顯著; 除年份×密度的交互作用顯著外, 其余兩因素交互作用均不顯著(表7)。在不同降水年型和密度條件下, PMN和PMO都能夠提高馬鈴薯的塊莖產量, 但密度對馬鈴薯塊莖產量的影響不一致。2015—2017年PMNL馬鈴薯的塊莖產量較PML和PMOL提高了9.96%和13.65%、14.48%和17.61%、20.87%和14.51%, 并在2015年差異顯著(圖5)。2015年PMOL、PMNL和PML的馬鈴薯塊莖產量較PMOH、PMNH、PMH分別增加了21.59%、30.83%、13.58% (<0.05), 而2016—2017年差異不顯著。

圖5 施肥方式和播種密度對產量和水分利用效率的影響

PM: 傳統施肥; PMN: 減量追施; PMO: 有機肥替代。

PM: traditional fertilizer; PMN: reduced chemical fertilizer dressing; PMO: organic manure substitution.

表7 年份、密度和施肥對產量及WUE的方差分析

對3年WUE的綜合分析表明, 年份(<0.01)、密度(<0.01)和肥料(<0.01)對WUE影響極顯著; 兩因素交互作用均明顯(表7)。PMN和PMO都能夠提高馬鈴薯的水分利用效率, 但密度在不同降雨年型的表現不一致(圖5)。3年PMNL均能提高WUE, 在3年與PMOL達顯著差異, 并在2016年與PML達顯著差異。2015年降低密度可使WUE增加, PML和PMNL較PMH和PMNH增加了28.80%、35.65%; 而2017年增加密度使WUE增加, PMOH較PMOL增加了41.86%, 其他處理差異不顯著; 2016年各處理差異不顯著。

3 討論

化肥減量和分期追施、有機肥替代化肥能顯著調節馬鈴薯花前花后耗水量, 增加生物量和提高生長速率, 使得馬鈴薯塊莖產量、水分利用效率和養分利用效率增加[7,13-14]; 而過量施用氮肥會造成源庫關系失調[15-18], 降低單株結薯重量和平均單薯重, 導致馬鈴薯減產。通過塊莖膨大期前一周左右追施總施肥量1/3的氮肥, 可提高塊莖產量[5,19-21]。因此, 基追肥結合是提高馬鈴薯養分利用效率和產量的有效途徑。本試驗結果表明, 兩種密度條件下增施有機肥都能增加花期—莖膨大期的馬鈴薯葉片SPAD值和LAI, 尤其在2015年的塊莖膨大期SPAD增幅最為明顯, 2015—2017年花期的LAI增加幅度最大。較高的葉面積指數和葉片SPAD值為光合作用奠定了基礎, 有利于物質同化和塊莖的形成。另外, 有機肥替代和化肥減量追施降低花前耗水, 促進花后耗水, 在總耗水量無明顯變化的前提下, 優化馬鈴薯水分利用進程, 協同提高水肥利用效率[7]。基于較高的馬鈴薯群體和光合能力, 以及對水分利用過程的優化, PMN和PMO都能使馬鈴薯的地上生物量、塊莖產量和水分利用效率顯著增加。

合理密植有利于馬鈴薯光合產物的累積, 促進根系對水分養分的吸收, 提高單株產量。馬鈴薯產量與密度呈拋物線關系, 產量在一定范圍內隨著播種密度的增加而提高[22]。齊爽等[23]研究結果表明, 低密度對馬鈴薯營養生長更有利, 而馬鈴薯的干物質積累則是在高密度下更好。本試驗的研究區域屬半干旱旱作區, 季節性干旱特征明顯, 密度增加可能加劇季節性干旱對馬鈴薯生長的危害程度而造成減產[24]。因此, 選擇適宜密度是該區馬鈴薯穩產增產的一項關鍵技術措施。本研究結果表明, 增加密度對土壤溫度和馬鈴薯葉片SPAD值無明顯作用, 但導致LAI增加, 尤其在塊莖膨大期減氮追施的高密度處理較低密度增加了3.64%~15.01%。但低密度處理并沒有降低馬鈴薯的塊莖產量、耗水量和水分利用效率, 尤其在降水分布均勻的2015年, 低密度的產量較高密度增加了5703、8321和3715 kg hm–2。這主要是低密度條件下, 植株葉面積發育快, 根系發育良好, 而高密度表現生長緩慢, 干物質積累減少, 產量降低。而在2016—2017年, 密度之間的產量差異不顯著, 這與馬鈴薯塊莖形成期和膨大期的降雨量有關。高密度對花前耗水量無顯著影響, 但卻增加了花后耗水量, 在常規施肥和減氮追施條件下分別較低密度增加了6.5%~48.52%。另外, 低密度提高了馬鈴薯WUE, 在2015—2016年較高密度增加了4.08%~35.65%, 表明低密度可促進同化產物的積累和向塊莖的分配[25-26], 從而增加馬鈴薯塊莖產量。

施肥和密度對馬鈴薯的水分利用效率、干物質積累和產量有明顯的互作效應。田豐等[11]研究表明, 密度對馬鈴薯產量的影響較施肥量小, 劉明霞等[27]在降水較充足地區的研究表明, 在氮肥基追比為 8︰2的條件下, 密度對產量的影響最大, 氮肥次之。本試驗結果表明, 肥密互作對地溫和SPAD值的影響不顯著, 但對LAI 有顯著影響, 在花期PMNH的LAI較PML增加了46.30%和92.92% (2015—2016年)。密度和肥料互作對馬鈴薯的總耗水量和水分利用效率影響極顯著, 對馬鈴薯的塊莖產量影響不顯著, 而年份和密度的交互作用對馬鈴薯的塊莖產量影響極顯著。2015—2017年馬鈴薯的生育期降水量分別為236.5、289.3和326.1 mm。2016年和2017年的產量低于2015年, 這主要是在馬鈴薯的花期和塊莖膨大期遭遇嚴重干旱, 因此, 通過調節密度和優化施肥模式, 可以增加馬鈴薯花后耗水量、提高葉片SPAD, 降低季節性干旱對塊莖形成和生長的影響, 進而提高塊莖產量和水分利用效率。

4 結論

減氮追施和有機肥替代都能使全膜覆蓋壟上微溝低密度馬鈴薯花后耗水量明顯增加, 提高馬鈴薯塊莖膨大期的葉片SPAD值和LAI, 這有利于馬鈴薯的物質同化和促進塊莖形成, 并促進塊莖的膨大和同化物質積累, 顯著提高了馬鈴薯的水分利用效率。增加密度不能顯著提高馬鈴薯塊莖產量和水分利用效率, 而且密度和肥料互作同樣不能明顯提高塊莖產量。因此, 在適當降低密度的基礎上減氮追施或有機肥替代, 是半干旱旱作區全膜覆蓋壟上微溝種植馬鈴薯高效的養分管理模式。

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Effects of top dressing with reduced nitrogen fertilizer and density enhancement on water use efficiency and growth of potatoes planted in mini-ditch on ridges with plastic mulching

YU Xian-Feng1, ZHANG Xu-Cheng1,*, FANG Yan-Jie1, CHEN Guang-Rong1, WANG Hong-Li1, HOU Hui-Zhi1, MA Yi-Fan1, andZHAO Ji-Jun2

1Institute of Dryland Farming, Gansu Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of High Water Utilization on Dryland of Gansu Province, Lanzhou 730070, Gansu, China;2Gansu Agriculture Environment Protection Station, Lanzhou 730000, Gansu, China

The optimization of ridge-furrow construction, plant density and fertilizer application are three promising ways to increase rainwater use efficiency, crop yield and water use efficiency. A long-term field experiment was carried out in semi-arid area of northwestern China from 2015 to 2017, using potatoes planted in mini-ditch on ridges with plastic mulching, to explore the effects of fertilizer application and plant density on soil temperature, water consumption at different growth stages, yield and water use efficiency. Two plant densities (low density of 49,500 plants ha–1, and high density of 64,500 plants ha–1) and three fertilization methods (traditional fertilizer application, PM; reduced chemical fertilizer dressing, PMN; and organic fertilizer substitution, PMO) were set up as treatments, using randomized block design with three replications. The high density did not affect soil temperature, SPAD values and yield significantly, but lowered water consumption in pre-flowering stage, above-ground biomass per plant, and water use efficiency. However, LAI and water consumption were improved in post-flowering stage. Compared with low density treatments, LAI in high density increased by 3.64%–15.01%, and water consumption in tuber bulking period increased by 6.50%–48.52%. Both PMN and PMO increased soil temperature in pre-flowering stage, potato foliar SPAD and LAI from squaring to tuber bulking stage, compared with PM. For example, LAI increased by 10.42%–44.26% at flowering stage. PMN and PMO decreased water consumption during pre-flowering period, but increased it during post–flowering period, resulting in a 6.95%–49.85% increment in aboveground biomass at bulking stage. On average, PMN increased potato tuber yield and WUE under low density by 9.96%–20.87% and 13.64%–17.61%, 5.46%–20.81% and 13.25%–45.24%, respectively, compared with PM and PMO. Consequently, the increment of plant density did not affect potato tuber yield and WUE. However, PMN and PMO promoted potato water utilization in post-flowering period and increased LAI, resulting in significant increment of potato tuber yield and WUE, showing an efficient way for fertilization management of potato in semiarid loess plateau of northwestern China.

reduced chemical nitrogen fertilizer dressing; density enhancement; mini-ditch planting on ridges with plastic mulching; potato; yield; water use efficiency

2018-01-30;

2018-12-24;

2019-01-07.

10.3724/SP.J.1006.2019.84014

張緒成, E-mail: gszhangxuch@163.com, Tel: 0931-7614864

E-mail: jackey_xf@126.com

本研究由國家科技支撐計劃項目(2015BAD22B04), 甘肅省農業科學院農業科技創新專項(2017GAAS27)和甘肅省重點研發計劃項目(18YF1WA092)資助。

The study was supported by the National Science and Technology Research Projects of China (2015BAD22B04), the Agricultural Science and Technology Innovation Plan of Gansu Academy of Agricultural Sciences (2017GAAS27), and the Key R&D Projects in Gansu Province (18YF1WA092).

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.s.20190106.1840.002.html