內蒙古馬鈴薯施肥效應特征參數與施肥推薦

段 玉，張 君，張三粉，景宇鵬，王 博，莎 娜，栗艷芳，李書田

（1.內蒙古農牧業科學院資源環境與檢測技術研究所，內蒙古 呼和浩特 010031；2.國際植物營養研究所北京辦事處，北京 100081；3.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）營養價值較高，容易栽培，產量亦高，種植廣泛，是世界上僅次于稻、麥、玉米的第四大糧食作物。中國是世界上最大的馬鈴薯生產國，2010～2014 年馬鈴薯播種面積平均為547 萬hm2，總產達9 081 萬t，占世界總產量的25%左右[1]。內蒙古自治區具有獨特的種植馬鈴薯區位優勢和產品優勢，是中國馬鈴薯主產區之一，2010～2014 年全區馬鈴薯播種面積平均64.5萬hm2，占全區播種面積的12%，總產占全國總產量的10%[2]。中國馬鈴薯總產量偏低，其主要原因之一是肥料養分施用與作物需求不匹配，養分投入不平衡。內蒙古馬鈴薯主產區氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）投入量分別為150～750，75～375 和0～750 kg/hm2。寧夏南部山區旱地馬鈴薯氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）投入量分別為249，95 和60 kg/hm2。陜西省馬鈴薯化肥氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）投入量分別為155，78和13 kg/hm2[3-5]。整體來看，中國馬鈴薯氮磷投入量偏高，鉀素投入嚴重不足，化肥施用不盡合理，簡單易行的推薦施肥技術研究與推廣勢在必行。科學合理施肥是馬鈴薯增產增收的物質基礎，每生產1 000 kg 馬鈴薯塊莖吸收N，P2O5，K2O 的量變化范圍較大，頻率分析發現，需N 多集中在3.0～6.0 kg，P2O5集中在1.0～1.5 kg，K2O 在4.0～8.0 kg[6-10]。馬鈴薯根系淺，養分吸收面積小，多種植在質地較粗的土壤上，使得馬鈴薯的養分管理更加困難。國內外學者開展了大量針對氮磷鉀合理配施對馬鈴薯產量影響的研究，但由于種植方式、品種、土壤、施肥方式、施肥量等不同，獲得的最高產量的推薦施肥差異較大，推薦用 量N 60～350 kg/hm2、P2O530～200 kg/hm2、K2O 45～375 kg/hm2[11-19]。這些研究主要采用肥料效應函數法，只能針對一定區域或一定的土壤養分范圍，不宜大面積應用。另一種馬鈴薯推薦施肥方法是依據土壤供肥能力、養分損失率和栽培品種的生產潛力等來確定施肥量[20-22]，雖然這一方法可有效地用于指導施肥，但測試土壤的氮磷鉀的臨界水平難以確定，且難以及時測定進行大面積推廣應用，特別是氮肥用量與土測值沒有多少相關性。基于作物產量反應和農學效率的推薦施肥方法是一種簡單易于掌握的作物增產增收、提高肥料利用率和保護環境的新方法，不需要取土測試，已在小麥和玉米上進行了大面積應用[23-28]。但馬鈴薯施用氮磷鉀肥的產量反應和農學效率以及二者之間的相互關系，基于產量反應與農學效率的馬鈴薯推薦施肥方法等相關研究未見報道。本研究以內蒙古馬鈴薯主產區為研究區域，采用多年多點試驗，研究馬鈴薯施用氮磷鉀養分的產量反應、農學效率以及產量反應與農學效率的相關關系，建立基于產量反應與農學效率的馬鈴薯氮磷鉀養分推薦方法，確定內蒙古馬鈴薯生產中氮磷鉀肥的適宜推薦用量范圍，這對于指導區域作物科學施肥具有重要的理論與實踐意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

2002～2014年在內蒙古馬鈴薯主產區的武川縣（62 項次）、察右中旗（20 項次）和固陽縣（34 項次）的不同試驗地塊共進行116 項次試驗。試驗地土壤為栗鈣土，砂壤，每個試驗播前取0～20 cm耕層土樣分析，土壤養分狀況和養分施用量見表1。

1.2 試驗設計

試驗設4 個處理：即NPK，PK，NK，NP。（1）NPK：N、P、K 化肥配合施用的最優施肥處理，由中國農業科學院-加拿大國際植物營養研究所聯合實驗室推薦[29,30]。最優施肥處理的推薦用量 為N 45～300 kg/hm2，P2O530～150 kg/hm2，K2O 30～225 kg/hm2，平 均N∶P2O5∶K2O = 172.3∶75.2∶94.2 kg/hm2（表1）。（2）PK：不施氮肥處理。（3）NK：不施磷肥處理。（4）NP：不施鉀肥處理。每個處理3次重復，隨機區組設計，小區面積30 m2。在總的116 項次試驗中，布置全肥區（NPK）、不施氮肥（PK）、不施磷肥（NK）和不施鉀肥（NP）的4個處理試驗有62 項次，設置全肥區（NPK）和不施鉀肥（NP）試驗有54項次。

供試馬鈴薯品種為‘克新1 號’一級種薯。試驗用氮肥為尿素（N 46%），磷肥為重過磷酸鈣（P2O546%），鉀肥為氯化鉀（K2O 60%），磷鉀肥全部作種肥一次基施，氮肥40%基施，60%在開花期追施。田間管理同一般生產田。

表1 供試土壤養分狀況與施肥量Table 1 Properties of tested soils and nutrients applied in trials

1.3 測定方法

收獲時各小區分別收獲記產，每小區隨機取樣3 株，測定莖、葉和塊莖的鮮重，切碎后80 ℃烘干測定莖、葉和塊莖干物質重，混勻后粉碎，過2 mm 篩備用。植株樣品用H2SO4-H2O2消解后，全氮用凱氏定氮法，全磷用釩鉬黃比色法，全鉀用火焰光度法測定[31]。

有關計算公式：

某元素的相對產量（RY）（%）=缺該元素區產量/全肥區產量×100，RY（%）=Y0/Y×100

某養分元素的產量反應（YR）（t/hm2）=全肥區產量－缺該元素區產量，YR（t/hm2）=Y-Y0

某養分元素的農學效率（AE）（kg/kg）=（全肥區產量－缺該養分區產量）/該養分施入量，AE（kg/kg）=（Y-Y0）/F

某養分元素的利用率（NUE）（%）=（全肥區該元素吸收量－缺該元素區養分吸收量）/全肥區該元素養分用量×100，NUE（%）=（NU-NU0）/F×100

某養分元素的吸收比率（NR）（kg/t）= 全肥區該元素吸收量/全肥區產量，NR（kg/t）=NU/Y

1.4 統計分析

缺素區的相對產量、施肥的產量反應和農學效率、NPK 養分的養分利用率和NPK 養分的吸收比率的頻率分布圖和統計表使用SPSS 20軟件。

分別用對數曲線模型來描述產量反應與相對產量和產量反應與農藝效率之間的關系。用對數曲線模型來描述土壤速效養分含量與缺素區相對產量之間的關系。回歸方程的系數值和R2測定值由Microsoft Excel 2010計算。

2 結果與分析

2.1 缺氮磷鉀區的相對產量

2002～2014年進行的116項次馬鈴薯田間試驗結果表明（表2），NPK 處理的產量為5.3～60.2 t/hm2，平均22.4 t/hm2；PK 處理的產量為4.2～51.2 t/hm2，平均18.9 t/hm2；NK 處理的產量為4.4～51.4 t/hm2，平均19.5 t/hm2；NP 處理的產量為4.9～55.5 t/hm2，平均19.7 t/hm2。馬鈴薯缺素區的相對產量（不施用氮磷鉀肥）反映了該元素對馬鈴薯產量影響的重要程度。不施氮肥的相對產量（n=62）為55.7%～97.3%，平均為81.7%，其頻率分布如圖1a，出現頻率較高的是75%～90%，占72.5%。不施磷肥的相對產量（n = 62）為61.5%～98.8%，平均為84.5%，其頻率分布如圖1b，出現頻率較高的是75%～90%，占64.5%。不施鉀肥的相對產量（n =116）為69.8%～99.1%，平均為87.8%，其頻率分布如圖1c，出現頻率較高的是80%～95%，占72.4%。因此，結合N、P、K 的產量反應可以看出，氮肥是影響馬鈴薯能否獲得高產的主要因子，其次是磷肥，鉀肥對產量的影響相對最小。

表2 施用NPK養分對馬鈴薯的相對產量的影響Table 2 Effect of NPK nutrients on potato relative yield

2.2 施用氮磷鉀肥的馬鈴薯產量反應

施用氮磷鉀肥區（NPK）與缺素區（PK，NK，NP）的產量差稱為缺該元素的產量反應（表3）。氮肥的產量反應（YRN）為0.7～12.6 t/hm2，平均為4.2 t/hm2（n=62），頻率分布表明（圖2a），＜1 t/hm2占7%，1～5 t/hm2占61%，＞5 t/hm2占32%；磷肥的產量反應（YRP）為0.2～16.0 t/hm2，平均為3.6 t/hm2（n =62），頻率分布表明（圖2b），＜1 t/hm2占9.7%，1～5 t/hm2占69.3%，＞5 t/hm2占21%；鉀肥的產量反應（YRK）為0.2～13.0 t/hm2，平均為2.7 t/hm2（n =116），頻率分布表明（圖2c），＜1 t/hm2占16.4%，1～5 t/hm2占71.5%，＞5 t/hm2占12.1%。由此看出，施肥的增產效果為氮肥＞磷肥＞鉀肥。

表3 施用NPK養分對馬鈴薯產量反應的影響Table 3 Effect of NPK nutrients on potato yield response

圖2 施用氮磷鉀肥的產量反應的頻率分布Figure 2 Frequency distribution of yield response with NPK application on potato

2.3 施用氮磷鉀肥的農學效率

農學效率是反映施肥肥效的重要指標之一，是推薦施肥中不可或缺的指標（表4）。結果表明施用氮肥的農學效率為每公斤N 增產馬鈴薯塊莖4.6～90.3 kg，平均為27.5 kg，頻率分布表明（圖3a），N 的農學效率在10～40 kg 占64.5%，＞40 kg占16.1%，＜10 kg 占19.4%；施用磷肥，每公斤P2O5增產馬鈴薯塊莖1.8～133.3 kg，平均為46.6 kg，頻率分布表明（圖3b），P2O5的農學效率在20～70 kg占77%，＞70 kg 占15%，＜20 kg 占8%；施用鉀肥，每公斤K2O 增產馬鈴薯塊莖1.7～95.0 kg，平均為29.3 kg，頻率分布表明（圖3c），K2O 的農學效率在15～40 kg 占50%，＞40 kg 占24%，＜15 kg 占26%。說明在目前進行的肥料試驗的施肥量情況下，每公斤純養分增產的馬鈴薯數量（農學效率）分別為P2O5＞K2O ＞N。施肥的產量反應反映了該肥料的增產潛力，能夠更好地反映產量對養分的依賴性。農學效率盡管也是反映施肥肥效的重要指標，但受施肥量的影響，施肥量大，農學效率相對較小；反之，施肥量小，農學效率就較大，本文中氮肥的農學效率較低，磷鉀肥的農學效率較高，主要是試驗中氮肥用量較大，磷鉀肥用量較小。

表4 施用NPK養分對馬鈴薯農學效率的影響Table 4 Effect of NPK nutrients on potato agronomic efficiency(AE)

圖3 施用氮磷鉀肥的農學效率的頻率分布Figure 3 Frequency distributions of agronomic efficiency with NPK fertilization

2.4 施用NPK肥的肥料利用率

由于各試驗點的土壤肥力、施肥用量、施肥方式、管理水平等差異，施用氮磷鉀肥的肥料利用率有較大差異。施用氮肥的利用率（NUEN，N）為15.7%～57.7%，平均為31.8%，頻率分布表明（表5，圖4a），20%～40%占86.5%，＞40%占10.8%，＜20% 占2.7% ； 施 用 磷 肥 的 利 用 率（NUEP，P2O5）為7.5%～20.9%，平均為15.3%，頻率分布表明（圖4b），13%～20%占64.9%，＞20%占8.1%，＜13%占27.0%；施用鉀肥的利用率（NUEK，K2O）為10.2%～92.6%，平均37.4%，頻率分布表明（圖4c），20%～55%占81.3%，＞55%占8.8%，＜20%占9.9%。

表5 施用NPK肥料對馬鈴薯肥料利用率和吸收量的影響Table 5 Effect of NPK application on nutrient use efficiency (NUE) and uptake of potato

圖4 馬鈴薯施用氮磷鉀肥的肥料利用率頻率分布Figure 4 Frequency distributions of nutrient use efficiency (NUE) with NPK application

表6 施用NPK肥料對馬鈴薯養分吸收量的影響Table 6 Effect of NPK application on nutrient uptake of potato

2.5 生產1 t馬鈴薯吸收氮磷鉀養分量

每生產1 t 馬鈴薯吸收的氮磷鉀養分量（表6）由于種植方式、土壤狀況、施肥方式、施肥量等不同有較大差異。每生產1 t馬鈴薯吸收氮素（N）為3.3～8.0 kg，平均為5.6 kg，頻率分布表明（圖5a），＜4.0 kg/t 占8%，4.0～6.0 kg/t 占62%，＞6.0 kg/t 占30%；每生產1 t 馬鈴薯吸收P2O5為0.9～2.5 kg，平均為1.5 kg/t，頻率分布表明（圖5b），＜1.0 kg/t 占3%，1.0～2.0 kg/t 占83%，＞2.0 kg/t 占14%；每生產1 t 馬鈴薯吸收K2O 為3.2～13.8 kg，平均為6.1 kg/t，頻率分布表明（圖5c），＜4.0 kg/t占4%，4.0～8.0 kg/t占88%，＞8.0 kg/t占8%。

2.6 產量反應與相對產量和農學效率的相互關系

從圖6 氮、磷、鉀的產量反應與相對產量之間的關系可以看出，施用氮磷鉀肥的產量反應（x）與缺素區的相對產量（y）呈顯著或極顯著的負相關關系。施用氮肥為：yN=-6.107ln(x) +88.861，R2= 0.314 5*（n = 62）；施用磷肥為：yP=-6.058ln(x) + 90.231，R2= 0.455 1**（n = 62）；施用鉀肥為：yK=-6.27ln(x)+91.834，R2=0.597 6**（n=116）。

對于單項試驗來說，農學效率=產量反應/施肥量。對于多年多點試驗，施用氮磷鉀肥的產量反應（x）和農學效率（y）之間也存在極顯著的正相關關系（P ＜0.01）（圖7），表明施肥的產量反應越小農學效率越低，產量反應越大農學效率越高。施用氮肥為：yN=17.94ln(x)+6.401，R2=0.556 2**（n=62）；施用磷肥為：yP=30.652ln(x)+17.599，

圖5 馬鈴薯施用氮磷鉀肥的養分吸收量頻率分布Figure 5 Frequency distributions of nutrient uptake with NPK application

圖6 產量反應與相對產量的相關關系Figure 6 Relationship between yield response and relative yield

圖7 產量反應與農學效率的相關關系Figure 7 Relationship between yield response and agronomic efficiency

2.7 土壤磷鉀養分豐缺指標

土壤測試值是評價土壤肥力的重要依據，可以用于指導馬鈴薯的推薦施肥。土壤堿解氮（x）與缺氮區相對產量（yN）之間可用對數曲線表達：土壤有效磷（x）和缺磷區相對產量（yP）之間可用對數曲線表達：yP=16.417ln(x)+49.152，R2=0.636 1**（n = 62）；土壤交換性鉀（x）和缺鉀區相對產量（yK）之間也可用對數曲線表達：yK= 14.59ln(x) +19.323，R2=0.512 6**（n=116）（圖8）。

如果把缺素區相對產量低于70%設定為土壤養分極缺，相對產量70%～80%為缺乏，相對產量80%～90%為中等，相對產量90%～95%為豐富，相對產量大于95%為極豐富，共5 個等級，從而可基于上述2 個回歸方程確定內蒙古馬鈴薯生產中的土壤堿解氮、土壤有效磷和土壤交換性鉀的養分豐缺指標（表7）。

圖8 土壤養分狀況與相對產量的相關關系Figure 8 Relationship between soil nutrient and relative yield

表7 土壤養分豐缺指標Table 7 Soil nutrient abundance and deficiency indicators

可見土壤堿解氮達到240 mg/kg 以上時，說明土壤氮素比較豐富，不需要施氮肥。土壤有效磷達到12 mg/kg 以上時，說明土壤磷素比較豐富，不需要施用磷肥。土壤速效鉀達到127 mg/kg 以上時，說明土壤鉀素比較豐富，可以不施鉀肥。但本方法需要取土測試，針對每一農戶田塊進行測土推薦施肥存在困難。

2.8 基于產量反應與農學效率的馬鈴薯施肥推薦

基于產量反應與農學效率（AE）的推薦施肥量（F）（N 或P2O5或K2O）（kg/hm2）=產量反應（kg/hm2）/農學效率（AEN或AEP或AEK）（kg/kg）即F=YR/AE，YR是施用氮磷鉀肥的產量反應（t/hm2），AE是施肥的農學效率（每公斤養分增產的塊莖產量，kg/kg）。由YR =（1- RY）× Ya，那么F =（1 - RY）× Ya/AE，RY 是特定土壤養分測試水平下的相對產量（%），如果已知土壤養分測定值，那么RY 可用土壤養分測定值與相對產量之間的回歸方程進行估計；Ya 是施肥獲得的產量（生產實踐中的目標產量）（kg/hm2）。

對于氮素養分推薦量，主要依據產量反應和農學效率，即FN=（1 - RYN）× Ya/AEN，如目標產量為30 t/hm2，那么推薦施氮量（N）為：FN=（1 - 81.7%）× 30 t/hm2× 1 000 kg/t/27.5 kg/kg =200 kg/hm2。

而對于磷、鉀的推薦，除考慮肥效外，要考慮土壤養分平衡，主要基于產量反應和土壤本身供應量給出推薦施肥量，即FP（K）=[1-RYP（K）]×Ya/AEP（K）+Ya×RYP（K）×NRP（K），如目標產量為30 t/hm2，那么推薦施磷量（P2O5）為：FP=（1-84.5%）×30 t/hm2×1 000 kg/t/46.6 kg/kg + 30 t/hm2× 0.845 × 1.52 kg/t =138 kg/hm2；那么推薦施鉀量（K2O）為：FK=（1-87.8%）× 30 t/hm2× 1 000 kg/t/29.3 kg/kg + 30 t/hm2×0.878×6.13 kg/t=309 kg/hm2。如果不知道土壤養分含量，可以采用表8 確定不同目標產量的施肥推薦。

表8 內蒙古馬鈴薯氮磷鉀養分推薦量（無測試值）Table 8 NPK nutrient recommendation for potato in Inner Mongolia

表9 內蒙古馬鈴薯磷鉀養分推薦量（有測試值時）Table 9 PK nutrient recommendation for potato in Inner Mongolia

如果已知該地塊的土壤測試值，對于氮素的推薦仍然采用基于產量反應與農學效率的推薦方法（表8）；對于磷肥推薦，相對產量（RYP）可以用RYP= yP= 16.417ln(x) + 49.152（圖8b，x 表示土壤有效磷值）估算，推薦施磷（P2O5）量為：FP=（1-RYP）× Ya/AEP+ Ya × NRP= [1-（16.417ln(x) +49.152）/100] × Ya/AEP+ Ya × NRP，如目標產量為30 t/hm2，土壤有效磷10 mg/kg，那么FP= [1-（16.417ln(10)+49.152）/100]×30×1 000/46.6+30×1.52 = 130 kg/hm2。對于鉀肥推薦，相對產量（RYK）可以用RYK=yK=14.59ln(x)+19.323（圖8c，x 表示土壤速效鉀值）估算，推薦施鉀（K2O）量為：FK=（1- RYK）× Ya/AEK+ Ya × NRK= [1-（14.59ln(x)+19.323）/100]×Ya/AEK+Ya×NRK，如目標產量為30 t/hm2，土壤速效鉀為100 mg/kg，那么FK= [1 -（14.59ln(100) +19.323）/100] × 30 ×1 000/29.3+30×6.13=322 kg/hm2（表9）。

3 討 論

作物產量反應可以表征土壤的養分狀況，而農學效率是評價施肥效應最為直接的手段。

馬鈴薯缺素區的相對產量（不施用氮、磷、鉀肥）反映了該元素對馬鈴薯產量影響的重要程度。缺素區的馬鈴薯相對產量越高，表明缺少該養分元素對產量的影響越小，反之對產量影響越大。本研究表明不施氮肥的相對產量為81.7%，不施磷肥的相對產量為84.5%，不施鉀肥的相對產量為87.8%。馬鈴薯施用氮磷鉀肥區（NPK）較缺素區（PK，NK，NP）的產量增加值稱為缺該元素的產量反應，氮、磷、鉀肥的產量反應因土壤養分供應狀況、施肥水平等不同而有較大差異，產量反應越大表明施肥效果越好。本試驗中氮磷鉀的產量反應分別為4.2，3.6 和2.7 t/hm2。由相對產量和產量反應看出，氮肥＞磷肥＞鉀肥，說明氮肥仍然是限制產量的最主要元素，其次是磷鉀肥。這與其他人的研究結果基本相似[9-18]。

施肥的農學效率反映了施肥效果和投入產出狀況，施用氮磷鉀肥的產量反應與缺素區的相對產量有顯著的負相關關系，相對產量較高表明土壤本身供肥能力較強，土壤本身生產能力和可獲得的產量差距較小，這樣施肥后的產量反應也較小。施用氮肥（N）的農學效率為27.5 kg/kg，施用磷肥（P2O5）的農學效率為46.6 kg/kg，施用鉀肥（K2O）的農學效率為29.3 kg/kg。施用氮磷鉀肥的產量反應和農學效率之間有顯著的正相關關系，通常產量反應越小表明土壤的肥力越高，導致農學效率較低。相反，產量反應越高意味著土壤供肥能力越低，因而施肥的農學效率相對較高。可以采用基于作物產量反應和農學效率的推薦施肥方法進行馬鈴薯的施肥推薦。這種推薦施肥方法已在小麥和玉米上進行了應用[23-28]。

生產單位產量馬鈴薯塊莖需要吸收的養分量受土壤養分供應狀況、栽培管理技術和氣候條件等綜合因素的影響其數值不是絕對穩定的而是相對的[6-9]，由這一數值可以確定一定馬鈴薯目標產量的養分需求量。土壤測試值是評價土壤肥力的重要依據，可以用于指導馬鈴薯生產的推薦施肥，特別是磷鉀肥。土壤有效磷和速效鉀含量和缺素區相對產量之間有較好的線性相關關系，依據這一相關關系可以確定內蒙古馬鈴薯生產的土壤有效磷和土壤交換性鉀的養分豐缺指標，可以指導測土推薦磷鉀肥。可以依據土壤測試值、目標產量的養分吸收量、肥料利用率等參數確定一定馬鈴薯產量下的養分推薦施用量，鄭海春等[32]、張子義等[33]、田越和李勇[34]依據土壤養分豐缺指標對陰山南北麓和陜南的馬鈴薯提出了施肥建議。

本文提出的采用基于作物產量反應和農學效率的馬鈴薯推薦施肥方法，可以應用于內蒙古馬鈴薯的施肥推薦。對于土壤鉀素含量較低的區域可以采用本方法進行鉀肥推薦，但是對于土壤鉀素含量較高的地塊，鉀肥推薦量可以不考慮土壤植物系統的鉀素平衡，只考慮施鉀的產量反應進行推薦。本方法解決了目前馬鈴薯生產上由于沒有較適用的推薦施肥方法而盲目施肥問題，具有重要意義。