有機肥替代氮肥對馬鈴薯氮素吸收利用及土壤氮素供應的影響

李超　趙國鼎　李利　張少華　樊明壽　石曉華

摘? ? 要：探究有機肥替代化肥氮及不同配施比例對馬鈴薯氮素吸收及土壤氮素供應的影響，為保證馬鈴薯產量和減少土壤氮素損失提供科學指導。設置5個處理，分別為不施氮肥（CK）、100%氮肥施入（T0）、30%有機肥替代氮肥（T1）、60%有機肥替代氮肥（T2）、100%有機肥替代氮肥（T3）。通過大田試驗，比較各處理馬鈴薯干物質量、氮素吸收利用、土壤礦質氮含量、土壤氮素平衡等方面的差異。結果表明：與100%化肥氮施入相比，60%有機肥替代化肥氮2年平均產量提高了10.31%，氮素累積量提高了8.14%，氮肥偏生產力提高了9.85%，氮肥利用效率提高8.07%，提高了土壤礦質氮含量，減少氮素表觀損失量和氮素盈余量。從馬鈴薯的干物質質量、氮素吸收利用、土壤礦質氮含量、土壤氮素平衡等方面考慮，在60%有機肥替代氮肥時提高了產量、氮素吸收利用，同時減少了氮素表觀損失量和氮素盈余量。

關鍵詞：有機肥替代氮肥；氮素供應; 氮素利用

中圖分類號：S682.2? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2023.S.024

The Effect of Organic Fertilizer Replacing Fertilizer Nitrogen on Potato Nitrogen Absorption and Soil Nitrogen Supply

LI Chao1， ZHAO Guoding1， LI Li， ZHANG Shaohua2，FAN Mingshou1， SHI Xiaohua1

（1.College of Agriculture，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot，Inner Mongolia? 010019，China；2. Qahar Youyi Middle Banner Agricultural and Animal Husbandry，Science and Technology Bureau， Kebuer，Inner Mongolia 013550， China）

Abstract：To explore the effects of organic fertilizer replacing chemical fertilizer nitrogen and different application ratios on potato nitrogen absorption and soil nitrogen supply， in order to provide scientific guidance for ensuring potato yield and reducing soil nitrogen loss. This paper set up five processes， including no nitrogen application （CK）， 100% fertilizer nitrogen application （T0）， 30% organic fertilizer instead of fertilizer nitrogen （T1）， 60% organic fertilizer instead of fertilizer nitrogen （T2）， and 100% organic fertilizer instead of fertilizer nitrogen（T3）. Through field experiments， the differences in potato dry matter quality， nitrogen absorption and utilization， soil mineral nitrogen content， and soil nitrogen balance among different treatments were compared. Compared with the application of 100% chemical fertilizer nitrogen， the replacement of 60% organic fertilizer nitrogen increased yield by an average of 10.31%， nitrogen accumulation increased by 8.14%， nitrogen partial productivity increased by 9.85%， nitrogen utilization efficiency increased by 8.07%， soil mineral nitrogen content increased， and nitrogen apparent loss and surplus decreased over the past two years. Considering the dry matter quality， nitrogen absorption and utilization， soil mineral nitrogen content， and soil nitrogen balance of potatoes， when 60% organic fertilizer replaces chemical fertilizer nitrogen， it improves yield， nitrogen absorption and utilization， while reducing nitrogen apparent loss and nitrogen surplus.

Key words： organic fertilizer replacing fertilizer nitrogen; nitrogen supply; nitrogen utilization

馬鈴薯（Solanum tuberosum）起源于南美和北美州，全世界有約158個國家和地區種植，約10億人將馬鈴薯作為主食。我國是馬鈴薯種植大國，產量約占世界總產量的1/4[1]。氮素供應是馬鈴薯生長發育和產量的關鍵限制因子之一[2]。化學氮肥是保障馬鈴薯豐產穩產的重要措施。但長期不合理的施用化學氮肥不僅不能增產，還將對生態系統和自然環境造成嚴重威脅[3]。因此，探究一種安全有效的氮肥施用方案迫在眉睫。施用有機肥可以改善生態環境、提高養分利用效率[4-5]，但存在養分含量低、肥效慢等特點[6]，單施有機肥往往不能滿足作物的養分需求，特別是在作物需氮較多的關鍵生育時期[7]。大量研究發現，有機肥替代氮肥能夠增加作物氮素吸收的同時，提高土壤氮素供應水平。但對馬鈴薯農田上有機肥替代氮肥對馬鈴薯氮素吸收及氮素供應鮮有研究[8-9]。本研究針對內蒙古馬鈴薯主產區農田長期施入氮肥造成的土壤氮素累積、環境風險日益增大等問題[10-11]，通過設置有機肥替代氮肥比例，探究有機肥替代氮肥對馬鈴薯氮素吸收利用和土壤氮素供應的影響，為提高馬鈴薯氮素利用效率和降低馬鈴薯農田土壤氮素損失提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2021年4月至2022年9月在內蒙古自治區烏蘭察布市察哈爾右翼中旗西壕塹村進行，該地區處于溫帶大陸性氣候，海拔1? 780? m，平均氣溫1.3 ℃，試驗田土壤為栗鈣土。播前土理化性質見表1。

1.2 試驗設計

供試品種為‘克新1號，內蒙古旭豐農業科技有限公司提供。供試肥料為商品有機肥（養分含量見表2），供試肥料為尿素（N 46%）、重過磷酸鈣（P2O5 46%）、硫酸鉀（K2O 51%）。

試驗采用隨機區組設計，壟作栽培模式，種植密度46 000株·hm-2，灌溉方式為滴灌。每個處理重復3次，小區面積90 m2。該試驗共設置5個處理，不施氮肥處理（CK）、100%氮肥施入處理（T0）、30%有機肥替代氮肥處理1（T1）、60%有機肥替代氮肥處理2（T2）、100%有機肥替代氮肥處理3（T3）。有機肥、氮、磷、鉀肥均作為基肥一次性施入。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 測定方法 （1）植株干物質量：出苗后15、30、45、60、75 d各處理分別取3株馬鈴薯植株，將馬鈴薯分為根、莖、葉、塊進行處理，將各部分置于烘箱110 ℃殺青30 min，然后在80 ℃烘干48 h，取出稱質量。將烘干植株樣品粉碎后，處于Skalar杜馬斯儀器中，使用燃燒法測定植株全氮含量。收獲時分小區實測記產。（2）土壤礦質氮：土壤樣品采用流動分析儀法進行測定。

1.3.2 計算方法 氮肥偏生產力和氮肥表觀利用率公式如下：

氮肥偏生產力（kg·kg-1）=產量（kg·hm-2）/施氮量（kg·hm-2）（1）

氮肥表觀利用率=（施氮處理作物吸氮量-不施氮處理作物吸氮量）/施氮量×100%（2）

氮素表觀損失量和氮素盈余量公式如下：

氮素表觀損失量（kg·hm-2）=（施氮量+土壤起始無機氮累積量+土壤氮素凈礦化量）-（作物吸氮量+土壤殘留無機氮累積量）（3）

氮素盈余量（kg·hm-2）=氮素表觀損失量+土壤殘留無機氮累積量（4）

土壤各土層無機氮（硝態氮和銨態氮）累積量（Nmin，kg·hm-2）計算公式如下：

Nmin = h×C×B/10（5）

式中，h為土層厚度（cm）；C為無機氮含量（mg·kg-1）；B為土層土壤容重（g·cm-3）。

1.4 數據分析

試驗土壤及植株數據采用Microsoft Excel 2016進行數據統計，采用SPSS 25.0軟件進行方差分析（P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 有機肥替代氮肥對馬鈴薯干物質質量的影響

由圖1可以看出，在整個馬鈴薯生育時期，馬鈴薯干物質質量隨著時間的變化而逐漸升高。出苗后15 d左右，各處理無顯著差異；出苗后30 d，2021年T0處理干物質質量顯著高于CK處理，增幅為39.26%，2022年T0處理顯著高出其他處理，增幅為12.15%～35.54%，T1、T2、T3處理間無顯著差異；出苗后45 d，2021年T2處理顯著高于CK、T1、T3處理，增幅為11.31%～42.93%，2022年T0處理顯著高于其他處理；出苗后60 d，2021年各處理與CK差異顯著，2022年T2處理與其他處理差異顯著，增幅為18.36%～27.20%；出苗后75 d，2年均表現出T2處理顯著高于T0處理，其中2年增幅分別為3.13%、5.49%。

2.2 有機肥替代氮肥對馬鈴薯氮素吸收利用的影響

氮素對馬鈴薯營養器官形成和生長都有著良好的促進作用（圖2）。從2年數據中看出，馬鈴薯氮素累積量在出苗后15 d各個處理均沒有表現出明顯差異；出苗后30 d，2021年CK處理顯著低于其他處理，其他處理增幅為27.52%～34.74%，2022年T0處理顯著高于其他處理，增幅為11.73%～39.58%；出苗后45 d，2021年T0、T1、T2處理顯著高于其他處理，其中T2處理氮素累積量最高，T2處理與T3、CK處理相比，增幅為19.00%～53.87%，T0、T1、T2處理間無顯著差異，2022年T2處理顯著高于其他處理，增幅為9.85%～42.49%；出苗后60 d，2021年T2處理顯著高于其他處理，增幅為5.03%～51.21%，2022年T2處理顯著高于其他處理，增幅為12.70%～41.94%；出苗后75 d，2年均表現為T2處理顯著高于其他處理，增幅為8.14%～60.30%。以上表明，氮素吸收在出苗后45～60 d達到氮素吸收的高峰，且在有機肥替代60%氮肥時，馬鈴薯氮素累積最高，適宜馬鈴薯的生長。

由圖3可知，有機肥替代氮肥對產量影響明顯，但不同處理對產量影響不一致。2年結果均表現為T2處理顯著高于其他處理，其中T2處理與T0處理相比，增幅為8.31%～12.31%，T2與其他處理相比，增幅為15.65%～26.59%。2年增幅表現為：T2>T0>T1>T3>CK。盡管100%氮肥施入處理使馬鈴薯產量提高，但適宜的有機肥替代氮肥比例會使馬鈴薯產量高于氮肥輸入。若有機肥替代氮肥過高或過低，也會造成馬鈴薯產量過低。

偏生產力是反映土壤肥力水平和肥料輸入量綜合效應的重要指標。由圖4可以看出，2021年T2處理顯著高于其他處理，T1處理和T0處理間無顯著差異，其中T2處理較其他處理增幅為11.39%～22.14%；2022年T2處理顯著高于其他處理，且各處理都存在顯著差異，T2處理較其他處理增幅為8.32%～21.86%；2年數據均表現為：T2>T0>T1>T3。

由圖5可知，2021年T2處理顯著高于其他處理，T1和T3處理間無顯著差異，其中T2處理較其他處理增幅為8.67%～22.88%；2022年T2處理顯著高于其他處理為：增幅為7.48%～21.95%；2年數據均表現為T2>T0>T1>T3。

2.3 有機肥替代氮肥對馬鈴薯農田土壤氮素供應的影響

土壤礦質氮是馬鈴薯能夠直接吸收利用的養分。由圖6可以看出，2年數據顯示，隨著土層加深，礦質氮含量下降，同時隨著時間的變化，礦質氮含量呈先下降后上升的趨勢。在0～20 cm土層中，出苗15 d，2021年T0處理顯著高于其他處理，T0處理較CK和T3處理增幅22.57%、52.97%，T0與T1、T2處理無顯著差異；2022年T0處理顯著高出其他處理，T0處理較CK、T2、T3處理增幅55.92%、15.39%、21.72%，T0與T1處理無顯著差異。出苗后30 d，2021年除CK處理外，其他各處理間無顯著差異，其他處理與CK處理相比，增幅為44.52%～52.87%；2022年T2處理顯著高于其他處理，增幅為5.84%～70.47%。出苗后45 d，2021年除CK處理外，其他各處理間無顯著差異，其他處理與CK處理相比，增幅為43.06%～56.15%；2022年T1處理顯著高于CK、T2、T3處理，增幅為75.33%、9.02%、12.90%。出苗后60 d，2年均表現為CK顯著低于其他處理；2021年其他處理與CK處理相比，增幅為49.44%～54.72%；2022年其他處理與CK處理相比，增幅為52.61%～55.15%。出苗后75 d，2021年T3處理顯著高于CK、T0處理，T3與T1、T2處理不顯著，增幅18.99%、62.63%；2022年CK顯著低于其他處理，與CK處理相比，各處理增幅為62.49%～67.32%。

由圖7可知，在20～40 cm土層中，出苗15 d，2021年T0處理顯著高于其他處理，T0與T1處理無顯著差異，T0處理較CK和T2、T3處理增幅為55.29%、16.02%、18.00%；2022年T0處理顯著高出其他處理，T0與T1處理無顯著差異，T0處理較CK、T2、T3處理增加47.61%、12.91%、23.00%。出苗后30 d，2021年除CK處理外，其他各處理間無顯著差異，其他處理與CK處理相比，增幅為40.80%～50.92%；2022年T0處理顯著高于CK、T3處理，增加52.90%和14.97%，T0與T1、T2處理無顯著差異。出苗后45 d，2年表現為除CK處理外，其他各處理間無顯著差異，其他處理與CK處理相比，2021年增幅為47.17%～52.00%，2022年增幅為59.38%～62.08%。出苗后60 d，2021年T3處理顯著高于CK、T0處理，增幅為54.06%、25.39%；2022年除CK處理外，其他各處理間無顯著差異，其他處理與CK處理相比，增幅為47.73%～52.55%。出苗后75 d，年均表現為T3處理顯著高于其他處理（除T2處理外），2021年增幅為24.36%～62.08%，2022年增幅為11.99%～55.15%。

2年數據顯示，出苗后60 d與出苗后15 d相比，礦質氮含量下降45.71%～54.41%。而在T2處理中，礦質氮含量下降30.17%～32.21%。出苗后60 d為馬鈴薯膨大期，該時期為馬鈴薯最大需氮時期，其下降趨勢表明，在0～40 cm土層中，T2處理較T0處理有較強的供氮能力。

通過不同有機肥替代氮肥下土壤-馬鈴薯體系氮素平衡分析（表4），各處理的氮素輸入以肥料氮投入為主，占氮素輸入總量的66.11%、75.76%；其次是凈礦化量投入，占氮素輸入總量的22.82%、12.21%；而土壤起始無機氮比例最低，占氮素輸入總量的11.07%、12.08%。各處理的氮素輸出以作物吸收為主，其次為氮素表觀損失量，氮素殘留無機氮占比最低。不同處理間土壤殘留無機氮，T3處理殘留無機氮最高，與T3處理比較，T2處理氮素表觀損失量顯著減少63.2、54.9 kg·hm-2。不同處理均表現出氮素盈余，盈余量介于190.7～259.6 kg·hm-2、241.1～307.0 kg·hm-2，其中T3處理氮素盈余量最高，顯著高于T2處理。T3處理氮素盈余量較T2處理2年分別高出68.9、65.9 kg·hm-2。

3 討論與結論

有機肥替代氮肥能有效提高土壤氮素供應原因，以供作物吸收利用[12]。張濟世[13]研究發現，當有機肥替代20%氮肥時，較100%氮肥施入，能夠顯著增加水稻氮素累積量。原因可能是有機肥優化了土壤氮素供應水平，進而促進了地上部發育和干物質積累。陳志龍[14]研究發現，小麥使用有機肥替代氮肥與100%氮肥施入相比，小麥產量較低，但氮肥利用率高于100%氮肥處理。原因可能是100%氮肥施入可以保證小麥在前期養分供應充足，但后期養分供應不足。本研究發現，當有機肥替代60%氮肥時，馬鈴薯干物質質量、氮素累積量、氮肥利用率、產量均高于100%氮肥施入處理。原因可能是前期100%氮肥施入使氮素供應充足，但在馬鈴薯塊莖膨大期之后，氮肥氮素供應低于有機肥替代化肥氮，有機肥替代氮肥提高了后期供氮水平，滿足了作物后期對氮的需求。原因供應可能是有機肥中含有腐植酸類物質，施入土壤后促進了微生物的繁殖，在作物生長期間持續礦化出可利用的氮，優化了土壤供氮水平[15-16]，滿足了馬鈴薯對氮素的需求，進而提高了馬鈴薯的干物質質量、氮素累積量、產量。

有機肥替代氮肥不僅能夠提高作物對氮的吸收利用，還能夠降低環境危險。在大田作物中，未被作物當季利用的氮主要通過無機氮殘留和氮素表觀損失形式損失[17]。賈緒存[18]研究發現，夏玉米施用一定數量的有機肥較施用化學氮肥相比，可有效減少土壤氮素損失。本研究發現，用有機肥替代60%氮肥，提高了馬鈴薯對氮素的吸收利用，減少了氮素損失。原因可能是有機肥改善了土壤氮循環，進而減少了氮素損失[19]。

綜上所述，有機肥替代氮肥后對馬鈴薯氮素吸收的影響主要在關鍵生育期（馬鈴薯塊莖膨大期）。在馬鈴薯塊莖膨大期氮素吸收利用處于峰點[20]，有機肥替代60%氮肥處理在馬鈴薯膨大期滿足了馬鈴薯氮素供應，從而促進了馬鈴薯產量增長。本研究結果可為馬鈴薯生產上有機肥替代氮肥的施用提供參考。

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收稿日期：2023-05-31

基金項目：內蒙古自治區高等學校科學研究項目（NJZY22482）；內蒙古自治區科技重大專項（2021ZD0043）

作者簡介：李超（1997—），男，內蒙古呼倫貝爾人，在讀碩士生，主要從事為植物營養生理學研究。

通訊作者簡介：石曉華（1986—），男，內蒙古烏蘭察布人，講師，博士，主要從事馬鈴薯養分生理研究。