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不同施氮量对典型黑土马铃薯产量、养分吸收和氮素利用率的影响

李珺 刘双全 仇少君 赵士诚 徐新朋 郭腾飞 张佳佳 何萍

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不同施氮量对典型黑土马铃薯产量、养分吸收和氮素利用率的影响

    作者简介: 李珺 E-mail:lijunout@outlook.com;
    通讯作者: 仇少君, E-mail:qiushaojun@caas.cn
  • 基金项目: 国家重点研发专项(2016YFD0200101,2018YFD0200804);马铃薯产业体系岗位科学家(903-19);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(1610132019014)。

Effects of different nitrogen rates on potato yield, nutrients uptake and nitrogen use efficiency in a typical black soil

    Corresponding author: QIU Shao-jun, E-mail:qiushaojun@caas.cn ;
  • 摘要:   【目的】  我国马铃薯生产中氮肥施用不平衡现象严重,过量施氮不利于农田可持续发展和生态环境保护。本文通过研究不同施氮量对马铃薯产量、养分吸收和氮肥利用率的影响,养分专家系统 (Nutrient Expert,NE) 系统为马铃薯推荐施肥提供科学依据。  【方法】  本研究于2017―2018年分别在黑龙江克山不同地块进行2个田间试验,在NE推系统推荐施肥的基础 (N180),设置推荐施氮量减施的50% (N90)、25% (N135) 和增施50% (N270)、25% (N225),以及不施氮肥的对照处理 (N0)。测定了马铃薯产量、养分吸收量、肥料利用率指标。  【结果】  2017和2018年马铃薯产量均以NE系统推荐的N180处理最高,较N0处理两年平均增产40.4%。N90和N135处理低施氮水平 (≤ 180 kg/hm2) 下,随着施氮量的增加,马铃薯产量也显著增加,当施氮量超过NE系统推荐的施肥量 (180 kg/hm2) 后,继续增施氮肥对产量的增加无显著影响。与N0处理相比,两年N180处理的块茎、秸秆及全株氮素吸收量平均增幅分别为49.8%、58.2%和52.0%,磷素吸收量平均增幅36.3%、52.2%和39.8%,钾素吸收量增幅26.4%、46.8%和31.3%,生产1 t块茎 (鲜重) 所需要的氮、磷、钾养分分别为4.6、1.1和5.8 kg。N180处理的产量和氮磷钾养分吸收量均为最高,氮素偏生产力、农学效率和氮素回收率低于N90处理及N135处理,但差异并不显著。  【结论】  在不超过马铃薯氮素需求条件下,增加氮肥投入可以显著增加马铃薯产量和氮素吸收量,提高氮肥利用率,NE系统能够对马铃薯科学指导施肥,保障马铃薯产量,提高肥料利用率。
  • 图 1  施氮量与马铃薯产量的关系

    Figure 1.  The relationship between tuber yields and N rate

    表 1  试验点降水量及土壤基础理化性质

    Table 1.  Precipitation and Physical and chemical properties of the soils of field experimental sites

    试验年份
    Test year
    生育期降雨量 (mm)
    Precipitation in growth period
    有机质 (g/kg)
    Organic matter
    全氮 (g/kg)
    Total N
    碱解氮 (mg/kg)
    Available N
    有效磷 (mg/kg)
    Available P
    速效钾 (mg/kg)
    Available K
    pH
    201735035.71.98212.742.1238.05.9
    201830044.12.62176.743.4170.06.0
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    表 2  2017―2018年不同施氮量下马铃薯块茎和秸秆氮素吸收量 (kg/hm2)

    Table 2.  N uptake in the tuber and straw of potato under different N application rates during 2017–2018

    处理Treatment块茎Tuber秸秆Straw全株Total
    20172018平均Mean20172018平均Mean20172018平均Mean
    N077.7 ± 9.7 b105.0 ± 26.2 b91.3 ± 9.6 b41.1 ± 4.6 b22.1 ± 1.5 c31.6 ± 1.6 b118.8 ± 14.1 b127.0 ± 27.4 b122.9 ± 8.1 c
    N9099.7 ± 7.1 ab140 ± 18.8 ab119.0 ± 13.0 a52.4 ± 8.3 ab31.6 ± 3.3 ab42.0 ± 3.6 a152.1 ± 12.5 ab171.6 ± 21.1 ab161.8 ± 15.7 ab
    N135107.8 ± 5.0 a148.3 ± 5.8 a128.1 ± 4.7 a57.5 ± 1.8 a34.6 ± 4.4 ab46.1 ± 2.5 a165.3 ± 6.9 a183.0 ± 3.0 a174.1 ± 4.9 ab
    N180113.2 ± 3.4 a160.0 ± 15.6 a136.8 ± 6.1 a62.3 ± 5.3 a37.8 ± 0.8 a50.0 ± 2.2 a175.4 ± 8.6 a198.1 ± 16.4 a186.8 ± 3.9 a
    N225108.8 ± 25.1 a143.0 ± 15.7 ab126.1 ± 15.6 a59.4 ± 12.7 a38.2 ± 4.7 a48.8 ± 8.7 a168.2 ± 37.5 a181.6 ± 15.1 a174.9 ± 22.3 ab
    N270100.2 ± 8.6 ab132.0 ± 8.3 ab116.1 ± 5.5 a52.6 ± 2.9 ab28.1 ± 1.1 bc40.4 ± 1.0 ab152.9 ± 11.3 ab160.1 ± 9.4 ab156.5 ± 6.1 b
    注(Note):同列数值后不同小写字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lower letters in the same column present the significant difference at the P < 0.05 level among N treatments.
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    表 3  2017―2018年不同施氮量下马铃薯块茎和秸秆磷素吸收量 (kg/hm2)

    Table 3.  P uptake in the tuber and straw of potato under different N application rates during 2017–2018

    处理Treatment块茎Tuber秸秆Straw全株Total
    20172018平均Mean20172018平均Mean20172018平均Mean
    N028.4 ± 4.5 b14.5 ± 1.8 b21.5 ± 1.4 b9.8 ± 1.5 c4.0 ± 0.3 c6.9 ± 0.7 c38.2 ± 5.9 b18.5 ± 2.0 b28.4 ± 2.0 b
    N9034.4 ± 1.6 ab18.3 ± 1.9 ab26.3 ± 1.1 a11.9 ± 0.3 bc4.8 ± 0.3 b8.3 ± 0.3 b46.2 ± 1.9 ab23.0 ± 2.2 a34.6 ± 1.3 a
    N13537.7 ± 1.2 a19.5 ± 2.1 a28.6 ± 1.6 a13.4 ± 0.7 ab5.8 ± 0.2 a9.6 ± 0.3 b51.1 ± 1.7 a25.3 ± 2.1 a38.2 ± 1.9 a
    N18038.7 ± 1.6 a19.8 ± 0.5 a29.3 ± 0.8 a14.9 ± 0.5 a6.1 ± 0.1 a10.5 ± 0.2 a53.6 ± 1.7 a25.9 ± 0.5 a39.7 ± 0.8 a
    N22535.7 ± 5.7 ab19.2 ± 2.3 a27.4 ± 3.9 a13.3 ± 1.7 ab5.7 ± 0.7 a9.5 ± 1.1 ab49.0 ± 7.4 a24.9 ± 3.0 a36.9 ± 5.1 a
    N27033.5 ± 0.5 ab18.0 ± 1.4 ab25.8 ± 0.9 a12.3 ± 0.6 b5.4 ± 0.2 ab8.9 ± 0.4 ab45.8 ± 1.1 ab23.4 ± 1.5 a34.6 ± 1.3 a
    注(Note):同列数值后不同小写字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lower letters in the same column present the significant difference at the P < 0.05 level among N treatments.
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    表 4  2017―2018年不同施氮量下马铃薯块茎和秸秆钾素吸收量 (kg/hm2)

    Table 4.  K uptake in the tuber and straw of potato under different N application rates during 2017–2018

    处理Treatment块茎Tuber秸秆Straw全株Total
    20172018平均Mean20172018平均Mean20172018平均Mean
    N0119.9 ± 13.5 b144.6 ± 24.4 b132.3 ± 9.1 b58.9 ± 9.6 c30.8 ± 1.6 d44.9 ± 4.1 d178.8 ± 23.1 b175.5 ± 24.89 b177.1 ± 9.0c
    N90139.0 ± 8.0 ab163.5 ± 7.6 ab151.2 ± 7.0 ab67.9 ± 3.7 bc34.5 ± 2.7 cd51.2 ± 3.2 cd206.9 ± 11.1 ab198 ± 10.17 ab202.4 ± 10.1bc
    N135155.3 ± 2.5 a174.2 ± 8.0 ab164.7 ± 5.2 a78.5 ± 3.5 ab41.0 ± 2.8 abc59.8 ± 1.0 abc233.7 ± 6.0 a215.2 ± 7.25 a224.5 ± 6.1 ab
    N180158.9 ± 3.4 a175.4 ± 7.5 a167.2 ± 2.3 a88.3 ± 2.2 a43.5 ± 0.9 ab65.9 ± 0.9 a247.3 ± 3.0 a219.0 ± 8.23 a233.1 ± 2.6 a
    N225147.3 ± 24.6 ab166.9 ± 10.6 ab157.1 ± 17.6 a78.3 ± 13.1 ab46.3 ± 5.2 a62.3 ± 9.1 ab225.6 ± 37.6 a213.2 ± 15.81 a219.4 ± 26.7 ab
    N270138.5 ± 2.5 ab158.2 ± 7.4 ab148.3 ± 4.7 ab73.6 ± 3.9 abc36.9 ± 2.8 bcd55.2 ± 3.3 bc212.1 ± 6.1 ab195.1 ± 8.09 ab203.6 ± 6.7 abc
    注(Note):同列数值后不同小写字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lower letters in the same column present the significant difference at the P < 0.05 level among N treatments.
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    表 5  2017―2018年不同氮水平下生产1000公斤马铃薯鲜重的养分吸收量 (kg/1000 kg)

    Table 5.  Nutrient uptake for producing 1000 kg-tuber of potato under different N rate during 2017–2018

    处理TreatmentNPK
    20172018平均mean20172018平均mean20172018平均mean
    N04.3 ± 0.26 a4.0 ± 0.42 a4.2 ± 0.11 a1.4 ± 0.14 a0.6 ± 0.03 a1.0 ± 0.07 a6.5 ± 0.46 a5.3 ± 0.23 a6.1 ± 0.24 a
    N904.6 ± 0.20 a4.3 ± 0.45 a4.4 ± 0.19 a1.4 ± 0.06 a0.6 ± 0.03 a1.0 ± 0.03 a6.2 ± 0.19 a4.9 ± 0.08 a5.6 ± 0.13 a
    N1354.7 ± 0.03 a4.3 ± 0.37 a4.5 ± 0.18 a1.5 ± 0.05 a0.6 ± 0.00 a1.0 ± 0.02 a6.7 ± 0.06 a5.0 ± 0.29 a5.9 ± 0.15 a
    N1804.8 ± 0.50 a4.4 ± 0.24 a4.6 ± 0.21 a1.5 ± 0.18 a0.6 ± 0.01 a1.1 ± 0.09 a6.8 ± 0.69 a4.9 ± 0.22 a5.8 ± 0.27 a
    N2254.9 ± 0.28 a4.2 ± 0.41 a4.6 ± 0.28 a1.5 ± 0.04 a0.6 ± 0.03 a1.1 ± 0.01 a6.7 ± 0.11 a4.9 ± 0.00 a5.8 ± 0.06 a
    N2704.8 ± 0.34 a4.2 ± 0.16 a4.5 ± 0.18 a1.4 ± 0.02 a0.6 ± 0.03 a1.0 ± 0.02 a6.7 ± 0.12 a5.1 ± 0.24 a5.9 ± 0.11 a
    注(Note):同列数值后不同小写字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lower letters in the same column present the significant difference at the P < 0.05 level among N treatments.
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    表 6  不同氮水平对马铃薯氮肥利用率的影响

    Table 6.  Effect of different N treatments on the nitrogen efficiency of potato

    处理
    Treatment
    氮素偏生产力PFPN (kg/kg, N)氮素农学效率AEN (kg/kg, N)氮素回收率REN (%)
    20172018平均Mean20172018平均Mean20172018平均Mean
    N90368.5 ± 25.3 a446.7 ± 25.1 a407.6 ± 23.2 a63.9 ± 37.1 a101.5 ± 15.1 a82.7 ± 11.0 a37.0 ± 28.0 a49.5 ± 25.4 a43.2 ± 9.1 a
    N135259.3 ± 9.1 b319.0 ± 26.1 b289.1 ± 15.0 b56.2 ± 15.1 ab88.9 ± 51.9 ab72.5 ± 22.9 ab34.5 ± 11.4 ab41.4 ± 21.0 ab38.0 ± 9.0 ab
    N180205.1 ± 17.4 c250.6 ± 7.3 c227.8 ± 9.8 c52.8 ± 23.4 ab78.0 ± 24.0 ab65.4 ± 5.6 ab31.5 ± 12.2 ab39.5 ± 21.5 ab35.5 ± 5.2 ab
    N225150.4 ± 27.3 d192.4 ± 14.3 d171.4 ± 20.8 d28.5 ± 25.3 ab54.4 ± 19.2 ab41.4 ± 18.8 bc22.0 ± 16.0 bc24.2 ± 5.6 bc23.1 ± 7.4 bc
    N270117.6 ± 2.0 d141.7 ± 4.4 e129.7 ± 2.6 e16.0 ± 8.3 b26.7 ± 15.9 b21.4 ± 5.9 c12.6 ± 8.3 c12.2 ± 10.0 c12.4 ± 1.9 c
    注(Note):PFPN―Partial factor productivity of nitrogen; AEN―Agronomy efficiency of nitrogen applied; REN―Nitrogen apparent recovery efficiency. 同列数值后不同小写字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lower letters in the same column present the significant difference at the P < 0.05 level among N treatments.
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  • 收稿日期:  2019-08-22

不同施氮量对典型黑土马铃薯产量、养分吸收和氮素利用率的影响

    作者简介:李珺 E-mail:lijunout@outlook.com
    通讯作者: 仇少君, qiushaojun@caas.cn
  • 1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081
  • 2. 黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所,哈尔滨 150086
  • 基金项目: 国家重点研发专项(2016YFD0200101,2018YFD0200804);马铃薯产业体系岗位科学家(903-19);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(1610132019014)。
  • 摘要:   【目的】  我国马铃薯生产中氮肥施用不平衡现象严重,过量施氮不利于农田可持续发展和生态环境保护。本文通过研究不同施氮量对马铃薯产量、养分吸收和氮肥利用率的影响,养分专家系统 (Nutrient Expert,NE) 系统为马铃薯推荐施肥提供科学依据。  【方法】  本研究于2017―2018年分别在黑龙江克山不同地块进行2个田间试验,在NE推系统推荐施肥的基础 (N180),设置推荐施氮量减施的50% (N90)、25% (N135) 和增施50% (N270)、25% (N225),以及不施氮肥的对照处理 (N0)。测定了马铃薯产量、养分吸收量、肥料利用率指标。  【结果】  2017和2018年马铃薯产量均以NE系统推荐的N180处理最高,较N0处理两年平均增产40.4%。N90和N135处理低施氮水平 (≤ 180 kg/hm2) 下,随着施氮量的增加,马铃薯产量也显著增加,当施氮量超过NE系统推荐的施肥量 (180 kg/hm2) 后,继续增施氮肥对产量的增加无显著影响。与N0处理相比,两年N180处理的块茎、秸秆及全株氮素吸收量平均增幅分别为49.8%、58.2%和52.0%,磷素吸收量平均增幅36.3%、52.2%和39.8%,钾素吸收量增幅26.4%、46.8%和31.3%,生产1 t块茎 (鲜重) 所需要的氮、磷、钾养分分别为4.6、1.1和5.8 kg。N180处理的产量和氮磷钾养分吸收量均为最高,氮素偏生产力、农学效率和氮素回收率低于N90处理及N135处理,但差异并不显著。  【结论】  在不超过马铃薯氮素需求条件下,增加氮肥投入可以显著增加马铃薯产量和氮素吸收量,提高氮肥利用率,NE系统能够对马铃薯科学指导施肥,保障马铃薯产量,提高肥料利用率。

    English Abstract

    • 马铃薯 (Solanum tuberosum L.) 是全球仅次于水稻、小麦、玉米的第四大粮食作物,其生长适应性强、产量高,兼具良好的营养价值和经济价值,在保障全球粮食安全、应对粮食危机和促进脱贫攻坚等方面发挥着重要的作用[1]。氮素是马铃薯产量的首要限制因子[2],在马铃薯的生长过程中投入大量氮素能提高块茎的产量和质量,但农户为了获得更高的产量而过量施用氮肥[3],导致氮肥利用率较低[4]。近年来,欧洲国家主要粮食作物的氮肥投入总量仅有中国的一半左右[5],氮肥利用率可达40%~60%[6],而我国主要粮食作物的氮肥利用率仅有35%左右[7-8]。总结国内外的研究可以看出,优化养分管理措施是提高肥料利用率最直接有效的措施,例如,在优化的管理措施下水稻的氮肥利用率可达到50%~80%[9],侯翔皓等[10]研究也显示通过合理施肥可以明显提高马铃薯的产量及氮肥利用率。可见,优化养分管理不仅能提高肥料养分利用效率,而且能降低资源浪费,保护环境。肥料效应函数是一种常用的、对养分总量优化的施肥方法,其主要通过肥料养分施用梯度与对应产量拟合出最佳施肥量。但该关系式受年际间的环境、施肥和田间管理等因素影响较大,相应拟合出的最佳函数关系式往往变化也较大[11]。近年来,在SSNM (Site-specific nitrogen management) 原则的基础上结合QUEFTS模型,依据作物产量反应和农学效率的关系构建了养分专家推荐施肥系统 (Nutrient Expert,NE),该系统结合4R养分管理原则,形成针对不同农户田间生产实际情况的肥料养分套餐,在保证作物产量的前提下,科学减施肥料,提高肥料养分利用率,并简化为手机操作系统,大幅减少田间试验工作量[12]。目前NE系统在水稻、小麦、玉米等作物种植区进行的推荐施肥工作取得了良好的效果[13],并基于同样原理构建了马铃薯养分专家系统,但马铃薯田间收获物是地下块茎,而且通常情况下以鲜重产量计算,那么基于产量反应和农学效率的养分专家推荐的施肥系统是否适合马铃薯田间生产有待进一步验证。依据肥料效应函数对NE系统开展田间验证试验有助于进一步明确NE系统推荐施肥的合理性。因此,本研究于2017―2018年在马铃薯主产地黑龙江开展了基于NE系统的氮素养分梯度试验,研究不同施氮量对马铃薯产量和氮磷钾利用率的影响,验证NE系统对马铃薯进行推荐施肥的效果,以期为马铃薯合理施肥,提高马铃薯产量和肥料养分利用率提供理论依据。

      • 试验分别于2017和2018年在黑龙江省克山县不同地块进行,试验点降水量及土壤理化性质见表1,供试土壤类型为东北黑土,马铃薯品种为春马铃薯“延薯四号”,播种日期为每年4月下旬,收获日期为当年9月中旬,行距85 cm、株距25 cm、种植密度为60000株/hm2。试验在NE系统推荐施肥的基础上共设置6个不同施氮量处理:不施氮肥处理 (N0)、NE推荐施氮量减施50%处理 (N90)、NE推荐施氮量减施25%处理 (N135)、NE推荐施氮量处理 (N180)、NE推荐施氮量增施25%处理 (N225)、NE推荐施氮量增施50%处理 (N270),磷肥及钾肥分别施用75 kg/hm2及150 kg/hm2。氮肥选用尿素,50%用作基肥,50%用于块茎形成期追肥;磷肥选用重过磷酸钙,全部用作基肥;钾肥选用氯化钾,50%用于基肥,50%用于块茎形成期追肥,均匀撒施到试验田里。试验均采用单因素完全随机区组设计,重复三次。试验地四周均设置有保护行。

        表 1  试验点降水量及土壤基础理化性质

        Table 1.  Precipitation and Physical and chemical properties of the soils of field experimental sites

        试验年份
        Test year
        生育期降雨量 (mm)
        Precipitation in growth period
        有机质 (g/kg)
        Organic matter
        全氮 (g/kg)
        Total N
        碱解氮 (mg/kg)
        Available N
        有效磷 (mg/kg)
        Available P
        速效钾 (mg/kg)
        Available K
        pH
        201735035.71.98212.742.1238.05.9
        201830044.12.62176.743.4170.06.0
      • 马铃薯成熟后采用小区全收的方式进行测产,随后将3个重复求和取平均数,折算为t/hm2

      • 马铃薯收获后每个小区随机采集5株长势均匀的植株样,将茎叶和块茎分别装袋称重后,于105 ℃杀青30 min,65 ℃烘干至恒重计算含水量,粉碎,计算茎叶和块茎的干物质量。所有植株样品消煮后采用凯氏定氮法测定全氮含量。

      • 种植前采集试验田0―20 cm耕层土壤样品作为基础土样,以水土比2.5∶1测定土壤pH;土壤有机质采用重铬酸钾容量法—外加热法;土壤全氮采用凯式定氮法;有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法;速效钾用原子吸收光谱仪测定[14-15]

      • 植株氮素吸收量 (kg/hm2) = 秸秆干物质量 × 秸秆氮素含量 + 块茎干重 × 块茎氮素含量

        氮肥偏生产力 (kg/kg) = 施氮处理块茎产量/施氮量

        氮肥农学效率 (kg/kg N) = (施氮处理块茎产量−不施氮处理块茎产量)/施氮量

        氮素回收率 (%) = (施氮处理植株氮素积累量−不施氮处理植株氮素积累量)/施氮量 × 100

        吨粮养分吸收量 = 养分吸收量/块茎产量 × 1000

      • 采用Excel 2016和SPSS 18.0统计软件对数据进行分析处理,并用LSD法在0.05显著水平进行样本平均数的差异显著性比较,使用SAS 9.4对数据进行模型模拟。

      • 两年试验结果表明,施氮对马铃薯的块茎产量有明显的影响 (图1)。2017年试验,随着施氮量的增加,马铃薯产量随之增加,当施氮量为180 kg/hm2时达到最大值36.9 t/hm2,较对照处理产量增加34.7%;当施氮量超过180 kg/hm2,马铃薯产量不再增加,各施氮处理之间无显著差异,N180及N135处理产量显著高于N0处理 (P < 0.05)。2018年试验,块茎产量随着施氮量的增加而增加,并在N180处理达到最大值45.1 t/hm2,较对照处理产量增加45.0%;当施氮量超过180 kg/hm2,块茎产量不再增加,当施氮量达到270 kg/hm2时,块茎产量降低了15.1% (图1),各施氮处理显著高于N0处理 (P < 0.05),N180处理显著高于N270处理 (P < 0.05),其他施氮处理与N180和N270处理之间差异均不显著。两年平均产量在施氮180 kg/hm2的处理达到最大值41.0 t/hm2,较对照处理增加40.4%。进一步对马铃薯产量和施氮量进行回归分析,结果表明,2017和2018年马铃薯块茎产量和施氮量之间呈极显著的一元二次抛物线关系 (图1),依据函数关系式,2017和2018年最大施氮量分别为173 kg/hm2和161 kg/hm2时,相应的马铃薯最大产量分别为36.1 t/hm2和39.5 t/hm2。两年平均值最大施氮量为165 kg/hm2,马铃薯的最大产量为39.8 t/hm2

        图  1  施氮量与马铃薯产量的关系

        Figure 1.  The relationship between tuber yields and N rate

      • 施氮量对马铃薯氮素吸收量有较大的影响 (表2),马铃薯各部位氮素吸收量随施氮量的增加呈现先增加后下降的趋势。块茎吸氮量及全株吸氮量均在施氮量180 kg/hm2 的处理达到最大值,2017、2018年及平均值分别为113.2、160.4、136.8 kg/hm2和175.4、198.1、186.8 kg/hm2,较对照处理分别增加了45.7、52.8、49.8和41.6、56.0、52.0个百分点,当施氮量超过180 kg/hm2后,氮素吸收量开始下降,各施氮处理间无显著差异,但显著高于对照处理 (P < 0.05);秸秆吸氮量随着施氮量的增加而增加,2017年最大值出现在N180处理,为62.3 kg/hm2,2018年最大值38.2 kg/hm2出现在N225处理,两年平均值则在施氮180 kg/hm2 时达到最大值50.0 kg/hm2,较对照处理分别增加了51.6、72.9和58.2个百分点,各施氮处理间无显著差异,但显著高于对照处理 (P < 0.05)。由此可见施氮180 kg/hm2时马铃薯可以最大限度的吸收氮素养分,施肥过量或施肥不足均会导致马铃薯对氮素养分吸收的减少,从而影响马铃薯的生长。

        表 2  2017―2018年不同施氮量下马铃薯块茎和秸秆氮素吸收量 (kg/hm2)

        Table 2.  N uptake in the tuber and straw of potato under different N application rates during 2017–2018

        处理Treatment块茎Tuber秸秆Straw全株Total
        20172018平均Mean20172018平均Mean20172018平均Mean
        N077.7 ± 9.7 b105.0 ± 26.2 b91.3 ± 9.6 b41.1 ± 4.6 b22.1 ± 1.5 c31.6 ± 1.6 b118.8 ± 14.1 b127.0 ± 27.4 b122.9 ± 8.1 c
        N9099.7 ± 7.1 ab140 ± 18.8 ab119.0 ± 13.0 a52.4 ± 8.3 ab31.6 ± 3.3 ab42.0 ± 3.6 a152.1 ± 12.5 ab171.6 ± 21.1 ab161.8 ± 15.7 ab
        N135107.8 ± 5.0 a148.3 ± 5.8 a128.1 ± 4.7 a57.5 ± 1.8 a34.6 ± 4.4 ab46.1 ± 2.5 a165.3 ± 6.9 a183.0 ± 3.0 a174.1 ± 4.9 ab
        N180113.2 ± 3.4 a160.0 ± 15.6 a136.8 ± 6.1 a62.3 ± 5.3 a37.8 ± 0.8 a50.0 ± 2.2 a175.4 ± 8.6 a198.1 ± 16.4 a186.8 ± 3.9 a
        N225108.8 ± 25.1 a143.0 ± 15.7 ab126.1 ± 15.6 a59.4 ± 12.7 a38.2 ± 4.7 a48.8 ± 8.7 a168.2 ± 37.5 a181.6 ± 15.1 a174.9 ± 22.3 ab
        N270100.2 ± 8.6 ab132.0 ± 8.3 ab116.1 ± 5.5 a52.6 ± 2.9 ab28.1 ± 1.1 bc40.4 ± 1.0 ab152.9 ± 11.3 ab160.1 ± 9.4 ab156.5 ± 6.1 b
        注(Note):同列数值后不同小写字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lower letters in the same column present the significant difference at the P < 0.05 level among N treatments.
      • 与氮素吸收量相比,施氮量对马铃薯磷素吸收量的影响较小 (表3)。随着氮肥施用量的增加,马铃薯块茎、秸秆和全株磷素吸收量均有较大幅度的提升,两年试验各部位磷素吸收量均在施氮量为180 kg/hm2时达到最大值。两年块茎吸磷量最大值分别为38.7与19.8 kg/hm2,平均为29.3 kg/hm2,较对照处理增幅为36.3%和36.6%,平均增加36.3%;秸秆吸磷量最大值分别为14.9和6.1 kg/hm2,平均为10.5 kg/hm2,较对照处理分别增加52.0%和52.5%,平均增幅为52.2%;全株吸磷量最大值分别为53.6和25.9 kg/hm2,平均值为39.7 kg/hm2,较对照处理分别增加40.3%和40.0%,平均增幅为39.8%。各施氮处理之间的各部位吸磷量均无显著差异,但显著高于对照处理 (P < 0.05)。

        表 3  2017―2018年不同施氮量下马铃薯块茎和秸秆磷素吸收量 (kg/hm2)

        Table 3.  P uptake in the tuber and straw of potato under different N application rates during 2017–2018

        处理Treatment块茎Tuber秸秆Straw全株Total
        20172018平均Mean20172018平均Mean20172018平均Mean
        N028.4 ± 4.5 b14.5 ± 1.8 b21.5 ± 1.4 b9.8 ± 1.5 c4.0 ± 0.3 c6.9 ± 0.7 c38.2 ± 5.9 b18.5 ± 2.0 b28.4 ± 2.0 b
        N9034.4 ± 1.6 ab18.3 ± 1.9 ab26.3 ± 1.1 a11.9 ± 0.3 bc4.8 ± 0.3 b8.3 ± 0.3 b46.2 ± 1.9 ab23.0 ± 2.2 a34.6 ± 1.3 a
        N13537.7 ± 1.2 a19.5 ± 2.1 a28.6 ± 1.6 a13.4 ± 0.7 ab5.8 ± 0.2 a9.6 ± 0.3 b51.1 ± 1.7 a25.3 ± 2.1 a38.2 ± 1.9 a
        N18038.7 ± 1.6 a19.8 ± 0.5 a29.3 ± 0.8 a14.9 ± 0.5 a6.1 ± 0.1 a10.5 ± 0.2 a53.6 ± 1.7 a25.9 ± 0.5 a39.7 ± 0.8 a
        N22535.7 ± 5.7 ab19.2 ± 2.3 a27.4 ± 3.9 a13.3 ± 1.7 ab5.7 ± 0.7 a9.5 ± 1.1 ab49.0 ± 7.4 a24.9 ± 3.0 a36.9 ± 5.1 a
        N27033.5 ± 0.5 ab18.0 ± 1.4 ab25.8 ± 0.9 a12.3 ± 0.6 b5.4 ± 0.2 ab8.9 ± 0.4 ab45.8 ± 1.1 ab23.4 ± 1.5 a34.6 ± 1.3 a
        注(Note):同列数值后不同小写字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lower letters in the same column present the significant difference at the P < 0.05 level among N treatments.
      • 施氮量对马铃薯钾素吸收量的影响较为显著 (表4),随着施氮量的增加,各部位吸钾量显著增加。两年块茎吸钾量最高峰均出现在N180处理,分别为158.9和175.4 kg/hm2,平均为167.2 kg/hm2,较对照处理增幅为32.5%和21.3%,平均增加26.4%;2017年秸秆吸钾量在施氮量为180 kg/hm2时达到最大值88.3 kg/hm2,2018年则在施氮量为225 kg/hm2时达到最大值46.3 kg/hm2,较对照处理分别增加49.9%和50.3%,平均值在N180处理达到最大值65.9 kg/hm2,较对照处理增加46.8%;全株吸钾量均在N180处理达到最大值,分别为247.3和219.0 kg/hm2,平均值为233.1 kg/hm2,较对照处理增加38.3%和24.8%,平均增幅为31.3%。各施氮处理之间差异不显著,但均显著高于对照处理 (P < 0.05)。

        表 4  2017―2018年不同施氮量下马铃薯块茎和秸秆钾素吸收量 (kg/hm2)

        Table 4.  K uptake in the tuber and straw of potato under different N application rates during 2017–2018

        处理Treatment块茎Tuber秸秆Straw全株Total
        20172018平均Mean20172018平均Mean20172018平均Mean
        N0119.9 ± 13.5 b144.6 ± 24.4 b132.3 ± 9.1 b58.9 ± 9.6 c30.8 ± 1.6 d44.9 ± 4.1 d178.8 ± 23.1 b175.5 ± 24.89 b177.1 ± 9.0c
        N90139.0 ± 8.0 ab163.5 ± 7.6 ab151.2 ± 7.0 ab67.9 ± 3.7 bc34.5 ± 2.7 cd51.2 ± 3.2 cd206.9 ± 11.1 ab198 ± 10.17 ab202.4 ± 10.1bc
        N135155.3 ± 2.5 a174.2 ± 8.0 ab164.7 ± 5.2 a78.5 ± 3.5 ab41.0 ± 2.8 abc59.8 ± 1.0 abc233.7 ± 6.0 a215.2 ± 7.25 a224.5 ± 6.1 ab
        N180158.9 ± 3.4 a175.4 ± 7.5 a167.2 ± 2.3 a88.3 ± 2.2 a43.5 ± 0.9 ab65.9 ± 0.9 a247.3 ± 3.0 a219.0 ± 8.23 a233.1 ± 2.6 a
        N225147.3 ± 24.6 ab166.9 ± 10.6 ab157.1 ± 17.6 a78.3 ± 13.1 ab46.3 ± 5.2 a62.3 ± 9.1 ab225.6 ± 37.6 a213.2 ± 15.81 a219.4 ± 26.7 ab
        N270138.5 ± 2.5 ab158.2 ± 7.4 ab148.3 ± 4.7 ab73.6 ± 3.9 abc36.9 ± 2.8 bcd55.2 ± 3.3 bc212.1 ± 6.1 ab195.1 ± 8.09 ab203.6 ± 6.7 abc
        注(Note):同列数值后不同小写字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lower letters in the same column present the significant difference at the P < 0.05 level among N treatments.
      • 表5所示,随着施氮量的增加,吨粮养分吸收量 (氮素) 量随之增加,2017年在施氮量为225 kg/hm2时达到最大值4.9 kg/1000 kg,2018年在施氮180 kg/hm2时达到最大值4.4 kg/1000 kg,但两季中二处理间无显著差异,而且两年平均值中N180和N225处理相同;吨粮养分吸收量 (磷素) 各处理之间几乎无显著差异;同磷一样,吨粮养分吸收量 (钾素) 无显著变化趋势。2017年及2018年各处理之间吨粮养分吸收量无显著差异。

        表 5  2017―2018年不同氮水平下生产1000公斤马铃薯鲜重的养分吸收量 (kg/1000 kg)

        Table 5.  Nutrient uptake for producing 1000 kg-tuber of potato under different N rate during 2017–2018

        处理TreatmentNPK
        20172018平均mean20172018平均mean20172018平均mean
        N04.3 ± 0.26 a4.0 ± 0.42 a4.2 ± 0.11 a1.4 ± 0.14 a0.6 ± 0.03 a1.0 ± 0.07 a6.5 ± 0.46 a5.3 ± 0.23 a6.1 ± 0.24 a
        N904.6 ± 0.20 a4.3 ± 0.45 a4.4 ± 0.19 a1.4 ± 0.06 a0.6 ± 0.03 a1.0 ± 0.03 a6.2 ± 0.19 a4.9 ± 0.08 a5.6 ± 0.13 a
        N1354.7 ± 0.03 a4.3 ± 0.37 a4.5 ± 0.18 a1.5 ± 0.05 a0.6 ± 0.00 a1.0 ± 0.02 a6.7 ± 0.06 a5.0 ± 0.29 a5.9 ± 0.15 a
        N1804.8 ± 0.50 a4.4 ± 0.24 a4.6 ± 0.21 a1.5 ± 0.18 a0.6 ± 0.01 a1.1 ± 0.09 a6.8 ± 0.69 a4.9 ± 0.22 a5.8 ± 0.27 a
        N2254.9 ± 0.28 a4.2 ± 0.41 a4.6 ± 0.28 a1.5 ± 0.04 a0.6 ± 0.03 a1.1 ± 0.01 a6.7 ± 0.11 a4.9 ± 0.00 a5.8 ± 0.06 a
        N2704.8 ± 0.34 a4.2 ± 0.16 a4.5 ± 0.18 a1.4 ± 0.02 a0.6 ± 0.03 a1.0 ± 0.02 a6.7 ± 0.12 a5.1 ± 0.24 a5.9 ± 0.11 a
        注(Note):同列数值后不同小写字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lower letters in the same column present the significant difference at the P < 0.05 level among N treatments.
      • 表6所示。随着施氮量的增加,氮素偏生产力显著下降,2017年及2018年N90处理偏生产力最高分别为368.5和446.7 kg/kg,平均为407.6 kg/kg,各处理之间差异均达到显著水平 (P < 0.05)。氮素农学效率也随着施氮量的增加而显著降低,2017、2018年N90处理农学效率分别为63.9、101.5 kg/kg,显著高于N270处理 (P < 0.05),平均值为82.7 kg/kg,显著高于N225及N270处理 (P < 0.05),与N135、N180处理无显著差异。随着施氮水平的提升,氮素回收率随之下降,当施氮量达到225 kg/hm2时,氮素回收率显著降低,N90处理氮素回收率最高,2017年及2018年分别为37.0%和49.5%,平均值为43.2%;N225处理两年氮素回收率分别为22.0%和24.2%,平均为23.1%,较N90处理分别降低40.5%和51.1%,平均降幅为46.5%。

        表 6  不同氮水平对马铃薯氮肥利用率的影响

        Table 6.  Effect of different N treatments on the nitrogen efficiency of potato

        处理
        Treatment
        氮素偏生产力PFPN (kg/kg, N)氮素农学效率AEN (kg/kg, N)氮素回收率REN (%)
        20172018平均Mean20172018平均Mean20172018平均Mean
        N90368.5 ± 25.3 a446.7 ± 25.1 a407.6 ± 23.2 a63.9 ± 37.1 a101.5 ± 15.1 a82.7 ± 11.0 a37.0 ± 28.0 a49.5 ± 25.4 a43.2 ± 9.1 a
        N135259.3 ± 9.1 b319.0 ± 26.1 b289.1 ± 15.0 b56.2 ± 15.1 ab88.9 ± 51.9 ab72.5 ± 22.9 ab34.5 ± 11.4 ab41.4 ± 21.0 ab38.0 ± 9.0 ab
        N180205.1 ± 17.4 c250.6 ± 7.3 c227.8 ± 9.8 c52.8 ± 23.4 ab78.0 ± 24.0 ab65.4 ± 5.6 ab31.5 ± 12.2 ab39.5 ± 21.5 ab35.5 ± 5.2 ab
        N225150.4 ± 27.3 d192.4 ± 14.3 d171.4 ± 20.8 d28.5 ± 25.3 ab54.4 ± 19.2 ab41.4 ± 18.8 bc22.0 ± 16.0 bc24.2 ± 5.6 bc23.1 ± 7.4 bc
        N270117.6 ± 2.0 d141.7 ± 4.4 e129.7 ± 2.6 e16.0 ± 8.3 b26.7 ± 15.9 b21.4 ± 5.9 c12.6 ± 8.3 c12.2 ± 10.0 c12.4 ± 1.9 c
        注(Note):PFPN―Partial factor productivity of nitrogen; AEN―Agronomy efficiency of nitrogen applied; REN―Nitrogen apparent recovery efficiency. 同列数值后不同小写字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lower letters in the same column present the significant difference at the P < 0.05 level among N treatments.
      • 提高作物产量是提高肥料利用效率的重要途径,施氮水平作为作物高产的主要栽培条件,是作物生产中不可忽视的因素[16]。前人研究表明,在一定氮肥用量的范围内,作物的产量随施氮量的增加而增高,超过此范围则增加不显著甚至会导致减产,并可能造成资源浪费和环境污染[17-18],因此我们需要在保证作物产量的情况下尽量减少氮肥施用。马铃薯块茎产量与施氮水平之间同样存在相似的关系,但由于栽培环境及品种差异,不同地区马铃薯的适宜施氮量也不尽相同,如吉玮蓉等[19]在黑龙江省得出的研究结果是施氮素用135 kg/hm2,高兴锦等[20]在云南省的研究结果为施用氮素150 kg/hm2,Wen等[21]在加拿大所得结果为施用氮素205 kg/hm2,因此我们需要根据地区条件进行针对性施肥。养分专家系统可以针对不同地区不同土壤条件进行推荐施肥,在不影响产量的前提下降低肥料用量。柳开楼等[22]在双季稻上应用养分专家系统,发现NE推荐施肥处理 (早稻为156 kg/hm2,晚稻为178 kg/hm2) 的产量比农民习惯施肥处理 (早稻为159 kg/hm2,晚稻为183 kg/hm2) 增加14.3%~32.74%。本研究通过两年田间试验,马铃薯块茎产量均在NE系统推荐的施氮量180 kg/hm2时达到最大值,但该值与吉玮蓉等[19]在黑龙江省的研究结果不完全一致,其主要原因可能是:1) 试验所采用的马铃薯品种不同,对氮肥的需求也不完全相同;2) 不同试验点所处环境不同,土壤基础养分状况、生育期降雨量、施肥措施和管理措施等均有所差异。同时N180处理的产量显著高于不施氮的N0处理及过量施氮的N270处理,表明施氮不足或施氮过量均会导致产量降低,这与前人研究相符合[20]。N90及N135处理产量虽然与N180处理差异不显著,但这主要是由于黑土中的基础养分含量较高,因而可以在较低的施肥量下达到较高的产量,但这会耗竭土壤基础肥力。本研究拟合的施肥量和产量函数关系式显示,最高产量的施氮量在161~173 kg/hm2,两年平均施氮量为165 kg/hm2。NE推荐施肥量与拟合方程施氮量接近,但高于该范围,根据肥料养分吸收的实际情况看,NE系统推荐施肥量较拟合方程推荐施氮量更加契合马铃薯田间实际养分吸收量,因此NE系统推荐施氮量更能符合田间生产实际,维持土壤氮素供给能力。

      • 肥料养分过量或不平衡投入不仅影响产量,也会对马铃薯的养分吸收产生显著影响。有研究认为,马铃薯全株或各器官的氮素积累量会随着施氮量的增加而增加[23],也有报道指出,当施氮量达到 225 kg/hm2 时,马铃薯全株的氮素积累量达到峰值,继续增施氮肥不会导致全株氮素积累量的显著变化[1]。韦剑锋等[24]研究发现,马铃薯积累的全氮总量随施氮水平的提升而增加,增施氮肥可促进马铃薯对氮素尤其是肥料氮素的吸收与积累;Chen等[25]研究表明施氮可以提高冬小麦的氮素吸收量,但过量施用氮肥也会导致土壤中氮素残留极大增加。本研究中,2017年及2018年马铃薯各部位氮素、磷素、钾素吸收量均随着施氮量的增加而增加,且除了2018年秸秆吸氮量及2018年秸秆吸钾量外,其余各部位2017年及2018年氮、磷、钾素吸收量均在N180处理达到最大值,继续增加施氮量,马铃薯各部位氮磷钾养分吸收量不再增加,甚至显著降低,这与前人研究一致。2018年秸秆吸氮量和吸钾量最大值出现在N225处理,可能原因是2018年N225处理马铃薯秸秆长势较好,导致吸氮量与吸钾量增加。

        吨粮养分吸收量数据反映了生产一吨块茎所需要的氮磷钾养分含量,是养分生理效率高低的直观体现。在达到一定的产量之前,吨粮养分吸收量应当是相同的[13]。串丽敏等[26]关于小麦的研究发现生产1000 kg籽粒产量需要N 26.4 kg、P 6.5 kg和 K 22.0 kg,本研究中,不同氮、磷、钾用量下作物吨粮氮素、磷素、钾素吸收量处理间基本无差异。N180处理生产1000 kg块茎所需要的氮、磷、钾养分分别为4.6、1.1和5.8 kg,N∶P∶K约等于4.2∶1∶5.3。

      • 养分利用率是衡量施肥合理性最直接的指标[14],因而提高氮肥利用率是实现马铃薯高产高效的主要研究方向之一。王秀斌等[7]对水稻的研究表明,高、中、低产田氮肥农学效率、氮肥偏生产力和氮肥回收率随氮肥用量的增加而降低,而氮肥生理效率各施氮处理之间变化不大;韦剑锋等[24]研究发现,随着施氮水平的提升,马铃薯氮肥利用率呈下降趋势,肥料氮残留量、残留率、损失量及损失率呈明显增加趋势;韦剑锋的另一研究[27]也表明增施氮肥有降低蔗茎对氮肥利用率的趋势。在本试验中,随着施氮量的增加,两年氮肥偏生产力、农学效率及氮素回收率均显著下降,这与前人研究基本一致。N180处理氮肥偏生产力、农学效率及氮素回收率分别为227.8 kg/kg、65.4 kg/kg、35.5%,与N90处理相比,偏生产力显著降低44.3%,农学效率和氮素回收率分别降低20.2%和17.8%,产量提升了11.7%,主要原因是N180处理的养分投入量远高于N90处理;与N270处理相比,N180处理不仅氮肥利用率较高,产量也有一定的提高。这表明合适的施肥会使氮肥利用率降低,但可以提升马铃薯产量;施肥不足虽然使得氮肥利用率较高,但会大大损耗土壤肥力;过量的施肥不仅仅使氮肥利用率显著降低,也无法增加产量,这与前人研究一致。综合前人研究及本研究的试验结果可以看出,马铃薯生产过程中应综合考虑土壤情况,适当控制氮肥用量,科学施用氮肥,以促进马铃薯对氮素的吸收利用,增加块茎产量,提高氮肥利用率,实现马铃薯高产优质和环境友好的目标。

      • 本研究结果表明,当施氮量达到NE系统推荐的180 kg/hm2时,马铃薯块茎产量达到最大值,植株对氮素、磷素和钾素的总吸收量到达峰值,氮素利用率保持在较高水平。超过该推荐施氮量,会导致产量降低以及氮肥利用率的显著下降;而施肥不足则会减少块茎产量,并损耗土壤肥力。同时通过拟合方程得到的最佳氮肥用量与NE系统推荐的施氮量较为接近,表明采用NE推荐施肥管理措施,可以在保证马铃薯产量的情况下减少氮肥施用,促进马铃薯对氮磷钾养分的吸收,提高氮肥利用率。将其作为针对不同地区土壤条件进行推荐施肥的一种工具,可以对当地农民生产提供指导。

    参考文献 (27)
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