旱區有機肥替代氮肥對多年連作土壤理化性質和馬鈴薯品質的影響

胡新元 柳永強 謝奎忠 孫小花 羅愛花

（1 甘肅省農業科學院，730070，甘肅蘭州；2 甘肅省農業科學院馬鈴薯研究所，730070，甘肅蘭州）

我國是世界上最大的馬鈴薯生產國[1]，發展馬鈴薯產業對維持我國糧食安全具有重要的意義。在傳統馬鈴薯種植中，需要施用大量的化肥，而化肥過量會造成資源嚴重浪費、土壤生態惡化和重金屬積累等問題。因此，國家“十三五”規劃實施“藥肥雙減”的綠色農業戰略，旨在以化肥農藥減施為手段改善生態環境[2]?？茖W施肥能優化土壤營養結構，增加肥料吸收利用效率，促進作物生長，提高產量，提升品質，是提高馬鈴薯養分管理水平的重要策略[3-5]。目前，馬鈴薯施肥管理存在化肥施用過量、有機肥施用不足、肥料投入報酬遞減、養分投入失衡、營養運籌不科學等問題[6-7]，導致土壤鹽度增加、板結、微生物多樣性下降，從而使馬鈴薯生長環境受到影響、肥料利用效率降低[8-10]、生長緩慢、產量降低[11]、干物質合成受阻、品質下降[12]等。因此，通過研究有機肥替代部分氮肥方式，根據馬鈴薯需肥規律來高效管理養分資源，是優化改善土壤結構、提高馬鈴薯水肥利用及實現高產優質的策略之一。本試驗設置有機肥梯度替代氮肥，從馬鈴薯生長發育、品質特性、土壤特性和酶活性變化特點分析，探索黃土高原旱區有機肥替代部分氮肥的施肥模式，為區域馬鈴薯綠色栽培和養分科學管理提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于甘肅省定西市安定區香泉鎮香泉村（103°52′～105°13′ E，34°26′～35°35′ N，海拔2365m）進行，試驗地屬于黃土高原半干旱農業氣候區，年降水量300～450mm，年均氣溫7.2℃，平均溫差26.2℃，年均日照時數2502h，無霜期135～145d。土壤基礎肥力為全氮0.99g/kg、全磷0.88g/kg、全鉀21.77g/kg、堿解氮114.13mg/kg、有效磷22.2mg/kg、速效鉀148.67mg/kg、有機質14.8g/kg。

1.2 試驗材料

供試馬鈴薯品種為隴薯10 號脫毒原種。供試肥料為尿素[甘肅劉化（集團）有限責任公司，N≥46%]、過磷酸鈣（廣西西江化工有限責任公司，P2O5≥16%）、硫酸鉀（國投新疆羅布泊鉀鹽有限責任公司，K2O≥50%）、有機肥（甘肅金九月有限責任公司，有機質≥45%，N≈3.13%）。供試地膜為黑色聚乙烯微膜（靈武市塑料制品有限公司，寬度1.2m，厚度0.008mm）。

1.3 試驗設計

試驗田在2013-2020 年連續多年種植馬鈴薯，2018-2020 年定位本試驗。采用隨機區組設計，共設5 個施肥處理（表1），分別為當地傳統施肥（CK，N 180kg/hm2，P2O 5 90kg/hm2，K2O 108kg/hm2）、NR15/C5（減氮10%，無機氮減量15%+有機氮替代補償5%）、NR30/C10（減氮20%，無機氮減量30%+有機氮替代補償10%）、NR45/C15（減氮30%，無機氮減量45%+有機氮替代補償15%）、NR60/C20（減氮40%，無機氮減量60%+有機氮替代補償20%）。每個處理3 次重復，試驗共15 個小區，每個小區面積42m2（7m×6m），5 壟區，每壟1.2m。

表1 氮肥減量有機肥替代施肥Table 1 Nitrogen reduction and organic fertilizer replacementkg/hm2

試驗于4 月下旬播種，旋耕耙耱，采用全程機械化施肥（全部基施，不追肥）、起壟、覆膜，采用人工穴播播種，密度5.25×105株/hm2，播深9cm，栽培方式如圖1。田間管理按照當地栽培管理和馬鈴薯區域病蟲害具體情況統一防治，人工除草。

圖1 壟膜覆蓋栽培模式Fig.1 Ridge film mulching mode

1.4 測定項目與方法

于2020 年馬鈴薯淀粉積累期（9 月5 日）取樣測定。所測土壤為壟面5～15cm 深表層土壤，用土鉆取樣，在生長健壯的馬鈴薯近根系隨機采集5個點土樣混合，帶回實驗室后在4℃冰箱保存待測。選擇小區中部生長均稱的中等薯塊為材料測定干物質含量。數據為小區內隨機5 個單株或樣本參數的平均值。

1.4.1 生長、產量與品質 用直尺測定壟面到株頂的距離，即株高；用數顯卡尺測量莖粗；用SPAD儀測定相對葉綠素含量（SPAD 值）；產量為小區產量折算值。用直接干燥法測定干物質含量，用旋光法測定淀粉含量，用凱氏定氮法測定蛋白質含量，用熒光法測定維生素C（Vc）含量，用滴定法測定還原糖含量。

1.4.2 土壤特性和養分 用電極法測定pH，用電導率法測定鹽度，用環刀法測定土壤容重，用重鉻酸鉀硫酸氧化―外加熱法測定有機質含量，用半微量凱氏法測定全氮含量，用堿熔―鉬銻抗比色法測定全磷含量，用堿融―火焰光度法測定全鉀含量，用堿解擴散法測定堿解氮含量，用碳酸氫鈉提取―鉬銻抗比色法測定有效磷含量，用乙酸銨浸提―火焰光度法測定速效鉀含量。

1.4.3 土壤酶活性 采用苯酚鈉―次氯酸鈉比色法測定土壤脲酶活性，用可見分光光度法測定酸性蛋白酶活性，用磷酸苯二鈉比色法測定堿性磷酸酶活性，用高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶活性，采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定蔗糖酶活性。

1.5 數據處理

用Excel 2007 和SPSS 軟件進行數據處理與方差分析。

2 結果與分析

2.1 有機肥替代氮肥對連作馬鈴薯生長特性的影響

圖2 顯示，隨著有機肥替代氮肥量的增加，株高和SPAD 值呈現先增大后變小趨勢，NR30/C10 和NR45/C15 處理株高較CK 差異達顯著水平。隨著氮肥減量/有機肥替代氮肥量的增加，莖粗和產量逐漸增大，NR30/C10、NR45/C15 和NR60/C20 處理的產量與CK 差異均達顯著水平。

圖2 有機肥替代氮肥對馬鈴薯生長特性的影響Fig.2 Effects of organic fertilizer replacing nitrogen fertilizer on growth characteristics of potato

2.2 有機肥替代氮肥對連作馬鈴薯品質的影響

圖3 顯示，馬鈴薯塊莖干物質、蛋白質和粗淀粉含量隨有機肥替代氮肥量呈先小幅減小，后變大再變小的“S 型”變化特征，干物質和粗淀粉峰值出現在NR30/C10 處理，蛋白質峰值在NR45/C15 處理。并且，馬鈴薯塊莖干物質、蛋白質和粗淀粉含量總體較CK 大幅提升，NR30/C10和NR45/C15 處理與CK 差異顯著。相反，馬鈴薯塊莖Vc 含量隨有機肥替代氮肥量呈先減小后變大的“U 型”變化特征。

圖3 有機肥替代氮肥對馬鈴薯品質的影響Fig.3 Effects of organic fertilizer replacing nitrogen fertilizer on potato quality

2.3 有機肥替代氮肥對連作馬鈴薯土壤特性的影響

圖4 顯示，隨著有機肥替代氮肥量的增加，土壤pH 逐漸減小，有機質含量增加，鹽度和土壤容重先增大后減小，呈現“倒U 型”變化特征，鹽度峰值在NR30/C10 處理，土壤容重峰值在NR15/C5處理。其中，pH 在NR60/C20 處理與CK 差異顯著；有機質在NR30/C10、NR60/C20 處理與CK 差異顯著；各處理的土壤容重較CK 差異不顯著。

圖4 有機肥替代氮肥對馬鈴薯連作土壤特性的影響Fig.4 Effects of organic fertilizer replacing nitrogen fertilizer on soil characteristics of potato continuous cropping

2.4 有機肥替代氮肥對連作馬鈴薯土壤養分的影響

表2 顯示，隨著有機肥替代氮肥量的增加，土壤堿解氮和全氮含量逐漸減小，在NR30/C10、NR45/C15 和NR60/C20 處理較CK 差異顯著；有效磷和全磷含量逐漸增加，有效磷含量在NR60/C20 較CK 差異顯著，全磷含量較CK 差異不顯著；速效鉀含量先增大后減小，呈現“倒U 型”變化特征，峰值在NR30/C10 處理，全鉀含量變化沒有一定的規律。

表2 有機肥替代氮肥對馬鈴薯連作土壤養分的影響Table 2 Effects of organic fertilizer replacing nitrogen fertilizer on soil nutrient under continuous cropping of potato

2.5 有機肥替代氮肥對連作馬鈴薯土壤酶活性的影響

表3 顯示，隨著有機肥替代氮肥量的增加脲酶活性逐漸減小，其活性在NR30/C10、NR45/C15 和NR60/C20 處理與CK 差異顯著；隨著有機肥替代氮肥量的增加，酸性蛋白酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶活性逐漸增大，酸性蛋白酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性在NR45/C15 和NR60/C20 處理較CK 差異顯著；過氧化氫酶活性變化沒有一定規律。

表3 有機肥替代氮肥對馬鈴薯連作土壤酶活性的影響Table 3 Effects of organic fertilizer replacing nitrogen fertilizer on soil enzyme activity of potato continuous cropping

3 討論

2015 年以來，農業農村部組織開展化肥農藥使用量零增長行動，截至2020 年底，中國化肥農藥減量增效實現預期目標，化肥農藥使用量顯著減少，種植業高質量發展效果明顯[13]?；蕼p施和有機肥替代化肥是現階段綠色優質栽培的重要農業措施，一定程度的化肥減量結合有機肥能促進作物增產和品質提升。劉志都等[14]研究表明，化肥減量結合有機肥施用，能提高馬鈴薯的肥料利用效率，提高馬鈴薯品質和產量。李成晨等[12]研究表明，化肥減量20%處理使馬鈴薯產量增加，提出適度減氮有利于氮素循環利用，促進增產，且化肥減量后，馬鈴薯生物量和干物質含量顯著增加。本試驗在有機肥替代部分氮肥模式下，研究替代量對馬鈴薯產量形成與品質的影響，結果發現。隨著有機肥替代氮肥量的增加，株高、SPAD 值、干物質、蛋白質和粗淀粉含量呈現先增大后變小趨勢，莖粗和產量逐漸增大，干物質和粗淀粉峰值出現在NR30/C10處理，蛋白質峰值在NR45/C15 處理。說明有機肥替代部分氮肥后，馬鈴薯植株生長加快，SPAD 增大，進而提高了干物質積累，促進產量形成，有機肥替代部分氮肥實現馬鈴薯增產提質的結果與上述研究結論基本一致。

過量氮肥施用不僅影響作物生理生態特性，減少產量，帶來面源污染，同時也大幅降低土壤肥力[15-16]。研究[17]表明，集約化生產條件下長期過度施氮對土壤生化和微生物性質有負面影響，如降低酶活性，抑制微生物活性和生物量，減少微生物群落多樣性和豐富度，這些都會對土壤生態系統健康產生不利影響。降低糧食生產系統化學氮肥用量，維護糧食生產用地土壤質量迫在眉睫。本試驗發現，隨著有機肥替代氮肥量的增加，土壤pH、堿解氮、全氮含量和脲酶活性逐漸減小，有效磷、全磷、有機質、酸性蛋白酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶活性增加；鹽度和土壤容重先增大后減小，鹽度峰值在NR30/C10 處理，土壤容重峰值在NR15/C5 處理。有機肥替代部分氮肥模式下，堿解氮和全氮含量下降，可能與無機氮肥的施用量下降有關，而土壤無機氮含量降低，誘導脲酶活性下降。有機肥影響土壤磷組成，使土壤磷含量增加，誘導堿性磷酸酶活性增強，有機質和秸稈代謝中，蛋白酶和蔗糖酶活性增加。另外，有機肥替代氮肥后，土壤有機酸作用降低土壤pH，土壤容重和鹽度在氮肥減量一定程度后下降，土壤結構優化。說明氮肥減量到一定程度、有機肥替代量過大，會使土壤蔗糖酶活性顯著降低，這可能與馬鈴薯連作農田土壤有機碳含量下降、土壤微生物活動受到影響有關[18-19]，進而影響農田土壤中微生物種群對土壤酶活性的響應，促進馬鈴薯對土壤養分利用效率，馬鈴薯生長加快，葉綠素含量增加，促進了馬鈴薯干物質積累和產量形成。

4 結論

有機肥替代部分氮肥能夠有效改善土壤理化性質，優化土壤營養結構，均衡氮素供應，提高利用效率，促進馬鈴薯生長與產量形成，加速干物質積累。與傳統施肥相比，NR45/C15 處理效果最好，可能因無機氮肥減少量與有機肥補償氮量在全生育期達到適度均衡，馬鈴薯生育前期無機氮滿足馬鈴薯植株對氮素的基本需求，隨著作物吸收，當無機氮釋放量減少時，有機肥釋放的氮素有效補充了馬鈴薯后生育期的氮素需求，使馬鈴薯在整個生育期均衡獲取營養，促進了氮素和干物質的積累與轉運，最終提高馬鈴薯產量。NR60/C20 處理無機氮肥減量過大，有機肥替代雖然對馬鈴薯生長發育具有促進作用，但前后期氮素供應量不能有效銜接，影響了馬鈴薯對氮素營養的正常需求，進而影響馬鈴薯產量形成與干物質積累?？傊?，有機肥替代部分氮肥方式通過2 種不同形態氮素投入，產生的不同消解與吸收方式，優劣互補、緩急并重、供肥平衡，有效增加馬鈴薯產量和干物質積累。有機肥替代部分氮肥是一種節肥高效的施肥方式，值得在旱作區應用和推廣。