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(duì)全膜覆蓋壟上微溝馬鈴薯水分利用及生長(zhǎng)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(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所/ 甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅蘭州 730070;2甘肅省農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)管理站, 甘肅蘭州 730000

優(yōu)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(chǎn)量和水分利用效率。以西北半干旱區(qū)全膜覆蓋壟上微溝種植馬鈴薯, 設(shè)置49,500株 hm–2(低密度)和64,500株 hm–2(高密度) 2個(gè)播種密度, 傳統(tǒng)施肥(PM)、減量追施(PMN)、有機(jī)肥替代(PMO) 3個(gè)施肥模式, 隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。研究施肥和密度對(duì)馬鈴薯不同生育期土壤溫度、階段耗水量、產(chǎn)量及水分利用效率的影響。結(jié)果表明, 增密對(duì)土壤溫度、葉綠素相對(duì)含量(SPAD)和產(chǎn)量無(wú)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(shù)(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(xiàn)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(chǎn)量和水分利用效率(WUE), 2015—2017年產(chǎn)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(duì)產(chǎn)量和水分利用效率無(wú)顯著影響, 但化肥減量追施或有機(jī)肥替代均可顯著促進(jìn)馬鈴薯花后耗水和提高LAI, 使馬鈴薯塊莖產(chǎn)量和WUE顯著增加, 是西北黃土高原半干旱區(qū)增產(chǎn)增效的養(yǎng)分管理模式。

減氮追施; 增密; 全膜覆蓋壟上微溝; 馬鈴薯; 產(chǎn)量; 水分利用效率

西北半干旱區(qū)年降雨量為250~450 mm, 受降水資源的限制, 作物產(chǎn)量長(zhǎng)期低而不穩(wěn)[1]。為解決這一問(wèn)題, 全膜覆蓋壟溝種植技術(shù)在當(dāng)?shù)氐玫綇V泛應(yīng)用。馬鈴薯是該區(qū)的三大糧食作物之一, 常年種植面積和產(chǎn)量均高于玉米和小麥[2]。然而, 采用全膜覆蓋壟溝種植技術(shù)后馬鈴薯產(chǎn)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(duì)以上問(wèn)題, 在長(zhǎng)期試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上, 我們提出了馬鈴薯全膜覆蓋壟上微溝種植技術(shù), 該技術(shù)0~200 cm土層土壤貯水量、產(chǎn)量和水分利用效率在季節(jié)性干旱年份顯著高于全膜覆蓋壟溝種植, 進(jìn)一步挖掘了旱作區(qū)馬鈴薯水分生產(chǎn)潛力[2-3]。

養(yǎng)分管理是影響馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的一個(gè)關(guān)鍵因素, 過(guò)量施肥使肥料利用效率顯著下降, 從20世紀(jì)80年代到現(xiàn)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(yàn)區(qū)位于甘肅省中東部半干旱區(qū), 平均氮肥用量115.8 kg hm–2, 但接近一半農(nóng)戶(hù)的施氮量超過(guò)150 kg hm–2 [5], 過(guò)量施用氮肥造成馬鈴薯植株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)旺、結(jié)薯延遲、減少干物質(zhì)在塊莖中的積累, 使塊莖產(chǎn)量降低[4,6]; 而氮肥施用不足, 馬鈴薯生長(zhǎng)中心則過(guò)早由葉轉(zhuǎn)向塊莖, 營(yíng)養(yǎng)器官生長(zhǎng)量不足, 光合生產(chǎn)“源”發(fā)育受限, 干物質(zhì)合成量減少, 塊莖產(chǎn)量降低[7-8]。合理的施氮量及施肥方式是確保馬鈴薯生長(zhǎng)中期植株穩(wěn)健生長(zhǎng)、延長(zhǎng)后期光合器官的生理功能、制造更多同化產(chǎn)物的有效措施, 有利于干物質(zhì)在各時(shí)期的合理分配[9-10]。馬鈴薯產(chǎn)量近60%是在塊莖膨大初期和中期形成的, 該時(shí)期是馬鈴薯需氮關(guān)鍵期, 因此調(diào)節(jié)氮肥施用量及基追肥比例以便更好地滿(mǎn)足馬鈴薯植株關(guān)鍵時(shí)期對(duì)氮素的需求, 為塊莖生長(zhǎng)提供良好的氮素供應(yīng), 從而達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

密度是影響馬鈴薯塊莖大小和產(chǎn)量的另外一個(gè)關(guān)鍵因素, 馬鈴薯產(chǎn)量和密度呈拋物線(xiàn)變化關(guān)系。隨馬鈴薯種植密度的增加產(chǎn)量逐漸增加[11], 但經(jīng)濟(jì)性狀相反。在密度較低的條件下, 增加肥料能明顯提高產(chǎn)量; 而密度較高時(shí), 增加肥料用量反而會(huì)造成產(chǎn)量的下降[12], 可見(jiàn)合理密植能提高馬鈴薯的產(chǎn)量和品質(zhì)。因此, 氮素和密度是影響馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)的2個(gè)最為重要的因素, 不僅影響產(chǎn)量物質(zhì)的形成, 也影響著該物質(zhì)的分配和積累。

旱作農(nóng)田全膜覆蓋后, 一般采用全部基施肥料方式, 這對(duì)后期生殖生長(zhǎng)階段的作物生產(chǎn)和水分利用造成一定脅迫, 不利于提高作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和水分利用效率。因此, 在旱作農(nóng)田全膜覆蓋種植模式下, 通過(guò)改進(jìn)施肥方式來(lái)調(diào)節(jié)作物對(duì)水分的耗散過(guò)程、以及合理優(yōu)化作物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)階段的耗水分配, 是進(jìn)一步提高作物產(chǎn)量和水分利用效率的有效途徑, 但目前這方面研究報(bào)道較少。因此, 本試驗(yàn)設(shè)不同施肥方式和播種密度處理, 測(cè)定馬鈴薯不同生育時(shí)期的土壤溫度、葉綠素相對(duì)含量(Soil and Plant Analyzer Development, SPAD)值、LAI和產(chǎn)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(jī)肥替代的水分調(diào)控效應(yīng)對(duì)馬鈴薯水分利用效率和干物質(zhì)積累的影響, 為建立旱作區(qū)馬鈴薯增產(chǎn)增效和環(huán)境友好的養(yǎng)分管理模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

甘肅省定西市安定區(qū)團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)唐家堡村甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)站, 地處104°36′E, 35°35′N(xiāo), 海拔1970 m, 年均氣溫6.2℃, 年輻射總量5898 MJ m–2, 年日照時(shí)數(shù)2500 h, ≥10℃積溫2075.1℃, 無(wú)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(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。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(duì)變率為24%, 400 mm降水保證率為48%。試驗(yàn)區(qū)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(shù)為7.2%, 土壤有機(jī)質(zhì)、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(yàn)設(shè)計(jì)

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(kāi)小溝, 小溝寬20 cm, 深10 cm (圖1), 小溝內(nèi)每隔50 cm扎眼以便水分入滲。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 2個(gè)密度(49,500株 hm–2和64,500株 hm–2), 3個(gè)施肥處理(表1), 試驗(yàn)小區(qū)面積7.0 m × 6.5 m = 45.5 m2, 3次重復(fù)。有機(jī)肥為風(fēng)干的羊糞, 含全氮0.5%、P2O50.35%、K2O 0.4%, 一次性基施?；?0%基施, 40%追施, 在播前撒施有機(jī)肥和化肥, 旋耕入土; 在馬鈴薯花期用點(diǎn)播器在兩株馬鈴薯之間點(diǎn)播追施化肥。

圖1 馬鈴薯全膜覆蓋壟上微溝種植技術(shù)示意圖

表1 試驗(yàn)設(shè)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(cè), 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(jìn)行其他管理。

1.3 試驗(yàn)區(qū)2015—2017馬鈴薯生育期降水量及平均氣溫

根據(jù)試驗(yàn)站氣象資料統(tǒng)計(jì), 試驗(yàn)區(qū)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(guān)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?jī)H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(jì)6.9 mm, 而2017年的6月24日到7月24日的降水2次, 共計(jì)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(jié)薯期和塊莖膨大期, 2個(gè)關(guān)鍵生育期沒(méi)有降水, 滿(mǎn)足不了馬鈴薯正常生長(zhǎng)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(cè)定指標(biāo)及方法

1.4.1 土壤溫度 在馬鈴薯苗期、現(xiàn)蕾期、盛花期、塊莖膨大期、淀粉積累期、成熟期用地溫計(jì)在壟上兩株馬鈴薯植株間測(cè)定0~25 cm地溫, 每5 cm為1個(gè)測(cè)定層, 每小區(qū)測(cè)定1個(gè)位點(diǎn), 在8:00、14:00、20:00各測(cè)定1次, 定點(diǎn)測(cè)定, 分析時(shí)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(xiàn)蕾期、盛花期、塊莖膨大期、淀粉積累期從每小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的3株, 用SPAD-502plus葉綠素儀對(duì)馬鈴薯倒四葉的頂小葉進(jìn)行SPAD值的測(cè)定, 每一片葉測(cè)5個(gè)位點(diǎn), 取平均值。

1.4.3 LAI 在馬鈴薯現(xiàn)蕾期、盛花期、塊莖膨大期、淀粉積累期用CI-110植物冠層結(jié)構(gòu)分析儀(CID, 美國(guó))測(cè)定LAI, 每小區(qū)重復(fù)5次, 取平均值。

1.4.4 生物量 在馬鈴薯現(xiàn)蕾期、盛花期、塊莖膨大期和成熟期, 從每小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的5株, 用烘干法測(cè)定地上生物量。

1.4.5 土壤水分 在馬鈴薯播期、苗期、現(xiàn)蕾期、開(kāi)花期、盛花期、塊莖膨大期和收獲期用烘干法測(cè)定0~200 cm土層土壤含水量, 每20 cm為1個(gè)層次, 平均每10~15 d每小區(qū)測(cè)定1次, 每小區(qū)在壟上馬鈴薯株間測(cè)定1個(gè)位點(diǎn)。

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(gè)生育時(shí)期初始時(shí)的土壤貯水量; SWS+1為該生育時(shí)期結(jié)束時(shí)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(chǎn)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(tǒng)計(jì)分析

用Microsoft Excel 2010軟件作圖, DPS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行二因素試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析, 用Tukey法檢驗(yàn)處理間的差異顯著性(<0.05和<0.01)。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥模式和播種密度對(duì)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(tǒng)施肥(PMH)增溫0.60℃; 2017年低密度有機(jī)肥替代(PMOL)較低密度傳統(tǒng)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)。現(xiàn)蕾期, 2015年, PMNH較PMH和高密度有機(jī)肥替代(PMOH)分別增溫1.34℃和1.09℃; 2016年P(guān)MOL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(yàn)結(jié)果得出, 密度改變, 土壤溫度不變; 施肥模式對(duì)花前的土壤溫度有影響, 花后沒(méi)有顯著影響; 年際間的變化幅度較大。

2.2 馬鈴薯葉片SPAD對(duì)施肥和密度的響應(yīng)

SPAD在不同年份表現(xiàn)出來(lái)的趨勢(shì)不一致(表3)。增施有機(jī)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(xiàn)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(duì)SPAD影響不顯著。PMO能夠提高現(xiàn)蕾期—塊莖膨大期馬鈴薯葉片SPAD值, 但年份不同, 結(jié)果不同。

表2 施肥方式和播種密度對(duì)土壤溫度的影響

(續(xù)表2)

年份Year處理Treatment苗期 Seedling現(xiàn)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(tǒng)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(jī)肥替代低密度PMOL21.4 b24.1 b23.3 b28.0 a25.9 a13.7 a 傳統(tǒng)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(jī)肥替代高密度PMOH20.9 b24.1 b22.4 cd25.9 d24.6 b13.7 a 2017傳統(tǒng)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(jī)肥替代低密度PMOL21.2 ab22.0 a26.0 a25.7 a24.0 a17.8 a 傳統(tǒng)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(jī)肥替代高密度PMOH20.7 bc21.8 a24.3 b24.1 a22.9 a17.5 a

標(biāo)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(duì)葉片SPAD的影響

標(biāo)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(duì)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(xiàn)在塊莖膨大期(表4)?；ㄆ赑MN和PMO較PM的增加幅度最大, 花后的增加幅度降低?；ㄆ赑MNL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(dá)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(xiàn)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(jī)肥能夠增加馬鈴薯葉片的LAI。

表4 施肥方式和播種密度對(duì)馬鈴薯LAI的影響

標(biāo)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(duì)馬鈴薯植株生物量的影響

隨著生育期的推進(jìn), 地上生物量增加, 其峰值出現(xiàn)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P(guān)MNL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(jié)果表明, 降低密度、氮肥減量追施并增施有機(jī)肥能夠促進(jìn)馬鈴薯地上生物量積累。

圖3 施肥模式和播種密度對(duì)干物質(zhì)積累量的影響

PM: 傳統(tǒng)施肥; PMN: 減量追施; PMO: 有機(jī)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(duì)施肥方式和播種密度的響應(yīng)

對(duì)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(duì)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(gè)因素交互作用均極顯著(表5)。增施有機(jī)肥能提高總耗水量, 2016—2017年P(guān)MOL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(jī)肥均能顯著降低花前耗水量, 2015年P(guān)MNL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P(guān)MNL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(duì)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(jī)肥能夠降低花期耗水量, 2015—2016年P(guān)MOL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(jī)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(guān), 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(shí)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P(guān)MNL和PMOL較PML分別增加了28.84%、40.16%和30.90%、41.46% (<0.05); 同時(shí)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(duì)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(duì)耗水量的方差分析

圖4 施肥方式和播種密度對(duì)階段耗水量的影響

PML: 傳統(tǒng)施肥低密度; PMNL: 減量追施低密度; PMOL: 有機(jī)肥替代低密度; PMH: 傳統(tǒng)施肥高密度; PMNH減量追施高密度; PMOH:有機(jī)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(duì)總耗水量的影響

標(biāo)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(chǎn)量和水分利用效率對(duì)施肥方式和播種密度的響應(yīng)

對(duì)3年馬鈴薯產(chǎn)量的綜合分析表明, 年份(<0.05)、肥料(<0.01)對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量影響極顯著, 而密度(>0.05)對(duì)馬鈴薯產(chǎn)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(chǎn)量, 但密度對(duì)馬鈴薯塊莖產(chǎn)量的影響不一致。2015—2017年P(guān)MNL馬鈴薯的塊莖產(chǎn)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P(guān)MOL、PMNL和PML的馬鈴薯塊莖產(chǎn)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(duì)產(chǎn)量和水分利用效率的影響

PM: 傳統(tǒng)施肥; PMN: 減量追施; PMO: 有機(jī)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(duì)產(chǎn)量及WUE的方差分析

對(duì)3年WUE的綜合分析表明, 年份(<0.01)、密度(<0.01)和肥料(<0.01)對(duì)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(xiàn)不一致(圖5)。3年P(guān)MNL均能提高WUE, 在3年與PMOL達(dá)顯著差異, 并在2016年與PML達(dá)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(jī)肥替代化肥能顯著調(diào)節(jié)馬鈴薯花前花后耗水量, 增加生物量和提高生長(zhǎng)速率, 使得馬鈴薯塊莖產(chǎn)量、水分利用效率和養(yǎng)分利用效率增加[7,13-14]; 而過(guò)量施用氮肥會(huì)造成源庫(kù)關(guān)系失調(diào)[15-18], 降低單株結(jié)薯重量和平均單薯重, 導(dǎo)致馬鈴薯減產(chǎn)。通過(guò)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(chǎn)量[5,19-21]。因此, 基追肥結(jié)合是提高馬鈴薯養(yǎng)分利用效率和產(chǎn)量的有效途徑。本試驗(yàn)結(jié)果表明, 兩種密度條件下增施有機(jī)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(shù)和葉片SPAD值為光合作用奠定了基礎(chǔ), 有利于物質(zhì)同化和塊莖的形成。另外, 有機(jī)肥替代和化肥減量追施降低花前耗水, 促進(jìn)花后耗水, 在總耗水量無(wú)明顯變化的前提下, 優(yōu)化馬鈴薯水分利用進(jìn)程, 協(xié)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(duì)水分利用過(guò)程的優(yōu)化, PMN和PMO都能使馬鈴薯的地上生物量、塊莖產(chǎn)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(chǎn)物的累積, 促進(jìn)根系對(duì)水分養(yǎng)分的吸收, 提高單株產(chǎn)量。馬鈴薯產(chǎn)量與密度呈拋物線(xiàn)關(guān)系, 產(chǎn)量在一定范圍內(nèi)隨著播種密度的增加而提高[22]。齊爽等[23]研究結(jié)果表明, 低密度對(duì)馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)更有利, 而馬鈴薯的干物質(zhì)積累則是在高密度下更好。本試驗(yàn)的研究區(qū)域?qū)侔敫珊岛底鲄^(qū), 季節(jié)性干旱特征明顯, 密度增加可能加劇季節(jié)性干旱對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)的危害程度而造成減產(chǎn)[24]。因此, 選擇適宜密度是該區(qū)馬鈴薯穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)措施。本研究結(jié)果表明, 增加密度對(duì)土壤溫度和馬鈴薯葉片SPAD值無(wú)明顯作用, 但導(dǎo)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(méi)有降低馬鈴薯的塊莖產(chǎn)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(chǎn)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(fā)育快, 根系發(fā)育良好, 而高密度表現(xiàn)生長(zhǎng)緩慢, 干物質(zhì)積累減少, 產(chǎn)量降低。而在2016—2017年, 密度之間的產(chǎn)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(guān)。高密度對(duì)花前耗水量無(wú)顯著影響, 但卻增加了花后耗水量, 在常規(guī)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(jìn)同化產(chǎn)物的積累和向塊莖的分配[25-26], 從而增加馬鈴薯塊莖產(chǎn)量。

施肥和密度對(duì)馬鈴薯的水分利用效率、干物質(zhì)積累和產(chǎn)量有明顯的互作效應(yīng)。田豐等[11]研究表明, 密度對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響較施肥量小, 劉明霞等[27]在降水較充足地區(qū)的研究表明, 在氮肥基追比為 8︰2的條件下, 密度對(duì)產(chǎn)量的影響最大, 氮肥次之。本試驗(yàn)結(jié)果表明, 肥密互作對(duì)地溫和SPAD值的影響不顯著, 但對(duì)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(duì)馬鈴薯的總耗水量和水分利用效率影響極顯著, 對(duì)馬鈴薯的塊莖產(chǎn)量影響不顯著, 而年份和密度的交互作用對(duì)馬鈴薯的塊莖產(chǎn)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(chǎn)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(yán)重干旱, 因此, 通過(guò)調(diào)節(jié)密度和優(yōu)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(jié)性干旱對(duì)塊莖形成和生長(zhǎng)的影響, 進(jìn)而提高塊莖產(chǎn)量和水分利用效率。

4 結(jié)論

減氮追施和有機(jī)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(zhì)同化和促進(jìn)塊莖形成, 并促進(jìn)塊莖的膨大和同化物質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)量。因此, 在適當(dāng)降低密度的基礎(chǔ)上減氮追施或有機(jī)肥替代, 是半干旱旱作區(qū)全膜覆蓋壟上微溝種植馬鈴薯高效的養(yǎng)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(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD22B04), 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)(2017GAAS27)和甘肅省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)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