摘要:針對(duì)河北省張家口壩上干旱半干旱地區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)水肥利用效率逐年降低的問(wèn)題,通過(guò)探究不同水肥用量添加調(diào)理劑對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)及水肥利用的影響,以期探索出張家口壩上地區(qū)高效施用水肥技術(shù)。試驗(yàn)參考傳統(tǒng)種植方式下馬鈴薯水肥用量,將水肥施用量設(shè)置對(duì)照(W100F100),其次在添加土壤調(diào)理劑(P)條件下設(shè)置2因素試驗(yàn)。其中灌水量設(shè)置3個(gè)水平(2 000 m3/hm2,W100;1 700 m3/hm2,W85;1 400 m3/hm2,W70),施肥量設(shè)置4個(gè)水平225、350、402 kg/hm2(F100)、225、350、402 kg/hm2+調(diào)理劑600 L/hm2(PF100)、191、298、342 kg/hm2+調(diào)理劑600 L/hm2(PF85)、157、245、281 kg/hm2+調(diào)理劑600 L/hm2(PF70),共10個(gè)處理。結(jié)果表明,W85PF100和W70PF100處理的馬鈴薯產(chǎn)量分別較W100F100處理顯著提高24.11%、29.45%;除了W85PF70和W70PF100處理,其他各處理對(duì)蛋白質(zhì)和維生素C含量有明顯提升。添加各種調(diào)理劑進(jìn)行減水和減肥對(duì)于植物養(yǎng)分都有顯著的影響。與常規(guī)灌水施肥相比,W100PF100、W85PF100和W85PF85處理的根干物質(zhì)量均有顯著提高;W100PF100處理中莖的全氮、全磷、全鉀含量以及根的全磷含量較W100F100處理有顯著提高。W100PF85處理,其他各處理對(duì)根、莖的全磷含量均有顯著提高。W100PF100、W100PF85和 W85PF85 處理的根全鉀含量存在顯著提高。綜上,與常規(guī)灌水施肥(W100F100)相比,在常規(guī)灌水施肥基礎(chǔ)上添加調(diào)理劑能夠提高土壤剖面水分儲(chǔ)量和植株各器官干物質(zhì)量和養(yǎng)分含量,改善馬鈴薯品質(zhì),提高馬鈴薯產(chǎn)量和水肥利用效率。基于品質(zhì),不同減水減肥添加調(diào)理劑以W85PF100和W85PF85處理最優(yōu);基于產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益則以W85PF100和 W70PF100 最高,進(jìn)而為當(dāng)?shù)伛R鈴薯水肥維護(hù)管理提供了科學(xué)的支撐。
關(guān)鍵詞:灌水量;施肥量;調(diào)理劑;馬鈴薯;經(jīng)濟(jì)效益
中圖分類號(hào):S532.06;S532.07文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1002-1302(2025)02-0107-07
干旱脅迫是限制作物產(chǎn)量的一個(gè)主要原因[1-2]。馬鈴薯對(duì)所有發(fā)育階段干旱高度敏感,特別是塊莖形成時(shí)期[3]。干旱脅迫限制了馬鈴薯的養(yǎng)分吸收及其碳水化合物產(chǎn)生,并損害了其生長(zhǎng)[4]。Saravia等認(rèn)為,馬鈴薯在受到干燥壓力后,其光合作用的速度可能大幅下降,導(dǎo)致其營(yíng)養(yǎng)和能源代謝失衡,最后使得馬鈴薯產(chǎn)量大幅度下降[5]。馬鈴薯養(yǎng)分的吸收利用對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量有著直接的影響。因此,在馬鈴薯生長(zhǎng)過(guò)程中養(yǎng)分的均衡供給被視為達(dá)到高產(chǎn)量與高效率的決定性因素[6]。土壤調(diào)理劑是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型高分子材料,具有很強(qiáng)的吸水和保水能力,能迅速吸收自身重量幾百倍甚至上千倍的水分,且有反復(fù)吸水的功能,吸持后的水分可緩慢釋放供作物利用[7-9]。不同地區(qū)土壤調(diào)理劑的種類、施用方式、用量等不同,對(duì)改善土壤性質(zhì)和促進(jìn)作物生長(zhǎng)的效果也不同[10-12]。施用土壤調(diào)理劑既可以顯著提高馬鈴薯產(chǎn)量,還可以顯著改良馬鈴薯的品質(zhì);杜嘉等認(rèn)為,有機(jī)肥配施土壤調(diào)理劑對(duì)旱作區(qū)新修梯田培肥地力、提高馬鈴薯產(chǎn)量的效果顯著[13]。目前針對(duì)馬鈴薯水肥高效利用的研究主要集中在灌水量和施肥量等單一因素上,而在灌水和施肥基礎(chǔ)上添加調(diào)理劑關(guān)于馬鈴薯水肥的高效應(yīng)用尚需進(jìn)一步探究。因此,本研究在不同水肥條件下添加調(diào)節(jié)劑,深入分析其對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)、養(yǎng)分含量、產(chǎn)量、質(zhì)量以及水肥使用的各種影響,明確不同水肥用量如何影響馬鈴薯的產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益,從而為河北張家口壩上地區(qū)的馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了理論建議。
1材料與方法
1.1試驗(yàn)概況
2022年4月28日至9月25日在河北省張家口市宏基農(nóng)業(yè)科技開(kāi)發(fā)有限公司的崗子基地(位于沽源縣二道渠鄉(xiāng),41°46′N、115°57′E)進(jìn)行實(shí)地大田試驗(yàn)。在種植期間,年降水量達(dá)到 246 mm,平均氣溫為16.04 ℃(圖1),平均海拔高度為1 395 m。這一帶具有明顯的大陸性季風(fēng)氣候特征,其中春天干旱多風(fēng),夏天則是酷熱且降水稀少,秋天天氣晴好且略帶涼爽,而冬天寒冷且雪花稀少。試驗(yàn)區(qū)域的土壤主要是沙壤栗鈣土,其土壤中的有機(jī)質(zhì)含量為 8.37 g/kg、全氮含量達(dá)370 mg/kg、速效磷含量為1.31 mg/kg、速效鉀含量為108 mg/kg,土壤pH值為8.23。
1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)主要以當(dāng)?shù)卮筇锍R?guī)的灌水量(2 000 m3/hm2)和施肥量(1 844 kg/hm2)為依據(jù)。本研究向土壤中加入的液態(tài)調(diào)理劑,主要由陰離子聚丙烯酰胺、聚乙烯醇和硫酸錳合成,它具備保水和緩釋的特性,其有效成分占比為2%,其中C含量和N含量分別為0.2%、0.04%。本研究進(jìn)行了2個(gè)因素的交互試驗(yàn),第1個(gè)因素是不同的肥料用量:225、350、402 kg/hm2(F100,為純氮、純磷、純鉀養(yǎng)分的施用量,下同),225、350、402 kg/hm2+調(diào)理劑600 L/hm2(PF100),191、298、342 kg/hm2+調(diào)理劑600 L/hm2(PF85),157、245、281 kg/hm2+調(diào)理劑600 L/hm2(PF70);第2個(gè)影響因素是不同的灌溉量,具體為 2 000 m3/hm2(W100)、1 700 m3/hm2(W85)和 1 400 m3/hm2(W70)。各水平均采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),總共進(jìn)行10次處理,每次處理都有3次重復(fù),涵蓋30個(gè)小區(qū)。在試驗(yàn)中采用地膜覆蓋和壟作2種栽培方式進(jìn)行對(duì)比研究。該小區(qū)的長(zhǎng)度為20 m,寬度為1.8 m,總面積達(dá)到36 m2。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn),以常規(guī)施肥方式作對(duì)照,分析鉀肥對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量及品質(zhì)的影響。
本研究馬鈴薯種植品種為布爾班克(審定編號(hào):蒙審薯2015001號(hào)),采用的種植方式是機(jī)械化的起壟種植,行距為90 cm,株距為24 cm。為了減少不同處理方式之間的互相干擾,小區(qū)的兩端都設(shè)置了保護(hù)行,采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。在播種之前,硫酸鉀、硫酸一銨、復(fù)合肥以及50%的氮肥應(yīng)按照各自的處理量作為基礎(chǔ)肥料,并在每個(gè)小區(qū)內(nèi)施用,剩余的則需要追加施肥。田間試驗(yàn)中對(duì)土壤進(jìn)行改良并根據(jù)實(shí)際情況選擇適合本地區(qū)生產(chǎn)需要的調(diào)理劑及配方肥。調(diào)理劑(一次性加入)在水中溶解后,可以通過(guò)施肥罐進(jìn)行滴施,而種植和管理方法都根據(jù)當(dāng)?shù)氐膫鹘y(tǒng)習(xí)慣進(jìn)行。
1.3取樣與測(cè)定
在各個(gè)小區(qū)中選擇3個(gè)生長(zhǎng)狀況相似的區(qū)域(3 m×1 m)進(jìn)行產(chǎn)量、其組成元素以及品質(zhì)的測(cè)定。對(duì)不同品種的馬鈴薯進(jìn)行水分脅迫處理。對(duì)馬鈴薯在不同生長(zhǎng)階段的干燥樣本進(jìn)行充分的研磨處理,然后通過(guò)1 mm的篩子進(jìn)行篩選,接著用高濃度的H2SO4-H2O2進(jìn)行消煮,最后使用消煮液進(jìn)行養(yǎng)分檢測(cè)[14]。本研究使用流動(dòng)分析儀來(lái)測(cè)量植物各部位的全氮和全磷含量[14],并采用火焰分光光度計(jì)來(lái)確定全鉀含量[14]
各器官生物量的測(cè)定采用二硝基水楊酸(DNS)比色法[14];維生素C含量的測(cè)定采用蒽酮硫酸法[15],蛋白質(zhì)含量的測(cè)定采用染料結(jié)合法[15];還原糖含量的測(cè)定采用DNS比色法[15]。
肥料偏生產(chǎn)力=Y(kg/hm2)/單位施肥量(kg/hm2);(1)
WUE=Y/I;(2)
ET=I+P+K-R0-D-ΔS;(3)
ΔS=S1-S2;(4)
S= 10×h×a×b。(5)
式中:WUE表示水分利用效率,kg/(hm2·mm);Y表示作物產(chǎn)量,kg/hm2;I表示作物全生育期的灌水量,mm;ET表示作物全生育期累積耗水量,mm;P表示有效降水量,mm;K表示地下水補(bǔ)給量,mm;R0表示地表徑流量,mm;D表示深層滲漏量,mm;ΔS表示馬鈴薯生育期內(nèi)土壤儲(chǔ)水量變化,mm。由于試驗(yàn)區(qū)干旱少雨,且滴灌單次灌水量較少,無(wú)法形成地表徑流,故R0取值0;考慮到試驗(yàn)區(qū)距地表1 m以下的土壤水分變化很小,故不考慮地下水補(bǔ)給(K)和深層滲漏量(D);S1表示收獲期土壤儲(chǔ)水量;S2表示播種期土壤儲(chǔ)水量;h表示土層深度,cm;a表示土壤容重,g/cm3;b表示土壤重量含水量,%[16]。
1.4數(shù)據(jù)分析
為了對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,使用Excel 2007進(jìn)行分析和計(jì)算,并通過(guò)SPSS 25.0軟件完成單個(gè)因素的方差分析與差異顯著性檢驗(yàn)。采用TOPSIS 進(jìn)行多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)[17],用Origin 8.0軟件完成制圖操作。
2結(jié)果與分析
2.1不同水肥減量添加調(diào)理劑對(duì)土壤儲(chǔ)水量、產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力及水分利用效率的影響
由表1可知,除W70PF100和W70PF85處理外,其他處理的0~100 cm土壤儲(chǔ)水量均較W100F100處理有顯著提升。不同處理對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響較小,與W100F100處理相比,僅有W85PF100和W70PF100處理分別顯著提高24.11%、29.45%(Plt;0.05)。不同水肥減量添加調(diào)理劑對(duì)土壤水肥利用的影響較大,除W100PF100處理外,其他處理的肥料偏生產(chǎn)力和水分利用效率均有顯著提升。
2.2不同水肥減量添加調(diào)理劑對(duì)馬鈴薯塊莖品質(zhì)的影響
由表2可知,減少灌水和施肥對(duì)淀粉、蛋白質(zhì)、維生素C和還原糖含量均有顯著影響。與W100PF100相比,除W85PF70和W70PF100處理外,其他各處理對(duì)維生素C含量均有顯著提高。說(shuō)明減少灌水和施肥會(huì)顯著增加維生素C含量。在W85處理下,各施肥處理均能夠增加還原糖含量,但是還原糖含量的增加不利于馬鈴薯的儲(chǔ)存。
由表2還可知,W100PF85處理會(huì)顯著提高淀粉含量,W85PF70處理會(huì)顯著降低淀粉含量。除W100PF100、W100PF70、W85PF100、W85PF85、W70PF100處理對(duì)還原糖含量無(wú)顯著影響之外,其余處理均存在顯著影響。
農(nóng)民追求的是作物的高產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)利益,而客戶的需求正是產(chǎn)品質(zhì)量。依據(jù)TOPSIS的算法結(jié)果(表3)分析,所有綜合得分指數(shù)都落在0~1范圍內(nèi),當(dāng)它們更趨近于1時(shí),則表示水肥組合表現(xiàn)更加優(yōu)越,故W85PF100(100%施肥和85%灌水+調(diào)理劑)水肥組合對(duì)馬鈴薯品質(zhì)影響最優(yōu)。
2.3不同水肥減量添加調(diào)理劑對(duì)馬鈴薯各器官全氮、全磷、全鉀的影響
由圖2可知, W100PF100處理中莖的全氮、 全磷、全鉀含量以及根的全磷含量較W100F100處理有顯著提高。不同減水減肥添加調(diào)理劑對(duì)植株養(yǎng)分影響較大。與W100F100處理相比,W100PF85、W100PF70和W85PF100處理會(huì)顯著提高根的全氮含量;W85PF100和W85PF70處理會(huì)顯著增加葉的全氮含量;除 W100PF85、W85PF100和W85PF70處理外,其他處理中莖的全氮含量有顯著提高。除了W100PF85處理外,其他各處理對(duì)根、莖的全磷含量均顯著提高。W100PF85、W100PF70、W85PF100、W85PF70、W70PF100、W70PF85處理對(duì)葉的全磷含量均顯著提高。
不同處理對(duì)馬鈴薯各器官全鉀含量有顯著影響。其中,W100PF85、W100PF70和W85PF100處理的根全氮含量較W100F100處理分別顯著提高29.31%、33.61%、29.23%(Plt;0.05)。與W100F100處理相比,除W100PF85、W85PF100、W85PF70處理的莖全氮含量不存在顯著差異,其他處理均存在顯著差異,其中W100PF100處理差異最大,達(dá)32.43%(Plt;0.05)。不同處理對(duì)葉的全氮含量影響不同,其中W85PF100和W85PF70處理顯著提高。不同處理對(duì)馬鈴薯各器官全磷含量影響較大,僅W100PF85處理的莖全氮含量無(wú)顯著差異。不同處理對(duì)莖的全磷含量均增幅明顯,其中W85PF85差異最顯著,為298.72%(Plt;0.05)。葉的全磷含量除W100PF100、W85PF85、W70PF70處理差異不顯著外,其他處理也均顯著提高。不同處理對(duì)馬鈴薯各器官全鉀含量影響較大。與W100F100處理相比,W85PF85、W85PF70、W70PF70處理的莖全鉀含量顯著提高;W100PF100、W100PF85、W85PF85 處理的根全鉀含量顯著提高;W100PF70、W85PF70、W70PF85處理對(duì)葉的鉀含量存在顯著差異,分別提升45.64%、37.46%、13.59%(Plt;0.05)。
2.4不同水肥減量添加調(diào)理劑對(duì)馬鈴薯各器官干物質(zhì)積累量的影響
對(duì)馬鈴薯不同器官的干物質(zhì)積累量進(jìn)行比較分析,發(fā)現(xiàn)W100PF100、W85PF100、W85PF85處理方式下的根干物質(zhì)積累量明顯提升。不同品種間比較發(fā)現(xiàn),各處理的產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益差異明顯。
2.5不同水肥減量添加調(diào)理劑對(duì)馬鈴薯經(jīng)濟(jì)效益的影響
由表4可知,W70PF100在總收益和凈收益方面都達(dá)到了峰值,分別為42 735、19 772元/hm2。W100F100 的處理方式在總收益和凈收益上都明顯低于其他方法。從產(chǎn)量來(lái)看,各處理之間差異不顯著,但隨著施肥量的增大,不同品種間表現(xiàn)出一定的差異性。在W85PF70處理?xiàng)l件下,產(chǎn)投比達(dá)到了峰值,為2.00,而W100F100處理的產(chǎn)投比最低,僅為1.49,這明顯低于其他處理方式。不同水分條件下,不同施肥量對(duì)小麥產(chǎn)量影響不顯著。在PF100和PF85等2種施肥處理下,隨著灌水量的逐漸增多,其凈收益和產(chǎn)投比都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。而W70處理的平均凈收益比W100、W85處理分別提高5.43%、0.67%。不同灌溉條件下,施入土壤調(diào)理劑后作物產(chǎn)量顯著降低。在相同水分處理?xiàng)l件下,使用土壤調(diào)理劑可以明顯增加凈收益。特別是在W85和W70的水平下,PF100處理的凈收益明顯超過(guò)PF85、PF70處理的20.12%、-3.08%和12.82%、31.67%。
3討論
王英認(rèn)為,馬鈴薯的儲(chǔ)水量隨滴灌定額的增加而增加[18]。林明等認(rèn)為,少量滴灌定額(300 mm)雖然可以獲得較高的水分利用效率,但是減產(chǎn)嚴(yán)重,并得出375 mm滴灌量為產(chǎn)量和水分利用效率的最佳結(jié)合點(diǎn)[19]。本研究除了W70PF100和W70PF85這2種處理方法之外, 其他0~100 cm深度的土壤儲(chǔ)水量都明顯超過(guò)了W100F100處理方法。說(shuō)明與常規(guī)灌水施肥相比,在添加調(diào)理劑的基礎(chǔ)上,減少灌水和施肥仍然能夠顯著提高土壤儲(chǔ)水量。馬鈴薯產(chǎn)量受到不同處理方式的影響相對(duì)較小,與W100F100處理相比,僅W85PF100、W70PF100處理分別實(shí)現(xiàn)24.11%、29.45%的產(chǎn)量提升(Plt;0.05)。同一水分處理下,施用土壤調(diào)理劑能夠顯著提高馬鈴薯的凈收益,在W85和W70水平時(shí),PF100處理的凈收益分別顯著高于PF85和PF70處理20.12%、-3.08%和12.82%、31.67%。不同水肥減量添加調(diào)理劑對(duì)土壤水肥利用的影響較大,除W100PF100 處理外,其他處理的肥料偏生產(chǎn)力和水分利用效率均有顯著提升。一方面這可能是減少灌水和施肥能夠提高馬鈴薯凈收益和產(chǎn)投比;從另一個(gè)角度看,土壤調(diào)理劑中包含陰離子聚丙烯酰胺,且富含大量的羥基、羧基等具有親水特性的官能團(tuán),能夠吸收水分有利于土壤養(yǎng)分的積累,進(jìn)而能夠促進(jìn)馬鈴薯生長(zhǎng)并提高產(chǎn)量,從而提高馬鈴薯的經(jīng)濟(jì)效益[20-22]。
水肥因子對(duì)馬鈴薯品質(zhì)的影響與灌水量和施肥量的多少密切相關(guān)[23-24]。馬鈴薯中的淀粉含量會(huì)隨著灌溉量的增加而上升,但是還原糖的含量會(huì)隨著灌溉量的增加而逐漸減少[25-26]。臧文靜等認(rèn)為,在不同水肥組合條件下,隨著灌溉量的逐漸增多,馬鈴薯的塊莖淀粉、維生素C含量以及粗蛋白含量普遍呈現(xiàn)下降態(tài)勢(shì)[27]。王英等認(rèn)為,隨灌水量的增大可溶性糖含量和維生素C含量隨灌水量的增大而增大[28]。本研究除W85PF70和W70PF100處理外,其他各處理對(duì)維生素C含量均有顯著提高。說(shuō)明減少灌水和施肥可以顯著增加蛋白質(zhì)含量和維生素C含量。這可能是調(diào)理劑通過(guò)為馬鈴薯植株提供充足的養(yǎng)分進(jìn)而提高馬鈴薯品質(zhì)[29]。在W85處理下,各施肥處理均能夠增加還原糖含量,雖然還原糖含量的增加有利于提高馬鈴薯品質(zhì),但是還原糖含量的提高不利于馬鈴薯的儲(chǔ)存[30]。
胡丹等認(rèn)為,作物的生長(zhǎng)發(fā)育離不開(kāi)干物質(zhì)的積累和養(yǎng)分的吸收利用,作物對(duì)養(yǎng)分的吸收是干物質(zhì)積累的前提和基礎(chǔ)[31-32]。根據(jù)之前的研究,當(dāng)施肥量保持不變時(shí),隨著馬鈴薯灌溉量的逐漸增多,各個(gè)器官的干物質(zhì)含量都呈現(xiàn)出上升的態(tài)勢(shì)[33]。而本研究與結(jié)果之不同,與傳統(tǒng)灌水施肥相比(W100F100),除W100PF70、W70PF85、W85PF70、W70PF70處理對(duì)莖和葉的干物質(zhì)量無(wú)顯著差異,其余處理均有顯著提高。表明灌溉和施肥的量對(duì)馬鈴薯各個(gè)器官吸收植物營(yíng)養(yǎng)有顯著影響。當(dāng)馬鈴薯進(jìn)入成熟期時(shí),其各個(gè)部分和整體的N、P、K積累量會(huì)隨著灌溉量的逐漸增多而上升,說(shuō)明適當(dāng)增加施肥可以提高馬鈴薯成熟期時(shí)的N、P、K累積量[34]。而本研究W85PF100處理的馬鈴薯植株根、莖、葉的全氮含量較W100F100均有顯著的影響;W85PF85對(duì)莖和葉的全磷含量均有顯著提高。W85PF85處理的植株根和莖的鉀含量較W100F100有顯著提高,W85PF70和W70PF85處理對(duì)葉的鉀含量均有顯著提高。說(shuō)明在添加調(diào)理劑的基礎(chǔ)上進(jìn)行減水減肥對(duì)植株氮磷鉀含量均有顯著的提升作用。這可能是減少水和肥料的使用量以及添加調(diào)理劑都有助于降低土壤水分和養(yǎng)分淋溶的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)也能增加土壤剖面中水分和養(yǎng)分的累積[35-36]。
4結(jié)論
在常規(guī)灌水施肥基礎(chǔ)上添加調(diào)理劑能夠提高土壤剖面水分儲(chǔ)量和植株各器官干物質(zhì)量和養(yǎng)分含量,改善馬鈴薯品質(zhì),提高馬鈴薯的產(chǎn)量和水肥利用效率?;谄焚|(zhì),不同減水減肥添加調(diào)理劑以W85PF100和W85PF85處理為最優(yōu);基于產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益則以W85PF100和W70PF100為最高。
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