有机肥部分替代化肥对马铃薯农艺性状、产量和品质的影响

Effects of partial substitution of chemical fertilizer with organic fertilizer on potato agronomic traits，yield and quality

摘要

目的 为探明有机肥部分替代化肥对马铃薯生长的影响。 方法 设置7个处理：不施肥（CK）、100%常规施肥（T₁）、80%常规施肥（T₂）、80%常规施肥+固体有机肥+有机液体肥（T₃）、80%常规施肥+固体有机肥+微肥（T₄）、80%常规施肥+固体有机肥+微肥+有机液体肥（T₅）和80%常规施肥+固体有机肥（T₆），分析不同处理对马铃薯生理特性、产量、干物质和品质的影响。 结果 有机肥部分替代化肥促进了植株地上部生长，T₅处理的分枝数和块茎数较T₁提高26.38%和108%。产量以T₅最高，为47 729.7 kg/hm²。成熟期，T₅块茎干物质质量最高。叶片超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性T₅处理较T₁提高11.04%、31.63%和95.72%。T₅处理块茎可溶性蛋白含量、还原糖、淀粉和VC含量均高于其他处理，对马铃薯品质影响较明显。 结论 施用80%常规施肥+固体有机肥+微肥+有机液体肥为当地马铃薯推荐施肥方法。

Abstract

Objective The aim of the study was to investigate the effect of partial substitution of chemical fertilizers with organic fertilizer on potato growth. Method Seven different fertilizing treatments were carried out in the study，i.e.，no fertilization (CK)，100% conventional fertilization (T₁)，80% conventional fertilization (T₂)，80% conventional fertilization + solid organic fertilizer + organic liquid fertilizer (T₃)，80% conventional fertilization + solid organic fertilizer + micro fertilizer (T₄)，80% conventional fertilization + solid organic fertilizer + micro fertilizer + organic liquid fertilizer (T₅) and 80% conventional fertilization + solid organic fertilizer (T₆)，followed by the analysis on physiological characteristics，yield，dry matter and quality of potatoes. Result The partial replacement of chemical fertilizer by organic fertilizer promoted the above-ground growth of plants，and the number of branches and tubers in T₅ treatment increased by 26.38% and 108% when compared with T₁.The yield was the highest in T₅，which was 47729.7 kg/hm².The dry matter content was the highest in tubers of T₅ at maturity stage.The activities of superoxide dismutase，peroxidase and catalase in leaves with T₅ treatment were increased by 11.04%，31.63% and 95.72% when compared with T₁ treatment.The soluble protein content，reduced sugar，starch and VC content in the tubes of T₅ treatment were higher than those of other treatments，and the effect on potato quality was significantly different. Conclusion It was suggested that the fertilizer application of 80% conventional fertilization + solid organic fertilizer + micro fertilizer + organic liquid fertilizer could be recommended as the suitable method of fertilization in potato cultivation in this region.

Graphical abstract

关键词

马铃薯 / 化肥减施 / 有机肥 / 产量 / 品质

Key words

potato / fertilizer reduction / organic fertilizer / yield / quality

马铃薯（Solanum tuberosum L.）广泛种植于世界各地，是第四大粮食作物^［1］。生产与消费仅次于小麦、水稻和玉米^［2］。陇中半干旱区是马铃薯主要产区之一，总产量位居全国第二^［3］。该区气候冷凉，昼夜温差大，雨热分布特征与马铃薯块茎膨大期吻合，具有良好的生态适宜性^［4］。马铃薯种植为当地农民的收入提供了重要渠道，尤其全膜覆盖垄沟种植技术的实现，更加提高了水资源的利用率，但在养分管理方面依旧存在许多问题，如大量施肥但产量不高、不施或有机肥施用不足、肥料投入与效益收入呈负相关等^［5］。

化肥是粮食生产的基础，施用化肥可以促进作物生长、维持高产^［6-7］。但是，在农作物生产中为了获得高产，化肥用量逐年增加，不合理施用化肥现象普遍存在导致土壤肥力下降，土壤质量变差，进而影响作物生长^［8］。在棉花种植中发现，过量施肥会对棉花生长造成不利影响，如根系发育缓慢，棉花品质下降等^［9］。另有研究表明，高量施肥虽然可以提高马铃薯茎叶干物质质量，但不能提高块茎质量，过量施氮使马铃薯产量下降^［10］。

据统计，我国每年用于马铃薯种植的化肥至少65.5万t，且肥料利用率不高^［11-12］。不合理施肥会导致马铃薯产量降低、品质变差，影响经济效益^［13］。因此，合理控制化肥用量，优化施肥模式，已成为马铃薯生产中亟待解决的问题。在实际生产中，采用科学的方法合理减施化肥并配施有机肥，是实现作物增产优质的重要手段^［14-15］。在水稻研究中发现，化肥减施并配施有机肥会使土壤有机质含量升高，促进植株生长，有利于产量增加^［16］。而当前关于有机肥部分替代化肥技术在陇中半干旱区马铃薯生产中的应用研究还较少，尤其是在探究化肥减施与有机肥配施对马铃薯农艺性状、产量及品质等方面的研究较少。本研究通过化肥减施与不同有机肥配施，分析各施肥处理对马铃薯产量形成及薯块品质的影响，明确化肥减量配施有机肥在马铃薯上的应用效果，以期为陇中半干旱区马铃薯制定科学合理的施肥方案，实现其优质生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2019年4~10月份在甘肃农业大学定西综合试验站（N 35°32′，E 104°37′）进行。该区为典型的半干旱雨养农业区，海拔高度1 920 m，年均辐射592.9 kJ/cm²，年均气温6.4 ℃，年均降水量415.2 mm，年蒸发量1 531 mm，干燥度2.53；土壤类型为黄绵土，土壤肥力均匀，具有良好的贮水性能。0~20 cm土层pH、速效氮、磷、钾和有机质分别为8.04、13.8 mg/kg、12.7 mg/kg、180.2 mg/kg和17.8 g/kg。

1.2 供试材料

本试验马铃薯品种选用定薯4号，由定西市农业科学院提供。以尿素（含N 46%），过磷酸钙（含P₂O₅ 16%），硫酸钾（含K₂O 52%）为供试化肥。微肥：硼肥和锰肥，硼肥为硼砂（含硼11.3%），锰肥为硫酸锰（含锰23%），购于盐城市早发农业技术开发有限公司。固体有机肥：有机肥料（N+P₂O₅+K₂O≥5%，有机质≥45%），由永靖县宝禾肥业有限公司生产。液体有机肥：布兰特-GH有机螯合液体肥料（N≥56 g/L，Mg≥18 g/L，Fe+Mn+B+Zn≥38 g/L），由美国布兰特股份有限公司生产。

1.3 试验设计与方法

试验为田间栽培试验，共设7个处理，分别为：CK：不施肥；T₁：单施化肥（525 kg/hm²尿素+375 kg/hm²过磷酸钙+600 kg/hm²硫酸钾）；T₂：80%化肥（420 kg/hm²尿素+300 kg/hm²过磷酸钙+480 kg/hm²硫酸钾）；T₃：80%化肥+3 000 kg/hm²固体有机肥+12 kg/hm²有机螯合液体肥；T₄：80%化肥+3 000 kg/hm²固体有机肥+微肥（15 kg/hm²硼肥+15 kg/hm²锰肥）；T₅：80%化肥+3 000 kg/hm²固体有机肥+微肥（15 kg/hm²硼肥+15 kg/hm²锰肥）+12 kg/hm²有机螯合液体肥；T₆：80%化肥+3 000 kg/hm²固体有机肥。每个处理设3次重复，共21个小区，小区面积34.7 m²，周边设置60 cm保护行。株距和行距分别为33 cm和40 cm。各处理化肥和固体有机肥在起垄覆膜时一次性基施（表1）。微肥和液体有机肥分别于马铃薯苗期（6月12日）、块茎形成期（7月10日）、块茎膨大期（7月30日）喷施，喷施时间选择在晴朗无风的早晨，以叶片正反两面全部湿润无下滴为标准。4月20日播种，10月1日收获，田间其它管理与当地大田一致。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 样品采集

土壤样品的采集与处理：马铃薯播种前（4月18日）利用5点采样法采集0~20 cm的土样。去掉石子、植物残体等杂物后混匀土样，装入密封袋带回实验室。自然风干后过100目筛备用。

植株样品采集与处理：在马铃薯生育期内，分别于苗期（6月12日）、块茎形成期（7月10日）、块茎膨大期（7月30日）、淀粉积累期（8月25日）和成熟期（9月28日）分5次采集植株样品。每次选取地上部生长一致的完整植株5株，整株挖出，分根系、地上部（茎+叶）和块茎3部分，于105 ℃杀青30 min后在85 ℃烘至恒质量称量，测定干物质。

1.4.2 测定指标

生长指标：于马铃薯苗期统计出苗率、主茎数和分枝数。用卷尺测量地上部分基部至顶端的垂直高度为马铃薯的株高；茎粗选择植株主茎最粗的部分，用游标卡尺测量其横截面直径。

抗氧化酶活性：于块茎膨大期，选择植株主茎上长势良好的叶片迅速摘取并密封保存待用。过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚法测定；过氧化氢酶（CAT）活性采用紫外吸收法测定；脯氨酸（Pro）含量采用酸性茚三酮法测定；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用NBT光化还原法测定^［17］。

产量及产量性状：马铃薯收获时，各处理选取10株考种，测量单株结薯数（个），分大中小薯进行产量结构分析（大薯250 g以上，中薯50~250 g，小薯50 g以下），并按小区单收计产。

品质：马铃薯块茎收获后利用近红外品质分析仪（丹麦FOSS，NIRS DS 2500）测定块茎中淀粉、还原糖、VC和可溶性蛋白含量^［18］。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2010进行试验数据统计，通过SPSS 25.0软件用Duncan's新复极差法对试验数据进行方差分析，利用Origin 2018和SketchUp 2016进行绘图。

2 结果与分析

2.1 有机肥部分替代化肥对马铃薯农艺性状的影响

由图1可知，施肥处理均可提高马铃薯的株高和茎粗。随生育期的推移，株高呈“S”型生长趋势。苗期，T₅处理的株高均高于其他处理，分别比CK和T₁处理提高165%和80%，且与CK和T₁差异显著；在块茎形成期，T₅处理的株高显著高于其他施肥处理，较T₁提高19.07%，而茎粗在T₃处理的增长优势最明显，相较T₁处理提高了4.76%。块茎膨大期，T₅处理株高与其他处理间差异显著。淀粉积累期，株高相较前面3个时期表现出下降的趋势，T₅处理的株高比块茎膨大期降低了11.00%。茎粗增长速度变缓，表现为：T₅>T₄>T₃>T₆>T₁>T₂>CK。

如表2所示，与CK相比，施肥处理均可提高马铃薯的出苗率、分枝数、块茎数和主茎数。各施肥处理间以T₅处理最佳，较T₁处理，出苗率、分枝数、块茎数和主茎数分别提高了10.01%、26.38%、108%和99.73%。

2.2 有机肥部分替代化肥对马铃薯产量的影响

根据图2可知，施肥处理的马铃薯产量均显著高于CK。T₃、T₄、T₅和T₆处理产量较T₁处理分别提高了11.72%、3.17%、19.64%和2.97%；其中T₅处理产量最高，为47 729.7 kg/hm²。T₃次之，为44 568.6 kg/hm²。表明80%化肥+3 000 kg/hm²固体有机肥+微肥（15 kg/hm²硼肥+15 kg/hm²锰肥）+ 12 kg/hm²有机螯合液体肥（T₅）和80%化肥+ 3 000 kg/hm²固体有机肥+12 kg/hm²有机螯合液体肥（T₃）两种处理对马铃薯产量影响最明显。

由表3可以看出，较CK相比，施肥处理下马铃薯单株结薯数和单株薯重均有所增加。其中，各施肥处理间，T₅处理对大、中、小薯结薯个数的影响最大。与T₁相比，T₅处理的大薯结薯个数百分率增加了42.88%，中薯和小薯结薯个数百分率分别降低了17.75%和44.38%。T₁~T₆处理中，T₁处理的绿薯率和T₆的烂薯率在数值上均高于其他处理。

2.3 有机肥部分替代化肥对马铃薯抗氧化酶活性及渗透调节物质的影响

由图3，马铃薯叶片中SOD，POD和CAT活性较CK均有提高。T₃~T₆处理下SOD活性相较T₁提升了1.59%~11.04%。T5处理的POD活性达到最高，且与T₁处理的差异性显著，较T₁处理提高了31.63%；CAT活性在T₅处理下最高，与其他处理均差异性显著，相较T₁处理升高了95.72%；脯氨酸（Pro）含量的大小顺序为：T₃>T₅>T₄>T₆>T₁>T₂>CK，T₃~T₆处理下Pro含量较T₁处理分提高了24.28%、2.53%、20.26%和1.05%。

2.4 有机肥部分替代化肥对马铃薯干物质的影响

由图4可知，施肥处理的马铃薯单株干物质质量均高于CK。苗期，T₅处理的茎叶和根的干物质质量与T₁处理差异显著，分别提高156%和210%。块茎形成期，各施肥处理与T₁处理均有显著差异性。T₅处理的根部干物质和块茎干物质较T₁处理分别提高了73.22%和33.32%。块茎膨大期，T₅处理的茎叶干物质最高，相较T₁处理提高了49.68%。T₅处理时根部干物质质量与CK、T₁、T₂和T₄处理差异性显著，分别提高160%、71.28%、101%和51.33%。块茎干物质质量在T₅处理时显著高于T₁处理。淀粉积累期马铃薯植株的干物质量均快速增长，这一时期，各处理的茎叶干物质均达到最高值，其中T₅处理最高，达到183.30 g，且与T₁处理差异显著。T₅处理下根部与块茎的干物质质量较T₁处理分别提高64.82%和5.05%。成熟期，各处理的块茎干物质质量达到最高，其中T₅处理显著高于T₁处理。茎叶干物质在这一时期呈下降趋势。T₅处理的根部干物质重量与T₁处理差异性显著，提高了68.22%，而与T₃和T₆差异不显著。

2.5 有机肥部分替代化肥对马铃薯品质的影响

由图5可知，T₃、T₄、T₅和T₆处理马铃薯块茎中可溶性蛋白含量相较T₁处理分别增加了9.29%、0.71%、7.62%和2.14%。还原糖含量最高的为T₅和T₃处理，均达到0.19%。T₅与T₃处理淀粉含量均显著高于T₁处理，分别增加了19.14% 和17.96%。VC含量最高的是T₅和T₃处理，相较T₁处理分别提高了12.42%和10.86%。综上，施肥可以提高马铃薯品质，T₅处理对马铃薯块茎品质的影响最大，T₃处理次之。

3 讨论

3.1 有机肥部分替代化肥对马铃薯农艺性状的影响

杜常亮等^［19］研究指出，化肥与有机肥交互施用有利于马铃薯的株高、茎粗、分枝数、产量和品质的增长。本研究发现，施肥处理下马铃薯的株高和茎粗均高于CK，其中T₅处理下农艺性状的各项指标均为最高，这与前人^［9，20］研究结果一致，化肥减施与有机肥混合施用可以显著增加作物的株高和茎粗等。

3.2 有机肥部分替代化肥对马铃薯产量的影响

施肥可以保证马铃薯获得高产，但过量施肥会影响产量，降低薯块重量和大、中薯个数，导致马铃薯减产^［10］。化肥配施有机肥可使苹果增产42.5%^［21］。此外也有研究指出，减施25%的化肥并配施有机肥可维持番茄高产^［22］。本试验中，T₁~T₆处理相较CK均显著增加马铃薯产量，分别提高22.32%~72.48%。这与前人试验的研究结果相似，说明化肥减施与有机肥配施能促进作物生长，进而提高作物产量^［5，23］。

3.3 有机肥部分替代化肥对马铃薯抗氧化酶活性及渗透调节物质的影响

SOD具有清除超氧阴离子自由基的功能，CAT可降解植物体内的H₂O₂，提高植物生理代谢水平^［24］。齐玉鑫等对大豆的研究结果表明，在一定范围内提高施肥量，大豆植株叶片抗氧化酶活性均有所增加^［25］。本试验中，随着施肥量的增加，马铃薯植株叶片内SOD、POD与CAT活性逐渐增强，当施肥处理为80%常规施肥+固体有机肥+微肥+有机螯合液体肥（T₅）时，植株体内抗氧化酶活性显著高于CK。这与前人^［26-27］的研究一致。此外，研究发现，化肥与有机肥合理配比施用对紫叶地锦游离脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量均有显著提高，进而提高了紫叶地锦的抗逆性和适应性^［28］。也有研究表明，施用不同类型的肥料能显著提高枸杞叶片脯氨酸的含量，使细胞渗透浓度增加，更利于细胞的正常代谢^［29］。本研究结果表明，施肥处理的脯氨酸含量均高于CK，且化肥减施与有机肥混合施用可大幅度提高植株体内脯氨酸的含量。这与王小华等^［28］和赵栋等^［29］的研究结果相似。

3.4 有机肥部分替代化肥对马铃薯干物质的影响

植物干物质的累积及分配会因施肥的不同而不同，随着生育期延长干物质量会增加，积累量和积累强度呈“慢-快-慢”的变化规律^［30］。本研究中，马铃薯叶、根部和块茎干物质含量符合这种变化规律。此外，本研究发现，不同施肥处理对马铃薯干物质的积累影响不同。各器官干物质的积累从苗期到淀粉积累期为增长状态，此后茎叶干物质含量逐渐下降，而根与块茎干物质含量不断增长，其中T₅处理的叶、根部和块茎干物质含量均高于其他6种处理。这与彭正萍等^［31］和余慧^［32］研究中结论相似，适当的有机替代化肥有利于植物的干物质积累。

3.5 有机肥部分替代化肥对马铃薯品质的影响

马铃薯块茎中富含的淀粉、蛋白质、维生素和其他营养成分，是衡量块茎品质的重要依据^［33］。司若彤等^［34］研究发现不同有机肥部分替代化肥处理下芒果还原糖含量、VC含量均有所增加。本研究结果表明，施肥处理均可提高马铃薯块茎可溶性蛋白、还原糖、淀粉、VC含量，其中T₅处理对马铃薯块茎品质的影响最大，显著高于CK。前人的研究同样发现，优化施肥处理，增加有机肥施用量显著增加油麦菜、丹参、小白菜中VC、可溶性蛋白和可溶性糖含量^［35-37］。

4 结论

T₅处理可以促进马铃薯地上部分生长，提高马铃薯植株干物质积累量和叶片的抗氧化酶活性，增加产量，并改善块茎营养品质。因此，80%化肥+3 000 kg/hm²固体有机肥+微肥（15 kg/hm²硼肥+15 kg/hm²锰肥）+12 kg/hm²有机螯合液体肥（T₅）可作为陇中半干旱地区马铃薯种植中科学合理的施肥方式之一。

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基金资助

国家自然资科学基金项目(32060441)

国家现代农业产业技术体系项目(CARS-09-P14)

国家重点研发计划项目子课题(2018YFD020080308-1)