有机肥替代化肥对马铃薯干物质积累、分配与产量的影响

Effect of organic fertilizer substitution for chemical fertilizer on dry matter accumulation，distribution and yield of potato

摘要

目的 探究青海省东部农业区马铃薯在轮作条件下，施用化肥及不同量有机肥对马铃薯生长发育、产量及效益的影响，明确该地区最佳有机肥施肥量，为当地马铃薯增产增效提供理论依据。 方法 在青海海东市乐都区连续开展定位试验，在2021年设置不施肥（CK）、专家推荐化肥施肥（OPT）、有机肥施肥8 995.50 kg/hm²（T₁）、7 496.25 kg/hm²（T₂）、5 997.00 kg/hm²（T₃）、4 497.75 kg/hm²（T₄）、2 998.50 kg/hm²（T₅），共7个处理。研究不同施肥处理对马铃薯农艺性状（株高）、干物质含量及分配、经济性状（产量、加工商品率）的影响。 结果 有机肥处理T₂、T₄株高增高显著，其次为化肥处理OPT；不同处理对马铃薯根+茎+叶和块茎干质量平衡期延迟效果排序依次为：T₄>T₃>T₁>T₅>CK>T₂>OPT，干质量平衡期之后“剪刀差”最大的是OPT处理，其次是T₂处理；从现蕾期到收获期，马铃薯根茎叶所占干物质比例逐渐减小，而块茎所占干物质比例逐渐增加，但在同一生育期内，随着有机肥用量的减少，茎所占干物质比例呈增加趋势，而叶片所占干物质比例呈减少趋势；每公顷总产量最高的是T₃处理，其次是T₂处理，较CK、OPT增产均显著；加工商品薯率最高是CK处理，其次为T₁和T₂、T₅，但与CK相比差异不显著。综合分析不同施肥处理对马铃薯农艺性状、经济性状的影响，认为在海东乐都马铃薯农业区，确保高产的有机肥最佳施用量范围为4 497.75~7 496.2 kg/hm²，确保较高加工商品率的有机肥最佳施用量范围为7 496.25~8 995.50 kg/hm²。 结论 连续施用有机肥可显著增加马铃薯产量，达到增产增收增效的目的。

Abstract

Objective This study aimed to investigate the effects of fertilizer application and different amounts of organic fertilizer on the growth，development，yield，and benefit of potatoes under crop rotation conditions in the eastern agricultural region of Qinghai Province.The goal was to determine the optimal amount of organic fertilizer application in the region and provide a theoretical basis for increasing local potato yield and efficiency. Method A continuous positioning experiment was conducted in Ledu District，Haidong City，Qinghai，with seven treatments including no fertilizer application (CK)，conventional fertilizer application by farmers (OPT)，and organic fertilizer application at different rates: 8 995.50 kg/hm² (T₁),7 496.25 kg/hm² (T₂),5 997.00 kg/hm² (T₃),4 497.75 kg/hm² (T₄) and 2 998.50 kg/hm² (T₅).The effects of these fertilization treatments on agronomic traits (plant height，dry matter content，and distribution) and economic traits (yield，processing commercial rate) of potatoes were investigated. Result The organic fertilizer treatments T₂ and T₄ significantly increased plant height，followed by the chemical fertilizer treatment OPT.The delayed effect of different treatments on the equilibrium of potato root+stem+leaf and tuber dry weight was ranked as follows: T₄>T₃>T₁>T₅>CK>T₂>OPT.From the bud stage to the harvest stage，the proportion of dry matter accounted for by potato roots，stems，and leaves gradually decreased，while the proportion accounted for by tubers increased.However，within the same reproductive period，as the amount of organic fertilizer decreased，the proportion of dry matter accounted for by stems tended to increase，while the proportion accounted for by leaves tended to decrease.The highest total yield per hectare was achieved with the T₃ treatment，followed by the T₂ treatment，which were significantly higher than CK and OPT.A comprehensive analysis of the effects of different fertilizer treatments on agronomic and economic traits of potatoes concluded that in the agricultural area of potatoes in Ledu，Haidong，the optimal range of organic fertilizer application for ensuring high yields was 4 497.75 kg/hm² to 7 496.25 kg/hm²，and the optimal range for ensuring higher processing commercial rates was 7 496.25 kg/hm² to 8 995.50 kg/hm². Conclusion Continuous application of organic fertilizer can significantly increase potato yield and achieve the goal of increasing yield，income，and efficiency.

Graphical abstract

关键词

马铃薯 / 化肥减施 / 有机肥 / 农艺性状 / 经济性状

Key words

potato / chemical fertilizer reduction / organic fertilizer / agronomic traits / economic traits

Author summay

吴征，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

马铃薯（Solanum tuberosum L.）是全世界主要的粮菜兼用型作物^［1-6］，也是我国仅次于水稻、小麦、玉米的第四大粮食作物^［7-9］。青海省气候冷凉，是全国马铃薯生产适宜区之一，其马铃薯种植区域主要是东部农业区，马铃薯种植成为当地农民增收和发展农村经济作物的特色产业^［10-11］。在马铃薯栽培过程中，由于有限的耕地资源，为了提高单产，农户在施肥中主要依托化肥的施用，但在长期的化肥施用过程中，造成土壤板结和严重的环境问题。因此，青海省为实现农业的可持续发展，有机肥替代化肥成为马铃薯产业发展的关键。有机肥具有养分全面、肥效慢、提高土壤微生物的量、减少容重、保水保肥的特点^［12-15］，有机肥的施用对提高土壤生产力有重要意义，但在有机肥施用过程中，过量施用有机肥会增加农户投入，降低肥料投入产出比。为了解决以上问题，该研究通过设置不同的施肥处理，研究其对马铃薯干物质积累、分配、产量及效益的影响。

本试验在东部农业区海东市乐都区展开，旨在通过有机肥、化肥对马铃薯生长发育过程的试验，研究有机肥、化肥对马铃薯干物质积累、分配与产量的影响以及有机肥不同施肥量对马铃薯产量的影响，以期为海东市马铃薯种植产业提供绿色可持续发展的田间施肥方案，最终为实现青海省马铃薯增产增收增效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在2021年5月3日播种，10月7日前收获，于青海省东部农业区乐都区马营乡联丰村进行。该地区属雨养农业区，海拔为2 980 m，年平均温度5.8 ℃，年降雨量400~500 mm，主产作物为马铃薯、油菜及蚕豆等。前茬作物为绿肥，试验地肥力均匀，播种前取土样分析化验，土壤理化性质见表1。

1.2 试验材料

供试马铃薯品种为青薯9号（中晚熟品种，生育期为120 d左右，芽眼浅，红皮黄肉），由青海省农林科学院选育。试验所用有机肥为青海省有机肥肥料厂生产（含微量化肥≥5%、有机质：27.4%、N：2.4%、P₂O₅：1.6%、K₂O：1%），化肥为普通尿素（含N：46%，宁夏回族自治区银川化肥厂生产）、过磷酸钙（含P₂O₅：12%，云南省安宁华亚磷肥厂生产）、硫酸钾（含K₂O：50%，青海钾肥公司生产）。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，设置7个处理，3次重复，共21个小区，各小区面积21 m²（4.2 m×5 m）。单垄单行种植，每小区种植7行，每行种植13株，行距70 cm，株距42 cm。肥料按照实验设计要求，各处理施肥用量见表2。播前所有肥料按试验设计，混合均匀后一次性基肥，施入后翻入地中进行播种。除施肥处理不同，其他栽培、管理措施与当地马铃薯生产管理一致。

1.4 试验内容

1.4.1 马铃薯农艺性状测定

在现蕾期、盛花期、膨大期，每个处理随机取植株10株，采用株高测量仪测定每个植株株高，测定均是由地面到顶叶的高度，小数点保留2位。

1.4.2 马铃薯各生育期干物质含量测定

在马铃薯不同生育期（现蕾期、盛花期、膨大期、收获期），不同处理随机取完整植株9株，用蒸馏水将泥土冲洗干净、阴凉处晾干，并按照根、茎、叶、块茎分开，在烘箱中120 ℃杀青30 min，80 ℃烘干8 h，直至质量不再变化为止，采用烘干法测定干物质含量^［16］，测定各器官干物质含量。

1.4.3 马铃薯经济性状测定

小区产量：在收获期每小区植株，按4级分类：Ⅰ（0~150 g）、Ⅱ（150~250 g）、Ⅲ（250~350 g）、Ⅳ（≥350 g）分别称质量，计算商品薯率，推算每公顷产量。测定各项经济性状指标，调查标准见表3。

1） 公顷产量：收获期每个处理小区产量，并折算为1 hm²产量。

2） 商品薯率：每公顷收获的薯块中商品薯产量（M₁）占马铃薯总产量（M₂）的百分数，商品薯率（%）=M₁/M₂×100%。商品薯标准：参照工厂加工薯条标准，Ⅱ（150~250 g）、Ⅲ（250~350 g）为加工商品薯。

1.5 数据处理

试验数据使用Excel 2010进行统计汇总，并使用SPSS.19对各处理数据进行方差分析和最小显著性检验（LSR法）。

2 结果与分析

2.1 有机肥、化肥对马铃薯农艺性状的影响

2.1.1 有机肥、化肥对马铃薯株高的影响

如图1所示，在现蕾期T₁处理株高最高，为51.78 cm，T₁较CK株高增加20.9%。施用有机肥处理T₁、T₂、T₃、T₅株高高于化肥处理OPT，仅施用有机肥处理T₄株高低于OPT。根据方差分析结果，各处理对马铃薯株高没有显著影响。但数据显示，有机肥、化肥处理，可不同程度提高现蕾期马铃薯株高，增高效果排序依次为：T₁>T₂>T₃>T₅>OPT>T₄>CK。

盛花期各处理株高，T₁最高，为75.07 cm，CK最矮，为68.33 cm，T₁较CK增加9.8%。各施用有机肥处理株高均高于化肥处理OPT株高，但OPT、T₂、T₃、T₄、T₅处理从现蕾期至盛花期，株高始终高于CK处理株高。根据方差分析结果，施用有机肥处理T₁、T₅对于CK差异显著，说明有机肥施用会影响马铃薯盛花期的株高，且与有机肥施用量有关。专家推荐化肥处理OPT与CK、有机肥处理T₂、T₃、T₄、T₅相比没有显著差异，但与有机肥处理T₁相比有显著差异，说明不同肥料对马铃薯盛花期株高的影响存在差异。与现蕾期相同，有机肥、化肥处理相比较CK，仍可不同程度提高盛花期马铃薯株高，增高效果排序依次为：T₁>T₅>T₂>T₄>T₃>OPT>CK。

膨大期各处理株高，T₂最高，为94.11 cm，除T₂、T₄在膨大期株高高于CK，其余OPT、T₁、T₃、T₅处理株高均低于CK。处理CK、T₁、T₂、T₄、T₅株高高于化肥处理OPT，只有处理T₃株高低于化肥处理OPT。根据方差分析结果，各施肥处理对于CK差异都不显著，说明肥料施用不会显著影响马铃薯膨大期的株高，是否显著差异与马铃薯不同生育期有关。施肥各处理、CK对于专家推荐化肥处理OPT差异均不显著，说明是否施肥对于膨大期的马铃薯株高都没有显著影响。有机肥处理T₂、T₄与处理T₃相比有显著差异，且膨大期增高效果排序依次为：T₂>T₄>CK>T₁>T₅>OPT>T₃，说明膨大期马铃薯株高的差异与有机肥施肥量存在关系，且膨大期株高对于有机肥施肥量为5 997.00~7 496.25 kg/hm²的影响较为敏感。

2.2 有机肥、化肥对马铃薯干物质积累、分配的影响

2.2.1 有机肥、化肥对马铃薯根+茎+叶和块茎干物质积累的影响

在马铃薯生长发育的过程中，干质量平衡期能够表现马铃薯“源-库”间相互平衡与制约的关系^［17-18］，在干质量平衡期前，马铃薯的生长发育主要以扩大“源”为目的，为后期马铃薯“库”的扩大奠定基础^［19-22］。据图2得，根+茎+叶与块茎2条线的交点是马铃薯干质量平衡期。不施肥CK处理的根+茎+叶和块茎干质量平衡期在膨大期早期，施用化肥OPT处理的根+茎+叶和块茎干质量平衡期在膨大期后期，有机肥T₁处理的根+茎+叶和块茎干质量平衡期在膨大期早期，T₂处理的马铃薯干质量平衡期在膨大期中期，T₃处理的马铃薯干质量平衡期在盛花期晚期，T₄处理的马铃薯干质量平衡期在盛花期中期，T₅处理的马铃薯干质量平衡期在膨大期早期。不同处理对马铃薯根+茎+叶和块茎干质量平衡期延迟效果排序依次为：T₄<T₃<T₁<T₅<CK<T₂<OPT。说明T₂处理的有机肥施用量能够延长马铃薯干质量平衡期，但过量和少量有机肥施用会提前马铃薯干质量平衡期；OPT处理有助于延长马铃薯干质量平衡期，增加马铃薯“源”的生长时间，从而能够为马铃薯块茎产量的形成提供良好的物质基础。

在干质量平衡期之后，干物质的分配主要以扩大“库”为目的，根+茎+叶干物质积累速率要小于块茎，形成了干物质积累的“剪刀差”，它可以反映块茎产量的高低，由图2可以看出，OPT处理、有机肥T₂处理“剪刀差”大于不施肥处理CK，且有机肥处理中T₂处理“剪刀差”最大，说明合理的施用有机肥、化肥能协调“源-库”之间的关系，提高马铃薯块茎产量，T₂（7 496 kg·hm^-2）的有机肥施肥量可以作为增加马铃薯块茎产量的肥料参考。有机肥施用可能改变了田间土壤理化性质，使土壤疏松多孔，有利于土壤中水分和养分的运移，同时也改善了土壤生物性状，增加了土壤微生物和酶的活性，从而有利于马铃薯的生长发育。

2.2.2 有机肥、化肥对马铃薯干物质分配的影响

有机肥、化肥对马铃薯干物质分配的影响从表4中看出，不同处理对马铃薯干物质分配有一定差异。

马铃薯的根能够吸收土壤中的水分和养分，特别是出苗期至膨大期，根部吸收土壤养分效率最高，发达的根部为产量形成奠定基础。整体来看，OPT处理根所占干物质比例最高，其次为有机肥的处理，整体均处于领先，效果较好的处理是T₂、T₃、T₅。相比较CK，说明施用有机肥、化肥对马铃薯根部的生长发育有促进作用。

马铃薯茎叶干物质不断积累，从出苗期至膨大期植株最健壮，茎叶生长最旺盛，干物质积累量最大。如表4所示，茎叶所占干物质比例最高的是OPT处理，其次为有机肥的处理，效果较好的是T₁、T₂、T₃，说明中高量有机肥施肥对于马铃薯茎叶干物质的积累有促进作用。

从现蕾期到收获期，马铃薯根茎叶所占干物质比例逐渐减小，而块茎所占干物质比例逐渐增加，但在同一生育期内，随着有机肥用量的减少，茎所占干物质比例呈增加趋势，而叶片所占干物质比例呈减少趋势；在收获期，块茎所占干物质比例效果依次为：T₃>T₅>T₂>T₁>OPT>CK>T₄。与不施肥CK相比，施用有机肥、化肥可以显著提高块茎所占干物质比例，且适量有机肥施用量与处理OPT相比有显著差异，但过量以及少量有机肥施用量与OPT处理相比没有显著差异。其原因可能是增施适量有机肥改变了土壤理化性状，使土壤疏松多孔，有利于土壤中水分和养分的转运，同时也改善了土壤微生物，增加了土壤微生物和酶的活性，从而有利于马铃薯的生长发育，但施用过多有机肥马铃薯块茎产量反而降低，可能是由于有机肥养分释放缓慢，后期养分供应不足所致。

2.3 有机肥、化肥对马铃薯经济性状的影响

2.3.1 有机肥、化肥对马铃薯产量的影响

对产量的影响如表5所示，Ⅱ级薯产量最高的是T₂处理，与OPT处理差异显著，相较CK处理Ⅱ级薯产量增产28.7%；Ⅲ级薯产量最高的是T₁处理，与OPT处理差异显著，相较CK处理Ⅲ级薯产量增产27.8%。

折合每公顷总产量最高的是T₃处理，与CK处理、OPT处理相比均差异显著，相较CK处理折合每公顷总产量增产36.83%，相较OPT处理折合每公顷总产量增产19.1%。各处理相较CK处理，增产效果排序为：T₃（36.83%）>T₂（34.44%）>T₄（34.17%）>T₅（31.09%）>T₁（28.79%）>OPT（14.82%）>CK，说明施用有机肥、化肥均可以显著增加马铃薯产量，其中马铃薯产量随着有机肥施用量的减少呈现先增加后减少的趋势，适宜的有机肥（4 497.75~7 496.25 kg/hm²）施用量可以在保证马铃薯产量的最大化。

2.3.2 有机肥、化肥对马铃薯加工商品薯率（油炸薯制品）的影响

马铃薯青薯9号被广泛用作油炸薯制品的原材料，如表6所示，各处理商品薯率在40.77%~63.16%之间，CK处理商品薯率最高，其次为T₁和T₂、T₅处理，OPT处理商品薯率整体低于CK处理及各有机肥处理。根据方差分析结果，CK与OPT、T₃、T₄存在显著差异，与其余有机肥处理不存在显著差异。各处理商品率从高到低排序为：CK>T₁>T₂>T₅>T₄>T₃>OPT。说明不施肥、有机肥处理相较OPT处理，均有助于商品率的提高，随着有机肥施肥量的减少，商品率呈现先降低后增加的趋势，施用有机肥处理T₁、T₂商品率达到较高水平，建议有机肥施用量为7 496.25~8 995.50 kg/hm²。

3 讨论

肥料是粮食生产的物质基础，肥料的合理使用既能满足作物需求，又能保证环境可持续发展^［23］，但过量使用化肥会造成作物减产、资源浪费和环境污染，因此探索适当有机肥施用量，有助于提高作物产量和品质，改善生态环境。

3.1 有机肥、化肥对马铃薯农艺性状的影响

在本试验中，适量施用有机肥有利于马铃薯农艺性状的改善，可以一定程度的增加株高，增加根茎叶、块茎干物质质量，马铃薯生育期内各项农艺性状的改善都可能为收获期产量的增加做出一定的影响。

薛垠鑫^［24］研究表明植株快速生长有利于快速形成同化体系，不断的为营养器官积累养分，为高产打好基础。综合考虑，在马铃薯现蕾期、盛花期、膨大期，有机肥T₂、T₄处理株高株高均高于CK处理，且有机肥T₂处理株高也高于OPT处理，T₄处理株高仅在现蕾期低于OPT处理。有机肥的施用是否会增加马铃薯在现蕾期、盛花期、膨大期的株高，受有机肥施用量的影响，T₂、T₄的有机肥施肥量可以作为增加马铃薯株高的肥料参考。

3.2 有机肥、化肥对马铃薯干物质积累、分配的影响

适量有机肥施用T₂能够延长马铃薯干重平衡期，但过量和少量有机肥施用相较CK处理会提前马铃薯干质量平衡期；OPT处理有助于延长马铃薯干质量平衡期，从而能够积累更多的干物质，促进干物质由“源”向“库”的转移，为马铃薯块茎产量的形成提供良好的物质基础。在干质量平衡期之后，根+茎+叶干物质积累速率要小于块茎，形成了干物质积累的“剪刀差”，它可以反映块茎产量的高低，有机肥处理中T₂处理“剪刀差”最大，说明适宜的有机肥、化肥施用量可以提高马铃薯块茎产量。

与不施肥CK相比，施用有机肥、化肥可以显著提高块茎所占干物质比例，且适量有机肥施用量（有机肥5 997.00~8 995.50 kg/hm²）与处理OPT相比有显著差异，但过量以及少量有机肥施用量与OPT相比没有显著差异，可能是适量增施有机肥改变了土壤理化性状，使土壤疏松多孔，有利于土壤中水分和养分的转运，同时也改善了土壤微生物，增加了土壤微生物和酶的活性，从而有利于马铃薯的生长发育，但施用过多有机肥马铃薯块茎产量反而降低，可能是由于有机肥养分释放缓慢，后期养分供应不足所致。

陈年来、刘雪梅、钱建民^［25-27］研究表明马铃薯在发芽期和幼苗期需肥量相对较少，营养物质多从种薯中获取，对肥料利用率较低，后期肥料发挥功效，而本研究设置的有机肥、化肥均用于底肥一次性施肥，存在不足，可能在出苗期存在肥料流失、肥效降低的情况。

3.3 有机肥、化肥对马铃薯经济性状的影响

穆俊祥等^［28］施用有机肥，促进马铃薯增产，相较于CK对商品薯率的提升有帮助，与本试验结果不同，可能与有机肥梯度设置有关。本研究中，各有机肥处理、化肥处理的马铃薯产量均高于CK处理，为增产做出贡献，但各有机肥处理、化肥处理商品薯率均低于CK处理，其中OPT与CK相比差异显著，有机肥T₁、T₂、T₅处理与CK相比差异不显著，说明施用化肥对马铃薯块茎形成具有重要作用，可以提高产量，但可能会降低商品薯率，适当施用有机肥，是否会提高马铃薯商品薯率，需要进一步试验研究。

4 结论

植株快速生长有利于快速形成同化体系，不断的为马铃薯块茎积累养分，为高产奠定基础。综合考虑，在马铃薯现蕾期、盛花期、膨大期，有机肥T₂、T₄处理株高株高均高于CK处理，其中有机肥T₂处理株高也高于OPT处理。有机肥的施用在马铃薯现蕾期、盛花期、膨大期对植株株高有一定影响，但与有机肥的施用量有关，T₂（7 496 kg/hm²）、T₄（4 497 kg/hm²）的有机肥施肥量可以作为增加马铃薯株高的肥料参考。

T₂处理、OPT处理均有助于延长马铃薯干质量平衡期，增加马铃薯“源”的生长时间，能够为马铃薯块茎产量的形成提供良好的物质基础。在干质量平衡期之后，T₂处理、OPT处理“剪刀差”最大，说明能够协调“源-库”之间的关系，可以作为增加马铃薯块茎产量的肥料参考。

OPT处理根所占干物质比例最高，其次为有机肥的处理，相比较CK，说明施用有机肥、化肥对马铃薯根部的生长发育有促进作用；茎叶所占干物质比例最高的是OPT处理，其次为有机肥的处理，说明中有机肥施肥对于马铃薯茎叶干物质的积累有促进作用；与不施肥CK相比，施用有机肥、化肥可以显著提高块茎所占干物质比例，但施用过多有机肥马铃薯块茎产量反而降低，可能是由于有机肥养分释放缓慢，后期养分供应不足所致。

施用有机肥、化肥均可以显著增加马铃薯产量，适宜的有机肥（4 497.75~7 496.25 kg/hm²）施用量可以在保证马铃薯产量的最大化；不施肥、有机肥处理相较OPT处理，均有助于商品率的提高，施用有机肥处理T₁、T₂商品率达到较高水平，建议有机肥施用量为7 496.25~8 995.50 kg/hm²。

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基金资助

现代农业产业技术体系项目(CARS-9)