优化施肥对马铃薯产量、品质和土壤养分供应的影响

郭新送，魏菊花，沙春岩，高涵，宋挚，范仲卿，尹静，丁方军

（1农业农村部腐植酸类肥料重点实验室/山东农大肥业科技股份有限公司，山东泰安 271600；2山东乾德产业发展有限公司，济南 271000；3黑龙江龙溪肥业有限公司，黑龙江齐齐哈尔 161031）

0 引言

马铃薯是中国第四大主粮作物，具有较高的产量潜力和营养价值。施肥是马铃薯生产中的重要农艺措施之一，对马铃薯产量和品质有着重要影响[1]。马铃薯种植过程多存在化肥及大量元素养分过量施用，有机肥及中微量元素养分少施或不施现象，这就导致了养分吸收不平衡、土壤酸化、土壤板结，直接制约了马铃薯的优质高产[2-3]。科学合理施用微量元素肥料、有机肥料和微生物肥料是保证马铃薯质量和产量的重要途径。有机肥料不仅为作物提供了多种有效养分，而且可以增加土壤有机质含量，保持土壤肥力，改善土壤理化性质，增强土壤生物活力，提高农产品产量和质量[4-5]。此外，施用有机肥对作物产量的影响随着施用年限的增加而逐渐增加[6-7]。微生物肥料是一种通过微生物及其代谢产物的生命活动共同作用，改善作物生长环境，提供作物营养的肥料，使作物获得特定的肥料效果[8-10]。微生物肥料中含有大量有益微生物，施用后对固氮、解磷、活钾有显著作用，还可促进植物根系生长，扩大植物根系吸收面积，有效促进马铃薯氮、磷、钾吸收的积累，从而促进马铃薯生长，提高块茎产量及品质，提高马铃薯商品薯率，最终提高经济效益[11-14]。此外，尿素配施微生物肥料可以减少化肥的施用，提高块茎蛋白质和硝酸盐含量，并实现马铃薯生产的可持续性[15-16]。

研究表明，用有机肥或微生物肥部分替代化肥不会影响作物产量和质量，也不会对土壤造成不利影响，还能有效地确保了土壤生态系统的可持续性[17]，但微生物肥料并不能完全取代化肥。减少化肥施用，增施有机肥或微生物肥料的施用可能提高马铃薯产量并保持土壤肥力。因此，本研究设置有机肥、微生物肥，以及有机肥、微生物肥与化肥常量、减量配合使用的处理，研究不同处理对马铃薯产量、品质以及土壤养分的影响，为进一步调整马铃薯的施肥策略，优化其施肥结构提供理论支撑，以期实现马铃薯减肥增效的可持续发展目标。

1 材料与方法

1.1 供试材料

这2 个试验分别于2021年2—6月和2022年2—6月在山东省肥城市孔庄村(36.09°N,116.56°E)进行，地点为地势平坦、灌溉方便、肥力均匀的地块。马铃薯起垄种植，垄高20 cm，宽35 cm，2月下旬种植，6月中旬收获。该地区属于温带大陆性季风气候区，年日照2607 h，年平均气温12.9℃，无霜期约200 d，年平均降水量659 mm。试验前，用土钻按五点取样法采集了0～20 cm耕作层的土壤样品，充分混合并带回实验室，自然风干后测量土壤理化性状，如表1所示。

表1 供试土壤（0～20 cm土层）基本化学性状

试验马铃薯品种为‘高原2 号’。肥料：N-P2O5-K2O(15-15-15)硫基复合肥、商品有机肥(45%)、微生物肥料（有机质45%，有效活菌6亿/g，菌种组成：枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌），均购自山东农大肥业科技股份有限公司。

1.2 试验设计

本试验采用随机分组试验设计，以常规施肥为对照，设置9 个处理，3 个重复，即：（1）化肥常规施肥(Ctrl)；（2）化肥+有机肥(OF1)；（3）化肥减少10%+有机肥(OF2)；（4）化肥减少20%+有机肥(OF3)；（5）化肥减少30%+有机肥(OF4)；（6）化肥+微生物肥料(BF1)；（7）化肥减量10%+微生物肥料(BF2)；（8）化肥减量20%+微生物肥料(BF3)；（9）化肥减少30%+微生物肥料(BF4)。每个处理地块的面积为3.2 m×100 m=320 m2，采用随机分组布置，以减少人为因素、土壤肥力和气候因素的影响，除施肥处理不同外，其他管理措施一致。

第二年是在第一年试验的基础上进行的田间验证试验，采用了以下处理：（1）纯化肥的常规施肥；（2）化肥减少20%+有机肥(OF)；（3）化肥减少20%+微生物肥料(BF)。每个处理地块的面积为9.6 m×100 m=960 m2。各处理的试验设计和施肥水平如表2所示。

表2 不同处理的施肥类型和施用量kg/hm2

1.3 测定项目与方法

在施肥前、播种前和收获后，用不锈钢土钻按照五点取样法从0～20 cm 的耕作层中采集土壤样品，在室内自然风干后，通过1.00 mm和0.25 mm孔径的筛子，将小石块、肥料和植物根系等杂质挑出来并磨碎，pH采用水浸出电位法测定（水:土=2.5:1），有机质采用重铬酸钾外加热法测定，碱解氮采用碱性扩散法测定，有效磷采用碳酸氢钠溶解钼锑抗比色法；速效钾测定采用乙酸铵溶解火焰光度计法[18]。

马铃薯产量和质量指标测定：在马铃薯收获时，从每个试验区随机选择两株3 m 长、生长均匀的马铃薯植株，测定块茎产量并换算为公顷产量，同时测定还原糖、淀粉、硝酸盐和蛋白质含量。硝酸盐含量采用硝基水杨酸比色法测定，还原糖含量采用3,5-二硝基水杨酸(DNS)比色法测定，淀粉含量采用3,2-二硝基水杨酸法测定，蛋白质含量采用凯氏定氮法测定。

1.4 数据处理

数据处理和分析主要使用Office 2019 和SPSS 22.0进行，绘图使用Origin 2019和R.4.0.0进行。试验数据在Microsoft Excel 2003 软件上进行统计和计算，并使用SPSS 22.0 软件检验治疗之间差异的显著性（95%概率水平下的邓肯检验，P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对马铃薯产量的影响

本试验条件下增施有机肥或微生物肥，可提高马铃薯产量。由图1 所示，化肥施用量减少10%～30%，施用1800 kg/hm2有机肥或300 kg/hm2微生物肥均能够显著提高马铃薯产量(P＜0.05)。与常规化肥对照相比，有机肥施用量减少，马铃薯产量增加23.5%～28.2%。随着化肥用量的减少，马铃薯产量逐渐下降，其中OF1产量最高，但在化肥用量减少30%的情况下，仍可实现49.4 t/hm2的增产。除了BF3 的产量显著高于OF3 外，在相同养分施用量下，有机肥处理和微生物肥处理之间没有显著差异(P＜0.05)。

图1 不同处理的马铃薯产量（2021年）

2022年的田间验证试验表明，施用有机肥料和微生物肥料都能提高马铃薯产量，产量分别较对照提高42.5%和51.4%（表3），差异显著。

表3 不同处理的马铃薯产量（2022年）

2.2 不同施肥处理对马铃薯品质指标的影响

不同施肥处理对马铃薯的核心品质指标有较大影响。从表4可以看出，不同施肥处理对马铃薯还原糖、硝酸盐、淀粉和蛋白质含量的影响各不相同。与对照相比，施用有机肥减少化肥10%～30%可使马铃薯淀粉含量显著提高4.2%～17.5%，硝酸盐含量显著降低9.0%～44.7%；随有机肥用量增大，蛋白质含量也呈逐渐增加的趋势，其中OF4处理的马铃薯蛋白质含量最高，为1.93%，与对照相比未达到差异显著性水平。与对照相比，增施微生物肥料，减少化肥10%～30%用量，可使马铃薯淀粉含量显著提高13.3%～15.4%，硝酸盐含量显著降低35.0%～56.0%。除BF4处理的马铃薯还原性糖含量较对照组显著降低8.3%外，其他微生物肥料处理较对照组无显著差异。在微生物肥料条件下，马铃薯的蛋白质含量随着化肥施用量的减少而逐渐增加，其中BF4 含量最高，为1.85%，与对照组差异不显著。在相同施肥条件下，施用微生物肥料的马铃薯硝酸盐含量显著低于施用有机肥料，而还原糖含量和蛋白质含量差异不显著。当化肥减少10%时，有机肥处理的马铃薯淀粉含量显著高于微生物肥处理，而当化肥减少20%～30%时，结果相反。

表4 不同处理对马铃薯品质的影响

肥料类型和施肥水平对马铃薯营养品质的双向方差分析显示（表4），施肥水平对土豆营养品质的影响显著(P＜0.01)。施肥水平是影响马铃薯蛋白质含量的主要因素，对蛋白质含量的影响最大，其次是施肥类型，二者的交互作用对其含量也有显著影响(P＜0.01)。施肥类型是影响马铃薯淀粉和硝酸盐含量的主要因素，施肥水平及其相互作用对马铃薯淀粉和硝酸盐含量也有非常显著的影响(P＜0.01)。影响马铃薯还原糖含量的主要因素是施肥水平(P＜0.01)，2022年的田间验证试验表明，施用有机肥料和微生物肥料对马铃薯质量都有积极影响。其中包括马铃薯还原糖、淀粉和蛋白质含量分别增加9.1%～12.1%、13.6%～20.7%和7.9%～9.6%，硝酸盐含量显著降低28.0%～54.5%。

2.3 不同施肥处理对土壤养分供应的影响

不同施肥处理影响了土壤有效养分的含量，通过对马铃薯成熟期土壤理化性质的分析表明，不同施肥处理对土壤养分含量的影响不同（表5）。与对照相比，在施用有机肥的条件下，OF3和OF4显著降低了土壤有效磷含量，降低幅度分别为4.6%和6.5%，而OF2和OF3显著提高了土壤有机质含量，分别达到4.4%和6.3%。有机肥处理下化肥减量10%～30%对土壤碱解氮含量、有效钾含量和pH 无显著影响(P＜0.01)，微生物肥料处理能显著提高马铃薯成熟期土壤碱解氮含量和有效磷含量，分别达到4.6%～10.2%和13.3%～15.6%。在施用微生物肥料的条件下，pH 随着化肥施用量的减少而逐渐增加，与对照组相比显著增加了0.02～0.11 个单位(P＜0.01)，BF4 和Ctrl 在土壤有效钾和有机质含量上无显著差异(P＜0.01)。在同等化肥用量条件下，微生物肥料处理的土壤碱解氮和有效磷含量显著高于有机肥料处理。随着化肥用量减少10%～30%，微生物肥料处理的pH 高于相应的有机肥料处理。

表5 不同施肥处理对土壤化学性状的影响

施肥类型和施肥水平对土壤理化性质的双向方差分析表明（表5），施肥类型对土壤理化学性质的影响较大。施肥类型是影响土壤有效磷、有机质含量和pH的主要因素，其次是施肥水平和二者的交互作用(P＜0.05)，施用水平对其含量也有显著影响(P＜0.05)。2022年田间验证试验表明，施用微生物肥料对土壤理化性质有积极影响，土壤有效磷、有效钾和有机质含量分别显著提高15.6%、6.0%和5.1%，并显著提高土壤pH 0.16 个单位。减少化肥和施用有机肥料不会降低土壤肥力。

2.4 马铃薯产量与品质及土壤理化性质的相关性

土壤理化性状与马铃薯产量和品质有一定相关性。通过0～20 cm土层中马铃薯产量和质量与土壤理化性质之间的冗余分析(RDA)，结果如图2所示，其中RDA1 和RDA2 分别解释了68.0%和0.1%的变量，两者之和解释了68.1%，有效磷含量和pH均对马铃薯的营养品质有显著影响。其中土壤碱性氮含量与马铃薯硝酸盐和蛋白质含量呈极显著负相关(P＜0.01)，土壤有效钾含量与马铃薯可溶性糖含量呈显著正相关，与蛋白质含量呈负相关(P＜0.05)，土壤有效钾与马铃薯块茎淀粉含量无显著相关性。土壤pH 与马铃薯硝酸盐含量和可溶性糖含量呈显著负相关(P＜0.01)，而土壤有机质含量与马铃薯产量的相关性最高，呈极显著正相关(P＞0.01)。

图2 RDA分析

此外，土壤养分含量间有不同程度的相关性，图3显示，土壤碱性氮含量与有效磷、有效钾含量、土壤有机质和pH呈极显著正相关(P＜0.01)，VPA分析（图4）进一步表明，马铃薯产量和品质与土壤有机质、pH 和养分状况密切相关，土壤有机质占产量的36.8%(P＜0.01)，土壤养分含量占马铃薯品质的34.6%(P＜0.05)，土壤pH影响了马铃薯品质的62.3%(P＜0.01)，表明土壤有机质的丰缺只影响马铃薯产量，而马铃薯品质主要受土壤pH的影响。此外，土壤氮、磷、钾含量影响了高达64.0%的pH。土壤养分含量与土壤有机质和pH的相互作用共同影响马铃薯产量和品质。在本试验中，BF3 的SOM 含量显著高于Ctrl 5.0%，其产量也显著高于Ctrl 29.3%，与VPA结果相匹配。

图3 土壤理化性质与马铃薯产量和品质的相关性

图4 VPA分析

3 结论

化肥减量10%～30%，增施有机肥或微生物肥可显著提高马铃薯产量23.5%～34.5%，显著提高淀粉含量4.2%～17.5%，降低硝酸盐含量9.0%～56.0%，并显著改善土壤理化性状。施肥水平对马铃薯营养品质有显著影响，肥料类型是影响土壤理化性状的主要因素，土壤有机质含量是限制马铃薯产量的主要因素(P＜0.01)，土壤pH 是影响马铃薯品质的主要因素，减少化肥用量，与有机肥料或微生物肥料相结合，可以为优化中国马铃薯的施肥结构提供新途径。

4 讨论

马铃薯在生长过程中从土壤中吸收大量的氮、磷和钾。其中，氮直接影响马铃薯营养部分的形成，并对生长性状产生积极影响[19]。磷通过促进光合作用和呼吸作用间接影响马铃薯的生长发育和产量，并通过增加马铃薯的不定根、根长和根毛密度增加根表面积来应对缺磷[20]。另一方面，钾在马铃薯的生长发育和光合产物的运输中起着至关重要的作用。钾缺乏导致CO2的净同化减少和生物量减少，糖向块茎的运输受损，导致土豆中还原糖含量降低[21]，这与本试验结果一致，土壤有效钾含量与马铃薯还原糖含量呈高度显著正相关，还原糖含量随有效钾含量的增加而增加。还原糖、淀粉和蛋白质含量是马铃薯重要的营养品质指标[1]，其中淀粉含量是评价马铃薯在食品应用中主要质量指标，其与土壤磷供应水平呈显著正相关，这可能是由于土壤中有效磷含量的增加导致块茎中磷的积累，从而增加了马铃薯的直链淀粉含量。马铃薯含有大量的碳水化合物、蛋白质、矿物质和维生素等营养物质，研究表明，均衡施肥对马铃薯块茎的营养品质至关重要，主要是显著提高了马铃薯块茎的淀粉、可溶性蛋白、还原性糖和Vc 含量[21]，这与本实验结果一致。除了上述必需营养物质的种类和数量外，科学合理的施肥结构对马铃薯产量和品质也有重要影响。在生产实践中，均衡施肥、减少化肥、增加有机肥是保持马铃薯产业可持续发展的重要途径。

本试验中，在施用有机肥的条件下，化肥施用量减少10%～30%对土壤有效养分含量无显著影响，可能是因为向土壤中施用有机肥可以向土壤溶液中释放氢离子，具有较强的阳离子交换能力，提高了土壤的保肥性能。有机肥料与化肥结合施用，不仅可以保持土壤养分平衡和土壤养分的有效性，增加土壤有机质含量，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，而且可以显著降低肥料流失率，这对肥效起着关键作用，对提高作物产量和质量具有重要意义[17]。本试验中，在施用微生物施肥条件下，化肥用量降低10%～30%对土壤有效磷含量有显著影响，可能是因为施用微生物肥后，微生物分泌到土壤中的有机酸可以溶解难容或不溶性磷酸盐，从而增加了土壤的有效磷含量。研究表明，施用于土壤的微生物肥料可以激活土壤养分库，通过微生物的生命代谢活动促进土壤缓效氮、磷、钾的释放，从而增加土壤碱性氮、有效磷、速效钾的含量，微生物还在固氮和解磷方面发挥重要作用[11,13]。除此之外，它还可以提高土壤微生物种群密度，增加土壤微生物多样性，改善土壤微生物环境，促进马铃薯吸收养分，从而实现更高的马铃薯产量。