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文|长歌史说

编辑|长歌史说

前言

马铃薯是世界上最重要的非谷物作物。增加马铃薯产量对未来全球粮食安全至关重要。中国是世界最大的马铃薯生产国，马铃薯生产力受到缺水和肥料利用效率低下的制约。

最近，秋膜覆盖地面微沟雨水收集（ARF）种植技术成功应用于中国西北旱地马铃薯生产。，ARF 对氮（N）、磷（P）和钾（K）养分利用效率（NUE）的影响尚未得到系统研究。

我们进行了连续3年的田间试验，设置4个处理：不施肥的犁板种植（对照，CK）、春秋覆膜地面微沟集雨种植（SRF）、标准覆膜地面沟种植（FRF）和ARF。

与SRF、FRF和CK相比，ARF在马铃薯收获时大大增加了0-200 cm土壤剖面中的水储量。与FRF和CK相比，ARF和SRF显著提高了土壤有机碳（SOC）、总氮磷钾和有效NPK（TN、TP、TK和AN、AP、AK）的含量。

ARF尤其提高AN、AP和AK。ARF下，土壤肥力、土壤蓄水量（SWS）、马铃薯块茎产量、生物量产量和NUE之间存在显著正相关。土壤肥力和SWS与马铃薯块茎和生物量产量正相关。SWS、马铃薯块茎和生物量产量与施用NPK养分的部分因子生产力（PFP）和回收效率（RE）正相关。

增加的营养水平和其组合增加了NUE和NUE的成分。TN和AN对施用NPK养分的PFP和农艺效率（AE）贡献更大；TP与AE（AEN、AEP和AEK）正相关。

AP与PFP（PFPN、PFPP和PFPK）和RE（REN、REP和REK）相关；TK与施用PK养分的PFP和RE正相关，AK与施用K养分的PFP、AE和RE正相关，ARF可同时增加产量和NUE，是旱地马铃薯生产最有效的种植系统。

一、马铃薯的重要性

马铃薯是全球第三大主要食用作物和第四大种植作物，对未来的全球粮食安全至关重要。中国是世界上最大的马铃薯生产国，约占世界总产量的1/3。，中国西北地区的马铃薯产量较低。

另外，化肥投入高、养分投入不平衡以及环境问题凸显了提高产量和氮肥利用效率的必要性。

为避免与以前文章中使用的氮素利用效率（NUE）混淆，本研究使用磷和钾肥利用效率（NUE F）。尽管马铃薯产量很高，但其相对浅薄和稀疏的根系限制了养分的吸收和利用，与其他作物相比，马铃薯的NUE F较低。

秋地膜覆盖垄沟集雨（ARF）种植是地膜覆盖和垄沟集雨耕作的结合，在中国西北马铃薯生产中广泛使用。ARF采用高产和营养高效品种、4R施肥管理、有效的土壤肥力和水分管理以及提高NUE F。

研究表明，ARF可以获得最高的产量和最好的马铃薯品质，主要是由于显著提高了水分利用效率，但ARF是否会增加NUE F在很大程度上仍未知。

NUE F是每单位养分投入获得的产量。土壤肥力，特别是常量营养元素（氮、磷和钾）的有效性，驱动最佳植物生长和NUE F。

据报道，NUE F与土壤有机碳增加和损失相关，这与关键生长限制营养素的获得和损*密失**切相关，包括氮、磷和钾。氮、磷和钾是富含能量的磷酸盐化合物二磷酸腺苷（ADP）和三磷酸腺苷（ATP）的内在成分，在各种生理和代谢机制中发挥关键作用。

本研究使用部分要素生产力（PFP）、农艺效率（AE）、恢复效率（RE）、内部利用效率（IE）和互惠IE（RIE）评估ARF提高NUE F和马铃薯生产力的潜在机制。

我们假设除了改善土壤水分状况外，ARF还可以提高土壤肥力并增加养分有效性，从而导致高NUE F和产量。 使用不施肥的标准处理作为对照（CK）。

我们系统比较了ARF与春季地膜覆盖微沟雨水收集种植（SRF）和标准地膜覆盖垄沟（FRF）种植对NUE F和马铃薯产量的影响。

该研究的具体目标是：（1） 确定ARF与CK、SRF和FRF相比对SOC、N、P和K含量及其有效性和马铃薯产量的影响；（2）评价ARF下的N、P和K营养素利用效率；（3）探索ARF提高NUE F和马铃薯产量的可能机制。

二、场地描述和实验设计

该地区属于典型的马铃薯种植区，年均气温7.9°C，无霜期145天，年均降水量510.4毫米，蒸发量1289.1毫米。大部分降水（70%）集中在7-9月，而其他月份较干燥。

试验田为黄土，属于钙质坎比土。每年进行一次20-25 cm深的犁翻耕和30 cm深的旋耕，该地区采用的标准耕作方式。

试验采用随机区组设计，4个处理，每个处理3个重复。（1）CK（对照）：使用犁翻耕，每两犁种植一次，中间犁留空，不覆盖不施肥；（2）FRF： 标准膜垄沟种植，FRF交替设置窄垄沟（高15 cm，宽40 cm）和宽垄（高10 cm，宽70 cm）。

4月中旬种植马铃薯；并在3月土壤融化时和10月雨季后每10天准备一次（SRF和ARF），FRF、ARF和SRF组用0.0018 cm厚的聚乙烯薄膜全覆盖， 每33 cm在垄沟开0.5 cm直径的雨水渗漏孔。每个重复面积40 m2（5m x 8m），0.6 m宽的通道分隔。

CK在播种时将马铃薯播在犁沟，而FRF、ARF和SRF则播在垄上。马铃薯种植密度为50，000株/公顷，行距60 cm，株距33 cm。

三、土壤取样及理化性质分析

每年在播种前和收获后，我们采用土壤螺旋钻在每个地块的0-200厘米深度，每20厘米采集一次土壤样品。我们采用w型方法在每个地块采集5个样本。

采样点位于种植犁沟的一半宽度，种植犁沟横过垄和犁沟边界。我们先称量新鲜土壤样本的重量，然后在105°C烤箱中烘干48小时，再次称重以测定土壤含水量。

每年10月初在马铃薯收获后，我们采集土壤样本。使用螺旋钻（直径5厘米），我们在每个地块随机采集3个样品，对应0-20厘米、20-40厘米和40-60厘米深度。 我们从种植犁沟（宽垄）的中间和窄犁沟两株植物之间的中间进行取样。

我们将36个样品混合、均质化，然后通过2毫米筛网过筛以除去石块和地表垃圾，用于土壤肥力参数测试。

SOC使用multi N/C ® 3100 TOC分析仪测定，总氮（TN）使用KMnO4氧化法估算。碱水解氮（AN）使用碱化扩散法测定。

有效磷（AP）使用Olsen碳酸氢钠法测定，总磷（TP）使用HClO4-H2SO4混合液消解后比色法测定。总钾（TK）使用溶解火焰光度法估算，有效钾使用醋酸铵（NH4Oac）法估算。

每年收获时，我们从每个地块的40 m2区域收获中间30 m2的马铃薯植物以确定块茎产量。 我们从每个地块中间两行选择10株植物，以确定每株植物的块茎数、块茎重量、茎和根重量，块茎率根据以下等级分类：大（>150 g）、中等（150–75克）和小（<75克）。

马铃薯块茎产量（kg·ha−1）在85%水分含量[13]下测定，并计算为地块产量（kg）除以地块面积（m2），然后乘以10，000。每公顷的茎和根重量，其水分含量也为85%，计算为每株植物的平均重量乘以种植密度（50，000株植物ha-1），总生物量（kg·ha−1）被确定为每公顷块茎、茎和根产量的总和。

我们从每个地块采集3株植物，并分成块茎、茎和根。样品在105°C下固定30分钟，并在65°C下干燥至恒重。我们记录块茎和茎的干重。然后将用于营养成分测试的样品分别粉碎并均匀混合。

四、土壤水分和养分

与CK相比，ARF、SRF和FRF在马铃薯收获时均匀地增加了0-200 cm土壤剖面中的土壤含水量。ARF下的土壤水位高于SRF和FRF， 土壤水位随着降水量的增加而上升，2020年高于2019年和2018年。

与FRF和CK相比，ARF和SRF持续显着增加0至60 cm土壤中SOC、TN、TP和TK的水平，与降水年无关。SOC和TP值在0~20 cm土层增加最多。

TN在20~40 cm土层增加大于40~60和0~20 cm土层，TK三个土壤层中的值几乎相等地增加。ARF和SRF显着增加LOC和AP含量，ARF显着增加AN和AK水平。LOC、AN、AP和AK的显着改善，表明养分有效性显着增加，这对土壤肥力的增加贡献更大。

与CK相比，ARF、SRF和FRF显着增加了马铃薯块茎、根、总生物量产量和WUE。这四个参数的值随着降水量的增加而增加。ARF的增产效果在旱年与SRF无显着差异。

但在平年和丰水年均显着高于SRF和FRF。ARF和SRF下的WUE始终显着高于FRF和CK。ARF显着提高了马铃薯块茎、根和生物量产量，并改善了块茎质量。

与CK相比，ARF、SRF和FRF均显着增加了NPK肥料的PFP和AE （PFPN、PFPP、PFPK、AEN、AEP和AEK）。 NPK肥料的PFP值在正常年最高，丰水年略高，旱年较低。PFP P高于PFP K和PFP N。

ARF和SRF之间PFPN、PFPP和PFPK无显着差异在旱年和正常年，但在丰水年观察到显着差异；PFP都高于FRF和CK。AEP 也高于AEK和AEN， AE值随着降水量增加而增加。ARF和SRF对AEN、AEP和AEK的影响无显着差异，且均高于FRF和CK。

ARF、SRF 和 FRF 对 RE 的影响略有不同，对 IE、RIE 或不同降雨年份 NPK 肥料每吨块茎产量的养分吸收没有显着差异。 RE N和 RE K的值几乎等于或高于 RE P的值，并且都随着块茎产量和降水量的增加而增加。

比较三种种植系统之间的效果，与干旱年份的SRF和FRF相比， ARF显着增加了RE N和RE K ；ARF 和 SRF 增加 RE K与正常年份和丰水年份的 FRF 相比几乎同等且显着，并且这三者对三个降雨年份的RE P没有显着影响。

IE N、IE P和 IE K的值在三种种植系统下几乎一致，无论降雨如何， IE P都高于 IE N和 IE K。与 FRF 相比， ARF 和 SRF 略微降低了 IE K的值。

ARF、SRF 和 FRF 对 IE N和 IE P没有显着影响，而 ARF 显着降低了 IE K与 SRF 和 FRF 相比。RIE值表现出RIE N和RIE K几乎相等的趋势，均高于RIE P，并且从ARF向SRF和FRF减小。

无论降雨年份如何，ARF、SRF 和 FRF 对 RIE 的影响都存在显着差异。平均而言，ARF 和 SRF 相对于 FRF 显着增加了 RIE。

Pearson 相关性分析用于确定土壤肥力和 SWS 对 ARF 下马铃薯块茎产量、生物量产量和 NUE F的贡献。 总土壤性状和有效土壤性状（不包括 TP）以及 SWS 与马铃薯生物量和块茎产量呈显着正相关。

马铃薯生物量与块茎产量呈显着正相关。两者均与 PFP 呈显着正相关； 马铃薯块茎产量同时对 RE P和 RE K的贡献更显着，而 SWS 与 PFP 和 RE 的相关性最显着。TN 和 AN 对 PEP 和 AE 的贡献更大。

TP与AE呈显着正相关，AP与PEP、RE呈显着正相关；TK 与 PFP、RE P和 RE K显着正相关，而 AK 与 PEP、AE 和 RE K显着正相关。

结论

覆盖膜在半干旱地区显著提高了土壤水分和养分含量，以及养分的有效性，从而显著提高了马铃薯的生物量、块茎产量和养分利用效率。

与打开沟、覆盖膜和对照相比，秋膜覆盖雨水收集最显著且最有效地增加了0-200厘米土壤剖面中的土壤水分，增加了0-40厘米土壤层中的总氮、总磷、速效钾和有效氮、有效磷、有效钾的含量。 这导致马铃薯块茎产量、总生物量（尤其是根生物量）的显著增加，以及养分利用效率的提高。

与对照相比，秋膜覆盖雨水收集使三年平均的马铃薯块茎产量、总生物量、鲜根量和水分利用效率分别增加了19.1%、76.0%、74.8%和105%。 秋膜覆盖雨水收集同时显著提高了所施用氮、磷、钾养分的部分因子生产率、吸收效率、回收效率和内在效率。

总氮、总磷、总钾、特别是有效氮、有效磷、有效钾和土壤储水量与养分利用效率高度显著相关，表明改善土壤水分和养分有效性及其相互作用与马铃薯块茎产量增加和养分利用效率增加显著相关。

秋膜覆盖雨水收集增强了马铃薯植株的生长活力，使根系发育良好，这也对块茎产量和养分利用效率的提高作出较大贡献。 施用的氮、磷、钾养分的部分因子生产率和吸收效率与土壤肥力管理措施密切相关，而回收效率和内在效率与马铃薯品种性状的相关性较高。

计算得到的氮、磷、钾养分的部分因子生产率、吸收效率、回收效率和内在效率均高于西北地区同类研究的结果，属于良好管理下的范围。

秋膜覆盖雨水收集实现了最佳养分利用效率和作物生产力之间的平衡，实现高产和高养分利用效率的同步，是提高养分利用效率的最有效种植系统，有利于优化旱地农业马铃薯产量。

参考文献

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【4】罗森，CJ；凯林，KA；斯塔克，JC；Porter, GA 优化马铃薯生产中的磷肥管理.是.J.马铃薯研究。 2014 , 91 , 145–160.