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马铃薯是我国的第4大粮食作物，种植区域主要分布在北方一季作区，约占全国总种植面积的50%以上。单产水平低是制约我国马铃薯产业发展的主要因素，而长期大量施用化肥，造成土壤板结、养分失衡、耕性下降、保水保肥性能降低，成为限制马铃薯单产提高的主要因素之一[1-2]。秸秆还田是培肥地力的有效措施[3]，已有研究表明秸秆还田能够增加土壤有机质，改良土壤结构，促进土壤微生物活力、作物根系的发育及增加产量，影响环境等生态效应[4-6]。
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作为马铃薯主产区的北方一季作区，土壤粘重、板结、作业阻力大，收获时薯土分离不清等问题，增加机械收获作业难度，造成大量表土层的剥离，而水土流失更加剧了土壤肥力的下降。目前在改进粘重黑土的马铃薯收获机械，提高作业效率方面有一定的研究[7-8]。但从土壤培肥角度，通过改善土壤的结构特性，提高土壤的适耕性，以满足马铃薯生长的土壤条件和机械化作业的农艺条件，对提高马铃薯机械化生产效率和产量，具有重要的意义。因此，本研究以黑土为研究对象，通过比较秸秆和有机肥等有机物料对马铃薯生长、养分积累及土壤水分、容重等物理特性的影响进行研究，为探索适宜马铃薯种植的土壤培肥与改良方式，提供一定的科学依据。
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1 材料与方法
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1.1 试验地概况
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试验地位于黑龙江省哈尔滨市平房基地，年平均降水量550～600mm，平均活动积温2650～2750℃。土壤类型为黑土，试验前土壤基础性状：碱解氮183.7mg/kg、有效磷53.4mg/kg、速效钾164.0mg/kg，有机质32.0g/kg，pH 6.08，粉粒（0.02～0.002mm） 占24.96%，黏粒（<0.002mm）占32.30%。
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1.2 试验设计
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试验于2019年4～9月进行，共设置4个处理，分别为N1PKS-秸秆还田 + 氮磷钾化肥、N1PK氮磷钾化肥、N2PK-氮磷钾化肥（氮肥减量）、 N1PKM-有机肥 + 氮磷钾化肥。其中1）秸秆还田量为6000kg/hm2，折算每小区用量为20kg，将自然风干的玉米秸秆经揉搓机揉搓至长度10cm左右，条施20cm以下土层；2）有机肥为腐熟的猪粪，用量为1500kg/hm2，折算每小区用量5.8kg，与化肥一同施入；3）小区面积为6行 ×10m× 0.65m=39m2，行距65cm× 株距20cm，每处理设3次重复，共12个小区。供试马铃薯品种为尤金，常规施肥量N、P2O5、K2O分别为90、60、130kg/hm2，其中N1 为90kg/hm2，N2 为45kg/hm2。
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1.3 测定项目与方法
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1.3.1 植株样品采集
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分别在马铃薯块茎膨大期和淀粉积累期取样调查植株地上、地下根系及块茎生物量、根系形态指标，并测定马铃薯植株及块茎中氮、磷、钾含量及养分积累量；在收获期进行产量测定。
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1.3.2 土壤样品采集
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在马铃薯收获期用环刀法分层采集0～10、 10～20、20～30cm土层新鲜土样，每个小区采集3点混合成1个样品，3次重复，用于测定土壤水分、饱和含水量、容重等指标。
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1.3.3 测定方法
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根系形态特性分析：将洗净的马铃薯根系样品放置在30cm×40cm树脂玻璃槽内，并注水至3～4mm深，使根系充分散开，用双面光源扫描系统（EPSON Expression 1640XL，美国EPSON公司）扫描根系，经专用数字化软件（WinRhizo Reg V2004a）分析获得根长、根体积、根表面积及平均根直径等形态指标[9]。
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采用环刀法测定土壤含水量、饱和含水量、容重[10]。
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采用凯氏定氮法测定植株全氮，钼蓝比色法测定全磷，火焰光度法测定全钾[10]。
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1.4 数据分析
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采用Excel 2017绘制图表，SPSS 19.0软件对数据进行方差及相关性分析。
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2 结果与分析
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2.1 不同处理对马铃薯生长的影响
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2.1.1 马铃薯生物学指标变化
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由表1可见，马铃薯由膨大期至淀粉积累期，地上生物量逐渐减少，地下块茎生物量逐渐增加，不同处理对马铃薯植株生长的影响不同。在膨大期，不同处理马铃薯植株总生物量表现为N1PKS>N1PK>N1PKM> N2PK，减施氮肥N2PK处理植株地上、地下生物量均最低，但与化肥配施有机肥N1PKM处理差异不显著。在淀粉积累期，不同处理马铃薯植株总生物量表现为N1PKM>N1PKS>N2PK>N1PK，有机肥对马铃薯生长的促进作用与其它处理差异显著，氮肥减施均不利于马铃薯块茎膨大和淀粉积累。说明与仅施氮磷钾肥和氮肥减量处理相比，秸秆还田能够显著增加马铃薯块茎膨大期的植株生物量，而增施有机肥能够显著增加马铃薯淀粉积累期的植株生物量。
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注：同一列数据后不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。下同。
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2.1.2 马铃薯根系形态变化
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由表2可见，在块茎膨大期，马铃薯总根长、总根表面积、根尖数以N1PKS处理最大，与N2PK处理比较，分别增加82.31%、67.66%、58.93%； 与N1PKM和N1PK处理相比，分别增加31.59%、 20.37%、57.42%和31.20%、19.19%、21.2%；在淀粉积累期，马铃薯总根长、总根表面积以N1PKM处理最大，与N2PK处理比较，分别增加36.35%、 40.70%；与N1PKS处理相比，分别增加15.03%、 9.21%；其中N1PK与N2PK处理间差异不显著。从表2和图1可以看出，在膨大期，N1PK与N2PK处理马铃薯根尖数量减少、根系直径增加。在淀粉积累期，N1PKM处理由于须根量增加显著，总根长、总根表面积、根尖数量也显著增加。说明秸秆还田后，马铃薯前期生长迅速，有利于块茎膨大期根系的生长，而有机肥由于肥效缓效释放，促进了后期淀粉积累期根系的生长。
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图1 不同处理下马铃薯根系形态变化
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2.1.3 马铃薯产量变化
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秋季测产结果（表3）表明，不同处理马铃薯产量表现为N1PKM>N1PKS>N1PK>N2PK。与N1PK比较， N1PKM、N1PKS处理分别增产39.78%、16.95%， N2PK处理产量降低23.79%。N1PKM处理对马铃薯产量的增加效果显著，其次为N1PKS处理。从收获后马铃薯块茎带土率分析，N1PKS处理薯块带土率最低，其次是N1PKM处理，而N2PK处理带土率最大，与不同处理对土壤容重等物理特性的影响有关。
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2.2 不同处理对马铃薯养分吸收积累的影响
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不同时期马铃薯地上植株、地下块茎吸收积累氮、磷、钾养分的含量不同。由图2、3可见，无论是膨大期，还是淀粉积累期，地上植株氮积累量最大，其次是钾积累量，磷积累量最低。淀粉积累期养分积累量大于块茎膨大期，说明马铃薯后期生长对养分的需求量大；在淀粉积累期，块茎吸收积累钾量高于氮元素，说明钾营养对于后期马铃薯淀粉的形成与积累具有重要的作用。
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不同处理对马铃薯养分吸收、积累量影响不同。有机肥配施化肥的N1PKM处理，淀粉积累期的植株和块茎中氮、钾养分积累量较高；氮肥减量的N2PK处理，各时期马铃薯地上植株与地下块茎氮积累量均较低，磷、钾积累量在淀粉积累期也出现降低趋势，与植株生长较弱，块茎生物量较低，吸收积累养分能力降低有关。
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图2 不同处理下马铃薯植株养分积累变化
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注：柱上字母不同表示差异显著（P<0.05）。下同。
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图3 不同处理下马铃薯块茎养分积累变化
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2.3 不同处理对土壤水分与容重的影响
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已有研究表明，有机物料在增加土壤有机质，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，改善土壤结构效果显著[11]。由表4可见，N1PKS处理，0～30cm土层含水量增加，饱和含水量增加，容重降低，与其它处理差异显著，说明秸秆施入土壤后，明显改善了土壤的结构特性，增加了土壤的通气透水能力。其次是NPKM处理，20～30cm土层土壤含水量，0～10、10～20cm土层土壤饱和含水量均高于N1PK、N2PK处理，而3个土层容重均低于N1PK、N2PK处理；氮肥不同施入量的N1PK与N2PK处理，土壤含水量、饱和含水量和容重等指标差异不显著。说明与单施无机肥料相比，增施有机肥在一定程度上也能够改善土壤的结构特性，但效果不如秸秆还田显著。
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3 结论与讨论
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近年来，关于秸秆还田以及有机肥配施应用于马铃薯生产方面的研究已有报道。官建国[12]认为稻草还田对冬种马铃薯有一定的减肥增效作用。干旱半干旱区秸秆还田对马铃薯经济性状和产量影响较大，且对土壤有良好的保肥保墒效果[13]。当玉米秸秆施用量为15000kg/hm2，可有效提高马铃薯产量品质及水分利用效率[11]。黄淮海地区夏玉米配合秸秆还田技术有利于提高春马铃薯-夏玉米-秋马铃薯一年三作栽培模式的高效性[14]，而氮磷钾肥与有机肥配施可以促进马铃薯地上及地下部的生长以及干物质积累[15]。本研究表明，秸秆还田与增施有机肥处理分别对马铃薯块茎膨大期、淀粉积累期的植株及根系生长有明显的促进作用，对植株生长的促进主要体现在增加生物量，对根系生长的促进体现在增加根系长度、表面积及根尖数量。
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李斌等[16]研究认为化肥配施有机肥对马铃薯生长性状影响不显著，但对提高马铃薯产量和改善土壤肥力具有明显的作用。本研究表明，N1PKS和N1PKM处理均能够显著提高马铃薯产量，其中增施有机肥对马铃薯的增产效果高于秸秆还田。同时，两个处理在一定程度上均有利于马铃薯植株和块茎在膨大期及淀粉积累期吸收积累氮、磷、钾养分，任珂等[17]研究也表明，有机肥对植株和块茎中氮、磷、钾的含量影响较大。
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东北地区马铃薯秋季收获时，粘重、含水量大的土壤，不但导致机械机具作业阻力大、动力消耗多，也造成薯块带土率高，大量肥沃的表土被离田带走，肥力逐年下降[7-8]。本研究表明，秸秆还田与增施有机肥处理能够一定程度地改善土壤物理特性，其中秸秆还田处理在提高土壤含水量及饱和含水量，降低土壤容重方面效果显著，尤其在前期干旱条件下，秸秆还田处理马铃薯生长旺盛，与土壤的通气透水性能增加，秸秆大量分解促使土壤水分维持在较高水平有关。
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通过本研究，建议北方一季作区马铃薯生产在前茬玉米秸秆还田的基础上，增施一定量有机肥，对于改善土壤的物理特性、增加马铃薯产量，提高土壤的适耕性具有较好的效果。
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参考文献
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摘要
针对黑土土壤粘重、耕性差、薯块带土率高、不利于机械收获等问题，研究秸秆还田（N1PKS）、有机肥 （N1PKM）、单施化肥（N1PK）和减氮（N2PK）处理对马铃薯生长、养分吸收及对土壤结构的影响。结果表明： 秸秆还田的 N1PKS 处理与增施有机肥的 N1PKM 处理分别促进了马铃薯膨大期和淀粉积累期植株与根系的生长； 与单施化肥的 N1PK 处理比较，N1PKM、N1PKS 处理分别增产 39.78%、16.95%，而氮肥减量的 N2PK 处理马铃薯减产 23.79%，N1PKS 和 N1PKM 处理促进了马铃薯植株与块茎对氮、磷、钾养分的吸收与积累；增施有机肥在一定程度上也能够改善土壤的结构特性，提高土壤含水量及饱和含水量、降低土壤容重，但改良效果不如秸秆还田处理显著。
Abstract
The effects of four treatments，including straw returning to the field（N1PKS），organic fertilizer（N1PKM）， single fertilizer（N1PK）and nitrogen reduction（N2PK），on potato growth，nutrient absorption and soil structure were studied，which aimed at resolving the problems of black soil’s heavy texture，poor cultivability，potato harvested with more pasted soil，unfavorable to mechanical harvesting and providing a basis for soil fertility improvement in potato planting．The results showed that the growth of plants and roots in the potato swelling stage and starch accumulation stage were respectively promoted under the treatment of N1PKS and N1PKM treatment．Compared with N1PK treatment，potato yields was increased by 39.78% and 16.95% under N1PKM and N1PKS，while reduced by 23.79% with N2PK treatment．The absorption and accumulation of nitrogen，phosphorus and potassium nutrients by potato plants and tubers were promoted under N1PKS and N1PKM treatments，which also improved the soil structural characteristics，including that soil moisture content and saturated moisture content were increased while soil bulk density was reduced，but the improvement effect of N1PKM was not as significant as N1PKS treatment.