摘要
以宁夏南部山区旱作马铃薯为供试作物，研究减施氮肥、控释氮肥对旱作马铃薯连作土壤氮素的影响。采用田间试验、取样、室内分析与生物统计的方法，设置农民常规施肥（CON）、氮肥减量 14%（KF）和综合优化施肥（BMP）即氮肥减量 28% 控释肥 3 个处理，开展不同氮肥管理措施对马铃薯连作体系土壤氮素累积及动态变化特征的影响。结果表明，与 CON 处理相比，KF 和 BMP 处理能有效降低 0 ～ 100 cm 土层土壤硝态氮累积量，2018、2019 和 2021 年马铃薯收获后土体硝态氮累积量分别降低 20.93% ～ 32.67%、19.06% ～ 31.75% 和 15.77% ～ 33.34%，BMP 与 KF 处理相比，分别降低了 20.86%、18.74% 和 20.86%。马铃薯现蕾开花期硝态氮累积量显著高于收获期，而铵态氮不显著。减量施氮和控释肥与产量、养分吸收量和偏生产力关系不显著。因此，在宁夏南部山区马铃薯推荐氮肥减施 14%，即施用量为 N 180 kg/hm2 ，或者减施氮肥 28.0%，施用量为 N 150 kg/hm2 ，即基施控释肥用量 515.7 kg/hm2 ，重过磷酸钙 66.3 kg/hm2 ，获得高产的同时能降低马铃薯连作土壤氮素累积，降低农田土壤面源污染风险，提高了经济效益，值得在宁夏南部山区马铃薯种植大面积推广应用。
Abstract
This study investigated the effects of nitrogen reduction and controlled-release nitrogen fertilizer on soil nitrogen dynamics in continuous cropping of potato under rainfed conditions in the mountainous areas of southern Ningxia． Field experiments were conducted with three treatments：conventional farmer fertilization（CON），14%N reduction（KF）， and an optimized integrated fertilization（BMP，28%N reduction combined with controlled-release fertilizer）．Soil sampling， laboratory analysis，and biostatistical methods were employed to evaluate the impact of these nitrogen management practices on soil nitrogen accumulation and temporal dynamics in the potato monoculture system．The results demonstrated that compared to CON，both KF and BMP treatments significantly reduced nitrate-nitrogen accumulation in the 0-100 cm soil layer．Postharvest nitrate-nitrogen accumulation decreased by 20.93%-32.67%，19.06%-31.75% and 15.77%-33.34% in 2018，2019 and 2021，respectively．BMP treatment further reduced nitrate-nitrogen by 20.86%，18.74% and 20.86%，compared to KF treatment．Nitrate-nitrogen accumulation was significantly higher during the flowering stage than at harvest，while ammonium-nitrogen levels showed no significant variation．However，neither nitrogen reduction nor controlled-release fertilizer exhibited significant correlations with potato yield，nutrient uptake，or partial factor productivity．Based on these findings， reducing nitrogen application by 14%（N 180 kg/hm2 ）or 28%（N 150 kg/hm2 ，combined with controlled-release fertilizer at 515.7 kg/hm2 and calcium superphosphate at 66.3 kg/hm2 ）in rainfed potato systems of southern Ningxia were recommend． These practices effectively mitigated soil nitrate accumulation in continuous cropping systems，reduced risks of agricultural non-point source pollution，enhanced economic returns，and were suitable for large-scale adoption in the region．
大量不合理地施用氮肥造成农田土壤硝态氮累积、土壤质量下降以及水体污染等生态问题[1-3]。科学合理的施肥是提高肥料利用率、保证粮食作物高产稳产的重要基础，缓控释肥因可以调控作物养分的释放速率，提高肥料利用率及作物产量，有效减少氮、磷流失量[4-6]。控释氮肥 1 次基施与普通尿素多次施用相比可提高作物产量和氮肥利用率[7-9]，也可改善作物有效穗数、穗长和千粒重等个体结构、提升作物品质[10-12]。
宁夏南部山区是中国马铃薯的主产区之一，每年种植面积稳定在 6.5 万 hm2[13]，旱作区马铃薯合理施肥是确保马铃薯增收的主要途径，靳军良等[14] 研究表明，全膜双垄沟播基施与追施配比马铃薯增产效果显著，朱勇臣[15]、王世荣等[16]对不同控释肥品种在马铃薯应用也有报道，但在宁夏南部山区旱作马铃薯连作条件下氮肥减施、控释肥对土体氮素累积及效果的研究少有报道。因此，研究减施氮肥、控释肥对马铃薯连作土壤氮素累积的影响，为宁夏南部山区旱作区马铃薯氮肥合理施用提供技术支撑。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验点位于宁夏固原市西吉县西滩庙湾村 （35.86°21.1′ N，105.74°46.4′ E），该区域属于北方高原山地区缓坡梯田，海拔 1921 m，年平均气温 5.3℃，年平均降水量 400 mm 左右，供试土壤为黄绵土，2018 年春季试验布置前土壤理化性状为 pH 8.2、有机质 11.03 g/kg、全氮 0.55 g/kg、全磷 0.76 g/kg、全钾 20.3 g/kg、有效磷 9.52 mg/kg、速效钾 100 mg/kg，土壤肥力为中低等水平[17]。小区面积 45 m2。
1.2 试验方法
1.2.1 试验设计
试验采用随机区组设计，设置 3 个处理，重复 3 次，处理 1 为常规施肥（CON）：在当地施肥调查的基础上，以农民习惯施肥设置常规施肥处理；处理 2 为主因子优化（KF）：结合马铃薯需肥规律及土壤养分背景值，比常规施肥减施氮肥 14%；处理 3 为综合优化（BMP）：结合当地常用控释肥品种，设置控释肥处理，比常规施肥处理减施氮肥 28.0%。处理 1和处理 2的氮肥分为基施和追施，基施占 60%，追施占 40%，磷、钾肥一次性基施，基施肥方法为撒施，追施肥方法为穴施；处理 3 控释肥为一次性基施。氮、磷、钾肥分别为尿素（N 46%）、重过磷酸钙（P2O5 46%）、硫酸钾（K2O 50%），控释肥的 N-P2O5-K2O 为 29%-14%-8%。各处理施肥总量与实物量详见表1。
表1马铃薯试验方案及各施肥处理实物量统计
1.2.2 田间管理记载
试验实施时间为 2018、2019、2021 年，2020 年轮作玉米；2018、2019 和 2021 年马铃薯播种时间分别为 4 月 2 日、5 月 16 日和 5 月 21 日，收获时间分别为 9月 29 日、10 月 14 日和 10 月 18 日； 马铃薯品种为‘青薯 9 号’，株距 55 cm，行距 50 cm，播深 15 cm，每公顷保苗 36000 穴；3 年具体施肥及取土样时间、降水记录详见图1。
图13 年马铃薯生长期间施肥及取土样记录及降水动态变化示意图（2018、2019、2021 年）
1.3 样品采集、测定指标及分析方法
1.3.1 土壤样品
2018 年春季，按 0～20、20～40、40～60、 60～80、80～100 cm 土层，“S”形多点混合采集基础土样；试验期间，每年在马铃薯的现蕾开花期和收获后，每个小区按 0～20、20～40、 40～60、60～80、80～100 cm 土层，“S”形多点混合采集土样。
1.3.2 降水样品
取每次降水的全过程样（降水开始至结束），若一天中有几次降水过程，可合并为一个待测样品。若遇几天连续降水过程，可收集上午 8：00至次日上午 8：00 的降水；取样时，雨量器中的降水计量完毕后，摇匀，保存至样品瓶中，每瓶水样 500 mL 以上；降水样取回后-18℃冷冻保存。
1.3.3 植物样品
按马铃薯块茎、植株（茎叶）两部分采集，记载每个小区马铃薯块茎、植株（茎叶）产量，5 点混合采集。马铃薯块茎采集 5 kg，植株（茎叶）采集 2 kg。
1.4 样品测定项目与方法
1.4.1 土壤样品
测试指标为土壤 pH（酸度计法，水土比 5∶1）、全氮（凯氏定氮法）、硝态氮和铵态氮（1 mol/L 氯化钾浸提-流动注射仪法测定）、有机质（重铬酸钾-外加热法）、有效磷（碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法）、速效钾（火焰原子吸收分光光度法）。
1.4.2 植物样品
测试指标包括植株含水率、全氮（碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法）。
1.5 数据统计分析
试验数据采用 Excel 2013 和 SPSS 14.0 进行统计分析。
氮效率评价公式：
氮肥偏生产力（kg/kg）= 施氮区产量 / 施氮量
2 结果与分析
2.1 减量施氮、控释肥施用对马铃薯连作土壤硝态氮运移的影响
图2表明，2018 年马铃薯现蕾开花期 0～100 cm 各层土壤硝态氮累积量为 3.86～50.37 kg/hm2，各处理硝态氮累积量较基础土样增加幅度为 21.3%～76.5%。与 CON 处理相比，KF 和 BMP 处理0～100 cm 各层土壤硝态氮累积量减少了 2.8～14.3 kg/hm2。BMP 处理较 KF 处理0～100 cm 各层土壤硝态氮累积量减少了 0.41～8.06 kg/hm2；2018 年马铃薯收获后 0～100 cm 各层土壤硝态氮累积量为 4.29～38.77 kg/hm2，与马铃薯现蕾开花期相比，各层土壤硝态氮减少幅度为 23.03%～40.67%。与 CON 处理相比，KF 和 BMP 处理降低了 0～100 cm 各层土壤硝态氮累积量 1.6～5.14 kg/hm2，BMP 处理较 KF 处理 0～100 cm 各层硝态氮累积量降低了 0.82～1.77 kg/hm2。2019、2021 年马铃薯现蕾开花期 0～100 cm 各层土壤硝态氮累积量分别为 4.26～63.63、7.67～82.63 kg/hm2，与 2018 年马铃薯现蕾开花期相比，增加幅度分别为 10.64%～26.32%、64.05%～98.7%。与 CON 处理相比，KF 和 BMP 处理各层土壤硝态氮累积量分别增加 7.61～9.4 和 12.55～12.7 kg/hm2；BMP 与 KF 处理相比，各层土壤硝态氮累积量分别减少了 0.93～5.34 和 5.57～10.74 kg/hm2。2019、2021 年马铃薯收获后，0～100 cm 各层土壤硝态氮累积量分别为 4.39～52.9 和 5.33～64.41 kg/hm2，与 2019、2021 年现蕾开花期相比，减幅分别为 2.3%～16.86%、0.7%～22.05%；与 2018 年马铃薯收获后相比，各处理各层土壤硝态氮累积量，增幅分别为 5.02%～13.73%、27.87%～38.08%。与 CON 处理相比，KF 和 BMP 处理各层土壤硝态氮累积量分别减少了 2.74～11.05 和 5.63～11.18 kg/hm2；BMP 与 KF 处理相比，各层土壤硝态氮累积量分别减少了 26.09% 和 46.27%。3 年马铃薯现蕾开花期不同土层硝态氮累积量明显高于收获期，尤其是 2019 年降水频繁，明显高于其他两年（图1），造成土层硝态氮运移较高于其他两年，2018—2021 年马铃薯收获后，0～20 cm 土层硝态氮含量高于其他层次，并呈逐层递减的趋势。整体 CON 处理土壤硝态氮累积高于其他 2 个处理。
图23 年马铃薯生长期间硝态氮运移动态变化（2018—2021 年）
注：2018-08-06、2019-07-04、2021-07-25 为现蕾开花期，2018-10-15、2019-10-22、2021-10-24 为收获期。下同。
2018、2019 和 2021 年马铃薯收获后 0～100 cm 土体中硝态氮累积量表现：与 CON 处理相比，2018、 2019 和 2021 年 KF 与 BMP 处理土体硝态氮累积量减少幅度分别为 20.93%～32.67%、19.06%～31.75% 和 15.77%～33.34%，BMP 较 KF 处理土体硝态氮累积量减少幅度分别为 14.84%、18.74% 和 20.8%，2021 年的土体硝态氮累积量增加幅度不大。
2.2 减量施氮、控释肥施用对马铃薯连作土壤铵态氮运移动态
图3表明，2018 年马铃薯现蕾开花期，0～100 cm 各层土壤铵态氮累积量较基础土样都有所增加，增加幅度为 14.3%～40.4%，与 CON 处理相比，KF 和 BMP 处理 0～100 cm 各层土壤铵态氮累积量降幅在 7.79%～22.22% 之间，BMP 较 KF 处理 0～100 cm 各层土壤铵态氮累积量减少了 7.66%～9.08%；与马铃薯现蕾开花期相比，2018 年马铃薯收获后 0～100 cm 各处理铵态氮累积量减幅为 7.1%～10.6%，相对于 CON 处理，KF 和 BMP 处理 0～100 cm 各层土壤铵态氮累积量减少幅度为 20%～21.74%，BMP 较 KF 处理，进一步降低了 0～100 cm 各层 20%～21.5% 土壤的铵态氮累积量。2019、2021 年马铃薯现蕾开花期、收获期与 2018 年一致，但累积量均不高。
2018、2019 和 2021 年 0～100 cm 土体中铵态氮总累积量表现：与 CON 处理相比，降幅分别为 13.06%～26.28%、19.79%～26.16%、10.67%～20.88%，BMP 较 KF 处理，降幅分别为 14.45%、 7.94%、11.43%。
图33 年马铃薯生长期间铵态氮运移动态变化（2018—2021 年）
2.3 减量施氮和控释肥施用对马铃薯产量和经济效益的影响
3 年马铃薯产量各处理年际间有差异（表2）， 2018、2021 年产量较接近，与 CON 处理相比， 2018 年 KF、BMP 处理减产幅度较小，且 3 个施肥处理经济效益差异不大，但 2019 年3个施肥处理差异显著，KF、BMP 处理分别增产 12.38%、 10.90%。3 个施肥处理 3 年马铃薯经济效益差异较大，这与产量结果相一致，2019 年经济效益 KF、 BMP 处理均高于 CON 处理。节本增效分别为 0.29 万、0.19 万元 /hm2，这与施用控释肥成本增高呈显著正相关（表2）。
表22018—2021 年不同施肥处理马铃薯产量及效益
注：数据后小写字母不同表示各处理间达显著差异（P<0.05）；下同。价格按控释肥 4.8 元 /kg、硫酸钾 4.5 元 /kg、尿素 1.8 元 /kg、重过磷酸钙 2.6 元 /kg、马铃薯 1.2 元 /kg 计。
2.4 减量施氮、控释肥对马铃薯氮素吸收及偏生产力的影响
KF、MBP 处理对马铃薯氮养分累积影响不大（表3）。2018 年氮养分吸收累积表现为 BMP>CON>KF，与 CON 处理相比，KF 处理减少 7.0%， BMP 处理增加 12.5%，2019 年 KF、BMP 处理分别减少 18.7%、27.4%，2021 年 KF、BMP 处理分别增加 6.0%、5.8%。3 年马铃薯氮偏生产力均表现 BMP>KF>CON，与 CON 处理相比，KF、BMP 处理 2018 年分别增加 14.6%、38.3%，BMP 处理增加显著；2019 年分别增加 31.1%、55.3%，均表现差异显著。
表3不同施肥处理马铃薯氮养分吸收及偏生产力结果统计
3 讨论
本文研究马铃薯连作减施氮肥、控释肥对土壤氮素累积影响，结果表明，2019、2021 年马铃薯现蕾开花期 0～100 cm 各层土壤硝态氮累积量较 2018 年马铃薯现蕾开花期相比增加幅度分别为 10.64%～26.32%、64.05%～98.7%，与 2018 年马铃薯收获后相比，2019、2021 年马铃薯收获后0～100 cm 各层土壤硝态氮，增加幅度分别为 5.02%～13.73%、27.87%～38.08%，马铃薯现蕾开花期土体硝态氮积累明显高于收获后，这是由于马铃薯前期基施肥与降水频繁（图1），造成土壤硝态氮累积过高。赵云英等[18]在黄土旱塬区的长期定位试验结果表明，氮磷配施或与有机肥配施能够有效地减少土壤剖面中硝酸盐的累积和淋溶，氮肥单施硝态氮累积量最大。许晓媛等[19]研究发现，降雨主要影响表层土壤硝态氮向中下层迁移，常规降雨（3 d 累积降雨 65.2 mm）和强降雨（5 h 累积降雨 49.2 mm）2 种情况下硝态氮累积峰均在 40～60 cm 土层。本研究结果发现，3 年马铃薯收获后，与 CON 处理相比，KF 与 BMP 处理土体硝态氮累积量减少幅度分别为 20.93%～32.67%、 19.06%～31.75% 和 15.77%～33.34%，2021 年整体硝态氮积累幅度不高，这表明减施化肥、控释肥施用可有效控制土体硝态氮累积量，这与董亮等[20]研究结果一致，施用控释肥能降低硝态氮在各个土层的累积，其中减氮 30%～40% 控释肥处理土壤硝态氮的累积量最低。
本研究结果表明，与 CON 处理相比，2018、 2019 和 2021 年 0～100 cm 土体中铵态氮总累积量降幅分别为 13.06%～26.28%、19.79%～26.16% 和 10.67%～20.88%，没有硝态氮降低幅度高。这主要是不同处理使硝态氮和铵态氮垂向迁移能力与水分饱和条件下，不同土层黏粒含量及其对铵态氮吸附饱和程度、水分构成、溶质运移方式以及硝化-反硝化作用产生差异而导致[21]，与硝态氮相比，铵态氮更易被土壤吸附，它只有在特定条件如土壤水分接近饱和的情况下，借助下渗流的驱动才可能在土壤剖面中随水迁移[22]。
多项研究表明，施氮对马铃薯产量有明显的提升作用[23-24]，本研究结果表明，CON、KF、BMP 3 个施肥处理 3 年马铃薯产量差异不大，2019 年 3 个施肥处理差异显著，与 CON 相比，KF、BMP 处理分别增产 12.38%、10.90%，但其他年份各处理间减产不显著，这与西北地区水土流失、气候干旱、土壤水分含量低等环境因素限制了养分的可利用性，导致施用的氮肥不易被吸收并转化成产量[25]；3 个施肥处理 3 年马铃薯经济效益差异较大，2019 年经济效益 KF、BMP 处理均高于 CON 处理，节本增效分别为 0.29 万、0.19 万元 /hm2，这与靳军良等[14]、朱勇臣[15]、王世荣等[16]在本区域的研究结果一致。
氮肥偏生产力是现阶段评价我国粮食作物氮肥料效应的适宜指标[26-27]。本研究结果发现，不同施肥处理对马铃薯氮养分累积影响不大，差异性均不显著，但 3 年氮偏生产力均表现 BMP>KF>CON，这与李成晨等[28]研究结果一致，化肥减量 20% 对马铃薯产量无显著影响。我国马铃薯不同产区产量、施肥量和肥料利用率差异较大，氮素是马铃薯产量的第一限制因子[29]，于静等[30]研究发现不同产区马铃薯氮肥偏生产力差异较大，西北区为 95 kg/kg。但也有学者研究表明，华北平原冬小麦施氮量、灌溉时间、季节性降水等措施影响氮肥偏生产力，在灌溉区作物较高的氮肥偏生产力会造成更多的水分消耗[31]。本研究区域是旱作马铃薯种植区，水分比施肥更显得重要，只有提高水分利用效率，才能够提高氮肥利用率和偏生产力，因此，在干旱地区农业生产中提高作物氮肥偏生产力的同时需要平衡水分与养分的关系。
4 结论
随着施氮量的增加，不同层次土壤硝态氮累积量也增加，铵态氮也有这样的趋势，但累积量不高； 马铃薯通过减量施氮和施用控释肥可有效控制土体氮素累积，但并没有影响产量、养分吸收量和偏生产力，是最有效、最直接的优化施肥调控手段。
综上所述，在宁夏南部山区旱作马铃薯农民常规施肥基础上，采用氮肥减施 14%，即施用量为 N 180 kg/hm2，或比常规施肥减施氮肥 28.0%，施用量 N 150 kg/hm2，即基施控释肥用量 253 kg/hm2、重过磷酸钙 66.3 kg/hm2，在获得马铃薯高产的同时能降低土壤氮素累积，有效控制农田土壤面源污染风险，并提高了经济效益，值得在该区域大面积推广应用。