地下滴灌系统钾肥调控对马铃薯生长及产量响应的机制研究

专业推荐语 本研究创新性地采用埋深40 cm的地下滴灌系统（SDI），探究不同钾肥追施量（K 20/50/70 kg ha?1）对马铃薯生长及产量的影响。核心发现表明：K50处理通过优化土壤阳离子交换容量（CEC）显著提升钾吸收效率，实现56.7%的增产效益，且地下滴灌对产量的贡献率（32.2%）因钾肥有效性增强而降低。该成果为干旱区马铃薯水肥一体化（SDI-K fertigation）提供可持续资源管理范式，对推动精准农业具有重要实践价值。

　　

专业性内容归纳

研究背景与意义

马铃薯作为全球重要粮食作物，其产量受水分和养分供应效率的显著制约。传统灌溉方式存在水资源浪费与养分利用率低等问题，而地下滴灌系统（SDI）通过埋设于40 cm深度的压力补偿管道，可实现水肥精准输送。本研究聚焦钾肥（K）对马铃薯块茎形成关键期的影响，通过三年田间试验（2021-2023），探索SDI条件下钾肥追施量对土壤-植物系统的综合效应。

材料与方法

1. 试验设计与系统构建
在韩国晋州市砂壤土试验田（pH 7.15，EC 0.08 dS m^?1）布设SDI系统（埋深40 cm，间距80 cm）。设置5个处理：无处理对照（C）、纯灌溉（I）、以及低中高钾追施量（K20/K50/K70，以KCl形式分两次于块茎形成期和膨大期施用）。灌溉量统一为243 mm ha^?1，确保土壤表面含水量达25%（图3）。

2. 关键参数监测

• 水分运移：传感器分层监测土壤含水量（-40 cm至+10 cm），量化毛细作用下的水分上升动态。
• 养分分布：测定灌溉与K50处理前后土壤电导率（EC）变化（图4），解析钾离子扩散规律。
• 植株响应：收获期分析钾吸收量、残留量（图5）及生长指标（株高、叶面积、茎粗等，图6）。
• 产量构成：统计块茎数量、重量、商品薯率（＞80 g占比），并建立钾肥-产量回归模型（图8）。

核心结果

1. 水肥协同效应

• 滴灌带埋深40 cm时，水分需220 min升至地表（图3A），验证243 mm ha^?1为最佳灌溉量。
• K50处理显著提升土壤EC值（0.21 dS m^?1），钾离子富集于地下10-20 cm层（图4B），与毛细作用驱动的养分输送机制一致。

2. 钾吸收与生长响应

• 植株钾吸收量在K50处理达峰值，且块茎膨大期吸收量显著高于形成期（图5）。高量钾肥（K70）导致土壤残留钾增加，但吸收未同步提升，表明土壤CEC容量（本试验田为7.25 cmol kg^?1）是限速因素。
• 尽管钾处理间地上部生长差异不显著（图6），但K50的根鲜重（地下部）与块茎鲜重均最优（图7），凸显钾对"源-库"协调的关键作用。

3. 产量优化机制

• 绝对增产：K50处理产量较对照提升56.7%，较纯灌溉（I）提升24.5%（表3）。
• 边际效应：分段回归显示，灌溉对产量的贡献率（β=0.711）在K50处理中降至0.508，而钾肥贡献率升至0.469（表5），证实水肥互作存在阈值效应。
• 剂量响应：二次函数模型（R²=0.671）表明50 kg ha^?1为钾肥经济最优量（图8），过量施用（K70）引发钾积累反而抑制增产（土壤K⁺＞516 mg kg^?1时出现养分失衡）。

讨论与创新点

1. 技术优势
SDI系统通过毛细作用实现根区水肥同步供给，较传统灌溉节水40%以上（仅需486 mm ha^?1全生育期水量），且1%水溶钾肥浓度可规避土壤固定问题。

2. 生理机制
钾在块茎膨大期的高需求与SDI的精准供应时空匹配。K50处理下，钾通过增强光合产物转运（"库"驱动）和细胞膨压，促进块茎膨大而非营养生长，这与根鲜重增加但茎叶增量有限的结果一致（图7）。

3. 可持续性贡献
本方案将钾肥利用率提升至19%以上（常规仅为10-19%），减少淋溶风险。结合气象因子分析，证实SDI-K50组合在干旱年份（如2022年降水307.6 mm）仍可稳定增产。

结论与展望

埋深40 cm的SDI系统结合50 kg ha^?1钾肥追施，可同步优化马铃薯钾吸收效率（土壤CEC依赖型）和产量形成（水肥协同阈值效应）。该模式为半干旱区马铃薯生产提供"节水减劳、抑草增产"的标准化方案，未来需结合品种特性及土壤CEC梯度深化机制研究。