施氮量對間作馬鈴薯植株氮素累積及產量的影響

蔡 明，劉吉利，楊亞亞，賀錦紅，常雯雯，何海鋒，吳 娜

(1.寧夏大學農學院，寧夏銀川750021;2.寧夏大學資源環境學院，寧夏銀川750021)

氮素是植物生長所必需的大量元素之一，被稱為“生命的元素”［1］，在馬鈴薯的器官建成、物質代謝和塊莖品質的形成中起著舉足輕重的作用［2］，過量施氮會導致莖葉徒長，塊莖干物質含量下降，延遲塊莖成熟［3］。植株吸收的氮素主要來自土壤和肥料，旱地土壤中最為缺乏的便是氮素，土壤中氮素含量直接影響到作物的生長發育和產量［4-5］。作物對氮素的吸收、利用與轉移與施氮量密切相關［6］。馬鈴薯間作小麥研究表明［7］，合理的施氮量可實現作物的穩產，提高氮素利用率，也可有效降低氮肥污染環境的風險。大麥間作蠶豆試驗表明［8］，隨著施氮量的增加，單作和間作氮素吸收量和吸收速率均呈增加趨勢，隨生育期的推移，氮素吸收速率降低。一直以來，氮肥管理都是養分管理研究的重點［9］。

馬鈴薯(Solanum tuberosum)作為寧夏南部山區的傳統優勢栽培作物和抗災作物，在地區氣候適應、光熱等資源利用方面優勢明顯，在助力寧南山區脫貧致富和創收增收方面成效顯著［10-11］。近年來，馬鈴薯在寧南山區大面積連作，導致晚疫病發病率高和用、養地矛盾突出［12］。間套作種植被看作傳統農業的精髓［13］，研究表明［14］，馬鈴薯間作可有效緩解用地矛盾，發揮出馬鈴薯最大的產量優勢。盡管前人在間作和施氮方面做了大量的研究，但關于馬鈴薯燕麥間作施氮對植株氮素累積及產量影響的研究較少。本文通過在寧夏南部山區開展施氮量對間作馬鈴薯植株氮素累積及產量方面的研究，充分挖掘馬鈴薯與其他作物的間作優勢潛力，緩解馬鈴薯連作危害，揭示施氮對間作馬鈴薯氮素吸收累積影響規律，為當地馬鈴薯科學、高效施肥及進一步研究氮素的運移提供一定的理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年5—10月在寧夏海原縣樹臺鄉大嘴村(105°09＇～ 106°10＇E，36°06＇～ 37°04＇N)進行。研究區地處寧夏中部干旱帶，試驗地海拔2 133 m，年總降水量408 mm，無霜期為149～171 d，年均氣溫8℃，試驗期間的氣象資料如圖1所示。試驗地土壤類型為侵蝕黑壚土，土壤基本性質見表1。

圖1 作物生育期內的月降雨量和平均氣溫Fig.1 Monthly precipitation and average monthly temperatures during the growing season

表1 試驗地基礎土壤理化性質Table 1 Physical and chemical properties of the study site

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗材料 馬鈴薯品種為青薯9號，燕麥品種為燕科1號。

1.2.2 試驗設計 采用裂區試驗設計，主處理為施氮量，設置 0、75、150、225 kg·hm-24 個施氮水平，分別標記為N0、N1、N2、N3;副處理為種植方式，分別為馬鈴薯單作(IP)和馬鈴薯‖燕麥(JP)，各處理均設置3次重復，小區長6 m，寬6 m，面積為36 m2。單作馬鈴薯每小區種植12行，壟寬60 cm，壟距40 cm，株距 40 cm，種植深度 20～25 cm，種植密度50 025株·hm-2，呈“S”形單壟雙行半覆膜種植。馬鈴薯‖燕麥小區的馬鈴薯、燕麥行數比為4∶2，馬鈴薯燕麥間距為25 cm，其他栽培條件同單作保持一致，重復3次。

馬鈴薯于5月12日播種，起壟覆膜種植，同期播種燕麥，燕麥條播。結合整地各處理施底肥70%氮肥(尿素)、磷肥(過磷酸鈣90 kg·hm-2)、鉀肥(硫酸鉀45 kg·hm-2)，其余30%氮肥于馬鈴薯現蕾期追施。馬鈴薯于10月初收獲，燕麥于9月底收獲。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 產量的測定 收獲時每小區選取2個壟測定實際產量(kg)，換算為小區產量以及畝產、公頃產量。分別記錄每穴薯重、每穴薯個數、大薯數、中薯數和小薯數(大、中、小薯標準為:大薯＞150 g，150 g＞中薯≥75 g，小薯＜75 g)，計算大、中、小薯率。

1.3.2 植株氮素累積及利用效率的測定 在馬鈴薯的苗期、現蕾期、塊莖形成期、塊莖膨大期、成熟期采集馬鈴薯植株樣品，各部位器官分開烘干后稱重，粉碎后過60目篩，采用H2SO4-H2O2消煮法［15］測定植株全氮含量，即植株含氮量。

氮素積累量、氮素利用效率相關計算公式如下:

植株氮素積累量(kg·hm-2)=植株全氮含量(%)×植株干物質重(kg·hm-2)

氮素積累速率(kg·hm-2·d-1)=(后一生育時期單位面積氮素積累量-前一生育時期單位面積氮素積累量)/時間

氮肥農學利用率(AE，kg· kg-1)=(施氮處理塊莖產量-不施氮處理塊莖產量)/施氮量

氮肥生理利用率(PE，kg· kg-1)=(施氮區塊莖產量-不施氮區塊莖產量)/(施氮區地上部植株總吸氮量-不施氮區地上部植株總吸氮量)

氮肥利用率(NUE，%)=(施氮區地上部植株總吸氮量-不施氮區地上部植株總吸氮量)/施氮量×100

氮素收獲指數(NHI)=塊莖氮素積累量/植株總吸氮量

以上各公式中氮素積累量、產量、施氮量、吸氮量單位均為kg·hm-2。

1.3.3 數據處理 采用Excel進行數據整理，用SPSS統計軟件進行方差分析(LSD法檢驗差異顯著性)，用CurveExpert進行氮素累積曲線模擬。

2 結果與分析

2.1 施氮量對間作馬鈴薯植株氮素累積的影響

2.1.1 施氮量對馬鈴薯植株氮素累積量Logistic曲線模擬 馬鈴薯的氮素累積過程符合快-慢-快的“S”型增長曲線規律，在不同施氮量下對馬鈴薯植株氮素累積進行Logistic方程模擬，得到圖2所示模擬圖。由圖2可知，單作模式下，隨著生育進程的推進，馬鈴薯氮素累積先迅速升高而后緩慢上升至趨于穩定，由曲線斜率可以進一步看出，隨著生育進程的推進，前期累積速率也隨之增加;間作模式下，馬鈴薯植株氮素累積也表現出相同的變化趨勢。

2.1.2 施氮量對馬鈴薯氮素累積速率的影響 圖3可見，單作模式下，隨著生育時期的推進，各施氮處理累積速率均表現為先迅速上升后緩慢下降，N3處理下前期累積速率最快而后期下降也較快，N2處理前期上升速率較快，后期下降速率較慢，最大氮素累積速率出現在塊莖形成期前后;間作模式下，隨著生育進程的推進，各處理氮素積累速率也表現為先迅速上升后緩慢下降，N1與N3上升的幅度基本相同，下降比N2更慢，N1、N2降幅均小于N3處理。馬鈴薯可以積累充分的氮素滿足其生長，間作下增長速率明顯低于單作，最大積累速率出現在塊莖形成期(80 d)和塊莖膨大期(100 d)之間。

2.1.3 施氮量對馬鈴薯氮素積累參數的影響

由表2可知，不同處理的氮素積累參數值不同。對方程參數進行分析發現，隨著施氮量的增加，單作模式下，a(終極積累量)，c(積累速率參數)均較對照降低，N1、N3處理下b(初始參數)低于對照;間作模式下，b(初始參數)、c(積累速率參數)表現為先降低后上升的趨勢，a(終極積累量)表現為先上升后降低的趨勢，各處理下方程的決定系數均在0.990以上，說明logistic方程可以較好地描述馬鈴薯氮素積累過程。單作模式下，隨著施氮量的增加，Tmax(達到最大氮素積累速率的天數)表現為先上升后下降的趨勢，具體為 N2＞N3＞N1＞N0;間作模式下，Tmax的變化趨勢與單作基本一致，均隨著施氮量的增加先上升后下降，具體為 N2＞N1＞N0＞N3。單作模式下，Nmax(氮素積累速率最大時的含氮量)表現為先上升后降低的趨勢，具體為N2＞N0＞N3＞N1;間作模式下，Nmax表現與單作一致，隨施氮量的增加先上升后下降，具體為N2＞N1＞N0＞N3。單作模式下，各施氮處理Gmax(氮素積累最大速率)均較N0處理降低，具體為 N0＞N2＞N1＞N3;間作模式下，Gmax表現與單作一致，隨施氮量的增加先上升后下降，具體為 N2＞N1＞N3＞N0。單作模式下，p(氮素活躍積累天數)表現為先下降后上升的趨勢，具體表現為:N0＞N3＞N1＞N2;間作模式下，p(氮素活躍積累天數)表現為逐漸下降的趨勢，具體表現為:N0＞N1＞N2＞N3。間作模式下Nmax、Gmax高于單作，可以充分發揮氮素的優勢，表現出一定的間作優勢。施氮量為150 kg·hm-2處理的氮素積累效果相對優于其他處理。

圖3 施氮量對馬鈴薯氮素累積速率的影響Fig.3 Effect of nitrogen application rate on nitrogen accumulation rate of potato

表2 施氮量對馬鈴薯氮素積累參數的影響Table 2 Effects of nitrogen application rate on nitrogen accumulation parameters of potato

2.2 施氮量和種植模式對間作馬鈴薯氮素利用率的影響

表3為不同施氮量處理對間作馬鈴薯氮素利用率的影響。氮素收獲指數(NHI)表明作物收獲時氮素向馬鈴薯塊莖轉移的效率。單作模式下，隨著施氮量的遞增，氮素收獲指數均表現為先上升后下降的趨勢，具體表現為 N2＞N1＞N3＞N0，N2處理下NHI分別較其余各處理高7.46%、8.54%、6.11%;間作條件下施氮處理表現與單作基本一致，N2處理下氮素收獲指數達到最大，分別較其余各處理高2.08%、8.87%、2.40%，各處理之間差異不顯著。同一種植模式下，馬鈴薯的AE、PE、NUE均隨著施氮量的增加表現為先上升后降低的趨勢，間作模式下AE、PE、NUE均高于單作模式，各種植模式下N2處理氮素利用率均達到最大。單作種植模式下，N2處理AE、PE、NUE分別較 N1和 N3處理高 36.08%、22.89，80.24%、94.35%，34.02%、58.93%;間作種植模式下，N2處理AE、PE、NUE分別比N1和N3處理高 33.98%、49.08%，41.83%、85.53%，55.15%、94.83%，種植模式對氮肥農學利用率的影響顯著，施氮量對氮肥生理利用率、氮肥利用率的影響顯著。從整體氮素利用來看，間作模式優于單作模式且施氮150 kg·hm-2處理下各種植模式氮肥利用率最高，施氮225 kg·hm-2處理下最低，說明在一定范圍內，合理的施氮量有助于提高各種植模式的氮肥利用率，促進氮素向塊莖的轉運，進而提高馬鈴薯產量，若超過這一范圍，則不利于氮肥的吸收轉運，間作模式下施氮對氮素利用率的貢獻高于單作。

表3 施氮量和種植模式對間作馬鈴薯氮素利用率的影響Table 3 Effects of nitrogen application rate and planting pattern on nitrogen utilization rate of intercropping potato

2.3 施氮量與種植模式對馬鈴薯產量構成因素的影響

由表4可知，隨著施氮量的增加，馬鈴薯間作和單作產量均呈先增加后減少的趨勢，單作模式下，大薯率、商品薯率表現上升趨勢;間作模式表現先上升后降低的趨勢，而小薯率均較對照降低。不同施氮量處理下，產量構成因素表現不同。與對照不施氮處理相比，除N3處理外，其他施氮處理下馬鈴薯的每穴薯塊數、每穴薯重、大薯數、中薯數均有所增加，說明施氮可以通過增加馬鈴薯的每穴薯塊數、大薯數、中薯數來增加馬鈴薯的產量，主要是增加馬鈴薯的每穴薯塊數。N1、N2間作處理下每穴薯塊數與對照相比，分別高20.56%、12.27%，N3處理下每穴薯塊數略低于對照，說明過高的氮素不利于馬鈴薯薯塊數的增加，施氮量和種植模式下每穴薯塊數均呈顯著性差異。施氮量和種植模式下每穴薯重、大薯數、中薯數均未達到顯著水平，間作模式下每穴薯重、大薯數、中薯數略高于單作。不同種植模式下商品薯率差異顯著，施氮水平間大薯數差異顯著。單作模式下，小薯數隨施氮量的增加而降低，與對照相比，N1、N2、N3處理分別降低了89.43%、66.42%、75.18%，間作模式下小薯數隨施氮量先上升后下降，N1、N2、N3分別較對照提高44.51%、34.68%、3.46%，種植模式及施氮量和種植模式間的交互作用下小薯數差異顯著。單作模式下，各施氮處理馬鈴薯產量分別較對照增加1.73%、10.29%、3.97%，間作模式下，各施氮處理產量分別較對照增加8.68%、31.23%、15.33%，施氮水平及兩者間的交互作用下產量差異顯著，方差分析表明，施氮量對馬鈴薯產量的增加效應要高于種植模式，施氮對馬鈴薯的產量影響顯著。

3 討論

在不同的生長發育階段，氮素積累量在馬鈴薯植株各個器官的分布不同［16-17］。本研究表明，不同施氮量下，隨著馬鈴薯生育時期的推進，馬鈴薯氮素積累過程符合快-慢-快的“S”型增長曲線變化規律，這主要是由于馬鈴薯葉、莖氮素積累量隨著生育進程的推進呈現先上升后降低的趨勢，而塊莖氮素積累量呈現上升趨勢，植株整個氮素積累量綜合表現為“慢-快-慢”的“S”型增長曲線變化規律，這與其他研究結果一致［18-20］。進一步分析氮素積累速率變化，隨著施氮量的增加，兩種種植模式下積累速率均表現為先迅速上升后緩慢下降，單作模式下最大氮素累積速率出現在塊莖形成期前后，間作模式下則出現在塊莖膨大期前后，這可能是由于單作馬鈴薯前期氮素營養供應充足，營養生長旺盛，提前轉為生殖生長，氮素累積速率開始緩慢降低;間作模式下馬鈴薯和燕麥前期由于對氮素營養的競爭，馬鈴薯由營養生長轉為生殖生長的時間推遲，也可能由于隨著生育時期的不同，間作系統中兩者處于不同的生態位，對光及養分的吸收有所不同，造成氮素累積速率差異［21-22］。本研究發現，無論是間作還是單作，施氮150 kg·hm-2處理下，馬鈴薯氮素前期積累速率較快，后期下降緩慢，施氮225 kg·hm-2處理下前期氮素累積速率較快，后期下降速率也較快，說明在一定范圍內，施氮有利于提高馬鈴薯氮素累積速率，超過此范圍，氮素累積速率降低。對氮素累積模擬參數進行分析發現，施氮量與馬鈴薯氮素累積有極強的相關性，間作模式下各氮素累積模擬參數高于單作模式，兩種種植模式下施氮150 kg·hm-2處理氮素累積最大含氮量、氮素積累最大速率表現為最大，達到最大速率時的天數表現為最短，因此施氮150 kg·hm-2處理下，單作和間作氮素累積速率最快。從氮素利用率來看，氮素收獲指數隨施氮量的增加先上升后降低，表明合理施氮有利于馬鈴薯植株氮素向塊莖的轉移效率，氮素農學利用率、氮肥吸收速率、生理利用率均隨施氮量的增加先上升后下降，這主要是由于生長前期隨著生育進程的推進，馬鈴薯地上部氮素累積量增加，向塊莖轉移量增加，施氮對塊莖產量的貢獻度增加，而后地上部氮素累積量降低，向塊莖的轉移減弱，氮肥對塊莖產量的貢獻減弱;間作模式下各氮素利用率總體高于單作，主要是由于間作中燕麥也為喜氮作物，生育前期馬鈴薯壟上種植處于高位，對氮素的吸收、利用、轉化均處于優勢，燕麥處于低位，各方面均處于劣勢，兩者之間的競爭加速了對氮素的吸收利用，后期則相反;氮肥偏生產力則表現為降低趨勢且間作降低幅度小于單作，可能由于間作燕麥提前收獲，使得間作馬鈴薯光環境和生長空間得到補充和發展，降低幅度減弱，也可能是由于整個生育后期降雨較多，造成氮素淋溶、損失較大，氮素對作物生產的貢獻降低，這與施氮量對馬鈴薯氮素利用的相關研究結果有差異［23-24］。綜合來看，無論是單作還是間作，隨著整個生育進程的推進，合理施氮對馬鈴薯氮素累積、氮肥利用率都有顯著影響，有助于提高氮肥利用率，促進氮素向塊莖的運轉，進而提高馬鈴薯產量，間作模式下施氮優勢明顯。

研究表明［25-26］，合理施氮對間作馬鈴薯實現增產、降低施肥對環境污染的風險起著至關重要的作用。也有研究表明，施氮可以有效減緩間作所導致的作物減產，將間作劣勢轉為間作優勢，來維持間作系統較理想的產量［26-27］。間作也可以通過促進氮素從營養器官向生殖器官的轉運來提高作物的產量［28-29］。本研究表明，合理的施氮對間作馬鈴薯產量具有促進作用，主要是提高了馬鈴薯對氮素的吸收累積量及氮素利用率。相同的種植密度下，施氮和間作對馬鈴薯產量均有貢獻，施氮對間作馬鈴薯產量的貢獻要大于單作，施氮和種植模式間的交互作用達到極顯著水平，這與Bedoussac等［30］研究一致。對產量構成因素進行分析，表明施氮可以通過增加間作馬鈴薯的每穴薯塊數、大薯數、中薯數來增加馬鈴薯的產量;種植模式下，每穴薯塊數、商品薯率差異顯著，施氮處理下每穴薯塊數、大薯率差異顯著，可以看出，種植模式對產量構成因素的貢獻大于施氮量。

4 結論

馬鈴薯植株氮素積累過程符合快-慢-快的“S”型增長曲線。馬鈴薯氮素最大積累速率出現在塊莖膨大期前后，施氮能夠顯著提高馬鈴薯各氮素利用率指標。間作馬鈴薯氮素利用率高于單作，施氮150 kg·hm-2下單作和間作氮素積累速率最大時的含氮量、氮素積累最大速率均比其他處理高，馬鈴薯產量也最高。施氮對馬鈴薯產量及氮素累積的貢獻大于間作，間作馬鈴薯最佳施肥量為150 kg·hm-2。