不同馬鈴薯品種的氮效率差異研究

張婷婷，孟麗麗，陳有君，蒙美蓮*

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

氮素作為作物生長發(fā)育所必需的元素，在提高糧食作物產(chǎn)量中有著重要作用。氮肥的使用為解決中國糧食供給做出了巨大的貢獻(xiàn)。但是，隨著氮肥施用量的增多，不但增加了生產(chǎn)成本，也使生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染［1-2］。因此，為了降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染，選用氮高效的品種已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一，并且前人在水稻、小麥、玉米等作物上已經(jīng)做了大量的研究［3-9］。馬鈴薯根系較淺，不易吸收根層以下的肥料，在灌溉條件下存在硝酸鹽淋失的風(fēng)險(xiǎn)，從而肥料利用率下降，過量的氮肥投入反而會(huì)造成減產(chǎn)［10-13］。因此，分析馬鈴薯氮效率的品種間差異，挖掘氮效率高的品種顯得尤為重要。研究得出馬鈴薯野生種與栽培種之間，早熟與晚熟之間氮效率不同［14-16］。因各地區(qū)環(huán)境及生長條件的不同，導(dǎo)致主栽品種也有差異，所以其適于當(dāng)?shù)氐牡咝贩N可能也有區(qū)別。程紅［17］在四川篩選出費(fèi)烏瑞它、壩薯10號(hào)、高原7號(hào)、云薯301為氮高效型品種；矯嬌嬌等［18］發(fā)現(xiàn)在東北地區(qū)東農(nóng)310和克新22號(hào)等品種對(duì)氮素的響應(yīng)度高于東農(nóng)311、克新19號(hào)和大西洋等品種；何丹丹等［19］在內(nèi)蒙古的研究認(rèn)為克新1號(hào)和青薯9號(hào)在0和270 kg/hm2施氮量下的產(chǎn)量高于其所研究的7個(gè)品種的均值。內(nèi)蒙地區(qū)是中國馬鈴薯的重要產(chǎn)區(qū)之一，馬鈴薯種植品種眾多，有關(guān)馬鈴薯氮效率品種間差異性還缺乏系統(tǒng)研究。因此，系統(tǒng)研究馬鈴薯品種間氮效率差異及其相關(guān)特性，對(duì)篩選利用氮高效品種，建立更加有效的氮素高效篩選評(píng)價(jià)機(jī)制，以降低氮肥施用量，保護(hù)環(huán)境，提高生產(chǎn)效益具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016～2018年在內(nèi)蒙古武川縣大豆鋪村進(jìn)行。該地區(qū)處于陰山北麓，海拔約1572 m，為中溫帶大陸季風(fēng)氣候，年均氣溫2.6℃，≥0℃積溫2578.5℃，無霜期110 d左右；年均降水354.1 mm左右。供試土壤為栗鈣土，3年前茬分別為燕麥、燕麥和向日葵。0～20 cm土壤pH值分別為8.23、8.16和8.23，有機(jī)質(zhì)含量分別為17.32、14.85和15.03 g/kg，堿解氮含量分別為40.66、40.38和42.39 mg/kg，有效磷含量分別為11.47、11.31和12.37 mg/kg，速效鉀含量分別為132.42、118.76和123.77 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2016年 在 施 氮150 kg/hm2（低 氮，LN）和300 kg/hm2（常規(guī)施氮，CN）下研究內(nèi)蒙古地區(qū)栽培的27個(gè)馬鈴薯品種（表1）生長狀況及其氮效率差異。小區(qū)面積為18 m2，氮肥用尿素（N 46.4%）和磷酸二銨（N 18%），磷、鉀肥用磷酸二銨（P2O546%）和硫酸鉀（K2O 52%）。5月17日播種，在出苗后60 d取樣測(cè)定，9月19日收獲測(cè)產(chǎn)。本文中的常規(guī)施氮量是根據(jù)本研究室以前的研究結(jié)果，并結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶生產(chǎn)設(shè)置的［13］。

表1 供試馬鈴薯品種

2017與2018年在施氮量0 kg/hm2（ON）、150 kg/hm2（LN）、300 kg/hm2（CN）下研究了尤佳70和冀張薯12號(hào)的生長狀況及其氮效率差異。小區(qū)面積為30 m2，氮、磷、鉀肥分別用尿素、過磷酸鈣（P2O518%）、硫酸鉀。2017年5月11日播種，9月17日收獲測(cè)產(chǎn)；2018年5月6日播種，9月21日收獲測(cè)產(chǎn)。在馬鈴薯塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉積累期分別取樣測(cè)定。

3年試驗(yàn)均采用二因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為施氮量，副區(qū)為品種。種植密度6萬株/hm2。重復(fù)4次。總氮肥量的2/3播種時(shí)施入，其余1/3在起壟時(shí)追施。磷（P2O5）、鉀（K2O）肥均在播種時(shí)施入，均為225 kg/hm2，滴灌灌溉。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

用直尺測(cè)量株高；方格法測(cè)定冠層覆蓋度［20］；采用SPAD-502型葉綠素測(cè)定儀測(cè)定葉片SPAD值。

每次取樣時(shí)選取生長一致且具有代表性的植株3株，將莖葉和根分開，烘干后測(cè)定莖葉干物質(zhì)量與根干物質(zhì)量。凱氏定氮法測(cè)定氮含量。

收獲前每小區(qū)選擇兩行進(jìn)行測(cè)產(chǎn)考種，計(jì)算產(chǎn)量。

1.4 計(jì)算公式

莖葉氮累積量=莖葉干物質(zhì)量×莖葉含氮量；根氮累積量=根干物質(zhì)量×根含氮量；氮效率=產(chǎn)量/供氮量（相同地塊土壤中氮量一致，本文供氮量僅指施氮量）；氮素吸收效率=氮累積量/供氮量；氮素利用效率=產(chǎn)量/氮累積量；耐低氮脅迫指數(shù)=低氮產(chǎn)量/常規(guī)施氮產(chǎn)量［21］。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010、SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、作圖和統(tǒng)計(jì)分析。方差分析采用Duncan新復(fù)極差和T檢驗(yàn)法，相關(guān)分析用Pearson法進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同馬鈴薯品種農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量和氮效率的差異

表2是2016年27個(gè)品種各項(xiàng)指標(biāo)平均值和變異情況。可以看出，低氮處理氮效率、氮素吸收效率和氮素利用效率顯著或極顯著高于常規(guī)施氮量處理；其余性狀指標(biāo)均表現(xiàn)為低氮處理顯著或極顯著小于常規(guī)施氮處理。減少施氮量干物質(zhì)量下降了12.35%，氮累積量下降了21.77%，進(jìn)一步導(dǎo)致產(chǎn)量下降了12.28%，但使氮效率增加了75.50%。品種間干物質(zhì)量、氮累積量、SPAD值、株高、冠層覆蓋度、產(chǎn)量等均存在著極顯著差異，各指標(biāo)都有較高的變異系數(shù)，除SPAD值外，其余指標(biāo)均大于10%，且低氮處理大于常規(guī)施氮處理。低氮處理品種間的產(chǎn)量和氮效率變幅大于常規(guī)施氮處理，產(chǎn)量的變幅分別為28.36和21.05 t/hm2，氮效率的變幅分別為189.02和103.52 kg/kg。

表2 不同施氮條件下馬鈴薯農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量和氮效率的差異

2.2 不同馬鈴薯品種氮效率的劃分

各馬鈴薯品種在低氮和常規(guī)氮處理下塊莖產(chǎn)量存在差異，除冀張薯12號(hào)、克新19號(hào)和冀張薯14號(hào)在低氮下產(chǎn)量略大于常規(guī)氮處理外，其余各品種均表現(xiàn)為常規(guī)施氮處理下的產(chǎn)量高于低氮處理。以兩個(gè)施氮量下的產(chǎn)量平均值（低氮28.83 t/hm2、常規(guī)施氮32.86 t/hm2）和耐低氮脅迫指數(shù)平均值（0.88）為依據(jù)，將27個(gè)品種分為6類（圖1），分別為雙高效耐低氮型，即兩個(gè)施氮量下產(chǎn)量均大于平均值，耐低氮脅迫指數(shù)大于0.88（圖1，Ⅰ區(qū)），包括8個(gè)品種，分別是冀張薯12號(hào)、荷蘭14號(hào)、后旗紅、克新25號(hào)、克新19號(hào)、希森6號(hào)、興佳2號(hào)和青薯9號(hào)；雙高效不耐低氮型，即兩個(gè)施氮量下產(chǎn)量均大于平均值，耐低氮脅迫指數(shù)小于0.88（圖1，Ⅱ區(qū)），包括5個(gè)品種，分別是克新1號(hào)、坤9、康尼貝克、KF4和克新18號(hào)；雙低效不耐低氮型，即兩個(gè)施氮量下產(chǎn)量均小于平均值，耐低氮脅迫指數(shù)小于0.88（圖1，Ⅳ區(qū)），包括7個(gè)品種，分別是延薯4號(hào)、富金、尤佳70、大西洋、費(fèi)烏瑞它、克新4號(hào)和紅美；雙低效耐低氮型，即兩個(gè)施氮量下產(chǎn)量均小于平均值，耐低氮脅迫指數(shù)大于0.88（圖1，Ⅴ區(qū)），包括4個(gè)品種；低氮高效型則為低氮量下的產(chǎn)量高于平均值，而在常規(guī)施氮量下的產(chǎn)量低于平均值（圖1，Ⅵ區(qū)），這類有2個(gè)品種；高氮高效型則為低氮量下的產(chǎn)量小于平均值，而在常規(guī)施氮量下的產(chǎn)量大于平均值（圖1，Ⅲ區(qū)），該類只有早大白一個(gè)品種。

2.3 雙高效耐低氮型和雙低效不耐低氮型的氮效率相關(guān)性狀差異比較

表3比較了兩個(gè)類型品種產(chǎn)量、氮效率、株高、冠層覆蓋度、SPAD值等性狀的差異。雙高效耐低氮型在兩個(gè)施氮量下的產(chǎn)量比雙低效不耐低氮型分別高68.38%和37.27%。與常規(guī)施氮處理相比，低氮處理下雙高效耐低氮型、雙低效不耐低氮型產(chǎn)量降幅分別為2.63%和20.64%。氮效率與產(chǎn)量表現(xiàn)一致。雙高效耐低氮型的氮素吸收效率、氮素利用效率、株高、冠層覆蓋度、SPAD值、莖葉干物質(zhì)量、根干物質(zhì)量、莖葉氮累積量、根氮累積量顯著高于雙低效不耐低氮型，低氮處理下前者較后者分別高52.38%、13.47%、51.27%、20.78%、13.15%、145.99%、95.24%、140.91%、80.29%，常規(guī)施氮下分別高22.22%、10.25%、27.34%、10.85%、11.60%、99.58%、65.45%、84.85%、52.21%。

表3 雙高效耐低氮型和雙低效不耐低氮型馬鈴薯氮效率、農(nóng)藝性狀及氮累積量的比較

2.4 冀張薯12與尤佳70氮效率、干物質(zhì)累積量、氮累積量的差異

選取冀張薯12和尤佳70為材料，在2017和2018年連續(xù)兩年研究了二者氮效率及相關(guān)指標(biāo)的差異（表4、表5）。可以看出，冀張薯12號(hào)在低氮處理和常規(guī)施氮處理下氮效率顯著高于尤佳70，兩年平均高103.09%、86.14%；冀張薯12號(hào)的氮素吸收效率、氮素利用效率兩年平均值也顯著大于尤佳70，低氮處理下分別高47.03%、39.70%，常規(guī)氮處理下分別高21.05%、54.06%。

隨生育時(shí)期的推進(jìn)，兩品種單株干物質(zhì)量和氮累積量均逐漸增加（表5）。各施氮量下冀張薯12號(hào)的單株干物質(zhì)量在各生育時(shí)期均顯著高于尤佳70。不施氮處理下冀張薯12號(hào)單株干物質(zhì)量在塊莖形成期、塊莖膨大期、淀粉積累期較尤佳70分別高16.37、24.87和49.89 g/株，低氮處理下分別高15.85、32.27和67.14 g/株，常規(guī)施氮處理下分別高15.67、21.50和37.07 g/株。冀張薯12號(hào)各施氮處理的單株氮累積量在各生育時(shí)期均顯著高于尤佳70。兩年平均氮累積量不施氮處理下在塊莖形成期、塊莖膨大期、淀粉積累期分別高0.39、0.48和0.62 g/株、低氮處理下分別高0.43、0.89和1.28 g/株，常規(guī)施氮處理下分別高0.41、0.55和0.79 g/株。

表4 冀張薯12號(hào)和尤佳70馬鈴薯品種氮效率的比較 （kg/kg）

表5 冀張薯12號(hào)和尤佳70馬鈴薯品種干物質(zhì)量和氮累積量比較 （g/株）

3 討論

前人研究發(fā)現(xiàn)，多種作物在其品種間存在氮效率差異，種植氮高效品種是生產(chǎn)中減少施氮量，控制氮素污染，提高氮肥利用效率，降低生產(chǎn)成本最為有效的途徑之一［3-9］。本研究中在兩個(gè)施氮量條件下27個(gè)馬鈴薯品種之間的氮效率存在差異。根據(jù)氮效率的定義，在供氮量相同情況下，產(chǎn)量可以表征各品種的氮效率，是馬鈴薯氮效率能力評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)；莖葉干物質(zhì)量、根干物質(zhì)量、莖葉氮累積量、根氮累積量的變異系數(shù)較大，且與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，可作為馬鈴薯氮效率評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)；株高、冠層覆蓋度、葉片SPAD值雖然變異系數(shù)不高，但也與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，可作為馬鈴薯氮效率評(píng)價(jià)的輔助指標(biāo)。因?yàn)樽魑飳?duì)不同氮肥的響應(yīng)差異，導(dǎo)致不同施氮量下氮效率也不一致，所以根據(jù)不同施肥量下作物對(duì)氮肥的響應(yīng)情況進(jìn)行劃分則相對(duì)可靠［22］。本試驗(yàn)根據(jù)兩個(gè)施氮量下的產(chǎn)量變化將27個(gè)馬鈴薯品種分為6類。青薯9號(hào)、克新1號(hào)的分類結(jié)果與何丹丹等［19］的研究結(jié)果一致，兩種施氮量下產(chǎn)量均較高，但是相較于常規(guī)施氮量，克新1號(hào)在降低施氮量后產(chǎn)量下降幅度較大，故將其分為雙高效不耐低氮型。費(fèi)烏瑞它、興佳2號(hào)的研究結(jié)果與前人存在差異［17，19］，這是由于供氮量、供試品種種類不同導(dǎo)致劃分結(jié)果出現(xiàn)差異。可見，馬鈴薯品種氮效率的高低是相對(duì)的。

研究表明雙高效型產(chǎn)量與氮效率顯著高于雙低效型。2017與2018兩年的結(jié)果也證實(shí)了不論施氮量如何，冀張薯12號(hào)氮效率顯著大于尤佳70。冀張薯12號(hào)干物質(zhì)積累量及氮積累量顯著大于尤佳70，且隨生育進(jìn)程的推移兩品種之間干物質(zhì)量和氮累積量的差異逐漸加大，在玉米的研究中也得到證實(shí)［23-24］。植株根系特性易受氮水平調(diào)節(jié)，根系大小與氮吸收量呈正相關(guān)［25］。本研究結(jié)果中減少施氮量根系生長受到抑制，但是不同類型品種受到的抑制程度不同。雙高效耐低氮型根干物質(zhì)量下降了9.89%，明顯小于下降了23.64%的雙低效不耐低氮型。氮高效耐低氮品種在低氮條件下健壯的根系為高氮積累量提供了基礎(chǔ)。葉綠素含量與光合作用密切相關(guān)，與產(chǎn)量及氮效率呈顯著正相關(guān)［26］。Ospina等［27］研究發(fā)現(xiàn)綠葉覆蓋土壤百分比與塊莖產(chǎn)量之間存在高度相關(guān)性，雙高效耐低氮型品種在低氮條件下較高的葉綠素含量、較大的光合面積，有利于截獲、傳遞更多的光能，生產(chǎn)積累更多的光合產(chǎn)物，最終促進(jìn)了塊莖產(chǎn)量形成，提高了氮效率。綜合分析發(fā)現(xiàn)，氮高效類型根系強(qiáng)壯，氮素積累量大，葉綠素含量高，冠層覆蓋度大，干物質(zhì)積累量大，產(chǎn)量高。

4 結(jié)論

供試的27個(gè)馬鈴薯品種氮效率存在顯著差異。冀張薯12號(hào)、荷蘭14號(hào)、后旗紅、克新25號(hào)、克新19號(hào)、希森6號(hào)、興佳2號(hào)和青薯9號(hào)屬于雙高效耐低氮型，延薯4號(hào)、富金、尤佳70、大西洋、費(fèi)烏瑞它、克新4號(hào)和紅美屬于雙低效不耐低氮型。在生產(chǎn)中選擇種植雙高效耐低氮型品種，既能保證產(chǎn)量，也有利于節(jié)省生產(chǎn)成本，還可減少對(duì)環(huán)境的污染。