水肥耦合對冬馬鈴薯產量和水分利用效率的影響

肖石江，普紅梅，王 鑫，吳瓊芬，梁淑敏，高 森，張 磊，隋啟君，李燕山*

（1.云南省農業(yè)科學院經濟作物研究所，云南 昆明 650205；2.農業(yè)農村部云貴高原馬鈴薯與油菜科學觀測實驗站，云南 昆明 650205；3.陸良縣農業(yè)技術推廣中心，云南 陸良 655600）

云南省屬于低緯度、高海拔、立體氣候，光照資源豐富，是中國馬鈴薯主產省份之一。馬鈴薯是云南省的第3大糧食作物，周年生產馬鈴薯已成為云南省馬鈴薯生產的特色［1］。冬馬鈴薯包括冬作馬鈴薯、小春馬鈴薯、早春馬鈴薯［2］。冬馬鈴薯是云南省的特色優(yōu)勢產業(yè)，常年種植面積在20萬hm2左右，在改善民生問題、發(fā)展地方經濟中具有重要作用。然而，長期以來云南省降水量在時間上的分配和地理上的分布都極不均勻，11月至第2年4月降水量僅占全年的10%～20%，甚至更少［3］，特別是自2009年以來，全省出現(xiàn)了持續(xù)嚴重的秋冬春連旱天氣，造成冬馬鈴薯嚴重減產，水資源季節(jié)性短缺和時空分布不均是制約云南冬馬鈴薯高效生產的主要障礙。此外，在馬鈴薯生產中普遍存在大水漫灌和過量施肥［4］等水肥管理問題，制約著馬鈴薯產業(yè)的健康發(fā)展。近年來，馬鈴薯膜下滴灌節(jié)水栽培技術在全省冬馬鈴薯產區(qū)迅速推廣應用，水資源利用率大大提高，但是還存在水肥管理脫節(jié)問題，水肥利用效率較低，資源浪費、化肥污染等問題日益突出［5］。因此，合理的水肥管理對實現(xiàn)該地區(qū)馬鈴薯節(jié)水節(jié)肥高效生產和保護生態(tài)環(huán)境等具有重要理論與實際意義。

水肥是作物生長的兩個重要的環(huán)境因子，也是可以調控的兩大重要技術措施。大量研究表明，水肥對作物生長的作用不是獨立的，而是相互作用、相互影響的，水分不僅影響土壤養(yǎng)分的有效性，也影響作物生長及養(yǎng)分的吸收、轉運、轉化和同化，而土壤養(yǎng)分則通過作物的生長發(fā)育和物質分配影響土壤水分的吸收、利用［6-7］。無論是土壤水分還是養(yǎng)分的虧缺或過量均會影響作物的生理生化過程，進而對作物的生長發(fā)育和產量產生顯著影響［8-9］。馬鈴薯是一種對水肥較為敏感的作物，水肥是影響其生長的重要因素，已有的研究表明，適宜的土壤水分條件和肥料投入可以促進馬鈴薯生長發(fā)育［10］，提高水肥利用效率，增加產量［11-12］，而不合理的灌溉和施肥，不僅會使產量降低，而且還會造成水肥資源浪費［13-14］。因此，對水肥耦合關系的研究是實現(xiàn)馬鈴薯優(yōu)質高產、水肥資源高效利用的關鍵所在。

近年來，國內外許多學者就灌溉和施肥技術對馬鈴薯生長、產量和水肥利用效率的影響進行了大量研究［15-19］，但大多僅限于單方面研究灌水量或施肥量，而有關水肥一體化條件下馬鈴薯水肥耦合的研究較少，且不同區(qū)域的地理和環(huán)境等條件不同，馬鈴薯合理的水肥配置及調控會受到多種因素影響而存在差異。為此，本文針對降水量僅有90 mm左右的20萬hm2冬馬鈴薯重度干旱區(qū)，以馬鈴薯品種‘麗薯6號’為研究對象，采用三因子五水平二次通用旋轉組合設計進行田間試驗，研究在滴灌施肥條件下，不同灌水量和施肥量對馬鈴薯產量和水分利用效率的影響，以期對滴灌馬鈴薯水肥進行科學的調控，為當?shù)伛R鈴薯高產優(yōu)質生產和化肥農藥減量施用技術提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年1月至5月在云南省陸良縣芳華鎮(zhèn)戚家山村委會山前村2組徐貴生的生產基地，該地位于103°40′E，25°06′N，海拔1883 m，屬北亞熱帶高原季風型冬干夏濕氣候區(qū)，年均氣溫14.7℃，≥10℃活動積溫4436.3℃，無霜期249 d，年日照時數(shù)2239.1 h，年太陽輻射量0.052 KJ·cm-2，年均降水量976.3 mm。土壤類型為紅泥質山原紅壤，土壤質地為砂壤土，土壤結構小團塊狀，試驗前耕層土壤有機質17.6 g·kg-1、堿解氮123 mg·kg-1、有 效磷81.6 mg·kg-1、速 效 鉀205 mg·kg-1、pH值4.7，土壤容重1.28 g·cm-3，田間持水量0.28，土壤保水保肥性能中等，前作玉米。

1.2 試驗材料

供試品種：馬鈴薯品種為麗薯6號。供試肥料：尿素（N 46%），由四川瀘天化股份有限公司生產；普鈣（P2O516%），由陸良磷肥廠生產；硫酸鉀（K2O 50%），由四川川化青上化工有限公司生產；氯化鉀（K2O 60%），由中化化肥有限公司生產。滴灌施肥設備包括水泵、水表、PVC管材及相關配件、滴灌管、液體肥料配比罐等，均為大禹節(jié)水公司產品。其中滴灌管滴頭型號為鐵片式，滴頭間距為15 cm，浸潤寬度30～40 cm；地膜為0.006 mm厚度黑色地膜，由曲靖市塑料廠生產。

1.3 試驗設計

本試驗采用三因子（灌水量、施氮量、施鉀量）五水平二次通用旋轉組合設計，因子編碼見表1，試驗共設20個處理，零水平重復6次，共20個小區(qū)，每3壟為一個小區(qū)，小區(qū)長7.8 m，壟寬1.2 m，小區(qū)面積（7.8 m×1.2 m×3壟）28.08 m2。

表1 因子編碼水平

試驗采用大壟雙行、膜下滴灌種植，行距120 cm（大行距80 cm，小行距40 cm），株距26 cm，種植密度64095株·hm-2。各處理磷肥（P2O5）用量均為150 kg·hm-2，播種時各處理全部磷肥、60%氮肥及60%鉀肥（硫酸鉀）一次性基施，苗期（3月14日）、現(xiàn)蕾期（3月27日）分別滴灌追施20%氮肥和20%鉀肥（氯化鉀）。試驗田間管理一致，播種后及時鋪設滴灌帶，覆蓋地膜，一膜一帶，灌水量通過水表控制，每個小區(qū)裝有獨立的水表和閥門，每次灌水以土壤相對含水量達到馬鈴薯各生育時期的下限指標時進行，生長期間共灌水9次；滴灌施肥系統(tǒng)采用泵壓式，每次施肥前先滴水，再滴肥，然后再滴水。馬鈴薯生長期間降雨總量為126 mm，分別是播種期～苗期1.8 mm、苗期～塊莖膨大期47.6 mm、塊莖膨大期～收獲期76.6 mm。試驗于2018年1月6日播種，5月17日收獲。

1.4 調查內容及方法

播種前取混合土樣和環(huán)刀樣，測定土壤養(yǎng)分和容重，試驗過程中記錄灌溉次數(shù)、灌水量等指標。在播種期、收獲期各處理分別取0～20和20～40 cm土層土壤鋁盒樣，用烘干法測定土壤含水量，計算0～40 cm土壤貯水量（SWS）和馬鈴薯階段耗水量（ET）。收獲時，馬鈴薯成熟期各小區(qū)單收進行測產，計算水分利用效率（WUE）。相關計算方法如下：

土 壤 貯 水 量：SWS（mm）=WS×γ×h/100。式中，WS為土壤重量含水量；γ為土壤容重；h為土層厚度。

階 段 耗 水 量：ET（mm）=SWSi-SWSi+1+P+W。式中，SWSi和SWSi+1分別為試驗初期和末期的土壤貯水量；P為生育期降雨量；W為生育期灌水量。

水分利用效率：WUE（kg·hm-2·mm-1）=Y/ET。式中，Y為產量。

試驗中得出的數(shù)據(jù)用Excel 2003和DPS 12.01數(shù)據(jù)處理軟件進行統(tǒng)計分析。其中馬鈴薯產量及水分利用效率與灌水量、施氮量和施鉀量的回歸分析采用如下模型：

式中，y表示響應變量，x1、x2和x3分別表示灌水量、施氮量和施鉀量的水平編碼值，b表示回歸系數(shù)。

2 結果與分析

2.1 水肥耦合模型建立與檢驗

利用二次通用旋轉組合統(tǒng)計方法對表2中試驗結果進行運算，得出灌水量、施氮量、施鉀量與馬鈴薯產量和水分利用效率的回歸模型分別為：

表2 不同水肥組合配置及試驗結果

由表3可知，回歸模型顯著性檢驗結果表明，灌水量、施氮量、施鉀量與馬鈴薯產量和水分利用效率回歸模型的F失擬值分別為0.49和0.66，概率分別為0.7750和0.6723，說明試驗過程中無其他不可控因素對試驗結果產生影響；2個回歸模型的F擬合值分別為7.76和5.43，概率分別為0.0018和0.0071，決定系數(shù)R2分別為0.8747和0.8302，說明水肥因素與馬鈴薯產量和水分利用效率之間均有極顯著的回歸關系，且回歸模型均與實際情況擬合較好，可以用來預測。

2.2 主因素效應分析

根據(jù)回歸模型系數(shù)檢驗結果（表3），從馬鈴薯產量和水肥利用效率2個回歸模型中可以看出，灌水量、施氮量和水氮交互項均對馬鈴薯產量和水肥利用效率的影響達極顯著水平，而施鉀量、水鉀交互項和氮鉀交互項對馬鈴薯產量和水分利用效率無顯著影響。由于試驗中各因素水平已經過無量綱線性編碼代換，回歸模型所求得的回歸系數(shù)已標準化，故其絕對值的大小可直接反映各因素對產量和水分利用效率的影響程度。因此，從2個回歸模型中還可以看出，灌水量和施氮量對馬鈴薯產量和水肥利用效率主效應影響程度均表現(xiàn)為：施氮量＞灌水量。此外，2個模型的水肥二次項系數(shù)均為負值，說明水肥存在適宜用量，水肥不足或過量均會降低馬鈴薯產量和水分利用效率。

表3 回歸模型和系數(shù)檢驗

2.3 單因素效應分析

由于施鉀量對馬鈴薯產量和水分利用效率主效應不顯著，因此，將重點分析灌水量和施氮量對馬鈴薯產量和水分利用效率的單因素效應。對馬鈴薯產量回歸模型進行降維處理，將x3和其中一個因素固定為零水平，得出另一個因素變化與產量關系的子模型，根據(jù)子模型可獲得灌水量和施氮量在不同水平下的產量預測值及其變化趨勢（圖1）。由圖1可以看出，馬鈴薯產量隨灌水量和施氮量的增加呈先增加后降低的趨勢，在中低水平范圍內分別增加灌水量和施氮肥量，產量呈上升趨勢，當灌水量和施氮量分別達0.3271和0.4669水平時，其產量分別達到最大值，此后產量則逐漸下降。

圖1 水氮單因素對馬鈴薯產量的影響

同樣，對馬鈴薯水分利用效率的回歸模型進行降維處理，獲得灌水量和施氮量在不同水平下的水分利用效率預測值及其變化趨勢（圖2）。由圖2可以看出，馬鈴薯水分利用效率隨灌水量和施氮量的增加亦呈先增加后降低的趨勢，在中低水平范圍內增加施氮量，水分利用效率呈上升趨勢，當施氮量達0.5447水平時，水分利用效率達最大值，此后，水分利用效率隨施氮量的增加緩慢下降；在較低水平范圍內增加灌水量，水分利用效率緩慢上升，當灌水量達-0.3745水平時，水分利用效率達最大值，此后則呈下降趨勢。

圖2 水氮單因素對馬鈴薯水分利用率的影響

2.4 因素間的交互作用分析

根據(jù)回歸模型檢驗結果可知，水氮交互作用對馬鈴薯產量和水分利用效率的影響均達到顯著水平，而水鉀、氮鉀的交互作用均不顯著。因此，為探討水氮兩因素間的交互效應，對回歸模型進行降維處理，將x3固定在0 水平，分別得出馬鈴薯產量和水分利用效率的水氮二元二次回歸方程，其對應的水氮交互效應曲面見圖3、4。

圖3 水氮交互對馬鈴薯產量的影響

由圖3可看出，隨著灌水量和施氮量的增加，馬鈴薯產量呈先增加后降低的變化趨勢，當灌水量達到0.6882水平，同時施氮量達到0.8519水平時，其產量達到最大值，即：灌水量1673.6 m3·hm-2、施氮量333.9 kg·hm-2時，產量達到58502.4 kg·hm-2。從圖中還可以看出，當灌水量或施氮量任何一個因素偏低或過高時，馬鈴薯產量都將受到影響而無法獲得高產。由此可見，灌水量與施氮量這2個因素間有很好的耦合作用，在一定范圍內增加水和氮的配合施用馬鈴薯產量隨之增加，且較高灌水量與較高施氮量配合產量最高，而過量灌水與施氮會降低產量。

圖4 水氮交互對馬鈴薯水分利用率的影響

由圖4可以看出，施氮量處于不同水平時，馬鈴薯水分利用效率隨灌水量的增加呈先增加后降低趨勢；當灌水量在較高水平以下時，馬鈴薯水分利用效率隨施氮量的增加呈先增加后降低趨勢，而當灌水量達到高水平時，馬鈴薯水分利用效率隨著施氮量的增加而增加。但高水分利用效率的組合并不是灌水量和施氮量均處于高水平時，而是施氮量處于較高水平時和灌水量處于中高水平時，兩者組合下的水分利用效率達到最高值。同時，從圖中還可以看出，低灌水量高施氮量和高灌水量低施氮量時水分利用效率均有最低值，而灌水量和施氮量均處于中高水平以上時水分利用效率較高。說明不同水肥配合，其效應值差異很大，水肥投入量比例失調，水平相距越大，水分利用效率越低，只有2者處于合理的水平時才能對馬鈴薯水分利用效率起著協(xié)同促進作用。

2.5 最優(yōu)組合方案擬定

根據(jù)回歸模型，采用頻數(shù)分析方法，取（-1.682、-1、0、1、1.682）5個水平，通過模擬試驗和優(yōu)化選擇，獲得馬鈴薯目標產量在48000～60000 kg·hm-2之間的水肥優(yōu)化組合有53個（表4），各因素編碼95%置信區(qū)間取值范圍為0.184≤x1≤0.678、0.245≤x2≤0.755、-0.236≤x3≤0.236，最佳水肥方案為：灌水量1569.0～1671.0 m3·hm-2、施氮 量288.0～327.0 kg·hm-2、施鉀量163.5～196.5 kg·hm-2，在該水肥管理下可獲得較高的水分利用效率，其水分利用效率達178.88～179.03 kg·hm-2·mm-1。

表4 目標產量尋優(yōu)方案及頻率

3 討論

水分和養(yǎng)分是馬鈴薯產量形成的物質基礎，眾多研究表明［13，20］，適量灌水或施肥能明顯提高馬鈴薯水分利用效率，增加馬鈴薯產量。其中劉戰(zhàn)東等［13］研究表明，不同水分處理下馬鈴薯形態(tài)指標變化趨勢一致，但中水分處理的各指標均表現(xiàn)較好，產量和水分利用效率也明顯增加。梁錦秀等［20］研究表明，增施氮、磷、鉀肥馬鈴薯產量均呈拋物線型增長，施用氮、磷、鉀肥能顯著提高馬鈴薯水分利用效率，當?shù)适┯昧看笥?40 kg·hm-2、鉀肥施用量大于135 kg·hm-2時水分利用效率降低。本試驗單因素分析結果表明，灌水量和施氮量均對馬鈴薯產量和水分利用效率的影響達極顯著水平，在一定范圍內增加灌水量或施氮量都能提高馬鈴薯水分利用效率和馬鈴薯產量，而達到一定量后再增加灌水量或施氮量均會導致馬鈴薯產量和水分利用效率明顯降低，這與前人研究結果具有相同的規(guī)律，說明在馬鈴薯水肥管理中，無論是水還是肥，用量不是越大越好，而是各有其最佳用量。李文證［21］和劉凡［22］研究表明，水肥因子對馬鈴薯產量和水分利用效率主效應的影響程度為補水量大于施肥量。但大多數(shù)研究認為［23-25］，水肥主次效應存在一個轉換閥值，在水分不足的情況下，補水的影響效果大于施肥；而在水分充足的情況下，施肥的影響效果大于水分。本試驗結果表明，灌水量和施氮量對馬鈴薯產量和水分利用效率主效應影響程度均表現(xiàn)為施氮量大于灌水量，其原因可能與本試驗馬鈴薯生長期間降雨總量達126 mm，高于當?shù)貧v史同期90 mm的平均降雨量，導致馬鈴薯生長期間的水分相對充足有關。此外，本試驗結果發(fā)現(xiàn)施鉀量對馬鈴薯產量和水分利用效率無顯著影響，與前人的研究結果不同［11，26］，這可能與本試驗土壤的速效鉀含量極豐富有關，但具體原因有待進一步研究。

水肥之間具有明顯的耦合關系，適宜的灌溉與施肥，可以使水肥產生協(xié)同效應，對實現(xiàn)馬鈴薯高產和水肥資源高效利用有明顯的促進作用。李文證［21］研究認為，水肥耦合的增產效應存在一個閾值，在低于閾值的范圍內，提高水和肥的投入水平，能夠明顯提高作物產量；水肥水平超過閾值時，其互作增產效應不明顯，而且水肥水平過高反而對增產不利，且造成水肥投入的浪費。宋娜等［18］研究表明，土壤濕潤比為70%，施氮量為180 kg·hm-2時，馬鈴薯產量和水分利用效率較高。本試驗結果表明：水氮交互項對馬鈴薯產量和水分利用效率影響顯著，在一定范圍內增加水和氮的配合施用馬鈴薯產量隨之增加，當灌水量達1673.6 m3·hm-2，同時施氮量達333.9 kg·hm-2時，其產量達到最大值58502.4 kg·hm-2，即較高灌水量與較高施氮量配合產量最高；水分利用效率方面，試驗結果表明，不同水肥配合，其效應值差異很大，水肥投入量比例失調，水平相距越大，水分利用效率越低，當施氮量處于較高水平和灌水量處于中高水平時，兩者組合下的馬鈴薯水分利用效率達到最高值，即中高灌水量與較高施氮量配合水分利用效率最高，這與何華等［11］的研究結果一致。水分利用效率是節(jié)水農業(yè)的一個重要指標，提高水分利用效率是實現(xiàn)作物高效生產的一個重要方面，汪德水［27］研究表明，隨著水、肥投入的增加作物產量增加，但水肥的利用率卻隨之下降，即高產與水肥高效一般不能同時達到。因此，在馬鈴薯水肥管理中，不僅要考慮水肥的合理配合，同時還要考慮高產與水肥資源高效利用相兼顧。

如何優(yōu)化水肥管理，既提高馬鈴薯產量，又提高資源利用效率，實現(xiàn)馬鈴薯高效生產，一直是廣大學者研究的重點。前人從產量和節(jié)水節(jié)肥方面對馬鈴薯適宜的水肥管理做了大量研究，宋娜等［18］研究表明，70%的土壤濕潤比水平和180 kg·hm-2施氮量，是西北旱區(qū)滴灌馬鈴薯生產中節(jié)水節(jié)肥的水氮組合。張富倉等［19］研究了水肥供應對榆林沙土馬鈴薯生長和水肥利用效率的影響，從產量和節(jié)水節(jié)肥的角度考慮，100%ETc，N-P2O5-K2O：175-60-225 kg·hm-2是適宜的水肥組合。本試驗通過模擬尋優(yōu)，獲得馬鈴薯目標產量為48000～60000 kg·hm-2之間最佳水肥方案為灌水量1569.0～1671.0 m3·hm-2、施 氮 量288.0～327.0 kg·hm-2、施鉀量163.5～196.5 kg·hm-2，在該水肥管理下可獲得較高的水分利用效率。上述結果由于受區(qū)域的地理和環(huán)境等條件限制，以及研究方法不同，其合理的水肥管理措施也不盡相同。水分利用效率和肥料利用效率是評價資源高效利用的重要指標，本試驗中對水分利用效率進行了研究，水肥耦合對馬鈴薯肥料利用效率的影響及其與產量之間的關系還有待于進一步研究。

4 結論

本試驗的灌水量和施氮量均對馬鈴薯產量和水肥利用效率有極顯著影響，其中施氮量主效應影響程度更高，說明本試驗條件下灌水量和施氮量是決定馬鈴薯產量和水肥利用效率的關鍵因素，并且產量和水肥利用效率更容易受施氮量的限制。此外，水氮交互作用對馬鈴薯產量和水肥利用效率均有極顯著影響，水氮的合理配合可以促進馬鈴薯產量形成和水肥資源高效利用，較高灌水量與較高施氮量配合產量最高，中高灌水量與較高施氮量配合水分利用效率最高。在本試驗條件下，馬鈴薯目標產量在48000～60000 kg·hm-2之間最佳水肥方案為灌水量1569.0～1671.0 m3·hm-2、施氮量288.0～327.0 kg·hm-2、施鉀量163.5～196.5 kg·hm-2，在該水肥管理下可獲得較高的水分利用效率，其水分利用效率達178.88～179.03 kg·hm-2·mm-1。