不同施肥模式對馬鈴薯光合特性及產量品質的影響

徐玉坤 薛龍飛

(山西農業大學 高寒區作物研究所，山西 大同 037008)

馬鈴薯是山西省主要糧食作物和經濟作物。近年來，山西馬鈴薯生產存在化肥使用量過大和偏施氮肥等施肥不合理現象，引起馬鈴薯生產成本増加、塊莖品質下降、肥料利用率低和環境污染等一系列問題。改變施肥模式，減少化肥施用量并配合有機替代是扭轉上述不利局面的重要措施。光合作用是決定作物產量的關鍵因素，馬鈴薯塊莖干物質的95%以上來自光合產物，具有物質轉化的直接性。探索馬鈴薯光合特性在不同施肥模式下的響應規律對研究馬鈴薯產量和品質形成具有重要意義。

田間定位施肥試驗是研究農田長期生態過程及其環境效應和調控措施的重要手段。施肥不僅為作物生長提供養分，而且隨著氮、磷和鉀等礦質元素的輸入影響葉綠素含量和酶活性，間接影響植物的光合作用。作物光合作用與產量受肥料種類、施肥水平和肥料形態調控影響。已有研究表明，長期配施有機無機肥不僅可以顯著提升農田有機質，改善土壤性質，還能提高作物光合能力和光合產物轉運能力，獲得較高的產量。目前作物光合作用對施肥模式響應的相關研究多見于水稻和小麥等主要糧食作物，針對馬鈴薯的相關研究報道較少。有機肥替代無機肥對馬鈴薯產量影響的作用機制目前尚不明確。張亮等研究發現全部和部分有機肥替代無機肥的馬鈴薯產量均處于中等水平，但有機肥能通過延長莖葉光合功能期顯著提高薯塊平均薯重。伊旺等認為用農家肥配施復合肥和微生物菌肥能提高馬鈴薯凈光合速率，提高馬鈴薯產量。韓悌倩等認為高比例有機肥替代處理促進馬鈴薯根系生長和分化，增加結薯數是增產的主要原因。本研究探討了田間定位施肥試驗下不同施肥模式對馬鈴薯葉片光合性能、產量構成以及營養品質的影響，以期為本地區馬鈴薯生產化肥減施和有機肥科學配施提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況及供試材料

試驗地位于山西省大同市小南頭村(113°20′30.5″ N, 40°0′11.0″ E)，海拔為1 032.7 m；一年一作區，年降雨量449 mm，年蒸發量1 657 mm；年均溫度7 ℃，無霜期159 d；土壤類型為栗鈣土。本研究是在3年定位施肥(2017—2019年)基礎上進行的，定位試驗前(2017年)0～20 cm土壤基礎理化性質如下：有機質質量分數為31.50 g/kg，堿解氮質量分數為147.68 mg/kg，速效磷質量分數為69.89 mg/kg，速效鉀質量分數為233.00 mg/kg，容重1.28 g/cm，pH 8.47。供試馬鈴薯品種為‘晉薯16號’，由山西農業大學高寒區作物研究所提供，是山西省馬鈴薯主要推廣品種。本研究采用定位試驗第3年(2019年)數據進行分析，馬鈴薯于2019年5月7日種植，2019年10月8日收獲，大田常規管理。測定2019年馬鈴薯播種前各處理0～20 cm土壤理化性質見表1。

表1 播種前土壤理化性質
Table 1 Physical and chemical characteristics of experiment field before sowing

處理Treatment有機質質量分數/(g/kg)Organic mattermass fraction堿解氮質量分數/(mg/kg)Available Nmass fraction速效磷質量分數/(mg/kg)Available Pmass fraction速效鉀質量分數/(mg/kg)Available Kmass fraction容重/(g/cm3)Volume-weightpH不施肥處理(CK)No nitrogen fertilization26.98102.8057.40190.501.308.66常規施肥(CF)Farmers’ conventionalfertilization28.08240.5074.97225.001.428.50等氮30%有機替代(CM)Equal nitrogen 30% organicsubstitution treatment31.73196.5099.23285.001.328.34

1.2 試驗設計

田間定位施肥試驗采用單因素隨機區組設計，設3個處理：不施肥處理(CK),常規施肥處理(CF，參考當地農戶經驗施肥),等氮30%有機替代處理(CM，有機氮替代30%化肥氮，有機肥用量按當季養分氮含量折算，以達到與CF處理施氮量相近)。具體施肥量見表2。施肥處理實行定氮，磷鉀素不統一定量。每個處理重復3次，共計9個小區，小區面積為100 m。所用化肥為復合肥(N：18%、PO：18%和KO：18%)、尿素(N：46%)和硝酸鉀(N：13%,KO：46%)。有機肥為腐熟牛糞(N：0.4%、PO：0.18%和KO：0.19%)。

表2 各處理肥料施用量
Table 2 Applied fertilizer amount under different treatments

處理Treatment有機肥/(kg/hm2)Organic fertilizer化肥 Chemical fertilizerN/(kg/hm2)P2O5/(kg/hm2)K2O/(kg/hm2)CK00.00.00.0CF30 000265.5108.0177.0CM52 500177.072.0118.0

1.3 測定項目及方法

1

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3

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1

光合特性測定

用Li-6400便攜式光合儀測定馬鈴薯塊莖形成期(2019年7月2日)、塊莖膨大期(2019年8月16日)和淀粉累積期(2019年9月18日)3個時期葉片光合速率、氣孔導度、胞間CO濃度和蒸騰速率，每處理測定5片葉，取平均值。

1

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3

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2

葉綠素含量測定

用葉綠素測定儀 (SPAD-502)測定馬鈴薯塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉累積期3個時期馬鈴薯葉片相對葉綠素含量，每處理測定5片葉，取平均值。

1

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3

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3

產量與品質測定

在馬鈴薯收獲期(2019年10月8日)測定小區產量，分別記載其大薯、中薯和小薯的重量與個數。采用FOSS DS2500近紅外分析儀測定馬鈴薯薯塊品質，每處理選3個樣品，取平均值。

1.4 統計分析

采用SPSS 22.0軟件Duncan’s進行多重比較(

α

=0.05)，運用Microsoft Excel 2010軟件作圖。

2 結果和分析

2.1 土壤施肥模式對馬鈴薯光合特性的影響

比較馬鈴薯不同生長階段相對葉綠素含量(SPAD)差異(圖1)，各處理SPAD均隨馬鈴薯生育進程推進而降低，表現為塊莖形成期>塊莖膨大期>淀粉累積期。對比同一生長階段不同處理，在塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉累積期均表現為CM>CF>CK處理。CM和CF處理的SPAD在3個階段均顯著高于CK處理，分別比CK增加了22.07%、15.43%、33.31%、32.49%、52.13%和40.06%。CM與CF處理SPAD在塊莖形成期和淀粉累積期差異顯著。說明2種施肥模式在各個生長階段均能夠顯著提升葉片SPAD值，促進葉綠素合成，有機替代處理效果優于常規施肥。

圖柱上不同字母表示差異顯著(P<0.05)，相同字母表示差異不顯著(P>0.05)。下同。 Different letters on columns represent significant differences (P<0.05), while the same letters represent no significant differences (P>0.05). The same below.圖1 不同土壤施肥模式下馬鈴薯的SPADFig.1 SPAD of potato under different soil fertilization models

各處理凈光合速率(Pn)均隨馬鈴薯生育進程的推進而降低，說明從塊莖形成期起葉片光合功能不斷衰減(圖2(a))。不同處理間馬鈴薯凈光合速率在各階段均表現為CM>CF>CK，與SPAD表現趨勢一致。CF與CK處理各階段Pn均無顯著差異，CM與CK處理相比顯著提高塊莖形成期和塊莖膨大期Pn。圖2(b)表明，各處理氣孔導度(Gs)均隨馬鈴薯生育進程的推進而降低。不同處理間馬鈴薯氣孔導度在塊莖形成期和塊莖膨大期無顯著差異，在淀粉累積期表現為CM>CF>CK，其中CM與CK處理差異顯著。由圖2(c)可知，各處理胞間CO濃度(Ci)均隨生育進程推進而降低。Ci在塊莖形成期不同處理間差異不顯著，在塊莖膨大期Ci表現為CK>CM>CF，CF與CK間差異顯著。在淀粉累積期Ci表現為CM>CK>CF，CM和CK處理顯著高于CF處理。由圖2(d)可知，CK與CF處理下蒸騰速率(Tr)隨馬鈴薯生育進程的推進降低，而CM處理在塊莖膨大期不降反升，表現優于塊莖形成期。比較同一階段各處理Tr，在塊莖形成期CK和CF處理顯著高于CM處理，在塊莖膨大期CM處理顯著高于CF處理，在淀粉累積期CM處理顯著高于CF和CK處理。綜合比較各項光合指標可知，有機替代處理不僅有助于馬鈴薯葉片一直保持較高的凈光合速率，增強馬鈴薯葉片光合功能，還能綜合提高淀粉累積期馬鈴薯氣孔導度、胞間CO濃度和蒸騰速率，改善馬鈴薯生長后期葉片光合特性。

圖2 不同土壤培肥模式下馬鈴薯光合特性Fig.2 Photosynthetic characteristics of potato under different soil fertilization models

2.2 土壤培肥模式對馬鈴薯產量及構成的影響

根據表3可知，所有處理中CK處理折合產量與商品薯率均是最低，其中CF和CM處理相比CK處理分別增產13.4%和16.6%，商品薯率分別提高2.32%和1.46%，但不同處理間差異不顯著。分析馬鈴薯產量構成，CM和CF處理相比CK處理單株結薯數和單株產量均有所增加，其中CM和CF處理單株結薯數增幅分別達到20.00%和3.19%，單株產量增幅分別達到16.39%和14.75%。單塊莖重CF相比CK增加了10.00%，CM略低于CK，不同處理間差異不顯著。

表3 不同處理對馬鈴薯產量和產量構成因素的影響
Table 3 Effect of different treatments on yield and yield component factors of potato

處理Treatment單株結薯數/個Number of tubersper plant單株產量/(kg/株)Yield per plant單塊莖重/(kg/個)Single tuber weight折合產量/(kg/hm2)Equivalent yield商品薯率/%Commercial rateCK3.45±0.13 a0.61±0.12 a0.18±0.02 a43 013.35±4 817.64 a94.15±1.50 aCF3.56±0.40 a0.70±0.03 a0.20±0.02 a48 796.86±1 196.46 a96.47±1.06 aCM4.14±0.13 a0.71±0.11 a0.17±0.03 a50 143.22±4 220.56 a95.61±1.52 a

注：同列不同字母表示差異顯著(<0.05)，相同字母表示差異不顯著(>0.05)。下表同。

Note: Within the same column, different letters represent significant differences (<0.05), while the same letters represent no significant differences (>0.05). The same below.

2.3 不同施肥方式對馬鈴薯塊莖品質的影響

馬鈴薯品質主要取決于塊莖成分及其含量，其中淀粉、蛋白質、糖類和維生素等營養物質是衡量馬鈴薯塊莖品質的主要指標。根據表4可知，各處理中，CK處理下薯塊水分質量分數最高，與CF處理差異顯著，說明常規施肥能有效降低薯塊水分含量，提高薯塊干物質比例。比較不同處理間薯塊蛋白質質量分數，CM處理顯著高于CF處理，說明有機質施用有利于增加薯塊蛋白質累積。相比CK處理，CF和CM處理均能提高馬鈴薯薯塊淀粉質量分數、降低還原糖質量分數，但不同處理間差異不顯著。

表4 不同處理對馬鈴薯塊莖品質的影響
Table 4 Effect of different treatments on qualities of potato

處理Treatment水分質量分數/%Water massfraction蛋白質質量分數/%Protein massfraction淀粉質量分數/%Starch massfraction還原糖質量分數/%Reducing sugarmass fraction維生素C質量分數/(mg/hg)Vitamin Cmass fractionCK79.26±0.34 a1.59±0.13 ab13.88±0.25 a0.76±0.07 a15.13±0.40 aCF78.08±0.54 b1.49±0.14 b15.11±0.83 a0.74±0.10 a15.25±0.64 aCM78.81±0.25 ab1.80±0.09 a14.09±0.64 a0.69±0.03 a13.80±1.00 a

3 討 論

葉片的光合作用是馬鈴薯產量形成的物質基礎，施用不同類型肥料影響馬鈴薯植株葉片的化學組成，進而影響其光合作用，對馬鈴薯產量和品質造成影響。葉綠素含量是衡量葉片衰老和光合功能的關鍵指標，直接影響光合速率和光合產物的形成。本研究結果表明有機替代施肥能夠增加葉片SPAD值，延緩葉片衰老，這與于顯楓等研究結果一致，較高的葉片SPAD值為光合作用奠定基礎，有利于物質同化和塊莖的形成。施肥方式對作物光合速率具有較大的影響，張瑞等研究小麥旗葉凈光合速率得出，同一氮素水平下有機無機肥混施較單施無機肥好。譚偉軍等研究認為30%有機氮替代是最佳有機無機配施方式，能顯著提高馬鈴薯SPAD值，同時也提高了Pn、Gs、Ci和Tr各項光合指標。本研究中Pn在各個時期均表現為CM處理高于CF和CK處理，在淀粉累積階段，CM處理Pn、Gs、Ci和Tr各項光合指標均表現優于CF與CK處理，與前人研究結果一致。說明有機替代施肥能延緩生育后期葉片光合速率的下降并維持在較高水平，促進了光合產物的積累，為馬鈴薯高產奠定了物質基礎。張向前等研究發現長期有機肥替代施肥處理能提高葉片Pn、Gs和Tr，而降低Ci。本研究中Ci與Pn并不存在負相關關系，在不同的階段Ci表現不同，與前人研究結果不同。這可能因為Ci大小取決于葉片周圍空氣的CO濃度、氣孔導度、葉肉導度和葉肉細胞的光合活性等多個影響因素，相互作用錯綜復雜。在不同情況下決定葉片光合速率高低的主要因子不同，不能一概而論。

本研究表明有機替代施肥處理相比常規施肥對馬鈴薯增產效果更加明顯，這與張君等研究結果相似。前人對不同施肥模式下馬鈴薯產量構成進行分析，認為長期配施化肥和有機肥可以增加馬鈴薯單株結薯數，但對馬鈴薯商品薯率影響的結論并不一致。本研究表明經過3年定位施肥試驗，有機替代施肥處理能提高單株結薯數和單株產量，但塊莖重量和商品薯率相比常規施肥有所下降，與方玉川等研究結果相一致，這可能與本試驗選用的馬鈴薯品種有關。本研究采用的品種‘晉薯16號’中大薯率高、豐產性好，在生長后期對氮肥需求量大。中后期充足的氮肥追施保證了馬鈴薯塊莖膨大期物質需求，是提高商品薯率的關鍵。有機肥養分釋放速率較慢，在定位試驗初始階段減少化肥追施量可能導致CM處理‘晉薯16號’中后期氮素供應不足，本身較高的商品薯率下降，需要進一步驗證。為實現作物光能高效利用，不僅要通過高光合效率形成較多的光合產物，更要合理分配光合產物，才能使源(光合)-流(光合產物運轉)-庫(籽粒)協調而實現增益作用。本研究重點分析了不同施肥模式對馬鈴薯“源”與“庫”的影響，缺乏對馬鈴薯光合產物分配與轉運規律的研究，未來長期施肥定位試驗仍需要進一步探究。

營養供給影響塊莖發育期各種激素的合理需求和平衡，進而影響后期薯塊淀粉和還原糖的形成。方玉川等研究表明底肥增施有機肥能增加薯塊中干物質累積、蛋白質含量和淀粉含量，降低還原糖含量，對維生素C含量影響不大。王耀研究表明復合肥減量施用和配施生物有機肥后均提高了馬鈴薯產量、淀粉和干物質含量。本研究中比較CM和CF處理，CM處理蛋白質含量顯著高于CF處理，而淀粉含量略低于CF處理，這可能是由于塊莖中淀粉和蛋白質累積彼此消長導致。

4 結 論

本研究得出，有機替代施肥模式增加了馬鈴薯葉片的SPAD值和Pn值，改善了馬鈴薯生長后期葉片光合特性，有效延長葉片光合功能期，促進馬鈴薯產量提升并增加馬鈴薯薯塊蛋白質含量，實現作物增產與肥力資源高效利用協調發展，是更適宜晉北地區農業可持續發展的施肥模式。