不同水氮策略對馬鈴薯產量、品質及水氮利用的影響

楊金翰 魏偉 郝喜英 張紅杰 黃偉 丁洪峰 田小明

摘要：為探究不同水氮策略對張家口壩上馬鈴薯根冠結構、產量、品質及其水氮利用的影響，設置雙因素試驗，因素1為施肥量：氮肥270 kg/hm2（F100）、氮肥270 kg/hm2+調理劑600 L/hm2（PF100）、氮肥229.5 kg/hm2+調理劑 600 L/hm2（PF85）、氮肥189 kg/hm2+調理劑 600 L/hm2（PF70）；因素2為灌水頻率：高頻灌溉，6 d 1灌（D6）；中頻灌溉，8 d 1灌（D8）；低頻灌溉，10 d 1灌（D10），分析不同水氮策略對馬鈴薯根冠結構、產量、品質及其水氮利用的變化特征。結果表明，灌溉頻率和施肥量對馬鈴薯產量、品質及其水肥利用有顯著影響。高頻灌溉（D6）的馬鈴薯根長、根體積、根表面積、莖粗、產量和水分利用效率的平均值最大，分別為3 678.6 cm、34.7 cm3、787.8 cm2、72.3 cm、43 721 kg/hm2 和100 kg/（hm2·mm）；中頻灌溉（D8）的可溶性糖平均值最大（184 kg/kg）。在同一灌水條件下，隨施肥量減少，馬鈴薯產量和水分利用效率均下降，氮肥偏生產力提高。與F100處理相比，D6和D8條件下PF85處理的蛋白質含量分別顯著提高88.6%和48.4%，還原糖含量分別降低1.23%和17.8%，以及D10條件下PF85處理可溶性糖含量顯著提升4.3%?；谥鞒煞址治龊蚑OPSIS分析方法，在張家口壩上沙土馬鈴薯種植地區在不減產條件下能夠對馬鈴薯生長、品質和氮素利用產生積極影響的最佳水氮策略為：高頻灌溉并施用85%氮肥+調理劑。得到的水氮最佳配比可為我國北方沙區及其他環境相似地區的灌溉施肥優化管理提供科學依據。

關鍵詞：灌溉頻率；全氮含量；馬鈴薯產量和品質；水氮利用效率

中圖分類號：S532.06? 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）13-0095-07

馬鈴薯是一種對水和肥料敏感的作物，在其水肥管理中普遍存在過度灌溉和施肥的問題。在馬鈴薯生育期內，任何時期的水分虧缺都會嚴重抑制馬鈴薯植株生長［1］?？茖W合理的灌溉頻率作為灌溉策略之一已被許多研究人員報道。Wang等研究表明，當灌水量相同時，灌溉頻率對土壤水分的時空分布和馬鈴薯的根系分布均有顯著影響［2］。Kang等研究表明，灌溉頻率越高，馬鈴薯塊莖產量及水分利用效率越高［3-4］?？傊‘數墓喔阮l率可以改善馬鈴薯的生長、產量和水分利用效率。

肥料是影響馬鈴薯生長發育、提高其產量的另一重要因素。合理的施肥量能夠提高馬鈴薯的產量、品質及商品率［5］。為了尋求高產，在馬鈴薯生產過程中，普遍存在化肥超量使用的現象，而化肥用量過大不僅會導致肥料浪費嚴重、利用效率極低，還會造成土壤板結、鹽堿化，以及馬鈴薯產量和品質降低等問題［6］。研究發現，施用土壤調理劑能夠調節土壤pH值，改變土壤微環境，為植物生長提供適宜的環境［7-9］。因此，針對過量施肥造成的土壤污染問題，施用土壤調理劑是有效的改良措施之一。

目前針對不同水氮策略研究較多的主要為蔬菜類經濟作物，針對馬鈴薯的研究較少［10-11］；另外，以往的研究主要集中在灌溉方式、灌溉速度、灌溉頻率、施肥量或施肥時間等單一因素的影響，而沒有考慮不同水氮策略對馬鈴薯產量、品質及水氮利用的影響，因此有必要在不同水氮策略條件下，系統地對馬鈴薯根冠結構、產量、品質及水氮利用的變化特征展開研究。本研究通過在滴灌施肥條件下進行3種不同灌水頻率和4種不同氮肥用量水平交互的大田試驗，并運用主成分分析和TOPSIS對馬鈴薯根冠結構、產量、品質及水氮利用進行評價，確定能夠綜合提高馬鈴薯產量、品質和水肥利用率的灌溉頻率和施肥量的最佳組合，為張家口壩上馬鈴薯灌溉和施肥管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

2021年4月28日至9月25日在河北省張家口市宏基農業科技開發有限公司崗子基地（41°46′N，115°57′E）進行大田試驗。種植期間年降水量為503 mm，平均氣溫為16.04 ℃（圖1），張家口壩上地區光熱豐富，晝夜溫差大，年無霜期為90～120 d，當地氣候適合種植馬鈴薯。試驗地土壤以沙壤栗鈣土為主，土壤有機質含量為16.1 g/kg，全氮含量為0.79 g/kg，堿解氮含量為48.4 mg/kg，速效磷含量為39.6 mg/kg，速效鉀含量為107 mg/kg，pH值為8.23。

1.2 試驗設計

試驗按照雙因素隨機區組排列，因素1為施肥量：氮肥270 kg/hm2（F100）、氮肥270 kg/hm2+調理劑600 L/hm2（PF100）、氮肥229.5 kg/hm2+調理劑600 L/hm2（PF85）、氮肥189 kg/hm2+調理劑 600 L/hm2（PF70）；因素2為不同灌水頻率：高頻灌溉，6 d 1灌（D6）；中頻灌溉，8 d1灌（D8）；低頻灌溉，10 d 1灌（D10）。每個處理重復3次，小區規格為20 m×1.8 m，共計36個小區。

馬鈴薯種植品種為布爾班克，種植模式為機械起壟種植，行距90 cm，株距24 cm，為了避免不同處理間的相互影響，小區兩端設置保護行。試驗選取相同量的過磷酸鈣（含磷量為 12%，145 kg/hm2）、 硫酸鉀（含鉀量 為50%，270 kg/hm2）全部作為基肥施入土壤，尿素（含氮量為46%）則按照各處理用量的50%作為基肥施入土壤，剩余50%尿素通過施肥罐在馬鈴薯（苗期和塊莖形成期各施5%，膨大期施27.5%，淀粉積累期施12.5%）分4次施入土壤。土壤調理劑為液體，由陰離子聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、硫酸錳合成，具有保水、緩釋作用，有效成分為2%，其中C和N含量分別占0.20%、0.04%。調理劑（一次性施入）溶于水通過施肥罐滴施，種植、管理等方式均按當地習慣。試驗設置D6、D8、D10等3種灌溉頻率，各灌溉頻率每次灌水量分別為 125、 187.5、 250 m3/hm2，出苗后15 d統一灌水 187.5 m3/hm2，在出苗25 d后開始處理，全生育期總灌水量均為 1 125 m3/hm2，每次灌水量根據當地的墑情來適當調整，灌溉和施肥的日期因灌溉前有降水而推遲。

1.3 測定方法

在馬鈴薯成熟期采集植株，測定其莖粗、株高、根長、根體積和根表面積，同時在各小區選取3處長勢較為一致的區域（3 m×1 m）進行產量及其構成因子和品質測定。在馬鈴薯成熟期各小區內隨機采取3株長勢均勻且無病害的馬鈴薯植株，整株挖出，帶回實驗室，用剪刀將馬鈴薯的根、莖、葉、塊莖器官分解，然后將分解后各個部分器官放置105 ℃烘箱中殺青30 min，然后在80 ℃下烘干48 h后稱質量用于測定各器官干物質量。蛋白質含量采用染料結合法［12］；還原糖含量采用DNS（二硝基水楊酸）比色法［13］；可溶性糖含量采用蒽酮硫酸法［14］；馬鈴薯耗水量采用田間水量平衡法［15］。

肥料偏生產力（PFP）=Y/FT。（1）

式中：PFP為肥料偏生產力；Y為馬鈴薯產量，kg/hm2；FT為尿素、過磷酸鈣、硫酸鉀的總施用量，kg/hm2。

水分利用效率用下式計算：

WUE=Y/Etc。（2）

式中：WUE為水分利用效率；Y為作物產量，kg/hm2；Etc為作物全生育期累積耗水量，mm［15］。

1.4 統計分析

采用Microsoft Excel 2019及Origin 8.5對試驗數據進行整理以及作圖，采用SPSS 25.0 統計分析軟件進行方差分析，Duncan s新復極差法分析顯著性。比較同一指標不同處理間的差異是否達到顯著水平（α=0.05）。采用優劣解距離法（（technique for order preference by similarity to ideal solution，TOPSIS）進行多目標綜合評價，TOPSIS技術是一種根據評價對象與理想目標的接近程度進行排序的方法，用來評價現有對象的相對優勢和劣勢［16］。

2 結果與分析

2.1 不同水氮策略對馬鈴薯生長的影響

由表1可知，灌水頻率和施肥量及二者的交互作用對馬鈴薯根長、根體積和株高都有顯著或極顯著的影響。其中，高頻灌溉（D6）的根長、根體積、根表面積和株高的平均值分別為3 678.5 cm、34.7 cm3、787.8 cm2和72.3 cm，與中頻灌溉（D8）和低頻灌溉（D10）存在顯著差異；不同施肥處理中，以100%氮肥+土壤調理劑（PF100）處理的根長、根表面積和莖粗的平均值最大。在D6條件下，PF100處理的根長、根體積、根表面積、株高和莖粗較100%氮肥（F100）分別增加49.2%、52.0%、71.7%、2.2%和24.5%（P<0.05）；隨著灌水間隔時間的延長，PF100處理與F100處理的差異逐漸減小，僅有D8條件下的根表面積有顯著提高。在減少氮肥用量基礎上添加調理劑對馬鈴薯植株生長的影響也較大。其中，70%氮肥+土壤調理劑（PF70）在D6條件下的根體積、株高和莖粗較F100處理顯著增加46.8%、2.4%和33.0%；在D8條件下，85%氮肥+土壤調理劑（PF85）的株高和莖粗和PF70處理的株高分別較F100處理增加3.1%、11.1%和8.5%（P<0.05）；在D10條件下，PF85處理的根長、根體積、根表面積、株高和PF70處理的株高和莖粗較F100處理也存在顯著增加。

2.2 不同水氮策略對馬鈴薯干物質量和各器官全氮含量的影響

由圖2可知，在D6、D8條件下，PF100處理除了在D6條件下莖的全氮含量外，各器官干物質量及根、葉的全氮含量均較F100處理有顯著提高；而在D10條件下，PF100處理只有根的全氮含量較F100處理有顯著增加。在D6條件下，PF85處理葉的干物質量及根的全氮含量均較F100處理顯著增加19.6%、41.5%；PF70處理的根、莖、葉的全氮含量顯著增加22.8%、13.4%、14.2%。在D8和D10條件下，PF85、PF70處理的根、葉的干物質量及全氮含量均較F100處理有顯著增加。

2.3 不同水氮策略對馬鈴薯產量、品質及水氮利用的影響

由表2可知，施肥量及其與灌水頻率交互作用對馬鈴薯產量、品質和水氮利用均存在顯著或極顯著的影響，其中PF100處理的產量、蛋白質含量、還原糖含量和水分利用效率的平均值明顯高于其他處理，PF70處理的氮肥偏生產力平均值最高，為 206.4 kg/kg，還原糖含量平均值最低，為0.131%，與其他處理也存在顯著差異。不同灌水頻率中D6處理的馬鈴薯產量和水分利用效率平均值最高，分別為43 721 kg/hm2、100 kg/（hm2·mm）；D8處理的可溶性糖含量和氮肥偏生產力平均值最大，分別為1.12%、184.5 kg/kg。在D6和D8條件下，與F100處理相比，PF100處理馬鈴薯產量、水分利用效率分別顯著增加10.2%、9.5%和14.3%、13.5%。減氮添加調理劑對馬鈴薯品質和氮肥偏生產力影響也較大，其中在D6條件下PF85處理的蛋白質、可溶性糖含量和PF70處理的蛋白質含量和氮肥生產力均較F100處理有顯著增加，而還原糖含量降低；在D8條件下，PF85和PF70處理的蛋白質含量和氮肥偏生產力也較F100處理有顯著提高，還原糖含量顯著降低；在D10條件下，PF85處理的可溶性糖含量和PF70處理的氮肥生產力較F100處理也有顯著增加。

2.4 不同灌水頻率下主成分分析和綜合評價

由圖3可知，不同灌水頻率（D6、D8和D10）在2個主成分因子上的累計貢獻率分別為74.7%、71.8%、81.5%，表明該主成分分析結果可以解釋馬鈴薯生長、產量、品質及水氮利用在不同處理間的差異。在D6和D8條件下，與F100處理距離相近的處理是PF85，而在D10條件下則為PF100。通過綜合評價分析也發現類似的結果（表3）可知，在D6和D8條件下，得分最高的為PF100處理（Z值分別為2.54和1.18），其次是PF70和PF85處理；在D10條件下，得分最高的為PF85處理（Z=2.55），其次是PF70和PF100處理。

2.5 基于TOPSIS的多目標綜合水平評價

通過TOPSIS計算得到各處理優劣順序，為 PF100D6>PF100D8>PF85D6>PF85D8>PF70D6>PF70D8>PF85D10>F100D6>PF70D10>F100D8>F100D10>PF100D10（表3）。在D6和D8條件下，排名最高的為PF100處理，其次是PF85處理；在D10條件下，排名最高的為PF85處理，其次是PF70處理。在高頻灌溉下，氮肥添加調理劑更有利于各目標達到綜合最優。根據TOPSIS計算得出的結果，C*i數值范圍都在0～1之間，其數值越貼近1，說明水氮策略越優，因此PF85D6水氮策略組合最優。

3 討論與結論

有研究發現，總灌水量一定條件下，灌溉周期為4 d時馬鈴薯產量最大，而在灌溉周期為8 d時更有利于馬鈴薯植株的生長，并且馬鈴薯的生長指標也會隨著施肥量增加而減?。?7-18］。本試驗中，高頻灌溉（D6）的馬鈴薯根長、根體積、根表面積和莖粗均顯著高于中頻灌溉（D8）和低頻灌溉（D10），這與前人研究結果相似。在灌水條件相同的條件下，以100%氮肥+土壤調理劑（PF100）處理的根長、根表面積和莖粗的平均值最大，同時減氮添加調理劑對馬鈴薯的生長指標也有一定提升。這可能是由于該調理劑主要由陰離子聚丙烯酰胺合成，含有大量的羧基（—COOH）、羥基（—OH）、季銨鹽等親水性官能團，對水分和養分均具有一定的固持能力［19］，可為馬鈴薯生長提供良好的保障。

劉濤等研究發現，低頻灌水處理對土壤剖面中原有的水分分布影響較小，中、高頻灌水處理可使 0～20 cm土層土壤含水量在一定范圍內增高［20］。本研究與100%氮肥（F100）相比，100%氮肥+配施調理劑（PF100）在中高頻灌水（D6、D8）條件下對馬鈴薯各器官干物質量及全氮含量的提升效果明顯高于低頻灌水（D10），說明在相同氮素營養基礎上添加調理劑，提高灌溉頻率更有利于表層土壤水分的保持，促進了馬鈴薯植株生長發育和氮素積累。而減氮配施調理劑（PF85、PF70）在中低頻灌水（D8、D10）條件下對馬鈴薯各器官干物質量及全氮含量增加效果卻高于高頻灌水（D6）。一方面，減少肥料用量和添加調理劑均可以降低土壤水分和養分淋溶風險［21-22］，提高土壤剖面水分養分的積累；另一方面，當灌水總量一定時，高頻灌水會加快土壤硝態氮的淋洗［23］，盡管調理劑對水分養分具有一定的固持作用，但從本研究來看，高頻灌溉對土壤養分損失的影響更大。

研究發現，當灌水量相同時，高頻灌溉更能夠提高馬鈴薯產量和水分利用效率［24-25］。當灌水條件相同時，馬鈴薯的產量會隨著施肥量的提高先增加后減?。?6］，但也有研究發現，增加施肥量能夠減輕水分虧缺對馬鈴薯植株生長的影響，調控馬鈴薯的生理生長過程，從而提高馬鈴薯的產量和水分利用效率［27］。有研究顯示，作物肥料偏生產力隨施肥量增加而降低［28］。Wang等研究發現，相對于低頻灌水，高頻灌水能夠促進馬鈴薯塊莖的生長，提高水分利用效率，相較于1 d的灌水頻率，灌水頻率為8 d的產量在2001、2002年分別降低33.4%、29.1%［2］。本試驗在灌水量不變的情況下，馬鈴薯產量和水分利用效率均隨著施肥量的減少而降低，但氮肥偏生產力隨著施肥量的減少而增加，這和前人的研究結果［2］是一致的。在施肥量不變的情況下，產量和水分利用效率也會隨著灌水頻率的增加而增加，D6 處理下的馬鈴薯增產效果最好，即灌水頻率為6 d，這與侯翔皓等的研究結果［29］不同，可能受土壤類型和氣候環境等因素的影響，灌水周期對產量和水分利用效率的影響也略有差異。江俊燕等研究發現，馬鈴薯滴灌時5 d 1灌的淀粉含量少于3 d 1灌，而7 d 1灌和CK的淀粉含量積累較緩慢，且最終淀粉含量不高［25］，與本研究結果類似，在不同灌溉頻率下以D8條件的可溶性糖平均含量最大（184.5 kg/kg）。本研究還發現，與F100處理相比，PF85處理在D6和D8條件下的蛋白質含量以及D10條件下的可溶性糖含量均有顯著提升。綜上所述，高頻率灌溉（6 d 1灌）可以促進馬鈴薯植株生長發育，提升塊莖產量和水分利用率。在相同的灌水條件下，100%氮肥+土壤調理劑對馬鈴薯生長、產量及水分利用效率提升效果最為顯著，且隨著施氮量的降低而降低，而氮肥偏生產力則隨著施肥量的減小而增加。而在不減產條件下高頻灌溉施用85%氮肥+調理劑能夠提高馬鈴薯品質和氮肥的利用率。綜合考慮馬鈴薯生長、產量、水肥利用率和品質等因素，本研究基于主成分分析和TOPSIS分析得出PF85D6（6 d 1灌，調理劑+85%氮肥）水氮策略組合為最優。

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