施用氯化鉀對馬鈴薯氯含量的影響及動態(tài)氯臨界值研究

關鍵詞： 馬鈴薯；氯化鉀；產量；氯離子含量；氯臨界值

全球糧食安全目前正面臨著氣候變化和日益激烈的資源競爭帶來的巨大挑戰(zhàn)[1]，馬鈴薯（Solanumtuberosum L.） 因其產量高、適應性廣、收獲時間靈活、營養(yǎng)豐富而在世界范圍內廣泛種植，是實現(xiàn)聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標的關鍵作物[2]。馬鈴薯能夠同時提供優(yōu)質碳水化合物、蛋白質、膳食纖維和人體必需中微量元素等營養(yǎng)物質[3]，與小麥、水稻、玉米共稱為世界四大糧食作物。2022年，我國馬鈴薯種植面積為455.8 萬hm²，約占世界馬鈴薯總種植面積的25.6%，總產量為7956 萬t，約占世界馬鈴薯總產量的21.8%，產量與種植面積均居世界首位[4]。馬鈴薯是典型的喜鉀作物[5?6]，我國農業(yè)生產中最常見的鉀肥是硫酸鉀和氯化鉀，部分研究表明施用含氯肥料會降低馬鈴薯塊莖干物質含量和淀粉含量[7?8]，過量施用氯化鉀會導致土壤中Cl^?含量提高而拮抗植株對NO₃^?和磷的吸收[9]，進而抑制葉片的光合作用[10?11]，減少淀粉和蛋白質含量，降低馬鈴薯塊莖產量和品質[12?13]，因而含鉀量高、溶解性強、價格更低的氯化鉀在馬鈴薯生產中的施用受到限制。

氯作為植物需求量最多的必需微量元素，是植株細胞內含量最高的無機陰離子，雖然植株對氯的生理需求僅為0.1%～2%，但不同植株對Cl^?的耐受能力相差極大，柑橘[1 4]和草莓[15]葉片中Cl^?超過0.4%～0.5% 就會產生毒害作用，而甜菜[16 ]葉片中Cl^?達到5.0% 也不會產生毒害作用。植物體內的Cl^?可以通過調節(jié)滲透作用提高水分利用率[17?19]、促進馬鈴薯對鉀的吸收[20]、增加塊莖Vc 含量[21]、降低還原糖含量[13， 22]，還可通過促進生長素合成和細胞分裂減輕馬鈴薯空心病和褐心病的發(fā)生[23]。氯在土壤中主要以Cl^?存在，且農業(yè)土壤以攜帶凈負電荷為主，所以Cl?極易被灌溉水或降雨淋洗到深層土壤中[24]，耕層土壤殘留的Cl^?很少達到對植物產生毒害的臨界含量[25?26]，因此在有灌溉條件的馬鈴薯種植區(qū)域氯化鉀的施用較為普遍[13， 21?23， 27]。我國黑龍江省和內蒙古東部夏季雨熱同季，馬鈴薯生長季節(jié)降水量大且集中，因此該區(qū)域馬鈴薯生產以雨養(yǎng)為主，由于不能人為調節(jié)土壤水分，出于對氯化鉀可能造成馬鈴薯減產降質的擔憂，僅有5.4% 的農戶部分施用氯化鉀[28]。對氯敏感作物的研究發(fā)現(xiàn)，即使是對氯極敏感的煙草也需要保持葉片含有0.3%～0.8% 的Cl^?，在多年不施含氯肥的情況下，甚至出現(xiàn)土壤缺Cl^?的情況，適量施用含氯肥有效提高了煙草的品質[29]。黑龍江省雨養(yǎng)馬鈴薯種植區(qū)域由于常年施用硫酸鉀，土壤中有效Cl^?含量普遍處于較低水平[30]，前期研究表明雨養(yǎng)馬鈴薯生產中適時、適量施用氯化鉀可以保證不減產甚至有不同幅度的增產，但不同時期、不同用量的氯化鉀對塊莖產量和品質影響有所不同[10， 31]。

馬鈴薯是對氯敏感的作物，而不是“忌氯作物”，所以馬鈴薯生產中不必完全回避含氯肥料，只要確保馬鈴薯對氯敏感的關鍵時期植株Cl^?含量低于可導致產量或品質降低的臨界值，就可以安全施用包括氯化鉀在內的含氯肥料。因此，確定氯敏感作物適宜的Cl^?含量，對于確定含氯肥料的施用具有直接的參考意義。目前，煙草、西瓜等氯敏感作物已經確定了比較適宜的Cl^?含量[32?33]，而關于馬鈴薯的適宜Cl^?含量報道卻相對較少。本研究采用田間試驗，設置不同的氯化鉀施用量和施用時期，根據塊莖產量和各器官Cl^?含量的相關性確定馬鈴薯不同生育時期的Cl^?敏感器官作為指示器官，并通過擬合的方程確定馬鈴薯不同生育時期指示器官的Cl^?臨界值，為雨養(yǎng)馬鈴薯生產中氯化鉀的安全合理施用提供理論支撐和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021和2022年在黑龍江省綏化市北林區(qū)進行，供試土壤類型為黑土，0—30 cm 土壤基礎肥力見表1。供試馬鈴薯為早熟品種‘尤金’，種薯由黑龍江省農業(yè)科學院綏化分院提供。供試肥料為尿素（N 46%），磷酸二銨（N 18%、P₂O₅ 46%），硫酸鉀（K₂O 50%） 和氯化鉀（K₂O 60%）。

1.2 試驗設計

2021 年試驗共設9個處理，3次重復，每小區(qū)6壟，壟長12m，壟寬0.8m，重復之間設1 m寬隔離帶。各處理養(yǎng)分施用量見表2。2021?05?03播種，2021?06?01追肥，2021?09?01收獲，分別于出苗后30、45、54、77天進行取樣。2022年試驗設置7個處理，2022?05?05 播種，2022?06?22追肥，2022?09?02收獲，分別于出苗后28、45、54、85 天進行取樣，2022 年各處理養(yǎng)分施用量見表3，其他設置同2021年。病蟲害防治等田間管理同大田，無灌溉。

1.3 項目及測定方法

1.3.1 樣品的采集 土壤樣品：采用五點取樣法，取試驗區(qū)域0—30 cm 耕層土樣混合，風干過篩用于測定土壤基礎肥力。

植物樣品：不同生育時期在每個小區(qū)選取長勢一致、具有代表性的3 株植株，整株帶回實驗室，按葉、莖和塊莖分解后清洗。105℃ 殺青30 min，80℃ 烘干至恒重后，粉碎備用。

1.3.2 測試項目及測定方法 土壤基礎肥力指標測定：按常規(guī)方法[34]測定土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀含量和pH 值。

土壤水溶性Cl?含量的測定：過1 mm 篩的土壤樣品在水土比5∶1 的條件下震蕩浸提30 min，靜置30 min 后，用溶質氯度儀（CLS-10A） 進行測定。

測產：馬鈴薯成熟期，在各小區(qū)收獲壟上取連續(xù)的8 m² （5 m×0.8 m×2壟） 進行產量測定，其中30 g以上無腐爛的塊莖用于測定塊莖總產量，≥75g的塊莖為商品薯。

植株Cl?含量的測定[35]：稱取馬鈴薯各器官烘干粉碎樣品1.00 g，加入20 mL 70℃ 熱水，震搖5 min后，超聲波提取20 min，冷卻至室溫后，轉移樣品至50 mL 容量瓶定容，搖勻過濾，采用莫爾法測定濾液中Cl?含量。

1.3.3 計算公式

各器官干物質積累量（kg/hm²） = 單株各器官生物量×單位面積株數；

各器官Cl?積累量（kg/hm²） = 各器官Cl^?含量×各器官干物質積累量；

Σ Σ全株Cl?含量（%） =各器官Cl?積累量/ 各器官生物量×100；

各器官Cl?積累速率[kg/（hm²·d）] = （第m 天各器官氯積累量?第n 天各器官氯積累量）/（m?n） ；

全株Cl?積累速率[kg/（hm²·d）] = （第m 天全株氯積累量?第n 天全株氯積累量）/（m?n）；

相對產量（%） = 施氯處理產量/對照產量×100。

1.4 數據處理與分析

采用 Microsoft Office Excel 2013、Origin 2022進行數據統(tǒng)計和圖表制作，用DPS 軟件 LSD 法進行方差分析，用SPSS 軟件進行相關性和雙因素分析。

2 結果與分析

2.1 氯化鉀施用量和施用時期對馬鈴薯各器官Cl^?含量的影響

如圖1 所示，施用氯化鉀可顯著提高馬鈴薯全株與各器官的Cl^?含量（Plt;0.05），隨生育期推進，全株Cl^?含量隨之降低。苗期和塊莖形成期，基施氯化鉀處理的莖葉Cl^?含量顯著高于追施等量氯化鉀處理（Plt;0.05）；塊莖膨大期時則相反（2022年除外）；成熟期時，莖葉Cl^?含量較塊莖膨大期仍有不同程度增加（2022年葉片除外），且葉片中Cl^?含量的增幅顯著高于莖部（Plt;0.05），這說明莖葉中的Cl^?雖然具有較高的移動性，但在植株衰老時沒有發(fā)生普遍性、大規(guī)模的輸出，所以塊莖中的Cl^?主要是由根系吸收后直接分配到塊莖的。施氯處理塊莖中Cl^?含量較CK 提高了0%～192%，莖葉的Cl^?含量提高了25%～1346%，莖葉的Cl?含量（0.4%～4.1%） 始終顯著高于塊莖（0.1%～0.6%），施用氯化鉀對塊莖Cl^?含量影響遠小于莖葉。

雙因素分析（表4） 結果表明，除成熟期塊莖外，氯化鉀施用量與不同時期各器官Cl^?含量均呈顯著（Plt;0.05） 或極顯著（Plt;0.01） 相關，而施用時期則僅與塊莖膨大期和成熟期塊莖的Cl^?含量顯著相關（Plt;0.05），從總體趨勢看，氯化鉀施用量比施用時期對馬鈴薯Cl^?含量的影響更顯著。

2.2 氯化鉀施用量和施用時期對馬鈴薯Cl^?和干物質積累與分配的影響

隨著氯化鉀施用量的增加，馬鈴薯不同時期各器官中Cl^?積累量均呈升高的趨勢（圖2）。苗期至塊莖形成期，植株生物量的快速積累（圖3） 使Cl^?積累量也迅速提高，且Cl^?主要集中于莖葉中（70%～99%），莖葉中的Cl^?積累量最高可達45.0 kg/hm²；從塊莖膨大期開始，隨著植株的生長重心向塊莖轉移，莖葉生長減緩直至停止，莖葉中的Cl^?分配比例在成熟期可降低至45% 左右，塊莖中Cl^?積累量迅速提高，Cl^?在塊莖中的分配比例也從塊莖形成期的1%～30% 提高到了13%～69%。在成熟期可達到31.73 kg/hm²，成熟期塊莖中Cl^?分配比例增加到55% 左右。成熟期莖葉Cl^?積累量較塊莖膨大期未發(fā)生顯著變化（2022 年的葉片除外），說明莖葉中的Cl^?向塊莖轉移的量極低。在全生育期內，施氯處理的全株Cl^?積累量較CK 提高了11%～153%（Plt;0.05）。

如表5 所示，除苗期塊莖外，氯化鉀施用量與不同時期各器官Cl^?積累量均呈顯著（Plt;0.05） 或極顯著（Plt;0.01） 相關，而施用時期則僅與成熟期塊莖的Cl^?積累量顯著相關（Plt;0.05），從總體趨勢來看，氯化鉀施用量比施用時期對馬鈴薯Cl^?積累量的影響更顯著。

如圖3 所示，在苗期與塊莖形成期，馬鈴薯莖葉受施氯影響較大，施氯會不同程度地抑制馬鈴薯莖葉的生長發(fā)育，導致莖葉干物質積累量降低，但當植株進入塊莖膨大期后，施氯普遍有利于塊莖干物質積累，但前期對莖葉發(fā)育的抑制作用會影響最終塊莖干物質積累量。結合圖2、圖3可知，莖葉的Cl^?積累量始終保持一個較高水平，主要原因是Cl^?含量較高，而在塊莖膨大期與成熟期Cl^?積累量的快速提高則源于塊莖干物質積累量的快速增加。

2.3 氯化鉀施用量和施用時期對馬鈴薯Cl^?積累速率的影響

如圖4 所示，馬鈴薯全株與各器官Cl^?的積累速率隨著植株的生長呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，全株Cl^?積累速率峰值出現(xiàn)在塊莖形成期至塊莖膨大期0.54～3.96 kg/（hm²·d），莖葉的Cl^?積累速率峰值同樣出現(xiàn)在塊莖形成期至塊莖膨大期0.79～1.82 kg/（hm²·d），在塊莖形成期達到最高值，平均約為1.43 kg/（hm²·d）；而塊莖的積累速率峰值則出現(xiàn)在塊莖膨大期至成熟期0.31～1.60 kg/（hm²·d），在成熟期達到最大值，平均約為0.85 kg/（hm²·d）。雖然塊莖的積累速率峰值與莖葉相近，但由于塊莖生物量的積累速率遠高于Cl^?積累速率，導致塊莖Cl^?含量始終顯著低于莖葉中Cl^?含量（Plt;0.05）。氯化鉀施用量對馬鈴薯各器官Cl^?積累速率的影響不同，苗期施用氯化鉀會提高莖葉中Cl^?積累速率，對塊莖Cl^?積累速率沒有顯著影響；塊莖形成期時，施用氯化鉀會同時提高莖葉與塊莖中Cl^?積累速率；進入塊莖膨大期后，隨植株生長重心由莖葉向塊莖轉移，莖葉中Cl^?積累速率開始下降；到成熟期時施用氯化鉀處理莖葉中Cl^?積累速率下降至?1.65～0.17 kg/（hm²·d），而塊莖中Cl^?積累速率降至0～0.93 kg/（hm²·d）。

雙因素分析（表6） 結果表明，除苗期塊莖外，氯化鉀施用量與不同時期各器官Cl^?積累速率均呈極顯著相關（Plt;0.01），而施用時期則與塊莖膨大期的莖、塊莖和成熟期的塊莖Cl^?積累速率極顯著相關（Plt;0.01），施用時期在苗期和塊莖形成期對馬鈴薯Cl^?積累速率無顯著影響，而到塊莖膨大期和成熟期才與馬鈴薯的Cl^?積累速率顯著相關。

2.4 氯化鉀施用量和施用時期對產量及產量構成因子的影響

如表7 所示，2021 年塊莖產量隨氯化鉀施用量的增加呈先升高后降低趨勢，基施氯化鉀時，氯化鉀用量最低的BVL 處理產量最高，較CK 處理增產6.7%，繼續(xù)增加氯化鉀施用量后產量持續(xù)降低，甚至低于對照。追施氯化鉀處理的產量均高于CK 處理，其中DM 處理產量最高，達到51.15 kg/hm²，較CK 處理增產15.8% （Plt;0.05）。2022 年施用氯化鉀則降低單株結薯數，施氯各處理產量為32.57～42.38 kg/hm²，較CK 降低了?3.6%～19.1%。結合圖3 可知，雖然植株進入塊莖膨大期后，施氯普遍有利于塊莖干物質積累，但過量Cl^?在苗期和塊莖形成期對莖葉發(fā)育的抑制作用還是會影響塊莖產量。

2.5 臨界Cl^?含量的確定

對馬鈴薯不同生育時期、不同器官的Cl^?含量與塊莖產量的相關分析（圖5） 表明，在苗期和塊莖形成期，塊莖產量與葉片Cl^?含量呈現(xiàn)顯著負相關（Plt;0.05），因此苗期和塊莖形成期的葉片可作為馬鈴薯Cl^?含量的指示器官。根據Cl^?含量（x） 和塊莖產量（y） 的擬合曲線（圖6） 可知，苗期葉片Cl^?含量達到0.7% 時，塊莖產量達到最大值，葉片Cl^?含量大于1.5% 時，相對產量將低于95%。塊莖形成期葉片Cl^?含量達到0.7% 時塊莖產量達到最高值，高于2.1% 時相對產量將低于95%。在塊莖膨大期和成熟期，塊莖Cl^?含量與產量呈極顯著正相關（Plt;0.01），這可能因為塊莖中的Cl^?含量較低（圖1），沒有達到抑制生長的臨界水平，所以塊莖中的Cl^?沒有對產量造成負面影響。Schulte 等[36]研究認為，可將相對產量為95% 時植株的Cl^?含量視為Cl^?臨界值，因此可以初步確定馬鈴薯葉片Cl^?的臨界值苗期為1.5%，塊莖形成期為2.1%。

氯化鉀施用量和施用時期對塊莖產量與葉片Cl^?含量的雙因素分析結果（表8） 表明，氯化鉀施用時期與2021 年產量極顯著相關（Plt;0.01），氯化鉀施用量與2022 年產量極顯著相關（Plt;0.01）。兩年間的差異可能是由于追肥時間不同導致的，2022年追肥時間晚于2021年，淋洗損失較少，導致2022年各處理葉片Cl^?含量超過臨界值而造成減產。

3 討論

苗期與塊莖形成期是馬鈴薯莖葉快速生長的時期[37]，植株對包括氯在內的多種養(yǎng)分都有較強的吸收能力。土壤中的Cl^?具有較強的移動性，灌溉是降低土壤Cl^?含量的有效措施，但在雨養(yǎng)條件下，從播種到苗期降雨量較低，導致大部分Cl^?保留在馬鈴薯根系分布的土層中[29]，所以植株的Cl^?含量與Cl^?積累量受含氯肥料施用量的影響較大，葉片Cl^?含量和Cl^?積累量與氯化鉀施用量呈顯著的正相關關系（Plt;0.05）；隨著植株進入塊莖膨大期，該區(qū)域也迎來降雨高峰期，施入土壤中的Cl^?會隨著降雨量的增加逐漸遷移出根系分布區(qū)域[38]，所以植株的Cl^?含量受含氯肥料施用量的影響逐漸減小，Cl^?積累速率也顯著下降，同時隨著植株耐Cl^?能力也逐漸增強，Cl^?含量對塊莖產量的影響也逐漸減小，例如苗期和塊莖形成期葉片Cl^?含量與塊莖產量呈顯著負相關關系（Plt;0.05），且苗期的Cl^?臨界值為1.5%，而塊莖形成期的臨界值為2.1%；進入塊莖膨大期后，葉片Cl^?含量與塊莖產量則呈正相關關系，葉片Cl^?含量不再影響塊莖產量[38]。通過對馬鈴薯產量構成因子的分析可知見，減產的處理均出現(xiàn)了單株薯數減少的情況，說明氯化鉀施用量過高時，會減少馬鈴薯單株薯數，這與湯立陽[39]的研究結果相同，但與蘇日古嘎等[40]的研究結果完全相反，研究結果不同的原因，可能源于蘇日古嘎的試驗采用了滴灌，而灌溉對土壤養(yǎng)分分布、土壤溫度（影響塊莖形成和發(fā)育） 等都有一定的影響。本研究兩年的試驗結果表明，施用氯化鉀對苗期與塊莖形成期的葉片發(fā)育均表現(xiàn)出了抑制作用，但在塊莖膨大期與成熟期，2021年施氯對塊莖干物質積累有促進作用，而2022年則表現(xiàn)出抑制作用，這可能是因為2022年追肥時間略晚，導致植株Cl^?含量的較高所致。土壤中的Cl^?含量及其在土壤中的分布受降雨量影響較大[30]，如果追肥時期較晚，馬鈴薯根系對土壤養(yǎng)分的快速吸收易導致植株Cl^?過量，所以，雖然氯化鉀施用時期對馬鈴薯各器官Cl^?含量和積累量影響不顯著（表4，表5），但是在雨養(yǎng)條件下，考慮到自然降雨量和降雨強度對土壤中Cl^?含量及Cl^?在不同土層分布的影響，在實踐中必須要考慮肥料施用時期，但如果有灌溉條件，則可以通過灌溉量調控土壤中Cl^?含量到安全范圍。

確定植株的Cl^?臨界值是判斷含氯肥料施用是否合理的重要參考指標，而土壤Cl^?臨界值則是計算含氯肥料用量的依據，根據植物的適宜Cl^?臨界值、作物和土壤養(yǎng)分含量的關系，以及土壤養(yǎng)分含量和作物產量的關系，可以確定馬鈴薯不同生育時期的土壤Cl^?臨界值。本試驗通過研究氯化鉀施用量和施用時期對馬鈴薯各器官Cl^?含量及其分配的影響，初步確定可指示馬鈴薯植株Cl^?水平的指示器官及其在關鍵生育時期的動態(tài)Cl^?臨界值，以此確定馬鈴薯不同生育時期耐Cl^?能力的差異，作為確定含氯肥料施用量和施用時期的依據。為了更準確的指導氯敏感作物含氯肥料的施用，后續(xù)將適當增加馬鈴薯生長前期取樣頻率，并根據不同葉位葉片Cl^?含量與馬鈴薯產量相關性確定更精準的指示器官。此外為了確定植株的Cl^?臨界值，本研究設置的鉀肥用量已經處于較高水平，因此從生產的角度不宜再提高氯化鉀的用量，但從機理研究的角度，可考慮繼續(xù)提高氯化鉀用量，以確定塊莖膨大期和成熟期各器官Cl^?含量與塊莖產量的相關關系，獲得更完整馬鈴薯不同生育時期的動態(tài)氯臨界值。此外，植物的S/Cl 值也是一個比較受關注的問題，鑒于篇幅有限，將另作文探討氯化鉀施用量和施用時期對土壤以及馬鈴薯硫、氯含量及其比值對植株發(fā)育及塊莖產量和品質的影響。

4 結論

施用氯化鉀會顯著提高馬鈴薯不同生育時期各器官的Cl^?含量，但莖葉的Cl^?含量（0.4%～4.1%） 始終顯著高于塊莖（0.1%～0.6%）。在成熟期前，莖葉為Cl^?主要分配器官，成熟期塊莖因生物量遠高于莖葉而使其成為Cl^?主要分配器官。馬鈴薯全株Cl^?積累速率峰值出現(xiàn)在塊莖形成期與塊莖膨大期，塊莖的積累速率峰值則出現(xiàn)在塊莖膨大期至成熟期。苗期與塊莖形成期是馬鈴薯對氯最敏感的時期，葉片Cl^?含量與馬鈴薯產量顯著相關（Plt;0.05），可作為以馬鈴薯產量為依據的指示植株氯營養(yǎng)狀況的指示器官，葉片Cl^?臨界值苗期為1.5%，塊莖形成期為2.1%，兩時期葉片Cl^?含量低于0.7% 時，相對產量將≥100%。塊莖形成期后，葉片Cl^?含量與產量相關不顯著。因此可通過監(jiān)控馬鈴薯苗期和塊莖形成期葉片氯含量確定含氯肥料用量是否合理，預測含氯肥料的施用是否會造成減產。