华北寒旱区不同品种马铃薯的氮效率评价

任冬雪，张立峰,2，刘玉华,2，田再民，龚学臣

(1. 河北农业大学农学院, 河北 保定 071000; 2.农业部张北农业资源与生态环境重点野外科学观测试验站，河北 张家口 076450;3.河北北方学院农林科技学院， 河北 张家口 075000)

马铃薯为茄科茄属一年生草本植物，是我国继小麦、水稻、玉米之后的第四大粮食作物。随着人口增长与消费质量的提高，我国粮食供求依然处于“紧平衡”态势[1-2]。2015年国家及时启动了马铃薯主粮化战略，以提高马铃薯产量与质量，为确保粮食充足供应开创了新的路径。据统计，2010—2015年全国马铃薯年均总产量为8 852.4万t，较2005—2009年增加了22.9%[3]。然而，近年来马铃薯产量的增长是以消耗大量的肥料为代价的[4-6]，秦永林等[7]对内蒙古地区马铃薯施肥状况调查时发现，氮肥施用量较推荐用量高了26%，合理施肥的农户仅占32.7%。过量施肥不仅提高了生产成本，降低了农田收益，而且残留在土壤中的氮素一方面会使土壤酸化和次生盐渍化[8]，另一方面随水的淋溶和地表径流作用造成地下水硝酸盐含量超标和地表水源富营养化[9]。因此，筛选氮高效品种用于生产或作为种质资源培育新品种，是提高马铃薯田肥料投入效果的重要途径。目前关于作物氮效率的评价尚无统一的标准，一般认为氮效率是植物对氮吸收、利用、转化以及再利用等多个生理过程的综合结果。Ladha等[10]将同一氮水平下的作物产量看作氮效率；Moll等[11]将氮效率定义为单位供氮量所生产的小麦籽粒产量；Hirose等[12]用作物干物重与吸氮量的比值评价氮效率。目前研究者主要从氮吸收效率即植株氮总积累量与供氮量的比值，以及氮利用效率即作物产量与植株氮总积累量的比值两方面进行评价；也有研究者根据施肥对作物产量及氮吸收利用效率的影响，结合肥料农学利用率、肥料偏生产力、肥料表观利用率及肥料生理效率等指标进行综合评价[13-17]。程红等[14]在筛选马铃薯氮高效品种时选择变异系数较大的指标，如含氮量、氮吸收量及产量等作为评价的主要指标。陈二影等[16]选用茎叶干物重、含氮量、氮吸收量、氮吸收效率、氮利用效率等指标筛选苗期谷子氮高效品种，发现无论在高氮还是低氮条件下，干物重与氮利用效率呈极显著正相关，氮利用效率与含氮量呈极显著负相关，得出氮高效品种应该具有较高的氮吸收量和较低的含氮量。吴红春等[17]研究了肥料用量对不同品种紫甘薯的产量及氮效率的影响，表明鲜薯产量及氮吸收量与氮吸收效率、氮利用效率、氮肥贡献率、氮肥农学效率、氮肥偏生产力等指标呈显著正相关。牛海燕等[18]研究表明，在施氮条件下，玉米氮高效品种不仅能获取较高产量，还能对土壤中的氮高效吸收，在缺氮条件下氮高效品种可以充分利用生长季中的土壤矿化氮获得较高的产量。华北寒旱区作为短季马铃薯的特异产区以及毗邻京津市场的主要供应地，鉴评与筛选鲜食型氮高效马铃薯品种直接应用于生产，或作为种质资源以改良利用，成为降低马铃薯田氮肥施用成本、提高经济收益的重要物质基础。

本研究以华北坝上及周边寒旱区栽培与新选育的15份马铃薯品种为材料，以低氮水平为对照，比较、分析正常供氮水平下各品种马铃薯的产量、含氮量、氮生物学效率及肥料利用效果等方面差异，采用隶属函数分析方法对其鉴评与分类，筛选出产量及氮效率均较高的品种，为马铃薯节氮栽培以及氮高效育种提供优良的种质资源。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年在农业部张北农业资源与生态环境重点野外科学观测试验站进行。试验站位于张家口市坝上的张北县(114°42′E，41°09′N)，海拔1 420 m，年均降水量382.5 mm，年均气温3.9℃，无霜期135 d，≥10℃积温2 426.3℃。

试验地土壤类型为砂质栗钙土，0～20 cm土层土壤理化性质分别为：容重1.54 g·cm-3，全氮、全磷、全钾含量分别为0.70、0.23、15.12 g·kg-1，碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为58.37、19.87、57.06 mg·kg-1，有机质含量为10.79 g·kg-1。

1.2 供试材料

选取鲜食型马铃薯品种9个，鲜食-加工兼用型品种2个，薯片(条)加工型品种4个。15个品种均由河北北方学院马铃薯研究中心提供，品种名称及来源见表1。

表1 供试马铃薯品种、类型及来源

1.3 试验设计

田间试验采用裂区设计，主区因素为马铃薯田供氮水平，设不施氮(No N)、施氮(N)两个水平，副区因素为马铃薯品种，随机排列，3次重复，共计90个小区。每小区长8 m，宽3 m，面积24 m2。不施氮区域无任何肥料，施氮区施用尿素，折合纯氮量172.5 kg·hm-2，不施磷、钾及有机肥。肥料于种植前撒施旋耕翻入土中。种植方式为平作，密度为40 020株·hm-2，4月30日播种，9月8日收获，田间管理同大田，雨养旱作。2019年马铃薯生育期降水236.93 mm，较常年同期降水量(273 mm)偏低。降水分布如图1。

图1 2019年马铃薯生育期降水量分布

1.4 测定项目与方法

1.4.1 产量测定 每个处理按小区面积实收，测定马铃薯块茎鲜重；取鲜薯块样本切片后烘干，计算出干率，按实收面积折算每公顷块茎产量。

1.4.2 含氮量测定 收获前每个小区先挖取3株代表小区整体长势的植株，称量块茎的鲜重后切片，放入105℃的烘箱内杀青1 h，在80℃的条件下烘干至恒重。将烘干称重后的块茎切片粉碎，混匀后装入自封袋内，送至河北省农林科学院资源环境研究所测定样品的全含氮量。

1.4.3 氮效率相关参数的计算[14-15,19]

马铃薯块茎氮吸收量(kg·hm-2)=块茎产量(kg·hm-2)×块茎含氮量(g·kg-1)×10-3

氮生物学效率(氮利用效率)(kg·kg-1)=马铃薯块茎产量(kg·hm-2)/块茎氮吸收量(kg·hm-2)

基础地力产量贡献率(%)=不施肥区块茎产量(kg·hm-2)/施肥区块茎产量(kg·hm-2)×100

肥料产量贡献率(%)=(施肥区块茎产量-不施肥区块茎产量)(kg·hm-2)/施肥区块茎产量(kg·hm-2)×100

肥料氮农学效率(kg·kg-1)=(施氮肥区块茎产量-不施氮肥区块茎产量)(kg·hm-2)/肥料氮施用量(kg·hm-2)

肥料氮偏生产力(kg·kg-1)=施氮肥区块茎产量(kg·hm-2)/肥料氮施用量(kg·hm-2)

肥料氮表观利用率(%)=(施氮肥区块茎氮吸收量-不施肥区块茎氮吸收量)(kg·hm-2)/肥料氮施用量(kg·hm-2)×100

1.4.4 综合氮效率分析 采取隶属函数[20]对马铃薯各氮效率指标进行综合氮效率评价，计算不同品种马铃薯各指标的隶属函数值(Xij′)，如某一指标与综合氮效率呈正相关，则隶属函数值(Xij′)用下式计算：

Xij′=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)

如某一指标与综合氮效率呈负相关，则隶属函数值(Xij′)用下式计算：

Xij′=1-(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中，Xij为马铃薯某品种(i=1,2,3,…,m)的某指标(j=1,2,3,…,n)的测定值；Xmax为所有品种中j指标最大值，Xmin为所有品种中j指标最小值。

再用单一指标变异系数(Vj)与各指标变异系数之和(∑Vj)的比值表示该指标的权重[21]，最后依式求得不同品种马铃薯的综合隶属函数值(Di)，用以表征某品种马铃薯的综合氮效率。

Di=Σ(Xij′×Vj/∑Vj)

D值越高，说明该品种综合氮效率越好。

1.5 数据处理

采用Microsoft office 2013进行数据整理和作图(表)，用SPSS 18.0软件对产量进行裂区设计差异显著性分析，不同处理之间多重比较及其显著性水平(P<0.05)通过最小显著差数法LSD进行检测。

2 结果与分析

2.1 不同施氮水平下不同品种马铃薯产量效应

不同品种马铃薯在施氮、不施氮条件下的块茎(干重)产量见表2。方差分析表明，品种、施氮水平、品种×施氮水平等对马铃薯产量具有极显著的影响。在不施氮肥条件下，各品种产量从高到低依次为北方002、V8、冀张薯12号、陇薯7号、希森6号、V6、大西洋、冀张薯8号、荷十五、北方001、兴佳2号、布尔斑克、V7、斯凡特(F8)、麦肯1号。在施氮肥的条件下，各品种产量从高到低依次为荷十五、希森6号、V8、冀张薯12号、北方002、冀张薯8号、兴佳2号、斯凡特(F8)、V7、北方001、布尔斑克、V6、大西洋、陇薯7号、麦肯1号。结果表明，荷十五、希森6号、V8、冀张薯12号、北方002等5个品种对氮肥反应敏感，施氮利于获得较高产量。

表2 两种氮水平下不同品种产量(干重)及增产幅度

结果表明，除陇薯7号外，其余各品种均表现为施氮肥增产，增幅在17.62%～136.07%。陇薯7号施氮肥减产0.63%，说明陇薯7号的氮肥耐受性很差。以产量为目标分析，北方002、V8、冀张薯12号、希森6号等4个品种在施氮和不施氮的条件下均表现高产，荷十五在施氮条件下高产，这5个品种具有氮高效的种质基础。

2.2 不同品种马铃薯的氮响应特征

以施氮肥和不施氮肥条件下的平均产量(干重)为基准，对不同品种马铃薯的氮响应特征定性分析见图2。依各品种在施氮、不施氮肥条件下的产量平均值为原点(3 994.87，6 184.14)，将图2的二维图分为四个象限，分别代表对氮响应的四种类型[19]。第一象限代表在施氮和不施氮肥条件下均能获得高于供试品种平均产量的双高效型，包括北方002、希森6号、冀张薯12号、V8；第二象限代表在不施氮条件下产量低于供试品种的平均值，在施氮条件下产量高于供试品种平均产量的高氮施氮高效型，包括V7、斯凡特(F8)、荷十五、冀张薯8号、兴佳2号；第三象限代表在施氮和不施氮肥条件下产量均低于供试品种平均值的双低效型，包括麦肯1号、布尔斑克、北方001；第四象限代表在不施氮条件下产量高于供试品种平均值，在施氮肥条件下产量低于供试品种平均值的低氮(不施氮)高效型，包括大西洋、V6、陇薯7号。通过比较两种施氮水平下各品种的产量得出，施肥高效型和双高效型品种对增施氮反应更为敏感。

图2 不同品种马铃薯氮响应特征

2.3 不同品种马铃薯含氮量、氮吸收量及氮生物学效率

马铃薯各品种块茎含氮量、氮吸收量、氮生物学效率见表3。在不施氮条件下，各品种马铃薯含氮量变幅在10.86～19.59 g·kg-1，含氮量最高的品种为麦肯1号，最低的品种为冀张薯8号。氮吸收量最高的品种为北方002，为83.86 kg·hm-2，最低的品种为布尔斑克，为44.91 kg·hm-2。氮生物学效率变幅在51.04～92.10 kg·kg-1，最高的为冀张薯12号，最低的为麦肯1号。在施氮条件下，含氮量变幅在15.93～21.47 g·kg-1，较不施氮条件下含氮量升高0.97～1.93倍，斯凡特(F8)最高，V7最低。氮吸收量最高的品种为荷十五，为154.15 kg·hm-2，最低的为麦肯1号，为62.77 kg·hm-2。氮生物学效率变幅在46.57～59.05 kg·kg-1之间，各品种(除V7)施氮肥处理的氮生物学效率较不施氮处理明显降低，下降幅度为5.41%～48.14%。结果表明，施氮较不施氮条件下马铃薯块茎干物质增长速率低于块茎氮积累速率。

Ⅰ号矿体：矿体露头分布在3343高地东南侧山脊线的南坡，向东呈NEE方向越过山脊进入山脊北坡。矿体呈近EW向转向NEE方向延伸或侧伏，产状与地层灰岩产状基本一致，倾向NNW，倾角在35°～53°；矿体与围岩界线截然(图6)，形成凹凸不平面。近矿围岩交代蚀变较弱，围岩中局部见有少量的富铅锌阳起石细脉。矿体内也见有大小不等的灰岩夹石或灰岩残留体，造成矿体边界参差不齐和矿石品位的贫化。矿体地表出露长为220m，平均厚度为12m，铅+锌平均品位为9.74%，银平均品位为75×10-6，局部含铜高达4%。

表3 两种供氮水平下各品种马铃薯含氮量、氮吸收量及氮生物学效率

不施氮条件下各品种马铃薯块茎产量与块茎含氮量的关系如图3。统计分析表明，马铃薯产量(Y)与块茎含氮量(X)间呈极显著的负相关，Y=-0.0019X+22.045(R2=0.6269**)，说明马铃薯块茎产量越高，其含氮量越低，此为筛选与培育产量较高且氮生物学效率高的马铃薯品种提供了理论依据。在施氮肥的条件下(图4)，由于品种与施氮水平的交互作用，且施氮水平对马铃薯产量的作用远大于品种，致使各品种间马铃产量与块茎含氮量无显著的相关关系(R2=0.0192)。

图3 不施肥条件下马铃薯产量与块茎含氮量回归关系

图4 施氮肥条件下马铃薯产量与块茎含氮量回归关系

从氮生物学效率分析，无论在施氮还是不施氮条件下，陇薯7号、希森6号和V8均高于其余品种，V7施肥后氮生物学效率较高，均可作为氮高效品种或作为氮高效的种质资源。

2.4 不同品种马铃薯的肥料氮利用效果

各品种在施氮和不施氮肥条件下的基础地力贡献率与肥料氮利用效果见表4。15个品种的基础地力贡献率变化在42.36%～100.00%，最高的为陇薯7号，其次为北方002、麦肯1号、V6，基础地力贡献率在80%以上。肥料氮贡献率的变化幅度在-0.63%～57.64%，最高的为斯凡特F8，其次为V7、荷十五，肥料氮贡献率在50%以上。各品种的肥料氮农学效率在-0.18 ～25.90 kg·kg-1，肥料氮农学效率较高的品种有5个，从高到低分别为荷十五、斯凡特(F8)、V7、希森6号、兴佳2号。各品种肥料氮农学效率相比，最高的为高氮高效型品种，其次为双高效型品种。

表4 不同品种基础地力与肥料产量贡献率，肥料农学效率、偏生产力及表观利用率比较

肥料氮偏生产力的变化幅度在17.57～48.02 kg·kg-1，较高的品种有5个，分别为荷十五、希森6号、V8、冀张薯12号、北方002，最高的为高氮高效型品种，其次为双高效型品种。肥料氮表观(块茎)利用率在7.57%～54.79%之间，较高的有5个，分别为荷十五、斯凡特F8、冀张薯12号、希森6号、兴佳2号，最高的为高氮高效型品种，其次为双高效型品种。

统计分析表明，肥料氮偏生产力(Y)与肥料氮农学效率(X)间呈极显著正相关，R2=0.4986**(图5)；肥料表观(块茎)利用率(Y)与农学效率(X)间呈极显著正相关，R2=0.664**(图6)；肥料氮(块茎)表观利用率(Y)与肥料氮偏生产力(X)间呈极显著正相关，R2=0.7465**(图7)。结果表明，随着肥料氮农学效率的提升，肥料氮偏生产力增加，块茎氮表观利用率也随之增加，此为筛选与培育肥料氮高效的马铃薯品种提供了理论基础。从肥料氮利用角度分析得出，荷十五和希森6号两个品种在肥料氮农学效率、肥料氮偏生产力及块茎表观氮利用率方面均有极好表现，可作为氮高效的种质资源。

图5 肥料氮农学效率与偏生产力的关系

图6 肥料氮农学效率与块茎表观利用率的关系

图7 肥料氮偏生产力与块茎氮表观利用率的关系

2.5 不同品种马铃薯隶属函数分析

对包括基础地力产量贡献率与肥料氮利用效果的8个指标进行隶属函数分析(表5)，其中含氮量与综合氮效率呈负相关，其他7个指标与综合氮效率呈正相关。权重分析表明，8个指标中肥料氮农学效率对马铃薯的综合氮效率贡献率最大，为29%，块茎含氮量及氮生物学效率贡献率最小，二者合计仅为8%。由隶属函数分析可知，不同品种马铃薯的隶属函数综合值(D)在0.14～0.85，各品种从高到低依次为荷十五、希森6号、斯凡特(F8)、冀张薯12号、V8、兴佳2号、冀张薯8号、V7、北方002、布尔斑克、北方001、V6、大西洋、陇薯7号、麦肯1号。荷十五D值达0.85，希森6号为0.71，斯凡特F8为0.67，这三个品种作为综合氮高效品种可应用于生产或作为氮高效种质材料。

表5 不同品种马铃薯各指标的隶属函数值及综合值

3 讨 论

同种作物的不同品种氮利用效率存在明显差异[27-28]。马铃薯氮高效型品种的氮素含量相对较低，能以较低的氮素浓度进行正常的生长代谢, 形成一定的干物质[15]，这与在低氮胁迫条件下，氮高效型品种较氮低效型品种具有较强的吸收、积累和利用氮素的能力[29]，因而能有效地利用土壤中的矿化氮提高产量等有关。本研究表明，在不施氮肥条件下，华北寒旱区不同品种马铃薯的产量与块茎含氮量间呈极显著的负相关(R2=0.6269**)，这与资源约束下作物以求得“五率最高”的自身生产禀赋有关[30]；而在施氮肥条件下，马铃薯产量与块茎含氮量无显著相关(R2=0.0192)，这与施氮肥后土壤中充足的含氮量会降低马铃薯的经济系数[31]，以及激发作物的氮奢侈吸收等有关[32]。本研究得出在施氮肥条件下，马铃薯产量与块茎含氮量无显著相关，而肥料氮偏生产力与块茎氮表观利用率之间呈极显著正相关(R2=0.7465**)的特征，为鉴评与选育兼顾产量高、氮效率高的马铃薯品种提供了理论依据。

作物体内的氮素浓度反映了作物的生产能力[33-34]。叶片是进行光合作用的主要场所，叶片光合产物的累积决定着马铃薯的产量。何丹丹[15]、程红[35]、王月福等[36]研究表明，氮高效型品种的叶片氮素与SPAD值高于低效型品种，由此为其保持较高的净光合速率提供了物质基础；氮高效型品种的叶片光合氮利用效率高于氮低效型品种，认为光合氮素利用率的差异是氮高效型品种较氮低效型品种增产的原因。本研究对于马铃薯氮效率的评价，主要考虑了块茎含氮量与块茎产量的相关性，并未详细研究不同氮效率类型品种叶茎等器官的含氮量与光合性能的关系，难以深度揭示马铃薯氮利用效率差异的生理机制，而叶茎作为“源”的干物质生产与块茎作为“库”的干物质贮存，两过程对器官含氮量的生理反应可能存在差异，此有待深入研究。

4 结 论

华北坝上及其周边寒旱区栽培与新选育的15份马铃薯品种，在地力产量、施氮肥产量、块茎氮吸收量、肥料氮农学效率、肥料氮偏生产力、肥料氮表观利用率等氮效率性状方面存在宽幅变异(CV=21%～58%)。在未施氮肥条件下，马铃薯不同品种的产量与块茎含氮量呈极显著负相关，R2=0.6269**；在施氮条件下，马铃薯产量与块茎含氮量无显著相关，而肥料氮偏生产力与块茎氮表观利用率之间呈极显著正相关，R2=0.7465**。分析表明，荷十五作为肥料氮高效型、希森6号与斯凡特(F8)作为肥料氮中效型品种，具有较高的综合氮效率，可作为氮高效品种应用于生产或作为氮高效种质材料。