不同氮钾配比对马铃薯根系生长及产量的影响

狄彩霞，李秀萍，栗艳芳，李宝贺，莎 娜，李 彬，赵 举

（内蒙古自治区农牧业科学院资源环境与检测技术研究所，内蒙古呼和浩特 010031）

马铃薯（Solanum tuberosum L.）作为世界十大营养食品之一，可以提供人类生活必需的基本营养素，由于其耐贫瘠干旱、适应性强、产量高，是小麦、玉米和水稻之后的世界第四大粮食作物[1-2]。武川县地处内蒙古阴山北麓农牧交错带中段，具有昼夜温差大、冷凉、光照强等独特半干旱气候条件，同时土壤质地疏松有利于营养物质的积累，成为我国粮菜兼用马铃薯的优势产区。

根系是土壤与植物地上部物质能量交换的重要桥梁，具有支撑地上部分的基本作用[3]。根的直径为根系的重要结构特征，但细根为直径≤5 mm的根系，在结构、生理、功能上与中根和粗根存在差异，一般认为细根吸收能力强于粗根[4]。在根系特征的统计上细分为0～5 mm 不同直径等级，研究细根的生产和周转时相对简便，在很多研究中得到应用[5-7]。

水肥耦合影响作物根系对水肥的吸收和运转，作用于植物根系的形态特征和生理活性，进而影响农作物地上冠层及地下根生长[8]。近年来许多学者在小麦[9]、玉米[10]、番茄[11-12]、黄瓜[13]等多种作物上开展了研究工作；关于马铃薯平衡施肥的研究较多，通过不同灌水量、不同施肥量研究马铃薯的产量及品质的变化规律[14-17]，而滴灌条件下不同氮钾肥对半干旱地区马铃薯根系及产量影响研究较少。氮钾配比在滴灌条件下可促进植物吸收、养分运输并调节根系发育，增加根量和根深，增加作物对土壤水分和养分吸收，继而提高马铃薯生长量和产量，然而在高垄滴灌模式下不同氮钾组合对马铃薯生长关键时期根系生长影响及产量影响未见报道，因此，研究马铃薯关键生育时期根系在土壤中的生长特点，对提高其产量及增强马铃薯的水肥吸收能力具有重要意义。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

大田小区试验位于内蒙古自治区农牧业科学院武川旱作试验站，地处阴山北麓农牧交错带，经纬度分别为40°47′～41°23′N，110°31′～111°53′E，属中温带半干旱大陆性季风气候，海拔1 800～2 200 m，多年平均温度3.0℃，无霜期110 d左右，≥0℃年积温为2 578.5℃，地形以缓坡丘陵为主，土壤类型为栗钙土。2018年4—10月降水量为288 mm，主要集中在7—9月。试验田表层土壤容重为1.48 g/cm3，土壤0～20 cm 耕层碱解氮含量56.35 mg/kg、有效磷含量42.06 mg/kg、速效钾含量148.85 mg/kg、有机质含量11.60 g/kg，pH值为8.2。

1.2 试验品种

选用马铃薯品种费乌瑞它（FAVORITA），为我国主栽早熟品种之一。

1.3 试验设计

试验设9个处理（表1），小区面积5 m×7 m=35 m2，垄行距100 cm，垄宽30 cm、垄高40 cm。2018年4月15日进行试验区灌溉管网、灌溉设备及试验仪器安装等工作。5月11日，高锰酸钾浸泡消毒播种。5月12日，小区划区、起垄、播种。尿素（N 46%）和硫酸钾（K2O 50%）施入比例播种时占15%、苗期占15%、开花期占35%、开花末期占35%，磷酸二铵一次性以基肥施入，播种密度为52 500株/hm2。当20 cm 土壤耕层含水量达到田间持水量50%即灌水，使其达到田间持水量80%。整个生育期，灌水总量为180 cm3；于9月27日收获期进行测产。

1.4 样品采集

在马铃薯产量形成的关键时期即块茎膨大期（7月27日）采集植株样品，每小区9株，按行方向在距离植株20 cm 处挖50 cm 深的剖面，在尽量不破坏根系的前提下将植株整株挖出，将根系剪下先用自来水冲洗2～3次，再用蒸馏水冲洗2次，将地上和地下部分别装入冰盒带回实验室测定根系相关指标；7月28日采集整株进行根冠比测定。

1.5 测定项目与方法

1.5.1 根系形态 各处理的根系采用Epson V700 Photo 数字化平板扫描仪进行扫描，用Win-RHIZOTM 2009 根系图像分析软件对扫描后的根系图像进行根系形态指标分析。

1.5.2 根系生理 参照袁晓华等[18]的试验方法测定。

根系活力（M）：氯化三苯基四氮唑（TTC）法。

式中，C为四氮唑还原量（mg）；W为样品质量（g）；t为反应时间（h）。

根系总吸收面积（G）：采用甲烯蓝吸附法测定。1 mg 甲烯蓝成单分子层时占有的面积1.1 m2。

表1 试验处理

式中，C0为甲烯蓝溶液原浓度（0.075 mg/mL）；C1、C2、C3分别为1、2、3 烧杯浸根后溶液的浓度（mg/mL）；V1、V2分别为1、2 烧杯中加入的0.075 mg/mL 甲烯蓝溶液的体积（mL）。

根冠比（Q）：地下部根系生物量与地上部生物量比值。

式中，A为地下部根系生物量（g/株）；B为地上部生物量（g/株）。

1.5.3 测定产量 生长阶段每小区选定两垄不进行任何指标测定，于收获期测产并进行商品薯（薯重大于150 g）、非商品薯重量（薯重小于150 g）数量、重量测定，计算商品薯率和产量。

商品薯率（X）：商品薯数与总薯数比值。

式中，F为商品薯数；T为总薯数。

1.6 数据处理

采用Excel 2016 和SPSS 16.0 软件进行数据统计分析和作图。

2 结果与分析

2.1 不同氮钾配比对马铃薯根系吸收能力的影响

由表2可知，马铃薯根系活力大小顺序为中氮处理＞高氮处理＞低氮处理。N12K15处理根系活力最高，除N12K18外与其他处理间均达显著差异（P＜0.05）。不同氮钾处理马铃薯根系总吸收面积与根系活力变化趋势相同，N12K15处理根系总吸收面积最高，为3.266 m2，与其他处理间达显著差异（P＜0.05）。

表2 不同氮钾配比对马铃薯根系吸收能力的影响

2.2 不同氮钾配比对马铃薯不同直径范围内根系形态特征的影响

2.2.1 不同氮钾配比对马铃薯根系长度的影响 本试验滴灌条件下不同氮钾处理刺激了马铃薯根系生长，马铃薯根系直径0～0.5、0.5～1.0 mm的根系长度分别占根系总长度的35.7%～47.3%、17.6%～23.5%，以N12K15处理根系最长，根系直径0～0.5 mm的N12K15处理与其他处理（除N12K12处理、N18K15处理）达显著差异（P＜0.05）；根系直径0.5～1.0 mm的N12K15处理与其他处理（除N12K12处理外）达显著差异（P＜0.05）。由此可见，适宜的氮钾处理能够促进根系生长（表3）。

表3 不同氮钾配比对马铃薯不同根系直径范围内根系长度的影响 单位：mm

2.2.2 不同氮钾配比对马铃薯根系表面积的影响 由表4可知，马铃薯根系表面积与根系长度变化趋势相同，根系直径0～0.5 mm的根系表面积占各处理根系表面积57.7%～71.4%，根系直径0.5～1.0 mm的根系表面积占各处理根系表面积7.4%～15.6%，根系直径大于1.0 mm的根系表面积占各处理的16.1%～29.1%。根系直径0～0.5 mm的马铃薯根系表面积以N12K15处理最高，与其他处理（除N12K12、N6K12、N18K18处理外）差异显著（P＜0.05）。

表4 不同氮钾配比对不同根系直径范围内根系表面积的影响 单位：cm2

2.2.3 不同氮钾配比对马铃薯根系体积的影响 由表5可知，马铃薯根系体积随根系直径的增加而增加，以根系直径＞4.5 mm的根系体积占比最高，达51.6%～56.0%。根系直径＞4.5 mm的根系体积大小顺序为低氮处理＜中氮处理＜高氮处理，N18K18处理根系体积最高，与其他处理达显著差异（P＜0.05）。根系直径在0～4.5 mm 根系体积中，低氮处理均表现较低。

2.2.4 不同氮钾配比对马铃薯根尖数的影响 由表6可知，根系直径0～0.5 mm的根尖数最高，占总根尖数89.7%～94.6%，根系直径0.5～1.0 mm的根尖数占总根尖数5.1%～9.8%，其余直径范围内根尖数占比较小，变化差异不明显。根系直径0～0.5 mm 以N12K15最高，与其他处理差异显著（P＜0.05）。

2.3 不同氮钾配比对马铃薯根冠比的影响

根冠比是反映根系与地上部生长物质积累协调状况的重要指标。植物的地上部分和地下部分由于功能和所处的环境不同，在营养物质的供求关系上既相互依赖又相互影响。由表7可知，各处理马铃薯地上部干重差异不明显。中、高氮各处理（N18K12除外）地下部干重高于低氮各处理，差异显著（P＜0.05）。氮素养分较少时，根系生长受到抑制，根系干重积累下降，从而根系对养分的吸收减少，进而影响根系的发育。根冠比以N12K15处理最高，其次为N12K18、N18K15处理。为了吸收更多的养分供地下马铃薯生长，适宜的根冠比是马铃薯在一定氮钾条件下的主动形态学适应，但根冠比过大，根系消耗大量光合产物，使光合产物向生殖器官的投入减少，影响经济产量的形成。

表5 不同氮钾配比对马铃薯不同根系直径范围内根系体积的影响 单位：cm3

表6 不同氮钾配比对马铃薯不同根系直径范围内根尖数的影响

2.4 不同氮钾配比对马铃薯产量的影响

由表8可知，低氮处理随钾肥用量的增加可有效提高商品薯数、商品薯总重、产量，N6K15处理和N6K18处理分别比N6K12处理提高6.5%～29.9%、10.7%～32.2%、14.2%～30.1%。

N12K15处理商品薯数、商品薯总重、商品薯率、产量在各处理中最高，商品薯率与其他处理差异显著（P＜0.05）。N18K15处理相比N18K12处理虽提高了产量，但降低了商品薯率。N18K18处理与N18K15处理相比，产量降低2.0%；商品薯率降低7.0个百分点。

表7 不同氮钾配比对马铃薯根冠比的影响

表8 不同氮钾配比对马铃薯商品薯率和产量的影响

3 讨论与结论

根系具有直接感知土壤水分、养分动态变化的自我调节性。根系活力泛指根系的吸收能力、合成能力、氧化能力和还原能力等，是客观地反映根系新陈代谢、生命活动强弱的生理指标[19-20]。马铃薯块茎和根系生长环境一致，通过根系活力可预判块茎收获状况。有研究表明增施钾肥可以显著提高玉米、人参、大蒜幼苗根系活力[21-23]。本研究在低氮时增施钾肥处理可提高根系活力，N12K15处理根系活力最高。钾离子作为最重要的渗透基质，植物体内K+浓度只能维持在一个较小的范围内表现出“低钾促进，高钾抑制”[24]。本试验中马铃薯块茎膨大期根系总吸收面积表现为中氮处理＞高氮处理＞低氮处理，N12K15处理最高。根系生长形态指标中，不同直径范围根系存在差别，根系长度、根系表面积、根尖数以0～0.5 mm直径范围内最高。由此可见，马铃薯植株通过促进细根的发育提高对土壤吸水的能力，细根有利于降低根系的吸水阻力。此外，细根能有效地吸收和固定养分以供地上部分生长。植物根系的形态特征，对吸收和利用土壤养分起着十分重要的作用，根系分枝多、半径小、根毛多等良好的根系参数是作物获得高产的必要保障。不同直径范围根系的吸收能力存在差别，一般认为细根的吸收能力强于粗根。低钾处理下根系的代谢功能增强，诱发了大量侧根的生长，根尖数增多，总根长亦显著增加，而高钾处理下，植物体吸收K+的能力并不是无限的，过量钾导致马铃薯根系代谢活动相对减弱，根系生长活跃性降低，根尖数减少。不同钾肥施用量总体上表现为中、低钾肥用量更有利于根系生长，而高钾肥用量下作用减弱甚至抑制根系生长。

刘长庆[25]研究结果也表明，增施钾肥可以提高马铃薯产量，钾素主要通过改变马铃薯大中小薯的比例以及结薯个数影响整体产量。N12K15处理商品薯数、商品薯总重、商品薯率、产量在各处理中最高，低氮处理随钾肥用量增加有效提高商品薯数、商品薯总重、产量，分别比N6K12处理提高6.5%～29.9%、10.7%～32.2%、14.2%～30.1%；N12K18、N18K18处理相比N12K15、N18K15处理商品薯数、商品薯总重、产量、商品薯率均降低。这与宋志荣[26]研究的一定施肥水平下，不同氮钾比与产量因子呈负相关，钾肥增加会提高产量因子，过高时又会降低产量因子结论相同。过多的施氮量会延迟生育进程，影响块茎的成熟；而马铃薯属喜钾作物，但植物体吸收K+的能力并不是无限的，所以氮钾肥的施入应充分结合当地土壤状况、马铃薯特点和生育阶段需求[27]。白志强[28]研究结果也表明，随着施钾量的增加，马铃薯干物质的积累量呈先增加后降低，降低的主要原因是过多的钾肥会导致块茎中含水量的增加，使干物质积累量减少。周娜娜[29]研究表明，滴灌条件下，施氮量在120～270 kg/hm2，马铃薯的产量和商品薯率均随着施氮量的增加而呈先增加后降低的趋势，当施氮量为180 kg/hm2时，产量和商品率均达到最高，因此，滴灌时适量的氮钾肥对马铃薯根系生长、提高根冠比及产量有着重要的意义。