水肥耦合对冬马铃薯产量和水分利用效率的影响

肖石江，普红梅，王 鑫，吴琼芬，梁淑敏，高 森，张 磊，隋启君，李燕山*

（1.云南省农业科学院经济作物研究所，云南 昆明 650205；2.农业农村部云贵高原马铃薯与油菜科学观测实验站，云南 昆明 650205；3.陆良县农业技术推广中心，云南 陆良 655600）

云南省属于低纬度、高海拔、立体气候，光照资源丰富，是中国马铃薯主产省份之一。马铃薯是云南省的第3大粮食作物，周年生产马铃薯已成为云南省马铃薯生产的特色［1］。冬马铃薯包括冬作马铃薯、小春马铃薯、早春马铃薯［2］。冬马铃薯是云南省的特色优势产业，常年种植面积在20万hm2左右，在改善民生问题、发展地方经济中具有重要作用。然而，长期以来云南省降水量在时间上的分配和地理上的分布都极不均匀，11月至第2年4月降水量仅占全年的10%～20%，甚至更少［3］，特别是自2009年以来，全省出现了持续严重的秋冬春连旱天气，造成冬马铃薯严重减产，水资源季节性短缺和时空分布不均是制约云南冬马铃薯高效生产的主要障碍。此外，在马铃薯生产中普遍存在大水漫灌和过量施肥［4］等水肥管理问题，制约着马铃薯产业的健康发展。近年来，马铃薯膜下滴灌节水栽培技术在全省冬马铃薯产区迅速推广应用，水资源利用率大大提高，但是还存在水肥管理脱节问题，水肥利用效率较低，资源浪费、化肥污染等问题日益突出［5］。因此，合理的水肥管理对实现该地区马铃薯节水节肥高效生产和保护生态环境等具有重要理论与实际意义。

水肥是作物生长的两个重要的环境因子，也是可以调控的两大重要技术措施。大量研究表明，水肥对作物生长的作用不是独立的，而是相互作用、相互影响的，水分不仅影响土壤养分的有效性，也影响作物生长及养分的吸收、转运、转化和同化，而土壤养分则通过作物的生长发育和物质分配影响土壤水分的吸收、利用［6-7］。无论是土壤水分还是养分的亏缺或过量均会影响作物的生理生化过程，进而对作物的生长发育和产量产生显著影响［8-9］。马铃薯是一种对水肥较为敏感的作物，水肥是影响其生长的重要因素，已有的研究表明，适宜的土壤水分条件和肥料投入可以促进马铃薯生长发育［10］，提高水肥利用效率，增加产量［11-12］，而不合理的灌溉和施肥，不仅会使产量降低，而且还会造成水肥资源浪费［13-14］。因此，对水肥耦合关系的研究是实现马铃薯优质高产、水肥资源高效利用的关键所在。

近年来，国内外许多学者就灌溉和施肥技术对马铃薯生长、产量和水肥利用效率的影响进行了大量研究［15-19］，但大多仅限于单方面研究灌水量或施肥量，而有关水肥一体化条件下马铃薯水肥耦合的研究较少，且不同区域的地理和环境等条件不同，马铃薯合理的水肥配置及调控会受到多种因素影响而存在差异。为此，本文针对降水量仅有90 mm左右的20万hm2冬马铃薯重度干旱区，以马铃薯品种‘丽薯6号’为研究对象，采用三因子五水平二次通用旋转组合设计进行田间试验，研究在滴灌施肥条件下，不同灌水量和施肥量对马铃薯产量和水分利用效率的影响，以期对滴灌马铃薯水肥进行科学的调控，为当地马铃薯高产优质生产和化肥农药减量施用技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年1月至5月在云南省陆良县芳华镇戚家山村委会山前村2组徐贵生的生产基地，该地位于103°40′E，25°06′N，海拔1883 m，属北亚热带高原季风型冬干夏湿气候区，年均气温14.7℃，≥10℃活动积温4436.3℃，无霜期249 d，年日照时数2239.1 h，年太阳辐射量0.052 KJ·cm-2，年均降水量976.3 mm。土壤类型为红泥质山原红壤，土壤质地为砂壤土，土壤结构小团块状，试验前耕层土壤有机质17.6 g·kg-1、碱解氮123 mg·kg-1、有 效磷81.6 mg·kg-1、速 效 钾205 mg·kg-1、pH值4.7，土壤容重1.28 g·cm-3，田间持水量0.28，土壤保水保肥性能中等，前作玉米。

1.2 试验材料

供试品种：马铃薯品种为丽薯6号。供试肥料：尿素（N 46%），由四川泸天化股份有限公司生产；普钙（P2O516%），由陆良磷肥厂生产；硫酸钾（K2O 50%），由四川川化青上化工有限公司生产；氯化钾（K2O 60%），由中化化肥有限公司生产。滴灌施肥设备包括水泵、水表、PVC管材及相关配件、滴灌管、液体肥料配比罐等，均为大禹节水公司产品。其中滴灌管滴头型号为铁片式，滴头间距为15 cm，浸润宽度30～40 cm；地膜为0.006 mm厚度黑色地膜，由曲靖市塑料厂生产。

1.3 试验设计

本试验采用三因子（灌水量、施氮量、施钾量）五水平二次通用旋转组合设计，因子编码见表1，试验共设20个处理，零水平重复6次，共20个小区，每3垄为一个小区，小区长7.8 m，垄宽1.2 m，小区面积（7.8 m×1.2 m×3垄）28.08 m2。

表1 因子编码水平

试验采用大垄双行、膜下滴灌种植，行距120 cm（大行距80 cm，小行距40 cm），株距26 cm，种植密度64095株·hm-2。各处理磷肥（P2O5）用量均为150 kg·hm-2，播种时各处理全部磷肥、60%氮肥及60%钾肥（硫酸钾）一次性基施，苗期（3月14日）、现蕾期（3月27日）分别滴灌追施20%氮肥和20%钾肥（氯化钾）。试验田间管理一致，播种后及时铺设滴灌带，覆盖地膜，一膜一带，灌水量通过水表控制，每个小区装有独立的水表和阀门，每次灌水以土壤相对含水量达到马铃薯各生育时期的下限指标时进行，生长期间共灌水9次；滴灌施肥系统采用泵压式，每次施肥前先滴水，再滴肥，然后再滴水。马铃薯生长期间降雨总量为126 mm，分别是播种期～苗期1.8 mm、苗期～块茎膨大期47.6 mm、块茎膨大期～收获期76.6 mm。试验于2018年1月6日播种，5月17日收获。

1.4 调查内容及方法

播种前取混合土样和环刀样，测定土壤养分和容重，试验过程中记录灌溉次数、灌水量等指标。在播种期、收获期各处理分别取0～20和20～40 cm土层土壤铝盒样，用烘干法测定土壤含水量，计算0～40 cm土壤贮水量（SWS）和马铃薯阶段耗水量（ET）。收获时，马铃薯成熟期各小区单收进行测产，计算水分利用效率（WUE）。相关计算方法如下：

土 壤 贮 水 量：SWS（mm）=WS×γ×h/100。式中，WS为土壤重量含水量；γ为土壤容重；h为土层厚度。

阶 段 耗 水 量：ET（mm）=SWSi-SWSi+1+P+W。式中，SWSi和SWSi+1分别为试验初期和末期的土壤贮水量；P为生育期降雨量；W为生育期灌水量。

水分利用效率：WUE（kg·hm-2·mm-1）=Y/ET。式中，Y为产量。

试验中得出的数据用Excel 2003和DPS 12.01数据处理软件进行统计分析。其中马铃薯产量及水分利用效率与灌水量、施氮量和施钾量的回归分析采用如下模型：

式中，y表示响应变量，x1、x2和x3分别表示灌水量、施氮量和施钾量的水平编码值，b表示回归系数。

2 结果与分析

2.1 水肥耦合模型建立与检验

利用二次通用旋转组合统计方法对表2中试验结果进行运算，得出灌水量、施氮量、施钾量与马铃薯产量和水分利用效率的回归模型分别为：

表2 不同水肥组合配置及试验结果

由表3可知，回归模型显著性检验结果表明，灌水量、施氮量、施钾量与马铃薯产量和水分利用效率回归模型的F失拟值分别为0.49和0.66，概率分别为0.7750和0.6723，说明试验过程中无其他不可控因素对试验结果产生影响；2个回归模型的F拟合值分别为7.76和5.43，概率分别为0.0018和0.0071，决定系数R2分别为0.8747和0.8302，说明水肥因素与马铃薯产量和水分利用效率之间均有极显著的回归关系，且回归模型均与实际情况拟合较好，可以用来预测。

2.2 主因素效应分析

根据回归模型系数检验结果（表3），从马铃薯产量和水肥利用效率2个回归模型中可以看出，灌水量、施氮量和水氮交互项均对马铃薯产量和水肥利用效率的影响达极显著水平，而施钾量、水钾交互项和氮钾交互项对马铃薯产量和水分利用效率无显著影响。由于试验中各因素水平已经过无量纲线性编码代换，回归模型所求得的回归系数已标准化，故其绝对值的大小可直接反映各因素对产量和水分利用效率的影响程度。因此，从2个回归模型中还可以看出，灌水量和施氮量对马铃薯产量和水肥利用效率主效应影响程度均表现为：施氮量＞灌水量。此外，2个模型的水肥二次项系数均为负值，说明水肥存在适宜用量，水肥不足或过量均会降低马铃薯产量和水分利用效率。

表3 回归模型和系数检验

2.3 单因素效应分析

由于施钾量对马铃薯产量和水分利用效率主效应不显著，因此，将重点分析灌水量和施氮量对马铃薯产量和水分利用效率的单因素效应。对马铃薯产量回归模型进行降维处理，将x3和其中一个因素固定为零水平，得出另一个因素变化与产量关系的子模型，根据子模型可获得灌水量和施氮量在不同水平下的产量预测值及其变化趋势（图1）。由图1可以看出，马铃薯产量随灌水量和施氮量的增加呈先增加后降低的趋势，在中低水平范围内分别增加灌水量和施氮肥量，产量呈上升趋势，当灌水量和施氮量分别达0.3271和0.4669水平时，其产量分别达到最大值，此后产量则逐渐下降。

图1 水氮单因素对马铃薯产量的影响

同样，对马铃薯水分利用效率的回归模型进行降维处理，获得灌水量和施氮量在不同水平下的水分利用效率预测值及其变化趋势（图2）。由图2可以看出，马铃薯水分利用效率随灌水量和施氮量的增加亦呈先增加后降低的趋势，在中低水平范围内增加施氮量，水分利用效率呈上升趋势，当施氮量达0.5447水平时，水分利用效率达最大值，此后，水分利用效率随施氮量的增加缓慢下降；在较低水平范围内增加灌水量，水分利用效率缓慢上升，当灌水量达-0.3745水平时，水分利用效率达最大值，此后则呈下降趋势。

图2 水氮单因素对马铃薯水分利用率的影响

2.4 因素间的交互作用分析

根据回归模型检验结果可知，水氮交互作用对马铃薯产量和水分利用效率的影响均达到显著水平，而水钾、氮钾的交互作用均不显著。因此，为探讨水氮两因素间的交互效应，对回归模型进行降维处理，将x3固定在0 水平，分别得出马铃薯产量和水分利用效率的水氮二元二次回归方程，其对应的水氮交互效应曲面见图3、4。

图3 水氮交互对马铃薯产量的影响

由图3可看出，随着灌水量和施氮量的增加，马铃薯产量呈先增加后降低的变化趋势，当灌水量达到0.6882水平，同时施氮量达到0.8519水平时，其产量达到最大值，即：灌水量1673.6 m3·hm-2、施氮量333.9 kg·hm-2时，产量达到58502.4 kg·hm-2。从图中还可以看出，当灌水量或施氮量任何一个因素偏低或过高时，马铃薯产量都将受到影响而无法获得高产。由此可见，灌水量与施氮量这2个因素间有很好的耦合作用，在一定范围内增加水和氮的配合施用马铃薯产量随之增加，且较高灌水量与较高施氮量配合产量最高，而过量灌水与施氮会降低产量。

图4 水氮交互对马铃薯水分利用率的影响

由图4可以看出，施氮量处于不同水平时，马铃薯水分利用效率随灌水量的增加呈先增加后降低趋势；当灌水量在较高水平以下时，马铃薯水分利用效率随施氮量的增加呈先增加后降低趋势，而当灌水量达到高水平时，马铃薯水分利用效率随着施氮量的增加而增加。但高水分利用效率的组合并不是灌水量和施氮量均处于高水平时，而是施氮量处于较高水平时和灌水量处于中高水平时，两者组合下的水分利用效率达到最高值。同时，从图中还可以看出，低灌水量高施氮量和高灌水量低施氮量时水分利用效率均有最低值，而灌水量和施氮量均处于中高水平以上时水分利用效率较高。说明不同水肥配合，其效应值差异很大，水肥投入量比例失调，水平相距越大，水分利用效率越低，只有2者处于合理的水平时才能对马铃薯水分利用效率起着协同促进作用。

2.5 最优组合方案拟定

根据回归模型，采用频数分析方法，取（-1.682、-1、0、1、1.682）5个水平，通过模拟试验和优化选择，获得马铃薯目标产量在48000～60000 kg·hm-2之间的水肥优化组合有53个（表4），各因素编码95%置信区间取值范围为0.184≤x1≤0.678、0.245≤x2≤0.755、-0.236≤x3≤0.236，最佳水肥方案为：灌水量1569.0～1671.0 m3·hm-2、施氮 量288.0～327.0 kg·hm-2、施钾量163.5～196.5 kg·hm-2，在该水肥管理下可获得较高的水分利用效率，其水分利用效率达178.88～179.03 kg·hm-2·mm-1。

表4 目标产量寻优方案及频率

3 讨论

水分和养分是马铃薯产量形成的物质基础，众多研究表明［13，20］，适量灌水或施肥能明显提高马铃薯水分利用效率，增加马铃薯产量。其中刘战东等［13］研究表明，不同水分处理下马铃薯形态指标变化趋势一致，但中水分处理的各指标均表现较好，产量和水分利用效率也明显增加。梁锦秀等［20］研究表明，增施氮、磷、钾肥马铃薯产量均呈抛物线型增长，施用氮、磷、钾肥能显著提高马铃薯水分利用效率，当氮肥施用量大于240 kg·hm-2、钾肥施用量大于135 kg·hm-2时水分利用效率降低。本试验单因素分析结果表明，灌水量和施氮量均对马铃薯产量和水分利用效率的影响达极显著水平，在一定范围内增加灌水量或施氮量都能提高马铃薯水分利用效率和马铃薯产量，而达到一定量后再增加灌水量或施氮量均会导致马铃薯产量和水分利用效率明显降低，这与前人研究结果具有相同的规律，说明在马铃薯水肥管理中，无论是水还是肥，用量不是越大越好，而是各有其最佳用量。李文证［21］和刘凡［22］研究表明，水肥因子对马铃薯产量和水分利用效率主效应的影响程度为补水量大于施肥量。但大多数研究认为［23-25］，水肥主次效应存在一个转换阀值，在水分不足的情况下，补水的影响效果大于施肥；而在水分充足的情况下，施肥的影响效果大于水分。本试验结果表明，灌水量和施氮量对马铃薯产量和水分利用效率主效应影响程度均表现为施氮量大于灌水量，其原因可能与本试验马铃薯生长期间降雨总量达126 mm，高于当地历史同期90 mm的平均降雨量，导致马铃薯生长期间的水分相对充足有关。此外，本试验结果发现施钾量对马铃薯产量和水分利用效率无显著影响，与前人的研究结果不同［11，26］，这可能与本试验土壤的速效钾含量极丰富有关，但具体原因有待进一步研究。

水肥之间具有明显的耦合关系，适宜的灌溉与施肥，可以使水肥产生协同效应，对实现马铃薯高产和水肥资源高效利用有明显的促进作用。李文证［21］研究认为，水肥耦合的增产效应存在一个阈值，在低于阈值的范围内，提高水和肥的投入水平，能够明显提高作物产量；水肥水平超过阈值时，其互作增产效应不明显，而且水肥水平过高反而对增产不利，且造成水肥投入的浪费。宋娜等［18］研究表明，土壤湿润比为70%，施氮量为180 kg·hm-2时，马铃薯产量和水分利用效率较高。本试验结果表明：水氮交互项对马铃薯产量和水分利用效率影响显著，在一定范围内增加水和氮的配合施用马铃薯产量随之增加，当灌水量达1673.6 m3·hm-2，同时施氮量达333.9 kg·hm-2时，其产量达到最大值58502.4 kg·hm-2，即较高灌水量与较高施氮量配合产量最高；水分利用效率方面，试验结果表明，不同水肥配合，其效应值差异很大，水肥投入量比例失调，水平相距越大，水分利用效率越低，当施氮量处于较高水平和灌水量处于中高水平时，两者组合下的马铃薯水分利用效率达到最高值，即中高灌水量与较高施氮量配合水分利用效率最高，这与何华等［11］的研究结果一致。水分利用效率是节水农业的一个重要指标，提高水分利用效率是实现作物高效生产的一个重要方面，汪德水［27］研究表明，随着水、肥投入的增加作物产量增加，但水肥的利用率却随之下降，即高产与水肥高效一般不能同时达到。因此，在马铃薯水肥管理中，不仅要考虑水肥的合理配合，同时还要考虑高产与水肥资源高效利用相兼顾。

如何优化水肥管理，既提高马铃薯产量，又提高资源利用效率，实现马铃薯高效生产，一直是广大学者研究的重点。前人从产量和节水节肥方面对马铃薯适宜的水肥管理做了大量研究，宋娜等［18］研究表明，70%的土壤湿润比水平和180 kg·hm-2施氮量，是西北旱区滴灌马铃薯生产中节水节肥的水氮组合。张富仓等［19］研究了水肥供应对榆林沙土马铃薯生长和水肥利用效率的影响，从产量和节水节肥的角度考虑，100%ETc，N-P2O5-K2O：175-60-225 kg·hm-2是适宜的水肥组合。本试验通过模拟寻优，获得马铃薯目标产量为48000～60000 kg·hm-2之间最佳水肥方案为灌水量1569.0～1671.0 m3·hm-2、施 氮 量288.0～327.0 kg·hm-2、施钾量163.5～196.5 kg·hm-2，在该水肥管理下可获得较高的水分利用效率。上述结果由于受区域的地理和环境等条件限制，以及研究方法不同，其合理的水肥管理措施也不尽相同。水分利用效率和肥料利用效率是评价资源高效利用的重要指标，本试验中对水分利用效率进行了研究，水肥耦合对马铃薯肥料利用效率的影响及其与产量之间的关系还有待于进一步研究。

4 结论

本试验的灌水量和施氮量均对马铃薯产量和水肥利用效率有极显著影响，其中施氮量主效应影响程度更高，说明本试验条件下灌水量和施氮量是决定马铃薯产量和水肥利用效率的关键因素，并且产量和水肥利用效率更容易受施氮量的限制。此外，水氮交互作用对马铃薯产量和水肥利用效率均有极显著影响，水氮的合理配合可以促进马铃薯产量形成和水肥资源高效利用，较高灌水量与较高施氮量配合产量最高，中高灌水量与较高施氮量配合水分利用效率最高。在本试验条件下，马铃薯目标产量在48000～60000 kg·hm-2之间最佳水肥方案为灌水量1569.0～1671.0 m3·hm-2、施氮量288.0～327.0 kg·hm-2、施钾量163.5～196.5 kg·hm-2，在该水肥管理下可获得较高的水分利用效率，其水分利用效率达178.88～179.03 kg·hm-2·mm-1。