不同水氮策略对马铃薯产量、品质及水氮利用的影响

杨金翰 魏伟 郝喜英 张红杰 黄伟 丁洪峰 田小明

摘要：为探究不同水氮策略对张家口坝上马铃薯根冠结构、产量、品质及其水氮利用的影响，设置双因素试验，因素1为施肥量：氮肥270 kg/hm2（F100）、氮肥270 kg/hm2+调理剂600 L/hm2（PF100）、氮肥229.5 kg/hm2+调理剂 600 L/hm2（PF85）、氮肥189 kg/hm2+调理剂 600 L/hm2（PF70）；因素2为灌水频率：高频灌溉，6 d 1灌（D6）；中频灌溉，8 d 1灌（D8）；低频灌溉，10 d 1灌（D10），分析不同水氮策略对马铃薯根冠结构、产量、品质及其水氮利用的变化特征。结果表明，灌溉频率和施肥量对马铃薯产量、品质及其水肥利用有显著影响。高频灌溉（D6）的马铃薯根长、根体积、根表面积、茎粗、产量和水分利用效率的平均值最大，分别为3 678.6 cm、34.7 cm3、787.8 cm2、72.3 cm、43 721 kg/hm2 和100 kg/（hm2·mm）；中频灌溉（D8）的可溶性糖平均值最大（184 kg/kg）。在同一灌水条件下，随施肥量减少，马铃薯产量和水分利用效率均下降，氮肥偏生产力提高。与F100处理相比，D6和D8条件下PF85处理的蛋白质含量分别显著提高88.6%和48.4%，还原糖含量分别降低1.23%和17.8%，以及D10条件下PF85处理可溶性糖含量显著提升4.3%。基于主成分分析和TOPSIS分析方法，在张家口坝上沙土马铃薯种植地区在不减产条件下能够对马铃薯生长、品质和氮素利用产生积极影响的最佳水氮策略为：高频灌溉并施用85%氮肥+调理剂。得到的水氮最佳配比可为我国北方沙区及其他环境相似地区的灌溉施肥优化管理提供科学依据。

关键词：灌溉频率；全氮含量；马铃薯产量和品质；水氮利用效率

中图分类号：S532.06  文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）13-0095-07

马铃薯是一种对水和肥料敏感的作物，在其水肥管理中普遍存在过度灌溉和施肥的问题。在马铃薯生育期内，任何时期的水分亏缺都会严重抑制马铃薯植株生长［1］。科学合理的灌溉频率作为灌溉策略之一已被许多研究人员报道。Wang等研究表明，当灌水量相同时，灌溉频率对土壤水分的时空分布和马铃薯的根系分布均有显著影响［2］。Kang等研究表明，灌溉频率越高，马铃薯块茎产量及水分利用效率越高［3-4］。总之，恰当的灌溉频率可以改善马铃薯的生长、产量和水分利用效率。

肥料是影响马铃薯生长发育、提高其产量的另一重要因素。合理的施肥量能够提高马铃薯的產量、品质及商品率［5］。为了寻求高产，在马铃薯生产过程中，普遍存在化肥超量使用的现象，而化肥用量过大不仅会导致肥料浪费严重、利用效率极低，还会造成土壤板结、盐碱化，以及马铃薯产量和品质降低等问题［6］。研究发现，施用土壤调理剂能够调节土壤pH值，改变土壤微环境，为植物生长提供适宜的环境［7-9］。因此，针对过量施肥造成的土壤污染问题，施用土壤调理剂是有效的改良措施之一。

目前针对不同水氮策略研究较多的主要为蔬菜类经济作物，针对马铃薯的研究较少［10-11］；另外，以往的研究主要集中在灌溉方式、灌溉速度、灌溉频率、施肥量或施肥时间等单一因素的影响，而没有考虑不同水氮策略对马铃薯产量、品质及水氮利用的影响，因此有必要在不同水氮策略条件下，系统地对马铃薯根冠结构、产量、品质及水氮利用的变化特征展开研究。本研究通过在滴灌施肥条件下进行3种不同灌水频率和4种不同氮肥用量水平交互的大田试验，并运用主成分分析和TOPSIS对马铃薯根冠结构、产量、品质及水氮利用进行评价，确定能够综合提高马铃薯产量、品质和水肥利用率的灌溉频率和施肥量的最佳组合，为张家口坝上马铃薯灌溉和施肥管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验概况

2021年4月28日至9月25日在河北省张家口市宏基农业科技开发有限公司岗子基地（41°46′N，115°57′E）进行大田试验。种植期间年降水量为503 mm，平均气温为16.04 ℃（图1），张家口坝上地区光热丰富，昼夜温差大，年无霜期为90～120 d，当地气候适合种植马铃薯。试验地土壤以沙壤栗钙土为主，土壤有机质含量为16.1 g/kg，全氮含量为0.79 g/kg，碱解氮含量为48.4 mg/kg，速效磷含量为39.6 mg/kg，速效钾含量为107 mg/kg，pH值为8.23。

1.2 试验设计

试验按照双因素随机区组排列，因素1为施肥量：氮肥270 kg/hm2（F100）、氮肥270 kg/hm2+调理剂600 L/hm2（PF100）、氮肥229.5 kg/hm2+调理剂600 L/hm2（PF85）、氮肥189 kg/hm2+调理剂 600 L/hm2（PF70）；因素2为不同灌水频率：高频灌溉，6 d 1灌（D6）；中频灌溉，8 d1灌（D8）；低频灌溉，10 d 1灌（D10）。每个处理重复3次，小区规格为20 m×1.8 m，共计36个小区。

马铃薯种植品种为布尔班克，种植模式为机械起垄种植，行距90 cm，株距24 cm，为了避免不同处理间的相互影响，小区两端设置保护行。试验选取相同量的过磷酸钙（含磷量为 12%，145 kg/hm2）、 硫酸钾（含钾量 为50%，270 kg/hm2）全部作为基肥施入土壤，尿素（含氮量为46%）则按照各处理用量的50%作为基肥施入土壤，剩余50%尿素通过施肥罐在马铃薯（苗期和块茎形成期各施5%，膨大期施27.5%，淀粉积累期施12.5%）分4次施入土壤。土壤调理剂为液体，由阴离子聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、硫酸锰合成，具有保水、缓释作用，有效成分为2%，其中C和N含量分别占0.20%、0.04%。调理剂（一次性施入）溶于水通过施肥罐滴施，种植、管理等方式均按当地习惯。试验设置D6、D8、D10等3种灌溉频率，各灌溉频率每次灌水量分别为 125、 187.5、 250 m3/hm2，出苗后15 d统一灌水 187.5 m3/hm2，在出苗25 d后开始处理，全生育期总灌水量均为 1 125 m3/hm2，每次灌水量根据当地的墒情来适当调整，灌溉和施肥的日期因灌溉前有降水而推迟。

1.3 测定方法

在马铃薯成熟期采集植株，测定其茎粗、株高、根长、根体积和根表面积，同时在各小区选取3处长势较为一致的区域（3 m×1 m）进行产量及其构成因子和品质测定。在马铃薯成熟期各小区内随机采取3株长势均匀且无病害的马铃薯植株，整株挖出，带回实验室，用剪刀将马铃薯的根、茎、叶、块茎器官分解，然后将分解后各个部分器官放置105 ℃烘箱中杀青30 min，然后在80 ℃下烘干48 h后称质量用于测定各器官干物质量。蛋白质含量采用染料结合法［12］；还原糖含量采用DNS（二硝基水杨酸）比色法［13］；可溶性糖含量采用蒽酮硫酸法［14］；马铃薯耗水量采用田间水量平衡法［15］。

肥料偏生产力（PFP）=Y/FT。（1）

式中：PFP为肥料偏生产力；Y为马铃薯产量，kg/hm2；FT为尿素、过磷酸钙、硫酸钾的总施用量，kg/hm2。

水分利用效率用下式计算：

WUE=Y/Etc。（2）

式中：WUE为水分利用效率；Y为作物产量，kg/hm2；Etc为作物全生育期累积耗水量，mm［15］。

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2019及Origin 8.5对试验数据进行整理以及作图，采用SPSS 25.0 统计分析软件进行方差分析，Duncan s新复极差法分析显著性。比较同一指标不同处理间的差异是否达到显著水平（α=0.05）。采用优劣解距离法（（technique for order preference by similarity to ideal solution，TOPSIS）进行多目标综合评价，TOPSIS技术是一种根据评价对象与理想目标的接近程度进行排序的方法，用来评价现有对象的相对优势和劣势［16］。

2 结果与分析

2.1 不同水氮策略对马铃薯生长的影响

由表1可知，灌水频率和施肥量及二者的交互作用对马铃薯根长、根体积和株高都有显著或极显著的影响。其中，高频灌溉（D6）的根长、根体积、根表面积和株高的平均值分别为3 678.5 cm、34.7 cm3、787.8 cm2和72.3 cm，与中频灌溉（D8）和低频灌溉（D10）存在显著差异；不同施肥处理中，以100%氮肥+土壤调理剂（PF100）处理的根长、根表面积和茎粗的平均值最大。在D6条件下，PF100处理的根长、根体积、根表面积、株高和茎粗较100%氮肥（F100）分别增加49.2%、52.0%、71.7%、2.2%和24.5%（P<0.05）；随着灌水间隔时间的延长，PF100处理与F100处理的差异逐渐减小，仅有D8条件下的根表面积有显著提高。在减少氮肥用量基础上添加调理剂对马铃薯植株生长的影响也较大。其中，70%氮肥+土壤调理剂（PF70）在D6条件下的根体积、株高和茎粗较F100处理显著增加46.8%、2.4%和33.0%；在D8条件下，85%氮肥+土壤调理剂（PF85）的株高和茎粗和PF70处理的株高分别较F100处理增加3.1%、11.1%和8.5%（P<0.05）；在D10条件下，PF85处理的根长、根体积、根表面积、株高和PF70处理的株高和茎粗较F100处理也存在显著增加。

2.2 不同水氮策略对马铃薯干物质量和各器官全氮含量的影响

由图2可知，在D6、D8条件下，PF100处理除了在D6条件下茎的全氮含量外，各器官干物质量及根、叶的全氮含量均较F100处理有显著提高；而在D10条件下，PF100处理只有根的全氮含量较F100处理有显著增加。在D6条件下，PF85处理叶的干物质量及根的全氮含量均较F100处理显著增加19.6%、41.5%；PF70处理的根、茎、叶的全氮含量显著增加22.8%、13.4%、14.2%。在D8和D10条件下，PF85、PF70处理的根、叶的干物质量及全氮含量均较F100处理有显著增加。

2.3 不同水氮策略对马铃薯产量、品质及水氮利用的影响

由表2可知，施肥量及其与灌水频率交互作用对马铃薯产量、品质和水氮利用均存在显著或极显著的影响，其中PF100处理的产量、蛋白质含量、还原糖含量和水分利用效率的平均值明显高于其他处理，PF70处理的氮肥偏生产力平均值最高，为 206.4 kg/kg，还原糖含量平均值最低，为0.131%，与其他处理也存在显著差异。不同灌水频率中D6处理的马铃薯产量和水分利用效率平均值最高，分别为43 721 kg/hm2、100 kg/（hm2·mm）；D8处理的可溶性糖含量和氮肥偏生产力平均值最大，分别为1.12%、184.5 kg/kg。在D6和D8條件下，与F100处理相比，PF100处理马铃薯产量、水分利用效率分别显著增加10.2%、9.5%和14.3%、13.5%。减氮添加调理剂对马铃薯品质和氮肥偏生产力影响也较大，其中在D6条件下PF85处理的蛋白质、可溶性糖含量和PF70处理的蛋白质含量和氮肥生产力均较F100处理有显著增加，而还原糖含量降低；在D8条件下，PF85和PF70处理的蛋白质含量和氮肥偏生产力也较F100处理有显著提高，还原糖含量显著降低；在D10条件下，PF85处理的可溶性糖含量和PF70处理的氮肥生产力较F100处理也有显著增加。

2.4 不同灌水频率下主成分分析和综合评价

由图3可知，不同灌水频率（D6、D8和D10）在2个主成分因子上的累计贡献率分别为74.7%、71.8%、81.5%，表明该主成分分析结果可以解释马铃薯生长、产量、品质及水氮利用在不同处理间的差异。在D6和D8条件下，与F100处理距离相近的处理是PF85，而在D10条件下则为PF100。通过综合评价分析也发现类似的结果（表3）可知，在D6和D8条件下，得分最高的为PF100处理（Z值分别为2.54和1.18），其次是PF70和PF85处理；在D10条件下，得分最高的为PF85处理（Z=2.55），其次是PF70和PF100处理。

2.5 基于TOPSIS的多目标综合水平评价

通过TOPSIS计算得到各处理优劣顺序，为 PF100D6>PF100D8>PF85D6>PF85D8>PF70D6>PF70D8>PF85D10>F100D6>PF70D10>F100D8>F100D10>PF100D10（表3）。在D6和D8条件下，排名最高的为PF100处理，其次是PF85处理；在D10条件下，排名最高的为PF85处理，其次是PF70处理。在高频灌溉下，氮肥添加调理剂更有利于各目标达到综合最优。根据TOPSIS计算得出的结果，C*i数值范围都在0～1之间，其数值越贴近1，说明水氮策略越优，因此PF85D6水氮策略组合最优。

3 讨论与结论

有研究发现，总灌水量一定条件下，灌溉周期为4 d时马铃薯产量最大，而在灌溉周期为8 d时更有利于马铃薯植株的生长，并且马铃薯的生长指标也会随着施肥量增加而减小［17-18］。本试验中，高频灌溉（D6）的马铃薯根长、根体积、根表面积和茎粗均显著高于中频灌溉（D8）和低频灌溉（D10），这与前人研究结果相似。在灌水条件相同的条件下，以100%氮肥+土壤调理剂（PF100）处理的根长、根表面积和茎粗的平均值最大，同时减氮添加调理剂对马铃薯的生长指标也有一定提升。这可能是由于该调理剂主要由阴离子聚丙烯酰胺合成，含有大量的羧基（—COOH）、羟基（—OH）、季铵盐等亲水性官能团，对水分和养分均具有一定的固持能力［19］，可为马铃薯生长提供良好的保障。

刘涛等研究发现，低频灌水处理对土壤剖面中原有的水分分布影响较小，中、高频灌水处理可使 0～20 cm土层土壤含水量在一定范围内增高［20］。本研究与100%氮肥（F100）相比，100%氮肥+配施调理剂（PF100）在中高频灌水（D6、D8）条件下对马铃薯各器官干物质量及全氮含量的提升效果明显高于低频灌水（D10），说明在相同氮素营养基础上添加调理剂，提高灌溉频率更有利于表层土壤水分的保持，促进了马铃薯植株生长发育和氮素积累。而减氮配施调理剂（PF85、PF70）在中低频灌水（D8、D10）条件下对马铃薯各器官干物质量及全氮含量增加效果却高于高频灌水（D6）。一方面，减少肥料用量和添加调理剂均可以降低土壤水分和养分淋溶风险［21-22］，提高土壤剖面水分养分的积累；另一方面，当灌水总量一定时，高频灌水会加快土壤硝态氮的淋洗［23］，尽管调理剂对水分养分具有一定的固持作用，但从本研究来看，高频灌溉对土壤养分损失的影响更大。

研究发现，当灌水量相同时，高频灌溉更能够提高马铃薯产量和水分利用效率［24-25］。当灌水条件相同时，马铃薯的产量会随着施肥量的提高先增加后减小［26］，但也有研究发现，增加施肥量能够减轻水分亏缺对马铃薯植株生长的影响，调控马铃薯的生理生长过程，从而提高马铃薯的产量和水分利用效率［27］。有研究显示，作物肥料偏生产力随施肥量增加而降低［28］。Wang等研究发现，相对于低频灌水，高频灌水能够促进马铃薯块茎的生长，提高水分利用效率，相较于1 d的灌水频率，灌水频率为8 d的产量在2001、2002年分别降低33.4%、29.1%［2］。本试验在灌水量不变的情况下，马铃薯产量和水分利用效率均随着施肥量的减少而降低，但氮肥偏生产力随着施肥量的减少而增加，这和前人的研究结果［2］是一致的。在施肥量不变的情况下，产量和水分利用效率也会随着灌水频率的增加而增加，D6 处理下的马铃薯增产效果最好，即灌水频率为6 d，这与侯翔皓等的研究结果［29］不同，可能受土壤类型和气候环境等因素的影响，灌水周期对产量和水分利用效率的影响也略有差异。江俊燕等研究发现，马铃薯滴灌时5 d 1灌的淀粉含量少于3 d 1灌，而7 d 1灌和CK的淀粉含量积累较缓慢，且最终淀粉含量不高［25］，與本研究结果类似，在不同灌溉频率下以D8条件的可溶性糖平均含量最大（184.5 kg/kg）。本研究还发现，与F100处理相比，PF85处理在D6和D8条件下的蛋白质含量以及D10条件下的可溶性糖含量均有显著提升。综上所述，高频率灌溉（6 d 1灌）可以促进马铃薯植株生长发育，提升块茎产量和水分利用率。在相同的灌水条件下，100%氮肥+土壤调理剂对马铃薯生长、产量及水分利用效率提升效果最为显著，且随着施氮量的降低而降低，而氮肥偏生产力则随着施肥量的减小而增加。而在不减产条件下高频灌溉施用85%氮肥+调理剂能够提高马铃薯品质和氮肥的利用率。综合考虑马铃薯生长、产量、水肥利用率和品质等因素，本研究基于主成分分析和TOPSIS分析得出PF85D6（6 d 1灌，调理剂+85%氮肥）水氮策略组合为最优。

参考文献：

［1］胡萌萌. 水分胁迫对马铃薯生长、生理特性、产量和品质的影响［D］. 保定：河北农业大学，2021：31-35.

［2］Wang F X，Kang Y H，Liu S P. Effects of drip irrigation frequency on soil wetting pattern and potato growth in North China Plain［J］. Agricultural Water Management，2006，79（3）：248-264.

［3］Kang Y H，Wang F X，Liu H J，et al. Potato evapotranspiration and yield under different drip irrigation regimes［J］. Irrigation Science，2004，23（3）：133-143.

［4］Kassem M A.Effect of drip irrigation frequency on soil moisture distribution and water use efficiency for spring potato planted under drip irrigation in a sandy soil［J］. Misr Journal of Agricultural Engineering，2008，25（4）：1256-1278.

［5］Michalska A，Wojdyo A，Bogucka B.The influence of nitrogen and potassium fertilisation on the content of polyphenolic compounds and antioxidant capacity of coloured potato［J］. Journal of Food Composition and Analysis，2016，47：69-75.

［6］师学静，柴同海，邢明振，等. 不同肥料配施对马铃薯产量和品质以及土壤理化性状的影响［J］. 河北农业科学，2021，25（2）：72-76.

［7］林小兰. 土壤调理剂对土壤理化性质及马铃薯产量的影响［J］. 福建农业科技，2020（7）：25-28.

［8］李 丹，王道泽，赵玲玲，等. 不同土壤改良剂对设施蔬菜土壤酸化的改良效果研究［J］. 中国农学通报，2017，33（27）：112-116.

［9］李向阳，顾祝禹，张西强，等. 土壤调理剂与有机肥对Cd污染农田的修复效果研究［J］. 湖北农业科学，2022，61（20）：22-27.

［10］邓 忠，翟国亮，王晓森，等. 灌溉和施氮策略对滴灌施肥棉花蕾铃脱落的影响［J］. 灌溉排水学报，2017，36（8）：1-6.

［11］刘世和. 灌水量和滴灌系统水氮施用方式对番茄生长发育的影响［D］. 杨凌：西北农林科技大学，2016：2-5.

［12］郭玉珍，陈庆富. 染料结合法测定荞麦种子蛋白质含量的研究［J］. 广西植物，2007，27（6）：952-957，902.

［13］李志霞，聂继云，闫 震，等. 响应面法对3，5-二硝基水杨酸比色法测定水果中还原糖含量条件的优化［J］. 分析测试学报，2016，35（10）：1283-1288.

［14］聂向荣，樊明寿. 马铃薯氮素营养状况的SPAD仪诊断［J］. 中国马铃薯，2009，23（4）：203-207.

［15］毕丽霏，张富仓，王海东，等. 水肥调控对滴灌马铃薯生长、品质及水肥利用的影响［J］. 干旱地区农业研究，2020，38（1）：155-165.

［16］Wang H D，Wang X K，Bi L F，et al. Multi-objective optimization of water and fertilizer management for potato production in sandy areas of Northern China based on TOPSIS［J］. Field Crops Research，2019，240：55-68.

［17］秦军红，陈有君，周长艳，等. 膜下滴灌灌溉频率对马铃薯生长、产量及水分利用率的影响［J］. 中国生态农业学报，2013，21（7）：824-830.

［18］杨德桦. 不同施肥量和不同施肥方式对襄阳地区马铃薯产量、养分积累规律和品质的影响［D］. 武汉：华中农业大学，2012：15-19.

［19］田小明，王开勇，王激清，等. 高分子材料对土壤-作物氮磷分布及春小麦产量的影响［J］. 农业工程学报，2020，36（21）：97-104.

［20］刘 涛，吴 漩，郑子成，等. 不同灌水频率条件下设施土壤水盐运移特征［J］. 生态与农村环境学报，2016，32（4）：622-631.

［21］杨荣全，谢立勇，郑益旻，等. 不同水肥措施下华北露地菜地氮淋溶特征［J］. 中国生态农业学报，2021，29（1）：176-186.

［22］Geng J B，Ma Q，Chen J Q，et al. Effects of polymer coated urea and sulfur fertilization on yield，nitrogen use efficiency and leaf senescence of cotton［J］. Field Crops Research，2016，187：87-95.

［23］張志云，赵伟霞，李久生. 灌水频率和施氮量对番茄生长及水氮淋失的影响［J］. 中国水利水电科学研究院学报，2015，13（2）：81-90.

［24］Segal E，Ben-Gal A，Shani U. Root water uptake efficiency under ultra-high irrigation frequency［J］. Plant and Soil，2006，282（1）：333-341.

［25］江俊燕，汪有科. 不同灌水量和灌水周期对滴灌马铃薯生长及产量的影响［J］. 干旱地区农业研究，2008，26（2）：121-125.

［26］Ferreira T C，Gonalves D A. Crop-yield/water-use production functions of potatoes （Solanum tuberosum L.） grown under differential nitrogen and irrigation treatments in a hot，dry climate［J］. Agricultural Water Management，2007，90（1/2）：45-55.

［27］王彩绒，田霄鸿，李生秀. 沟垄覆膜集雨栽培对冬小麦水分利用效率及产量的影响［J］. 中国农业科学，2004，37（2）：208-214.

［28］邢英英，张富仓，张 燕，等. 膜下滴灌水肥耦合促进番茄养分吸收及生长［J］. 农业工程学报，2014，30（21）：70-80.

［29］侯翔皓，张富仓，胡文慧，等. 灌水频率和施肥量对滴灌马铃薯生长、产量和养分吸收的影响［J］. 植物营养与肥料学报，2019，25（1）：85-96.