不同水氮水平對馬鈴薯產量和水氮利用效率的影響

李文婷，王仕穩，鄧西平，李紅兵

（1.中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西楊凌712100；2.中國科學院大學，北京100049；3.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌712100）

不同水氮水平對馬鈴薯產量和水氮利用效率的影響

李文婷1，2，王仕穩1，3，鄧西平1，3，李紅兵1，3

（1.中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西楊凌712100；2.中國科學院大學，北京100049；3.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌712100）

為了給馬鈴薯生產提供科學合理的水氮管理依據，以品種“大西洋”脫毒組培苗為材料，通過3個水分水平（90%，70%和50%的土壤田間持水量）和3個氮肥水平（不施氮，施N 0.2 g·kg－1，施N 0.4 g·kg－1）完全組合的盆栽試驗研究了不同水氮水平對馬鈴薯產量和水氮利用效率的影響。結果顯示：在同一水分水平下，中氮處理的塊莖產量、整株生物量和水氮利用效率明顯高于低氮和高氮處理；在同一施氮量下，隨著土壤含水量的增加，馬鈴薯的塊莖產量、整株生物量和氮肥利用率明顯提高。在9種水氮組合方式下，正常水分和中氮處理下的塊莖產量、整株生物量、氮肥農學利用率和氮肥偏生產力最高，分別為273 g·株－1、359 g·株－1、52.5 g·g－1和143.9 g·g－1。這說明90%的田間持水量和0.2 g·kg－1土有利于馬鈴薯植株獲得較高的產量和水氮利用效率。此外，中氮下較高的整株生物量和較低的收獲指數說明：適量施用氮肥增加產量主要是因為其增加了整個植株同化物的積累，而非增加了同化物向塊莖的分配。

馬鈴薯；土壤含水量；施氮量；產量；水分利用效率；氮肥利用效率

馬鈴薯是世界第四大、我國第五大糧食作物，也是重要的蔬菜、飼料、工業原料和能源作物，其產量直接影響著世界糧食安全［1］。然而在實際生產中，馬鈴薯產量的形成是其遺傳特性和光、溫、水、肥等外在環境因素綜合作用的結果，其中水和氮是最易被人所調控的兩種環境要素，也是影響馬鈴薯產量的主要因素［2－3］。馬鈴薯是水分敏感型作物，發生在其任何生長階段的水分虧缺都會引起減產和品質降低，尤其是在馬鈴薯產量形成的關鍵時期即塊莖形成到收獲的這段時間，植株對水分最為敏感［4－5］。而近年來由于全球氣候變化，干旱發生的程度、范圍和頻率都在不斷擴大，水資源日益短缺，嚴重限制了馬鈴薯的生產。合理的氮肥供給可協調馬鈴薯莖葉和塊莖的生長，維持光合器官和儲存器官的適宜比例，利于養分的積累和產量的提高；氮肥不足則會使植株生長矮小、緩慢，葉片小而薄、早衰，產量降低；而過量施用氮肥會引起植株前期徒長，后期貪青，生長中心不能適時轉移，從而降低產量［6－9］。關于水氮對馬鈴薯的影響，前人的研究多集中在水分或氮肥單因子對馬鈴薯產量或水氮利用效率的影響上，關于水氮的交互作用卻少有研究。因此，本試驗研究了在馬鈴薯產量形成的關鍵期不同水氮水平下馬鈴薯的產量和水氮利用效率的變化，以期為馬鈴薯的高產、水資源和氮肥的高效利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

本試驗在陜西楊凌中國科學院水利部水土保持研究所試驗場進行，地理位置為34°12′～34°20′N，108°～108°7′E，海拔431～563 m，多年平均氣溫13℃，平均日照時數2 163.8 h。試驗用土為中國科學院安塞水土保持綜合試驗站（36°51′N，109°19′E）的黃綿土，pH值為8.27，有機質含量為2.4 g·kg－1，全氮含量為0.32 g·kg－1，全磷（P）含量為0.68 g· kg－1，全鉀（K）含量為19.6 g·kg－1，硝態氮含量為16.91 mg·kg－1，銨態氮含量為38.72 mg·kg－1，有效磷（P）含量為24.82 mg·kg－1，速效鉀（K）含量為276.3mg·kg－1。以馬鈴薯品種‘大西洋’無毒組培苗為試材，以尿素（N 46%），重過磷酸鈣（P2O546%）和硫酸鉀（K2O 51%）分別作為氮、磷、鉀肥。

1.2 試驗設計

本試驗為3個水分水平和3個氮肥水平完全組合試驗，共9個處理，具體見表1。各處理磷肥和鉀肥用量相同，分別是每公斤風干土施P2O50.2 g和K2O 0.1 g。試驗用盆為高30 cm、直徑30 cm的圓形塑料桶，在移苗前3天按9.5 kg·桶－1稱取風干好的安塞黃綿土，并與準備好的肥料充分混合后裝入桶內。2014年4月10日選取苗高約20 cm、長勢一致的組培苗移栽入桶中，每桶一株，每個處理45桶，共405桶。土壤持水量采用稱重法進行計算，每天稱重記錄并補充散失的水分。移苗后在土壤表面覆蓋約1.5 cm厚的蛭石，防止因澆水產生的土壤板結。5月6日之前桶內一直保持土壤田間持水量的90%。為防止降雨對盆內水分含量產生影響，試驗在透明遮雨棚下進行。從塊莖出現后（5月6日）開始按處理進行水分控制，直到試驗結束（6月18日）。

1.3 測定指標和計算方法

在試驗結束時（6月18日）取樣，完整收取植株，分葉、莖、根和塊莖稱量鮮重，塊莖產量和整株生物量按每株進行計算。

其余相關指標的計算方法如下：

收獲指數＝塊莖產量／整株生物量

水分利用效率＝塊莖產量／生育期總耗水量

氮肥農學利用率＝（施氮處理產量－不施氮產量）／施氮量

表1 試驗處理設計Table 1 Experimental design

氮肥偏生產力＝施氮處理產量／施氮量

試驗數據采用Microsoft Excel2010處理，用SPSS 19.0統計分析軟件進行方差分析和Duncan顯著性檢驗（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同水氮水平對馬鈴薯塊莖產量的影響

適宜的水分條件和合理的養分供應是作物高產的基礎。從圖1可看出，正常水分和中氮處理下的塊莖產量最高，為273 g·株－1；重度水分脅迫和高氮處理下的最低，為135 g·株－1。在各個水分水平下，中氮顯著增加了塊莖產量，但隨著施氮量的增加，高氮處理下的塊莖產量卻始終低于中氮。這說明適量施氮有助于提高產量，而過量施氮則對產量產生了抑制。在正常水分時，中氮處理的產量比低氮增加了57.5%，高氮則增加了24.3%；在中度水分脅迫下，中氮處理的產量比低氮增加了56.3%，高氮則增加了21.9%；在重度水分脅迫處理下，中氮產量比低氮增加了41.2%，高氮卻沒有增加產量。這說明氮肥的增產與水分水平密切相關，土壤含水量越少越不利于氮肥增產效應的發揮。當施氮量相同時，馬鈴薯塊莖產量隨著土壤水分的增多而增加。當水分水平從中度水分脅迫升到正常水分時，低氮下的塊莖產量增加了5.6%，中氮下的增加了6.4%，高氮下的增加了7.6%；當水分從重度水分脅迫升到正常水分時，低氮下的塊莖產量增加了18.3%，中氮下的增加了31.9%，高氮下的增加了59.7%。這說明較多的水分有利于馬鈴薯的產量以及氮肥的增產效應。換句話說，也就是充足的水分是保證馬鈴薯高產及氮肥高效的前提。方差分析表明：不同水分、不同施氮量以及二者的交互作用對馬鈴薯塊莖產量影響顯著（表2）。

表2 不同水氮處理下馬鈴薯塊莖產量、整株生物量、收獲指數和水氮利用效率的方差分析Table 1 Variance analysis on effects of different water and nitrogen levels on tuber yield，total plant biomass，harvest index，water and nitrogen use efficiency of potato

圖1 不同水氮條件下馬鈴薯的塊莖產量Fig.1 Potato tuber yield under different water and nitrogen levels

2.2 不同水氮水平對馬鈴薯整株生物量和收獲指數的影響

整株生物量可以用來反映植株同化物的積累情況。從圖2可以看出，馬鈴薯整株生物量的變化趨勢與塊莖產量基本一致。正常水分和中氮處理下的整株生物量最高，為359 g·株－1；重度水分脅迫和低氮處理下最低，為171 g·株－1。在同一水分水平下，施氮顯著增加了馬鈴薯的整株生物量，但高氮處理下的始終低于中氮，這說明高氮對植株生物量的積累也產生了抑制。在同一施氮量下，隨著水分的增多，整株生物量也隨之提高，這說明較多的水分有利于植株同化物的積累。方差分析表明：不同水分水平、不同施氮量及二者的交互作用對馬鈴薯整株生物量的影響均為顯著。

收獲指數是馬鈴薯的經濟產量與植株同化產物總量之比，可以反映同化物向塊莖分配的比率。從表2可以看出，不同水分水平對馬鈴薯的收獲指數沒有顯著影響，施氮量和水氮交互作用則影響顯著。從圖3可以看出，不管在哪個水分水平下，中氮和高氮處理下的收獲指數始終低于低氮，中氮和高氮之間則沒有顯著差異。

2.3 不同水氮水平下馬鈴薯的水、氮利用效率

水分利用效率反映了作物耗水與其經濟產量之間的關系。由表3可以看出，在同一水分水平下，中氮處理的馬鈴薯水分利用效率最高，高氮處理的則低于中氮。這說明水分利用效率并不隨著施氮量的增加而增加，適量施氮才有利于提高水分的利用率。當施氮量相同時，中氮處理下的水分利用效率隨著水分的減少而增加，這表明在缺水時適量的施氮可以有效地提高馬鈴薯對水分的利用。高氮處理下的水分利用效率在中度水分脅迫下最高，重度水分脅迫次之，正常水分最低。這一方面也說明了缺水時施加氮肥可以提高植株的水分利用效率，另一方面則說明嚴重缺水的環境并不利于高氮作用的發揮。方差分析表明：施氮量對馬鈴薯水分利用效率的影響顯著，而不同水分水平以及水氮交互作用的影響不顯著。這說明水分利用效率的變化主要是受施氮量的影響。

圖2 不同水氮條件下馬鈴薯的整株生物量Fig.2 Biomass of potato plant under different water and nitrogen levels

圖3 不同水氮條件下馬鈴薯的收獲指數Fig.3 Harvest index of potato under different water and nitrogen levels

表3 不同水氮水平下馬鈴薯的水分利用效率，氮肥農學利用率和氮肥偏生產力Table 3 Water use efficiency，nitrogen agronomic efficiency and nitrogen partial factor productivity of potato under different water and nitrogen levels

氮肥利用率的高低反映了作物在不同氮肥處理下對氮肥吸收利用能力的大小。本試驗選取了氮肥農學利用率和氮肥偏生產力來對馬鈴薯的氮肥利用率進行研究。氮肥農學利用率是指單位施氮量所增加的塊莖產量，是評價氮肥增產效應較為準確的指標。氮肥偏生產力是指施肥后的作物產量與氮肥施用量的比值，可用來評價氮肥施用的投資效益。從表3中可以看出，在同一水分水平下，中氮處理下的馬鈴薯氮肥農學利用率和氮肥偏生產力明顯高于高氮。這說明氮肥的利用效率并不是施用量越多越高。在同一施氮量下，氮肥農學利用率和氮肥偏生產力都隨著土壤水分的增加而增加，這表明較多的土壤水分更有利于氮肥作用的發揮。在不同的水氮水平下，正常水分和中氮處理下植株的氮肥農學利用率和氮肥偏生產力最高，分別為52.5 g·g－1和143.9 g·g－1；重度水分脅迫和高氮處理下的最低，分別為－3.1 g·g－1和35.6 g·g－1。因此，表3表明，充足的水分和適量的氮肥才有利于馬鈴薯氮肥利用率的提高。而在重度水分脅迫和高氮的環境條件下，作物的氮肥利用率較低可能是由于作物受到了環境脅迫，比如高氮使土壤滲透勢加大，從而不利于根系對養分的吸收。

3 討論與結論

作物高產和水肥利用效率的提高是現代高效節水農業水肥管理的重要目標。但在實際生產中，水分和養分對作物生長的作用并不是孤立的，而是相互影響相互制約［10］。作物對養分的吸收利用依賴于土壤水分，因此土壤的水分狀況在很大程度上決定著養分的有效性［11］；施肥則能提高旱地土壤水分的有效性，使植株能吸收利用更多的土壤水分，改善植株的生理功能，提高水分利用效率［12－13］。因此，水肥協調才有利于植株的生長，提高產量和水肥利用效率［14－17］。沈榮開等［18］研究了不同水分和氮肥條件下冬小麥和夏玉米的產量以及水分利用效率，結果發現，氮肥效益的發揮與農田水分狀況密切相關，合理的配施水氮才能獲得更高的產量與水分利用效率。本研究結果顯示：不同的水氮處理下馬鈴薯的塊莖產量和水氮利用效率明顯不同。在同一施氮量下，隨著水分的增加，馬鈴薯的塊莖產量和氮肥利用率明顯提高；而在同一水分水平下，隨著施氮量的增加，高氮處理下的塊莖產量和水氮利用效率卻始終低于中氮。這一方面說明了水分影響著氮肥效應的發揮，另一方面則說明馬鈴薯的生長發育對氮肥的吸收利用存在一定范圍，超過這個范圍氮肥反而不利于植株生長和產量形成。前人的一些研究顯示水分水平對水分利用效率影響顯著［19］。而我們的試驗結果顯示水分對水分利用效率沒有顯著影響，Costa等［20］和宋娜等［21］的研究也顯示了類似的結果，Costa等［20］認為這可能是由于隨著土壤含水量的減少，塊莖產量和植株耗水量也相應減少所導致。在我們的試驗中，這可能是由于盆栽種植植株耗水量過大所導致。此外，正常水分和中氮處理下的塊莖產量最高，重度水分脅迫和高氮處理下的塊莖產量最低，表明只有在較充足的水分和適量的氮肥供應下馬鈴薯才能獲得較高的產量。

馬鈴薯塊莖產量90%以上來自于光合同化物［22］。植株生育期間同化物的積累和分配直接影響到塊莖產量的形成［23］。一般來說，植株同化物積累的越多，塊莖產量越高；同化物向塊莖分配的越多，塊莖產量也越高。我們的試驗結果顯示：隨著水分的增加植株積累的同化物（整株生物量）明顯增多，但收獲指數沒有顯著變化；隨著施氮量的增加，整株生物量在中氮處理下的最高，高氮處理的次之，低氮處理的最低，而收獲指數卻是低氮處理的始終高于中氮和高氮，中氮和高氮處理之間則沒有顯著差異。這說明在中氮條件下馬鈴薯塊莖產量的提高主要是由于中氮增加了整個植株同化物的積累，而不是增加了同化物向塊莖的分配。

總之，我們的試驗結果表明：充足的水分供給是保證馬鈴薯高產和氮肥高效利用的前提。適量氮肥的施加主要是通過提高植株同化物的積累來增加產量，并提高水分利用效率。馬鈴薯植株對氮肥的吸收利用量存在一定的范圍，過量施加氮肥并不利于馬鈴薯的產量積累和水氮利用效率的提高。所以，因地制宜地調節水分和養分，使其滿足植株生長的需求，是實現馬鈴薯生產高產高效的主要途徑。然而，由于本試驗所在地與馬鈴薯種植區的氣候條件有所差異，試驗結果還需要做大田試驗進一步的驗證。

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Effects of different water and nitrogen levels on tuber yield，water and nitrogen use efficiency of potato

LIWen-ting1，2，WANG Shi-wen1，3，DENG Xi-ping1，3，LIHong-bing1，3
（1.Stata Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau，Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，Yangling，Shaanxi 712100，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3.Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A＆F University，Yangling，Shaanxi 712100，China）

Using virus-free plantlets of potato（cultivar Atlantic），a pot experiment with three soil water levels（90%，70%and 50%of field capacity）and three nitrogen fertilizer levels（0，0.2，0.4 g·kg－1）was conducted to study the effect of different water and nitrogen levels on tuber yield，water and nitrogen use efficiency of potato in order to provide information for better management of water and nitrogen in potato production.The results showed that，under the same water level，potato tuber yield，biomass，water and nitrogen use efficiency under moderate nitrogen were higher than those of low and high nitrogen.Under the same nitrogen level，potato tuber yield，biomass and nitrogen use efficiency all increased with the increase of soil water content.Among the nine treatments，tuber yield，biomass，nitrogen agronomic efficiency and partial factor productivity under well-watered and moderate nitrogen condition were the highest，and their values were 273 g·plant－1、359 g·plant－1、52.5 g·g－1and 143.9 g·g－1，respectively.It suggests that 90%of field capacity and 0.2 g·kg－1soil was helpful to higher yield and use efficiency of water and nitrogen.In addition，higher biomass and lower harvest index under moderate nitrogen suggest that moderate nitrogen increase yield mainly through increasing the accumulation of assimilates in plant，but not increasing the allocation of assimilates to tuber.

potato；soil water content；nitrogen fertilizer rate；yield；water use efficiency；nitrogen use efficiency

S532

A

1000-7601（2016）06-0191-06

10.7606／j.issn.1000-7601.2016.06.29

2016-01-06

國家科技支撐計劃“黃土高原旱區增糧增效潛力與提升技術研究（2015BAD22B01）”

李文婷（1983—），女，山西運城人，博士研究生，研究方向為植物生理生態。E-mail：34338910＠qq.com。

鄧西平（1959—），男，陜西西安人，研究員，主要從事植物生理生態研究。E-mail：dengxp＠ms.iswc.ac.cn。