環境因子對特色馬鈴薯產量影響分析

張 皓，鄧仁菊，張學彬，金昭貴，秦 杰，滕萬里，王祿靜，李 娟

(1清鎮市氣象局，清鎮 550014；2貴陽國家農業氣象試驗站，清鎮 550014；3貴州省農業科學院生物技術研究所，貴陽550006)

馬鈴薯是僅次于水稻、玉米和小麥的全球第四大糧食作物，近年來受溫度上升、日照減少與降水格局變化影響，其產量發生明顯波動。有研究表明[1]，馬鈴薯塊莖形成期氣溫每升高1°C，則產量減少3%。宋學鋒[2]在探討氣候條件對馬鈴薯產量的影響過程中發現，馬鈴薯產量與結薯期日照時數呈負相關。貴州喀斯特地貌特征突出，生態環境脆弱，環境承載力低，氣候變化敏感[3]，同時作為西南馬鈴薯產區的重要省份，種植面積位居全國前列。池再香等[4]致力于貴州西部馬鈴薯研究多年，得出氣溫對產量形成的影響為負效應，梁平等[5]采用積分回歸分析、相關分析、一元非線性回歸等方法，從光、溫、水等角度對六盤水馬鈴薯產量形成的動態影響開展了研究，結論與池再香等[4]一致。馬鈴薯生長發育一方面對氣象因子(尤其是水)表現出依賴性，另一方面與土壤肥力及種植模式關系密切。張萌等[6]通過對貴州春馬鈴薯生物效應與土壤肥力的影響分析，證明緩釋肥可以使單株產量和大中薯率分別提高2.6%—73.1%和6.6%—15.1%，并在此基礎上探討了槍施肥技術在貴州春馬鈴薯生產中的應用效果[7]，鄧仁菊以‘中薯3號’為試材，設置不同栽培模式分析冬作早熟馬鈴薯抗旱防寒的效果時發現起壟后采用黑膜覆蓋使早熟馬鈴薯增產明顯[8]。

針對特色馬鈴薯在黔對土壤及氣象因子的適宜性分析未見報道，馬鈴薯產量的形成受氮、磷、硫等元素的吸收、運轉影響又與環境條件、作物本身的抗性與適應性相關[9]。本研究從土壤養分狀況、全生育期內逐日氣象數據兩個方面對馬鈴薯生長環境進行分析，同時探討開廂寬度對馬鈴薯產量形成的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設計

試驗地點位于貴州省清鎮市暗流鎮關口村，海拔1 123.92m，東南向，土壤類型為黃壤，品種選取來源于秘魯的特色馬鈴薯‘紅寶石’。試驗時間為2018年4月24日—2018年7月10日。選擇直徑為5cm的種薯，分別按照0.8m、1.0m、1.2m開廂，兩廂間隔20cm，株距15cm進行種植，布置3個小區，密度分別為66 500株hm2、55 500株hm2、47 600株hm2。底肥施有機肥15 000 kghm2+硫酸鉀復合肥750 kghm2；馬鈴薯出苗>50%時，用尿素150 kghm2進行液態澆施提苗。追肥1次，用硫酸鉀 225 kghm2+尿素150 kghm2，以液態形式追施。整個生育期采用常規田間管理。

1.2 數據來源與方法

氣象數據(氣溫、降水、空氣濕度、地溫、土壤濕度、光合有效輻射)由貴州省氣象局統一建設的農田小氣候站采集。分別測定0.8m、1.0m、1.2m開廂的小區馬鈴薯產量，并換算為單產依次為：19.67thm2、19.72thm2、19.62thm2。馬鈴薯收獲后，下茬作物種植前進行土壤樣品的采集，采樣前一周研究區未見降水，樣品選擇多云天氣下，在一日內完成采集，取馬鈴薯根區1 kg土壤樣。土壤pH：電位法；土壤有機質：油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法；堿解氮：堿解擴散法；全磷：高氯酸消解-鉬銻抗比色法；有效磷：碳酸氫鈉法；全鉀：氫氧化鈉熔融-火焰光度計法；速效鉀：醋酸銨-火焰光度計法。測定委托貴州省農業科學院完成。

表1 全國第二次土壤普查養分分級標準

Table 1 Nutrient classification standards for the second national soil census

2 結果與分析

2.1 土壤養分

根據毛留喜等[10]研究，馬鈴薯生長的土壤酸堿度最適范圍為5.0—6.5，研究地點實際測得pH為6.39，適宜馬鈴薯生長。對照表1、表2可知，有機質含量達到了Ⅰ級，作為土壤氮素有效性指標的堿解氮極豐富，高達 166.84 mgkg，為馬鈴薯生長提供了充分的氮素保障。土壤中全磷極為缺乏含量僅為0.10 gkg，有效磷為最適宜(11.98 mgkg)。全鉀含量1.22 gkg屬于極缺乏，而速效鉀含量卻極豐富。

表2 土壤養分狀況

2.2 氣象因素

根據周岑岑[11]的研究將生育期劃分為播種、出苗、塊莖形成、塊莖膨大和成熟五個時期。由表3、圖1可知，從播種到出苗，氣溫在13.4—28.6℃，有利于種薯發芽和根系迅速生長；從出苗到塊莖形成，平均氣溫20.9℃；塊莖形成到膨大的過程中，平均氣溫為21.2℃；塊莖膨大到成熟，平均氣溫為23.7℃。由圖1可知在馬鈴薯的整個生育期內，氣溫日較差最大值出現在塊莖膨大到成熟期(6月8日)，有利于塊莖增長和同化產物的增長。總體而言平均氣溫逐步升高并且變化平穩。

表3 馬鈴薯全生育期氣象因子

土壤中進行的水、肥、氣、熱的交換相對于大氣活動而言變化緩慢，土壤溫度調節受微生物活動，呼吸速率的影響，導致在全生育期內土壤最高溫度、最低溫度的變化斜率分別為0.009 9和0.06，均小于氣溫變化幅度(圖2)；溫度日較差的降低速度土壤要快于大氣，也反映出土壤在溫度調節方面具有緩沖作用。塊莖生長-膨大期以土溫16—18℃對塊莖的形成最為有利，本試驗中該時段的土壤平均溫度為21.5℃，并且最高溫度達到了28.3℃，這對于馬鈴薯產量形成不利[12]。

圖3顯示，土壤的相對濕度與降水量密切相關。播種-出苗，土壤相對濕度為37.3%，降水量為41.0mm，能充分滿足塊莖生芽出苗；出苗-塊莖生長期間，植株對水的需求最為敏感，此間平均相對濕度為37.5%，降水量為48.8mm，未充分達到馬鈴薯產量形成所需的最優條件，后期(塊莖生長-塊莖膨大)降水量(108.4mm)增大，匍匐莖二次生長容易造成塊莖畸形或者增加屑薯量，影響最終產投比。

馬鈴薯是喜光作物，本試驗將馬鈴薯生育期內逐日光合有效輻射≥50μmol(m2·s)的時數[13]作為光合有效時數，并確定了每日起始時間。由圖4、5可知，生育期各階段平均光合時數分別為9.56h、9.62h、9.69h、10.04h，全生育期平均光合時數為9.83h。播種-出苗，起始時間頻率最高的為9：00，光合累計時數為34.6h；出苗-塊莖生長，起始時間頻率最高的為8：50，光合累計時數為39.1h；塊莖生長-塊莖膨大，起始時間頻率最高的為7：30，光合累計時數為39.9h；塊莖膨大-成熟，起始時間頻率最高的為8：50，光合累計時數為58.8h。馬鈴薯全生育內日均光合有效時數為9.8 h，長時間日照不利于塊莖生長[14]。

2.3 相關性分析

由表4可見，氣象因子中，氣溫、土壤溫度與光合有效輻射之間為負相關，后兩者相關性達到了顯著水平(-0.959)，說明生育期內溫度升高反而不利于光合有效輻射增加。土壤因子中，pH與全磷、全鉀含量存在極顯著相關性，不同的是與前者為負相關系數為-0.965，與后者為正相關(0.967)；有機質與堿解氮之間呈極顯著正相關(0.950)；堿解氮與速效鉀之間為顯著正相關(0.896)；全磷與全鉀為極顯著負相關(-0.978)。氣象因子與土壤因子間的相關性，在土壤溫度與有機質、堿解氮、速效鉀中表現為顯著負相關，相關系數分別為：-0.959、-0.972、-0.977；光合有效輻射與速效鉀之間呈極顯著正相關，系數達到了0.993。馬鈴薯產量與累計降水量、全磷、有效磷為正相關。

表4 各因子與馬鈴薯產量間相關性

注：*、**分別表示通過 0.05、0.01水平的顯著性檢驗。Yield為實際產量，P為累計降水量，T為氣溫，St為土壤溫度，Srh為土壤相對濕度，PAR為光合有效輻射，OM為有機質，EN為堿解氮，TP為全磷，EP為有效磷，TK為全鉀，EK為速效鉀。下同

2.4 主成分分析

為探索不同開廂寬度馬鈴薯產量、土壤及氣象因子狀況，對13個指標進行主成分分析，表5為得分系數矩陣。可知有機質(OM)、堿解氮(EN)在第一主成分中的因子荷載最大，光合有效輻射(PAR)在第二主成分中荷載最大。

把因子載荷矩陣中的第i列向量除以第i個特征根的開方以后，就得到第i個主成分Fi的特征向量；將得到的系數向量與標準化后的原始數據相乘，然后就可以得出主成分Fi的表達式；以各主成分的方差貢獻率為權重進行加權匯總，得到各開廂寬度主成分綜合值F綜合[15](表6)。

表5 成分得分系數矩陣

表6 不同開廂寬度主成分因子綜合得分

3 結論與討論

3.1 土壤因子含量豐缺不一

各土壤因子中pH、有機質、堿解氮適宜馬鈴薯生長及產量形成，全磷、全鉀缺乏，而速效成分達到了最適宜和極豐富水平。Guo等[16]測定我國7省份 35 個地區的 154 塊農田表土pH，結果表明：1980—2000年這20年間農田耕層土壤 pH 顯著下降 0.5 個單位(P<0.001)。試驗地段前茬作物為蓮花白，屬十字花科，為減少根腫病的發生施用了適量石灰[17]，有效緩解了土壤酸化，提升了土壤酶活性，在營養物質轉化、能量代謝等過程中為促進產量形成發揮了重要作用[18-20]。這導致本研究結果與Guo等[16]的研究存在偏差。馬鈴薯對氮營養具有很靈敏的反應，每公頃22 500 kg的馬鈴薯會從土壤中吸收8.3 kg的氮素[21]，同時氮素在細胞原生質的形成過程中有重要作用，其含量高低與馬鈴薯生長發育優劣聯系緊密。馬鈴薯生長發育期間植株吸收和利用的磷較少，磷素在土壤中容易被固定導致全磷缺乏，而根際酸化可以使難以移動的磷素被活化，提高植物對它的利用率[22]，引起有效磷含量的增加。土壤中90%—98%全鉀在相當長時間內是無效的，速效鉀易被植物吸收，馬鈴薯是喜鉀的作物，在植物體內鉀素雖然不直接參與有機物合成，但是對糖類轉運和淀粉的合成有著重要的作用。相當含量的速效鉀，能在塊莖膨大期促進物質由地上向地下轉移[11]。

3.2 生育期氣象因素對產量影響弊大于利

通過對馬鈴薯各生育期氣象因素分析，表明氣溫利于植株生長和干物質積累，從出苗到塊莖形成，葉片充分舒展，為地上部分生長的關鍵時期，氣溫在9—25℃[23]馬鈴薯葉片的展開速率與溫度呈現線性正相關關系；塊莖形成到膨大的過程中，地上部莖葉生長和塊莖形成同時進行，溫度高低將決定株結數數量多少，21.2℃處于植株最佳凈光合速率的氣溫區間[24]；塊莖膨大到成熟，馬鈴薯干物質分配更傾向于地下部分運移，以塊莖體積和重量增長為中心，同時較大的氣溫日較差有利于積累淀粉。最適合馬鈴薯塊莖生長的土壤溫度為 16—18℃[25]，長期高溫會導致干物質向塊莖中轉移受阻、塊莖比重下降[26]；而水分在不同生育期內含量多少對馬鈴薯產量高低至關重要，整個生育期內每產出1kg新鮮塊莖，需要消耗100—150kg的水[27]，而土壤水分前期不足后期過多的現象會造成屑薯率增加，影響商品化率；長日照條件下，馬鈴薯匍匐莖過分生長，塊莖膨大受阻[28]。

3.3 環境因子間及其與產量相關性正負各異

氣溫、土壤溫度與光合有效輻射之間呈負相關，pH與全磷為極顯著負相關，與全鉀含量為極顯著正相關；有機質與堿解氮之間呈極顯著正相關；堿解氮與速效鉀之間為顯著正相關；全磷與全鉀為極顯著負相關。土壤溫度與有機質、堿解氮、速效鉀中表現為顯著負相關，土壤溫度升高利于有機質分解，促進作物對氮素和鉀素吸收，造成土壤中營養物質的減少；光合有效輻射與速效鉀之間呈極顯著正相關，速效鉀易被吸收，游離于作物體內，利于氣孔導度和葉肉導度對光照變化的響應[29]；馬鈴薯產量與全磷、有效磷為正相關，土壤磷素含量高會導致塊莖數量的增加，從而提高馬鈴薯產量，但過量施用會降低單薯重量[30]；光合有效輻射過強會影響馬鈴薯葡匍基頂端的膨大和塊基的形成[31]，而且長時間的輻射造成土壤水分蒸發嚴重，不能及時供給作物利用影響產量形成，鉀被植物吸收造成土壤中含量降低，因此產量表現出與光合有效輻射、土壤相對濕度、土壤速效鉀含量呈負相關的結果。

3.4 開廂寬度對產量影響表現

通過主成分分析，三種開廂寬度主成分因子綜合得分排序為：1.0m(0.06)>0.8m(0.02)>1.2m(-0.03)。開廂寬度對應的種植密度分別為66 500株hm2、55 500株hm2、47 600株hm2，實際產量及主成分分析結果說明：馬鈴薯的產量與密度呈拋物線型關系，當種植密度達到產量和個體經濟性狀最佳以后，再增加則產量降低，這一結果與梁錦秀等的研究結果相一致[32]。主要原因是：雖然馬鈴薯種植密度在增加，然而密度對馬鈴薯的光能轉化率無顯著影響，而塊莖的平均重量及大中薯率則下降[33]。

筆者通過調研了解到，與同時期在威寧開展的引種試驗比較，從產量上而言試驗地段不適宜開展春馬鈴薯的種植。本研究表明，塊莖生長-膨大期土壤溫度偏高，全生育期光合有效時數偏長以及降水前少后多，不利于馬鈴薯增產，為主要限制因子。但是針對不同開廂寬度進行的各因子主成分分析表明，1.0m開廂更適宜試驗地點該種馬鈴薯的種植。