施氮量對(duì)間作馬鈴薯植株氮素累積及產(chǎn)量的影響

蔡 明，劉吉利，楊亞亞，賀錦紅，常雯雯，何海鋒，吳 娜

(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏銀川750021;2.寧夏大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，寧夏銀川750021)

氮素是植物生長(zhǎng)所必需的大量元素之一，被稱為“生命的元素”［1］，在馬鈴薯的器官建成、物質(zhì)代謝和塊莖品質(zhì)的形成中起著舉足輕重的作用［2］，過量施氮會(huì)導(dǎo)致莖葉徒長(zhǎng)，塊莖干物質(zhì)含量下降，延遲塊莖成熟［3］。植株吸收的氮素主要來自土壤和肥料，旱地土壤中最為缺乏的便是氮素，土壤中氮素含量直接影響到作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量［4-5］。作物對(duì)氮素的吸收、利用與轉(zhuǎn)移與施氮量密切相關(guān)［6］。馬鈴薯間作小麥研究表明［7］，合理的施氮量可實(shí)現(xiàn)作物的穩(wěn)產(chǎn)，提高氮素利用率，也可有效降低氮肥污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。大麥間作蠶豆試驗(yàn)表明［8］，隨著施氮量的增加，單作和間作氮素吸收量和吸收速率均呈增加趨勢(shì)，隨生育期的推移，氮素吸收速率降低。一直以來，氮肥管理都是養(yǎng)分管理研究的重點(diǎn)［9］。

馬鈴薯(Solanum tuberosum)作為寧夏南部山區(qū)的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)栽培作物和抗災(zāi)作物，在地區(qū)氣候適應(yīng)、光熱等資源利用方面優(yōu)勢(shì)明顯，在助力寧南山區(qū)脫貧致富和創(chuàng)收增收方面成效顯著［10-11］。近年來，馬鈴薯在寧南山區(qū)大面積連作，導(dǎo)致晚疫病發(fā)病率高和用、養(yǎng)地矛盾突出［12］。間套作種植被看作傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精髓［13］，研究表明［14］，馬鈴薯間作可有效緩解用地矛盾，發(fā)揮出馬鈴薯最大的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)。盡管前人在間作和施氮方面做了大量的研究，但關(guān)于馬鈴薯燕麥間作施氮對(duì)植株氮素累積及產(chǎn)量影響的研究較少。本文通過在寧夏南部山區(qū)開展施氮量對(duì)間作馬鈴薯植株氮素累積及產(chǎn)量方面的研究，充分挖掘馬鈴薯與其他作物的間作優(yōu)勢(shì)潛力，緩解馬鈴薯連作危害，揭示施氮對(duì)間作馬鈴薯氮素吸收累積影響規(guī)律，為當(dāng)?shù)伛R鈴薯科學(xué)、高效施肥及進(jìn)一步研究氮素的運(yùn)移提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年5—10月在寧夏海原縣樹臺(tái)鄉(xiāng)大嘴村(105°09＇～ 106°10＇E，36°06＇～ 37°04＇N)進(jìn)行。研究區(qū)地處寧夏中部干旱帶，試驗(yàn)地海拔2 133 m，年總降水量408 mm，無霜期為149～171 d，年均氣溫8℃，試驗(yàn)期間的氣象資料如圖1所示。試驗(yàn)地土壤類型為侵蝕黑壚土，土壤基本性質(zhì)見表1。

圖1 作物生育期內(nèi)的月降雨量和平均氣溫Fig.1 Monthly precipitation and average monthly temperatures during the growing season

表1 試驗(yàn)地基礎(chǔ)土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of the study site

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)材料 馬鈴薯品種為青薯9號(hào)，燕麥品種為燕科1號(hào)。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，主處理為施氮量，設(shè)置 0、75、150、225 kg·hm-24 個(gè)施氮水平，分別標(biāo)記為N0、N1、N2、N3;副處理為種植方式，分別為馬鈴薯單作(IP)和馬鈴薯‖燕麥(JP)，各處理均設(shè)置3次重復(fù)，小區(qū)長(zhǎng)6 m，寬6 m，面積為36 m2。單作馬鈴薯每小區(qū)種植12行，壟寬60 cm，壟距40 cm，株距 40 cm，種植深度 20～25 cm，種植密度50 025株·hm-2，呈“S”形單壟雙行半覆膜種植。馬鈴薯‖燕麥小區(qū)的馬鈴薯、燕麥行數(shù)比為4∶2，馬鈴薯燕麥間距為25 cm，其他栽培條件同單作保持一致，重復(fù)3次。

馬鈴薯于5月12日播種，起壟覆膜種植，同期播種燕麥，燕麥條播。結(jié)合整地各處理施底肥70%氮肥(尿素)、磷肥(過磷酸鈣90 kg·hm-2)、鉀肥(硫酸鉀45 kg·hm-2)，其余30%氮肥于馬鈴薯現(xiàn)蕾期追施。馬鈴薯于10月初收獲，燕麥于9月底收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 產(chǎn)量的測(cè)定 收獲時(shí)每小區(qū)選取2個(gè)壟測(cè)定實(shí)際產(chǎn)量(kg)，換算為小區(qū)產(chǎn)量以及畝產(chǎn)、公頃產(chǎn)量。分別記錄每穴薯重、每穴薯個(gè)數(shù)、大薯數(shù)、中薯數(shù)和小薯數(shù)(大、中、小薯標(biāo)準(zhǔn)為:大薯＞150 g，150 g＞中薯≥75 g，小薯＜75 g)，計(jì)算大、中、小薯率。

1.3.2 植株氮素累積及利用效率的測(cè)定 在馬鈴薯的苗期、現(xiàn)蕾期、塊莖形成期、塊莖膨大期、成熟期采集馬鈴薯植株樣品，各部位器官分開烘干后稱重，粉碎后過60目篩，采用H2SO4-H2O2消煮法［15］測(cè)定植株全氮含量，即植株含氮量。

氮素積累量、氮素利用效率相關(guān)計(jì)算公式如下:

植株氮素積累量(kg·hm-2)=植株全氮含量(%)×植株干物質(zhì)重(kg·hm-2)

氮素積累速率(kg·hm-2·d-1)=(后一生育時(shí)期單位面積氮素積累量-前一生育時(shí)期單位面積氮素積累量)/時(shí)間

氮肥農(nóng)學(xué)利用率(AE，kg· kg-1)=(施氮處理塊莖產(chǎn)量-不施氮處理塊莖產(chǎn)量)/施氮量

氮肥生理利用率(PE，kg· kg-1)=(施氮區(qū)塊莖產(chǎn)量-不施氮區(qū)塊莖產(chǎn)量)/(施氮區(qū)地上部植株總吸氮量-不施氮區(qū)地上部植株總吸氮量)

氮肥利用率(NUE，%)=(施氮區(qū)地上部植株總吸氮量-不施氮區(qū)地上部植株總吸氮量)/施氮量×100

氮素收獲指數(shù)(NHI)=塊莖氮素積累量/植株總吸氮量

以上各公式中氮素積累量、產(chǎn)量、施氮量、吸氮量單位均為kg·hm-2。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理 采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析(LSD法檢驗(yàn)差異顯著性)，用CurveExpert進(jìn)行氮素累積曲線模擬。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對(duì)間作馬鈴薯植株氮素累積的影響

2.1.1 施氮量對(duì)馬鈴薯植株氮素累積量Logistic曲線模擬 馬鈴薯的氮素累積過程符合快-慢-快的“S”型增長(zhǎng)曲線規(guī)律，在不同施氮量下對(duì)馬鈴薯植株氮素累積進(jìn)行Logistic方程模擬，得到圖2所示模擬圖。由圖2可知，單作模式下，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，馬鈴薯氮素累積先迅速升高而后緩慢上升至趨于穩(wěn)定，由曲線斜率可以進(jìn)一步看出，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，前期累積速率也隨之增加;間作模式下，馬鈴薯植株氮素累積也表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。

2.1.2 施氮量對(duì)馬鈴薯氮素累積速率的影響 圖3可見，單作模式下，隨著生育時(shí)期的推進(jìn)，各施氮處理累積速率均表現(xiàn)為先迅速上升后緩慢下降，N3處理下前期累積速率最快而后期下降也較快，N2處理前期上升速率較快，后期下降速率較慢，最大氮素累積速率出現(xiàn)在塊莖形成期前后;間作模式下，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，各處理氮素積累速率也表現(xiàn)為先迅速上升后緩慢下降，N1與N3上升的幅度基本相同，下降比N2更慢，N1、N2降幅均小于N3處理。馬鈴薯可以積累充分的氮素滿足其生長(zhǎng)，間作下增長(zhǎng)速率明顯低于單作，最大積累速率出現(xiàn)在塊莖形成期(80 d)和塊莖膨大期(100 d)之間。

2.1.3 施氮量對(duì)馬鈴薯氮素積累參數(shù)的影響

由表2可知，不同處理的氮素積累參數(shù)值不同。對(duì)方程參數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨著施氮量的增加，單作模式下，a(終極積累量)，c(積累速率參數(shù))均較對(duì)照降低，N1、N3處理下b(初始參數(shù))低于對(duì)照;間作模式下，b(初始參數(shù))、c(積累速率參數(shù))表現(xiàn)為先降低后上升的趨勢(shì)，a(終極積累量)表現(xiàn)為先上升后降低的趨勢(shì)，各處理下方程的決定系數(shù)均在0.990以上，說明logistic方程可以較好地描述馬鈴薯氮素積累過程。單作模式下，隨著施氮量的增加，Tmax(達(dá)到最大氮素積累速率的天數(shù))表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì)，具體為 N2＞N3＞N1＞N0;間作模式下，Tmax的變化趨勢(shì)與單作基本一致，均隨著施氮量的增加先上升后下降，具體為 N2＞N1＞N0＞N3。單作模式下，Nmax(氮素積累速率最大時(shí)的含氮量)表現(xiàn)為先上升后降低的趨勢(shì)，具體為N2＞N0＞N3＞N1;間作模式下，Nmax表現(xiàn)與單作一致，隨施氮量的增加先上升后下降，具體為N2＞N1＞N0＞N3。單作模式下，各施氮處理Gmax(氮素積累最大速率)均較N0處理降低，具體為 N0＞N2＞N1＞N3;間作模式下，Gmax表現(xiàn)與單作一致，隨施氮量的增加先上升后下降，具體為 N2＞N1＞N3＞N0。單作模式下，p(氮素活躍積累天數(shù))表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為:N0＞N3＞N1＞N2;間作模式下，p(氮素活躍積累天數(shù))表現(xiàn)為逐漸下降的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為:N0＞N1＞N2＞N3。間作模式下Nmax、Gmax高于單作，可以充分發(fā)揮氮素的優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)出一定的間作優(yōu)勢(shì)。施氮量為150 kg·hm-2處理的氮素積累效果相對(duì)優(yōu)于其他處理。

圖3 施氮量對(duì)馬鈴薯氮素累積速率的影響Fig.3 Effect of nitrogen application rate on nitrogen accumulation rate of potato

表2 施氮量對(duì)馬鈴薯氮素積累參數(shù)的影響Table 2 Effects of nitrogen application rate on nitrogen accumulation parameters of potato

2.2 施氮量和種植模式對(duì)間作馬鈴薯氮素利用率的影響

表3為不同施氮量處理對(duì)間作馬鈴薯氮素利用率的影響。氮素收獲指數(shù)(NHI)表明作物收獲時(shí)氮素向馬鈴薯塊莖轉(zhuǎn)移的效率。單作模式下，隨著施氮量的遞增，氮素收獲指數(shù)均表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為 N2＞N1＞N3＞N0，N2處理下NHI分別較其余各處理高7.46%、8.54%、6.11%;間作條件下施氮處理表現(xiàn)與單作基本一致，N2處理下氮素收獲指數(shù)達(dá)到最大，分別較其余各處理高2.08%、8.87%、2.40%，各處理之間差異不顯著。同一種植模式下，馬鈴薯的AE、PE、NUE均隨著施氮量的增加表現(xiàn)為先上升后降低的趨勢(shì)，間作模式下AE、PE、NUE均高于單作模式，各種植模式下N2處理氮素利用率均達(dá)到最大。單作種植模式下，N2處理AE、PE、NUE分別較 N1和 N3處理高 36.08%、22.89，80.24%、94.35%，34.02%、58.93%;間作種植模式下，N2處理AE、PE、NUE分別比N1和N3處理高 33.98%、49.08%，41.83%、85.53%，55.15%、94.83%，種植模式對(duì)氮肥農(nóng)學(xué)利用率的影響顯著，施氮量對(duì)氮肥生理利用率、氮肥利用率的影響顯著。從整體氮素利用來看，間作模式優(yōu)于單作模式且施氮150 kg·hm-2處理下各種植模式氮肥利用率最高，施氮225 kg·hm-2處理下最低，說明在一定范圍內(nèi)，合理的施氮量有助于提高各種植模式的氮肥利用率，促進(jìn)氮素向塊莖的轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而提高馬鈴薯產(chǎn)量，若超過這一范圍，則不利于氮肥的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)，間作模式下施氮對(duì)氮素利用率的貢獻(xiàn)高于單作。

表3 施氮量和種植模式對(duì)間作馬鈴薯氮素利用率的影響Table 3 Effects of nitrogen application rate and planting pattern on nitrogen utilization rate of intercropping potato

2.3 施氮量與種植模式對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表4可知，隨著施氮量的增加，馬鈴薯間作和單作產(chǎn)量均呈先增加后減少的趨勢(shì)，單作模式下，大薯率、商品薯率表現(xiàn)上升趨勢(shì);間作模式表現(xiàn)先上升后降低的趨勢(shì)，而小薯率均較對(duì)照降低。不同施氮量處理下，產(chǎn)量構(gòu)成因素表現(xiàn)不同。與對(duì)照不施氮處理相比，除N3處理外，其他施氮處理下馬鈴薯的每穴薯塊數(shù)、每穴薯重、大薯數(shù)、中薯數(shù)均有所增加，說明施氮可以通過增加馬鈴薯的每穴薯塊數(shù)、大薯數(shù)、中薯數(shù)來增加馬鈴薯的產(chǎn)量，主要是增加馬鈴薯的每穴薯塊數(shù)。N1、N2間作處理下每穴薯塊數(shù)與對(duì)照相比，分別高20.56%、12.27%，N3處理下每穴薯塊數(shù)略低于對(duì)照，說明過高的氮素不利于馬鈴薯薯塊數(shù)的增加，施氮量和種植模式下每穴薯塊數(shù)均呈顯著性差異。施氮量和種植模式下每穴薯重、大薯數(shù)、中薯數(shù)均未達(dá)到顯著水平，間作模式下每穴薯重、大薯數(shù)、中薯數(shù)略高于單作。不同種植模式下商品薯率差異顯著，施氮水平間大薯數(shù)差異顯著。單作模式下，小薯數(shù)隨施氮量的增加而降低，與對(duì)照相比，N1、N2、N3處理分別降低了89.43%、66.42%、75.18%，間作模式下小薯數(shù)隨施氮量先上升后下降，N1、N2、N3分別較對(duì)照提高44.51%、34.68%、3.46%，種植模式及施氮量和種植模式間的交互作用下小薯數(shù)差異顯著。單作模式下，各施氮處理馬鈴薯產(chǎn)量分別較對(duì)照增加1.73%、10.29%、3.97%，間作模式下，各施氮處理產(chǎn)量分別較對(duì)照增加8.68%、31.23%、15.33%，施氮水平及兩者間的交互作用下產(chǎn)量差異顯著，方差分析表明，施氮量對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的增加效應(yīng)要高于種植模式，施氮對(duì)馬鈴薯的產(chǎn)量影響顯著。

3 討論

在不同的生長(zhǎng)發(fā)育階段，氮素積累量在馬鈴薯植株各個(gè)器官的分布不同［16-17］。本研究表明，不同施氮量下，隨著馬鈴薯生育時(shí)期的推進(jìn)，馬鈴薯氮素積累過程符合快-慢-快的“S”型增長(zhǎng)曲線變化規(guī)律，這主要是由于馬鈴薯葉、莖氮素積累量隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢(shì)，而塊莖氮素積累量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，植株整個(gè)氮素積累量綜合表現(xiàn)為“慢-快-慢”的“S”型增長(zhǎng)曲線變化規(guī)律，這與其他研究結(jié)果一致［18-20］。進(jìn)一步分析氮素積累速率變化，隨著施氮量的增加，兩種種植模式下積累速率均表現(xiàn)為先迅速上升后緩慢下降，單作模式下最大氮素累積速率出現(xiàn)在塊莖形成期前后，間作模式下則出現(xiàn)在塊莖膨大期前后，這可能是由于單作馬鈴薯前期氮素營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)充足，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)旺盛，提前轉(zhuǎn)為生殖生長(zhǎng)，氮素累積速率開始緩慢降低;間作模式下馬鈴薯和燕麥前期由于對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，馬鈴薯由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)為生殖生長(zhǎng)的時(shí)間推遲，也可能由于隨著生育時(shí)期的不同，間作系統(tǒng)中兩者處于不同的生態(tài)位，對(duì)光及養(yǎng)分的吸收有所不同，造成氮素累積速率差異［21-22］。本研究發(fā)現(xiàn)，無論是間作還是單作，施氮150 kg·hm-2處理下，馬鈴薯氮素前期積累速率較快，后期下降緩慢，施氮225 kg·hm-2處理下前期氮素累積速率較快，后期下降速率也較快，說明在一定范圍內(nèi)，施氮有利于提高馬鈴薯氮素累積速率，超過此范圍，氮素累積速率降低。對(duì)氮素累積模擬參數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，施氮量與馬鈴薯氮素累積有極強(qiáng)的相關(guān)性，間作模式下各氮素累積模擬參數(shù)高于單作模式，兩種種植模式下施氮150 kg·hm-2處理氮素累積最大含氮量、氮素積累最大速率表現(xiàn)為最大，達(dá)到最大速率時(shí)的天數(shù)表現(xiàn)為最短，因此施氮150 kg·hm-2處理下，單作和間作氮素累積速率最快。從氮素利用率來看，氮素收獲指數(shù)隨施氮量的增加先上升后降低，表明合理施氮有利于馬鈴薯植株氮素向塊莖的轉(zhuǎn)移效率，氮素農(nóng)學(xué)利用率、氮肥吸收速率、生理利用率均隨施氮量的增加先上升后下降，這主要是由于生長(zhǎng)前期隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，馬鈴薯地上部氮素累積量增加，向塊莖轉(zhuǎn)移量增加，施氮對(duì)塊莖產(chǎn)量的貢獻(xiàn)度增加，而后地上部氮素累積量降低，向塊莖的轉(zhuǎn)移減弱，氮肥對(duì)塊莖產(chǎn)量的貢獻(xiàn)減弱;間作模式下各氮素利用率總體高于單作，主要是由于間作中燕麥也為喜氮作物，生育前期馬鈴薯壟上種植處于高位，對(duì)氮素的吸收、利用、轉(zhuǎn)化均處于優(yōu)勢(shì)，燕麥處于低位，各方面均處于劣勢(shì)，兩者之間的競(jìng)爭(zhēng)加速了對(duì)氮素的吸收利用，后期則相反;氮肥偏生產(chǎn)力則表現(xiàn)為降低趨勢(shì)且間作降低幅度小于單作，可能由于間作燕麥提前收獲，使得間作馬鈴薯光環(huán)境和生長(zhǎng)空間得到補(bǔ)充和發(fā)展，降低幅度減弱，也可能是由于整個(gè)生育后期降雨較多，造成氮素淋溶、損失較大，氮素對(duì)作物生產(chǎn)的貢獻(xiàn)降低，這與施氮量對(duì)馬鈴薯氮素利用的相關(guān)研究結(jié)果有差異［23-24］。綜合來看，無論是單作還是間作，隨著整個(gè)生育進(jìn)程的推進(jìn)，合理施氮對(duì)馬鈴薯氮素累積、氮肥利用率都有顯著影響，有助于提高氮肥利用率，促進(jìn)氮素向塊莖的運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而提高馬鈴薯產(chǎn)量，間作模式下施氮優(yōu)勢(shì)明顯。

研究表明［25-26］，合理施氮對(duì)間作馬鈴薯實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)、降低施肥對(duì)環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)起著至關(guān)重要的作用。也有研究表明，施氮可以有效減緩間作所導(dǎo)致的作物減產(chǎn)，將間作劣勢(shì)轉(zhuǎn)為間作優(yōu)勢(shì)，來維持間作系統(tǒng)較理想的產(chǎn)量［26-27］。間作也可以通過促進(jìn)氮素從營(yíng)養(yǎng)器官向生殖器官的轉(zhuǎn)運(yùn)來提高作物的產(chǎn)量［28-29］。本研究表明，合理的施氮對(duì)間作馬鈴薯產(chǎn)量具有促進(jìn)作用，主要是提高了馬鈴薯對(duì)氮素的吸收累積量及氮素利用率。相同的種植密度下，施氮和間作對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量均有貢獻(xiàn)，施氮對(duì)間作馬鈴薯產(chǎn)量的貢獻(xiàn)要大于單作，施氮和種植模式間的交互作用達(dá)到極顯著水平，這與Bedoussac等［30］研究一致。對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成因素進(jìn)行分析，表明施氮可以通過增加間作馬鈴薯的每穴薯塊數(shù)、大薯數(shù)、中薯數(shù)來增加馬鈴薯的產(chǎn)量;種植模式下，每穴薯塊數(shù)、商品薯率差異顯著，施氮處理下每穴薯塊數(shù)、大薯率差異顯著，可以看出，種植模式對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成因素的貢獻(xiàn)大于施氮量。

4 結(jié)論

馬鈴薯植株氮素積累過程符合快-慢-快的“S”型增長(zhǎng)曲線。馬鈴薯氮素最大積累速率出現(xiàn)在塊莖膨大期前后，施氮能夠顯著提高馬鈴薯各氮素利用率指標(biāo)。間作馬鈴薯氮素利用率高于單作，施氮150 kg·hm-2下單作和間作氮素積累速率最大時(shí)的含氮量、氮素積累最大速率均比其他處理高，馬鈴薯產(chǎn)量也最高。施氮對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量及氮素累積的貢獻(xiàn)大于間作，間作馬鈴薯最佳施肥量為150 kg·hm-2。