不同施肥模式對(duì)馬鈴薯光合特性及產(chǎn)量品質(zhì)的影響

徐玉坤 薛龍飛

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 高寒區(qū)作物研究所，山西 大同 037008)

馬鈴薯是山西省主要糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物。近年來，山西馬鈴薯生產(chǎn)存在化肥使用量過大和偏施氮肥等施肥不合理現(xiàn)象，引起馬鈴薯生產(chǎn)成本増加、塊莖品質(zhì)下降、肥料利用率低和環(huán)境污染等一系列問題。改變施肥模式，減少化肥施用量并配合有機(jī)替代是扭轉(zhuǎn)上述不利局面的重要措施。光合作用是決定作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，馬鈴薯塊莖干物質(zhì)的95%以上來自光合產(chǎn)物，具有物質(zhì)轉(zhuǎn)化的直接性。探索馬鈴薯光合特性在不同施肥模式下的響應(yīng)規(guī)律對(duì)研究馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)形成具有重要意義。

田間定位施肥試驗(yàn)是研究農(nóng)田長期生態(tài)過程及其環(huán)境效應(yīng)和調(diào)控措施的重要手段。施肥不僅為作物生長提供養(yǎng)分，而且隨著氮、磷和鉀等礦質(zhì)元素的輸入影響葉綠素含量和酶活性，間接影響植物的光合作用。作物光合作用與產(chǎn)量受肥料種類、施肥水平和肥料形態(tài)調(diào)控影響。已有研究表明，長期配施有機(jī)無機(jī)肥不僅可以顯著提升農(nóng)田有機(jī)質(zhì)，改善土壤性質(zhì)，還能提高作物光合能力和光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)能力，獲得較高的產(chǎn)量。目前作物光合作用對(duì)施肥模式響應(yīng)的相關(guān)研究多見于水稻和小麥等主要糧食作物，針對(duì)馬鈴薯的相關(guān)研究報(bào)道較少。有機(jī)肥替代無機(jī)肥對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量影響的作用機(jī)制目前尚不明確。張亮等研究發(fā)現(xiàn)全部和部分有機(jī)肥替代無機(jī)肥的馬鈴薯產(chǎn)量均處于中等水平，但有機(jī)肥能通過延長莖葉光合功能期顯著提高薯塊平均薯重。伊旺等認(rèn)為用農(nóng)家肥配施復(fù)合肥和微生物菌肥能提高馬鈴薯凈光合速率，提高馬鈴薯產(chǎn)量。韓悌倩等認(rèn)為高比例有機(jī)肥替代處理促進(jìn)馬鈴薯根系生長和分化，增加結(jié)薯數(shù)是增產(chǎn)的主要原因。本研究探討了田間定位施肥試驗(yàn)下不同施肥模式對(duì)馬鈴薯葉片光合性能、產(chǎn)量構(gòu)成以及營養(yǎng)品質(zhì)的影響，以期為本地區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)化肥減施和有機(jī)肥科學(xué)配施提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況及供試材料

試驗(yàn)地位于山西省大同市小南頭村(113°20′30.5″ N, 40°0′11.0″ E)，海拔為1 032.7 m；一年一作區(qū)，年降雨量449 mm，年蒸發(fā)量1 657 mm；年均溫度7 ℃，無霜期159 d；土壤類型為栗鈣土。本研究是在3年定位施肥(2017—2019年)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，定位試驗(yàn)前(2017年)0～20 cm土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)如下：有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31.50 g/kg，堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為147.68 mg/kg，速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為69.89 mg/kg，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為233.00 mg/kg，容重1.28 g/cm，pH 8.47。供試馬鈴薯品種為‘晉薯16號(hào)’，由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高寒區(qū)作物研究所提供，是山西省馬鈴薯主要推廣品種。本研究采用定位試驗(yàn)第3年(2019年)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，馬鈴薯于2019年5月7日種植，2019年10月8日收獲，大田常規(guī)管理。測(cè)定2019年馬鈴薯播種前各處理0～20 cm土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 播種前土壤理化性質(zhì)
Table 1 Physical and chemical characteristics of experiment field before sowing

處理Treatment有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/(g/kg)Organic mattermass fraction堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)/(mg/kg)Available Nmass fraction速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)/(mg/kg)Available Pmass fraction速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)/(mg/kg)Available Kmass fraction容重/(g/cm3)Volume-weightpH不施肥處理(CK)No nitrogen fertilization26.98102.8057.40190.501.308.66常規(guī)施肥(CF)Farmers’ conventionalfertilization28.08240.5074.97225.001.428.50等氮30%有機(jī)替代(CM)Equal nitrogen 30% organicsubstitution treatment31.73196.5099.23285.001.328.34

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間定位施肥試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)3個(gè)處理：不施肥處理(CK),常規(guī)施肥處理(CF，參考當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶經(jīng)驗(yàn)施肥),等氮30%有機(jī)替代處理(CM，有機(jī)氮替代30%化肥氮，有機(jī)肥用量按當(dāng)季養(yǎng)分氮含量折算，以達(dá)到與CF處理施氮量相近)。具體施肥量見表2。施肥處理實(shí)行定氮，磷鉀素不統(tǒng)一定量。每個(gè)處理重復(fù)3次，共計(jì)9個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為100 m。所用化肥為復(fù)合肥(N：18%、PO：18%和KO：18%)、尿素(N：46%)和硝酸鉀(N：13%,KO：46%)。有機(jī)肥為腐熟牛糞(N：0.4%、PO：0.18%和KO：0.19%)。

表2 各處理肥料施用量
Table 2 Applied fertilizer amount under different treatments

處理Treatment有機(jī)肥/(kg/hm2)Organic fertilizer化肥 Chemical fertilizerN/(kg/hm2)P2O5/(kg/hm2)K2O/(kg/hm2)CK00.00.00.0CF30 000265.5108.0177.0CM52 500177.072.0118.0

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1

.

3

.

1

光合特性測(cè)定

用Li-6400便攜式光合儀測(cè)定馬鈴薯塊莖形成期(2019年7月2日)、塊莖膨大期(2019年8月16日)和淀粉累積期(2019年9月18日)3個(gè)時(shí)期葉片光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO濃度和蒸騰速率，每處理測(cè)定5片葉，取平均值。

1

.

3

.

2

葉綠素含量測(cè)定

用葉綠素測(cè)定儀 (SPAD-502)測(cè)定馬鈴薯塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉累積期3個(gè)時(shí)期馬鈴薯葉片相對(duì)葉綠素含量，每處理測(cè)定5片葉，取平均值。

1

.

3

.

3

產(chǎn)量與品質(zhì)測(cè)定

在馬鈴薯收獲期(2019年10月8日)測(cè)定小區(qū)產(chǎn)量，分別記載其大薯、中薯和小薯的重量與個(gè)數(shù)。采用FOSS DS2500近紅外分析儀測(cè)定馬鈴薯薯塊品質(zhì)，每處理選3個(gè)樣品，取平均值。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 22.0軟件Duncan’s進(jìn)行多重比較(

α

=0.05)，運(yùn)用Microsoft Excel 2010軟件作圖。

2 結(jié)果和分析

2.1 土壤施肥模式對(duì)馬鈴薯光合特性的影響

比較馬鈴薯不同生長階段相對(duì)葉綠素含量(SPAD)差異(圖1)，各處理SPAD均隨馬鈴薯生育進(jìn)程推進(jìn)而降低，表現(xiàn)為塊莖形成期>塊莖膨大期>淀粉累積期。對(duì)比同一生長階段不同處理，在塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉累積期均表現(xiàn)為CM>CF>CK處理。CM和CF處理的SPAD在3個(gè)階段均顯著高于CK處理，分別比CK增加了22.07%、15.43%、33.31%、32.49%、52.13%和40.06%。CM與CF處理SPAD在塊莖形成期和淀粉累積期差異顯著。說明2種施肥模式在各個(gè)生長階段均能夠顯著提升葉片SPAD值，促進(jìn)葉綠素合成，有機(jī)替代處理效果優(yōu)于常規(guī)施肥。

圖柱上不同字母表示差異顯著(P<0.05)，相同字母表示差異不顯著(P>0.05)。下同。 Different letters on columns represent significant differences (P<0.05), while the same letters represent no significant differences (P>0.05). The same below.圖1 不同土壤施肥模式下馬鈴薯的SPADFig.1 SPAD of potato under different soil fertilization models

各處理凈光合速率(Pn)均隨馬鈴薯生育進(jìn)程的推進(jìn)而降低，說明從塊莖形成期起葉片光合功能不斷衰減(圖2(a))。不同處理間馬鈴薯凈光合速率在各階段均表現(xiàn)為CM>CF>CK，與SPAD表現(xiàn)趨勢(shì)一致。CF與CK處理各階段Pn均無顯著差異，CM與CK處理相比顯著提高塊莖形成期和塊莖膨大期Pn。圖2(b)表明，各處理氣孔導(dǎo)度(Gs)均隨馬鈴薯生育進(jìn)程的推進(jìn)而降低。不同處理間馬鈴薯氣孔導(dǎo)度在塊莖形成期和塊莖膨大期無顯著差異，在淀粉累積期表現(xiàn)為CM>CF>CK，其中CM與CK處理差異顯著。由圖2(c)可知，各處理胞間CO濃度(Ci)均隨生育進(jìn)程推進(jìn)而降低。Ci在塊莖形成期不同處理間差異不顯著，在塊莖膨大期Ci表現(xiàn)為CK>CM>CF，CF與CK間差異顯著。在淀粉累積期Ci表現(xiàn)為CM>CK>CF，CM和CK處理顯著高于CF處理。由圖2(d)可知，CK與CF處理下蒸騰速率(Tr)隨馬鈴薯生育進(jìn)程的推進(jìn)降低，而CM處理在塊莖膨大期不降反升，表現(xiàn)優(yōu)于塊莖形成期。比較同一階段各處理Tr，在塊莖形成期CK和CF處理顯著高于CM處理，在塊莖膨大期CM處理顯著高于CF處理，在淀粉累積期CM處理顯著高于CF和CK處理。綜合比較各項(xiàng)光合指標(biāo)可知，有機(jī)替代處理不僅有助于馬鈴薯葉片一直保持較高的凈光合速率，增強(qiáng)馬鈴薯葉片光合功能，還能綜合提高淀粉累積期馬鈴薯氣孔導(dǎo)度、胞間CO濃度和蒸騰速率，改善馬鈴薯生長后期葉片光合特性。

圖2 不同土壤培肥模式下馬鈴薯光合特性Fig.2 Photosynthetic characteristics of potato under different soil fertilization models

2.2 土壤培肥模式對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量及構(gòu)成的影響

根據(jù)表3可知，所有處理中CK處理折合產(chǎn)量與商品薯率均是最低，其中CF和CM處理相比CK處理分別增產(chǎn)13.4%和16.6%，商品薯率分別提高2.32%和1.46%，但不同處理間差異不顯著。分析馬鈴薯產(chǎn)量構(gòu)成，CM和CF處理相比CK處理單株結(jié)薯數(shù)和單株產(chǎn)量均有所增加，其中CM和CF處理單株結(jié)薯數(shù)增幅分別達(dá)到20.00%和3.19%，單株產(chǎn)量增幅分別達(dá)到16.39%和14.75%。單塊莖重CF相比CK增加了10.00%，CM略低于CK，不同處理間差異不顯著。

表3 不同處理對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響
Table 3 Effect of different treatments on yield and yield component factors of potato

處理Treatment單株結(jié)薯數(shù)/個(gè)Number of tubersper plant單株產(chǎn)量/(kg/株)Yield per plant單塊莖重/(kg/個(gè))Single tuber weight折合產(chǎn)量/(kg/hm2)Equivalent yield商品薯率/%Commercial rateCK3.45±0.13 a0.61±0.12 a0.18±0.02 a43 013.35±4 817.64 a94.15±1.50 aCF3.56±0.40 a0.70±0.03 a0.20±0.02 a48 796.86±1 196.46 a96.47±1.06 aCM4.14±0.13 a0.71±0.11 a0.17±0.03 a50 143.22±4 220.56 a95.61±1.52 a

注：同列不同字母表示差異顯著(<0.05)，相同字母表示差異不顯著(>0.05)。下表同。

Note: Within the same column, different letters represent significant differences (<0.05), while the same letters represent no significant differences (>0.05). The same below.

2.3 不同施肥方式對(duì)馬鈴薯塊莖品質(zhì)的影響

馬鈴薯品質(zhì)主要取決于塊莖成分及其含量，其中淀粉、蛋白質(zhì)、糖類和維生素等營養(yǎng)物質(zhì)是衡量馬鈴薯塊莖品質(zhì)的主要指標(biāo)。根據(jù)表4可知，各處理中，CK處理下薯塊水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，與CF處理差異顯著，說明常規(guī)施肥能有效降低薯塊水分含量，提高薯塊干物質(zhì)比例。比較不同處理間薯塊蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，CM處理顯著高于CF處理，說明有機(jī)質(zhì)施用有利于增加薯塊蛋白質(zhì)累積。相比CK處理，CF和CM處理均能提高馬鈴薯薯塊淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、降低還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但不同處理間差異不顯著。

表4 不同處理對(duì)馬鈴薯塊莖品質(zhì)的影響
Table 4 Effect of different treatments on qualities of potato

處理Treatment水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%Water massfraction蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%Protein massfraction淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%Starch massfraction還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%Reducing sugarmass fraction維生素C質(zhì)量分?jǐn)?shù)/(mg/hg)Vitamin Cmass fractionCK79.26±0.34 a1.59±0.13 ab13.88±0.25 a0.76±0.07 a15.13±0.40 aCF78.08±0.54 b1.49±0.14 b15.11±0.83 a0.74±0.10 a15.25±0.64 aCM78.81±0.25 ab1.80±0.09 a14.09±0.64 a0.69±0.03 a13.80±1.00 a

3 討 論

葉片的光合作用是馬鈴薯產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，施用不同類型肥料影響馬鈴薯植株葉片的化學(xué)組成，進(jìn)而影響其光合作用，對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)造成影響。葉綠素含量是衡量葉片衰老和光合功能的關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響光合速率和光合產(chǎn)物的形成。本研究結(jié)果表明有機(jī)替代施肥能夠增加葉片SPAD值，延緩葉片衰老，這與于顯楓等研究結(jié)果一致，較高的葉片SPAD值為光合作用奠定基礎(chǔ)，有利于物質(zhì)同化和塊莖的形成。施肥方式對(duì)作物光合速率具有較大的影響，張瑞等研究小麥旗葉凈光合速率得出，同一氮素水平下有機(jī)無機(jī)肥混施較單施無機(jī)肥好。譚偉軍等研究認(rèn)為30%有機(jī)氮替代是最佳有機(jī)無機(jī)配施方式，能顯著提高馬鈴薯SPAD值，同時(shí)也提高了Pn、Gs、Ci和Tr各項(xiàng)光合指標(biāo)。本研究中Pn在各個(gè)時(shí)期均表現(xiàn)為CM處理高于CF和CK處理，在淀粉累積階段，CM處理Pn、Gs、Ci和Tr各項(xiàng)光合指標(biāo)均表現(xiàn)優(yōu)于CF與CK處理，與前人研究結(jié)果一致。說明有機(jī)替代施肥能延緩生育后期葉片光合速率的下降并維持在較高水平，促進(jìn)了光合產(chǎn)物的積累，為馬鈴薯高產(chǎn)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。張向前等研究發(fā)現(xiàn)長期有機(jī)肥替代施肥處理能提高葉片Pn、Gs和Tr，而降低Ci。本研究中Ci與Pn并不存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，在不同的階段Ci表現(xiàn)不同，與前人研究結(jié)果不同。這可能因?yàn)镃i大小取決于葉片周圍空氣的CO濃度、氣孔導(dǎo)度、葉肉導(dǎo)度和葉肉細(xì)胞的光合活性等多個(gè)影響因素，相互作用錯(cuò)綜復(fù)雜。在不同情況下決定葉片光合速率高低的主要因子不同，不能一概而論。

本研究表明有機(jī)替代施肥處理相比常規(guī)施肥對(duì)馬鈴薯增產(chǎn)效果更加明顯，這與張君等研究結(jié)果相似。前人對(duì)不同施肥模式下馬鈴薯產(chǎn)量構(gòu)成進(jìn)行分析，認(rèn)為長期配施化肥和有機(jī)肥可以增加馬鈴薯單株結(jié)薯數(shù)，但對(duì)馬鈴薯商品薯率影響的結(jié)論并不一致。本研究表明經(jīng)過3年定位施肥試驗(yàn)，有機(jī)替代施肥處理能提高單株結(jié)薯數(shù)和單株產(chǎn)量，但塊莖重量和商品薯率相比常規(guī)施肥有所下降，與方玉川等研究結(jié)果相一致，這可能與本試驗(yàn)選用的馬鈴薯品種有關(guān)。本研究采用的品種‘晉薯16號(hào)’中大薯率高、豐產(chǎn)性好，在生長后期對(duì)氮肥需求量大。中后期充足的氮肥追施保證了馬鈴薯塊莖膨大期物質(zhì)需求，是提高商品薯率的關(guān)鍵。有機(jī)肥養(yǎng)分釋放速率較慢，在定位試驗(yàn)初始階段減少化肥追施量可能導(dǎo)致CM處理‘晉薯16號(hào)’中后期氮素供應(yīng)不足，本身較高的商品薯率下降，需要進(jìn)一步驗(yàn)證。為實(shí)現(xiàn)作物光能高效利用，不僅要通過高光合效率形成較多的光合產(chǎn)物，更要合理分配光合產(chǎn)物，才能使源(光合)-流(光合產(chǎn)物運(yùn)轉(zhuǎn))-庫(籽粒)協(xié)調(diào)而實(shí)現(xiàn)增益作用。本研究重點(diǎn)分析了不同施肥模式對(duì)馬鈴薯“源”與“庫”的影響，缺乏對(duì)馬鈴薯光合產(chǎn)物分配與轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律的研究，未來長期施肥定位試驗(yàn)仍需要進(jìn)一步探究。

營養(yǎng)供給影響塊莖發(fā)育期各種激素的合理需求和平衡，進(jìn)而影響后期薯塊淀粉和還原糖的形成。方玉川等研究表明底肥增施有機(jī)肥能增加薯塊中干物質(zhì)累積、蛋白質(zhì)含量和淀粉含量，降低還原糖含量，對(duì)維生素C含量影響不大。王耀研究表明復(fù)合肥減量施用和配施生物有機(jī)肥后均提高了馬鈴薯產(chǎn)量、淀粉和干物質(zhì)含量。本研究中比較CM和CF處理，CM處理蛋白質(zhì)含量顯著高于CF處理，而淀粉含量略低于CF處理，這可能是由于塊莖中淀粉和蛋白質(zhì)累積彼此消長導(dǎo)致。

4 結(jié) 論

本研究得出，有機(jī)替代施肥模式增加了馬鈴薯葉片的SPAD值和Pn值，改善了馬鈴薯生長后期葉片光合特性，有效延長葉片光合功能期，促進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)量提升并增加馬鈴薯薯塊蛋白質(zhì)含量，實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)與肥力資源高效利用協(xié)調(diào)發(fā)展，是更適宜晉北地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的施肥模式。