不同水氮處理對馬鈴薯光合特性和產(chǎn)量的影響

尹 娟，張海軍，王 順，王 臣，趙彥波

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程中心，銀川 750021；3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021)

0 引 言

光合作用是作物最主要的生理活動之一，光合器官的大小和光合效率的高低是提高作物產(chǎn)量的生理基礎(chǔ)[1]。水肥狀況對光合效率的水平有著顯著影響。氮素是作物體內(nèi)葉綠素、蛋白質(zhì)及核酸的重要構(gòu)成成分，對作物葉片的光合特性有著非常重要的影響[2,3]。水分是作物生長發(fā)育過程中所必需的物質(zhì)基礎(chǔ)，是影響光合效率高低的重要因素之一[4]。大量研究表明，灌水和施氮均可提高作物葉片光合作用和產(chǎn)量[4-7]。在膜下滴灌馬鈴薯研究中發(fā)現(xiàn)，隨著灌水量的提高，葉片光合特性也會隨之改善[5]。氮肥可提升馬鈴薯葉片SPAD、氣孔開閉變化幅度及光能轉(zhuǎn)化效率，改善葉片光合特性[6]。

寧夏中部干旱區(qū)耕地面積95.45 萬hm2，其中旱耕地占88%，灌溉耕地僅占12%，當(dāng)?shù)亟涤瓴蛔恪夂蚋珊礫12]。水資源不足已成為制約當(dāng)?shù)刈魑锷L及農(nóng)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵原因[13,14]。馬鈴薯具有廣泛的適應(yīng)性和較高的經(jīng)濟(jì)價值，是寧夏中部干旱區(qū)的主要種植作物之一[15]。雖然近年來，關(guān)于不同水氮處理對作物光合特性及產(chǎn)量的影響已有很多學(xué)者進(jìn)行了研究，但其研究多集中于小麥[16-18]、玉米[19,20]、番茄[21,22]等作物。關(guān)于不同水氮處理對于寧夏中部干旱區(qū)馬鈴薯光合特性及產(chǎn)量的研究較少，鑒于此，本研究通過大田試驗，研究不同水氮處理對馬鈴薯光合特性和產(chǎn)量的影響，為該地區(qū)馬鈴薯的科學(xué)灌溉和合理施氮提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗田基本概況

研究區(qū)位于寧夏同心縣下馬關(guān)鎮(zhèn)(36°58′48″N，105°54′24″E)，平均海拔高度1 730 m。屬于典型的溫帶大陸性氣候，降雨主要集中在夏季。年平均降水量313 mm，年平均蒸發(fā)量為2 139.8 mm。無霜期180 d、有效積溫3 915.3 ℃。研究區(qū)土壤質(zhì)地為砂壤土，土壤理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗區(qū)土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

試驗以寧夏大學(xué)尹娟教授主持的國家自然科學(xué)基金項目“寧夏中部干旱區(qū)馬鈴薯滴灌水肥耦合效應(yīng)與數(shù)值模擬研究”(51169020)研究成果和寧夏水利科學(xué)研究院組織編制的《寧夏馬鈴薯滴灌種植技術(shù)規(guī)程》為依據(jù)，參考馬鈴薯各生育期灌水量和施肥量的分配百分比，優(yōu)選出最適于寧夏中部干旱區(qū)的馬鈴薯各生育期灌水量和施肥量的分配比例。馬鈴薯大田試驗各生育期水肥分配比例如表2所示。

表2 馬鈴薯各生育期灌水量及施肥量分配百分比 %

本研究選取3個灌溉定額和3個施氮水平，共9個處理，每個處理3次重復(fù)，共27個試驗小區(qū)。在試驗小區(qū)旁邊設(shè)有既不灌水也不施肥的空白對照處理。馬鈴薯大田試驗設(shè)計見表3。每個小區(qū)種植80株馬鈴薯，采用兩因素隨機(jī)區(qū)組試驗設(shè)計，每個試驗小區(qū)面積為25.2 m2，長10.5 m，寬2.4 m。馬鈴薯種植行距60 cm，株距50 cm。采用膜下滴灌種植模式，“一膜兩行”等行距種植。滴灌管采用內(nèi)嵌式，內(nèi)經(jīng)16 mm，壁厚0.15 mm，工作壓力0.1 kPa，滴頭流量2 L/h。每個小區(qū)采用獨立的支管控制，干管連接水表、閘閥、壓力表各一只。試驗所選馬鈴薯品種為“青薯9號”，施用肥料選用尿素(含N46%)、過磷酸鈣(含P12%)、硫酸鉀(含K50%)。為保證馬鈴薯的正常生長，磷肥和鉀肥均以基肥的形式施入，氮肥以表2中的分配比例施入。各生育期灌水量、灌水次數(shù)和施氮量、施氮次數(shù)詳見表4。

表3 馬鈴薯大田試驗設(shè)計方案

1.3 測定項目及方法

于馬鈴薯淀粉積累期連續(xù)3 d選擇晴天、無浮云的天氣，采用Li-6400型光合儀在自然光的工作模式下，測定標(biāo)記葉片的光合特征參數(shù)(光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度)，每個處理隨機(jī)選擇3棵有代表性的植株，每棵植株隨機(jī)挑選3片完好的成熟葉片(每棵植株頂端生長點向下第3片功能葉)。測定時間為8∶00-18∶00，每間隔2 h測定一次。采用微型氣象系統(tǒng)Decagon監(jiān)測的8月份氣象因素如下：凈輻射41.61 W/m2、空氣溫度19.3 ℃、風(fēng)速0.9 m/s、飽和水汽壓2.3 kPa、降雨量113.4 mm、水分蒸發(fā)量152.3 mm。在馬鈴薯收獲時，從各小區(qū)中隨機(jī)選取10株，稱量單株馬鈴薯平均產(chǎn)量，然后乘以種植密度，計算出每個處理所對應(yīng)的產(chǎn)量。

表4 馬鈴薯不同水氮處理方案

注：表中括號內(nèi)的數(shù)字表示在該生育期內(nèi)灌水和施肥的次數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用Microsoft Excel 2016和Origin8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，方差分析采用DPS軟件分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同水氮處理對馬鈴薯光合特性的影響

2.1.1 不同水氮處理對凈光合速率日變化的影響

圖1反映了不同水氮處理的凈光合速率的日變化情況，各處理的日變化情況基本一致，均顯示為“雙峰”形曲線。第一次峰值出現(xiàn)在上午10∶00，第二次峰值出現(xiàn)在下午16∶00，且上午10∶00的峰值均高于下午16∶00的峰值。在兩峰值之間，凈光合速率先緩慢下降后逐漸升高，且不同處理的凈光合速率在下午14∶00時均呈現(xiàn)最低值。凈光合速率日變化的最大值和最小值分別是23.17和9.16 μmol/(m2·s)，分別來自于T6和T9。

在不同水分條件下，凈光合速率隨著施氮量的變化呈現(xiàn)不同的變化趨勢。在W1、W2水分條件下，各處理隨著施氮量的提高，凈光合速率逐漸增大，且均高于CK；而在W3水分條件下，凈光合速率在8∶00-14∶00時段里，T7變化最大，其值為8.48～21.51 μmol/(m2·s)，T9變化最小，其值為8.94～19.48 μmol/(m2·s)，在14∶00-16∶00時段里，凈光合速率隨施氮量的增大表現(xiàn)為先上升后下降的規(guī)律，均高于CK。說明在適宜的水分條件下，凈光合速率隨著施氮量的提高而提高；而在高水分條件下，過多的氮肥反而會抑制凈光合速率的提高。

圖1 不同水氮處理的馬鈴薯凈光合速率日變化

從表5凈光合速率日變化均值可以看出，除T2和T7之間凈光合速率差異不顯著外，其他各處理之間凈光合速率差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。凈光合速率日變化均值大小為T6>T3>T4>T8>T9>T2>T7>T5>T1，其中T6凈光合速率日變化均值最大，為14.05 μmol/(m2﹒s)，T1凈光合速率日變化均值最小，為12.44 μmol/(m2﹒s)，說明T6(中水高氮)的水肥組合對馬鈴薯凈光合速率的提升效果最好。

表5 光合指標(biāo)日變化均值

注：表中數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值，根據(jù)Duncan多重比較，圖中小寫字母不同表示0.05水平上差異顯著，大寫字母表示0.01水平上差異極顯著。

2.1.2 不同水氮處理對蒸騰速率日變化的影響

由圖2可知，不同水氮處理下，葉片蒸騰速率日變化情況基本相同，呈現(xiàn)出“雙峰”形趨勢。在上午10∶00左右達(dá)到第一次峰值，T4的蒸騰速率最高，其值為9.87 mmol/(m2·s)。之后，隨著太陽光照強(qiáng)度的提高，氣溫的升高，各處理均呈現(xiàn)出緩慢下降的趨勢，在下午14∶00時各處理均呈現(xiàn)最低值，CK的蒸騰速率最低，其值為3.46 mmol/(m2·s)。在下午14∶00以后，由于太陽光照減弱，氣溫下降，各處理呈現(xiàn)出急速上升的趨勢，在下午16∶00時出現(xiàn)第二次峰值，且上午10∶00出現(xiàn)的峰值均高于下午16∶00出現(xiàn)的峰值，在下午16∶00出現(xiàn)的第二次峰值中，T6的蒸騰速率最高，其值為7.41 mmol/(m2·s)。

在同一水分條件下，馬鈴薯的蒸騰速率隨著施氮量的提高表現(xiàn)不同。在W1和W2水分條件下，馬鈴薯的蒸騰速率隨著施氮量的提高而表現(xiàn)出先減小后增加的規(guī)律，表明在水分適宜的條件下，有必要控制施氮量，以便調(diào)節(jié)馬鈴薯葉片的蒸騰速率。在W3水分條件下，馬鈴薯的蒸騰速率隨著施氮量的提高呈現(xiàn)出先增加后減小的規(guī)律，說明在高水條件下，過多的氮肥反而會抑制蒸騰速率的提高。

圖2 不同水氮處理的馬鈴薯蒸騰速率日變化

從表5蒸騰速率日變化均值可以看出，除T4和T5、T7和T3蒸騰速率差異不顯著外，其他各處理之間蒸騰速率差異達(dá)到顯著水平(P<0.01)。蒸騰速率日變化均值大小為T6>T8>T9>T7>T3>T4>T5>T1>T2，其中T6蒸騰速率日變化均值最大，為7.04 mmol/(m2﹒s)，T2凈光合速率日變化均值最小，為5.51 mmol/(m2﹒s)。綜上所述，T6(中水高氮)的水肥組合對馬鈴薯蒸騰速率的提升效果最好。

2.1.3 不同水氮處理對氣孔導(dǎo)度日變化的影響

由圖3可知，不同水氮處理的馬鈴薯氣孔導(dǎo)度日變化也呈現(xiàn)出明顯的“雙峰”形曲線。氣孔導(dǎo)度的雙峰分別出現(xiàn)于上午的10∶00和下午的16∶00，在兩峰值之間，氣孔導(dǎo)度先緩慢下降，之后，在下午14∶00時各處理的氣孔導(dǎo)度開始迅速上升，這是由于在中午太陽光照強(qiáng)烈，氣溫升高，馬鈴薯葉片失水較多，為了避免灼傷而自動減小氣孔。

圖3 不同水氮處理的馬鈴薯氣孔導(dǎo)度日變化

在W1、W2、W3水分條件下，馬鈴薯的氣孔導(dǎo)度隨著施氮量的提高顯示出不同的變化趨勢。在W1和W2水分條件下，氣孔導(dǎo)度隨著施氮量的提高而提高，說明在低水條件下，施氮量對氣孔導(dǎo)度有一定的提高作用；在W3水分條件下，氣孔導(dǎo)度隨著施氮量的提高表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，表明在高水條件下，施氮量過多會對氣孔導(dǎo)度有抑制作用。

從表5氣孔導(dǎo)度日變化均值可以看出，T6與T1、T2、T3、T4、T5、T7和T9之間氣孔導(dǎo)度差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，T8與T1、T2、T3、T4、T5、T7和T9之間氣孔導(dǎo)度差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，T6與T8之間氣孔導(dǎo)度差異不顯著。氣孔導(dǎo)度日變化均值大小為T6>T8>T5>T3>T9>T4>T1>T2>T7，T6氣孔導(dǎo)度日變化均值最大，為0.089 mmol/(m2﹒s)，T8氣孔導(dǎo)度日變化均值次之，為0.087 mmol/(m2﹒s)。因此，T6(中水高氮)的水肥組合對馬鈴薯氣孔導(dǎo)度的提升效果最好。

2.2 不同水氮處理對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

由圖4可以得出，不同水氮處理的產(chǎn)量均比CK高，且T3(56 008.50 kg/hm2)和T6(58 509.30 kg/hm2)的產(chǎn)量均高于其他處理，其產(chǎn)量分別比CK提高36.6%和42.8%。

圖4 不同水氮處理對馬鈴薯產(chǎn)量

在相同灌水量條件下，馬鈴薯的產(chǎn)量隨著施氮量的變化產(chǎn)生不同的變化規(guī)律。在W1水分條件下，馬鈴薯的產(chǎn)量隨著施氮量的增加明顯提高，這表明在適宜水分條件下增加施氮量會提升馬鈴薯的產(chǎn)量。W2水分條件下，馬鈴薯的產(chǎn)量隨施氮量的提高表現(xiàn)為先降低再上升，這是由于測產(chǎn)時存在試驗誤差，導(dǎo)致T5的產(chǎn)量低于T4的產(chǎn)量。在W3水分條件下，馬鈴薯的產(chǎn)量隨著施氮量的提高表現(xiàn)為下降趨勢，這表明在高水分條件下施氮量過多對馬鈴薯的產(chǎn)量有抑制作用。

在相同施氮量條件下，不同灌水量處理的產(chǎn)量也呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。在N1條件下，馬鈴薯的產(chǎn)量隨著灌水量的增加而提高，T4和T7分別比T1增產(chǎn)12.85%、17.79%。說明在低氮水平下，調(diào)高灌水量可以有效地增加馬鈴薯的產(chǎn)量。在N2條件下，T2和T8差異不明顯，說明W1灌水量適宜，W3灌水量過多。在N3條件下，馬鈴薯的產(chǎn)量隨著灌水量的提高呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，T6的產(chǎn)量分別比T3和T9提高4.47%、15.36%，說明在高氮條件下，調(diào)高灌水量并不能有效地增加馬鈴薯的產(chǎn)量。

對不同水氮處理的馬鈴薯產(chǎn)量用Duncan新復(fù)極差法做方差分析。從表6馬鈴薯產(chǎn)量的方差分析固定模型可以看出，區(qū)組間的顯著水平P值小于0.05，說明非人為因素對馬鈴薯產(chǎn)量影響較大。由表5還可得到水分因素間、氮肥因素間、水分×氮肥的顯著水平P值分別為0.861 2、0.039 9及0.065。這說明在不同灌水量和施氮量處理下，施氮量對馬鈴薯產(chǎn)量的影響效果好于灌水量，水氮互作效應(yīng)對馬鈴薯產(chǎn)量的作用不顯著。由表7可知，T1與T6差異極顯著，T1與T3差異顯著，T5分別與T3和T6差異顯著，其余處理之間差異都不顯著。不同處理的馬鈴薯產(chǎn)量從高到低為T6>T3>T7>T8>T2>T9>T4>T5>T1。

本研究表明，當(dāng)灌水量小于900 m3/hm2，施氮量小于120 kg/hm2，會導(dǎo)致馬鈴薯產(chǎn)量的下降。這是由于在水分和氮素不足的情況下，馬鈴薯吸收養(yǎng)分困難，所以限制了馬鈴薯的生長，導(dǎo)致產(chǎn)量較低。當(dāng)灌水量大于1800 m3/hm2，施氮量大于240 kg/hm2，同樣會導(dǎo)致馬鈴薯產(chǎn)量下降。這是由于灌水量過多會使得作物植株根系受到損害，氮肥過多會引起作物體內(nèi)養(yǎng)分過剩，抑制作物的正常生長，導(dǎo)致干物質(zhì)積累較低。由本試驗得出，最有利于馬鈴薯產(chǎn)量升高的水氮處理是T6(中水高氮)。

表6 馬鈴薯產(chǎn)量方差分析表(固定模型)

表7 不同水氮組合對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

注：表中數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值，根據(jù)Duncan多重比較，圖中小寫字母不同表示0.05水平上差異顯著，大寫字母表示0.01水平上差異極顯著。

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

(1)光合特性。光合作用是馬鈴薯產(chǎn)量的基礎(chǔ)，其功能直接影響馬鈴薯的生長狀況，也是馬鈴薯對外界環(huán)境反應(yīng)能力研究的重要指標(biāo)[23]。氮素對作物體內(nèi)的葉綠素、可溶性蛋白及光合酶類的合成和活性有直接影響，所以對光合作用有調(diào)節(jié)作用[24,25]。水氮條件對作物光合特性的影響非常復(fù)雜。馬旭等[26]研究發(fā)現(xiàn)，對于膜下滴灌馬鈴薯，灌水量增加，馬鈴薯的光合速率也隨之而提高。這與本試驗研究結(jié)果一致。魏峭嶸等[27]研究表明氮肥可以提高馬鈴薯葉片的凈光合速率，并且施氮量越多，光合作用各項指標(biāo)的增加幅度也越大。鄭順林[28]指出，增施氮肥可以提高馬鈴薯的光合性能。本試驗表明，在低水條件下，凈光合速率和氣孔導(dǎo)度隨施氮量的提高而逐漸升高，這是由于在低水條件下，作物的滲透調(diào)節(jié)能力可通過適量施氮得到加強(qiáng)，從而增大氣孔導(dǎo)度，提高了凈光合速率[29]。

(2)產(chǎn)量。作物產(chǎn)量是由群體干物質(zhì)所決定的，馬鈴薯塊莖干物質(zhì)累積是產(chǎn)量形成的關(guān)鍵，產(chǎn)量隨塊莖干物質(zhì)的增加而增加[30]。本研究表明，在低水和中水條件下，馬鈴薯的產(chǎn)量隨施氮量的提高總體呈增加趨勢；在低氮和中氮條件下，馬鈴薯的產(chǎn)量隨灌水量的提高總體也呈現(xiàn)出增加的趨勢。這與前人的研究結(jié)果基本一致[31,32]。

3.2 結(jié) 論

在本試驗中，通過對不同水氮處理下馬鈴薯凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度及產(chǎn)量進(jìn)行研究分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)馬鈴薯凈光合速率、蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度日變化均呈現(xiàn)出“雙峰”型曲線，峰值均出現(xiàn)在上午10∶00左右，在上午12∶00-下午14∶00期間，表現(xiàn)出光合作用明顯的“午休”現(xiàn)象。

(2)各水氮處理對馬鈴薯的光合特性都產(chǎn)生了一定程度的影響。本試驗表明，T6(中水高氮)對馬鈴薯光合特性的提升效果最為有效。

(3)總體來看，不同水氮處理下馬鈴薯產(chǎn)量相比于CK均有增加。在灌水量為900 m3/hm2和1 350 m3/hm2時，馬鈴薯產(chǎn)量隨著施氮量的提高而提高；當(dāng)灌水量為1 800 m3/hm2時，產(chǎn)量的變化趨勢為先增后減。在施氮量為120 kg/hm2和180 kg/hm2時，馬鈴薯產(chǎn)量隨著灌水量的提高而提高，當(dāng)施氮量大于240 kg/hm2時，產(chǎn)量的變化規(guī)律為先增后減。本研究中，馬鈴薯最佳產(chǎn)量是58 509.30 kg/hm2，表明T6(中水高氮)最有利于產(chǎn)量的提高。