密度和施肥對旱地馬鈴薯干物質(zhì)積累、產(chǎn)量和水肥利用的影響

柳燕蘭 郭賢仕,* 張緒成,* 馬明生 王宏康

1 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所 / 甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點實驗室, 甘肅蘭州 730070; 2 甘肅省種子總站, 甘肅蘭州730000

甘肅省是我國馬鈴薯優(yōu)勢主產(chǎn)區(qū), 但單產(chǎn)長期徘徊在 20 t hm-2左右[1-2], 僅實現(xiàn)了當(dāng)?shù)毓鉂搫莸?4.49%, 熱潛勢的40.40%, 降水潛勢的78.43%和土壤肥力潛勢的93%[3]。究其原因, 主要是甘肅省70%以上的馬鈴薯種植在年降水量350 mm左右的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)[4], 裸地稀植、花前培土的種植和肥料供應(yīng)與作物需肥錯位等限制了對區(qū)域光、熱、降水及肥力資源的充分利用, 使馬鈴薯的產(chǎn)量和水肥利用較低。如何系統(tǒng)優(yōu)化種植模式、密度及施肥等農(nóng)藝栽培管理措施, 來充分挖掘馬鈴薯的光、熱、水、肥及產(chǎn)量生產(chǎn)潛力是實現(xiàn)該區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)高效的關(guān)鍵,對保證區(qū)域馬鈴薯生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展及保障國家糧食安全具有重要的意義。

黑色地膜覆蓋是隴中半干旱區(qū)近年來馬鈴薯主要的種植模式, 能夠抑蒸保墑、協(xié)調(diào)馬鈴薯需水和馬鈴薯耗水之間的矛盾, 使產(chǎn)量和水分利用效率得到大幅度提高[5]。通過優(yōu)化農(nóng)藝栽培管理措施來提升馬鈴薯光、熱及水、肥資源利用, 可能是協(xié)同實現(xiàn)高產(chǎn)高效的有效途徑。有研究表明, 合理增加種植密度可提高群體數(shù)量和葉面積指數(shù), 通過影響群體光合性能和土壤水肥利用來增加產(chǎn)量[6-7]; 合理密植既能保持植株較高的氮積累量, 又使氮轉(zhuǎn)運(yùn)率不至于過高, 避免生育后期葉片的早衰, 協(xié)同提高產(chǎn)量和氮肥利用率[8-9]。肥料效應(yīng)可通過提高個體光合速率影響群體光合性能, 在產(chǎn)量形成的關(guān)鍵生育期對密度效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償[6], 優(yōu)化施肥后可提高氮肥利用效率的同時增加產(chǎn)量[10]。過量普通氮肥全部基施會使作物前期養(yǎng)分過剩而降低群體冠層光合速率和作物生長[11]、影響同化物的轉(zhuǎn)運(yùn)[12], 降低產(chǎn)量和肥料利用。通過緩釋尿素替代普通尿素, 可利用緩釋肥肥效釋放緩慢的特點彌補(bǔ)馬鈴薯生育后期對氮的需求[13], 一次性基施較普通尿素能提高馬鈴薯產(chǎn)量的6.4%[14]; 在玉米上可通過提高生育后期干物質(zhì)生產(chǎn)量及分配比例來提高產(chǎn)量[15], 且氮肥利用率提高6.2%～86.6%[16]。目前在小麥[17]和玉米[18-19]上通過增加密度、肥料運(yùn)籌、種植方式等多項栽培技術(shù)的集成優(yōu)化或者綜合農(nóng)藝措施, 均顯著提高產(chǎn)量和資源利用效率。但是, 針對半干旱區(qū)馬鈴薯, 多種技術(shù)組合(覆蓋、密度和施肥)對冠層光合同化、干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、產(chǎn)量形成及其水肥利用的調(diào)控效應(yīng)尚不清楚。為此,本文在廣泛調(diào)研西北半干旱區(qū)馬鈴薯當(dāng)前農(nóng)戶習(xí)慣種植方式的基礎(chǔ)上, 通過對黑色地膜覆蓋、增加種植密度及肥料配施等多項栽培技術(shù)集成優(yōu)化模式,研究不同栽培模式對馬鈴薯葉面積指數(shù)、葉片SPAD值、冠層光合能力、干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運(yùn)以及產(chǎn)量和水肥利用的影響, 明確不同栽培模式下旱地馬鈴薯增產(chǎn)增效的機(jī)制, 以期為旱地馬鈴薯高產(chǎn)高效栽培提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017—2019年在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院定西試驗站(甘肅省定西市安定區(qū)團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)唐家堡村,104°36′E, 35°35′N)進(jìn)行。該區(qū)海拔 1970 m, 年平均氣溫 6.2℃, 年輻射總量 5898 MJ m-2, 年日照時數(shù)2500 h, ≥10℃積溫20,755.1℃, 無霜期140 d, 屬中溫帶半干旱氣候。作物一年一熟, 為典型旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。年均降水量415 mm, 6月至9月降水量占年降水量的68%, 降水相對變率為24%, 400 mm降水保證率為48%。試驗區(qū)土壤為黃綿土, 耕層0～20 cm含有機(jī)質(zhì) 11.99 g kg-1、全氮 1.16 g kg-1、全磷 0.73 g kg-1、全鉀 17.28 g kg-1、速效磷 8.67 mg kg-1、速效鉀121.50 mg kg-1, pH 8.35。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶栽培(CK)、高產(chǎn)高效栽培(YE)、超高產(chǎn)栽培(HY) 3種栽培模式。采用隨機(jī)區(qū)組排列, 3次重復(fù), 小區(qū)面積為49.5 m2。YE和HY模式的馬鈴薯均采用全膜覆蓋壟溝種植, 種植帶寬100 cm, 寬窄行種植, 寬行60 cm, 窄行40 cm (圖1),溝內(nèi)每隔50 cm左右扎眼以便于水分入滲。其中, YE模式的行距 50 cm, 株距 33 cm, 播種密度 60,000株 hm-2; HY模式的行距50 cm, 株距30 cm, 播種密度67,500株 hm-2; CK采用露地平作種植, 行距50 cm, 株距44 cm, 播種密度45,000株 hm-2。CK模式的氮為普通尿素(含N 46%); YE和HY模式的氮為緩釋尿素(山東眾德集團(tuán)生產(chǎn), 氮≥45%, 初期養(yǎng)分釋放≤10%); 所有處理的磷、鉀肥分別為過磷酸鈣(含P2O512%)、氯化鉀(含K2O 60%), 有機(jī)肥為腐熟的羊糞(全氮 0.5%, 全磷 0.4%, 全鉀 0.4%), 肥料全部一次性基施。試驗具體的種植模式、密度及肥料用量見表1。供試品種為隴薯10號, 2017年4月20日播種, 10月16日收獲; 2018年4月22日播種, 10月9日收獲; 2019年4月22日播種, 9月27日收獲。其他管理同大田。

表1 不同栽培模式的種植密度和肥料用量Table 1 Plant density and fertilizer application under different cultivation and management patterns

1.3 試驗區(qū)2017—2019年降雨量及平均氣溫

根據(jù)甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院定西試驗站氣象資料統(tǒng)計, 2017年試驗區(qū)馬鈴薯全生育期降水 354.8 mm;>10 mm降水15次, 為215 mm, <10 mm的降水42次, 為139.8 mm。2018年馬鈴薯全生育期降水425.4 mm; >10 mm降水15次, 為265.3 mm, <10 mm的降水54次, 為160.1 mm。2019年馬鈴薯全生育期降水420.7 mm; >10 mm降水11次, 為244.7 mm, <10 mm的降水47次, 為176.0 mm。3年均在馬鈴薯花期發(fā)生持續(xù)性干旱, 季節(jié)分配不均(圖 2), 對馬鈴薯的生長造成不利影響, 導(dǎo)致年際間產(chǎn)量不一致。2017年馬鈴薯生育期內(nèi)最低溫 1.1℃, 最高溫 25.1℃, 平均氣溫15.25℃; 2018年馬鈴薯生育期內(nèi)最低溫7.1℃, 最高溫21.7℃, 平均氣溫15.81℃; 2019年馬鈴薯生育期內(nèi)最低溫 6.2℃, 最高溫 21.7℃, 平均氣溫15.43℃。

1.4 測定指標(biāo)及方法

1.4.1 SPAD和 LAI 在馬鈴薯蕾期、花期、塊莖膨大期、淀粉積累期, 用SPAD-502 plus葉綠素儀測定葉片 SPAD值, 選擇倒二枝的頂葉為測定對象,每個葉片避開葉脈自上而下測定 5次, 每個小區(qū)選擇10個葉片。在馬鈴薯蕾期、花期、塊莖膨大期、淀粉積累期, 用CI-110植物冠層分析儀(CID, 美國)測定葉面積指數(shù)(leaf area index, LAI), 每小區(qū)重復(fù)測定5次, 取其平均值作為小區(qū)LAI。

1.4.2 光合速率 分別在塊莖膨大期和淀粉積累期, 用 LI-6400型便攜式光合測定系統(tǒng)在 10:00—12:00測定光合速率(Pn, μmol CO2m-2s-1), 每次測定10株, 取其平均值。冠層光合能力用群體LAI與單株凈光合速率的乘積表示[20]。

1.4.3 生物量和產(chǎn)量 分別于馬鈴薯蕾期、花期、塊莖膨大期、淀粉積累期和成熟期在各小區(qū)中選取長勢均勻一致的 5株, 先將植株用水沖洗, 濾紙吸干后, 將植株按照根、莖、葉、塊莖分開, 105℃殺青 30 min后 80℃烘干至恒重, 測定各器官干物重,粉碎過篩后保存, 用于植株氮、磷、鉀養(yǎng)分分析。馬鈴薯成熟期每小區(qū)按實際塊莖鮮重計算產(chǎn)量。

1.4.4 耗水量和水分利用效率 在馬鈴薯播期和收獲后, 用烘干法測定0～200 cm土層的土壤含水量,每20 cm為1個層次, 每小區(qū)在壟上馬鈴薯株間測定 1個位點。土壤貯水量計算公式: SWS(mm) =WS×γ×d/100。式中 WS 為土壤質(zhì)量含水量(g kg-1);γ為土壤容重(g cm-3);d為土層深度(cm)。土壤耗水量的計算公式: ET= SWSBF-SWSHA+P, 式中SWSBF為播期土壤貯水量, SWSHA為收獲后土壤貯水量,P為馬鈴薯全生育期降雨量。水分利用效率(WUE) =Yd/ET[21], 式中Yd為馬鈴薯單位面積產(chǎn)量(kg hm-2),ET為馬鈴薯全生育期耗水量。

1.4.5 植株N、P、K含量的測定 將準(zhǔn)備好的成熟期的植株樣品用 H2SO4-H2O2消煮法制備待測液,采用凱氏定氮法測定全氮含量, 釩鉬黃比色法測定全磷含量, 火焰光度法測定全鉀含量[22]。

1.5 相關(guān)參數(shù)計算

氮、磷、鉀的相關(guān)指標(biāo)計算方法參照王永華等[23]

(1) 植株氮(磷、鉀)素總積累量(kg hm-2) =Σ植株各個器官干重 × 氮 （磷 、 鉀）含量;

(2) 氮(磷、鉀)素利用效率(kg kg-1) = 塊莖產(chǎn)量/植株氮(磷、鉀)素總積累量;

(3) 氮(磷、鉀)素收獲指數(shù)=塊莖氮(磷、鉀)素積累量/成熟期植株氮(磷、鉀)素總積累量。

干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的相關(guān)指標(biāo)計算方法參照劉星等[24],稍作改進(jìn)。

(1) 塊莖膨大期前營養(yǎng)器官貯藏干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量(kg hm-2)=塊莖膨大期植株干重-成熟期植株干重;

(2) 塊莖膨大期前營養(yǎng)器官貯藏干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率(%)=(塊莖膨大期植株干重-成熟期植株干重)/塊莖膨大期植株干重×100%;

(3) 塊莖膨大期后光合同化量(輸入塊莖部分)(kg hm-2)=成熟期塊莖干重-塊莖膨大期前營養(yǎng)器官貯藏干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量-塊莖膨大期塊莖干重;

(4) 塊莖膨大期后光合同化量對塊莖的貢獻(xiàn)率(%)=塊莖膨大期后光合同化量/(成熟期塊莖干重-塊莖膨大期塊莖干重)×100%。

1.6 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

用Microsoft Excel 2010軟件作圖, DPS對數(shù)據(jù)進(jìn)行ANOVA方差分析, 并用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽培模式對旱地馬鈴薯LAI的影響

馬鈴薯的LAI隨生育進(jìn)程呈先增加后降低趨勢,均在塊莖膨大期達(dá)最大值; YE和HY在整個生育期的LAI均顯著高于CK, 不同生育期處理間表現(xiàn)不同(表2)。2017年在現(xiàn)蕾期和淀粉積累期處理間差異顯著, YE和HY較CK分別增加42.3%、60.5%和35.5%、30.8%; 在淀粉積累期YE較HY增加3.43%。在花期和塊莖膨大期, YE和HY間差異不顯著, 但均顯著高于 CK, 分別增加 57.5%、67.3%和 21.3%、19.7%。2018和2019年YE和HY的LAI在4個生育期無顯著差異, 但均顯著高于CK。與塊莖膨大期相比, CK淀粉積累期的LAI在2017—2019年分別降低25.3%、22.3%、19.9%; YE的分別降低12.2%、10.3%、11.9%; HY的分別降低14.7%、10.5、9.5%。表明YE和HY的馬鈴薯生育后期LAI下降幅度小于CK, YE下降幅度更小, 這為光熱資源的利用奠定了基礎(chǔ)。

表2 不同栽培模式下馬鈴薯葉面積指數(shù)Table 2 Leaf area index (LAI) of potato under different cultivation models

2.2 不同栽培模式下旱地馬鈴薯葉片SPAD值的變化

馬鈴薯葉片 SPAD值隨生育進(jìn)程呈先增加后降低趨勢, 峰值出現(xiàn)在塊莖膨大期(表 3)。苗期,處理間 SPAD值 3年均無顯著差異?，F(xiàn)蕾期、花期、塊莖膨大期和淀粉積累期, YE和HY間差異不顯著, 均高于CK。2017年分別顯著增加3.5～6.5和 3.7～4.9; 2018年分別增加 3.2～7.9和 4.3～7.4;2019年分別增加 3.8～7.7和 4.2～8.0。與塊莖膨大期相比, 淀粉積累期CK的SPAD值在2017—2019年分別降低8.62、9.41、10.04; YE的SPAD值分別降低6.30、5.99、8.97; HY的SPAD值分別降低7.46、6.46、10.49。表明YE和HY的馬鈴薯生育后期SPAD值降低幅度小于CK, 且YE下降幅度更小; 維持較高的 SPAD值, 可延長光合功能期,為塊莖的膨大提供較充足的光合同化物。

表3 不同栽培模式下馬鈴薯葉片SPADTable 3 SPAD of potato under different cultivation models

2.3 不同栽培模式下旱地馬鈴薯光合特性的變化

YE和HY較CK能夠增加不同降水年型馬鈴薯在塊莖膨大期和淀粉積累期的凈光合速率, 處理間差異不顯著; 但其冠層光合能力差異顯著(表4)。塊莖膨大期YE和HY的冠層光合能力在2018—2019年較CK分別增加28.38%、31.33%和33.43%、35.89%;淀粉積累期分別增加 40.56%、39.81%和 51.74%、49.17%。表明生育后期較強(qiáng)的冠層光合能力為 YE和HY的馬鈴薯物質(zhì)生產(chǎn)奠定生理基礎(chǔ)。

表4 不同栽培模式下馬鈴薯凈光合速率和冠層光合能力Table 4 Net photosynthetic rate and canopy photosynthesis ability of potato under different cultivation models

2.4 不同栽培模式下旱地馬鈴薯干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運(yùn)

2.4.1 不同栽培模式下馬鈴薯地上部干物質(zhì)積累

馬鈴薯地上部干物質(zhì)積累量在整個生育期呈單峰曲線變化, 峰值出現(xiàn)在塊莖膨大期, 之后逐漸下降(圖3)。YE和HY在整個生育期差異不顯著, 但均顯著高于CK。在差異最大的塊莖膨大期, YE的地上部生物量在2017—2019年較CK分別增加95.14%、140.55%、133.47%; HY的分別增加89.97%、134.98%和130.63%; YE和HY間差異不顯著。

2.4.2 不同栽培模式下馬鈴薯塊莖膨大前后干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運(yùn) YE和HY均增加了馬鈴薯塊莖膨大前群體干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量, 但降低了轉(zhuǎn)運(yùn)率(表5)。與CK相比, YE干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率在2017—2019年分別顯著降低45.49%、48.05%、50.39%; HY干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率分別顯著降低37.19%、48.96%、51.01%, YE和HY間無顯著差異。YE和HY提高了塊莖膨大后同化物輸入塊莖的量及其對塊莖的貢獻(xiàn)率, 在2017年YE較CK和HY顯著提高109.73%、37.75%和5.89%、6.51%,2018—2019年與HY無顯著差異, 較CK分別提高69.71%、16.62%和49.60%、13.32%。HY的塊莖膨大后同化物輸入塊莖的量及其對塊莖的貢獻(xiàn)率在2017—2019年較 CK顯著提高 98.05%、67.67%、48.25%和29.34%、16.56%、11.96%。

表5 不同栽培模式下馬鈴薯塊莖膨大前后干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運(yùn)Table 5 Dry matter distribution and accumulation before and after potato tuber expansion under different cultivation modes

2.5 不同栽培模式下旱地馬鈴薯產(chǎn)量及水分利用效率

YE和HY顯著提高了馬鈴薯塊莖產(chǎn)量(圖4)。在 2017—2019年YE的塊莖產(chǎn)量較 CK顯著增加71.85%、40.40%、32.38%; HY較 CK顯著增加57.67%、51.45%、35.23%。2017年和2018年YE和HY間差異顯著。與CK相比, YE和HY的耗水量在 2017—2019年分別降低 15.37%、11.10%、22.39%和19.23%、8.98%、18.21%, YE和HY間無顯著差異。水分利用效率(WUE)的變化規(guī)律與產(chǎn)量相似, 在 2017—2019年 YE的較 CK顯著增加103.07%、57.94%、70.57%; HY較 CK顯著增加95.22%、66.38%、65.34%。2018年YE和 HY間差異顯著。

2.6 不同栽培模式對旱地馬鈴薯養(yǎng)分積累與利用的影響

與CK相比, YE和HY的馬鈴薯氮素總積累量(NTA)和氮素利用效率(NUE)分別增加 17.88%、20.45%和15.21%、12.37%; YE的NUE較HY增加2.53%, 但二者無顯著差異。YE的氮素收獲指數(shù)(NHI)較CK增加3.85%, 較HY增加2.53%, HY和CK間差異不顯著。

處理間磷素總積累量(PTA)差異顯著(表 6), YE和HY較CK分別增加6.95%和31.49%。YE的磷素利用效率(PUE)較CK顯著增加17.20%, 較HY的增加23.41%, 而HY和CK間無顯著差異。處理間磷素收獲指數(shù)(PHI)無顯著差異。

YE和HY的馬鈴薯鉀素總積累量(KTA)、鉀素收獲指數(shù)(KHI)均高于CK (表6)。其中, YE的KTA和KHI較CK分別增加43.54%和7.79%; HY的分別增加42.56%和14.29%, YE和HY間無顯著差異。YE和HY的KUE顯著低于CK。

2.7 不同栽培模式對馬鈴薯經(jīng)濟(jì)收益的影響

YE和HY提高了馬鈴薯塊莖的商品率和商品產(chǎn)量(表7)。其中, 商品率較CK在2017、2018和2019年 分 別 增 加 25.7%～43.7%、 24.6%～17.4%和39.7%～42.7%, 商品產(chǎn)量分別提高115.9%～126.6%、74.9%～77.7%和 84.9%～93.0%; 相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)收益分別增加86.5%～80.6%、53.9%～61.7%和49.7%～54.2%,且HY均高于YE, 但差異不顯著。純收益分別增加111.2%～81.6%、43.4%～43.9%和 35.2%～29.3%, YE高于HY, 差異不顯著。

3 討論

建立高光效的群體是獲取高產(chǎn)的核心[25], 決定群體光合作用的因素有質(zhì)量因子-單葉光合速率和數(shù)量因子-葉面積指數(shù)。增加種植密度, 可通過提高葉面積指數(shù)來充分利用光照、空間和地力資源, 增加植株光合效率和光合物質(zhì)積累, 提高產(chǎn)量和資源利用率[26]。在小麥[27]、玉米[20]上研究表明, 相對于普通栽培, 超高產(chǎn)栽培模式(增密)都有較高的葉面積指數(shù)。本研究也得出相似的結(jié)果, YE和HY整個生育期的LAI均顯著高于CK, 表明YE和HY增密后擁有較大的群體冠層, 能充分利用光、熱、水、肥資源, 這對作物高產(chǎn)高效有積極的作用; 在降雨較少的2017年, YE的LAI在塊莖膨大期和淀粉積累期較HY分別提高1.36%和3.43%, 對馬鈴薯高產(chǎn)高效更有利。保持葉片綠色, 可延緩葉片衰老和延長葉片的光合作用時間, 從而提高群體光合[28]。但是,氮肥虧缺易造成葉面積指數(shù)和 SPAD值降低, 導(dǎo)致光能截獲量和光能利用率下降[29]; 氮肥過量會加速生育后期的葉片衰老, 使光合功能期縮短, 產(chǎn)量降低[30]。增加密度會增強(qiáng)個體對養(yǎng)分的競爭, 導(dǎo)致葉片葉綠素含量下降使光合受阻, 而肥料效應(yīng)可通過提高個體光合速率影響群體光合性能, 在產(chǎn)量形成關(guān)鍵生育期對密度效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償[6]。本試驗條件下,YE和HY在密度和緩釋氮肥同步增加的模式下馬鈴薯葉片SPAD值顯著高于CK, 塊莖膨大期和淀粉積累期YE均高于HY。表明通過密度和肥料優(yōu)化可以提高作物的 SPAD值, 為提高光合效率奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。另外, 采取合理的栽培措施來減緩作物生育后期葉面積的衰減速度, 保持較高的群體光合勢,是作物增產(chǎn)的重要途徑[31]。張仁和等[32]在玉米上研究表明, 與普通大田栽培相比, 高產(chǎn)和超高產(chǎn)栽培的玉米通過維持高的葉面積指數(shù)和 SPAD值來改善玉米葉片光合性能, 為籽粒灌漿提供了較充足的光合同化物。本研究中, 與塊莖膨大期相比, YE和HY的LAI和葉片SPAD值在淀粉積累期下降幅度低于CK。較高的LAI和葉片SPAD值維持了較好的光合性能, 使其冠層光合能力在 2018和 2019年的塊莖膨大期較CK分別增加28.38%、46.52%和31.33%、49.24%; 淀粉積累期分別增加 33.43%、58.18%和35.89%、59.23%, 這為馬鈴薯塊莖的膨大提供充足的光合同化物。因此, YE和HY通過增加密度優(yōu)化了群體結(jié)構(gòu), 提高馬鈴薯的LAI和SPAD值, 肥料效應(yīng)對增密后個體養(yǎng)分競爭的彌補(bǔ)減緩了生育后期LAI和 SPAD降低幅度, 保持較高的冠層光合能力,這為產(chǎn)量潛力的發(fā)揮奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

表6 不同栽培模式下馬鈴薯肥料積累與利用(2019年)Table 6 Fertilizer accumulation and utilization of potato under different cultivation models in 2019

表7 不同栽培模式對馬鈴薯經(jīng)濟(jì)收益的影響Table 7 Effects on profit of different cultivation models in potato

YE和HY通過密度和肥料的優(yōu)化雖增加了群體冠層光合能力和時間, 但黑色地膜覆蓋后其耗水量較CK 3年平均降低16.29%和15.47%, 雖然增加密度后相應(yīng)的作物蒸騰增加了, 但在地膜覆蓋和增密條件下, 馬鈴薯蒸騰量仍小于土面的無效蒸發(fā), 有限的降水用于作物的生長, 使地上干物質(zhì)積累量在塊莖膨大期較 CK 3年平均增加了 123.05%和118.53%。馬鈴薯產(chǎn)量的形成是同化產(chǎn)物積累和分配的結(jié)果[33], 在增加干物質(zhì)積累的同時, 必須促進(jìn)同化產(chǎn)物的合理分配, 提高干物質(zhì)的有效利用率。這一過程因施肥和養(yǎng)分管理等栽培條件的不同而有很大差異[34]。旱地玉米高產(chǎn)栽培模式降低了其花前干物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)量, 提高花后干物質(zhì)積累量及其對籽粒的貢獻(xiàn)率是其高產(chǎn)與水分協(xié)同提高的物質(zhì)基礎(chǔ)[17];且施用控釋尿素可以增加干物質(zhì)向開花后分配的比例[14]。本試驗條件下, YE和HY顯著增加馬鈴薯全生育期干物質(zhì)積累量, 降低馬鈴薯塊莖膨大前的群體干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率, 并提高塊莖膨大后同化物輸入塊莖量及其對塊莖的貢獻(xiàn)率, 使塊莖產(chǎn)量在2017—2019年分別增加 71.85%、40.40%、32.38%和57.67%、51.45%、35.23%, 對應(yīng)的水分利用效率分別提高 103.07%、57.94%、70.57%和 95.22%、66.38%、65.34%。這與劉星等[24]在馬鈴薯上的研究結(jié)果一致。YE較HY的WUE提高2.05%, 而3年平均產(chǎn)量相當(dāng), 這主要是本研究選擇的品種為隴薯10號, 試驗期間部分發(fā)生了晚疫病, 造成減產(chǎn), 導(dǎo)致HY超高產(chǎn)潛力沒有充分發(fā)揮。另外, YE和HY不僅增加了馬鈴薯的塊莖產(chǎn)量, 而且提高了商品率,使得商品產(chǎn)量顯著增加, 分別較 CK在 2017—2019年平均提高90.5%和97.4%, 商品產(chǎn)量的增加使純收益顯著分別增加 7330.3元 hm-2和6024.6元 hm-2;YE較HY純收益增加1305.7元 hm-2。因此, YE和HY通過優(yōu)化栽培模式有效地利用了有限的降水,使馬鈴薯群體發(fā)育增強(qiáng), 提高馬鈴薯產(chǎn)量、水分利用效率和經(jīng)濟(jì)效益, 實現(xiàn)了增產(chǎn)增效的目標(biāo)。

優(yōu)化栽培模式能克服常規(guī)栽培模式對養(yǎng)分資源利用管理的不足, 提高產(chǎn)量、增加養(yǎng)分利用效率[35-36]。有研究表明, 超高產(chǎn)栽培的水稻N、P、K總吸收量和產(chǎn)谷效率均高于普通高產(chǎn)栽培[37]; 超高產(chǎn)栽培的玉米N、P、K積累量和收獲指數(shù)均高于普通高產(chǎn)栽培[38], 本試驗條件下, YE和HY通過黑膜覆蓋、增加密度和合理施肥等栽培措施集成優(yōu)化后促進(jìn)了馬鈴薯的群體發(fā)育, 增加作物養(yǎng)分吸收量, 使 YE的N、P利用效率較CK分別增加了15.21%和17.20%;HY的N利用效率增加了12.37%。但二者均降低了K利用效率, 這可能與黃土高原土壤鉀含量較高、施鉀肥造成利用率降低有關(guān)。同時, YE的N、K收獲指數(shù)較CK分別增加了3.85%和7.79%; 而HY的N、P收獲指數(shù)與CK無顯著差異, 表明通過優(yōu)化栽培管理模式可促進(jìn)作物對肥料的吸收利用。而且與HY相比, YE的N、P利用效率分別增加了2.53%和23.41%; N收獲指數(shù)增加了2.53%, 更有利于肥料的高效吸收利用, 協(xié)同實現(xiàn)了馬鈴薯高產(chǎn)和水肥高效。

4 結(jié)論

高產(chǎn)高效和超高產(chǎn)栽培均增加了馬鈴薯葉片的SPAD值和群體 LAI, 并減緩了塊莖膨大后葉片SPAD值和群體 LAI的降低幅度, 保持了較高的冠層光合能力。地上群體生物量顯著增加, 并提高了塊莖膨大同化物對塊莖產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率, 導(dǎo)致塊莖產(chǎn)量和水分利用效率顯著增加, 提高了商品薯產(chǎn)量, 3年較CK分別新增純收益 7330.3元 hm-2和6024.6元 hm-2。高產(chǎn)高效和超高產(chǎn)栽培均顯著提高了N、P、K的總積累量、收獲指數(shù)和N、P利用效率。與超高產(chǎn)栽培模式相比, 高產(chǎn)高效模式減施 40%緩釋尿素后, 在不減產(chǎn)的基礎(chǔ)上, 顯著增加了 WUE和N、P利用效率, 新增純收益 1305.7元 hm-2, 實現(xiàn)作物增產(chǎn)和資源高效利用協(xié)同發(fā)展, 是半干旱區(qū)黑膜覆蓋馬鈴薯種植推薦的高產(chǎn)高效模式。