不同生態(tài)區(qū)豐產型馬鈴薯品種氮素優(yōu)化管理分析

梁俊梅 張 君 張 勝 張婷婷 石曉華 安 昊 康文欽 段 玉*

（1 內蒙古自治區(qū)農牧業(yè)科學院，內蒙古呼和浩特 010031；2 內蒙古農業(yè)大學，內蒙古呼和浩特 010018；3 國家土壤質量武川觀測實驗站，內蒙古呼和浩特 011705）

氮素是馬鈴薯體內蛋白質、葉綠素及代謝物的重要組成元素，直接影響馬鈴薯葉片的光合特性（喬建磊 等，2013；何彩蓮 等，2016）、植株生長發(fā)育和產量（孫磊 等，2018）。但不合理的氮肥投入不僅會降低馬鈴薯的產量和氮肥吸收利用率，還會導致馬鈴薯品質下降、環(huán)境污染等問題（李珺 等，2020；沈若川 等，2022）。目前我國馬鈴薯氮肥利用率為30%，與歐美等國家的氮肥利用率（60%以上）相比還有較大的提升空間（于靜等，2019；許國春 等，2020）。選育并種植豐產且氮肥利用效率高的馬鈴薯品種是提高氮肥利用率的有效途徑。冀張薯12 號是典型的豐產型馬鈴薯品種，且在低氮（150 kg·hm-2）和常規(guī)施氮（300 kg·hm-2）處理下氮肥利用效率均處于較高水平（張婷婷 等，2021）。然而，在實際生產中農戶因過高估計豐產型馬鈴薯的氮素需求，導致過量施氮肥的情況較為嚴重。馬鈴薯塊莖中95%以上的干物質由光合作用產生，而光合產物的合成與分配受環(huán)境的影響極大（許建民 等，2020；姚玉璧 等，2021）。研究發(fā)現(xiàn)，不同生態(tài)環(huán)境下馬鈴薯光合特性存在顯著差異，增加光照時數能顯著增加馬鈴薯葉片的葉綠素含量（張貴合 等，2017；李華鵬 等，2018）。適宜的溫度和濕度有助于馬鈴薯淀粉積累期干物質向塊莖轉移，從而提高馬鈴薯塊莖產量（何昌福等，2017；柳強娟，2020）。目前有關不同生態(tài)條件對馬鈴薯光合特性、干物質生產及產量形成影響的研究已較為深入，然而對豐產型馬鈴薯品種氮素需求特征與生態(tài)條件及施氮水平互作的相關研究還不足。便攜式葉綠素儀（SPAD-502）可準確評估植物中氮素水平，SPAD 值與植株中的氮濃度和作物產量顯著相關（Silveira & Gonzaga，2017），前人通過分析葉綠素儀SPAD-502 的特點以及其讀數與馬鈴薯植株氮素含量、馬鈴薯產量的數量關系，判斷采用葉綠素儀SPAD-502 進行馬鈴薯氮素營養(yǎng)診斷并推薦施肥是可行的（樊明壽 等，2014；Li et al.，2020）。因此，本試驗選取內蒙古陰山北麓地區(qū)（呼和浩特市武川縣）和陰山南麓地區(qū)（烏蘭察布市察哈爾右翼前旗）兩個典型生態(tài)區(qū)，研究豐產型馬鈴薯品種冀張薯12 號在不同施氮量處理下葉片的SPAD 值、產量形成特性，并基于SPAD 值建立馬鈴薯氮素診斷追肥模型，以期為不同生態(tài)區(qū)豐產型馬鈴薯品種的氮素優(yōu)化管理提供理論與實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

2021年5—9月在陰山北麓典型馬鈴薯種植區(qū)呼和浩特市武川縣三間房村、陰山南麓典型馬鈴薯種植區(qū)烏蘭察布市察哈爾右翼前旗平地泉鎮(zhèn)進行田間試驗，前茬作物均為小麥，供試品種為冀張薯12 號，5月初播種，9月中旬收獲，種植方式均為高壟滴灌，壟距90 cm，株距23 cm。試驗點的基本氣候條件如表1所示。試驗前取播前土壤測定基本理化性狀，測定結果見表2。

表2 不同生態(tài)區(qū)試驗點土壤的基本理化性狀

1.2 試驗材料及試驗設計

試驗共設置5 個施氮處理，分別為：N0（N 0 kg·hm-2）、N1（N 120 kg·hm-2）、N2（N 180 kg·hm-2）、N3（N 240 kg·hm-2）、N4（N 360 kg·hm-2），采用隨機區(qū)組排列，3 次重復，小區(qū)面積30 m2。各處理施肥方式：氮肥選用尿素（46%），磷肥選用過磷酸鈣（46%），鉀肥選用氯化鉀（60%）。其中磷肥（P2O5180 kg·hm-2）、鉀肥（K2O 270 kg·hm-2）全部作為基肥施入，氮肥基施30%、苗期追施20%、塊莖形成期追施40%、塊莖膨大期追施10%。

1.3 測定項目

分別在馬鈴薯的苗期（6月15日至7月1日）、塊莖形成期（7月2—17日）、塊莖膨大期（7月18日至8月20日）以及淀粉積累期（8月21日至9月5日），采用SPAD-502 葉綠素儀測定葉片SPAD值。各處理每個重復隨機選取30 株健壯馬鈴薯植株，測定部位為完全展開的倒4 葉頂小葉（李利，2011）。

馬鈴薯收獲期各小區(qū)單獨測產，計算單位面積產量和商品薯率。各小區(qū)隨機選取3 株馬鈴薯測定塊莖質量及數量，將莖葉和塊莖切碎烘干后測定干質量，并取葉片粉碎過孔徑2 mm 篩，采用凱氏定氮法測定植株的氮含量和氮素累積量（魯如坤，2000）。

1.4 數據分析

采用Excel 2021 軟件對數據進行統(tǒng)計及圖表繪制，利用SPSS 26.0 軟件對數據進行處理。

2 結果與分析

2.1 不同施氮水平下馬鈴薯葉片SPAD 值的變化

如圖1所示，武川縣和察哈爾右翼前旗兩個典型生態(tài)區(qū)馬鈴薯葉片SPAD 值總體均呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，苗期SPAD 值最高，在塊莖形成期和塊莖膨大前期下降速率最快，塊莖膨大后期至淀粉積累期SPAD 值下降速率減緩。整體來看，各時期N0 處理的SPAD 值均明顯處于較低水平，隨著施氮量的增加，N1、N2、N3、N4 的SPAD 值呈現(xiàn)升高趨勢。

圖1 不同施氮水平下馬鈴薯各生育期葉片SPAD 值的變化

2.2 不同生育期馬鈴薯葉片SPAD 值與施氮量的關系

如圖2、3所示，在馬鈴薯苗期、塊莖形成期、塊莖膨大前期、塊莖膨大后期以及淀粉積累期，隨施氮量的增加馬鈴薯葉片SPAD 值均呈線性增加。其中，武川地區(qū)以塊莖膨大前期的相關性最顯著，而察哈爾右翼前旗地區(qū)以塊莖膨大后期的相關性最顯著。

圖2 馬鈴薯各生育期葉片SPAD 值與施氮量的關系（武川縣）

圖3 馬鈴薯各生育期葉片SPAD 值與施氮量的關系（察哈爾右翼前旗）

2.3 不同施氮水平下馬鈴薯產量的變化

如圖4所示，隨著施氮量的增加，兩個試驗點的馬鈴薯產量均呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢，說明施氮量不足或過高均會導致產量降低。因此，采用一元二次方程對施氮量與產量的關系進行分析并擬合。對圖4 中的方程求偏導，得出武川縣試驗點馬鈴薯最高產量為46.2 t·hm-2，對應的施氮量為225 kg·hm-2；察哈爾右翼前旗試驗點馬鈴薯最高產量為61.7 t·hm-2，對應的施氮量為350 kg·hm-2。

圖4 不同施氮水平對馬鈴薯產量的影響

2.4 各生育時期馬鈴薯葉片SPAD 值臨界值

如圖5、6所示，馬鈴薯各生育時期葉片SPAD 值與產量之間為二次函數關系，且開口向下，說明在一定范圍內隨著馬鈴薯葉片SPAD 值的增大產量也隨之增加，當葉片SPAD 值超過一定值后，產量會呈現(xiàn)下降的趨勢。根據馬鈴薯苗期、塊莖形成期、塊莖膨大前期、塊莖膨大后期以及淀粉積累期的葉片SPAD 值與產量的函數關系求得最高產量，武川縣試驗點馬鈴薯5 個生育期的最適SPAD值分別為59.3、56.1、44.9、38.7、35.6，察哈爾右翼前旗試驗點馬鈴薯5 個生育期的最適SPAD 值分別為55.9、54.0、51.6、43.2、40.9。一般將最高產量的90%～95%作為臨界值，根據不同生育時期SPAD 值與產量的函數關系，確定馬鈴薯苗期、塊莖形成期、塊莖膨大前期、塊莖膨大后期以及淀粉積累期的臨界SPAD 值，武川縣試驗點分別為43.4、41.5、40.7、34.6、32.0，察哈爾右翼前旗試驗點分別為49.3、49.1、44.9、37.8、35.6。

圖5 馬鈴薯各生育時期葉片SPAD 值與產量的關系（武川縣）

圖6 馬鈴薯各生育時期葉片SPAD 值與產量的關系（察哈爾右翼前旗）

2.5 不同生態(tài)區(qū)域豐產型馬鈴薯品種氮肥推薦模型的建立

根據馬鈴薯苗期、塊莖形成期、塊莖膨大前期、塊莖膨大后期以及淀粉積累期的葉片SPAD 值與施肥量的函數關系以及臨界SPAD 值建立馬鈴薯氮素診斷追肥模型。設由圖2 和圖3所示線性關系求出的各生育時期測定SPAD 值前一次的氮肥水平為Ncon，馬鈴薯全生育期總施氮量為Nopt，各生育時期階段追肥量為Nr。

將（2）式代入（1）式，得到SPAD 值診斷推薦施肥模型：

式中，Ncon、Nopt、Nr的單位為kg·hm-2；a為截距，b 為各生育時期的SPAD 值與施氮量線性方程的回歸系數。將Nopt以及圖2 和圖3 中確定的a、b 值代入式（3），可以得到各生育期氮肥推薦追肥模型（表3）。根據氮肥推薦模型計算出各生育期所需的氮肥用量，并依據此進行氮肥用量推薦。

表3 馬鈴薯各生育期氮肥推薦模型

3 討論

馬鈴薯產量形成是光合產物向塊莖分配與積累的結果，而品種類型、種植模式、生態(tài)環(huán)境對馬鈴薯產量形成存在極顯著的影響（張亮 等，2020；柳燕蘭 等，2021；蔣彤暉 等，2022）。研究表明，施氮量、葉片SPAD 值以及作物經濟產量的相關關系表明，SPAD 值能夠很好地反映馬鈴薯及其他作物的氮素營養(yǎng)狀況（王迎男 等，2019；許國春 等，2020；王磊 等，2022），這與本試驗的結果一致。同時，本試驗結果顯示，施氮處理的SPAD 值均顯著高于不施氮（N0）處理，但N3 與N4 處理的SPAD 值差異不顯著（圖1）。Brunetto 等（2012）研究表明，不論氮素供應充足或缺乏，作物產量與葉片SPAD 值都有很好的相關性；但當氮素供應處于過量時，產量不再隨葉片SPAD 值的增加而增加，這與本試驗結果基本相似，馬鈴薯5 個主要生育期葉片SPAD 值與產量呈二次函數相關關系。

有關馬鈴薯產量對施氮量響應的報道有很多，許國春等（2020）研究顯示，施氮對提升我國馬鈴薯產量有重要作用，但施氮效果與土壤基礎產量、區(qū)域、土壤類型等密切相關（Monostori et al.，2016）。因此，不同區(qū)域在制定馬鈴薯氮素管理方案時應充分考慮上述因子，從而提高馬鈴薯產量和氮肥利用效率。王迎男等（2019）對內蒙古馬鈴薯主產區(qū)的基礎地力和增產潛力進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)陰山北麓地區(qū)和陰山南麓地區(qū)的馬鈴薯基礎地力產量為14.67 t·hm-2和13.10 t·hm-2，推薦施肥產量依次為23.17 t·hm-2和20.90 t·hm-2。沈若川等（2022）研究發(fā)現(xiàn)，甘肅、黑龍江和內蒙古3 個試驗區(qū)域的推薦施氮量存在差異。上述研究說明，不用生態(tài)區(qū)域馬鈴薯推薦施氮量可能存在較大差異，特別對于豐產型馬鈴薯品種，其氮肥需求量大于常規(guī)品種，氮肥管理不當更易造成減產或環(huán)境污染等問題。結合本試驗結果得出，陰山北麓區(qū)域豐產型馬鈴薯苗期、塊莖形成期、塊莖膨大前期、塊莖膨大后期以及淀粉積累期的臨界SPAD 值與陰山南麓區(qū)域的臨界SPAD 值有所不同。根據生態(tài)區(qū)域對其氮肥管理策略進行調整，并進一步建立馬鈴薯氮肥分期推薦模型，可以在確保產量的前提下，最大限度地提高豐產型馬鈴薯品種的氮肥利用效率并降低環(huán)境風險。

4 結論

應用SPAD 可以比較精準地診斷不同生態(tài)區(qū)馬鈴薯氮素的營養(yǎng)狀況。馬鈴薯苗期、塊莖形成期、塊莖膨大前期、塊莖膨大后期以及淀粉積累期陰山北麓地區(qū)的臨界SPAD 值分別為43.4、41.5、40.7、34.6、32.0；陰山南麓地區(qū)的臨界SPAD 值則分別為49.3、49.1、44.9、37.8、35.6。與常規(guī)施肥方式相比，建立基于馬鈴薯葉片SPAD 值的氮肥主要生育期精準追施模型可以指導不同生態(tài)區(qū)豐產型馬鈴薯品種的氮肥分期施用，從而降低氮肥施用量、提高氮肥利用效率。