楊金翰 魏偉 郝喜英 張紅杰 黃偉 丁洪峰 田小明

摘要：為探究不同水氮策略對(duì)張家口壩上馬鈴薯根冠結(jié)構(gòu)、產(chǎn)量、品質(zhì)及其水氮利用的影響，設(shè)置雙因素試驗(yàn)，因素1為施肥量：氮肥270 kg/hm2（F100）、氮肥270 kg/hm2+調(diào)理劑600 L/hm2（PF100）、氮肥229.5 kg/hm2+調(diào)理劑 600 L/hm2（PF85）、氮肥189 kg/hm2+調(diào)理劑 600 L/hm2（PF70）；因素2為灌水頻率：高頻灌溉，6 d 1灌（D6）；中頻灌溉，8 d 1灌（D8）；低頻灌溉，10 d 1灌（D10），分析不同水氮策略對(duì)馬鈴薯根冠結(jié)構(gòu)、產(chǎn)量、品質(zhì)及其水氮利用的變化特征。結(jié)果表明，灌溉頻率和施肥量對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)及其水肥利用有顯著影響。高頻灌溉（D6）的馬鈴薯根長(zhǎng)、根體積、根表面積、莖粗、產(chǎn)量和水分利用效率的平均值最大，分別為3 678.6 cm、34.7 cm3、787.8 cm2、72.3 cm、43 721 kg/hm2 和100 kg/（hm2·mm）；中頻灌溉（D8）的可溶性糖平均值最大（184 kg/kg）。在同一灌水條件下，隨施肥量減少，馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率均下降，氮肥偏生產(chǎn)力提高。與F100處理相比，D6和D8條件下PF85處理的蛋白質(zhì)含量分別顯著提高88.6%和48.4%，還原糖含量分別降低1.23%和17.8%，以及D10條件下PF85處理可溶性糖含量顯著提升4.3%?；谥鞒煞址治龊蚑OPSIS分析方法，在張家口壩上沙土馬鈴薯種植地區(qū)在不減產(chǎn)條件下能夠?qū)︸R鈴薯生長(zhǎng)、品質(zhì)和氮素利用產(chǎn)生積極影響的最佳水氮策略為：高頻灌溉并施用85%氮肥+調(diào)理劑。得到的水氮最佳配比可為我國(guó)北方沙區(qū)及其他環(huán)境相似地區(qū)的灌溉施肥優(yōu)化管理提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：灌溉頻率；全氮含量；馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)；水氮利用效率

中圖分類號(hào)：S532.06? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2023）13-0095-07

馬鈴薯是一種對(duì)水和肥料敏感的作物，在其水肥管理中普遍存在過度灌溉和施肥的問題。在馬鈴薯生育期內(nèi)，任何時(shí)期的水分虧缺都會(huì)嚴(yán)重抑制馬鈴薯植株生長(zhǎng)［1］?？茖W(xué)合理的灌溉頻率作為灌溉策略之一已被許多研究人員報(bào)道。Wang等研究表明，當(dāng)灌水量相同時(shí)，灌溉頻率對(duì)土壤水分的時(shí)空分布和馬鈴薯的根系分布均有顯著影響［2］。Kang等研究表明，灌溉頻率越高，馬鈴薯塊莖產(chǎn)量及水分利用效率越高［3-4］?？傊?，恰當(dāng)?shù)墓喔阮l率可以改善馬鈴薯的生長(zhǎng)、產(chǎn)量和水分利用效率。

肥料是影響馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育、提高其產(chǎn)量的另一重要因素。合理的施肥量能夠提高馬鈴薯的產(chǎn)量、品質(zhì)及商品率［5］。為了尋求高產(chǎn)，在馬鈴薯生產(chǎn)過程中，普遍存在化肥超量使用的現(xiàn)象，而化肥用量過大不僅會(huì)導(dǎo)致肥料浪費(fèi)嚴(yán)重、利用效率極低，還會(huì)造成土壤板結(jié)、鹽堿化，以及馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)降低等問題［6］。研究發(fā)現(xiàn)，施用土壤調(diào)理劑能夠調(diào)節(jié)土壤pH值，改變土壤微環(huán)境，為植物生長(zhǎng)提供適宜的環(huán)境［7-9］。因此，針對(duì)過量施肥造成的土壤污染問題，施用土壤調(diào)理劑是有效的改良措施之一。

目前針對(duì)不同水氮策略研究較多的主要為蔬菜類經(jīng)濟(jì)作物，針對(duì)馬鈴薯的研究較少［10-11］；另外，以往的研究主要集中在灌溉方式、灌溉速度、灌溉頻率、施肥量或施肥時(shí)間等單一因素的影響，而沒有考慮不同水氮策略對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)及水氮利用的影響，因此有必要在不同水氮策略條件下，系統(tǒng)地對(duì)馬鈴薯根冠結(jié)構(gòu)、產(chǎn)量、品質(zhì)及水氮利用的變化特征展開研究。本研究通過在滴灌施肥條件下進(jìn)行3種不同灌水頻率和4種不同氮肥用量水平交互的大田試驗(yàn)，并運(yùn)用主成分分析和TOPSIS對(duì)馬鈴薯根冠結(jié)構(gòu)、產(chǎn)量、品質(zhì)及水氮利用進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定能夠綜合提高馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)和水肥利用率的灌溉頻率和施肥量的最佳組合，為張家口壩上馬鈴薯灌溉和施肥管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

2021年4月28日至9月25日在河北省張家口市宏基農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限公司崗子基地（41°46′N，115°57′E）進(jìn)行大田試驗(yàn)。種植期間年降水量為503 mm，平均氣溫為16.04 ℃（圖1），張家口壩上地區(qū)光熱豐富，晝夜溫差大，年無(wú)霜期為90～120 d，當(dāng)?shù)貧夂蜻m合種植馬鈴薯。試驗(yàn)地土壤以沙壤栗鈣土為主，土壤有機(jī)質(zhì)含量為16.1 g/kg，全氮含量為0.79 g/kg，堿解氮含量為48.4 mg/kg，速效磷含量為39.6 mg/kg，速效鉀含量為107 mg/kg，pH值為8.23。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)按照雙因素隨機(jī)區(qū)組排列，因素1為施肥量：氮肥270 kg/hm2（F100）、氮肥270 kg/hm2+調(diào)理劑600 L/hm2（PF100）、氮肥229.5 kg/hm2+調(diào)理劑600 L/hm2（PF85）、氮肥189 kg/hm2+調(diào)理劑 600 L/hm2（PF70）；因素2為不同灌水頻率：高頻灌溉，6 d 1灌（D6）；中頻灌溉，8 d1灌（D8）；低頻灌溉，10 d 1灌（D10）。每個(gè)處理重復(fù)3次，小區(qū)規(guī)格為20 m×1.8 m，共計(jì)36個(gè)小區(qū)。

馬鈴薯種植品種為布爾班克，種植模式為機(jī)械起壟種植，行距90 cm，株距24 cm，為了避免不同處理間的相互影響，小區(qū)兩端設(shè)置保護(hù)行。試驗(yàn)選取相同量的過磷酸鈣（含磷量為 12%，145 kg/hm2）、 硫酸鉀（含鉀量 為50%，270 kg/hm2）全部作為基肥施入土壤，尿素（含氮量為46%）則按照各處理用量的50%作為基肥施入土壤，剩余50%尿素通過施肥罐在馬鈴薯（苗期和塊莖形成期各施5%，膨大期施27.5%，淀粉積累期施12.5%）分4次施入土壤。土壤調(diào)理劑為液體，由陰離子聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、硫酸錳合成，具有保水、緩釋作用，有效成分為2%，其中C和N含量分別占0.20%、0.04%。調(diào)理劑（一次性施入）溶于水通過施肥罐滴施，種植、管理等方式均按當(dāng)?shù)亓?xí)慣。試驗(yàn)設(shè)置D6、D8、D10等3種灌溉頻率，各灌溉頻率每次灌水量分別為 125、 187.5、 250 m3/hm2，出苗后15 d統(tǒng)一灌水 187.5 m3/hm2，在出苗25 d后開始處理，全生育期總灌水量均為 1 125 m3/hm2，每次灌水量根據(jù)當(dāng)?shù)氐膲勄閬磉m當(dāng)調(diào)整，灌溉和施肥的日期因灌溉前有降水而推遲。

1.3 測(cè)定方法

在馬鈴薯成熟期采集植株，測(cè)定其莖粗、株高、根長(zhǎng)、根體積和根表面積，同時(shí)在各小區(qū)選取3處長(zhǎng)勢(shì)較為一致的區(qū)域（3 m×1 m）進(jìn)行產(chǎn)量及其構(gòu)成因子和品質(zhì)測(cè)定。在馬鈴薯成熟期各小區(qū)內(nèi)隨機(jī)采取3株長(zhǎng)勢(shì)均勻且無(wú)病害的馬鈴薯植株，整株挖出，帶回實(shí)驗(yàn)室，用剪刀將馬鈴薯的根、莖、葉、塊莖器官分解，然后將分解后各個(gè)部分器官放置105 ℃烘箱中殺青30 min，然后在80 ℃下烘干48 h后稱質(zhì)量用于測(cè)定各器官干物質(zhì)量。蛋白質(zhì)含量采用染料結(jié)合法［12］；還原糖含量采用DNS（二硝基水楊酸）比色法［13］；可溶性糖含量采用蒽酮硫酸法［14］；馬鈴薯耗水量采用田間水量平衡法［15］。

肥料偏生產(chǎn)力（PFP）=Y/FT。（1）

式中：PFP為肥料偏生產(chǎn)力；Y為馬鈴薯產(chǎn)量，kg/hm2；FT為尿素、過磷酸鈣、硫酸鉀的總施用量，kg/hm2。

水分利用效率用下式計(jì)算：

WUE=Y/Etc。（2）

式中：WUE為水分利用效率；Y為作物產(chǎn)量，kg/hm2；Etc為作物全生育期累積耗水量，mm［15］。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2019及Origin 8.5對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理以及作圖，采用SPSS 25.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行方差分析，Duncan s新復(fù)極差法分析顯著性。比較同一指標(biāo)不同處理間的差異是否達(dá)到顯著水平（α=0.05）。采用優(yōu)劣解距離法（（technique for order preference by similarity to ideal solution，TOPSIS）進(jìn)行多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，TOPSIS技術(shù)是一種根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象與理想目標(biāo)的接近程度進(jìn)行排序的方法，用來評(píng)價(jià)現(xiàn)有對(duì)象的相對(duì)優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)［16］。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮策略對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)的影響

由表1可知，灌水頻率和施肥量及二者的交互作用對(duì)馬鈴薯根長(zhǎng)、根體積和株高都有顯著或極顯著的影響。其中，高頻灌溉（D6）的根長(zhǎng)、根體積、根表面積和株高的平均值分別為3 678.5 cm、34.7 cm3、787.8 cm2和72.3 cm，與中頻灌溉（D8）和低頻灌溉（D10）存在顯著差異；不同施肥處理中，以100%氮肥+土壤調(diào)理劑（PF100）處理的根長(zhǎng)、根表面積和莖粗的平均值最大。在D6條件下，PF100處理的根長(zhǎng)、根體積、根表面積、株高和莖粗較100%氮肥（F100）分別增加49.2%、52.0%、71.7%、2.2%和24.5%（P<0.05）；隨著灌水間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，PF100處理與F100處理的差異逐漸減小，僅有D8條件下的根表面積有顯著提高。在減少氮肥用量基礎(chǔ)上添加調(diào)理劑對(duì)馬鈴薯植株生長(zhǎng)的影響也較大。其中，70%氮肥+土壤調(diào)理劑（PF70）在D6條件下的根體積、株高和莖粗較F100處理顯著增加46.8%、2.4%和33.0%；在D8條件下，85%氮肥+土壤調(diào)理劑（PF85）的株高和莖粗和PF70處理的株高分別較F100處理增加3.1%、11.1%和8.5%（P<0.05）；在D10條件下，PF85處理的根長(zhǎng)、根體積、根表面積、株高和PF70處理的株高和莖粗較F100處理也存在顯著增加。

2.2 不同水氮策略對(duì)馬鈴薯干物質(zhì)量和各器官全氮含量的影響

由圖2可知，在D6、D8條件下，PF100處理除了在D6條件下莖的全氮含量外，各器官干物質(zhì)量及根、葉的全氮含量均較F100處理有顯著提高；而在D10條件下，PF100處理只有根的全氮含量較F100處理有顯著增加。在D6條件下，PF85處理葉的干物質(zhì)量及根的全氮含量均較F100處理顯著增加19.6%、41.5%；PF70處理的根、莖、葉的全氮含量顯著增加22.8%、13.4%、14.2%。在D8和D10條件下，PF85、PF70處理的根、葉的干物質(zhì)量及全氮含量均較F100處理有顯著增加。

2.3 不同水氮策略對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)及水氮利用的影響

由表2可知，施肥量及其與灌水頻率交互作用對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)和水氮利用均存在顯著或極顯著的影響，其中PF100處理的產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量、還原糖含量和水分利用效率的平均值明顯高于其他處理，PF70處理的氮肥偏生產(chǎn)力平均值最高，為 206.4 kg/kg，還原糖含量平均值最低，為0.131%，與其他處理也存在顯著差異。不同灌水頻率中D6處理的馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率平均值最高，分別為43 721 kg/hm2、100 kg/（hm2·mm）；D8處理的可溶性糖含量和氮肥偏生產(chǎn)力平均值最大，分別為1.12%、184.5 kg/kg。在D6和D8條件下，與F100處理相比，PF100處理馬鈴薯產(chǎn)量、水分利用效率分別顯著增加10.2%、9.5%和14.3%、13.5%。減氮添加調(diào)理劑對(duì)馬鈴薯品質(zhì)和氮肥偏生產(chǎn)力影響也較大，其中在D6條件下PF85處理的蛋白質(zhì)、可溶性糖含量和PF70處理的蛋白質(zhì)含量和氮肥生產(chǎn)力均較F100處理有顯著增加，而還原糖含量降低；在D8條件下，PF85和PF70處理的蛋白質(zhì)含量和氮肥偏生產(chǎn)力也較F100處理有顯著提高，還原糖含量顯著降低；在D10條件下，PF85處理的可溶性糖含量和PF70處理的氮肥生產(chǎn)力較F100處理也有顯著增加。

2.4 不同灌水頻率下主成分分析和綜合評(píng)價(jià)

由圖3可知，不同灌水頻率（D6、D8和D10）在2個(gè)主成分因子上的累計(jì)貢獻(xiàn)率分別為74.7%、71.8%、81.5%，表明該主成分分析結(jié)果可以解釋馬鈴薯生長(zhǎng)、產(chǎn)量、品質(zhì)及水氮利用在不同處理間的差異。在D6和D8條件下，與F100處理距離相近的處理是PF85，而在D10條件下則為PF100。通過綜合評(píng)價(jià)分析也發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果（表3）可知，在D6和D8條件下，得分最高的為PF100處理（Z值分別為2.54和1.18），其次是PF70和PF85處理；在D10條件下，得分最高的為PF85處理（Z=2.55），其次是PF70和PF100處理。

2.5 基于TOPSIS的多目標(biāo)綜合水平評(píng)價(jià)

通過TOPSIS計(jì)算得到各處理優(yōu)劣順序，為 PF100D6>PF100D8>PF85D6>PF85D8>PF70D6>PF70D8>PF85D10>F100D6>PF70D10>F100D8>F100D10>PF100D10（表3）。在D6和D8條件下，排名最高的為PF100處理，其次是PF85處理；在D10條件下，排名最高的為PF85處理，其次是PF70處理。在高頻灌溉下，氮肥添加調(diào)理劑更有利于各目標(biāo)達(dá)到綜合最優(yōu)。根據(jù)TOPSIS計(jì)算得出的結(jié)果，C*i數(shù)值范圍都在0～1之間，其數(shù)值越貼近1，說明水氮策略越優(yōu)，因此PF85D6水氮策略組合最優(yōu)。

3 討論與結(jié)論

有研究發(fā)現(xiàn)，總灌水量一定條件下，灌溉周期為4 d時(shí)馬鈴薯產(chǎn)量最大，而在灌溉周期為8 d時(shí)更有利于馬鈴薯植株的生長(zhǎng)，并且馬鈴薯的生長(zhǎng)指標(biāo)也會(huì)隨著施肥量增加而減小［17-18］。本試驗(yàn)中，高頻灌溉（D6）的馬鈴薯根長(zhǎng)、根體積、根表面積和莖粗均顯著高于中頻灌溉（D8）和低頻灌溉（D10），這與前人研究結(jié)果相似。在灌水條件相同的條件下，以100%氮肥+土壤調(diào)理劑（PF100）處理的根長(zhǎng)、根表面積和莖粗的平均值最大，同時(shí)減氮添加調(diào)理劑對(duì)馬鈴薯的生長(zhǎng)指標(biāo)也有一定提升。這可能是由于該調(diào)理劑主要由陰離子聚丙烯酰胺合成，含有大量的羧基（—COOH）、羥基（—OH）、季銨鹽等親水性官能團(tuán)，對(duì)水分和養(yǎng)分均具有一定的固持能力［19］，可為馬鈴薯生長(zhǎng)提供良好的保障。

劉濤等研究發(fā)現(xiàn)，低頻灌水處理對(duì)土壤剖面中原有的水分分布影響較小，中、高頻灌水處理可使 0～20 cm土層土壤含水量在一定范圍內(nèi)增高［20］。本研究與100%氮肥（F100）相比，100%氮肥+配施調(diào)理劑（PF100）在中高頻灌水（D6、D8）條件下對(duì)馬鈴薯各器官干物質(zhì)量及全氮含量的提升效果明顯高于低頻灌水（D10），說明在相同氮素營(yíng)養(yǎng)基礎(chǔ)上添加調(diào)理劑，提高灌溉頻率更有利于表層土壤水分的保持，促進(jìn)了馬鈴薯植株生長(zhǎng)發(fā)育和氮素積累。而減氮配施調(diào)理劑（PF85、PF70）在中低頻灌水（D8、D10）條件下對(duì)馬鈴薯各器官干物質(zhì)量及全氮含量增加效果卻高于高頻灌水（D6）。一方面，減少肥料用量和添加調(diào)理劑均可以降低土壤水分和養(yǎng)分淋溶風(fēng)險(xiǎn)［21-22］，提高土壤剖面水分養(yǎng)分的積累；另一方面，當(dāng)灌水總量一定時(shí)，高頻灌水會(huì)加快土壤硝態(tài)氮的淋洗［23］，盡管調(diào)理劑對(duì)水分養(yǎng)分具有一定的固持作用，但從本研究來看，高頻灌溉對(duì)土壤養(yǎng)分損失的影響更大。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灌水量相同時(shí)，高頻灌溉更能夠提高馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率［24-25］。當(dāng)灌水條件相同時(shí)，馬鈴薯的產(chǎn)量會(huì)隨著施肥量的提高先增加后減?。?6］，但也有研究發(fā)現(xiàn)，增加施肥量能夠減輕水分虧缺對(duì)馬鈴薯植株生長(zhǎng)的影響，調(diào)控馬鈴薯的生理生長(zhǎng)過程，從而提高馬鈴薯的產(chǎn)量和水分利用效率［27］。有研究顯示，作物肥料偏生產(chǎn)力隨施肥量增加而降低［28］。Wang等研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于低頻灌水，高頻灌水能夠促進(jìn)馬鈴薯塊莖的生長(zhǎng)，提高水分利用效率，相較于1 d的灌水頻率，灌水頻率為8 d的產(chǎn)量在2001、2002年分別降低33.4%、29.1%［2］。本試驗(yàn)在灌水量不變的情況下，馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率均隨著施肥量的減少而降低，但氮肥偏生產(chǎn)力隨著施肥量的減少而增加，這和前人的研究結(jié)果［2］是一致的。在施肥量不變的情況下，產(chǎn)量和水分利用效率也會(huì)隨著灌水頻率的增加而增加，D6 處理下的馬鈴薯增產(chǎn)效果最好，即灌水頻率為6 d，這與侯翔皓等的研究結(jié)果［29］不同，可能受土壤類型和氣候環(huán)境等因素的影響，灌水周期對(duì)產(chǎn)量和水分利用效率的影響也略有差異。江俊燕等研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯滴灌時(shí)5 d 1灌的淀粉含量少于3 d 1灌，而7 d 1灌和CK的淀粉含量積累較緩慢，且最終淀粉含量不高［25］，與本研究結(jié)果類似，在不同灌溉頻率下以D8條件的可溶性糖平均含量最大（184.5 kg/kg）。本研究還發(fā)現(xiàn)，與F100處理相比，PF85處理在D6和D8條件下的蛋白質(zhì)含量以及D10條件下的可溶性糖含量均有顯著提升。綜上所述，高頻率灌溉（6 d 1灌）可以促進(jìn)馬鈴薯植株生長(zhǎng)發(fā)育，提升塊莖產(chǎn)量和水分利用率。在相同的灌水條件下，100%氮肥+土壤調(diào)理劑對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)、產(chǎn)量及水分利用效率提升效果最為顯著，且隨著施氮量的降低而降低，而氮肥偏生產(chǎn)力則隨著施肥量的減小而增加。而在不減產(chǎn)條件下高頻灌溉施用85%氮肥+調(diào)理劑能夠提高馬鈴薯品質(zhì)和氮肥的利用率。綜合考慮馬鈴薯生長(zhǎng)、產(chǎn)量、水肥利用率和品質(zhì)等因素，本研究基于主成分分析和TOPSIS分析得出PF85D6（6 d 1灌，調(diào)理劑+85%氮肥）水氮策略組合為最優(yōu)。

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