宁南山区种植模式和施氮量对马铃薯农艺性状及产量的影响

蔡 明，贺锦红，杨亚亚，吴 娜，刘吉利

(1.宁夏大学 农学院, 宁夏 银川 750021；2.宁夏大学 环境工程研究院, 宁夏 银川 750021)

间套作种植是传统农业的精髓，在保护生物多样性、保障粮食安全和创收增收方面具有举足轻重的作用[1]。近年来，随着种植业模式的改进对肥料的依赖性增大，造成环境污染和农业发展可持续性下降等问题，间作在促进光、热、水分、养分等资源的高效利用，防止病虫害的发生，降低水土流失，维持农田生态系统的稳定方面[2]，成效显著，一直以来禾本科豆科间作这一传统模式受到了诸多研究者的高度关注[3]。禾豆间作优势在于两者间既存在促进作用，又存在竞争作用，既可利用其共生固氮作用，也可通过竞争作用，有效降低高氮对土壤固氮酶活性的影响，消除“氮阻遏”来增强豆科作物的固氮效率[4-5]。植物吸收氮素能力的强弱直接关系其生长状态，进而对生长发育和形态建成起到重要作用[6]。中国人均耕地比率较低，化肥的大量投入成为作物增产的主要方式，已成为全球范围内氮肥用量最多的国家[7]。近年来，单纯追求高产，施氮量投入加大，造成资源的浪费、农产品品质效益下降以及氮素利用率普遍过低等问题[8-9],引起了全社会和广大科研工作者的广泛关注。合理施氮以保证作物产量成为当今可持续农业发展研究的热点之一[10]。前人已在多种间作模式上进行了深入的研究，如大麦间作蚕豆[11]、蚕豆间作小麦[12]、豌豆间作小麦[13]等方面做了深入的研究。

马铃薯、燕麦作为宁夏南部山区传统优势作物，在利用地区气候、光热等资源方面，优势明显。尽管前人在间作和施氮方面做了大量的研究，但关于马铃薯、燕麦间作施氮方面的研究较少。本研究旨在为进一步充分挖掘马铃薯与其他作物的间作优势，揭示施氮和间作对马铃薯生长的影响规律，为当地合理安排马铃薯种植方式和科学高效施肥提供理论参考。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

本试验于2018年5-10月在宁夏海原县树台乡大嘴村(105°09′～106°10′E，36°06′～37°04′)进行。研究区域属于干旱半干旱带，试验地海拔2 133 m，年总降水量408 mm，无霜期为149～171 d，年均气温8 ℃，土壤类型为侵蚀黑垆土。试验地理化性质如表1所示。

表1 基础土壤理化性质

1.2 试验方法

1.2.1 试验材料 马铃薯品种：青薯9号；燕麦品种：燕科1号。

1.2.2 试验设计 试验采用裂区试验设计，其中主处理为4种施氮水平，副处理为3种种植方式。施氮水平为(0，75，150，225 kg/hm2，标为N0、N1、N2、N3)；种植方式为单作马铃薯(IP)、单作燕麦(IO)、间作马铃薯/间作燕麦(JP/JO)，共12个处理(表2)，3次重复。单作马铃薯种12行，5月初起垄覆膜种植，垄宽60 cm，株距40 cm，种植深度20～25 cm，种植密度50 025株/hm2。单作燕麦种20行，行距25 cm，播种量90 kg/hm2。间作(马铃薯与燕麦行数比4∶2)种3带，马铃薯燕麦间距为30 cm，小区长6 m，宽6 m，共36 m2，完全随机区组排列。

70%氮肥(尿素)、全部磷肥(过磷酸钙90 kg/hm2)、钾肥(硫酸钾45 kg/hm2)于翻地前1 d结合整地撒施后翻耕入土(深度10～20 cm)马铃薯呈“S”形于5月初垄上覆白膜种植。燕麦与马铃薯同期种植，条播，30%氮肥于马铃薯现蕾期作追施肥。燕麦于9月底收获，马铃薯于10月初收获，其他田间管理同大田。

表2 马铃薯燕麦田间试验设计

1.3 测定项目及方法

1.3.1 株高和茎粗 马铃薯株高、茎粗采用定株法测定，每个处理随机选取10株定株测量，株高测定时测量自然株高，茎粗从马铃薯主茎下部处以游标卡尺测量，于马铃薯各生育时期(苗期、现蕾期、块茎形成期、块茎膨大期、成熟期)进行测定、记录。

1.3.2 干物质的测定 每次取样时选择长势基本一致的植株，间作马铃薯植株样在间作行取样，带回实验室的植株样品，首先冲洗根系与块茎上黏附的泥土，然后按照不同器官(地上茎、叶、块茎)剪开，再用水分别冲洗干净，用滤纸吸干后，立即分别称取鲜质量；将各器官剪成小段，无损失放入档案袋中，置于烘箱，首先在105 ℃条件下杀青30 min，然后将温度降至80 ℃下烘干至恒质量，冷却，称质量。

1.3.3 叶绿素含量的测定 采用SPAD-502Plus便携式叶绿素测定仪选择晴天早上9:00-11:00在田间测定，选择马铃薯上、中、下部功能叶片，避开叶脉，记录其平均值，每个处理重复5次。

1.3.4 产量及产量构成因素 成熟期进行测产和考种,在每个小区内随机选取10株马铃薯，剔除病薯、畸形薯后分别测定每穴薯质量、每穴个数、大薯数、中薯数和小薯数(大、中、小薯标准为：大薯>150 g，150 g>中薯≥75 g，小薯<75 g)，计算大中小薯率，收获时每小区选取2垄测定实产，换算小区产量以及公顷产量。

1.3.5 土地当量比、种间竞争力 土地当量比(LER)[14]用来衡量间作产量优势指标。

式中YiP、Yio分别表示马铃薯、燕麦在间作中的产量，Ysp、Yso分别代表单作马铃薯和单作燕麦的产量。当LER>1，表示间作的资源利用效率高于单作；当LER<1，表示单作的资源利用效率高于间作。

种间相对竞争力(A)衡量马铃薯相对燕麦的竞争能力，公式：

式中Apo为马铃薯相对于燕麦的资源竞争力；Pp、Po分别为间作中马铃薯燕麦所占的土地面积比例，YiP、Yio分别代表马铃薯燕麦在间作中的产量，Ysp、Yso分别代表马铃薯燕麦连作中的产量。当Apo>0时马铃薯的竞争力强于燕麦，Apo<0时燕麦的竞争力强于马铃薯。

1.3.6 数据处理 用Excel进行数据整理，用SPSS软件进行方差分析及相关性分析(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 种植模式和施氮水平对马铃薯株高的影响

如表3所示，从整体上看，马铃薯的株高随着整个生育期的推进呈现先增加后下降的趋势，至块茎膨大期达到最大。苗期单作株高高于间作，且在N2时最高，施氮水平对马铃薯株高的影响达到显著水平(P<0.05)。现蕾期，除N3处理外，各处理间作株高高于单作，但未达到显著水平，施氮处理下在N2水平株高达到最大，为80.9 cm，各施氮处理下差异达到显著水平，种植模式和施氮水平两者间的互作达到极显著水平(P<0.01)。块茎形成期，施氮各处理间差异达到极显著水平，不论间作还是单作，在N2处理下株高达到最大，分别为96.7，94.3 cm，施氮和种植模式间的交互作用未达到显著水平(P>0.05)。块茎膨大期，各处理下株高达到马铃薯整个生育期的最大值，间作N2水平下的株高最大，为113.0 cm，种植模式间达到极显著水平，间作高于单作，此时期种植模式和施氮水平间的交互作用也达到显著水平(P<0.05)，说明这一时期种植模式和施氮水平对马铃薯株高的影响较大。进入生长后期，由于马铃薯地上部的衰老导致株高明显降低，除对照外(N0)，各间作施氮处理的马铃薯株高分别降低2.30%，6.10%，3.06%，各单作施氮处理的马铃薯株高分别降低0.90%，8.80%，4.60%，且各施氮处理明显降幅减小，说明氮肥有利于延缓马铃薯地上部植株的衰老，施氮水平下达到极显著水平，施氮和种植模式的交互作用也达到极显著水平(P<0.01)，综上来看，施氮对株高的贡献程度要显著大于种植模式。

表3 种植模式和施氮水平对马铃薯株高的影响

注：NS.差异不显著。*和**分别表示达到5%和1%的显著水平。同一列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。表4-9同。

Note: NS indicates that the difference is not significant.* and ** indicate a significant level of 5% and 1%, respectively. Different letters in the same column indicate significant difference(P<0.05).The same as Tab.4-9.

2.2 种植模式和施氮水平对马铃薯茎粗的影响

从表4可以看出，马铃薯的茎粗随着整个生育期的推进，呈现先上升后下降的趋势。从苗期至块茎膨大期增加，随后降低，块茎膨大期达到最大，最大茎粗为15.79 cm，块茎膨大期时，间作各处理茎粗N2>N3>N1>N0，单作各处理间茎粗从高到低依次是：N2>N3>N0>N1，各施氮处理茎粗间作显著高于单作，各间作施氮处理较不施氮处理依次增加7.35%，18.37%，12.97%，种植模式各处理间差异显著(P<0.05)。苗期，间作模式高于单作，单作N3处理与对照差异显著(P<0.05)，间作施氮处理相较单作高12.74%，10.55%，20.09%。现蕾期，种植模式和施氮水平间无显著性差异(P>0.05)，而间作和施氮水平的交互作用间差异显著(P<0.05)。成熟期，种植模式间差异不显著(P>0.05)，施氮处理间差异极显著(P<0.01)，后期由于马铃薯地上部衰老，降雨过多，病害严重，茎粗下降明显，从整个生育期看，种植模式对茎粗的共享要显著大于施氮方式。

表4 种植模式和施氮水平对马铃薯茎粗的影响

2.3 种植模式和施氮水平对马铃薯叶绿素含量的影响

从图1可以看出，不论是间作还是单作，马铃薯相对叶绿素含量(SPAD值)均随着生育时期的延长总体表现为先上升后降低的趋势，可能是由于前期氮素主要集中在马铃薯的叶片、茎等营养器官中，表现出较高含量；块茎膨大期后，马铃薯的生长中心转移，氮素逐步从叶片、茎等营养器官向块茎等生殖器官中转移，此时马铃薯叶绿素含量降低。由表5方差分析可知，块茎膨大期，施氮水平以及施氮水平和种植模式间的交互作用都达到极显著水平(P<0.01)。同一种植模式下，块茎膨大期SPAD均表现为施氮处理高于不施氮处理。苗期各处理施氮水平间差异显著(P<0.05)，说明作物前期合理的施氮对于建立一个氮高效群体极其重要，间作和单作的差异不明显，成熟期，叶片萎蔫，SPAD值急剧下降，各处理间差异不显著(P>0.05)，综合来看，对于马铃薯叶绿素含量而言，施氮的贡献效果要更加优于种植模式。

柱上不同字母表示差异达0.05显著水平(P<0.05)。

表5 方差分析表

2.4 种植模式和施氮水平对马铃薯干物质积累特征参数的影响

对不同施氮处理下马铃薯干物质积累进行Logistic方程模拟，得到表6中马铃薯干物质积累特征参数。对方程参数进行分析发现，随着施氮量的增加，B、C均表现为先增加后降低的趋势，高氮(N3)处理下，有较高的初始值和终极生长量，而生长速率降低，间作的生长速率明显高于单作，说明间作可以通过降低高氮处理下的初始值和终极生长量，来获得一定的生长速率，同一种植模式下，各施氮处理生长速率均表现为N2>N3>N1>N0。对干物质积累参数分析发现，随着施氮量的增加，间作模式下Tmax表现为先上升后下降的趋势，而Wmax则表现为上升趋势；单作模式下，Tmax、Wmax均随施氮量的增加表现为先上升至最大后缓慢下降而后上升的趋势，说明合理施氮可以缩短达到最大干物质积累速率时的天数，从而提高干物质积累速率；间作模式下，Gmax表现为上升的趋势，单作模式下表现为先上升的趋势，与对照相比，随施氮量的增加，单作下干物质积累速率分别增加17.34%，27.46%，26.04%，间作下干物质积累速率分别增加10.50%，33.87%，41.31%，可以看出氮素对间作系统干物质积累速率贡献程度明显高于单作,施用氮肥对马铃薯干物质的积累有促进作用；干物质活跃积累天数表现为N0>N3>N1>N2，积累天数缩短。

2.5 种植模式和施氮水平对马铃薯产量和产量构成因素的影响

由表7可知，随着施氮量的增加马铃薯产量均表现为先上升后下降的趋势，各施氮处理以及施氮和种植模式间的交互作用下马铃薯产量差异显著或极显著(P<0.05，P<0.01)。与对照相比，单作施氮处理产量分别增加1.73%，10.29%，3.97%；间作施氮处理产量分别增加8.68%，31.23%，15.33%；N2间作处理下产量最高，为 36 796.05 kg/hm2。不同施氮量处理下，产量构成因素表现不同。同一种植模式下，除N3处理外，其他施氮处理下马铃薯的每穴薯块数、每穴薯质量、大薯数、中薯数均高于对照处理，但施氮量过多，反而低于对照，说明施氮可以通过增加半干旱区马铃薯的每穴薯块数、大薯数、中薯数来增加马铃薯的产量。各施氮处理和种植模式下的每穴薯块数差异显著，种植模式以及两者交互作用处理间的小薯数差异显著(P<0.05)，种植模式下的商品薯率差异显著(P<0.05)，间作模式下大薯率、中薯率、商品薯率随施氮量的增加均高于对照，单作模式下，N1处理下商品薯率、中薯率和小薯率均低于对照，同一模式下，不施氮处理马铃薯的商品薯率与N3处理差异不显著(P>0.05)，间作模式下N1、N2处理高于对照，N3处理略高于N1处理，说明不施氮与高氮条件下不利于马铃薯块茎的生长发育，综上可以看出，施氮水平对马铃薯产量的贡献程度要优于种植模式。

表6 种植模式和施氮水平对马铃薯干物质积累特征参数的影响

注：A.终极生长量；B.初始参数；C.生长速率参数；Tmax.达到最大干物质积累速率的天数；Wmax.干物质积累速率最大时的生长量；Gmax.干物质积累最大速率；p.干物质活跃积累天数(大约完成总积累量的90%)。

Note: A. Ultimate growth amount; B. Initial parameter; C. Growth rate parameter; Tmax. Number of days to reach the maximum dry matter accumulation rate; Wmax. Growth amount when the dry matter accumulation rate is maximum; Gmax. Maximum rate of dry matter accumulation; p. Dry matter active accumulation day number(about 90% of the total accumulated amount).

表7 施氮水平和种植模式对马铃薯产量和产量构成因素的影响

注：大薯≥150 g，150 g>中薯≥75 g，小薯<75 g。

Note: Large potato≥ 150 g, 150 g> Medium potato≥ 75 g, Small potato<75 g.

2.6 马铃薯产量与产量构成因素的相关性分析

表8为马铃薯产量与产量构成因素之间的相关性分析。可以看出，马铃薯产量与每穴薯块数、每穴薯质量、大薯数、大薯率呈正相关关系，说明马铃薯的产量与每穴薯质量、大薯数、薯率密切相关，而与中薯率和小薯率呈负相关；每穴薯块数与大薯数、中薯数、小薯数呈显著或极显著正相关关系；每穴薯质量与大薯数呈显著正相关，与中薯数、小薯数呈负相关关系，与大薯率、小薯率呈正相关关系。

表8 马铃薯产量与产量构成因素的相关分析

2.7 种植模式和施氮水平对土地当量比和种间竞争力的影响

由表9可以看出，在各施氮处理下土地当量比均大于1，马铃薯燕麦间作具有一定的间作优势，不施氮处理间作优势较明显，可能是由于2018年降水过多等因素造成各施氮处理间作优势不明显，各施氮处理随施氮量的增加，各土地当量比均随施氮量的增加先降低后增加又降低。同一种植模式下无论是否施氮，马铃薯对资源的竞争力都小于燕麦(Apo<0)，随着施氮量的增加，可有效缓解马铃薯与燕麦之间的种间竞争作用，以满足两者对资源利用的最大效率。

表9 施氮水平对马铃薯/燕麦产量优势形成的影响

3 结论与讨论

3.1 种植模式和施氮量对马铃薯农艺性状的影响

从株高、茎粗、干物质积累特征参数、叶绿素含量(SPAD)4个马铃薯生长指标综合来看，与对照相比，施氮和间作均能在一定程度上促进株高、茎粗、干物质积累速率、SPAD值的增加，经过进一步分析可知，施氮处理对三者的相对贡献率要明显优于间作，这与王晓维等[15]的研究结果基本一致。在生长前期马铃薯处于高生态位较燕麦对光、热、养分等资源利用方面具有优势，有利于马铃薯的前期的生长发育，而在现蕾期之后，2种作物的生态位发生改变，2种作物间的竞争作用加强，对氮、磷、钾等营养元素的吸收作用加强，从而有利于2种间作作物的生殖生长，这与吴娜等[16]的研究结果一致。研究表明，SPAD值可以很好地反映植株叶绿素含量和单株产量水平且测定方法简便快捷，还不破坏叶片生长，可作为早期进行马铃薯产量选择的指标[17]，SPAD值表现与生长动态变化基本一致，均随着生育期的推移，马铃薯SPAD值均从苗期到块茎膨大期逐渐增加，至块茎膨大期达到最大，之后逐渐降低，与贺锦红等[18]的结果基本一致,并且在一定范围内,随着施氮量的增加, SPAD值显著增加,这与魏峭嵘等[19]的研究结果也一致；综合而言，间作相较单作，间作SPAD值要大于单作，施氮对叶绿素的贡献程度要大于种植模式。较高的SPAD对于维持合理的马铃薯氮素营养水平至关重要，从而会影响马铃薯的产量和品质。本试验以前人的研究为基础，增设了施氮量处理，试验表明，生长初期马铃薯植株的株高、茎粗、干物质积累量均随施氮量增加而增加，进入生长后期随之降低，施氮对其共享效果优于种植模式，综合比较而言,施氮量为150 kg/hm2时,以上各指标综合表现最佳，与田洵[20]的研究结果一致。

3.2 种植模式和施氮量对马铃薯产量的影响

氮素作为农田生态系统所必须输入的营养元素，过量的投入造成农业面源污染问题，研究表明[21]，农田氮素盈余大于20%则会造成生态环境污染和破坏，因而，合理调控氮肥一直作为作物养分管理的重点进行研究[22]。研究表明，马铃薯、小麦轮作区氮素过量施用地区，对马铃薯、小麦轮作体系氮肥减施1/3可实现作物的稳产、提高氮素利用率，同时有效降低氮肥对环境污染的风险，效果明显[23]。玉米间作马铃薯试验说明合理的马铃薯间作具有产量优势，其营养基础在于在间作时主要是提高了作物养分利用效率，而施氮后则是促进其养分吸收，合理控制氮肥的投入可有效发挥间作产量优势[24]。研究表明，施氮量和间作显著影响马铃薯产量，间作可以减少氮肥的施用量[25]；研究也表明，随着施氮量增加，间作马铃薯产量优势逐渐转变为产量劣势，在维持间作系统合理产量的情况下，施氮可有效缓解间作造成的马铃薯减产[26]。不同施氮条件下，间作能促进氮素营养由营养器官向生殖器官转移，继而有利于提高作物的产量和品质[27]，间作和施氮对2种作物的产量、生物量等都有一定的促进作用[28]，均表现出各自的优势。从本试验研究结果来看，种植密度相同，除不施氮处理外，各施氮处理下间作下的产量均高于单作产量，受到氮肥使用与否及使用量的影响，产量均表现不同，由方差分析可知，氮肥对间作系统产量增加的贡献率要大于种植模式，不同施氮处理下差异极显著(P<0.01)，施氮和种植模式两者的交互作用达到显著水平(P<0.05)，这与Bedoussac等[29]研究结果一致。

3.3 种植模式和施氮量对马铃薯产量构成因素和种间竞争力的影响

从产量构成因素方面分析，种植模式对产量构成因素的贡献程度要大于施氮水平，施氮处理下产量构成因素的差异性不显著(P>0.05)，一方面可能是由于生长后期降雨过大，肥力随水流失造成氮素的发挥效果减弱；另一方面可能是由于燕麦提前收获，燕麦植株将吸收的土壤氮带离土壤，造成土壤氮含量降低；通过对间作优势和种间竞争力研究发现，马铃薯燕麦间作具有很好的间作优势，但马铃薯的种间竞争力要弱于燕麦，其原因一方面则是各生育时期2种作物处在不同的生态位所造成的，另一方面则是由于燕麦对养分、光热、养分等资源的吸收利用效率要强于马铃薯。

本试验表明，施氮和间作均能提高马铃薯的产量，马铃薯和燕麦间作能更好地利用光、热、养分等资源，两者间作的优势大于劣势，施氮量对生长指标、产量的贡献效果要高于种植模式，种植模式对产量构成因素的影响要高于施氮水平，施氮水平和种植模式一定程度上都能增加马铃薯的株高、茎粗、干物质累积量及累积速率，最终表现为施氮量的贡献率要高于间作。宁南山区马铃薯种植要设计合理的施氮量，充分发挥肥效，减少损失和污染，且应结合适宜的种植模式，做到藏粮于地藏粮于技，实现宁南山区马铃薯高产高效栽培技术的创新和推广。