不同施肥模式对马铃薯光合特性及产量品质的影响

徐玉坤 薛龙飞

(山西农业大学 高寒区作物研究所，山西 大同 037008)

马铃薯是山西省主要粮食作物和经济作物。近年来，山西马铃薯生产存在化肥使用量过大和偏施氮肥等施肥不合理现象，引起马铃薯生产成本増加、块茎品质下降、肥料利用率低和环境污染等一系列问题。改变施肥模式，减少化肥施用量并配合有机替代是扭转上述不利局面的重要措施。光合作用是决定作物产量的关键因素，马铃薯块茎干物质的95%以上来自光合产物，具有物质转化的直接性。探索马铃薯光合特性在不同施肥模式下的响应规律对研究马铃薯产量和品质形成具有重要意义。

田间定位施肥试验是研究农田长期生态过程及其环境效应和调控措施的重要手段。施肥不仅为作物生长提供养分，而且随着氮、磷和钾等矿质元素的输入影响叶绿素含量和酶活性，间接影响植物的光合作用。作物光合作用与产量受肥料种类、施肥水平和肥料形态调控影响。已有研究表明，长期配施有机无机肥不仅可以显著提升农田有机质，改善土壤性质，还能提高作物光合能力和光合产物转运能力，获得较高的产量。目前作物光合作用对施肥模式响应的相关研究多见于水稻和小麦等主要粮食作物，针对马铃薯的相关研究报道较少。有机肥替代无机肥对马铃薯产量影响的作用机制目前尚不明确。张亮等研究发现全部和部分有机肥替代无机肥的马铃薯产量均处于中等水平，但有机肥能通过延长茎叶光合功能期显著提高薯块平均薯重。伊旺等认为用农家肥配施复合肥和微生物菌肥能提高马铃薯净光合速率，提高马铃薯产量。韩悌倩等认为高比例有机肥替代处理促进马铃薯根系生长和分化，增加结薯数是增产的主要原因。本研究探讨了田间定位施肥试验下不同施肥模式对马铃薯叶片光合性能、产量构成以及营养品质的影响，以期为本地区马铃薯生产化肥减施和有机肥科学配施提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况及供试材料

试验地位于山西省大同市小南头村(113°20′30.5″ N, 40°0′11.0″ E)，海拔为1 032.7 m；一年一作区，年降雨量449 mm，年蒸发量1 657 mm；年均温度7 ℃，无霜期159 d；土壤类型为栗钙土。本研究是在3年定位施肥(2017—2019年)基础上进行的，定位试验前(2017年)0～20 cm土壤基础理化性质如下：有机质质量分数为31.50 g/kg，碱解氮质量分数为147.68 mg/kg，速效磷质量分数为69.89 mg/kg，速效钾质量分数为233.00 mg/kg，容重1.28 g/cm，pH 8.47。供试马铃薯品种为‘晋薯16号’，由山西农业大学高寒区作物研究所提供，是山西省马铃薯主要推广品种。本研究采用定位试验第3年(2019年)数据进行分析，马铃薯于2019年5月7日种植，2019年10月8日收获，大田常规管理。测定2019年马铃薯播种前各处理0～20 cm土壤理化性质见表1。

表1 播种前土壤理化性质
Table 1 Physical and chemical characteristics of experiment field before sowing

处理Treatment有机质质量分数/(g/kg)Organic mattermass fraction碱解氮质量分数/(mg/kg)Available Nmass fraction速效磷质量分数/(mg/kg)Available Pmass fraction速效钾质量分数/(mg/kg)Available Kmass fraction容重/(g/cm3)Volume-weightpH不施肥处理(CK)No nitrogen fertilization26.98102.8057.40190.501.308.66常规施肥(CF)Farmers’ conventionalfertilization28.08240.5074.97225.001.428.50等氮30%有机替代(CM)Equal nitrogen 30% organicsubstitution treatment31.73196.5099.23285.001.328.34

1.2 试验设计

田间定位施肥试验采用单因素随机区组设计，设3个处理：不施肥处理(CK),常规施肥处理(CF，参考当地农户经验施肥),等氮30%有机替代处理(CM，有机氮替代30%化肥氮，有机肥用量按当季养分氮含量折算，以达到与CF处理施氮量相近)。具体施肥量见表2。施肥处理实行定氮，磷钾素不统一定量。每个处理重复3次，共计9个小区，小区面积为100 m。所用化肥为复合肥(N：18%、PO：18%和KO：18%)、尿素(N：46%)和硝酸钾(N：13%,KO：46%)。有机肥为腐熟牛粪(N：0.4%、PO：0.18%和KO：0.19%)。

表2 各处理肥料施用量
Table 2 Applied fertilizer amount under different treatments

处理Treatment有机肥/(kg/hm2)Organic fertilizer化肥 Chemical fertilizerN/(kg/hm2)P2O5/(kg/hm2)K2O/(kg/hm2)CK00.00.00.0CF30 000265.5108.0177.0CM52 500177.072.0118.0

1.3 测定项目及方法

1

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3

.

1

光合特性测定

用Li-6400便携式光合仪测定马铃薯块茎形成期(2019年7月2日)、块茎膨大期(2019年8月16日)和淀粉累积期(2019年9月18日)3个时期叶片光合速率、气孔导度、胞间CO浓度和蒸腾速率，每处理测定5片叶，取平均值。

1

.

3

.

2

叶绿素含量测定

用叶绿素测定仪 (SPAD-502)测定马铃薯块茎形成期、块茎膨大期和淀粉累积期3个时期马铃薯叶片相对叶绿素含量，每处理测定5片叶，取平均值。

1

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3

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3

产量与品质测定

在马铃薯收获期(2019年10月8日)测定小区产量，分别记载其大薯、中薯和小薯的重量与个数。采用FOSS DS2500近红外分析仪测定马铃薯薯块品质，每处理选3个样品，取平均值。

1.4 统计分析

采用SPSS 22.0软件Duncan’s进行多重比较(

α

=0.05)，运用Microsoft Excel 2010软件作图。

2 结果和分析

2.1 土壤施肥模式对马铃薯光合特性的影响

比较马铃薯不同生长阶段相对叶绿素含量(SPAD)差异(图1)，各处理SPAD均随马铃薯生育进程推进而降低，表现为块茎形成期>块茎膨大期>淀粉累积期。对比同一生长阶段不同处理，在块茎形成期、块茎膨大期和淀粉累积期均表现为CM>CF>CK处理。CM和CF处理的SPAD在3个阶段均显著高于CK处理，分别比CK增加了22.07%、15.43%、33.31%、32.49%、52.13%和40.06%。CM与CF处理SPAD在块茎形成期和淀粉累积期差异显著。说明2种施肥模式在各个生长阶段均能够显著提升叶片SPAD值，促进叶绿素合成，有机替代处理效果优于常规施肥。

图柱上不同字母表示差异显著(P<0.05)，相同字母表示差异不显著(P>0.05)。下同。 Different letters on columns represent significant differences (P<0.05), while the same letters represent no significant differences (P>0.05). The same below.图1 不同土壤施肥模式下马铃薯的SPADFig.1 SPAD of potato under different soil fertilization models

各处理净光合速率(Pn)均随马铃薯生育进程的推进而降低，说明从块茎形成期起叶片光合功能不断衰减(图2(a))。不同处理间马铃薯净光合速率在各阶段均表现为CM>CF>CK，与SPAD表现趋势一致。CF与CK处理各阶段Pn均无显著差异，CM与CK处理相比显著提高块茎形成期和块茎膨大期Pn。图2(b)表明，各处理气孔导度(Gs)均随马铃薯生育进程的推进而降低。不同处理间马铃薯气孔导度在块茎形成期和块茎膨大期无显著差异，在淀粉累积期表现为CM>CF>CK，其中CM与CK处理差异显著。由图2(c)可知，各处理胞间CO浓度(Ci)均随生育进程推进而降低。Ci在块茎形成期不同处理间差异不显著，在块茎膨大期Ci表现为CK>CM>CF，CF与CK间差异显著。在淀粉累积期Ci表现为CM>CK>CF，CM和CK处理显著高于CF处理。由图2(d)可知，CK与CF处理下蒸腾速率(Tr)随马铃薯生育进程的推进降低，而CM处理在块茎膨大期不降反升，表现优于块茎形成期。比较同一阶段各处理Tr，在块茎形成期CK和CF处理显著高于CM处理，在块茎膨大期CM处理显著高于CF处理，在淀粉累积期CM处理显著高于CF和CK处理。综合比较各项光合指标可知，有机替代处理不仅有助于马铃薯叶片一直保持较高的净光合速率，增强马铃薯叶片光合功能，还能综合提高淀粉累积期马铃薯气孔导度、胞间CO浓度和蒸腾速率，改善马铃薯生长后期叶片光合特性。

图2 不同土壤培肥模式下马铃薯光合特性Fig.2 Photosynthetic characteristics of potato under different soil fertilization models

2.2 土壤培肥模式对马铃薯产量及构成的影响

根据表3可知，所有处理中CK处理折合产量与商品薯率均是最低，其中CF和CM处理相比CK处理分别增产13.4%和16.6%，商品薯率分别提高2.32%和1.46%，但不同处理间差异不显著。分析马铃薯产量构成，CM和CF处理相比CK处理单株结薯数和单株产量均有所增加，其中CM和CF处理单株结薯数增幅分别达到20.00%和3.19%，单株产量增幅分别达到16.39%和14.75%。单块茎重CF相比CK增加了10.00%，CM略低于CK，不同处理间差异不显著。

表3 不同处理对马铃薯产量和产量构成因素的影响
Table 3 Effect of different treatments on yield and yield component factors of potato

处理Treatment单株结薯数/个Number of tubersper plant单株产量/(kg/株)Yield per plant单块茎重/(kg/个)Single tuber weight折合产量/(kg/hm2)Equivalent yield商品薯率/%Commercial rateCK3.45±0.13 a0.61±0.12 a0.18±0.02 a43 013.35±4 817.64 a94.15±1.50 aCF3.56±0.40 a0.70±0.03 a0.20±0.02 a48 796.86±1 196.46 a96.47±1.06 aCM4.14±0.13 a0.71±0.11 a0.17±0.03 a50 143.22±4 220.56 a95.61±1.52 a

注：同列不同字母表示差异显著(<0.05)，相同字母表示差异不显著(>0.05)。下表同。

Note: Within the same column, different letters represent significant differences (<0.05), while the same letters represent no significant differences (>0.05). The same below.

2.3 不同施肥方式对马铃薯块茎品质的影响

马铃薯品质主要取决于块茎成分及其含量，其中淀粉、蛋白质、糖类和维生素等营养物质是衡量马铃薯块茎品质的主要指标。根据表4可知，各处理中，CK处理下薯块水分质量分数最高，与CF处理差异显著，说明常规施肥能有效降低薯块水分含量，提高薯块干物质比例。比较不同处理间薯块蛋白质质量分数，CM处理显著高于CF处理，说明有机质施用有利于增加薯块蛋白质累积。相比CK处理，CF和CM处理均能提高马铃薯薯块淀粉质量分数、降低还原糖质量分数，但不同处理间差异不显著。

表4 不同处理对马铃薯块茎品质的影响
Table 4 Effect of different treatments on qualities of potato

处理Treatment水分质量分数/%Water massfraction蛋白质质量分数/%Protein massfraction淀粉质量分数/%Starch massfraction还原糖质量分数/%Reducing sugarmass fraction维生素C质量分数/(mg/hg)Vitamin Cmass fractionCK79.26±0.34 a1.59±0.13 ab13.88±0.25 a0.76±0.07 a15.13±0.40 aCF78.08±0.54 b1.49±0.14 b15.11±0.83 a0.74±0.10 a15.25±0.64 aCM78.81±0.25 ab1.80±0.09 a14.09±0.64 a0.69±0.03 a13.80±1.00 a

3 讨 论

叶片的光合作用是马铃薯产量形成的物质基础，施用不同类型肥料影响马铃薯植株叶片的化学组成，进而影响其光合作用，对马铃薯产量和品质造成影响。叶绿素含量是衡量叶片衰老和光合功能的关键指标，直接影响光合速率和光合产物的形成。本研究结果表明有机替代施肥能够增加叶片SPAD值，延缓叶片衰老，这与于显枫等研究结果一致，较高的叶片SPAD值为光合作用奠定基础，有利于物质同化和块茎的形成。施肥方式对作物光合速率具有较大的影响，张瑞等研究小麦旗叶净光合速率得出，同一氮素水平下有机无机肥混施较单施无机肥好。谭伟军等研究认为30%有机氮替代是最佳有机无机配施方式，能显著提高马铃薯SPAD值，同时也提高了Pn、Gs、Ci和Tr各项光合指标。本研究中Pn在各个时期均表现为CM处理高于CF和CK处理，在淀粉累积阶段，CM处理Pn、Gs、Ci和Tr各项光合指标均表现优于CF与CK处理，与前人研究结果一致。说明有机替代施肥能延缓生育后期叶片光合速率的下降并维持在较高水平，促进了光合产物的积累，为马铃薯高产奠定了物质基础。张向前等研究发现长期有机肥替代施肥处理能提高叶片Pn、Gs和Tr，而降低Ci。本研究中Ci与Pn并不存在负相关关系，在不同的阶段Ci表现不同，与前人研究结果不同。这可能因为Ci大小取决于叶片周围空气的CO浓度、气孔导度、叶肉导度和叶肉细胞的光合活性等多个影响因素，相互作用错综复杂。在不同情况下决定叶片光合速率高低的主要因子不同，不能一概而论。

本研究表明有机替代施肥处理相比常规施肥对马铃薯增产效果更加明显，这与张君等研究结果相似。前人对不同施肥模式下马铃薯产量构成进行分析，认为长期配施化肥和有机肥可以增加马铃薯单株结薯数，但对马铃薯商品薯率影响的结论并不一致。本研究表明经过3年定位施肥试验，有机替代施肥处理能提高单株结薯数和单株产量，但块茎重量和商品薯率相比常规施肥有所下降，与方玉川等研究结果相一致，这可能与本试验选用的马铃薯品种有关。本研究采用的品种‘晋薯16号’中大薯率高、丰产性好，在生长后期对氮肥需求量大。中后期充足的氮肥追施保证了马铃薯块茎膨大期物质需求，是提高商品薯率的关键。有机肥养分释放速率较慢，在定位试验初始阶段减少化肥追施量可能导致CM处理‘晋薯16号’中后期氮素供应不足，本身较高的商品薯率下降，需要进一步验证。为实现作物光能高效利用，不仅要通过高光合效率形成较多的光合产物，更要合理分配光合产物，才能使源(光合)-流(光合产物运转)-库(籽粒)协调而实现增益作用。本研究重点分析了不同施肥模式对马铃薯“源”与“库”的影响，缺乏对马铃薯光合产物分配与转运规律的研究，未来长期施肥定位试验仍需要进一步探究。

营养供给影响块茎发育期各种激素的合理需求和平衡，进而影响后期薯块淀粉和还原糖的形成。方玉川等研究表明底肥增施有机肥能增加薯块中干物质累积、蛋白质含量和淀粉含量，降低还原糖含量，对维生素C含量影响不大。王耀研究表明复合肥减量施用和配施生物有机肥后均提高了马铃薯产量、淀粉和干物质含量。本研究中比较CM和CF处理，CM处理蛋白质含量显著高于CF处理，而淀粉含量略低于CF处理，这可能是由于块茎中淀粉和蛋白质累积彼此消长导致。

4 结 论

本研究得出，有机替代施肥模式增加了马铃薯叶片的SPAD值和Pn值，改善了马铃薯生长后期叶片光合特性，有效延长叶片光合功能期，促进马铃薯产量提升并增加马铃薯薯块蛋白质含量，实现作物增产与肥力资源高效利用协调发展，是更适宜晋北地区农业可持续发展的施肥模式。