冷凉灌区马铃薯施肥量与种植密度对马铃薯生长及产量的影响

王 平，谢成俊，孙振荣，陈 娟，王 镭，彭文静

（1兰州市农业科技研究推广中心，兰州 730010；2甘肃省农业科学院经济作物与啤酒原料研究所，兰州 730070）

0 引言

武胜驿镇位于兰州市西北部，地处二阴冷凉区，土壤疏松，气候冷凉，是得天独厚的马铃薯种植产区[1]。随着马铃薯主粮化战略的实施，永登县立足区域优势把马铃薯产业作为富民强县的“黄金产业”来抓，生产上逐步实现了从量向质的转变，通过政府的积极引导与扶持，龙头企业的带动，农科人的科技创新，种植户的辛勤劳动，逐步形成了马铃薯“销、加、储、繁、种”全产业链格局，经过10 余年的发展，年种植面积稳定在1.53 万hm2以上，年产量在35 万t 左右[2]。随着马铃薯产业规模化的发展，不合理的施肥与种植方式在农业生产中问题凸显，过量施肥与种植密度导致马铃薯生产成本提高而产量降低，过量施肥使得土壤养分失衡，环境污染加剧[3]。如何合理控制施肥量与种植密度等栽培措施，对于挖掘马铃薯增产潜力与实现高产高效，保障区域内粮食可持续发展意义非凡。

通过优化农艺栽培措施与施肥方式协调土壤养分的分配来促进作物生长[4-5]，是实现作物高产的有效途径。如何系统优化密度及施肥等农艺栽培管理措施，来充分挖掘马铃薯产量生产潜力是实现该区马铃薯高产高效的关键[6]。研究表明，适度加大种植密度和提高施肥水平均能使植株群体对氮、磷、钾的吸收量增加，肥料利用率提高，以及产量显著增加[7]，施肥和种植密度可互作促进作物生长进而增加产量。赵凡等[8]研究发现马铃薯的产量及相关农艺性状与种植密度有关，随着马铃薯种植密度的增加产量逐渐增大，当种植密度达到一定程度时，密度增大马铃薯商品率与产量反而降低，马铃薯密度增加的同时，叶面积指数也在增加，适宜的种植密度使马铃薯净光合速率、蒸腾速率及气孔导度增加，并通过促进光合性能，改善作物群体生长发育，进而提高产量[9]。众多研究表明施肥能提高马铃薯株高、叶绿素含量及水分利用效率，过量的施肥会造成投肥成本高，鲜薯产量不高，且品质低劣[10-11]。在农业生产中，通过增加肥料与提高种植密度来获得更高产量是许多种植农户所采用的较为普遍的方法[12]，而施肥多少与种植密度跟当地的生态条件及自然环境密不可分。针对半干旱高海拔冷凉灌区，单一施肥量或种植密度对马铃薯生长及产量的影响的研究较多[8,11]，尚未见有关施肥量与种植密度对马铃薯产量与水分利用效率影响的报道。本研究在不同施肥量与种植密度对马铃薯生育期、株高、叶面积指数及产量等指标的影响，以明确马铃薯最佳施肥量与种植密度配比，为当地农业生产提供技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

于2019 年在永登县武胜驿镇大利村开展试验。该区海拔2630 m，年平均气温在5.80℃，年均降雨量322.20 mm，年均日照时数2871 h，有效积温2600℃左右，无霜期121 d左右，四季分明，阳光充足，雨量主要集中在6—9月，该区属大陆性高寒半干旱型气候。试验区0～20 cm土层土壤有机质含量26.38 g/kg，全氮含量1.55 g/kg，碱解氮含量63.47 mg/kg，速效钾含量188.35 mg/kg，pH 8.58。供试土壤为灌漠土。

1.2 试验材料与方法

供试品种：马铃薯一级种薯‘冀张薯12号’。

供试肥料：按照当地的氮磷钾施肥比例，试验选用由江苏中东化肥股份有限公司生产的复合肥（氮：磷：钾=18:12:15，N+P2O5+K2O≥45%）。

本试验采用二因素随机区组设计，分别以施肥量与种植密度为因素，共设12个处理（见表1），3个重复，小区面积为33 m2(5.5 m×6 m)。设3个施肥量分别为600、1100、1600 kg/hm2，4个种植密度分别为5.25万株/hm2（株距34 cm）、6.00万株/hm2（株距30 cm）、6.75万株/hm2（株距27 cm）、7.50万株/hm2（株距24 cm），具体处理见表1。整地后将肥料均匀撒在小区内，覆土覆膜后埋入垄间。覆膜选用宽90 cm，厚0.01 mm 的黑色农用地膜，覆膜时压滴灌带。在垄面中央留出10 cm左右微型集雨沟，覆膜后在微型垄沟每隔一段距离打集雨孔，垄面宽70 cm，垄沟宽40 cm，垄高30 cm，垄面两侧按照三角形“﹥”种植马铃薯。前茬作物为玉米，于2019 年4月26 日播种，2019 年9 月6 日收获。整个马铃薯生产过程5次灌水，苗期、现蕾期、开花期、结薯及淀粉累积期分别灌水1 次，总灌水量1800 m3/hm2。在马铃薯播前与收获后采用土钻取0～120 cm 土样，每隔20 cm 取一次样，采用烘干法计算土壤含水量。

1.3 测定方法

在马铃薯开花期随机选取20 株马铃薯分别测定株高、茎粗、叶面积及SPAD值，成熟期各小区随机取10株统计其大小薯数量。单株大薯与小薯参照《马铃薯试验研究方法》[13]进行统计，大薯块茎≥75 g，小薯块茎<75 g；

SPAD值测定：使用便携式叶绿素测定仪（型号：SPAD-502 PLUS），在马铃薯开花期，对顶叶下方完全展开的第三片叶进行数值测定；叶面积指数、商品率、马铃薯生育期耗水量和水分利用效率计算见公式(1)～(4)。

小区产量实打实收。

式中，WUE为水分利用效率[kg/(hm2·mm)]，Y为马铃薯块茎产量(kg/hm2)，ET为马铃薯生育期耗水量(mm)[14]。

1.4 统计分析

采用EXCEL、SPSS 21 软件处理数据，用Origin 9.1软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥量与种植密度对马铃薯生育期的影响

由表2 可知，施肥量与种植密度均能明显影响马铃薯生育期，试验区马铃薯于2019年4月26日种植，9月10 日统一收获，生育期介于94～109 d。低肥(F1)处理马铃薯在5 月24 日出苗，中肥(F2)与高肥(F3)处理马铃薯提前出苗，F2处理在5月22日出苗，F3处理在5月23日出苗，且随着施肥量的增加，马铃薯成熟期延长；随着密度的增加，马铃薯生育期提前；F1D4（低肥高密度处理）处理的生育期最短，F2D1与F2D2处理的马铃薯生育期最长。

表2 不同施肥量与种植密度下的马铃薯生育期（日/月）

2.2 不同施肥量与种植密度对马铃薯农艺性状的影响

施肥量与种植密度对马铃薯农艺性状影响显著（表3）。马铃薯株高介于49.39～63.89 cm之间，在相同种植密度下，马铃薯株高随着施肥量的增加先增加后不变；在F1与F2施肥量下，马铃薯株高随着种植密度增加先增加后降低，在F3施肥量下，马铃薯株高随着种植密度增加后不变，其中以F3D4处理株高最大(63.89 cm)。施肥量对马铃薯主茎有效分枝数没有显著影响，随着种植密度的增加马铃薯主茎有效分枝数呈减小趋势。马铃薯茎粗与叶面积指数随着施肥量增加而增加；在相同施肥量下马铃薯茎粗随着种植密度的增加而降低，叶面积指数随着种植密度增加而增加，高肥高种植密度(F3D4)处理下叶面积指数最大(5.12)。在相同密度条件下，马铃薯叶片SPAD值随施肥量的增加而增加；在相同施肥条件下，SPAD值随种植密度逐渐减小，SPAD值以F3D1处理最大(70.38)。施肥量与种植密度作为单因子或者施肥量与种植密度互作对株高、主茎有效分枝数、茎粗及叶面积指数的影响呈显著或者极显著水平，施肥量与种植密度作为单因子对茎粗、叶面积指数及SPAD值的影响呈极显著水平，施肥量与种植密度互作对其影响不显著。

表3 不同施肥量与种植密度对马铃薯农艺性状的影响

2.3 不同施肥量与种植密度对马铃薯产量及水肥利用效率的影响

施肥量与种植密度能够显著影响马铃薯产量、产量构成及商品率（表4）。在相同种植密度下，随着施肥的增加，马铃薯产量、大薯产量、大薯数及商品率先增后减，在F2处理下马铃薯产量、大薯产量、大薯数及商品率，总薯数随着施肥的增加先增加后不变，施肥量对马铃薯单株结薯数影响不大，小薯产量及小薯数随着施肥量的增加而增加；在相同施肥量下，马铃薯产量、大薯产量、大薯数、单株结薯数及商品率随着种植密度的增加先增加后减小，在D3处理下马铃薯产量、大薯产量、大薯数、单株结薯数及商品率达到最大，小薯产量及小薯率随着种植密度的增加而增加。施肥量与种植密度作为单因子或者施肥量与种植密度互作对马铃薯产量、大薯产量及大薯率的影响呈显著或者极显著水平，在F2D3处理下马铃薯产量达到最大(50136.44 kg/hm2)。施肥量与种植密度作为单因子对马铃薯小薯产量、小薯率、单株结薯数及商品率呈极显著水平，施肥量与种植密度互作对其影响不显著。

表4 不同施肥量与种植密度对马铃薯产量性状的影响

表5显示，不同施肥量与种植密度对马铃薯生育期耗水量与水肥利用效率影响不同，底肥与低密度下的马铃薯耗水量较小，随着密度与肥料增加耗水量呈增大趋势，增大不显著。马铃薯的水肥利用效率随施肥量与种植密度的增大呈显著的先增大后减小趋势，以处理F2D3的水分利用效率最高达到108.24 kg/(hm2·mm)，较F1D1水分利用效率提高了32.98%，且差异显著。通过数据分析发现适宜的肥料与种植密度有助于提高马铃薯水分利用效率。

表5 不同施肥量与种植密度下的水肥利用效率

2.4 不同施肥量与种植密度下马铃薯产量与水分利用效率变化趋势

在农业生产中，施肥量与种植密度是农艺管理中用于调控作物产量的主要措施。为了更加合理的寻找出最佳的产量与施肥量、种植密度的关系，通过origin9.1 绘制三维图（图1），通过观察我们发现，马铃薯产量随着施肥量的增大先增加后减小，随着种植密度的增加也表现为先增加后减小。为寻找出最佳的产量与施肥量、种植密度的关系，利用SPSS21 软件分析并建立二元二次回归模型。其中，Y1为马铃薯总产量，x1为施肥量，x2为种植密度。方程见式(5)。

图1 不同施肥量与种植密度下的马铃薯产量(a)与水分利用效率(b)的变化

通过分析，F=29.097**(P<0.01)，决定系数R2=0.959**达到极显著，方程拟合度好，说明产量与施肥量、种植密度之间呈显著的回归关系，即能够反映出产量与施肥量、种植密度的关系。对回归方程求偏导，见式(6)。

将解得的x1和x2，带入回归方程解得Y1值，即为马铃薯产量的最大值。当施肥量与种植密度为1065.366 kg/hm2和6.746 万株/hm2时，产量达到最大(50255.98 kg/hm2)。同时且通过Origin 9.1 绘制三维图，图1 显示，马铃薯产量随施肥量的增大先增后减，随种植密度的增加也呈先增后减。

为寻求水分利用效率与施肥量、种植密度的关系，建立二元二次回归模型。其中，Y2为水分利用效率，x1为施肥量，x2为种植密度。方程见式(9)。

通过分析F=26.267**(P<0.01)，决定系数R2=0.956**达到极显著，方程拟合度好。对回归方程求偏导见式(10)。

将解得的x1和x2带入回归方程解得Y2值，即为水分利用效率的最大值(111.3537)，对应产量为50121.63 kg/hm2。水分利用效率随施肥量的增大先增后减，随种植密度的增加也呈先增后减，变化趋势与产量的相似。

2.5 马铃薯产量与产量构成因素之间的相关性

本试验中马铃薯总产量由马铃薯大薯产量与小薯产量组成，总薯数由大薯数与小薯数组成，单株结薯数包括了单株大薯与小薯数。如表6 所示，马铃薯产量与大薯产量与大薯数呈极显著正相关性，大薯产量与大薯数，以及小薯产量与小薯数呈极显著正相关性，而单株结薯数与小薯数呈负相关。说明决定马铃薯产量的高低是由马铃薯的大薯产量决定的，而马铃薯单株结薯数量的多少主要是受小薯数量影响更加显著。

表6 马铃薯产量与产量构成因素的相关分析

3 讨论

3.1 施肥量与种植密度对马铃薯生育期的影响

施肥量与种植密度能够影响作物生长发育，梁庆平等[15]研究表明施肥量与种植密度对玉米生育前期（玉米出苗）无显著影响，随着生育期的推进，施肥量的增加会延长生育期，种植密度的增加则会缩短生育期。本试验表明，施肥与种植密度均能显著影响马铃薯生长，过量施肥会抑制马铃薯的出苗，随着施肥量的增加马铃薯生育期会延长，种植密度过高马铃薯生育期会缩短，适宜的施肥量与种植密度能延缓马铃薯生育期，此结论与方勇等[16]和雷昌云等[17]的相关研究结论类似，生育期延长的时间长短因作物而异[18-19]。

3.2 施肥量与种植密度对马铃薯农艺性状的影响

在农业生产中，施肥量与种植密度是农艺管理中用于调控作物产量的主要措施。研究表明施肥量与种植密度存在一定的正向互作效应[20]。适量施肥能提高作物群体生长速率，合理的种植密度能让植株个体充分利用水、肥、气、热、光等资源，适宜施肥与种植密度对于提高产量有正向作用[21]。肥料中的氮肥与叶片SPAD值密切相关，植物缺氮会造成叶面积指数与光能作用下降，进而使作物生长与产量降低，SPAD值大小能侧面反映马铃薯吸收土壤养分的状况[22]。作物种植密度的提高能增大叶面积指数，能增强作物群体对光能的截获作用，而过高的种植密度因养分竞争导致叶绿素下降，光合作用降低，不利于生长；且当种植密度过大时，作物可吸收的土壤水分与养分会降低，光照、水、肥等因素限制，茎粗与有效分枝数会减低[23]。本研究表明，不同施肥量与种植密度对冷凉灌区马铃薯的株高、茎粗、有效分枝数、叶面积指数及叶片SPAD值均影响显著，施肥量过大过小与种植密度过低过高均不利于地上部生长，这与诸多研究结论一致[3,8]。

3.3 施肥量与种植密度对马铃薯产量及水分利用效率的影响

施肥是提高作物产量与促进作物生长的主要方式，而种植密度是影响作物生长与产量的因素之一[24-25]，研究表明适度的增加施肥量与种植密度是改善作物生长进而提高作物产量与水肥利用效率的重要途径，而过量的施肥措施反而使得马铃薯产量下降[3]。合理养分管理与农艺栽培措施可协同提高水分利用率，实现作物产量和水分利用效率最大化，是解决马铃薯生产水平低而不稳的有效途径[26]。本研究表明马铃薯总产量、大薯产量与大薯率随着施肥量与种植密度的增加先增后减，不同处理比较以F2D3的马铃薯产量、大薯产量与大薯率最高。通过二元二次方程拟合，施肥量、种植密度与产量及水分利用效率呈极显著关系。本研究表明与大薯率与马铃薯产量呈正比，因此，在栽培过程中应该提高大薯产量与大薯率。

通过试验表明适宜的施肥量与种植密度能够调整马铃薯的群体与个体之间的关系，进而改善了生长，并获得了高的单位面积产量与商品率与水分利用效率。

4 结论

施肥量与密度相互作用能有效促进马铃薯生长和提高马铃薯的产量。增施肥料能延缓马铃薯生育期，增加种植密度能缩短其生育期。施肥量、种植密度与马铃薯产量呈极显著的二元二次非线性关系，及过量的施肥与种植密度都不利于产量的增加，马铃薯大薯产量、大薯数与马铃薯产量呈极显著正相关。当施肥量达到1014.812～1067.003 kg/hm2，种植密度达到8.799万～9.030万株/hm2时，马铃薯能够获得较高的产量(50253.81～50376.06 kg/hm2) 与水分利用效率[104.601～106.887 kg/(hm2·mm)]，同时可以提高马铃薯大薯产量、大薯数及商品率。