不同生态区丰产型马铃薯品种氮素优化管理分析

梁俊梅 张 君 张 胜 张婷婷 石晓华 安 昊 康文钦 段 玉*

（1 内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古呼和浩特 010031；2 内蒙古农业大学，内蒙古呼和浩特 010018；3 国家土壤质量武川观测实验站，内蒙古呼和浩特 011705）

氮素是马铃薯体内蛋白质、叶绿素及代谢物的重要组成元素，直接影响马铃薯叶片的光合特性（乔建磊 等，2013；何彩莲 等，2016）、植株生长发育和产量（孙磊 等，2018）。但不合理的氮肥投入不仅会降低马铃薯的产量和氮肥吸收利用率，还会导致马铃薯品质下降、环境污染等问题（李珺 等，2020；沈若川 等，2022）。目前我国马铃薯氮肥利用率为30%，与欧美等国家的氮肥利用率（60%以上）相比还有较大的提升空间（于静等，2019；许国春 等，2020）。选育并种植丰产且氮肥利用效率高的马铃薯品种是提高氮肥利用率的有效途径。冀张薯12 号是典型的丰产型马铃薯品种，且在低氮（150 kg·hm-2）和常规施氮（300 kg·hm-2）处理下氮肥利用效率均处于较高水平（张婷婷 等，2021）。然而，在实际生产中农户因过高估计丰产型马铃薯的氮素需求，导致过量施氮肥的情况较为严重。马铃薯块茎中95%以上的干物质由光合作用产生，而光合产物的合成与分配受环境的影响极大（许建民 等，2020；姚玉璧 等，2021）。研究发现，不同生态环境下马铃薯光合特性存在显著差异，增加光照时数能显著增加马铃薯叶片的叶绿素含量（张贵合 等，2017；李华鹏 等，2018）。适宜的温度和湿度有助于马铃薯淀粉积累期干物质向块茎转移，从而提高马铃薯块茎产量（何昌福等，2017；柳强娟，2020）。目前有关不同生态条件对马铃薯光合特性、干物质生产及产量形成影响的研究已较为深入，然而对丰产型马铃薯品种氮素需求特征与生态条件及施氮水平互作的相关研究还不足。便携式叶绿素仪（SPAD-502）可准确评估植物中氮素水平，SPAD 值与植株中的氮浓度和作物产量显著相关（Silveira & Gonzaga，2017），前人通过分析叶绿素仪SPAD-502 的特点以及其读数与马铃薯植株氮素含量、马铃薯产量的数量关系，判断采用叶绿素仪SPAD-502 进行马铃薯氮素营养诊断并推荐施肥是可行的（樊明寿 等，2014；Li et al.，2020）。因此，本试验选取内蒙古阴山北麓地区（呼和浩特市武川县）和阴山南麓地区（乌兰察布市察哈尔右翼前旗）两个典型生态区，研究丰产型马铃薯品种冀张薯12 号在不同施氮量处理下叶片的SPAD 值、产量形成特性，并基于SPAD 值建立马铃薯氮素诊断追肥模型，以期为不同生态区丰产型马铃薯品种的氮素优化管理提供理论与实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

2021年5—9月在阴山北麓典型马铃薯种植区呼和浩特市武川县三间房村、阴山南麓典型马铃薯种植区乌兰察布市察哈尔右翼前旗平地泉镇进行田间试验，前茬作物均为小麦，供试品种为冀张薯12 号，5月初播种，9月中旬收获，种植方式均为高垄滴灌，垄距90 cm，株距23 cm。试验点的基本气候条件如表1所示。试验前取播前土壤测定基本理化性状，测定结果见表2。

表2 不同生态区试验点土壤的基本理化性状

1.2 试验材料及试验设计

试验共设置5 个施氮处理，分别为：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），采用随机区组排列，3 次重复，小区面积30 m2。各处理施肥方式：氮肥选用尿素（46%），磷肥选用过磷酸钙（46%），钾肥选用氯化钾（60%）。其中磷肥（P2O5180 kg·hm-2）、钾肥（K2O 270 kg·hm-2）全部作为基肥施入，氮肥基施30%、苗期追施20%、块茎形成期追施40%、块茎膨大期追施10%。

1.3 测定项目

分别在马铃薯的苗期（6月15日至7月1日）、块茎形成期（7月2—17日）、块茎膨大期（7月18日至8月20日）以及淀粉积累期（8月21日至9月5日），采用SPAD-502 叶绿素仪测定叶片SPAD值。各处理每个重复随机选取30 株健壮马铃薯植株，测定部位为完全展开的倒4 叶顶小叶（李利，2011）。

马铃薯收获期各小区单独测产，计算单位面积产量和商品薯率。各小区随机选取3 株马铃薯测定块茎质量及数量，将茎叶和块茎切碎烘干后测定干质量，并取叶片粉碎过孔径2 mm 筛，采用凯氏定氮法测定植株的氮含量和氮素累积量（鲁如坤，2000）。

1.4 数据分析

采用Excel 2021 软件对数据进行统计及图表绘制，利用SPSS 26.0 软件对数据进行处理。

2 结果与分析

2.1 不同施氮水平下马铃薯叶片SPAD 值的变化

如图1所示，武川县和察哈尔右翼前旗两个典型生态区马铃薯叶片SPAD 值总体均呈现出逐渐降低的趋势，苗期SPAD 值最高，在块茎形成期和块茎膨大前期下降速率最快，块茎膨大后期至淀粉积累期SPAD 值下降速率减缓。整体来看，各时期N0 处理的SPAD 值均明显处于较低水平，随着施氮量的增加，N1、N2、N3、N4 的SPAD 值呈现升高趋势。

图1 不同施氮水平下马铃薯各生育期叶片SPAD 值的变化

2.2 不同生育期马铃薯叶片SPAD 值与施氮量的关系

如图2、3所示，在马铃薯苗期、块茎形成期、块茎膨大前期、块茎膨大后期以及淀粉积累期，随施氮量的增加马铃薯叶片SPAD 值均呈线性增加。其中，武川地区以块茎膨大前期的相关性最显著，而察哈尔右翼前旗地区以块茎膨大后期的相关性最显著。

图2 马铃薯各生育期叶片SPAD 值与施氮量的关系（武川县）

图3 马铃薯各生育期叶片SPAD 值与施氮量的关系（察哈尔右翼前旗）

2.3 不同施氮水平下马铃薯产量的变化

如图4所示，随着施氮量的增加，两个试验点的马铃薯产量均呈现出先增加后降低的变化趋势，说明施氮量不足或过高均会导致产量降低。因此，采用一元二次方程对施氮量与产量的关系进行分析并拟合。对图4 中的方程求偏导，得出武川县试验点马铃薯最高产量为46.2 t·hm-2，对应的施氮量为225 kg·hm-2；察哈尔右翼前旗试验点马铃薯最高产量为61.7 t·hm-2，对应的施氮量为350 kg·hm-2。

图4 不同施氮水平对马铃薯产量的影响

2.4 各生育时期马铃薯叶片SPAD 值临界值

如图5、6所示，马铃薯各生育时期叶片SPAD 值与产量之间为二次函数关系，且开口向下，说明在一定范围内随着马铃薯叶片SPAD 值的增大产量也随之增加，当叶片SPAD 值超过一定值后，产量会呈现下降的趋势。根据马铃薯苗期、块茎形成期、块茎膨大前期、块茎膨大后期以及淀粉积累期的叶片SPAD 值与产量的函数关系求得最高产量，武川县试验点马铃薯5 个生育期的最适SPAD值分别为59.3、56.1、44.9、38.7、35.6，察哈尔右翼前旗试验点马铃薯5 个生育期的最适SPAD 值分别为55.9、54.0、51.6、43.2、40.9。一般将最高产量的90%～95%作为临界值，根据不同生育时期SPAD 值与产量的函数关系，确定马铃薯苗期、块茎形成期、块茎膨大前期、块茎膨大后期以及淀粉积累期的临界SPAD 值，武川县试验点分别为43.4、41.5、40.7、34.6、32.0，察哈尔右翼前旗试验点分别为49.3、49.1、44.9、37.8、35.6。

图5 马铃薯各生育时期叶片SPAD 值与产量的关系（武川县）

图6 马铃薯各生育时期叶片SPAD 值与产量的关系（察哈尔右翼前旗）

2.5 不同生态区域丰产型马铃薯品种氮肥推荐模型的建立

根据马铃薯苗期、块茎形成期、块茎膨大前期、块茎膨大后期以及淀粉积累期的叶片SPAD 值与施肥量的函数关系以及临界SPAD 值建立马铃薯氮素诊断追肥模型。设由图2 和图3所示线性关系求出的各生育时期测定SPAD 值前一次的氮肥水平为Ncon，马铃薯全生育期总施氮量为Nopt，各生育时期阶段追肥量为Nr。

将（2）式代入（1）式，得到SPAD 值诊断推荐施肥模型：

式中，Ncon、Nopt、Nr的单位为kg·hm-2；a为截距，b 为各生育时期的SPAD 值与施氮量线性方程的回归系数。将Nopt以及图2 和图3 中确定的a、b 值代入式（3），可以得到各生育期氮肥推荐追肥模型（表3）。根据氮肥推荐模型计算出各生育期所需的氮肥用量，并依据此进行氮肥用量推荐。

表3 马铃薯各生育期氮肥推荐模型

3 讨论

马铃薯产量形成是光合产物向块茎分配与积累的结果，而品种类型、种植模式、生态环境对马铃薯产量形成存在极显著的影响（张亮 等，2020；柳燕兰 等，2021；蒋彤晖 等，2022）。研究表明，施氮量、叶片SPAD 值以及作物经济产量的相关关系表明，SPAD 值能够很好地反映马铃薯及其他作物的氮素营养状况（王迎男 等，2019；许国春 等，2020；王磊 等，2022），这与本试验的结果一致。同时，本试验结果显示，施氮处理的SPAD 值均显著高于不施氮（N0）处理，但N3 与N4 处理的SPAD 值差异不显著（图1）。Brunetto 等（2012）研究表明，不论氮素供应充足或缺乏，作物产量与叶片SPAD 值都有很好的相关性；但当氮素供应处于过量时，产量不再随叶片SPAD 值的增加而增加，这与本试验结果基本相似，马铃薯5 个主要生育期叶片SPAD 值与产量呈二次函数相关关系。

有关马铃薯产量对施氮量响应的报道有很多，许国春等（2020）研究显示，施氮对提升我国马铃薯产量有重要作用，但施氮效果与土壤基础产量、区域、土壤类型等密切相关（Monostori et al.，2016）。因此，不同区域在制定马铃薯氮素管理方案时应充分考虑上述因子，从而提高马铃薯产量和氮肥利用效率。王迎男等（2019）对内蒙古马铃薯主产区的基础地力和增产潜力进行了研究，结果发现阴山北麓地区和阴山南麓地区的马铃薯基础地力产量为14.67 t·hm-2和13.10 t·hm-2，推荐施肥产量依次为23.17 t·hm-2和20.90 t·hm-2。沈若川等（2022）研究发现，甘肃、黑龙江和内蒙古3 个试验区域的推荐施氮量存在差异。上述研究说明，不用生态区域马铃薯推荐施氮量可能存在较大差异，特别对于丰产型马铃薯品种，其氮肥需求量大于常规品种，氮肥管理不当更易造成减产或环境污染等问题。结合本试验结果得出，阴山北麓区域丰产型马铃薯苗期、块茎形成期、块茎膨大前期、块茎膨大后期以及淀粉积累期的临界SPAD 值与阴山南麓区域的临界SPAD 值有所不同。根据生态区域对其氮肥管理策略进行调整，并进一步建立马铃薯氮肥分期推荐模型，可以在确保产量的前提下，最大限度地提高丰产型马铃薯品种的氮肥利用效率并降低环境风险。

4 结论

应用SPAD 可以比较精准地诊断不同生态区马铃薯氮素的营养状况。马铃薯苗期、块茎形成期、块茎膨大前期、块茎膨大后期以及淀粉积累期阴山北麓地区的临界SPAD 值分别为43.4、41.5、40.7、34.6、32.0；阴山南麓地区的临界SPAD 值则分别为49.3、49.1、44.9、37.8、35.6。与常规施肥方式相比，建立基于马铃薯叶片SPAD 值的氮肥主要生育期精准追施模型可以指导不同生态区丰产型马铃薯品种的氮肥分期施用，从而降低氮肥施用量、提高氮肥利用效率。