水肥调控对马铃薯块茎品质及水肥利用效率的影响

张腾 邢英英 谢奎 密菲瑶 李卓远 王秀康

摘 要 以陕北地区普遍种植的马铃薯品种‘希森6号为供试材料，设置3个灌水量为W1（100%ETc）、W2（80%ETc）、W3（60%ETc），3个施肥水平N-P2O5-K2O分别为F1（240-120-300 kg·hm-2）、F2（180-90-225   kg·hm-2）、F3（120-60-150 kg·hm-2），以60%ETc和不施肥处理为对照，共10个处理。结果表明，水肥调控对马铃薯块茎产量、品质及水肥利用效率有显著的影响。马铃薯产量和水分利用效率随着施肥量的增加而增加，F1处理更有利于马铃薯生长，但F1处理肥料偏生产力明显低于F2和F3处理，F1处理的平均肥料偏生产力比F2和F3处理低23.51%和26.72%；淀粉含量随着灌水量的增加而先减后增；维生素C含量随着施肥量的增加而增加，随着灌水量的增多而减少；可溶性糖含量随着灌水量或施肥量的增加均呈抛物线趋势。运用隶属函数法评价马铃薯品质及水肥利用效率表明，处理W1F2排名第一，因此推荐灌水量为100%ETc，施肥量为180-90-225（N-P2O5-K2O）kg·hm-2是陕北地区马铃薯优质高产的最佳灌水施肥组合。

关键词 马铃薯；水肥调控；块茎品质；水肥利用效率

马铃薯（Solanum tuberosum  L.）属茄科茄属一年生草本植物，是全球第四大重要的粮食作物［1］，具有极耐旱［2］、适应性强［3］和产业链长的特点，其块茎富含淀粉、蛋白质、氨基酸、多种维生素以及矿物质，营养价值高［4］，对保障粮食安全具有重要意义。中国马铃薯种植面积逐年增加，已成为世界马铃薯生产第一大国［5］，播种面积和产量均居世界首位［6］，但单产比较低，仍有很大的提高空间［7］。

灌水、肥料和覆盖大量应用于农业［3，8-10］，以保障粮食安全，但由于盲目粗放的灌溉施肥管理，水肥资源过量施入，导致水和肥料资源的严重浪费，增加了投入成本，但产量和品质却未同步提高，甚至由于过量施氮导致土壤酸化［11］，带来环境污染。因此，国内外学者就马铃薯作物节水减氮、高产优质的灌溉、施肥技术进行了大量研究。杜常亮等［9］研究表明，适宜的灌水施肥可以提高马铃薯叶片叶绿素含量，从而提高产量。张富仓等［10］研究发现马铃薯产量随着灌水的增加而增加，随着施肥量的增加表现为先增加后减小。Milriy等［12］发现当灌水量充足时，马铃薯产量随着施氮量的增加而增加，但当干旱胁迫时，施氮量则对马铃薯的产量产生负面影响。宋娜等［13］发现在同一水分条件下，马铃薯块茎品质随着施氮量的增加而逐渐增加，但施氮量过多会导致马铃薯品质下降。综上表明，合理管理灌水和施肥是马铃薯提质增产的重要手段。随着人们生活水平的提高以及马铃薯加工业的快速发展，马铃薯品质的研究将会越来越重要。

膜下滴灌是一项将作物覆膜种植技术和滴灌节水技术结合的高效灌溉技术［14］。地膜覆盖能降低土壤水分蒸发，提高地温，起到明显的增温保墒作用［15］；滴灌技术将肥料随水滴入土壤，使得水分和养分直达作物根系［16-17］；膜下滴灌技术将其二者结合，具有节水节肥［18］，提质增产［19］等  优点。

陕北地区土壤通气性良好，再加上其光照时间长，昼夜温差大等自然条件优势［20］，是马铃薯理想的生长环境，适宜生产优质马铃薯。但该地区灌溉制度不健全，在马铃薯生产中，主要为大水漫灌［10］，水肥利用不合理且效率低下。鉴于此，本试验采用膜下滴灌的技术，将灌水量与施肥量结合，研究水肥调控对马铃薯块茎品质及水肥利用效率的影响，以期为陕北地区马铃薯农田水肥调控节水提质增产模式提供技术指导和理论  依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021年4月至8月在陕西省延安市延安大学生命科学学院试验基地进行。试验站位于东经109°09′，北纬36°41′，海拔1 192 m，为典型的大陆季风气候，夏季多雨，秋、冬干燥，年日照时间2 415.5 h，总辐射量480.1 kJ·cm-2，无霜期160～200 d，平均气温9.1 °C，年均降雨量473 mm，降水分布不均匀，主要集中在6月至9月，占全年降雨量的60%左右。试验土壤为粉质壤土。土壤体积质量为1.33 g·cm-3，土壤硝态氮含量为13.42 mg·kg-1，土壤铵态氮含量为  6.51 mg·kg-1，有机质含量为7.76 g·kg-1，pH为8.2，速效磷含量为12.88 mg·kg-1，速效钾含量为94.43 mg·kg-1。

1.2 试验设计及方法

供试作物为高产马铃薯品种‘希森6号。试验所用氮肥为尿素（N含量46%），磷肥为过磷酸钙（P2O5含量12%），钾肥为硫酸钾（K2O含量52%）。试验田的长宽分别为20 m和8 m。试验采取随机区组排列，共设置10个小区，小区长约3.5 m、宽度约3.3 m，小区间均用厚约6 mm的隔水板埋深60 cm作防渗和分隔。试验开始前，对全部试验田进行深40 cm的深翻（两次）工作。试验小区采用起垄膜下滴灌种植模式，垄面高约35 cm、宽约70 cm，垄面间隔30 cm，滴灌管沿垄中线置于膜下，地膜厚度為0.006 mm，宽度为120 cm，各小区定植30 株，株距30 cm。

试验以当地100% ETc标准（W1）和当地推荐施肥量F1（N-P2O5-K2O为240-120-300   kg·hm-2）为依据，设置灌水量及施肥量二因素三水平试验，灌水量处理分别为W1（100%ETc），W2（80%ETc）和W3（60%ETc）；施肥量分别为F1，F2（75% F1）和F3（50% F1），以60%ETc灌水水平和不施肥处理为对照组（CK），共10个处理，见表1。马铃薯于2021年3月24日播种，7月16日收获。

播种时灌水40 mm，处理开始后平均每7  d灌1次水，7d的每日蒸发蒸腾量由HOBO气象站采集，作物需水量ETc计算如下：

ETC=KCET0

采用马铃薯作物系数KC，其中，苗期、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期分别取0.50、  0.65、1.15和0.75［21］。参考作物蒸发蒸腾量ET0采用彭曼-蒙蒂斯（Penman-Monteith）公式进行计算，计算公式如下［22］：

ET0=0.408Δ（Rn－G）+γ900U2（es－ea）T+273Δ+γ（1+0.34U2）

其中，Δ为饱和水气压与温度关系曲线在T处的切线斜率（kPa ·℃-1），Rn是地表净辐射（MJ·m-2·d-1），G是土壤热通量（MJ·m-2·d-1），γ是温度计常数（kPa·℃-1），U2是2 m高处风速（m·s-1），es是空气饱和水气压（kPa），ea是空气实际水汽压（kPa）。

肥料分5次施入，幼苗期1次、块茎形成期2次、块茎增长期1次和淀粉积累期1次，施肥比例为1∶2∶3∶2∶2；施肥时将肥料溶于水中，通过水表和加压水泵控制每小区灌水量和施肥量。仅灌水时用水表控制每个处理的水量。全生育期各水平灌水量见图1。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 产量测定 马铃薯成熟后，统一收获测定各小区产量。随机选取3株马铃薯块茎置于密封袋中，带回实验室保存，用于品质测定。

水分利用效率（WUE）计算式为：

WUE=Y/ET

式中 Y：作物产量，kg·hm-2；ET：作物全生育期耗水量，mm。

肥料偏生产力（PFP）计算式为：

PFP=Y/T

式中T：作物全生育期施入肥料总量，  kg·hm-2。

1.3.2 品质测定 淀粉含量采用碘比色法测定；可溶性糖采用硫酸-蒽酮比色法测定；粗蛋白质含量采用考马斯亮蓝法测定；维生素C含量采用钼蓝比色法测定；还原性糖含量采用3，5二硝基水杨酸比色法测定；褐变强度采用分光光度计测定［23］。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS 25软件进行方差分析及多重比较（Duncan法），Excel软件绘图。利用隶属函数法对各指标进行综合评价，计算方法如下［24］：

计算所测定指标在各处理下的具体隶属值：

U（X）=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）

式中U（X）为隶属值，Ｘ为某一指标的测定值，Xmax为某一指标测定值的最大值，Xmin为某一指标测定值的最小值。

还原糖与褐变强度为逆向指标，运用反隶属函数计算其隶属函数值。

U（X）=1-［（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）］

2 结果与分析

2.1 水肥调控对马铃薯产量的影响

水肥调控对马铃薯产量的影响如图2所示，各处理马铃薯产量均高于CK，灌水量和施肥量对马铃薯产量有极显著影响，其交互作用对产量有显著影响。W1F2处理马铃薯产量最高，为  6 514.21 kg·hm-2，显著高于其他处理，相比CK（3 095.48 kg·hm-2）增产110.44%；W2F3处理产量最低，相比CK增产11.53%。在同一施肥水平下，马铃薯产量均随着灌水量的增加而增加。在同一灌水量下，随着施肥量的增加，马铃薯产量表现出不同的趋势；在W2、W3水平下，马铃薯产量随着施肥量的增加而增加；在W1水平下，随着施肥量的增加，马铃薯产量呈现先增后减的趋势。说明，合理的水肥投入才能获得更高的产量，施肥过多或过少均不利于马铃薯的增产。

2.2 水肥调控对马铃薯水分利用效率及肥料偏生产力的影响

水分利用效率（WUE）和肥料偏生产力（PFP）是反应灌溉水量和化肥施用量综合效应的指标。由图3-a可知，施肥量及灌水量和施肥量的交互作用对马铃薯WUE有极显著影响，灌水量、施肥量及其交互作用均对马铃薯PFP有极显著影响。W2F1处理WUE最高，为20.65   kg·m-3，显著高于其他各处理，较CK提高  49.01%；W1F3处理WUE最低，与W2F3、CK相比无显著性差异。在W1及W2水平下，WUE随着施肥量的增加而增加；在W3水平下，各施肥量间无统计学意义。水肥调控对马铃薯肥料偏生产力的影响如图3-b所示，从总体上可以看出，在施肥量一致时，PFP随着灌水量的增加而逐渐升高；W1灌水水平下最大，平均为121.99   kg·kg-1，比W2、W3分别增加了40.46%、  50.69%。在W1及W3水平下，随着施肥量的减少，PFP逐渐增加；在W2水平下，PFP呈现先增后减的趋势。PFP在W1F3处理下获得最大值，在W3F1处理下最小，各处理间差异显著。

2.3 水肥调控对马铃薯品质的影响

2.3.1 淀粉 淀粉是马铃薯块茎中含量最多的营养物质［25］。从图4-a中可以看出，各水肥调控处理间差异显著。在W2、W3水平下，随着施肥量的减少，马铃薯块茎淀粉含量逐渐增加，W1水平与之相反。在同一施肥量下，马铃薯块茎淀粉含量隨着灌水量的减少，总体呈现先降低后升高的趋势；在W3水平下达到最大值。处理W3F3的淀粉含量最高，为9.21%，相比CK高  23.46%，说明在该水肥调控处理下，最有利于马铃薯块茎淀粉积累。

2.3.2 维生素C 维生素C是维持生命活动的重要物质，马铃薯块茎中含有大量的维生素C。各水肥调控处理间马铃薯块茎维生素C含量如图4-b所示。在同一灌水水平下，马铃薯块茎维生素C含量随着施肥量的减少而减少；在同一施肥水平下，总体上随着灌水量的增加而减少；各处理间鲜有显著性差异。处理W2F3含量最低，为16.04 mg·hg-1，显著低于其他各处理。

2.3.3 可溶性糖 从图4-c中可知，在不同灌水施肥调控下，各处理间差异显著，灌水量、施肥量及其交互作用均对马铃薯块茎可溶性糖含量产生极显著影响。在同一灌水量下，随着施肥量的增加，马铃薯块茎可溶性糖含量呈现先增多后减少的趋势；各灌水量下，可溶性糖含量均在F2处理下达到最大值。在同一施肥水平下，马铃薯块茎可溶性糖含量随着灌水的增加呈现抛物线趋势，整体而言，W2＞W1＞W3。处理W2F2含量最高（17.49%），相比CK（9.06%）增加93.05%；在W3水平下，各施肥处理含量均低于CK。

2.3.4 还原糖 还原糖含量不仅影响马铃薯的口感和营养价值［26］，也会与游离氨基酸发生美拉德反应产生致癌物质［27］，严重影响马铃薯的品质。由图4-d可知，各灌水施肥调控下马铃薯块茎还原糖含量均与CK无显著性差异。除处理W2F2、W3F3外，其他处理下还原糖含量均低于CK，说明灌水和施肥的投入利于马铃薯生长，减少块茎还原糖合成，提高品质。

2.3.5 蛋白质 水肥调控对马铃薯块茎蛋白质含量的影响如图4-e所示。灌水量、施肥量及其交互作用均对马铃薯块茎蛋白质含量产生极显著影响。在W1、W2水平下，随着施肥量的增加，马铃薯块茎蛋白质含量逐渐增加，在W3水平下，呈现先减后增的趋势。处理W2F1含量为0.96   mg·g-1，显著高于其他各处理，相比CK（0.57   mg·g-1）增加68.42%。

2.3.6 褐变强度 褐变现象在马铃薯的储藏和加工过程中时常发生，影響鲜切马铃薯品质和营养价值［28］。由图4-f可知，灌水量和施肥量对马铃薯块茎褐变强度影响显著。处理W2F3褐变强度最低，相比CK降低12.75%，相比褐变强度最高处理（W3F1）降低44.83%。总体而言，在同一施肥量下，马铃薯块茎褐变强度随着灌水量的增加而呈现先减后增的趋势，中水处理的褐变强度较低，W2处理的平均值比W1和W3处理低21.01%和20.03%。说明灌水量过多或过少均会使马铃薯块茎易发生褐变。

2.4 综合评价

大众对于马铃薯品质的要求日益提升，但马铃薯块茎单一品质的最优水肥调控量不尽相同，因此不能依赖单个指标评价马铃薯的品质，需要对试验所得结果进行系统科学的综合评价：运用隶属函数法，以9个指标隶属度的平均值对各灌水施肥处理马铃薯产量和品质进行综合评价。结果如表2所示，处理W1F2平均隶属度得分最高，为  0.64，其次是W2F1。处理W3F1最低，且低于CK。

3 讨  论

灌水量、施肥量及灌溉方式是影响作物产量及水肥利用效率的主要因素，滴灌施肥将肥料溶于水随灌水到达作物根系，充分发挥水肥耦合效应同时减少水肥淋失，可以显著提高作物产量，已被大量应用于农业。本文通过大棚试验，在膜下滴灌条件下，研究了水肥调控对马铃薯块茎产量、品质及水肥利用效率的影响，通过隶属函数法对试验结果进行综合评价，选出使马铃薯提质增产并且节水节肥的水肥调控组合。结果表明，水肥调控对马铃薯块茎产量、品质及水肥利用效率有显著的影响。本研究发现，增加灌水量和施肥量均能使马铃薯增产，这与前人的研究结果一致［29］。但灌水量或施肥量过多时，马铃薯增产效果与肥料投入的增加不匹配［30］，导致水肥利用效率下降，在本试验条件下，W1F2处理产量最高，W1F3处理肥料偏生产力最高，W2F1处理产量位于第二，但水分利用效率最高；说明过多灌水施肥不利于获得更高的水肥利用效率［31］，因此在农业生产中应控制合适的灌水量、施肥量，避免水肥资源过量投入导致资源浪费、污染环境及降低经济效益。

随着人们生活水平的提高，马铃薯块茎品质已成为评价田间管理的必要指标［32］。水和肥是田间管理的重要手段，也是调控马铃薯品质的重要因素。本研究发现，灌水和施肥单因素及其交互作用均对马铃薯块茎淀粉含量、可溶性糖含量和蛋白质含量有极显著影响。总体而言，马铃薯块茎淀粉含量随着灌水量和施肥量的增加而逐步降低，水肥调控下处理W3F3的淀粉含量最高，这与杜常亮等［9］和Xing等［32］的研究结果相似，表明合理的灌水施肥利于马铃薯块茎积累淀粉。商美新等［33］研究认为马铃薯块茎维生素C含量和可溶性糖含量随着施氮量的增加呈现先增后降的趋势，即施氮量过多会导致马铃薯品质降低；在本研究中，在同一灌水量下，马铃薯块茎维生素C含量随着施肥量的增加而逐步增加，造成不同的原因可能是本试验土壤中基础氮素含量过低或者磷肥与钾肥的投入促进了作物生长，使得作物需要更多的氮素投入。于国红等［34］研究发现干旱胁迫下马铃薯可溶性糖含量呈增加趋势，可加强马铃薯的渗透调节，减少缺水引起的应激损伤，但在本研究中，随着灌水量的降低，马铃薯块茎可溶性糖含量逐渐减少，说明在膜下滴灌条件下，W3处理仍能满足马铃薯生长对水分的需求。Xing等［32］认为马铃薯块茎蛋白质含量由各品种固有的遗传特性决定，生态条件对其没有显著影响，但本研究发现马铃薯块茎蛋白质含量随着施肥量的增加总体呈增加趋势，这与臧文静等［29］的研究结果一致。马铃薯块茎还原糖含量与褐变强度均会影响加工工艺及产品品质，因此需要通过田间管理手段降低其含量，本研究发现施肥对还原糖含量无明显影响，这与胡明举等［35］的研究结果一致；同时，本研究发现合适的灌水施肥量可以减弱其褐变强度，从而提高品质。

不同指标对马铃薯品质的影响具有一定的差异，利用单一指标去评价马铃薯块茎产量及品质具有局限性，不能准确评价其优劣，因此本试验利用隶属函数法对产量、WUE、PFP、淀粉、维生素C、可溶性糖、还原糖、蛋白质和褐变强度9项指标进行综合评价与分析。结果表明，W1F2处理隶属值最高，达到了较好的水肥耦合效应。

4 结  论

水肥调控对马铃薯块茎产量、品质及水肥利用效率有显著的影响。在同一灌水水平下，随着施肥量的增加，马铃薯产量逐步增加，水分利用效率逐步降低，可溶性糖呈抛物线趋势，维生素C含量逐步增加，F1施肥处理较其他两种施肥处理更有利于马铃薯产量、品质的提高，是适宜马铃薯生长及品质积累的施肥调控水平。在同一施肥水平下，随着灌水量的增加，马铃薯产量逐步增加，维生素C含量逐步减少，可溶性糖呈抛物线趋势。基于隶属函数法评价马铃薯产量、品质及水肥利用效率，处理W1F2隶属值最高，因此推荐灌水量为100%ETc，施肥量为180-90-225  （N-P2O5-K2O）kg·hm-2是陕北地区马铃薯种植的最佳灌水施肥组合。

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Effect of Water and Fertilizer Regulation on Potato

Tuber Quality，Water and Fertilizer Use Efficiency

ZHANG Teng1，2，XING Yingying1，2，XIE Kui1，2，MI  Feiyao1，2，LI Zhuoyuan1，2 and WANG Xiukang1，2

（1.Key Laboratory of Applied Ecology of Loess Plateau，Shaanxi Province，Yanan Shaanxi 716000，China;

2.College of Life Sciences，Yanan University，Yanan  Shaanxi 716000，China）

Abstract Irrigation and fertilization are the main field managementtechniques used to regulate crop growth.The object of this study was to explore the mechanism of water and fertilizer coupling in influencing potato growth and tuber quality，with the aim of providing theoretical basis for rational water and fertilizer management.In this experiment，‘Xisen No.6，widely planted in Northern Shaanxi Province，was used as the experimental material.Three irrigation levels were established：W1（100%ETc），W2（80%ETc），and W3（60%ETc）.Additionally，three fertilization levels，represented as N-P2O5-K2O（kg·hm-2）：F1（240-120-300 kg·hm-2），F2（180-90-225 kg·hm-2），and F3（120-60-150 kg·hm-2）.The control group（CK） consisted of the 60% ETc irrigation level with no fertilization.In total，ten treatment combinations were designed for the study.The results showed that water and fertilizer regulation had significant effects on the potato tuber quality，water and fertilizer use efficiency of potato; potato yield and water use efficiency increased with the increase of fertilizer application rate; F1 treatment was more conducive to potato growth，but the partial fertilizer productivity of F1 treatment was significantly lower than that of F2 and F3 treatments，and the average partial fertilizer productivity of F1 treatment was 23.51% and 26.72% lower than that of F2 and F3 treatments.Starch content decreased first and then increased with the increase of irrigation amount; the content of vitamin C increased with the increase of fertilizer amount，but decreased with the increase of irrigation   amount; the soluble sugar content showed a parabolic trend with the increase of irrigation amount or fertilizer application rate.Membership function method showed that the membership value of W1F2 treatment was the highest， therefore，a combination of 60%ETc irrigation levels and a fertilizer application rate of 180-90-225（N-P2O5-K2O）kg·hm-2 is recommended for achieving high quality and high yield potato in Northern Shaanxi.

Key words Potato; Water and fertilizer regulation; Tuber quality;Water and fertilizer use efficiency

Received  2022-09-28    Returned 2023-02-13

Foundation item The National  Natural Science Foundation of China（No.201010153）; The Education Innovation Project for Postgraduates of Yanan University（No.YCX2021074）; Innovation Program for Students of Yanan University（No.D2021095）; Innovation Program for Students of Shaanxi Province（No.S202210719103，No.S202210719010）.

First author ZHANG  Teng，male，master student.Research area：water and fertilizer coupling.  E-mail：1598964678@qq.com

Corresponding   author WANG  Xiukang，male，master supervisor.Research area：agricultural ecology.E-mail：wangxiukang@126.com（責任编辑：成 敏 Responsible editor：CHENG  Min）