梁俊梅 張 君 張 勝 張婷婷 石曉華 安 昊 康文欽 段 玉*

（1 內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010031；2 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018；3 國(guó)家土壤質(zhì)量武川觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，內(nèi)蒙古呼和浩特 011705）

氮素是馬鈴薯體內(nèi)蛋白質(zhì)、葉綠素及代謝物的重要組成元素，直接影響馬鈴薯葉片的光合特性（喬建磊 等，2013；何彩蓮 等，2016）、植株生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量（孫磊 等，2018）。但不合理的氮肥投入不僅會(huì)降低馬鈴薯的產(chǎn)量和氮肥吸收利用率，還會(huì)導(dǎo)致馬鈴薯品質(zhì)下降、環(huán)境污染等問(wèn)題（李珺 等，2020；沈若川 等，2022）。目前我國(guó)馬鈴薯氮肥利用率為30%，與歐美等國(guó)家的氮肥利用率（60%以上）相比還有較大的提升空間（于靜等，2019；許國(guó)春 等，2020）。選育并種植豐產(chǎn)且氮肥利用效率高的馬鈴薯品種是提高氮肥利用率的有效途徑。冀張薯12 號(hào)是典型的豐產(chǎn)型馬鈴薯品種，且在低氮（150 kg·hm-2）和常規(guī)施氮（300 kg·hm-2）處理下氮肥利用效率均處于較高水平（張婷婷 等，2021）。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中農(nóng)戶因過(guò)高估計(jì)豐產(chǎn)型馬鈴薯的氮素需求，導(dǎo)致過(guò)量施氮肥的情況較為嚴(yán)重。馬鈴薯塊莖中95%以上的干物質(zhì)由光合作用產(chǎn)生，而光合產(chǎn)物的合成與分配受環(huán)境的影響極大（許建民 等，2020；姚玉璧 等，2021）。研究發(fā)現(xiàn)，不同生態(tài)環(huán)境下馬鈴薯光合特性存在顯著差異，增加光照時(shí)數(shù)能顯著增加馬鈴薯葉片的葉綠素含量（張貴合 等，2017；李華鵬 等，2018）。適宜的溫度和濕度有助于馬鈴薯淀粉積累期干物質(zhì)向塊莖轉(zhuǎn)移，從而提高馬鈴薯塊莖產(chǎn)量（何昌福等，2017；柳強(qiáng)娟，2020）。目前有關(guān)不同生態(tài)條件對(duì)馬鈴薯光合特性、干物質(zhì)生產(chǎn)及產(chǎn)量形成影響的研究已較為深入，然而對(duì)豐產(chǎn)型馬鈴薯品種氮素需求特征與生態(tài)條件及施氮水平互作的相關(guān)研究還不足。便攜式葉綠素儀（SPAD-502）可準(zhǔn)確評(píng)估植物中氮素水平，SPAD 值與植株中的氮濃度和作物產(chǎn)量顯著相關(guān)（Silveira & Gonzaga，2017），前人通過(guò)分析葉綠素儀SPAD-502 的特點(diǎn)以及其讀數(shù)與馬鈴薯植株氮素含量、馬鈴薯產(chǎn)量的數(shù)量關(guān)系，判斷采用葉綠素儀SPAD-502 進(jìn)行馬鈴薯氮素營(yíng)養(yǎng)診斷并推薦施肥是可行的（樊明壽 等，2014；Li et al.，2020）。因此，本試驗(yàn)選取內(nèi)蒙古陰山北麓地區(qū)（呼和浩特市武川縣）和陰山南麓地區(qū)（烏蘭察布市察哈爾右翼前旗）兩個(gè)典型生態(tài)區(qū)，研究豐產(chǎn)型馬鈴薯品種冀張薯12 號(hào)在不同施氮量處理下葉片的SPAD 值、產(chǎn)量形成特性，并基于SPAD 值建立馬鈴薯氮素診斷追肥模型，以期為不同生態(tài)區(qū)豐產(chǎn)型馬鈴薯品種的氮素優(yōu)化管理提供理論與實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

2021年5—9月在陰山北麓典型馬鈴薯種植區(qū)呼和浩特市武川縣三間房村、陰山南麓典型馬鈴薯種植區(qū)烏蘭察布市察哈爾右翼前旗平地泉鎮(zhèn)進(jìn)行田間試驗(yàn)，前茬作物均為小麥，供試品種為冀張薯12 號(hào)，5月初播種，9月中旬收獲，種植方式均為高壟滴灌，壟距90 cm，株距23 cm。試驗(yàn)點(diǎn)的基本氣候條件如表1所示。試驗(yàn)前取播前土壤測(cè)定基本理化性狀，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同生態(tài)區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)土壤的基本理化性狀

1.2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置5 個(gè)施氮處理，分別為：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），采用隨機(jī)區(qū)組排列，3 次重復(fù)，小區(qū)面積30 m2。各處理施肥方式：氮肥選用尿素（46%），磷肥選用過(guò)磷酸鈣（46%），鉀肥選用氯化鉀（60%）。其中磷肥（P2O5180 kg·hm-2）、鉀肥（K2O 270 kg·hm-2）全部作為基肥施入，氮肥基施30%、苗期追施20%、塊莖形成期追施40%、塊莖膨大期追施10%。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

分別在馬鈴薯的苗期（6月15日至7月1日）、塊莖形成期（7月2—17日）、塊莖膨大期（7月18日至8月20日）以及淀粉積累期（8月21日至9月5日），采用SPAD-502 葉綠素儀測(cè)定葉片SPAD值。各處理每個(gè)重復(fù)隨機(jī)選取30 株健壯馬鈴薯植株，測(cè)定部位為完全展開(kāi)的倒4 葉頂小葉（李利，2011）。

馬鈴薯收獲期各小區(qū)單獨(dú)測(cè)產(chǎn)，計(jì)算單位面積產(chǎn)量和商品薯率。各小區(qū)隨機(jī)選取3 株馬鈴薯測(cè)定塊莖質(zhì)量及數(shù)量，將莖葉和塊莖切碎烘干后測(cè)定干質(zhì)量，并取葉片粉碎過(guò)孔徑2 mm 篩，采用凱氏定氮法測(cè)定植株的氮含量和氮素累積量（魯如坤，2000）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2021 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及圖表繪制，利用SPSS 26.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮水平下馬鈴薯葉片SPAD 值的變化

如圖1所示，武川縣和察哈爾右翼前旗兩個(gè)典型生態(tài)區(qū)馬鈴薯葉片SPAD 值總體均呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，苗期SPAD 值最高，在塊莖形成期和塊莖膨大前期下降速率最快，塊莖膨大后期至淀粉積累期SPAD 值下降速率減緩。整體來(lái)看，各時(shí)期N0 處理的SPAD 值均明顯處于較低水平，隨著施氮量的增加，N1、N2、N3、N4 的SPAD 值呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。

圖1 不同施氮水平下馬鈴薯各生育期葉片SPAD 值的變化

2.2 不同生育期馬鈴薯葉片SPAD 值與施氮量的關(guān)系

如圖2、3所示，在馬鈴薯苗期、塊莖形成期、塊莖膨大前期、塊莖膨大后期以及淀粉積累期，隨施氮量的增加馬鈴薯葉片SPAD 值均呈線性增加。其中，武川地區(qū)以塊莖膨大前期的相關(guān)性最顯著，而察哈爾右翼前旗地區(qū)以塊莖膨大后期的相關(guān)性最顯著。

圖2 馬鈴薯各生育期葉片SPAD 值與施氮量的關(guān)系（武川縣）

圖3 馬鈴薯各生育期葉片SPAD 值與施氮量的關(guān)系（察哈爾右翼前旗）

2.3 不同施氮水平下馬鈴薯產(chǎn)量的變化

如圖4所示，隨著施氮量的增加，兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的馬鈴薯產(chǎn)量均呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢(shì)，說(shuō)明施氮量不足或過(guò)高均會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量降低。因此，采用一元二次方程對(duì)施氮量與產(chǎn)量的關(guān)系進(jìn)行分析并擬合。對(duì)圖4 中的方程求偏導(dǎo)，得出武川縣試驗(yàn)點(diǎn)馬鈴薯最高產(chǎn)量為46.2 t·hm-2，對(duì)應(yīng)的施氮量為225 kg·hm-2；察哈爾右翼前旗試驗(yàn)點(diǎn)馬鈴薯最高產(chǎn)量為61.7 t·hm-2，對(duì)應(yīng)的施氮量為350 kg·hm-2。

圖4 不同施氮水平對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響

2.4 各生育時(shí)期馬鈴薯葉片SPAD 值臨界值

如圖5、6所示，馬鈴薯各生育時(shí)期葉片SPAD 值與產(chǎn)量之間為二次函數(shù)關(guān)系，且開(kāi)口向下，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)隨著馬鈴薯葉片SPAD 值的增大產(chǎn)量也隨之增加，當(dāng)葉片SPAD 值超過(guò)一定值后，產(chǎn)量會(huì)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。根據(jù)馬鈴薯苗期、塊莖形成期、塊莖膨大前期、塊莖膨大后期以及淀粉積累期的葉片SPAD 值與產(chǎn)量的函數(shù)關(guān)系求得最高產(chǎn)量，武川縣試驗(yàn)點(diǎn)馬鈴薯5 個(gè)生育期的最適SPAD值分別為59.3、56.1、44.9、38.7、35.6，察哈爾右翼前旗試驗(yàn)點(diǎn)馬鈴薯5 個(gè)生育期的最適SPAD 值分別為55.9、54.0、51.6、43.2、40.9。一般將最高產(chǎn)量的90%～95%作為臨界值，根據(jù)不同生育時(shí)期SPAD 值與產(chǎn)量的函數(shù)關(guān)系，確定馬鈴薯苗期、塊莖形成期、塊莖膨大前期、塊莖膨大后期以及淀粉積累期的臨界SPAD 值，武川縣試驗(yàn)點(diǎn)分別為43.4、41.5、40.7、34.6、32.0，察哈爾右翼前旗試驗(yàn)點(diǎn)分別為49.3、49.1、44.9、37.8、35.6。

圖5 馬鈴薯各生育時(shí)期葉片SPAD 值與產(chǎn)量的關(guān)系（武川縣）

圖6 馬鈴薯各生育時(shí)期葉片SPAD 值與產(chǎn)量的關(guān)系（察哈爾右翼前旗）

2.5 不同生態(tài)區(qū)域豐產(chǎn)型馬鈴薯品種氮肥推薦模型的建立

根據(jù)馬鈴薯苗期、塊莖形成期、塊莖膨大前期、塊莖膨大后期以及淀粉積累期的葉片SPAD 值與施肥量的函數(shù)關(guān)系以及臨界SPAD 值建立馬鈴薯氮素診斷追肥模型。設(shè)由圖2 和圖3所示線性關(guān)系求出的各生育時(shí)期測(cè)定SPAD 值前一次的氮肥水平為Ncon，馬鈴薯全生育期總施氮量為Nopt，各生育時(shí)期階段追肥量為Nr。

將（2）式代入（1）式，得到SPAD 值診斷推薦施肥模型：

式中，Ncon、Nopt、Nr的單位為kg·hm-2；a為截距，b 為各生育時(shí)期的SPAD 值與施氮量線性方程的回歸系數(shù)。將Nopt以及圖2 和圖3 中確定的a、b 值代入式（3），可以得到各生育期氮肥推薦追肥模型（表3）。根據(jù)氮肥推薦模型計(jì)算出各生育期所需的氮肥用量，并依據(jù)此進(jìn)行氮肥用量推薦。

表3 馬鈴薯各生育期氮肥推薦模型

3 討論

馬鈴薯產(chǎn)量形成是光合產(chǎn)物向塊莖分配與積累的結(jié)果，而品種類(lèi)型、種植模式、生態(tài)環(huán)境對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量形成存在極顯著的影響（張亮 等，2020；柳燕蘭 等，2021；蔣彤暉 等，2022）。研究表明，施氮量、葉片SPAD 值以及作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系表明，SPAD 值能夠很好地反映馬鈴薯及其他作物的氮素營(yíng)養(yǎng)狀況（王迎男 等，2019；許國(guó)春 等，2020；王磊 等，2022），這與本試驗(yàn)的結(jié)果一致。同時(shí)，本試驗(yàn)結(jié)果顯示，施氮處理的SPAD 值均顯著高于不施氮（N0）處理，但N3 與N4 處理的SPAD 值差異不顯著（圖1）。Brunetto 等（2012）研究表明，不論氮素供應(yīng)充足或缺乏，作物產(chǎn)量與葉片SPAD 值都有很好的相關(guān)性；但當(dāng)?shù)毓?yīng)處于過(guò)量時(shí)，產(chǎn)量不再隨葉片SPAD 值的增加而增加，這與本試驗(yàn)結(jié)果基本相似，馬鈴薯5 個(gè)主要生育期葉片SPAD 值與產(chǎn)量呈二次函數(shù)相關(guān)關(guān)系。

有關(guān)馬鈴薯產(chǎn)量對(duì)施氮量響應(yīng)的報(bào)道有很多，許國(guó)春等（2020）研究顯示，施氮對(duì)提升我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)量有重要作用，但施氮效果與土壤基礎(chǔ)產(chǎn)量、區(qū)域、土壤類(lèi)型等密切相關(guān)（Monostori et al.，2016）。因此，不同區(qū)域在制定馬鈴薯氮素管理方案時(shí)應(yīng)充分考慮上述因子，從而提高馬鈴薯產(chǎn)量和氮肥利用效率。王迎男等（2019）對(duì)內(nèi)蒙古馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)的基礎(chǔ)地力和增產(chǎn)潛力進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)陰山北麓地區(qū)和陰山南麓地區(qū)的馬鈴薯基礎(chǔ)地力產(chǎn)量為14.67 t·hm-2和13.10 t·hm-2，推薦施肥產(chǎn)量依次為23.17 t·hm-2和20.90 t·hm-2。沈若川等（2022）研究發(fā)現(xiàn)，甘肅、黑龍江和內(nèi)蒙古3 個(gè)試驗(yàn)區(qū)域的推薦施氮量存在差異。上述研究說(shuō)明，不用生態(tài)區(qū)域馬鈴薯推薦施氮量可能存在較大差異，特別對(duì)于豐產(chǎn)型馬鈴薯品種，其氮肥需求量大于常規(guī)品種，氮肥管理不當(dāng)更易造成減產(chǎn)或環(huán)境污染等問(wèn)題。結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)果得出，陰山北麓區(qū)域豐產(chǎn)型馬鈴薯苗期、塊莖形成期、塊莖膨大前期、塊莖膨大后期以及淀粉積累期的臨界SPAD 值與陰山南麓區(qū)域的臨界SPAD 值有所不同。根據(jù)生態(tài)區(qū)域?qū)ζ涞使芾聿呗赃M(jìn)行調(diào)整，并進(jìn)一步建立馬鈴薯氮肥分期推薦模型，可以在確保產(chǎn)量的前提下，最大限度地提高豐產(chǎn)型馬鈴薯品種的氮肥利用效率并降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

應(yīng)用SPAD 可以比較精準(zhǔn)地診斷不同生態(tài)區(qū)馬鈴薯氮素的營(yíng)養(yǎng)狀況。馬鈴薯苗期、塊莖形成期、塊莖膨大前期、塊莖膨大后期以及淀粉積累期陰山北麓地區(qū)的臨界SPAD 值分別為43.4、41.5、40.7、34.6、32.0；陰山南麓地區(qū)的臨界SPAD 值則分別為49.3、49.1、44.9、37.8、35.6。與常規(guī)施肥方式相比，建立基于馬鈴薯葉片SPAD 值的氮肥主要生育期精準(zhǔn)追施模型可以指導(dǎo)不同生態(tài)區(qū)豐產(chǎn)型馬鈴薯品種的氮肥分期施用，從而降低氮肥施用量、提高氮肥利用效率。