蔡 明,劉吉利,楊亞亞,吳 娜,何海鋒,賀錦紅

(1.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,銀川 750021 ; 2.寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,銀川 750021 )

間作作為多熟種植的代表[1]，在時空增加作物對生長所需不同資源的利用、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境及糧食安全等方面發(fā)揮著重要的作用[2-3]。合理的間作可起到穩(wěn)產(chǎn)、改善作物營養(yǎng)狀況、減輕病蟲害發(fā)生的作用[4-5]。在有限的時空條件下，如何最大限度地發(fā)揮間作優(yōu)勢一直備受關(guān)注，前人已在小麥間作蠶豆[6]、玉米間作花生[7]、大豆間作高粱[8]等多種間作模式上進行了深入的研究。

氮素作為植物體內(nèi)重要的營養(yǎng)及信號物質(zhì)，參與植物重要的生理代謝和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)活動，也影響植物生長發(fā)育及產(chǎn)量品質(zhì)形成[9-10]。施氮在一定程度上可以改善作物的品質(zhì)，對產(chǎn)量的貢獻可達40%～50%[11]。近年來單純追求高產(chǎn)，氮素投入加大，造成資源的浪費、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)效益下降以及氮素利用率普遍過低等問題[12-13]。保證作物產(chǎn)量的前提下，合理施氮成為當(dāng)今農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究的熱點之一[14]。因?qū)幭?0%以上馬鈴薯集中種植在寧夏南部山區(qū)，馬鈴薯種植業(yè)已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民創(chuàng)收增收和發(fā)展經(jīng)濟的特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)[15]，燕麥在寧南山區(qū)表現(xiàn)出較好的生態(tài)適應(yīng)性和耐旱性，是寧南山區(qū)糧草兼用、輪作倒茬、培肥地力的特色作物[16]。研究表明[17-18]，馬鈴薯間作燕麥作為特殊的旱地半干旱地間作模式，在解決上述問題方面效果顯著。本研究針對馬鈴薯產(chǎn)量品質(zhì)降低等生產(chǎn)實際問題，通過分析施氮和間作對馬鈴薯干物質(zhì)累積、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，確定最佳的施氮量，揭示間作和施氮對產(chǎn)量品質(zhì)的影響機理，為寧南山區(qū)旱作馬鈴薯的可持續(xù)健康發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2018年5-10月在寧夏海原縣樹臺鄉(xiāng)大嘴村(105°09′～106°10′E，36°06′～37°04′N)進行。該試驗地位于干旱半干旱帶，海拔 2 133 m，年總降水量408 mm，無霜期為149～171 d，年均氣溫8 ℃，試驗期間的氣象資料如圖1所示。試驗地土壤類型為侵蝕黑壚土，耕層土壤基本性狀為：有機質(zhì)8.29 g·kg-1，全氮質(zhì)量分數(shù)0.76 g·kg-1，堿解氮質(zhì)量分數(shù)64.91 mg·kg-1，速效磷質(zhì)量分數(shù)6.28 mg·kg-1，速效鉀質(zhì)量分數(shù)326.36 mg·kg-1，pH 8.22。

圖1 作物生育期內(nèi)的月降雨量和平均氣溫Fig.1 Monthly precipitation and average temperatures during the growing period of the crop

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗材料 馬鈴薯品種為‘青薯9號’，燕麥品種為‘燕科1號’。

1.2.2 試驗設(shè)計 本試驗于2018年5-10月在寧夏海原縣大嘴村進行。試驗采用裂區(qū)試驗設(shè)計，主處理為施氮量，設(shè)置0、75、150、225 kg·hm-24個施氮水平，分別標記為N0、N1、N2、N3；副處理為種植方式，分別為馬鈴薯單作(IP)和馬鈴薯燕麥間作(JP)，各處理均設(shè)置3次重復(fù)，小區(qū)長6 m，寬6 m，面積為36 m2。單作馬鈴薯種12行，壟寬60 cm，壟距40 cm，株距40 cm，種植深度20～25 cm，種植密度3 335 株·667m-2，單壟雙行半覆膜呈“S”形種植。間作(馬鈴薯與燕麥行數(shù)比4∶2)種3帶，馬鈴薯燕麥間距為30 cm，其他設(shè)計參數(shù)同單作保持一致。

田間試驗于5月12日播種馬鈴薯，馬鈴薯起壟覆膜種植，同期播種燕麥，燕麥條播。結(jié)合整地各處理施底肥70%氮肥(尿素)、磷肥(過磷酸鈣90 kg·hm-2)、鉀肥(硫酸鉀45 kg·hm-2)，其余30%氮肥于馬鈴薯現(xiàn)蕾期追施，追施時在下雨天前對馬鈴薯進行穴施，燕麥不追肥。馬鈴薯于10月初收獲，燕麥于9月底收獲，其他管理同大田 生產(chǎn)。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 干物質(zhì)量的測定 分別于馬鈴薯各生育時期，苗期(6月22日)、開花期(7月10日)、塊莖形成期(7月24日)、塊莖膨大期(8月5號)及成熟期(8月19日)取樣測定。每次取樣時選擇長勢基本一致的植株，間作馬鈴薯在間作行取樣，樣品帶回實驗室，首先沖洗根系與塊莖上粘附的泥土，然后按照不同器官(地上莖、葉、塊莖)剪開，再用水分別沖洗干凈，用濾紙吸干后，立即分別稱量(鮮質(zhì)量)；將各器官剪成小段，無損失放入檔案袋中，置于烘箱，首先在105 ℃下殺青30 min，然后將溫度降至80 ℃，烘干至恒量，冷卻，稱干質(zhì)量。

1.3.2 產(chǎn)量的測定 收獲前，在每個小區(qū)內(nèi)隨機選取10株馬鈴薯，剔除病薯、畸形薯后分別測定每穴薯質(zhì)量、每穴個數(shù)、大薯數(shù)、中薯數(shù)和小薯數(shù)(大、中、小薯標準為：大薯>150 g，150 g>中 薯≥75 g，小薯<75 g)，計算大中小薯率，收獲時每小區(qū)選取兩壟測定實產(chǎn)，換算小區(qū)產(chǎn)量以及公頃 產(chǎn)量。

1.3.3 品質(zhì)指標的測定 馬鈴薯品質(zhì)指標(粗蛋白、淀粉、還原性糖、可溶性糖)的測定參照芶久蘭[19]的方法。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理 用Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理，SPSS 20.0統(tǒng)計軟件進行方差分析(P< 0.05)，用R進行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 間作和施氮量對馬鈴薯干物質(zhì)量累積的 影響

對馬鈴薯干物質(zhì)量積累進行Logistic方程模擬，方程的決定系數(shù)均為0.990～0.998，該方程可以較好地描述馬鈴薯干物質(zhì)量積累過程。對Logistic方程進行分析，得到表1中馬鈴薯干物質(zhì)積累特征參數(shù)。對表1中方程參數(shù)進行分析表明，隨著施氮量的增加，a表現(xiàn)為上升趨勢，b、c都表現(xiàn)為先上升后降低的趨勢，間作的生長速率明顯高于單作，各處理下生長速率均表現(xiàn)為N2>N3>N1>N0。進一步分析得出，與對照相比，單作施氮處理下Tmax具體表現(xiàn)為先增加后降低，而后隨之又緩慢升高，間作下表現(xiàn)為先上升后降低的趨勢；與對照相比，單作施氮下Wmax趨勢與Tmax一致，間作下Wmax呈上升趨勢；干物質(zhì)活躍積累時間表現(xiàn)為N0>N3>N1>N2，單作施氮處理下Gmax呈現(xiàn)為先上升后降低的趨勢，間作下呈現(xiàn)上升趨勢；與不施氮處理相比，單作下隨施氮量增加干物質(zhì)量積累最大速率分別增加17.26%、 27.41%、26.14%，間作下隨施氮量增加干物質(zhì)量積累最大速率分別增加10.38%、33.69%、 41.10%。與不施氮處理相比較，單作模式下干物質(zhì)活躍積累時間隨施氮量分別降低57.44%、 85.09%、 31.92%，干物質(zhì)積累速率最大時生長量分別增加84.75%、8.41%、50.43%；間作模式下干物質(zhì)活躍積累時間隨施氮量分別降低 7.04%、16.9%、15.50%，干物質(zhì)積累速率最大時生長量分別增加18.28%、22.57%、30.96%。綜上，可以看出間作下干物質(zhì)量積累速率高于單作，施氮對間作系統(tǒng)干物質(zhì)量積累速率貢獻程度明顯高于單作, 施用氮肥對馬鈴薯干物質(zhì)量的積累有促進作用。

表1 種植模式和施氮量處理下馬鈴薯干物質(zhì)積累特征參數(shù)Table 1 Characteristics of dry matter accumulation in potato under different planting patterns and nitrogen application amounts

注：a.終極生長量；b.初始參數(shù)；c.生長速率參數(shù)；Tmax.達到最大干物質(zhì)積累速率的時間；Wmax.干物質(zhì)積累速率最大時的生長量；Gmax.干物質(zhì)積累最大速率；p/d.干物質(zhì)活躍積累天數(shù)(大約完成總積累量的90%)。

Notesa.Ultimate growth amount;b.Initial parameter;c.Growth rate parameter;Tmax.Number of days to reach the maximum dry matter accumulation rate;Wmax.Growth amount when the dry matter accumulation rate is maximum;Gmax.Maximum rate of dry matter accumulation;p/d.Dry matter active accumulation day number(about 90% of the total accumulated amount).

2.2 種植模式和施氮量對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

圖2為種植模式和施氮量下馬鈴薯產(chǎn)量回歸模擬曲線，由圖可以看出，同一種植模式下，馬鈴薯產(chǎn)量隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，施氮處理明顯高于對照，各施氮處理下間作產(chǎn)量高于單作，施氮150 kg·hm-2間作處理下產(chǎn)量最高，對一元二次方程進行求導(dǎo)，單作：y= -0.131 5x2+ 37.238x+ 30 238，間作：y= -0.357 9x2+110.29x+26 178，得到極值x單作=141.60 kg·hm-2，x間作=154.08 kg·hm-2，y單作=32 837.41 kg·hm-2，y間作=34 674.700 kg·hm-2，表明當(dāng)單作和間作施氮量分別為 141.60 kg·hm-2和154.08 kg·hm-2時，產(chǎn)量達到最大值，最大產(chǎn)量分別為32 837.41 kg·hm-2和34 674.7 kg·hm-2。

2.3 種植模式和施氮量對馬鈴薯品質(zhì)的影響

表2為成熟期種植模式和施氮量對馬鈴薯品質(zhì)的影響，由表2可以看出，間作模式下粗蛋白含量大于單作，單作模式下，粗蛋白含量隨施氮量的增加而呈現(xiàn)遞增的趨勢，在N3水平下達到最大且與對照差異顯著，N1、N3分別較對照增加 6.43%、30.17%，間作模式下粗蛋白含量隨施氮量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，N1、N2分別較對照增加12.5%、35.27%，各處理施氮水平間差異顯著(P<0.05)。同一種植模式下，還原糖含量均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，間作模式下高于單作；與對照相比，單作模式下，N2、N3處理下還原糖含量增加1.15%和0.77%，各施氮處理間差異不顯著(P>0.05)，間作模式下，各施氮處理還原糖含量增加4.26%、2.71%、1.16%，各處理施氮水平和兩者間的交互作用差異顯著；淀粉含量總體上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，各處理施氮水平間差異顯著，間作模式下略高于單作，且不同模式下以N2水平下含量最高。單作下，N2、N3水平下淀粉含量與對照差異顯著；間作下，各施氮處理淀粉含量較對照增加0.53%、49.13%、 26.85%，N2處理與其他施氮處理間差異顯著。同一種植模式下，可溶性糖含量均隨著施氮量的增加而增加；與對照相比，單作模式下，施氮處理分別增加9.52%、 14.29%、19.04%，間作模式下，施氮處理分別增加11.54%、7.69%、3.85%，間作模式下可溶性糖增加幅度小于單作，施氮處理間差異顯著，種植模式及兩者間的交互作用均達到顯著水平。總體來看，間作施氮處理下馬鈴薯各品質(zhì)指標要優(yōu)于單作施氮處理。整個生育期，施氮對馬鈴薯品質(zhì)指標的影響大于間作。

圖2 不同種植模式和施氮量下馬鈴薯產(chǎn)量回歸曲線模擬Fig.2 Simulation of regression curve of potato yield under different planting pattern and nitrogen application amounts

表2 施氮量和種植模式處理下馬鈴薯品質(zhì)(±s)Table 2 Potato quality under different nitrogen application amounts and planting pattern

表2 施氮量和種植模式處理下馬鈴薯品質(zhì)(±s)Table 2 Potato quality under different nitrogen application amounts and planting pattern

種植模式Cropping pattern施氮水平Nitrogen level粗蛋白/%Crude protein還原性糖/%Reducing sugar淀粉/%Starch可溶性糖/%Soluble sugar單作 SingleN081.67±6.15 cd2.60±0.01 bc30.46±1.77 c0.021±0.001 aN186.92±3.25 bcd2.53±0.02 c30.23±7.28 c0.023±0.003 aN277.29±8.97 cd2.63±0.01 ab41.34±1.69 ab0.024±0.004 aN3106.31±6.31 ab2.62±0.03 ab40.38±2.57 b0.025±0.001 a間作 IntercroppingN085.17±3.59 cd2.58±0.01 bc30.17±2.58 c0.026±0.002 aN195.82±2.45 abc2.69±0.02 a30.33±1.77 c0.029±0.001 aN2115.21±7.60 a2.65±0.03 ab45.23±2.09 a0.028±0.003 aN372.04±4.93 d2.61±0.03 b38.27±3.43 bc0.027±0.002 a變異來源 Source施氮水平 Nitrogen application level?NS??種植模式 Cropping patternNS?NSNS施氮水平×種植模式 Nitrogen application level × Cropping pat-ternNS??NSNS

注：NS表示差異不顯著，*和**分別表示達到5%和1%的顯著水平。同一列不同字母表示差異性顯著(P<0.05)。

Note:NS refers to not-significant, * and ** refer to significant level at 5% and 1%, respectively. Different letters in the same column indicate significant differences(P<0.05).

2.4 產(chǎn)量及品質(zhì)指標的主成分分析

為探究種植模式及施氮處理下馬鈴薯產(chǎn)量差異的品質(zhì)因素，對產(chǎn)量及品質(zhì)指標進行主成分分析。由圖3、表3可以看出，第一主成分排在前兩位的是粗蛋白和還原性糖，第二主成分排在前兩位的是可溶性糖和淀粉。表3中品質(zhì)指標粗蛋白、還原性糖、淀粉對產(chǎn)量的貢獻率分別達到 39.78%、25.45%、18.01%，累積最高可達到 83.23%。由表4可以得出，施氮量對馬鈴薯粗蛋白、淀粉、可溶性糖、還原性糖的影響較大，為能夠更直接反應(yīng)種植模式和施氮量對馬鈴薯產(chǎn)量的影響，構(gòu)造綜合評價指數(shù)：F綜=0.42X1+0.29X2+0.19X3+0.14X4，表5對8個處理下的馬鈴薯產(chǎn)量主成分值和綜合值分析得出，間作模式下綜合值高于單作模式，間作模式下，N1、N2、N3處理下的主成分值較高且綜合值也較高，表現(xiàn)為N2> N1>N3，N0處理下的主成分值較低，說明施氮對馬鈴薯的品質(zhì)具有顯著影響；單作模式下，各處理主成分值和綜合值均低于間作，第一、二、三主成分值均較低，N2處理下略高于其他處理，綜合得出，間作施氮處理優(yōu)于單作施氮，間作對馬鈴薯產(chǎn)量的貢獻大于施氮量，且間作施氮150 kg·hm-2處理下最優(yōu)。

C.粗蛋白；R.還原性糖； S1.淀粉；S2.可溶性糖

C.Crude protein； R.Reducing sugar； S1.Starch；S2.Soluble sugar

圖3 產(chǎn)量與干物質(zhì)及品質(zhì)指標之間的主成分分析
Fig.3 Principal component analysis between yield
and dry matter and quality indicators

表3 各成分的特征值、方差及累積貢獻率Table 3 Eigenvalue and principal component contribution rate and cumulative contribution rate

表4 特征向量矩陣Table 4 Eigenvector matrix

注：PC1、PC2、PC3、PC4分別為第一主成分、第二主成分、第三主成分和第四主成分。下同。

Note:PC1, PC2, PC3, and PC4 are the first principal component, the second principal component, the third principal component, and the fourth principal component, respectively.The same below.

3 討 論

3.1 種植模式和施氮對馬鈴薯干物質(zhì)積累的影響

同化產(chǎn)物的積累和分配決定馬鈴薯產(chǎn)量的形成，氮素可平衡馬鈴薯干物質(zhì)在各生育時期、各器官的分布[20-22]。馬鈴薯庫源界限明顯，其生長發(fā)育受到源庫關(guān)系的限制[23]。玉米間作大豆施氮研究表明[24]，施氮對玉米干物質(zhì)量的累積作用大于間作模式。研究表明[25]，干物質(zhì)積累奠定了馬鈴薯產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，不同栽培模式下干物質(zhì)量分配方向決定塊莖產(chǎn)量高低。秦亞洲等[26]研究表明間作下干物質(zhì)量在兩者間作共生期最低。研究表明，馬鈴薯干物質(zhì)分配隨生長點的轉(zhuǎn)移而變化，塊莖形成期之前主要以莖葉生長為主，之后則主要以塊莖生長為主[27]。本研究表明，干物質(zhì)量積累過程符合由快、慢、快的 Logistic曲線規(guī)律，這與大多數(shù)研究結(jié)果一致。本研究也表明，同一種植模式下，干物質(zhì)量累積均隨著施氮量的增加先緩慢升高后迅速上升至趨于穩(wěn)定，施氮處理下的干物質(zhì)積累最大值高于不施氮處理，這主要可能是由于施氮可以促進馬鈴薯干物質(zhì)的有效分配，現(xiàn)蕾期追施氮肥后，有利于干物質(zhì)向塊莖的轉(zhuǎn)移，干物質(zhì)有效分配比率增大，同時施氮可以協(xié)調(diào)各器官的生長發(fā)育源、庫、流平衡，利于同化產(chǎn)物的積累，這與王弘等[28]的研究結(jié)果一致。本試驗表明，干物質(zhì)積累最大速率、干物質(zhì)積累速率最大時的生長量均表現(xiàn)為隨施氮量的增加先增加后降低，間作模式下高于單作，可能是由于施氮會促進馬鈴薯葉面積、莖葉等營養(yǎng)器官的建成，增強光合能力，促進同化物質(zhì)的運輸和轉(zhuǎn)移，間作系統(tǒng)中兩種作物活躍了土壤微生物，增強了對養(yǎng)分資源的利用，也可能由于兩者間對養(yǎng)分資源競爭性吸收作用所致。達到最大干物質(zhì)積累速率的時間，單作施氮處理高于間作，這與何萬春等[29]在旱地覆膜馬鈴薯的研究結(jié)果不一致，究其原因可能是由于馬鈴薯、燕麥均為C3作物，間作下對光能利用率強，間作復(fù)合系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力強，縮短了干物質(zhì)積累時間。

表5 各處理下馬鈴薯各主成分值與綜合排名Table 5 Main component values and comprehensive ranking of potato under each treatment

注：設(shè)變量產(chǎn)量、葉綠素、粗蛋白、淀粉、還原性糖、可溶性糖的標準化后的數(shù)據(jù)依次為X1、X2、X3、X4、X5、X6，進行產(chǎn)量綜合評價，選取4個主成分，構(gòu)造綜合評價指數(shù)：F綜=0.42X1+0.29X2+0.19X3+0.14X4。

Note:Normalized data of variable yield, dry matter, chlorophyll, crude protein, starch, reducing sugar and soluble sugar areX1,X2,X3,X4,X5,X6and comprehensive evaluation of yield is designed. Four main masters are selected. composition, structural comprehensive evaluation index:Fcomprehensive=0.42X1+0.29X2+0.19X3+0.14X4.

3.2 種植模式和施氮對馬鈴薯產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

合理施氮是維持作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要措施之一。研究表明[30]，馬鈴薯間作向日葵能提高其產(chǎn)量，表現(xiàn)一定的間作優(yōu)勢。本試驗中對產(chǎn)量分析表明，間作馬鈴薯產(chǎn)量略高于單作且施氮處理高于不施氮，表現(xiàn)出間作優(yōu)勢；粗蛋白、淀粉對馬鈴薯產(chǎn)量的影響較大，最佳施氮量為150～ 154.08 kg·hm-2。粗蛋白含量、還原糖含量等指標是評判馬鈴薯品質(zhì)高低的重要依據(jù)[31]。研究表明[32-33]，施肥可以提高馬鈴薯的淀粉含量、粗蛋白含量，降低可溶性糖的含量，間作處理下淀粉含量顯著高于單作處理。前人研究表明[34]，薯豆間作施氮能增加馬鈴薯粗蛋白含量，顯著降低還原糖含量。馬鈴薯和蠶豆間作研究表明[35]，可以通過改善間作作物的微環(huán)境循環(huán)，進而影響作物品質(zhì)的變化。本試驗結(jié)果表明，間作模式下馬鈴薯粗蛋白、淀粉、還原性糖、可溶性糖略高于單作，淀粉、還原性糖隨施氮量的增加均先上升后降低,這與李帥兵[36]的研究結(jié)果基本一致。粗蛋白和可溶性糖隨施氮量的增加呈現(xiàn)上升趨勢，施氮對品質(zhì)的影響要高于種植模式，這與曹哲[37]的研究也一致，這主要可能是由于前期施氮有利于馬鈴薯碳水化合物的形成，后期燕麥提前收獲帶走土壤中部分氮素，導(dǎo)致土壤肥力下降供肥不足，品質(zhì)下降，也可能是由于間作模式下馬鈴薯對氮素的吸收能力強于燕麥，兩者改善了間作土壤微環(huán)境，從而利于品質(zhì)形成。

4 結(jié) 論

結(jié)果表明，與不施氮處理相比，馬鈴薯燕麥間作施氮在干物質(zhì)累積速率、產(chǎn)量及營養(yǎng)品質(zhì)方面優(yōu)于單作，粗蛋白、淀粉對馬鈴薯產(chǎn)量的影響較大,以間作施氮150 kg·hm-2和225 kg·hm-2處理最佳；通過產(chǎn)量擬合曲線發(fā)現(xiàn)，該區(qū)間作施氮154.08 kg·hm-2時，馬鈴薯獲得最大產(chǎn)量，氮素施用過高，則會導(dǎo)致馬鈴薯減產(chǎn)，間作馬鈴薯施氮量在150 ～154.08 kg·hm-2之間為宜。