許國春,李華偉,羅文彬,紀(jì)榮昌,林趙淼,李國良,許泳清,湯 浩
(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方薯類科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站/福建省特色旱作物品種選育工程技術(shù)研究中心,福建 福州 350013)
【研究意義】馬鈴薯(Solanum tuberosumL.)具有適應(yīng)性強(qiáng)、營養(yǎng)成分全和產(chǎn)業(yè)鏈長等特點(diǎn),是世界上最重要的非禾本科作物[1-2],在人口增長、耕地面積減少以及三大糧食作物種植面積下降等背景下,馬鈴薯在緩解我國糧食增產(chǎn)壓力中有重要作用[3-4]。據(jù)聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織(FAO)統(tǒng)計(jì),2017年我國馬鈴薯播種面積576.5萬hm2,約占全球的1/4,但是單產(chǎn)僅為17.2 t·hm-2,低于世界平均水平(20.5 t·hm-2)。如果我國馬鈴薯單產(chǎn)可達(dá)世界平均水平,那么在不增加面積的情況下,我國每年就可額外增加約1 900萬t 鮮薯供應(yīng)。除單產(chǎn)還有提升空間外,我國馬鈴薯生產(chǎn)中過度和不合理施用氮肥的現(xiàn)象還較為普遍[5]。然而,高量施用氮肥不僅無法使產(chǎn)量進(jìn)一步提高[6-7],而且多余的氮素容易流失,引發(fā)N2O排放、水體污染、土壤酸化等一系列環(huán)境問題[8]。因此,協(xié)同提高我國馬鈴薯單產(chǎn)水平和氮肥利用率,對于保障我國糧食安全和促進(jìn)馬鈴薯綠色可持續(xù)發(fā)展均具有重要意義?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】為協(xié)同提高作物產(chǎn)量和氮肥利用率,前人已開展了大量研究,其中,如何通過調(diào)控密度和施氮量來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)是栽培學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)[9-14]。有關(guān)馬鈴薯的研究表明,合理的密度有利于協(xié)調(diào)馬鈴薯群體與個(gè)體的關(guān)系,促進(jìn)根系光合產(chǎn)物的積累和對養(yǎng)分的吸收,進(jìn)而提高單株和群體產(chǎn)量[9];而適量施氮可優(yōu)化馬鈴薯植株內(nèi)部干物質(zhì)和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)移、分配,延緩后期植株衰老,維持葉片光合性能,最終提高產(chǎn)量和氮肥利用率[7]?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前相關(guān)的研究結(jié)果大多是基于單因子試驗(yàn)獲得的,前人對其他作物的研究表明,密度與施氮互作對產(chǎn)量和氮肥利用率有明顯影響[11-14],但是迄今有關(guān)冬作馬鈴薯密度氮肥協(xié)同調(diào)控效應(yīng)的研究還鮮有報(bào)道?!緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究針對南方冬作馬鈴薯氮肥用量高、利用率低的現(xiàn)狀[5,15],以冬作馬鈴薯為研究對象,參照冬作區(qū)實(shí)際生產(chǎn)中存在的高、中、低3種種植密度,設(shè)置不同密度與施氮互作處理,分析馬鈴薯產(chǎn)量、氮肥農(nóng)學(xué)利用率和葉片光合特性的變化規(guī)律,旨在探索冬作馬鈴薯產(chǎn)量和氮肥農(nóng)學(xué)利用率協(xié)同提高的密度氮肥調(diào)控途徑,以期為冬作馬鈴薯高產(chǎn)高效栽培提供理論參考。
試驗(yàn)在福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所青口基地(25°83′N,119°31′E)進(jìn)行,該地屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,年均氣溫19.8℃,年均降雨量1 650 mm,無霜期328 d。試驗(yàn)地前茬為玉米,玉米收獲后將秸稈移出田塊,土壤類型為砂壤土,表層土壤pH值5.53、含有機(jī)質(zhì) 16.13 g·kg-1、全氮 1.26 g·kg-1、堿解氮 87.23 mg·kg-1、 有 效 磷 100.80 mg·kg-1, 速 效 鉀119.33 mg·kg-1。
供試材料為冬作馬鈴薯主栽品種閩薯1號(hào)。采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì),以種植密度為主區(qū),設(shè)置4.76(D4.76,對照)、6.67(D6.67)和 10.96(D10.96)萬株·hm-2等3種密度條件;施氮量為副區(qū),設(shè)置0(N0,對照)、75(N75)、 150(N150)和 300 (N300)kg·hm-2等 4個(gè)施氮水平。試驗(yàn)共12個(gè)處理,3次重復(fù),小區(qū)面積16.8 m2。各處理磷、鉀肥用量一致,分別為75和300 kg·hm-2,氮、磷、鉀肥種類分別為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512.0%)和硫酸鉀(含K2O 50.0%),均作基肥一次性施入。試驗(yàn)采用壟作方式種植,單壟雙行平行播種,播種后統(tǒng)一采用黑色地膜覆蓋。灌溉、病蟲害防治等其他大田管理措施參照當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行。試驗(yàn)于2019年1月4日播種,4月28日收獲。
1.3.1 出苗率 馬鈴薯齊苗后進(jìn)行出苗率調(diào)查,對各小區(qū)馬鈴薯出苗數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),出苗率(%)為小區(qū)出苗數(shù)與播種數(shù)的比值。
1.3.2 產(chǎn)量與氮肥農(nóng)學(xué)利用率 于馬鈴薯收獲期對各處理進(jìn)行小區(qū)測產(chǎn),實(shí)測面積16.8 m2,按商品薯(單薯重≥50 g)和非商品薯(單薯重<50 g)兩種規(guī)格分別稱重,最后計(jì)算總產(chǎn)量、商品薯率和氮肥農(nóng)學(xué)利用率(AEN)。
商品薯率/%=(商品薯產(chǎn)量/總產(chǎn)量)×100
AEN(kg·kg-1)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-無氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量
1.3.3 光合氣體交換參數(shù) 分別于現(xiàn)蕾期和塊莖膨大期在晴天上午09:00-13:30采用便攜式光合儀(Li-6400XT,LI-COR,美國)測定馬鈴薯葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間 CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)等氣體交換參數(shù)。采用紅藍(lán)光源葉室,光量子通量為1 000 μmol·m-2·s-1,開放式氣路,CO2濃度為(390±10) μmol·mol-1。每小區(qū)選擇株高相近、長勢一致的有代表性的植株3株進(jìn)行測定,測定部位為主莖倒數(shù)第四片完全展開葉頂小葉。
1.3.4 葉片SPAD 于馬鈴薯現(xiàn)蕾期和塊莖膨大期,采用便攜式葉綠素儀(SPAD-502PLUS,Konica Minolta,日本)測定葉片相對葉綠素含量(SPAD值)。每小區(qū)選擇株高相近、長勢一致的有代表性的植株20株進(jìn)行測定,測定對象為主莖倒數(shù)第四片完全展開葉頂小葉。
采用Microsoft Office Excel 2013和SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、方差分析和圖表繪制,Duncan 's 新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。
密度和施氮及其互作對馬鈴薯出苗均有顯著影響(表1),隨著密度和施氮量的增加,馬鈴薯出苗率總體呈下降趨勢,在本試驗(yàn)最高密度(D10.96)和最高施氮量(N300)處理下,馬鈴薯出苗明顯受到抑制(圖1)。試驗(yàn)結(jié)果表明,D4.76和D6.67處理馬鈴薯的平均出苗率差異不明顯,分別為90.0%和86.4%,而D10.96處理僅為70.1%,比D4.76和D6.67處理顯著降低22.1%和18.8%;在不同施氮量之間,N0處理平均出苗率最高,為88.9%;其次為N75(87.9%)和N150處理(85.4%);N300處理最低,為66.4%。在D4.76與N0處理組合下,馬鈴薯出苗率為98.75%,而在D10.96與N300處理組合下出苗率僅為56.5%,說明高密高氮不利于馬鈴薯出苗。
表1 不同處理下馬鈴薯出苗率、產(chǎn)量和氮肥農(nóng)學(xué)利用率的方差分析(F值)Table1 Variance analysis on seedling emergence, tuber yield, and AEN of potato plants under different treatments (F value)
圖1 密度與施氮對冬作馬鈴薯出苗率的影響Fig.1 Effect of planting density and N input on seedling emergency ratio of winter potato plants
試驗(yàn)結(jié)果表明,D6.67和D10.96處理平均總產(chǎn)較D4.76處理分別增加13.9%和10.3%,非商品薯產(chǎn)量則分別增加24.7%和70.4%。密度對馬鈴薯商品薯產(chǎn)量的影響未達(dá)顯著水平(表1),且當(dāng)密度超過6.67萬株·hm-2后商品薯產(chǎn)量出現(xiàn)下降(表2)。結(jié)果說明,非商品薯產(chǎn)量增加是高密條件下總產(chǎn)增加的主要原因。施氮顯著提高了馬鈴薯總產(chǎn)和商品薯產(chǎn)量,在不同密度條件下,馬鈴薯總產(chǎn)均以N150處理最高,施氮量超過150 kg·hm-2后則發(fā)生不同程度的下降(表2)。與N0處理相比,N75、N150和N300處理平均總產(chǎn)分別增加59.6%、70.1%和60.1%,平均商品薯產(chǎn)量則分別增加72.8%、92.3%和80.9%。
表2 密度氮肥互作對馬鈴薯產(chǎn)量的影響Table2 Interacting effect of planting density and N input on potato yield
密度與施氮互作顯著影響馬鈴薯總產(chǎn)量(表1)。在N0水平下,D6.67處理總產(chǎn)較D4.76處理顯著增加21.7%;在N300水平下,D6.67和D10.96處理總產(chǎn)分別較D4.76處理顯著增加21.3%和21.2%;而在N75和N150水平下,3種密度間的總產(chǎn)無明顯差異,說明在不施氮或高氮水平下增密的增產(chǎn)效應(yīng)更明顯。種植密度對施氮增產(chǎn)效應(yīng)有明顯影響,在D6.67條件下,N75、N150和N300處理較 N0處理的增產(chǎn)率分別為47.8%、58.0%和52.8%;而在D10.96條件下,增產(chǎn)率分別為65.9%、78.3%和74.8%。N75和N150處理總產(chǎn)在D4.76和D6.67條件下無明顯差異,但在D10.96條件下N75處理總產(chǎn)比N150處理明顯低7.0%(表2),說明當(dāng)施氮量由 150 kg·hm-2減少至 75 kg·hm-2,在中低密度條件下不會(huì)對產(chǎn)量造成明顯影響,但在高密條件下則顯著減產(chǎn)。
由表1可知,不同密度與施氮處理間的馬鈴薯氮肥農(nóng)學(xué)利用率(AEN)差異明顯,且兩者互作對AEN也有顯著影響。在不同施氮水平下,D10.96處理的AEN均最高(圖2),其中在N75和N150水平下比D4.76處理分別高4.0%和9.4%,在N300水平下則高出49.2%;而D6.67處理的AEN在N75和N150水平下分別比D4.76處理低13.7%和7.2%,但在N300水平下則比D4.76處理高20.5%。隨著施氮量的增加,馬鈴薯AEN發(fā)生明顯下降(圖2),在N75處理下馬鈴薯平均AEN為145.66 kg·kg-1,而N150和N300處理與之相比分別下降41.2%和75.2%,各處理間差異顯著。結(jié)果表明,在高氮水平下增密有更顯著的AEN提升效果,而減少施氮量對提高AEN有明顯作用。
圖2 密度與施氮對冬作馬鈴薯氮肥農(nóng)學(xué)利用率的影響Fig.2 Effect of planting density and N input on AEN of winter potato plants
2.4.1 氣體交換參數(shù) 由表3可知,密度對現(xiàn)蕾期葉片氣體交換參數(shù)均沒有明顯影響,但顯著影響塊莖膨大期葉片凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。在塊莖膨大期,Pn和Ci隨密度的增加呈現(xiàn)下降趨勢,D6.67和D10.96處理Pn在N0水平下分別比D4.76處理低14.2%和23.2%,而D10.96處理的Ci在N0水平下分別比D4.76和D6.67處理低13.8%和12.5%,在N75水平下則分別低7.1%和7.8%。另外,D10.96處理葉片Pn基本都低于D6.67處理(表4),說明高密種植在一定程度上降低了馬鈴薯葉片光合效率。方差分析表明,施氮對除現(xiàn)蕾期Ci外的各項(xiàng)葉片氣體交換參數(shù)均有顯著影響(表3),施氮對葉片光合效率有較明顯的正效應(yīng)。與不施氮相比,施氮處理的葉片氣體交換參數(shù)均有不同程度的提高(表4),且在不同密度下施氮處理效應(yīng)有一定差異。以現(xiàn)蕾期Pn為例,N75、N150和N300處理在D4.76條件下分別較對照增加26.1%、22.1%和4.7%,在D6.67和D10.96條件下則分別增加8.8%、19.7%、7.1%和7.4%、18.8%、14.1%,表明隨著密度提高,中高施氮量對Pn的提升效果更明顯。相關(guān)性分析表明,葉片氣體交換參數(shù)與總產(chǎn)量之間均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(表5)。
表3 不同處理下馬鈴薯葉片光合特性的方差分析(F值)Table3 Variance analysis on leaf photosynthetic traits of potato plants under different treatments(F value)
2.4.2 葉片SPAD 密度對現(xiàn)蕾期和塊莖膨大期葉片SPAD均有顯著影響(表3)。由表4可見,在N75水平下,D6.67和D10.96處理兩個(gè)時(shí)期的葉片SPAD均明顯下降,相比D4.76處理,在現(xiàn)蕾期分別下降8.8%和9.5%,在塊莖膨大期則分別下降9.3%和9.5%。在其他施氮水平下,不同密度間的葉片SPAD沒有明顯差異。相比N0處理,施氮處理均顯著提高了馬鈴薯葉片SPAD,但在不同密度條件下葉片SPAD與施氮量的關(guān)系存在一定差異,在D4.76條件下,葉片SPAD隨施氮量增加呈現(xiàn)先增后降的趨勢,在N150處理獲得最高值;在D6.67和D10.96條件下,葉片SPAD隨施氮量增加而增加。相關(guān)性分析表明,葉片SPAD與葉片氣體交換參數(shù)和總產(chǎn)量之間均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(表5)。
表4 密度氮肥互作對冬作馬鈴薯葉片氣體交換參數(shù)和SPAD的影響Table4 Interacting effects of planting density and N input on gas exchange and SPAD in leaves of potato plants
表5 馬鈴薯葉片光合特性與產(chǎn)量的相關(guān)性Table5 Correlation between photosynthetic characteristic and yield of winter potato plants
種植密度是影響馬鈴薯產(chǎn)量的重要因素。本研究結(jié)果表明,增加種植密度有助于提高馬鈴薯產(chǎn)量,中密(D6.67)和高密(D10.96)種植相比低密度(D4.76)總產(chǎn)分別增加了13.9%和10.3%。馬鈴薯塊莖干物質(zhì)有90%來源于光合產(chǎn)物,因此馬鈴薯產(chǎn)量的高低與光合產(chǎn)物積累密切相關(guān)[7],而合理密植有助于提高作物冠層光合有效輻射截獲和光能利用率,促進(jìn)光合產(chǎn)物的積累[14]。謝叢華等[16]研究指出,在馬鈴薯生育期間,單位面積上的光能截獲量隨單位面積莖數(shù)的增加而線性增加,而且光能截獲量與植株干物質(zhì)量、塊莖干重亦呈正相關(guān)。本研究中,雖然高密與中密之間的產(chǎn)量在統(tǒng)計(jì)學(xué)上無顯著差異,但高密種植使產(chǎn)量發(fā)生了一定程度的下降。本研究與侯賢清等[9]的研究均發(fā)現(xiàn),增密會(huì)對馬鈴薯出苗產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響,高密種植嚴(yán)重限制馬鈴薯出苗(圖1),這是導(dǎo)致高密種植產(chǎn)量發(fā)生下降的原因之一,但是高密影響馬鈴薯出苗的具體原因還需進(jìn)一步研究探討。另外,在本試驗(yàn)條件下高密處理的葉片凈光合速率大都低于中密處理(表4),由此可能對植株光合產(chǎn)物積累和塊莖產(chǎn)量造成不利影響。
因?yàn)锳EN由施氮和不施氮處理的產(chǎn)量差計(jì)算而來,在相同施氮量下,產(chǎn)量差越大AEN則越大,所以各處理間AEN的差異可由產(chǎn)量的相對變化來解釋。研究結(jié)果表明,在低氮(N75)和中氮(N150)水平下中密處理的馬鈴薯AEN較低密處理有所下降(圖2),分析發(fā)現(xiàn),中密條件下的基礎(chǔ)產(chǎn)量(N0處理產(chǎn)量)明顯高于低密處理,但是中密與低密處理的產(chǎn)量在N150和N75水平下并無明顯差異,導(dǎo)致中密條件下N75和N150與N0處理的產(chǎn)量差(9.7和11.8 t·hm-2)均小于低密處理(11.3 和 12.8 t·hm-2),因此AEN較低;而在高氮(N300)水平下,低密處理產(chǎn)量明顯下降,使產(chǎn)量差縮?。?.9 t·hm-2),且小于中高密處理(10.8和13.3 t·hm-2),所以在高氮水平下增加種植密度使AEN明顯提高(圖2)。中密條件下的基礎(chǔ)產(chǎn)量更高,說明該密度條件有效發(fā)揮了群體與個(gè)體的產(chǎn)量潛能,本研究不施氮水平下現(xiàn)蕾期中密處理的葉片凈光合速率也高于低密和高密處理。
氮肥是促進(jìn)馬鈴薯增產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一[5-6]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,在0~150 kg·hm-2范圍內(nèi),馬鈴薯產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加,當(dāng)施氮量增加至300 kg·hm-2時(shí)產(chǎn)量出現(xiàn)下降。氮肥有利于促進(jìn)馬鈴薯地上部生長,提高葉面積指數(shù),從而為塊莖形成和膨大提供物質(zhì)基礎(chǔ)[17],魏峭嶸等[7]研究表明,施氮提高了馬鈴薯單株結(jié)薯數(shù)和單薯重。然而當(dāng)施氮量達(dá)到一定閾值后,繼續(xù)增加施氮量易導(dǎo)致莖葉徒長,不利于光合產(chǎn)物向地下塊莖轉(zhuǎn)移,最終使產(chǎn)量下降[18]。從葉片光合角度看,施氮明顯提高了馬鈴薯葉片的氣體交換參數(shù)和SPAD(表4),改善了葉片光合效率,相關(guān)性分析指出,葉片光合特性相關(guān)指標(biāo)與產(chǎn)量明顯正相關(guān)。與其他相關(guān)研究結(jié)果類似[11-13],施氮的增產(chǎn)效應(yīng)受到種植密度的影響,本研究發(fā)現(xiàn),在高密條件下施氮增產(chǎn)效應(yīng)普遍較中密明顯。由前述可知,中密下的基礎(chǔ)產(chǎn)量更高,但該密度下施氮處理的產(chǎn)量與高密下施氮處理的產(chǎn)量差異并不大,所以中密條件下的施氮效果因較高的基礎(chǔ)產(chǎn)量而被削弱。
馬鈴薯氮肥農(nóng)學(xué)利用率與施氮量之間呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖2),這與祁馳恒等的研究結(jié)果相似[19-21]。在本研究中,隨著施氮量的增加,單位氮肥用量對增產(chǎn)的貢獻(xiàn)逐漸減小。當(dāng)施氮量由0增加至 75 kg·hm-2時(shí),馬鈴薯平均增產(chǎn)量為 10.92 t·hm-2,由 75 增加至 150 kg·hm-2時(shí),平均增產(chǎn)量下降為 1.92 t·hm-2,而由 150 增加至 300 kg·hm-2時(shí),則平均減產(chǎn)1.83 t·hm-2。從這一結(jié)果可以看出,施氮量為75 kg·hm-2時(shí),氮肥的增產(chǎn)效果最明顯,所以利用率最高,超過這一閾值,增施氮肥對產(chǎn)量的提升則非常有限,在高氮水平下甚至出現(xiàn)減產(chǎn)。因此,隨著施氮量的增加,AEN呈現(xiàn)下降趨勢。
由前述討論可知,密度與施氮對馬鈴薯產(chǎn)量和AEN的影響不僅在于兩者本身,還在于兩者間的交互作用。在本研究中,密度與施氮量對馬鈴薯產(chǎn)量和AEN均存在互作,說明協(xié)同調(diào)控密度和施氮是實(shí)現(xiàn)冬作馬鈴薯產(chǎn)量和氮肥利用率同步提升的可行途徑。試驗(yàn)結(jié)果表明,密度對馬鈴薯產(chǎn)量和AEN的調(diào)控受到施氮水平的影響,在高氮水平下增加種植密度對產(chǎn)量和AEN的提升效果更顯著。密度同樣對施氮效應(yīng)產(chǎn)生了影響,在中低密度條件下,低氮處理產(chǎn)量與最高產(chǎn)量差異不明顯,但低氮處理的AEN明顯高于其他施氮處理,所以在本試驗(yàn)條件下,4.76萬和6.67萬株·hm-2密度配合施用75 kg·hm-2氮肥可實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)和氮高效;但在高密條件下,當(dāng)施氮量從150 kg·hm-2減至 75 kg·hm-2時(shí),產(chǎn)量發(fā)生明顯下降,因此,在高密植條件下要充分考慮馬鈴薯對氮肥的需求情況。根據(jù)本研究結(jié)果,在以高肥(氮)投入為特征的南方濱海沙地種植區(qū)可配合增密,而在以中、低密種植為特征的南方高海拔丘陵種植區(qū)可配合減氮,以此來協(xié)同提增冬作馬鈴薯的產(chǎn)量和氮肥利用率。值得一提的是,不同馬鈴薯品種對氮肥的吸收利用效率存在差異,栽培環(huán)境也千差萬別,未來還有必要以不同氮效率品種為試驗(yàn)材料,在不同區(qū)域開展進(jìn)一步研究。
(1)密度和施氮及其互作對冬作馬鈴薯總產(chǎn)量和AEN均有顯著影響。適當(dāng)增密有利于提高馬鈴薯總產(chǎn)和AEN,其中6.67萬株·hm-2處理產(chǎn)量最高,AEN則以10.96萬株·hm-2處理最高。在不同密度條件下,均以150 kg·hm-2施氮處理的產(chǎn)量最高;AEN隨施氮量增加明顯下降,相比N75處理,N150和N300處理的AEN分別下降41.2%和75.2%。
(2)在本試驗(yàn)條件下,6.67萬株·hm-2和150 kg·hm-2的處理組合產(chǎn)量最高,為 32.2 t·hm-2;10.96萬株·hm-2和 75 kg·hm-2的處理組合 AEN最高,為156.52 kg·kg-1。高氮水平配合增密、中低密度配合減氮,可作為協(xié)同提高冬作馬鈴薯產(chǎn)量和氮肥農(nóng)學(xué)利用率的參考途徑。