水稻秸稈覆蓋與氮素施用水平對冬播馬鈴薯塊莖產量的影響

嚴奉君，李登才，董智瑞，余麗萍，馮豪杰，王 強，張 帆，王西瑤*

（1.四川農業大學農學院，四川 成都 611130；2.布拖縣農業農村局，四川 布拖 616350；3.成都市農林科學院，四川 成都 611130）

馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）作為中國第四大主糧作物，具有適應性廣、營養價值高，廣泛種植于丘陵、高寒等偏遠山區，并具糧菜兼用，高收益比等優良特性，因此，馬鈴薯產業發展對促進農民收入，實現鄉村振興具有重要意義。中國馬鈴薯種植面積和總產均處于世界第一，但中國馬鈴薯平均產量低于世界平均水平13.15%，低于美國等發達國家1.75倍[1]，而馬鈴薯栽培技術較為粗放，特別是針對養分管理模式的研究相比滯后，成為制約中國馬鈴薯單產提升的主要因素。四川省是中國馬鈴薯優勢產區，成都平原、盆周山區其獨特氣候條件能夠實現馬鈴薯周年生產，其中冬薯生產因能與其他主產區錯峰上市，具有生育期短、經濟效益好等特征[2]，但目前由于低溫凍害、栽培管理粗放等問題嚴重制約了該區域冬作馬鈴薯的生產。

氮素是作物產量形成的重要因子之一，合理的施氮量能夠在有效保證作物穩產高產的前提下，顯著提高氮素利用率，降低氮肥污染環境的風險[3]。研究表明，合理的氮肥施用能夠有效調節馬鈴薯器官建成、物質代謝，從而顯著提高塊莖產量與品質[4-7]；過量施氮會導致莖葉徒長，延遲塊莖成熟，而過低的氮素投入也會導致植株生長受限，從而顯著降低馬鈴薯塊莖產量與品質。與此同時，作物秸稈因其富含豐富營養物質[8]，秸稈覆蓋還田，能有效提高土壤肥力，提高土壤水分[9]及水分利用率[10]，保持土壤溫度[11]，同時還能有效防治病蟲害[12]。王平等[13]研究表明，秸稈覆蓋能提前冬馬鈴薯出苗；錢玉平等[14]研究表明，秸稈覆蓋能提高馬鈴薯單薯重、商品薯率。李玉梅等[15]研究表明，秸稈還田對馬鈴薯塊莖膨大期、淀粉積累期的植株及根系生長有明顯的促進作用。中國秸稈資源豐富，四川省馬鈴薯冬作較大部分前茬作物均為水稻，可為馬鈴薯生產提供大量秸稈。但是，目前對于氮肥運籌與秸稈覆蓋在冬作馬鈴薯生長及產量的影響研究還較少，尤其缺乏氮肥運籌與秸稈覆蓋耦合下的相關研究。此外，功能葉SPAD測定可作為作物氮素營養診斷和推薦施肥的重要手段[16]，通過對馬鈴薯葉片SPAD測定能夠有效監測馬鈴薯氮素需求狀況[17-19]，保障馬鈴薯氮素有效供給，從而促進塊莖產量與品質形成，但以SPAD進行馬鈴薯氮素診斷時可受葉位、測定位點、生育時期、地點、年份、品種等因素的影響，且由于馬鈴薯形態特征及產量構成的特殊性，基于SPAD值對馬鈴薯產量進行預測的研究還鮮有報道。對此，本研究以四川省特色地方資源材料‘布拖烏洋芋’為試驗材料，設置不同施氮量以及水稻秸稈覆蓋處理，探究不同氮素施用水平對馬鈴薯產量形成的影響規律，分析馬鈴薯葉片SPAD值與馬鈴薯產量的相互關系，以期為區域冬薯生產氮肥管理提供一定的理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用四川特色地方資源‘布拖烏洋芋’（由四川農業大學農學院馬鈴薯研究與開發中心提供），2021年12月23日在崇州市四川農業大學現代農業研發基地進行播種，試驗地為沙質紅壤土，含有機質18.00 g/kg，全氮1.26 g/kg，有效氮20.13 mg/kg，有效磷51.60 mg/kg，有效鉀55.98 mg/kg，pH 6.40。

1.2 試驗設計

試驗采用兩因素裂區試驗設計，主區分為水稻秸稈覆蓋（M1）和無秸稈覆蓋（M0），副區為不同氮素施用水平，設置3種不同施氮水平處理，分別為不施氮（N0）、100 kg/hm2（N1）和150 kg/hm2（N2）純氮施用。播種前將種薯均勻切塊，保證每一塊都帶有至少3個芽眼且芽眼數相近。將切塊后種薯采用滅菌寧溶液處理，浸泡30 min，晾干后播種。試驗采用馬鈴薯大壟雙行高產栽培，播種小區面積16 m2，每小區4壟，壟長5 m，壟距90 cm，株距30 cm，3次重復，大壟雙行錯窩播種，水稻秸稈采用全量還田，均勻覆蓋于馬鈴薯壟面，總覆蓋量7 500 kg/hm2。施用磷肥（過磷酸鈣，P2O516%）折合P2O575 kg/hm2、鉀肥（氯化鉀，K2O 60%）施用量折合K2O 300 kg/hm2作底肥一次性施用，氮肥（尿素，N 46%）于播種時與幼苗期按5∶5施用，其他同大田生產管理。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 馬鈴薯植株形態測定

于馬鈴薯現蕾期及現蕾期后0 d取植株樣，每小區在盡量不損失根系的情況下將植株挖出，每處理隨機取樣3株，分別測定其植株株高、莖粗與匍匐莖發生節位間距。

匍匐莖發生節位間距：馬鈴薯地下部植株從生物學下到上，以第1個匍匐莖發生開始計數，第1個匍匐莖發生位點到第2個馬鈴薯匍匐莖發生位點的距離記作1-2，直至第n個匍匐莖發生位點到第n+1個匍匐莖發生位點記作n-（n+1），測量2個匍匐莖發生位點之間的距離[20]。

1.3.2 馬鈴薯植株SPAD測定

于馬鈴薯現蕾期及現蕾期后0、10和20 d，每小區選取長勢一致的植株5株，采用SPAD-502 plus便攜式測定儀對倒數第1片全葉至倒3葉進行測定，分別記為SPAD1、SPAD2、SPAD3。計算葉片SPAD相對差值。

葉 片SPAD相 對 差 值[SPADn-（n+1）]=SPADn-SPADn+1

1.3.3 馬鈴薯產量測定

于2021年4月18日馬鈴薯收獲時，按每小區馬鈴薯植株測定塊莖鮮重產量。

1.4 數據處理與分析

采用軟件Excel 2016進行試驗數據統計與表格制作，采用軟件SPSS 27.0進行處理間差異顯著性、通徑及相關性分析，采用軟件JMP 13進行回歸方程擬合。

2 結果與分析

2.1 秸稈覆蓋與氮肥施用水平對馬鈴薯現蕾期形態指標的影響

秸稈覆蓋與施氮水平均對馬鈴薯現蕾期形態指標（株高除外）及地上部干物重有顯著或極顯著的影響，且存在顯著或極顯著的互作效應。相較于無秸稈覆蓋處理（M0），秸稈覆蓋處理（M1）下馬鈴薯植株主莖數降低極顯著，降低幅度達22.40%；但在莖粗與地上部干物重方面，在現蕾期M1均較M0顯著提高，分別增加9.89%和10.40%。

同時，對比各氮肥施用處理，在M0下，各處理均表現為隨著施氮量的增加，馬鈴薯主莖數、莖粗均隨施肥量的增加而顯著增加，N1、N2分別較N0增加25.00%、8.38%與50.00%、11.11%；而地上部干物重方面則隨施氮量的增加均顯著增加，分別增加14.16%與65.36%。而在M1下，株高則表現為隨著施氮量的增加而呈現先增加后降低的趨勢，以N1處理最高；而在植株莖粗與地上部干物重方面則表現為以N2顯著高于其他處理（莖粗N1除外），而以N0最低（表1）。

表1 秸稈覆蓋與氮肥施用水平對現蕾期植株形態指標的影響Table 1 Effects of straw mulching and nitrogen application level on plant morphological indices at bud flower stage

2.2 秸稈覆蓋與氮肥施用水平對馬鈴薯產量形成及產量的影響

秸稈覆蓋與氮肥施用水平對1-2匍匐莖發生間距無顯著影響，但對2-3與3-4發生位點間距有顯著或極顯著的影響（秸稈覆蓋2-3匍匐莖發生間距除外），且秸稈覆蓋與氮肥施用水平對各位點發生間距均有顯著或極顯著的互作效應。對比不同秸稈覆蓋處理，M1增加了植株匍匐莖位點的發生。而對比不同氮肥處理，在M0下，相較于N0，N1在1-2發生位點間距顯著降低，而在2-3發生位點間距增大，但差異不顯著；相較于N0，N2則在1-2發生位點間距增加，但差異不顯著，但在2-3則顯著降低。在M1下，在1-2、2-3匍匐莖發生位點間距均表現為隨施氮量的增加而降低，且2-3匍匐莖發生位點間距顯著變化，而在3-4匍匐莖發生位點間距則隨施氮量的增加而顯著增加。

在產量方面，秸稈覆蓋與氮肥施用水平對塊莖產量有極顯著的影響且存在極顯著的互作效應。相較于M0，M1塊莖產量增加6.43%。而對比不同施氮水平，在M0下，N1處理下塊莖產量顯著高于其他處理，而N2次之；而在M1下，各處理則表現為以N0產量最高，但與N1、N2無顯著差異（表2）。

表2 秸稈覆蓋與氮肥施用水平對匍匐莖發生及產量的影響Table 2 Effects of straw mulching and nitrogen application level on stolon genesis and yield

2.3 秸稈覆蓋與氮肥施用水平對馬鈴薯葉片SPAD值的影響

秸稈覆蓋與施氮水平對馬鈴薯葉片SPAD值有極顯著的影響，且存在極顯著的互作效應。相較于M0，在現蕾后0 d、現蕾后10 d馬鈴薯植株倒3葉SPAD值M1均極顯著降低；而在現蕾后20 d則表現為，相較于M0，M1倒1葉SPAD值（SPAD1）極顯著增加，但倒2葉SPAD值（SPAD2）與倒3葉SPAD值（SPAD3）則均極顯著降低。對比不同施氮水平，在M0下，在現蕾后0 d植株葉片SPAD1、SPAD2均表現為隨施氮量的增加而顯著增加，而在現蕾后10 d則N2顯著高于其他處理；在M1下，N1、N2均較N0有顯著增加（現蕾后0 d SPAD3除外）（表3）。

表3 秸稈覆蓋與氮肥施用水平對葉片SPAD值的影響Table 3 Effects of straw mulching and nitrogen application level on SPAD value

秸稈覆蓋與施氮水平（現蕾后0 d SPAD1-3和現蕾后10 d SPAD1-2除外）對各時期葉片SPAD相對差值有顯著或極顯著的影響，且存在極顯著的互作效應。相較于M0，M1在現蕾后0 d、現蕾后10 d植株葉片倒1葉與倒2葉SPAD相對差值（SPAD1-2）、植株葉片倒1葉與倒3葉SPAD相對差值（SPAD1-3）、植株葉片倒2葉與倒3葉SPAD相對差值（SPAD2-3）均顯著或極顯著降低，但在現蕾后20 d植株葉片SPAD1-2、SPAD1-3、SPAD2-3值M1均較M0極顯著增加。對比不同施氮水平，在M0下，在現蕾后0 d除SPAD1-2，N2顯著低于N1外，SPAD1-3與SPAD2-3均表現為N1顯著低于其他處理，但在現蕾后10 d與現蕾后20 d植株SPAD1-2、SPAD1-3表現為N2顯著低于其他處理（現蕾后20 d SPAD1-2、SPAD1-3除外）。而在M1下則表現為，除在現蕾后10 d SPAD1-2與現蕾后20 d SPAD2-3，N2顯著高于N1外，在其他時期均為N2顯著低于N1（現蕾后20 d SPAD1-3除外）（表4）。

表4 秸稈覆蓋與氮肥施用水平對葉片SPAD相對差值的影響Table 4 Effects of straw mulching and nitrogen application level on SPAD D-value

2.4 現蕾期馬鈴薯頂部葉片SPAD值與塊莖產量的相關性分析

在馬鈴薯現蕾期葉片SPAD值與塊莖產量方面相關性，除塊莖產量與X3有極顯著正相關（r=0.69**），與X6、X8有顯著負相關（r=-0.50*，-0.49*）外，與其他指標均無顯著相關性。而在通徑分析方面，各因子對塊莖產量的總通徑系數為0.97，各指標對塊莖 產 量 的直接影響表現為X2＞X1＞X5＞X6＞X4＞X3＞X7＞X9＞X8，同時各因子對產量間接通徑系數表現為，各因子主要通過X1—X6，其通徑系數為1.57～-1.18（表5）。

表5 馬鈴薯現蕾期葉片SPAD值與塊莖產量通徑及相關性分析Table 5 Correlation and path analysis between SPAD value at bud flower stage and tuber yield

在馬鈴薯現蕾期葉片SPAD相對差值與塊莖產量相關性方面，塊莖產量除與L2、L6、L7、L9無顯著相關性外，與其他因子均有顯著或極顯著的相關關系（-0.60**～0.56*）。而在通徑分析方面，各因子對塊莖產量的總通徑系數為0.92，各指標對塊莖產量 的 直 接 影 響 表 現 為L5＞L1＞L8＞L4＞L3＞L6，而L2、L7、L9與塊莖產量均無直接與間接影響（表6）。

表6 馬鈴薯現蕾期葉片SPAD相對差值與塊莖產量通徑及相關性分析Table 6 Correlation and path analysis between SPAD D-value at bud flower stage and tuber yield

2.5 現蕾期馬鈴薯頂部葉片SPAD值與塊莖產量的擬合分析

現蕾期葉片SPAD差值與塊莖產量回歸分析見圖1。

圖1 現蕾期葉片SPAD差值與塊莖產量回歸分析Figure 1 Regression analysis between SPAD D-value at bud flower stage and tuber yield

馬鈴薯植株SPAD1-2在現蕾后0 d、現蕾后10 d和現蕾后20 d均與塊莖產量呈拋物線關系（圖1A），其中L1、L2、L3與塊莖產量擬合R2=0.48、0.05、0.51，擬合方程分別為y=3.295+0.173 1 L1-0.035 96 L12、y=3.224+0.186 7 L2-0.055 64 L22與y=3.303+0.151 2 L3-0.026 8 L32。馬鈴薯植株SPAD1-3在現蕾后0 d、現蕾后10 d和現蕾后20 d均與塊莖產量回歸分析見圖1B，L4、L5、L6與塊莖產量擬合R2=0.59、0.59、0.52，擬合方程分別為y=3.551+0.060 02 L4-0.016 89 L42、y=3.624-0.344 9 L5+0.051 31 L52與y=3.696+0.027 78 L6-0.071 03 L62。馬鈴薯植株SPAD2-3在現蕾后0 d、現蕾后10 d和現蕾后20 d均與塊莖產量回歸分析見圖1C，L7、L8、L9與塊莖產量擬合R2=0.08、0.62、0.16，擬合方程為y=3.38-0.037 4 L7-0.001 207 L72、y=2.994+0.017 28 L8+0.038 16 L82與y=2.997-0.004 283 L9+0.029 73 L92。

3 討 論

馬鈴薯單株結薯數、單個薯重是馬鈴薯塊莖產量形成的重要因素。眾多研究表明單株主莖數可有效提高單株結薯數，從而提高產量[21-23]。播種至苗期干旱和低溫凍害為冬馬鈴薯生產最主要的兩大自然災害，低溫干旱嚴重影響種薯出苗及幼苗生長，進而影響馬鈴薯產量[24]。本研究表明在秸稈覆蓋條件下‘布拖烏洋芋’主莖數較無秸稈覆蓋處理降低22.40%，但塊莖產量提高6.43%；其與前人研究結果有所差異，這可能是由于在秸稈覆蓋處理下秸稈腐解產生化感效應降低了馬鈴薯主莖的萌發與生長，但覆蓋秸稈釋放的養分及其保水、保肥及穩定土壤溫度的作用高效促進了馬鈴薯植株匍匐莖的發生以及塊莖的膨大；與此同時，本研究進一步對植株匍匐莖發生節位進行分析表明，秸稈覆蓋處理下各處理植株在1-2與2-3節間的發生間距明顯縮短，且增加馬鈴薯匍匐莖的發生節位，進一步表明秸稈覆蓋能夠通過優化主莖、匍匐莖的發生，進而促進馬鈴薯塊莖產量。

氮肥是提高作物產量的重要因素，眾多研究表明合理的氮肥施用能顯著提高馬鈴薯產量，而氮肥供應不足或過高都會導致馬鈴薯植株生長不足或生長過旺，影響馬鈴薯植株干物質積累與轉運，進而影響塊莖產量形成[25-27]。本研究表明，在無秸稈覆蓋條件下，隨著施氮量的增加，地上部鮮重增加，這與前人結果一致[28,29]。與此同時，在冬馬鈴薯生產過程中，馬鈴薯生長后期由于氣溫的上升以及降雨量的逐漸增加顯著促進馬鈴薯地上部植株生長，而不合理氮肥施用會進一步導致馬鈴薯營養生長過盛，源庫失調，導致產量降低[29]。在本試驗中，在無秸稈覆蓋條件下，隨著施氮量的增加，產量先增高后減少，但在秸稈覆蓋條件下，不施氮肥處理與各施氮肥處理馬鈴薯塊莖產量無顯著差異，這可能是由于在秸稈覆蓋處理下，秸稈腐解過程中所釋放氮素能夠滿足植株生長，進而保障產量的形成，而過量的氮肥施用在一定程度導致植株地上部生長與植株晚熟，而冬薯生育后期由于溫度等因素致使馬鈴薯地上部營養生長旺盛，進而影響了冬薯產量的形成。

對作物葉片SPAD值的測定，是目前判斷植株氮素營養最常見的手段，合理的調節植株葉片SPAD值，能夠實現氮肥利用效率、產量與品質等方面的提高[30-32]。本研究表明在秸稈覆蓋處理下，除在現蕾后20 d植株倒1葉SPAD值較無秸稈覆蓋處理顯著提高外，在其他時期各葉片SPAD值均總體較無秸稈覆蓋處理顯著降低；同時本研究對不同覆蓋模式下各氮肥施用水平植株葉片SPAD值及葉片SPAD相對差值研究表明，在現蕾后0～20 d，秸稈覆蓋處理氮素施用處理下植株倒1葉、倒2葉與倒3葉SPAD值較無秸稈覆蓋顯著降低，但各時期葉片SPAD變化幅度較無秸稈覆蓋處理顯著降低，其中以秸稈覆蓋不施氮處理最佳，而100與150 kg/hm2處理次之，其主要原因可能是由于秸稈的腐熟養分釋放及保水保肥效應能夠實現對馬鈴薯生長的養分供應，而對于高氮肥施用處理還田秸稈也可能會通過其腐解過程中微生物的生長在一定程度上吸附與固定施用氮素，進而降低過度氮素施用導致植株地上部旺長的現象。

與此同時，本研究進一步對現蕾后0～20 d植株葉片SPAD值及葉片SPAD相對差值與產量通徑及相關性分析表明，現蕾后20 d植株倒1葉SPAD值與馬鈴薯塊莖產量有極顯著的正相關（r=0.69**），且現蕾后10 d倒1葉SPAD值、現蕾后20 d倒1葉SPAD值和現蕾后0 d倒3葉SPAD值均表現為通過直接與間接的正效應影響產量，而其他時期葉片SPAD值均表現為直接與間接的負效應影響產量。同時，通徑分析還表明現蕾后10 d倒1葉與倒2葉SPAD、現蕾后0 d倒2葉與倒3葉SPAD、現蕾后20 d倒2葉與倒3葉SPAD相對差值與產量均無直接或間接影響。此外，本研究對現蕾后0～20 d馬鈴薯植株葉片SPAD相對差值與塊莖產量回歸分析還表明，馬鈴薯塊莖產量與現蕾后0和20 d植株倒1葉與倒2葉SPAD相對差值、現蕾后0～20 d植株葉片倒1葉與倒3葉SPAD相對差值、現蕾后10 d植株葉片倒2葉與倒3葉SPAD相對差值擬合度最優（R2=0.48～0.62）。

秸稈覆蓋能夠有效協調馬鈴薯主莖數、莖粗與株高，優化地上部植株形態構建，促進地下部匍匐莖發生，秸稈覆蓋處理促進植株匍匐莖1-2與2-3節間的發生間距明顯縮短，且增加馬鈴薯匍匐莖的發生節位，進而提高塊莖產量形成，較無秸稈覆蓋處理塊莖產量提高6.43%。增加氮肥施用能夠顯著促進馬鈴薯主莖數、莖粗與現蕾期地上部干重，但過高的氮肥施用顯著提高馬鈴薯現蕾期倒3葉SPAD值，致使植株營養源庫失調，進而產量降低，但秸稈覆蓋搭配100 kg/hm2、150 kg/hm2純氮施用與不施氮處理產量無顯著差異，表明秸稈覆蓋能夠實現對馬鈴薯生長的養分供應及對外源施用氮素吸收利用，進而保障塊莖產量形成。