密度和施肥对旱地马铃薯干物质积累、产量和水肥利用的影响

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柳燕兰^,¹, 郭贤仕^,¹^,^*, 张绪成^,¹^,^*, 马明生¹, 王宏康²

¹甘肃省农业科学院旱地农业研究所 / 甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室, 甘肃兰州 730070

²甘肃省种子总站, 甘肃兰州 730000

Effects of planting density and fertilization on dry matter accumulation, yield and water-fertilizer utilization of dryland potato

LIU Yan-Lan^,¹, GUO Xian-Shi^,¹^,^*, ZHANG Xu-Cheng^,¹^,^*, MA Ming-Sheng¹, WANG Hong-Kang²

¹Institute of Drylang Farming, Gansu Academy of Agricultural Sciences / Gansu Province Key Laboratory of Effective Utilization of Water Resource on Dryland, Lanzhou 730070, Gansu, China

²Gansu Seed General Station, Lanzhou 730000, Gansu, China

通讯作者: * 郭贤仕, E-mail: guoxsh@21cn.com, Tel: 0931-7612800; 张绪成, E-mail: gszhangxuch@163.com, Tel: 0931-7614864

收稿日期:2020-05-1接受日期:2020-08-19网络出版日期:2020-09-02

基金资助:

甘肃省农业科学院重点研发计划项目.2019GAAS25
国家科技支撑计划项目.2015BAD22B01-05

Received:2020-05-1Accepted:2020-08-19Online:2020-09-02

Fund supported:

Key Research and Development Program of Gansu Academy of Agricultural Sciences.2019GAAS25
National Key Technology Research and Development Program of the Ministry of Science and Technology of China.2015BAD22B01-05

作者简介 About authors
E-mail: liuyanlan868@163.com

摘要
协同提高产量和资源利用效率, 是旱作马铃薯高产高效的基础。本研究以陇薯10号为材料, 于2017—2019年进行大田试验, 设置当地农民习惯栽培(CK)、高产高效栽培(YE)和超高产栽培(HY) 3种栽培模式, 测定旱地马铃薯叶面积指数(LAI)、叶片SPAD值、冠层光合能力、干物质积累转运、块茎产量、水肥利用效率等指标。结果表明, 与CK相比, YE和HY均提高了马铃薯LAI和叶片SPAD值, YE在降雨较少的2017年增幅更明显; 二者均减慢了马铃薯块茎膨大后的LAI和叶片SPAD降低幅度, 使其冠层光合能力在块茎膨大期和淀粉积累期2年平均提高29.9%、34.7%和40.2%、50.5%。基于较高的LAI和冠层光合能力, YE和HY的地上干物质在块茎膨大期较CK 3年平均增加123.05%和118.53%; 同时块茎膨大后同化物对块茎的贡献率增加22.56%和19.29%, 使马铃薯产量在2017—2019年平均增加47.93%和47.78%, 水分利用效率平均增加77.59%和75.85%, 均达到显著差异水平。YE和HY使马铃薯商品薯产量显著增加, 收益显著提高, 在2017—2019年分别较CK新增纯收益7330.3元 hm^-2和6024.6元 hm^-2。较大的群体冠层和较高的物质生产促进了植株对N、P、K的积累, YE的N、P利用效率较CK分别提高15.21%和17.20%, N、K收获指数分别提高3.85%和7.79%; HY的N利用效率提高12.37%。YE的WUE、N和P利用效率较HY提高2.05%、2.53%和23.41%, 新增纯收益1305.7元 hm^-2。因此, YE减施缓释尿素40%并有机替代、密度60,000株 hm^-2, 能够提高水分和养分利用效率, 维持马铃薯花后较高的冠层光合能力, 促进茎叶干物质向块茎转运, 实现作物增产和资源高效利用协同发展, 是半干旱区黑膜覆盖马铃薯种植推荐的高产高效模式。
关键词： 马铃薯;栽培模式;冠层光合能力;干物质积累与转运;产量;水肥利用效率

Abstract

It is important to increase potato production and the natural resource utilization efficiency in dryland farming system. A field experiment was conducted using Longshu 10 with three planting modes from 2017 to 2019, including farmer mode (CK), the mode with high yield and efficiency (YE), and higher yield mode (HY). The leaf area index (LAI), SPAD, photosynthetic rate, accumulation and remobilization of dry matter, water use efficiency (WUE) and fertilizer use efficiency (FUE) was investigated. The results showed that LAI and SPAD were increased in YE and HY compared to CK, and it was more significant in 2017 when there was less rainfall. Meanwhile, less reduction in LAI and SPAD after tubers enlargement resulted in an increase of canopy photosynthetic rate by 29.9%, 34.7% (in 2018 and 2019), and 40.2%, 50.5% (in 2018 and 2019) during the expanding stage and starch accumulation stage, respectively. Average aboveground dry matter in YE and HY was higher than CK by 123.1% and 118.5% in the enlargement stage due to higher LAI and photosynthetic rate. The contribution rate of assimilation after potato tuber enlargement in YE and HE was higher than CK by 22.56% and 19.29%, resulting in an average potato production increase of 47.93% and 47.78%, and average water use efficiency increased by 77.59% and 75.85%, respectively. YE and HY advantaged in tuber production and income improvement. Compared with CK, the net income increased by 7330.3 Yuan hm^-2 and 6024.6 Yuan hm^-2 in 2017 to 2019, respectively. The accumulation of N, P, and K was significantly enhanced due to large population canopy and high plant biomass accumulation. Compared to CK, N and P use efficiency, and the harvest index of N and P was increased under YE mode by 15.21%, 17.20% and 3.85%, 7.79%, respectively, and the N use efficiency was increased by 12.37% under HY mode. WUE, N, and P use efficiency of YE mode was higher than HY by 2.05%, 2.53%, and 23.41%, respectively, and the net income increased by 1305.7 Yuan hm^-2. Therefore, replacement of slow-release urea with organic manure by 40% and improvement of planting density with 60,000 plants hm^-2 in YE mode potentially increased in water use efficiency, nutrient use efficiency, high canopy photosynthetic rate maintenances, and remobilization of dry matter from stem and leaf to tubers. In conclusion, YE as a high tuber production and resource use efficiency planting mode, is recommended in semi-arid areas with black-film mulched potato cultivation regime.

Keywords：potato;cultivation pattern;canopy photosynthetic capacity;dry matter accumulation and transportation;yield;water-fertilization use efficiency

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本文引用格式
柳燕兰, 郭贤仕, 张绪成, 马明生, 王宏康. 密度和施肥对旱地马铃薯干物质积累、产量和水肥利用的影响[J]. 作物学报, 2021, 47(2): 320-331. doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04100
LIU Yan-Lan, GUO Xian-Shi, ZHANG Xu-Cheng, MA Ming-Sheng, WANG Hong-Kang. Effects of planting density and fertilization on dry matter accumulation, yield and water-fertilizer utilization of dryland potato[J]. Acta Agronomica Sinica, 2021, 47(2): 320-331. doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04100

甘肃省是我国马铃薯优势主产区, 但单产长期徘徊在20 t hm^-2左右^[1,2], 仅实现了当地光潜势的14.49%, 热潜势的40.40%, 降水潜势的78.43%和土壤肥力潜势的93% ^[3]。究其原因, 主要是甘肃省70%以上的马铃薯种植在年降水量350 mm左右的雨养农业区^[4], 裸地稀植、花前培土的种植和肥料供应与作物需肥错位等限制了对区域光、热、降水及肥力资源的充分利用, 使马铃薯的产量和水肥利用较低。如何系统优化种植模式、密度及施肥等农艺栽培管理措施, 来充分挖掘马铃薯的光、热、水、肥及产量生产潜力是实现该区马铃薯高产高效的关键, 对保证区域马铃薯生产可持续发展及保障国家粮食安全具有重要的意义。

黑色地膜覆盖是陇中半干旱区近年来马铃薯主要的种植模式, 能够抑蒸保墒、协调马铃薯需水和马铃薯耗水之间的矛盾, 使产量和水分利用效率得到大幅度提高^[5]。通过优化农艺栽培管理措施来提升马铃薯光、热及水、肥资源利用, 可能是协同实现高产高效的有效途径。有研究表明, 合理增加种植密度可提高群体数量和叶面积指数, 通过影响群体光合性能和土壤水肥利用来增加产量^[6,7]; 合理密植既能保持植株较高的氮积累量, 又使氮转运率不至于过高, 避免生育后期叶片的早衰, 协同提高产量和氮肥利用率^[8,9]。肥料效应可通过提高个体光合速率影响群体光合性能, 在产量形成的关键生育期对密度效应进行补偿^[6], 优化施肥后可提高氮肥利用效率的同时增加产量^[10]。过量普通氮肥全部基施会使作物前期养分过剩而降低群体冠层光合速率和作物生长^[11]、影响同化物的转运^[12], 降低产量和肥料利用。通过缓释尿素替代普通尿素, 可利用缓释肥肥效释放缓慢的特点弥补马铃薯生育后期对氮的需求^[13], 一次性基施较普通尿素能提高马铃薯产量的6.4%^[14]; 在玉米上可通过提高生育后期干物质生产量及分配比例来提高产量^[15], 且氮肥利用率提高6.2%~86.6%^[16]。目前在小麦^[17]和玉米^[18,19]上通过增加密度、肥料运筹、种植方式等多项栽培技术的集成优化或者综合农艺措施, 均显著提高产量和资源利用效率。但是, 针对半干旱区马铃薯, 多种技术组合(覆盖、密度和施肥)对冠层光合同化、干物质转运、产量形成及其水肥利用的调控效应尚不清楚。为此, 本文在广泛调研西北半干旱区马铃薯当前农户习惯种植方式的基础上, 通过对黑色地膜覆盖、增加种植密度及肥料配施等多项栽培技术集成优化模式, 研究不同栽培模式对马铃薯叶面积指数、叶片SPAD值、冠层光合能力、干物质积累与转运以及产量和水肥利用的影响, 明确不同栽培模式下旱地马铃薯增产增效的机制, 以期为旱地马铃薯高产高效栽培提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017—2019年在甘肃省农业科学院定西试验站(甘肃省定西市安定区团结镇唐家堡村, 104°36′E, 35°35′N)进行。该区海拔1970 m, 年平均气温6.2℃, 年辐射总量5898 MJ m^-2, 年日照时数2500 h, ≥10℃积温20,755.1℃, 无霜期140 d, 属中温带半干旱气候。作物一年一熟, 为典型旱地雨养农业区。年均降水量415 mm, 6月至9月降水量占年降水量的68%, 降水相对变率为24%, 400 mm降水保证率为48%。试验区土壤为黄绵土, 耕层0~20 cm含有机质11.99 g kg^-1、全氮1.16 g kg^-1、全磷0.73 g kg^-1、全钾17.28 g kg^-1、速效磷8.67 mg kg^-1、速效钾121.50 mg kg^-1, pH 8.35。

1.2 试验设计

试验共设当地农户栽培(CK)、高产高效栽培(YE)、超高产栽培(HY) 3种栽培模式。采用随机区组排列, 3次重复, 小区面积为49.5 m²。YE和HY模式的马铃薯均采用全膜覆盖垄沟种植, 种植带宽100 cm, 宽窄行种植, 宽行60 cm, 窄行40 cm (图1), 沟内每隔50 cm左右扎眼以便于水分入渗。其中, YE模式的行距50 cm, 株距33 cm, 播种密度60,000株 hm^-2; HY模式的行距50 cm, 株距30 cm, 播种密度67,500株 hm^-2; CK采用露地平作种植, 行距50 cm, 株距44 cm, 播种密度45,000株 hm^-2。CK模式的氮为普通尿素(含N 46%); YE和HY模式的氮为缓释尿素(山东众德集团生产, 氮≥45%, 初期养分释放≤10%); 所有处理的磷、钾肥分别为过磷酸钙(含P₂O₅ 12%)、氯化钾(含K₂O 60%), 有机肥为腐熟的羊粪(全氮0.5%, 全磷0.4%, 全钾0.4%), 肥料全部一次性基施。试验具体的种植模式、密度及肥料用量见表1。供试品种为陇薯10号, 2017年4月20日播种, 10月16日收获; 2018年4月22日播种, 10月9日收获; 2019年4月22日播种, 9月27日收获。其他管理同大田。

图1

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图1全膜覆盖垄沟种植马铃薯示意图

Fig. 1Schematic diagram of potato planting in ridges and furrows with plastic mulching

Table 1
表1
表1不同栽培模式的种植密度和肥料用量
Table 1Plant density and fertilizer application under different cultivation and management patterns

栽培模式 Cultivation pattern	缩写 Abbreviations	覆盖方式 Coverage style	密度 Density (plant hm^-2)	肥料种类及用量 Fertilizer type and dosage (kg hm^-2)
栽培模式 Cultivation pattern	缩写 Abbreviations	覆盖方式 Coverage style	密度 Density (plant hm^-2)	N	P₂O₅	K₂O	羊粪 Sheep manure
农户栽培 Farmer mode cultivation	CK	露地平作 Flat planting without plastic mulching	45,000	120	75	0	0
高产高效栽培 High yield and efficiency cultivation	YE	全膜覆盖垄沟种植 Ridge-furrow planting with plastic mulching	60,000	150	90	120	45,000
超高产栽培 Higher yield cultivation	HY	全膜覆盖垄沟种植 Ridge-furrow planting with plastic mulching	67,500	210	120	150	45,000

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1.3 试验区2017—2019年降雨量及平均气温

根据甘肃省农业科学院定西试验站气象资料统计, 2017年试验区马铃薯全生育期降水354.8 mm; >10 mm降水15次, 为215 mm, <10 mm的降水42次, 为139.8 mm。2018年马铃薯全生育期降水425.4 mm; >10 mm降水15次, 为265.3 mm, <10 mm的降水54次, 为160.1 mm。2019年马铃薯全生育期降水420.7 mm; >10 mm降水11次, 为244.7 mm, <10 mm的降水47次, 为176.0 mm。3年均在马铃薯花期发生持续性干旱, 季节分配不均(图2), 对马铃薯的生长造成不利影响, 导致年际间产量不一致。2017年马铃薯生育期内最低温1.1℃, 最高温25.1℃, 平均气温15.25℃; 2018年马铃薯生育期内最低温7.1℃, 最高温21.7℃, 平均气温15.81℃; 2019年马铃薯生育期内最低温6.2℃, 最高温21.7℃, 平均气温15.43℃。

图2

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图22017-2019年试验区降水(P)和平均气温(T)变化

Fig. 2Changes of precipitation(P) and average air temperature(T) in experimental area from 2017 to 2019

1.4 测定指标及方法

1.4.1 SPAD和LAI 在马铃薯蕾期、花期、块茎膨大期、淀粉积累期, 用SPAD-502 plus叶绿素仪测定叶片SPAD值, 选择倒二枝的顶叶为测定对象, 每个叶片避开叶脉自上而下测定5次, 每个小区选择10个叶片。在马铃薯蕾期、花期、块茎膨大期、淀粉积累期, 用CI-110植物冠层分析仪(CID, 美国)测定叶面积指数(leaf area index, LAI), 每小区重复测定5次, 取其平均值作为小区LAI。

1.4.2 光合速率分别在块茎膨大期和淀粉积累期, 用LI-6400型便携式光合测定系统在10:00—12:00测定光合速率(P_n, μmol CO₂ m^-2 s^-1), 每次测定10株, 取其平均值。冠层光合能力用群体LAI与单株净光合速率的乘积表示^[20]。

1.4.3 生物量和产量分别于马铃薯蕾期、花期、块茎膨大期、淀粉积累期和成熟期在各小区中选取长势均匀一致的5株, 先将植株用水冲洗, 滤纸吸干后, 将植株按照根、茎、叶、块茎分开, 105℃杀青30 min后80℃烘干至恒重, 测定各器官干物重, 粉碎过筛后保存, 用于植株氮、磷、钾养分分析。马铃薯成熟期每小区按实际块茎鲜重计算产量。

1.4.4 耗水量和水分利用效率在马铃薯播期和收获后, 用烘干法测定0~200 cm土层的土壤含水量, 每20 cm为1个层次, 每小区在垄上马铃薯株间测定1个位点。土壤贮水量计算公式: SWS (mm) = WS×γ× d/100。式中WS为土壤质量含水量(g kg^-1); γ为土壤容重(g cm^-3); d为土层深度(cm)。土壤耗水量的计算公式: ET = SWS_BF-SWS_HA+P, 式中SWS_BF为播期土壤贮水量, SWS_HA为收获后土壤贮水量, P为马铃薯全生育期降雨量。水分利用效率(WUE) = Y_d/ET^[21], 式中Y_d为马铃薯单位面积产量(kg hm^-2), ET为马铃薯全生育期耗水量。

1.4.5 植株N、P、K含量的测定将准备好的成熟期的植株样品用H₂SO₄-H₂O₂消煮法制备待测液, 采用凯氏定氮法测定全氮含量, 钒钼黄比色法测定全磷含量, 火焰光度法测定全钾含量^[22]。

1.5 相关参数计算

氮、磷、钾的相关指标计算方法参照王永华等^[23]

(1) 植株氮(磷、钾)素总积累量(kg hm^-2) = $\sum 植株各个器官干重×氮(磷、钾)含量$;

(2) 氮(磷、钾)素利用效率(kg kg^-1) = 块茎产量/植株氮(磷、钾)素总积累量;

(3) 氮(磷、钾)素收获指数=块茎氮(磷、钾)素积累量/成熟期植株氮(磷、钾)素总积累量。

干物质转运的相关指标计算方法参照刘星等^[24],稍作改进。

(1) 块茎膨大期前营养器官贮藏干物质转运量(kg hm^-2)=块茎膨大期植株干重-成熟期植株干重;

(2) 块茎膨大期前营养器官贮藏干物质转运率(%)=(块茎膨大期植株干重-成熟期植株干重)/块茎膨大期植株干重×100%;

(3) 块茎膨大期后光合同化量(输入块茎部分) (kg hm^-2)=成熟期块茎干重-块茎膨大期前营养器官贮藏干物质转运量-块茎膨大期块茎干重;

(4) 块茎膨大期后光合同化量对块茎的贡献率(%)=块茎膨大期后光合同化量/(成熟期块茎干重-块茎膨大期块茎干重)×100%。

1.6 数据处理与统计分析

用Microsoft Excel 2010软件作图, DPS对数据进行ANOVA方差分析, 并用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同栽培模式对旱地马铃薯LAI的影响

马铃薯的LAI随生育进程呈先增加后降低趋势, 均在块茎膨大期达最大值; YE和HY在整个生育期的LAI均显著高于CK, 不同生育期处理间表现不同(表2)。2017年在现蕾期和淀粉积累期处理间差异显著, YE和HY较CK分别增加42.3%、60.5%和35.5%、30.8%; 在淀粉积累期YE较HY增加3.43%。在花期和块茎膨大期, YE和HY间差异不显著, 但均显著高于CK, 分别增加57.5%、67.3%和21.3%、19.7%。2018和2019年YE和HY的LAI在4个生育期无显著差异, 但均显著高于CK。与块茎膨大期相比, CK淀粉积累期的LAI在2017—2019年分别降低25.3%、22.3%、19.9%; YE的分别降低12.2%、10.3%、11.9%; HY的分别降低14.7%、10.5、9.5%。表明YE和HY的马铃薯生育后期LAI下降幅度小于CK, YE下降幅度更小, 这为光热资源的利用奠定了基础。

Table 2
表2
表2不同栽培模式下马铃薯叶面积指数
Table 2Leaf area index (LAI) of potato under different cultivation models

年份 Year	处理 Treatment	现蕾期 Squaring stage	花期 Flowering stage	块茎膨大期 Tuber expanding stage	淀粉积累期 Starching accumulation stage
2017	CK	1.27±0.09 c	1.53±0.18 b	3.07±0.16 b	2.45±0.10 c
	YE	1.80±0.20 b	2.41±0.16 a	3.73±0.16 a	3.32±0.17 a
	HY	2.03±0.17 a	2.56±0.17 a	3.68±0.13 a	3.21±0.15 b
2018	CK	1.83±0.18 b	2.83±0.18 b	3.32±0.16 b	2.71±0.21 b
	YE	2.49±0.21 a	3.68±0.25 a	4.14±0.12 a	3.75±0.16 a
	HY	2.65±0.29 a	3.73±0.18 a	4.28±0.14 a	3.88±0.16 a
2019	CK	2.22±0.16 b	2.37±0.13 b	3.38±0.17 b	2.82±0.31 b
	YE	2.73±0.13 a	3.11±0.16 a	4.27±0.20 a	3.82±0.28 a
	HY	2.83±0.24 a	3.23±0.17 a	4.32±0.16 a	3.95±0.22 a

不同小写字母表示在同一年份同一生育期不同处理间在0.05水平上差异显著。处理同表1。
Values followed by different lowercase letters in the same growth stage and the same year are significantly different among treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

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2.2 不同栽培模式下旱地马铃薯叶片SPAD值的变化

马铃薯叶片SPAD值随生育进程呈先增加后降低趋势, 峰值出现在块茎膨大期(表3)。苗期, 处理间SPAD值3年均无显著差异。现蕾期、花期、块茎膨大期和淀粉积累期, YE和HY间差异不显著, 均高于CK。2017年分别显著增加3.5~6.5和3.7~4.9; 2018年分别增加3.2~7.9和4.3~7.4; 2019年分别增加3.8~7.7和4.2~8.0。与块茎膨大期相比, 淀粉积累期CK的SPAD值在2017—2019年分别降低8.62、9.41、10.04; YE的SPAD值分别降低6.30、5.99、8.97; HY的SPAD值分别降低7.46、6.46、10.49。表明YE和HY的马铃薯生育后期SPAD值降低幅度小于CK, 且YE下降幅度更小; 维持较高的SPAD值, 可延长光合功能期, 为块茎的膨大提供较充足的光合同化物。

Table 3
表3
表3不同栽培模式下马铃薯叶片SPAD
Table 3SPAD of potato under different cultivation models

年份 Year	处理 Treatment	苗期 Seedling stage	现蕾期 Squaring stage	花期 Flowering stage	块茎膨大期 Tuber expanding stage	淀粉积累期 Starching accumulation stage
2017	CK	50.73±0.43 a	58.27±0.86 b	60.58±0.91 b	62.49±0.69 b	53.87±1.06 b
	YE	52.90±0.96 a	61.73±0.57 a	64.68±0.80 a	66.67±0.87 a	60.36±0.75 a
	HY	51.29±0.86 a	62.80±0.76 a	65.48±0.52 a	66.13±0.57 a	58.67±0.78 a
2018	CK	45.07±0.75 a	50.23±0.57 b	52.66±0.34 b	56.60±1.07 b	47.19±2.16 b
	YE	46.58±0.31 a	54.76±0.54 a	55.86±1.19 a	61.15±0.44 a	55.16±0.31 a
	HY	45.88±0.62 a	55.26±0.25 a	56.92±0.91 a	61.02±0.20 a	54.56±0.33 a
2019	CK	42.03±0.99 b	48.15±1.03 b	53.43±1.06 b	58.62±1.04 b	48.58±0.93 b
	YE	45.29±0.76 a	55.82±0.85 a	58.82±0.42 a	62.37±0.63 a	53.40±0.74 a
	HY	46.62±0.54 a	56.14±0.25 a	57.58±0.78 a	63.22±0.29 a	52.73±0.28 a

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2.3 不同栽培模式下旱地马铃薯光合特性的变化

YE和HY较CK能够增加不同降水年型马铃薯在块茎膨大期和淀粉积累期的净光合速率, 处理间差异不显著; 但其冠层光合能力差异显著(表4)。块茎膨大期YE和HY的冠层光合能力在2018—2019年较CK分别增加28.38%、31.33%和33.43%、35.89%; 淀粉积累期分别增加40.56%、39.81%和51.74%、49.17%。表明生育后期较强的冠层光合能力为YE和HY的马铃薯物质生产奠定生理基础。

Table 4
表4
表4不同栽培模式下马铃薯净光合速率和冠层光合能力
Table 4Net photosynthetic rate and canopy photosynthesis ability of potato under different cultivation models

年份 Year	处理 Treatment	块茎膨大期Tuber expanding stage		淀粉积累期Starching accumulation stage
年份 Year	处理 Treatment	净光合速率(CO₂) Net photosynthetic rate (μmol m^-2 s^-1)	冠层光合能力 Canopy photosynthesis ability (P_n×LAI)	净光合速率(CO₂) Net photosynthetic rate (μmol m^-2 s^-1)	冠层光合能力 Canopy photosynthesis ability (P_n×LAI)
2018	CK	18.92 a	62.72 b	14.69 a	39.81 b
	YE	19.47 a	80.52 a	14.92 a	55.96 a
	HY	19.55 a	83.69 a	15.59 a	60.41 a
2019	CK	19.45 a	65.74 b	15.83 a	44.64 b
	YE	20.22 a	86.34 a	16.36 a	62.41 a
	HY	20.68 a	89.34 a	16.88 a	66.59 a

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2.4 不同栽培模式下旱地马铃薯干物质积累与转运

2.4.1 不同栽培模式下马铃薯地上部干物质积累

马铃薯地上部干物质积累量在整个生育期呈单峰曲线变化, 峰值出现在块茎膨大期, 之后逐渐下降(图3)。YE和HY在整个生育期差异不显著, 但均显著高于CK。在差异最大的块茎膨大期, YE的地上部生物量在2017—2019年较CK分别增加95.14%、140.55%、133.47%; HY的分别增加89.97%、134.98%和130.63%; YE和HY间差异不显著。

图3

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图3不同栽培模式下马铃薯地上部干物质的变化

处理同表1。
Fig. 3Change of different models cultivation on aboveground dry matter in potato

Treatments are the same as those given in Table 1.

2.4.2 不同栽培模式下马铃薯块茎膨大前后干物质积累与转运 YE和HY均增加了马铃薯块茎膨大前群体干物质转运量, 但降低了转运率(表5)。与CK相比, YE干物质转运率在2017—2019年分别显著降低45.49%、48.05%、50.39%; HY干物质转运率分别显著降低37.19%、48.96%、51.01%, YE和HY间无显著差异。YE和HY提高了块茎膨大后同化物输入块茎的量及其对块茎的贡献率, 在2017年YE较CK和HY显著提高109.73%、37.75%和5.89%、6.51%, 2018—2019年与HY无显著差异, 较CK分别提高69.71%、16.62%和49.60%、13.32%。HY的块茎膨大后同化物输入块茎的量及其对块茎的贡献率在2017—2019年较CK显著提高98.05%、67.67%、48.25%和29.34%、16.56%、11.96%。

Table 5
表5
表5不同栽培模式下马铃薯块茎膨大前后干物质积累与转运
Table 5Dry matter distribution and accumulation before and after potato tuber expansion under different cultivation modes

年份 Year	处理 Treatment	块茎膨大前干物质转运量DMT (kg hm^-2)	块茎膨大前干物质转运率DMTE (%)	块茎膨大后同化物输入块茎量PEA (kg hm^-2)	同化物对块茎的贡献率CPAT (%)
2017	CK	2800 b	47.07 a	2406 c	46.22 c
	YE	2879 b	25.66 b	5046 a	63.67 a
	HY	3207 a	29.57 b	4765 b	59.78 b
2018	CK	2124 b	70.03 a	2747 b	56.39 c
	YE	2427 a	36.38 b	4662 a	65.76 a
	HY	2401 a	35.74 c	4606 a	65.73 a
2019	CK	2107 b	68.75 a	3111 b	59.61 b
	YE	2236 a	34.11 b	4654 a	67.55 a
	HY	2298 a	33.68 b	4612 a	66.74 a

不同小写字母表示在同一年份不同处理间在0.05水平上差异显著。处理同表1。
DMT: dry matter translocation; DMTE: dry matter translocation efficiency; PEA: post-expansion of tuber dry matter accumulation; CPAT: contribution of post-expansion of tuber assimilates to tuber. Values followed by different lowercase letters in the same year are significantly different among treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

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2.5 不同栽培模式下旱地马铃薯产量及水分利用效率

YE和HY显著提高了马铃薯块茎产量(图4)。在2017—2019年YE的块茎产量较CK显著增加71.85%、40.40%、32.38%; HY较CK显著增加57.67%、51.45%、35.23%。2017年和2018年YE和HY间差异显著。与CK相比, YE和HY的耗水量在2017—2019年分别降低15.37%、11.10%、22.39%和19.23%、8.98%、18.21%, YE和HY间无显著差异。水分利用效率(WUE)的变化规律与产量相似, 在2017—2019年YE的较CK显著增加103.07%、57.94%、70.57%; HY较CK显著增加95.22%、66.38%、65.34%。2018年YE和HY间差异显著。

图4

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图4不同栽培模式下马铃薯产量、耗水量和水分利用效率

处理同表1。不同小写字母表示同一年份不同处理间差异显著(P < 0.05)。
Fig. 4Yield level, evapotranspiration, and water use efficiency of potato under different cultivation models

Treatments are the same as those given in Table 1. Different small letters in the same year mean significant difference among different treatments at the 0.05 probability level.

2.6 不同栽培模式对旱地马铃薯养分积累与利用的影响

与CK相比, YE和HY的马铃薯氮素总积累量(NTA)和氮素利用效率(NUE)分别增加17.88%、20.45%和15.21%、12.37%; YE的NUE较HY增加2.53%, 但二者无显著差异。YE的氮素收获指数(NHI)较CK增加3.85%, 较HY增加2.53%, HY和CK间差异不显著。

处理间磷素总积累量(PTA)差异显著(表6), YE和HY较CK分别增加6.95%和31.49%。YE的磷素利用效率(PUE)较CK显著增加17.20%, 较HY的增加23.41%, 而HY和CK间无显著差异。处理间磷素收获指数(PHI)无显著差异。

Table 6
表6
表6不同栽培模式下马铃薯肥料积累与利用(2019年)
Table 6Fertilizer accumulation and utilization of potato under different cultivation models in 2019

指标Item		CK	YE	HY
N	氮素总积累量NTA (kg hm^-2)	330.04±5.29 b	389.05±11.32 a	397.54±7.14 a
	氮素利用效率NUE (kg kg^-1)	81.58±0.26 b	93.99±1.65 a	91.67±2.55 a
	氮素收获指数NHI	0.78±0.001 b	0.81±0.001 a	0.79±0.015 b
P	磷素总积累量PTA (kg hm^-2)	24.59±1.18 c	28.45±1.01 b	34.98±0.03 a
	磷素利用效率PUE (kg kg^-1)	1096.72±66.52 b	1285.33±14.38 a	1041.50±11.11 b
	磷素收获指数PHI	0.81±0.015 a	0.81±0.034 a	0.82±0.001 a
K	钾素总积累量KTA (kg hm^-2)	115.34±1.25 b	165.56±6.54 a	164.43±8.44 a
	钾素利用效率KUE (kg kg^-1)	233.43±0.47 a	220.89±1.57 b	221.81±9.21 b
	钾素收获指数KHI	0.77±0.022 b	0.83±0.079 a	0.88±0.024 a

同列不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。处理同表1。
NTA: nitrogen total accumulation; NUE: nitrogen use efficiency; NHI: nitrogen harvest index; PTA: phosphorus total accumulation; PUE: phosphorus use efficiency; PHI: phosphorus harvest index; KTA: K total accumulation; KUE: K use efficiency; KHI: K harvest index. Values within a column followed by different lowercase letters are significantly different at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

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YE和HY的马铃薯钾素总积累量(KTA)、钾素收获指数(KHI)均高于CK (表6)。其中, YE的KTA和KHI较CK分别增加43.54%和7.79%; HY的分别增加42.56%和14.29%, YE和HY间无显著差异。YE和HY的KUE显著低于CK。

2.7 不同栽培模式对马铃薯经济收益的影响

YE和HY提高了马铃薯块茎的商品率和商品产量(表7)。其中, 商品率较CK在2017、2018和2019年分别增加25.7%~43.7%、24.6%~17.4%和39.7%~42.7%, 商品产量分别提高115.9%~126.6%、74.9%~77.7%和84.9%~93.0%; 相应的经济收益分别增加86.5%~80.6%、53.9%~61.7%和49.7%~54.2%, 且HY均高于YE, 但差异不显著。纯收益分别增加111.2%~81.6%、43.4%~43.9%和35.2%~29.3%, YE高于HY, 差异不显著。

Table 7
表7
表7不同栽培模式对马铃薯经济收益的影响
Table 7Effects on profit of different cultivation models in potato

年份 Year	处理 Treatment	商品率 Commodity rate (%)	商品产量 Commodity yield (kg hm^-2)	非商品产量Non-commodity yield (kg hm^-2)	经济收益Benefit (Yuan hm^-2)	生产资料投入 Production materials input (Yuan hm^-2)	劳力投入Labor input (Yuan hm^-2)	燃油投入 Fuel input (Yuan hm^-2)	纯收益 Profit (Yuan hm^-2)
2017	CK	49.76 c	12,887 b	13,011 b	23,271 b	4809	6720	750	10,992 c
	YE	62.53 b	27,828 a	16,679 a	43,401 a	9837	9600	750	23,214 a
	HY	71.50 a	29,199 a	11,636 b	42,020 a	11,305	10,000	750	19,965 b
2018	CK	64.14 c	16,047 b	8972 a	24,639 b	4809	6720	750	12,360 b
	YE	79.90 a	28,066 a	7060 a	37,916 a	9837	9600	750	17,729 a
	HY	75.27 b	28,518 a	9371 a	39,845 a	11,305	10,000	750	17,790 a
2019	CK	49.00 b	13,589 b	14,144 a	24,793 b	4809	6720	750	12,514 b
	YE	68.43 a	25,123 a	11,590 b	37,102 a	9837	9600	750	16,915 a
	HY	69.94 a	26,230 a	11,274 b	38,240 a	11,305	10,000	750	16,185 a

商品薯价格1.2元 kg^-1, 非商品薯价格0.6元 kg^-1。生产资料投入包括肥料、地膜、种子, CK分别为1020、0、3789元 hm^-2, 合计4809元 hm^-2; YE分别为3435、1350、5052元 hm^-2, 合计9837元 hm^-2; HY分别为4271、1350、5684元 hm^-2, 合计11,305元 hm^-2。同列不同小写字母表示同一年份不同处理间在0.05水平上差异显著。
The price of commodity and non-commodity tuber were 1.2 and 0.6 Yuan per kg, respectively. The production materials input included fertilizer, plastic film and seed, CK were 1020, 0, 3789 Yuan hm^-2, respectively, and the total was 4809 Yuan hm^-2. YE were 3435, 1350, 5052 Yuan hm^-2, respectively, and the total was 9837 Yuan hm^-2. HY were 4271, 1350, 5684 Yuan hm^-2, respectively, and the total were 11,305 Yuan hm^-2. Values followed by different lowercase letters within a column in the same year are signify cantly different among treatments at the 0.05 probability level.

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3 讨论

建立高光效的群体是获取高产的核心^[25], 决定群体光合作用的因素有质量因子-单叶光合速率和数量因子-叶面积指数。增加种植密度, 可通过提高叶面积指数来充分利用光照、空间和地力资源, 增加植株光合效率和光合物质积累, 提高产量和资源利用率^[26]。在小麦^[27]、玉米^[20]上研究表明, 相对于普通栽培, 超高产栽培模式(增密)都有较高的叶面积指数。本研究也得出相似的结果, YE和HY整个生育期的LAI均显著高于CK, 表明YE和HY增密后拥有较大的群体冠层, 能充分利用光、热、水、肥资源, 这对作物高产高效有积极的作用; 在降雨较少的2017年, YE的LAI在块茎膨大期和淀粉积累期较HY分别提高1.36%和3.43%, 对马铃薯高产高效更有利。保持叶片绿色, 可延缓叶片衰老和延长叶片的光合作用时间, 从而提高群体光合^[28]。但是, 氮肥亏缺易造成叶面积指数和SPAD值降低, 导致光能截获量和光能利用率下降^[29]; 氮肥过量会加速生育后期的叶片衰老, 使光合功能期缩短, 产量降低^[30]。增加密度会增强个体对养分的竞争, 导致叶片叶绿素含量下降使光合受阻, 而肥料效应可通过提高个体光合速率影响群体光合性能, 在产量形成关键生育期对密度效应进行补偿^[6]。本试验条件下, YE和HY在密度和缓释氮肥同步增加的模式下马铃薯叶片SPAD值显著高于CK, 块茎膨大期和淀粉积累期YE均高于HY。表明通过密度和肥料优化可以提高作物的SPAD值, 为提高光合效率奠定了物质基础。另外, 采取合理的栽培措施来减缓作物生育后期叶面积的衰减速度, 保持较高的群体光合势, 是作物增产的重要途径^[31]。张仁和等^[32]在玉米上研究表明, 与普通大田栽培相比, 高产和超高产栽培的玉米通过维持高的叶面积指数和SPAD值来改善玉米叶片光合性能, 为籽粒灌浆提供了较充足的光合同化物。本研究中, 与块茎膨大期相比, YE和HY的LAI和叶片SPAD值在淀粉积累期下降幅度低于CK。较高的LAI和叶片SPAD值维持了较好的光合性能, 使其冠层光合能力在2018和2019年的块茎膨大期较CK分别增加28.38%、46.52%和31.33%、49.24%; 淀粉积累期分别增加33.43%、58.18%和35.89%、59.23%, 这为马铃薯块茎的膨大提供充足的光合同化物。因此, YE和HY通过增加密度优化了群体结构, 提高马铃薯的LAI和SPAD值, 肥料效应对增密后个体养分竞争的弥补减缓了生育后期LAI和SPAD降低幅度, 保持较高的冠层光合能力, 这为产量潜力的发挥奠定了物质基础。

YE和HY通过密度和肥料的优化虽增加了群体冠层光合能力和时间, 但黑色地膜覆盖后其耗水量较CK 3年平均降低16.29%和15.47%, 虽然增加密度后相应的作物蒸腾增加了, 但在地膜覆盖和增密条件下, 马铃薯蒸腾量仍小于土面的无效蒸发, 有限的降水用于作物的生长, 使地上干物质积累量在块茎膨大期较CK 3年平均增加了123.05%和118.53%。马铃薯产量的形成是同化产物积累和分配的结果^[33], 在增加干物质积累的同时, 必须促进同化产物的合理分配, 提高干物质的有效利用率。这一过程因施肥和养分管理等栽培条件的不同而有很大差异^[34]。旱地玉米高产栽培模式降低了其花前干

物质的转运量, 提高花后干物质积累量及其对籽粒的贡献率是其高产与水分协同提高的物质基础^[17]; 且施用控释尿素可以增加干物质向开花后分配的比例^[14]。本试验条件下, YE和HY显著增加马铃薯全生育期干物质积累量, 降低马铃薯块茎膨大前的群体干物质转运率, 并提高块茎膨大后同化物输入块茎量及其对块茎的贡献率, 使块茎产量在2017—2019年分别增加71.85%、40.40%、32.38%和57.67%、51.45%、35.23%, 对应的水分利用效率分别提高103.07%、57.94%、70.57%和95.22%、66.38%、65.34%。这与刘星等^[24]在马铃薯上的研究结果一致。YE较HY的WUE提高2.05%, 而3年平均产量相当, 这主要是本研究选择的品种为陇薯10号, 试验期间部分发生了晚疫病, 造成减产, 导致HY超高产潜力没有充分发挥。另外, YE和HY不仅增加了马铃薯的块茎产量, 而且提高了商品率, 使得商品产量显著增加, 分别较CK在2017—2019年平均提高90.5%和97.4%, 商品产量的增加使纯收益显著分别增加7330.3元 hm^-2和6024.6元 hm^-2; YE较HY纯收益增加1305.7元 hm^-2。因此, YE和HY通过优化栽培模式有效地利用了有限的降水, 使马铃薯群体发育增强, 提高马铃薯产量、水分利用效率和经济效益, 实现了增产增效的目标。

优化栽培模式能克服常规栽培模式对养分资源利用管理的不足, 提高产量、增加养分利用效率^[35,36]。有研究表明, 超高产栽培的水稻N、P、K总吸收量和产谷效率均高于普通高产栽培^[37]; 超高产栽培的玉米N、P、K积累量和收获指数均高于普通高产栽培^[38], 本试验条件下, YE和HY通过黑膜覆盖、增加密度和合理施肥等栽培措施集成优化后促进了马铃薯的群体发育, 增加作物养分吸收量, 使YE的N、P利用效率较CK分别增加了15.21%和17.20%; HY的N利用效率增加了12.37%。但二者均降低了K利用效率, 这可能与黄土高原土壤钾含量较高、施钾肥造成利用率降低有关。同时, YE的N、K收获指数较CK分别增加了3.85%和7.79%; 而HY的N、P收获指数与CK无显著差异, 表明通过优化栽培管理模式可促进作物对肥料的吸收利用。而且与HY相比, YE的N、P利用效率分别增加了2.53%和23.41%; N收获指数增加了2.53%, 更有利于肥料的高效吸收利用, 协同实现了马铃薯高产和水肥高效。

4 结论

高产高效和超高产栽培均增加了马铃薯叶片的SPAD值和群体LAI, 并减缓了块茎膨大后叶片SPAD值和群体LAI的降低幅度, 保持了较高的冠层光合能力。地上群体生物量显著增加, 并提高了块茎膨大同化物对块茎产量的贡献率, 导致块茎产量和水分利用效率显著增加, 提高了商品薯产量, 3年较CK分别新增纯收益7330.3元 hm^-2和6024.6元 hm^-2。高产高效和超高产栽培均显著提高了N、P、K的总积累量、收获指数和N、P利用效率。与超高产栽培模式相比, 高产高效模式减施40%缓释尿素后, 在不减产的基础上, 显著增加了WUE和N、P利用效率, 新增纯收益1305.7元 hm^-2, 实现作物增产和资源高效利用协同发展, 是半干旱区黑膜覆盖马铃薯种植推荐的高产高效模式。

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