水稻秸秆覆盖与氮素施用水平对冬播马铃薯块茎产量的影响

严奉君，李登才，董智瑞，余丽萍，冯豪杰，王 强，张 帆，王西瑶*

（1.四川农业大学农学院，四川 成都 611130；2.布拖县农业农村局，四川 布拖 616350；3.成都市农林科学院，四川 成都 611130）

马铃薯（Solanum tuberosumL.）作为中国第四大主粮作物，具有适应性广、营养价值高，广泛种植于丘陵、高寒等偏远山区，并具粮菜兼用，高收益比等优良特性，因此，马铃薯产业发展对促进农民收入，实现乡村振兴具有重要意义。中国马铃薯种植面积和总产均处于世界第一，但中国马铃薯平均产量低于世界平均水平13.15%，低于美国等发达国家1.75倍[1]，而马铃薯栽培技术较为粗放，特别是针对养分管理模式的研究相比滞后，成为制约中国马铃薯单产提升的主要因素。四川省是中国马铃薯优势产区，成都平原、盆周山区其独特气候条件能够实现马铃薯周年生产，其中冬薯生产因能与其他主产区错峰上市，具有生育期短、经济效益好等特征[2]，但目前由于低温冻害、栽培管理粗放等问题严重制约了该区域冬作马铃薯的生产。

氮素是作物产量形成的重要因子之一，合理的施氮量能够在有效保证作物稳产高产的前提下，显著提高氮素利用率，降低氮肥污染环境的风险[3]。研究表明，合理的氮肥施用能够有效调节马铃薯器官建成、物质代谢，从而显著提高块茎产量与品质[4-7]；过量施氮会导致茎叶徒长，延迟块茎成熟，而过低的氮素投入也会导致植株生长受限，从而显著降低马铃薯块茎产量与品质。与此同时，作物秸秆因其富含丰富营养物质[8]，秸秆覆盖还田，能有效提高土壤肥力，提高土壤水分[9]及水分利用率[10]，保持土壤温度[11]，同时还能有效防治病虫害[12]。王平等[13]研究表明，秸秆覆盖能提前冬马铃薯出苗；钱玉平等[14]研究表明，秸秆覆盖能提高马铃薯单薯重、商品薯率。李玉梅等[15]研究表明，秸秆还田对马铃薯块茎膨大期、淀粉积累期的植株及根系生长有明显的促进作用。中国秸秆资源丰富，四川省马铃薯冬作较大部分前茬作物均为水稻，可为马铃薯生产提供大量秸秆。但是，目前对于氮肥运筹与秸秆覆盖在冬作马铃薯生长及产量的影响研究还较少，尤其缺乏氮肥运筹与秸秆覆盖耦合下的相关研究。此外，功能叶SPAD测定可作为作物氮素营养诊断和推荐施肥的重要手段[16]，通过对马铃薯叶片SPAD测定能够有效监测马铃薯氮素需求状况[17-19]，保障马铃薯氮素有效供给，从而促进块茎产量与品质形成，但以SPAD进行马铃薯氮素诊断时可受叶位、测定位点、生育时期、地点、年份、品种等因素的影响，且由于马铃薯形态特征及产量构成的特殊性，基于SPAD值对马铃薯产量进行预测的研究还鲜有报道。对此，本研究以四川省特色地方资源材料‘布拖乌洋芋’为试验材料，设置不同施氮量以及水稻秸秆覆盖处理，探究不同氮素施用水平对马铃薯产量形成的影响规律，分析马铃薯叶片SPAD值与马铃薯产量的相互关系，以期为区域冬薯生产氮肥管理提供一定的理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料选用四川特色地方资源‘布拖乌洋芋’（由四川农业大学农学院马铃薯研究与开发中心提供），2021年12月23日在崇州市四川农业大学现代农业研发基地进行播种，试验地为沙质红壤土，含有机质18.00 g/kg，全氮1.26 g/kg，有效氮20.13 mg/kg，有效磷51.60 mg/kg，有效钾55.98 mg/kg，pH 6.40。

1.2 试验设计

试验采用两因素裂区试验设计，主区分为水稻秸秆覆盖（M1）和无秸秆覆盖（M0），副区为不同氮素施用水平，设置3种不同施氮水平处理，分别为不施氮（N0）、100 kg/hm2（N1）和150 kg/hm2（N2）纯氮施用。播种前将种薯均匀切块，保证每一块都带有至少3个芽眼且芽眼数相近。将切块后种薯采用灭菌宁溶液处理，浸泡30 min，晾干后播种。试验采用马铃薯大垄双行高产栽培，播种小区面积16 m2，每小区4垄，垄长5 m，垄距90 cm，株距30 cm，3次重复，大垄双行错窝播种，水稻秸秆采用全量还田，均匀覆盖于马铃薯垄面，总覆盖量7 500 kg/hm2。施用磷肥（过磷酸钙，P2O516%）折合P2O575 kg/hm2、钾肥（氯化钾，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%）于播种时与幼苗期按5∶5施用，其他同大田生产管理。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 马铃薯植株形态测定

于马铃薯现蕾期及现蕾期后0 d取植株样，每小区在尽量不损失根系的情况下将植株挖出，每处理随机取样3株，分别测定其植株株高、茎粗与匍匐茎发生节位间距。

匍匐茎发生节位间距：马铃薯地下部植株从生物学下到上，以第1个匍匐茎发生开始计数，第1个匍匐茎发生位点到第2个马铃薯匍匐茎发生位点的距离记作1-2，直至第n个匍匐茎发生位点到第n+1个匍匐茎发生位点记作n-（n+1），测量2个匍匐茎发生位点之间的距离[20]。

1.3.2 马铃薯植株SPAD测定

于马铃薯现蕾期及现蕾期后0、10和20 d，每小区选取长势一致的植株5株，采用SPAD-502 plus便携式测定仪对倒数第1片全叶至倒3叶进行测定，分别记为SPAD1、SPAD2、SPAD3。计算叶片SPAD相对差值。

叶 片SPAD相 对 差 值[SPADn-（n+1）]=SPADn-SPADn+1

1.3.3 马铃薯产量测定

于2021年4月18日马铃薯收获时，按每小区马铃薯植株测定块茎鲜重产量。

1.4 数据处理与分析

采用软件Excel 2016进行试验数据统计与表格制作，采用软件SPSS 27.0进行处理间差异显著性、通径及相关性分析，采用软件JMP 13进行回归方程拟合。

2 结果与分析

2.1 秸秆覆盖与氮肥施用水平对马铃薯现蕾期形态指标的影响

秸秆覆盖与施氮水平均对马铃薯现蕾期形态指标（株高除外）及地上部干物重有显著或极显著的影响，且存在显著或极显著的互作效应。相较于无秸秆覆盖处理（M0），秸秆覆盖处理（M1）下马铃薯植株主茎数降低极显著，降低幅度达22.40%；但在茎粗与地上部干物重方面，在现蕾期M1均较M0显著提高，分别增加9.89%和10.40%。

同时，对比各氮肥施用处理，在M0下，各处理均表现为随着施氮量的增加，马铃薯主茎数、茎粗均随施肥量的增加而显著增加，N1、N2分别较N0增加25.00%、8.38%与50.00%、11.11%；而地上部干物重方面则随施氮量的增加均显著增加，分别增加14.16%与65.36%。而在M1下，株高则表现为随着施氮量的增加而呈现先增加后降低的趋势，以N1处理最高；而在植株茎粗与地上部干物重方面则表现为以N2显著高于其他处理（茎粗N1除外），而以N0最低（表1）。

表1 秸秆覆盖与氮肥施用水平对现蕾期植株形态指标的影响Table 1 Effects of straw mulching and nitrogen application level on plant morphological indices at bud flower stage

2.2 秸秆覆盖与氮肥施用水平对马铃薯产量形成及产量的影响

秸秆覆盖与氮肥施用水平对1-2匍匐茎发生间距无显著影响，但对2-3与3-4发生位点间距有显著或极显著的影响（秸秆覆盖2-3匍匐茎发生间距除外），且秸秆覆盖与氮肥施用水平对各位点发生间距均有显著或极显著的互作效应。对比不同秸秆覆盖处理，M1增加了植株匍匐茎位点的发生。而对比不同氮肥处理，在M0下，相较于N0，N1在1-2发生位点间距显著降低，而在2-3发生位点间距增大，但差异不显著；相较于N0，N2则在1-2发生位点间距增加，但差异不显著，但在2-3则显著降低。在M1下，在1-2、2-3匍匐茎发生位点间距均表现为随施氮量的增加而降低，且2-3匍匐茎发生位点间距显著变化，而在3-4匍匐茎发生位点间距则随施氮量的增加而显著增加。

在产量方面，秸秆覆盖与氮肥施用水平对块茎产量有极显著的影响且存在极显著的互作效应。相较于M0，M1块茎产量增加6.43%。而对比不同施氮水平，在M0下，N1处理下块茎产量显著高于其他处理，而N2次之；而在M1下，各处理则表现为以N0产量最高，但与N1、N2无显著差异（表2）。

表2 秸秆覆盖与氮肥施用水平对匍匐茎发生及产量的影响Table 2 Effects of straw mulching and nitrogen application level on stolon genesis and yield

2.3 秸秆覆盖与氮肥施用水平对马铃薯叶片SPAD值的影响

秸秆覆盖与施氮水平对马铃薯叶片SPAD值有极显著的影响，且存在极显著的互作效应。相较于M0，在现蕾后0 d、现蕾后10 d马铃薯植株倒3叶SPAD值M1均极显著降低；而在现蕾后20 d则表现为，相较于M0，M1倒1叶SPAD值（SPAD1）极显著增加，但倒2叶SPAD值（SPAD2）与倒3叶SPAD值（SPAD3）则均极显著降低。对比不同施氮水平，在M0下，在现蕾后0 d植株叶片SPAD1、SPAD2均表现为随施氮量的增加而显著增加，而在现蕾后10 d则N2显著高于其他处理；在M1下，N1、N2均较N0有显著增加（现蕾后0 d SPAD3除外）（表3）。

表3 秸秆覆盖与氮肥施用水平对叶片SPAD值的影响Table 3 Effects of straw mulching and nitrogen application level on SPAD value

秸秆覆盖与施氮水平（现蕾后0 d SPAD1-3和现蕾后10 d SPAD1-2除外）对各时期叶片SPAD相对差值有显著或极显著的影响，且存在极显著的互作效应。相较于M0，M1在现蕾后0 d、现蕾后10 d植株叶片倒1叶与倒2叶SPAD相对差值（SPAD1-2）、植株叶片倒1叶与倒3叶SPAD相对差值（SPAD1-3）、植株叶片倒2叶与倒3叶SPAD相对差值（SPAD2-3）均显著或极显著降低，但在现蕾后20 d植株叶片SPAD1-2、SPAD1-3、SPAD2-3值M1均较M0极显著增加。对比不同施氮水平，在M0下，在现蕾后0 d除SPAD1-2，N2显著低于N1外，SPAD1-3与SPAD2-3均表现为N1显著低于其他处理，但在现蕾后10 d与现蕾后20 d植株SPAD1-2、SPAD1-3表现为N2显著低于其他处理（现蕾后20 d SPAD1-2、SPAD1-3除外）。而在M1下则表现为，除在现蕾后10 d SPAD1-2与现蕾后20 d SPAD2-3，N2显著高于N1外，在其他时期均为N2显著低于N1（现蕾后20 d SPAD1-3除外）（表4）。

表4 秸秆覆盖与氮肥施用水平对叶片SPAD相对差值的影响Table 4 Effects of straw mulching and nitrogen application level on SPAD D-value

2.4 现蕾期马铃薯顶部叶片SPAD值与块茎产量的相关性分析

在马铃薯现蕾期叶片SPAD值与块茎产量方面相关性，除块茎产量与X3有极显著正相关（r=0.69**），与X6、X8有显著负相关（r=-0.50*，-0.49*）外，与其他指标均无显著相关性。而在通径分析方面，各因子对块茎产量的总通径系数为0.97，各指标对块茎 产 量 的直接影响表现为X2＞X1＞X5＞X6＞X4＞X3＞X7＞X9＞X8，同时各因子对产量间接通径系数表现为，各因子主要通过X1—X6，其通径系数为1.57～-1.18（表5）。

表5 马铃薯现蕾期叶片SPAD值与块茎产量通径及相关性分析Table 5 Correlation and path analysis between SPAD value at bud flower stage and tuber yield

在马铃薯现蕾期叶片SPAD相对差值与块茎产量相关性方面，块茎产量除与L2、L6、L7、L9无显著相关性外，与其他因子均有显著或极显著的相关关系（-0.60**～0.56*）。而在通径分析方面，各因子对块茎产量的总通径系数为0.92，各指标对块茎产量 的 直 接 影 响 表 现 为L5＞L1＞L8＞L4＞L3＞L6，而L2、L7、L9与块茎产量均无直接与间接影响（表6）。

表6 马铃薯现蕾期叶片SPAD相对差值与块茎产量通径及相关性分析Table 6 Correlation and path analysis between SPAD D-value at bud flower stage and tuber yield

2.5 现蕾期马铃薯顶部叶片SPAD值与块茎产量的拟合分析

现蕾期叶片SPAD差值与块茎产量回归分析见图1。

图1 现蕾期叶片SPAD差值与块茎产量回归分析Figure 1 Regression analysis between SPAD D-value at bud flower stage and tuber yield

马铃薯植株SPAD1-2在现蕾后0 d、现蕾后10 d和现蕾后20 d均与块茎产量呈抛物线关系（图1A），其中L1、L2、L3与块茎产量拟合R2=0.48、0.05、0.51，拟合方程分别为y=3.295+0.173 1 L1-0.035 96 L12、y=3.224+0.186 7 L2-0.055 64 L22与y=3.303+0.151 2 L3-0.026 8 L32。马铃薯植株SPAD1-3在现蕾后0 d、现蕾后10 d和现蕾后20 d均与块茎产量回归分析见图1B，L4、L5、L6与块茎产量拟合R2=0.59、0.59、0.52，拟合方程分别为y=3.551+0.060 02 L4-0.016 89 L42、y=3.624-0.344 9 L5+0.051 31 L52与y=3.696+0.027 78 L6-0.071 03 L62。马铃薯植株SPAD2-3在现蕾后0 d、现蕾后10 d和现蕾后20 d均与块茎产量回归分析见图1C，L7、L8、L9与块茎产量拟合R2=0.08、0.62、0.16，拟合方程为y=3.38-0.037 4 L7-0.001 207 L72、y=2.994+0.017 28 L8+0.038 16 L82与y=2.997-0.004 283 L9+0.029 73 L92。

3 讨 论

马铃薯单株结薯数、单个薯重是马铃薯块茎产量形成的重要因素。众多研究表明单株主茎数可有效提高单株结薯数，从而提高产量[21-23]。播种至苗期干旱和低温冻害为冬马铃薯生产最主要的两大自然灾害，低温干旱严重影响种薯出苗及幼苗生长，进而影响马铃薯产量[24]。本研究表明在秸秆覆盖条件下‘布拖乌洋芋’主茎数较无秸秆覆盖处理降低22.40%，但块茎产量提高6.43%；其与前人研究结果有所差异，这可能是由于在秸秆覆盖处理下秸秆腐解产生化感效应降低了马铃薯主茎的萌发与生长，但覆盖秸秆释放的养分及其保水、保肥及稳定土壤温度的作用高效促进了马铃薯植株匍匐茎的发生以及块茎的膨大；与此同时，本研究进一步对植株匍匐茎发生节位进行分析表明，秸秆覆盖处理下各处理植株在1-2与2-3节间的发生间距明显缩短，且增加马铃薯匍匐茎的发生节位，进一步表明秸秆覆盖能够通过优化主茎、匍匐茎的发生，进而促进马铃薯块茎产量。

氮肥是提高作物产量的重要因素，众多研究表明合理的氮肥施用能显著提高马铃薯产量，而氮肥供应不足或过高都会导致马铃薯植株生长不足或生长过旺，影响马铃薯植株干物质积累与转运，进而影响块茎产量形成[25-27]。本研究表明，在无秸秆覆盖条件下，随着施氮量的增加，地上部鲜重增加，这与前人结果一致[28,29]。与此同时，在冬马铃薯生产过程中，马铃薯生长后期由于气温的上升以及降雨量的逐渐增加显著促进马铃薯地上部植株生长，而不合理氮肥施用会进一步导致马铃薯营养生长过盛，源库失调，导致产量降低[29]。在本试验中，在无秸秆覆盖条件下，随着施氮量的增加，产量先增高后减少，但在秸秆覆盖条件下，不施氮肥处理与各施氮肥处理马铃薯块茎产量无显著差异，这可能是由于在秸秆覆盖处理下，秸秆腐解过程中所释放氮素能够满足植株生长，进而保障产量的形成，而过量的氮肥施用在一定程度导致植株地上部生长与植株晚熟，而冬薯生育后期由于温度等因素致使马铃薯地上部营养生长旺盛，进而影响了冬薯产量的形成。

对作物叶片SPAD值的测定，是目前判断植株氮素营养最常见的手段，合理的调节植株叶片SPAD值，能够实现氮肥利用效率、产量与品质等方面的提高[30-32]。本研究表明在秸秆覆盖处理下，除在现蕾后20 d植株倒1叶SPAD值较无秸秆覆盖处理显著提高外，在其他时期各叶片SPAD值均总体较无秸秆覆盖处理显著降低；同时本研究对不同覆盖模式下各氮肥施用水平植株叶片SPAD值及叶片SPAD相对差值研究表明，在现蕾后0～20 d，秸秆覆盖处理氮素施用处理下植株倒1叶、倒2叶与倒3叶SPAD值较无秸秆覆盖显著降低，但各时期叶片SPAD变化幅度较无秸秆覆盖处理显著降低，其中以秸秆覆盖不施氮处理最佳，而100与150 kg/hm2处理次之，其主要原因可能是由于秸秆的腐熟养分释放及保水保肥效应能够实现对马铃薯生长的养分供应，而对于高氮肥施用处理还田秸秆也可能会通过其腐解过程中微生物的生长在一定程度上吸附与固定施用氮素，进而降低过度氮素施用导致植株地上部旺长的现象。

与此同时，本研究进一步对现蕾后0～20 d植株叶片SPAD值及叶片SPAD相对差值与产量通径及相关性分析表明，现蕾后20 d植株倒1叶SPAD值与马铃薯块茎产量有极显著的正相关（r=0.69**），且现蕾后10 d倒1叶SPAD值、现蕾后20 d倒1叶SPAD值和现蕾后0 d倒3叶SPAD值均表现为通过直接与间接的正效应影响产量，而其他时期叶片SPAD值均表现为直接与间接的负效应影响产量。同时，通径分析还表明现蕾后10 d倒1叶与倒2叶SPAD、现蕾后0 d倒2叶与倒3叶SPAD、现蕾后20 d倒2叶与倒3叶SPAD相对差值与产量均无直接或间接影响。此外，本研究对现蕾后0～20 d马铃薯植株叶片SPAD相对差值与块茎产量回归分析还表明，马铃薯块茎产量与现蕾后0和20 d植株倒1叶与倒2叶SPAD相对差值、现蕾后0～20 d植株叶片倒1叶与倒3叶SPAD相对差值、现蕾后10 d植株叶片倒2叶与倒3叶SPAD相对差值拟合度最优（R2=0.48～0.62）。

秸秆覆盖能够有效协调马铃薯主茎数、茎粗与株高，优化地上部植株形态构建，促进地下部匍匐茎发生，秸秆覆盖处理促进植株匍匐茎1-2与2-3节间的发生间距明显缩短，且增加马铃薯匍匐茎的发生节位，进而提高块茎产量形成，较无秸秆覆盖处理块茎产量提高6.43%。增加氮肥施用能够显著促进马铃薯主茎数、茎粗与现蕾期地上部干重，但过高的氮肥施用显著提高马铃薯现蕾期倒3叶SPAD值，致使植株营养源库失调，进而产量降低，但秸秆覆盖搭配100 kg/hm2、150 kg/hm2纯氮施用与不施氮处理产量无显著差异，表明秸秆覆盖能够实现对马铃薯生长的养分供应及对外源施用氮素吸收利用，进而保障块茎产量形成。