環(huán)境因子對特色馬鈴薯產(chǎn)量影響分析

張 皓，鄧仁菊，張學(xué)彬，金昭貴，秦 杰，滕萬里，王祿靜，李 娟

(1清鎮(zhèn)市氣象局，清鎮(zhèn) 550014；2貴陽國家農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，清鎮(zhèn) 550014；3貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，貴陽550006)

馬鈴薯是僅次于水稻、玉米和小麥的全球第四大糧食作物，近年來受溫度上升、日照減少與降水格局變化影響，其產(chǎn)量發(fā)生明顯波動。有研究表明[1]，馬鈴薯塊莖形成期氣溫每升高1°C，則產(chǎn)量減少3%。宋學(xué)鋒[2]在探討氣候條件對馬鈴薯產(chǎn)量的影響過程中發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯產(chǎn)量與結(jié)薯期日照時(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān)。貴州喀斯特地貌特征突出，生態(tài)環(huán)境脆弱，環(huán)境承載力低，氣候變化敏感[3]，同時(shí)作為西南馬鈴薯產(chǎn)區(qū)的重要省份，種植面積位居全國前列。池再香等[4]致力于貴州西部馬鈴薯研究多年，得出氣溫對產(chǎn)量形成的影響為負(fù)效應(yīng)，梁平等[5]采用積分回歸分析、相關(guān)分析、一元非線性回歸等方法，從光、溫、水等角度對六盤水馬鈴薯產(chǎn)量形成的動態(tài)影響開展了研究，結(jié)論與池再香等[4]一致。馬鈴薯生長發(fā)育一方面對氣象因子(尤其是水)表現(xiàn)出依賴性，另一方面與土壤肥力及種植模式關(guān)系密切。張萌等[6]通過對貴州春馬鈴薯生物效應(yīng)與土壤肥力的影響分析，證明緩釋肥可以使單株產(chǎn)量和大中薯率分別提高2.6%—73.1%和6.6%—15.1%，并在此基礎(chǔ)上探討了槍施肥技術(shù)在貴州春馬鈴薯生產(chǎn)中的應(yīng)用效果[7]，鄧仁菊以‘中薯3號’為試材，設(shè)置不同栽培模式分析冬作早熟馬鈴薯抗旱防寒的效果時(shí)發(fā)現(xiàn)起壟后采用黑膜覆蓋使早熟馬鈴薯增產(chǎn)明顯[8]。

針對特色馬鈴薯在黔對土壤及氣象因子的適宜性分析未見報(bào)道，馬鈴薯產(chǎn)量的形成受氮、磷、硫等元素的吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)影響又與環(huán)境條件、作物本身的抗性與適應(yīng)性相關(guān)[9]。本研究從土壤養(yǎng)分狀況、全生育期內(nèi)逐日氣象數(shù)據(jù)兩個方面對馬鈴薯生長環(huán)境進(jìn)行分析，同時(shí)探討開廂寬度對馬鈴薯產(chǎn)量形成的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于貴州省清鎮(zhèn)市暗流鎮(zhèn)關(guān)口村，海拔1 123.92m，東南向，土壤類型為黃壤，品種選取來源于秘魯?shù)奶厣R鈴薯‘紅寶石’。試驗(yàn)時(shí)間為2018年4月24日—2018年7月10日。選擇直徑為5cm的種薯，分別按照0.8m、1.0m、1.2m開廂，兩廂間隔20cm，株距15cm進(jìn)行種植，布置3個小區(qū)，密度分別為66 500株hm2、55 500株hm2、47 600株hm2。底肥施有機(jī)肥15 000 kghm2+硫酸鉀復(fù)合肥750 kghm2；馬鈴薯出苗>50%時(shí)，用尿素150 kghm2進(jìn)行液態(tài)澆施提苗。追肥1次，用硫酸鉀 225 kghm2+尿素150 kghm2，以液態(tài)形式追施。整個生育期采用常規(guī)田間管理。

1.2 數(shù)據(jù)來源與方法

氣象數(shù)據(jù)(氣溫、降水、空氣濕度、地溫、土壤濕度、光合有效輻射)由貴州省氣象局統(tǒng)一建設(shè)的農(nóng)田小氣候站采集。分別測定0.8m、1.0m、1.2m開廂的小區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量，并換算為單產(chǎn)依次為：19.67thm2、19.72thm2、19.62thm2。馬鈴薯收獲后，下茬作物種植前進(jìn)行土壤樣品的采集，采樣前一周研究區(qū)未見降水，樣品選擇多云天氣下，在一日內(nèi)完成采集，取馬鈴薯根區(qū)1 kg土壤樣。土壤pH：電位法；土壤有機(jī)質(zhì)：油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法；堿解氮：堿解擴(kuò)散法；全磷：高氯酸消解-鉬銻抗比色法；有效磷：碳酸氫鈉法；全鉀：氫氧化鈉熔融-火焰光度計(jì)法；速效鉀：醋酸銨-火焰光度計(jì)法。測定委托貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院完成。

表1 全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)

Table 1 Nutrient classification standards for the second national soil census

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分

根據(jù)毛留喜等[10]研究，馬鈴薯生長的土壤酸堿度最適范圍為5.0—6.5，研究地點(diǎn)實(shí)際測得pH為6.39，適宜馬鈴薯生長。對照表1、表2可知，有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到了Ⅰ級，作為土壤氮素有效性指標(biāo)的堿解氮極豐富，高達(dá) 166.84 mgkg，為馬鈴薯生長提供了充分的氮素保障。土壤中全磷極為缺乏含量僅為0.10 gkg，有效磷為最適宜(11.98 mgkg)。全鉀含量1.22 gkg屬于極缺乏，而速效鉀含量卻極豐富。

表2 土壤養(yǎng)分狀況

2.2 氣象因素

根據(jù)周岑岑[11]的研究將生育期劃分為播種、出苗、塊莖形成、塊莖膨大和成熟五個時(shí)期。由表3、圖1可知，從播種到出苗，氣溫在13.4—28.6℃，有利于種薯發(fā)芽和根系迅速生長；從出苗到塊莖形成，平均氣溫20.9℃；塊莖形成到膨大的過程中，平均氣溫為21.2℃；塊莖膨大到成熟，平均氣溫為23.7℃。由圖1可知在馬鈴薯的整個生育期內(nèi)，氣溫日較差最大值出現(xiàn)在塊莖膨大到成熟期(6月8日)，有利于塊莖增長和同化產(chǎn)物的增長?？傮w而言平均氣溫逐步升高并且變化平穩(wěn)。

表3 馬鈴薯全生育期氣象因子

土壤中進(jìn)行的水、肥、氣、熱的交換相對于大氣活動而言變化緩慢，土壤溫度調(diào)節(jié)受微生物活動，呼吸速率的影響，導(dǎo)致在全生育期內(nèi)土壤最高溫度、最低溫度的變化斜率分別為0.009 9和0.06，均小于氣溫變化幅度(圖2)；溫度日較差的降低速度土壤要快于大氣，也反映出土壤在溫度調(diào)節(jié)方面具有緩沖作用。塊莖生長-膨大期以土溫16—18℃對塊莖的形成最為有利，本試驗(yàn)中該時(shí)段的土壤平均溫度為21.5℃，并且最高溫度達(dá)到了28.3℃，這對于馬鈴薯產(chǎn)量形成不利[12]。

圖3顯示，土壤的相對濕度與降水量密切相關(guān)。播種-出苗，土壤相對濕度為37.3%，降水量為41.0mm，能充分滿足塊莖生芽出苗；出苗-塊莖生長期間，植株對水的需求最為敏感，此間平均相對濕度為37.5%，降水量為48.8mm，未充分達(dá)到馬鈴薯產(chǎn)量形成所需的最優(yōu)條件，后期(塊莖生長-塊莖膨大)降水量(108.4mm)增大，匍匐莖二次生長容易造成塊莖畸形或者增加屑薯量，影響最終產(chǎn)投比。

馬鈴薯是喜光作物，本試驗(yàn)將馬鈴薯生育期內(nèi)逐日光合有效輻射≥50μmol(m2·s)的時(shí)數(shù)[13]作為光合有效時(shí)數(shù)，并確定了每日起始時(shí)間。由圖4、5可知，生育期各階段平均光合時(shí)數(shù)分別為9.56h、9.62h、9.69h、10.04h，全生育期平均光合時(shí)數(shù)為9.83h。播種-出苗，起始時(shí)間頻率最高的為9：00，光合累計(jì)時(shí)數(shù)為34.6h；出苗-塊莖生長，起始時(shí)間頻率最高的為8：50，光合累計(jì)時(shí)數(shù)為39.1h；塊莖生長-塊莖膨大，起始時(shí)間頻率最高的為7：30，光合累計(jì)時(shí)數(shù)為39.9h；塊莖膨大-成熟，起始時(shí)間頻率最高的為8：50，光合累計(jì)時(shí)數(shù)為58.8h。馬鈴薯全生育內(nèi)日均光合有效時(shí)數(shù)為9.8 h，長時(shí)間日照不利于塊莖生長[14]。

2.3 相關(guān)性分析

由表4可見，氣象因子中，氣溫、土壤溫度與光合有效輻射之間為負(fù)相關(guān)，后兩者相關(guān)性達(dá)到了顯著水平(-0.959)，說明生育期內(nèi)溫度升高反而不利于光合有效輻射增加。土壤因子中，pH與全磷、全鉀含量存在極顯著相關(guān)性，不同的是與前者為負(fù)相關(guān)系數(shù)為-0.965，與后者為正相關(guān)(0.967)；有機(jī)質(zhì)與堿解氮之間呈極顯著正相關(guān)(0.950)；堿解氮與速效鉀之間為顯著正相關(guān)(0.896)；全磷與全鉀為極顯著負(fù)相關(guān)(-0.978)。氣象因子與土壤因子間的相關(guān)性，在土壤溫度與有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀中表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為：-0.959、-0.972、-0.977；光合有效輻射與速效鉀之間呈極顯著正相關(guān)，系數(shù)達(dá)到了0.993。馬鈴薯產(chǎn)量與累計(jì)降水量、全磷、有效磷為正相關(guān)。

表4 各因子與馬鈴薯產(chǎn)量間相關(guān)性

注：*、**分別表示通過 0.05、0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。Yield為實(shí)際產(chǎn)量，P為累計(jì)降水量，T為氣溫，St為土壤溫度，Srh為土壤相對濕度，PAR為光合有效輻射，OM為有機(jī)質(zhì)，EN為堿解氮，TP為全磷，EP為有效磷，TK為全鉀，EK為速效鉀。下同

2.4 主成分分析

為探索不同開廂寬度馬鈴薯產(chǎn)量、土壤及氣象因子狀況，對13個指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，表5為得分系數(shù)矩陣。可知有機(jī)質(zhì)(OM)、堿解氮(EN)在第一主成分中的因子荷載最大，光合有效輻射(PAR)在第二主成分中荷載最大。

把因子載荷矩陣中的第i列向量除以第i個特征根的開方以后，就得到第i個主成分Fi的特征向量；將得到的系數(shù)向量與標(biāo)準(zhǔn)化后的原始數(shù)據(jù)相乘，然后就可以得出主成分Fi的表達(dá)式；以各主成分的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)匯總，得到各開廂寬度主成分綜合值F綜合[15](表6)。

表5 成分得分系數(shù)矩陣

表6 不同開廂寬度主成分因子綜合得分

3 結(jié)論與討論

3.1 土壤因子含量豐缺不一

各土壤因子中pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮適宜馬鈴薯生長及產(chǎn)量形成，全磷、全鉀缺乏，而速效成分達(dá)到了最適宜和極豐富水平。Guo等[16]測定我國7省份 35 個地區(qū)的 154 塊農(nóng)田表土pH，結(jié)果表明：1980—2000年這20年間農(nóng)田耕層土壤 pH 顯著下降 0.5 個單位(P<0.001)。試驗(yàn)地段前茬作物為蓮花白，屬十字花科，為減少根腫病的發(fā)生施用了適量石灰[17]，有效緩解了土壤酸化，提升了土壤酶活性，在營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量代謝等過程中為促進(jìn)產(chǎn)量形成發(fā)揮了重要作用[18-20]。這導(dǎo)致本研究結(jié)果與Guo等[16]的研究存在偏差。馬鈴薯對氮營養(yǎng)具有很靈敏的反應(yīng)，每公頃22 500 kg的馬鈴薯會從土壤中吸收8.3 kg的氮素[21]，同時(shí)氮素在細(xì)胞原生質(zhì)的形成過程中有重要作用，其含量高低與馬鈴薯生長發(fā)育優(yōu)劣聯(lián)系緊密。馬鈴薯生長發(fā)育期間植株吸收和利用的磷較少，磷素在土壤中容易被固定導(dǎo)致全磷缺乏，而根際酸化可以使難以移動的磷素被活化，提高植物對它的利用率[22]，引起有效磷含量的增加。土壤中90%—98%全鉀在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)是無效的，速效鉀易被植物吸收，馬鈴薯是喜鉀的作物，在植物體內(nèi)鉀素雖然不直接參與有機(jī)物合成，但是對糖類轉(zhuǎn)運(yùn)和淀粉的合成有著重要的作用。相當(dāng)含量的速效鉀，能在塊莖膨大期促進(jìn)物質(zhì)由地上向地下轉(zhuǎn)移[11]。

3.2 生育期氣象因素對產(chǎn)量影響弊大于利

通過對馬鈴薯各生育期氣象因素分析，表明氣溫利于植株生長和干物質(zhì)積累，從出苗到塊莖形成，葉片充分舒展，為地上部分生長的關(guān)鍵時(shí)期，氣溫在9—25℃[23]馬鈴薯葉片的展開速率與溫度呈現(xiàn)線性正相關(guān)關(guān)系；塊莖形成到膨大的過程中，地上部莖葉生長和塊莖形成同時(shí)進(jìn)行，溫度高低將決定株結(jié)數(shù)數(shù)量多少，21.2℃處于植株最佳凈光合速率的氣溫區(qū)間[24]；塊莖膨大到成熟，馬鈴薯干物質(zhì)分配更傾向于地下部分運(yùn)移，以塊莖體積和重量增長為中心，同時(shí)較大的氣溫日較差有利于積累淀粉。最適合馬鈴薯塊莖生長的土壤溫度為 16—18℃[25]，長期高溫會導(dǎo)致干物質(zhì)向塊莖中轉(zhuǎn)移受阻、塊莖比重下降[26]；而水分在不同生育期內(nèi)含量多少對馬鈴薯產(chǎn)量高低至關(guān)重要，整個生育期內(nèi)每產(chǎn)出1kg新鮮塊莖，需要消耗100—150kg的水[27]，而土壤水分前期不足后期過多的現(xiàn)象會造成屑薯率增加，影響商品化率；長日照條件下，馬鈴薯匍匐莖過分生長，塊莖膨大受阻[28]。

3.3 環(huán)境因子間及其與產(chǎn)量相關(guān)性正負(fù)各異

氣溫、土壤溫度與光合有效輻射之間呈負(fù)相關(guān)，pH與全磷為極顯著負(fù)相關(guān)，與全鉀含量為極顯著正相關(guān)；有機(jī)質(zhì)與堿解氮之間呈極顯著正相關(guān)；堿解氮與速效鉀之間為顯著正相關(guān)；全磷與全鉀為極顯著負(fù)相關(guān)。土壤溫度與有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀中表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)，土壤溫度升高利于有機(jī)質(zhì)分解，促進(jìn)作物對氮素和鉀素吸收，造成土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的減少；光合有效輻射與速效鉀之間呈極顯著正相關(guān)，速效鉀易被吸收，游離于作物體內(nèi)，利于氣孔導(dǎo)度和葉肉導(dǎo)度對光照變化的響應(yīng)[29]；馬鈴薯產(chǎn)量與全磷、有效磷為正相關(guān)，土壤磷素含量高會導(dǎo)致塊莖數(shù)量的增加，從而提高馬鈴薯產(chǎn)量，但過量施用會降低單薯重量[30]；光合有效輻射過強(qiáng)會影響馬鈴薯葡匍基頂端的膨大和塊基的形成[31]，而且長時(shí)間的輻射造成土壤水分蒸發(fā)嚴(yán)重，不能及時(shí)供給作物利用影響產(chǎn)量形成，鉀被植物吸收造成土壤中含量降低，因此產(chǎn)量表現(xiàn)出與光合有效輻射、土壤相對濕度、土壤速效鉀含量呈負(fù)相關(guān)的結(jié)果。

3.4 開廂寬度對產(chǎn)量影響表現(xiàn)

通過主成分分析，三種開廂寬度主成分因子綜合得分排序?yàn)椋?.0m(0.06)>0.8m(0.02)>1.2m(-0.03)。開廂寬度對應(yīng)的種植密度分別為66 500株hm2、55 500株hm2、47 600株hm2，實(shí)際產(chǎn)量及主成分分析結(jié)果說明：馬鈴薯的產(chǎn)量與密度呈拋物線型關(guān)系，當(dāng)種植密度達(dá)到產(chǎn)量和個體經(jīng)濟(jì)性狀最佳以后，再增加則產(chǎn)量降低，這一結(jié)果與梁錦秀等的研究結(jié)果相一致[32]。主要原因是：雖然馬鈴薯種植密度在增加，然而密度對馬鈴薯的光能轉(zhuǎn)化率無顯著影響，而塊莖的平均重量及大中薯率則下降[33]。

筆者通過調(diào)研了解到，與同時(shí)期在威寧開展的引種試驗(yàn)比較，從產(chǎn)量上而言試驗(yàn)地段不適宜開展春馬鈴薯的種植。本研究表明，塊莖生長-膨大期土壤溫度偏高，全生育期光合有效時(shí)數(shù)偏長以及降水前少后多，不利于馬鈴薯增產(chǎn)，為主要限制因子。但是針對不同開廂寬度進(jìn)行的各因子主成分分析表明，1.0m開廂更適宜試驗(yàn)地點(diǎn)該種馬鈴薯的種植。