冀西北高原馬鈴薯品質(zhì)指標(biāo)對水肥響應(yīng)的研究

劉晶晶 張小帥 岑劍濤 王 鑫

(1.張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 河北張家口 075000；2.張家口市農(nóng)業(yè)高效節(jié)水研究所 河北張北 076450）

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）是茄科茄屬一年生草本植物，內(nèi)含優(yōu)質(zhì)淀粉、蛋白質(zhì)及大量的維生素等，是第四大糧食作物[1]。 中國是世界上最大的馬鈴薯生產(chǎn)國， 近年來隨著馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展和主食化的不斷推進(jìn)， 馬鈴薯也成為了冀西北高原地區(qū)種植面積最廣的典型作物。 冀西北高原地區(qū)處在中國北方農(nóng)牧交錯帶中部核心區(qū)， 屬于資源型缺水區(qū)域，隨著馬鈴薯種植面積的不斷增長，加劇了該區(qū)域水資源短缺現(xiàn)狀， 造成嚴(yán)重的地下水超采和淺層地下水硝酸鹽超標(biāo)等生態(tài)和環(huán)境問題。 因此，發(fā)展高新節(jié)水綠色農(nóng)業(yè)對于該地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。

目前， 國內(nèi)外學(xué)者對馬鈴薯水肥方面進(jìn)行了大量研究[2-10]，但針對冀西北高原地區(qū)特殊氣候條件下，水肥交互作用對馬鈴薯產(chǎn)量及品質(zhì)的相關(guān)研究鮮有涉及。 本文作者在試驗研究獲得馬鈴薯起壟種植在不同生育時期需水規(guī)律的基礎(chǔ)上， 開展馬鈴薯水肥雙因素完全隨機試驗，分析了水、肥及水肥交互對馬鈴薯產(chǎn)量與品質(zhì)的影響， 為冀西北高原地區(qū)馬鈴薯種植過程中水肥高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本研究在張家口市農(nóng)業(yè)高效節(jié)水研究所開展，位于張家口市張北縣 （41°15′ N、114°7′ E， 海拔約1 393.3 m），多年平均降雨量385 mm 左右，年平均氣溫為3.2℃，屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候。灌溉方式為滴灌，水源為地下水。 試驗田土壤為栗鈣土，容重為1.66 g/cm3，田間持水量為17.23%。

1.2 試驗材料

試驗作物為馬鈴薯，品種為‘冀張薯12號’，是用大西洋/99-6-36 選育的中晚熟鮮食品種， 單株結(jié)薯5.2個，單薯重184.9 g，畝產(chǎn)量達(dá)4 500 kg，商品薯率82.3%左右，適宜在河北北部種植。

1.3 試驗設(shè)計

2019年水肥雙因素完全隨機試驗灌溉定額設(shè)置3個水平，分別以Wi（i=1，2，3）表示，灌溉定額分別為180 mm、150 mm 和 120 mm。 施肥量設(shè)置 3個水平（100%、80%、60%），分別以Fj（j=1，2，3）表示，F(xiàn)1 施肥量為全生育期追肥1 499.25 kg/hm2， 生育期內(nèi)N、P2O5、K2O 施用比例為 17.6∶10.4∶21.2。

2020年試驗設(shè)置3個水肥處理， 各處理水肥方案見表1。處理T2 與處理T3 各生育時期灌溉水量與施肥量分別為處理T1 的60%與40%。每個試驗處理設(shè)置3 次重復(fù)， 共9個小區(qū)， 單個小區(qū)面積9.8 m×10.8 m，9個試驗小區(qū)位置隨機布置排列。 灌溉方式均為滴灌，壟間距90 cm，株距20 cm，每壟播種一行，每畝約3 705 株。 選用滴灌帶的滴頭間距30 cm，滴灌帶流量3.0 L/h，壁厚0.18 mm，工作壓力0.1 MPa，“單壟單帶”布置。

表1 馬鈴薯不同水肥組合試驗

1.4 測試項目

土壤含水率：全生育期利用TRIME 管式TDR 測定0~80 cm 土層范圍內(nèi)的含水率， 降雨前后及灌溉前后必測。

灌溉水量：記錄各個試驗小區(qū)的灌溉水量、灌水時間。

施肥量：記錄追肥的種類、施用量、施用時間和施用方法。

生理數(shù)據(jù)：隨機選定長勢中等、具有典型代表性的植株作為測試對象，跟蹤測量株高、葉面積。

氣象數(shù)據(jù)：由試驗區(qū)所安裝的氣象站測得，主要包括平均風(fēng)速（km/d）、最高及最低溫度（℃）、平均相對濕度（%）、日照時數(shù)（h）及降雨量（mm）等。

產(chǎn)量： 收獲時對試驗小區(qū)內(nèi)的馬鈴薯根據(jù)塊莖質(zhì)量進(jìn)行分類，分別統(tǒng)計計算單位面積產(chǎn)量。

營養(yǎng)品質(zhì)檢測項目： 維生素C 含量 （鉬藍(lán)比色法）[11]、蛋白質(zhì)含量（凱氏定氮法）[12]、淀粉含量（酶水解法）[13]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計并制作圖表， 采用DPS 7.05 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行方差分析等。

2 結(jié)果與分析

2.1 耗水規(guī)律

國內(nèi)有關(guān)馬鈴薯滴灌條件下水肥一體化技術(shù)研究、水肥耦合技術(shù)研究、需水規(guī)律研究、水分生產(chǎn)研究的結(jié)論，大多反映在不同栽培模式下增產(chǎn)、水分生產(chǎn)率提高上。 將本研究結(jié)果與王鳳新[2]、秦軍紅[3]等國內(nèi)學(xué)者對露地馬鈴薯開展的需水規(guī)律研究進(jìn)行了簡單對比，結(jié)果見表2。

表2 馬鈴薯相關(guān)研究成果對比

對比結(jié)果表明，不同地區(qū)、不同種植模式、不同品種等條件下馬鈴薯蒸散量差異較為明顯， 本研究區(qū)域內(nèi)馬鈴薯全生育期蒸散量高于其他區(qū)域的試驗結(jié)果，然而水分利用效率幾近相同，反映了冀西北高原地區(qū)冷涼特征對于馬鈴薯蒸散特征的影響。 階段耗水量模比系數(shù)呈現(xiàn)相似特征， 塊莖膨大期需水量最大，淀粉積累期需水量最小，苗期耗水特征差異同樣反映了不同地區(qū)的氣候條件影響。

2.2 產(chǎn)量及水分利用效率

不同水肥組合馬鈴薯的水分利用效率見表3。在試驗水肥量范圍內(nèi)水分利用效率與產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系。 另外，連續(xù)2年的試驗結(jié)果表明，馬鈴薯最大水分利用效率約 116 kg/（hm2·mm）。 此處僅以 2020年試驗結(jié)果為例進(jìn)行分析討論。

表3 不同水肥組合馬鈴薯的水分利用效率

T1、T2、T3 全生育期灌溉水量分別為 111 mm、85 mm、73 mm，對比 T1 與 T2 處理，隨著灌溉水量的增加，馬鈴薯蒸騰蒸發(fā)量增大，同時產(chǎn)量提高，水分生產(chǎn)率的提高微乎其微； 同樣地， 對比T3 與T2 處理，馬鈴薯蒸發(fā)量的增量反而小于灌溉水量的增量，從而引起水分生產(chǎn)率4%的增幅。2020年雨季降水集中、連續(xù)，氣候較為異常，由此引起了對于蒸發(fā)蒸騰的影響，并導(dǎo)致產(chǎn)量未達(dá)到預(yù)期。

2.3 不同水肥條件對馬鈴薯品質(zhì)的影響

馬鈴薯的營養(yǎng)成分主要是淀粉、蛋白質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)， 它們是組成馬鈴薯塊莖干物質(zhì)的主要成分，也是評價馬鈴薯品質(zhì)的重要指標(biāo)。 淀粉是馬鈴薯最主要的營養(yǎng)成分，馬鈴薯淀粉主要是支鏈淀粉，是人類及家畜重要的能量食物。 馬鈴薯蛋白質(zhì)含量比淀粉含量低得多，但是馬鈴薯塊莖蛋白質(zhì)（馬鈴薯球蛋白）具有較高的生物學(xué)價值，馬鈴薯球蛋白含有豐富的氨基酸， 包括人體和動物不能自己合成只能依靠食物攝取的8種必需氨基酸， 其中C 反應(yīng)蛋白對于提高人體免疫力具有重要作用， 能夠有效降低人體患心血管疾病的風(fēng)險。 馬鈴薯的營養(yǎng)價值還表現(xiàn)在維生素含量豐富，尤其維生素C，研究表明，過量的氮肥和鉀肥能夠降低維生素C 的含量， 適當(dāng)增施磷肥，能夠提高維生素C 的含量。

2.3.1 不同水肥條件對馬鈴薯淀粉含量的影響2019年不同水肥條件對馬鈴薯淀粉含量的影響見圖1。 在施肥量相同條件下，淀粉含量均隨灌溉定額的增大先升高后降低，在高肥（F1）與中肥（F2）條件下，不同灌溉定額馬鈴薯淀粉含量差異極顯著，在低肥（F3）條件下，盡管呈現(xiàn)相同趨勢，但不同水處理間差異不顯著。 另外，在灌溉定額相同條件下，淀粉含量也幾乎呈現(xiàn)隨施肥量的增大先升高后降低的規(guī)律，高水（W1）條件下，不同施肥處理間淀粉含量差異不顯著，中水（W2）與低水（W3）條件下，高肥（F1）與中肥（F2）淀粉含量均與低肥（F3）淀粉含量差異極顯著。 方差分析結(jié)果表明，水因素、肥因素、水肥交互作用對于馬鈴薯淀粉含量有極顯著的影響（P水＜0.01，P肥＜0.01，P水×肥＜0.01）。

圖1 不同水肥條件對馬鈴薯淀粉含量的影響（2019年）

2.3.2 不同水肥條件對馬鈴薯維生素C 含量的影響2019年不同水肥條件對馬鈴薯維生素C 含量的影響見圖2。 在施肥量相同條件下，維生素C 含量均隨灌溉定額的增大先升高后降低，在中肥（F2）條件下，不同灌溉定額馬鈴薯淀粉含量差異極顯著， 在高肥（F1）與低肥（F3）條件下，呈現(xiàn)相同趨勢，其中高水（W1）與中水（W2）差異極顯著。 另外，在灌溉定額相同條件下， 維生素含量幾乎呈現(xiàn)隨施肥量的增大而降低的規(guī)律，高水（W1）條件下，高肥（F1）與中肥（F2）維生素 C 含量差異極顯著；中水（W2）條件下，高肥（F1）與中肥（F2）維生素 C 含量差異極顯著；低水（W3）條件下，中肥（F2）與低肥（F3）維生素 C 含量差異極顯著。 方差分析結(jié)果表明， 水、 肥、 水肥交互對于馬鈴薯維生素C 含量有極顯著的影響 （P水＜0.01，P肥＜0.01，P水×肥＜0.01）。

圖2 不同水肥條件對馬鈴薯維生素C 含量的影響（2019年）

2.3.3 不同水肥條件對馬鈴薯蛋白質(zhì)含量的影響2019年不同水肥條件對馬鈴薯驗蛋白質(zhì)含量的影響見圖3?；境尸F(xiàn)出隨著施肥量的增大馬鈴薯蛋白質(zhì)含量先升高后降低的規(guī)律，但是在高肥（F1）與中肥（F2）條件下，蛋白質(zhì)含量差異不顯著，低肥（F3）條件下蛋白質(zhì)含量差異極顯著， 且隨著灌溉定額的減少而升高。 方差分析結(jié)果表明，水、肥、水肥交互對于馬鈴薯蛋白質(zhì)含量有極顯著的影響 （P水＜0.01，P肥＜0.01，P水×肥＜0.01）。

圖3 不同水肥條件對馬鈴薯蛋白質(zhì)含量的影響（2019年）

2.3.4 水肥效應(yīng) 綜上分析，水、肥、水肥交互作用均對馬鈴薯3 項品質(zhì)指標(biāo)有極顯著影響。 2020年馬鈴薯品質(zhì)3 項指標(biāo)的檢測結(jié)果（圖4）表明，不同水肥條件下， 馬鈴薯維生素C 含量隨水肥量的增大有下降趨勢；淀粉含量隨水肥量的增大先升高后降低；蛋白質(zhì)含量隨著水肥量增加先升高后降低， 但是差異并不明顯。 基本與2019年試驗結(jié)論一致。

圖4 不同水肥水平馬鈴薯品質(zhì)檢測結(jié)果（2020年）

分析連續(xù)2年的試驗結(jié)果，在試驗設(shè)計范圍內(nèi)水肥量的增加有利于提高馬鈴薯產(chǎn)量，但是會導(dǎo)致馬鈴薯品質(zhì)下降。 在減產(chǎn)10%~13%的條件下，可以節(jié)水節(jié)肥20%~40%， 同時保證每100 g 馬鈴薯維生素C和淀粉含量分別達(dá)到22.0~24.0 mg 和13.4~15.8 g。因此，在研究區(qū)域內(nèi)，在正常降水年份（平水年）內(nèi)，在兼顧馬鈴薯產(chǎn)量并保證品質(zhì)的前提下， 建議施肥量為每生產(chǎn)1 000 kg 塊莖，施入純N 3.2~4.0 kg、K2O 4.0~8.0 kg、P2O51~3 kg。 研究表明，馬鈴薯對磷肥吸收緩慢，可以作為底肥一次性施入。

3 結(jié)論

本研究在馬鈴薯不同生育時期需水規(guī)律的基礎(chǔ)上， 通過2019年和2020年連續(xù)2年不同水肥組合試驗，對水、肥及水肥交互對馬鈴薯品質(zhì)的影響進(jìn)行了研究分析，主要得出以下結(jié)論。

（1）研究區(qū)域馬鈴薯全生育時期需水量為386 mm左右，塊莖形成期與塊莖膨大期需水量最大，塊莖膨大期模比系數(shù)為35%~42%；在試驗水肥量范圍內(nèi)水分生產(chǎn)率與產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系，且產(chǎn)量隨水肥量增大而增大，馬鈴薯最大水分利用效率約116 kg/（hm2·mm）。與國內(nèi)相關(guān)研究結(jié)論對比表明，不同地區(qū)、不同種植模式、 不同品種等條件下馬鈴薯蒸散量差異較為明顯， 本研究研究區(qū)域馬鈴薯全生育期蒸散量高于其他區(qū)域的試驗結(jié)果，然而水分利用效率幾近相同，反映了冀西北高原地區(qū)冷涼特征對于馬鈴薯蒸散特征的影響。 階段耗水量模比系數(shù)呈現(xiàn)相似特征，塊莖膨大期需水量最大，淀粉積累期需水量最小， 苗期耗水特征差異同樣反映了不同地區(qū)的氣候條件影響。

（2）水、肥、水肥交互作用均對馬鈴薯3 項品質(zhì)指標(biāo)有極顯著影響，不同水肥條件下，馬鈴薯維生素C 含量隨水肥量的增大有下降趨勢；淀粉含量隨水肥量的增大先升高后降低； 蛋白質(zhì)含量隨著水肥量增加先升高后降低，但是差異并不明顯。 在試驗設(shè)計范圍內(nèi)水肥量的增加有利于提高馬鈴薯產(chǎn)量， 但是會導(dǎo)致馬鈴薯品質(zhì)下降。

（3）在研究區(qū)域正常降水年份（平水年）內(nèi)，在兼顧馬鈴薯產(chǎn)量并保證品質(zhì)的前提下， 建議灌溉定額為150 mm 左右， 施肥量為每生產(chǎn)1 000 kg 塊莖，施入純 N 3.2~4.0 kg、K2O 4.0~8.0 kg、P2O51~3 kg。