鐵鋅肥對隴中旱農(nóng)區(qū)馬鈴薯光合特性和產(chǎn)量的影響

惠領(lǐng)領(lǐng)，謝軍紅，李玲玲，周永杰，王進斌，謝麗華，趙瀟瀟

（干旱生境作物學國家重點實驗室，甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，甘肅 蘭州 730070）

馬鈴薯作為我國的四大主要糧食作物之一，可菜可食，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。隴中旱農(nóng)區(qū)氣候陰涼，土壤富鉀，屬于馬鈴薯高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培區(qū)域［1-4］。馬鈴薯作為隴中旱作農(nóng)業(yè)的特色作物，常年的種植面積穩(wěn)定在66.7 萬hm2以上，但近年來隨著氮磷鉀肥料高投入以及馬鈴薯連續(xù)種植，打破了土壤中常量養(yǎng)分與微量養(yǎng)分間的平衡［6］，尤其是石灰性土壤由于鐵、鋅等微量元素的缺乏，在影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的同時，也影響資源利用效率，因此，旱作馬鈴薯農(nóng)田鐵鋅補施技術(shù)的研究亟待開展。

鐵是馬鈴薯需求量最大的微量元素［7］，是參與光合作用和葉綠素合成的必需元素［8］。研究表明，在馬鈴薯生育過程中施入適量鐵肥，對改善光合作用以及提高產(chǎn)量具有積極效應(yīng)［9］。馬鈴薯缺鐵時表現(xiàn)為幼苗葉脈黃化，植株生長細弱，進而影響光合速率、干物質(zhì)積累和產(chǎn)量［10］。鐵參與作物內(nèi)源激素的合成，施用鐵肥可提高馬鈴薯塊莖脫落酸（ABA）和玉米素（ZT）含量，降低生長素（IAA）和赤霉素（GA）含量，有利于抑制營養(yǎng)生長，促進儲藏物質(zhì)積累，從而為塊莖產(chǎn)量和品質(zhì)奠定基礎(chǔ)，可見補施鐵肥對作物增產(chǎn)提質(zhì)有積極作用［11］。鋅也是馬鈴薯生長必需的微量元素之一［12］，它不僅是高等植物體內(nèi)酶的金屬組分，也是酶在調(diào)節(jié)機制及結(jié)構(gòu)功能方面的輔助因子，參與作物體內(nèi)激素代謝、光合作用等生理過程。鋅對作物產(chǎn)量有重要影響，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，增施鋅肥是提高作物產(chǎn)量的重要措施，鋅可提高作物的光合效率，為作物增產(chǎn)奠定生理基礎(chǔ)，同時鋅還可促進作物根系生長發(fā)育，提高養(yǎng)分利用效率，增加作物地上部干物質(zhì)積累［13］。在生產(chǎn)中，合理施用鋅肥，能促進馬鈴薯葉片中葉綠素的合成［14］，顯著改善作物的光合作用［15］。此外，鐵鋅肥配施對夏玉米光合特性和葉綠素有顯著影響［16］，鋅鐵交互作用對作物產(chǎn)量有重要影響。鐵、鋅化學性質(zhì)相似，通過相同的轉(zhuǎn)運系統(tǒng)進行運輸和吸收，大豆中鋅對鐵的運輸具有抑制作用［17］，高鋅毒害會引起植物葉片類似于缺鐵失綠癥［18］。有研究發(fā)現(xiàn)，鐵可以影響鋅肥效率，小麥在遭到鋅脅迫時，會誘導根系分泌鐵載體來緩解鋅脅迫對小麥植株的影響［19］?？梢?，鐵肥、鋅肥以及二者的互作效應(yīng)對作物產(chǎn)量和產(chǎn)量形成有重要影響。目前，鋅肥單施在馬鈴薯方面研究較多，鐵肥單施和鐵鋅肥配施研究相對薄弱。

補施鐵、鋅肥是否可通過改善馬鈴薯光合特性，達到增產(chǎn)目的，還需要試驗證明。因此，本試驗通過研究鐵、鋅肥的不同施量對馬鈴薯光和特性、干物質(zhì)積累分配以及產(chǎn)量的影響，以期為隴中旱農(nóng)區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量的提升提供理論參考和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗于2021 年在甘肅農(nóng)業(yè)大學旱作農(nóng)業(yè)綜合實驗站進行，實驗站位于甘肅省定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)麻子川村，N 35.43°，E 104.62°。該區(qū)是典型的半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)；多年平均日照時數(shù)2 476.6 h，太陽輻射量為592.9 kJ/cm2；年均氣溫6.4 ℃，變化在5.8～6.8 ℃之間，≥0 ℃積溫為2 933.5 ℃，≥10 ℃積溫為2 239.1 ℃，年均無霜期為140 d；多年平均降水量為390.9 mm，年蒸發(fā)量達到1 531 mm，是降水量的3～4 倍，2021 年馬鈴薯生育期內(nèi)降雨量為213.0 mm，馬鈴薯遭遇了嚴重的干旱脅迫（圖1）；試區(qū)土壤為黃綿土，土質(zhì)較綿軟，質(zhì)地均勻，貯水性能良好，其0～20 cm土層土壤容重為1.17 g/cm3，pH值8.36，土壤有機質(zhì)11.92 g/kg，全氮0.78 g/kg，全磷1.81 g/kg，有效鐵1.97 mg/kg，有效鋅0.28 mg/kg，速效氮51.2 mg/kg，速效磷21.34 mg/kg，速效鉀220.3 mg/kg。

圖1 2020～2021年試驗區(qū)降水量Figure 1 Rainfall at experimental site in 2020～2021

1.2 試驗設(shè)計

以鐵、鋅肥施用量為參試因素，采用二因素隨機區(qū)組設(shè)計，鐵鋅肥各設(shè)3 個水平，分別為：Fe00 kg/hm2、Fe110 kg/hm2和Fe220 kg/hm2；Zn00 kg/hm2、Zn120 kg/hm2和Zn240 kg/hm2，共9 個處理組合，3次重復，27個小區(qū)，小區(qū)面積39 m2（6 m×6.5 m）。馬鈴薯品種為新大坪（當?shù)刂髟云贩N），試驗施用的鋅肥為硫酸鋅（ZnSO4·7H2O，含Zn 21%），鐵肥為硫酸亞鐵（FeSO4·7H2O，含F(xiàn)e 19%）；氮磷肥施用量為：純氮150 kg/hm2，純磷150 kg/hm2，氮肥為尿素（含N 46%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%）；馬鈴薯種植模式為地膜覆蓋壟作。具體操作為：進行播前整地后，按小區(qū)勻施各種肥料后立即進行旋耕、起壟與覆膜作業(yè)（壟面寬80 cm，壟高15 cm，壟距40 cm）；馬鈴薯于4 月28 日播種，每壟種兩行，行距50 cm，株距27 cm，馬鈴薯播種密度為6.0萬株/hm2，播深15 cm，9月21日收獲。生育期內(nèi)人工防除病蟲草害，其他管理同高產(chǎn)大田。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 馬鈴薯葉面積指數(shù)的測定 在馬鈴薯塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉積累期，采用打孔法測定單株葉面積，每個小區(qū)選取5株進行測定，取平均值，計算葉面積指數(shù)。

葉面積=葉質(zhì)量/打孔葉質(zhì)量×打孔葉面積

葉面積指數(shù)=葉面積/土地面積

1.3.2 馬鈴薯葉片SPAD值的測定 用葉綠素儀SPAD-502（北京）在馬鈴薯苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期、淀粉積累期和成熟期測定頂部葉下第3片葉的SPAD值，每個小區(qū)選取長勢均勻的5 株進行測定，每株重復測定10次，取平均值。

1.3.3 葉片光合參數(shù)的測定 在馬鈴薯塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉積累期，于晴天上午9：00～11：00 用便攜式光合-熒光測量系統(tǒng)（GFS-3000，德國），采用自然光源測定頂部葉下第3片葉的光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr），每個小區(qū)測定5株。

1.3.4 干物質(zhì)積累量的測定 在馬鈴薯齊苗期、現(xiàn)蕾期、盛花期和成熟期各取樣1 次，每個小區(qū)取樣5株，帶回室內(nèi)洗凈晾干，分器官稱量鮮質(zhì)量后放在105 ℃的恒溫箱內(nèi)殺青30 min，然后在80 ℃烘干至恒質(zhì)量后，測定干質(zhì)量。

1.3.5 馬鈴薯生長速率的測定 作物生長率：

式中：M1、M2分別為時間t1、t2時的干物質(zhì)量。

1.3.6 塊莖鐵鋅含量的測定 利用FOSS 近紅外分析儀（NIRS DA 1650，丹麥），測定馬鈴薯塊莖鮮樣中鐵鋅含量。各處理在收獲后隨機選取3個馬鈴薯塊莖，在每個塊莖的中部，使用內(nèi)徑大小不同的環(huán)刀切取其相應(yīng)大小1 cm 厚的薯片，避免腐爛和薯皮部分，每個馬鈴薯測3次，求平均值。

1.3.7 馬鈴薯產(chǎn)量和鐵鋅產(chǎn)量的測定 塊莖產(chǎn)量：收獲時，分別將各個小區(qū)內(nèi)收獲的薯塊稱質(zhì)量，求得小區(qū)總產(chǎn)，換算公頃產(chǎn)量；

單株結(jié)薯數(shù)=取樣植株總薯數(shù)/取樣株數(shù)

單株薯質(zhì)量=取樣植株總薯質(zhì)量/取樣株數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2016 整理數(shù)據(jù)，用Sigma-Plot 12.5 作圖，用SPSS（PASWStatistics26）進行統(tǒng)計分析，用LSD 進行多重比較，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用鐵鋅肥對馬鈴薯葉面積指數(shù)的影響

施用鐵肥在塊莖形成期和塊莖膨大期的影響顯著，施用鋅肥在塊莖形成期影響顯著，二者交互作用表現(xiàn)在塊莖形成期和淀粉積累期影響顯著（表1）。Fe2Zn0在塊莖形成期和塊莖膨大期葉面積指數(shù)較Fe0Zn0提高7.1%、34.3%；Fe0Zn1在塊莖形成期較Fe0Zn0提高35.7%；Fe2Zn2在塊莖形成期和淀粉積累期較Fe0Zn0分別提高21.4%、28.3%?？梢钥闯鍪╀\肥的葉面積指數(shù)與施鐵肥及鐵、鋅配施相比更高。

表1 鐵鋅肥對馬鈴薯葉面積指數(shù)的影響Table 1 Effects of Fe and Zn fertilizer on leaf area index of potato

2.2 施用鐵鋅肥對馬鈴薯葉片SPAD值的影響

由表2知，施用鐵、鋅肥以及二者的互作效應(yīng)對馬鈴薯葉片SPAD值有影響，其中，施用鐵肥表現(xiàn)在馬鈴薯淀粉積累期，鋅肥表現(xiàn)在塊莖形成期，二者交互作用表現(xiàn)在苗期、塊莖形成期、淀粉積累期和成熟期；Fe2Zn0在淀粉積累期的SPAD值較Fe0Zn0提高7.7%；Fe0Zn2在塊莖形成期SPAD值較Fe0Zn0提高5.6%；Fe2Zn2在苗期和塊莖形成期SPAD值較Fe0Zn0分別提高21.0%和8.1%；Fe2Zn1在淀粉積累期SPAD值較Fe0Zn0提高9.6%；Fe2Zn2在成熟期SPAD值較Fe0Zn0提高5.1%。單施鋅肥對葉片SPAD主要作用在馬鈴薯生育前期，鐵肥則在馬鈴薯生育后期，而鐵、鋅肥配施則作用于馬鈴薯整個生育時期。

表2 鐵鋅肥對馬鈴薯葉片SPAD值的影響Table 2 Effects of Fe and Zn fertilizer on SPAD value of potato leaves

2.3 施用鐵鋅肥對馬鈴薯光合特性的影響

由圖2知，施鐵、鋅肥顯著改善了馬鈴薯各個生育時期的光合特性，在塊莖形成期，F(xiàn)e2Zn0凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度較Fe0Zn0分別提高12.3%、10.1%和0.5%；Fe0Zn2凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2、氣孔導度較Fe0Zn0分別提高25.9%、14.3%、20.4%、2.7%；Fe2Zn2的凈光合速率較Fe0Zn0提高29.4%。在塊莖膨大期，F(xiàn)e2Zn0凈光合速率較Fe0Zn0提高34.5%；Fe0Zn2凈光合速率、胞間CO2、氣孔導度較Fe0Zn0分別提高34.5%、16.5%和3.6%；Fe2Zn2的凈光合速率和蒸騰速率較Fe0Zn0分別提高33.5%和8.4%。在淀粉積累期，F(xiàn)e2Zn0凈光合速率和氣孔導度較Fe0Zn0分別提高54.8%、9.0%；Fe0Zn2凈光合速率、胞間CO2、氣孔導度較Fe0Zn0分別提高54.8%、34.1%和7.3%；Fe2Zn2凈光合速率和蒸騰速率較Fe0Zn0分別提高53.0%、10.9%。鐵肥施量為20 kg/hm2，鋅肥施量為40 kg/hm2，鐵肥20 kg/hm2配施鋅肥40 kg/hm2對光合特性改善效果最為明顯。

2.4 施用鐵鋅肥對馬鈴薯干物質(zhì)積累的影響

由圖3 知，在塊莖形成期，F(xiàn)e0Zn2葉片干物質(zhì)積累量較Fe0Zn0提高32.3%，F(xiàn)e2Zn2較Fe0Zn0增加28.2%；在塊莖膨大期，F(xiàn)e0Zn2、Fe2Zn0和Fe2Zn2莖干物質(zhì)較Fe0Zn0提高3.9%、4.6%和14.8%，塊莖干物質(zhì)積累量提高30.5%、31.7%和33.4%，全株干物質(zhì)量以Fe2Zn2處理最高，較Fe0Zn0提高17.6%；在淀粉積累期，F(xiàn)e0Zn2塊莖干物質(zhì)較Fe0Zn0提高19.4%，F(xiàn)e2Zn0的塊莖干物質(zhì)較Fe0Zn0提高14.5%，F(xiàn)e1Zn1處理下全株干物質(zhì)量達到最大值，較Fe0Zn0提高32.0%；在成熟期，F(xiàn)e2Zn2的塊莖干物質(zhì)積累量較Fe0Zn0提高17.9%，F(xiàn)e1Zn1全株干物質(zhì)量較Fe0Zn0顯著提高21.8%。鐵肥施量為20 kg/hm2、鋅肥施量為40 kg/hm2以及鐵肥20 kg/hm2配施鋅肥40 kg/hm2時，馬鈴薯塊莖干物質(zhì)達到最大積累量。

圖3 鐵鋅肥對馬鈴薯干物質(zhì)積累量的影響Figure 3 Effects of Fe and Zn fertilizer on dry matter accumulation in potato

2.5 施用鐵鋅肥對馬鈴薯生長速率的影響

施用鐵、鋅肥以及二者互作效應(yīng)對馬鈴薯生長速率有影響，施用鋅肥在塊莖形成期和淀粉積累期顯著影響，二者交互作用表現(xiàn)在塊莖形成期（表3）。在塊莖形成期，F(xiàn)e0Zn2生長速率較Fe0Zn0提高25.0%，F(xiàn)e2Zn2較Fe0Zn0提高28.9%；在淀粉積累期，F(xiàn)e0Zn1生長速率較Fe0Zn0提高20.0%；施用鐵鋅肥以及二者交互作用對馬鈴薯平均生長速率均有顯著影響，F(xiàn)e0Zn1平均生長速率較Fe0Zn0提高17.5%，F(xiàn)e2Zn2較Fe0Zn0提高14.6%，F(xiàn)e1Zn1較Fe0Zn0提高31.7%。鋅肥和鐵、鋅肥配施對馬鈴薯生長速率的影響更為顯著。

表3 鐵鋅肥對馬鈴薯生長速率的影響Table 3 Effects of Fe and Zn fertilizer on growth rate of potato （g·d-1·plant-1）

2.6 施用鐵鋅肥對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

由表4知，單施鋅肥對馬鈴薯塊莖鋅含量、塊莖產(chǎn)量有顯著影響，F(xiàn)e0Zn2馬鈴薯塊莖鋅含量、塊莖產(chǎn)量較Fe0Zn0提高2.2%和16.4%，F(xiàn)e0Zn2單株產(chǎn)量較Fe0Zn0提高23.4%，鐵肥對馬鈴薯單株產(chǎn)量和塊莖鐵含量影響顯著，F(xiàn)e2Zn0單株產(chǎn)量較Fe0Zn0提高29.8%，塊莖鐵含量提高11.1%。鐵、鋅肥交互作用下，F(xiàn)e2Zn1和Fe1Zn2單株產(chǎn)量最高，較Fe0Zn0均提高31.9%，F(xiàn)e2Zn2馬鈴薯鋅、鐵含量、塊莖產(chǎn)量較Fe0Zn0分別提高13.8%、17.2%、21.5%，然而施鐵、鋅肥對馬鈴薯單株結(jié)薯數(shù)均無顯著影響。

表4 鐵鋅肥對馬鈴薯鐵鋅含量及產(chǎn)量的影響Table 4 Effects of Fe and Zn fertilizer on Fe-Zn content and yield of potato

3 討論

3.1 鐵鋅肥影響馬鈴薯產(chǎn)量的光合生理機理

光合作用是植物物質(zhì)代謝和能量轉(zhuǎn)化的主要途徑，直接影響作物生長狀況，是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)［20］。研究發(fā)現(xiàn)，在馬鈴薯生長發(fā)育過程中，土壤中的鋅肥可通過改變馬鈴薯葉綠素含量和光合器官結(jié)構(gòu)而影響CO2同化。本研究發(fā)現(xiàn)，施用鋅肥顯著提高了馬鈴薯葉片SPAD值，這可能是因為鋅參與色氨酸的合成，而色氨酸是生長素合成的前身，鋅通過間接影響生長素合成，抑制葉綠體的破壞，提高葉綠素含量；鋅也是碳酸酐酶的組成成分，而碳酸酐酶在植物光合作用中催化二氧化碳的水合反應(yīng)，缺鋅會影響碳酸酐酶的活性，使得光合作用前階段碳的固定也受到影響［21］。本研究增施鋅肥顯著提高了馬鈴薯的凈光合速率，推測可能是因為碳酸酐酶的活性增強以及作物后期抗氧化酶系統(tǒng)調(diào)節(jié)延緩了作物衰老。鐵不僅可影響色素的合成和CO2同化及光合產(chǎn)物積累，也參與作物內(nèi)源激素的合成，對作物生長發(fā)育產(chǎn)生影響，最終影響產(chǎn)量［22］。缺鐵會降低作物葉綠素和凈光合速率，對作物體內(nèi)超氧化物歧化酶等系統(tǒng)有破壞，破壞植物體內(nèi)光合電子傳遞鏈，進而影響作物光合作用［23］。本研究增施鐵肥后，馬鈴薯葉面積指數(shù)、葉片SPAD值以及光合特性均有所改善，充分表明增施鐵、鋅肥可通過改善馬鈴薯的光合速率，進而為馬鈴薯的增產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

3.2 鐵鋅肥對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

通過合理組配肥料等養(yǎng)分不僅能提高作物產(chǎn)量，而且可有效改善作物微量元素的含量［24］，但由于土壤自身對鐵、鋅元素存在強烈的沉淀、絡(luò)合和吸附作用，使得施用鐵、鋅肥的肥效不同。增施微量元素可促進作物干物質(zhì)量的增加，延長積累時間，提高產(chǎn)量［25］。孫小龍等［26］研究發(fā)現(xiàn)，鋅肥處理下的馬鈴薯產(chǎn)量較不施鋅肥增加10.6%，而羅磊等［14］研究結(jié)果表明，鋅肥基施并未達到顯著的增產(chǎn)效果。本研究顯示，與不施鐵、鋅肥相比，單施鋅肥可提高馬鈴薯總株干物質(zhì)積累和塊莖產(chǎn)量，產(chǎn)量提高19.5%；有研究發(fā)現(xiàn)［27］，硫酸亞鐵土施能顯著提高小麥產(chǎn)量、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量，可能是因為在石灰性土壤上施用鐵肥后增加了土壤中的有效鐵含量，優(yōu)化了灌漿期小麥的光合作用的空間結(jié)構(gòu)，進而促進了小麥生長，為增產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。本研究發(fā)現(xiàn)，鐵肥單施可提高馬鈴薯總株干物質(zhì)積累、單株產(chǎn)量和塊莖產(chǎn)量，產(chǎn)量提高15.0%，鐵含量顯著增加12.4%，這與周春濤等［28］研究結(jié)果一致，但與羅磊等［14］研究結(jié)果相反?？赡苁怯捎谕寥览砘再|(zhì)差異和微肥施用方式不同所造成的，還需進一步驗證。鐵、鋅元素存在一定的互作作用，孫小龍［29］研究結(jié)果顯示，同時噴施鐵、鋅肥，對馬鈴薯有增產(chǎn)效果。本研究發(fā)現(xiàn)，鐵鋅肥配施處理下，馬鈴薯塊莖鐵、鋅含量分別提高17.2%和13.8%，產(chǎn)量提高21.5%，這與孫小龍研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

施用鐵肥、鋅肥改善了馬鈴薯葉片SPAD值、葉面積指數(shù)和光合特性，進而提高馬鈴薯干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量，也提高塊莖的鐵、鋅含量。與不施鐵、鋅肥相比，F(xiàn)e2Zn0、Fe0Zn2、Fe2Zn2的產(chǎn)量分別提高15.0%、19.5%、21.5%，塊莖鐵含量分別提高12.4%、11.1%、17.2%，塊莖鋅含量分別提高6.9%、11.0%、13.8%，其中以Fe2Zn2處理增產(chǎn)效果較佳，因此，隴中旱農(nóng)區(qū)馬鈴薯鐵、鋅肥單施適宜施量分別為20 kg/hm2和40 kg/hm2，配施適宜施量為鐵肥20 kg/hm2、鋅肥40 kg/hm2。