摘要
适宜施氮量是实现马铃薯高产、高效、优质和生态环境友好的关键。采用裂区设计在山西省岚县研究不同马铃薯品种的适宜施氮量。试验主区为马铃薯品种晋薯 16 号和青薯 9 号，副区为 5 个施肥处理，分别为 T1： NE-N（不施氮）、T2：M（单施商品有机肥）、T3：NE（N 180 kg/hm2 ）、T4：NE+M（N 180 kg/hm2 + 商品有机肥）、 T5：NE*（N 270 kg/hm2 ）。其中，NE 代表养分专家推荐量，氮磷钾肥料用量分别为 N 180 kg/hm2 、P2O5 90 kg/hm2 、 K2O 90 kg/hm2 ，NE* 为 NE 基础上增施 N 90 kg/hm2 。试验结果显示：1）品种和施肥两因素均极显著影响马铃薯吸氮量、块茎总产、商品薯产量及商品率。平均吸氮量和块茎总产表现为晋薯 16 号 < 青薯 9 号，而商品薯产量和商品率表现为晋薯 16 号 > 青薯 9 号，晋薯 16 号的 T3 处理和青薯 9 号的 T4 处理分别获得最高商品薯产量；2） 品种和施肥均显著影响产品品质，青薯 9 号的平均块茎干物质含量、比重、粗蛋白含量及硝酸盐含量均高于晋薯 16 号，而平均维生素 C 含量低于晋薯 16 号；3）T3 处理获得最高的肥料利用率，晋薯 16 号和青薯 9 号分别为 41.7%、43.3%。晋薯 16 号的产投比高于青薯 9 号。根据产量、品种、肥料利用效率及经济效益的综合评价得出：晋薯 16 号的适宜氮用量为 N 180 kg/hm2 ，青薯 9 号的适宜氮用量为 N 227 kg/hm2 。该研究对于山西省马铃薯的施肥管理有一定的指导意义。
Abstract
The suitable nitrogen application rate is the key to combine potato higher yield，higher efficiency， better quality and ecological environment friendliness. Split-plot design was used to study the appropriate nitrogen application rates of different potato varieties in Lanxian county，Shanxi province. The main plot of the experiment were potato cultivars Jinshu 16 and Qingshu 9，and the sub-plot were five fertilization treatments，including T1：NE-N（N 0 kg/hm2 ，P2O5 90 kg/hm2 and K2O 90 kg/hm2 ），T2：M（commercial organic fertilizer alone），T3：NE（N 180 kg/hm2 ，P2O5 90 kg/hm2 and K2O 90 kg/hm2 ），T4：NE+M（N 180 kg/hm2 ，P2O5 90 kg/hm2 and K2O 90 kg/hm2 + commercial organic fertilizer），and T5：NE*（N 270 kg/hm2 ，P2O5 90 kg/hm2 and K2O 90 kg/hm2 ）. Among them，NE represented the recommended amount of nutrients by Nutrient Expert. The results showed that：1）Cultivar and fertilizer significantly affected the nitrogen uptake，total tuber yield，commercial potato yield and commodity ratio. The average nitrogen uptake and total tuber yield obtained showed as cultivar Jinshu 16 < Qingshu 9，while the yield and its ratio of commercial potatoes were Jinshu 16 > Qingshu 9，and the T3 treatment of Jinshu 16 and T4 of Qingshu 9 produced the highest commercial potato yields，respectively. 2）Cultivar and fertilizer significantly affected potato quality，and the average content of tuber dry matter，specific gravity，crude protein and nitrate for cultivar Qingshu 9 were higher than those for cultivar Jinshu 16，while the average vitamin C content was lower than that of Jinshu 16. 3）The highest fertilizer use efficiency was obtained by T3 treatment，which was 41.7% and 43.3% for cultivar Jinshu 16 and Qingshu 9，respectively. The ratio of benefit and cost for Jinshu 16 was higher than that of Qingshu 9. Overall consideration for yield，quality， fertilizer use efficiency and economic return，the suitable rates of nitrogen fertilizer were 180 kg/hm2 for cultivar Jinshu 16， and 227 kg/hm2 for cultivar Qingshu 9，respectively. This study had certain guiding significance for the fertilizer management of potato crop in Shanxi province.
Keywords
马铃薯是仅次于玉米、水稻和小麦的第四大粮食作物[1]，也是农业生产系统中极具吸引力的作物，缘于其极高的产量潜力和高营养价值，尤其对于保障全球的粮食安全有着极其重要的贡献[2]。中国是世界马铃薯生产第一大国，2022 年马铃薯播种面积和总产量分别占比世界 32.2% 和 25.5%[1]，而且马铃薯种植已成为中国大多数贫困地区农民增收、减贫的重要产业。但当前我国马铃薯的单产水平（平均为 16.3 t/hm2）仍低于世界平均水平（平均为 20.7 t/hm2）[1]，仅为世界平均水平的 78.7 %，单产提高的潜力有很大空间。
众多的研究结果已证明施肥（包括无机肥和有机肥）是提高作物单产的重要手段，但施肥不足[3-4] 或过量[5-7] 均会影响马铃薯产量和品质，而且施肥过量还会对生态环境造成负面影响[8-9]。如何通过合理施肥调节、改善马铃薯生长发育的内在和外界环境，达到提高产量和品质的目标，一直是国内外科研人员、技术人员因地制宜、坚持不懈探索研究的方向[10-11]。比如，在合理施氮研究方面，美国学者 Libby 等[6] 在佛罗里达州东北部的研究发现，当氮肥用量为 225 kg/hm2 时，品种 FL1867 的马铃薯产量和品质最高；意大利学者 Lombardo 等[12]在意大利南部的西西里岛的研究发现，当氮肥施用量为 140 kg/hm2 时，品种 Bellini 能够提高马铃薯的产量和品质；国内学者张炜等[13]在湖北省襄阳市研究发现，氮肥用量为 180 kg/hm2 时，品种早大白的产量最高（24 t/hm2）；曹哲等[14]在宁夏回族自治区海原县研究发现，当施氮量为 225 kg/hm2 时，青薯 9 号马铃薯的产量和经济效益最高。另外，也有一些学者的研究发现不同的马铃薯品种需氮特性存在差异， Yadav 等[15]在印度的哈里亚纳邦的研究发现，当施氮量为 225 kg/hm2 时，两个品种（Kufri Sadabahar 和 Kufri Surya）均能获得较高的产量及生物质量，且品种 Kufri Sadabahar 的所有产量参数均显著高于品种 Kufri Surya，纯收益和产投比也最高；我国学者岳超等[3]在云南省个旧市的研究结果也表明两个主推马铃薯品种（云薯 902、合作 88）适宜施氮量存在差异，分别为 329.6 和 268.5 kg/hm2，且氮肥的农学效率及偏生产力也存在差异；李林燕等[16]在朔州市怀仁县的研究结果表明：品种同薯 29 号的适宜施氮量为 180~191 kg/hm2，品种大同里外黄的适宜施氮量为 201~233 kg/hm2。
在有机无机配施方面，Zewide 等[17] 研究发现，施用牛粪（7.5 t/hm2）与 75% 推荐量的无机氮（123.75 kg/hm2）、无机磷（103.05 kg/hm2）配合施用，可显著提高马铃薯生长指标、生物产量和块茎品质；何进勤等[18]在宁夏回族自治区固原市研究发现，有机肥（牛粪）用量为 13.5 t/hm2 配施氮肥 150 kg/hm2 时，马铃薯产量可达到最高为 89.6 t/ hm2，增施有机肥减施化肥氮有利于马铃薯的生长发育；胡月华[19]在河南省商丘市研究发现，生物有机肥与化肥合理施用能够提高马铃薯产量和商品薯率的同时，还提高了薯块粗蛋白、淀粉、维生素 C（Vc）、还原糖含量等品质指标；付强等[20]研究发现商品有机肥替代化肥能够提高马铃薯产量和单株薯重、商品薯重等产量构成因素，增加氮肥偏生产力、氮肥农学效率和氮肥利用率。
综上所述，适宜的施肥量是兼顾马铃薯产量、品质及生态环境效应的关键，且受气候、地点、品种、有机肥资源、生产条件等因素的影响而变化。山西省作为我国马铃薯主产区之一，2022 年马铃薯种植面积 15.3 万 hm2，而针对两个主推品种晋薯 16 号和青薯 9 号适宜的施肥量研究鲜有报道，如何进一步提高单产和肥料利用率是马铃薯生产中亟待解决的重要问题。本研究选择山西省马铃薯生产示范县——岚县开展田间小区试验，旨在明确两个主推品种晋薯 16 号和青薯 9 号的适宜施氮量，为山西马铃薯产业高质量发展提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
岚县是山西省马铃薯生产示范县，马铃薯种植面积 7467 hm2，属温带大陆性气候，气候冷凉。平均海拔 1415 m，年平均气温 6.9℃，年均降水量 504.9 mm，年有效积温 2949℃，无霜期 130 d 左右。试验地位于在吕梁市岚县王狮乡石桥村，土壤类型为褐土性土，质地为轻壤，2023 年试验前取试验田 0~20 cm 土壤，土壤基本理化性质见表1。
表1供试土壤基本理化性质
1.2 试验材料
供试品种为山西省主推的两个马铃薯品种晋薯 16 号和青薯 9 号。晋薯 16 号属中晚熟品种，生育期 110 d 左右，块茎呈卵圆形，黄皮淡黄肉，芽眼中等深浅[21]；青薯 9 号也属中晚熟品种，生育期 115 d 左右，块茎呈椭圆形，皮红色，肉黄色，薯皮光滑，芽眼浅无色[22]。
供试肥料：氮肥选用尿素（N 46 %），磷肥选用颗粒过磷酸钙（P2O5 12 %），钾肥选用氯化钾 （K2O 60 %），有机肥选用商品有机肥，其性质为 pH 7.56、水分 30.08%、有机质含量 33.62 %、总养分 6.31 %，其中全氮含量 1.59 %、全磷含量 2.77 %、全钾含量 1.95 %，符合商品有机肥标准。
1.3 试验设计
试验采用裂区设计，主区为两个马铃薯品种 （晋薯 16 号和青薯 9 号），副区为 5 个不同的施肥处理，1）T1：CK（NE-N）（不施氮肥，施磷钾肥）； 2）T2：M（只施用有机肥 3000 kg/hm2，不施用化肥）；3）T3：NE（养分专家系统推荐量，氮磷钾全施，氮肥用量为 180 kg/hm2、磷钾肥用量均为 90 kg/hm2）；T4：NE+M（在 NE 推荐施肥基础上增施有机肥 3000 kg/hm2）；T5：NE*（在 NE 基础上增施氮 90 kg/hm2），详细的施肥方案见表2，施肥处理随机排列，4 次重复，小区面积为 4.4 m×6.6 m =29.0 m2。
马铃薯采用单垄双行的种植模式，大垄距 1.1 m，垄上马铃薯行距 0.22 m，每个小区种植 4 垄马铃薯，种植 120 株，折合种植密度 41379 株 /hm2。 60% 的氮肥与全部的磷肥、钾肥及商品有机肥于播前依处理一次性施入，40 % 的氮肥在现蕾期以穴施方式依处理追施，其他田间管理措施依当地习惯。试验于 2023 年 5 月 17 日播种，7 月 7 日进行追肥，10 月 8 日收获。
表2施肥方案及养分用量
1.4 样品采集与测定方法
1.4.1 产量及产量构成因素的测定
每个小区种植 4 垄马铃薯，在收获期，取中间两垄马铃薯进行测产，块茎分级按常规分级，块茎质量≥ 150 g 为商品薯，块茎质量 <150 g 为小薯，分别记载块茎个数，并用电子秤称重记录。每个小区选取代表性植株 3 株，将马铃薯植株分为地上部 （茎叶）和地下部（块茎），装入纸封袋，带回实验室，于 105℃杀青 30 min 后，65℃烘干至恒重，粉碎过筛，进行养分及品质测定。
1.4.2 马铃薯品质的测定
块茎品质指标测定：干物质含量采用烘干称重法测定；采用凯氏定氮法测定粗蛋白含量；2，6-二氯靛酚滴定法测定 Vc 含量；紫外分光光度法测定硝酸盐含量；比重根据块茎在空气中和完全浸入水容器中的重量确定[23]。
1.4.3 计算公式
植株氮素吸收总量（kg/hm2）= 秸秆干物质量 × 秸秆氮素含量 + 块茎干重 × 块茎氮素含量
增产率（%）=（施氮区块茎产量-不施氮区块茎产量）/ 不施氮区块茎产量 ×100
商品率（%）=（商品薯产量 / 块茎总产量） ×100
比重 = 块茎在空气中的重量 /（块茎在空气中的重量-块茎在水中的重量）
氮肥农学效率（kg/kg）=（施氮区块茎产量-不施氮区块茎产量）/ 施氮量
氮肥利用率（%）=（施肥区氮吸收总量-不施肥区氮吸收总量）/ 施氮量 ×100
氮肥偏生产力（kg/kg）= 施氮区块茎产量 / 施氮量产值（元 /hm2）= 产量 × 块茎价格
纯收益（元 /hm2）= 产值-投入产投比 = 产值 / 投入
1.5 数据分析
试验数据分析采用 Excel 2010，方差分析采用 SPSS 23.0。
2 结果与分析
2.1 不同施肥处理对两个马铃薯品种的吸氮量及产量的影响
由表3可知，不同施肥处理对两个马铃薯品种的马铃薯吸氮量、块茎总产、商品薯产量及商品率均有较大的影响。双因素方差分析结果表明，品种和施肥两因素均极显著影响马铃薯吸氮量、块茎总产、商品薯产量及商品率，而二者的交互效应对马铃薯吸氮量呈极显著影响，对块茎总产、商品薯产量及商品率均没有显著效应。总体而言，晋薯 16 号的平均吸氮量和块茎总产略低于青薯 9 号，而从商品薯产量及商品率看，晋薯 16 号略高于青薯 9 号。用不施氮处理 T1 的吸氮量、产量来表征马铃薯吸收土壤固有养分的能力，青薯 9 号的吸氮量和块茎总产均高于晋薯 16 号，说明青薯 9 号的吸收养分的能力高于晋薯 16 号。其他施肥处理均高于 T1 处理，说明不施氮肥严重影响马铃薯的吸氮量、块茎产量及商品率
对于晋薯 16 号，T2 处理的吸氮量较 T1 处理显著增加 15.7 %，而对总产、商品薯产量和商品率影响未达显著水平。T3、T4、T5 处理的吸氮量、总产、商品薯产量和商品率均显著高于 T1、T2 处理。T5 处理吸氮量显著高于 T3、T4 处理，而其总产量未显著增加、商品薯产量和商品率低于 T3、 T4 处理。T3 处理的商品薯产量和商品率最高。
对于青薯 9 号，T2 处理的吸氮量较 T1 处理显著增加 11.7 %，而对总产、商品薯产量和商品率影响未达显著水平。T3、T4、T5 处理的吸氮量、总产、商品薯产量和商品率均显著高于 T1、T2 处理， T5 处理吸氮量和总产最高，T4 处理的商品薯产量和商品率最高，而 T3、T4、T5 处理间的商品率差异未达显著。
表3不同施肥处理对马铃薯吸氮量及产量的影响
注：表中同列相同品种不同字母表示差异达到显著水平（P<0.05），* 表示在 0.05 水平差异显著，** 表示在 0.01 水平差异显著，ns 表示差异不显著。下同。
2.2 不同施肥处理对马铃薯品质的影响
方差分析结果表明马铃薯品种和施肥处理均显著影响产品品质参数。品种和施肥的交互效应极显著影响块茎比重、硝酸盐含量，显著影响粗蛋白、 Vc 含量，而对干物质含量无显著影响（表4）。青薯 9 号的平均块茎干物质含量、比重、粗蛋白含量及硝酸盐含量均高于晋薯 16 号，而平均 Vc 含量低于晋薯 16 号。
对于晋薯 16 号，不同施肥处理的干物质含量和比重差异不显著，而粗蛋白、硝酸盐含量表现为 T3、T4、T5 显著高于 T1、T2 处理，对粗蛋白、Vc 及硝酸盐含量均有提高效应。对于青薯 9 号，施肥处理对各品质参数的影响均存在差异，但表现不一致。从 T1 至 T5，供氮水平逐渐提高，干物质含量和比重均呈现先增加后下降的趋势，干物质含量以 T3 处理表现最高，T5 处理次之，T1、T2 处理表现最低，T3、T4、T5 这 3 个处理间差异均未达显著水平。比重则以 T4 处理表现最高，显著高于其他施肥处理；T3、T4、T5 处理相互间比较，粗蛋白含量、Vc 含量差异均不明显，但均高于 T1、T2 处理；T3、T5 处理的硝酸盐含量差异不明显，均显著高于 T4 处理，T4 处理又显著高于 T1、T2 处理，表明 T3、T4、T5 处理对粗蛋白、Vc 及硝酸盐含量均有提高效应，综合评价青薯 9 号测定的品质参数，以 T4 处理表现较好。
表4不同处理对马铃薯品质的影响
2.3 不同施肥处理对马铃薯氮肥利用效率的影响
肥料利用效率是衡量当季作物肥效高低的指标，本文用氮肥农学效率、氮肥利用率及氮肥偏生产力从不同角度来表征氮肥的利用效率，其中，氮肥农学效率是表征肥料增加产量的参数，即增施每千克氮肥作物产量的增量；氮肥利用率表示施用每千克氮肥作物吸氮量的增量；氮肥偏生产力表示为施用每千克氮肥收获的作物产量。
由表5结果显示，两个马铃薯品种的氮肥利用效率参数均存在差异，品种和施肥双因素方差分析结果表明品种因素极显著影响氮肥利用率和氮肥偏生产力，而对氮肥农学效率没有显著影响；施肥因素对氮肥农学效率、氮肥利用率、氮肥偏生产力均有极显著影响；二者的交互效应极显著影响氮肥农学效率和氮肥利用率，而对氮肥偏生产力影响不大。随着 T2~T5 供氮水平的提高，两品种的氮肥农学效率、氮肥利用率均呈现先增加后降低的趋势，氮肥农学效率和氮肥利用率以晋薯 16 的 T3 处理、青薯 9 号的 T3、T4 处理表现较高，显著高于其他处理；两品种的氮肥偏生产力随着供氮水平的提高，均呈现下降趋势，这符合肥料报酬递减律的规律。综合 3 个氮肥利用效率参数考虑，晋薯 16 号以 T3 处理表现为高，青薯 9 号以 T4 处理表现为高。
2.4 不同施肥处理对马铃薯经济效益的影响
马铃薯的经济效益对于农民来说至关重要，由表6可知，不同处理的投入成本存在差异，以 T1 处理为低，以 T4 处理为高，导致不同处理的产值、纯收益及产投比均存在差异。T1 处理投入成本最低，导致马铃薯产值和纯收益表现最低；T2 处理投入成本高于 T1 处理，但鉴于有机肥当季矿化率低（青薯 9 号 15.1%、晋薯 16 号 19.1%），也导致产值、纯收益较低，产投比最低；T3、T4、T5 处理投入成本也高于 T1 处理，其产值、纯收益及产投比均显著高于 T1 处理。3 个处理相互比较，晋薯 16 的产值和纯收益差异均未达显著水平，产投比差异达显著水平，以 T3 处理纯收益、产投比最高。
表5不同施肥处理对马铃薯氮肥利用效率的影响
表6不同处理对商品薯经济效益的影响
注：N 5.22 元 /kg；P2O5 8.33 元 /kg；K2O 6.67 元 /kg；有机肥 0.8 元 /kg；种薯价格 2 元 /kg；马铃薯收购价 1.4 元 /kg。
青薯 9 号的产值和产投比差异达显著水平，纯收益未达显著水平，以 T4 处理的产值和纯收益最高，但产投比较 T3、T5 显著降低。从总体的平均值看，晋薯 16 的产值、纯收益及产投比均高于青薯 9 号，这与晋薯 16 商品率较高有关。
3 讨论与结论
3.1 不同施肥处理对马铃薯吸氮量及产量的影响
作物高产是评估肥料施用效果的重要指标。本研究结果显示，在施 N 范围 0~270 kg/hm2 内，两个马铃薯品种（晋薯 16 号、青薯 9 号）的吸氮量均呈现随供氮量的增加而增加的趋势。这与修凤英等[24]在吉林省松原市施 N 范围 0~360 kg/hm2 内，春薯 4 号的吸氮量趋势一致；而与李珺等[25]在黑龙江省克山县施 N 范围 0~270 kg/hm2 内，延薯四号的吸氮量随施氮量增加呈先增加后降低的趋势存在差异。究其原因可能与供试的试验地肥力水平有关，本研究试验地的有机质水平（16.6 g/kg）与修凤英等试验地的有机质水平接近，而与李珺等的试验地有机质水平（35.7 g/kg）差异较大。美国学者 Zaeen 等[26]研究结果表明土壤有机质是与作物产量高度相关的主要因素。
本研究的两个品种适宜施氮量存在差异，晋薯 16 号的适宜施氮量为 180 kg/hm2，青薯 9 号的适宜施氮量（有机无机配施）为 227.7 kg/hm2。意大利 Ierna 等[9]在西西里岛发现 5 个马铃薯品种（Rubino、Sieglinde、Daytona，Ninfa、Spunta）的适宜施氮量存在差异，两个早熟品种（Rubino、Sieglinde） 的适宜施氮量为 100 kg/hm2，3 个晚熟品种（Daytona，Ninfa、Spunta）的适宜施氮量为 200 kg/hm2； 美国学者 Zaeen 等[26]在缅因州阿鲁斯托克县土壤有机质含量≤ 30 g/kg 的条件下，施氮范围 0~280 kg/hm2 内，获得的 3 个马铃薯品种 Shepody、Superior 和 Russet Burbank 的适宜施氮量分别为 168、 224 和 224 kg/hm2；而土壤有机质含 >30 g/kg 时， Russet Burbank 适宜施氮量为 168 kg/hm2。可见，马铃薯的适宜施氮量既受品种基因型特性影响，也受土壤肥力因素、气候条件影响，马铃薯的施肥研究应因地制宜、因种制宜。
3.2 不同施肥处理对马铃薯品质的影响
本研究的结果显示，青薯 9 号的干物质含量、比重、粗蛋白、硝酸盐含量都高于晋薯 16 号，而 Vc 的含量则低于晋薯 16，这可能与两品种的生物学特性有关。对于晋薯 16 号来说，随着施氮量的增加对干物质含量和比重无显著影响，这与巴基斯坦学者 Ayyub 等[27]报道的品种 Symphonia 的表现一致。而青薯 9 号干物质含量和比重随施氮量的增加呈现先增加后降低的趋势，与美国学者 Zaeen 等[26] 报道的品种 Superior 表现一致，而与品种 Shepody 和 Russet Burbank 随施氮量增加干物质含量和比重呈下降趋势不一致。
两个品种的粗蛋白、硝酸盐的含量也随施氮量的增加而增加，这与一些学者的研究结果一致[5，28-29]，而两品种的 Vc 含量随施氮量的增加呈现先增加后降低的趋势，与张炜等[13]报道一致，而与魏峭嵘等[28]的报道不一致。总之，马铃薯品质参数既受品种基因型控制，也与施肥量、土壤肥力有关。
3.3 不同施肥处理对马铃薯氮肥利用效率的影响
肥料利用效率往往受供试的土壤肥力影响较大，通常随肥料用量的增加而下降[29]。本研究的肥料利用效率参数氮肥偏生产力符合这一规律。如何在保障作物高产前提下，提高氮肥利用率仍面临着重大挑战。Ierna 等[9]的研究发现，当土壤有效氮≥ 85 kg/hm2，氮肥利用率约为 50%；当土壤有效氮为 50~60 kg/hm2，氮肥利用率为 45% 左右。本研究的晋薯 16 号、青薯 9 号不施肥条件下的吸氮量分别为 57.9、61.7 kg/hm2，可以用来表征供试土壤的供氮量，适宜施氮量获得的氮肥利用率分别为 41.7 %、43.3 %，与 Ierna 等[9]的报道的 45% 相近。Dobermann[30]指出肥料利用率既受作物养分库大小影响，也受施肥量、施肥时期、施肥位置、肥料形态的影响，本研究结果显示，作物品种也是影响肥料利用率的重要因素。因此，在保障作物高产条件下，研究氮肥利用率的提高应该因地制宜、因种制宜、因肥制宜。
综上所述，不同马铃薯品种、不同的施肥处理均影响马铃薯吸氮量、产量、品质、氮肥利用效率及经济效益。在保障马铃薯高产高效优质的前提下，综合各参数得出适宜的氮用量晋薯 16 号为 180 kg/hm2，青薯 9 号为 227 kg/hm2，该研究成果对于山西省马铃薯产业高质量发展有一定指导意义。