石 瑛，邓 斌，魏峭嵘，魏国威
（1.东北农业大学农学院，哈尔滨 150030；
2.寒地粮食作物种质创新与生理生态教育部重点实验室，哈尔滨 150030）
马铃薯是我国四大粮食作物之一，在保障粮食安全、稳定生态环境等方面发挥重要作用[1]。氮素作为作物生长发育必需三大营养元素之一，是马铃薯叶绿素、蛋白质和酶等物质合成重要基础，对干物质积累与分配起决定性作用，是马铃薯生长发育和产量形成关键限制因子[2-3]，也是制约其生长和产量提高的主要因素[4-6]。
充足氮素营养促进马铃薯茎叶生长，增大叶面积，提高光合能力，利于养分积累，提高根系活力，促进养分吸收，进而提高块茎干物质、蛋白质含量和产量。过量施用氮肥导致马铃薯植株徒长，茎叶相互遮荫，降低叶片光合效率，底部叶片变黄脱落，延迟结薯，降低产量；
也导致N2O过量排放，氮素淋溶丢失，地下水、河流和湖泊水体富营养化加剧以及全球变暖等环境问题[7]，不利于生态环境可持续发展。
选用氮高效品种提高肥料利用率，成为提高马铃薯产量，实现生态坏境可持续发展重要方式。受各地区生态环境条件影响，不同地区氮高效品种选用和研究也存在差异。内蒙古地区研究认为不同基因型间对氮素响应度是影响马铃薯产量重要因素[8]；
于冬梅将马铃薯氮效率分为4种类型[9]；
张婷婷等将氮效率细分为6类：双高效耐低氮型、双高效不耐低氮型、低氮高效型、高氮高效型、双低效耐低氮型和双低效不耐低氮型，并鉴定得到供试品种的不同氮效率类型[10]。因此，针对品种特性开展特异性养分管理是提高产量并降低化学肥料等投入，节约种植成本的重要方式，是实现马铃薯绿色生产重要前提。
研究马铃薯新品种氮素利用特性，可为新基因挖掘提供基础材料，为品种应用提供养分精准调控建议。本研究针对自主选育的两个马铃薯品种，开展氮素养分利用特性研究。通过分析马铃薯生长期间植株形态、光合特性、根系活力及氮素积累量等相关指标动态变化，为筛选和培育马铃薯氮高效品种提供科学依据，也为不同氮效率品种科学合理施氮提供参考。
1.1 试验材料
马铃薯品种东农322和东农314，脱毒原种由东北农业大学马铃薯研究所提供。薯块重约50 g左右，整薯播种，两个品种均为中晚熟加工型（炸片）品种，生育期为90 d左右（从出苗至茎叶枯黄）。
1.2 试验设计
试验在东北农业大学马铃薯盆栽场进行，选用内径33 cm、高60 cm控根器盆栽，埋入地下10 cm，盆栽土壤为黑土，土壤中水解性氮（N）、有效磷（P）、速效钾（K）和有机质含量分别为194.4、12.2、299和86.4 g·kg-1，全氮（N）0.206%，全磷（P）0.032%，全钾（K）2.05%，土壤pH 6.53。
采用随机区组设计，3次重复。每个品种设置3个氮处理：N0（不施氮）、N1（常氮CK）、N2（高氮），各处理每盆施入尿素（N 46%）量分别为0、4.5和9 g；
各处理每盆施入重过磷酸钙（P2O544%）6 g，硫酸钾（K2O 50%）6 g。每个处理种植30盆，每个重复10盆，其中5盆供生育期间取样，5盆供收获时测产。于2021年5月23日播种，6月14日出苗，10月3日收获，其他管理同大田。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 形态指标
株高和茎粗：于出苗后24 d时每重复随机选取3株测定，取平均值。
1.3.2 干物质量与氮素相关指标
自苗期6月26日起每隔12 d取样，每重复取1株植株，按根、茎、叶和块茎分开，105℃下杀青30 min，80℃烘干至恒重并称其干重，计算得干物质量。将样品粉碎保存，采用凯氏定氮法测定各器官氮含量。
干物质含量（%）=干重/鲜重×100；
干物重（g·株-1）=鲜重×干物质含量；
氮积累量（mg·株-1）=氮含量×干物质重；
氮肥吸收利用率（%）=（施氮区植株吸氮量-空白区植株吸氮量）/氮肥用量×100；
氮肥农学利用率（kg·kg-1）=（施氮区块茎产量-空白区块茎产量）/氮肥用量；
氮肥生理利用率（kg·kg-1）=（施氮区块茎产量-空白区块茎产量）/（施氮区植株吸氮量-空白区植株吸氮量）。
1.3.3 根系活力
自苗期6月26日起每隔12 d取样，每重复取2 g植株侧根，采用TTC法测定其根系活力[11]。
1.3.4 光合特性
于苗期6月26日起每隔12 d测定1次。
叶片净光合速率（Pn）：采用XY-1101型光合作用测定系统，选择晴天9:30～11:30测定。
SPAD值：采用叶绿素含量测定仪SPAD-502，测定各植株倒三功能叶片，每株测定3次后取平均值，作为叶绿素含量相对值。
1.3.5 产量
收获时每重复按单株收获，测定每株块茎产量，取平均值作为单株产量。
2.1 氮素供应对两个马铃薯品种株高与茎粗的影响
由表1可知，东农322株高在不同氮素处理下差异不显著；
常氮N1处理下茎粗显著高于不施氮N0处理，高氮N2处理与其他两个处理无显著差异。东农314株高在3个处理间差异显著，常氮N1和高氮N2处理相对于不施氮N0处理株高有大幅增加，增幅分别达179.1%和243.1%；
高氮N2处理比常氮N1处理株高增加23.1%；
两个施氮处理下茎粗均显著高于无氮处理，增幅分别为59.8%和60.6%，但两个施氮处理间茎粗差异不显著。可见适度增施氮素可保证马铃薯植株正常生长，但不同品种对增施氮素表现不同，东农314对氮素较为敏感，随施氮量增加株高显著提高；
东农322茎粗仅在常氮处理下显著大于不施氮处理，株高在3个处理间无显著差异。
表1 供氮水平对两个马铃薯品种形态指标的影响Table 1 Effects of nitrogen supply level on morphological indices of two potato varieties
2.2 氮素供应对两个马铃薯品种净光合速率的影响
马铃薯叶片净光合速率代表品种光合作用积累能力。由图1可知，两个品种叶片净光合速率均呈先增后降趋势，均在出苗后24 d达到峰值，随后逐渐降低。东农322施氮处理下净光合速率在出苗后12～24 d时显著大于不施氮N0处理，且两个施氮处理间无显著差异；
东农314施氮处理下净光合速率在出苗后12～48 d时显著大于不施氮N0处理，高氮N2处理下叶片净光合速率在出苗后12～24 d显著高于N1处理，且在出苗后24 d时差异最大，出苗后12和60 d时3个处理间无显著差异。表明施氮量不同对两个品种叶片净光合速率影响不同，东农322常氮N1处理下光合作用积累能力较强，而东农314高氮N2处理下光合作用积累能力较强。马铃薯生育期后期由于叶片开始衰老，光合作用积累能力下降，各品种不同氮素处理下叶片净光合速率表现趋近于同一水平。
图1 两个马铃薯品种生育期净光合速率动态变化Fig.1 Dynamic changes of net photosynthetic rate of two potato varieties during growth period
2.3 氮素供应对两个马铃薯品种SPAD的影响
SPAD值体现作物叶片绿色程度，可代表马铃薯叶片叶绿素相对含量。各品种出苗后12～60 d SPAD值变化如图2所示，随生育进程推移，SPAD值呈现逐渐下降趋势。东农322不施氮N0处理仅在出苗后24 d时显著低于施氮处理，其余生育时期各处理间均差异不显著；
东农314常氮N1处理SPAD值在生育中期下降速度较快，到生育后期与不施氮N0处理处于同一水平，而高氮N2处理SPAD值生育期间下降缓慢，生育后期显著高于不施氮N0和常氮N1处理，说明高氮处理下东农314叶片功能期延后，从而为生育后期块茎生长提供更多营养物质。
图2 两个马铃薯品种生育期SPAD值动态变化Fig.2 Dynamic changes of SPAD values of two potato varieties during growth period
2.4 氮素供应对两个马铃薯品种根系活力的影响
马铃薯属于浅根系作物，根系活力是与植株生长、养分吸收和产量表现均密切相关的重要生理指标。由图3可见，两个品种根系活力均呈先小幅升高后逐渐降低趋势，出苗后24 d时达到最大值，至生育后期逐渐降低至同一水平。两个品种生育前期在施氮处理下根系活力明显高于不施氮N0处理，东农322根系活力仅在出苗后24 d时3个处理间差异显著，其余时期无显著差异；
而东农314根系活力在生育前期3个处理间差异显著，表现为N2＞N1＞N0，在出苗后12～24 d东农314施氮处理根系活力高于同处理的东农322。
图3 两个马铃薯品种生育期根系活力动态变化Fig.3 Dynamic changes of root activities of two potato varieties during growth period
2.5 氮素供应对两个马铃薯品种干物重的影响
两个马铃薯品种不同氮素处理下各器官干物重变化如图4所示。除东农322高氮N2处理外，两个品种根、茎、叶干物重均呈先升后降趋势，其中东农322根、茎、叶在不施氮N0和常氮N1处理下，出苗后48 d时干物重均达到最大值。东农314根干物重表现为高氮N2处理出苗后24 d达到最大值，且在12～24 d时迅速升高，其不施氮N0和常氮N1处理出苗后36 d达到最大值；
茎干物重表现为两个施氮处理在出苗后36 d达到最大值，且高氮N2处理在12～24 d时迅速升高，不施氮处理在生育期均无明显变化；
叶干物重表现为高氮N2处理出苗后24 d达到最大值，常氮N1处理出苗后48 d达到最大值，不施氮N0处理则无明显变化。东农322在高氮N2处理下，根、茎、叶干物重在生育期均呈逐渐升高趋势。
图4 两个马铃薯品种生育期各器官干物重动态变化Fig.4 Dynamic change of dry matter weight in organs of two potato varieties during growth period
东农322施氮处理下根、茎、叶干物重均显著高于不施氮N0处理，根和叶干物重在出苗后12～36 d时常氮N1和高氮N2处理间无显著差异，在出苗后48 d时常氮N1处理显著大于高氮N2处理，出苗后60 d时高氮N2处理显著大于常氮N1处理；
茎干物重在出苗后24和60 d时高氮N2处理显著大于常氮N1处理，其余时期两个施氮处理间无显著差异；
其块茎干物重在出苗后24～36 d 3个氮处理差异不显著，但在出苗后48 d到收获时期3个氮处理差异显著，表现为N1＞N2＞N0。东农314不同氮素处理下各部位干物重在出苗24 d后均差异显著，表现为N2＞N1＞N0。
2.6 氮素供应对两个马铃薯品种氮素指标的影响
2.6.1 氮素供应对两个马铃薯品种氮积累量的影响
氮积累量体现植株对氮素吸收、转运与积累能力，是体现作物氮素利用效率有效指标。由图5可知，除高氮N2处理下东农322叶氮积累量不同外，两个品种根、茎、叶氮积累量在生育期间均呈先升后降趋势，与干物重表现趋势一致。最大氮积累量时期在不同处理间不同，东农314在不施氮N0处理下茎和叶氮积累量在生育进程中无变化，两个马铃薯品种块茎氮积累量在生育期间均呈逐渐增加趋势。
图5 两个马铃薯品种生育期各器官氮积累量动态变化Fig.5 Dynamic changes of nitrogen accumulation in organs of two potato varieties during growth period
不同氮素处理下，两个品种根、茎、叶氮积累量在生育期间均表现为施氮处理显著高于不施氮N0处理，但各品种两个施氮处理间差异不同，东农322根氮积累量在出苗后36 d和出苗后60 d时高氮N2处理显著大于常氮N1处理，其余时期两个处理间无显著差异；
茎氮积累量在出苗后24～48 d时3个氮处理间差异显著，叶氮积累量仅在出苗后60 d时高氮N2处理显著大于常氮N1处理，其余时期两个处理间无显著差异；
块茎氮积累量在出苗后24 d时高氮N2处理显著大于常氮N1和不施氮N0处理，在收获时期施氮处理显著大于不施氮N0处理，其余时期3个处理间均无显著差异。东农314各器官氮积累量在高氮N2处理下均显著大于常氮N1处理，表明高氮处理显著提高东农314各器官氮素积累量，在不施氮条件下，同一生育时期东农322各器官氮积累量均高于东农314，说明东农322在低氮条件下有较高氮吸收能力。
2.6.2 氮素供应对两个马铃薯品种氮素利用率相关指标的影响
由表2可知，东农322氮肥吸收利用率、氮肥农学利用率和氮肥生理利用率随施氮量增加而降低，分别降低47.4%、58.6%和19.1%，其中氮肥吸收利用率和氮肥农学利用率在处理间差异显著。东农314氮肥农学利用率和氮肥生理利用率随施氮量增加显著降低，分别降低34.9%和40.9%，氮肥吸收利用率随施氮量增加而显著增加。
表2 供氮水平对两个马铃薯品种氮素利用率的影响Table 2 Effects of nitrogen supply levels on nitrogen use efficiencies of two potato varieties
2.7 氮素供应对两个马铃薯品种产量的影响
由表3可知，东农322两个施氮处理下产量显著高于N0处理，分别增产86.8%和71.1%，东农314的3个处理之间产量均存在显著差异，表现为N2＞N1＞N0，高氮N2处理分别比常氮N1和不施氮N0处理增产22.1%和388.2%，常氮N1处理比不施氮N0处理增产300%。表明适度增加施氮量可提高马铃薯产量，但不同品种对增施氮肥表现不同，东农322在高氮条件下其产量受抑制，东农314更适合高氮供给。由表4可知，在不施氮N0处理下东农322产量显著高于东农314，在常氮N1处理下两个品种产量无显著差异，在高氮N2处理下东农314产量显著高于东农322。
表3 供氮水平对两个马铃薯品种产量的影响Table 3 Effects of nitrogen supply levels on yield of two potato varieties
表4 相同供氮水平下两个马铃薯品种产量差异Table 4 Yield difference of two potato varieties under the same nitrogen supply level
2.8 两个马铃薯品种各指标与产量相关性分析
由表5可知，出苗后24～60 d，马铃薯各器官干物重、氮积累量均与收获时块茎产量呈极显著正相关，出苗后12 d时，根干物重与块茎产量呈显著正相关，茎叶干物重和各器官氮积累量与块茎产量呈极显著正相关。根系活力在生育前期（出苗后12～24 d内）与块茎产量呈极显著正相关，出苗后36 d时与块茎产量呈显著正相关，生育后期相关不显著。叶片净光合速率在出苗后24～48 d内与块茎产量呈极显著正相关，其他时期相关不显著。SPAD值在出苗后12和36 d时与块茎产量呈显著正相关，在出苗后24 d时与块茎产量呈极显著正相关。
表5 不同生育时期各指标与产量相关分析Table 5 Correlation analysis of each index and yield in different growth periods
3.1 氮素与不同马铃薯品种生长发育
研究表明，氮素提高可显著增强马铃薯叶片净光合速率、SPAD值及根系活力，提高马铃薯产量。根系是马铃薯吸收养分重要器官，根系活力强弱及变化影响植株生长发育及叶绿素含量和光合作用。合理增施氮肥显著增强水稻根系活力[12]，姚一华等研究表明，适宜施氮水平显著提高木薯叶面积、叶片SPAD值以及净光合速率[13]。氮肥施用有效增强马铃薯叶片光合作用，延长生育期，增加植株光合作用时间，提高盛花期及块茎膨大期光合速率，提高有机物储藏，增加干物质量[14]。王季春研究发现，马铃薯在高氮水平下叶面积和净光合速率明显增加，茎叶生长量、叶片面积及块茎膨大速率也增加；
在含氮水平低环境下，则不同程度降低[15]；
过度增施氮肥使马铃薯叶片SPAD值达到平台期后无明显变化，抑制其光合作用能力。施氮量升高使分配到叶片光合器官中氮素比例下降，非光合组分比例上升，导致光合氮利用效率下降[16]。
本研究结果表明，两个马铃薯品种叶片净光合速率在生育期呈单峰曲线变化，且均在出苗后24 d时达到最大值，SPAD值在生育期呈逐渐下降趋势。氮素水平提高均可增加两个马铃薯品种净光合速率和SPAD值，但品种表现不同，与阮琴妹等研究结果相似[17]。东农322在常氮N1处理下光合作用积累能力较强，SPAD值达到平台期后增施氮肥对其影响不明显，高氮N2处理则抑制其光合作用积累能力，叶片净光合速率降低。而东农314在高氮N2处理下叶片净光合速率和SPAD值最高。由此可见，施氮量增加虽可提高马铃薯叶片净光合速率，但其上限主要取决于品种特性。因此，氮素水平对马铃薯叶片净光合速率和SPAD的影响因其基因型不同导致净光合速率表现不同。两个品种根系活力表现大致相同，生育期呈先升后降趋势，出苗后24 d时达到最大值，且均随施氮水平增加而提高，但在生育前期施氮量增加对东农314根系活力增幅较大。两个品种各器官干物重生育期变化趋势与其净光合速率和SPAD值相同，但东农322高氮N2处理下各部位干物重在生育期呈上升趋势，表明增施氮肥使该品种植株生长期延长。
植株株高、茎粗、主茎数等是作物生长发育外在形态表现，是衡量其长势重要指标。李宏光和蒋勇等研究表明，适当增施氮肥显著增加植株株高、茎粗及主茎数[18-19]，本试验中株高与茎粗整体表现为随施氮量增加而增加，但因品种不同其表现也不同，东农322株高氮处理差异不显著，常氮N1处理茎粗显著高于不施氮N0和高氮N2处理，不施氮N0和高氮N2处理间无显著差异；
东农314株高则表现为氮处理差异显著。
3.2 氮素与不同马铃薯品种氮素积累量、氮素利用率和产量
适度增施氮肥提高马铃薯氮积累量，且不同氮效率品种间存在显著差异，程红研究表明马铃薯氮高效品种的氮素累积量高于氮低效品种[20]，矫娇娇等研究结果表明，不同基因型马铃薯随供氮水平提高氮素积累量和含氮量逐渐增加[21]。本试验研究中，两个马铃薯品种根、茎、叶氮积累量在生育期间均呈先升后降趋势。但其最大氮积累量时期在不同处理间也不同，表明增施氮肥可能影响马铃薯最大氮积累量的时期，但因其品种不同导致其反应不同。东农322各部位氮积累量在两个施氮处理下均显著高于不施氮N0处理，高氮条件下根和茎氮素积累量在某时期显著增加，而叶片和块茎氮素积累量在高氮条件下无显著差异，表明东农322在高氮条件下对氮素吸收能力较强，但因形态特征、光合及产量等指标并无显著增加，说明其对氮素转运和利用能力较弱；
东农314各器官氮积累量随氮素水平提高而增加，且3个处理间差异显著。因基因型不同导致氮积累量增加的表现不同，与矫娇娇等研究结果一致。
在氮素利用率方面，东农322相关指标均随施氮量增加而降低，其中氮肥吸收利用率和氮肥农学利用率差异显著。东农314氮肥吸收利用率随施氮量增加而显著提高，而氮肥农学利用率和氮肥生理利用率却显著降低；
东农314在高氮条件下有较高氮素吸收效率，而东农322与东农314相比，仅依靠基础肥力条件下仍保持较高产量，由此可见，东农322在低氮条件下仍保持较高氮素利用效率，获得较高产量。
增施氮肥和选育氮高效品种最终目的是在保持生态环境可持续发展条件下节省成本，提高产量。本试验研究中，随氮素水平提高，两个品种产量均显著提高，但两个品种产量增加表现不同，东农322各处理间产量表现为N1=N2＞N0，东农314则表现为N2＞N1＞N0。两个品种同处理间产量对比结果为：东农322在不施氮条件下产量显著高于东农314，东农314在高氮条件下产量显著高于东农322，常氮条件下两个品种产量无显著差异。
在植株生长过程中，各个指标在不同时期代表含义不同，SPAD值和根系活力在生育前期均与产量呈显著正相关，净光合速率在生育中期（出苗后24～48 d）与产量呈显著正相关，全生育期各部位干物重和氮积累量均与产量呈显著正相关。通过对不同生长阶段各指标与产量开展相关性分析，可确定不同品种生长规律和特点，明确影响产量的关键因素，且可发现相关指标最佳测量时期，为后续研究提供便利。
综上所述，氮素水平提升导致马铃薯生育期延长，且由于品种基因型不同导致氮素水平提升对两个品种各器官最大氮积累量时期均有不同程度影响，可使其提前或延后。氮素水平提升也显著影响各项指标表现，东农322在常氮处理下各指标均显著高于不施氮处理，且多数指标与高氮处理无显著差异，甚至在高氮处理下受抑制，在不施氮与常氮处理下产量均高于同处理的东农314，属于低氮高效型品种；
东农314在高氮处理下各指标均显著高于常氮和不施氮处理，产量也高于同处理的东农322，属于高氮高效型品种。不同基因型品种不仅氮效率不同，其品质和用途也不同，通过研究不同品种氮效率，可针对不同品种用途和氮素利用特性，采取合理栽培措施，在保持生态环境可持续发展同时达到节省成本、提高产量的目的。