不同滴灌模式下新型富里酸水溶性肥料对马铃薯生长、产量及水肥利用效率的影响研究

本研究系统探讨了新型富里酸（FA）水溶性配方肥料在不同滴灌水平下对马铃薯‘西森6号’生长特性、光合参数、产量及水肥利用效率的调控效应。通过设置3种灌溉水平（常规灌溉W1:4582.5 m3·ha?1、减量15% W2:3865.5 m3·ha?1、减量30% W3:3165 m3·ha?1）和5种施肥处理（不施肥CK、常规肥CF、FA配方肥F1-F3），发现水肥互作对马铃薯生长指标（株高、地上部干重、SPAD值）、光合特性（Pn、Tr、Gs、Ci）、产量构成及资源利用效率（WUE、IWUE、PFP）均产生显著影响。主成分分析表明W2F2处理（减量15%灌溉+FA 60g·L?1配方肥）综合表现最优，在节水15%条件下实现产量59.49 t·ha?1，WUE和PFP分别达13.84 kg·m?3和100.1 kg·kg?1，为西北干旱区马铃薯绿色生产提供了优化方案。

　　

1 引言

马铃薯（Solanum tuberosum L.）作为全球第三大消费和第四大生产的粮食作物，在保障粮食安全方面具有重要地位。中国西北地区作为主要马铃薯产区，面临水资源短缺和肥料利用效率低下的双重挑战。传统沟灌结合过量水肥管理的模式导致资源浪费和土壤结构退化，因此提高作物水分生产力和肥料利用效率对西北干旱区农业可持续发展至关重要。滴灌施肥技术通过将水分和养分直接输送到根区，能够优化肥料利用效率并增强光合性能，已被广泛应用于农业生产实践。

马铃薯作为高需水作物，其浅根特性（约80-90%根系分布在0-40 cm土层）使其对土壤水分条件高度敏感，易受水分胁迫的影响。研究表明，块茎形成和膨大期的水分亏缺会对薯块大小、数量和品质产生负面影响。滴灌（DI）作为全球公认的节水技术，不仅能够提高作物产量和品质，还能显著改善水和肥料利用效率，同时减少地表径流、蒸发损失和环境污染。此外，亏缺灌溉是一种潜在节水策略，通过在特定生长阶段或整个生长季协调有限供水与作物需求，在维持产量和品质的同时提高水分利用效率。

施肥是稳定和提高作物产量的另一关键途径。合理施肥促进马铃薯生长，进而改善产量和品质。作为营养需求型作物，马铃薯对氮（N）、磷（P）、钾（K）的需求量特别高。这些必需养分的适量供应对于品质改进和产量提升至关重要，任何元素的缺乏都会导致生产力下降。近年来，虽然中国化肥施用量逐年增加，但单位面积粮食产量的增长速度逐渐下降。尽管测土配方施肥方法已广泛推广，但肥料利用效率仍低于40%。传统化学肥料的过量施用不仅造成重大经济损失，还引发各种环境问题，包括土壤酸化、水体富营养化和水资源污染。

因此，加速新型肥料的开发和应用已成为全球肥料产业发展的必然趋势。富里酸（FA）作为一种低分子量生物活性有机物质，易被植物根叶吸收。作为天然生物刺激素，它不仅优化植物营养状况和叶绿素含量，还能激活微生物活性，从而增强作物生产力和铁吸收。研究表明，FA可改善作物的产量、品质和抗逆性。它优化根系生长，调节生理生化响应，改善土壤环境和养分有效性/吸收，增强抗逆性，并提高土壤保水能力。此外，FA已被证明可显著促进洋葱、红花、胡椒和柠檬等其他作物的生长发育。

因此，开发含FA的马铃薯专用配方肥料对农业和生态系统具有重要价值，代表了改善马铃薯品质和产量同时提升土壤环境的重要技术途径。水肥联合应用已被证明可同时提高水肥利用效率和马铃薯产量。大量研究证实，亏缺灌溉（减少10-30%）结合减量施肥可同时增加产量并改善资源利用效率。

2 材料与方法

2.1 肥料研发

针对新疆干旱盐碱地区马铃薯栽培，研发了含富里酸（FA）的新型专用水溶性肥料（F1、F2、F3）。核心原料矿物源富里酸富含羧基和酚羟基等活性官能团，具有优异的螯合和缓冲能力——这是提高养分利用效率的关键机制。在生产过程中，首先将磷酸一铵、氢氧化钾和液体氮肥按特定比例加入水中反应形成无机养分，冷却后依次加入液体氮肥、浓缩富里酸溶液、浓缩氨基酸溶液和硼酸，随后加入预溶解的甲酸钾和磷酸脲均匀混合，最后加入功能添加剂充分搅拌得到最终新型肥料产品。该过程的关键在于控制反应温度和添加顺序，从而最大限度地保留各组分的生物活性。NPK比例根据马铃薯生长营养需求设计，最终获得适合马铃薯栽培的全面有机-无机液体复合肥。

2.2 研究区域描述

田间试验于2023年5月6日开始，在新疆阿克苏地区拜城县国家土壤质量阿克苏观测实验站进行。试验点属温带大陆性干旱气候，冬冷夏凉，适合马铃薯种植。生长季平均温度22°C，总降水量43.2 mm，月平均湿度53.06%，日常气候数据来自拜城气象站。种植前采集土壤样品（0-20 cm深度）经新疆农业科学院农业资源与环境研究所分析显示，土壤质地为壤土，肥力中等：水溶性盐含量3.4 g·kg?1，速效氮109.9 mg·kg?1，有机质22 g·kg?1，速效磷49.9 mg·kg?1，全氮1.25 g·kg?1，全磷1.53 g·kg?1，全钾11.1 g·kg?1，pH 8.21。种植前采用环刀法测定土壤田间持水量（20.82%）和容重（1.31 g·cm?3）。

2.3 试验设计

马铃薯作物于2023年5月6日种植，同年8月30日收获。试验采用马铃薯品种‘西森6号’，由国家马铃薯工程技术研究中心和相关企业在乐陵共同开发。该中晚熟品种既适合鲜食又适合加工，具有适应性广、产量高、品质优、抗病性强和耐盐碱能力突出等特点。

试验设计包含两个控制因素：灌水量（W）和施肥量（F），滴灌采用裂区设计，施肥处理采用随机完全区组设计。设置三个灌溉水平：当地常规实践（W1:4582.5 m3·ha?1）、亏缺15%（W2:3865.5 m3·ha?1）和亏缺30%（W3:3165 m3·ha?1）。实施五种施肥处理：不施肥（CK）、常规施肥（CF）和三种专用配方肥料——F1（富里酸:120 g·L?1，N-P-K=110-100-120）、F2（富里酸:60 g·L?1，N-P-K=130-120-150）和F3（富里酸:30 g·L?1，N-P-K=170-150-130）。试验共15个处理，每个处理3次重复（总共45个小区），单个小区面积38.5 m2（11×3.5 m）。马铃薯单行垄作（垄高40 cm，宽80 cm），行距110 cm，株距15 cm，种植密度69,000株·ha?1。灌溉处理间设1米缓冲带防止交叉污染。通过流量计和每个小区的独立阀门控制精确灌溉，肥料溶液通过文丘里注射器进入滴灌系统（每个小区一个肥料罐）。滴灌带沿垄铺设，在灌溉过程中输送溶解的肥料，整个生长季保持标准农艺 practices。

2.4 灌溉和施肥管理

种植前实施统一基肥施用。在马铃薯四个关键生长阶段通过灌溉施肥进行追肥：苗期、现蕾期、块茎膨大期和淀粉积累期。CF处理全季肥料施用量为240 kg·ha?1尿素（46.4% N）、240 kg·ha?1磷酸二铵（18% N，46% P）、375 kg·ha?1硫酸钾（50% K）和225 kg·ha?1复合肥（17%N，17%P，17%K），各生长阶段（苗期、现蕾期、块茎膨大期、淀粉积累期）施用比例分别为5:2:1:0（尿素）、1:1:1:1（磷酸二铵）、7:6:6:6（硫酸钾）和0:1:1:1（复合肥）。F1、F2和F3处理每季肥料施用量包括75 kg·ha?1尿素（46.4% N）、15 kg·ha?1磷酸二铵（18% N，46% P）、75 kg·ha?1硫酸钾（50% K）和750 kg·ha?1各自富里酸增强水溶性肥料（F1,F2,F3）。四个生长阶段施用比例分别为尿素5:0:0:0、磷酸二铵1:0:0:0、硫酸钾5:0:0:0，新型肥料2:3:3:2。

马铃薯生长季期间，对应关键生长阶段进行五次灌溉：苗期、现蕾期、块茎膨大期、淀粉积累期和成熟期。W1处理在各生长阶段分别接收1365m3·ha?1、877.5 m3·ha?1、1170 m3·ha?1、877.5 m3·ha?1和292.5 m3·ha?1灌溉量。W2处理灌溉量分别为1150.5 m3·ha?1、742.5 m3·ha?1、975 m3·ha?1、742.5 m3·ha?1和255 m3·ha?1，而W3处理在相应发育阶段接收960 m3·ha?1、600 m3·ha?1、810 m3·ha?1、600 m3·ha?1和195 m3·ha?1。

2.5 参数测量

（1）生长参数测量：每个处理从三个重复小区各随机取样三株（每处理共九株）。块茎膨大期测定株高、茎粗和地上部干物质积累量。株高用卷尺测量，精确到1 cm。茎粗在土茎接口处用游标卡尺（精度：0.1 mm）测量。取样植株仔细清除表面污染物，清洗后用吸水纸表面干燥。地上部生物质105°C烘30分钟（酶灭活），随后75°C烘至恒重。干重用分析天平（精度：0.1 g）称量并计算重复平均值。

（2）光合特性：块茎膨大期（7月20日9:00-10:00 AM）从三个重复小区各随机取样三株（每处理共九株）。每株选择相同节位三片健康叶片，使用TP-3051D便携式光合系统（浙江托普云农科技股份有限公司，杭州）进行光合测量。记录以下参数：净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和胞间CO?浓度（Ci），每叶片重复测量三次。每株选取最大叶片进行叶绿素评估，使用叶绿素计在三个不同点测定SPAD值（相对叶绿素含量）。计算所有测量值的平均值进行统计分析。

（3）马铃薯产量及其构成测定如下：成熟期各小区所有植株统一采收测量总产量，随后计算最终产量。另外，每个试验小区随机选取三株样品评估产量参数。记录单株薯重和单株薯数。同时测定商品薯产量（定义为单薯重>75 g）和单株商品薯数，随后计算商品率。

（4）土壤含水量测定：块茎膨大期采用土钻测量0-60 cm土层土壤含水量。采集的土壤样品放入铝盒，称重后105°C烘箱中烘至恒重。烘干后重新称重计算土壤含水量。

（5）作物耗水量（ETc）采用水分平衡方程确定。由于毛细上升获得的水量可忽略不计。由于地下水深度较大（2-3米），深层渗漏的影响被认为可忽略不计。由于90 cm以下土壤储水变化极小，超出此深度的变化也被认为不显著。此外，试验田所有小区均有田埂边界，无地表径流发生。由于Cr、Dp和R可忽略不计，ETc计算为：ETc = P + I ± ΔS

（6）水分利用效率（WUE, kg·m?3）和不合理水分利用效率（IWUE, kg·m?3）计算公式如下：

WUE = Y/ETc

IWUE = Y/I

其中Y=作物产量（kg·ha?1），ETc=总耗水量（m3·ha?1），I=总灌溉量（m3·ha?1）。

（7）肥料偏生产力（PFP, kg·kg?1）计算公式如下：

PFP = Y/F

其中Y=作物产量（kg·ha?1），F=全生长季总施肥量（kg·ha?1）。

2.6 统计分析

试验数据使用Microsoft Excel 2010整理。采用SPSS Statistics 27.0进行双因素方差分析、Pearson相关分析和主成分分析。使用Tukey’s HSD事后检验进行显著效应的多重比较，统计显著性定义为p<0.05水平。使用Origin 2021和ChiPlot平台（https://www.chiplot.online/）生成图表。

3 结果

3.1 不同水肥处理对马铃薯生长的影响

不同滴灌系统下新型专用肥料的应用显著增强了块茎膨大期马铃薯地上部生长。方差分析结果显示，灌溉水平（W）、施肥处理（F）及其交互作用（W×F）对株高产生显著影响。在相同施肥处理下，株高随灌水量增加而逐步增加，在W1处理下达到峰值。具体而言，W3F3相比W1F3和W2F3分别降低18.86%和20.37%。在W2灌溉制度下，W2F2处理表现最优，相比W2CK和W2CF分别提高56.67%和24.44%。

茎粗受施肥处理（F）显著影响，而灌溉水平（W）及W和F的交互作用无显著影响。最大茎粗值范围13.00至17.26 mm，在W2灌溉制度下一致观察到。地上部干重受灌溉水平（W）、施肥处理（F）及W和F交互作用的显著影响。与CK相比，配方肥料处理（F1-F3）在W1、W2和W3灌溉制度下使干物质积累分别增加50.03-162.4%、27.33-71.24%和46.97-92.18%。值得注意的是，W2灌溉下F2处理相比CK和CF分别显著改善71.24%和55.72%。

相对叶绿素含量（SPAD值）受灌溉水平（W）、施肥处理（F）及W和F交互作用的显著影响。在W2灌溉制度下，新型肥料处理中的SPAD值显著高于W2CK，相比对照提高17.6-21.69%。当比较相同施肥水平时，W1F2和W2F2的SPAD值显著大于W3F2，而W3F1相比W1F1和W2F1分别降低6.4%和10.38%。这些结果清楚表明，在相同施肥条件下，水分亏缺显著损害马铃薯叶片叶绿素积累。以上结果表明，适宜的水肥组合可显著促进马铃薯地上部生长和叶绿素积累，从而为后续光合作用和产量形成奠定坚实的生理基础。

3.2 不同水肥处理对马铃薯叶片光合速率的影响

分析表明净光合速率（Pn）受灌溉水平（W）和施肥处理（F）显著影响。同样，蒸腾速率（Tr）受灌溉水平（W）显著影响。在F2施肥处理下，W3灌溉导致Tr值显著低于W1和W2，W3F2相比W1F2和W2F2分别降低60.35%和57.58%。方差分析结果表明气孔导度（Gs）受灌溉水平（W）、施肥处理（F）及W和F交互作用的显著影响。在W1和W2灌溉制度下，F2处理的气孔导度值显著高于CK，分别提高114.74%和99.14%。然而，在水分亏缺灌溉（W3）下，F2处理表现出最低的气孔导度（Gs），相比CK降低25.52%。相比之下，F3处理在这些条件下表现最佳，Gs值相比CK和CF分别提高53.45%和89.98%。当具体检查F2施肥处理时，水分亏缺（W3）导致气孔导度显著降低，相比W1F2和W2F2处理分别降低59.74%和62.12%。

灌溉和施肥的交互作用（W×F）对胞间CO?浓度（Ci）产生显著影响。在相同灌溉水平下，大多数新型肥料处理显示Ci值低于CK。然而，这些差异并不显著，除W1F3外，其Ci值显著高于CF。在F3施肥处理中，充分灌溉（W1）导致Ci值显著大于W2F3和W3F3，分别提高9.74%和9.76%。光合性能的改善进一步解释了新型肥料在适度亏缺灌溉下对马铃薯生长的促进作用，确保了后续块茎产量和生物质积累的能量供应。

3.3 不同水肥处理对马铃薯产量及其构成的影响

生长指标的增强加上光合性能的改善共同促成产量显著增加。分析表明马铃薯产量受灌溉水平（W）和施肥处理（F）显著影响，三种新型配方肥料在所有灌溉制度下均显示显著增产——相比对照实现76.54-95.25%（W1）、75.13-121.29%（W2）和70.32-87.56%（W3）的改进。W2F2处理达到最优产量表现（59.49 t·ha?1），相比W2CK提高121.29%，相比W2F1具有26.36%的产量优势。在相同施肥条件下，水分亏缺灌溉处理（W3）产量显著低于W1和W2处理。

单株薯产量受灌溉水平（W）、施肥处理（F）及W和F交互作用的显著影响。在相同灌溉制度下，所有三种新型肥料配方显著增加单株重，F2持续优于其他处理，其次是F3。当检查相同施肥水平时，水分亏缺灌溉（W3）产量显著低于W1和W2。W2灌溉制度在所有处理中产生最高单株薯产量，W2F2组合相比W3F2显著提高69.77%。

单株商品薯产量受灌溉水平（W）、施肥处理（F）及其交互作用（W×F）的显著影响。在W1和W2灌溉制度下，三种新型肥料配方应用显著提高商品产量，F2处理表现最优，并显示相比CK统计显著增加。此外，在相同施肥处理下，W1和W2灌溉下的商品产量显著高于W3，清楚表明水分亏缺大幅降低商品薯生产。

商品薯率受灌溉水平（W）、施肥处理（F）及其交互作用（W×F）的显著影响。对于所有三种配方肥料处理（F1、F2和F3），水分亏缺灌溉（W3）导致商品率显著降低，相比W1和W2分别降低20.46-28.24%和20.47-28.78%，证明水分胁迫显著损害马铃薯商品性。产量及其构成分析表明，水肥的协同调控不仅直接影响块茎形成，还影响单株产量和商品薯率，突显了水肥管理在马铃薯生产中的关键作用。

3.4 不同水肥处理下的水分和肥料利用效率

使用公式计算不同水和肥料处理下的水分利用效率（WUE）。结果表明水分利用效率（WUE）受灌溉水平（W）和施肥处理（F）显著影响（p<0.05）。在W1、W2和W3灌溉处理下，新型肥料的应用相比CK显著提高WUE，分别提高76.54%–95.25%、75.13%–121.29%和70.32%–87.56%。此外，在相同施肥条件下，W2灌溉持续产生比W3灌溉更高的WUE，如W2F2相比W1F2和W3F2分别具有28.46%和42.06%优势，W2F3相比W1F3和W3F3分别表现优21.38%和40.68%。

使用公式计算不同水和肥料处理下的灌溉水利用效率（IWUE）。分析表明灌溉水利用效率（IWUE）受灌溉水平（W）和施肥处理（F）显著影响。在相同灌溉条件下，三种新型配方肥料（F1-F3）显著增强IWUE相比CK。W2F2处理展示最优IWUE性能，相比W2CK提高121.3%，其次是W2F3相比CK改进106.67%。当检查相同施肥水平时，W2灌溉制度持续产生比W3制度更高的IWUE。

使用公式计算不同水和肥料处理下的偏生产力。分析表明偏因子生产力（PFP）受灌溉水平（W）、施肥处理（F）及其交互作用（W×F）的显著影响。在相同灌溉条件下，新型肥料配方（F1-F3）显示相比常规施肥（CF）显著更高的PFP，提高范围59.99-69.74%（W1）、64-90.22%（W2）和55.65-73.06%（W3）。W2F2处理达到最大PFP，相比W2CF改进90.66%。当比较相同施肥处理下的灌溉水平时，W2制度持续产生最高PFP值，而水分亏缺（W3）导致相比W1和W2分别显著降低34.86-38.11%和32.39-41.08%。水和肥料利用效率的增强证明，在适度节水条件下应用新型富里酸基肥料有助于高效资源利用，从而为干旱地区马铃薯可持续生产提供了技术策略。

3.5 马铃薯关键生长阶段指标的相关性和主成分分析

进行相关性分析以检查块茎膨大期马铃薯关键性状之间的关系。结果揭示了连接冠层生长、光合参数、产量成分以及水和肥料利用效率的显著相关性网络。株高（PH）、地上部干重（DW）和SPAD值与总产量和产量成分均呈极显著正相关（p<0.01）。净光合速率（Pn）与蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和产量参数呈强正相关（p<0.01），而与胞间CO?浓度（Ci）呈显著负相关（p<0.05）。相反，Ci与生长指标和产量成分负相关（p<0.05）。此外，水分利用效率（WUE）和肥料偏因子生产力（PFP）均与PH、DW、SPAD、Pn及所有产量相关参数呈极显著正相关（p<0.01）。

采用主成分分析（PCA）评估和优化西北中国马铃薯栽培的水肥管理策略，重点关注块茎产量、品质、水分利用效率（WUE）和肥料生产力。通过PCA计算的综合评价分数表明，在相同灌溉制度下，新型肥料处理持续优于对照（CK）和常规施肥（CF）。其中，F2配方肥料表现最优，排名前三的处理为W2F2 > W2F3 > W1F1，而W3CK排名最低。这些结果表明，在试验条件下，W2灌溉水平结合F2或F3肥料代表了同时增强马铃薯产量和改善水肥利用效率的最佳方法。

4 讨论

4.1 水肥处理对马铃薯生长的影响

最佳水肥管理对马铃薯生长发育至关重要。随着灌溉水平降低，株高、地上部干物质积累和相对叶绿素含量（SPAD）持续受到抑制，可能由于水分胁迫损害根系功能，进而降低养分和水分吸收能力。在本研究中，充分灌溉（W1）下，新型肥料处理达到最大株高，与W2处理无显著差异。这一发现与Wang等人报告的结果一致，表明F1和F2施肥处理可减轻水分胁迫对马铃薯生长的影响。假设富里酸（FA）可能作为抗氧化剂清除过量活性氧（ROS）或作为信号分子诱导抗氧化剂产生，从而减少植物细胞中的氧化损伤，进而增强抗旱性。未来研究有必要进一步调查相关植物生理指标。

相比之下，在W3处理下，植物中观察到显著积累的ROS和丙二醛（MDA），导致明显氧化损伤。此外，F3处理中较低的有效FA和钾含量可能直接限制了其帮助马铃薯应对干旱胁迫的功效。虽然新型肥料应用在充分（W1）和适度（W2）灌溉制度下持续促进地上部干物质积累，但其功效显示为水分依赖性，如地上部生物质对灌溉水平（p<0.01）相比施肥（p<0.05）更敏感所证明，因此使它们在减轻严重水分亏缺（W3）对干物质生产的负面影响方面无效。

本研究结果表明，处理W1F1和W2F3显著增加马铃薯地上部干物质积累相比CK处理。地上部干物质作为光合产物积累的关键指标，不仅反映增强的植物生长，还反映更大能力将同化物转运至块茎，从而为块茎产量和品质形成建立物质基础。值得注意的是，干物质积累和分配直接影响块茎贮藏性能。干物质含量是马铃薯的重要品质性状，较高水平通常与块茎中淀粉积累增加相关。这种淀粉作为萌芽和早期植株建立的能量储备。贮藏期间，块茎经历水分蒸发和干物质呼吸损失。因此表明W2F2处理的块茎有潜力积累更高干物质，可能延迟贮藏期间干物质损失速率，最终减少重量损失并改善抑芽能力，从而表现更好的贮藏性。然而，本研究未直接测量块茎贮藏期间的生理变化。未来研究应纳入贮藏试验以进一步评估不同水肥管理策略对马铃薯采后品质和贮藏稳定性的影响。

据报道，轻度亏缺灌溉维持相对较高的马铃薯叶片叶绿素含量，虽然与充分灌溉无显著差异，这与本研究发现在相同施肥下W2灌溉达到峰值SPAD值而无统计区别于W1一致。这种叶绿素保存归因于优化水分管理促进增强水分和必需养分（氮、钾、镁和铁）的吸收，这些支持叶绿素生物合成，并随后提高光合效率。这一发现也与Mosaad等人报告的观点一致，即富里酸（FA）应用可增强叶绿素含量。推测FA可能改善养分有效性，增加细胞膜通透性，并增强细胞内信号转导功能，从而促进根系生长。这些改进随后导致增加叶绿素含量和光合效率，最终激活碳氮代谢。相比之下，干旱胁迫显示损害水分吸收能力，从而减少养分获取，最终降低叶绿素含量，这与本研究中W3处理SPAD值显著低于W1和W2一致。

4.2 水肥处理对马铃薯叶片光合速率的影响

水分作为植物光合作用的基本底物，直接调节叶片气体交换和生理代谢。现有研究表明，在适当浓度下叶面喷施FA可显著增强叶绿素含量、光合相关酶活性，并上调相关基因表达，从而增加干旱胁迫下作物幼苗的净光合速率（Pn）。然而，在本研究中，相同施肥 regime下不同滴灌水平间未观察到Pn的显著差异。假设每种肥料处理中存在的FA通过减轻对最大光化学效率（Fv/Fm）、实际光