基于源-库（source-sink）视角的西北干旱区滴灌施肥马铃薯产量与水分生产力优化：土壤湿润比例与灌溉频率-施氮量的时空协同

《Agricultural Water Management》：Optimizing yield and water productivity in arid Northwest China: A source-sink perspective on drip-fertigated potatoes

　　

• 较高的土壤湿润比例（soil wetted proportion，P）或较低的灌溉频率（irrigation frequency，F）会提高马铃薯后期库/源比（sink/source ratio，块茎干物质与茎叶干物质之比）。
• 系统性的源-库协调对最大化块茎产量和水分生产力（water productivity，WP_c）至关重要。
• 中等土壤湿润比例（55%）可稳定马铃薯产量并提高水分生产力。
• 高频灌溉结合充足氮（N）素可提高水分生产力与品质。
• 时空水氮调度是干旱区马铃薯生产的一种有前景的策略。

论文解读：马铃薯是第四大粮食作物，中国为最大生产国和消费国，2022年产量95.63百万吨，占全球25.5%，但平均单产仅20.35 t ha^?1，显著低于欧洲和美洲。西北地区是主要产区，生产力受水资源有限和高蒸散需求制约，膜下滴灌被广泛采用；其增产效率主要取决于滴灌制度中土壤湿润比例（soil wetted proportion，P）和灌溉频率（irrigation frequency，F）的优化。以往研究多关注P或F优化及后期静态源-库关系（source-sink relationship），对整个生育期源-库关系时间动态及其与最终产量、水分生产力（water productivity，WP_c）和品质之间内部关系认识不足；氮（N）虽可调控源-库关系，但在膜下滴灌下其吸收运输受土壤水分驱动，不能与灌溉制度分离。为此，研究人员开展两个田间试验，量化不同生育阶段库/源比动态，评估P与年份、F与施氮量（nitrogen application rate，N）的交互效应，通过相关分析阐明动态与产量、WP_c及品质的关系，并用熵权-TOPSIS（entropy weight-TOPSIS，逼近理想解排序法）识别高产、高WP_c和高品质管理条件。研究结论表明，最大化库/源比并不保证最高产量或WP_c；早中期较高库/源比与产量和耗水正相关，却与淀粉和蛋白含量负相关；实现高生产力需平衡源容量（地上部干物质）与库积累（块茎）；高频灌溉配合充足N可维持平衡并协同提高WP_c和品质；TOPSIS推荐中等湿润比例P2（55%）、高频灌溉F1（2天间隔）和充足氮N3（300 kg N ha^?1）组合。该研究为干旱区马铃薯时空水氮调度提供了依据。

方法概括：研究依托中国农业大学石羊河实验站（甘肃武威，西北干旱区）2014、2015和2018年田间试验，供试品种为Kexin 1。试验1设置3个土壤湿润比例35%、55%、75%（P1—P3），于2014—2015年开展；试验2设置3个灌溉频率（F1每2天、F2每4天、F3每6天）和3个施氮量（N1 140、N2 220、N3 300 kg N ha^?1），于2018年开展。测定地上部与块茎干物质、作物蒸散量（crop evapotranspiration，ET_c）、WP_c、淀粉和蛋白含量，采用双因素方差分析、相关分析及熵权-TOPSIS综合评价。

3.1 气候条件与灌溉量：基于三年田间气象与灌溉记录，2014、2015和2018年生育期日均温分别为18.7、19.5和20.1 ℃，降雨量分别为176.2、125.7和137.6 mm；2015年总降水最低且后期严重亏缺，P1—P3总灌溉量331.5—368.0 mm；2014年降水较多但分布不均，灌溉量223.2—342.8 mm；2018年各处理统一灌溉548.8 mm，降水分布呈先干后集中。

3.2 地上部干物质、块茎干物质与库/源比：基于2014—2015年P试验和2018年F×N试验，2014年P1收获期地上部干物质最大，达4.29 t ha^?1，较P2高38.7%（p<0.05）、较P3高26.5%（p>0.05）；P2和P3后期下降，提示地上部生物量向块茎转运。2014年块茎干物质多数采样期无显著差异；库/源比早期P2和P1高于P3，7月14日P1较高，收获时P2和P3数值上分别较P1高42.9%和14.3%。2015年地上部和块茎干物质均无显著差异，收获期P3库/源比分别较P1和P2高65.7%和33.5%（p<0.05）。双因素分析显示P、年份（Y）及P×Y在不同生育阶段显著影响上述指标；成熟期块茎干物质受年份极显著影响，库/源比受P（p=0.002）和P×Y（p=0.041）显著影响。2018年F和N在多数阶段对地上部、块茎干物质和库/源比有显著或极显著交互作用；同一N下F1地上部较F3高17.1%—52.0%；成熟期N3较N1在F1、F2、F3下分别平均提高地上部22.6%、14.5%、13.6%；F1块茎干物质在中后期较F2和F3分别高9.0%—26.2%和20.0%—59.5%，F1N3收获期达17.8 t ha^?1；F3下N2达峰值14.0 t ha^?1，N3反降8.6%。库/源比在F3N2最高（6.38），较F1N2高21.3%（p<0.05）；F3N3（5.12）显著低于F3N2。结论是较高P或较低F提高后期库/源比，但最优P随降水年型变化。

3.3 块茎产量、蒸散量与水分生产力：基于两个试验的产量与水分观测，2014年最高产量为P3的65.7 t ha^?1，较P1高14.9%（p<0.05）；2015年最高为P2的93.4 t ha^?1，较P3高15.5%（p<0.05）。2014年ET_c随P增加，P3较P1高28.6%；2015年各P处理ET_c无显著差异；2015年P2的WP_c最高，达19.4 kg m^?3，较P3高22.8%。2015年P1、P2、P3产量分别较2014年提高53.0%、49.7%、23.1%。2018年F1N3产量和WP_c最高，分别为112.6 t ha^?1和17.1 kg m^?3；F1较F2和F3产量高9.4%—36.0%、WP_c高14.6%—44.9%；ET_c随F降低而增加。结论是高频灌溉结合充足N提高产量和WP_c，低频率下高N不增效。

3.4 块茎品质：基于品质测定，淀粉和蛋白含量仅受年份主效应显著影响（p<0.01），P及其交互作用不显著。2014年P3蛋白最高，P2和P3较P1分别高25.0%和37.5%（p<0.05）；2015年品质无显著差异，P2数值较高。2018年F×N对淀粉含量有显著影响；同一N下F1淀粉较F3高10.2%—34.0%；F1N3淀粉（12.6%）和蛋白（1.8%）最高，较F3N1分别高28.6%和12.5%（p<0.05）。结论是中等P跨年品质较稳定，高频灌溉配充足N提高淀粉和蛋白含量。

3.5 库/源比与块茎生产力相关分析：基于相关分析，块茎形成期和膨大期库/源比与最终产量显著正相关（r=0.56、0.60，p<0.05）；ET_c与各阶段库/源比极显著正相关（r=0.83—0.93，p<0.001）；淀粉（r=?0.59至?0.79）和蛋白（r=?0.54至?0.80）与全生育期库/源比显著负相关，WP_c无显著相关。结论是早中期提高库/源比有利于产量和耗水，但降低淀粉和蛋白含量。

3.6 TOPSIS评价：基于熵权-TOPSIS综合评价，2014年P1的Ci最高（0.573），P2为0.429，P3为0.388；2015年P2最高（0.534）；2018年F1N3最高（Ci=1.000），F3N1最低（0.055）。结论是P2（55%）跨年综合稳定性较好，F1N3为最优滴灌施肥制度。

讨论部分总结：研究人员围绕灌溉和氮对源-库关系、产量、ET_c、WP_c及品质的影响展开分析。较大P有利于地上部积累，但后期更利于向块茎转运；P2在两年间综合表现稳定。高频灌溉维持根区水分稳定，避免严重干湿交替和根区缺氧，促进氮素吸收和块茎膨大；低频率大水量易导致深渗淋洗、短期缺氧和水分波动，使高氮效果受限。中等湿润比例可减少无效蒸发、优化蒸腾，跨年稳定品质；高频小水量配高氮可减少淋洗并协同提高淀粉和蛋白。库/源比升高反映转运潜力，但最终产量和品质取决于源总光合能力、同化物转运动态和库储存能力的系统协调；早中期库/源比与产量正相关，与品质负相关，且与ET_c正相关。品种Kexin 1的最适湿润比例与同区域Xisen 6报道值不同，原文归因于基因型根系结构和对水分分布敏感性差异。

研究结论翻译：本研究评估了不同灌溉制度（土壤湿润比例P和灌溉频率F）与施氮量N对库/源比动态、产量、水分生产力（WP_c）和块茎品质的影响。结果显示，最大化的库/源比并不保证最高产量或WP_c。早中期库/源比升高与产量和耗水呈正相关，但与块茎淀粉和蛋白含量呈负相关。因此，实现高生产力需要平衡源容量（地上部干物质）与库积累（块茎）。高频灌溉配合充足氮素可有效维持该平衡，协同提高WP_c和块茎品质。基于TOPSIS评价，中等湿润比例（P2，55%）、高频灌溉（F1，2天间隔）和充足氮素（N3，300 kg N ha^?1）的组合是干旱区马铃薯生产的一种有前景的管理策略。