沙地大型噴灌機施肥灌溉配套魚鱗坑對馬鈴薯生長和水肥利用的影響研究

馮志文，康躍虎，萬書勤，劉士平

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，北京 100101；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

內(nèi)蒙古是我國馬鈴薯的主要生產(chǎn)基地之一，播種面積和總產(chǎn)量均居全國前三位，分別占到全國的10%以上[1]。內(nèi)蒙古烏蘭察布、鄂爾多斯地區(qū)光照充足、晝夜溫差大，雨熱同季，土壤多為沙地，非常適合馬鈴薯的生長。近年來，這些地區(qū)建立了許多規(guī)?；图s化的馬鈴薯生產(chǎn)基地，引進了控制面積達數(shù)十公頃的大型噴灌機(中心支軸式噴灌機)進行馬鈴薯施肥灌溉[2]，提高了馬鈴薯的產(chǎn)量和品質(zhì)。

但是引進大型噴灌機后，當(dāng)?shù)赜脩羝毡槿园磦鹘y(tǒng)地面灌溉大水大肥的方式進行灌溉和施肥管理，長期大量地抽取地下水進行灌溉，致使當(dāng)?shù)氐叵滤怀掷m(xù)下降；另外，沙質(zhì)土壤保水保肥性差，在雨季或者過量灌溉時養(yǎng)分容易流失。缺乏大型噴灌機配套的水肥管理方式造成了當(dāng)?shù)厮?、肥的浪費，水肥利用效率低，馬鈴薯難以長期可持續(xù)生產(chǎn)。

另外，中心支軸式噴灌機在工作時，為了保證噴灌均勻度，噴頭的噴灌強度設(shè)計從支軸開始向外逐漸增大，遠離中心支軸一定距離后瞬時噴灌強度將達到強暴雨(100 mm/h)，容易產(chǎn)生短時間的地表徑流[3,4]，噴灌施肥灌溉時養(yǎng)分也容易隨著地表徑流淋失，從而影響作物的生長與產(chǎn)量。因此與之配套的耕作管理措施非常重要。魚鱗坑是一種水土保持措施，具有一定蓄水能力，可保土保水保肥，減少水分的徑流損失[5-7]。

本試驗主要研究內(nèi)蒙古地區(qū)大型噴灌機(中心支軸式噴灌機)施肥灌溉條件下配套水土保持措施(魚鱗坑)對馬鈴薯生長、水肥利用效率等的影響，以期為內(nèi)蒙古地區(qū)大型噴灌機下馬鈴薯的水肥高效利用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市達拉特旗白泥井鎮(zhèn)(110°28′E，40°18′N)，海拔約1 006 m，屬于半干旱溫帶大陸季風(fēng)氣候。晝夜溫差大，日照強烈，年均日照時數(shù)約3 100 h，年均氣溫6.1～7.1 ℃，年有效積溫(≥10 ℃)為3 200 ℃左右，無霜期為135～150 d。年均降水量為240～310 mm，主要集中在7-9月份。蒸發(fā)量大，年均蒸發(fā)量約2 100 mm(約為降水量的6～9倍)。

土壤質(zhì)地疏松，砂土，以粗砂粒為主，接近于流沙。1.2 m土層平均容量為1.52 g/cm3，田間持水量為15.5%，透水性強。土壤肥力一般，其根區(qū)主要化學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本化學(xué)性質(zhì)Tab.1 Chemical properties of the experiment soil

1.2 供試材料

供試馬鈴薯品種“夏波蒂”(2012年)和“費烏瑞它”(2013-2014年)。供試肥料為常規(guī)馬鈴薯專用復(fù)合肥(氮磷鉀比例在2012年和2013-2014年分別為16-14-15和18-10-7)、尿素(46% N)和硝酸鉀(13.9%N, 46.5%K)。

1.3 試驗設(shè)計

在大型噴灌機模擬系統(tǒng)下開展試驗研究。試驗以常規(guī)不作任何措施為對照(CK)，于2012-2014年布置了一個魚鱗坑處理(B)，每個處理重復(fù)3次。馬鈴薯起壟栽培，壟間距0.9 m，壟肩寬0.3 m，壟高0.3 m，壟上種植單行馬鈴薯，株距0.2 m。每個試驗小區(qū)4條壟，每條壟長11.2 m。播種后15 d左右，在壟間挖魚鱗坑，規(guī)格為0.2 m(長)×0.2 m(寬)×0.2 m(坑深)。魚鱗坑間距0.25 m，相鄰2條壟溝內(nèi)的魚鱗坑交錯排列(圖1)。

在小區(qū)壟中心20 cm深度處埋設(shè)一支負壓計，監(jiān)測土壤水基質(zhì)勢，馬鈴薯齊苗后根據(jù)土壤水基質(zhì)勢閾值進行灌溉，每次灌溉都進行追肥。2012年當(dāng)土壤水基質(zhì)勢達到-25 kPa時開始施肥灌溉，每次灌水6～8 mm；根據(jù)2012的試驗結(jié)果，2013和2014年調(diào)高土壤水基質(zhì)勢閾值和每次灌溉量，當(dāng)土壤水基質(zhì)勢達到-15 kPa時開始施肥灌溉，每次灌水10 mm 左右，并且在降雨超過10 mm或者連續(xù)10天未進行灌溉時，為避免馬鈴薯關(guān)鍵生育期缺肥，采用噴灌進行追肥。

2012年，馬鈴薯5月13日播種，播種后溝施馬鈴薯專用復(fù)合肥(16-14-15)641.7 kg/hm2作為底肥，統(tǒng)一灌水3次，每次50 mm左右。從6月26日開始施肥灌溉，總追肥量為尿素746.7 kg/hm2，硝酸鉀746.7 kg/hm2，9月19日收獲。

2013年，馬鈴薯5月3日播種，播種后溝施馬鈴薯專用復(fù)合肥(18-10-7)1 500 kg/hm2，統(tǒng)一灌水40 mm左右，為保證出苗，之后又統(tǒng)一灌水5次，每次灌水8 mm左右。6月24日開始施肥灌溉，總追肥量為尿素27 kg/hm2，硝酸鉀774 kg/hm2，9月20日收獲。

2014年，馬鈴薯5月4日播種，統(tǒng)一灌水45 mm左右，為保證出苗，之后又統(tǒng)一灌水2次，每次灌水15 mm左右，6月28日開始施肥灌溉，總追肥量同2013年，尿素27 kg/hm2，硝酸鉀774 kg/hm2，9月23日收獲。

1.4 測定項目與方法

(1)降雨：在試驗區(qū)中心位置安裝雨量桶，測定每日降雨量。

(2)土壤水基質(zhì)勢：壟中心20 cm深度處埋設(shè)一支負壓計，測定土壤水基質(zhì)勢。每天8∶00和15∶00觀測負壓計讀數(shù)，并用來指導(dǎo)灌溉。

(3)生物量：馬鈴薯塊莖膨大期，每小區(qū)選取2株代表性植株測定其鮮生物量。

(4)產(chǎn)量：馬鈴薯完全成熟后，每小區(qū)收獲最中間2壟，稱重測產(chǎn)。

(5)灌溉水利用效率(IWUE)：為單位面積馬鈴薯產(chǎn)量與總灌水量的比值。

(6)肥料偏生產(chǎn)力(PFP)：為單位面積馬鈴薯產(chǎn)量與施用肥料的總養(yǎng)分量(即氮磷鉀的總和)的比值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Origin 9.0對數(shù)據(jù)進行處理并繪圖，用SPSS 13.0統(tǒng)計分析軟件進行t檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨量與累計灌水量

2012-2014年馬鈴薯整個生育期內(nèi)的總降雨量分別為352.2、315.4和250.7 mm，其中60%～70%的降雨量集中在7-8月(圖2)。2012-2014年生育期內(nèi)分別共降雨37次、37次和31次，其中大到暴雨(≥25 mm)的次數(shù)各為6次、3次和3次。三年中，10 mm以上的降雨總量分別為232.4、246.0和181.4 mm，在沙地上極易引起養(yǎng)分的淋失[8]。

圖2 2012-2014年馬鈴薯生育期內(nèi)的降雨量和兩個處理的累積灌水量Fig.2 Rainfall and cumulative irrigation for two treatments during potato growing period in 2012-2014

CK在2012-2014年整個生育期內(nèi)的總灌水量分別為204.4、223.5和283.1 mm，B在三年內(nèi)的累計灌水量分別為259.3、159.0和352.7 mm。2012年和2014年，B處理的灌水量比CK分別高出26.9%和24.6%，而2013年B的灌水量明顯較少，比CK低28.9%，這可能是由于負壓計埋設(shè)點的土壤空間變異性或者負壓計的靈敏度差異造成的。

馬鈴薯苗齊后每次灌水時進行施肥，從圖2可知，2012-2014年，CK的施肥灌溉次數(shù)分別為6、21和22次，平均每12、3和3 d追施1次。B處理在三年中的施肥灌溉次數(shù)分別為8、13和24次，平均每9、6和3 d施肥1次。除2013年外，B處理的施肥灌溉次數(shù)均比CK多2次，施肥頻率較高。2012年馬鈴薯生育中后期降雨頻繁，從7月中旬至8月底47 d內(nèi)共降雨19次，且該時期內(nèi)由負壓計監(jiān)測的土壤根區(qū)墑情良好，使得施肥灌溉次數(shù)明顯減少，B處理最長18 d才灌溉施肥1次，這極易引起土壤根區(qū)養(yǎng)分缺乏。2013年，B處理的施肥灌溉次數(shù)比CK少8次，這可能是負壓計埋設(shè)點的土壤存在較大的空間變異，或者負壓計的靈敏度較差所致。

2.2 土壤水基質(zhì)勢

兩個處理在15時的土壤水基質(zhì)勢變化情況如圖3所示。馬鈴薯在2012-2014年整個生育期內(nèi)，除了塊莖形成期和塊莖膨大期，因其日耗水量較大、灌溉不及時，導(dǎo)致其在個別時間出現(xiàn)土壤水基質(zhì)勢低于灌溉閾值的情況外，總體上兩個處理在三年內(nèi)馬鈴薯施肥灌溉階段的大部分時間內(nèi)都維持在灌溉閾值內(nèi)，土壤水分狀況良好。由于負壓計讀數(shù)采用人工定時觀測，出現(xiàn)土壤水基質(zhì)勢低于-25 kPa(或者-15 kPa)的原因可能為當(dāng)日8時的土壤水基質(zhì)勢未達到設(shè)定閾值而未進行灌溉，經(jīng)過一上午的水分消耗，致使根區(qū)的土壤水基質(zhì)勢在15時觀測時出現(xiàn)低于閾值的情況(8時數(shù)據(jù)未給出)。三年內(nèi)，除了2012年和2014年幼苗期和塊莖形成前期，B處理的土壤水基質(zhì)勢略低于CK外，在整個生育期內(nèi)，B處理的土壤水基質(zhì)勢均高于CK，說明魚鱗坑對地表徑流有較好的調(diào)控作用，土壤含水量高且持續(xù)時間長，有利于水分在根區(qū)的保存，與在黃土高原坡地上的研究結(jié)果一致[9,10]。

圖3 2012-2014年馬鈴薯生育期內(nèi)水土保持處理的土壤水基質(zhì)勢變化Fig.3 Changes of soil matric potential of two treatments in 2012-2014

2.3 產(chǎn)量與水肥利用效率

由表2可知，馬鈴薯的單株鮮生物量、產(chǎn)量、IWUE和PFP在三年內(nèi)表現(xiàn)出較大差異。2012年B處理的鮮生物量、產(chǎn)量比CK分別高19.6%和22.1%，IWUE略比CK低3.7%，PFP明顯高于CK，比CK高36.8%；2013年B處理的鮮生物量、IWUE分別低于CK 57.2%和35.4%，而產(chǎn)量和PFP明顯低于CK，比CK低54.2%和54.1%；2014年B處理的鮮生物量明顯高于CK，是CK的3.2倍，產(chǎn)量、IWUE和PFP分別比CK高33.3%、7.0%和33.3%?？傮w上，2012年和2014年，B處理的鮮生物量、產(chǎn)量與水肥利用效率均優(yōu)于CK，說明隨著土壤水分條件的改善，采用魚鱗坑整地可提高馬鈴薯的生物量，進而提高產(chǎn)量，這與漆喜林等的研究一致[11]。而2013年則表現(xiàn)出相反的情況，這可能是因為2013年B處理負壓計埋設(shè)點的土壤空間差異或者負壓計的靈敏度差異導(dǎo)致其在整個生育期的灌水量和施肥灌溉次數(shù)明顯減少，使得馬鈴薯植株長勢較弱，最終產(chǎn)量較低，進而水肥利用效率較低。

表2 水土保持措施對馬鈴薯產(chǎn)量、水分和肥料利用效率的影響Tab.2 Influence of scale-like pit tillage on potato yield, IWUE and PFP under LEPA fertigation

注：同一年同列下*表示兩處理之間差異顯著(P<0.05)。

另外，2013-2014年CK的產(chǎn)量均高于2012年，這可能是由于2012年負壓計指導(dǎo)施肥灌溉的閾值較低，使得根區(qū)土壤水分狀況不及2013-2014年，且施肥灌溉次數(shù)相對較少的緣故(圖3)。

綜上所述，在大型噴灌機進行施肥灌溉條件下，壟間挖魚鱗坑能有效地促進馬鈴薯的生長，提高產(chǎn)量，改進水肥利用效率。

3 結(jié) 語

在大型噴灌機條件下，通過負壓計指導(dǎo)施肥灌溉，當(dāng)壟中心20 cm深度處的土壤水基質(zhì)勢低于-15 kPa時進行施肥灌溉時，在馬鈴薯壟間挖魚鱗坑，能有效地改善根區(qū)土壤水分狀況，促進馬鈴薯的生長，不僅馬鈴薯增產(chǎn)22.1%～33.3%，還使肥料偏生產(chǎn)力提高了33.3%～36.8%。

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