綠洲膜下滴灌調(diào)虧馬鈴薯水分生產(chǎn)函數(shù)及灌溉制度優(yōu)化

杜嘉，張恒嘉，張明，巴玉春，楊曉婷，何鵬杰，李炫臻

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.民樂縣洪水河管理處，甘肅民樂734500）

綠洲膜下滴灌調(diào)虧馬鈴薯水分生產(chǎn)函數(shù)及灌溉制度優(yōu)化

杜嘉1，張恒嘉1，張明2，巴玉春2，楊曉婷1，何鵬杰1，李炫臻1

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.民樂縣洪水河管理處，甘肅民樂734500）

通過田間試驗(yàn)研究了綠洲膜下滴灌調(diào)虧馬鈴薯各生育期耗水規(guī)律及其影響因素，建立了以Jensen模型為基礎(chǔ)的水分生產(chǎn)函數(shù)并對馬鈴薯灌溉制度進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明：塊莖膨大期馬鈴薯水分敏感指數(shù)最大，塊莖形成期次之，苗期和淀粉積累期較??；塊莖形成期輕度調(diào)虧對馬鈴薯產(chǎn)量無顯著影響（P＞0.05），而塊莖形成期中度調(diào)虧、塊莖膨大期輕度和中度調(diào)虧對其產(chǎn)量均有顯著影響（P＜0.05）；塊莖形成期輕度調(diào)虧的水分利用效率比塊莖形成期中度調(diào)虧、塊莖膨大期輕度調(diào)虧和全生育期充分灌水分別提高了6.2%、8.3%和6.7%；膜下滴灌調(diào)虧馬鈴薯產(chǎn)量隨耗水量增加而增加，水分利用效率隨之降低，全生育期充分灌水比塊莖膨大期中度水分調(diào)虧耗水量增加22.4%，產(chǎn)量增加20.4%，水分利用效率降低14.0%。采用遺傳算法并結(jié)合水分生產(chǎn)函數(shù)進(jìn)行灌溉制度優(yōu)化，結(jié)果表明：河西綠洲區(qū)膜下滴灌馬鈴薯全生育期灌溉定額為225 mm時(shí)，產(chǎn)量最高，為43.86 t·hm－2，灌溉水利用效率為19.5 kg·m－2；灌溉制度為苗期灌水20～30mm，塊莖形成期灌水70～75mm，塊莖膨大期灌水100～115 mm，淀粉積累期灌水20～25mm，灌水間隔為7 d。因此，膜下滴灌調(diào)虧在降低馬鈴薯耗水量的同時(shí)，提高了水分利用效率，在塊莖形成期輕度水分調(diào)虧不影響產(chǎn)量，可達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的。

綠洲馬鈴薯；膜下滴灌；水分調(diào)虧；灌溉制度優(yōu)化；產(chǎn)量；水分利用效率

馬鈴薯是我國主要的糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物，并在世界范圍內(nèi)廣泛種植。據(jù)調(diào)查，已有150多個國家將馬鈴薯作為重要農(nóng)作物種植生產(chǎn)，總面積達(dá)到2 155萬hm2［1］。國內(nèi)外大量試驗(yàn)研究表明，調(diào)虧灌溉對馬鈴薯生育期內(nèi)的耗水規(guī)律和水量時(shí)空分布有著顯著影響［2］，同時(shí)，在提高商品薯產(chǎn)量和品質(zhì)上也有著較為明顯的作用［3］。甘肅河西綠洲灌區(qū)，地處西北干旱內(nèi)陸河流域，水資源短缺成為該區(qū)作物生長的主要限制因素［4］，而推廣應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)能在一定程度上改善這一現(xiàn)狀。因此，在馬鈴薯種植過程中采用合理的灌溉制度和先進(jìn)的灌溉技術(shù)，不僅對該地區(qū)馬鈴薯種植有著深遠(yuǎn)影響，而且對節(jié)約水資源和地區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

建立水分生產(chǎn)函數(shù)及優(yōu)化灌溉制度是農(nóng)業(yè)水資源合理優(yōu)化分配的首要工作，國內(nèi)外學(xué)者針對不同作物，對水分生產(chǎn)函數(shù)的確定和灌溉制度的優(yōu)化進(jìn)行了大量的研究。Imtiyaz等研究了番茄、洋蔥等6種蔬菜作物的水分生產(chǎn)函數(shù)和灌溉制度，發(fā)現(xiàn)在不同累計(jì)蒸發(fā)量條件下，各作物的產(chǎn)量和水分利用效率也不相同［5］?；糗娷姷然贘ensen模型進(jìn)行了冬小麥灌溉制度優(yōu)化，研究表明抽穗期是冬小麥的關(guān)鍵生長期，最優(yōu)灌溉制度下的田間騰發(fā)量和產(chǎn)量隨灌水量的增加而增加［6］。張兵等采用遺傳算法對玉米與小麥聯(lián)合種植的優(yōu)化灌溉制度問題進(jìn)行求解，發(fā)現(xiàn)在非充分灌溉條件下，作物缺水敏感指數(shù)大的生育期灌水比例也大［7］。李曉玲等研究了蠶豆在地面灌溉條件下的水分生產(chǎn)函數(shù)，并采用線性規(guī)劃方法確定了最優(yōu)灌溉制度方案，結(jié)果表明蠶豆在拔節(jié)～開花、開花～結(jié)莢兩個生育期對缺水最為敏感［8］，但針對馬鈴薯各生育期的耗水規(guī)律、水分生產(chǎn)函數(shù)及灌溉制度優(yōu)化的研究并不多見。本文通過馬鈴薯田間膜下滴灌調(diào)虧試驗(yàn)，開展馬鈴薯生育期水分生產(chǎn)函數(shù)的研究，并以節(jié)水增產(chǎn)為目標(biāo)，進(jìn)行灌溉制度優(yōu)化，以期為該地區(qū)馬鈴薯的節(jié)水灌溉提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)于2015年4—9月在甘肅省張掖市民樂縣益民灌溉試驗(yàn)站（38°39′N，100°43′E，海拔1 970 m）進(jìn)行。該地區(qū)處于祁連山北麓，河西走廊中段，屬半干旱區(qū)、大陸性荒漠草原氣候。該地區(qū)年平均降雨量為215 mm，降水少且集中，年平均日照時(shí)數(shù)3 000 h，年平均氣溫6.0℃，大于0℃的積溫為3 500℃，平均無霜期125 d。試驗(yàn)區(qū)晝夜溫差大，豐富的光熱資源和較長的日照時(shí)間適宜馬鈴薯的生長發(fā)育。試驗(yàn)地土壤為輕壤土，0～60 cm耕層土壤容重為1.4 g·cm－3，田間持水率為24%，地下水水位較低。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料為“青薯168”，該品種屬晚熟菜用型和淀粉加工兼用型品種。該品種具有幼苗直立，株叢繁茂，生長勢強(qiáng)，耐貯藏等特點(diǎn)，淀粉含量為16.8%左右。馬鈴薯整個生育期主要可劃分為苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉積累期。馬鈴薯于2015年4月15日播種，9月23日收獲，全生育期歷時(shí)161 d。灌溉方式為膜下滴灌，當(dāng)各處理的計(jì)劃濕潤層土壤含水率達(dá)到控制下限時(shí)即予以灌水，使土壤含水率達(dá)到目標(biāo)控制上限。

根據(jù)不同水分調(diào)虧水平和調(diào)虧生育期，本研究共設(shè)計(jì)5個調(diào)虧處理（WD1～WD5）和1個充分灌溉對照（CK），在塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉積累期這3個生育階段進(jìn)行不同程度的水分調(diào)虧（表1）。本試驗(yàn)實(shí)行單壟雙行種植，壟寬80 cm，壟高20 cm，壟距40 cm，壟中間鋪設(shè)滴灌帶，株距20 cm。周圍設(shè)與溝灌馬鈴薯相同品種保護(hù)行，試驗(yàn)小區(qū)有效面積為28m2（7m×4 m），共設(shè)置6個處理，各處理均設(shè)3次重復(fù)。每個小區(qū)為一個滴灌支管控制單位，且在支管單元入口處安裝閘閥，在每個田壟上安裝一條薄壁式滴灌帶，并覆蓋一層薄膜（寬140 cm）。試驗(yàn)地土壤疏松、肥力適中，播種前灌安種水，機(jī)械深翻20～25 cm，播種時(shí)撒施磷酸二銨、尿素、粒狀過磷酸鈣、碳酸氫銨均勻混合施肥150 kg（2 976.2 kg·hm－2），生育中期不再追肥。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 1 Experimental design

1.3 耗水量、水分生產(chǎn)函數(shù)和水分利用效率的確定

在馬鈴薯全生育期內(nèi)土壤含水率用取土烘干法測定，每10天測定一次，分10、20、40、60 cm四層取土。

馬鈴薯膜下滴灌條件下的實(shí)際耗水量用水量平衡法計(jì)算

式中，ETɑ為作物實(shí)際耗水量（mm）；M為灌水量（mm）；Pe為有效降雨量（mm）；D為深層滲漏量（mm）；ΔS為土層儲水量的變化量（mm）。

產(chǎn)量是以各處理馬鈴薯總質(zhì)量的平均值再按面積折算確定的。

水分生產(chǎn)函數(shù)采用Jensen模型計(jì)算

式中，Yɑ、Ym分別為各處理實(shí)際產(chǎn)量和最高產(chǎn)量（kg·hm－2）；ETɑi、ETmi分別為實(shí)際產(chǎn)量和最高產(chǎn)量對應(yīng)的第i生育期的耗水量（mm）；λi為第i生育期的水分敏感系數(shù)。

水分利用效率用下式計(jì)算

式中，WUE為作物水分利用效率（kg·m－3）；Y為作物產(chǎn)量（kg·hm－2）。

1.4 灌溉制度優(yōu)化模型

1.4.1 模型的建立

（1）階段變量

階段變量m為馬鈴薯各生育期的順序編號，m＝1，2，3，4分別代表苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉積累期。

（2）決策變量

決策變量為各生育期的灌水量ni，i＝1，2，3，4。

（3）狀態(tài)變量

狀態(tài)變量為各生育期初可用于分配的總灌溉水量（Qi）和作物可利用的計(jì)劃濕潤層的土壤水量（Wi），其中Wi與土壤含水率的函數(shù)表達(dá)式為：

式中，Wi為作物可利用的計(jì)劃濕潤層的總有效水量（mm）；γ為土壤容重（g·cm－3）；H為計(jì)劃濕潤層深度（m）；θ為計(jì)劃濕潤層土壤平均含水率（占干土質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)）；θw為土壤含水率下限（占干土質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)）。

（4）系統(tǒng)方程

系統(tǒng)方程是描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程的變量之間的關(guān)系，因此，兩個狀態(tài)變量對應(yīng)兩個系統(tǒng)方程：

①水量平衡方程

式中，Qi，Qi＋1分別表示第i和i＋1生育期初，可用于分配的水量（換算成單位面積水深，mm）。

②計(jì)劃濕潤層的水量平衡方程

式中，（ETɑ）i為第i生育期作物實(shí)際耗水量（mm）；Di為第i生育期的深層滲漏量（mm）；Pi為第i生育期的有效降雨量（mm）；Ki為第i生育期的地下水補(bǔ)給量（mm）。由于灌水方式為滴灌，且每次灌水量較小，地下水情況據(jù)當(dāng)?shù)刭Y料顯示水位較低，因此深層滲漏量和地下水補(bǔ)給量忽略不計(jì)，即Di＝0，Ki＝0。

（5）目標(biāo)函數(shù)

以獲得單位面積相對產(chǎn)量最大為目標(biāo)，水分生產(chǎn)函數(shù)應(yīng)用Jensen模型，函數(shù)表達(dá)式為：

式中符號意義同上。

（6）約束條件

式中，Q為全生育期單位面積上可供作物分配的總灌溉水量（mm）；（ETmax）i和（ETmin）i分別為第i生育期的最大耗水量和最小耗水量（mm）；θf為田間持水率（占干土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）。

（7）初始條件

式中，θ0為計(jì)劃濕潤層土壤初始平均含水率（占干土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）。

1.4.2 模型的求解采用保留最佳個體的遺傳算法求解上述優(yōu)化模型，流程如下：

（1）設(shè)定灌溉定額（Q）和各生育期灌水量（ni）范圍；

（2）計(jì)算該灌溉定額下多個灌溉制度對應(yīng)的相對產(chǎn)量值（Yɑ／Ym），依次比較前后兩個的計(jì)算結(jié)果并保留最優(yōu)解，直至得出最佳相對產(chǎn)量值（F）；

（3）判斷是否滿足約束條件，若滿足，則終止計(jì)算，得出結(jié)果；否則重復(fù)第2步，繼續(xù)計(jì)算。

根據(jù)上述模型及解法，采用MATLAB語言編程計(jì)算，同時(shí)利用MATLAB軟件（MATLAB R2014a，Math Works Inc.，USA）進(jìn)行優(yōu)化分析。

1.4.3 模型求解中所需的資料通過記錄并分析作物生長期氣象資料，馬鈴薯全生育期降雨量變化見圖1。統(tǒng)計(jì)可知，全生育期總降雨量為219.8mm，其中有效降雨量為197.1 mm，各生育期有效降雨量分別為苗期65.6 mm、塊莖形成期52.1 mm、塊莖膨大期28.8 mm、淀粉積累期50.6 mm。

圖1 馬鈴薯全生育期降雨量變化Fig.1 Changes of precipitation during potato growth period

耕層0～60 cm土壤容重為1.4 g·cm－3，田間持水率為24%，土壤初始含水率為18.6%，占田間持水量的77.5%，土壤含水率下限為14.4%，計(jì)劃濕潤層深度為0.6m。

1.5 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS 22.0（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與相關(guān)分析，采用新復(fù)極差法（Duncan）分析處理間的差異顯著性，設(shè)置差異顯著性概率為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分動態(tài)

通過在馬鈴薯不同生育期進(jìn)行不同程度的水分調(diào)虧處理，0～60 cm土層土壤含水率呈現(xiàn)出隨生育期變化逐步下降的規(guī)律（圖2）。各處理的土壤含水率在塊莖形成、膨大期和淀粉積累期都存在明顯差異。播種前試驗(yàn)田土壤水分分布不均衡導(dǎo)致各處理差異較大，經(jīng)過灌水調(diào)整使土壤含水率保持在設(shè)計(jì)水平。在苗期不進(jìn)行水分調(diào)虧處理，各處理的土壤水分差異不明顯，6月2日（播種后48 d）降雨20 mm，各處理土壤含水率均有所上升；作物需水量在塊莖形成期開始增大，各處理土壤含水率均呈明顯下降趨勢，灌水后仍較低；需水量在塊莖膨大期達(dá)到頂峰，較塊莖形成期各處理土層土壤含水率下降幅度均增大，WD2和WD5的土壤含水率在該時(shí)期出現(xiàn)最低值；進(jìn)入淀粉積累期后，需水量減小，土壤含水率下降趨勢減緩，灌水后出現(xiàn)明顯上升。

圖2 馬鈴薯全生育期不同水分調(diào)虧處理土壤含水率變化Fig.2 Soilmoisture variations in potato field under differentwater deficit regulations

通過比較不同處理全生育期的土壤含水率，WD1處理全生育期平均土壤含水率比WD2、WD3、WD4、WD5、CK分別高4.65%、3.16%、3.04%、4.58%、1.77%。因此，在塊莖形成期進(jìn)行輕度水分調(diào)虧可以提高作物0～60 cm生長土層的土壤含水率。

2.2 滴灌條件下馬鈴薯耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率動態(tài)分析

馬鈴薯全生育期耗水量為338.8～414.8 mm，塊莖膨大期耗水量最大，其次是苗期和塊莖形成期，淀粉積累期最小，呈現(xiàn)出前期耗水小，中期逐漸變大，后期減小的變化特點(diǎn)（表2）。由于在苗期未進(jìn)行調(diào)虧處理，各處理及對照組間耗水量無顯著性差異（P＞0.05）。塊莖形成期，WD4處理耗水量較CK低20.3%，差異顯著（P＜0.05）。塊莖膨大期，WD2和WD5與CK耗水量間差異達(dá)顯著水平，分別比CK減少39.3%和64.0%。淀粉積累期，WD3耗水量顯著低于CK 22.5%。馬鈴薯產(chǎn)量隨著耗水量的增加而增大，CK全生育期耗水量比WD1、WD2、WD3、WD4、WD5分別高2.5%、8.7%、1.0%、7.9%、22.4%，CK產(chǎn)量分別較其他處理高6.4%、12.2%、11.1%、17.2%、20.4%，WD2、WD3、WD4、WD5和CK產(chǎn)量存在顯著性差異，而WD1與CK間差異不顯著。

表2 膜下滴灌條件下馬鈴薯耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率Table 2 Potato water consumption，yield and water use efficiency under treatments of drip irrigation and plastic film mulching

水分利用效率隨著耗水量的增加有下降的趨勢（表2）。WD5耗水量為338.8 mm，水分利用效率最高，但產(chǎn)量顯著低于CK（P＜0.05）；WD2耗水量為381.6mm，水分利用效率最低，且WD2、WD4、CK和WD5之間存在顯著性差異。WD1水分利用效率比WD2、WD4和CK分別提高了6.2%、8.3%和6.7%，比WD3和WD5分別降低了0.6%和6.8%?？梢姡琖D1提升水分利用效率的效應(yīng)較為明顯。綜合分析產(chǎn)量和水分利用效率，塊莖形成期和淀粉積累期輕度調(diào)虧的WD1和WD3為較優(yōu)的灌水方案，這兩種方案在提高產(chǎn)量的同時(shí)，水分利用效率也保持在較高水平。

2.3 水分生產(chǎn)函數(shù)

利用最小二乘法將Jensen模型轉(zhuǎn)換為求解線性方程組，采用線性回歸的方法同時(shí)結(jié)合MATLAB軟件，求出各生育階段的水分敏感指數(shù)（表3），得出Jensen模型下馬鈴薯的水分生產(chǎn)函數(shù)。具體表達(dá)式為：

結(jié)果顯示，馬鈴薯的水分敏感指數(shù)在塊莖膨大期最大，苗期和塊莖形成期次之，淀粉積累期較?。ū?），說明馬鈴薯在塊莖膨大期對水分虧缺最為敏感，該時(shí)期缺水會嚴(yán)重減產(chǎn)，而在苗期、塊莖形成期輕度的水分虧缺和在淀粉積累期一定程度的水分虧缺，對產(chǎn)量的影響較小。

表3 馬鈴薯灌溉制度優(yōu)化參數(shù)Table 3 Optimal irrigation regimes for potatoproduction

2.4 灌溉制度優(yōu)化

利用優(yōu)化參數(shù)（表3），以相對產(chǎn)量（Yɑ／Ym）最大為目標(biāo)，設(shè)置初始土壤含水率分別為55%、65%和75%，并選取55、95、135、225 mm為灌溉定額，以水分生產(chǎn)函數(shù)為基礎(chǔ)，對每個初始含水率條件下的4種灌溉定額采用MATLAB軟件編程結(jié)合遺傳算法分析計(jì)算，得出最大相對產(chǎn)量對應(yīng)的各階段最優(yōu)灌水量，即為灌溉制度優(yōu)化結(jié)果（表4）?？梢?，馬鈴薯的產(chǎn)量隨著灌水量的增加而增加。在不同的灌溉定額下，灌水主要集中在塊莖形成期和塊莖膨大期，苗期和淀粉積累期的灌水量較小。在相同的灌溉定額下，馬鈴薯產(chǎn)量隨初始土壤含水率的增加而增加。由于初始土壤含水率的不同，導(dǎo)致土壤中作物可利用的水量不同，初始土壤含水率越高，可利用水量越大，越有利于作物生長發(fā)育。而在灌溉定額有限時(shí)，應(yīng)優(yōu)先保證馬鈴薯對水分最為敏感的塊莖膨大期的需水量，以期獲得理想的產(chǎn)量。

灌溉制度優(yōu)化結(jié)果表明，在3種初始土壤含水率條件下，當(dāng)灌溉定額達(dá)到225 mm時(shí)，計(jì)算產(chǎn)量均略高于試驗(yàn)實(shí)測最高產(chǎn)量，最大為43.86 t·hm－2，提高了8.6%，灌溉水利用效率為19.5 kg·m－3，較實(shí)測高出3.7%。其相應(yīng)的優(yōu)化灌溉制度為苗期灌水量20～30 mm，塊莖形成期灌水量70～75 mm，塊莖膨大期灌水量100～115 mm，淀粉積累期灌水量20～25mm，灌水間隔為7 d。塊莖膨大期敏感指數(shù)大，此階段灌水量比例也最大，說明該結(jié)果在一定灌水范圍內(nèi)考慮了作物缺水敏感指數(shù)的影響。

表4 馬鈴薯膜下滴灌優(yōu)化灌溉制度Table 4 Optimal irrigation regimes for potatowith drip irrigation and plasticmulching

3 討論

水資源缺乏、降雨量不足和地面蒸發(fā)量過大，是限制西北地區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)的主要因素［9］。國內(nèi)外大量研究表明，水分調(diào)虧結(jié)合膜下滴灌技術(shù)可有效提高馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率［10－16］。因此，探究膜下滴灌水分調(diào)虧對馬鈴薯水分利用效率的影響及其節(jié)水增產(chǎn)機(jī)理已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題。本研究表明，塊莖膨大期是馬鈴薯耗水量最大的生育階段，其次是苗期和塊莖形成期，淀粉積累期最小，這與王俊國［17］、劉戰(zhàn)東［18］等研究認(rèn)為前期耗水小，中期逐漸變大，后期減小的類似拋物線的結(jié)果一致。早期適度的水分調(diào)虧有利于作物增產(chǎn)［19－22］，馬鈴薯根系在塊莖形成期擴(kuò)散生長，在該時(shí)期進(jìn)行輕度水分調(diào)虧（田間持水量的55%～65%）可以改變光合產(chǎn)物在根與冠之間的分配比例，根系得到更多光合產(chǎn)物，生長相對有利，而冠的生長則受到抑制，葉面積也相應(yīng)減少，在一定程度上降低了作物的蒸騰耗水量，進(jìn)而引起作物需水量的下降［23－24］。因此，可在塊莖形成期進(jìn)行輕度水分調(diào)虧，在滿足該時(shí)期作物需水量的情況下，產(chǎn)量不會受到影響。本研究還發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯塊莖生長主要集中在塊莖膨大期，在該時(shí)期充足灌水可以增加單株產(chǎn)量，但調(diào)虧周期的延長和調(diào)虧程度的增加（田間持水量的45%～55%），將導(dǎo)致馬鈴薯根系、匍匐莖及匍匐莖分枝數(shù)均減少［25］，株高、莖粗、葉面積和干物質(zhì)積累也將隨之降低［26－27］，進(jìn)而引起產(chǎn)量顯著降低。因此，塊莖形成期和塊莖膨大期是馬鈴薯的需水關(guān)鍵期和需水高峰期［28］。塊莖形成期對馬鈴薯塊莖發(fā)育和最終產(chǎn)量影響最大，而塊莖膨大期塊莖加速生長，耗水量也大幅增加，塊莖生長得越好，產(chǎn)量越高。

本研究發(fā)現(xiàn)，塊莖形成期輕度水分調(diào)虧較全生育期充分灌水產(chǎn)量降低了6.4%，差異不顯著。而在塊莖形成期中度水分調(diào)虧（田間持水量的45%～55%）、塊莖膨大期輕度和中度水分調(diào)虧會導(dǎo)致產(chǎn)量顯著下降，較全生育期充分灌水分別降低12.2%、17.2%、20.4%，這與已有研究結(jié)果一致［29］。塊莖膨大期中度調(diào)虧馬鈴薯水分利用效率最高，但產(chǎn)量顯著降低，而塊莖形成期輕度和中度調(diào)虧水分利用效率與其無顯著性差異，且與塊莖膨大期輕度調(diào)虧和全生育期充分灌水相比分別提高8.3%、6.7%和2%、0.4%，表明在塊莖形成期進(jìn)行水分調(diào)虧更有利于提升馬鈴薯水分利用效率。因此，馬鈴薯塊莖膨大期土壤相對含水率（占田間持水量的百分?jǐn)?shù)）保持在45%～55%雖有較高的水分利用效率但減產(chǎn)顯著，在塊莖膨大期保持在55%～65%或塊莖形成期保持在45%～55%既降低水分利用效率又在一定程度上減產(chǎn)，而在塊莖形成期保持在55%～65%可以同步提升水分利用效率和產(chǎn)量。馬鈴薯膜下滴灌應(yīng)在塊莖形成期進(jìn)行輕度水分調(diào)虧灌溉，以期實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水增產(chǎn)的目的。

灌溉制度優(yōu)化是基于作物水分需求與產(chǎn)量的關(guān)系建立模型，將有限的水資源進(jìn)行優(yōu)化配置，以便獲取更大效益的一種研究方法［30］。本文研究表明，馬鈴薯產(chǎn)量隨灌溉定額的增加而增大。灌溉定額為225mm時(shí)，計(jì)算產(chǎn)量分別比135、95、55 mm提高18.6%、35.8%、62%。張兵等研究發(fā)現(xiàn)在非充分灌溉條件下，作物產(chǎn)量與凈收益隨著灌水量的增加而增加［7］，鄭建華等認(rèn)為西北旱區(qū)洋蔥膜下滴灌在優(yōu)化灌溉制度下其產(chǎn)量隨灌水量的增加而增大［31］，這與本文研究結(jié)果一致?？梢?，采用科學(xué)合理的灌溉制度，對提高作物產(chǎn)量和水資源利用效率有著不可忽視的作用。

4 結(jié)論

本文研究了馬鈴薯各生育期耗水量、水分利用效率和產(chǎn)量之間的關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)所得的馬鈴薯產(chǎn)量和不同生育階段的耗水量，建立以Jensen為基礎(chǔ)的馬鈴薯水分生產(chǎn)函數(shù)，以相對產(chǎn)量最大為目標(biāo)制定河西綠洲馬鈴薯膜下滴灌條件下的優(yōu)化灌溉制度，相關(guān)結(jié)論如下：

1）馬鈴薯的產(chǎn)量隨耗水量的增加而增大，各生育期耗水量呈現(xiàn)出前期小、中期大、后期小的特點(diǎn)，塊莖膨大期的耗水量最大。塊莖形成期輕度水分調(diào)虧對其產(chǎn)量無顯著影響，而在塊莖形成期中度水分調(diào)虧、塊莖膨大期輕度和中度水分調(diào)虧可導(dǎo)致馬鈴薯顯著減產(chǎn)。

2）馬鈴薯生育期水分敏感指數(shù)為塊莖膨大期＞塊莖形成期＞苗期＞淀粉積累期，塊莖膨大期在馬鈴薯的生育期內(nèi)有著決定性的作用，而在塊莖形成期和淀粉積累期進(jìn)行輕度水分調(diào)虧有利于提高水分利用效率，同時(shí)又能達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的。

3）膜下滴灌條件下，河西綠洲馬鈴薯全生育期灌水量達(dá)到225mm時(shí)的產(chǎn)量較高，與其對應(yīng)的優(yōu)化灌溉制度為苗期灌水20～30 mm，塊莖形成期灌水70～75mm，塊莖膨大期灌水100～115 mm，淀粉積累期灌水20～25mm，灌水間隔為7 d。

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Water production function and optim ization in irrigation schedule of potato w ith mulched drip irrigation under water deficit in oasis region

DU Jia1，ZHANG Heng-jia1，ZHANGMing2，BA Yu-chun2，YANG Xiao-ting1，HE Peng-jie1，LIXuan-zhen1
（1.College of Engineering，Gɑnsu Agriculturɑl University，Lɑnzhou，Gɑnsu 730070，Chinɑ；2.Flood River MɑnɑgementOffice ofMinle County，Minle，Gɑnsu 734500，Chinɑ）

A field experimentwas conducted to test the potato periodic evapotranspiration and its influencing factors withmulched drip irrigation underwater deficit regulation（WDR）in oasis irrigation region.Crop water production function based on Jensenmodelwas established，and the optimal irrigation schedule for potato was determined.The results showed that the sensitive indexwas found the largestat the tuber bulking stage，followed by the tuber initiation stage and relatively small at the establishment and potato starch accumulation stages.Potato yield was not decreased by low WDR plots during tuber initiation（P＞0.05），butwas significantly decreased in themedium WDR plots during tuber initiation and low andmedium WDR plots during tuber bulking（P＜0.05）.Thewater use efficiency（WUE）wasmaintained in low WDR potato during tuber initiation，significantly improved by 6.2%，8.3%and 6.7%from that in medium WDR plots during tuber initiation，low WDR plots during tuber bulking and full irrigation plots（CK），respectively.With the increase of crop evapotranspiration，the potato bulb yield became increased，while thewater use efficiency was decreased.Crop evapotranspiration was increased by 22.4%，the potato bulb yield was increased by 20.4%and the WUE went decreased by 15.7%.The optimal irrigation system established by genetic algorithm with crop water production function showed that the highest potato bulb yield（43.86 t·hm－2）could be achieved when the irrigation depth wasup to 225 mm in the Hexioasis，and irrigation WUE was19.5 kg·m－2.The recommended amount of irrigation is30～40，130～140，170～190 mm and 25 mm at the stages of establishment，tuber initiation，tuber bulking and potato starch accumulation，respectively，and the irrigation intervals are 7 days.Therefore，when WDR undermulched drip irrigation reduces potatowater consumption，thewater use efficiency can be enhanced.Low WDR doesnotaffect the potato yield during tuber initiation，reaching water-saving purposes.

oasis potato；mulched drip irrigation；water deficit；optimal irrigation schedule；yield；water use efficiency

S275.6

：A

1000-7601（2017）01-0158-07

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.01.24

2016-01-08

甘肅省高等學(xué)?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（2012）

杜嘉（1993—），男，甘肅白銀人，碩士研究生，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)方面的研究。

張恒嘉（1974—），男，甘肅天水人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)水土工程與農(nóng)業(yè)生態(tài)的研究。E-mail：zhanghj＠gsau.edu.cn。