寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)馬鈴薯水分生產(chǎn)函數(shù)試驗(yàn)研究

任秋實(shí)，孫兆軍,2,，王 力，焦炳忠，韓 磊

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，銀川 750021；3. 教育部中阿旱區(qū)特色資源與環(huán)境治理國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，銀川 750021；4.寧夏(中阿)旱區(qū)資源評(píng)價(jià)與環(huán)境調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750021)

馬鈴薯適應(yīng)性強(qiáng)，產(chǎn)量高，經(jīng)濟(jì)效益好，是世界上僅次于水稻、玉米和小麥的第四大糧食作物[1]。寧夏同心光照充足、晝夜溫差大，是馬鈴薯適宜生長(zhǎng)的地區(qū)。該地區(qū)灌溉用水主要來(lái)自黃河，屬于寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)，由于地勢(shì)不均勻、輪灌組時(shí)間安排順序等原因，馬鈴薯關(guān)鍵需水期不能適時(shí)灌溉，導(dǎo)致馬鈴薯產(chǎn)量降低。 將有限的水資源在馬鈴薯生育期內(nèi)進(jìn)行科學(xué)合理的分配以獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益，關(guān)鍵在于得到馬鈴薯水分生產(chǎn)函數(shù)，此函數(shù)能夠反映作物產(chǎn)量隨水量變化的規(guī)律，是進(jìn)行指導(dǎo)灌溉管理和灌溉經(jīng)濟(jì)效益分析的基本依據(jù)[2]。建立水分生產(chǎn)函數(shù)及優(yōu)化灌溉制度可以更合理的優(yōu)化分配農(nóng)業(yè)水資源。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。Imtiyaz等[3]發(fā)現(xiàn)在不同累計(jì)蒸發(fā)量條件下，不同作物的產(chǎn)量和水分利用效率也不相同。王永平等[4]分析了寧夏賀蘭山東麓滴灌條件下釀酒葡萄生育期耗水規(guī)律并初步建立了該區(qū)域水分生產(chǎn)函數(shù)模型。程衛(wèi)國(guó)等[5]對(duì)水稻4 個(gè)生育期階段分別做受旱處理，選定5 種常用的水分生產(chǎn)函數(shù)模型作為研究對(duì)象，最終選定Jensen模型為最適宜吉林省水稻生長(zhǎng)的水分生產(chǎn)函數(shù)模型，并以此建立了水分敏感指數(shù)與水稻插秧后天數(shù)之間的關(guān)系模型。前人關(guān)于馬鈴薯灌溉指標(biāo)的研究，大多著重于不同灌溉施肥方式對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，但關(guān)于需水關(guān)鍵期調(diào)虧灌溉對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響的研究報(bào)道較少[6]。為此，本試驗(yàn)針對(duì)寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)氣候條件，對(duì)馬鈴薯各生育期階段進(jìn)行調(diào)虧灌溉，分析不同生育期階段的耗水規(guī)律，選定5 種常用水分生產(chǎn)函數(shù)模型作為研究對(duì)象，建立適宜的水分生產(chǎn)函數(shù)模型，為寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)馬鈴薯灌溉制度的優(yōu)化提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

田間試驗(yàn)于2017 年5-9 月在寧夏同心縣王團(tuán)鎮(zhèn)科技示范園區(qū)進(jìn)行。該地區(qū)屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，全年干旱少雨，蒸發(fā)量大，年平均降水量272.6 mm，多年平均日照3 024 h，無(wú)霜期120～218 d，年平均氣溫8.6 ℃[7]。試驗(yàn)前，測(cè)試試驗(yàn)區(qū)土壤理化性質(zhì)，試驗(yàn)區(qū)土壤為沙壤土，0～60 cm土層田間持水率(FC)和土壤容重分別為22.85%和1.33 g/cm3，具體如表1所示。

表1 試供土壤的主要理化性質(zhì)Tab.1 Main physical and chemical properties of tested soils

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)馬鈴薯供試品種為“克新一號(hào)”，2017 年5 月18 日播種，當(dāng)年9 月23 日收獲。本試驗(yàn)灌溉方式為膜下滴灌，當(dāng)土壤含水量達(dá)到控制下限時(shí)，開(kāi)始灌水，達(dá)到目標(biāo)上限停止灌水。本試驗(yàn)共設(shè)置6 個(gè)水分虧缺處理(TK1～TK6)和1 個(gè)充分灌溉對(duì)照(CK),分別在馬鈴薯的塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉積累期設(shè)置了輕度水分虧缺處理(50%～60%FC)和中度水分虧缺處理(40%～50%FC)，同時(shí)設(shè)置了充分灌溉(CK)、塊莖形成期輕度水分虧缺(TK1)、塊莖膨大期輕度水分虧缺(TK2)、淀粉積累期輕度水分虧缺(TK3)、塊莖形成期中度水分虧缺(TK4)、塊莖膨大期中度水分虧缺(TK5)和淀粉積累期中度水分虧缺(TK6)共7 個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3 次，處理之間設(shè)2 m保護(hù)行。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Tab.2 Experimental design

注：表中數(shù)字為土壤含水率占田間持水量百分比的上下限。

本試驗(yàn)實(shí)行單壟雙行種植，壟中間鋪設(shè)一條滴灌帶，控制兩行馬鈴薯，試驗(yàn)小區(qū)有效面積為28 m2(7 m×4 m)。對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行人工深翻20～25 cm，共施磷酸二銨、尿素和硫酸鉀復(fù)合肥225 kg(2 976.2 kg/hm2)。

1.3 觀測(cè)指標(biāo)及方法

(1)各小區(qū)灌水量：試驗(yàn)小區(qū)劃分結(jié)束后，布設(shè)灌水主管道以及連接滴管帶，每個(gè)小區(qū)設(shè)各自的閥門和水表，通過(guò)水表定額灌溉，灌水前后，準(zhǔn)確記錄各小區(qū)水表的讀數(shù)。

(2)土壤含水率：采用傳統(tǒng)土鉆法在馬鈴薯各生育時(shí)期前后分別在各試驗(yàn)小區(qū)取3 個(gè)點(diǎn)，分別對(duì)0～20、20～40、40～60 cm土層取樣，用烘干法測(cè)其土壤含水率。

(3)作物耗水量：采用水量平衡法計(jì)算，計(jì)算公式為：

ET=P+I+ΔSWS-R-D

(1)

式中：ET為耗水量，mm；P為植物生育期降雨量，mm；I為灌溉量，mm；ΔSWS為生育期開(kāi)始時(shí)土壤貯水量與生育期結(jié)束時(shí)土壤貯水量之差，mm；R為地表徑流量，mm；D為耕層土壤水的滲漏量，mm。本試驗(yàn)條件下，R和D可忽略不計(jì)[8]。

(4)產(chǎn)量：作物成熟后，按小區(qū)進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，折合成每公頃產(chǎn)量。

1.4 水分生產(chǎn)函數(shù)模型的建立

1.4.1 模型的選用

根據(jù)馬鈴薯水分生產(chǎn)函數(shù)研究現(xiàn)狀，選用5 種常用模型對(duì)寧夏旱區(qū)馬鈴薯水分生產(chǎn)函數(shù)進(jìn)行分析，所采用的模型有： Jensen模型、Minhas模型、Stewart模型、Blank模型、Singh模型[5,9]。

Jensen模型：

(2)

Minhas模型：

(3)

Stewart模型：

(4)

Blank模型：

(5)

Singh模型：

(6)

式中：Ya為各處理?xiàng)l件下的實(shí)際產(chǎn)量，t/hm2；Ym為正常灌溉下的產(chǎn)量，t/hm2；ETa為各處理?xiàng)l件的實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量，mm；ETm為正常灌溉處理下的實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量，mm；i為生育階段編號(hào)；n為模型的階段總數(shù)；m為處理數(shù)；λ及A、B、C為作物產(chǎn)量對(duì)缺水的敏感指數(shù)及敏感系數(shù)。

1.4.2 參數(shù)求解

以Jensen模型為例，對(duì)模型公式兩邊取對(duì)數(shù)，可得到形如Y=λ1X1+λ2X2+…+λnXn的方程組，采用最小二乘法原理和多元回歸分析求得各模型參數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS17.0軟件進(jìn)行多重分析(LSD)和多元回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水處理對(duì)馬鈴薯耗水量的影響

通過(guò)記錄并分析馬鈴薯生育期氣象資料，統(tǒng)計(jì)可知，馬鈴薯全生育期有效降雨量為202.1 mm，其中苗期有效降雨33.6 mm，塊莖形成期有效降雨31.1 mm，塊莖膨大期有效降雨34.8 mm，淀粉積累期有效降雨102.6 mm。

利用水量平衡原理計(jì)算不同虧缺灌溉處理馬鈴薯的各生育期階段耗水量和全生育期總耗水量，土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層厚度取60 cm，代入降雨量、灌水量等資料，得到馬鈴薯實(shí)際耗水量，馬鈴薯各生育期灌水量見(jiàn)圖1，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

圖1 膜下滴灌馬鈴薯灌水量Fig.1 Irrigation amount of potato under drip irrigation and plastic film mulching treatment

從表3可以看出，馬鈴薯進(jìn)入塊莖形成期后，耗水量開(kāi)始增大，至塊莖膨大期達(dá)到最大，到淀粉積累期時(shí)，耗水量有所減少。馬鈴薯各生育階段CK(適水灌溉)總耗水量為433.7 mm?？偤乃孔钚〉奶幚硎荰K5處理，即塊莖膨大期中度虧缺灌水，與CK相比有顯著差異，總耗水量為359.3 mm。TK2、TK4和TK5處理全生育期總耗水量分別較CK顯著降低9%、8%和17%?？偤乃孔畲蟮奶幚硎荰K3處理，即淀粉積累期輕度水分虧缺，總耗水為425.7 mm。為保證馬鈴薯的成活率，在苗期未做處理，故苗期各處理耗水量與適水灌溉處理之間無(wú)顯著差異。塊莖形成期，TK1和TK4處理較CK耗水量差異顯著，分別較CK低12%和26%。塊莖膨大期，TK2和TK5處理與CK耗水量之間存在顯著差異，分別比CK減少27%和38%。淀粉積累期，TK3和TK6處理分別比CK耗水量顯著降低11%和20%。

表3 膜下滴灌條件下馬鈴薯耗水量 mm

2.2 不同灌水處理對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響

各灌水處理下馬鈴薯產(chǎn)量如圖2所示。從圖2看出，TK2、TK4、TK5與CK相比有顯著差異，說(shuō)明塊莖膨大期輕度水分虧缺和中度水分虧缺及塊莖形成期中度水分虧缺處理產(chǎn)量比充分灌溉處理產(chǎn)量明顯減少。由輕度水分虧缺處理(TK1、TK2、TK3)和充分灌溉處理(CK)可以看出，輕度水分虧缺處理下，TK2較CK處理產(chǎn)量存在顯著差異，TK2處理馬鈴薯減產(chǎn)最多，減產(chǎn)14%；TK3較CK處理產(chǎn)量無(wú)顯著差異，馬鈴薯減產(chǎn)最少，減產(chǎn)4%。由中度水分虧缺處理(TK4、TK5、TK6)和充分灌溉處理(CK)可以看出，中度水分虧缺處理下，TK4、TK5相對(duì)CK有顯著差異，分別減產(chǎn)27%和17%，說(shuō)明馬鈴薯塊莖形成期和塊莖膨大期中度水分虧缺會(huì)造成明顯減產(chǎn)。對(duì)比塊莖膨大期水分虧缺處理(TK2、TK5)和充分灌溉處理(CK)，3個(gè)處理兩兩之間存在顯著性差異，TK5相對(duì)于TK2處理產(chǎn)量減少15%，TK2相對(duì)于CK處理減產(chǎn)14%，說(shuō)明對(duì)塊莖膨大期進(jìn)行不同程度的水分虧缺處理會(huì)造成明顯減產(chǎn)。對(duì)比塊莖形成期水分虧缺處理(TK1、TK4)和充分灌溉處理(CK)，TK1和CK、TK1和TK4之間均不存在顯著性差異，但TK4與CK之間存在顯著性差異，TK4相對(duì)于TK1處理產(chǎn)量減少11%，說(shuō)明對(duì)塊莖形成期進(jìn)行不同程度水分虧缺處理時(shí)，中度水分虧缺處理會(huì)造成明顯減產(chǎn)。對(duì)比淀粉積累期水分虧缺處理(TK3、TK6)和充分灌溉處理(CK)，3個(gè)處理之間差異均不顯著，TK6相對(duì)于TK3處理產(chǎn)量?jī)H減少6%，說(shuō)明淀粉積累期水分虧缺處理對(duì)產(chǎn)量的影響較小。故馬鈴薯塊莖膨大期是最關(guān)鍵生育期，若該階段缺水，會(huì)造成產(chǎn)量降低。馬鈴薯生育期按關(guān)鍵性由高到低為：塊莖膨大期>塊莖形成期>淀粉積累期。

圖2 膜下滴灌條件下馬鈴薯產(chǎn)量Fig.2 Potato yield under treatments of drip irrigation and plastic film mulching

2.3 水分生產(chǎn)函數(shù)敏感指數(shù)分析

根據(jù)2017年實(shí)測(cè)資料，按照選取的模型求解及參數(shù)驗(yàn)證，可得到5 種模型的敏感指數(shù)值。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 各模型敏感指數(shù)Tab.4 Sensitivity index of each model

Jensen模型、Minhas模型、Stewart模型和Singh模型公式中水分敏感指數(shù)越高，缺水后Ya/Ym值越低，對(duì)缺水越敏感，即該敏感指數(shù)對(duì)應(yīng)的生育階段因缺水導(dǎo)致的產(chǎn)量降低越嚴(yán)重；Blank模型公式中Bi越高，缺水后Ya/Ym值越高，對(duì)缺水越不敏感，即缺水對(duì)產(chǎn)量的影響越輕微[5]。

由表4可知，Jensen模型中的λ值按大小排序?yàn)椋簤K莖膨大期>塊莖形成期>苗期>淀粉積累期，說(shuō)明馬鈴薯在塊莖膨大期對(duì)水分虧缺最為敏感，該時(shí)期缺水會(huì)導(dǎo)致馬鈴薯產(chǎn)量嚴(yán)重降低，而對(duì)苗期、塊莖形成期進(jìn)行輕度缺水處理或?qū)Φ矸鄯e累進(jìn)行一定程度的缺水處理對(duì)產(chǎn)量的影響相對(duì)較小。另外，在該模型各階段λ值排序與馬鈴薯的生育期關(guān)鍵性排序是一致的，因此，Jensen模型比較適用于模擬寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)馬鈴薯的需水情況。

Minhas模型和Stewart模型公式中的參數(shù)值按大小排序：塊莖膨大期>淀粉積累期>塊莖形成期>苗期，說(shuō)明馬鈴薯在塊莖膨大期對(duì)缺水最敏感，其次是淀粉積累期，塊莖形成期和苗期對(duì)缺水相對(duì)不敏感，與馬鈴薯的水分生理特性以及灌溉的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和生育期關(guān)鍵性排序不符，故此兩種模型不適用于模擬寧夏同心縣馬鈴薯的需水情況。

Singh模型公式中的參數(shù)從高到低排序：塊莖形成期>淀粉積累期>塊莖膨大期>苗期，表明塊莖形成期對(duì)水分虧缺最敏感，淀粉積累期和塊莖膨大期次之，與馬鈴薯的生理特性完全不符。苗期參數(shù)為負(fù)值，表示苗期缺水能夠促進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)量的增加。所以Singh不適合作為寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)馬鈴薯水分生產(chǎn)函數(shù)模型。

Blank模型公式中Bi值由低到高排列順序?yàn)椋簤K莖形成期<苗期<塊莖膨大期<淀粉積累期，表示馬鈴薯在塊莖形成期缺水減產(chǎn)最大，苗期次之，且苗期與塊莖形成期的水分敏感指數(shù)相差不大，說(shuō)明這兩個(gè)階段對(duì)缺水的敏感性基本相同，這與馬鈴薯的需水特性是矛盾的。另外，Blank模型加法模型只能反映某一階段缺水對(duì)產(chǎn)量的影響，沒(méi)有考慮某一階段缺水對(duì)之后其他階段的影響，與作物生長(zhǎng)特性不符。故Blank模型不適合做寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)馬鈴薯水分生產(chǎn)函數(shù)模型。

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)馬鈴薯不同生育階段進(jìn)行不同水分虧缺處理，建立寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)馬鈴薯水分生產(chǎn)函數(shù)模型，同時(shí)對(duì)馬鈴薯耗水量和產(chǎn)量進(jìn)行分析。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯生育期耗水量呈現(xiàn)先增大后減小的單峰曲線，塊莖膨大期耗水量達(dá)到峰值，約占全生育期耗水量的30%～40%。這與武朝寶等[10]的馬鈴薯需水量和灌溉制度試驗(yàn)研究相符。王瑞萍等[11]研究不同生育階段水分虧缺對(duì)河套蜜瓜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)水分脅迫對(duì)作物具有減產(chǎn)的效果，水分脅迫越嚴(yán)重，作物減產(chǎn)越明顯，這與本試驗(yàn)結(jié)論基本一致。馬鈴薯塊莖膨大期中度虧缺處理產(chǎn)量最低，說(shuō)明作物的果實(shí)膨大期是作物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期，這與沈暉等[12]關(guān)于壓砂地甜瓜水分生產(chǎn)函數(shù)試驗(yàn)研究得出的結(jié)論基本相符。

不同區(qū)域的氣候條件、土壤條件等因素會(huì)對(duì)作物水分生產(chǎn)函數(shù)產(chǎn)生影響，因此本試驗(yàn)結(jié)果適用與寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)馬鈴薯調(diào)虧灌溉，尤其對(duì)寧夏同心縣王團(tuán)鎮(zhèn)馬鈴薯灌溉制度的優(yōu)化具有重要意義。但是，試驗(yàn)僅以“克新一號(hào)”馬鈴薯作為試驗(yàn)材料，對(duì)其他品種的馬鈴薯是否在耗水特征等指標(biāo)上仍然表現(xiàn)出類似的結(jié)果，還有待拓展探究。試驗(yàn)僅進(jìn)行一年，當(dāng)氣候條件、土壤條件、種植結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，馬鈴薯的水分生產(chǎn)函數(shù)是否表現(xiàn)出同一規(guī)律，仍需在生產(chǎn)實(shí)踐中進(jìn)一步去驗(yàn)證。

馬鈴薯塊莖膨大期耗水量最大，塊莖形成期次之，淀粉積累期耗水量最小。馬鈴薯塊莖形成期中度調(diào)虧處理和塊莖膨大期輕度、中度調(diào)虧處理會(huì)造成馬鈴薯不同程度的減產(chǎn)，塊莖形成期輕度調(diào)虧處理及淀粉積累期輕度、中度調(diào)虧處理對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量無(wú)顯著影響。馬鈴薯生育期按關(guān)鍵性排序：塊莖膨大期>塊莖形成期>淀粉積累期。對(duì)5種常用的作物水分生產(chǎn)函數(shù)進(jìn)行建模分析比較，Jensen模型馬鈴薯水分敏感指數(shù)大小排列順序與其生育期關(guān)鍵性排序基本吻合，更適用于模擬寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)馬鈴薯的需水情況。寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)馬鈴薯Jensen水分生產(chǎn)函數(shù)模型如下式所示。

(7)