不同補充灌溉方式對降雨利用率及馬鈴薯農(nóng)田蒸散特征的影響

張 永 勝

(定西市水利科學研究所，甘肅 定西 743000)

因光、雨、熱資源與馬鈴薯塊莖膨大期相吻合，耕地資源充裕肥沃且富含鉀素等特有地理氣候條件和土壤環(huán)境綜合因素，定西市具有種植高淀粉型和優(yōu)質(zhì)商品型、脫毒種薯等不同類型馬鈴薯的天然條件[1,2]。近年來，隨著農(nóng)業(yè)節(jié)水型社會的建設和發(fā)展，膜下滴管、溝灌等節(jié)水灌溉技術在馬鈴薯種植中得到了推廣應用，但由于缺乏對馬鈴薯灌溉技術的系統(tǒng)研究，灌溉在馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的作用發(fā)揮還不夠，特別是灌溉技術與種植方式不吻合，灌溉水量與馬鈴薯生育期需水關鍵期不符合等問題，造成了田間水利用率、水分利用效率低等問題。本研究針對以上問題，重點探討膜下滴管、溝灌、畦灌等不同灌溉方式對土壤水分、農(nóng)田耗水特征的影響，探討不同灌溉方式對降雨的利用率和馬鈴薯的水分利用效率的影響，旨在為定西市有限灌溉水資源高效利用和促進馬鈴薯產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區(qū)狀況

試驗安排在定西市灌溉試驗站西川試驗基地，距定西市區(qū)2 km，海拔1 958 m，屬中溫帶干旱、半干旱區(qū)。年平均日照2 500 h，年均氣溫6.3 ℃，極端最高溫34.3 ℃，極端最低氣溫零下27.1 ℃，無霜期141 d，正常年降水量400 mm左右，多集中在秋季，蒸發(fā)量高達1 500 mm。土壤以黃棉土為主，有機質(zhì)含量在1%～1.5%。

1.2 灌水設施田間布置

試驗設膜下滴灌、畦灌、壟作溝灌3個灌溉處理。畦灌采用小畦灌溉方式，畦塊長10 m，寬4 m，行距0.4 m、0.6 m，株距0.3 m；溝灌采用人工起壟，溝斷面為三角形，上口寬0.4 m，溝深0. 2 m，灌水溝長10 m，壟寬0.6 m，壟上種植2行馬鈴薯, 行距0.4 m、0.6 m，株距0.3 m；滴灌在播種前安裝滴灌主管、支管、 控制閥等設備，覆膜前每2行馬鈴薯中間鋪設1根滴灌帶, 行距為0.4 m、0.6 m，株距0.3 m。所有灌溉處理馬鈴薯種植密度為4 500 株/畝左右。

1.3 馬鈴薯生育期劃分

試驗用馬鈴薯材料為大西洋脫毒原種，該品種馬鈴薯有長勢強、產(chǎn)量高、耐儲藏運輸、適宜西北干旱地區(qū)種植等特點。按照《灌溉試驗規(guī)范》，并結合當?shù)刈魑飳嶋H生育進程，馬鈴薯生育期劃分為：幼苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉積累期4個生育階段。所有試驗小區(qū)馬鈴薯于2018年5月15日點播，6月4日出苗率達到90%以上，進入幼苗期(19 d)，6月23日進入塊莖形成期(19 d)，7月12日進入塊莖膨大期(30 d)，8月12日進入淀粉積累期(49 d)，9月28日采收，整個生育期117 d。

1.3 主要測試項目及方法

馬鈴薯耐旱性較強，在南方地區(qū)，馬鈴薯相對土壤含水率 50%～60%已屬充足供水，70%供水稍過量[3]。該試驗基地地處干旱的西北黃土高原區(qū)，田間持水率0.24%。結合當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐，相對土壤含水率 60%～75%為充足供水。3種灌溉方式控制生育期內(nèi)土壤含水量的下限水平，具體辦法是每隔5天用土鉆取樣烘干法測定土壤水分，當土壤水分含量下降到控制下限時灌水(表1)。該試驗基地土壤容重平均值1.5 g/cm3，生育期內(nèi)控制土壤水分含量的上限為18%、下限為14.4%。土壤濕潤比：畦灌為1、溝灌為0.8、滴灌為0.6，計劃濕潤層深度：畦灌為1 m、溝灌為1 m、滴灌為0.6 m，凈灌水定額：畦灌為54 mm、溝灌為37.5 mm、滴灌19.5 mm。

表1 土壤水分控制方案

2 結果與分析

2.1 不同灌溉方式土壤水分變化動態(tài)

圖1為不同灌溉方式馬鈴薯全生育期內(nèi)土壤水分變化情況。3種灌溉方式馬鈴薯生育期內(nèi)土壤含水率變化趨勢基本相同，表現(xiàn)為灌水或降雨前后上升與下降的交替出現(xiàn)。在播種至出苗期，土壤水分主要以棵間蒸發(fā)為主，膜下滴灌受覆膜影響，在生育期初土壤的初始含水量較高。而溝灌的灌水溝和畦灌農(nóng)田裸露，棵間蒸發(fā)量大，造成苗前期土壤水分含量低，膜下滴灌具有明顯的保水性。在塊莖形成和膨大期，滴灌處理土壤水分含量峰值較溝灌高，而谷值明顯較畦灌高，能使土壤處于較濕潤的狀態(tài)，且變化幅度小，能使土壤長期處于相對事宜的水分狀態(tài)。畦灌方式，雖然灌溉水量大，但由于農(nóng)田裸露，棵間蒸發(fā)量等原因，在作物需水關鍵時期土壤水分不足，并影響了后期產(chǎn)量形成。

圖1 不同灌溉方式馬鈴薯全生育期內(nèi)土壤水分變化情況

2.2 不同灌溉方式對農(nóng)田貯存降水量的影響

考慮降雨后一部分雨水在沒有滲入土壤之前形成地表徑流，從地面流失。另一部分雨水滲入土壤。滲入土壤的水量中，部分因重力作用滲漏到計劃層以下，部分轉化為土壤水分。為便于計算，將農(nóng)田水量的平衡方程：

ET=(TY+ES)=P+I+G+ΔW-S-D

(1)

優(yōu)化為：

ET=(TY+ES)=I+ΔW+WS

(2)

其中：

WS=P-S-D=1 000γsh(β1-β2)

(3)

式中：ET為農(nóng)田蒸散量，mm；TY為作物蒸騰量，mm；ES為棵間蒸發(fā)量，mm；P為降雨量，mm；I為灌溉水量，mm；G為地下水補給水量，mm(該試驗區(qū)地下水埋深大于50 m，不考慮)；ΔW為土壤含水量變化量，mm；S為地表徑流損失水量，mm；D為深層滲漏水量，mm；WS為農(nóng)田貯存降水量，mm，可通過計算降水前后計劃濕潤層土壤水分含量得到；γs為計劃濕潤層土壤干容重，t/m3，取1.5 t/m3；h為土壤計劃濕潤層深度，m；β1、β2為降雨前后土壤含水量(重量百分比)。

2018年馬鈴薯生育期內(nèi)有效降雨7次，總降雨量249.6 mm。生育期內(nèi)平均降水利用率溝灌66.45%，較畦灌61.98%高4.47%，較滴灌33.48%高32.97%(見圖2，表1)。主要原因是：膜下滴灌馬鈴薯種植方式為平作全膜覆蓋，降雨后部分水分可通過根孔入滲到土壤，形成土壤水，部分降雨量通過地表徑流或停留在膜上形成自由水面而蒸發(fā)，未形成土壤水，視為無效的農(nóng)田水量。從生育期來看，滴灌、畦灌方式降水利用率趨勢線平緩，畦灌降水利用率隨生育期而逐漸增大，在生育期末高于溝灌。分析原因，蒸發(fā)是影響畦灌方式降水利用率主要因素。生育期前期，馬鈴薯葉面積小、氣溫高、蒸發(fā)量大，且降水后相比溝灌濕潤的農(nóng)田面積更多，水分未形成土壤水易直接蒸發(fā)。在后期，受葉面積指數(shù)增大，生育期末氣溫低，蒸發(fā)量小等因素影響，降雨利用率不斷提高。

圖2 不同灌溉方式對農(nóng)田有效貯存降水量的影響

表2 不同灌溉方式農(nóng)田貯存降水量

2.3 不同灌溉方式對農(nóng)田蒸散特征的影響

馬鈴薯農(nóng)田蒸散在全生育期的變化，可通過日均耗水量在全生育期的變化來分析[4]。除畦灌在塊莖形成期外，其他處理在整個生育期日耗水強度有相同的變化趨勢，在苗期時最低，苗期到塊莖膨大期時變大，淀粉積累期時又減小，這與馬鈴薯生長發(fā)育對水分的需求規(guī)律相吻合。畦灌在塊莖形成期隨著葉面積指數(shù)增大棵間蒸發(fā)量減小，并導致日耗水強度明顯降低。2018年馬鈴薯生育期內(nèi)農(nóng)田蒸散畦灌最高，達283.71 mm，較溝灌257.68 mm高26.03 mm，較滴灌122.38 mm高161.33 mm。在不同的生育期，滴灌條件下日耗水強度為溝灌的1/2，為畦灌的1/3以下，具有顯著的節(jié)水性(見表3，圖3)。

表3 不同灌溉方式馬鈴薯各生育階段農(nóng)田蒸散特征

圖3 不同灌溉方式馬鈴薯各生育階段日耗水強度變化

2.4 不同灌溉方式對馬鈴薯水分利用效率的影響

表4列出了不同灌溉方式在全生育期內(nèi)的田間蒸散量、產(chǎn)量及水分利用效率。在同一土壤水分水平下，溝灌方式的產(chǎn)量高于滴灌的產(chǎn)量，畦灌方式下，馬鈴薯的產(chǎn)量下降顯著。從水分利用效率來看，滴灌比溝灌處理的水分利用效率高出87.69%。畦灌方式由于棵間蒸發(fā)量大，灌溉方式使土壤板結、通氣性差，進而影響根系對水分和養(yǎng)分的吸收，影響作物地下和地上部分的生長，影響產(chǎn)量形成，并最終影響作物的水分利用效率，是不可取的灌溉方式。

表4 不同灌溉方式的水分利用效率

3 結 語

(1)在同一土壤水分水平下，溝灌處理的產(chǎn)量高于滴灌，畦灌處理馬鈴薯產(chǎn)量下降顯著。從水分利用效率來看，滴灌比溝灌的水分利用效率高出87.69%。畦灌由于棵間蒸發(fā)量大，其灌溉方式使土壤板結、通氣性差，影響產(chǎn)量形成，是不可取的灌溉方式，在水資源緊缺的區(qū)域，要避免馬鈴薯大田漫灌的灌溉方式。

(2)馬鈴薯生育期內(nèi)降水利用率溝灌66.45%，較畦灌高4.47%，較滴灌高32.97%。同時，溝灌的灌溉方式受水分入滲方式和土壤淺層干旱脅迫的影響，能使根系扎根較深，能增加根系的保水和吸水能力，有利于后期抗旱和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。因此，在馬鈴薯大田試驗中，應盡量采取溝灌的補灌方式，一方面可增加馬鈴薯產(chǎn)量，另一方面可提高對降雨的利用率。

(3)從整個生育期來看，滴灌條件下日耗水強度為溝灌的1/2，為畦灌的1/3以下，具有顯著的節(jié)水性。因此，在水資源緊缺或在設施馬鈴薯育種產(chǎn)業(yè)發(fā)展中具有重要的推廣應用價值。同時，應該積極探索馬鈴薯壟上膜下滴灌等灌溉技術的研究，并設置雨水入滲溝，進一步提高雨水的利用率。