不同生育期調(diào)虧滴灌對綠洲馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用效率的影響

張萬恒，張恒嘉，李福強，王澤義，高 佳，巴玉春

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學 水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.民樂縣洪水河管理處，甘肅 民樂 734500)

馬鈴薯(SolanumtuberoumL.)因逆境適應性強、產(chǎn)量穩(wěn)定、易于管理等特點，在世界各地廣泛種植，已經(jīng)成為目前第四大糧食作物[1]。張掖市民樂縣洪水河灌區(qū)屬高寒地區(qū)，氣候涼爽、日照充足，是河西地區(qū)重要的馬鈴薯產(chǎn)地，但地域性干旱也成為制約當?shù)伛R鈴薯發(fā)展的重要因素[2]，而面對當前農(nóng)業(yè)用水極度緊張的情況下，該地區(qū)馬鈴薯仍沿用傳統(tǒng)壟播溝灌模式，單次灌水耗水巨大，導致灌溉水利用效率低下，而較長的灌水周期使得馬鈴薯根本無法實現(xiàn)適時灌溉。膜下滴灌是一種現(xiàn)代新型的灌水方式，地膜具有保墑蓄水的優(yōu)勢，并能有效抑制雜草生長[3]；滴灌技術(shù)也因有效減少作物棵間蒸發(fā)及深層滲漏，被公認為目前最節(jié)水的灌溉方式[4]。在我國西北地區(qū)，對小麥[5-6]、玉米[7-8]、葡萄[9-10]等旱地作物均研究表明，膜下滴灌能增加產(chǎn)量并顯著提高水分利用效率。不少研究者先后開展了地膜覆蓋結(jié)合滴灌對馬鈴薯產(chǎn)量效益的研究，王玉明等[11]研究表明，膜下滴灌比露地滴灌馬鈴薯產(chǎn)量提高26%。秦軍紅等[12]表明，膜下滴灌以小流量高頻率灌水，既能改善土層結(jié)構(gòu)，又能減少深層滲漏，提高水分利用效率。

早在20世紀90年代初，就有研究表明[13-14]，作物品質(zhì)一方面由遺傳特性決定，另一方面外界環(huán)境和栽培方式影響也較大。目前對綜合分析不同生育期水分虧缺處理對膜下滴灌馬鈴薯產(chǎn)量、水分利用效率和品質(zhì)的研究還較少，為此，本研究擬通過河西綠洲區(qū)馬鈴薯大田試驗，采用膜下滴灌精準控水方式，分析不同生育期水分處理對馬鈴薯生長動態(tài)、耗水特征的影響，在不顯著降低馬鈴薯產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，能提高馬鈴薯水分利用效率和品質(zhì)，探索該區(qū)馬鈴薯不同生育期較合理的灌水量，并為該地區(qū)膜下滴灌馬鈴薯灌溉制度的制定提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

2018年在民樂縣三堡鎮(zhèn)益民灌溉試驗站進行試驗，前茬作物為板藍根，該地區(qū)平均海拔約為1 950 m，年均日照時數(shù)3 000 h，年平均氣溫6.0 ℃，光熱資源豐富，但多年平均降雨量僅為215 mm；試驗地土壤為輕壤土，土地肥力中等，土壤容重為1.49 g/cm3，地下水埋深大于20 m，田間持水量為24%(質(zhì)量百分比)，鹽堿化危害較輕。

1.2 試驗設計

試驗所選用馬鈴薯品種為青薯168，由青海省農(nóng)林科學院培育，該品種屬晚熟鮮食菜用和淀粉加工兼用型。于2018年4月11日播種，同年9月28日收獲，全生育期歷時170 d，生育期總降雨量197.4 mm。試驗分別在馬鈴薯苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期、淀粉積累期設置輕、中度水分處理(WD1～WD8)，以及全生育期均充分供水對照(CK)，具體試驗設計方案見表1。

表1 試驗設計方案Tab.1 Experiment design %

注： 表中充分、輕度、中度水分處理對應數(shù)據(jù)均為占田間持水量的百分數(shù)。

Note:The data for adequate, mild, and moderate water treatment in the table are the percentage of water holding capacity in the field.

試驗小區(qū)布置為東西走向，有效面積為24 m2(2.4 m×10 m)，每小區(qū)種植2壟，每壟擺種2行。由于種植時地表有干土層，為保證種薯順利出芽，先在離壟中心各0.1 m處并排開2條淺溝，以株距0.2 m在溝內(nèi)擺放種薯，再將硫酸鉀復合肥條施于壟中央開好的淺溝內(nèi)，最后以壟寬0.8 m起壟。為防止水分互滲，用塑料薄膜包裹各小區(qū)間土埂，并在向溝一側(cè)向下埋深0.4 m。試驗共設置9個處理，各處理均3次重復。灌水選用內(nèi)鑲貼片式滴灌帶，滴頭間距0.2 m，滴頭流量2.0 L/h，工作水頭5 m，為保證小區(qū)精確供水，各小區(qū)均單獨設置球閥控制控制灌水量。試驗用地肥力中等，土層厚實，播種時在試驗地馬鈴薯行間條施硫酸鉀復合肥共86 kg，生育中期不再追肥。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 產(chǎn)量 按每小區(qū)實際收獲產(chǎn)量記錄。

1.3.2 株高和葉面積指數(shù)(LAI) 馬鈴薯出苗后以10 d為周期測定1次，具體方法為：各小區(qū)隨機選取6株馬鈴薯植株，用鋼卷尺分別測量株高、葉長和葉寬，葉面積=0.76×葉長×葉寬[15]，葉面積指數(shù)以馬鈴薯總綠葉面積占小區(qū)面積的比值為標準；最終株高和葉面積指數(shù)取6株的平均值。

1.3.3 土壤含水量 馬鈴薯生育期以7～10 d為周期，土鉆以0.1 m為單位分6個梯度剖面取土，用烘干稱質(zhì)量法測定。當測得試驗小區(qū)內(nèi)土壤含水量低于設定土壤含水量下限時，便進行灌水，灌水量按下式計算：

m=10ρbH(θi-θj)

式中：m為單次灌水量(mm)；ρb為土壤容重(g/cm3)；H為計劃濕潤層深度(0.6 m)；θi為設定土壤含水量上限；θj為實際測定土壤含水量。

1.3.4 馬鈴薯耗水量、耗水強度 以下式計算：

耗水強度(mm/d)=耗水量/耗水天數(shù)

式中：ET為馬鈴薯階段耗水量(mm)；ri為土壤干容積密度(g/cm3)；Wi1、Wi2為第i層土壤某時段始、末質(zhì)量含水率(干土質(zhì)量%)；M、P、K和C分別為某時段內(nèi)灌水量、有效降雨量、深層土壤水補給量和排水量(mm)。由于試驗區(qū)地下水埋深大于20 m，因此，不考慮地下水補給量，故K=0；滴灌未使土壤含水率達到田間持水量，不會產(chǎn)生滲漏，故C=0。

1.3.5 水分利用效率

WUE=Y/ETa

式中：WUE為馬鈴薯水分利用效率(kg/m3)；Y為單位面積馬鈴薯產(chǎn)量(m3/hm2)；ETa為全生育期實際單位面積馬鈴薯耗水量(m3/hm2)。

1.3.6 馬鈴薯品質(zhì)測定 薯塊干物質(zhì)用烘干稱質(zhì)量法測定，還原糖含量采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍G-250法測定，淀粉含量采用碘比色法測定[16]。

1.3.7 數(shù)據(jù)處理 用SPSS 19.0分析數(shù)據(jù)，用Excel 2013繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生育期水分處理對馬鈴薯植株生長的影響

2.1.1 馬鈴薯株高 由圖1可看出，就整個生育期而言，馬鈴薯各處理株高均呈現(xiàn)不斷上升的態(tài)勢，具體表現(xiàn)為前期快，中后期慢的特點，淀粉積累期趨于穩(wěn)定或開始略微下降。苗期植株生長緩慢，各處理間差異較小，但隨著生育期向后推進，塊莖形成期進行水分虧缺的WD3、WD4處理株高略低于其他，但差異不明顯，表現(xiàn)出水分虧缺對株高增長有一定抑制作用；塊莖膨大期末，WD5、WD6處理比CK低13.7，20.1 cm，差異顯著(P<0.05)，此時段正是馬鈴薯植株增長的關(guān)鍵時期，水分虧缺對株高影響較大。淀粉積累期各處理間株高趨于穩(wěn)定或略微下降，水分虧缺對株高已無明顯影響。

圖中字母不同表示處理間存在顯著性差異(P<0.05)。圖2-4同。The difference letters in the figure indicates that there is a significant difference between the treatments (P<0.05).The same as Fig.2-4.

2.1.2 馬鈴薯葉面積指數(shù)(LAI) 由圖2可看出，馬鈴薯全生育期LAI整體呈現(xiàn)單峰變化曲線，苗期上升緩慢，塊莖形成期迅速上升，在塊莖膨大期達到峰值(WD6處理除外)，進入淀粉積累期，LAI開始緩慢下降，其中CK處理全生育期均維持最高水平，可見充分灌水更有利于LAI的增加。塊莖形成期進行虧水處理，使得WD3、WD4處理LAI略微低于同期其他處理，但在后期復水后，LAI均呈現(xiàn)出持續(xù)增長的趨勢，說明復水后對植株生長有一定的補償效應；WD5、WD6處理在塊莖膨大期進行中度水分虧缺，LAI分別顯著低于CK 14.27%，19.70%(P<0.05)，且直到生育期末，均處于最低水平。淀粉積累期水分處理對LAI影響較小，WD7、WD8處理對僅比CK分別低8.41%和10.27%。

圖2 不同生育期水分處理對馬鈴薯葉面積指數(shù)的影響Fig.2 Effect of water treatments at different growth stages on potato leaf area index

2.2 不同生育期水分處理對馬鈴薯耗水特征的影響

2.2.1 馬鈴薯耗水量 圖3所示，馬鈴薯各生育期耗水量近似表現(xiàn)為：塊莖膨大期>塊莖形成期>苗期>淀粉積累期，其中CK處理全生育期耗水量最大，達到了567.01 mm。苗期耗水量占整個生育期耗水量的12.28%～21.21%，WD1、WD2處理與CK比較，耗水量分別低28.05%和33.10%；塊莖形成期WD3、WD4處理平均耗水量為126.01，70.48 mm，比CK分別顯著低30.96%和61.38%，其他處理此時段的耗水量與CK差異不顯著；塊莖膨大期水分虧缺對馬鈴薯耗水量的影響也達顯著水平，WD5、WD6比較CK降低29.80%和61.99%，但在此階段復水后的WD3、WD4處理耗水量與CK比較分別降低11.67%，9.73%，差異不顯著(P>0.05)；淀粉積累期由于氣候轉(zhuǎn)涼，日照強度降低，大量葉片開始枯萎，使得馬鈴薯植株蒸騰作用快速下降，耗水減小，進行輕度和中度水分虧缺處理的WD7、WD8對比CK差異均不顯著。

圖3 各生育期馬鈴薯耗水量變化Fig.3 Changes in water consumption of potatoes during each growth period

2.2.2 馬鈴薯耗水強度 圖4所示，馬鈴薯耗水強度表現(xiàn)為塊莖形成期>塊莖膨大期>淀粉積累期>苗期，CK處理耗水強度各階段均處于最高水平(淀粉積累期除外)。苗期由于氣溫較低，并且馬鈴薯植株矮小，耗水強度均比較其他生育期低，進行水分處理的WD1、WD2比較CK低28.47%和33.33%，其他各處理之間差異不顯著(P>0.05)；塊莖形成期，馬鈴薯耗水強度迅速增大，其中WD1、WD5、WD6處理達到全生育期耗水強度峰值，WD3、WD4處理比較同期其他處理差異顯著，分別比CK低30.98%，61.32%；塊莖膨大期，馬鈴薯進入生殖生長的關(guān)鍵時期，耗水強度仍維持在較高的水平，WD4處理復水后，耗水強度顯著增強，進行水分處理的WD5、WD6處理分別比CK低29.79%，62.08%；進入淀粉積累期，由于氣溫降低和莖葉枯萎的緣故，馬鈴薯耗水強度整體呈現(xiàn)下降趨勢，進行輕、中度水分處理的WD7、WD8處理耗水強度比CK低14.15%，16.00%。

2.3 不同生育時期水分處理對馬鈴薯品質(zhì)的影響

2.3.1 馬鈴薯串薯率 馬鈴薯串薯的形成與生長環(huán)境有很大關(guān)系，當受到缺水等不利環(huán)境因素，薯塊膨大緩慢甚至停止生長，當恢復供水或逆境消除以后薯塊又繼續(xù)生長，從而形成形狀不整、外觀奇異的畸形薯塊，會影響馬鈴薯加工性和商品性[17]。從表2可看出，CK處理串薯率為4.60%，苗期進行水分處理，串薯率比較CK未達到顯著性水平(P>0.05)；而在塊莖形成期水分處理，使WD3、WD4串薯率分別為12.80%，16.06%，比CK分別高出8.20，11.46百分點，差異顯著(P<0.05)，并且WD3、WD4處理比較其他處理，串薯率也增高3.75～11.46百分點；而在塊莖膨大期輕度水分處理，WD5串薯率比較CK未達到顯著性水平，但是中度水分處理WD6比較CK，串薯率增高4.45百分點；淀粉積累期串薯率比較CK也未達到顯著性水平，可見塊莖形成期水分虧缺，以及塊莖膨大期中度水分處理會嚴重影響馬鈴薯薯塊的生長，導致馬鈴薯串薯率成倍增加。

圖4 各生育時期馬鈴薯耗水強度變化Fig.4 Changes in water consumption intensity of potato during each growth period

2.3.2 馬鈴薯商品薯率 收獲時按照薯塊質(zhì)量大于50 g為標準，記為商品薯，商品薯率是衡量馬鈴薯品質(zhì)優(yōu)劣的重要因素[18]。從表2中可以看出，CK處理商品薯率最低，比其他處理低約3.97～10.09百分點，可能是由于充分供水促進了小薯的發(fā)育，使小薯數(shù)量和質(zhì)量增加；而WD2、WD3、WD4、WD6和WD7處理比較CK，商品薯率均達到了顯著性水平(P<0.05)，其中WD3、WD4處理比CK分別高10.09，7.80百分點，且大薯率增高10.48，8.32百分點；WD5、WD6處理大薯率比CK高9.05，7.92百分點，大薯率的提高影響了商品薯的比例，使商品薯率比CK分別高4.07，7.81百分點；淀粉積累期水分處理均未使大、中薯比率達到顯著性水平，但WD7、WD8處理商品薯率仍比CK分別高8.61，3.98百分點。

表2 不同生育時期水分處理對馬鈴薯外觀品質(zhì)的影響Tab.2 Effect of water treatment at different growth stages on appearance quality of potato %

注： 表中同列字母不同表示處理間存在顯著性差異(P<0.05)。表3-4同。

Note:The difference between the same column in the table indicates that there is a significant difference between the treatments (P<0.05).The same as Tab.3-4.

2.3.3 馬鈴薯薯塊有機質(zhì)含量 從表3可看出，不同生育期水分處理對馬鈴薯有機質(zhì)影響顯著(除淀粉含量外)。與CK比較，WD1、WD2處理薯塊干物質(zhì)分別提高0.21，0.04百分點，其他處理均降低，其中WD6處理降低3.38百分點，達到了顯著性水平(P<0.05)，其余處理WD3、WD4、WD5、WD7、WD8分別降低0.97，1.65，1.62，0.44，0.74百分點，差異均不顯著(P>0.05)。水分處理薯塊蛋白質(zhì)含量表現(xiàn)為WD7處理比CK提高3.11%，WD5、WD6處理比較CK分別降低28.50%，24.35%，差異顯著，WD1、WD2、WD3、WD4、WD8處理比較CK分別降低1.56%，12.95%，2.04%，16.62%，11.40%，但WD7處理蛋白質(zhì)含量比CK高3.11%，蛋白質(zhì)含量多表現(xiàn)為輕度水分處理高于中度水分處理。薯塊還原糖含量WD7處理最高，比CK高15.63%，其他處理均低于CK，其中WD1、WD5、WD6處理比CK分別顯著降低31.25%，34.38%，46.88%，表現(xiàn)出較大的差異性。淀粉含量各處理均未達到顯著性水平，但CK仍最高，且不同生育期呈現(xiàn)出差異性，表現(xiàn)為淀粉積累期>塊莖形成期>苗期>塊莖膨大期。

表3 不同生育時期水分處理對馬鈴薯薯塊有機質(zhì)的影響Tab.3 Effects of water treatment at different growth stages on organic matter of potato tubers

2.4 不同生育時期水分處理對馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的影響

2.4.1 馬鈴薯產(chǎn)量 表4為不同水分處理下馬鈴薯產(chǎn)量情況，從表中可以看出，全生育期充分供水處理CK產(chǎn)量最高，達到了35 317.71 kg/hm2；WD6處理產(chǎn)量最低，為28 633.33 kg/hm2。馬鈴薯苗期、塊莖形成期、淀粉積累期水分處理產(chǎn)量比較CK均未達到顯著性水平(P>0.05)，WD1、WD2處理產(chǎn)量比較CK分別降低9.64%，7.95%；WD3水分處理產(chǎn)量僅比CK降低1.32%，WD4處理產(chǎn)量比CK低6.90%，且WD3處理產(chǎn)量比WD4高6.00%；而在塊莖膨大期水分虧缺處理均導致馬鈴薯明顯減產(chǎn)，使WD5、WD6處理比CK分別顯著低15.77%，18.93%(P<0.05)，比其他處理減產(chǎn)幅度也達6.79%～18.93%；由于在淀粉積累期之前WD7、WD8處理均充分供水，在淀粉積累期耗水量減小，使WD7、WD8處理產(chǎn)量比CK僅降低4.80%，3.59%，水分虧缺對產(chǎn)量影響較小，最終產(chǎn)量與CK差異不大。

2.4.2 馬鈴薯水分利用效率(WUE) 表4中，WD4處理WUE最高(7.99 kg/m3)，其次為WD3處理(7.80 kg/m3)，分別比CK顯著提高25.04%，22.07%(P<0.05)，而WD5處理WUE最低，比CK低3.28%；WD6處理也獲得了較高的水分利用效率，比CK提高5.95%；其他處理WD1、WD2、WD7、WD8分別對比CK增高2.82%，1.57%，0.16%，2.03%，雖未達到顯著性水平，但均有不同程度的提高?？梢娫隈R鈴薯塊莖形成期進行水分處理，可以獲得較高的WUE，其次為苗期，但在塊莖膨大期進行水分處理，不僅嚴重影響馬鈴薯產(chǎn)量，而且WUE也處在最低水平。

表4 不同生育時期水分處理馬鈴薯產(chǎn)量、水分利用效率的影響Tab.4 Effects of water treatment at different growth stages on potato yield and water use efficiency

3 結(jié)論與討論

葉片是馬鈴薯進行光合作用的主要場所，是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，土壤水分主要通過影響馬鈴薯地上部分生命活動從而影響產(chǎn)量[19]。張華普等[20]研究表明，確保在馬鈴薯塊莖膨大期、淀粉積累期延長葉片功能，對大、中薯率和產(chǎn)量影響較大。就本試驗數(shù)據(jù)來看，從塊莖形成期開始，控制灌水量后馬鈴薯株高和葉面積比較CK差距開始出現(xiàn)，且差異程度表現(xiàn)為中度水分處理大于輕度水分處理；到塊莖膨大期，WD5、WD6處理比較CK株高低13.7，20.1 cm，同樣LAI比較CK顯著低14.27%，19.70%(P<0.05)，且直至馬鈴薯收獲前，WD6處理株高和葉面積均處于最低水平。表明在塊莖膨大期進行中度水分處理，對馬鈴薯株高和葉面積的增長均造成不可補償?shù)钠茐摹?/p>

蔡煥杰等[21]認為，水分虧缺的時期和程度能顯著影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。馬鈴薯串薯不利于商品性和加工性，較高的串薯率對馬鈴薯商品性有影響，而馬鈴薯商品薯率和薯塊有機質(zhì)含量的增加利于馬鈴薯品質(zhì)的提高。本試驗中，WD3、WD4以及WD6水分處理，串薯率均比CK分別增高8.20，11.46，4.45百分點，WD3、WD4達到了顯著性水平(P<0.05)；CK處理小薯率達到29.17%，從而導致商品薯率處于最低水平，而WD2、WD3和WD4、WD6以及WD7處理，均使商品薯率顯著高于CK 10.09，7.80，7.81，8.61百分點，水分虧缺對馬鈴薯有機質(zhì)含量均有影響，無論在塊莖膨大期進行輕度(WD5)或中度(WD6)水分處理，均使馬鈴薯薯塊干物質(zhì)、蛋白質(zhì)和還原糖含量降低1.62百分點，28.50%，34.38%和3.38百分點，24.35%，46.88%；WD7處理使薯塊蛋白質(zhì)和還原糖含量分別比CK增加3.11%，15.63%。馮棣等[22]表明，馬鈴薯收獲期水分過多會造成壞薯率增加。因此，WD7處理(淀粉積累期輕度)能有效提高馬鈴薯品質(zhì)。

本試驗中，CK產(chǎn)量最高，達到35 317.71 kg/hm2，WD3處理馬鈴薯產(chǎn)量僅比CK降低1.32%，而WD4處理比較CK減產(chǎn)6.90%；WD5、WD6處理馬鈴薯產(chǎn)量低于其他處理達6.79%～18.93%，這與葉面積指數(shù)變化過程趨于同步，可見水分虧缺導致葉片過早死亡是造成馬鈴薯減產(chǎn)的原因。水分處理對水分利用效率(WUE)的影響表現(xiàn)為：WD4處理WUE最高，WD3處理次之，WD3處理WUE雖略低于WD4(降低2.38%)，但產(chǎn)量比WD4處理高6.00%。綜合以上分析，在追求較高的產(chǎn)量和WUE的情況下，塊莖形成期輕度水分虧缺處理為本試驗推薦的灌水策略；而追求馬鈴薯較高的品質(zhì)，淀粉積累期輕度水分處理最佳。