地下滲灌不同埋深對馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的影響

任秋實(shí)，李興強(qiáng)，曾玉霞，李夢剛，孫兆軍,2,3,4

(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)資源評價(jià)與環(huán)境調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750021)

0 引 言

地下灌溉是將灌水器或灌溉管道埋于地下，在毛細(xì)管作用下自下而上濕潤土壤的一種灌溉模式[1]。相較于地面灌溉，地下灌溉可以更精準(zhǔn)地控制灌水量，減少水分的蒸發(fā)損失，還可以實(shí)現(xiàn)水肥一體化，被認(rèn)為是最佳的灌水技術(shù)之一[2]。在地下灌溉系統(tǒng)中，毛管埋置深度的不同會導(dǎo)致土壤中的水分運(yùn)移和分布產(chǎn)生差異，影響作物根系的生長和對水分養(yǎng)分的吸收利用，進(jìn)而影響產(chǎn)量。莊千燕[3]研究發(fā)現(xiàn)，流量和灌水時(shí)間一定時(shí)，隨著埋深的增加，濕潤鋒在水平方向的運(yùn)移距離減小，在垂直方向增大，不同埋深處理對高羊茅地上生物量影響顯著，埋深20 cm顯著高于其他處理。馮棣[4]等在滴灌帶埋深為30 cm的條件下，通過控制地下20 cm處的土壤基質(zhì)勢下限研究地下滴灌不同土壤水分調(diào)控對馬鈴薯產(chǎn)量和灌溉水利用效率的影響，研究發(fā)現(xiàn)土壤基質(zhì)勢下限為-30 kPa時(shí)可以取得最佳效果。前人關(guān)于地下灌溉的研究，大多著重于地下滴灌[5-8]，關(guān)于地下滲灌對作物的影響的研究報(bào)道較少。為此，本試驗(yàn)針對寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)氣候條件，設(shè)置不同地下滲灌埋深和不同灌溉定額，通過分析不同埋深和不同灌溉定額對馬鈴薯生長、產(chǎn)量和水分利用效率的影響，探索最佳地下滲灌埋深和相應(yīng)的灌溉定額。

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，無霜期120～218 d，年平均氣溫8.6 ℃[9]。試驗(yàn)前，測試試驗(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 供試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“青薯9號”，2017年5月18日播種，當(dāng)年10月15日收獲。本試驗(yàn)采用二因素三水平的試驗(yàn)方法。因素D分為0 cm(D1)、10 cm(D2)、20 cm(D3)3個(gè)埋深水平，因素W分為1 050 m3/hm2(W1)、1 500 m3/hm2(W2)、1 950 m3/hm2(W3)3種灌溉定額水平，共9個(gè)處理，以地面滴灌1 500 m3/hm2灌溉定額為對照處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。灌溉定額依據(jù)當(dāng)?shù)毓喔冉?jīng)驗(yàn)值和前人研究理論值進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

試驗(yàn)小區(qū)采用單壟雙行種植模式，壟寬0.8 m，壟高0.25 m，壟心距1.2 m，壟上馬鈴薯行距0.4 m，株距0.4 m，種植密度41 500 株/hm2，中間鋪設(shè)一條滴灌帶或埋置一條滲灌管，種植示意圖如圖1所示。每小區(qū)兩壟，小區(qū)長4.0 m，寬2.4 m，小區(qū)面積9.6 m2，小區(qū)間設(shè)1.5 m寬隔離帶，10個(gè)處理，每個(gè)處理進(jìn)行3次重復(fù)，共30個(gè)小區(qū)。小區(qū)四周種植四壟同品種馬鈴薯。供試滲灌管道采用自主研發(fā)的全滲管道，全滲管規(guī)格為：內(nèi)徑φ16 mm，流量12 L/(m·h)。試驗(yàn)統(tǒng)一施90 kg/hm2的磷肥、135 kg/hm2的鉀肥和180 kg/hm2的氮肥。其他田間管理措施與一般大田相同。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.2 Test plan

圖1 種植示意圖(單位：cm)Fig.1 Schematic diagram of planting

1.3 觀測指標(biāo)及方法

(1)作物生長指標(biāo)：作物生長指標(biāo)內(nèi)容包括株高、莖粗、干物質(zhì)積累量等。株高采用精度為1 mm的卷尺測量，莖粗采用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺通過十字交叉法測量。馬鈴薯在苗期、塊莖形成期和塊莖膨大期主要為生殖生長，淀粉積累期時(shí)，馬鈴薯由生殖生長轉(zhuǎn)化為營養(yǎng)生長，地上部分基本停止生長，各處理對其影響較小，故不對淀粉積累期的馬鈴薯株高、莖粗進(jìn)行測定。收獲時(shí)取馬鈴薯地上部分鮮物質(zhì)，在105 ℃下殺青1 h，70 ℃下烘干至恒重，用電子天平稱重。

(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0～20、20～40、40～60 cm土層取樣，用烘干法測其土壤含水率。

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

(4)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)。

(5)水分利用效率：

WUE=Y/ET

(2)

式中：WUE為水分利用效率，kg/m3；Y為馬鈴薯產(chǎn)量，kg/hm2。

1.4 數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行多重分析(LSD)和多元回歸分析，用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下滲灌不同埋深和不同灌溉定額處理對馬鈴薯株高、莖粗的影響

不同滲灌埋深和不同灌溉定額處理對馬鈴薯株高和莖粗的影響如圖2、圖3所示。

由圖2可知，各處理株高變化趨勢相同,出苗后60 d內(nèi)馬鈴薯株高增長迅速，出苗后60～90 d內(nèi)株高增速降低。方差分析表明，出苗后30 d內(nèi)各處理對株高的影響不顯著：出苗后30～60 d時(shí)各處理馬鈴薯株高差異開始明顯，T7處理株高最大，為88.74 cm，T1處理株高最小，為58.03 cm；出苗后60～90 d時(shí)，各處理馬鈴薯差異顯著，各處理株高表現(xiàn)為T7>T8>T9>T5>T6>CK>T4>T3>T2>T1。

圖2 不同灌溉定額和不同管道埋深對馬鈴薯株高的影響Fig.2 Effect of different irrigation quotas and different pipeline depths on potato plant height

由圖3可知，各處理馬鈴薯莖粗隨出苗后天數(shù)的增加而增大。馬鈴薯出苗后15 d時(shí)，各處理莖粗差異不顯著；馬鈴薯出苗30 d時(shí)，T8處理的莖粗最大，為11.25 mm；馬鈴薯出苗后30～60 d時(shí)，T9處理馬鈴薯莖粗增速加快，最終達(dá)到18.07 mm；馬鈴薯出苗后60～90 d時(shí)，T5處理馬鈴薯莖粗始終表現(xiàn)最好，其次是T7處理。

圖3 不同灌溉定額和不同灌溉埋深對馬鈴薯莖粗的影響Fig.3 Effect of different irrigation quotas and different pipeline depths on potato stem diameter

2.2 地下滲灌不同埋深和不同灌溉定額處理對馬鈴薯干物質(zhì)積累量的影響

不同灌埋深和不同灌溉定額處理對馬鈴干物質(zhì)積累量的影響如圖4所示。

圖4 不同灌溉定額與不同管道埋深對馬鈴薯干物質(zhì)積累量的影響Fig.4 Effect of different irrigation quotas and different pipeline depths on dry matter accumulation of potato注：括號外面字母表示相同灌溉定額條件下不同管道埋深處理間的差異性檢驗(yàn)結(jié)果(P<0.05)；括號內(nèi)字母表示相同管道埋深條件下不同灌溉定額處理間的差異性檢驗(yàn)結(jié)果(P<0.05)，下同。

由圖4可知，各處理馬鈴干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為：T7>T8>T9>T5>T6>CK>T4>T3>T2>T1。

在灌溉定額為1 050 m3/hm2(W1)條件下，馬鈴薯干物質(zhì)積累量隨管道埋深的增大而增大，表現(xiàn)為D3>D2>D1，D1、D2和D3處理馬鈴薯干物質(zhì)積累量之間的差異兩兩顯著，說明管道埋深的增大對馬鈴薯的干物質(zhì)積累量存在促進(jìn)作用。在灌溉定額為1 500 m3/hm2(W2)條件下，馬鈴薯干物質(zhì)積累量隨管道埋深的增大先增大后減小，滲灌管道埋深10 cm處理明顯優(yōu)于地面滴灌。在灌溉定額為1 950 m3/hm2(W3)條件下，馬鈴薯干物質(zhì)積累量隨著管道埋深的增大而減小，馬鈴薯干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為D1>D2>D3，說明管道埋深的增大對馬鈴薯干物質(zhì)積累量存在抑制作用。

相同管道埋深條件下，馬鈴薯干物質(zhì)積累量隨灌溉定額的增大而增大，說明水分有助于馬鈴薯干物質(zhì)積累的增大，中灌溉定額處理和高灌溉定額處理顯著高于低灌溉定額處理，但隨著管道埋深的增大，灌溉定額對馬鈴薯干物質(zhì)積累量影響的差異變小。

2.3 地下滲灌不同埋深和不同灌溉定額處理對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

不同滲灌埋深和不同灌溉定額處理對馬鈴薯產(chǎn)量的影響如圖5所示。

圖5 不同灌溉定額與不同管道埋深對馬鈴薯產(chǎn)量的影響Fig.5 Effect of different irrigation quotas and different pipeline depths on yield of potato

由圖5可知，各處理馬鈴薯產(chǎn)量表現(xiàn)為：T7>T8>T9>T5>T6>CK>T4>T3>T2>T1。

在灌溉定額為1 050 m3/hm2(W1)條件下，馬鈴薯產(chǎn)量隨管道埋深的增大而增大，表現(xiàn)為D3>D2>D1，D1、D2和D3處理馬鈴薯產(chǎn)量之間無顯著差異，D3處理產(chǎn)量最大，為35.22 t/hm2。在灌溉定額為1 500 m3/hm2(W2)條件下，馬鈴薯產(chǎn)量隨管道埋深的增大先增加后減少，表現(xiàn)為D2>D3>CK>D1，D2處理馬鈴薯產(chǎn)量和D1、CK之間存在顯著差異，D2處理和D3之間差異不顯著，D2處理產(chǎn)量為39.78 t/hm2，D3處理與D1和CK處理之間存在顯著差異，CK與D1處理之間差距不顯著。在灌溉定額為1 950 m3/hm2(W3)條件下，馬鈴薯產(chǎn)量隨管道埋深的增大而減少，表現(xiàn)為D1>D2>D3，D1、D2和D3處理馬鈴薯產(chǎn)量之間不存在顯著差異，D1處理產(chǎn)量最大為42.97 t/hm2。

同一滲灌埋深條件下，馬鈴薯產(chǎn)量隨灌溉定額的增大而增大，表現(xiàn)均為W3>W2>W1，說明水分有助于馬鈴薯增產(chǎn)，中灌溉定額處理和高灌溉定額處理顯著高于低灌溉定額處理，但隨著灌溉定額的增大，中灌溉定額處理與高灌溉定額處理馬鈴薯產(chǎn)量之間的差異變小。

2.4 地下滲灌不同埋深和不同灌溉定額處理對馬鈴薯耗水量和水分利用效率的影響

不同滲灌埋深和不同灌溉定額處理對馬鈴薯耗水量和水分利用效率的影響如表3所示。

表3 不同灌溉定額與不同管道埋深對馬鈴薯耗水量和水分利用效率的影響Tab.3 Effect of different irrigation quotas and different pipeline depths on water consumption and WUE of potato

注：不同英文小寫字母表示不同處理在0.05水平差異顯著。

由表3可知，各處理馬鈴薯耗水量表現(xiàn)為：T7>T8>T9>T5>T6>CK>T4>T3>T2>T1。在灌溉定額為1 050 m3/hm2(W1)條件下，馬鈴薯耗水量表現(xiàn)為D3>D2>D1，在灌溉定額為1 500 m3/hm2(W2)條件下，馬鈴薯耗水量表現(xiàn)為D3>CK>D2>D1，在灌溉定額為1 950 m3/hm2(W3)條件下，馬鈴薯耗水量表現(xiàn)為D3>D2>D1，說明同一灌溉定額水平下，馬鈴薯耗水量隨滲灌埋深的增大而增大。在管道埋深0 cm(D1)條件下，即地面滲灌條件下，馬鈴薯耗水量表現(xiàn)為W3>W2>W1，管道埋深10 cm(D2)條件下，馬鈴薯耗水量表現(xiàn)為W3>W2>W1，管道埋深20 cm(D3)條件下，馬鈴薯耗水量表現(xiàn)為W3>W2>W1，說明同一滲灌埋深條件下，馬鈴薯耗水量隨灌溉定額的增大而增大。

T5處理水分利用效率最高，T7、T4處理次之。在灌溉定額為1 050 m3/hm2(W1)條件下，馬鈴薯水分利用效率表現(xiàn)為D2>D1>D3，D2處理馬鈴薯水分利用效率與D1和D3處理之間的差異均顯著，D2處理較D1和D3增加3.37%和3.61%，D1與D3處理之間的水分利用效率差異不顯著。在灌溉定額為1 500 m3/hm2(W2)條件下，馬鈴薯耗水量表現(xiàn)為D2>D1>CK>D3，D2、D1、CK、D3處理之間的差異兩兩顯著，D2分別較D1、CK和D3增大6.33%、14.23%和21.52%，D1分別較CK、D3處理增大7.43%、14.29%，CK較D3處理增大6.38%。在灌溉定額為1 950 m3/hm2(W3)條件下，馬鈴薯水分利用效率表現(xiàn)為D1>D2>D3，D3與D1和D2處理馬鈴薯水分利用效率之間的差異均顯著，D3處理水分利用效率最小，分別較D1、D2減小16.45%、9.81%。

在管道埋深0 cm(D1)條件下，即地面滲灌條件下，馬鈴薯水分利用效率表現(xiàn)為W2>W1>W3，W2處理馬鈴薯水分利用效率與W1、W3處理之間的差異均顯著，W2處理分別較W1、W3處理增大3.37%、3.61%，W1與W2處理差異不顯著，W1與W2處理差異極小。管道埋深10 cm(D2)條件下，馬鈴薯水分利用效率表現(xiàn)為W2>W1>W3，W1、W2和W3處理馬鈴薯水分利用效率之間的差異兩兩顯著，W2處理水分利用效率最高，為10.97 kg/m3，W2處理分別較W1、W3處理增大6.33%、21.52%，W1較W3處理增大14.29%。管道埋深20 cm(D3)條件下，馬鈴薯水分利用效率表現(xiàn)為W1>W2>W3，W3處理馬鈴薯水分利用效率與W1、W2之間的差異均顯著，W3分別較W1、W2處理減小16.45%、9.81%。

3 討 論

水分對作物的生長和發(fā)育起著至關(guān)重要的作用，是影響株高、莖粗、干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量的重要因素。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：同一地下滲灌埋深條件下，馬鈴薯株高、莖粗、干物質(zhì)積累量隨灌溉定額的增大而增大。這與焦炳忠[9]等的研究相符。李道西[10]等研究發(fā)現(xiàn)，管道埋深10 cm處理地表濕潤面較大，地面蒸發(fā)量大，土體濕潤深度較淺；管道埋深20 cm處理地表濕潤面小，土體濕潤深度較深。蔣樹芳[11]等通過設(shè)置不同地下滴灌埋深，研究同一土壤水分控制條件下番茄產(chǎn)量對地下滴灌的響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，番茄產(chǎn)量隨著滴灌埋深的增大先增大后減小。這與本試驗(yàn)中灌溉水平結(jié)果相符，與低灌溉水平和高灌溉水平不符。原因可能是低灌溉水平不能滿足 馬鈴薯生長發(fā)育的需要，管道埋深20cm處理地面蒸發(fā)量最小，為馬鈴薯提供的水分最多；高灌溉水平下，管道埋深20cm處理下馬鈴薯根系附近土壤含水率較高，抑制了馬鈴薯根系的呼吸作用，從而導(dǎo)致馬鈴薯產(chǎn)量的降低。劉麗秋[12]的研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量最高的處理水分利用效率不一定最高，這與本試驗(yàn)結(jié)果相符。劉曉菲[13]等研究發(fā)現(xiàn)，地下滴灌馬鈴薯最佳滴灌帶埋設(shè)深度為20cm，與本試驗(yàn)結(jié)果不符。原因可能是滴灌為點(diǎn)源灌溉，而滲灌為線源灌溉，相同工作壓力下流量較大，并且試驗(yàn)地氣候條件不同。

本研究表明，T5處理的水分利用效率最高，為10.97 kg/m3，T7處理次之；T9處理的水分利用效率最低，為8.81 kg/m3?？紤]當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用水資源現(xiàn)狀，選擇合適的地下滲灌埋深，適當(dāng)降低馬鈴薯的灌水量，有利于提高馬鈴薯的水分利用效率。

4 結(jié) 論

綜合考慮馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率，在本試驗(yàn)條件下，地下滲灌埋深為10 cm，灌溉定額為1 500 m3/hm2時(shí)，馬鈴薯產(chǎn)量較高為39.78 t/hm2，水分利用效率最高為10.97 kg/m3，是寧夏干旱半干旱地區(qū)地下滲灌馬鈴薯生產(chǎn)中適宜的地下滲灌埋深和灌溉定額組合。