不同補灌水量對膜下滴灌馬鈴薯產(chǎn)量及水分利用的影響研究

張上寧，徐利崗，湯 英，王懷博，周 乾

(寧夏水利科學(xué)研究院，銀川 750021)

馬鈴薯作為世界四大主糧之一，由于其耐旱抗逆，適應(yīng)性廣、生長周期短、應(yīng)用價值高等特點[1]，在世界范圍內(nèi)被廣泛種植，全球種植面積已達2 155 萬hm2[2]。馬鈴薯莖葉含水量占90%，塊莖含水量也達到80%[3,4]，充足的水分和光照條件是馬鈴薯品質(zhì)和產(chǎn)量的重要保障。馬鈴薯的耗水規(guī)律及其合理灌溉制度也是廣大學(xué)者關(guān)注的熱點，賈立國提出了基于馬鈴薯生理特性的水分管理技術(shù)、基于水肥耦合的水分調(diào)控技術(shù)和基于水分診斷的供水模式以提高馬鈴薯產(chǎn)量和灌溉水利用效率[5]。 史萬恩研究認為石羊河流域馬鈴薯生長發(fā)育的土壤含水量下限不應(yīng)低于田間持水量的55%，上限在田間持水量的75%～80%，灌水次數(shù)5～6次，灌溉定額3 000 m3/hm2為宜[6]。甘肅河西綠洲區(qū)膜下滴灌調(diào)虧馬鈴薯全生育期灌溉定額225 mm，灌水周期7 d，關(guān)鍵需水期塊莖形成期灌水75 mm，塊莖膨大期灌水100 mm[7]。不同水分虧缺程度條件下，甘肅定西地區(qū)“青薯9號”較正常灌水產(chǎn)量增加22.79%，水分利用效率提高41.48%，灌水效率提高60.05%[8]。陜北榆林沙土滴灌馬鈴薯8 d的供水頻率，100%ETc的灌水量時產(chǎn)量及品質(zhì)相對最優(yōu)且水分利用效率較高[9]。在山西湫水河灌區(qū)，馬鈴薯塊莖形成期耗水強度為4.03 mm/d，塊莖增長期為5.73 mm/d，全生育期耗水量450 mm，灌溉定額170 mm，在苗期和塊莖增長末期各灌水1次[10,11]。劉占東研究認為馬鈴薯日耗水強度在整個生育期表現(xiàn)為先增后減的趨勢，塊莖形成期耗水強度最高，為5.80 mm/d，WUE的最高值與產(chǎn)量的最高值并不對應(yīng)[12]。寧夏中部干旱帶滴灌馬鈴薯根區(qū)土壤含水量在15.63%～20.81%時，馬鈴薯的生長指標最佳，耗水規(guī)律總體上呈現(xiàn)前期耗水強度小，中期逐漸變大，后期減小的趨勢[13]；寧夏中部干旱帶滴灌馬鈴薯灌水下限為70%田間持水量時產(chǎn)量最高，平均為39 894.2 kg/hm2，當(dāng)ETa大于440 mm時馬鈴薯產(chǎn)量急劇降低[14]。金建新等利用AquaCrop模型模擬了馬鈴薯冠層覆蓋度的變化、地上生物量、土壤儲水量及產(chǎn)量，其相對誤差分別為0.06%～7.51%、0.95%～13.33%、0.15%～4.35%和0.10%～2.22%，可利用其模擬結(jié)果對寧夏中部干旱帶的馬鈴薯灌溉制度進行優(yōu)化[15]。寧夏中部干旱帶氣候干旱少雨，水資源極為短缺，自2009年開始，以固海揚水、紅寺堡揚水、固擴揚水及鹽環(huán)定等揚水工程為水源，延伸工程供水范圍，在揚黃灌區(qū)周邊發(fā)展限額補充灌溉面積7.67 萬hm2。在有效利用當(dāng)?shù)靥烊唤邓幕A(chǔ)上，充分發(fā)揮有限揚黃水資源作用，僅在作物關(guān)鍵需水期給予補充灌溉，保障作物有一定產(chǎn)量。本研究在寧夏中部干旱帶的揚黃工程供水延伸區(qū)建立試驗區(qū)，設(shè)置不同補灌水量和補灌次數(shù)，分析不同水分處理下馬鈴薯根區(qū)土壤水分、葉片光合生理指標的變化特征及其對馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的影響，提出揚黃延伸區(qū)膜下滴灌馬鈴薯適宜的補充灌溉模式，為當(dāng)?shù)伛R鈴薯的合理灌溉提供技術(shù)依據(jù)，也將為相似灌區(qū)提供有益借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗基地概況

試驗點位于寧夏回族自治區(qū)吳忠市同心縣王團鎮(zhèn)寧夏旱作節(jié)水高效農(nóng)業(yè)科技園，地理位置為北緯36°58′48″，東經(jīng)105°54′24″，位于寧夏中部干旱帶核心區(qū)，屬典型的溫帶大陸性氣候，四季分明，日照充足，晝夜溫差大，年均降水量259 mm左右，蒸發(fā)量達2 325 mm。試驗區(qū)土壤屬黏壤土，田間持水率為17.6%，土壤干容重1.46 g/cm3。有機質(zhì)12.2 g/kg，速效氮55 mg/kg，速效磷9.8 mg/kg，速效鉀111 mg/kg，全鹽量0.098 g/kg，pH值7.8，試驗水源采用揚黃水。2014年馬鈴薯生育期內(nèi)有效降水量284.2 mm，2015年為198.9 mm(表1)。

1.2 試驗方案

1.2.1 試驗設(shè)計

2014和2015年，連續(xù)開展了兩年的田間試驗，所用的試驗設(shè)計完全一樣。試驗所用品種為冀張薯5號，株行距分別為30和60 cm，種植密度55 500 株/hm2。采用雙壟黑膜全膜覆蓋，膜側(cè)微集雨栽培種植，通過膜下滴灌方式補充供水。試驗設(shè)置兩個試驗因素，分別為灌水定額和灌水次數(shù)，其中灌水定額設(shè)置3個水平，分別為：① 300 m3/hm2、② 525 m3/hm2、③1 050 m3/hm2；灌水次數(shù)設(shè)置3個水平，分別為：① 2次，② 3次和③ 4次，以全生育期不灌水為對照(CK)。使用田間鋪設(shè)的一次性滴灌帶供水，滴頭流量2 L/h，灌水量通過水表控制。試驗共設(shè)置10個處理，采用完全隨機區(qū)組排列，重復(fù)3次。每個處理小區(qū)面積64 m2(8 m×8 m)，種6壟12行。根據(jù)試驗設(shè)計，分別在芽條生長期、塊莖形成期、塊莖增長期和淀粉積累期4個生育階段進行補灌(表2)。

1.2.2 監(jiān)測指標及方法

(1)土壤含水量：采用英國產(chǎn)PR2/6 剖面水分儀監(jiān)測0～10、10～20、20～30、30～40、40～60和60～100 cm共6層土壤含水量。播前測定試驗區(qū)土壤初始含水量，生育期內(nèi)每10 d測一次，降雨后及灌水前后加測。

(2)葉片光合生理指標：采用美國產(chǎn)CI-340型便攜式光合作用測定儀測量，監(jiān)測光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)等。塊莖形成期(6月中下旬-7月上旬)天氣晴朗日，在各處理選擇3株生長旺盛的馬鈴薯植株，選擇上部健康葉片進行測定，取其平均值，觀測時間為8∶00至18∶00，每2 h測定1次。

(3)產(chǎn)量：按小區(qū)取樣測產(chǎn)，測定生物學(xué)和經(jīng)濟學(xué)產(chǎn)量。每小區(qū)取樣10株測定結(jié)薯數(shù)及生物產(chǎn)量，單株薯重及大薯(大于150 g)、中薯(75～150 g)、小薯(小于75 g)重量。

1.3 試驗區(qū)馬鈴薯物候期監(jiān)測

馬鈴薯全生育期可以分為芽條生長期、幼苗期、塊莖形成期、塊莖增長期、淀粉積累期和成熟期6個生育階段，記錄2014-2015年馬鈴薯物候期過程(表3)。從表3中可以看出，不同灌水量及年際間物候期變化不明顯。

表3 不同年份馬鈴薯物候期表

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同水分處理馬鈴薯根區(qū)土壤含水量變化特征

繪制2014和2015年不同水分處理下馬鈴薯根區(qū)全生育期土壤含水量隨時間變化過程(圖1)及塊莖增長期灌水后(2014年7月20日及2015年7月25日)不同土層土壤含水量變化圖(圖2)。從圖1中可以看到，2014年馬鈴薯全生育期內(nèi)土壤水分出現(xiàn)四峰值凸拋物線變化，峰值分別出現(xiàn)在5月15日、7月12日、8月12日及9月12日，2015年則出現(xiàn)在5月17日、6月24日、7月 30日、9月4日?？傮w來看，6月上旬-中旬為現(xiàn)蕾期是馬鈴薯營養(yǎng)生長和生殖生長并進時期，生長最旺盛是需水關(guān)鍵時期，土壤含水量最低為11.4%。7月下旬-8月上旬進入塊莖增長期也是需水關(guān)鍵期，如果灌溉不及時將會導(dǎo)致減產(chǎn)。從圖2中可以看出，2014年及2015年馬鈴薯塊莖增長期的土壤剖面水分隨深度的增加呈先增大后減小的特征，峰值均出現(xiàn)在30 cm處， 40～60 cm以下土壤剖面水分隨土層的深度增加而有小幅上升；60 cm以下的土層，土壤含水量變化不明顯，這表明膜下滴灌馬鈴薯各處理的水分主要貯存在30 cm處，生長所需的水分主要來自0～60 cm土層的水分。

圖1 不同水分處理下馬鈴薯全生育期土壤水分變化過程

圖2 不同水分處理下馬鈴薯塊莖增長期灌水后根區(qū)土壤剖面水分變化過程

2.2 不同水分處理下馬鈴薯葉片光合生理指標變化特征

為探討不同水分處理對馬鈴薯葉片光合作用的影響，根據(jù)2014和2015年的觀測數(shù)據(jù)(2014年6月12日，2015年6月15日)繪制不同水分處理下馬鈴薯光合速率(Pn)及蒸騰速率(Tr)的日變化過程線(圖3)。從圖可以看出，2014年和2015年馬鈴薯葉片光合速率日變化均呈雙峰拋物線型變化，12∶00和16∶00出現(xiàn)有峰值，14∶00有極小值，16∶00后逐步降低。峰值時馬鈴薯積累干物質(zhì)速度最快，所需水分也較多，隨后光合速率開始明顯降低，光合速率整體表現(xiàn)為F3> F4>F2>F7>F9>F1>F8>F5>F6>F10(CK)。2014年和2015年馬鈴薯葉片蒸騰速率日變化也呈雙峰拋物線型，峰值大多出現(xiàn)在12∶00和16∶00。其極值均出現(xiàn)在12∶00左右，這主要是該時段太陽輻射較強和氣溫急劇升高引起，隨后蒸騰速率開始逐漸減小，到14∶00降低到極小值，降幅為31.75%～81.20%。全天馬鈴薯蒸騰速率(Tr)整體表現(xiàn)為F4> F3> F2> F7> F10(CK)> F8> F1> F6> F5> F9。

圖3 不同水分處理下馬鈴薯葉片光合速率及蒸騰速率變化過程

2.3 不同水分處理對馬鈴薯產(chǎn)量及其水分利用效率的影響

2.3.1 不同補灌處理對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

2014和2015年對每個處理的每個重復(fù)取10株進行測產(chǎn)，并分別統(tǒng)計大小薯個數(shù)及重量，計算其產(chǎn)量和商品率(表4)。從表4中可以看出，隨著灌水量的增加馬鈴薯產(chǎn)量逐步增加，灌水2次的處理較其他灌水次數(shù)處理產(chǎn)量及商品薯率相對較大。2014年處理F8(1 050 m3/hm2，3次)產(chǎn)量最高，為33 600 kg/hm2，其次是F9，為32 475 kg/hm2，產(chǎn)量最低的是處理F10(CK)為21 945 kg/hm2；2015年也是處理F8產(chǎn)量最高，為30 195 kg/hm2，其次是F7(1 050 m3/hm2，2次)，為29 310 kg/hm2，對照(F10)產(chǎn)量最低，為20 865 kg/hm2。從2014-2015年馬鈴薯產(chǎn)量分析可知，適時適量的補灌可提高馬鈴薯產(chǎn)量，最大增幅為53.11%。

表4 不同水分處理對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

2.3.2 不同水分處理對馬鈴薯水分利用效率的影響

計算2014-2015年馬鈴薯全生育期耗水量、有效降雨量及其水分利用效率(WUE)(表5)。2014年(生育期降雨量為284.24 mm)馬鈴薯的水分利用效率最高的是處理F7(1 050 m3/hm2，2次)，為10.01 kg/m3，其次是F5(525 m3/hm2，3次)，為9.93 kg/m3，最低的是處理F3，為8.66 kg/m3；2015年(生育期降雨量為163.9 0 mm)馬鈴薯的水分生產(chǎn)效率最高的是處理F4(525 m3/hm2，2次)，為14.11 kg/m3，其次是處理F5，為13.46 kg/m3，最低的是處理F9，為10.22 kg/m3。適時適量進行補灌可以提高馬鈴薯水分利用效率，最大增幅12.88%；生育期降雨量為284.24 mm時，補灌量在1 050 m3/hm2，補灌次數(shù)在2次時馬鈴薯水分生產(chǎn)效率最高，補灌525 m3/hm2，補灌3次時水分生產(chǎn)效率也較高；生育期降雨量為163.90 mm，補灌量525 m3/hm2，補灌次數(shù)2～3次時馬鈴薯水分生產(chǎn)效率較高，達到了11.5～14.11 kg/m3。

表5 不同水分處理對馬鈴薯水分生產(chǎn)效率的影響

3 主要結(jié)論

以寧夏中部干旱帶為研究區(qū)，膜下滴灌馬鈴薯為研究對象，設(shè)立試驗區(qū)根據(jù)2014-2015年的試驗數(shù)據(jù)研究了不同水分處理下馬鈴薯根區(qū)土壤水分、葉片光合生理指標的變化特征及其對馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的影響。主要結(jié)論如下。

(1)寧夏中部地區(qū)6月上旬和中旬的現(xiàn)蕾期和7月下旬和8月上旬的塊莖增長期均是需水關(guān)鍵期，膜下滴灌馬鈴薯水分主要貯存在30 cm處，生長所需的水分主要來自0～60 cm土層的水分。

(2)馬鈴薯葉片光合速率日變化均呈雙峰拋物線型變化，12∶00和16∶00出現(xiàn)有峰值，14∶00有極小值，16∶00后逐步降低；蒸騰速率日變化也呈雙峰拋物線型變化，大部分處理的峰值均出現(xiàn)在12∶00和16∶00，而14∶00出現(xiàn)極小值，較峰值相比降幅為31.75%～81.20%。

(3)不同水分處理下，隨著灌水量的增加馬鈴薯產(chǎn)量逐步增加，灌水2次的處理較其他灌水次數(shù)處理產(chǎn)量及商品薯率相對較大。2014年及2015年產(chǎn)量最高分別為33 600和30 195 kg/hm2，水分生產(chǎn)效率最高分別為10.01和14.11 kg/m3。適時適量的補灌可提高馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率，最大增幅分別為53.11%和12.88%。

(4)綜合分析兩年的各類指標，提出適用于寧夏中部干旱帶揚黃延伸區(qū)的膜下滴灌馬鈴薯補充灌溉模式為全年補灌水量為1 050 m3/hm2, 灌水次數(shù)3次，即芽條生長期(5月中旬)，塊莖形成期(6月下旬)和塊莖增長期(7月下旬)各1次。