覆膜與補充灌溉對馬鈴薯生長、耗水特征及水分利用效率的影響

王喜紅，王騰飛，張 芮，張梅花，藺寶軍，楊昌鈺

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.平?jīng)鍪修r(nóng)業(yè)科學(xué)院，甘肅 平?jīng)?744000；3.大禹節(jié)水集團有限責(zé)任公司，甘肅 酒泉 735000)

我國是馬鈴薯生產(chǎn)第一大國，種植面積已超5.33×106hm2，年產(chǎn)量約9000萬t，約占全球馬鈴薯生產(chǎn)總量的1/4[1]。與以色列、美國等節(jié)水灌溉發(fā)達國家相比，我國農(nóng)業(yè)用水浪費嚴重，水資源分配不均且利用效率不高，有效利用效率僅為40%[2- 7]。而單產(chǎn)量低下、水肥利用效率不高、灌溉技術(shù)不匹配等問題嚴重制約著我國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展[8- 9]。因此，加強農(nóng)業(yè)用水管理，提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率，推動發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水補充灌溉變得尤為重要[10- 12]。近年來，隨著覆膜技術(shù)的不斷發(fā)展，覆膜與不同灌溉技術(shù)相結(jié)合的灌溉方式逐漸成為高效節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展的新趨勢。研究發(fā)現(xiàn)，即使在同一生產(chǎn)區(qū)域，不同灌水技術(shù)對不同覆膜栽培模式下馬鈴薯的影響也不一樣[13- 15]。覆膜處理較不覆膜處理可以顯著提高馬鈴薯水分利用效率[16]；膜下滴灌較常規(guī)節(jié)水灌溉技術(shù)相比，節(jié)水達50%，省肥20%，增產(chǎn)10%以上[17]，對不同作物的水分利用效率均有不同幅度的提高[18- 20]。我國農(nóng)業(yè)科技工作者針對馬鈴薯節(jié)水增產(chǎn)等方面做了大量研究，但是對于覆膜與補灌相結(jié)合的新型農(nóng)藝技術(shù)對馬鈴薯生長發(fā)育、耗水特性和水分利用效率等方面尚待進一步研究。

甘肅省定西市位于北方一季作區(qū)，是典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。該地區(qū)常年光照充足，水資源相對匱乏，馬鈴薯常年種植面積達20萬hm2，總產(chǎn)量約為500萬t[21]。本研究通過分析探討不同覆膜與不同補灌技術(shù)對馬鈴薯各生育期的生長指標、耗水特性及水分利用效率的影響，為制定半干旱地區(qū)節(jié)水增收的新型農(nóng)藝技術(shù)和灌溉制度、促進定西市旱作馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及改善農(nóng)田土壤環(huán)境提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2019年4—9月在甘肅省定西市灌溉試驗站西川試驗基地(37°52′N，102°50′E，海拔1958m)進行。該試驗基地是引洮供水一期典型灌區(qū)，且自然降雨時節(jié)與馬鈴薯需水期吻合。試驗基地的相應(yīng)指標及降雨情況見表1—2。

表1 試驗基地區(qū)域環(huán)境指標及土壤指標

表2 馬鈴薯生育期內(nèi)降雨情況統(tǒng)計表

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計如圖1所示。試驗以馬鈴薯“中薯19號”為供試作物，設(shè)4種灌水模式(滴灌ID、溝灌IF、畦灌IB及不灌水IN)和3種覆膜方式(全覆膜PF、半覆膜PH和無膜PN)，共計7個處理，21個重復(fù)。每個小區(qū)面積為10m×8.1m，馬鈴薯株距0.4m，每個處理定植株數(shù)為300株(50株/行×2行×3個重復(fù))。試驗覆膜幅寬90 cm，厚0.08mm黑色聚乙烯塑料地膜。滴灌帶規(guī)格為內(nèi)鑲式扁平滴灌，壁厚0.3mm，直徑16mm，滴頭間距30 cm，流量為1.2 L/h。壟溝采用人工起壟方式，形成上口寬為0.4m，溝深0.2m，溝底坡度為0.4%，溝長10m的梯形壟溝，并在灌水溝兩端修筑田埂以防灌水時流出；溝壟兩行種植，壟寬0.6m，壟栽行間距為0.5m，株距0.4m；畦田長10m，寬0.6m，種植行間距為0.5m。

考慮當?shù)剞r(nóng)戶灌溉經(jīng)驗及學(xué)者的相關(guān)研究[22]，試驗設(shè)灌水上下限分別為75%θf、55%θf，控制界限以土壤含水率占田間持水量(θf)的百分數(shù)表示。試驗基地的灌溉用水源自“引洮工程”，當土壤含水率下降至水分控制下限時進行灌水，灌水量和灌水時間由土壤相對含水率確定，灌水多少由水表量測，灌水結(jié)束后土壤含水率與田間持水量持平。

圖1 試驗設(shè)計

滴灌、溝灌和畦灌灌水定額分別由下式計算：

M=0.001γΖΡ(θmax-θmin)

(1)

M=10γZ(θmax-θmin)

(2)

式中，M—灌水量，m3/hm2；γ—計劃濕潤層土壤容重平均值，g/cm3；Z—計劃濕潤層深度，m；P—滴灌濕潤比；θmax—適宜土壤含水量上限，%；θmin—灌水前土壤適宜含水量下限，%。計算結(jié)果見表3。

1.3 田間管理及生育期劃分

為防病蟲和雜草危害，馬鈴薯全生育期噴灑農(nóng)藥2次，安全間隔期為7d，主要集中在8月；人工除草3次，每次間隔時間約30d，主要集中在6—8月。為確保試驗準確，在試驗地四周各設(shè)置1.2m×1.2m保護行，且禁止踩踏馬鈴薯種植小區(qū)內(nèi)的覆蓋材料。試驗于2019年5月10日播種，苗期(6月6日—6月26日)，塊莖形成期(6月27日—7月16日)，塊莖膨大期(7月17日—8月16日)，淀粉積累期(8月17日—9月18日)，9月21日采收，馬鈴薯全生育期累計時長105d。

1.4 樣品采集與測定

1.4.1土壤含水率測定

土壤含水率采用烘干法測定(烘箱型號：DHG—9036A)，每隔10d測一次，每次降雨前后及生育期轉(zhuǎn)折點加測，每個測點分別取土層0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm的土樣，取6個土層含水率的平均值作為該測點的含水率。

1.4.2株高、莖粗及葉面積指數(shù)(LAI)測定

每個重復(fù)中隨機選定5株長勢均勻的馬鈴薯，并為其編號為1- 5，用卷尺和游標卡尺(精度0.01mm)

分別測定馬鈴薯生育期內(nèi)的株高和莖粗值。葉面積采用打孔法測定，葉面積指數(shù)LAI=單株葉面積×處理株數(shù)(300株/處理)/小區(qū)面積(cm2)。

1.4.3水分利用效率(WUE)

WUE=Y/ET

(3)

(4)

式中，Y—單位面積馬鈴薯產(chǎn)量，kg/hm2；ET—馬鈴薯全生育期總耗水量，mm；ET1-2—馬鈴薯階段耗水量，mm；i—土層編號；n為土層總數(shù)目，該試驗n=6；ri—第 i 層土壤干體積質(zhì)量，g/cm3；Hi—第i層土壤的厚度，cm；wi1、wi2—第i土層在時段始、末的含水率，%；M—該時段內(nèi)灌水量，mm；P—該時段內(nèi)有效降雨量，mm；K—該時段內(nèi)深層地下水補給量，mm；C—該時段內(nèi)排水量(地表排水與深層排水之和)，mm。單次降水量小于3mm時，其大致與作物對降雨的截留量相等[23]，本次大田試驗將小于3mm的單次降水量視為無效降雨；試驗區(qū)地下水埋深比較大(>20m)，故K取值為零；試驗區(qū)灌水上限為田間持水量的75%，不會產(chǎn)生深層滲漏，故C取值為0。

1.4.4耗水模系數(shù)(WOC)

(5)

式中，WOC—耗水模系數(shù)，%；ETi—馬鈴薯生育期階段性耗水量，mm；ET—馬鈴薯全生育期總耗水量，mm，可用公式(4)計算。

1.4.5耗水強度(DWC)

(6)

式中，ETi—馬鈴薯生育期階段性耗水量，mm，d—馬鈴薯某個生育階段天數(shù)，d。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS22.0統(tǒng)計分析軟件分析試驗數(shù)據(jù)；Duncan’s新復(fù)極差法分析顯著性；采用Microsoft Excel 2013 進行數(shù)據(jù)處理。

表3 不同處理灌水定額

2 結(jié)果與分析

2.1 覆膜與補充灌溉對馬鈴薯生長的影響

2.1.1對馬鈴薯株高的影響

覆膜與補充灌溉方式下馬鈴薯株高的變化如圖2所示(圖中， ID為膜下滴灌處理，IF為溝灌處理，IB為畦灌處理，IBN為畦田不灌水處理，IN為不灌水處理。圖3—4同)。試驗結(jié)果表明：全生育期各處理馬鈴薯自然株高持續(xù)增大，在塊莖膨大末期增長速度放緩。從苗期到塊莖形成期，各處理自然株高的變化范圍由31.53～46.07cm(出苗19d)增長到40.00～50.80cm(出苗24d)，PFID處理最高，對照PNIN處理最低，株高大小順序為：PFID>PFIB>PFIF>PNIF>PHID>PFIBN>PNIN，其增長速率(cm/d)分別為：1.95、2.25、1.87、1.92、1.67、2.27、1.69，該時段主要是因為隨著降雨及灌水量的加大，為馬鈴薯植株生長提供了充足的水分；6月30日，PNIF處理株高突然下降，可能是該階段灌水及降雨沖刷使得側(cè)壟土壤流轉(zhuǎn)至灌水溝中，使馬鈴薯植株扭曲甚至淹埋，導(dǎo)致自然株高減少。從塊莖形成期到塊莖膨大期，不同處理下馬鈴薯自然株高達到峰值，處理PFIB最高為95.80 cm，處理PNIN最低為68.00 cm，平均株高為82.46 cm。

2.1.2對馬鈴薯莖粗的影響

覆膜與補充灌溉方式下馬鈴薯莖粗的變化如圖3所示。試驗結(jié)果表明：馬鈴薯在苗期增長速度較快，塊莖膨大期增速變緩，之后逐漸趨于穩(wěn)定。從苗期到塊莖膨大期，各處理莖粗持續(xù)增大，平均莖粗變化范圍為12.02mm(出苗19d)～18.52mm(出苗49d)，莖粗大小順序為：PFIF>PFID>PHID>PFIB>PNIF>PNIN>PFIBN，各處理差異未達顯著性(p<0.05)。7月17日，馬鈴薯進入塊莖膨大期，各處理莖粗仍有增長趨勢，但相對苗期至形成期增長速度有所變緩，平均莖粗變化范圍為18.52mm(出苗49d)～19.18mm(出苗57d)，說明從整個馬鈴薯莖粗生長階段看，PFID、PHID及PFIF處理莖粗生長較快，但無顯著差異(P>0.05)，PNIN處理生長較緩。

圖2 覆膜與補充灌溉對馬鈴薯株高的影響

圖3 覆膜與補充灌溉對馬鈴薯莖粗的影響

2.1.3對馬鈴薯葉面積的影響

覆膜與補充灌溉對馬鈴薯LAI的影響如圖4所示。試驗結(jié)果表明：馬鈴薯葉面積隨生育期變化規(guī)律為“增大-峰值-減小”，呈高原曲線。從苗期到塊莖膨大期，植株生長發(fā)育很快，使得葉面積指數(shù)持續(xù)增長，葉面積指數(shù)表現(xiàn)為：PFID>PHID>PFIF>PFIB>PNIF>PFIBN>PNIN，說明在馬鈴薯生長前期，覆膜灌水對馬鈴薯葉面積指數(shù)具有促進作用。進入淀粉積累期，植株開始衰老，各處理葉面積指數(shù)均呈下降趨勢，各覆膜處理顯著小于PNIF(2.84)處理，原因可能是在馬鈴薯生長后期，覆膜抑制了植株生長，加劇了馬鈴薯衰老。

圖4 覆膜與補充灌溉對馬鈴薯LAI的影響

2.2 覆膜與補充灌溉對馬鈴薯耗水特征及水分利用效率的影響

2.2.1馬鈴薯耗水特征變化規(guī)律

覆膜與補充灌溉下馬鈴薯各生育期日耗水強度及耗水特征變化見表4。覆膜和補充灌溉條件下對馬鈴薯各生育期的耗水特征變化趨勢一致，整體表現(xiàn)為“最小-升高-峰值-減小”的變化規(guī)律。在苗期，PHID處理的耗水模系數(shù)最高，為15.26%，日耗水強度與其他處理差異顯著，為1.41mm/d。各處理日耗水強度變化范圍在0.95～2.12mm/d之間，其中PNIN、PFIBN處理顯著高于PFID(0.95mm/d)、PHID(1.41mm/d)、PFIF(1.17mm/d)處理。塊莖形成及膨大期植株需水量較大，各處理耗水量、日耗水強度及耗水模系數(shù)變化態(tài)勢劇烈，到達全生育期峰值，耗水量、日耗水強度以及耗水模系數(shù)在塊莖形成期和塊莖膨大期的變化范圍分別為：25.4～57.98mm，56.04～139.61mm；1.27～2.9mm/d，1.81 ～3.41mm/d；14.15%～19.51%，33.46%～50.01%。在淀粉積累期，植株生理活動減弱，各處理耗水量、日耗水強度及耗水模系數(shù)也隨之表現(xiàn)出下降態(tài)勢，耗水量變化范圍為44.86～103.82mm，日耗水強度變化范圍逐步降至1.32～3.05mm/d，耗水模系數(shù)小幅下降至22.15%～33.52%，對照PNIN處理的日耗水強度仍然顯著高于其他處理，各處理間差異顯著，其中PFID處理(1.32mm/d)耗水強度最弱，較PNIN(3.05mm/d)、PFIBN(2.76mm/d)處理減少了1.73、1.44mm/d，之間達顯著性差異。

2.2.2對馬鈴薯水分利用效率的影響

覆膜與補充灌溉對馬鈴薯水分利用效率(WUE)見表5。馬鈴薯WUE和IWUE變化相似，PFID處理IWUE和WUE最高，顯著高于其他處理，PHID處理產(chǎn)量最高。從各處理IWUE分析，PFIB處理最低，各處理整體表現(xiàn)為：PFID>PFIF>PHID>PNIF>PFIB。從各處理的WUE分析，各處理整體表現(xiàn)為：PFID>PFIF>PHID>PNIF>PFIB>PFIBN>PNIN。此外，同種補灌方式下不同覆膜程度對水分利用效率也存在不同程度的影響：PFID處理較PHID處理可提高20.34%，但無顯著差異；PNIF處理較PFIF處理減幅達65%，差異顯著；PFIBN處理相比PFIB處理顯著減少了28.66%；PFIBN處理較PNIN處理顯著增加了22.54%；各覆膜程度具體表現(xiàn)為：PF>PH>PN。同種覆膜程度下不同灌水方式對水分利用效率也存在不同程度的影響：PFID處理相比PFIB、PFIBN處理顯著提高了93.55%、149%，PNIF處理較PNIN處理顯著提高了63.73%；各灌水方式具體表現(xiàn)為：ID>IB>IF>IN。可見，覆膜灌溉和膜下滴灌對馬鈴薯水分利用效率的提高有積極作用。

3 討論

水分作為植株生長發(fā)育的原始材料，貫穿植株生長發(fā)育的全過程。隨著降雨量和灌水量的增加，生長前期各處理株高、莖粗、LAI持續(xù)增大，在塊莖膨大末期增長速度放緩且LAI達到最大值后逐漸減小，而莖粗的增大有利于植株向地上部分輸送土壤中水分及養(yǎng)分[24]，提高光合產(chǎn)物的形成和積累[25]；進入淀粉積累期后，植株衰老，生長發(fā)育變緩，導(dǎo)致株高、莖粗呈現(xiàn)相同的下降趨勢。在馬鈴薯期生長前期，PFID處理的株高、莖粗、LAI均表現(xiàn)出較強的一致性，都高于其他處理，說明覆膜灌水處理雖然可以促進馬鈴薯器官的生長發(fā)育，但在馬鈴薯生長末期會加速葉片枯萎凋謝，減少功能葉面積，影響營養(yǎng)物質(zhì)的積累和輸送，也說明膜下滴灌處理對馬鈴薯生長指標影響較大，這與王建陽[26]研究結(jié)果相似。因此，在馬鈴薯整個生育期前期覆膜和灌水有效結(jié)合的農(nóng)藝措施更有利于植株生長。

表4 馬鈴薯各生育期耗水特征

表5 覆膜與補充灌溉對馬鈴薯水分利用效率的影響

馬鈴薯耗水量主要由土壤貯水消耗量，補充灌水量、降雨量3部分組成，節(jié)水農(nóng)業(yè)的首要任務(wù)是提高灌水及自然降水的水分利用效率[27]。馬鈴薯在苗期-淀粉積累期各處理耗水特征具有較強的一致性，原因是馬鈴薯生長前期生殖生長與營養(yǎng)生長并進，耗水量較大，田間蒸騰劇烈，這與雒倞豪[28]有相似的研究結(jié)果。滴灌技術(shù)下作物的產(chǎn)量和水分利用效率都優(yōu)于溝灌[29- 31]，PHID處理的產(chǎn)量最高，各處理IWUE和WUE整體表現(xiàn)分別為：PFID>PFIF>PHID>PNIF>PFIB，PFID>PFIF>PHID>PNIF>PFIB>PFIBN>PNIN，本研究結(jié)果與前人相似。此外，同種補灌方式下不同覆膜程度對水分利用效率也存在不同程度的影響，各覆膜程度具體表現(xiàn)為：PF>PH>PN。同種覆膜程度下不同灌水方式對水分利用效率也存在不同程度的影響，各灌水方式具體表現(xiàn)為：ID>IB>IF>IN?？梢?，覆膜灌溉和膜下滴灌對馬鈴薯水分利用效率的提高有積極作用。

4 結(jié)論

綜合分析馬鈴薯各處理生長指標、耗水特性及水分利用效率得出以下結(jié)論：

(1)馬鈴薯全生育期內(nèi)株高、莖粗、LAI持續(xù)增大，且生長指標與植株需水變化一致，覆膜灌溉處理生長指標增速顯著高于其他處理，膜下滴灌處理最為顯著。

(2)各處理耗水特征均表現(xiàn)出較強的一致性，整體表現(xiàn)為“最小-升高-峰值-減小”的變化規(guī)律。

(3)半覆膜膜下滴灌(PHID)整體表現(xiàn)最優(yōu)，即采用1膜(0.9m寬的地膜)2帶(滴灌帶)2行馬鈴薯栽培方式，每隔2行馬鈴薯間留出0.1m寬的淺層集雨入的補充灌溉方案。