半干旱區(qū)膜下滴灌量與滴灌次數(shù)對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)及水分利用效率影響

賈莉， 陳娟， 雍山玉*， 李效文， 梁偉琴

（1.定西市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，甘肅 定西 743000； 2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物與啤酒原料研究所，蘭州 730070； 3.定西市安定區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，甘肅 定西 743000）

甘肅中部屬半干旱區(qū)，日照充足，降雨量少，蒸發(fā)量大，水資源匱乏，水是限制當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的決定性因素[1]。隨著馬鈴薯主糧化的啟動(dòng)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，馬鈴薯已成為甘肅中部地區(qū)糧兼經(jīng)特色優(yōu)勢(shì)作物，因其適應(yīng)性廣、耐旱抗逆性強(qiáng)及經(jīng)濟(jì)效益高備受農(nóng)民歡迎[2]。近幾年，氣候變暖及季節(jié)性極端干旱事件頻發(fā)，特別是在馬鈴薯生長(zhǎng)最需水的入夏有效降水持續(xù)偏少，嚴(yán)重影響馬鈴薯的正常生長(zhǎng)及產(chǎn)量和品質(zhì)。

膜下滴灌是覆膜與灌溉相結(jié)合的一種節(jié)水灌溉方式，可使水分直接到達(dá)作物根部，實(shí)現(xiàn)局部灌溉，極大地減少了無(wú)效徑流與滲透，節(jié)水、控水效果突出[3]。目前，膜下滴灌節(jié)水技術(shù)在灌水條件便利的設(shè)施蔬菜、葡萄、棉花等經(jīng)濟(jì)作物上得到了大面積應(yīng)用[4-5]。而在較為偏遠(yuǎn)的甘肅旱作區(qū)，受供水與旱作區(qū)灌水條件的限制，應(yīng)用較少。近幾年，隨著引水工程的實(shí)施，偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村部分地區(qū)也能逐步實(shí)現(xiàn)有限的農(nóng)業(yè)用水，因此利用有限的農(nóng)用灌水合理補(bǔ)水是提高馬鈴薯產(chǎn)量的有效途徑。由于膜下滴灌技術(shù)在黃土地區(qū)應(yīng)用時(shí)間有限，技術(shù)不夠成熟，對(duì)于灌水量、灌溉時(shí)期等技術(shù)應(yīng)用存在諸多問題。

本試驗(yàn)通過對(duì)馬鈴薯膜下滴灌的灌水量及灌水時(shí)期進(jìn)行比較，研究其對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)、產(chǎn)量、耗水量、水分利用率及經(jīng)濟(jì)效益的影響，確定馬鈴薯節(jié)水、高產(chǎn)的最佳灌水量與灌溉時(shí)期，為黃土丘陵溝壑區(qū)馬鈴薯的大面積推廣和實(shí)際應(yīng)用提供理論與技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于甘肅省定西市安定區(qū)鳳翔鎮(zhèn)安家坡村，屬溫帶大陸性半干旱氣候。海拔高度2000 m，多年平均氣溫6.4 ℃，無(wú)霜期多年平均140 d，近30年平均降雨量392 mm。試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)為黃綿土，土壤干容重1.42 g·cm-3，土壤有機(jī)碳14.52 g·kg-1，速效氮55.03 mg·kg-1，速效磷11.98 mg·kg-1，速效鉀116.22 mg·kg-1，pH 8.67。2021年馬鈴薯生育期內(nèi)有效降水338.7 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法

以‘冀張薯12號(hào)’品種的一級(jí)種薯為供試材料，底肥選用復(fù)合肥（氮∶磷∶鉀=18∶12∶15，N+P2O5+K2O≥45%）一次性施入，施入量1100 kg·hm-2。于4月26日播種，10月2日收獲。采用黑色地膜（寬度90 cm，厚度0.012 mm）壟面種植，壟面修整成“M”形微溝，壟面集雨，膜兩側(cè)按照“∴”形種植。壟面寬70 cm，壟溝深40 cm，行距60 cm，株距38 cm，種植密度47870株·hm-2。采用耐特菲姆壓力補(bǔ)償式滴灌，滴頭間距40 cm。滴灌帶布置在膜內(nèi)1/2行距處，滴頭流量2.5 L·h-1，工作壓力0.1 MPa。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)定旱作區(qū)灌水量與有限灌水次數(shù)2個(gè)因素，其中滴灌量分別為600 (W1)、1200 (W2)和1800 m3·hm-2(W3)；灌水次數(shù)分別為2(F1)、3(F2)和4次(F3)，以覆膜無(wú)灌水處理作為對(duì)照（CK），共計(jì)10個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，采用隨機(jī)區(qū)組排列，每小區(qū)面積59.4 m2（6.6 m×9.0 m）。灌水量由水表控制，具體灌水方案見表1。

表1 馬鈴薯滴灌試驗(yàn)因素組合設(shè)計(jì)Table 1 Irrigation system in the study area

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 株高 于馬鈴薯苗期（6月8日）、塊莖形成期（7月1日）、塊莖膨大期（7月28日）、淀粉累積期（8月25日）和成熟期隨機(jī)選取10株植株測(cè)定株高。

1.3.2 SPAD值 在馬鈴薯苗期、塊莖膨大期及淀粉累積期隨機(jī)選取10株植株頂葉下方完全展開的第3片葉，使用便攜式葉綠素測(cè)定儀（SPAD-502 PLUS）測(cè)定葉片的SPAD值。

1.3.3 葉面積指數(shù) 各小區(qū)隨機(jī)選取10 株馬鈴薯植株，用鋼卷尺測(cè)量所有葉片的葉長(zhǎng)和葉寬，并計(jì)算整株總?cè)~面積和葉面積指數(shù)[6]，計(jì)算公式如下。

1.3.4 干物質(zhì)和產(chǎn)量 在馬鈴薯苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期、淀粉累積期、成熟期，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取10株，將植株樣裝入試驗(yàn)袋帶回實(shí)驗(yàn)室，105 ℃恒溫箱殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，分別測(cè)定根、莖、葉的干物質(zhì)量。馬鈴薯產(chǎn)量每個(gè)小區(qū)實(shí)打?qū)嵤铡?/p>

1.3.5 土壤含水量 于播前和馬鈴薯收獲期選用土鉆分別取20、40、60、80和 100 cm 深度的土樣，裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，用烘箱烘干，計(jì)算土壤含水量，并根據(jù)土壤容重與含水量計(jì)算貯水量，進(jìn)一步計(jì)算馬鈴薯生育期耗水量和水分利用效率，公式如下。

式中，W為土壤貯水量（mm）；h為土層深度（cm）；a為土壤容重（g·cm-3）；b為土壤含水量（%）[7]。

式中，WUE為水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）；Y為馬鈴薯塊莖產(chǎn)量（kg·hm-2）；ET 為馬鈴薯生育期耗水量（mm）[8]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2007和SPSS 21.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同滴灌量與灌水次數(shù)對(duì)馬鈴薯株高的影響

灌水能夠促進(jìn)馬鈴薯生長(zhǎng)。隨著馬鈴薯生育進(jìn)程的推進(jìn)，馬鈴薯株高呈先增后減的單峰曲線型變化，以馬鈴薯塊莖膨大期的株高最高（表2）。在馬鈴薯苗期，灌水處理對(duì)株高無(wú)顯著影響；在馬鈴薯塊莖形成期、塊莖形成期、淀粉累積期，株高隨滴灌量與滴灌次數(shù)的增加而增加。在馬鈴薯塊莖形成期、塊莖膨大期、淀粉累積期，灌水處理的株高較CK分別增加1.45%～40.29%、16.25%～40.69%、12.37%～37.12%。當(dāng)灌水量相同時(shí)，均以4次灌水（F3）處理下的株高最高，CK處理下株高最低。其中，在塊莖形成期，2次灌水處理由于苗期未灌水其株高與CK差異不顯著，而灌水3和4次處理的株高顯著高于CK；在塊莖膨大期、淀粉累積期和成熟期，灌水處理的株高均顯著高于CK。由此說(shuō)明，塊莖形成期以前灌水能夠促進(jìn)植株快速生長(zhǎng)；相比較于灌水次數(shù)，滴灌量對(duì)株高的影響更為明顯。在淀粉累積期，相同灌水條件下F3較F2與F1分別增加3.92%～8.52%、7.88%～18.82%。在相同灌溉次數(shù)下，W3處理較W2在塊莖形成期、塊莖膨大期期、淀粉累積期株高分別增加-0.38%～13.39%、1.97%～7.65%、1.50%～8.70%；W3處理較W1在塊莖形成期、塊莖膨大期期、淀粉累積期株高分別增加-0.61%～20.64%、6.75%～15.43%、5.40%～17.86%。隨著滴灌量的增加株高的增幅逐漸降低。在馬鈴薯塊莖膨大期、淀粉累積期和成熟期均為4次灌水處理（F3）下株高最高。由此表明，灌水能夠促進(jìn)馬鈴薯生長(zhǎng)，隨著滴灌量的增加株高增加幅度降低，適宜的灌水時(shí)期與灌水次數(shù)能夠增加株高，延緩植株萎縮。

表2 不同處理下馬鈴薯的株高Table 2 Plant height of potato under different treatments（cm）

2.2 不同滴灌量與灌水次數(shù)對(duì)馬鈴薯葉面積指數(shù)的影響

馬鈴薯葉面積指數(shù)隨著生育期的推進(jìn)呈先增后減的單峰曲線，其中苗期至塊莖形成期葉面積指數(shù)增長(zhǎng)較為緩慢；塊莖形成期至塊莖膨大期增長(zhǎng)速度加快；淀粉累積期葉面積指數(shù)最高；成熟期葉面積指數(shù)降低（表3）。在苗期，灌水處理對(duì)葉面積指數(shù)影響較小，各處理間差異不顯著；在塊莖形成期，灌水量與灌水次數(shù)對(duì)葉面積指數(shù)影響顯著，灌水處理的葉面積指數(shù)較CK增加7.14%～97.32%；在塊莖膨大期，馬鈴薯葉面積隨著滴灌量與灌水次數(shù)的增加而增加，灌水處理較CK增加10.57%～52.03%；在淀粉累積期和成熟期，灌水處理的葉面積指數(shù)均顯著高于CK。當(dāng)灌水次數(shù)相同時(shí)，灌水量增至W2后，進(jìn)一步增加灌水量，葉面積指數(shù)并沒有顯著增加；當(dāng)灌水量相同時(shí)，增加灌輸次數(shù)有利于增加馬鈴薯葉面積指數(shù)。

表3 不同處理下馬鈴薯的葉面積指數(shù)Table 3 Leaf area index of potato under different treatments

2.3 不同滴灌量與灌水次數(shù)對(duì)馬鈴薯葉片SPAD值的影響

隨著生育期的推進(jìn)，馬鈴薯葉片SPAD值呈先增后減的變化趨勢(shì)，其中塊莖膨大期的葉片SPAD值最大（圖 1）。在苗期，滴灌量與灌水次數(shù)對(duì)葉片SPAD值影響不顯著。在塊莖膨大期和淀粉累積期，灌水處理的葉片SPAD值均顯著高于CK，其中塊莖膨大期灌水處理的SPAD值較CK顯著增加2.71%～15.19%，以W2F3、W3F3處理的SPAD值最高；淀粉累積期灌水處理的葉片SPAD值較CK增加3.37%～16.23%，且葉片SPAD值隨著滴灌量和灌水次數(shù)的增加顯著增加（W3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1，F(xiàn)3＞F2＞F1）。

圖1 不同處理下馬鈴薯的葉片SPAD值Fig. 1 SPAD value of potato leaf under different treatments

2.4 不同滴灌量與灌水次數(shù)對(duì)馬鈴薯干物質(zhì)累積量的影響

隨著馬鈴薯生育進(jìn)程的推進(jìn)，根、莖、葉干物質(zhì)累積量均呈先增后減的單峰變化趨勢(shì)，其中葉的干物質(zhì)累積量在塊莖形成期最大；根、莖的干物質(zhì)累積量在淀粉累積期最大；在馬鈴薯成熟期根、莖、葉的干物質(zhì)累積量均下降（表4）。

表4 不同處理下馬鈴薯的干物質(zhì)積累量（g·株-1）Table 4 Dry matter accumulation of potato under different treatments（g·plant-1）

苗期至成熟期，根干物質(zhì)累積量隨著滴灌量與滴灌次數(shù)的增加呈下降趨勢(shì)，其中以CK的根干物質(zhì)累積量最大；W3F3處理的根干物質(zhì)累積量最小。由此表明，灌水對(duì)馬鈴薯根系生長(zhǎng)有抑制作用。

在苗期，灌水對(duì)莖、葉干物質(zhì)累積量無(wú)顯著影響。在塊莖形成期，灌水顯著提高莖、葉干物質(zhì)累積量，與CK相比，莖、葉干物質(zhì)累積量分別增加0.86%～47.86%、2.75%～68.88%。在塊莖膨大期，莖、葉干物質(zhì)累積量迅速增大，較CK分別增加25.52%～67.80%、32.34%～74.43%，其中以W3F3處理最大；且灌水量對(duì)干物質(zhì)累積量的影響顯著大于灌水次數(shù)。在淀粉累積期，灌水處理的莖、葉干物質(zhì)累積量較CK分別增加39.90%～101.51%、35.11%～93.33%。在成熟期，灌水處理的莖、葉干物質(zhì)累積量較CK分別增加21.98%～58.80%、24.41%～91.48%。由此表明，灌水能促進(jìn)馬鈴薯地上部分干物質(zhì)累積。在相同灌水次數(shù)下，當(dāng)灌水量增至W2后，進(jìn)一步增加灌水量，莖、葉的干物質(zhì)累積量并沒有顯著增加；在相同灌水量下，增加灌水次數(shù)有利于莖、葉中干物質(zhì)累積量的提高（表4）。

2.5 不同滴灌量與灌水次數(shù)對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量及水分利用效率的影響

灌水處理的馬鈴薯耗水量、產(chǎn)量及水分利用效率均顯著高于CK（表5）。隨著滴灌量與灌水次數(shù)的增加馬鈴薯的耗水量、產(chǎn)量逐漸增大（W3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1，F(xiàn)3＞F2＞F1），較CK分別增加10.99%～41.08%、20.30%～84.03%，其中以W3F3處理的耗水量與產(chǎn)量最高。灌水處理的水分利用效率較CK顯著增加10.72%～49.63%，其中以W2F3處理的水分利用效率最高。相同灌水次數(shù)下，當(dāng)灌水量增至W2后繼續(xù)增加灌水量馬鈴薯產(chǎn)量未顯著增加，且水分利用效率顯著降低。因此，適宜的灌水量與灌水次數(shù)能夠顯著提高馬鈴薯水分利用效率與產(chǎn)量。

表5 不同處理下馬鈴薯的產(chǎn)量及水分利用效率Table 5 Yield and water use efficiency of potato under different treatments

2.6 不同滴灌量與灌水次數(shù)對(duì)馬鈴薯經(jīng)濟(jì)收益的影響

灌水處理能顯著提高馬鈴薯商品產(chǎn)量與商品率，其中在相同灌水量下，商品率隨著灌水次數(shù)的增加顯著提高（表6）。生產(chǎn)資料中地膜投入1200 元·hm-2，肥料投入3150 元·hm-2，種子投入4140 元·hm-2，灌水（引洮水）價(jià)格6.5 元·m-3。勞動(dòng)投入無(wú)滴灌4560 元·hm-2，滴灌勞動(dòng)投入增加1190 元·hm-2。各處理的純收益為8594.46～24203.88 元·hm-2，其中W2F3、W3F3處理最高，分別為47234.88、47968.82 元·hm-2；W1F1處理最低。相同灌水量下，純收益隨著灌水次數(shù)的增加顯著增大；相同灌水次數(shù)下，隨著灌水量的增大純收益呈先增后減趨勢(shì)，因此以W2灌水量水平下的F3處理（W2F3）純收益最高。

表6 不同灌水次數(shù)與灌溉量下的馬鈴薯經(jīng)濟(jì)收益Table 6 Economic benefits of potato under different frequency and rate of irrigation

3 討論

水資源匱乏是制約西北地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素，也是限制作物生長(zhǎng)的決定性因素，推進(jìn)旱作區(qū)節(jié)水控水、提升用水效率對(duì)提高糧食單產(chǎn)與品質(zhì)有重要意義，有助于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的健康發(fā)展[9]。馬鈴薯作為我國(guó)西北旱作區(qū)的主要糧菜兼用作物，采用膜下滴灌栽培實(shí)現(xiàn)了水分在作物根部的精準(zhǔn)輸送，降低了無(wú)效損耗，實(shí)現(xiàn)了增溫保墑、節(jié)水節(jié)肥的作用[10]。相比覆膜無(wú)灌溉（CK），膜下滴灌灌水對(duì)根的生長(zhǎng)有抑制作用，不同灌水量與灌水時(shí)間組合對(duì)馬鈴薯株高、葉面積指數(shù)、地上部分干物質(zhì)累積量、葉片SPAD值均有顯著促進(jìn)作用。隨著馬鈴薯生育期的推進(jìn)，干物質(zhì)累積量呈單峰曲線變化，在苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期與淀粉累積期缺少灌水對(duì)于馬鈴薯生長(zhǎng)影響非常顯著，因此這4個(gè)時(shí)期為馬鈴薯需水關(guān)鍵期。在關(guān)鍵生育期增加灌水量能夠提高葉面積指數(shù)與SPAD值，因此灌水具有緩解葉片衰老的作用。灌水量與灌水次數(shù)的增加均對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)起促進(jìn)作用，其中灌水量的影響大于灌水次數(shù)；但當(dāng)灌水量增至1200 m3·hm-2，繼續(xù)增加灌水量株高、葉面積指數(shù)及干物質(zhì)累積量等生長(zhǎng)指標(biāo)的增加幅度降低。相同灌溉定額下，隨著灌水次數(shù)的增加,馬鈴薯的株高、葉面積指數(shù)、干物質(zhì)累積量均有所增加，這與尹娟等[11]的研究結(jié)果類似。這是由于相同灌溉量下，隨灌水次數(shù)的增加，一方面使馬鈴薯植株在需水時(shí)期能及時(shí)得到補(bǔ)償；另一方面能減小土壤含水量的劇烈變化帶來(lái)的不利影響，從而有利于馬鈴薯生長(zhǎng)。僅縮短灌溉周期，而灌溉量達(dá)不到馬鈴薯生長(zhǎng)需求，也會(huì)影響植株的正常生長(zhǎng)發(fā)育。夏騰霄等[12]在內(nèi)蒙古利用膜下滴灌研究不同灌水量對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育的影響發(fā)現(xiàn)，隨著灌水量的增加，馬鈴薯的株高、莖粗、地上部干物質(zhì)量、塊莖產(chǎn)量均呈先增加后減小趨勢(shì)，當(dāng)灌水量為1650 m3·hm-2時(shí)產(chǎn)量最高。吳嬌等[13]在寧夏研究不同灌水量對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響發(fā)現(xiàn)，灌水能夠促進(jìn)馬鈴薯生長(zhǎng)，當(dāng)灌水量為1260 m3·hm-2馬鈴薯產(chǎn)量最高。李燕山等[14]研究表明，膜下滴灌能加快馬鈴薯生長(zhǎng)，其產(chǎn)量隨灌水量的增加逐漸增大，當(dāng)?shù)喂嗔繛?950 m3·hm-2時(shí)產(chǎn)量最高。造成不同區(qū)域最佳灌水量差異的主要原因可能是由于不同區(qū)域的溫度、降雨量、地理環(huán)境、土壤質(zhì)地、作物品種、種植密度以及灌水次數(shù)等存在差異。

膜下滴灌能夠顯著提高水分利用效率及經(jīng)濟(jì)收益。與覆膜無(wú)灌水相比，灌水既提高了馬鈴薯的干物質(zhì)累積量與產(chǎn)量，同時(shí)又提高了水分利用效率，其中以1200 m3·hm-2灌水定額分4次灌溉（W2F3處理）時(shí)的水分利用效率最高。由此表明，適量的灌水量及增加關(guān)鍵生育期灌水有利于提高馬鈴薯水分利用效率，以此達(dá)到節(jié)水、高產(chǎn)、高效的目的。研究表明，一定范圍內(nèi)，作物產(chǎn)量與灌水量呈正相關(guān)關(guān)系，即灌水在提高產(chǎn)量的同時(shí)能夠顯著提高水分利用效率[15]。隨著灌水量的提高經(jīng)濟(jì)投入逐漸增大，經(jīng)濟(jì)純收益開始降低。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灌水量為1200 m3·hm-2時(shí)經(jīng)濟(jì)效益最高，其中以W2F3處理的純收益最高。適宜的灌水定額與灌水時(shí)期有利于促進(jìn)馬鈴薯生長(zhǎng)，提高葉片SPAD值，增加植株干物質(zhì)累積量與產(chǎn)量，提高水分利用效率，增加經(jīng)濟(jì)收益。

本文研究了膜下滴灌條件下不同灌水量及灌水次數(shù)對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)指標(biāo)、產(chǎn)量、水分利用效率、經(jīng)濟(jì)效益等的影響，通過系統(tǒng)分析與綜合評(píng)價(jià)提出灌水定額為1200 m3·hm-2，分別在苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉積累期分4次進(jìn)行灌水為適宜半干旱黃土丘陵區(qū)的馬鈴薯膜下滴灌高產(chǎn)節(jié)水灌溉模式。