任穩(wěn)江，任 亮，劉生學

（甘肅省會寧縣農業(yè)技術推廣中心，甘肅 會寧 730799）

土壤肥料

黃土高原旱地馬鈴薯田土壤水分動態(tài)變化及供需研究

任穩(wěn)江，任 亮，劉生學*

（甘肅省會寧縣農業(yè)技術推廣中心，甘肅 會寧 730799）

為掌握甘肅黃土旱塬地區(qū)馬鈴薯田土壤水分變化動態(tài)、需水特征及需水關鍵期，通過測定不同栽培方式下馬鈴薯田主要生育期不同土層含水量，從而分析不同處理土壤水分動態(tài)變化及耗水量。結果表明，半干旱地區(qū)黃土高原旱地馬鈴薯田季節(jié)水平變化與垂直層次變化是土壤水分變化的主要運行規(guī)律。隨時間變化，傳統(tǒng)露地對照呈“降—升”、覆膜種植呈“升—降—升”變化趨勢；隨深度垂直變化，總體上露地對照呈“降—升”、覆膜種植呈“升—降—升”變化趨勢。0～20 cm土層變化劇烈，是馬鈴薯田的速變層；40～80 cm土層變化活躍，是馬鈴薯田的活躍層；20～40 cm與80～100 cm土層變化較緩，是馬鈴薯田的漸變層與緩變層。馬鈴薯田耗水量與年型密切相關，隨著降雨的增多而增大。傳統(tǒng)露地種植一生耗水258.6 mm、地膜覆蓋種植一生耗水264.1 mm，以塊莖形成期耗水強度最大，日均耗水分別為2.2 mm與2.8 mm，是半干旱地區(qū)馬鈴薯的需水關鍵期，此時期間降雨69.8 mm，土壤可用水基本耗盡，缺水7.0～29.6 mm，集雨補灌將是應對關鍵期旱災，獲得穩(wěn)產的必要應變措施。

馬鈴薯；土壤水分；動態(tài)變化；耗水量

馬鈴薯是甘肅省第三大糧食作物，也是優(yōu)勢特色作物之一，具有糧、菜、飼、工業(yè)原料兼用的特點，在甘肅省糧食生產和農村經濟發(fā)展中具有舉足輕重的地位[1]。甘肅省馬鈴薯主要種植于中東部干旱、半干旱和高寒陰冷貧困地區(qū)，全省馬鈴薯種植面積在53.33萬hm2左右，總產量在8×107～9×107t，種植面積和產量都占全國總量的11%以上，居全國前列，列西北5省區(qū)第1位[2]。由于甘肅馬鈴薯種植區(qū)降水少、水分蒸發(fā)強度大，水分利用效率低，一直影響著馬鈴薯產業(yè)的發(fā)展[3,4]。馬鈴薯是一種抗旱作物，具有抵抗冬春干旱的特點，但蒸騰系數較大，為400～600 mm，生長過程的土壤水分變化動態(tài)規(guī)律因地區(qū)而異，全生育期耗水量隨產量的高低而定[5,6]。李鼎新等[7]對寧南干旱山區(qū)早熟豐產馬鈴薯農田土壤水分的研究結果表明，馬鈴薯農田土壤水分動態(tài)變化可以分為3個活動時期，與區(qū)域的降雨和分配有極強的相似性。土壤水分垂直變化規(guī)律可以分為速變層（0～20 cm），緩變層（20～120 cm）和相對穩(wěn)定層（120～200 cm）。王春珍和李蔭藩[8]研究表明，旱地馬鈴薯產量與年降水量呈顯著正相關，塊莖形成期和塊莖增長期降水多少對產量有同等程度的影響，為馬鈴薯的需水臨界期。劉戰(zhàn)東等[9]研究表明，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，塊莖形成期日平均耗水強度達到最高，為5.80 mm/d。武朝寶等[10]在山西省臨縣湫水河灌溉試驗站研究表明，馬鈴薯的耗水規(guī)律為發(fā)芽期1.54～2.79 mm/d，幼苗期1.67～3.14 mm/d，塊莖形成期2.84～5.59 mm/d，塊莖增長期達到最大值4.77～5.91 mm/d，淀粉積累期降為3.49～4.89 mm/d。因此，掌握甘肅黃土旱塬地區(qū)馬鈴薯田土壤水分變化動態(tài)、需水特征及需水關鍵期，對提高降水利用效率及旱災應對策略建立具有重要意義。

1 材料與方法

1.1試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于甘肅省會寧縣“七川”的小豹子川，距縣城5 km，海拔1 770 m，年平均氣溫7.9℃，≥10℃的積溫2 760℃，多年平均降雨量約為400 mm，降雨年度分配不均、季節(jié)分配不均，降雨主要集中于7、8、9月，占總量的51.0%～58.0%，季降雨以夏季最多（43.6%）、秋季次之（42.2%）、春季較少（10.7%）、冬季最少（3.4%），年際變化大，月際變化更大，統(tǒng)計表明，年際變異系數為23.9%，月際變異系數最小的7月也高達96.3%，春旱嚴重，常影響作物正常出苗，有時甚至不能播種。試驗地原屬庫井灌區(qū)，因水源枯竭，失灌多年，現(xiàn)已成旱川地，土壤為黃綿土，中壤，沖洪積黃土母質，土層深厚，有機質14.04 g/ kg，全氮0.88 g/kg，有效磷14.01 mg/kg，速效鉀217.5 mg/kg。2011年年降雨量321.9 mm（馬鈴薯生育期降雨264.8 mm），較常年偏少近2成，屬欠水年份；2012年年降雨量406.6 mm（馬鈴薯生育期降雨305.3 mm），較常年略多，屬平水年份。

1.2試驗設計

試驗按地膜覆蓋與種植方式進行設計，覆蓋方式分全地面覆蓋和半地面覆蓋，種植方式分平作和壟作。共設6個處理，2011年為全膜雙壟（T1）、半膜壟作（T2）、全膜壟作（T3）、全膜平作（T6）、半膜平作（T7）和露地平作（T8），2012年將壟作進行改進，成為壟上微溝壟作，處理變?yōu)槿るp壟（T1）、半膜壟上微溝（T4）、全膜壟上微溝（T5）、全膜平作（T6）、半膜平作（T7）和露地平作（T8）（不同處理種植方式特征見表1）。馬鈴薯品種為‘青薯9號’。小區(qū)面積為30.8 m2（7.0 m×4.4 m），區(qū)組間距100 cm，小區(qū)間距70 cm，周邊留有150 cm的保護區(qū)，3次重復，隨機區(qū)組排列，播種46 500株/ hm2。整地、施肥和田間管理等同大田。

1.3試驗測定

采用恒溫箱烘干稱重法，在播前、主要生育期、收獲后測定100 cm內的水分狀況，每20 cm為一層，即0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5個層次，每個處理測定2個重復，測點保持在同一直線上，在種植行的2株馬鈴薯中間取樣。

水分變化程度用變異系數衡量，變異系數越高變化越大，變異系數CV=（標準偏差SD/平均值Mean）×100%。

2 結果與分析

2.1馬鈴薯田季節(jié)水平變化

由表2數據可知，季節(jié)、種植方式、年型影響著土壤水分變化程度，其季節(jié)影響大于種植方式、平水年高于欠水年，而地膜覆蓋的影響依年型而變，欠水年可降低水平變化程度、平水年加大水平變化程度。隨生育進程變化，露地對照總體上呈“降—升”變化趨勢，覆膜種植呈“升—降—升”變化趨勢。0～100 cm土壤含水量，露地對照欠水的2011年從播種期的8.64%開始下降，到現(xiàn)蕾期降到最低值7.59%，后隨著降雨的增多逐步回升，收獲期達到最高值11.78%；平水的2012年從播種期的11.61%開始下降，到現(xiàn)蕾期降到最低值9.63%，后隨著降雨的增多逐步回升，收獲期達到最高值13.29%；覆膜處理欠水的2011年平均從播種期的8.76%，到出苗期上升到9.51%后，隨著生長加快逐漸降低，至現(xiàn)蕾期降低到最低值8.50%后回升，到收獲期達到10.09%；平水的2012年從播種期的12.27%，到出苗期上升到最高值15.64%后，隨著生長加快逐漸降低，至膨大期降低到最低值10.59%，隨著降雨的增多逐步回升，到收獲期升到14.43%。

表1 馬鈴薯不同種植方式特征Table 1 Characteristics of different planting patterns of potato

由表3可得，季節(jié)水平間土壤含水量的變異系數，因年型不同排序略有差異，總體上隨著土層深度的加深逐漸降低，欠水的2011年變幅5.52%～27.63%，層次平均12.18%，其中：覆蓋種植方式平均為10.89%，低于露地對照18.67%；平水的2012年變幅15.63%～21.61%，層次平均18.81%，其中：覆蓋種植方式平均為19.38%，高于露地對照15.99%。

由表4可得，種植方式間土壤含水量的變異系數，總體上從大到小依次為0～20、60～80、40～60、20～40、80～100 cm，欠水的2011年以0～20 cm土層最大，80～100 cm土層最小，生育期平均變幅6.02%～16.95%，平均9.33%；平水的2012年以60～80 cm土層最大，80～100 cm土層最小，生育期平均變幅9.07%～11.79%，平均10.46%。

由此表明，半干旱地區(qū)馬鈴薯田季節(jié)水平變化是土壤水分變化的主要運行規(guī)律，隨時間變化，露地對照呈“降—升”變化趨勢（播種期～現(xiàn)蕾期為降低階段、現(xiàn)蕾期～成熟期為升高階段），覆膜種植呈“升—降—升”變化趨勢（播種期～出苗期為第1次升高階段、出苗期～現(xiàn)蕾期或膨大期為降低階段、膨大期～成熟期為第2次升高階段），低谷值出現(xiàn)于現(xiàn)蕾期至膨大期，出苗階段地膜覆蓋種植的含水量較露地對照多提高1.35%～3.39%，再次證明，地膜覆蓋具有很好的集雨保墑作用，有利于馬鈴薯出苗。由于土壤含水量的動態(tài)變化是降雨及分布、入滲量、蒸發(fā)量和耗水量等因素共同作用的結果。不同的覆蓋種植方式其集雨效率、入滲率、生長量和蒸散量不同，影響著土壤水分的變化程度，平水年效應大于欠水年，但不能改變水平運行趨勢。0～20 cm土層受季節(jié)、處理影響大，變化活躍，是馬鈴薯田的速變層，20～40 cm與80～100 cm土層受季節(jié)、處理影響相對較小，是馬鈴薯田的漸變層與緩變層，40～80 cm土層受季節(jié)、處理影響較大，是馬鈴薯根系的主要分布層，屬馬鈴薯田的活躍層。在生育期內，現(xiàn)蕾期至塊莖增長期各層土壤含水量處于低谷，受種植方式影響明顯，是馬鈴薯田的需水關鍵期。

表2 馬鈴薯田生育期土壤含水量（%）Table 2 Soil moisture of potato field at different growth stages

表3 不同層次土壤水分水平變化變異系數（%）Table 3 Coefficient of variation of soil moisture horizontal variations at different soil levels

表4 不同生育期處理間土壤含水量變異系數（%）Table 4 Coefficient of variation of soil moisture for different treatments at different growth stages

表5 不同生育期土壤水分垂直變化變異系數（%）Table 5 Coefficient of variation of soil moisture vertical variation at different stages

2.2馬鈴薯田層次垂直變化

由表5可得，層次、種植方式、年型影響著土壤水分垂直變化程度，其影響層次大于種植方式、平水年高于欠水年，而地膜覆蓋可減緩垂直變化程度。垂直層次間與種植方式間土壤含水量的變異系數，總體以膨大期最大，播種期最小，因年型不同排序略有差異。垂直層次間欠水的2011年以現(xiàn)蕾期最大，播種期最小，平均變幅7.18%～16.48%，生育期平均12.38%，其中：覆蓋種植方式平均為10.90%，明顯低于露地對照19.78%；平水的2012年以膨大期最大，成熟期最小，平均變幅8.38%～21.40%，生育期平均14.15%，其中：覆蓋種植方式平均為13.97%，低于露地對照15.03%。

由表4可得，種植方式間欠水的2011年以成熟期最大，播種期最小，層次的變幅6.03%～11.03%，生育期平均9.33%；平水的2012年以膨大期最大，成熟期最小，層次的變幅6.94%～14.26%，生育期平均10.46%。

由表2可得，隨土層深度變化，生育期平均土壤含水量，露地對照欠水的2011年從9.24%開始下降，到40～60 cm降至谷值8.37%后回升，80～100 cm達到最高值9.99%；平水的2012年從12.73%逐步降到10.03%，總體上呈“降—升”變化趨勢；覆膜種植欠水的2011年從9.41%開始下降，到40～60 cm下降到谷值8.75%后回升，80～100 cm達到最高值9.45%；平水的2012年從13.99%開始先升高，20～40 cm升到14.18%后，逐步降至11.47%，總體呈“升—降—升”變化趨勢。

由此表明，半干旱地區(qū)馬鈴薯田深度垂直變化是土壤水分變化的又一主要運行規(guī)律，隨深度垂直變化，依生育期降雨不同略有差異，總體上露地對照呈“降—升”變化趨勢、覆膜種植呈“升—降—升”變化趨勢。不同的覆蓋種植方式其集雨效率、入滲率、生長量和蒸散量不同，影響著土壤水分的變化程度，但不能改變垂直運行趨勢?，F(xiàn)蕾期至塊莖增長期各層土壤含水量處于低谷，受層次和種植方式影響明顯，是馬鈴薯田的需水關鍵期。

2.3一生耗水量

從表6看出，馬鈴薯田0～100 cm土層水分消耗與積累是一個動態(tài)變化過程，貯水量收獲時較播種時提高，由于不同年生育期降雨量的不同，增量的程度不同，從而表現(xiàn)出耗水量依年型而變。欠水的2011年露地對照一生耗水232.1 mm、覆蓋種植一生耗水234.6～257.7 mm，平均248.9 mm，較對照多耗16.8 mm；平水的2012年露地對照一生耗水285.1 mm、覆蓋種植一生耗水264.8～287.0 mm，平均279.3 mm，較對照少耗5.8 mm。由此說明，半干旱地區(qū)馬鈴薯田耗水量與年型密切相關，隨著降雨的增多而增大，露地對照一生耗水由欠水年的232.1 mm增到平水年285.1 mm，平均258.6 mm；地膜覆蓋種植一生耗水由欠水年的248.9 mm增到平水年279.3 mm，平均264.1 mm，欠水年加大、平水年減少。

表6 不同種植方式生育期耗水（mm）Table 6 Water consumption of growth periods for different treatments

2.4階段耗水量

以2年測定數據的平均值為依據，分覆蓋種植與露地對照進行分析，各生育期貯水量見圖1。

2.4.1 發(fā)芽期

從播種期到出苗期，時間為4月下5月初至6月上旬，歷時30 d左右，期間降雨33.3 mm。露地對照土壤含水量從10.12%降到9.82%，折合貯水量減少3.6 mm，加上期間降雨總計損耗水分36.9 mm，是一生的14.3%，平均每天損耗1.2 mm；覆蓋種植土壤含水量從10.51%上升到12.58%，折合貯水量增多24.8 mm，損耗水分8.4 mm，是一生的3.2%，平均每天損耗0.3 mm，是露地對照的1/4。

2.4.2 幼苗期

從出苗期到現(xiàn)蕾期，時間為6月中旬至6月底，歷時20 d左右，期間降雨33.7 mm。露地對照土壤含水量從9.82%降到8.61%，折合貯水量減少14.6 mm，加上期間降雨總計損耗水分48.2 mm，是一生的18.6%，平均每天損耗1.9 mm；覆蓋種植土壤含水量從12.58%下降到9.92%，折合貯水量減少32.0 mm，加上降雨總損耗水分65.7 mm，是一生的24.9%，平均每天損耗2.6 mm，是露地對照的1.37倍。

2.4.3 塊莖形成期

從現(xiàn)蕾期到膨大期，時間為7月初至8月上旬，歷時30 d左右，期間降雨98.0 mm。露地對照土壤含水量從8.61%上升到10.37%，折合貯水量增多11.1 mm，損耗水分76.8 mm，是一生的29.7%，平均每天損耗2.2 mm；覆蓋種植土壤含水量從9.92%下降到9.8%，折合貯水量減少1.4 mm，加上降雨總損耗水分99.4 mm，是一生的37.6%，平均每天損耗2.8 mm，是露地對照的1.27倍。

圖1 0～100 cm土層不同生育期貯水量與階段降雨Figure 1 Soil water storage and stage rainfall of 0-100 cm soil layer at different stages

2.4.4 塊莖增長期

從膨大期到成熟期，時間為8月中旬至9月下旬，歷時50 d左右，期間降雨120.2 mm。露地對照土壤含水量從10.37%上升到12.33%，折合貯水量增加23.5 mm，損耗水分96.7 mm，是一生的37.4%，平均每天損耗1.9 mm；覆蓋種植土壤含水量從9.8%上升到12.26%，折合貯水量增多29.5 mm，損耗水分90.7 mm，是一生的34.3%，平均每天損耗1.8 mm，低于露地對照。

3 討論

本文僅通過0～100 cm土層研究，與李鼎新[7]等對寧南干旱山區(qū)早熟豐產馬鈴薯農田土壤水分的研究結果相似。結果表明，半干旱地區(qū)馬鈴薯田季節(jié)水平變化與垂直層次變化是土壤水分變化的主要運行規(guī)律，不同的覆蓋種植方式其集雨效率、入滲率、生長量和蒸散量不同，影響著土壤水分的變化程度，但不能改變水平及垂直運行趨勢。隨時間變化，露地對照呈“降—升”變化趨勢，覆膜種植呈“升—降—升”變化趨勢；隨深度垂直變化，生育期降雨不同略有差異，總體上露地對照也呈“降—升”變化趨勢、覆膜種植也呈“升—降—升”變化趨勢。生育期上，現(xiàn)蕾期至塊莖膨大期土壤含水量處于低谷，受種植方式影響明顯，是馬鈴薯田的需水關鍵期；層次上，0～20 cm土層受季節(jié)、處理影響大，變化劇烈，是馬鈴薯田的速變層，40～80 cm土層受季節(jié)、處理影響較大，是馬鈴薯根系主要分布層，是馬鈴薯田的活躍層，20～40 cm與80～100 cm土層受季節(jié)、處理影響相對較小，是馬鈴薯田的漸變層與緩變層。

半干旱地區(qū)馬鈴薯田耗水量與年型密切相關，隨著降雨的增多而增大，耗水強度整個生育期內呈正態(tài)分布。露地對照一生耗水232.1～285.1 mm，平均耗水258.6 mm，其中：發(fā)芽期需水36.9 mm，占一生總耗水量的14.3%，日均耗水1.2 mm；幼苗期需水48.2 mm，占一生總耗水量的18.6%，日均耗水1.9 mm；塊莖形成期需水76.8 mm，占一生總耗水量的29.7%，日均耗水2.2 mm；塊莖增長期需水96.7 mm，占一生總耗水量的37.4%，日均耗水1.9 mm；地膜覆蓋種植一生耗水248.9～279.3 mm，平均耗水264.1 mm，其中：發(fā)芽期需水8.4 mm，占一生總耗水量的3.2%，日均耗水0.3 mm；幼苗期需水65.7 mm，占一生總耗水量的24.9%，日均耗水2.6 mm；塊莖形成期需水99.4 mm，占一生總耗水量的37.6%，日均耗水2.8 mm；塊莖增長期需水90.7 mm，占一生總耗水量的34.3%，日均耗水1.8 mm。這個研究結果與劉戰(zhàn)東等[9]的研究相似，而階段耗水強度低于武朝寶等[10]在灌溉條件下的研究結果。會寧生長期降雨256.6 mm，基本滿足馬鈴薯生長所需，造成干旱危害的原因不是降雨總量不足，而是供需不相吻合。塊莖形成期是半干旱地區(qū)馬鈴薯的需水關鍵期，該階段降雨69.8 mm，土壤可用水基本耗盡，缺水7.0～29.6 mm，集雨補灌將是應對關鍵期旱災，獲得穩(wěn)定產量的必要應變措施。

地膜覆蓋具有很好的集雨保墑作用，尤其出苗階段地膜覆蓋種植含水量較露地對照提高1.35%～3.39%，有利于馬鈴薯出苗。生長前期與后期，日均耗水量降低，發(fā)芽階段尤為顯著；生長中期由于植株生長旺盛，蒸騰量大，日均耗水量較露地高1.27～1.37倍。

[1]趙永平,韓建民.甘肅馬鈴薯產業(yè)競爭力分析[J].甘肅農業(yè)大學學報,2005,40(2):250-255.

[2] 王鶴齡,王潤元,張強,等.甘肅馬鈴薯種植布局對區(qū)域氣候變化的響應[J].生態(tài)學雜志,2012,31(5):1111-1116.

[3] 秦舒浩,張俊蓮,王蒂,等.覆膜與溝壟種植模式對旱作馬鈴薯產量形成及水分運移的影響[J].應用生態(tài)學報,2011,22(2): 389-394.

[4] 張慶霞,宋乃平,王磊,等.馬鈴薯連作栽培的土壤水分效應研究[J].中國生態(tài)農業(yè)學報,2010,18(6):1212-1217.

[5] 王鳳新,康躍虎,劉士平.滴灌條件下馬鈴薯耗水規(guī)律及需水量的研究[J].干旱地區(qū)農業(yè)研究,2005,23(1):9-15.

[6] 信廼詮,趙聚寶.旱地農田水分狀況與調控技術[M].北京:農業(yè)出版社,1992.

[7] 李鼎新,陳國良,徐學選.早熟馬鈴薯農田土壤水分動態(tài)和地膜水分效應[J].水土保持通報,1996,16(6):36-42.

[8] 王春珍,李蔭藩.降水量對旱地馬鈴薯產量的影響[J].中國馬鈴薯,1990,4(3):155-157.

[9] 劉戰(zhàn)東,肖俊夫,于秀琴.不同土壤水分處理對馬鈴薯形態(tài)指標耗水量及產量的影響[J].中國農村水利水電,2010(8):1-3.

[10]武朝寶,任罡,李金玉.馬鈴薯需水量與灌溉制度試驗研究[J].灌溉排水學報,2009,28(3):93-95.

Moisture Dynamics and'Supply and Demand'on Potato Fields in Arid Areas of Southern Loess Plateau

REN Wenjiang,REN Liang,LIU Shengxue*

(Huining Agricultural Technology Extension Center,Huining,Gansu 730799,China)

Abstrraacctt::The effects of moisture dynamics and water consumption were analyzed by measuring the soil water content fordifferenttreatments atdifferentgrowth stages in orderto understand the moisture dynamics,waterdemand characteristics and water demand critical stage in potato fields in the southern loess Plateau.The results indicated that seasonal level and vertical level changes of potato fields were the major function at soil moisture changes in arid areas of the southern loess Plateau.Changing with time,the trend of traditional field culture was"drop-up",and mulching planting was"up-drop-up". Changing with depth,the trend oftraditionalfield culture was"drop-up",and mulching planting was"up-drop-up"in general. Soilmoisture contentin the 0-20 cm layerchanged intensively,being the mostvariable layerofpotato field.Soilmoisture in the 40-80 cm layer changed actively,being the vigorous layer of potato field.Soil moisture in 20-40 cm and 80-100 cm layer changed slowly,being the gradient layer and sluggish layer of potato field.Water consumption was related closely to the model year in potato field,increasing with the increase of rainfall.The water consumption was 258.6 mm for traditional field culture,and 264.1 mm for mulching in the whole potato lifetime.The maximum water consumption was at the tuber formation stage,with a consumption of 2.2 mm and 2.8 mm each day,respectively,for the two culture modes,being the key water requirement stage of potato in the semi-arid areas.The rainfall was 69.8 mm during this time,and soil available water was depleted substantially.Shortage waterreached 7.0-29.6 mm.Therefore,collecting waterforsupplementalirrigation would be a contingency measure to dealwith the dry conditions in criticalstage and obtain stable yield.

potato;soil moisture;dynamic change;water consumption

S532

A

1672－3635（2015）06-0355-07

2014-11-04

任穩(wěn)江（1965-），男，高級農藝師，從事農業(yè)技術推廣工作。

劉生學，高級農藝師，從事農業(yè)技術推廣工作，E-mail:renliang604@sina.com。