馮志文，康躍虎，萬(wàn)書(shū)勤，劉士平

(1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

內(nèi)蒙古是我國(guó)馬鈴薯的主要生產(chǎn)基地之一，播種面積和總產(chǎn)量均居全國(guó)前三位，分別占到全國(guó)的10%以上[1]。內(nèi)蒙古烏蘭察布、鄂爾多斯地區(qū)光照充足、晝夜溫差大，雨熱同季，土壤多為沙地，非常適合馬鈴薯的生長(zhǎng)。近年來(lái)，這些地區(qū)建立了許多規(guī)?；图s化的馬鈴薯生產(chǎn)基地，引進(jìn)了控制面積達(dá)數(shù)十公頃的大型噴灌機(jī)(中心支軸式噴灌機(jī))進(jìn)行馬鈴薯施肥灌溉[2]，提高了馬鈴薯的產(chǎn)量和品質(zhì)。

但是引進(jìn)大型噴灌機(jī)后，當(dāng)?shù)赜脩羝毡槿园磦鹘y(tǒng)地面灌溉大水大肥的方式進(jìn)行灌溉和施肥管理，長(zhǎng)期大量地抽取地下水進(jìn)行灌溉，致使當(dāng)?shù)氐叵滤怀掷m(xù)下降；另外，沙質(zhì)土壤保水保肥性差，在雨季或者過(guò)量灌溉時(shí)養(yǎng)分容易流失。缺乏大型噴灌機(jī)配套的水肥管理方式造成了當(dāng)?shù)厮⒎实睦速M(fèi)，水肥利用效率低，馬鈴薯難以長(zhǎng)期可持續(xù)生產(chǎn)。

另外，中心支軸式噴灌機(jī)在工作時(shí)，為了保證噴灌均勻度，噴頭的噴灌強(qiáng)度設(shè)計(jì)從支軸開(kāi)始向外逐漸增大，遠(yuǎn)離中心支軸一定距離后瞬時(shí)噴灌強(qiáng)度將達(dá)到強(qiáng)暴雨(100 mm/h)，容易產(chǎn)生短時(shí)間的地表徑流[3,4]，噴灌施肥灌溉時(shí)養(yǎng)分也容易隨著地表徑流淋失，從而影響作物的生長(zhǎng)與產(chǎn)量。因此與之配套的耕作管理措施非常重要。魚(yú)鱗坑是一種水土保持措施，具有一定蓄水能力，可保土保水保肥，減少水分的徑流損失[5-7]。

本試驗(yàn)主要研究?jī)?nèi)蒙古地區(qū)大型噴灌機(jī)(中心支軸式噴灌機(jī))施肥灌溉條件下配套水土保持措施(魚(yú)鱗坑)對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)、水肥利用效率等的影響，以期為內(nèi)蒙古地區(qū)大型噴灌機(jī)下馬鈴薯的水肥高效利用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市達(dá)拉特旗白泥井鎮(zhèn)(110°28′E，40°18′N)，海拔約1 006 m，屬于半干旱溫帶大陸季風(fēng)氣候。晝夜溫差大，日照強(qiáng)烈，年均日照時(shí)數(shù)約3 100 h，年均氣溫6.1～7.1 ℃，年有效積溫(≥10 ℃)為3 200 ℃左右，無(wú)霜期為135～150 d。年均降水量為240～310 mm，主要集中在7-9月份。蒸發(fā)量大，年均蒸發(fā)量約2 100 mm(約為降水量的6～9倍)。

土壤質(zhì)地疏松，砂土，以粗砂粒為主，接近于流沙。1.2 m土層平均容量為1.52 g/cm3，田間持水量為15.5%，透水性強(qiáng)。土壤肥力一般，其根區(qū)主要化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試土壤基本化學(xué)性質(zhì)Tab.1 Chemical properties of the experiment soil

1.2 供試材料

供試馬鈴薯品種“夏波蒂”(2012年)和“費(fèi)烏瑞它”(2013-2014年)。供試肥料為常規(guī)馬鈴薯專用復(fù)合肥(氮磷鉀比例在2012年和2013-2014年分別為16-14-15和18-10-7)、尿素(46% N)和硝酸鉀(13.9%N, 46.5%K)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在大型噴灌機(jī)模擬系統(tǒng)下開(kāi)展試驗(yàn)研究。試驗(yàn)以常規(guī)不作任何措施為對(duì)照(CK)，于2012-2014年布置了一個(gè)魚(yú)鱗坑處理(B)，每個(gè)處理重復(fù)3次。馬鈴薯起壟栽培，壟間距0.9 m，壟肩寬0.3 m，壟高0.3 m，壟上種植單行馬鈴薯，株距0.2 m。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)4條壟，每條壟長(zhǎng)11.2 m。播種后15 d左右，在壟間挖魚(yú)鱗坑，規(guī)格為0.2 m(長(zhǎng))×0.2 m(寬)×0.2 m(坑深)。魚(yú)鱗坑間距0.25 m，相鄰2條壟溝內(nèi)的魚(yú)鱗坑交錯(cuò)排列(圖1)。

在小區(qū)壟中心20 cm深度處埋設(shè)一支負(fù)壓計(jì)，監(jiān)測(cè)土壤水基質(zhì)勢(shì)，馬鈴薯齊苗后根據(jù)土壤水基質(zhì)勢(shì)閾值進(jìn)行灌溉，每次灌溉都進(jìn)行追肥。2012年當(dāng)土壤水基質(zhì)勢(shì)達(dá)到-25 kPa時(shí)開(kāi)始施肥灌溉，每次灌水6～8 mm；根據(jù)2012的試驗(yàn)結(jié)果，2013和2014年調(diào)高土壤水基質(zhì)勢(shì)閾值和每次灌溉量，當(dāng)土壤水基質(zhì)勢(shì)達(dá)到-15 kPa時(shí)開(kāi)始施肥灌溉，每次灌水10 mm 左右，并且在降雨超過(guò)10 mm或者連續(xù)10天未進(jìn)行灌溉時(shí)，為避免馬鈴薯關(guān)鍵生育期缺肥，采用噴灌進(jìn)行追肥。

2012年，馬鈴薯5月13日播種，播種后溝施馬鈴薯專用復(fù)合肥(16-14-15)641.7 kg/hm2作為底肥，統(tǒng)一灌水3次，每次50 mm左右。從6月26日開(kāi)始施肥灌溉，總追肥量為尿素746.7 kg/hm2，硝酸鉀746.7 kg/hm2，9月19日收獲。

2013年，馬鈴薯5月3日播種，播種后溝施馬鈴薯專用復(fù)合肥(18-10-7)1 500 kg/hm2，統(tǒng)一灌水40 mm左右，為保證出苗，之后又統(tǒng)一灌水5次，每次灌水8 mm左右。6月24日開(kāi)始施肥灌溉，總追肥量為尿素27 kg/hm2，硝酸鉀774 kg/hm2，9月20日收獲。

2014年，馬鈴薯5月4日播種，統(tǒng)一灌水45 mm左右，為保證出苗，之后又統(tǒng)一灌水2次，每次灌水15 mm左右，6月28日開(kāi)始施肥灌溉，總追肥量同2013年，尿素27 kg/hm2，硝酸鉀774 kg/hm2，9月23日收獲。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

(1)降雨：在試驗(yàn)區(qū)中心位置安裝雨量桶，測(cè)定每日降雨量。

(2)土壤水基質(zhì)勢(shì)：壟中心20 cm深度處埋設(shè)一支負(fù)壓計(jì)，測(cè)定土壤水基質(zhì)勢(shì)。每天8∶00和15∶00觀測(cè)負(fù)壓計(jì)讀數(shù)，并用來(lái)指導(dǎo)灌溉。

(3)生物量：馬鈴薯塊莖膨大期，每小區(qū)選取2株代表性植株測(cè)定其鮮生物量。

(4)產(chǎn)量：馬鈴薯完全成熟后，每小區(qū)收獲最中間2壟，稱重測(cè)產(chǎn)。

(5)灌溉水利用效率(IWUE)：為單位面積馬鈴薯產(chǎn)量與總灌水量的比值。

(6)肥料偏生產(chǎn)力(PFP)：為單位面積馬鈴薯產(chǎn)量與施用肥料的總養(yǎng)分量(即氮磷鉀的總和)的比值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Origin 9.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并繪圖，用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行t檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨量與累計(jì)灌水量

2012-2014年馬鈴薯整個(gè)生育期內(nèi)的總降雨量分別為352.2、315.4和250.7 mm，其中60%～70%的降雨量集中在7-8月(圖2)。2012-2014年生育期內(nèi)分別共降雨37次、37次和31次，其中大到暴雨(≥25 mm)的次數(shù)各為6次、3次和3次。三年中，10 mm以上的降雨總量分別為232.4、246.0和181.4 mm，在沙地上極易引起養(yǎng)分的淋失[8]。

圖2 2012-2014年馬鈴薯生育期內(nèi)的降雨量和兩個(gè)處理的累積灌水量Fig.2 Rainfall and cumulative irrigation for two treatments during potato growing period in 2012-2014

CK在2012-2014年整個(gè)生育期內(nèi)的總灌水量分別為204.4、223.5和283.1 mm，B在三年內(nèi)的累計(jì)灌水量分別為259.3、159.0和352.7 mm。2012年和2014年，B處理的灌水量比CK分別高出26.9%和24.6%，而2013年B的灌水量明顯較少，比CK低28.9%，這可能是由于負(fù)壓計(jì)埋設(shè)點(diǎn)的土壤空間變異性或者負(fù)壓計(jì)的靈敏度差異造成的。

馬鈴薯苗齊后每次灌水時(shí)進(jìn)行施肥，從圖2可知，2012-2014年，CK的施肥灌溉次數(shù)分別為6、21和22次，平均每12、3和3 d追施1次。B處理在三年中的施肥灌溉次數(shù)分別為8、13和24次，平均每9、6和3 d施肥1次。除2013年外，B處理的施肥灌溉次數(shù)均比CK多2次，施肥頻率較高。2012年馬鈴薯生育中后期降雨頻繁，從7月中旬至8月底47 d內(nèi)共降雨19次，且該時(shí)期內(nèi)由負(fù)壓計(jì)監(jiān)測(cè)的土壤根區(qū)墑情良好，使得施肥灌溉次數(shù)明顯減少，B處理最長(zhǎng)18 d才灌溉施肥1次，這極易引起土壤根區(qū)養(yǎng)分缺乏。2013年，B處理的施肥灌溉次數(shù)比CK少8次，這可能是負(fù)壓計(jì)埋設(shè)點(diǎn)的土壤存在較大的空間變異，或者負(fù)壓計(jì)的靈敏度較差所致。

2.2 土壤水基質(zhì)勢(shì)

兩個(gè)處理在15時(shí)的土壤水基質(zhì)勢(shì)變化情況如圖3所示。馬鈴薯在2012-2014年整個(gè)生育期內(nèi)，除了塊莖形成期和塊莖膨大期，因其日耗水量較大、灌溉不及時(shí)，導(dǎo)致其在個(gè)別時(shí)間出現(xiàn)土壤水基質(zhì)勢(shì)低于灌溉閾值的情況外，總體上兩個(gè)處理在三年內(nèi)馬鈴薯施肥灌溉階段的大部分時(shí)間內(nèi)都維持在灌溉閾值內(nèi)，土壤水分狀況良好。由于負(fù)壓計(jì)讀數(shù)采用人工定時(shí)觀測(cè)，出現(xiàn)土壤水基質(zhì)勢(shì)低于-25 kPa(或者-15 kPa)的原因可能為當(dāng)日8時(shí)的土壤水基質(zhì)勢(shì)未達(dá)到設(shè)定閾值而未進(jìn)行灌溉，經(jīng)過(guò)一上午的水分消耗，致使根區(qū)的土壤水基質(zhì)勢(shì)在15時(shí)觀測(cè)時(shí)出現(xiàn)低于閾值的情況(8時(shí)數(shù)據(jù)未給出)。三年內(nèi)，除了2012年和2014年幼苗期和塊莖形成前期，B處理的土壤水基質(zhì)勢(shì)略低于CK外，在整個(gè)生育期內(nèi)，B處理的土壤水基質(zhì)勢(shì)均高于CK，說(shuō)明魚(yú)鱗坑對(duì)地表徑流有較好的調(diào)控作用，土壤含水量高且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，有利于水分在根區(qū)的保存，與在黃土高原坡地上的研究結(jié)果一致[9,10]。

圖3 2012-2014年馬鈴薯生育期內(nèi)水土保持處理的土壤水基質(zhì)勢(shì)變化Fig.3 Changes of soil matric potential of two treatments in 2012-2014

2.3 產(chǎn)量與水肥利用效率

由表2可知，馬鈴薯的單株鮮生物量、產(chǎn)量、IWUE和PFP在三年內(nèi)表現(xiàn)出較大差異。2012年B處理的鮮生物量、產(chǎn)量比CK分別高19.6%和22.1%，IWUE略比CK低3.7%，PFP明顯高于CK，比CK高36.8%；2013年B處理的鮮生物量、IWUE分別低于CK 57.2%和35.4%，而產(chǎn)量和PFP明顯低于CK，比CK低54.2%和54.1%；2014年B處理的鮮生物量明顯高于CK，是CK的3.2倍，產(chǎn)量、IWUE和PFP分別比CK高33.3%、7.0%和33.3%?？傮w上，2012年和2014年，B處理的鮮生物量、產(chǎn)量與水肥利用效率均優(yōu)于CK，說(shuō)明隨著土壤水分條件的改善，采用魚(yú)鱗坑整地可提高馬鈴薯的生物量，進(jìn)而提高產(chǎn)量，這與漆喜林等的研究一致[11]。而2013年則表現(xiàn)出相反的情況，這可能是因?yàn)?013年B處理負(fù)壓計(jì)埋設(shè)點(diǎn)的土壤空間差異或者負(fù)壓計(jì)的靈敏度差異導(dǎo)致其在整個(gè)生育期的灌水量和施肥灌溉次數(shù)明顯減少，使得馬鈴薯植株長(zhǎng)勢(shì)較弱，最終產(chǎn)量較低，進(jìn)而水肥利用效率較低。

表2 水土保持措施對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量、水分和肥料利用效率的影響Tab.2 Influence of scale-like pit tillage on potato yield, IWUE and PFP under LEPA fertigation

注：同一年同列下*表示兩處理之間差異顯著(P<0.05)。

另外，2013-2014年CK的產(chǎn)量均高于2012年，這可能是由于2012年負(fù)壓計(jì)指導(dǎo)施肥灌溉的閾值較低，使得根區(qū)土壤水分狀況不及2013-2014年，且施肥灌溉次數(shù)相對(duì)較少的緣故(圖3)。

綜上所述，在大型噴灌機(jī)進(jìn)行施肥灌溉條件下，壟間挖魚(yú)鱗坑能有效地促進(jìn)馬鈴薯的生長(zhǎng)，提高產(chǎn)量，改進(jìn)水肥利用效率。

3 結(jié) 語(yǔ)

在大型噴灌機(jī)條件下，通過(guò)負(fù)壓計(jì)指導(dǎo)施肥灌溉，當(dāng)壟中心20 cm深度處的土壤水基質(zhì)勢(shì)低于-15 kPa時(shí)進(jìn)行施肥灌溉時(shí)，在馬鈴薯壟間挖魚(yú)鱗坑，能有效地改善根區(qū)土壤水分狀況，促進(jìn)馬鈴薯的生長(zhǎng)，不僅馬鈴薯增產(chǎn)22.1%～33.3%，還使肥料偏生產(chǎn)力提高了33.3%～36.8%。

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