武朝寶

(山西省汾河灌溉管理局中心試驗(yàn)站，山西 文水 032107)

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山西省臨縣馬鈴薯需水量變化規(guī)律及灌溉制度試驗(yàn)研究

武朝寶

(山西省汾河灌溉管理局中心試驗(yàn)站，山西 文水 032107)

通過山西省臨縣湫水河灌區(qū)灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行馬鈴薯需水量變化規(guī)律及灌溉制度試驗(yàn)。分析在該地區(qū)氣候條件下馬鈴薯需水量與需水規(guī)律、種植灌水與產(chǎn)量同，以及耗水量與產(chǎn)量之間的關(guān)系。試驗(yàn)得出：馬鈴薯耗水強(qiáng)度在發(fā)芽期為1.13～3.09 mm/d，幼苗期為2.99～4.31 mm/d，塊莖形成期為4.03～5.51 mm/d，塊莖增長期為4.30～5.73 mm/d，淀粉積累期降為2.42～3.40 mm/d。試驗(yàn)還提出馬鈴薯在不同生育階段比較適宜的土壤水分控制下限，以及較為合理的灌溉制度，同時(shí)計(jì)算得出馬鈴薯各個(gè)生育階段的作物系數(shù)Kc值。

馬鈴薯；需水量；灌溉制度；作物系數(shù)；灌溉試驗(yàn)

馬鈴薯在我國北方地區(qū)有較大面積的種植，特別是在山西北部和西北高寒山區(qū)種植面積較為廣。2015年在山西省臨縣進(jìn)行了馬鈴薯需水量變化規(guī)律及灌溉制度試驗(yàn)，目的就是通過不同土壤水分下限控制處理，試驗(yàn)得出該地氣候和種植條件下馬鈴薯需水量與需水規(guī)律，以及馬鈴薯種植灌水與產(chǎn)量之間、耗水量與產(chǎn)量之間的關(guān)系，分析得出馬鈴薯適宜的灌溉控制指標(biāo)、節(jié)水高效灌溉制度。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2015年5月～10月在山西省臨縣白文鎮(zhèn)曜頭村進(jìn)行，平均海拔高程1 055 m。試驗(yàn)田土質(zhì)為輕壤土，田面平整，肥力均勻，0～100 cm土層平均干容重為1.18 g/cm3，田間持水量22.79%(重量%)，有機(jī)質(zhì)含量0.65%，全氮量0.019%，有效磷5.9 ppm，地下水礦化度0.04 g/L，試驗(yàn)期平均地下水埋深5.5 m。試驗(yàn)田灌溉采用兩種水源，分別是湫水河河水和井水。

該地屬大陸性半干旱氣候類型，多年平均氣溫9.0℃，年平均降雨量501.3 mm，多年平均水面蒸發(fā)量2 163.3 mm(Φ20 cm蒸發(fā)皿)，0°C以上有效積溫3 854.7℃，年無霜期190 d左右。

1.2 處理設(shè)計(jì)

根據(jù)馬鈴薯生長發(fā)育特點(diǎn)，將馬鈴薯全生育期劃分為發(fā)芽期、幼苗期、塊莖形成期、塊莖增長期和淀粉積累期五個(gè)時(shí)期。并依據(jù)歷史研究資料，將馬鈴薯全生育期劃分為需水關(guān)鍵期和非關(guān)鍵期兩個(gè)部分，馬鈴薯塊莖增長期為需水關(guān)鍵期，其余四個(gè)時(shí)期為非需水關(guān)鍵期。需水關(guān)鍵期設(shè)田間持水量(以下簡稱田持)的55%和70%兩個(gè)水分控制下限，非需水關(guān)鍵期設(shè)田持的50%和65%兩個(gè)水分控制下限；另外設(shè)全生育期供水不足(50%田持)、供水中等(60%田持)和供水充足(70%田持)的處理各1個(gè)，總處理數(shù)為2×2+3=7個(gè)。計(jì)劃層控制深度100 cm。試驗(yàn)設(shè)計(jì)處理情況詳見表1。

試驗(yàn)田總面積8畝，試驗(yàn)小區(qū)長22 m，寬3 m，面積66 m2，每個(gè)處理重復(fù)3次，共有試驗(yàn)小區(qū)21個(gè)，隨機(jī)排列。試驗(yàn)小區(qū)四周圍設(shè)寬度5 m的保護(hù)區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)周邊設(shè)寬度1 m的保護(hù)帶。

表1 馬鈴薯試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)表 %

注：表中數(shù)字為土壤水分控制下限,為土壤水分占田持百分比。當(dāng)計(jì)劃土層的平均含水率達(dá)到這一數(shù)值后，則灌溉至田間持。

1.3 耕作管理情況

馬鈴薯品種為農(nóng)家自留種，種皮顏色黃色，前茬為春玉米。播種前機(jī)耕，施圈肥5 m3/畝，碳銨100 kg/畝，磷肥50 kg/畝。馬鈴薯于5月21日播種，播種量100 kg/畝，采用人工穴播，行距50 cm，株距33 cm，當(dāng)年10月4日收獲。生長期間噴灑除蟲農(nóng)藥1次，中耕鋤草3次。

1.4 測試內(nèi)容

1)灌水量：按試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)的控制下限控制灌水，用直角三角堰觀測記錄灌水量。

2)土壤含水率：烘干稱重法測定各處理土壤含水率，深度100 cm，每20 cm一層，分5個(gè)層次。觀測日期在每個(gè)生育階段開始日期，以及生育期中間每旬開始的第一天，以及在灌水前后和降雨量大于30 mm時(shí)觀測土壤含水率。

3) 氣象要素：日平均溫度、日平均最高溫度、日平均最低溫度、相對濕度、降雨量等五項(xiàng)氣象要素在試驗(yàn)田觀測，平均風(fēng)速與日照時(shí)數(shù)采用的是毗鄰縣氣象觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

4)地下水埋深：試驗(yàn)區(qū)設(shè)有觀測井，每5 d觀測記錄地下水埋深。

5)生育性狀：對馬鈴薯生長過程中的主要生育特征出現(xiàn)進(jìn)行調(diào)查記錄，以反映其生長發(fā)育過程。同時(shí)在不同生育階段觀測主要生育性狀，包括株高、葉面積等。

6)產(chǎn)量構(gòu)成因子：主要調(diào)查馬鈴薯的畝株數(shù)、株薯塊重、屑薯重、屑薯率、理論產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量、生物學(xué)產(chǎn)量等。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同灌水下限設(shè)計(jì)處理灌水量與土壤水分動態(tài)變化分析

表2 馬鈴薯不同處理灌水表

由于不同的控制下限，各處理總灌水次數(shù)、灌水時(shí)間和灌水定額各不相同。在馬鈴薯播種前5月13日對所有處理小區(qū)進(jìn)行了土壤含水率觀測，觀測結(jié)果是處理1、2、4和6的設(shè)計(jì)計(jì)劃控制土層深度的土壤水分發(fā)芽出苗期設(shè)計(jì)的下限范圍以內(nèi)，處理3、4和7的計(jì)劃控制土壤層土壤水分低于設(shè)計(jì)的控制下限，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對處理3、4和7這三個(gè)處理進(jìn)行了播前灌水。灌水量分別是109 mm、112 mm和107 mm。

在馬鈴薯生長期間，依據(jù)土壤水分觀測結(jié)果和處理設(shè)計(jì)下限分別對不同的處理進(jìn)行了灌水。表2是試驗(yàn)各個(gè)處理灌水結(jié)果表。結(jié)果顯示，處理1和5下限控制低，灌水次數(shù)和灌水量最少，都是灌水1次，灌溉定額142 mm和153 mm；處理3、4、7控制下限值較高，灌水次數(shù)和灌水量最多，都是灌水3次，灌溉定額分別是343 mm、308 mm和296 mm；處理2和6介于二者之間，均灌水2次，灌溉定額分別是225 mm和252 mm。

依據(jù)土壤水分觀測結(jié)果以及不同的土壤水分控制線，繪制了試驗(yàn)不同處理土壤水分變化曲線圖(見圖1)。由圖可以看出，各處理馬鈴薯生長全期土壤水分基本都在50%田持和田持之間浮動徘徊，處理1、2和5的馬鈴薯在發(fā)芽期、苗期和塊莖形成前期，其土壤水分都保持在60%田持和70%田持之間；處理6馬鈴薯在幼苗期土壤水分保持在60%和田持70%田持之間，進(jìn)入幼苗期以后，由于進(jìn)行了灌水，土壤水分增加，之后土壤水分保持在70～80%田持之間；處理3、4和7，由于其土壤水分控制下限設(shè)計(jì)比較高，這三個(gè)處理的土壤水分從始至終一直都較高，保持在65%田持以上水平。結(jié)果證明試驗(yàn)確實(shí)達(dá)到了水分下限控制的目的。

圖1 馬鈴薯各處理生長期土壤水分動態(tài)變化圖

2.2 不同處理各生育階段耗水結(jié)果分析

由于地下水埋深較深，所以不考慮地下水補(bǔ)給，同時(shí)也不計(jì)徑流量，根據(jù)水量平衡方程計(jì)算出得了馬鈴薯不同處理各生育階段耗水量、日均耗水強(qiáng)度和模系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3可以看出，馬鈴薯不同處理的總耗水量以及各生育階段耗水量、日均耗水強(qiáng)度各不相同，變化很大。由于處理3和處理7下限控制高，供水比較充分，耗水狀況比較接近，在所有7個(gè)處理中，這兩個(gè)處理的階段耗水量和耗水強(qiáng)度比其他5個(gè)處理都大。處理1和處理5水分下限控制較低，這兩個(gè)處理各種耗水情況接近，在所有處理中，這兩個(gè)處理的階段耗水量、耗水強(qiáng)度和總耗水量最小。其它處理2、處理4和處理6三個(gè)處理的耗水情況相近，在所有處理中，耗水情況處于中間位置。

從各處理的馬鈴薯不同生育階段耗水量結(jié)果進(jìn)行比較分析，馬鈴薯的耗水規(guī)律是：發(fā)芽出苗期31 d，在馬鈴薯一生中該階段耗水強(qiáng)度最小，耗水強(qiáng)度為1.13～3.09 mm/d，模系數(shù)8.0%～16.6%；幼苗期25 d，耗水強(qiáng)度有所增加，為2.99～4.31 mm/d，模系數(shù)17.5%～19.8%；塊莖形成期16 d，耗水強(qiáng)度又有所增大，為4.11～5.51 mm/d，模系數(shù)13.5%～16.6%；塊莖增長期31 d，耗水強(qiáng)度最大，為4.30～5.73 mm/d，模系數(shù)25.7%～36.0%；淀粉積累期33 d，耗水強(qiáng)度減小，為2.42～3.40 mm/d，模系數(shù)18.6%～24.8%。

分析說明，馬鈴薯是需水較多的作物，但不同階段需水量不一樣。發(fā)芽期，馬鈴薯塊莖自身中有供給萌芽用的水分，耗水主要是以地面蒸發(fā)為主，耗水占全生育期的8.0%～16.6%；幼苗期，苗小，氣溫低，需水少，約占全生育期的17.5%～19.8%。塊莖形成期是馬鈴薯營養(yǎng)生長和生殖生長都開始增加、上升的時(shí)期，葉面積逐日增加，需水量加大，這一階段耗水量約占全生育期的13.5%～16.6%。塊莖增長期，馬鈴薯營養(yǎng)生長和生殖生長基本達(dá)到最旺盛的時(shí)期，對土壤水分的需求最大，地面蒸發(fā)最強(qiáng)烈，該生育期耗水量約占全生育期的25.7%～36.0%，綜合比較，這個(gè)階段的耗水量占馬鈴薯整個(gè)生育期耗水量比例最大。淀粉積累期耗水量約占全生育期的18.6%～24.8%，以常年試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，該期一般不需要過多的水分，水分過多反而會造成薯塊腐爛和儲存腐爛。

2.3 產(chǎn)量與耗水量關(guān)系結(jié)果分析

表4列出了不同處理馬鈴薯耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率試驗(yàn)結(jié)果，并且據(jù)此結(jié)果繪制出了馬鈴薯產(chǎn)量與全生育期耗水量(ET)、以及產(chǎn)量與水分利用效率(WUE)的關(guān)系圖，見圖2。

通過對不同處理馬鈴薯耗水量與產(chǎn)量、耗水量與水分利用效率回歸分析，得出馬鈴薯耗水量與產(chǎn)量之間回歸關(guān)系式為：

y = -1.253 3ET2+1 249.8ET-276 541(R2=0.687 1)

(1)

式中：y為馬鈴薯經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，kg/hm2；ET為馬鈴薯總耗水量，mm。

馬鈴薯耗水量與水分利用效率之間回歸關(guān)系式為：

WUE=-0.002 7ET2+2.561 8ET-537.7(R2=0.606 1)

(2)

式中：WUE為馬鈴薯水分利用效率，kg/mm；ET為馬鈴薯生育期總耗水量，mm。

表3 試驗(yàn)不同處理馬鈴薯各生育階段耗水結(jié)果

表4 不同處理馬鈴薯耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率試驗(yàn)結(jié)果

1)由馬鈴薯產(chǎn)量與耗水量關(guān)系回歸函數(shù)關(guān)系時(shí)計(jì)算得出，馬鈴薯在產(chǎn)量最高點(diǎn)對應(yīng)的耗水量值是498.6 mm，約為500 mm。說明馬鈴薯耗水量在低于或者高于此，產(chǎn)量都會減低，即供水過少或過多都不會獲得高產(chǎn)。

2)從馬鈴薯水分利用效率(WUE)隨耗水量的變化過程分析，其變化規(guī)律相同，同樣呈二次拋物線特 圖2 馬鈴薯耗水量與產(chǎn)量、水分利用效率關(guān)系分析征，通過馬鈴薯耗水量與水分利用效率之間回歸函數(shù)關(guān)系式計(jì)算，WUE的最高點(diǎn)對應(yīng)的耗水量值為474.4 mm，約475 mm。與最高產(chǎn)量值對應(yīng)的耗水量值二者不一致。因此，從既能獲得高產(chǎn)，又能獲得比較高的水分利用效率的節(jié)水高產(chǎn)節(jié)點(diǎn)分析，馬鈴薯耗水量以在此兩個(gè)值之間比較為宜，即耗水量在475～500 mm之間。

圖2 馬鈴薯耗水量與產(chǎn)量、水分利用效率關(guān)系圖

結(jié)合表4結(jié)果比較分析，全生育期控制 60%田持的處理6，其產(chǎn)量(31 115 kg/hm2)雖然不是最高，低于處理3產(chǎn)量(31 425 kg/hm2)，是所有處理第二高產(chǎn)處理，但是水分利用效率(71.09 kg/mm· hm2)是所有處理中最高的。處理3雖然產(chǎn)量最高，但其水分利用效率較低，僅為55.91 kg/mm· hm2。處理7由于水分下限控制高，所以它的耗水量在7個(gè)處理中最高，但產(chǎn)量在第5位，說明產(chǎn)量與耗水量之間的關(guān)系不是成正比關(guān)系。只能說是在一定耗水量范圍內(nèi)，產(chǎn)量隨耗水量增大而增加，達(dá)到一定值后，耗水量增加，產(chǎn)量開始減小。

2.4 馬鈴薯灌溉制度結(jié)果分析

由上述分析知，處理6的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和水分利用效率和其它處理相比都是最高的，其灌溉制度是在馬鈴薯生長幼苗期灌水1次，灌水定額119 mm；塊莖增長末期、淀粉累積初期灌水1次，灌水定額133 mm，灌溉定額252 mm。其土壤水分在生育前期保持在60%～70%田持，后期保持在70%～80%田持，這種模式不但能獲得教高的產(chǎn)量，同時(shí)水分利用效率極高。

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，當(dāng)年試驗(yàn)氣候條件下馬鈴薯生育期內(nèi)總有效降雨量為318.0 mm，依據(jù)上述馬鈴薯生產(chǎn)適宜耗水量在475～500 mm，根據(jù)水量平衡方程分析，馬鈴薯整個(gè)生育期需補(bǔ)充灌溉水量157～182 mm，平均170 mm，參照處理6結(jié)果，灌溉次數(shù)上分2次灌溉，灌溉時(shí)間選擇，第一次灌水時(shí)間在苗期，第二次在塊莖增長末到淀粉累積初之間，灌水定額85 mm。

2.5 馬鈴薯作物系數(shù)計(jì)算結(jié)果

作物系數(shù)是指不同發(fā)育期中需水量與可能蒸散量之比值(Kc)。本試驗(yàn)中，通過綜合分析，以處理6馬鈴薯耗水量做為該作物當(dāng)年需水量ET，再根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料，用彭曼公式計(jì)算ET0，然后計(jì)算得出當(dāng)年條件下馬鈴薯作物系數(shù)，結(jié)果見表5。

表5 馬鈴薯作物系數(shù)(Kc)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，Kc值在馬鈴薯生長過程中的變化規(guī)律是小到大，在發(fā)育期小，后逐漸增大，在馬鈴薯生長旺盛時(shí)期的塊莖增長期和淀粉積累期達(dá)到最大，淀粉積累期達(dá)到最大值1.88。

3 結(jié)語

(1)在當(dāng)年試驗(yàn)條件下，馬鈴薯生育階段耗水強(qiáng)度分別是發(fā)芽期1.13～3.09 mm/d，幼苗期2.99～4.31 mm/d，塊莖形成期4.03～5.51 mm/d，塊莖增長期達(dá)到最大值4.30～5.73 mm/d，淀粉積累期降為2.42～3.40 mm/d。

(2)馬鈴薯產(chǎn)量、水分利用效率與耗水量的關(guān)系均符合二次函數(shù)拋物線特征，馬鈴薯節(jié)水高產(chǎn)的耗水量適宜范圍是475～500 mm。

(3)馬鈴薯在當(dāng)?shù)貧夂?、土壤及栽培模式下，一般年份，全生育期灌溉定額170 mm，分2次灌水，第一次灌水時(shí)間在幼苗期，第二次在塊莖增長末到淀粉累積初之間，灌水定額85 mm。

(4)馬鈴薯整個(gè)生育期土壤水分控制前期可保持在60%～70%田持，后期保持在70%～80%田持。依據(jù)以往試驗(yàn)結(jié)果，淀粉積累期可以適當(dāng)降低水分控制標(biāo)準(zhǔn)，可控制在60%～65%田持，可以防止和減少馬鈴薯在儲存時(shí)的腐爛發(fā)生。

(5)馬鈴薯作物系數(shù)(Kc)發(fā)芽期為0.33，幼苗期1.05，塊莖形成期1.53，塊莖增長期1.85，淀粉積累期1.88。

[1] 武朝寶，任罡，李金玉，等.馬鈴薯需水量與灌溉制度試驗(yàn)研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào).2009，(3).

2016-12-21

武朝寶(1969-)，男，山西平遙人，高級工程師，主要從事農(nóng)田水利和灌溉試驗(yàn)研究工作。

S275

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1004-1184(2017)03-0086-04