耿浩杰，尹 娟,2,3，吳 嬌，劉宇朝

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程中心，銀川 750021；3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021)

我國是馬鈴薯生產(chǎn)大國，據(jù)統(tǒng)計(jì)資料可知，2014年我國馬鈴薯種植面積高達(dá)約564.7 萬hm2，約占全世界馬鈴薯種植面積的29.6%，居于世界第一位[1]。與其他作物相比，馬鈴薯對水分非常敏感，在馬鈴薯生長過程中，必須有足夠的水分才能獲得較高的產(chǎn)量[2]。因此，研究馬鈴薯的耗水規(guī)律顯得極為重要。馬鈴薯耗水試驗(yàn)研究大多集中在西北干旱的甘肅、內(nèi)蒙古地區(qū)，但在寧夏，馬鈴薯耗水試驗(yàn)研究并不多見。寧夏中部干旱區(qū)，多年平均降雨量不足300 mm，年平均蒸發(fā)量為2 000 mm以上，水分虧缺嚴(yán)重，加之當(dāng)?shù)厮Y源匱乏，干旱已成為該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的重要限制因素[3]。本文通過田間試驗(yàn)，研究了不同灌水量對馬鈴薯生長指標(biāo)、耗水模系數(shù)、日耗水強(qiáng)度和水分利用效率的影響規(guī)律，旨在確定寧夏中部地區(qū)最優(yōu)的馬鈴薯灌溉制度和合理的灌水技術(shù)，為制定適合于西北干旱區(qū)馬鈴薯灌溉制度提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)研究于2017年4-10月在寧夏中部干旱帶的典型區(qū)域同心縣開展。試驗(yàn)田設(shè)在同心縣下馬關(guān)鎮(zhèn)五里墩村，地處寧夏中部干旱區(qū)的典型區(qū)域，海拔1 730 m，年平均降雨量不足300 mm，多集中在7-9月，屬大陸性干旱氣候，晝夜溫差大，日照時間長。試驗(yàn)地土壤各項(xiàng)理化性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)對象為“克新1號”，種植模式為膜下滴灌，采用黑色薄膜覆蓋，覆膜寬和膜間露地分別為1.2 m和0.6 m。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)。馬鈴薯灌溉定額設(shè)為3個處理：T1:25 L/株，總灌水量900 m3/hm2；T2:35 L/株，總灌水量1 260 m3/hm2；T3:45 L/株，總灌水量1 620 m3/hm2。每個處理還有3個重復(fù)，共9個試驗(yàn)小區(qū)。每次灌水分為3次，幼苗期灌灌溉定額25%的水量，塊莖形成期灌灌溉定額25%的水量，塊莖增長期灌灌溉定額50%的水量。每個小區(qū)長5 m，寬3 m，種植40顆馬鈴薯植株，株行距為0.5 m×0.55 m，馬鈴薯植株位于滴頭處。選用以過磷酸鈣(P2O575 kg/hm2)、硫酸鉀(K2SO4165 kg/hm2)為基肥，尿素(純氮 225 kg/hm2)多次施加的方式施肥，分別在幼苗期施30%的尿素，塊莖形成期施30%的尿素，塊莖增長期施40%的尿素。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

馬鈴薯生長指標(biāo):測定馬鈴薯不同生育期的株高、冠幅、莖粗。

作物耗水量根據(jù)農(nóng)田水量平衡法計(jì)算，水量平衡法計(jì)算公式為：

ETc=I+P-ΔS-R-D

(1)

式中：ETc為實(shí)際作物騰發(fā)量，mm；I為灌水量，mm；P為降水量，mm；R為地表徑流量，mm；D為深層滲漏量，mm；ΔS為土體貯水量變化量，mm。

土壤含水率：使用TDR儀器測定土壤含水率。

降雨量的測定：生育期間降雨量采用雨量器法測定。

產(chǎn)量的測定：測定產(chǎn)量時，以小區(qū)為單位分別測定9個小區(qū)的馬鈴薯鮮質(zhì)量。

水分利用效率計(jì)算公式為：

水分利用效率=產(chǎn)量/騰發(fā)量

(2)

式中：產(chǎn)量單位為kg/hm2，騰發(fā)量單位為mm。在本試驗(yàn)中土壤儲水量及耗水量均以1 m土層含水量計(jì)算。

采用Excel2010和DPS軟件處理和分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水處理后馬鈴薯根區(qū)土層含水率變化規(guī)律

從圖1中可以看出，全生育期各處理馬鈴薯根系分布區(qū)(20～80 cm)土壤土層含水率變化規(guī)律基本相似，都呈現(xiàn)著平穩(wěn)上升的趨勢。從20～40 cm土層來看，T1處理含水率為13.04%～18.98%，T2處理含水率為15.63%～20.81%，T3處理含水率為13.95%～19.25%，T2處理含水率較其他處理更大；從40～60 cm土層來看，T1處理含水率為11.34%～18.33%，T2處理含水率為14.19%～18.16%，T3處理含水率為12.70%～19.19%之間，三個處理含水率沒有明顯的差別；從60～80 cm土層來看，T1處理含水率為13.07%～18.74%，T2處理含水率為14.54%～18.87%，T3處理含水率為13.82%～20.30%，T3處理含水率較其他處理更大。馬鈴薯對土壤水分要求較高，因此要求全生育期馬鈴薯根區(qū)(20～80 cm)土壤水分充足，為馬鈴薯生長提供合適的濕度和溫度環(huán)境。根據(jù)秦軍紅等人的研究表明，馬鈴薯的主要耗水層在0～40 cm土層，且土壤體積含水率保持在20%左右可保證馬鈴薯較好生長，獲得較高產(chǎn)量；而土壤含水率低于15%時，馬鈴薯植株生長和產(chǎn)量均受到影響[4]。因此，本次試驗(yàn)中，T2處理的馬鈴薯根區(qū)含水率最優(yōu)。

圖1 全生育期20～40、40～60、60～80 cm土壤含水量變化圖

2.2 不同灌水量對馬鈴薯生長指標(biāo)的影響

2.2.1 不同灌水處理后馬鈴薯的生長指標(biāo)變化規(guī)律

從圖2可以看出不同灌溉處理下馬鈴薯株高、莖粗和冠幅都在塊莖增長期達(dá)到了最大值，并在淀粉積累期趨于平穩(wěn)甚至出現(xiàn)了下降的現(xiàn)象。在株高方面，T2處理>T3處理>T1處理，T2處理在塊莖增長期達(dá)到最大值，為40.3 cm，比T1處理大12.7%，比T3處理大8.2%；在莖粗方面，T2處理>T1處理>T3處理，T2處理在塊莖增長期達(dá)到最大值，為14.4 mm，比T1處理大9.7%，比T3處理高10.4%；在冠幅方面，T2處理>T1處理>T3處理，T2處理在塊莖形成期達(dá)到最大值，為48.7 cm，比T1處理大13.3%，比T3處理高18.0%。三個生長指標(biāo)都表現(xiàn)為T2處理為最優(yōu)處理，馬鈴薯長勢最好。

圖2 不同灌溉處理?xiàng)l件下馬鈴薯株高、莖粗、冠幅動態(tài)變化圖

2.2.2 馬鈴薯根區(qū)含水率和馬鈴薯生長指標(biāo)的相關(guān)分析

馬鈴薯根系主要分布在20～40 cm土層，部分根系可深入至60～80 cm土層。從圖1和圖2中可以看出T2處理在20～40 cm土層含水率較其他處理高，并且在株高、莖粗和冠幅這3個生長指標(biāo)方面來看，它也是最優(yōu)處理，所以T2灌溉處理下，馬鈴薯根區(qū)含水率有利于馬鈴薯植株的生長。T1處理因?yàn)楣喔榷~過小的原因，下滲到20～40 cm土層的水分較少；T3處理雖然在灌溉定額上大于T2處理的灌溉定額，但是T3處理的水分因?yàn)橹亓Φ淖饔脮^續(xù)向40～80 cm土層下滲，造成深層滲漏和水資源浪費(fèi)，甚至一些移動性較強(qiáng)的養(yǎng)分也會隨水分流失或者下滲到深層土壤，從而使馬鈴薯的主要根系土層內(nèi)沒有足夠的水分和養(yǎng)分。如果在馬鈴薯的敏感期(塊莖增長期)提供不了適宜的水分，則會影響馬鈴薯的產(chǎn)量和品質(zhì)。因此，過小或過大的灌溉定額都不利于馬鈴薯的生長。

2.3 不同灌水量對馬鈴薯耗水規(guī)律的影響

2.3.1 不同灌水處理下馬鈴薯的耗水模系數(shù)

耗水模系數(shù)k是指作物在某一生育階段耗水量占整個生育期總耗水量的比例。日耗水強(qiáng)度和生育階段長短是影響k的大小的2個主要因素。

從表2可知，馬鈴薯全生育階段耗水模系數(shù)呈現(xiàn)塊莖增長期>塊莖形成期>幼苗期>淀粉積累期的現(xiàn)象。幼苗期時，氣溫低，植物蒸騰作用較小，所以耗水量低；塊莖形成期時，主要是植物根系生長和枝葉生長，耗水量少；塊莖增長期，是馬鈴薯塊莖的主要生長階段，耗水量比較大，平均要占總耗水量的35%左右；淀粉積累期，馬鈴薯塊莖膨大結(jié)束，需水量較塊莖增長期少。各階段耗水量呈現(xiàn)出先增大再減小的趨勢。相同生育階段，呈現(xiàn)出的規(guī)律總體上是灌溉用水越大，耗水越大。T1處理馬鈴薯總耗水量最小，為207.7 mm，在塊莖增長期耗水模系數(shù)達(dá)到了41.8%，但到了淀粉積累期耗水模系數(shù)明顯降低，這是因?yàn)楣喔榷~較小，淀粉積累期出現(xiàn)了水分虧欠的原因；T3灌溉定額大，馬鈴薯根區(qū)土壤水分能夠滿足馬鈴薯淀粉積累期的蓄水要求，所以T3處理的淀粉積累期的耗水量下降較少。從顯著性分析方面來看，T1處理的耗水量在各處理耗水量中極顯著，且明顯小于T2處理，說明灌水越少，對馬鈴薯的耗水量影響越大。

表2 馬鈴薯在不同灌水條件下各生育階段的耗水量和耗水模系數(shù)表

注：表中同行上標(biāo)大寫字母不同表示差異極顯著(P<0.01)，小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

2.3.2 不同灌水量對馬鈴薯的日耗水強(qiáng)度的影響

從圖3可以看出，馬鈴薯日耗水強(qiáng)度總體上保持一個先增大后減小的趨勢[5]。幼苗期時，溫度低，馬鈴薯植株矮小且只有少量葉片，田間耗水主要以株間蒸發(fā)為主。塊莖形成期時，隨著溫度升高和植株的生長，日耗水強(qiáng)度也因?yàn)槿~片的增加而升高，這時田間耗水轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀~片蒸騰為主。塊莖增長期時，馬鈴薯塊莖快速膨大，株間蒸發(fā)和葉面蒸騰均達(dá)到最大值，日平均耗水強(qiáng)度達(dá)到3.4 mm/d，此期為馬鈴薯的關(guān)鍵耗水期。進(jìn)入淀粉積累期，葉片也逐漸凋零，日耗水強(qiáng)度也逐漸下降。受土壤水分的影響，自塊莖形成期起，各測定時期處理間的耗水強(qiáng)度均存在較大差異。土壤水分最大的T3處理在塊莖形成期、塊莖增大期、淀粉積累期日耗水強(qiáng)度最高，分別為:2.84、3.45、1.78 mm/d，土壤水分最小的T1處理在各測定時期日耗水強(qiáng)度均最小，分別比最高的T3處理低43.5%、3.33%、44.6%。

圖3 不同灌溉處理馬鈴薯日耗水強(qiáng)度變化過程圖

2.3.3 不同灌水量對馬鈴薯的水分利用效率的影響

水分利用效率反映了作物耗水與干物質(zhì)生產(chǎn)之間的關(guān)系，它是衡量節(jié)水與否的重要指標(biāo)，馬鈴薯在全生育期水分利用效率可用式(2)計(jì)算。

表3 覆膜馬鈴薯生育期的耗水量、產(chǎn)量及水分利用效率表

注：表中同行上標(biāo)大寫字母不同表示差異極顯著(P<0.01)，小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

從表3可以看出處理2的水分利用效率最高，產(chǎn)量最高，處理1的水分利用效率和產(chǎn)量次之，處理3的水分利用效率最差，產(chǎn)量最少。說明灌水量越大，水分利用效率不一定越大，產(chǎn)量不一定會增加。T2處理灌溉定額適中，水分利用效率最高，是最優(yōu)處理。從顯著性分析結(jié)果來看，T3處理的水分利用效率在各處理水分利用效率中極顯著，且明顯小于T2處理，說明灌水越多，對馬鈴薯的水分利用效率影響越大。

2.4 不同灌水量對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

由表4方差分析可知，T2處理的產(chǎn)量在各處理的產(chǎn)量中極顯著(P<0.01)。對試驗(yàn)點(diǎn)不同灌水處理下的馬鈴薯進(jìn)行測產(chǎn)，依據(jù)測產(chǎn)結(jié)果繪制產(chǎn)量分布圖(圖4)。從圖4可以看出，不同灌水處理下馬鈴薯產(chǎn)量不同，其中T1灌溉定額最小且產(chǎn)量為16.27 t/hm2，T2產(chǎn)量最高，為25.88 t/hm2，處理3產(chǎn)量最低，僅為11.71 t/hm2，且處理3的灌溉定額最大。說明灌溉定額在一定范圍內(nèi)可以促進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)量的增加，但是當(dāng)灌溉定額超過1 260 m3/hm2時，產(chǎn)量與灌溉定額呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表4 馬鈴薯產(chǎn)量方差分析表

圖4 各灌水處理下馬鈴薯產(chǎn)量變化圖

2.5 不同灌水量對馬鈴薯品質(zhì)的影響

除了馬鈴薯的產(chǎn)量、耗水和水分利用效率以外，馬鈴薯品質(zhì)也是評價馬鈴薯灌水處理的一個重要指標(biāo)。馬鈴薯品質(zhì)指標(biāo)主要包括還原糖、淀粉和干物質(zhì)三種指標(biāo)。

表5為馬鈴薯品質(zhì)含量表，圖5為馬鈴薯品質(zhì)指標(biāo)圖。從還原糖含量上看，T1>T2>T3，且T1處理的還原糖含量極顯著地高于其他處理的還原糖含量，說明灌溉定額越小越有利于還原糖的積累；從淀粉含量上看，T2>T1>T3，且T3處理的淀粉含量極顯著地低于其他處理的淀粉含量，說明灌溉定額越大，并不一定有利于淀粉的積累，反而會對淀粉的積累起負(fù)效應(yīng)；從干物質(zhì)上看，T2>T1>T3，說明灌溉定額越大，也不利于干物質(zhì)的積累。因此綜合來看，適宜的灌溉定額有利于馬鈴薯良好品質(zhì)的形成，過大或過小的灌溉定額都會對馬鈴薯的品質(zhì)造成負(fù)效應(yīng)。在本次試驗(yàn)中，T2處理灌溉定額適中，有利于馬鈴薯良好品質(zhì)的形成，是最優(yōu)處理。

表5 馬鈴薯品質(zhì)含量表

注：表中同行上標(biāo)大寫字母不同表示差異極顯著(P<0.01)，小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

圖5 馬鈴薯品質(zhì)指標(biāo)圖

3 結(jié) 論

(1)合理的馬鈴薯根區(qū)土壤含水率有利于馬鈴薯生長指標(biāo)的生長，同時也能為馬鈴薯根系提供一個適合的濕度和溫度環(huán)境。本次試驗(yàn)在T2處理下，即馬鈴薯根區(qū)土壤含水率為15.63%～20.81%時，馬鈴薯的生長指標(biāo)最佳，所以T2處理是本次試驗(yàn)的最優(yōu)處理。

(2)馬鈴薯在全生育期需水較多，但不同生育階段耗水也不同。在寧夏中部地區(qū)，馬鈴薯幼苗期耗水量約占全生育期耗水量的20%左右；塊莖形成期耗水量約占全生育期耗水量的25%左右；塊莖增長期耗水量約占全生育期耗水量的35%左右；淀粉積累期耗水量約占全生育期耗水量的20%左右。從日耗水強(qiáng)度上看，馬鈴薯的耗水規(guī)律總體上是前期耗水強(qiáng)度小，中期逐漸變大，后期又減少的趨勢，這與劉戰(zhàn)東等人的研究結(jié)果一致[5]。

(3)合理的灌溉定額有利于提高馬鈴薯的水分利用效率、產(chǎn)量和品質(zhì)。本次試驗(yàn)在T2處理下，馬鈴薯的水分利用效率最高，產(chǎn)量最高，品質(zhì)最好，所以T2處理是本次試驗(yàn)的最優(yōu)處理，即灌溉定額設(shè)為1 260 m3/hm2(35 L/株)，補(bǔ)水時期設(shè)為幼苗期、塊莖形成期和塊莖增長期，補(bǔ)水量分別占灌溉定額的25%、25%和50%。

4 討 論

根據(jù)李文證等人的研究表明，最優(yōu)的寧夏中部地區(qū)馬鈴薯灌溉定額是1 036.27 m3/hm2(35 L/株)，補(bǔ)水時期為幼苗期、塊莖形成期和塊莖增長期，補(bǔ)水量分別占灌溉定額的25%、25%和50%[6]。但他們得出的結(jié)論是通過4因素10水平的均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)，而建立的馬鈴薯干物質(zhì)生產(chǎn)量與灌溉定額的回歸模型得出的，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際有所差距，試驗(yàn)結(jié)果有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。因此本次試驗(yàn)在李文證等人的研究基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)脑黾臃N植密度，設(shè)置了T1:25 L/株，總灌水量900 m3/hm2；T2:35 L/株，總灌水量1 260 m3/hm2；T3:45 L/株，總灌水量1 620 m3/hm2三個灌水梯度，探究寧夏中部地區(qū)最佳的馬鈴薯灌溉定額。根據(jù)前面章節(jié)可知，當(dāng)灌溉定額設(shè)為35 L/株，總灌水量1 260 m3/hm2時，產(chǎn)量最大，馬鈴薯植株長勢最好，這與李文證等人的研究成果一致。而黃彩霞等人則認(rèn)為，只有馬鈴薯全生育期灌溉定額設(shè)為1 350～1 950 m3/hm2，馬鈴薯產(chǎn)量才能達(dá)到58 392～68 008 kg/hm2的水平[7]。同時，夏騰霄等人在內(nèi)蒙古河套地區(qū)通過膜下滴灌馬鈴薯大田試驗(yàn)探究得出，馬鈴薯全生育期灌溉定額設(shè)為1 650 m3/hm2時產(chǎn)量最高[8]。雖然黃彩霞和夏騰霄等人得出的最優(yōu)灌溉定額和本次試驗(yàn)有所差距，但是在單株灌水量上，黃彩霞等人得出的最優(yōu)單株灌水量范圍為31～44 L/株，夏騰霄等人得出的最優(yōu)單株灌水量為35 L/株，這與本次試驗(yàn)結(jié)果相符，說明西北干旱地區(qū)馬鈴薯適宜單株灌水量為35 L/株左右。

根據(jù)寧夏中部干旱區(qū)的自然條件和氣候條件，綜合考慮以馬鈴薯優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和節(jié)水為目標(biāo)，選擇T2處理為最優(yōu)灌水制度，即灌溉定額為1 260 m3/hm2(35 L/株)，補(bǔ)水時期設(shè)為幼苗期、塊莖形成期和塊莖增長期，補(bǔ)水量分別占灌溉定額的25%、25%和50%。試驗(yàn)表明，這種灌水制度適合在寧夏中部地區(qū)推廣和使用。合理的灌溉制度有利于馬鈴薯的節(jié)水增產(chǎn)，而合理的施肥制度也有利于馬鈴薯的節(jié)水增產(chǎn)，而本次試驗(yàn)對施肥制度研究不夠。對于如何確定合理的施肥制度有待于進(jìn)一步試驗(yàn)研究。