詹保成梁熠郭文忠李銀坤李亮

(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750000；2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097)

引言

馬鈴薯是我國第4大糧食作物，對保障我國糧食安全具有十分重要的作用。目前,我國馬鈴薯種植面積以及總產(chǎn)量居世界第1，我國馬鈴薯的主要種植區(qū)位于東北、內(nèi)蒙、華北和云貴等氣候較涼的地區(qū)。馬鈴薯對土壤的適應(yīng)范圍較廣，但最適合其生長的土壤是輕質(zhì)土壤，馬鈴薯根系入土較淺、結(jié)構(gòu)較松散，對土壤水分較敏感，在整個(gè)生育階段，特別是塊莖生長期，對水分的需求較大，需要充足的水分供給才能保證其正常生長，因此研究馬鈴薯整個(gè)生育期內(nèi)的需水規(guī)律尤為重要。然而，隨著全球水資源的日益緊缺，農(nóng)業(yè)灌溉用水在一定程度上受到了限制，迫切需要新的節(jié)水灌溉技術(shù)來提高馬鈴薯的水分利用效率，以期達(dá)到節(jié)水高產(chǎn)的目的。

由于我國淡水資源南北分布、東西分布不平衡，并且存在明顯的季節(jié)性差異，給我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來很大的制約因素，特別是我國西北內(nèi)陸地區(qū)，淡水資源極為稀缺，是影響西北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的限制因素。因此，探尋高效的節(jié)水灌溉技術(shù)，對于保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有十分重要的作用。植物不同生長階段對水分的需求是不同的，探尋植物生長對水分的需求規(guī)律，探尋糧食等作物最高產(chǎn)量下的最優(yōu)灌溉技術(shù)，對于解決水資源緊缺與糧食安全的矛盾十分關(guān)鍵。相對于傳統(tǒng)的漫灌技術(shù)，近些年滴灌、覆膜滴灌等技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，在節(jié)約了淡水資源的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了對作物的精準(zhǔn)化灌溉。

1 馬鈴薯需水規(guī)律研究

1.1 馬鈴薯不同生長階段的需水規(guī)律

水分是植物生長所必需的，植物主要通過根系吸收土壤中的水分，從而為地上部分的生長提供充足的水分。另外，植物根系對于氮磷鉀等營養(yǎng)元素的吸收也是以溶液的形式吸收，因此水分在一定程度上也影響營養(yǎng)元素的吸收利用效率。不同植物對于水分的需求不同，因此針對不同植物不同生長階段對于水分需求規(guī)律的研究，是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、節(jié)水灌溉的關(guān)鍵。節(jié)水灌溉的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是在植物需要水分的時(shí)候給予植物充足的水分，因此為了實(shí)現(xiàn)馬鈴薯的節(jié)水灌溉，研究馬鈴薯生長階段對于水分的需求規(guī)律十分重要。

植物不同生長階段對于水分的需求不完全相同，并且不同生長階段對于水分的敏感程度也不同，一般在植物生長的苗期和生殖生長階段，植物對于水分較為敏感，此時(shí)水分缺乏，可能嚴(yán)重影響植物的生長。馬鈴薯的生長階段主要分為發(fā)芽期、苗期、莖塊形成期、莖塊膨大期和淀粉積累[1]。有研究表明，馬鈴薯在不同的生長階段對于水分的需求不同，其中，莖塊膨大期(50%)>莖塊形成期(25%)>苗期(10%)=發(fā)芽期(10%)>淀粉積累期(5%)[2]。目前，農(nóng)業(yè)上主要以灌溉方式為作物生長補(bǔ)充必要的水分，但是不同區(qū)域氣候、降水量并不完全相同，因此不同區(qū)域馬鈴薯的灌溉制度也不完全相同。田英等對遼寧地區(qū)馬鈴薯生長階段的需水規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明，遼寧地區(qū)馬鈴薯苗期的需水量為整個(gè)生長周期需水量的10%～15%，莖塊形成期的需水量為23%～28%，莖塊膨大期的需水量為45%～50%，淀粉積累期的需水量為10%；并且對不同生長時(shí)期土壤含水率進(jìn)行研究，結(jié)果表明，苗期土壤最佳持水量為65%，莖塊形成期土壤最佳持水量為75%，莖塊膨大期土壤最佳持水量為80%，淀粉積累期的土壤最佳持水量為60%～65%[3]。武朝寶等對山西臨縣地區(qū)馬鈴薯不同生長階段的需水規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明，發(fā)芽期的需水量為8%～16.6%，苗期的需水量為17.5%～19.8%，莖塊形成期的需水量為13.5%～16.6%，莖塊膨大期的需水量為25.7%～36.0%，淀粉積累期的需水量為18.6%～24.8%；并對不同時(shí)期的土壤持水量進(jìn)行研究，生育期前期土壤持水量為60%～70%，生育后期土壤持水量為70%～80%[4]。陳秋帆等對云南地區(qū)春作馬鈴薯的需水規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明，云南地區(qū)馬鈴薯苗期的需水量為整個(gè)生長周期需水量的10.6%，莖塊形成期的需水量為23.3%，莖塊膨大期的需水量為58.0%，淀粉積累期的需水量為8.14%[5]。雖然不同地區(qū)氣候等條件不同，但是馬鈴薯不同生長階段對水分的需要量卻呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，即在馬鈴薯生長的前期需水量較少，隨著馬鈴薯進(jìn)入莖塊形成期，需水量顯著增大，并且在莖塊膨大期，需水量為整個(gè)生長期的最高峰，后期馬鈴薯對水分的需求量又開始逐漸降低。

1.2 節(jié)水灌溉對馬鈴薯生長的影響

節(jié)水灌溉是指在植物需要水分的時(shí)期為植物提供其生長需要的水量，并降低水分因?yàn)榈乇韽搅?、蒸發(fā)等引起的水分損失，從而使得水分的利用效率最高。滴灌是目前較為精準(zhǔn)的灌溉方式，與傳統(tǒng)的漫灌方式不同，滴灌通過輸水管道直接把水精準(zhǔn)輸送到植物根系，從而減少地表徑流和蒸發(fā)損耗，提高水分的利用效率[6]。而且滴灌能夠減少水分在土壤的下滲，能夠根據(jù)植物不同生長階段的根系分布，計(jì)算水分的入滲深度，從而精準(zhǔn)地計(jì)算其滴灌量和滴灌速率，使水分精準(zhǔn)到達(dá)植物根系區(qū)域。目前關(guān)于滴灌的研究很多，其中有研究表明,滴灌量和滴灌頻率是影響馬鈴薯生長的關(guān)鍵因素，并且滴灌頻率和滴灌量對不同生長階段的影響也不相同[7,8]。

江俊燕等對陜北地區(qū)灌溉量和灌溉周期對馬鈴薯生長的影響研究發(fā)現(xiàn)，灌溉周期和灌溉量對馬鈴薯的植株生長和產(chǎn)量具有不同的影響，灌溉量一定的情況下，灌溉周期越短，產(chǎn)量越高；而灌溉量越大、灌溉周期越長，植株生長越快。即通過少量多次的灌溉方式可以實(shí)現(xiàn)馬鈴薯的高產(chǎn)[9]。康躍虎等關(guān)于華北地區(qū)灌溉頻次對于馬鈴薯生長的影響研究發(fā)現(xiàn)，在灌溉量一定的條件下，灌溉頻次在2～8d1次的范圍內(nèi)，馬鈴薯的產(chǎn)量隨著灌溉頻次的增加顯著增加，并且對于水分的利用效率逐漸增高[10]。尹娟等關(guān)于寧夏地區(qū)灌溉量和灌溉次數(shù)對馬鈴薯生長的研究發(fā)現(xiàn)，灌溉量在0～300m3·hm-2時(shí)，灌溉次數(shù)在1～3次，馬鈴薯的株高、莖粗和產(chǎn)量隨著灌溉次數(shù)和灌溉量的增加而顯著增高[11]。

2 節(jié)水灌溉技術(shù)

2.1 控制性根區(qū)交替灌溉(APRI)

控制性根區(qū)交替灌溉(APRI)是一種使作物部分根系土壤保持濕潤狀態(tài)，而其它部分根系保持干燥狀態(tài)的一種節(jié)水灌溉技術(shù)[12]。目前在很多作物中廣泛應(yīng)用，APRI在保證作物正常光合作用的前提下，減少水分的損耗，提高水分的利用效率[13]。另外研究發(fā)現(xiàn)，APRI還能調(diào)節(jié)作物營養(yǎng)生長與生殖生長的平衡，促進(jìn)根系的吸水能力，從而綜合提高水分的利用效率。同時(shí)，利用APRI技術(shù)能夠顯著提高馬鈴薯對氮素等營養(yǎng)元素的吸收利用效率[14]。黃仲冬等對APRI灌溉方式對馬鈴薯生長發(fā)育的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明，與正常的滴灌方式相比，APRI灌溉方式水分灌溉量降低了25.8%，蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度降低了約15%，水分利用效率提高了27.5%，而馬鈴薯光合速率和產(chǎn)量基本沒有變化[15]。李平等研究也表明，滴灌或者溝灌條件下，與充分灌溉相比，APRI灌溉技術(shù)均對馬鈴薯的產(chǎn)量無明顯影響；溝灌條件下，APRI灌溉技術(shù)水分利用效率約提高45%；滴灌條件下，APRI灌溉技術(shù)水分利用效率約提高21%；另外，研究還發(fā)現(xiàn)，APRI灌溉技術(shù)顯著提高氮肥的利用效率，降低土壤，特別是30～60cm土層中氮肥的殘留量[16]。宿飛飛等對APRI灌溉技術(shù)對于馬鈴薯葉片超微結(jié)構(gòu)和生理生化指標(biāo)的影響進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，APRI灌溉技術(shù)顯著降低馬鈴薯葉片中的氣孔的密度，并且在干旱條件下能夠提前關(guān)閉氣孔，同時(shí)馬鈴薯體內(nèi)的抗氧化酶POD、SOD等含量顯著提高，抗旱能力顯著提高[17]。胡超等研究表明，APRI灌溉技術(shù)能夠顯著提高馬鈴薯的品質(zhì)，其中還原糖含量較低的馬鈴薯的油炸品質(zhì)較高，與傳統(tǒng)的灌溉方式相比，APRI灌溉方式馬鈴薯中還原糖的含量約降低20%；莖塊中淀粉、粗蛋白和可滴定酸的含量是衡量馬鈴薯品質(zhì)的重要指標(biāo)，其含量越高，意味著馬鈴薯的品質(zhì)較高，與傳統(tǒng)的灌溉方式相比，APRI灌溉方式的馬鈴薯莖塊中的淀粉含量約提高了1%，粗蛋白含量約提高了2%，可滴定酸含量約提高了4%[18]。

雖然控制性根區(qū)交替灌溉(APRI)在作物中的研究較多，很多研究也表明，APRI能夠顯著提高作物對水分的利用效率，能夠提高作物的抗旱能力，促進(jìn)作物根系的生長發(fā)育。但是目前在馬鈴薯中的研究成果還有待深入，如，如何確定最佳進(jìn)行APRI灌溉的時(shí)期等。目前多數(shù)的研究均在馬鈴薯莖塊形成期和莖塊膨大期進(jìn)行APRI灌溉，但是對于其它生育期的研究較少。另外，對于APRI灌溉的灌溉水量和灌溉頻率也需要根據(jù)不同區(qū)域不同土質(zhì)、降水等氣候條件進(jìn)行確定。

2.2 調(diào)虧灌溉技術(shù)

調(diào)虧灌溉技術(shù)(RDI)是指在植物的生長發(fā)育過程中，通過主動(dòng)為植物生長創(chuàng)造適度的缺水條件，從而對植物的生長發(fā)育進(jìn)行調(diào)節(jié)的灌溉方式。調(diào)虧灌溉技術(shù)的理論基礎(chǔ)主要有根冠通信理論、生長冗余理論、水分虧缺生長補(bǔ)償效應(yīng)以及作物有限水量最優(yōu)分配理論[19]。根冠通信理論即植物根系受到水分虧缺時(shí)，水分虧缺信號會(huì)同時(shí)傳遞到地上部分，進(jìn)而引起地上部分光合作用、呼吸作用等生理反應(yīng)發(fā)生相應(yīng)的變化[20]。生長冗余理論是指通過控制植物營養(yǎng)生長適當(dāng)生長，調(diào)整營養(yǎng)生長與生殖生長的關(guān)系，從而使作物產(chǎn)量達(dá)到最大值[21]。水分虧缺補(bǔ)償理論是指水分發(fā)生一定的虧缺，會(huì)促進(jìn)作物產(chǎn)量增加、品質(zhì)改良[22]。作物有限水量最優(yōu)分配理論是指通過合理的分配灌溉時(shí)期，從而使作物的產(chǎn)量及收益達(dá)到最大值[23]。目前很多研究表明，玉米、果樹上運(yùn)用調(diào)虧灌溉理論進(jìn)行灌溉，能夠顯著提高水分的利用效率[24,25]。

近些年，對于調(diào)虧灌溉理論在馬鈴薯中的研究也有很多。其中，薛道信等研究了不同生長時(shí)期水分虧缺對于馬鈴薯生長、產(chǎn)量以及品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，在苗期進(jìn)行水分虧缺對于馬鈴薯植株生長影響顯著；在馬鈴薯莖塊形成初期輕度缺水，對馬鈴薯產(chǎn)量無顯著影響，但是水分利用效率則顯著提高[26]。劉錦洋等研究表明，水分虧缺對于馬鈴薯莖塊膨大期的影響最大，其次是淀粉積累期，再則是莖塊形成期；與充分灌溉相比，適度的水分虧缺，馬鈴薯的產(chǎn)量約降低了7.16%，但是水分利用效率和灌溉水分利用效率卻提高了7.35%和13.18%，而且與品質(zhì)相關(guān)的淀粉、氨基酸、蛋白質(zhì)以及維生素C含量均顯著提高[27]。李炫臻研究了在馬鈴薯莖塊形成期、莖塊膨大期、淀粉積累期3個(gè)時(shí)期進(jìn)行輕度水分、中度水分虧缺以及水分虧缺后復(fù)水處理對于馬鈴薯生長的影響，結(jié)果表明，馬鈴薯莖塊形成期水分虧缺對于馬鈴薯產(chǎn)量的影響最小，并且能夠顯著提高水分利用效率，而其它時(shí)期水分虧缺則會(huì)嚴(yán)重降低馬鈴薯的產(chǎn)量[28]。

目前水分虧缺主要是以土壤含水量進(jìn)行評價(jià)，一般情況下，認(rèn)為土壤含水量在為田間持水量的55%～65%為輕度水分虧缺，而土壤含水量為田間持水量的45%～55%為中度水分虧缺，土壤含水量低于田間持水量的45%為重度水分虧缺，重度水分虧缺會(huì)嚴(yán)重影響馬鈴薯的生長發(fā)育以及降低馬鈴薯的產(chǎn)量[29-33]。

3 節(jié)水模式——膜下滴灌

膜下滴灌技術(shù)是將覆膜與滴灌技術(shù)相結(jié)合的灌溉方式。覆膜可以改變土壤的水熱條件，使土壤中水熱得到重新分布，覆膜土壤溫度一般會(huì)得到一定程度的升高，從而抑制部分蟲害和雜草的生長。近些年，對于膜下滴灌技術(shù)的研究和應(yīng)用有很多，滴灌能夠有效減少水分的地表徑流，能夠精準(zhǔn)地為植物根系補(bǔ)充水分；薄膜能夠減少土壤水分的蒸發(fā)，從而提高水分的高效利用[34]。

夏皖豫等對覆膜滴灌條件下土壤肥力進(jìn)行研究，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的灌溉方式相比，膜下滴灌通過提高土壤中脲酶、堿性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶以及纖維素酶的活性，從而提高了土壤中有機(jī)質(zhì)以及堿解氮和速效鉀等的含量，最終使馬鈴薯的產(chǎn)量約提高了107%[35]?？讉コ痰汝P(guān)于覆膜對土壤水熱以及馬鈴薯生長的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明，覆膜主要影響馬鈴薯苗期0～30cm土層的溫度，覆膜也主要影響苗期馬鈴薯的株高和莖粗，馬鈴薯生長后期由于植株對于太陽光的遮擋，導(dǎo)致覆膜的影響減弱；并且由于覆膜能夠減少土壤蟲害，因此能夠顯著提高馬鈴薯的商品率[36]。李夢露等就覆膜灌溉方式對馬鈴薯生長階段的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)灌溉方式相比，水分利用率約提高了65.0%，日平均溫度約提高了9.01%，馬鈴薯產(chǎn)量提高了1.09倍，與馬鈴薯品質(zhì)相關(guān)的淀粉含量、維生素C含量以及干物質(zhì)含量均顯著提高，與馬鈴薯抗逆性相關(guān)的可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白、還原糖等含量顯著下降[37]。李穎等研究相同灌溉總量條件下，不同灌溉時(shí)期不同灌溉量對馬鈴薯產(chǎn)量的影響，研究結(jié)果表明，在總灌水量為1725m3·hm-2條件下，不同灌溉處理對于馬鈴薯的產(chǎn)量沒有顯著影響，但是對于馬鈴薯中淀粉含量和脯氨酸含量影響較為顯著[38]。劉中良等研究膜下滴灌量對于馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，不同的灌溉量對植株高度、產(chǎn)量、品質(zhì)以及商品率等的影響存在差異[39]。井濤等對膜下滴灌方式下馬鈴薯對于氮肥吸收規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明，膜下滴灌方式下馬鈴薯對于氮肥的吸收規(guī)律呈現(xiàn)“慢-快-慢”的規(guī)律[40]。梁瀟等對膜下滴灌條件下馬鈴薯對于氮肥的利用效率進(jìn)行研究，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的灌溉方式相比，膜下滴灌顯著提高了氮肥的利用效率[41]。

膜下滴灌技術(shù)目前在我國農(nóng)業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用，覆膜能夠顯著提高土壤溫度，從而提高作物的有效積溫，有利于作物早種，提高土地利用效率，同時(shí)覆膜也能夠有效減少土壤病蟲害的發(fā)生以及防止雜草等生長。將覆膜技術(shù)與滴灌技術(shù)相結(jié)合，可以減少病蟲害，改善土壤水文條件，從而提高作物產(chǎn)量。但是，目前也有研究表明，膜的顏色可能對于土壤水文條件有所不同，其中透明的薄膜和黑色的薄膜對于土壤水分運(yùn)移的影響具有一定的差別。

4 總結(jié)與展望

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，馬鈴薯的種植需要考慮其綜合經(jīng)濟(jì)效益。馬鈴薯的總產(chǎn)量、馬鈴薯的商品率、品質(zhì)、水分利用效率等多因素共同決定馬鈴薯種植的綜合經(jīng)濟(jì)效益，因此在馬鈴薯節(jié)水灌溉研究中也需要綜合考慮這些因素，從而使節(jié)水灌溉技術(shù)更好地得到應(yīng)用。

隨著各個(gè)學(xué)科和各個(gè)領(lǐng)域高新技術(shù)的不斷發(fā)展，馬鈴薯種植節(jié)水技術(shù)也在不斷發(fā)生革新，各種新型實(shí)用技術(shù)逐漸進(jìn)入到馬鈴薯種植節(jié)水技術(shù)領(lǐng)域范疇。總體來說，今后的農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的發(fā)展會(huì)更明顯地體現(xiàn)出學(xué)科交叉及多技術(shù)融合滲透的基本特點(diǎn)。當(dāng)前最常用到的一些節(jié)水技術(shù)，總體來說學(xué)科交叉并不突出，相應(yīng)的研究也在進(jìn)行中。今后產(chǎn)生的一些新型節(jié)水技術(shù)中，會(huì)有更多生物學(xué)、作物學(xué)、土壤學(xué)、材料學(xué)、水利工程學(xué)、信息技術(shù)學(xué)等學(xué)科相互融合。這種學(xué)科間的融合交叉會(huì)讓很多具體問題解決起來更輕松，節(jié)水技術(shù)的綜合效能也會(huì)更高。