沙地大型喷灌机施肥灌溉配套鱼鳞坑对马铃薯生长和水肥利用的影响研究

冯志文，康跃虎，万书勤，刘士平

(1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室，北京 100101；2.中国科学院大学，北京 100049)

内蒙古是我国马铃薯的主要生产基地之一，播种面积和总产量均居全国前三位，分别占到全国的10%以上[1]。内蒙古乌兰察布、鄂尔多斯地区光照充足、昼夜温差大，雨热同季，土壤多为沙地，非常适合马铃薯的生长。近年来，这些地区建立了许多规模化和集约化的马铃薯生产基地，引进了控制面积达数十公顷的大型喷灌机(中心支轴式喷灌机)进行马铃薯施肥灌溉[2]，提高了马铃薯的产量和品质。

但是引进大型喷灌机后，当地用户普遍仍按传统地面灌溉大水大肥的方式进行灌溉和施肥管理，长期大量地抽取地下水进行灌溉，致使当地地下水位持续下降；另外，沙质土壤保水保肥性差，在雨季或者过量灌溉时养分容易流失。缺乏大型喷灌机配套的水肥管理方式造成了当地水、肥的浪费，水肥利用效率低，马铃薯难以长期可持续生产。

另外，中心支轴式喷灌机在工作时，为了保证喷灌均匀度，喷头的喷灌强度设计从支轴开始向外逐渐增大，远离中心支轴一定距离后瞬时喷灌强度将达到强暴雨(100 mm/h)，容易产生短时间的地表径流[3,4]，喷灌施肥灌溉时养分也容易随着地表径流淋失，从而影响作物的生长与产量。因此与之配套的耕作管理措施非常重要。鱼鳞坑是一种水土保持措施，具有一定蓄水能力，可保土保水保肥，减少水分的径流损失[5-7]。

本试验主要研究内蒙古地区大型喷灌机(中心支轴式喷灌机)施肥灌溉条件下配套水土保持措施(鱼鳞坑)对马铃薯生长、水肥利用效率等的影响，以期为内蒙古地区大型喷灌机下马铃薯的水肥高效利用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗白泥井镇(110°28′E，40°18′N)，海拔约1 006 m，属于半干旱温带大陆季风气候。昼夜温差大，日照强烈，年均日照时数约3 100 h，年均气温6.1～7.1 ℃，年有效积温(≥10 ℃)为3 200 ℃左右，无霜期为135～150 d。年均降水量为240～310 mm，主要集中在7-9月份。蒸发量大，年均蒸发量约2 100 mm(约为降水量的6～9倍)。

土壤质地疏松，砂土，以粗砂粒为主，接近于流沙。1.2 m土层平均容量为1.52 g/cm3，田间持水量为15.5%，透水性强。土壤肥力一般，其根区主要化学性质见表1。

表1 供试土壤基本化学性质Tab.1 Chemical properties of the experiment soil

1.2 供试材料

供试马铃薯品种“夏波蒂”(2012年)和“费乌瑞它”(2013-2014年)。供试肥料为常规马铃薯专用复合肥(氮磷钾比例在2012年和2013-2014年分别为16-14-15和18-10-7)、尿素(46% N)和硝酸钾(13.9%N, 46.5%K)。

1.3 试验设计

在大型喷灌机模拟系统下开展试验研究。试验以常规不作任何措施为对照(CK)，于2012-2014年布置了一个鱼鳞坑处理(B)，每个处理重复3次。马铃薯起垄栽培，垄间距0.9 m，垄肩宽0.3 m，垄高0.3 m，垄上种植单行马铃薯，株距0.2 m。每个试验小区4条垄，每条垄长11.2 m。播种后15 d左右，在垄间挖鱼鳞坑，规格为0.2 m(长)×0.2 m(宽)×0.2 m(坑深)。鱼鳞坑间距0.25 m，相邻2条垄沟内的鱼鳞坑交错排列(图1)。

在小区垄中心20 cm深度处埋设一支负压计，监测土壤水基质势，马铃薯齐苗后根据土壤水基质势阈值进行灌溉，每次灌溉都进行追肥。2012年当土壤水基质势达到-25 kPa时开始施肥灌溉，每次灌水6～8 mm；根据2012的试验结果，2013和2014年调高土壤水基质势阈值和每次灌溉量，当土壤水基质势达到-15 kPa时开始施肥灌溉，每次灌水10 mm 左右，并且在降雨超过10 mm或者连续10天未进行灌溉时，为避免马铃薯关键生育期缺肥，采用喷灌进行追肥。

2012年，马铃薯5月13日播种，播种后沟施马铃薯专用复合肥(16-14-15)641.7 kg/hm2作为底肥，统一灌水3次，每次50 mm左右。从6月26日开始施肥灌溉，总追肥量为尿素746.7 kg/hm2，硝酸钾746.7 kg/hm2，9月19日收获。

2013年，马铃薯5月3日播种，播种后沟施马铃薯专用复合肥(18-10-7)1 500 kg/hm2，统一灌水40 mm左右，为保证出苗，之后又统一灌水5次，每次灌水8 mm左右。6月24日开始施肥灌溉，总追肥量为尿素27 kg/hm2，硝酸钾774 kg/hm2，9月20日收获。

2014年，马铃薯5月4日播种，统一灌水45 mm左右，为保证出苗，之后又统一灌水2次，每次灌水15 mm左右，6月28日开始施肥灌溉，总追肥量同2013年，尿素27 kg/hm2，硝酸钾774 kg/hm2，9月23日收获。

1.4 测定项目与方法

(1)降雨：在试验区中心位置安装雨量桶，测定每日降雨量。

(2)土壤水基质势：垄中心20 cm深度处埋设一支负压计，测定土壤水基质势。每天8∶00和15∶00观测负压计读数，并用来指导灌溉。

(3)生物量：马铃薯块茎膨大期，每小区选取2株代表性植株测定其鲜生物量。

(4)产量：马铃薯完全成熟后，每小区收获最中间2垄，称重测产。

(5)灌溉水利用效率(IWUE)：为单位面积马铃薯产量与总灌水量的比值。

(6)肥料偏生产力(PFP)：为单位面积马铃薯产量与施用肥料的总养分量(即氮磷钾的总和)的比值。

1.5 数据分析

采用Origin 9.0对数据进行处理并绘图，用SPSS 13.0统计分析软件进行t检验。

2 结果与分析

2.1 降雨量与累计灌水量

2012-2014年马铃薯整个生育期内的总降雨量分别为352.2、315.4和250.7 mm，其中60%～70%的降雨量集中在7-8月(图2)。2012-2014年生育期内分别共降雨37次、37次和31次，其中大到暴雨(≥25 mm)的次数各为6次、3次和3次。三年中，10 mm以上的降雨总量分别为232.4、246.0和181.4 mm，在沙地上极易引起养分的淋失[8]。

图2 2012-2014年马铃薯生育期内的降雨量和两个处理的累积灌水量Fig.2 Rainfall and cumulative irrigation for two treatments during potato growing period in 2012-2014

CK在2012-2014年整个生育期内的总灌水量分别为204.4、223.5和283.1 mm，B在三年内的累计灌水量分别为259.3、159.0和352.7 mm。2012年和2014年，B处理的灌水量比CK分别高出26.9%和24.6%，而2013年B的灌水量明显较少，比CK低28.9%，这可能是由于负压计埋设点的土壤空间变异性或者负压计的灵敏度差异造成的。

马铃薯苗齐后每次灌水时进行施肥，从图2可知，2012-2014年，CK的施肥灌溉次数分别为6、21和22次，平均每12、3和3 d追施1次。B处理在三年中的施肥灌溉次数分别为8、13和24次，平均每9、6和3 d施肥1次。除2013年外，B处理的施肥灌溉次数均比CK多2次，施肥频率较高。2012年马铃薯生育中后期降雨频繁，从7月中旬至8月底47 d内共降雨19次，且该时期内由负压计监测的土壤根区墒情良好，使得施肥灌溉次数明显减少，B处理最长18 d才灌溉施肥1次，这极易引起土壤根区养分缺乏。2013年，B处理的施肥灌溉次数比CK少8次，这可能是负压计埋设点的土壤存在较大的空间变异，或者负压计的灵敏度较差所致。

2.2 土壤水基质势

两个处理在15时的土壤水基质势变化情况如图3所示。马铃薯在2012-2014年整个生育期内，除了块茎形成期和块茎膨大期，因其日耗水量较大、灌溉不及时，导致其在个别时间出现土壤水基质势低于灌溉阈值的情况外，总体上两个处理在三年内马铃薯施肥灌溉阶段的大部分时间内都维持在灌溉阈值内，土壤水分状况良好。由于负压计读数采用人工定时观测，出现土壤水基质势低于-25 kPa(或者-15 kPa)的原因可能为当日8时的土壤水基质势未达到设定阈值而未进行灌溉，经过一上午的水分消耗，致使根区的土壤水基质势在15时观测时出现低于阈值的情况(8时数据未给出)。三年内，除了2012年和2014年幼苗期和块茎形成前期，B处理的土壤水基质势略低于CK外，在整个生育期内，B处理的土壤水基质势均高于CK，说明鱼鳞坑对地表径流有较好的调控作用，土壤含水量高且持续时间长，有利于水分在根区的保存，与在黄土高原坡地上的研究结果一致[9,10]。

图3 2012-2014年马铃薯生育期内水土保持处理的土壤水基质势变化Fig.3 Changes of soil matric potential of two treatments in 2012-2014

2.3 产量与水肥利用效率

由表2可知，马铃薯的单株鲜生物量、产量、IWUE和PFP在三年内表现出较大差异。2012年B处理的鲜生物量、产量比CK分别高19.6%和22.1%，IWUE略比CK低3.7%，PFP明显高于CK，比CK高36.8%；2013年B处理的鲜生物量、IWUE分别低于CK 57.2%和35.4%，而产量和PFP明显低于CK，比CK低54.2%和54.1%；2014年B处理的鲜生物量明显高于CK，是CK的3.2倍，产量、IWUE和PFP分别比CK高33.3%、7.0%和33.3%。总体上，2012年和2014年，B处理的鲜生物量、产量与水肥利用效率均优于CK，说明随着土壤水分条件的改善，采用鱼鳞坑整地可提高马铃薯的生物量，进而提高产量，这与漆喜林等的研究一致[11]。而2013年则表现出相反的情况，这可能是因为2013年B处理负压计埋设点的土壤空间差异或者负压计的灵敏度差异导致其在整个生育期的灌水量和施肥灌溉次数明显减少，使得马铃薯植株长势较弱，最终产量较低，进而水肥利用效率较低。

表2 水土保持措施对马铃薯产量、水分和肥料利用效率的影响Tab.2 Influence of scale-like pit tillage on potato yield, IWUE and PFP under LEPA fertigation

注：同一年同列下*表示两处理之间差异显著(P<0.05)。

另外，2013-2014年CK的产量均高于2012年，这可能是由于2012年负压计指导施肥灌溉的阈值较低，使得根区土壤水分状况不及2013-2014年，且施肥灌溉次数相对较少的缘故(图3)。

综上所述，在大型喷灌机进行施肥灌溉条件下，垄间挖鱼鳞坑能有效地促进马铃薯的生长，提高产量，改进水肥利用效率。

3 结 语

在大型喷灌机条件下，通过负压计指导施肥灌溉，当垄中心20 cm深度处的土壤水基质势低于-15 kPa时进行施肥灌溉时，在马铃薯垄间挖鱼鳞坑，能有效地改善根区土壤水分状况，促进马铃薯的生长，不仅马铃薯增产22.1%～33.3%，还使肥料偏生产力提高了33.3%～36.8%。

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