内蒙古马铃薯生产体系中水分管理的问题及对策

陈玉珍，温淑慧，王永明，贾立国，樊明寿

(1.呼和浩特民族学院环境工程系，内蒙古 呼和浩特 010051； 2.内蒙古农业大学农学院，内蒙古 呼和浩特 010019； 3.乌海市园林局，内蒙古 乌海 016000；4. 乌海市北辰园林绿化有限公司，内蒙古 乌海 016000

内蒙古是我国马铃薯主产区，由于地处我国北部，光照充足、昼夜温差大，且当地土壤质地疏松，非常适宜马铃薯的生长，有其他省区不可比拟的优势，在全国马铃薯生产中具有举足轻重的地位，近10年来种植面积逐年增加，2010年已超过66.67万hm2。随着“马铃薯主粮化”国家战略的提出，内蒙古将在国家粮食安全方面发挥愈加重要的作用。但是当地马铃薯的单产水平却低于全国平均水平，究其原因，水分不足和不合理利用是其主要的限制因素。因此，针对产区是否具有灌溉条件而采取针对性的措施提高马铃薯水分利用效率，实现高产与水分高效利用是内蒙古马铃薯生产亟待解决的重大问题。

1 马铃薯水分需求

水分是马铃薯植株体内含量最高的组分，植株有机体的含水量为70%～90%，块茎的含水量为75%～80%。马铃薯的蒸腾系数为400～600，即每形成1 kg干物质需要消耗水400～600 kg，每形成1 kg鲜块茎需要耗水100～150 kg[1]。在田间生产条件下，供水量达到350～500 mm才能满足马铃薯整个生长季对水分的需求，供水量每增加1 mm产量就会增加100 kg/hm2，但因气候、土壤和品种遗传特性的不同而有所差异。

马铃薯不同时期对水分的需求程度不同，芽条生长期的耗水量为1.5～2.8 mm/d, 该时期缺水会导致种薯腐烂，萌发后幼茎伸长过程中死亡，幼茎顶端膨大形成“梦生薯”等现象[2,3]。 随着生育时期的推进对水分的需求逐渐增加，日耗水量从幼苗期的1.7～3.1 mm，块茎形成期的2.8～5.6 mm到块茎膨大期达到4.8～5.9 mm，淀粉积累期时下降为3.5～4.9 mm，可见块茎膨大期是马铃薯需水量最大的时期[2]。

2 旱作马铃薯水分管理

内蒙古干旱少雨，当地的马铃薯主要以雨养(旱地播种)为主，播种面积占马铃薯总面积的70%，具有灌溉条件的面积占30%，其中大水漫灌水浇地占5%，滴灌占15%，喷灌占10%[4]。 阴山丘陵地区的乌兰察布市，呼和浩特市和包头市是内蒙古马铃薯的主产区，其中乌兰察布市是全国马铃薯种植面积最大的地级市，常年种植面积在26.67万hm2以上，占全区马铃薯播种面积40%。但是该地区的年降水量一般在400 mm以下，是典型的雨养农业区[5]。另外，该地区还存在无效蒸发量大，无效降雨频率高，有限的降雨得不到有效利用等问题，水分不足加上栽培技术落后，进一步导致内蒙古雨养马铃薯水分利用率降低。20世纪80年代以来，提出了雨水工程汇集技术，在提高降水利用效率方面起到了一定作用。然而，现有水资源的增产潜力远没有充分发挥。针对雨养马铃薯水分利用方面存在的问题，应该开展以“集、蓄、保、用”为指导方针的雨养马铃薯水分高效利用技术的研发与推广。

所谓的“集”就是增加马铃薯田对雨水的收集能力，采取的主要措施是改进栽培模式。沟垄集雨是雨养农业区一种重要雨水收集栽培技术，通过对地表进行起微小垄状突起，利用集雨垄面将降雨汇集至沟侧，之后水分向沟中聚集，被聚集的降水慢慢向沟中土壤渗入，进而使种在沟中的作物得到生长所需水分[6,7]。通过在垄上覆膜增加雨水的汇集能力而形成的垄膜沟播技术在许多作物上都取得了良好的效果，且对集雨效果、不同垄沟宽比例及产量效应等做了深入研究[8-13]。在马铃薯上研究结果表明，以全膜双垄在M型大垄垄上种植和全膜双垄在大垄垄侧种植两种模式的集雨效果较好，马铃薯块茎产量较露地宽窄行起垄覆膜方式分别增产64.94%和52.20%[14]。Qin等比较了不同垄沟覆膜栽培方式下马铃薯田集雨与产量效果，结果显示在甘肃地区全膜覆盖增产36.3%～86.8%，水分利用效率提高65.8%～83.9%[15]。课题组在多年研究的基础上，提出了适合内蒙古马铃薯主产区土壤特性的微垄覆膜沟播模式，即起垄高不超过10 cm的微垄，垄上覆膜以期实现既能汇集雨水，又不致使根系和块茎生长环境变差的目的，研究结果显示该模式具有显著的集雨效果[16,17]。

所谓“蓄”就是增加土壤对水分的容纳能力，主要通过施加有机肥改善土壤结构来实现。早在1998年Haynes和Naidu就对有机肥添加对土壤物理性状的影响做过综述，指出有机肥可以增加土壤孔隙的数量和体积，从而增加土壤的孔隙度和蓄水能力[18]。Miller等在加拿大半干旱地区的研究表明，通过在土壤中添加牛粪(折合17 g/kg有机碳)可以显著的提高土壤水分导度和蓄水能力[19]，Blair等在德国和英国分别添加 20和14 g/kg有机碳得出了同样的结论[20]。国内在有机肥对土壤蓄水能力方面的研究很早就有报道，梁银丽的研究指出有机胶体的吸水能力是黏土矿物的5～10倍，土壤有机质含量从10 g/kg提高到15 g/kg可以减少40%的蒸发量。土壤蓄水能力大小取决于土壤孔隙度的数量、大小和比例，而有机质可以直接影响土壤的容重和孔隙度，显著增加土壤蓄水潜力[21]。

所谓“保”就是把土壤中已有的水分保存在土壤库中，生产中的主要措施包括覆盖栽培和保水剂的使用。根据覆盖所采用材料的不同分为地膜覆盖，石砾覆盖，有机物覆盖和生态垫覆盖等，这些覆盖方式均证明具有抑制土壤水分蒸发和保墒的作用，可以明显的提高土壤含水率[22,23]。其中地膜覆盖在马铃薯生产上应用的最为广泛，研究也相对较为深入。秦舒浩等比较了不同覆膜方式下0～50 cm土层马铃薯全生育期的土壤水分的动态变化，结果显示不同覆膜方式下的土壤贮水量均显著高于露地平作[24]。王颖慧在内蒙古雨养马铃薯上的研究表明，平作覆膜不仅可以增产约1 000 kg/hm2，而且全生育期比露地平作多保水10 mm[25]。保水剂是一种具有超高吸水和保水能力的高分子聚合物(SAP),它能够吸收超过本身重量成百上千倍的纯水，而且所吸持的水分85%以上可以被作物利用，因此许多科学家在干旱半干旱地区开展了保水剂的研发和应用研究。干旱胁迫下使用保水剂可以使马铃薯的产量和水分效率分别提高15.4%和56.8%[26]。李倩等在内蒙古雨养马铃薯区的研究表明，秸秆覆盖、覆膜和保水剂的使用均可以起到保水和缓减干旱的作用，相比而言秸秆覆盖的保水效果最好[27]。

所谓“用”就是把土壤中的水分最大程度的贡献给作物形成产量，主要的农艺措施包括合理密植，水肥耦合等。建立高光效低耗水的群体结构是作物节水高产栽培的核心内容，干旱会限制新叶的形成和加速叶片的衰老速度，从而影响马铃薯冠层结构的构建[28,29]。干旱条件下，合理的马铃薯群体结构有利于植株对光能、水分和养分利用效率的提高，促进个体健壮发育而获得高产。另外，旱作条件下合理的施肥可以扩大根系的延伸范围，增强根系综合活力，而且在干旱条件下，施肥能够提高土壤水势而增加土壤水分的有效性，使土壤中部分“无效水”有效化，作物可以从土壤中吸收到更多的水分[30,31]。大量的研究表明，雨养条件下随着降雨量的增加肥料的生产效率提高，而随着施肥量的增加水分利用效率亦相应提高，水肥之间存在着“以肥调水，以水促肥”的耦合效应，在雨养马铃薯上合理施肥可以实现高效用水的目的。

3 灌溉马铃薯水分管理

随着生产模式的不断转变，内蒙古具有灌溉条件的耕地面积呈现不断增加的趋势，1992年全区有灌溉条件的耕地为155.13万hm2，2007年时总的灌溉面积达到351.12万hm2，到2009年以喷灌和膜下滴灌为主的设施马铃薯面积就达7万hm2[32]。而增加的灌溉面积的水源主要是来自于深井地下水，但是内蒙古地下水的储量并不丰富，如果不合理的进行利用，必然会导致地下水枯竭等严重的环境问题，甚至还会导致严重的社会问题。因此，在具有灌溉条件的地区开展针对马铃薯生育特性的节水管理技术意义重大。不同于雨养马铃薯所采取的对策，灌溉马铃薯主要是通过“3R”策略(Right mode，Right timing和Right rate)，即基于正确的灌溉模式，正确的灌溉时间和正确的灌溉量对灌溉水进行有效的管理，实现对水分的高效利用。

首先要选择合适的灌溉模式(Right mode),常见的灌溉模式有漫灌，喷灌和滴灌。许多研究均表明，滴灌与其他两种模式相比节水效果最好[33,34]。其中，覆膜和滴灌结合形成的膜下滴灌效果更佳，秦永林等通过在阴山北麓不同灌溉模式进行系统比较研究发现，膜下滴灌的马铃薯产量分别比漫灌、喷灌和露地滴灌增加35.7%、26.0%和12.9%, 水分利用效率分别增加200.2%、91.8%和23.7%，实现了产量和水分效率的协同提高，该模式目前已经在当地大面积推广应用[35]。非充分灌溉技术是基于作物生理特性而创立的节水灌溉技术，即在作物需水非敏感期进行灌水量控制，将节省下来的水用于更大面积上作物需水敏感期的灌溉供应[36]。本课题组的研究表明，苗期进行非充分灌溉可以显著的提高马铃薯的产量和水分利用效率[36,38]。另外，分根交替灌溉作物一种节水灌溉模式在许多作物上取得了成功，可以在不显著减少作物产量(甚至增产)的条件下显著的提高水分利用效率[39,40]。Liu等的研究表明通过分根交替灌溉马铃薯的产量提高10%，水分利用效率提高37%，实现了马铃薯产量和水分利用效率的协同提高[41,42]。谢开云等在甘肃与内蒙古两个半干旱马铃薯种植区的研究也显示，通过分根交替灌溉可以节约一半的灌水量，但是块茎的产量与充分灌溉相比并没有降低[43]。

其次，合适灌溉时期(right timing)的选择是灌溉马铃薯水分高效利用另一重要策略。灌溉时期的选择首先要遵循马铃薯对水分的需求规律，研究表明马铃薯苗期需水量占全生育期10%～15%，块茎形成期耗水量占全生育期的23%～28%以上，块茎膨大期耗水量占全生育期的45%～50%以上，淀粉积累期则不需要过多的水分，该时期耗水量约占全生育期的10%[44]。但是并不是各个时期都有必要充分满足其水分的需求，如上所述，苗期适度的水分亏缺并不会降低马铃薯的产量，而且还会显著的提高水分利用效率[38]。块茎形成期(地上部为开花时期)是马铃薯对水分的敏感期，块茎形成期和膨大期对马铃薯块茎形成而言均是对水分需求的关键时期，这些时期如果水分供应不足就会显著的降低马铃薯块茎的产量，因此要尽可能满足其对水分的需求[36,44,45]。

最佳灌溉量(Right rate)对马铃薯水分管理至关重要，但同时也是生产中最难以控制的指标。因为其不仅因马铃薯发育时期和品种不同而有差异，而且受到生长状况，气候和土壤类型等多种因素影响。Ahmadi等通过比较粗砂土、砂壤土和壤砂土在不同灌溉模式下对产量和水分利用的影响，发现在充分灌溉条件下壤砂土培养可以获得最高的块茎产量[46]。不同灌溉方式下的灌溉量也有较大的差异，有研究表明可以用-25 kPa水势处理下的腾发量作为滴灌马铃薯的参照腾发量，据此可用20 cm蒸发皿的蒸发量作为灌溉计划的参考量，而不同模式下该指标值也有所差异[47]。另外，可以通过控制土壤含水量下限的方法指导灌溉量，马铃薯最适的土壤水分下限为苗期65%，块茎形成期75%，块茎膨大期80%，淀粉积累期60%～65%[37]。本课题组在试验条件下通过控制土壤水分下限的方法来确定灌溉量达到了很好的效果，但是该方法在生产上应用又存在操作繁琐和实时性差的问题。

高光谱诊断技术凭借其快速、有效和非破坏性等优势，有望成为马铃薯水分实时监测和推荐灌水量的主推技术。在玉米上的研究发现，植株对红光的吸收程度可以较好地反映植株体内的水分状态，水分含量高时冠层的反射率低[48]。在小麦上的研究显示，在741～930 nm(近红外线) 的光谱范围内, 随着缺水程度增加植株冠层的反射率逐渐减小，而在可见光波段内的光谱反射率随着缺水程度增加而增大。国外学者很早就开始相关的研究，Carter 等研究发现在950～970 nm(近红外波段)的吸收峰可以用来监测植物水分含量[49]。Dobrowski 等发现690和740 nm处的冠层光谱能够反映植株的水分胁迫状态[50]。大量研究结果表明, 970、1 450、1 940和2 500 nm是对水分敏感的主要光谱波长[51,52]。但是，高光谱水分诊断技术主要集中在小麦、玉米和水稻等作物上，在马铃薯上的研究还未见报道，开展相关的研究是马铃薯水分优化管理的发展方向。

4 展 望

本文综述了马铃薯水分高效利用的主要方法和措施，以及它们在内蒙古马铃薯生产的研发进展。虽然过去几十年针对当地的气候、地形地貌和土壤特性等条件，在马铃薯水分高效利用方面取得了很多进展，但是仍然有很多问题需要进一步研究。

(1)基于“集、蓄、保、用”的雨养马铃薯虽然取得了一定的进展，但是马铃薯在产量和水分利用效率方面的潜力还远没有被挖掘。一方面要对已有的技术进行有机整合形成综合的增产和高效用水模式，同时要针对“集、蓄、保、用”单项技术及其理论进行创新，充分挖掘当地马铃薯的降雨生产潜力。

(2)对于当地灌溉马铃薯而言，绝大多数种植户和企业在灌溉方面都具有很大的盲目性，基于马铃薯生育规律的灌溉理论和技术还不完善。因此，一方面要对已有的技术进行集成和示范，减少生产中灌溉用水的盲目性，提高水分利用效率，减少无效耗水。另一方面，加强对灌溉理论和技术的集成创新，在发展技术的同时需考虑环境友好和可持续性，为进一步提高马铃薯的水分利用效率奠定基础。

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