不同灌水下限对膜下滴灌马铃薯生长及水分利用效率的影响

张吉孝，金建新，桂林国

(1.宁夏回族自治区灌溉排水服务中心，银川 750002 2.宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，银川 750002 )

0 引 言

膜下滴灌是覆膜和滴灌相结合的一种新型节水灌溉方法，覆膜阻断了土壤上表面和大气的直接相通，大大降低了土壤蒸发量，提高了土壤水分利用效率，同时滴灌通过精准施肥达到节肥的目的，因此在干旱地区被广泛采用。盐池县位于宁夏中部干旱带生态区，近年来膜下滴灌节水得到普遍应用，但是在灌溉制度设计和土壤水分下限控制方面还存在灌溉定额较大，浪费现象严重，土壤水分没按不同作物生育期需水规律和特点进行控制，存在统一定额一灌到底等不合理现象，马铃薯作为一种冷凉作物，其具有耗水量小、产量高的优点[1]，已经被宁夏列为“1+4”特色优势产业，如何针对地域气候条件和马铃薯需水规律确定灌水下限和灌水次数，进而提高马铃薯产量和水分生产效率，是当前盐池县覆膜滴灌马铃薯栽培急需解决的问题。

通过灌水下限的控制从而制定马铃薯灌水次数和灌溉定额是当前马铃薯灌溉制度研究中普遍使用的方法，秦军红[2]等在大田中通过总量控制的方法对马铃薯生育期适宜的灌水频率进行探索，提出在总量为120 mm的基础上，8 d的灌水周期在土壤水分分布上能较好地吻合马铃薯根系分布。杜嘉[3]用遗传算法以Jensen模型基础的水分生产函数对马铃薯调亏灌溉制度进行优化，并对各生育期的敏感指数进行计算，得到节水增产的灌溉制度。冯棣[4]在地埋式滴灌条件下，以不同土壤基质势下限作为灌溉指标，得到在埋深和定点深度处的土壤基质势耦合的灌溉制度，并取得较好的经济效益。李燕山[5]等设置不同灌水量梯度研究了膜下滴灌冬马铃薯生长及水分利用效率的影响，并和常规沟灌进行对比分析，提出了降雨量在70 mm时马铃薯灌水定额范围。但是这些研究均以灌水量、土壤基质势和模型为基础对马铃薯灌溉制度进行优化，缺乏以土壤田间持水量参数为依据的探索。因此，本文以不同田间持水量百分比为土壤含水量下限进行覆膜滴灌马铃薯灌溉制度研究，对提高灌溉水利用效率、最大限度利用降雨资源和土壤水分具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试验处理

试验供试品种为大西洋，于4月底播种，采用机械起垄播种，10月初收获，全生育期共155 d，试验以灌水时的土壤含水量为处理因子，灌水下限分别设置为田间持水量的55%、60%、65%、70%和75%共5个梯度，水分测定为120 cm深度内的平均值。在滴头位置安装TDR土壤水分快速测定管用于测定土壤含水量，每个小区安装3根TDR管，平均分布于每个试验小区，当土壤含水率降低至下限时灌水，灌水定额均为15 m3/667 m2，用水表严格控制灌水量。马铃薯采用一垄一膜双行种植，行距为0.4 m，株距0.25 m，种植密度为6.75 万株/hm2，采用一管双行布置，滴灌带为内镶贴片式，滴头流量1.8 L/h，小区面积124 m2，长12.4 m，宽10 m，每个处理设3个重复，随机区组排列。在播种前每公顷基施复合肥750 kg(N∶P2O5∶K2O为20∶12∶10)，在马铃薯花期和块茎膨大期每公顷均随水追施尿素150 kg尿素和75 kg硫酸钾。

1.2 试验地概况

试验于2016年在盐池县天朗现代农业有限公司基地开展，位于宁夏东部地区，属典型的大陆性季风气候，气温冬冷夏热，晴天多，降雨少，光能丰富，日照充足温差大，地理位置北纬35°48′44.75″，东经105°53′12.21″，海拔1 861 m，多年平均降水量287.4 mm，蒸发量1 240 mm，无霜期达198 d，平均大气湿度45%，日照时数3 028 h，大于等于10 ℃积温为3 145 ℃，大于0 ℃的积温为3 550 ℃，最大冻土深115 cm。试验区以砂壤土为主，平均容重1.35 g/cm3，田间持水量为23.8%，耕层土壤碱解氮为92 mg/kg，有效磷含量13.8 mg/kg，速效钾含量125.4 mg/kg，有机质含量百分数为2.5%，试验区土壤质地组分表如表1所示。

表1 试验区土壤质地表

1.3 测定指标

(1)土壤含水量。土壤含水量利用TDR土壤水分快速检测仪进行测定，在每个试验小区中间滴灌带下边，马铃薯行中间位置布置深度为120 cm的TDR管，试验期间每隔2 d测定一次土壤体积含水率，并用烘干称重法进行校核，每隔20 cm深度测定一层，共计6层。

(2)生育期阶段调查。根据马铃薯各生育期阶段的特征，通过连续观察植株生长状况，记录马铃薯苗期、块茎形成期、块茎增长期和淀粉积累期的开始时间和结束时间，并在特征生育期记录马铃薯长势以及田间病虫害发生情况。

(3)马铃薯生长指标测定。从马铃薯开花期开始，在田间随机选择10株马铃薯进行标记，在每个生育期阶段对其株高、茎粗和叶面积测定，从地面至生长点的株高采用精度为0.1 cm钢卷尺测定，茎粗利用精度为0.01 mm的游标卡尺量取第3茎节处的粗，用LI-3000A叶面积指数仪率定叶面积计算系数。

(4)产量。在成熟期对每个小区马铃薯单收计算单位面积的产量，分别记录大薯(单薯重>150 g)、中薯(75～150 g)、小薯(<75 g)个数及重量，并计算商品薯率。

(5)水分利用效率。水分利用效率为马铃薯每腾发单位数量的水分所生产的产量，即WUE(Water Use Efficiency)，采用如式(1)计算：

WUE=Y/ETa

(1)

式中：Y为马铃薯产量，kg/hm2；ETa为生育期总腾发量，mm，利用水量平衡法计算，如式(2)。

ETa=ΔW+R+I+G+P

(2)

式中：ΔW为土壤储水量变化量，mm；R为生育期内的有效降雨量，mm；I为灌水量，mm；G为地下水对耕层土壤的补给量，mm；P为测渗补给量，mm。

2 结果与分析

2.1 不同处理下马铃薯生长指标

按照马铃薯生长特征生育期的株高、叶面积指数及干物质积累量的实测结果，不同处理下马铃薯各生长指标随生育期推进的变化如图1、图2和图3所示。

由图1可以看出，水分对马铃薯株高的影响较为显著，灌水对其株高生长具有显著的正效应，在块茎形成期，灌水次数较多的处理T4和T5株高最大，平均分别为41.4 cm和39.5 cm，处理1最小，平均仅为33.6 cm，除T3和T2外，其余各处理均表现为极显著性差异(P>0.01)，说明水分对马铃薯株高的影响较大，并且在各生育期阶段水分对生长的抑制具有一定的叠加效应，其余各生育期均表现出相同的规律，但是在淀粉积累期，T5>T4处理，T5的株高处理仍然为42.3 cm，说明增加灌溉定额能延缓马铃薯衰老。

图1 灌水次数对株高的影响

灌溉定额对叶面积指数的影响(图2)和株高类似，在苗期，各处理之间规律不明显，处理T1、T3和T4虽然表现为显著性差异，但是和灌水量并无严格正相关，说明在苗期灌水量对叶面积指数影响不大，在生育后期，逐渐表现出差异，在淀粉积累期，T4叶面积指数最大为4.55，其次为T5为4.42，T1最小为3.02，说明合理的灌水有助于马铃薯叶面积的增大，并且保持一定的后效性。

图2 灌水次数对叶面积指数的影响

水分对马铃薯干物质产量密切相关，图3为不同灌水次数处理的马铃薯不同器官干物质产量。可以看出大定额灌溉能促进马铃薯总干物质产量的积累，处理T5、T4与T2、T1表现为显著性差异，但是其组间差异不显著(P>0.01)，总干物质产量T4最高，达到269.2 g/株，其次是T5，说明过量的水分抑制了马铃薯干物质量的积累，最小处理T1为227.7 g/株，T4较T1大15.5%，灌水对马铃薯干物质量的影响在块茎上表现得最为显著，其次是叶片，最后是茎。

图3 不同处理对马铃薯干物质生物影响

2.2 不同处理对马铃薯产量及水分利用效率的影响

根据气象资料和马铃薯作物系数值计算马铃薯整个生育期的总耗水量ETa，并通过小区测产得到的马铃薯不同处理下的实测产量Ya，计算得到各处理的水分生产效率WUE，如表2所示。

表2 不同处理对马铃薯产量及水分利用效率的影响

从表2可以看出，不同灌水处理对产量和WUE也具有较大的影响，其中T4处理产量最高，平均为39 894.2 kg/hm2，灌水次数最少的处理T1产量最低，平均为23 478.6 kg/hm2，其余处理产量相对大小分别为T5>T3>T2，其分别比T4平均产量小0.27%、12.8%和39.0%，经过方差分析可知，T4和T5之间无显著性差异，但与T3、T2、T1之间具有显著性差异(P>0.01)，水分利用效率WUE可反映马铃薯终对水分的利用效率的指标，T1最大，平均为13.04 kg/m3，T5最小平均为8.84 kg/m3，T3和T4无极显著性差异，T2与T1的WUE呈极显著性差异，这可能是由于在灌水量较小时，随着灌水量的增加马铃薯产量增加不显著所致。处理T1虽WUE值最高，但是减产幅度较大，其次是T3处理，但其产量较T4低12.8%，且T3和T4的平均WUE值无极显著性差异，综合产量和WUE两个指标，T4处理的灌水频率能保证水分储存在0～80 cm的根系活动层，能最大限度提高水资源利用效率，因此，可以为马铃薯补水灌溉制度提供参考。

2.3 马铃薯水分生产函数

以总灌溉水量为变量的作物水分生产函数有各种不同的模型，包括抛物线模型、指数模型以及其他等，该类模型在不考虑突发状况导致作物绝产的情况时，对作物产量的预测具有一定的精度，这里采用张金霞[7]推荐的指数模型对马铃薯产量和腾发量的关系进行拟合：

图4 马铃薯水分生产函数指数模型

(3)

式中：Ya为马铃薯实测产量，kg/hm2；M为马铃薯全生育期马铃薯腾发量，mm；A、B、C、D均为拟合参数。

通过指数模型对马铃薯水分生产函数进行拟合，发现其在各阶段均能较好的模拟马铃薯产量和水分腾发量的关系，决定系数R2达到0.989 3，说明该非线性模型对于模拟马铃薯产量和总ETa的相关关系，从图4可以看出随着ETa的增加马铃薯产量先增加速率较慢，当ETa大于260 mm时，随着腾发量的增加，马铃薯产量迅速增加，当ETa超过440 mm时，随着腾发量ETa的增加，马铃薯产量迅速减小，说明过量的灌水造成马铃薯无效腾发，降低了灌溉水利用效率。

2.4 马铃薯产量的相关关系

马铃薯产量是农田水、肥、气、热等各种因素综合作用的结果，在西北内陆干旱地区降雨时空分布不均，在P=75%的干旱水文年份，水分就成为制约马铃薯生长的最重要的限制因素。不同水分处理对马铃薯株高、叶面积指数及干物质量积累的影响最后都反映在产量上，对马铃薯淀粉积累期不同生长指标和产量的相关关系进行拟合见图5。

图5 株高、叶面积指数、总干物质和产量相关关系

马铃薯终产量和株高、叶面积指数和总干物质积累量都呈现出正相关关系，决定系数分别为R2=0.904 4、R2=0.761 7、R2=0.962 8，其中总干物质相关性最高，其次为株高和叶面积指数，以实测的淀粉积累期生长指标和产量为基础，通过构建多因素线性模型拟合各指标变化对马铃薯产量的影响程度，并利用线性规划法进行最大值求解，得到回归方向如式(4)所示。

Ya=-3.87+0.032H+0.9LAI+0.9M,R2=0.85

(4)

说明在其他生长条件和农田小气候一致的条件下，马铃薯株高从42.3 cm生长到50.8 cm时，每增长1 cm，马铃薯产量增加1 918.435 kg/hm2，叶面积指数从3.02增加至4.42，叶面积指数每增加1，马铃薯产量增加11647.64 kg/hm2，总干物质量从227.7 g/株增加至262.6 g/株，每增加1 g/株的总干物质马铃薯产量提高467.240 69 kg/hm2，可见，不同指标在生长过程中对马铃薯产量影响的贡献程度不同，通过合理灌水对马铃薯各项生长指标进行合理调控和优化，可以达到节水增产效果。

3 结 论

(1)增加灌水定额能促进马铃薯株高、叶面积指数及干物质量的积累，并且在各生育期阶段水分对生长的抑制具有一定的叠加效应，总体表现为灌溉定额较大的处理各项指标均大于灌水定额较小的处理，但在生育前期T5

(2)WUE受灌溉定额和马铃薯终产量双重影响，T4产量最高且与T5无极显著性差异(P>0.01)，T1的水分利用效率最大，但是其产量和T4、T5存在极显著性差异，T3和T4之间WUE之间无差异，因此可以推荐T4灌溉制度作为试验区马铃薯田间水分管理的依据。

(3)指数模型在模拟马铃薯产量Ya和腾发量ETa之间的关系具有较好的效果，决定系数R2达到0.989 3，当马铃薯ETa大于440 mm时马铃薯产量急剧降低，这与前面灌水试验所得到的结果一致。对马铃薯各生长指标和产量相关关系分析可知，总干物质量的积累在一定程度上能较好地表征马铃薯终产量，通过合理灌水对马铃薯各项生长指标进行合理调控和优化，可以达到节水增产效果。