地下渗灌不同埋深对马铃薯产量和水分利用效率的影响

任秋实，李兴强，曾玉霞，李梦刚，孙兆军,2,3,4

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏大学资源环境学院，银川 750021； 3.教育部中阿旱区特色资源与环境治理国际合作联合实验室，银川 750021；4.宁夏(中阿)旱区资源评价与环境调控重点实验室，银川 750021)

0 引 言

地下灌溉是将灌水器或灌溉管道埋于地下，在毛细管作用下自下而上湿润土壤的一种灌溉模式[1]。相较于地面灌溉，地下灌溉可以更精准地控制灌水量，减少水分的蒸发损失，还可以实现水肥一体化，被认为是最佳的灌水技术之一[2]。在地下灌溉系统中，毛管埋置深度的不同会导致土壤中的水分运移和分布产生差异，影响作物根系的生长和对水分养分的吸收利用，进而影响产量。庄千燕[3]研究发现，流量和灌水时间一定时，随着埋深的增加，湿润锋在水平方向的运移距离减小，在垂直方向增大，不同埋深处理对高羊茅地上生物量影响显著，埋深20 cm显著高于其他处理。冯棣[4]等在滴灌带埋深为30 cm的条件下，通过控制地下20 cm处的土壤基质势下限研究地下滴灌不同土壤水分调控对马铃薯产量和灌溉水利用效率的影响，研究发现土壤基质势下限为-30 kPa时可以取得最佳效果。前人关于地下灌溉的研究，大多着重于地下滴灌[5-8]，关于地下渗灌对作物的影响的研究报道较少。为此，本试验针对宁夏扬黄灌区气候条件，设置不同地下渗灌埋深和不同灌溉定额，通过分析不同埋深和不同灌溉定额对马铃薯生长、产量和水分利用效率的影响，探索最佳地下渗灌埋深和相应的灌溉定额。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验于2017年5-9月在宁夏同心县王团镇科技示范园区进行。该地区属于中温带半干旱大陆性气候，全年干旱少雨，蒸发量大，年平均降水量272.6 mm，多年平均日照3 024 h，无霜期120～218 d，年平均气温8.6 ℃[9]。试验前，测试试验区土壤理化性质，试验区土壤为沙壤土，0～60 cm土层田间持水率(FC)和土壤容重分别为22.85%和1.33 g/cm3，具体如表1所示。

表1 供试土壤的主要理化性质Tab.1 Main physical and chemical properties of tested soils

1.2 试验设计

试验马铃薯供试品种为“青薯9号”，2017年5月18日播种，当年10月15日收获。本试验采用二因素三水平的试验方法。因素D分为0 cm(D1)、10 cm(D2)、20 cm(D3)3个埋深水平，因素W分为1 050 m3/hm2(W1)、1 500 m3/hm2(W2)、1 950 m3/hm2(W3)3种灌溉定额水平，共9个处理，以地面滴灌1 500 m3/hm2灌溉定额为对照处理，每个处理重复3次。灌溉定额依据当地灌溉经验值和前人研究理论值进行设计。具体试验设计见表2。

试验小区采用单垄双行种植模式，垄宽0.8 m，垄高0.25 m，垄心距1.2 m，垄上马铃薯行距0.4 m，株距0.4 m，种植密度41 500 株/hm2，中间铺设一条滴灌带或埋置一条渗灌管，种植示意图如图1所示。每小区两垄，小区长4.0 m，宽2.4 m，小区面积9.6 m2，小区间设1.5 m宽隔离带，10个处理，每个处理进行3次重复，共30个小区。小区四周种植四垄同品种马铃薯。供试渗灌管道采用自主研发的全渗管道，全渗管规格为：内径φ16 mm，流量12 L/(m·h)。试验统一施90 kg/hm2的磷肥、135 kg/hm2的钾肥和180 kg/hm2的氮肥。其他田间管理措施与一般大田相同。

表2 试验设计Tab.2 Test plan

图1 种植示意图(单位：cm)Fig.1 Schematic diagram of planting

1.3 观测指标及方法

(1)作物生长指标：作物生长指标内容包括株高、茎粗、干物质积累量等。株高采用精度为1 mm的卷尺测量，茎粗采用精度为0.01 mm的游标卡尺通过十字交叉法测量。马铃薯在苗期、块茎形成期和块茎膨大期主要为生殖生长，淀粉积累期时，马铃薯由生殖生长转化为营养生长，地上部分基本停止生长，各处理对其影响较小，故不对淀粉积累期的马铃薯株高、茎粗进行测定。收获时取马铃薯地上部分鲜物质，在105 ℃下杀青1 h，70 ℃下烘干至恒重，用电子天平称重。

(2)土壤含水率：采用传统土钻法在马铃薯各生育时期前后分别在各试验小区取3个点，分别对0～20、20～40、40～60 cm土层取样，用烘干法测其土壤含水率。

(3)产量：作物成熟后，按小区进行测产，折合成每公顷产量。

(4)作物耗水量：采用水量平衡法计算，计算公式为：

ET=P+I+ΔSWS-R-D

(1)

式中：ET为耗水量，mm；P为植物生育期降雨量，mm；I为灌溉量，mm；ΔSWS为生育期开始时土壤贮水量与生育期结束时土壤贮水量之差，mm；R为地表径流量，mm；D为耕层土壤水的渗漏量，mm。本试验条件下，R和D可忽略不计。

(5)水分利用效率：

WUE=Y/ET

(2)

式中：WUE为水分利用效率，kg/m3；Y为马铃薯产量，kg/hm2。

1.4 数据分析统计

试验采用SPSS 17.0软件进行多重分析(LSD)和多元回归分析，用Microsoft Excel 2010进行数据处理及作图。

2 结果与分析

2.1 地下渗灌不同埋深和不同灌溉定额处理对马铃薯株高、茎粗的影响

不同渗灌埋深和不同灌溉定额处理对马铃薯株高和茎粗的影响如图2、图3所示。

由图2可知，各处理株高变化趋势相同,出苗后60 d内马铃薯株高增长迅速，出苗后60～90 d内株高增速降低。方差分析表明，出苗后30 d内各处理对株高的影响不显著：出苗后30～60 d时各处理马铃薯株高差异开始明显，T7处理株高最大，为88.74 cm，T1处理株高最小，为58.03 cm；出苗后60～90 d时，各处理马铃薯差异显著，各处理株高表现为T7>T8>T9>T5>T6>CK>T4>T3>T2>T1。

图2 不同灌溉定额和不同管道埋深对马铃薯株高的影响Fig.2 Effect of different irrigation quotas and different pipeline depths on potato plant height

由图3可知，各处理马铃薯茎粗随出苗后天数的增加而增大。马铃薯出苗后15 d时，各处理茎粗差异不显著；马铃薯出苗30 d时，T8处理的茎粗最大，为11.25 mm；马铃薯出苗后30～60 d时，T9处理马铃薯茎粗增速加快，最终达到18.07 mm；马铃薯出苗后60～90 d时，T5处理马铃薯茎粗始终表现最好，其次是T7处理。

图3 不同灌溉定额和不同灌溉埋深对马铃薯茎粗的影响Fig.3 Effect of different irrigation quotas and different pipeline depths on potato stem diameter

2.2 地下渗灌不同埋深和不同灌溉定额处理对马铃薯干物质积累量的影响

不同灌埋深和不同灌溉定额处理对马铃干物质积累量的影响如图4所示。

图4 不同灌溉定额与不同管道埋深对马铃薯干物质积累量的影响Fig.4 Effect of different irrigation quotas and different pipeline depths on dry matter accumulation of potato注：括号外面字母表示相同灌溉定额条件下不同管道埋深处理间的差异性检验结果(P<0.05)；括号内字母表示相同管道埋深条件下不同灌溉定额处理间的差异性检验结果(P<0.05)，下同。

由图4可知，各处理马铃干物质积累量表现为：T7>T8>T9>T5>T6>CK>T4>T3>T2>T1。

在灌溉定额为1 050 m3/hm2(W1)条件下，马铃薯干物质积累量随管道埋深的增大而增大，表现为D3>D2>D1，D1、D2和D3处理马铃薯干物质积累量之间的差异两两显著，说明管道埋深的增大对马铃薯的干物质积累量存在促进作用。在灌溉定额为1 500 m3/hm2(W2)条件下，马铃薯干物质积累量随管道埋深的增大先增大后减小，渗灌管道埋深10 cm处理明显优于地面滴灌。在灌溉定额为1 950 m3/hm2(W3)条件下，马铃薯干物质积累量随着管道埋深的增大而减小，马铃薯干物质积累量表现为D1>D2>D3，说明管道埋深的增大对马铃薯干物质积累量存在抑制作用。

相同管道埋深条件下，马铃薯干物质积累量随灌溉定额的增大而增大，说明水分有助于马铃薯干物质积累的增大，中灌溉定额处理和高灌溉定额处理显著高于低灌溉定额处理，但随着管道埋深的增大，灌溉定额对马铃薯干物质积累量影响的差异变小。

2.3 地下渗灌不同埋深和不同灌溉定额处理对马铃薯产量的影响

不同渗灌埋深和不同灌溉定额处理对马铃薯产量的影响如图5所示。

图5 不同灌溉定额与不同管道埋深对马铃薯产量的影响Fig.5 Effect of different irrigation quotas and different pipeline depths on yield of potato

由图5可知，各处理马铃薯产量表现为：T7>T8>T9>T5>T6>CK>T4>T3>T2>T1。

在灌溉定额为1 050 m3/hm2(W1)条件下，马铃薯产量随管道埋深的增大而增大，表现为D3>D2>D1，D1、D2和D3处理马铃薯产量之间无显著差异，D3处理产量最大，为35.22 t/hm2。在灌溉定额为1 500 m3/hm2(W2)条件下，马铃薯产量随管道埋深的增大先增加后减少，表现为D2>D3>CK>D1，D2处理马铃薯产量和D1、CK之间存在显著差异，D2处理和D3之间差异不显著，D2处理产量为39.78 t/hm2，D3处理与D1和CK处理之间存在显著差异，CK与D1处理之间差距不显著。在灌溉定额为1 950 m3/hm2(W3)条件下，马铃薯产量随管道埋深的增大而减少，表现为D1>D2>D3，D1、D2和D3处理马铃薯产量之间不存在显著差异，D1处理产量最大为42.97 t/hm2。

同一渗灌埋深条件下，马铃薯产量随灌溉定额的增大而增大，表现均为W3>W2>W1，说明水分有助于马铃薯增产，中灌溉定额处理和高灌溉定额处理显著高于低灌溉定额处理，但随着灌溉定额的增大，中灌溉定额处理与高灌溉定额处理马铃薯产量之间的差异变小。

2.4 地下渗灌不同埋深和不同灌溉定额处理对马铃薯耗水量和水分利用效率的影响

不同渗灌埋深和不同灌溉定额处理对马铃薯耗水量和水分利用效率的影响如表3所示。

表3 不同灌溉定额与不同管道埋深对马铃薯耗水量和水分利用效率的影响Tab.3 Effect of different irrigation quotas and different pipeline depths on water consumption and WUE of potato

注：不同英文小写字母表示不同处理在0.05水平差异显著。

由表3可知，各处理马铃薯耗水量表现为：T7>T8>T9>T5>T6>CK>T4>T3>T2>T1。在灌溉定额为1 050 m3/hm2(W1)条件下，马铃薯耗水量表现为D3>D2>D1，在灌溉定额为1 500 m3/hm2(W2)条件下，马铃薯耗水量表现为D3>CK>D2>D1，在灌溉定额为1 950 m3/hm2(W3)条件下，马铃薯耗水量表现为D3>D2>D1，说明同一灌溉定额水平下，马铃薯耗水量随渗灌埋深的增大而增大。在管道埋深0 cm(D1)条件下，即地面渗灌条件下，马铃薯耗水量表现为W3>W2>W1，管道埋深10 cm(D2)条件下，马铃薯耗水量表现为W3>W2>W1，管道埋深20 cm(D3)条件下，马铃薯耗水量表现为W3>W2>W1，说明同一渗灌埋深条件下，马铃薯耗水量随灌溉定额的增大而增大。

T5处理水分利用效率最高，T7、T4处理次之。在灌溉定额为1 050 m3/hm2(W1)条件下，马铃薯水分利用效率表现为D2>D1>D3，D2处理马铃薯水分利用效率与D1和D3处理之间的差异均显著，D2处理较D1和D3增加3.37%和3.61%，D1与D3处理之间的水分利用效率差异不显著。在灌溉定额为1 500 m3/hm2(W2)条件下，马铃薯耗水量表现为D2>D1>CK>D3，D2、D1、CK、D3处理之间的差异两两显著，D2分别较D1、CK和D3增大6.33%、14.23%和21.52%，D1分别较CK、D3处理增大7.43%、14.29%，CK较D3处理增大6.38%。在灌溉定额为1 950 m3/hm2(W3)条件下，马铃薯水分利用效率表现为D1>D2>D3，D3与D1和D2处理马铃薯水分利用效率之间的差异均显著，D3处理水分利用效率最小，分别较D1、D2减小16.45%、9.81%。

在管道埋深0 cm(D1)条件下，即地面渗灌条件下，马铃薯水分利用效率表现为W2>W1>W3，W2处理马铃薯水分利用效率与W1、W3处理之间的差异均显著，W2处理分别较W1、W3处理增大3.37%、3.61%，W1与W2处理差异不显著，W1与W2处理差异极小。管道埋深10 cm(D2)条件下，马铃薯水分利用效率表现为W2>W1>W3，W1、W2和W3处理马铃薯水分利用效率之间的差异两两显著，W2处理水分利用效率最高，为10.97 kg/m3，W2处理分别较W1、W3处理增大6.33%、21.52%，W1较W3处理增大14.29%。管道埋深20 cm(D3)条件下，马铃薯水分利用效率表现为W1>W2>W3，W3处理马铃薯水分利用效率与W1、W2之间的差异均显著，W3分别较W1、W2处理减小16.45%、9.81%。

3 讨 论

水分对作物的生长和发育起着至关重要的作用，是影响株高、茎粗、干物质积累量和产量的重要因素。本试验研究发现：同一地下渗灌埋深条件下，马铃薯株高、茎粗、干物质积累量随灌溉定额的增大而增大。这与焦炳忠[9]等的研究相符。李道西[10]等研究发现，管道埋深10 cm处理地表湿润面较大，地面蒸发量大，土体湿润深度较浅；管道埋深20 cm处理地表湿润面小，土体湿润深度较深。蒋树芳[11]等通过设置不同地下滴灌埋深，研究同一土壤水分控制条件下番茄产量对地下滴灌的响应。研究发现，番茄产量随着滴灌埋深的增大先增大后减小。这与本试验中灌溉水平结果相符，与低灌溉水平和高灌溉水平不符。原因可能是低灌溉水平不能满足 马铃薯生长发育的需要，管道埋深20cm处理地面蒸发量最小，为马铃薯提供的水分最多；高灌溉水平下，管道埋深20cm处理下马铃薯根系附近土壤含水率较高，抑制了马铃薯根系的呼吸作用，从而导致马铃薯产量的降低。刘丽秋[12]的研究发现，产量最高的处理水分利用效率不一定最高，这与本试验结果相符。刘晓菲[13]等研究发现，地下滴灌马铃薯最佳滴灌带埋设深度为20cm，与本试验结果不符。原因可能是滴灌为点源灌溉，而渗灌为线源灌溉，相同工作压力下流量较大，并且试验地气候条件不同。

本研究表明，T5处理的水分利用效率最高，为10.97 kg/m3，T7处理次之；T9处理的水分利用效率最低，为8.81 kg/m3。考虑当地农业用水资源现状，选择合适的地下渗灌埋深，适当降低马铃薯的灌水量，有利于提高马铃薯的水分利用效率。

4 结 论

综合考虑马铃薯产量和水分利用效率，在本试验条件下，地下渗灌埋深为10 cm，灌溉定额为1 500 m3/hm2时，马铃薯产量较高为39.78 t/hm2，水分利用效率最高为10.97 kg/m3，是宁夏干旱半干旱地区地下渗灌马铃薯生产中适宜的地下渗灌埋深和灌溉定额组合。