宁夏中部干旱带不同灌水量对马铃薯生长、产量和品质的影响

金建新，何进勤，黄建成，桂林国

(宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，宁夏 银川 750002)

【研究意义】宁夏地处西北内陆，独特的自然条件和气候特点，为马铃薯产业发展创造了十分有利的条件，2017年全区种植面积达到18.67万hm2[1]。垄作栽培作为马铃薯传统种植方式，由于其不仅光能利用效率高，通风效果良好，而且大大提高土地利用效率的特点而得以推广应用。随着高效节水技术的普及，近年来垄作栽培和覆膜滴灌技术相结合，极大促进了土壤水肥利用效率[2]。【前人研究进展】近年，研究人员针对马铃薯水资源高效利用进行分析，得出适宜的亏缺灌溉，可抑制马铃薯地上部分的徒长，促进光合同化物向块茎转移[3]，且有利于改善马铃薯水分利用状况，提高产量和水分利用效率[4]，但针对马铃薯的水分敏感期却结论各异，如认为马铃薯匍匐茎和块茎形成期对水分的亏缺最敏感，缺水会导致产量的显著降低[5-6]，也有认为块茎膨大期和成熟期是水分亏缺最敏感时期，在该生育期15 d不灌水，部分品种减产幅度可以达到40 %以上[7-8]。【本研究切入点】可见，马铃薯需水关键期需要定额研究仍没有较为一致的结论，同时，其与立地条件、气候因素、灌水方式等因素均有较大关系，在不同地区得到的结论差异较大[9-11]。马铃薯作为宁夏中部干旱带主要种植作物，针对其需水关键期需要定额研究较少，同时，由于研究区降雨稀少，且年内分布不均，无法保障马铃薯需水关键期的供水。【拟解决的关键问题】因此，开展不同灌水定额条件下马铃薯生长、产量和品质的影响，明确马铃薯不同生育期对灌水量的敏感程度，提出科学合理的节水灌溉制度，为宁夏中部干旱带马铃薯灌溉提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验在宁夏盐池县冯记沟乡试验基地展开，位于宁夏中部地区，东经107°43′33″，北纬37°57′57″，典型的大陆性季风气候，气温冬冷夏热，平均气温22.4 ℃，晴天多，降雨少，光能丰富，日照充足温差大，冬夏两季气候迥异，平均温差28 ℃左右，秋冬交节之际，昼夜温差可达20 ℃，多年平均降雨量为254.8 mm，蒸发量 2100 mm，日照时数2286 h，大于10 ℃的有效积温为3145 ℃，无霜期198 d，海拔1352 m，试验区土质为沙壤土，耕层平均容重1.42 g/cm3，田间持水量为21.8 %，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 %。

1.2 试验设计

试验品种选择宁薯16号，根据马铃薯生长发育规律，把马铃薯整个生育期分为出苗期、现蕾期、初花期、盛花期和淀粉积累期5个生育阶段。本试验以灌溉定额为变量的单因素试验，设置3000、3750、4500、5250、6000 m3/hm25个梯度灌溉量处理，共计5个处理，如表1所示。每个处理3个重复，共计15个小区，采用滴灌进行供水，随机区组排列。从马铃薯出苗期开始进行灌水量梯度处理，用水表严格计量灌水量，每个小区长20 m，宽3 m，于4月23日前后开始穴播，种薯用量750 kg/hm2，垄作滴灌种植，采用一垄双行一带布置，行距50 cm，株距33 cm。全生育期N、P2O5、K2O总用量分别为375、225、225 kg/hm2，施肥处理中将75 kg纯氮(尿素163 kg/667m2)、120 kg磷肥(P2O5量，折合成重磷酸钙约为240 kg/667m2)在播种前基施，剩余氮和磷，以及全部钾肥利用滴灌系统随水追施，施肥在苗期、块茎形成期、块茎增长期和淀粉积累期分别施肥1、2、2和1次。

1.3 测试指标及方法

(1)株高。在马铃薯每个特征生育期测定1次，用卷尺从地表量至生长点，在每个小区随机标记10株，取平均值。

(2)地上及根系生物量。测定时间同株高，每个小区随机选择5株马铃薯，挖至地下60 cm处，洗掉土壤，除去块茎，按照根系和地上部分别测定其鲜重。

(3)产量。在马铃薯成熟后期每个小区随机选择10株测定其产量，按照不同质量进行分级，计算商品薯率，各重复取平均值。

(4)品质。在每个小区随机选取大中小3级马铃薯块茎，采用Lowry法、还原糖测定仪法、分光光度计法分别测定马铃薯块茎中蛋白质、淀粉、还原糖的含量，各重复取平均值。

1.4 数据处理方法

用Excel2012进行数据处理和绘图，各重复取平均值作为分析值，用DPSv17.10软件进行显著性分析。

表1 试验处理

2 结果与分析

2.1 灌水量对马铃薯株高的影响

从图1可以看出，灌水量对马铃薯株高具有较大的影响，基本表现为正相关关系，在6月29日测定的株高中处理1平均株高最小，为45.6 cm，处理5最大，为56.8 cm，分别较处理1、处理2、处理3和处理4大24.5 %、7.9 %、6.8 %和8.8 %，各处理之间达到显著水平(P<0.05)，说明水分能促进马铃薯株高的生长，但从整个生育期来看，处理5在7月17日和8月1日测得的株高值均比处理2、处理3和处理4低，如在8月1日，处理5分别低12.1 %、7.5 %和13.3 %，出现了早衰的现象，这可能是由于早期过多的水分供应，导致马铃薯根系分布较浅，无法吸收土壤深层土壤水分所致。而处理4在后期株高一直表现为优势，方差分析表明，与其他处理差异显著，在7月17日和8月1日处理4较处理1分别大14.7 %和20.1 %，说明灌水量在一定范围内可以有效促进马铃薯株高生长，而过多的水分供应不仅不能增加株高的生长，反而在后期造成马铃薯早衰，减少后期光合同化物的积累。

图1 各处理马铃薯株高变化(大写英文字母表示在1 %水平的差异,小写字母表示在5 %水平的差异)Fig.1 Changes in plant height of each treated potato(The capital letter shows the difference in 1 % level, and the litter letter shows the difference in 5 % level)

2.2 灌水量对马铃薯生物量的影响

马铃薯生物量是反应其对环境因素适应的一个综合指标，由地上部分和地下根系部分构成，由图2可以看出，不同灌水量对马铃薯地上和地下部分生物量具有较大的影响，在6月12日马铃薯现蕾期，灌水量对其地上部分生物量的影响不显著，但对马铃薯根系生物量的影响较大，除处理1外，其他处理基本表现为灌水量越小其地下部分生物量越大，特别是处理2，较处理3、处理4和处理5分别大53.3 %、56.7 %和66.7 %，可见在马铃薯早期低定额灌水能有效促进根系生长，这种调节有利于后期土壤水分不足时，马铃薯根系吸收更深土壤水分，能提高其抗旱减灾能力。在6月29日所测得的结果表明，地下部分和现蕾期具有类似的规律，表现为处理1和处理2显著大于其他3个处理，但是地上部分生物量随着灌水量的增大则表现为增大的趋势，处理5较处理1、处理2、处理3和处理4分别大97.4 %、87.5 %、10.3 %和4.2 %，说明在马铃薯开花期水分能显著促进其地上生物量的积累。

图2 不同时间马铃薯生物量Fig.2 Potato biomass in different time

表2 不同处理条件下马铃薯产量、商品薯率及WUE

在图2-c和图2-d中，地上部和地下部生物量都表现为随着灌水量的增加而增加，在8月1日地上部生物量中处理5和处理4无显著性差异(P>0.05)，处理4较处理1、处理2和处理3分别大65.5 %、41.4 %和17.3 %，但在图5中处理4地上和地下部分干物质均达到最大值，分别较处理5大8.7 %和7.4 %，这和前面株高的结果一致，说明马铃薯在后期受到一定程度的水分胁迫，导致根系生长相对较弱的处理5受水分胁迫影响较大，地下部生物量和地上部具有类似的规律，处理4均达到最大值，其次是处理5和处理2，在图1～5(8月20日)中较其分别小7.4 %、25.9 %、44.4 %、55.6 %。说明在一定范围内，增加灌水量有利于提高马铃薯生物量的积累，但是当灌水量超出一定的限度时，其生物量出现报酬递减的现象，因此，在制定灌溉制度时，在生长早期适当减少灌水量，在其关键需水期保证充足的供水量，可显著提高水资源的利用效率和马铃薯的生产效率。

图3 马铃薯主食化品种边际产量Fig.3 Marginal yield of potato stapled varieties

2.3 灌水量对马铃薯产量的影响

产量是反应马铃薯对农业资源利用效率及对农田小气候适应性的重要指标，马铃薯主食化专用品种较常规品种对养分和水肥的消耗量也表现出较大的差异，对农田环境的要求更为严格。

由表2可见，水分对马铃薯主食化品种的产量影响较大，随着灌溉定额的增加其产量整体表现为增大的趋势，产量最小为处理1，仅为2261.6 kg/667m2，其次为处理2、5、3 3个处理，分别较产量最高的处理4低31.04 %、18.6 %、1.7 %和3.0 %，说明在一定范围内，增加灌水量有助于提高马铃薯的产量，但是当灌水量超过一定量后，其产量增加平缓，甚至出现降低的现象。商品薯率也是处理4最高，达到80.41 %，其次为处理3，最小值为处理1，说明低定额灌溉，阻碍了马铃薯主食化品种马铃薯的膨大，影响了其商品薯的形成。WUE处理1最大，为11.81 kg/m3，较处理2、3、4、5分别高5.6 %、5.0 %、17.2 %和29.7 %，其中处理2和处理3经方差分析，无显著性差异，从WUE看，灌水量最小的处理1最大，但是其产量较低，其次为处理3和处理2，同样处理2其产量也较低，仅为最大值的81.4 %。

图4 单位灌水量WUE增加值Fig.4 Increased value of unit irrigation amount WUE

由图3～4可以看出，当灌溉定额超过4500 m3/hm2时，随着灌溉水量的增加，马铃薯主食化品种宁薯16的边际产量降低，表现为灌水量报酬递减趋势，当灌水量大于5460 m3/hm2时，随着灌水量的增加，马铃薯产量表现为下降趋势，这可能是由于过多的水分投入抑制了根系活性，植株表现为生理性缺水，造成马铃薯没有充分膨大。从灌溉定额为3750 m3/hm2开始，随着灌水量的增加，单位水量的水分利用效率WUE的增加值表现为先增大再减小后增大的趋势，说明灌溉定额为3750 m3/hm2时，马铃薯WUE处于较高值，其后随着灌水量的增加其WUE逐渐减小，当灌水量大于4200 m3/hm2时，WUE开始随着灌水量的增加开始增加，当超过4680 m3/hm2时，WUE又开始呈现出减小趋势，说明水分利用效率WUE表现为先减小再增大后减少的趋势。

2.4 灌水量对马铃薯品质的影响

由表3可以看出，灌水对马铃薯淀粉、蛋白质、多糖的影响较大。处理3淀粉含量最大，为15.3 g/100g，其次为处理4和处理5，两者之间没有显著性差异，淀粉含量最小为处理1，仅为7.09 g/100g，较最大值小53.7 %，除处理4和处理5之间无显著性差异外，其余各处理间均具有显著性性差异(P<0.01)，且具有统计学意义。蛋白质含量各处理间均存在显著性差异，蛋白质含量最高的为处理2，其次为处理1、处理4、处理5、处理3，最大值分别较其大0.95 %、8.7 %、10.6 %和12.2 %。多糖处理4和处理1无显著性差异，其余各处理均存在显著性差异，其多糖含量最大的为处理3，其次为处理2，前者较后者大20.8 %，其次为处理1和处理4，处理5多糖含量最小，仅为0.44 g/100g。可见，灌水对马铃薯主食化品种宁薯16号品质指标具有较大的影响，整体来看随着灌水量的增加，各指标表现为先增加后减小的趋势，因此，制定适宜的灌溉制度可显著提高宁薯16号的可加工性能，增加其主食化品质，对马铃薯主食化品种的推广和应用提供支撑。

表3 不同处理马铃薯品质指标

3 讨 论

(1)灌溉对马铃薯生长和产量、品质都具有重要的影响，在马铃薯需水关键期水分胁迫后，会对其生长产生重要的影响，在薯块膨大期水分亏缺对马铃薯株高影响最大，所产生的抑制作用在淀粉积累期达到最大[12]，适宜灌水量可以促进马铃薯株高的生长，总灌水量为1260和1620 m3/hm2的处理在块茎增长期马铃薯株高均达到最大值，但是前者较后者大8.2 %[13]，在灌水次数相同，不同灌水定额条件下也有类似的规律，如灌水量为48 m3/hm2的处理株高显著大于96 m3/hm2的处理[14]，这与本文所得到的结论一致，本试验在8月1日测定的结果中，处理5较处理4株高大14.94 %。但侯翔皓[15]发现马铃薯株高在其生长前期和后期对水分的响应效应有较大差异，在苗期和块茎形成期，株高和灌水量有较好的正相关关系，但在块茎增长期、淀粉积累期和成熟期，株高随着灌水量的增加表现为先增加后减小的趋势。在本试验中，前期灌水量较大的处理株高一直表现为生长优势，如在6月19日处理5株高显著大于其他处理，但在之后生长过程中，处理5的生长优势消失，处理4株高达到最大，说明适宜的灌溉定额和生育期分配对马铃薯株高具有重要影响，在大田生产中既要促进马铃薯株高以提高光合效率，也要防止其徒长消耗光合同化物。

(2)较大的地上部分可以增加受光面积，提高光合效率，而较长的作物根系可以促进作物吸收深层土壤水分，提高水分利用效率，也可以防止作物后期倒伏等发生。水分对马铃薯地下和地上部分的相对生长影响较大。本研究表明在马铃薯7月1日初花期之前较小的灌水量能促进马铃薯根系生长，在现蕾期灌水量最小的处理(灌溉定额为3000 m3/hm2)较最大的处理(灌溉定额为6000 m3/hm2)根系生物量大66.7 %，但是地上部的生物量与灌水量成正相关，最大灌水量处理较最小灌水量处理大97.4 %。8月1日盛花期之后，大定额灌水处理地上生物量和根系生物量显著高于小定额处理，但当灌水量超出一定的限度时，其生物量出现报酬递减的现象，如在8月20日，处理4较处理5的地上生物量大7.4 %。目前大多数学者在灌溉条件下对马铃薯生物量变化的影响研究均集中在干物质积累和转运方面，刘振[16]研究发现在陇中半干旱地区补灌后提高了马铃薯干物质的转运率，有助于提高产量。曹正鹏[17]发现青薯9号和大西洋两品种在水分亏缺下，随着亏缺程度的增加两品种生物量的增量和绝对值均降低，各品种之间存在一定差异。李晶[18]发现不同时期水分亏缺对马铃薯干物质积累的影响不同，在马铃薯块茎形成期水分亏缺则会严重影响马铃薯干物质的积累。说明在马铃薯需水关键期保证水分供应能促进马铃薯生物产量的形成，早期一定程度的水分亏缺在后期复水后会有一定的补偿效应，应根据马铃薯生长情况适时灌溉，可以促进马铃薯生物量积累和转运速率，进而形成块茎产量。

(3)耿浩杰[19]等人提出在宁夏中部干旱带覆膜滴灌马铃薯适宜的灌溉定额为1260 m3/hm2，杜嘉[20]提出河西绿洲区膜下滴灌马铃薯全生育期灌溉定额为2250 m3/hm2时，产量达到43.86 t/hm2。该量与本文提出的差异较大，主要是因为本试验在垄作未覆膜的条件开展，并且在马铃薯生育期内只有一次有效降雨量，导致耗水量较大。整体来看本次试验中马铃薯品质随着灌水量的增加，各指标表现为先增加后减小的趋势，灌溉定额小于4500 m3/hm2时，淀粉、蛋白质和多糖等指标的含量较大。马微[21]在膜下滴灌条件下发现总灌溉定额在630 m3/hm2内，灌水次数一致灌溉定额不同时，灌溉定额越大，马铃薯块茎的淀粉、还原糖和干物质含量越大。耿浩杰[19]等人发现灌溉定额越小越有利于马铃薯还原糖的积累，而淀粉在一定灌水量范围内表现为先增加后减小，与本文结果一致。总之，灌水量和农艺措施互作下对马铃薯产量和品质具有较大的影响，应根据区域水资源特征和气候条件合理制定马铃薯灌溉制度，进而达到高产、优质、高效的目的。

4 结 论

通过对宁薯16号的生长、生理、产量及对水分利用效率等的研究，发现灌水量显著影响其薯块膨大和产量形成，并且在一定范围之内，两者之间呈正相关关系，其主食化品质随着灌水量的增加表现为先增加后降低的趋势，综合以上各因素，处理3虽然产量和商品薯率均较处理4低，但其较处理4仅分别小1.8 %和6.8 %，而且其水分利用效率最高，实现水资源高效利用的目的，在宁夏中北部干旱地区推荐处理3(灌水量为4500 m3/hm2)可作为马铃薯主食化专用品种宁薯16号的灌溉定额。