覆膜与补充灌溉对马铃薯生长、耗水特征及水分利用效率的影响

王喜红，王腾飞，张 芮，张梅花，蔺宝军，杨昌钰

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.平凉市农业科学院，甘肃 平凉 744000；3.大禹节水集团有限责任公司，甘肃 酒泉 735000)

我国是马铃薯生产第一大国，种植面积已超5.33×106hm2，年产量约9000万t，约占全球马铃薯生产总量的1/4[1]。与以色列、美国等节水灌溉发达国家相比，我国农业用水浪费严重，水资源分配不均且利用效率不高，有效利用效率仅为40%[2- 7]。而单产量低下、水肥利用效率不高、灌溉技术不匹配等问题严重制约着我国马铃薯产业发展[8- 9]。因此，加强农业用水管理，提高农业水资源利用效率，推动发展农业节水补充灌溉变得尤为重要[10- 12]。近年来，随着覆膜技术的不断发展，覆膜与不同灌溉技术相结合的灌溉方式逐渐成为高效节水灌溉技术发展的新趋势。研究发现，即使在同一生产区域，不同灌水技术对不同覆膜栽培模式下马铃薯的影响也不一样[13- 15]。覆膜处理较不覆膜处理可以显著提高马铃薯水分利用效率[16]；膜下滴灌较常规节水灌溉技术相比，节水达50%，省肥20%，增产10%以上[17]，对不同作物的水分利用效率均有不同幅度的提高[18- 20]。我国农业科技工作者针对马铃薯节水增产等方面做了大量研究，但是对于覆膜与补灌相结合的新型农艺技术对马铃薯生长发育、耗水特性和水分利用效率等方面尚待进一步研究。

甘肃省定西市位于北方一季作区，是典型的旱作雨养农业区。该地区常年光照充足，水资源相对匮乏，马铃薯常年种植面积达20万hm2，总产量约为500万t[21]。本研究通过分析探讨不同覆膜与不同补灌技术对马铃薯各生育期的生长指标、耗水特性及水分利用效率的影响，为制定半干旱地区节水增收的新型农艺技术和灌溉制度、促进定西市旱作马铃薯产业发展以及改善农田土壤环境提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年4—9月在甘肃省定西市灌溉试验站西川试验基地(37°52′N，102°50′E，海拔1958m)进行。该试验基地是引洮供水一期典型灌区，且自然降雨时节与马铃薯需水期吻合。试验基地的相应指标及降雨情况见表1—2。

表1 试验基地区域环境指标及土壤指标

表2 马铃薯生育期内降雨情况统计表

1.2 试验设计

试验设计如图1所示。试验以马铃薯“中薯19号”为供试作物，设4种灌水模式(滴灌ID、沟灌IF、畦灌IB及不灌水IN)和3种覆膜方式(全覆膜PF、半覆膜PH和无膜PN)，共计7个处理，21个重复。每个小区面积为10m×8.1m，马铃薯株距0.4m，每个处理定植株数为300株(50株/行×2行×3个重复)。试验覆膜幅宽90 cm，厚0.08mm黑色聚乙烯塑料地膜。滴灌带规格为内镶式扁平滴灌，壁厚0.3mm，直径16mm，滴头间距30 cm，流量为1.2 L/h。垄沟采用人工起垄方式，形成上口宽为0.4m，沟深0.2m，沟底坡度为0.4%，沟长10m的梯形垄沟，并在灌水沟两端修筑田埂以防灌水时流出；沟垄两行种植，垄宽0.6m，垄栽行间距为0.5m，株距0.4m；畦田长10m，宽0.6m，种植行间距为0.5m。

考虑当地农户灌溉经验及学者的相关研究[22]，试验设灌水上下限分别为75%θf、55%θf，控制界限以土壤含水率占田间持水量(θf)的百分数表示。试验基地的灌溉用水源自“引洮工程”，当土壤含水率下降至水分控制下限时进行灌水，灌水量和灌水时间由土壤相对含水率确定，灌水多少由水表量测，灌水结束后土壤含水率与田间持水量持平。

图1 试验设计

滴灌、沟灌和畦灌灌水定额分别由下式计算：

M=0.001γΖΡ(θmax-θmin)

(1)

M=10γZ(θmax-θmin)

(2)

式中，M—灌水量，m3/hm2；γ—计划湿润层土壤容重平均值，g/cm3；Z—计划湿润层深度，m；P—滴灌湿润比；θmax—适宜土壤含水量上限，%；θmin—灌水前土壤适宜含水量下限，%。计算结果见表3。

1.3 田间管理及生育期划分

为防病虫和杂草危害，马铃薯全生育期喷洒农药2次，安全间隔期为7d，主要集中在8月；人工除草3次，每次间隔时间约30d，主要集中在6—8月。为确保试验准确，在试验地四周各设置1.2m×1.2m保护行，且禁止踩踏马铃薯种植小区内的覆盖材料。试验于2019年5月10日播种，苗期(6月6日—6月26日)，块茎形成期(6月27日—7月16日)，块茎膨大期(7月17日—8月16日)，淀粉积累期(8月17日—9月18日)，9月21日采收，马铃薯全生育期累计时长105d。

1.4 样品采集与测定

1.4.1土壤含水率测定

土壤含水率采用烘干法测定(烘箱型号：DHG—9036A)，每隔10d测一次，每次降雨前后及生育期转折点加测，每个测点分别取土层0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm的土样，取6个土层含水率的平均值作为该测点的含水率。

1.4.2株高、茎粗及叶面积指数(LAI)测定

每个重复中随机选定5株长势均匀的马铃薯，并为其编号为1- 5，用卷尺和游标卡尺(精度0.01mm)

分别测定马铃薯生育期内的株高和茎粗值。叶面积采用打孔法测定，叶面积指数LAI=单株叶面积×处理株数(300株/处理)/小区面积(cm2)。

1.4.3水分利用效率(WUE)

WUE=Y/ET

(3)

(4)

式中，Y—单位面积马铃薯产量，kg/hm2；ET—马铃薯全生育期总耗水量，mm；ET1-2—马铃薯阶段耗水量，mm；i—土层编号；n为土层总数目，该试验n=6；ri—第 i 层土壤干体积质量，g/cm3；Hi—第i层土壤的厚度，cm；wi1、wi2—第i土层在时段始、末的含水率，%；M—该时段内灌水量，mm；P—该时段内有效降雨量，mm；K—该时段内深层地下水补给量，mm；C—该时段内排水量(地表排水与深层排水之和)，mm。单次降水量小于3mm时，其大致与作物对降雨的截留量相等[23]，本次大田试验将小于3mm的单次降水量视为无效降雨；试验区地下水埋深比较大(>20m)，故K取值为零；试验区灌水上限为田间持水量的75%，不会产生深层渗漏，故C取值为0。

1.4.4耗水模系数(WOC)

(5)

式中，WOC—耗水模系数，%；ETi—马铃薯生育期阶段性耗水量，mm；ET—马铃薯全生育期总耗水量，mm，可用公式(4)计算。

1.4.5耗水强度(DWC)

(6)

式中，ETi—马铃薯生育期阶段性耗水量，mm，d—马铃薯某个生育阶段天数，d。

1.5 数据分析

采用SPSS22.0统计分析软件分析试验数据；Duncan’s新复极差法分析显著性；采用Microsoft Excel 2013 进行数据处理。

表3 不同处理灌水定额

2 结果与分析

2.1 覆膜与补充灌溉对马铃薯生长的影响

2.1.1对马铃薯株高的影响

覆膜与补充灌溉方式下马铃薯株高的变化如图2所示(图中， ID为膜下滴灌处理，IF为沟灌处理，IB为畦灌处理，IBN为畦田不灌水处理，IN为不灌水处理。图3—4同)。试验结果表明：全生育期各处理马铃薯自然株高持续增大，在块茎膨大末期增长速度放缓。从苗期到块茎形成期，各处理自然株高的变化范围由31.53～46.07cm(出苗19d)增长到40.00～50.80cm(出苗24d)，PFID处理最高，对照PNIN处理最低，株高大小顺序为：PFID>PFIB>PFIF>PNIF>PHID>PFIBN>PNIN，其增长速率(cm/d)分别为：1.95、2.25、1.87、1.92、1.67、2.27、1.69，该时段主要是因为随着降雨及灌水量的加大，为马铃薯植株生长提供了充足的水分；6月30日，PNIF处理株高突然下降，可能是该阶段灌水及降雨冲刷使得侧垄土壤流转至灌水沟中，使马铃薯植株扭曲甚至淹埋，导致自然株高减少。从块茎形成期到块茎膨大期，不同处理下马铃薯自然株高达到峰值，处理PFIB最高为95.80 cm，处理PNIN最低为68.00 cm，平均株高为82.46 cm。

2.1.2对马铃薯茎粗的影响

覆膜与补充灌溉方式下马铃薯茎粗的变化如图3所示。试验结果表明：马铃薯在苗期增长速度较快，块茎膨大期增速变缓，之后逐渐趋于稳定。从苗期到块茎膨大期，各处理茎粗持续增大，平均茎粗变化范围为12.02mm(出苗19d)～18.52mm(出苗49d)，茎粗大小顺序为：PFIF>PFID>PHID>PFIB>PNIF>PNIN>PFIBN，各处理差异未达显著性(p<0.05)。7月17日，马铃薯进入块茎膨大期，各处理茎粗仍有增长趋势，但相对苗期至形成期增长速度有所变缓，平均茎粗变化范围为18.52mm(出苗49d)～19.18mm(出苗57d)，说明从整个马铃薯茎粗生长阶段看，PFID、PHID及PFIF处理茎粗生长较快，但无显著差异(P>0.05)，PNIN处理生长较缓。

图2 覆膜与补充灌溉对马铃薯株高的影响

图3 覆膜与补充灌溉对马铃薯茎粗的影响

2.1.3对马铃薯叶面积的影响

覆膜与补充灌溉对马铃薯LAI的影响如图4所示。试验结果表明：马铃薯叶面积随生育期变化规律为“增大-峰值-减小”，呈高原曲线。从苗期到块茎膨大期，植株生长发育很快，使得叶面积指数持续增长，叶面积指数表现为：PFID>PHID>PFIF>PFIB>PNIF>PFIBN>PNIN，说明在马铃薯生长前期，覆膜灌水对马铃薯叶面积指数具有促进作用。进入淀粉积累期，植株开始衰老，各处理叶面积指数均呈下降趋势，各覆膜处理显著小于PNIF(2.84)处理，原因可能是在马铃薯生长后期，覆膜抑制了植株生长，加剧了马铃薯衰老。

图4 覆膜与补充灌溉对马铃薯LAI的影响

2.2 覆膜与补充灌溉对马铃薯耗水特征及水分利用效率的影响

2.2.1马铃薯耗水特征变化规律

覆膜与补充灌溉下马铃薯各生育期日耗水强度及耗水特征变化见表4。覆膜和补充灌溉条件下对马铃薯各生育期的耗水特征变化趋势一致，整体表现为“最小-升高-峰值-减小”的变化规律。在苗期，PHID处理的耗水模系数最高，为15.26%，日耗水强度与其他处理差异显著，为1.41mm/d。各处理日耗水强度变化范围在0.95～2.12mm/d之间，其中PNIN、PFIBN处理显著高于PFID(0.95mm/d)、PHID(1.41mm/d)、PFIF(1.17mm/d)处理。块茎形成及膨大期植株需水量较大，各处理耗水量、日耗水强度及耗水模系数变化态势剧烈，到达全生育期峰值，耗水量、日耗水强度以及耗水模系数在块茎形成期和块茎膨大期的变化范围分别为：25.4～57.98mm，56.04～139.61mm；1.27～2.9mm/d，1.81 ～3.41mm/d；14.15%～19.51%，33.46%～50.01%。在淀粉积累期，植株生理活动减弱，各处理耗水量、日耗水强度及耗水模系数也随之表现出下降态势，耗水量变化范围为44.86～103.82mm，日耗水强度变化范围逐步降至1.32～3.05mm/d，耗水模系数小幅下降至22.15%～33.52%，对照PNIN处理的日耗水强度仍然显著高于其他处理，各处理间差异显著，其中PFID处理(1.32mm/d)耗水强度最弱，较PNIN(3.05mm/d)、PFIBN(2.76mm/d)处理减少了1.73、1.44mm/d，之间达显著性差异。

2.2.2对马铃薯水分利用效率的影响

覆膜与补充灌溉对马铃薯水分利用效率(WUE)见表5。马铃薯WUE和IWUE变化相似，PFID处理IWUE和WUE最高，显著高于其他处理，PHID处理产量最高。从各处理IWUE分析，PFIB处理最低，各处理整体表现为：PFID>PFIF>PHID>PNIF>PFIB。从各处理的WUE分析，各处理整体表现为：PFID>PFIF>PHID>PNIF>PFIB>PFIBN>PNIN。此外，同种补灌方式下不同覆膜程度对水分利用效率也存在不同程度的影响：PFID处理较PHID处理可提高20.34%，但无显著差异；PNIF处理较PFIF处理减幅达65%，差异显著；PFIBN处理相比PFIB处理显著减少了28.66%；PFIBN处理较PNIN处理显著增加了22.54%；各覆膜程度具体表现为：PF>PH>PN。同种覆膜程度下不同灌水方式对水分利用效率也存在不同程度的影响：PFID处理相比PFIB、PFIBN处理显著提高了93.55%、149%，PNIF处理较PNIN处理显著提高了63.73%；各灌水方式具体表现为：ID>IB>IF>IN。可见，覆膜灌溉和膜下滴灌对马铃薯水分利用效率的提高有积极作用。

3 讨论

水分作为植株生长发育的原始材料，贯穿植株生长发育的全过程。随着降雨量和灌水量的增加，生长前期各处理株高、茎粗、LAI持续增大，在块茎膨大末期增长速度放缓且LAI达到最大值后逐渐减小，而茎粗的增大有利于植株向地上部分输送土壤中水分及养分[24]，提高光合产物的形成和积累[25]；进入淀粉积累期后，植株衰老，生长发育变缓，导致株高、茎粗呈现相同的下降趋势。在马铃薯期生长前期，PFID处理的株高、茎粗、LAI均表现出较强的一致性，都高于其他处理，说明覆膜灌水处理虽然可以促进马铃薯器官的生长发育，但在马铃薯生长末期会加速叶片枯萎凋谢，减少功能叶面积，影响营养物质的积累和输送，也说明膜下滴灌处理对马铃薯生长指标影响较大，这与王建阳[26]研究结果相似。因此，在马铃薯整个生育期前期覆膜和灌水有效结合的农艺措施更有利于植株生长。

表4 马铃薯各生育期耗水特征

表5 覆膜与补充灌溉对马铃薯水分利用效率的影响

马铃薯耗水量主要由土壤贮水消耗量，补充灌水量、降雨量3部分组成，节水农业的首要任务是提高灌水及自然降水的水分利用效率[27]。马铃薯在苗期-淀粉积累期各处理耗水特征具有较强的一致性，原因是马铃薯生长前期生殖生长与营养生长并进，耗水量较大，田间蒸腾剧烈，这与雒倞豪[28]有相似的研究结果。滴灌技术下作物的产量和水分利用效率都优于沟灌[29- 31]，PHID处理的产量最高，各处理IWUE和WUE整体表现分别为：PFID>PFIF>PHID>PNIF>PFIB，PFID>PFIF>PHID>PNIF>PFIB>PFIBN>PNIN，本研究结果与前人相似。此外，同种补灌方式下不同覆膜程度对水分利用效率也存在不同程度的影响，各覆膜程度具体表现为：PF>PH>PN。同种覆膜程度下不同灌水方式对水分利用效率也存在不同程度的影响，各灌水方式具体表现为：ID>IB>IF>IN。可见，覆膜灌溉和膜下滴灌对马铃薯水分利用效率的提高有积极作用。

4 结论

综合分析马铃薯各处理生长指标、耗水特性及水分利用效率得出以下结论：

(1)马铃薯全生育期内株高、茎粗、LAI持续增大，且生长指标与植株需水变化一致，覆膜灌溉处理生长指标增速显著高于其他处理，膜下滴灌处理最为显著。

(2)各处理耗水特征均表现出较强的一致性，整体表现为“最小-升高-峰值-减小”的变化规律。

(3)半覆膜膜下滴灌(PHID)整体表现最优，即采用1膜(0.9m宽的地膜)2带(滴灌带)2行马铃薯栽培方式，每隔2行马铃薯间留出0.1m宽的浅层集雨入的补充灌溉方案。