半干旱区膜下滴灌量与滴灌次数对马铃薯生长及水分利用效率影响

贾莉， 陈娟， 雍山玉*， 李效文， 梁伟琴

（1.定西市农业技术推广站，甘肃 定西 743000； 2.甘肃省农业科学院经济作物与啤酒原料研究所，兰州 730070； 3.定西市安定区农业技术推广服务中心，甘肃 定西 743000）

甘肃中部属半干旱区，日照充足，降雨量少，蒸发量大，水资源匮乏，水是限制当地农业生产的决定性因素[1]。随着马铃薯主粮化的启动与产业化发展，马铃薯已成为甘肃中部地区粮兼经特色优势作物，因其适应性广、耐旱抗逆性强及经济效益高备受农民欢迎[2]。近几年，气候变暖及季节性极端干旱事件频发，特别是在马铃薯生长最需水的入夏有效降水持续偏少，严重影响马铃薯的正常生长及产量和品质。

膜下滴灌是覆膜与灌溉相结合的一种节水灌溉方式，可使水分直接到达作物根部，实现局部灌溉，极大地减少了无效径流与渗透，节水、控水效果突出[3]。目前，膜下滴灌节水技术在灌水条件便利的设施蔬菜、葡萄、棉花等经济作物上得到了大面积应用[4-5]。而在较为偏远的甘肃旱作区，受供水与旱作区灌水条件的限制，应用较少。近几年，随着引水工程的实施，偏远乡村部分地区也能逐步实现有限的农业用水，因此利用有限的农用灌水合理补水是提高马铃薯产量的有效途径。由于膜下滴灌技术在黄土地区应用时间有限，技术不够成熟，对于灌水量、灌溉时期等技术应用存在诸多问题。

本试验通过对马铃薯膜下滴灌的灌水量及灌水时期进行比较，研究其对马铃薯生长、产量、耗水量、水分利用率及经济效益的影响，确定马铃薯节水、高产的最佳灌水量与灌溉时期，为黄土丘陵沟壑区马铃薯的大面积推广和实际应用提供理论与技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于甘肃省定西市安定区凤翔镇安家坡村，属温带大陆性半干旱气候。海拔高度2000 m，多年平均气温6.4 ℃，无霜期多年平均140 d，近30年平均降雨量392 mm。试验区土质为黄绵土，土壤干容重1.42 g·cm-3，土壤有机碳14.52 g·kg-1，速效氮55.03 mg·kg-1，速效磷11.98 mg·kg-1，速效钾116.22 mg·kg-1，pH 8.67。2021年马铃薯生育期内有效降水338.7 mm。

1.2 试验设计和方法

以‘冀张薯12号’品种的一级种薯为供试材料，底肥选用复合肥（氮∶磷∶钾=18∶12∶15，N+P2O5+K2O≥45%）一次性施入，施入量1100 kg·hm-2。于4月26日播种，10月2日收获。采用黑色地膜（宽度90 cm，厚度0.012 mm）垄面种植，垄面修整成“M”形微沟，垄面集雨，膜两侧按照“∴”形种植。垄面宽70 cm，垄沟深40 cm，行距60 cm，株距38 cm，种植密度47870株·hm-2。采用耐特菲姆压力补偿式滴灌，滴头间距40 cm。滴灌带布置在膜内1/2行距处，滴头流量2.5 L·h-1，工作压力0.1 MPa。结合生产实际，设定旱作区灌水量与有限灌水次数2个因素，其中滴灌量分别为600 (W1)、1200 (W2)和1800 m3·hm-2(W3)；灌水次数分别为2(F1)、3(F2)和4次(F3)，以覆膜无灌水处理作为对照（CK），共计10个处理，每个处理重复3次，采用随机区组排列，每小区面积59.4 m2（6.6 m×9.0 m）。灌水量由水表控制，具体灌水方案见表1。

表1 马铃薯滴灌试验因素组合设计Table 1 Irrigation system in the study area

1.3 测定项目与方法

1.3.1 株高 于马铃薯苗期（6月8日）、块茎形成期（7月1日）、块茎膨大期（7月28日）、淀粉累积期（8月25日）和成熟期随机选取10株植株测定株高。

1.3.2 SPAD值 在马铃薯苗期、块茎膨大期及淀粉累积期随机选取10株植株顶叶下方完全展开的第3片叶，使用便携式叶绿素测定仪（SPAD-502 PLUS）测定叶片的SPAD值。

1.3.3 叶面积指数 各小区随机选取10 株马铃薯植株，用钢卷尺测量所有叶片的叶长和叶宽，并计算整株总叶面积和叶面积指数[6]，计算公式如下。

1.3.4 干物质和产量 在马铃薯苗期、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉累积期、成熟期，每个小区随机选取10株，将植株样装入试验袋带回实验室，105 ℃恒温箱杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，分别测定根、茎、叶的干物质量。马铃薯产量每个小区实打实收。

1.3.5 土壤含水量 于播前和马铃薯收获期选用土钻分别取20、40、60、80和 100 cm 深度的土样，装入自封袋带回实验室，用烘箱烘干，计算土壤含水量，并根据土壤容重与含水量计算贮水量，进一步计算马铃薯生育期耗水量和水分利用效率，公式如下。

式中，W为土壤贮水量（mm）；h为土层深度（cm）；a为土壤容重（g·cm-3）；b为土壤含水量（%）[7]。

式中，WUE为水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）；Y为马铃薯块茎产量（kg·hm-2）；ET 为马铃薯生育期耗水量（mm）[8]。

1.4 统计分析

采用Excel 2007和SPSS 21.0软件对数据进行整理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同滴灌量与灌水次数对马铃薯株高的影响

灌水能够促进马铃薯生长。随着马铃薯生育进程的推进，马铃薯株高呈先增后减的单峰曲线型变化，以马铃薯块茎膨大期的株高最高（表2）。在马铃薯苗期，灌水处理对株高无显著影响；在马铃薯块茎形成期、块茎形成期、淀粉累积期，株高随滴灌量与滴灌次数的增加而增加。在马铃薯块茎形成期、块茎膨大期、淀粉累积期，灌水处理的株高较CK分别增加1.45%～40.29%、16.25%～40.69%、12.37%～37.12%。当灌水量相同时，均以4次灌水（F3）处理下的株高最高，CK处理下株高最低。其中，在块茎形成期，2次灌水处理由于苗期未灌水其株高与CK差异不显著，而灌水3和4次处理的株高显著高于CK；在块茎膨大期、淀粉累积期和成熟期，灌水处理的株高均显著高于CK。由此说明，块茎形成期以前灌水能够促进植株快速生长；相比较于灌水次数，滴灌量对株高的影响更为明显。在淀粉累积期，相同灌水条件下F3较F2与F1分别增加3.92%～8.52%、7.88%～18.82%。在相同灌溉次数下，W3处理较W2在块茎形成期、块茎膨大期期、淀粉累积期株高分别增加-0.38%～13.39%、1.97%～7.65%、1.50%～8.70%；W3处理较W1在块茎形成期、块茎膨大期期、淀粉累积期株高分别增加-0.61%～20.64%、6.75%～15.43%、5.40%～17.86%。随着滴灌量的增加株高的增幅逐渐降低。在马铃薯块茎膨大期、淀粉累积期和成熟期均为4次灌水处理（F3）下株高最高。由此表明，灌水能够促进马铃薯生长，随着滴灌量的增加株高增加幅度降低，适宜的灌水时期与灌水次数能够增加株高，延缓植株萎缩。

表2 不同处理下马铃薯的株高Table 2 Plant height of potato under different treatments（cm）

2.2 不同滴灌量与灌水次数对马铃薯叶面积指数的影响

马铃薯叶面积指数随着生育期的推进呈先增后减的单峰曲线，其中苗期至块茎形成期叶面积指数增长较为缓慢；块茎形成期至块茎膨大期增长速度加快；淀粉累积期叶面积指数最高；成熟期叶面积指数降低（表3）。在苗期，灌水处理对叶面积指数影响较小，各处理间差异不显著；在块茎形成期，灌水量与灌水次数对叶面积指数影响显著，灌水处理的叶面积指数较CK增加7.14%～97.32%；在块茎膨大期，马铃薯叶面积随着滴灌量与灌水次数的增加而增加，灌水处理较CK增加10.57%～52.03%；在淀粉累积期和成熟期，灌水处理的叶面积指数均显著高于CK。当灌水次数相同时，灌水量增至W2后，进一步增加灌水量，叶面积指数并没有显著增加；当灌水量相同时，增加灌输次数有利于增加马铃薯叶面积指数。

表3 不同处理下马铃薯的叶面积指数Table 3 Leaf area index of potato under different treatments

2.3 不同滴灌量与灌水次数对马铃薯叶片SPAD值的影响

随着生育期的推进，马铃薯叶片SPAD值呈先增后减的变化趋势，其中块茎膨大期的叶片SPAD值最大（图 1）。在苗期，滴灌量与灌水次数对叶片SPAD值影响不显著。在块茎膨大期和淀粉累积期，灌水处理的叶片SPAD值均显著高于CK，其中块茎膨大期灌水处理的SPAD值较CK显著增加2.71%～15.19%，以W2F3、W3F3处理的SPAD值最高；淀粉累积期灌水处理的叶片SPAD值较CK增加3.37%～16.23%，且叶片SPAD值随着滴灌量和灌水次数的增加显著增加（W3＞W2＞W1，F3＞F2＞F1）。

图1 不同处理下马铃薯的叶片SPAD值Fig. 1 SPAD value of potato leaf under different treatments

2.4 不同滴灌量与灌水次数对马铃薯干物质累积量的影响

随着马铃薯生育进程的推进，根、茎、叶干物质累积量均呈先增后减的单峰变化趋势，其中叶的干物质累积量在块茎形成期最大；根、茎的干物质累积量在淀粉累积期最大；在马铃薯成熟期根、茎、叶的干物质累积量均下降（表4）。

表4 不同处理下马铃薯的干物质积累量（g·株-1）Table 4 Dry matter accumulation of potato under different treatments（g·plant-1）

苗期至成熟期，根干物质累积量随着滴灌量与滴灌次数的增加呈下降趋势，其中以CK的根干物质累积量最大；W3F3处理的根干物质累积量最小。由此表明，灌水对马铃薯根系生长有抑制作用。

在苗期，灌水对茎、叶干物质累积量无显著影响。在块茎形成期，灌水显著提高茎、叶干物质累积量，与CK相比，茎、叶干物质累积量分别增加0.86%～47.86%、2.75%～68.88%。在块茎膨大期，茎、叶干物质累积量迅速增大，较CK分别增加25.52%～67.80%、32.34%～74.43%，其中以W3F3处理最大；且灌水量对干物质累积量的影响显著大于灌水次数。在淀粉累积期，灌水处理的茎、叶干物质累积量较CK分别增加39.90%～101.51%、35.11%～93.33%。在成熟期，灌水处理的茎、叶干物质累积量较CK分别增加21.98%～58.80%、24.41%～91.48%。由此表明，灌水能促进马铃薯地上部分干物质累积。在相同灌水次数下，当灌水量增至W2后，进一步增加灌水量，茎、叶的干物质累积量并没有显著增加；在相同灌水量下，增加灌水次数有利于茎、叶中干物质累积量的提高（表4）。

2.5 不同滴灌量与灌水次数对马铃薯产量及水分利用效率的影响

灌水处理的马铃薯耗水量、产量及水分利用效率均显著高于CK（表5）。随着滴灌量与灌水次数的增加马铃薯的耗水量、产量逐渐增大（W3＞W2＞W1，F3＞F2＞F1），较CK分别增加10.99%～41.08%、20.30%～84.03%，其中以W3F3处理的耗水量与产量最高。灌水处理的水分利用效率较CK显著增加10.72%～49.63%，其中以W2F3处理的水分利用效率最高。相同灌水次数下，当灌水量增至W2后继续增加灌水量马铃薯产量未显著增加，且水分利用效率显著降低。因此，适宜的灌水量与灌水次数能够显著提高马铃薯水分利用效率与产量。

表5 不同处理下马铃薯的产量及水分利用效率Table 5 Yield and water use efficiency of potato under different treatments

2.6 不同滴灌量与灌水次数对马铃薯经济收益的影响

灌水处理能显著提高马铃薯商品产量与商品率，其中在相同灌水量下，商品率随着灌水次数的增加显著提高（表6）。生产资料中地膜投入1200 元·hm-2，肥料投入3150 元·hm-2，种子投入4140 元·hm-2，灌水（引洮水）价格6.5 元·m-3。劳动投入无滴灌4560 元·hm-2，滴灌劳动投入增加1190 元·hm-2。各处理的纯收益为8594.46～24203.88 元·hm-2，其中W2F3、W3F3处理最高，分别为47234.88、47968.82 元·hm-2；W1F1处理最低。相同灌水量下，纯收益随着灌水次数的增加显著增大；相同灌水次数下，随着灌水量的增大纯收益呈先增后减趋势，因此以W2灌水量水平下的F3处理（W2F3）纯收益最高。

表6 不同灌水次数与灌溉量下的马铃薯经济收益Table 6 Economic benefits of potato under different frequency and rate of irrigation

3 讨论

水资源匮乏是制约西北地区农业发展的重要因素，也是限制作物生长的决定性因素，推进旱作区节水控水、提升用水效率对提高粮食单产与品质有重要意义，有助于农业生产的健康发展[9]。马铃薯作为我国西北旱作区的主要粮菜兼用作物，采用膜下滴灌栽培实现了水分在作物根部的精准输送，降低了无效损耗，实现了增温保墒、节水节肥的作用[10]。相比覆膜无灌溉（CK），膜下滴灌灌水对根的生长有抑制作用，不同灌水量与灌水时间组合对马铃薯株高、叶面积指数、地上部分干物质累积量、叶片SPAD值均有显著促进作用。随着马铃薯生育期的推进，干物质累积量呈单峰曲线变化，在苗期、块茎形成期、块茎膨大期与淀粉累积期缺少灌水对于马铃薯生长影响非常显著，因此这4个时期为马铃薯需水关键期。在关键生育期增加灌水量能够提高叶面积指数与SPAD值，因此灌水具有缓解叶片衰老的作用。灌水量与灌水次数的增加均对马铃薯生长起促进作用，其中灌水量的影响大于灌水次数；但当灌水量增至1200 m3·hm-2，继续增加灌水量株高、叶面积指数及干物质累积量等生长指标的增加幅度降低。相同灌溉定额下，随着灌水次数的增加,马铃薯的株高、叶面积指数、干物质累积量均有所增加，这与尹娟等[11]的研究结果类似。这是由于相同灌溉量下，随灌水次数的增加，一方面使马铃薯植株在需水时期能及时得到补偿；另一方面能减小土壤含水量的剧烈变化带来的不利影响，从而有利于马铃薯生长。仅缩短灌溉周期，而灌溉量达不到马铃薯生长需求，也会影响植株的正常生长发育。夏腾霄等[12]在内蒙古利用膜下滴灌研究不同灌水量对马铃薯生长发育的影响发现，随着灌水量的增加，马铃薯的株高、茎粗、地上部干物质量、块茎产量均呈先增加后减小趋势，当灌水量为1650 m3·hm-2时产量最高。吴娇等[13]在宁夏研究不同灌水量对马铃薯产量的影响发现，灌水能够促进马铃薯生长，当灌水量为1260 m3·hm-2马铃薯产量最高。李燕山等[14]研究表明，膜下滴灌能加快马铃薯生长，其产量随灌水量的增加逐渐增大，当滴灌量为1950 m3·hm-2时产量最高。造成不同区域最佳灌水量差异的主要原因可能是由于不同区域的温度、降雨量、地理环境、土壤质地、作物品种、种植密度以及灌水次数等存在差异。

膜下滴灌能够显著提高水分利用效率及经济收益。与覆膜无灌水相比，灌水既提高了马铃薯的干物质累积量与产量，同时又提高了水分利用效率，其中以1200 m3·hm-2灌水定额分4次灌溉（W2F3处理）时的水分利用效率最高。由此表明，适量的灌水量及增加关键生育期灌水有利于提高马铃薯水分利用效率，以此达到节水、高产、高效的目的。研究表明，一定范围内，作物产量与灌水量呈正相关关系，即灌水在提高产量的同时能够显著提高水分利用效率[15]。随着灌水量的提高经济投入逐渐增大，经济纯收益开始降低。本研究发现，当灌水量为1200 m3·hm-2时经济效益最高，其中以W2F3处理的纯收益最高。适宜的灌水定额与灌水时期有利于促进马铃薯生长，提高叶片SPAD值，增加植株干物质累积量与产量，提高水分利用效率，增加经济收益。

本文研究了膜下滴灌条件下不同灌水量及灌水次数对马铃薯生长指标、产量、水分利用效率、经济效益等的影响，通过系统分析与综合评价提出灌水定额为1200 m3·hm-2，分别在苗期、块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期分4次进行灌水为适宜半干旱黄土丘陵区的马铃薯膜下滴灌高产节水灌溉模式。