不同灌溉方式对冬种马铃薯土壤理化性状、水分利用效率及块茎产量的影响

樊吴静,杨 鑫,李丽淑,李兰青,唐 海,唐秀桦,何虎翼,唐洲萍

(1.广西农业科学院经济作物研究所,南宁 530007;2.玉林市农业科学院,广西 玉林 537000;3.马山县乔利乡社会保障管理中心,广西 马山 530699)

【研究意义】马铃薯(SolanumtuberosumL.)是世界第四大粮食作物,具有粮菜兼用、加工用途广和产业链长等特点[1]。近年来南方冬作区马铃薯产业发展势头迅猛,已成为我国马铃薯产业发展的重点区域[2]。广西是我国冬种马铃薯主产区之一,在冬作区马铃薯生产中发挥着重要作用。广西处于季风气候区,区域性和季节性干旱非常明显,近年来受全球性气候异常变化影响出现区域性、季节性干旱更频繁,旱情更严重[3],其中季节性干旱通常出现在9—11月,此时正是冬种马铃薯播期和苗期,若不进行合理灌溉,将严重影响马铃薯出苗和生长[4]。马铃薯根系入土浅、结构较松散,对土壤水分较敏感,干旱已成为制约马铃薯产量和品质提高的主要因素之一[5-7]。目前冬作区马铃薯生产上大多采用传统的大水漫灌和沟灌方式进行灌溉,既浪费水资源导致水分利用率低下,又耗费较多劳动力,很难满足马铃薯集约化生产需要,经济效益难以提高[8]。因此,探究不同灌溉方式以完善马铃薯节水灌溉技术,对促进广西冬作区马铃薯产业的可持续发展意义重大。【前人研究进展】关于不同灌溉方式对马铃薯影响方面的研究已有一些报道。张志伟等[9]研究滴灌、微喷灌和大水漫灌对马铃薯产量和水肥资源利用的影响,结果表明,滴灌处理可使马铃薯出苗成活率提高10.00%,节水37.00%,节肥55.00%,有效提高马铃薯的产量和偏生产力。王雯等[10]开展露地滴灌、膜下滴灌、沟灌、交替隔沟灌和漫灌5种灌溉方式对马铃薯生长和产量影响研究,结果发现,在马铃薯的整个生育期,膜下滴灌处理的株高、茎粗和叶片SPAD值均高于其他处理,且显著高于漫灌处理,商品薯率和产量均表现为膜下滴灌>露地滴灌>交替隔沟灌>沟灌>漫灌。韩翠莲等[11]研究裸地灌溉、沟灌、漫灌和膜下滴灌等不同灌溉方式对马铃薯光合特性及产量的影响,发现膜下滴灌处理马铃薯叶片的光合指标均明显优于其他处理,经济产量增加10.56%～58.72%,水分利用效率提高5.99%～150.23%。刘远超等[12]研究表明,在马铃薯露地滴灌、膜下滴灌、沟灌、交替沟灌和漫灌5种灌溉处理中,膜下滴灌处理的土壤水分较其他处理高0.38%～39.19%,土壤温度高1.46%～5.38%,产量高3.37%～44.67%。Janat[13]、王凤新等[14]研究认为,滴灌可直接向根区局部精准供水供肥,节水节肥效果显著,覆膜具有增温保墒作用,膜下滴灌是一种将覆膜与滴灌技术相结合的灌溉方式。在膜下滴灌对马铃薯生长影响方面,已有研究认为膜下滴灌相比露地滴灌可提高马铃薯的产量和质量[15-16],但也有研究表明,地膜覆盖会导致土壤温度过高和渗透性变差,进而影响马铃薯出苗,对马铃薯生长具有抑制作用[17-18]。【本研究切入点】广西冬作马铃薯种植时间为9—11月,但目前有关冬作区马铃薯灌溉方式的研究较少,针对不同灌溉方式对冬作区马铃薯土壤理化性状、水分利用效率及块茎产量影响的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以马铃薯品种丽薯6号为试验材料,探究膜下滴灌、露地滴灌、露地微喷灌和不灌溉方式下的马铃薯地土壤水分、温度、养分、水分利用效率及块茎产量等的变化情况,寻找适宜广西冬种马铃薯高产高效生产的灌溉方式,为广西冬种马铃薯产业的健康发展提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于广西农业科学院武鸣里建科研基地(108°16′ E,23°09′ N,海拔115 m),年均气温21.9 ℃,年降水量1230 mm,无霜期360 d。前茬作物为玉米,土壤为赤红壤,pH 5.1,碱解氮含量120.0 mg/kg,有效磷含量120.0 mg/kg,速效钾含量106.0 mg/kg,有机质含量30.4 g/kg。

1.2 试验材料

供试马铃薯品种为丽薯6号,由云南省丽江市农业科学研究所培育提供。滴灌带和微喷灌带为沁园农业灌溉设备科技有限公司生产,黑色农膜(黑膜)为市场上销售的普通黑色农用膜,其中,滴灌带滴头间距20.00 cm,流量2 L/h;微喷灌带喷头间距100.00 cm,流量30 L/h;黑膜宽1.00 m,厚0.01 mm。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 试验设4个处理,分别为膜下滴灌(A)、露地滴灌(B)、露地微喷灌(C)和不灌溉(对照,CK),每个处理3次重复,随机区组排列,共12个小区,每小区面积48.00 m2(宽4.80 m,长10.00 m)。马铃薯采用单垄双行品字形方式播种,畦面宽0.80 m,沟宽0.40 m,畦高0.20 m,每小区4畦,每畦2行,每行40株,株行距0.25 m×0.20 m。处理A和处理B每畦中间铺2条滴灌带,处理C每畦中间铺一条微喷灌带,每小区安装1个水表控制灌水量。土壤水分含量以TDR土壤水分仪控制,当土壤相对含水量在马铃薯苗期低于65%、块茎形成期和膨大期低于75%、生长后期低于60%时,及时进行灌溉,马铃薯整个生育期灌水6次(2020年11月30日,2020年12月10日,2020年12月31日,2021年1月20日,2021年2月7日,2021年2月18日),依照前期对该地区马铃薯灌溉用水量的研究结果,每次灌水量均为300 m3/hm2。马铃薯于2020年11月27日播种,2021年3月29日收获,生育期内降水量约380 mm。

1.3.2 测定项目及方法 土壤理化性状测定：参考南京农学院的《土壤农化分析方法》[19],于马铃薯苗期(2021年1月5日)、块茎形成期(2021年2月2日)和块茎膨大期(2021年3月1日),取样测定不同处理的土壤理化性状。其中,利用曲管地温计测定土层5.00、10.00、15.00、20.00和25.00 cm深度的土壤温度;采用烘干法测定0～10.00、10.01～20.00和20.01～30.00 cm土层的土壤含水量;采用环刀法取样测定10.01～20.00 cm土层的土壤孔隙度;测定土壤养分含量时,采集10.01～20.00 cm土层土壤,风干、粉碎、过筛,以碱解扩散法测定碱解氮含量,以钼蓝比色法测定有效磷含量,以醋酸铵—火焰光度法测定速效钾含量,以稀释热法测定有机质含量。

主要农艺性状测定：于马铃薯盛花期(2021年2月15日),每小区选取连续10株马铃薯,调查其主茎数和株高。

块茎产量和质量测定：于马铃薯成熟收获期(2021年3月29日),每小区连续挖取10株马铃薯,调查单株块茎数,测定单株块茎重、小区大小薯重(≥100.00 g/个为大薯,<100.00 g/个为小薯)、小区青头薯重和小区产量,折算每公顷产量、商品薯率和青头薯率。

参考刘戈等[20]的方法,计算马铃薯水分利用效率和灌溉水利用效率。

ET=R+I+D+ΔW;WUE=Y/ET;IWUE=Y/I

式中,ET为作物耗水量(mm),R为全生育期的有效降水量(mm),I为全生育期的灌水量(mm),D为地下水补给量,水位深可忽略不计,ΔW=生育期始的土壤贮水-生育期末的土壤贮水量(mm),WUE为水分利用效率(kg/m3),IWUE为灌溉水利用效率(kg/m3),Y为马铃薯块茎产量(kg/hm2)。

1.4 统计分析

试验数据采用Excel 2007进行整理,以SPSS 18.0进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式对马铃薯地土壤物理性状的影响

2.1.1 对土壤平均温度的影响 由表1可知,马铃薯经灌溉处理后,总体上土壤平均温度均有所上升,其中,各土层处理A、处理B和处理C的土壤总平均温度分别比CK增加1.57、0.37和0.17 ℃;除苗期在5.00和10.00 cm土层的土壤平均温度表现为处理A>CK>处理B>处理C外,苗期其他土层及块茎形成期和膨大期各土层均表现为处理A>处理B>处理C>CK;在苗期,处理A除25.00 cm土层的土壤平均温度与处理B差异不显著外(P>0.05,下同),在其他土层均极显著高于处理B、处理C和CK(P<0.01,下同);在块茎形成期,各土层处理A的土壤平均温度均极显著高于处理B、处理C和CK;在块茎膨大期,各处理在20.00和25.00 cm土层的土壤平均温度均无显著差异,处理A与处理B在5.00和15.00 cm土层差异不显著,但显著(P<0.05,下同)或极显著高于处理C和CK。可见,在马铃薯苗期、块茎形成期和膨大期,不同灌溉方式下的土壤平均温度均表现为随着土层深度的增加逐渐降低,灌溉可促进马铃薯地土壤平均温度提高,其中膜下滴灌的土壤增温效果最好。

2.1.2 对土壤含水量的影响 由表2可知,随着马铃薯的生长发育,不同灌溉方式下的土壤含水量均逐渐减小;随着土层深度的增加,处理A、处理B和CK在苗期、块茎形成期和膨大期均表现为土壤含水量逐渐增加,而处理C表现为土壤含水量先增加后减小。其中,处理A、处理B和处理C整个生长发育时期的土壤总平均含水量分别为21.41%、20.10%和20.10%,分别比CK的总平均含水量提高18.68%、11.43%和11.43%;在0～20.00 cm土层,土壤含水量表现为处理A>处理C>处理B>CK,在20.01～30.00 cm土层表现为处理A>处理B>处理C>CK;在苗期,处理B除0～10.00 cm土层的土壤含水量与CK差异不显著外,其他土层处理A、处理B和处理C的土壤含水量均极显著大于CK;在块茎形成期和膨大期,处理A、处理B和处理C的土壤含水量均极显著大于CK;除苗期和块茎膨大期的0～10.00 cm土层外,处理A在各时期各土层的土壤含水量均极显著大于其他处理。可见,灌溉可提高马铃薯地的土壤含水量,其中膜下滴灌对提高土壤含水量的效果最佳,且随着土层深度的增加土壤含水量逐渐增加。

2.1.3 对土壤孔隙度的影响 由表3可知,随着马铃薯的生长发育,不同灌溉方式下的土壤孔隙度均逐渐减小,且各生长发育时期的土壤孔隙度均表现为处理A>处理B>处理C>CK。其中,处理A、处理B和处理C的土壤孔隙度均显著或极显著大于CK,处理A的土壤孔隙度显著或极显著大于处理B和处理C,处理B的土壤孔隙度在苗期和块茎形成期与处理C差异不显著,在块茎膨大期显著大于处理C。可见,灌溉可提高马铃薯地的土壤孔隙度,其中以膜下滴灌对促进土壤孔隙度提高的效果最好。

2.2 不同灌溉方式对马铃薯地土壤养分指标含量的影响

2.2.1 对土壤碱解氮含量的影响 由表4可知,随着马铃薯的生长发育,不同灌溉方式下的土壤碱解氮含量均表现为先增加后减少,其中,各生长发育时期均表现为处理A>处理B>处理C>CK,处理A和处理B均显著或极显著大于CK;处理C在苗期和块茎膨大期与CK差异不显著;处理A在各生长发育时期与处理B差异均不显著,在苗期和块茎膨大期极显著大于处理C;处理B在各生长发育时期与处理C均无显著差异。

表2 不同灌溉方式下马铃薯生长不同土层的土壤含水量比较

表3 不同灌溉方式下的马铃薯地土壤孔隙度比较

2.2.2 对土壤有效磷含量的影响 随着马铃薯的生长发育,不同灌溉方式下的土壤有效磷含量均表现为逐渐增加,其中,在各生长发育时期均表现为处理A>处理B>处理C>CK,处理A和处理B均显著或极显著大于CK;除块茎形成期处理A与处理C差异显著外,其他生长发育时期处理A与处理B和处理C均无显著差异。

2.2.3 对土壤速效钾含量的影响 随着马铃薯的生长发育,处理A、处理B和CK的土壤速效钾含量均表现为逐渐增加,处理C的土壤效钾含量在块茎形成期后有所下降,其中,在各生长发育时期均表现为处理A>处理B>处理C>CK;方差分析结果表明,处理A和处理B的土壤效钾含量均显著或极显著大于CK,处理C在块茎形成期极显著大于CK,在苗期和块茎膨大期与CK无显著差异,处理A在苗期和块茎膨大期均极显著大于处理B和处理C,而处理B与处理C在各生长发育时期均无显著差异。

2.2.4 对土壤有机质含量的影响 随着马铃薯的生长发育,处理A的土壤有机质含量表现为先增加后减少,处理B、处理C和CK表现为逐渐减少。其中,在各生长发育时期的土壤有机质含量均表现为处理A>处理B>处理C>CK;处理A、处理B和处理C均显著或极显著大于CK;处理A显著或极显著大于处理B和处理C,处理B与处理C差异不显著。

综上所述,灌溉可增加马铃薯地的土壤碱解氮、有效磷、速效钾和有机质等养分含量,其中膜下滴灌对促进马铃薯地土壤养分含量的提高效果较好。

2.3 不同灌溉方式对马铃薯植株生长性状及块茎性状的影响

2.3.1 对株高的影响 由表5可知,处理A、处理B和处理C马铃薯的株高分别极显著大于CK 20.72%、18.22%和16.91%,而处理A、处理B和处理C间差异不显著。

2.3.2 对主茎数的影响 处理A、处理B和处理C马铃薯的主茎数均显著或极显著大于CK,其中处理C的主茎数最多,且均显著大于处理A和处理B,而处理A和处理B间差异不显著。

表4 不同灌溉方式下的马铃薯地土壤养分含量比较

表5 不同灌溉方式下马铃薯的植株生长性状和块茎性状比较

2.3.3 对单株块茎数的影响 处理A、处理B和处理C马铃薯的单株块茎数均显著或极显著大于CK,其中处理A的单株块茎数最多,与处理B和处理C差异显著或极显著,而处理B与处理C无显著差异。

2.3.4 对单株块茎重的影响 马铃薯的单株块茎重表现为处理A>处理B>处理C>CK,其中,处理A、处理B和处理C分别比CK显著或极显著增加40.38%、26.92%和23.08%,处理A与处理B差异不显著,与处理C差异显著,处理B与处理C无显著差异。

综上所述,灌溉可显著或极显著提高马铃薯植株的株高、主茎数、单株块茎数和单株块茎重量,其中膜下滴灌对提高株高、单株块茎数和单株块茎重的效果最佳。

2.4 不同灌溉方式对马铃薯块茎产量和质量的影响

由表6可知,不同灌溉方式下马铃薯的大薯重表现为处理A>处理B>处理C>CK,小薯重表现为处理B>处理C>CK>处理A,青头烂薯重表现为CK>处理C>处理B>处理A;处理A、处理B和处理C的商品薯率均极显著高于CK,其中,处理A的商品薯率最高,青头烂薯率最低,与其他处理均达极显著差异水平;不同灌溉方式下马铃薯的块茎产量表现为处理A>处理B>处理C>CK,其中处理A最高(40.40 t/hm2),其后依次是处理B和处理C,分别较CK提高63.89%、45.88%和37.48%,各处理间差异极显著。可见,灌溉可显著或极显著提高马铃薯块茎的产量和质量,其中膜下滴灌的增产提质效果最佳。

2.5 不同灌溉方式对马铃薯水分利用效率和灌溉水利用效率的影响

由表7可知,处理A、处理B和处理C的耗水量间无显著差异,但三者均极显著大于CK;各处理的水分利用效率表现为处理A>CK>处理B>处理C,其中,处理A的水分利用效率(7.16 kg/m3)极显著大于其他处理,处理B、处理C和CK的水分利用效率间无显著差异;灌溉水利用效率以处理A最大,处理B次之,处理C最小,三者间差异极显著。可见,采用膜下滴灌对提高马铃薯的水分利用效率和灌溉水利用效率效果均最佳。

表6 不同灌溉方式下的马铃薯块茎产量和质量比较

表7 不同灌溉方式下马铃薯的水分利用效率和灌溉水利用效率比较

3 讨 论

已有研究表明,覆膜将土壤与外界隔绝,不仅能提高土壤传热性能,促进土壤温度升高,还能减少土壤水分蒸发,从而促进水分高效利用[21];滴灌能有效减少水分的地表径流,较精准地为植物根系补充水分[22]。本研究结果表明,马铃薯在整个生长发育时期其土壤的平均温度和含水量均表现为膜下滴灌>露地滴灌>露地微喷灌>不灌溉,即灌溉均能提高马铃薯地土壤的温度和含水量,原因可能是冬天空气温度较低,通过灌溉增加土壤水分形成的水多气少土壤环境,一方面可提高土壤的热容量,另一方面可减缓冷空气对土壤的冷却作用,从而提高土壤温度。此外,土壤含水量越高,热导性越好,因此较高的深层土壤温度能传导至土壤表层,进而提高表层土壤温度。本研究中,随着土层深度的加深,各处理的土壤平均温度均表现为逐渐下降,膜下滴灌和露地滴灌的土壤含水量表现为逐渐增加,而露地微喷灌的土壤含水量表现为先增加后减少,可能与微喷灌的土壤水分浸透力较差有关。可见,膜下滴灌对马铃薯地土壤的增温保湿效果最好,与孔伟程等[23]、李梦露[24]的研究结果相似,说明冬种马铃薯采用膜下滴灌可有效提高土壤温度,减少水分流失,增加深层土壤含水量,有利于促进马铃薯吸收水分和生长发育。

土壤水分是影响养分有效性的主要限制因子,尤其在干旱季节,通过补充土壤水分可促进土壤养分转化,有利于作物吸收利用[3]。已有研究结果显示,地膜覆盖能改善耕作层土壤的温度状况,促进土壤微生物繁殖和土壤养分转化[25]。本研究中,冬种马铃薯进行灌溉可有效提高土壤孔隙度,增加土壤速效氮、磷、钾和有机质含量,其中膜下滴灌的效果最好,其次为露地滴灌和露地微喷灌,与夏皖豫等[26]的研究结果相似,说明与传统灌溉方式相比,马铃薯膜下滴灌可通过提高土壤酶活性从而提高土壤速效养分及有机质含量,最终促进马铃薯产量提高。

马铃薯的地上部是地下块茎生长发育的基础,不同灌溉方式对马铃薯植株生长及块茎发育影响不同[12],因此,合理的灌溉方式对促进马铃薯产量及品质提高具有重要作用。本研究结果表明,灌溉可显著降低马铃薯块茎的青头率,马铃薯的株高、单株块茎数、商品薯率和块茎产量均显著增加,且均表现为膜下滴灌>露地滴灌>露地微喷灌>不灌溉,其中,膜下滴灌、露地滴灌和露地微喷灌的块茎产量分别较CK极显著提高63.89%、45.88%和37.48%。说明对马铃薯进行灌溉,可显著促进其植株生长,提高块茎产量和品质,其中膜下滴灌的效果最佳,与秦军红等[27]、秦永林等[28]的研究结果相似。

水资源短缺是制约农业发展的关键问题,实现水资源高效利用是保证农业正常稳定发展的前提,而水分利用效率是综合反映作物对水分利用程度的量化指标[8]。本研究中,膜下滴灌方式马铃薯的水分利用效率极显著高于其他灌溉方式,灌溉水利用效率也以膜下滴灌最高,与韩翠莲等[11]的研究结果相似。说明地膜覆盖与滴灌相结合种植马铃薯,可通过增加地温、减少水分蒸发、精准补水和减少水分地表径流而提高水分利用效率,具有节水增产效果。

4 结 论

冬种马铃薯采用膜下滴灌、露地滴灌和露地微喷灌均可有效提高土壤的水热及养分含量,提高水分利用效率,促进马铃薯植株生长和块茎产量提高,其中以膜下滴灌效果最佳,适宜在广西冬种马铃薯生产中推广应用。