黄土高原旱地马铃薯田土壤水分动态变化及供需研究

任稳江，任 亮，刘生学

（甘肃省会宁县农业技术推广中心，甘肃 会宁 730799）

土壤肥料

黄土高原旱地马铃薯田土壤水分动态变化及供需研究

任稳江，任 亮，刘生学*

（甘肃省会宁县农业技术推广中心，甘肃 会宁 730799）

为掌握甘肃黄土旱塬地区马铃薯田土壤水分变化动态、需水特征及需水关键期，通过测定不同栽培方式下马铃薯田主要生育期不同土层含水量，从而分析不同处理土壤水分动态变化及耗水量。结果表明，半干旱地区黄土高原旱地马铃薯田季节水平变化与垂直层次变化是土壤水分变化的主要运行规律。随时间变化，传统露地对照呈“降—升”、覆膜种植呈“升—降—升”变化趋势；随深度垂直变化，总体上露地对照呈“降—升”、覆膜种植呈“升—降—升”变化趋势。0～20 cm土层变化剧烈，是马铃薯田的速变层；40～80 cm土层变化活跃，是马铃薯田的活跃层；20～40 cm与80～100 cm土层变化较缓，是马铃薯田的渐变层与缓变层。马铃薯田耗水量与年型密切相关，随着降雨的增多而增大。传统露地种植一生耗水258.6 mm、地膜覆盖种植一生耗水264.1 mm，以块茎形成期耗水强度最大，日均耗水分别为2.2 mm与2.8 mm，是半干旱地区马铃薯的需水关键期，此时期间降雨69.8 mm，土壤可用水基本耗尽，缺水7.0～29.6 mm，集雨补灌将是应对关键期旱灾，获得稳产的必要应变措施。

马铃薯；土壤水分；动态变化；耗水量

马铃薯是甘肃省第三大粮食作物，也是优势特色作物之一，具有粮、菜、饲、工业原料兼用的特点，在甘肃省粮食生产和农村经济发展中具有举足轻重的地位[1]。甘肃省马铃薯主要种植于中东部干旱、半干旱和高寒阴冷贫困地区，全省马铃薯种植面积在53.33万hm2左右，总产量在8×107～9×107t，种植面积和产量都占全国总量的11%以上，居全国前列，列西北5省区第1位[2]。由于甘肃马铃薯种植区降水少、水分蒸发强度大，水分利用效率低，一直影响着马铃薯产业的发展[3,4]。马铃薯是一种抗旱作物，具有抵抗冬春干旱的特点，但蒸腾系数较大，为400～600 mm，生长过程的土壤水分变化动态规律因地区而异，全生育期耗水量随产量的高低而定[5,6]。李鼎新等[7]对宁南干旱山区早熟丰产马铃薯农田土壤水分的研究结果表明，马铃薯农田土壤水分动态变化可以分为3个活动时期，与区域的降雨和分配有极强的相似性。土壤水分垂直变化规律可以分为速变层（0～20 cm），缓变层（20～120 cm）和相对稳定层（120～200 cm）。王春珍和李荫藩[8]研究表明，旱地马铃薯产量与年降水量呈显著正相关，块茎形成期和块茎增长期降水多少对产量有同等程度的影响，为马铃薯的需水临界期。刘战东等[9]研究表明，马铃薯日耗水强度在整个生育期表现为先增后减的趋势，块茎形成期日平均耗水强度达到最高，为5.80 mm/d。武朝宝等[10]在山西省临县湫水河灌溉试验站研究表明，马铃薯的耗水规律为发芽期1.54～2.79 mm/d，幼苗期1.67～3.14 mm/d，块茎形成期2.84～5.59 mm/d，块茎增长期达到最大值4.77～5.91 mm/d，淀粉积累期降为3.49～4.89 mm/d。因此，掌握甘肃黄土旱塬地区马铃薯田土壤水分变化动态、需水特征及需水关键期，对提高降水利用效率及旱灾应对策略建立具有重要意义。

1 材料与方法

1.1试验区概况

试验区位于甘肃省会宁县“七川”的小豹子川，距县城5 km，海拔1 770 m，年平均气温7.9℃，≥10℃的积温2 760℃，多年平均降雨量约为400 mm，降雨年度分配不均、季节分配不均，降雨主要集中于7、8、9月，占总量的51.0%～58.0%，季降雨以夏季最多（43.6%）、秋季次之（42.2%）、春季较少（10.7%）、冬季最少（3.4%），年际变化大，月际变化更大，统计表明，年际变异系数为23.9%，月际变异系数最小的7月也高达96.3%，春旱严重，常影响作物正常出苗，有时甚至不能播种。试验地原属库井灌区，因水源枯竭，失灌多年，现已成旱川地，土壤为黄绵土，中壤，冲洪积黄土母质，土层深厚，有机质14.04 g/ kg，全氮0.88 g/kg，有效磷14.01 mg/kg，速效钾217.5 mg/kg。2011年年降雨量321.9 mm（马铃薯生育期降雨264.8 mm），较常年偏少近2成，属欠水年份；2012年年降雨量406.6 mm（马铃薯生育期降雨305.3 mm），较常年略多，属平水年份。

1.2试验设计

试验按地膜覆盖与种植方式进行设计，覆盖方式分全地面覆盖和半地面覆盖，种植方式分平作和垄作。共设6个处理，2011年为全膜双垄（T1）、半膜垄作（T2）、全膜垄作（T3）、全膜平作（T6）、半膜平作（T7）和露地平作（T8），2012年将垄作进行改进，成为垄上微沟垄作，处理变为全膜双垄（T1）、半膜垄上微沟（T4）、全膜垄上微沟（T5）、全膜平作（T6）、半膜平作（T7）和露地平作（T8）（不同处理种植方式特征见表1）。马铃薯品种为‘青薯9号’。小区面积为30.8 m2（7.0 m×4.4 m），区组间距100 cm，小区间距70 cm，周边留有150 cm的保护区，3次重复，随机区组排列，播种46 500株/ hm2。整地、施肥和田间管理等同大田。

1.3试验测定

采用恒温箱烘干称重法，在播前、主要生育期、收获后测定100 cm内的水分状况，每20 cm为一层，即0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5个层次，每个处理测定2个重复，测点保持在同一直线上，在种植行的2株马铃薯中间取样。

水分变化程度用变异系数衡量，变异系数越高变化越大，变异系数CV=（标准偏差SD/平均值Mean）×100%。

2 结果与分析

2.1马铃薯田季节水平变化

由表2数据可知，季节、种植方式、年型影响着土壤水分变化程度，其季节影响大于种植方式、平水年高于欠水年，而地膜覆盖的影响依年型而变，欠水年可降低水平变化程度、平水年加大水平变化程度。随生育进程变化，露地对照总体上呈“降—升”变化趋势，覆膜种植呈“升—降—升”变化趋势。0～100 cm土壤含水量，露地对照欠水的2011年从播种期的8.64%开始下降，到现蕾期降到最低值7.59%，后随着降雨的增多逐步回升，收获期达到最高值11.78%；平水的2012年从播种期的11.61%开始下降，到现蕾期降到最低值9.63%，后随着降雨的增多逐步回升，收获期达到最高值13.29%；覆膜处理欠水的2011年平均从播种期的8.76%，到出苗期上升到9.51%后，随着生长加快逐渐降低，至现蕾期降低到最低值8.50%后回升，到收获期达到10.09%；平水的2012年从播种期的12.27%，到出苗期上升到最高值15.64%后，随着生长加快逐渐降低，至膨大期降低到最低值10.59%，随着降雨的增多逐步回升，到收获期升到14.43%。

表1 马铃薯不同种植方式特征Table 1 Characteristics of different planting patterns of potato

由表3可得，季节水平间土壤含水量的变异系数，因年型不同排序略有差异，总体上随着土层深度的加深逐渐降低，欠水的2011年变幅5.52%～27.63%，层次平均12.18%，其中：覆盖种植方式平均为10.89%，低于露地对照18.67%；平水的2012年变幅15.63%～21.61%，层次平均18.81%，其中：覆盖种植方式平均为19.38%，高于露地对照15.99%。

由表4可得，种植方式间土壤含水量的变异系数，总体上从大到小依次为0～20、60～80、40～60、20～40、80～100 cm，欠水的2011年以0～20 cm土层最大，80～100 cm土层最小，生育期平均变幅6.02%～16.95%，平均9.33%；平水的2012年以60～80 cm土层最大，80～100 cm土层最小，生育期平均变幅9.07%～11.79%，平均10.46%。

由此表明，半干旱地区马铃薯田季节水平变化是土壤水分变化的主要运行规律，随时间变化，露地对照呈“降—升”变化趋势（播种期～现蕾期为降低阶段、现蕾期～成熟期为升高阶段），覆膜种植呈“升—降—升”变化趋势（播种期～出苗期为第1次升高阶段、出苗期～现蕾期或膨大期为降低阶段、膨大期～成熟期为第2次升高阶段），低谷值出现于现蕾期至膨大期，出苗阶段地膜覆盖种植的含水量较露地对照多提高1.35%～3.39%，再次证明，地膜覆盖具有很好的集雨保墒作用，有利于马铃薯出苗。由于土壤含水量的动态变化是降雨及分布、入渗量、蒸发量和耗水量等因素共同作用的结果。不同的覆盖种植方式其集雨效率、入渗率、生长量和蒸散量不同，影响着土壤水分的变化程度，平水年效应大于欠水年，但不能改变水平运行趋势。0～20 cm土层受季节、处理影响大，变化活跃，是马铃薯田的速变层，20～40 cm与80～100 cm土层受季节、处理影响相对较小，是马铃薯田的渐变层与缓变层，40～80 cm土层受季节、处理影响较大，是马铃薯根系的主要分布层，属马铃薯田的活跃层。在生育期内，现蕾期至块茎增长期各层土壤含水量处于低谷，受种植方式影响明显，是马铃薯田的需水关键期。

表2 马铃薯田生育期土壤含水量（%）Table 2 Soil moisture of potato field at different growth stages

表3 不同层次土壤水分水平变化变异系数（%）Table 3 Coefficient of variation of soil moisture horizontal variations at different soil levels

表4 不同生育期处理间土壤含水量变异系数（%）Table 4 Coefficient of variation of soil moisture for different treatments at different growth stages

表5 不同生育期土壤水分垂直变化变异系数（%）Table 5 Coefficient of variation of soil moisture vertical variation at different stages

2.2马铃薯田层次垂直变化

由表5可得，层次、种植方式、年型影响着土壤水分垂直变化程度，其影响层次大于种植方式、平水年高于欠水年，而地膜覆盖可减缓垂直变化程度。垂直层次间与种植方式间土壤含水量的变异系数，总体以膨大期最大，播种期最小，因年型不同排序略有差异。垂直层次间欠水的2011年以现蕾期最大，播种期最小，平均变幅7.18%～16.48%，生育期平均12.38%，其中：覆盖种植方式平均为10.90%，明显低于露地对照19.78%；平水的2012年以膨大期最大，成熟期最小，平均变幅8.38%～21.40%，生育期平均14.15%，其中：覆盖种植方式平均为13.97%，低于露地对照15.03%。

由表4可得，种植方式间欠水的2011年以成熟期最大，播种期最小，层次的变幅6.03%～11.03%，生育期平均9.33%；平水的2012年以膨大期最大，成熟期最小，层次的变幅6.94%～14.26%，生育期平均10.46%。

由表2可得，随土层深度变化，生育期平均土壤含水量，露地对照欠水的2011年从9.24%开始下降，到40～60 cm降至谷值8.37%后回升，80～100 cm达到最高值9.99%；平水的2012年从12.73%逐步降到10.03%，总体上呈“降—升”变化趋势；覆膜种植欠水的2011年从9.41%开始下降，到40～60 cm下降到谷值8.75%后回升，80～100 cm达到最高值9.45%；平水的2012年从13.99%开始先升高，20～40 cm升到14.18%后，逐步降至11.47%，总体呈“升—降—升”变化趋势。

由此表明，半干旱地区马铃薯田深度垂直变化是土壤水分变化的又一主要运行规律，随深度垂直变化，依生育期降雨不同略有差异，总体上露地对照呈“降—升”变化趋势、覆膜种植呈“升—降—升”变化趋势。不同的覆盖种植方式其集雨效率、入渗率、生长量和蒸散量不同，影响着土壤水分的变化程度，但不能改变垂直运行趋势。现蕾期至块茎增长期各层土壤含水量处于低谷，受层次和种植方式影响明显，是马铃薯田的需水关键期。

2.3一生耗水量

从表6看出，马铃薯田0～100 cm土层水分消耗与积累是一个动态变化过程，贮水量收获时较播种时提高，由于不同年生育期降雨量的不同，增量的程度不同，从而表现出耗水量依年型而变。欠水的2011年露地对照一生耗水232.1 mm、覆盖种植一生耗水234.6～257.7 mm，平均248.9 mm，较对照多耗16.8 mm；平水的2012年露地对照一生耗水285.1 mm、覆盖种植一生耗水264.8～287.0 mm，平均279.3 mm，较对照少耗5.8 mm。由此说明，半干旱地区马铃薯田耗水量与年型密切相关，随着降雨的增多而增大，露地对照一生耗水由欠水年的232.1 mm增到平水年285.1 mm，平均258.6 mm；地膜覆盖种植一生耗水由欠水年的248.9 mm增到平水年279.3 mm，平均264.1 mm，欠水年加大、平水年减少。

表6 不同种植方式生育期耗水（mm）Table 6 Water consumption of growth periods for different treatments

2.4阶段耗水量

以2年测定数据的平均值为依据，分覆盖种植与露地对照进行分析，各生育期贮水量见图1。

2.4.1 发芽期

从播种期到出苗期，时间为4月下5月初至6月上旬，历时30 d左右，期间降雨33.3 mm。露地对照土壤含水量从10.12%降到9.82%，折合贮水量减少3.6 mm，加上期间降雨总计损耗水分36.9 mm，是一生的14.3%，平均每天损耗1.2 mm；覆盖种植土壤含水量从10.51%上升到12.58%，折合贮水量增多24.8 mm，损耗水分8.4 mm，是一生的3.2%，平均每天损耗0.3 mm，是露地对照的1/4。

2.4.2 幼苗期

从出苗期到现蕾期，时间为6月中旬至6月底，历时20 d左右，期间降雨33.7 mm。露地对照土壤含水量从9.82%降到8.61%，折合贮水量减少14.6 mm，加上期间降雨总计损耗水分48.2 mm，是一生的18.6%，平均每天损耗1.9 mm；覆盖种植土壤含水量从12.58%下降到9.92%，折合贮水量减少32.0 mm，加上降雨总损耗水分65.7 mm，是一生的24.9%，平均每天损耗2.6 mm，是露地对照的1.37倍。

2.4.3 块茎形成期

从现蕾期到膨大期，时间为7月初至8月上旬，历时30 d左右，期间降雨98.0 mm。露地对照土壤含水量从8.61%上升到10.37%，折合贮水量增多11.1 mm，损耗水分76.8 mm，是一生的29.7%，平均每天损耗2.2 mm；覆盖种植土壤含水量从9.92%下降到9.8%，折合贮水量减少1.4 mm，加上降雨总损耗水分99.4 mm，是一生的37.6%，平均每天损耗2.8 mm，是露地对照的1.27倍。

图1 0～100 cm土层不同生育期贮水量与阶段降雨Figure 1 Soil water storage and stage rainfall of 0-100 cm soil layer at different stages

2.4.4 块茎增长期

从膨大期到成熟期，时间为8月中旬至9月下旬，历时50 d左右，期间降雨120.2 mm。露地对照土壤含水量从10.37%上升到12.33%，折合贮水量增加23.5 mm，损耗水分96.7 mm，是一生的37.4%，平均每天损耗1.9 mm；覆盖种植土壤含水量从9.8%上升到12.26%，折合贮水量增多29.5 mm，损耗水分90.7 mm，是一生的34.3%，平均每天损耗1.8 mm，低于露地对照。

3 讨论

本文仅通过0～100 cm土层研究，与李鼎新[7]等对宁南干旱山区早熟丰产马铃薯农田土壤水分的研究结果相似。结果表明，半干旱地区马铃薯田季节水平变化与垂直层次变化是土壤水分变化的主要运行规律，不同的覆盖种植方式其集雨效率、入渗率、生长量和蒸散量不同，影响着土壤水分的变化程度，但不能改变水平及垂直运行趋势。随时间变化，露地对照呈“降—升”变化趋势，覆膜种植呈“升—降—升”变化趋势；随深度垂直变化，生育期降雨不同略有差异，总体上露地对照也呈“降—升”变化趋势、覆膜种植也呈“升—降—升”变化趋势。生育期上，现蕾期至块茎膨大期土壤含水量处于低谷，受种植方式影响明显，是马铃薯田的需水关键期；层次上，0～20 cm土层受季节、处理影响大，变化剧烈，是马铃薯田的速变层，40～80 cm土层受季节、处理影响较大，是马铃薯根系主要分布层，是马铃薯田的活跃层，20～40 cm与80～100 cm土层受季节、处理影响相对较小，是马铃薯田的渐变层与缓变层。

半干旱地区马铃薯田耗水量与年型密切相关，随着降雨的增多而增大，耗水强度整个生育期内呈正态分布。露地对照一生耗水232.1～285.1 mm，平均耗水258.6 mm，其中：发芽期需水36.9 mm，占一生总耗水量的14.3%，日均耗水1.2 mm；幼苗期需水48.2 mm，占一生总耗水量的18.6%，日均耗水1.9 mm；块茎形成期需水76.8 mm，占一生总耗水量的29.7%，日均耗水2.2 mm；块茎增长期需水96.7 mm，占一生总耗水量的37.4%，日均耗水1.9 mm；地膜覆盖种植一生耗水248.9～279.3 mm，平均耗水264.1 mm，其中：发芽期需水8.4 mm，占一生总耗水量的3.2%，日均耗水0.3 mm；幼苗期需水65.7 mm，占一生总耗水量的24.9%，日均耗水2.6 mm；块茎形成期需水99.4 mm，占一生总耗水量的37.6%，日均耗水2.8 mm；块茎增长期需水90.7 mm，占一生总耗水量的34.3%，日均耗水1.8 mm。这个研究结果与刘战东等[9]的研究相似，而阶段耗水强度低于武朝宝等[10]在灌溉条件下的研究结果。会宁生长期降雨256.6 mm，基本满足马铃薯生长所需，造成干旱危害的原因不是降雨总量不足，而是供需不相吻合。块茎形成期是半干旱地区马铃薯的需水关键期，该阶段降雨69.8 mm，土壤可用水基本耗尽，缺水7.0～29.6 mm，集雨补灌将是应对关键期旱灾，获得稳定产量的必要应变措施。

地膜覆盖具有很好的集雨保墒作用，尤其出苗阶段地膜覆盖种植含水量较露地对照提高1.35%～3.39%，有利于马铃薯出苗。生长前期与后期，日均耗水量降低，发芽阶段尤为显著；生长中期由于植株生长旺盛，蒸腾量大，日均耗水量较露地高1.27～1.37倍。

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Moisture Dynamics and'Supply and Demand'on Potato Fields in Arid Areas of Southern Loess Plateau

REN Wenjiang,REN Liang,LIU Shengxue*

(Huining Agricultural Technology Extension Center,Huining,Gansu 730799,China)

Abstrraacctt::The effects of moisture dynamics and water consumption were analyzed by measuring the soil water content fordifferenttreatments atdifferentgrowth stages in orderto understand the moisture dynamics,waterdemand characteristics and water demand critical stage in potato fields in the southern loess Plateau.The results indicated that seasonal level and vertical level changes of potato fields were the major function at soil moisture changes in arid areas of the southern loess Plateau.Changing with time,the trend of traditional field culture was"drop-up",and mulching planting was"up-drop-up". Changing with depth,the trend oftraditionalfield culture was"drop-up",and mulching planting was"up-drop-up"in general. Soilmoisture contentin the 0-20 cm layerchanged intensively,being the mostvariable layerofpotato field.Soilmoisture in the 40-80 cm layer changed actively,being the vigorous layer of potato field.Soil moisture in 20-40 cm and 80-100 cm layer changed slowly,being the gradient layer and sluggish layer of potato field.Water consumption was related closely to the model year in potato field,increasing with the increase of rainfall.The water consumption was 258.6 mm for traditional field culture,and 264.1 mm for mulching in the whole potato lifetime.The maximum water consumption was at the tuber formation stage,with a consumption of 2.2 mm and 2.8 mm each day,respectively,for the two culture modes,being the key water requirement stage of potato in the semi-arid areas.The rainfall was 69.8 mm during this time,and soil available water was depleted substantially.Shortage waterreached 7.0-29.6 mm.Therefore,collecting waterforsupplementalirrigation would be a contingency measure to dealwith the dry conditions in criticalstage and obtain stable yield.

potato;soil moisture;dynamic change;water consumption

S532

A

1672－3635（2015）06-0355-07

2014-11-04

任稳江（1965-），男，高级农艺师，从事农业技术推广工作。

刘生学，高级农艺师，从事农业技术推广工作，E-mail:renliang604@sina.com。