山西省临县马铃薯需水量变化规律及灌溉制度试验研究

2017-06-19武朝宝

地下水 2017年3期

关键词：耗水量块茎土壤水分

武朝宝

(山西省汾河灌溉管理局中心试验站，山西文水 032107)

山西省临县马铃薯需水量变化规律及灌溉制度试验研究

武朝宝

(山西省汾河灌溉管理局中心试验站，山西文水 032107)

通过山西省临县湫水河灌区灌溉试验站进行马铃薯需水量变化规律及灌溉制度试验。分析在该地区气候条件下马铃薯需水量与需水规律、种植灌水与产量同，以及耗水量与产量之间的关系。试验得出：马铃薯耗水强度在发芽期为1.13～3.09 mm/d，幼苗期为2.99～4.31 mm/d，块茎形成期为4.03～5.51 mm/d，块茎增长期为4.30～5.73 mm/d，淀粉积累期降为2.42～3.40 mm/d。试验还提出马铃薯在不同生育阶段比较适宜的土壤水分控制下限，以及较为合理的灌溉制度，同时计算得出马铃薯各个生育阶段的作物系数Kc值。

马铃薯；需水量；灌溉制度；作物系数；灌溉试验

马铃薯在我国北方地区有较大面积的种植，特别是在山西北部和西北高寒山区种植面积较为广。2015年在山西省临县进行了马铃薯需水量变化规律及灌溉制度试验，目的就是通过不同土壤水分下限控制处理，试验得出该地气候和种植条件下马铃薯需水量与需水规律，以及马铃薯种植灌水与产量之间、耗水量与产量之间的关系，分析得出马铃薯适宜的灌溉控制指标、节水高效灌溉制度。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2015年5月～10月在山西省临县白文镇曜头村进行，平均海拔高程1 055 m。试验田土质为轻壤土，田面平整，肥力均匀，0～100 cm土层平均干容重为1.18 g/cm3，田间持水量22.79%(重量%)，有机质含量0.65%，全氮量0.019%，有效磷5.9 ppm，地下水矿化度0.04 g/L，试验期平均地下水埋深5.5 m。试验田灌溉采用两种水源，分别是湫水河河水和井水。

该地属大陆性半干旱气候类型，多年平均气温9.0℃，年平均降雨量501.3 mm，多年平均水面蒸发量2 163.3 mm(Φ20 cm蒸发皿)，0°C以上有效积温3 854.7℃，年无霜期190 d左右。

1.2 处理设计

根据马铃薯生长发育特点，将马铃薯全生育期划分为发芽期、幼苗期、块茎形成期、块茎增长期和淀粉积累期五个时期。并依据历史研究资料，将马铃薯全生育期划分为需水关键期和非关键期两个部分，马铃薯块茎增长期为需水关键期，其余四个时期为非需水关键期。需水关键期设田间持水量(以下简称田持)的55%和70%两个水分控制下限，非需水关键期设田持的50%和65%两个水分控制下限；另外设全生育期供水不足(50%田持)、供水中等(60%田持)和供水充足(70%田持)的处理各1个，总处理数为2×2+3=7个。计划层控制深度100 cm。试验设计处理情况详见表1。

试验田总面积8亩，试验小区长22 m，宽3 m，面积66 m2，每个处理重复3次，共有试验小区21个，随机排列。试验小区四周围设宽度5 m的保护区，每个试验小区周边设宽度1 m的保护带。

表1 马铃薯试验处理设计表 %

注：表中数字为土壤水分控制下限,为土壤水分占田持百分比。当计划土层的平均含水率达到这一数值后，则灌溉至田间持。

1.3 耕作管理情况

马铃薯品种为农家自留种，种皮颜色黄色，前茬为春玉米。播种前机耕，施圈肥5 m3/亩，碳铵100 kg/亩，磷肥50 kg/亩。马铃薯于5月21日播种，播种量100 kg/亩，采用人工穴播，行距50 cm，株距33 cm，当年10月4日收获。生长期间喷洒除虫农药1次，中耕锄草3次。

1.4 测试内容

1)灌水量：按试验处理设计的控制下限控制灌水，用直角三角堰观测记录灌水量。

2)土壤含水率：烘干称重法测定各处理土壤含水率，深度100 cm，每20 cm一层，分5个层次。观测日期在每个生育阶段开始日期，以及生育期中间每旬开始的第一天，以及在灌水前后和降雨量大于30 mm时观测土壤含水率。

3) 气象要素：日平均温度、日平均最高温度、日平均最低温度、相对湿度、降雨量等五项气象要素在试验田观测，平均风速与日照时数采用的是毗邻县气象观测点的数据。

4)地下水埋深：试验区设有观测井，每5 d观测记录地下水埋深。

5)生育性状：对马铃薯生长过程中的主要生育特征出现进行调查记录，以反映其生长发育过程。同时在不同生育阶段观测主要生育性状，包括株高、叶面积等。

6)产量构成因子：主要调查马铃薯的亩株数、株薯块重、屑薯重、屑薯率、理论产量、经济学产量、生物学产量等。

2 试验结果分析

2.1 不同灌水下限设计处理灌水量与土壤水分动态变化分析

表2 马铃薯不同处理灌水表

由于不同的控制下限，各处理总灌水次数、灌水时间和灌水定额各不相同。在马铃薯播种前5月13日对所有处理小区进行了土壤含水率观测，观测结果是处理1、2、4和6的设计计划控制土层深度的土壤水分发芽出苗期设计的下限范围以内，处理3、4和7的计划控制土壤层土壤水分低于设计的控制下限，根据试验设计，对处理3、4和7这三个处理进行了播前灌水。灌水量分别是109 mm、112 mm和107 mm。

在马铃薯生长期间，依据土壤水分观测结果和处理设计下限分别对不同的处理进行了灌水。表2是试验各个处理灌水结果表。结果显示，处理1和5下限控制低，灌水次数和灌水量最少，都是灌水1次，灌溉定额142 mm和153 mm；处理3、4、7控制下限值较高，灌水次数和灌水量最多，都是灌水3次，灌溉定额分别是343 mm、308 mm和296 mm；处理2和6介于二者之间，均灌水2次，灌溉定额分别是225 mm和252 mm。

依据土壤水分观测结果以及不同的土壤水分控制线，绘制了试验不同处理土壤水分变化曲线图(见图1)。由图可以看出，各处理马铃薯生长全期土壤水分基本都在50%田持和田持之间浮动徘徊，处理1、2和5的马铃薯在发芽期、苗期和块茎形成前期，其土壤水分都保持在60%田持和70%田持之间；处理6马铃薯在幼苗期土壤水分保持在60%和田持70%田持之间，进入幼苗期以后，由于进行了灌水，土壤水分增加，之后土壤水分保持在70～80%田持之间；处理3、4和7，由于其土壤水分控制下限设计比较高，这三个处理的土壤水分从始至终一直都较高，保持在65%田持以上水平。结果证明试验确实达到了水分下限控制的目的。

图1 马铃薯各处理生长期土壤水分动态变化图

2.2 不同处理各生育阶段耗水结果分析

由于地下水埋深较深，所以不考虑地下水补给，同时也不计径流量，根据水量平衡方程计算出得了马铃薯不同处理各生育阶段耗水量、日均耗水强度和模系数。试验结果见表3。

由表3可以看出，马铃薯不同处理的总耗水量以及各生育阶段耗水量、日均耗水强度各不相同，变化很大。由于处理3和处理7下限控制高，供水比较充分，耗水状况比较接近，在所有7个处理中，这两个处理的阶段耗水量和耗水强度比其他5个处理都大。处理1和处理5水分下限控制较低，这两个处理各种耗水情况接近，在所有处理中，这两个处理的阶段耗水量、耗水强度和总耗水量最小。其它处理2、处理4和处理6三个处理的耗水情况相近，在所有处理中，耗水情况处于中间位置。

从各处理的马铃薯不同生育阶段耗水量结果进行比较分析，马铃薯的耗水规律是：发芽出苗期31 d，在马铃薯一生中该阶段耗水强度最小，耗水强度为1.13～3.09 mm/d，模系数8.0%～16.6%；幼苗期25 d，耗水强度有所增加，为2.99～4.31 mm/d，模系数17.5%～19.8%；块茎形成期16 d，耗水强度又有所增大，为4.11～5.51 mm/d，模系数13.5%～16.6%；块茎增长期31 d，耗水强度最大，为4.30～5.73 mm/d，模系数25.7%～36.0%；淀粉积累期33 d，耗水强度减小，为2.42～3.40 mm/d，模系数18.6%～24.8%。

分析说明，马铃薯是需水较多的作物，但不同阶段需水量不一样。发芽期，马铃薯块茎自身中有供给萌芽用的水分，耗水主要是以地面蒸发为主，耗水占全生育期的8.0%～16.6%；幼苗期，苗小，气温低，需水少，约占全生育期的17.5%～19.8%。块茎形成期是马铃薯营养生长和生殖生长都开始增加、上升的时期，叶面积逐日增加，需水量加大，这一阶段耗水量约占全生育期的13.5%～16.6%。块茎增长期，马铃薯营养生长和生殖生长基本达到最旺盛的时期，对土壤水分的需求最大，地面蒸发最强烈，该生育期耗水量约占全生育期的25.7%～36.0%，综合比较，这个阶段的耗水量占马铃薯整个生育期耗水量比例最大。淀粉积累期耗水量约占全生育期的18.6%～24.8%，以常年试验经验，该期一般不需要过多的水分，水分过多反而会造成薯块腐烂和储存腐烂。

2.3 产量与耗水量关系结果分析

表4列出了不同处理马铃薯耗水量、产量和水分利用效率试验结果，并且据此结果绘制出了马铃薯产量与全生育期耗水量(ET)、以及产量与水分利用效率(WUE)的关系图，见图2。

通过对不同处理马铃薯耗水量与产量、耗水量与水分利用效率回归分析，得出马铃薯耗水量与产量之间回归关系式为：

y = -1.253 3ET2+1 249.8ET-276 541(R2=0.687 1)

(1)

式中：y为马铃薯经济产量，kg/hm2；ET为马铃薯总耗水量，mm。

马铃薯耗水量与水分利用效率之间回归关系式为：

WUE=-0.002 7ET2+2.561 8ET-537.7(R2=0.606 1)

(2)

式中：WUE为马铃薯水分利用效率，kg/mm；ET为马铃薯生育期总耗水量，mm。

表3 试验不同处理马铃薯各生育阶段耗水结果

表4 不同处理马铃薯耗水量、产量和水分利用效率试验结果

1)由马铃薯产量与耗水量关系回归函数关系时计算得出，马铃薯在产量最高点对应的耗水量值是498.6 mm，约为500 mm。说明马铃薯耗水量在低于或者高于此，产量都会减低，即供水过少或过多都不会获得高产。

2)从马铃薯水分利用效率(WUE)随耗水量的变化过程分析，其变化规律相同，同样呈二次抛物线特图2 马铃薯耗水量与产量、水分利用效率关系分析征，通过马铃薯耗水量与水分利用效率之间回归函数关系式计算，WUE的最高点对应的耗水量值为474.4 mm，约475 mm。与最高产量值对应的耗水量值二者不一致。因此，从既能获得高产，又能获得比较高的水分利用效率的节水高产节点分析，马铃薯耗水量以在此两个值之间比较为宜，即耗水量在475～500 mm之间。

图2 马铃薯耗水量与产量、水分利用效率关系图

结合表4结果比较分析，全生育期控制 60%田持的处理6，其产量(31 115 kg/hm2)虽然不是最高，低于处理3产量(31 425 kg/hm2)，是所有处理第二高产处理，但是水分利用效率(71.09 kg/mm· hm2)是所有处理中最高的。处理3虽然产量最高，但其水分利用效率较低，仅为55.91 kg/mm· hm2。处理7由于水分下限控制高，所以它的耗水量在7个处理中最高，但产量在第5位，说明产量与耗水量之间的关系不是成正比关系。只能说是在一定耗水量范围内，产量随耗水量增大而增加，达到一定值后，耗水量增加，产量开始减小。

2.4 马铃薯灌溉制度结果分析

由上述分析知，处理6的经济产量和水分利用效率和其它处理相比都是最高的，其灌溉制度是在马铃薯生长幼苗期灌水1次，灌水定额119 mm；块茎增长末期、淀粉累积初期灌水1次，灌水定额133 mm，灌溉定额252 mm。其土壤水分在生育前期保持在60%～70%田持，后期保持在70%～80%田持，这种模式不但能获得教高的产量，同时水分利用效率极高。

经过统计，当年试验气候条件下马铃薯生育期内总有效降雨量为318.0 mm，依据上述马铃薯生产适宜耗水量在475～500 mm，根据水量平衡方程分析，马铃薯整个生育期需补充灌溉水量157～182 mm，平均170 mm，参照处理6结果，灌溉次数上分2次灌溉，灌溉时间选择，第一次灌水时间在苗期，第二次在块茎增长末到淀粉累积初之间，灌水定额85 mm。

2.5 马铃薯作物系数计算结果

作物系数是指不同发育期中需水量与可能蒸散量之比值(Kc)。本试验中，通过综合分析，以处理6马铃薯耗水量做为该作物当年需水量ET，再根据当地的气象资料，用彭曼公式计算ET0，然后计算得出当年条件下马铃薯作物系数，结果见表5。