宁夏扬黄灌区马铃薯水分生产函数试验研究

任秋实，孙兆军,2,，王 力，焦炳忠，韩 磊

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏大学资源环境学院，银川 750021；3. 教育部中阿旱区特色资源与环境治理国际合作联合实验室，银川 750021；4.宁夏(中阿)旱区资源评价与环境调控重点实验室，银川 750021)

马铃薯适应性强，产量高，经济效益好，是世界上仅次于水稻、玉米和小麦的第四大粮食作物[1]。宁夏同心光照充足、昼夜温差大，是马铃薯适宜生长的地区。该地区灌溉用水主要来自黄河，属于宁夏扬黄灌区，由于地势不均匀、轮灌组时间安排顺序等原因，马铃薯关键需水期不能适时灌溉，导致马铃薯产量降低。 将有限的水资源在马铃薯生育期内进行科学合理的分配以获得最佳经济效益，关键在于得到马铃薯水分生产函数，此函数能够反映作物产量随水量变化的规律，是进行指导灌溉管理和灌溉经济效益分析的基本依据[2]。建立水分生产函数及优化灌溉制度可以更合理的优化分配农业水资源。国内外学者对此进行了大量的研究。Imtiyaz等[3]发现在不同累计蒸发量条件下，不同作物的产量和水分利用效率也不相同。王永平等[4]分析了宁夏贺兰山东麓滴灌条件下酿酒葡萄生育期耗水规律并初步建立了该区域水分生产函数模型。程卫国等[5]对水稻4 个生育期阶段分别做受旱处理，选定5 种常用的水分生产函数模型作为研究对象，最终选定Jensen模型为最适宜吉林省水稻生长的水分生产函数模型，并以此建立了水分敏感指数与水稻插秧后天数之间的关系模型。前人关于马铃薯灌溉指标的研究，大多着重于不同灌溉施肥方式对马铃薯产量和品质的影响，但关于需水关键期调亏灌溉对马铃薯产量的影响的研究报道较少[6]。为此，本试验针对宁夏扬黄灌区气候条件，对马铃薯各生育期阶段进行调亏灌溉，分析不同生育期阶段的耗水规律，选定5 种常用水分生产函数模型作为研究对象，建立适宜的水分生产函数模型，为宁夏扬黄灌区马铃薯灌溉制度的优化提供基础依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验于2017 年5-9 月在宁夏同心县王团镇科技示范园区进行。该地区属于中温带半干旱大陆性气候，全年干旱少雨，蒸发量大，年平均降水量272.6 mm，多年平均日照3 024 h，无霜期120～218 d，年平均气温8.6 ℃[7]。试验前，测试试验区土壤理化性质，试验区土壤为沙壤土，0～60 cm土层田间持水率(FC)和土壤容重分别为22.85%和1.33 g/cm3，具体如表1所示。

表1 试供土壤的主要理化性质Tab.1 Main physical and chemical properties of tested soils

1.2 试验设计

试验马铃薯供试品种为“克新一号”，2017 年5 月18 日播种，当年9 月23 日收获。本试验灌溉方式为膜下滴灌，当土壤含水量达到控制下限时，开始灌水，达到目标上限停止灌水。本试验共设置6 个水分亏缺处理(TK1～TK6)和1 个充分灌溉对照(CK),分别在马铃薯的块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期设置了轻度水分亏缺处理(50%～60%FC)和中度水分亏缺处理(40%～50%FC)，同时设置了充分灌溉(CK)、块茎形成期轻度水分亏缺(TK1)、块茎膨大期轻度水分亏缺(TK2)、淀粉积累期轻度水分亏缺(TK3)、块茎形成期中度水分亏缺(TK4)、块茎膨大期中度水分亏缺(TK5)和淀粉积累期中度水分亏缺(TK6)共7 个处理，每个处理重复3 次，处理之间设2 m保护行。试验设计如表2所示。

表2 试验设计方案Tab.2 Experimental design

注：表中数字为土壤含水率占田间持水量百分比的上下限。

本试验实行单垄双行种植，垄中间铺设一条滴灌带，控制两行马铃薯，试验小区有效面积为28 m2(7 m×4 m)。对试验地进行人工深翻20～25 cm，共施磷酸二铵、尿素和硫酸钾复合肥225 kg(2 976.2 kg/hm2)。

1.3 观测指标及方法

(1)各小区灌水量：试验小区划分结束后，布设灌水主管道以及连接滴管带，每个小区设各自的阀门和水表，通过水表定额灌溉，灌水前后，准确记录各小区水表的读数。

(2)土壤含水率：采用传统土钻法在马铃薯各生育时期前后分别在各试验小区取3 个点，分别对0～20、20～40、40～60 cm土层取样，用烘干法测其土壤含水率。

(3)作物耗水量：采用水量平衡法计算，计算公式为：

ET=P+I+ΔSWS-R-D

(1)

式中：ET为耗水量，mm；P为植物生育期降雨量，mm；I为灌溉量，mm；ΔSWS为生育期开始时土壤贮水量与生育期结束时土壤贮水量之差，mm；R为地表径流量，mm；D为耕层土壤水的渗漏量，mm。本试验条件下，R和D可忽略不计[8]。

(4)产量：作物成熟后，按小区进行测产，折合成每公顷产量。

1.4 水分生产函数模型的建立

1.4.1 模型的选用

根据马铃薯水分生产函数研究现状，选用5 种常用模型对宁夏旱区马铃薯水分生产函数进行分析，所采用的模型有： Jensen模型、Minhas模型、Stewart模型、Blank模型、Singh模型[5,9]。

Jensen模型：

(2)

Minhas模型：

(3)

Stewart模型：

(4)

Blank模型：

(5)

Singh模型：

(6)

式中：Ya为各处理条件下的实际产量，t/hm2；Ym为正常灌溉下的产量，t/hm2；ETa为各处理条件的实际蒸发蒸腾量，mm；ETm为正常灌溉处理下的实际蒸发蒸腾量，mm；i为生育阶段编号；n为模型的阶段总数；m为处理数；λ及A、B、C为作物产量对缺水的敏感指数及敏感系数。

1.4.2 参数求解

以Jensen模型为例，对模型公式两边取对数，可得到形如Y=λ1X1+λ2X2+…+λnXn的方程组，采用最小二乘法原理和多元回归分析求得各模型参数。

1.5 数据分析统计

试验数据采用SPSS17.0软件进行多重分析(LSD)和多元回归分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌水处理对马铃薯耗水量的影响

通过记录并分析马铃薯生育期气象资料，统计可知，马铃薯全生育期有效降雨量为202.1 mm，其中苗期有效降雨33.6 mm，块茎形成期有效降雨31.1 mm，块茎膨大期有效降雨34.8 mm，淀粉积累期有效降雨102.6 mm。

利用水量平衡原理计算不同亏缺灌溉处理马铃薯的各生育期阶段耗水量和全生育期总耗水量，土壤计划湿润层厚度取60 cm，代入降雨量、灌水量等资料，得到马铃薯实际耗水量，马铃薯各生育期灌水量见图1，计算结果见表3。

图1 膜下滴灌马铃薯灌水量Fig.1 Irrigation amount of potato under drip irrigation and plastic film mulching treatment

从表3可以看出，马铃薯进入块茎形成期后，耗水量开始增大，至块茎膨大期达到最大，到淀粉积累期时，耗水量有所减少。马铃薯各生育阶段CK(适水灌溉)总耗水量为433.7 mm。总耗水量最小的处理是TK5处理，即块茎膨大期中度亏缺灌水，与CK相比有显著差异，总耗水量为359.3 mm。TK2、TK4和TK5处理全生育期总耗水量分别较CK显著降低9%、8%和17%。总耗水量最大的处理是TK3处理，即淀粉积累期轻度水分亏缺，总耗水为425.7 mm。为保证马铃薯的成活率，在苗期未做处理，故苗期各处理耗水量与适水灌溉处理之间无显著差异。块茎形成期，TK1和TK4处理较CK耗水量差异显著，分别较CK低12%和26%。块茎膨大期，TK2和TK5处理与CK耗水量之间存在显著差异，分别比CK减少27%和38%。淀粉积累期，TK3和TK6处理分别比CK耗水量显著降低11%和20%。

表3 膜下滴灌条件下马铃薯耗水量 mm

2.2 不同灌水处理对马铃薯产量的影响

各灌水处理下马铃薯产量如图2所示。从图2看出，TK2、TK4、TK5与CK相比有显著差异，说明块茎膨大期轻度水分亏缺和中度水分亏缺及块茎形成期中度水分亏缺处理产量比充分灌溉处理产量明显减少。由轻度水分亏缺处理(TK1、TK2、TK3)和充分灌溉处理(CK)可以看出，轻度水分亏缺处理下，TK2较CK处理产量存在显著差异，TK2处理马铃薯减产最多，减产14%；TK3较CK处理产量无显著差异，马铃薯减产最少，减产4%。由中度水分亏缺处理(TK4、TK5、TK6)和充分灌溉处理(CK)可以看出，中度水分亏缺处理下，TK4、TK5相对CK有显著差异，分别减产27%和17%，说明马铃薯块茎形成期和块茎膨大期中度水分亏缺会造成明显减产。对比块茎膨大期水分亏缺处理(TK2、TK5)和充分灌溉处理(CK)，3个处理两两之间存在显著性差异，TK5相对于TK2处理产量减少15%，TK2相对于CK处理减产14%，说明对块茎膨大期进行不同程度的水分亏缺处理会造成明显减产。对比块茎形成期水分亏缺处理(TK1、TK4)和充分灌溉处理(CK)，TK1和CK、TK1和TK4之间均不存在显著性差异，但TK4与CK之间存在显著性差异，TK4相对于TK1处理产量减少11%，说明对块茎形成期进行不同程度水分亏缺处理时，中度水分亏缺处理会造成明显减产。对比淀粉积累期水分亏缺处理(TK3、TK6)和充分灌溉处理(CK)，3个处理之间差异均不显著，TK6相对于TK3处理产量仅减少6%，说明淀粉积累期水分亏缺处理对产量的影响较小。故马铃薯块茎膨大期是最关键生育期，若该阶段缺水，会造成产量降低。马铃薯生育期按关键性由高到低为：块茎膨大期>块茎形成期>淀粉积累期。

图2 膜下滴灌条件下马铃薯产量Fig.2 Potato yield under treatments of drip irrigation and plastic film mulching

2.3 水分生产函数敏感指数分析

根据2017年实测资料，按照选取的模型求解及参数验证，可得到5 种模型的敏感指数值。计算结果如表4所示。

表4 各模型敏感指数Tab.4 Sensitivity index of each model

Jensen模型、Minhas模型、Stewart模型和Singh模型公式中水分敏感指数越高，缺水后Ya/Ym值越低，对缺水越敏感，即该敏感指数对应的生育阶段因缺水导致的产量降低越严重；Blank模型公式中Bi越高，缺水后Ya/Ym值越高，对缺水越不敏感，即缺水对产量的影响越轻微[5]。

由表4可知，Jensen模型中的λ值按大小排序为：块茎膨大期>块茎形成期>苗期>淀粉积累期，说明马铃薯在块茎膨大期对水分亏缺最为敏感，该时期缺水会导致马铃薯产量严重降低，而对苗期、块茎形成期进行轻度缺水处理或对淀粉积累进行一定程度的缺水处理对产量的影响相对较小。另外，在该模型各阶段λ值排序与马铃薯的生育期关键性排序是一致的，因此，Jensen模型比较适用于模拟宁夏扬黄灌区马铃薯的需水情况。

Minhas模型和Stewart模型公式中的参数值按大小排序：块茎膨大期>淀粉积累期>块茎形成期>苗期，说明马铃薯在块茎膨大期对缺水最敏感，其次是淀粉积累期，块茎形成期和苗期对缺水相对不敏感，与马铃薯的水分生理特性以及灌溉的实际经验和生育期关键性排序不符，故此两种模型不适用于模拟宁夏同心县马铃薯的需水情况。

Singh模型公式中的参数从高到低排序：块茎形成期>淀粉积累期>块茎膨大期>苗期，表明块茎形成期对水分亏缺最敏感，淀粉积累期和块茎膨大期次之，与马铃薯的生理特性完全不符。苗期参数为负值，表示苗期缺水能够促进马铃薯产量的增加。所以Singh不适合作为宁夏扬黄灌区马铃薯水分生产函数模型。

Blank模型公式中Bi值由低到高排列顺序为：块茎形成期<苗期<块茎膨大期<淀粉积累期，表示马铃薯在块茎形成期缺水减产最大，苗期次之，且苗期与块茎形成期的水分敏感指数相差不大，说明这两个阶段对缺水的敏感性基本相同，这与马铃薯的需水特性是矛盾的。另外，Blank模型加法模型只能反映某一阶段缺水对产量的影响，没有考虑某一阶段缺水对之后其他阶段的影响，与作物生长特性不符。故Blank模型不适合做宁夏扬黄灌区马铃薯水分生产函数模型。

3 结 论

本试验通过对宁夏扬黄灌区马铃薯不同生育阶段进行不同水分亏缺处理，建立宁夏扬黄灌区马铃薯水分生产函数模型，同时对马铃薯耗水量和产量进行分析。试验研究发现马铃薯生育期耗水量呈现先增大后减小的单峰曲线，块茎膨大期耗水量达到峰值，约占全生育期耗水量的30%～40%。这与武朝宝等[10]的马铃薯需水量和灌溉制度试验研究相符。王瑞萍等[11]研究不同生育阶段水分亏缺对河套蜜瓜产量和品质的影响，发现水分胁迫对作物具有减产的效果，水分胁迫越严重，作物减产越明显，这与本试验结论基本一致。马铃薯块茎膨大期中度亏缺处理产量最低，说明作物的果实膨大期是作物生长发育的关键时期，这与沈晖等[12]关于压砂地甜瓜水分生产函数试验研究得出的结论基本相符。

不同区域的气候条件、土壤条件等因素会对作物水分生产函数产生影响，因此本试验结果适用与宁夏扬黄灌区马铃薯调亏灌溉，尤其对宁夏同心县王团镇马铃薯灌溉制度的优化具有重要意义。但是，试验仅以“克新一号”马铃薯作为试验材料，对其他品种的马铃薯是否在耗水特征等指标上仍然表现出类似的结果，还有待拓展探究。试验仅进行一年，当气候条件、土壤条件、种植结构发生变化时，马铃薯的水分生产函数是否表现出同一规律，仍需在生产实践中进一步去验证。

马铃薯块茎膨大期耗水量最大，块茎形成期次之，淀粉积累期耗水量最小。马铃薯块茎形成期中度调亏处理和块茎膨大期轻度、中度调亏处理会造成马铃薯不同程度的减产，块茎形成期轻度调亏处理及淀粉积累期轻度、中度调亏处理对马铃薯产量无显著影响。马铃薯生育期按关键性排序：块茎膨大期>块茎形成期>淀粉积累期。对5种常用的作物水分生产函数进行建模分析比较，Jensen模型马铃薯水分敏感指数大小排列顺序与其生育期关键性排序基本吻合，更适用于模拟宁夏扬黄灌区马铃薯的需水情况。宁夏扬黄灌区马铃薯Jensen水分生产函数模型如下式所示。

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