不同灌水量对马铃薯生长、耗水及产量品质的影响

耿浩杰，尹 娟,2,3，吴 娇，刘宇朝

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程中心，银川 750021；3.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021)

我国是马铃薯生产大国，据统计资料可知，2014年我国马铃薯种植面积高达约564.7 万hm2，约占全世界马铃薯种植面积的29.6%，居于世界第一位[1]。与其他作物相比，马铃薯对水分非常敏感，在马铃薯生长过程中，必须有足够的水分才能获得较高的产量[2]。因此，研究马铃薯的耗水规律显得极为重要。马铃薯耗水试验研究大多集中在西北干旱的甘肃、内蒙古地区，但在宁夏，马铃薯耗水试验研究并不多见。宁夏中部干旱区，多年平均降雨量不足300 mm，年平均蒸发量为2 000 mm以上，水分亏缺严重，加之当地水资源匮乏，干旱已成为该地区农业生产发展的重要限制因素[3]。本文通过田间试验，研究了不同灌水量对马铃薯生长指标、耗水模系数、日耗水强度和水分利用效率的影响规律，旨在确定宁夏中部地区最优的马铃薯灌溉制度和合理的灌水技术，为制定适合于西北干旱区马铃薯灌溉制度提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验研究于2017年4-10月在宁夏中部干旱带的典型区域同心县开展。试验田设在同心县下马关镇五里墩村，地处宁夏中部干旱区的典型区域，海拔1 730 m，年平均降雨量不足300 mm，多集中在7-9月，属大陆性干旱气候，昼夜温差大，日照时间长。试验地土壤各项理化性质指标见表1。

表1 土壤理化性质

1.2 试验设计

试验对象为“克新1号”，种植模式为膜下滴灌，采用黑色薄膜覆盖，覆膜宽和膜间露地分别为1.2 m和0.6 m。试验采用随机区组试验设计。马铃薯灌溉定额设为3个处理：T1:25 L/株，总灌水量900 m3/hm2；T2:35 L/株，总灌水量1 260 m3/hm2；T3:45 L/株，总灌水量1 620 m3/hm2。每个处理还有3个重复，共9个试验小区。每次灌水分为3次，幼苗期灌灌溉定额25%的水量，块茎形成期灌灌溉定额25%的水量，块茎增长期灌灌溉定额50%的水量。每个小区长5 m，宽3 m，种植40颗马铃薯植株，株行距为0.5 m×0.55 m，马铃薯植株位于滴头处。选用以过磷酸钙(P2O575 kg/hm2)、硫酸钾(K2SO4165 kg/hm2)为基肥，尿素(纯氮 225 kg/hm2)多次施加的方式施肥，分别在幼苗期施30%的尿素，块茎形成期施30%的尿素，块茎增长期施40%的尿素。

1.3 测定项目及方法

马铃薯生长指标:测定马铃薯不同生育期的株高、冠幅、茎粗。

作物耗水量根据农田水量平衡法计算，水量平衡法计算公式为：

ETc=I+P-ΔS-R-D

(1)

式中：ETc为实际作物腾发量，mm；I为灌水量，mm；P为降水量，mm；R为地表径流量，mm；D为深层渗漏量，mm；ΔS为土体贮水量变化量，mm。

土壤含水率：使用TDR仪器测定土壤含水率。

降雨量的测定：生育期间降雨量采用雨量器法测定。

产量的测定：测定产量时，以小区为单位分别测定9个小区的马铃薯鲜质量。

水分利用效率计算公式为：

水分利用效率=产量/腾发量

(2)

式中：产量单位为kg/hm2，腾发量单位为mm。在本试验中土壤储水量及耗水量均以1 m土层含水量计算。

采用Excel2010和DPS软件处理和分析数据。

2 结果与分析

2.1 不同灌水处理后马铃薯根区土层含水率变化规律

从图1中可以看出，全生育期各处理马铃薯根系分布区(20～80 cm)土壤土层含水率变化规律基本相似，都呈现着平稳上升的趋势。从20～40 cm土层来看，T1处理含水率为13.04%～18.98%，T2处理含水率为15.63%～20.81%，T3处理含水率为13.95%～19.25%，T2处理含水率较其他处理更大；从40～60 cm土层来看，T1处理含水率为11.34%～18.33%，T2处理含水率为14.19%～18.16%，T3处理含水率为12.70%～19.19%之间，三个处理含水率没有明显的差别；从60～80 cm土层来看，T1处理含水率为13.07%～18.74%，T2处理含水率为14.54%～18.87%，T3处理含水率为13.82%～20.30%，T3处理含水率较其他处理更大。马铃薯对土壤水分要求较高，因此要求全生育期马铃薯根区(20～80 cm)土壤水分充足，为马铃薯生长提供合适的湿度和温度环境。根据秦军红等人的研究表明，马铃薯的主要耗水层在0～40 cm土层，且土壤体积含水率保持在20%左右可保证马铃薯较好生长，获得较高产量；而土壤含水率低于15%时，马铃薯植株生长和产量均受到影响[4]。因此，本次试验中，T2处理的马铃薯根区含水率最优。

图1 全生育期20～40、40～60、60～80 cm土壤含水量变化图

2.2 不同灌水量对马铃薯生长指标的影响

2.2.1 不同灌水处理后马铃薯的生长指标变化规律

从图2可以看出不同灌溉处理下马铃薯株高、茎粗和冠幅都在块茎增长期达到了最大值，并在淀粉积累期趋于平稳甚至出现了下降的现象。在株高方面，T2处理>T3处理>T1处理，T2处理在块茎增长期达到最大值，为40.3 cm，比T1处理大12.7%，比T3处理大8.2%；在茎粗方面，T2处理>T1处理>T3处理，T2处理在块茎增长期达到最大值，为14.4 mm，比T1处理大9.7%，比T3处理高10.4%；在冠幅方面，T2处理>T1处理>T3处理，T2处理在块茎形成期达到最大值，为48.7 cm，比T1处理大13.3%，比T3处理高18.0%。三个生长指标都表现为T2处理为最优处理，马铃薯长势最好。

图2 不同灌溉处理条件下马铃薯株高、茎粗、冠幅动态变化图

2.2.2 马铃薯根区含水率和马铃薯生长指标的相关分析

马铃薯根系主要分布在20～40 cm土层，部分根系可深入至60～80 cm土层。从图1和图2中可以看出T2处理在20～40 cm土层含水率较其他处理高，并且在株高、茎粗和冠幅这3个生长指标方面来看，它也是最优处理，所以T2灌溉处理下，马铃薯根区含水率有利于马铃薯植株的生长。T1处理因为灌溉定额过小的原因，下渗到20～40 cm土层的水分较少；T3处理虽然在灌溉定额上大于T2处理的灌溉定额，但是T3处理的水分因为重力的作用会继续向40～80 cm土层下渗，造成深层渗漏和水资源浪费，甚至一些移动性较强的养分也会随水分流失或者下渗到深层土壤，从而使马铃薯的主要根系土层内没有足够的水分和养分。如果在马铃薯的敏感期(块茎增长期)提供不了适宜的水分，则会影响马铃薯的产量和品质。因此，过小或过大的灌溉定额都不利于马铃薯的生长。

2.3 不同灌水量对马铃薯耗水规律的影响

2.3.1 不同灌水处理下马铃薯的耗水模系数

耗水模系数k是指作物在某一生育阶段耗水量占整个生育期总耗水量的比例。日耗水强度和生育阶段长短是影响k的大小的2个主要因素。

从表2可知，马铃薯全生育阶段耗水模系数呈现块茎增长期>块茎形成期>幼苗期>淀粉积累期的现象。幼苗期时，气温低，植物蒸腾作用较小，所以耗水量低；块茎形成期时，主要是植物根系生长和枝叶生长，耗水量少；块茎增长期，是马铃薯块茎的主要生长阶段，耗水量比较大，平均要占总耗水量的35%左右；淀粉积累期，马铃薯块茎膨大结束，需水量较块茎增长期少。各阶段耗水量呈现出先增大再减小的趋势。相同生育阶段，呈现出的规律总体上是灌溉用水越大，耗水越大。T1处理马铃薯总耗水量最小，为207.7 mm，在块茎增长期耗水模系数达到了41.8%，但到了淀粉积累期耗水模系数明显降低，这是因为灌溉定额较小，淀粉积累期出现了水分亏欠的原因；T3灌溉定额大，马铃薯根区土壤水分能够满足马铃薯淀粉积累期的蓄水要求，所以T3处理的淀粉积累期的耗水量下降较少。从显著性分析方面来看，T1处理的耗水量在各处理耗水量中极显著，且明显小于T2处理，说明灌水越少，对马铃薯的耗水量影响越大。

表2 马铃薯在不同灌水条件下各生育阶段的耗水量和耗水模系数表

注：表中同行上标大写字母不同表示差异极显著(P<0.01)，小写字母不同表示差异显著(P<0.05)。

2.3.2 不同灌水量对马铃薯的日耗水强度的影响

从图3可以看出，马铃薯日耗水强度总体上保持一个先增大后减小的趋势[5]。幼苗期时，温度低，马铃薯植株矮小且只有少量叶片，田间耗水主要以株间蒸发为主。块茎形成期时，随着温度升高和植株的生长，日耗水强度也因为叶片的增加而升高，这时田间耗水转变为以叶片蒸腾为主。块茎增长期时，马铃薯块茎快速膨大，株间蒸发和叶面蒸腾均达到最大值，日平均耗水强度达到3.4 mm/d，此期为马铃薯的关键耗水期。进入淀粉积累期，叶片也逐渐凋零，日耗水强度也逐渐下降。受土壤水分的影响，自块茎形成期起，各测定时期处理间的耗水强度均存在较大差异。土壤水分最大的T3处理在块茎形成期、块茎增大期、淀粉积累期日耗水强度最高，分别为:2.84、3.45、1.78 mm/d，土壤水分最小的T1处理在各测定时期日耗水强度均最小，分别比最高的T3处理低43.5%、3.33%、44.6%。

图3 不同灌溉处理马铃薯日耗水强度变化过程图

2.3.3 不同灌水量对马铃薯的水分利用效率的影响

水分利用效率反映了作物耗水与干物质生产之间的关系，它是衡量节水与否的重要指标，马铃薯在全生育期水分利用效率可用式(2)计算。

表3 覆膜马铃薯生育期的耗水量、产量及水分利用效率表

注：表中同行上标大写字母不同表示差异极显著(P<0.01)，小写字母不同表示差异显著(P<0.05)。

从表3可以看出处理2的水分利用效率最高，产量最高，处理1的水分利用效率和产量次之，处理3的水分利用效率最差，产量最少。说明灌水量越大，水分利用效率不一定越大，产量不一定会增加。T2处理灌溉定额适中，水分利用效率最高，是最优处理。从显著性分析结果来看，T3处理的水分利用效率在各处理水分利用效率中极显著，且明显小于T2处理，说明灌水越多，对马铃薯的水分利用效率影响越大。

2.4 不同灌水量对马铃薯产量的影响

由表4方差分析可知，T2处理的产量在各处理的产量中极显著(P<0.01)。对试验点不同灌水处理下的马铃薯进行测产，依据测产结果绘制产量分布图(图4)。从图4可以看出，不同灌水处理下马铃薯产量不同，其中T1灌溉定额最小且产量为16.27 t/hm2，T2产量最高，为25.88 t/hm2，处理3产量最低，仅为11.71 t/hm2，且处理3的灌溉定额最大。说明灌溉定额在一定范围内可以促进马铃薯产量的增加，但是当灌溉定额超过1 260 m3/hm2时，产量与灌溉定额呈负相关关系。

表4 马铃薯产量方差分析表

图4 各灌水处理下马铃薯产量变化图

2.5 不同灌水量对马铃薯品质的影响

除了马铃薯的产量、耗水和水分利用效率以外，马铃薯品质也是评价马铃薯灌水处理的一个重要指标。马铃薯品质指标主要包括还原糖、淀粉和干物质三种指标。

表5为马铃薯品质含量表，图5为马铃薯品质指标图。从还原糖含量上看，T1>T2>T3，且T1处理的还原糖含量极显著地高于其他处理的还原糖含量，说明灌溉定额越小越有利于还原糖的积累；从淀粉含量上看，T2>T1>T3，且T3处理的淀粉含量极显著地低于其他处理的淀粉含量，说明灌溉定额越大，并不一定有利于淀粉的积累，反而会对淀粉的积累起负效应；从干物质上看，T2>T1>T3，说明灌溉定额越大，也不利于干物质的积累。因此综合来看，适宜的灌溉定额有利于马铃薯良好品质的形成，过大或过小的灌溉定额都会对马铃薯的品质造成负效应。在本次试验中，T2处理灌溉定额适中，有利于马铃薯良好品质的形成，是最优处理。

表5 马铃薯品质含量表

注：表中同行上标大写字母不同表示差异极显著(P<0.01)，小写字母不同表示差异显著(P<0.05)。

图5 马铃薯品质指标图

3 结 论

(1)合理的马铃薯根区土壤含水率有利于马铃薯生长指标的生长，同时也能为马铃薯根系提供一个适合的湿度和温度环境。本次试验在T2处理下，即马铃薯根区土壤含水率为15.63%～20.81%时，马铃薯的生长指标最佳，所以T2处理是本次试验的最优处理。

(2)马铃薯在全生育期需水较多，但不同生育阶段耗水也不同。在宁夏中部地区，马铃薯幼苗期耗水量约占全生育期耗水量的20%左右；块茎形成期耗水量约占全生育期耗水量的25%左右；块茎增长期耗水量约占全生育期耗水量的35%左右；淀粉积累期耗水量约占全生育期耗水量的20%左右。从日耗水强度上看，马铃薯的耗水规律总体上是前期耗水强度小，中期逐渐变大，后期又减少的趋势，这与刘战东等人的研究结果一致[5]。

(3)合理的灌溉定额有利于提高马铃薯的水分利用效率、产量和品质。本次试验在T2处理下，马铃薯的水分利用效率最高，产量最高，品质最好，所以T2处理是本次试验的最优处理，即灌溉定额设为1 260 m3/hm2(35 L/株)，补水时期设为幼苗期、块茎形成期和块茎增长期，补水量分别占灌溉定额的25%、25%和50%。

4 讨 论

根据李文证等人的研究表明，最优的宁夏中部地区马铃薯灌溉定额是1 036.27 m3/hm2(35 L/株)，补水时期为幼苗期、块茎形成期和块茎增长期，补水量分别占灌溉定额的25%、25%和50%[6]。但他们得出的结论是通过4因素10水平的均匀试验设计，而建立的马铃薯干物质生产量与灌溉定额的回归模型得出的，试验结果与实际有所差距，试验结果有待于进一步验证。因此本次试验在李文证等人的研究基础上适当的增加种植密度，设置了T1:25 L/株，总灌水量900 m3/hm2；T2:35 L/株，总灌水量1 260 m3/hm2；T3:45 L/株，总灌水量1 620 m3/hm2三个灌水梯度，探究宁夏中部地区最佳的马铃薯灌溉定额。根据前面章节可知，当灌溉定额设为35 L/株，总灌水量1 260 m3/hm2时，产量最大，马铃薯植株长势最好，这与李文证等人的研究成果一致。而黄彩霞等人则认为，只有马铃薯全生育期灌溉定额设为1 350～1 950 m3/hm2，马铃薯产量才能达到58 392～68 008 kg/hm2的水平[7]。同时，夏腾霄等人在内蒙古河套地区通过膜下滴灌马铃薯大田试验探究得出，马铃薯全生育期灌溉定额设为1 650 m3/hm2时产量最高[8]。虽然黄彩霞和夏腾霄等人得出的最优灌溉定额和本次试验有所差距，但是在单株灌水量上，黄彩霞等人得出的最优单株灌水量范围为31～44 L/株，夏腾霄等人得出的最优单株灌水量为35 L/株，这与本次试验结果相符，说明西北干旱地区马铃薯适宜单株灌水量为35 L/株左右。

根据宁夏中部干旱区的自然条件和气候条件，综合考虑以马铃薯优质、高产和节水为目标，选择T2处理为最优灌水制度，即灌溉定额为1 260 m3/hm2(35 L/株)，补水时期设为幼苗期、块茎形成期和块茎增长期，补水量分别占灌溉定额的25%、25%和50%。试验表明，这种灌水制度适合在宁夏中部地区推广和使用。合理的灌溉制度有利于马铃薯的节水增产，而合理的施肥制度也有利于马铃薯的节水增产，而本次试验对施肥制度研究不够。对于如何确定合理的施肥制度有待于进一步试验研究。