不同生育期调亏滴灌对绿洲马铃薯产量、品质及水分利用效率的影响

张万恒，张恒嘉，李福强，王泽义，高 佳，巴玉春

(1.甘肃农业大学 水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.民乐县洪水河管理处，甘肃 民乐 734500)

马铃薯(SolanumtuberoumL.)因逆境适应性强、产量稳定、易于管理等特点，在世界各地广泛种植，已经成为目前第四大粮食作物[1]。张掖市民乐县洪水河灌区属高寒地区，气候凉爽、日照充足，是河西地区重要的马铃薯产地，但地域性干旱也成为制约当地马铃薯发展的重要因素[2]，而面对当前农业用水极度紧张的情况下，该地区马铃薯仍沿用传统垄播沟灌模式，单次灌水耗水巨大，导致灌溉水利用效率低下，而较长的灌水周期使得马铃薯根本无法实现适时灌溉。膜下滴灌是一种现代新型的灌水方式，地膜具有保墒蓄水的优势，并能有效抑制杂草生长[3]；滴灌技术也因有效减少作物棵间蒸发及深层渗漏，被公认为目前最节水的灌溉方式[4]。在我国西北地区，对小麦[5-6]、玉米[7-8]、葡萄[9-10]等旱地作物均研究表明，膜下滴灌能增加产量并显著提高水分利用效率。不少研究者先后开展了地膜覆盖结合滴灌对马铃薯产量效益的研究，王玉明等[11]研究表明，膜下滴灌比露地滴灌马铃薯产量提高26%。秦军红等[12]表明，膜下滴灌以小流量高频率灌水，既能改善土层结构，又能减少深层渗漏，提高水分利用效率。

早在20世纪90年代初，就有研究表明[13-14]，作物品质一方面由遗传特性决定，另一方面外界环境和栽培方式影响也较大。目前对综合分析不同生育期水分亏缺处理对膜下滴灌马铃薯产量、水分利用效率和品质的研究还较少，为此，本研究拟通过河西绿洲区马铃薯大田试验，采用膜下滴灌精准控水方式，分析不同生育期水分处理对马铃薯生长动态、耗水特征的影响，在不显著降低马铃薯产量的基础上，能提高马铃薯水分利用效率和品质，探索该区马铃薯不同生育期较合理的灌水量，并为该地区膜下滴灌马铃薯灌溉制度的制定提供理论基础和技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

2018年在民乐县三堡镇益民灌溉试验站进行试验，前茬作物为板蓝根，该地区平均海拔约为1 950 m，年均日照时数3 000 h，年平均气温6.0 ℃，光热资源丰富，但多年平均降雨量仅为215 mm；试验地土壤为轻壤土，土地肥力中等，土壤容重为1.49 g/cm3，地下水埋深大于20 m，田间持水量为24%(质量百分比)，盐碱化危害较轻。

1.2 试验设计

试验所选用马铃薯品种为青薯168，由青海省农林科学院培育，该品种属晚熟鲜食菜用和淀粉加工兼用型。于2018年4月11日播种，同年9月28日收获，全生育期历时170 d，生育期总降雨量197.4 mm。试验分别在马铃薯苗期、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期设置轻、中度水分处理(WD1～WD8)，以及全生育期均充分供水对照(CK)，具体试验设计方案见表1。

表1 试验设计方案Tab.1 Experiment design %

注： 表中充分、轻度、中度水分处理对应数据均为占田间持水量的百分数。

Note:The data for adequate, mild, and moderate water treatment in the table are the percentage of water holding capacity in the field.

试验小区布置为东西走向，有效面积为24 m2(2.4 m×10 m)，每小区种植2垄，每垄摆种2行。由于种植时地表有干土层，为保证种薯顺利出芽，先在离垄中心各0.1 m处并排开2条浅沟，以株距0.2 m在沟内摆放种薯，再将硫酸钾复合肥条施于垄中央开好的浅沟内，最后以垄宽0.8 m起垄。为防止水分互渗，用塑料薄膜包裹各小区间土埂，并在向沟一侧向下埋深0.4 m。试验共设置9个处理，各处理均3次重复。灌水选用内镶贴片式滴灌带，滴头间距0.2 m，滴头流量2.0 L/h，工作水头5 m，为保证小区精确供水，各小区均单独设置球阀控制控制灌水量。试验用地肥力中等，土层厚实，播种时在试验地马铃薯行间条施硫酸钾复合肥共86 kg，生育中期不再追肥。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 产量 按每小区实际收获产量记录。

1.3.2 株高和叶面积指数(LAI) 马铃薯出苗后以10 d为周期测定1次，具体方法为：各小区随机选取6株马铃薯植株，用钢卷尺分别测量株高、叶长和叶宽，叶面积=0.76×叶长×叶宽[15]，叶面积指数以马铃薯总绿叶面积占小区面积的比值为标准；最终株高和叶面积指数取6株的平均值。

1.3.3 土壤含水量 马铃薯生育期以7～10 d为周期，土钻以0.1 m为单位分6个梯度剖面取土，用烘干称质量法测定。当测得试验小区内土壤含水量低于设定土壤含水量下限时，便进行灌水，灌水量按下式计算：

m=10ρbH(θi-θj)

式中：m为单次灌水量(mm)；ρb为土壤容重(g/cm3)；H为计划湿润层深度(0.6 m)；θi为设定土壤含水量上限；θj为实际测定土壤含水量。

1.3.4 马铃薯耗水量、耗水强度 以下式计算：

耗水强度(mm/d)=耗水量/耗水天数

式中：ET为马铃薯阶段耗水量(mm)；ri为土壤干容积密度(g/cm3)；Wi1、Wi2为第i层土壤某时段始、末质量含水率(干土质量%)；M、P、K和C分别为某时段内灌水量、有效降雨量、深层土壤水补给量和排水量(mm)。由于试验区地下水埋深大于20 m，因此，不考虑地下水补给量，故K=0；滴灌未使土壤含水率达到田间持水量，不会产生渗漏，故C=0。

1.3.5 水分利用效率

WUE=Y/ETa

式中：WUE为马铃薯水分利用效率(kg/m3)；Y为单位面积马铃薯产量(m3/hm2)；ETa为全生育期实际单位面积马铃薯耗水量(m3/hm2)。

1.3.6 马铃薯品质测定 薯块干物质用烘干称质量法测定，还原糖含量采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，蛋白质含量采用考马斯亮蓝G-250法测定，淀粉含量采用碘比色法测定[16]。

1.3.7 数据处理 用SPSS 19.0分析数据，用Excel 2013绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同生育期水分处理对马铃薯植株生长的影响

2.1.1 马铃薯株高 由图1可看出，就整个生育期而言，马铃薯各处理株高均呈现不断上升的态势，具体表现为前期快，中后期慢的特点，淀粉积累期趋于稳定或开始略微下降。苗期植株生长缓慢，各处理间差异较小，但随着生育期向后推进，块茎形成期进行水分亏缺的WD3、WD4处理株高略低于其他，但差异不明显，表现出水分亏缺对株高增长有一定抑制作用；块茎膨大期末，WD5、WD6处理比CK低13.7，20.1 cm，差异显著(P<0.05)，此时段正是马铃薯植株增长的关键时期，水分亏缺对株高影响较大。淀粉积累期各处理间株高趋于稳定或略微下降，水分亏缺对株高已无明显影响。

图中字母不同表示处理间存在显著性差异(P<0.05)。图2-4同。The difference letters in the figure indicates that there is a significant difference between the treatments (P<0.05).The same as Fig.2-4.

2.1.2 马铃薯叶面积指数(LAI) 由图2可看出，马铃薯全生育期LAI整体呈现单峰变化曲线，苗期上升缓慢，块茎形成期迅速上升，在块茎膨大期达到峰值(WD6处理除外)，进入淀粉积累期，LAI开始缓慢下降，其中CK处理全生育期均维持最高水平，可见充分灌水更有利于LAI的增加。块茎形成期进行亏水处理，使得WD3、WD4处理LAI略微低于同期其他处理，但在后期复水后，LAI均呈现出持续增长的趋势，说明复水后对植株生长有一定的补偿效应；WD5、WD6处理在块茎膨大期进行中度水分亏缺，LAI分别显著低于CK 14.27%，19.70%(P<0.05)，且直到生育期末，均处于最低水平。淀粉积累期水分处理对LAI影响较小，WD7、WD8处理对仅比CK分别低8.41%和10.27%。

图2 不同生育期水分处理对马铃薯叶面积指数的影响Fig.2 Effect of water treatments at different growth stages on potato leaf area index

2.2 不同生育期水分处理对马铃薯耗水特征的影响

2.2.1 马铃薯耗水量 图3所示，马铃薯各生育期耗水量近似表现为：块茎膨大期>块茎形成期>苗期>淀粉积累期，其中CK处理全生育期耗水量最大，达到了567.01 mm。苗期耗水量占整个生育期耗水量的12.28%～21.21%，WD1、WD2处理与CK比较，耗水量分别低28.05%和33.10%；块茎形成期WD3、WD4处理平均耗水量为126.01，70.48 mm，比CK分别显著低30.96%和61.38%，其他处理此时段的耗水量与CK差异不显著；块茎膨大期水分亏缺对马铃薯耗水量的影响也达显著水平，WD5、WD6比较CK降低29.80%和61.99%，但在此阶段复水后的WD3、WD4处理耗水量与CK比较分别降低11.67%，9.73%，差异不显著(P>0.05)；淀粉积累期由于气候转凉，日照强度降低，大量叶片开始枯萎，使得马铃薯植株蒸腾作用快速下降，耗水减小，进行轻度和中度水分亏缺处理的WD7、WD8对比CK差异均不显著。

图3 各生育期马铃薯耗水量变化Fig.3 Changes in water consumption of potatoes during each growth period

2.2.2 马铃薯耗水强度 图4所示，马铃薯耗水强度表现为块茎形成期>块茎膨大期>淀粉积累期>苗期，CK处理耗水强度各阶段均处于最高水平(淀粉积累期除外)。苗期由于气温较低，并且马铃薯植株矮小，耗水强度均比较其他生育期低，进行水分处理的WD1、WD2比较CK低28.47%和33.33%，其他各处理之间差异不显著(P>0.05)；块茎形成期，马铃薯耗水强度迅速增大，其中WD1、WD5、WD6处理达到全生育期耗水强度峰值，WD3、WD4处理比较同期其他处理差异显著，分别比CK低30.98%，61.32%；块茎膨大期，马铃薯进入生殖生长的关键时期，耗水强度仍维持在较高的水平，WD4处理复水后，耗水强度显著增强，进行水分处理的WD5、WD6处理分别比CK低29.79%，62.08%；进入淀粉积累期，由于气温降低和茎叶枯萎的缘故，马铃薯耗水强度整体呈现下降趋势，进行轻、中度水分处理的WD7、WD8处理耗水强度比CK低14.15%，16.00%。

2.3 不同生育时期水分处理对马铃薯品质的影响

2.3.1 马铃薯串薯率 马铃薯串薯的形成与生长环境有很大关系，当受到缺水等不利环境因素，薯块膨大缓慢甚至停止生长，当恢复供水或逆境消除以后薯块又继续生长，从而形成形状不整、外观奇异的畸形薯块，会影响马铃薯加工性和商品性[17]。从表2可看出，CK处理串薯率为4.60%，苗期进行水分处理，串薯率比较CK未达到显著性水平(P>0.05)；而在块茎形成期水分处理，使WD3、WD4串薯率分别为12.80%，16.06%，比CK分别高出8.20，11.46百分点，差异显著(P<0.05)，并且WD3、WD4处理比较其他处理，串薯率也增高3.75～11.46百分点；而在块茎膨大期轻度水分处理，WD5串薯率比较CK未达到显著性水平，但是中度水分处理WD6比较CK，串薯率增高4.45百分点；淀粉积累期串薯率比较CK也未达到显著性水平，可见块茎形成期水分亏缺，以及块茎膨大期中度水分处理会严重影响马铃薯薯块的生长，导致马铃薯串薯率成倍增加。

图4 各生育时期马铃薯耗水强度变化Fig.4 Changes in water consumption intensity of potato during each growth period

2.3.2 马铃薯商品薯率 收获时按照薯块质量大于50 g为标准，记为商品薯，商品薯率是衡量马铃薯品质优劣的重要因素[18]。从表2中可以看出，CK处理商品薯率最低，比其他处理低约3.97～10.09百分点，可能是由于充分供水促进了小薯的发育，使小薯数量和质量增加；而WD2、WD3、WD4、WD6和WD7处理比较CK，商品薯率均达到了显著性水平(P<0.05)，其中WD3、WD4处理比CK分别高10.09，7.80百分点，且大薯率增高10.48，8.32百分点；WD5、WD6处理大薯率比CK高9.05，7.92百分点，大薯率的提高影响了商品薯的比例，使商品薯率比CK分别高4.07，7.81百分点；淀粉积累期水分处理均未使大、中薯比率达到显著性水平，但WD7、WD8处理商品薯率仍比CK分别高8.61，3.98百分点。

表2 不同生育时期水分处理对马铃薯外观品质的影响Tab.2 Effect of water treatment at different growth stages on appearance quality of potato %

注： 表中同列字母不同表示处理间存在显著性差异(P<0.05)。表3-4同。

Note:The difference between the same column in the table indicates that there is a significant difference between the treatments (P<0.05).The same as Tab.3-4.

2.3.3 马铃薯薯块有机质含量 从表3可看出，不同生育期水分处理对马铃薯有机质影响显著(除淀粉含量外)。与CK比较，WD1、WD2处理薯块干物质分别提高0.21，0.04百分点，其他处理均降低，其中WD6处理降低3.38百分点，达到了显著性水平(P<0.05)，其余处理WD3、WD4、WD5、WD7、WD8分别降低0.97，1.65，1.62，0.44，0.74百分点，差异均不显著(P>0.05)。水分处理薯块蛋白质含量表现为WD7处理比CK提高3.11%，WD5、WD6处理比较CK分别降低28.50%，24.35%，差异显著，WD1、WD2、WD3、WD4、WD8处理比较CK分别降低1.56%，12.95%，2.04%，16.62%，11.40%，但WD7处理蛋白质含量比CK高3.11%，蛋白质含量多表现为轻度水分处理高于中度水分处理。薯块还原糖含量WD7处理最高，比CK高15.63%，其他处理均低于CK，其中WD1、WD5、WD6处理比CK分别显著降低31.25%，34.38%，46.88%，表现出较大的差异性。淀粉含量各处理均未达到显著性水平，但CK仍最高，且不同生育期呈现出差异性，表现为淀粉积累期>块茎形成期>苗期>块茎膨大期。

表3 不同生育时期水分处理对马铃薯薯块有机质的影响Tab.3 Effects of water treatment at different growth stages on organic matter of potato tubers

2.4 不同生育时期水分处理对马铃薯产量和水分利用效率的影响

2.4.1 马铃薯产量 表4为不同水分处理下马铃薯产量情况，从表中可以看出，全生育期充分供水处理CK产量最高，达到了35 317.71 kg/hm2；WD6处理产量最低，为28 633.33 kg/hm2。马铃薯苗期、块茎形成期、淀粉积累期水分处理产量比较CK均未达到显著性水平(P>0.05)，WD1、WD2处理产量比较CK分别降低9.64%，7.95%；WD3水分处理产量仅比CK降低1.32%，WD4处理产量比CK低6.90%，且WD3处理产量比WD4高6.00%；而在块茎膨大期水分亏缺处理均导致马铃薯明显减产，使WD5、WD6处理比CK分别显著低15.77%，18.93%(P<0.05)，比其他处理减产幅度也达6.79%～18.93%；由于在淀粉积累期之前WD7、WD8处理均充分供水，在淀粉积累期耗水量减小，使WD7、WD8处理产量比CK仅降低4.80%，3.59%，水分亏缺对产量影响较小，最终产量与CK差异不大。

2.4.2 马铃薯水分利用效率(WUE) 表4中，WD4处理WUE最高(7.99 kg/m3)，其次为WD3处理(7.80 kg/m3)，分别比CK显著提高25.04%，22.07%(P<0.05)，而WD5处理WUE最低，比CK低3.28%；WD6处理也获得了较高的水分利用效率，比CK提高5.95%；其他处理WD1、WD2、WD7、WD8分别对比CK增高2.82%，1.57%，0.16%，2.03%，虽未达到显著性水平，但均有不同程度的提高。可见在马铃薯块茎形成期进行水分处理，可以获得较高的WUE，其次为苗期，但在块茎膨大期进行水分处理，不仅严重影响马铃薯产量，而且WUE也处在最低水平。

表4 不同生育时期水分处理马铃薯产量、水分利用效率的影响Tab.4 Effects of water treatment at different growth stages on potato yield and water use efficiency

3 结论与讨论

叶片是马铃薯进行光合作用的主要场所，是产量形成的基础，土壤水分主要通过影响马铃薯地上部分生命活动从而影响产量[19]。张华普等[20]研究表明，确保在马铃薯块茎膨大期、淀粉积累期延长叶片功能，对大、中薯率和产量影响较大。就本试验数据来看，从块茎形成期开始，控制灌水量后马铃薯株高和叶面积比较CK差距开始出现，且差异程度表现为中度水分处理大于轻度水分处理；到块茎膨大期，WD5、WD6处理比较CK株高低13.7，20.1 cm，同样LAI比较CK显著低14.27%，19.70%(P<0.05)，且直至马铃薯收获前，WD6处理株高和叶面积均处于最低水平。表明在块茎膨大期进行中度水分处理，对马铃薯株高和叶面积的增长均造成不可补偿的破坏。

蔡焕杰等[21]认为，水分亏缺的时期和程度能显著影响作物的产量和品质。马铃薯串薯不利于商品性和加工性，较高的串薯率对马铃薯商品性有影响，而马铃薯商品薯率和薯块有机质含量的增加利于马铃薯品质的提高。本试验中，WD3、WD4以及WD6水分处理，串薯率均比CK分别增高8.20，11.46，4.45百分点，WD3、WD4达到了显著性水平(P<0.05)；CK处理小薯率达到29.17%，从而导致商品薯率处于最低水平，而WD2、WD3和WD4、WD6以及WD7处理，均使商品薯率显著高于CK 10.09，7.80，7.81，8.61百分点，水分亏缺对马铃薯有机质含量均有影响，无论在块茎膨大期进行轻度(WD5)或中度(WD6)水分处理，均使马铃薯薯块干物质、蛋白质和还原糖含量降低1.62百分点，28.50%，34.38%和3.38百分点，24.35%，46.88%；WD7处理使薯块蛋白质和还原糖含量分别比CK增加3.11%，15.63%。冯棣等[22]表明，马铃薯收获期水分过多会造成坏薯率增加。因此，WD7处理(淀粉积累期轻度)能有效提高马铃薯品质。

本试验中，CK产量最高，达到35 317.71 kg/hm2，WD3处理马铃薯产量仅比CK降低1.32%，而WD4处理比较CK减产6.90%；WD5、WD6处理马铃薯产量低于其他处理达6.79%～18.93%，这与叶面积指数变化过程趋于同步，可见水分亏缺导致叶片过早死亡是造成马铃薯减产的原因。水分处理对水分利用效率(WUE)的影响表现为：WD4处理WUE最高，WD3处理次之，WD3处理WUE虽略低于WD4(降低2.38%)，但产量比WD4处理高6.00%。综合以上分析，在追求较高的产量和WUE的情况下，块茎形成期轻度水分亏缺处理为本试验推荐的灌水策略；而追求马铃薯较高的品质，淀粉积累期轻度水分处理最佳。