半干旱区限量补灌对全膜垄播马铃薯产量形成及水分利用效率的影响

杨昕宇，康益晨，张卫娜，石铭福，要凯，齐荣，秦舒浩

(甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070)

水资源短缺是全球农业面临的共同难题.水资源在时间及空间上分布不均匀以及越来越多的农业用水转移至工业用水导致农业用水的供需矛盾十分突出.近20年来，我国北方气候出现变暖和持续性干旱现象，降水量明显减少[1-2].在半干旱雨养农业区，降雨量的稀少及时间空间分布不均严重制约了作物生产和经济发展.这使得该地区特色优势作物马铃薯的生产效能不高、水分利用效率低下.因此，加强水资源管理，提高水分利用效率成为该地区发展农业的主要任务.地膜覆盖可以显著降低棵间蒸发，提高深层水分的利用率[3]，使作物根部土壤保持良好的水分状况，减轻干旱对作物的影响，保证作物的正常生长发育，提高了作物生产力和水分利用率[4-6].覆膜可以在春季低温时提高土壤温度，降低夏季高温土壤温度和土壤湿度的日变化幅度，减轻作物根系受到温度过高或过低的危害[7].由于其显著的保墒节水效应[8]，自1978年从日本引进地膜覆盖栽培技术以来，广泛应用于蔬菜、小麦、玉米等作物，保水增产效果显著[9-10].

马铃薯(SolanumtuberosumL.)作为粮菜兼用型作物在我国广泛种植，与豆类及谷物作物相比，马铃薯的根系较浅，水分需求大，其整个生命周期均对土壤水分极为敏感[11]，特别是在蒸散量高和土壤持水能力较低的地区，马铃薯的生长和发育会受到极大的影响.目前对马铃薯水分需求及利用相关的研究极少，特别是关于全膜垄播马铃薯限量补灌的研究.因此，研究限量补灌对全膜垄播马铃薯产量形成及水分利用效率的影响迫在眉睫.本研究为大田定位试验，探究限量补灌对全膜垄播对旱作马铃薯田的蒸散量、灌水利用率、产量及产量性状的影响，为半干旱雨养农业区马铃薯产业雨水高效利用、进一步实现节水高产提供理论依据.

1 材料和方法

1.1 试验区概况

本研究于2017年在甘肃省定西市农科院试验基地(N 35°33′，E 104°35′)进行.该地区是典型的半干旱雨养农业区，生产力水平低.土壤类型为黄绵土，肥力均匀、土层深厚、蓄水性能良好(凋萎含水率7.3%)，土壤肥力适中(表1).定西市平均年降水量为391 mm，多集中于7～9月，可占全年降水量的54%(图1).

图1 2017年定西市降水量Figure 1 Precipitation in Dingxi in 2017

1.2 试验设计

以当地主栽品种‘大西洋’为供试材料，试验因子为补灌水量和补灌时期，补灌时期为马铃薯苗期和薯块膨大期，试验共设6个处理，分别为CK：全生育期无补灌；T1：补灌15 mm(苗期5 mm、薯块膨大期10 mm)；T2：补灌25 mm(苗期10 mm、薯块膨大期15 mm)；T3：补灌35 mm(苗期15 mm、薯块膨大期20 mm)；T4：补灌45 mm(苗期20 mm、薯块膨大期25 mm)；T5：补灌55 mm(苗期25 mm、薯块膨大期30 mm).所有处理均采用全膜垄播的栽培方式，灌水采用水壶单株点灌的灌溉方式，单株灌水量计算公式如下：

表1 试验区土壤概况

单株灌水量(L)=补灌水位(m)×667 m2÷种植密度(株/亩)×1 000

采用随机区组设计，设3次重复.小区面积为6.9 m× 7.1 m，株距30 cm，行距70 cm.

试验区施用马铃薯专用肥(N∶P2O5∶K2O=8∶7∶10)750 kg/hm2，于地膜覆盖前，施优质有机肥30 m3/hm2.

1.3 指标测定方法

1.3.1 产量及产量性状 小区单收后计算公顷产量，于每小区随机取10株考种，计算块茎产量，对产量构成性状进行分析，大、中、小薯的评价标准为：250 g以上为大薯，50～250 g为中薯，50 g以下为小薯.薯块表皮出现绿色计作绿薯.

1.3.2 土壤水分参数 土钻取土，采用铝盒烘干法测定土壤含水量.取土深度为马铃薯根系伸长的深度，即0～100 cm，每20 cm取1次样.

水分利用效率(WUE)=Y/ETa

式中，Y马铃薯公顷产量；ETa为马铃薯植株全生育期实际蒸散量，计算方法为：

ETa=播前土壤贮水量+有效降雨量+播前补水量-收获后土壤贮水量

土壤贮水量(mm) =质量含水量(%)×土壤容重(g/cm3)×土层厚度( mm)

灌水利用效率(IWUE)= (Y补灌处理-Y对照)/灌水量.

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 19.0和OriginPro 2018进行原始数据统计、方差分析和作图；利用LSD法进行差异分析(α=0.05).

2 结果与分析

2.1 限量补灌对马铃薯产量的影响

由图2可知，未进行补灌的CK产量最低，马铃薯产量随补灌量的增加而增加，其中，低补灌量的T1产量增加不显著(P>0.05)；T3、T4和T5马铃薯产量均显著高于CK与T1(P<0.05)，增产率分别为60.49%、62.91%和63.39%，且相互之间无显著差异；由此表明，限量补灌能显著提高旱作马铃薯的产量.

不同字母表示差异显著(P<0.05).Different letters indicate significant differences(P<0.05).图2 不同处理组马铃薯产量和增产率Figure 2 The yield and growth rate of potato among different treatments

2.2 限量补灌对马铃薯水分利用效率的影响

由表2可知，与CK相比，补灌的马铃薯收后土壤贮水量与农田蒸散量(ET)均有不同程度的提高，各补灌处理的WUE均显著高于CK，T3、T4的水分利用效率最高，分别高出CK 60.5%和61.1%.此外，T3的IWUE最高，显著高于其他各补灌处理(P<0.05)，其次是T2和T4，再次为T5，IWUE最低为T1处理.因此，当苗期补灌水量15 mm和薯块膨大期补灌水量20 mm时，马铃薯水分利用效率和灌水利用效率最高.

2.3 各处理马铃薯田不同时段蒸散量(ET)比较

在马铃薯整个生育期内，各处理田蒸散量均呈先增高后降低的趋势(图3).5～6月试验区降水量较少，各处理蒸散量均较低；T1和T5的蒸散量显著高于其他各处理(P<0.05).6～7月，随降水量增多及补灌的进行，各处理蒸散量整体增加，其中T4的蒸散量最高，显著高于其他各处理，以T1的蒸散量最低；7～8月，以CK和T3的蒸散量最高，除与T2差异不显著外，显著高于其他各处理(P<0.05).8～9月，各处理蒸散量整体降低，CK和T3的蒸散量略低，其他处理间没有显著性差异.

不同字母表示差异显著(P<0.05).Different letters showed significant differences(P<0.05).图3 各处理马铃薯田不同时段蒸散量Figure 3 Evapotranspiration of potato fields of different treatments at the different stages

表2 限量补灌条件下马铃薯田总蒸散量(ET)、水分利用效率(WUE)和灌水利用效率(IWUE)

同列不同字母表示差异显著(P<0.05).

Different letters in the same column indicate significant differences(P<0.05).

2.4 限量补灌对马铃薯收获后土壤含水量的影响

收获后各处理组土壤剖面垂直方向水分变化动态基本一致，随土层深度的增加均呈先降低后升高趋势(图4).由于采收前有少量降水，影响表层土壤含水量，0～20 cm土壤含水量较高；20～80 cm含水量较低，80 cm以下最高.因此马铃薯可以吸收利用的水分主要分布在80 cm以上土层.补灌处理的土壤含水量均高于CK，0～20 cm土层中，T4的含水量最高，较CK高20%；在20～80 cm土层中，T4、T5的含水量相对较高；80 cm以下土层，补灌量越多，土壤含水量越高.

图4 马铃薯收获后土壤含水量Figure 4 Soil water content after potato harvest

2.5 不同处理马铃薯产量构成性状分析

限量补灌明显降低了薯块小薯率，提高了大薯率与中薯率总和，一定程度上降低了烂薯率，对绿薯率及单株结薯数没有显著影响(表3).T3、T4、T5处理组的单株薯产量均显著高于CK(P<0.05)，分别高出78%、63%、94%，且相互之间无明显差异；除T1外，其他各处理组大薯率与大薯质量百分率均高于CK；T4处理组的中薯率和中薯质量百分率最高，且小薯率和小薯质量百分率最低；绿薯率和单株结薯数各处理之间差异不显著；综上所述，T4处理组的各产量构成性状都相对较好.

3 讨论

由于半干旱雨养农业区水资源的匮乏，必须充分提高水资源的利用率，寻找作物产量、WUE和IWUE的最佳结合点.随着时代的发展，田间限量补灌种植技术逐渐发展成为干旱地区的主要节水技术[12]，并在玉米[10]、小麦[13-14]、马铃薯[15-16]、苜蓿[17]等作物上进行了广泛的试验.

限量补灌能显著提高作物WUE，且随灌水量和农田耗水量增加，IWUE减小[18].本研究表明，在全膜垄播条件下，苗期补灌15 mm、薯块膨大期补灌20 mm时，马铃薯的WUE和IWUE均最高；随灌水量的增加，马铃薯田蒸散量发生变化，马铃薯收后土壤贮水量增加，且有部分水分贮存于深层土壤中，与前人研究结果相似[19-21].

表3 不同处理种植模式下马铃薯产量构成要素

同列不同字母表示差异显著(P<0.05).

Differebt letters in the same column indicate significant differences(P<0.05).

节水农业的主要问题是提高自然降水和灌溉水的利用效率.秦舒浩等[22]采用大田试验的方法进行了马铃薯补灌研究，认为马铃薯以苗期补灌45 mm时水分利用效率最高，再次增加补灌量时，水分利用效率会逐渐降低.本研究在此基础上设定苗期及薯块膨大期2个补灌时期，以不同补灌量为处理，结合全膜垄播的栽培方法对马铃薯限量补灌技术进行了更深层次的探索，得出苗期及薯块膨大期全膜垄播马铃薯田水分利用效率和灌溉水利用效率达到最高的最适补灌条件，而在此基础上再增加灌水量，马铃薯产量增加不显著.限灌35 mm是提高马铃薯产量和水分利用效率的有效途径.

王丽[23]研究发现，补灌可以显著提高小麦的产量以及水分利用效率；杜少平等[24]对西瓜进行了补灌试验，结果表明补灌能有效提高西瓜的产量；谷晓博等[25]在冬油菜上的试验表明，限量补灌对冬油菜的油菜籽产量有着显著影响.本研究以马铃薯为研究对象，进一步表明，限量补灌可显著增加马铃薯产量，降低薯块的小薯率、提高大薯率与中薯率总和.

4 结论

本研究表明，随着补灌量的变化，马铃薯田的蒸散量也随之变化，可极大程度上影响马铃薯水分利用效率.80 cm以下深层土壤的贮水量明显高于浅层土壤，即马铃薯可以吸收利用的水分主要分布在80 cm以上土层.限量补灌可以显著提高马铃薯产量，降低马铃薯的小薯率、绿薯率及烂薯率，提高马铃薯的大薯率与中薯率.以苗期补灌15 mm、薯块膨大期补灌20 mm的WUE与IWUE最高，在此基础上增加灌水量，马铃薯的产量增加不显著.全膜垄播栽培模式下，补灌35 mm是提高黄土高原半干旱雨养农业区(年平均降水量390～410 mm)旱作马铃薯产量和WUE以及实现节水高产栽培的有效途径.