覆膜和补水灌溉对旱作马铃薯田水分利用的影响

任冬雪，张立峰,2，刘玉华,2，刘可心

(1.河北农业大学农学院，河北 保定 071000;2.农业部张北农业资源与生态环境重点野外科学观测试验站，河北 张家口 076450)

0 引 言

水分是影响作物生长发育的关键因子，降水、灌溉、蒸发和蒸腾等共同影响着农田土壤水分平衡[1,2]。冀西北高寒半干旱区，农田生产水资源匮乏，春季干旱多风高额蒸发、夏秋降水极不稳定，导致作物出苗保苗难，产量水平低[3-5]。因此明确区域土壤水分时空运动特征以及不同供水情景下的作物耗水效果，是采取和创新农艺措施保蓄农田土壤水分，提高作物水分利用效率的关键[6-11]。在雨养旱作地区，通常采用覆膜和滴灌等方式提高作物的水分利用效率。覆膜具有集雨、抑制无效蒸发，增加土壤蓄水和水分回流能力的效应。马铃薯覆膜后耗水量虽较露地高1.3%～57.74%[12,13]，但水分利用效率提高12.04%～135.36%[12,14,15]。覆膜改善了小麦的产量结构[16,17]，穗数、穗粒数较露地分别增加20.4%、35.1%，产量提高60.5%，水分利用效率相应提高34.3%-51.9%[18]；然而覆膜对作物生育前期的过度促进效应，导致雨养春小麦减产49.6%[19]。滴灌作为一种新型灌溉方式，具有节约灌水量、提高作物产量与改善品质的作用[20]。滴灌能明显提高灌溉效率，减小土壤蒸发量，降低农田局域空气湿度的效果[1,2,7,8,21-25]。与漫灌相比，采用滴灌方式灌溉，灌水量每公顷减少2 476 m3，节水54.2%，马铃薯产量增加43.06%，水分利用效率提高42.5%[21]。覆膜能显著地提高0～100 cm土层的土壤贮水量，结合补灌能提高0～200 cm土层的贮水量[22]；覆膜结合补灌能显著改善谷子群体结构，谷子产量较露地提高10.1%～18.6%，水分利用效率提高10.7%～19.4%[7,8]。王亚军等[25]研究表明，当补灌量为45 mm时，既可提高西瓜的水分利用效率又不降低西瓜的含糖量；当补灌量大于67.5 mm时，土壤贮水利用率明显降低且随灌水量增加，灌水经济效益降低。冀西北地区水资源匮乏，滴灌已然成为区域规模化灌溉马铃薯生产的高效替代方式，但对覆膜及补水灌溉条件下农田水分运动规律和利用率研究较少，不同情境下马铃薯田适宜的灌溉量依然缺乏。本文设置地面滴灌和膜下滴灌两种灌溉方式，在马铃薯的不同生育期进行补水灌溉，通过对土壤水分及马铃薯产量等性状的测定与分析，明确不同情境下土壤水分时空变化特征，为雨养区马铃薯田水分高效利用技术的改进提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于2018年在河北农业大学张北实验站进行。实验站位于张家口市张北县(114°42′E，41°09′N)，海拔1 420 m，年均降水量382.5 mm，年均温3.9 ℃，无霜期135 d，不小于10 ℃积温2 426.3 ℃。马铃薯供试品种为“226”，试验地土壤类型为草甸栗钙土，其理化性质见表1。2018年马铃薯生育期内降水量279.3 mm，与常年同期降水量276 mm基本持平，降水分布见图1。

表1 供试土壤0～20 cm土层理化性质Tab.1 Physical and chemical properties of soil 0～20 cm

图1 马铃薯田生育期内土壤贮水量、降水量及马铃薯生物量动态变化Fig.1 Dynamic changes of soil water storage, precipitation and potato biomass during the growth period of potato field

1.2 试验设计

试验田各处理均为起垄栽培，垄宽80 cm，垄高15 cm，垄间距50 cm。设露地(T1)、覆膜(T2)、膜下补灌22.5 mm(T3)、膜下补灌45 mm(T4)和露地补灌45 mm(T5)五个处理，以露地(T1)为对照。采用随机区组设计，3次重复，共设18个小区。试验小区面积20×5.2=104 m2，马铃薯种植密度为30 785 株/hm2。每个小区施入750 kg/hm2撒可富复合肥(N-P-K=15-15-15)作为基肥，随机械播种一次性施入。T3～T5灌溉量及灌溉时期见表2。马铃薯5月1日播种，9月13日收获。

表2 各处理的灌溉量及灌溉时期 mm

1.3 测定项目

1.3.1 产量的测定

收获时，每个处理按小区实测产量(鲜重)。

1.3.2 土壤水分含量测定

利用烘干法测定土壤水分含量。

在马铃薯生育期内每隔15 d用土钻在小区内取0～80 cm土层土样，每10 cm一层；取土后及时称取湿土重，放入105 ℃烘箱中烘干， 24 h后称取干重，计算土壤含水量。

式中：m1为湿土样及铝盒重量，g；m2为烘干后土样及铝盒重量，g；m3为烘干后空铝盒重量，g。

土壤贮水量W(mm)=hi×pi×bi×10

式中：h为土层深度，cm；p为土壤容重，g/cm3；b为土壤含水量，%；i=10，20，…，80。

耗水量ET(mm)=W1-W2+P+I

式中：W1、W2分别为马铃薯播种期、收获期土壤贮水量，mm；P为生育期降水量，mm；I为灌水量，mm。

WUE=Y/ET

式中：WUE为水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y为马铃薯产量，kg/hm2；ET为土壤耗水量，mm。

1.4 数据处理

采用Microsoft office2013、 SPSS18.0及SigmaPlot12.5软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 覆膜与补灌的马铃薯田0～80 cm土层贮水量时序变化特征

各处理马铃薯田0～80 cm土层贮水量时序变化明显受生育期内降水、补灌与覆膜影响(图1)。T1～T5处理收获时(9月13日)土壤贮水量较播种时(5月1日)分别增加24.15、33.69、45.01、73.73和68.65 mm。分析表明，补灌使马铃薯田0～80 cm土层土壤贮水量提高了11.32～44.5 mm；覆膜使土壤贮水量提高了7.08～9.54 mm，覆膜处理土壤贮水增加量高于露地。

图1 马铃薯田生育期内土壤贮水量、降水量及马铃薯生物量动态变化Fig. 1 dynamic changes of soil water storage, precipitation and potato biomass during the growth period of potato field

5月1日-6月20日降水量39.8 mm，马铃薯处于播种-出苗-幼苗生长阶段，较少的降水与出苗耗水使得土壤贮水量呈下降趋势。T1、T2、T3、T5处理较播期分别下降26.7、8.48、1.93、4.10 mm，T4增加了3.23 mm。覆膜处理的阻隔水分蒸发效应，减少了土壤耗水，并使得T2处理的生产量较T1增加了30.85%。在降水不足的半干旱地区，覆膜能有效地保存土壤底墒水，是实现作物春播正常出苗与保证苗壮的重要措施。

6月21日-7月20日降水108.8 mm，此阶段马铃薯处于茎叶生长与块茎形成期，较为集中的降水加之T3～T5处理滴灌22.5 mm，各处理的土壤贮水量均大幅度增加，几近生育期的峰值，T1～T5较播期分别增加59.37、55.58、66.28、89.00、77.21 mm。补灌使T3、T4贮水量较T2增加了15.56、35.05 mm，T5较T1贮水量减少2.64 mm。图1表明，该阶段各处理的马铃薯生产量差异不显著，相对充足的供水转化为土壤贮水，为后期生产量的快速增长奠定了基础。

7月21日-8月20日降水76.3 mm，马铃薯处于块茎膨大期，高额的耗水使土壤贮水量呈下降趋势，T1、T2、T3处理较7月21日分别下降52.78、24.49、45.50 mm，T4、T5在滴灌22.5 mm时，土壤贮水量分别较7月21日下降19.15、12.76 mm。7月21日-8月5日，T1～T3处理的土壤贮水量下降迅速，至8月5日土壤贮水量与播期大致相同，T4、T5处理由于补灌，贮水量降幅较小。图1表明，至7月21日T3处理的生物量分别是T1、T2、T4、T5的1.44倍、1.29倍、1.13倍、1.35倍，T3处理较强的耗水能力对维持较快的生产量积累起到了重要作用。

8月21日-9月13日的马铃薯成熟阶段降雨54.4 mm，植株逐渐衰老枯死，田间蒸散量减少，在降水补给下各处理贮水量又呈增加趋势。

2.2 覆膜与补灌的马铃薯田0～80 cm土层含水量垂直变化特征

马铃薯田生育期0～80 cm土壤含水量垂直变化如图2。从图2可以看出，不同处理间均表现为0～40 cm土层土壤含水量在整个生育期内变幅较大，是马铃薯田供水的主要土层。补灌前(5月1日-6月20日)干旱少雨，各处理土体呈失水状态[图2(a)、(b)]。与5月1日相比，6月20日T1、T5两个露地处理0～70、0～50 cm土层含水量下降30.58、13.77 mm，T2～T4三个覆膜处理0～40、0～40、0～30 cm土层含水量下降18.69、18.55、7.00 mm，覆膜较露地处理土体失水层明显变浅。随着第一次补灌与雨季较为频繁的降水，土壤贮水急剧增加[图2(c)]，至7月20日各处理0～80 cm土层含水量均呈上升趋势。此期T2处理0～80 cm土壤含水量均低于T1处理，T3、T4处理0～60 cm土壤含水量低于T5处理，说明覆膜较露地不仅提升了整个土体的供水量，而且40～60 cm的深层供水更为明显。第二次补灌后至8月5日[图2(d)]，马铃薯处于块茎膨大期，耗水量急剧增加，T4、T5处理由于补灌使0～40 cm含水量降幅小于其他处理；T1～T3处理0～40 cm土层土壤含水量迅速下降，且T2、T3处理0～30 cm土层水分接近土壤凋萎含水量。8月5日-9月13日[图2(e)、(f)]，马铃薯处于成熟阶段，在降水补给下T1～T3处理0～40 cm土层土壤含水量略有增加，40 cm以下土层含水量与T4、T5处理0～80 cm土层含水量变化量较小。

2.3 覆膜与补灌对马铃薯各生育时段耗水量与生产量的影响

图2 马铃薯田生育期内0～80 cm土层土壤含水量垂直动态变化Fig. 2 Vertical dynamic changes of soil water content in 0～80 cm soil layer during the growth period of potato field

由表3可看出，覆膜与补灌对各生育时段马铃薯田的耗水与水分利用效果的影响不同。5月1日-6月20日的马铃薯播种到苗期阶段，各处理耗水量在41.20～66.50 mm间，差异不明显，马铃薯生产量以T1最低，为262.39 kg/hm2，与T4处理差异显著，与其他处理差异不显著。

6月20日-7月20日为马铃薯块茎形成阶段，各处理生产量与耗水量明显增加。此阶段T3、T4生产量分别为2 433.01和2 057.85 kg/hm2，较T1提高49.02%和26.04%，相应耗水量为110.93和89.42 mm，较T1处理耗水量50.03 mm差异显著。结果表明，膜下滴灌方式促进了该阶段马铃薯生产量，进而提高了田间耗水量。分析表明，该期T5的生产量较T1提高了5.80%，但耗水量却达T1的1.50倍，说明此期采用露地滴灌供水，大部分水用于土体蒸发，对于马铃薯增产效果较小。7月20日-8月20日为块茎膨大期，各处理生产量增速最快，水分利用效率(WUE)达全生育期最高值。此期T3～T5处理生产量分别达6 768.20 、6 805.83和5 778.85 kg/hm2，显著高于T1处理达88.82%～122.38%；同期耗水量却只有T1处理的68.22%～82.79%，相应WUE达68.58～98.02 kg/(hm2·mm)，为T1的2.28～3.26倍。表3表明，该阶段T2处理的生产量较T1增加了48.76%，耗水量只有T1的72.20%，WUE是T1的2.06倍。T4和T5在滴灌相同水量的条件下，T4的阶段生产量较T5增加17.77%，耗水量为T5的82.40%，WUE是T5的1.43倍。结果表明，覆膜与补灌显著提高了马铃薯对田间水分的利用效果，而覆膜处理更为明显。

表3 马铃薯各生育时段生产量(干重)、耗水量及水分利用效率Tab.3 Production (dry weight), water consumption and water use efficiency of potatoes during each growth period

注： 同行不同小写字母表示处理间差异达到显著水平(p<0.05)。

8月20日至9月13日马铃薯处于成熟阶段，各处理的阶段生产量在815.12 ～2 349.32 kg/hm2间，彼此差异不显著；T3耗水量显著少于T2、T4、T5处理，这与该处理前期耗水较多以及后期没有灌溉等有关。

2.4 覆膜与补灌下马铃薯产量及水分利用效率

马铃薯各处理产量、耗水量及水分利用效率见表4。各处理产量从高到低依次为T3、T4、T5、T2、T1。分析表明，旱作下覆膜较露地增产76.44%，补灌较旱作增产52.16%；膜下补灌较露地旱作增产92.89%～123.47%。监测表明各处理耗水量在245.62～256.78 mm间，虽有处理补水灌溉，但处理间差异不显著；相应5个处理间水分利用效率相差很大，变化在36.78～81.65 kg/(hm2·mm)之间。统计表明，露地栽培的T1与T5处理WUE分别为36.78和55.84 kg/(hm2·mm)，显著低于覆膜处理；覆膜处理中，T3的WUE最高，为T2、T4的1.21和1.13倍，并差异显著。表4表明，覆膜较露地处理的降水生产效率提高了76.45%；覆膜与露地的灌溉水利用效率则较旱作的降水利用效率提高了2.31与2.24倍。

表4 马铃薯各处理的产量、耗水量及水分利用效率Tab.4 Yield, water consumption and water use efficiency of potato treatments

分析5个处理的马铃薯经济产量与水分利用效率的关系如图3。统计表明，本试验中马铃薯产量(Y)和水分利用效率(X)间呈极显著的线性相关，其回归方程为Y= 0.003 9X+0.200 2(R2=0.994 7)，说明产量随着水分利用效率的增加呈线性增长趋势。因此提高水分利用效率的技术创新，成为促进冀西北寒旱区马铃薯增产与区域水土资源高效利用的核心。

图3 马铃薯产量与水分利用效率的关系Fig. 3 relationship between potato yield and water use efficiency

3 讨 论

农田土壤水分时空动态是SPAC系统中水分运动的重要表征[26,27]。吴程[1]等研究塔里木平原荒漠绿洲区沙土棉田的土壤水分空间动态表明，棉田可分为水分活跃层(0～20 cm)、次活跃层(20～60 cm)和稳定层(60～120 cm)等层次。李巧珍[28]等对甘肃砂田土壤水分监测表明，冬小麦田0～160 cm土层土壤含水量垂直变化呈反“S”型曲线，表层0～40 cm为水分活跃区，40～100 cm为作物吸水区，100～140 cm为水分稳定区。杨震等[29]研究表明，宁南旱区沟垄集雨与补灌对提高0～40 cm土层的土壤贮水量效果最明显，而补灌的水分正处于马铃薯根系的主要吸水层，故覆膜补灌处理的产量及水分利用效率较对照高92.89%-123.47%和98.23%-123.79%。本研究得出，冀西北寒旱区草甸栗钙土马铃薯田的主要供水层在0～40 cm，40～80 cm土层为水分相对稳定区。这与本研究结果基本一致。秦舒浩等[30]对半干旱雨养农业区集雨补灌马铃薯田土壤水分监测研究表明，马铃薯的主要吸水层在0～80 cm土层。由此可见，试验区土壤类型、降水与补水数量等会影响马铃薯的主要吸水层次。

农田耗水量与水分利用效率是影响半干旱区作物产量的主要方面[31,32]。研究表明，作物产量与耗水量通常呈线性或二次项性正相关关系[33-36]，相应农田供水量成为作物产量的基本限制。在一定供水量下，土体水分蒸耗方式与作物耗水能力决定着水分的利用效率，地膜覆盖[10,18,37,38]、适期节灌[1,2,7,8,22,25]的水分调控及以缩行增密[11,39-41]、育苗移栽[10,42]等促进耗水措施，成为农田技术运用的重要方面。本研究得出，冀西北寒旱区马铃薯生产处理间耗水量差异不显著，其产量主要取决于水分利用效率，地膜覆盖与适期滴灌有效促进了马铃薯的前期生长，奠定了马铃薯生育中期的较高耗水能力，由此呈现出马铃薯产量与水分利用效率间的线性正相关特征。这与寒旱区地膜覆盖有效提高了地温[19,43]、关键期补灌[30,44]促进了作物前期生育有关。而非宜期灌溉则会产生“奢侈耗水”致使水分利用低效[12]。本试验的T4处理于7月份降水较多境况下补灌，造成了土壤贮水量增高，马铃薯贪青晚熟而致低产。

4 结 语

冀西北寒旱区草甸栗钙土马铃薯田的主要供水层为0～40 cm土层，块茎膨大期为农田耗水关键期。覆膜和补灌均可显著提高马铃薯的产量和水分利用效率。旱作下覆膜较露地可使马铃薯增产76.44%，水分利用效率提高83.33%；膜下滴灌补水22.5 mm时可增产123.47%，水分利用效率提高122.00%；露地补灌45 mm可增产52.17%，水分利用效率提高51.82%。覆膜和补灌并未显著加农田耗水量，但显著地提高马铃薯的产量和水分利用效率。