不同沟灌方式对马铃薯生长发育及品质的影响

王腾飞，张 芮，张梅花，张永胜，蔺宝军，杨昌钰，王春宏

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，兰州 730070；2.甘肃定西市水利科学研究所，甘肃 定西 743000)

农业灌溉水是我国西北地区的主要用水,占西北总用水量的80%[1,2]，且北方灌区应用最为广泛的田间灌溉方法仍为畦灌和沟灌[3]，但由于农民节水意识薄弱，灌溉技术不成熟等造成灌溉水浪费严重。据此，康绍忠[4,5]等将节水灌溉技术原理与作物感知缺水的根源信号理论相结合提出的控制性交替灌溉技术。这种新型节水技术可以减少土壤水分的深层渗漏、作物棵间蒸发量及作物蒸腾耗水量，提高作物产量及灌水利用效率[6-9]。

交替隔沟灌溉技术在国内研究颇多。其中，王雪梅[10]以番茄为研究对象，发现在同一灌水及同一施氮量的水平下，交替隔沟灌溉技术较固定隔沟灌溉更有利于提高番茄的可溶性糖含量，降低硝酸盐的质量分数，提高果实品质；徐存东[11]运用 HYDRUS-3D模型对交替隔沟灌、常规沟灌及固定隔沟灌3种沟灌方式下土壤水盐运移进行模拟，发现土壤0～20 cm层常规沟灌积盐率为22%，固定隔沟灌为26%，交替隔沟灌为10%，交替隔沟灌对于控制盐分的积累效果最好；冯静霞[12]以甜椒为研究对象，分析了不同沟灌情况下甜椒的形态变化、水分利用效率、产量及构成要素。但该技术对于定西马铃薯的生长及品质影响研究结果甚少，且定西市是全国优质的马铃薯产区之一[13]，但该地区降雨量较少，水资源匮乏成为限制马铃薯生长发育的主要因素。引洮一期工程投入运行，为该地区部分经济作物补充灌溉奠定了重要基础。但目前该区域马铃薯的补充灌溉还处于探索阶段，对马铃薯交替隔沟灌溉技术研究较少。据此，开展不同沟灌方式对马铃薯生长和品质的响应进行研究，以期为定西马铃薯优质优产及水资源节约利用提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于2018年5-9月在甘肃省定西市灌溉试验站西川试验基地(37°52′N，102°50′E海拔1 958 m)进行。该试验基地处于黄土高原西部丘陵区，属半干旱区，光能较多，年日照时间为2 500 h，年均气温6.3 ℃，极端最高和最低气温分别为34.3 ℃(7月)和-27.1 ℃(1月)。该区域为典型的雨养农业区，多年年均降雨量400 mm，潜在蒸散发量1 500 mm。空气相对湿度65.8%，太阳辐射592 kJ/(cm2·a),无霜期141 d。试验地土壤平均孔隙率为55%，体积比田间持水量为24%,土壤容重平均值为1.5 g/cm3。试验田地势平坦，地力均匀一致。土壤基本理化性质和生育期气温及降雨量如表1和图1所示。

表1 土壤基本理化性质Tab.1 The basic physical and chemical properties of soil

图1 试验地各月份气温及降雨量Fig.1 Temperature and rainfall in each month at the test site

1.2 试验设计

试验设3种灌水方式：常规沟灌(CFI)为对照，即CFI处理的灌水沟都进行灌水；交替隔沟灌溉(AFI)，AFI处理下的相邻灌水沟交替灌水，同一灌水沟在前后两次灌水中循环湿润和干燥；固定隔沟灌溉(FFI)，在马铃薯生长周期内，始终只给FFI处理相邻两条灌水沟的一条沟进行灌水。3种灌水模式随机区组排列，重复3次，小区面积为10 m×12 m，种植密度为6.75 万株/hm2左右。根据《灌溉试验规范》，并结合当地作物实际生育进程，马铃薯生育期划分为：幼苗期、块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期4个生育阶段(表2)；每个小区安装阀门和水表控制灌水，灌水定额为375 m3/hm2。灌水量和灌水时间由土壤含水率确定，用水表量取，灌水后各处理土壤含水率达到田间持水率100%，计划湿润层为1 m。3种灌水方式控制不同生育期的土壤含水量的下限如表2所示，当其下降到水分控制下限时即进行灌水。

表2 不同处理土壤水分控制方案 %

1.3 试验材料与田间管理

播种前(2018年5月8日)进行耕地、划分小区。根据当地施肥经验，播前施基肥为史丹利复合肥830 kg/hm2(N-P2O5-K205为18∶12∶10，总养分≥40%)，将肥料撒于土壤表面，并翻入土壤，施肥深度25 cm。采用人工起垄，沟断面为梯形，上口宽为40 cm，沟深20 cm，灌水沟的长度为10 m，沟底坡度为0.4%，垄宽60 cm。每垄种植两行马铃薯，垄栽行距为40 cm，株距30 cm。采用厚0.008 mm，宽90 cm的普通黑色农膜。2018年5月15日点播，以马铃薯大西洋脱毒原种为供试作物，播种方式为人工覆膜穴播，其种植深度为15 cm。为确保试验准确，在试验地四周各设置1 m保护行，灌水沟两头筑田埂防止灌水流出。试验田采用人工除草，禁止踩踏垄和垄上覆盖材料，除草时间为2018年6月15日、7月12日、8月10日。

1.4 样品采集与测定

(1)土壤含水率测定。每隔10 d测定一次，雨前雨后及每个生育期转折点加测。含水率测定时，沿沟长方向在灌水湿润沟、垄上及未灌干沟布设3条测线，在每条测线的上、中、下游各选1个代表点，分别取土层0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm的土样，采用烘干法测定每个土层的含水率且取6个土层含水率的平均值作为该测点的含水率。

(2)叶面积测定。单株马铃薯叶面积测定时，在每个小区中随机选取连续5个植株,将整株马铃薯的叶片全部摘下，将叶片表面擦拭干净，用打孔器打出已知面积的叶片，共记100次，称其已知叶片面积的重量(g)，可以计算出单位面积的叶片重量n(g/cm2)，再称其整株马铃薯的叶片重N(包括打孔器所打出已知面积的叶片及打孔时造成的碎叶片的重量)，即叶片面积(cm2)=N/n,5株的平均值为单株马铃薯的叶面积。

(3)株高和茎粗的测定。在每个重复中随机选定5株长势均匀的马铃薯，并为其编号为1-5。在马铃薯生长的4个生育期内，分别用卷尺测量编号1-5马铃薯的株高值，用游标卡尺(精度为0.01)测量其茎粗值。

(4)产量测定。马铃薯成熟时，各处理单独收获。在每个重复中随机选取5株马铃薯，统计其3个重复的单株结薯个数、单株薯重、大薯(块茎重量大于150 g)、中薯(块茎重量介于50～150 g之间)、小薯(块茎重量小于50 g)及商品薯(大薯+中薯)的个数和重量，各处理的实际产量取3个重复小区的平均值。

(5)品质测定。品质所测指标有水分、蛋白质、粗淀粉、维生素C、还原糖。采用方法分别为直接干燥法[14]、凯氏定氮法[15]、旋光法[16]、荧光法[17]、直接滴定法[18]。其中凯氏定氮法所用仪器为海能K9840半自动定氮仪，旋光法采用SGW-1自动旋光仪，荧光法采用岛津RF-540荧光分光光度计。

1.5 数据分析

采用SPSS 24.0统计分析软件分析实验数据；Duncan’s 新复极差法分析显著性；采用 Microsoft Excel 2010 进行数据处理；采用隶属函数法分别计算3种灌水模式下马铃薯各项指标的隶属值，并将各指标的隶属值进行累加，求取平均值，综合评价各处理的表现[19]。计算公式如下：

S(ij)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

S(ij)=1-(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中：S(ij)指i处理j指标的原始数据经转化后的隶属函数值；Xij指i处理j指标的原始测定值；Xmin、Xmax为所有处理中j指标的最小值和最大值。

2 结果与分析

2.1 不同沟灌方式对马铃薯生长的影响

2.1.1 不同沟灌方式对马铃薯株高、茎粗和叶面积增长速率的影响

不同沟灌方式对马铃薯株高、茎粗和叶面积增长速率的影响如表3所示，在马铃薯生长前期茎粗、株高及叶面积的增长速率较快，各处理差异不大，不存在显著性(p<0.05)差异；马铃薯在出苗35 d后，AFI处理的植株增长速率与其他两个处理间具有显著性(p<0.05)差异：AFI处理下的茎粗、株高和叶面积的增长速率分别为0.18 mm/d、0.77 cm/d、247.67 cm2/d，较CFI分别增加了20%、20.3%、5.01%，较FFI分别增加了38.5%、453%、10.6%；在出苗50 d时，3种灌水处理下的茎粗、株高和叶面积的增长速率都明显减小，且AFI处理下的3个生长指标的增长速率仍显著(p<0.05)高于其他两个处理，为 0.16 mm/d、0.23 cm/d、102.20 cm2/d ；出苗70 d时，3种灌水处理的马铃薯生长指标的增长速率差异(p<0.05)显著，其规律表现为：AFI>CFI>FFI。

表3 不同沟灌方式对马铃薯株高、茎粗和叶面积增长速率的影响Tab.3 Effects of different ditch irrigation methods on the growth rate of potato strains, stem roughness and leaf area

注：上标不同小写字母表示差异显著(p<0.05)，下同。

2.1.2 不同沟灌方式对马铃薯经济性状的比较

不同沟灌方式对马铃薯经济性状的比较如表4所示，3种处理下马铃薯的单株薯重差异性(p<0.05)显著，表现为：AFI>CFI>FFI。其中，AFI处理下的马铃薯单株重为790.33 g，相比CFI和FFI分别增长了10.44%、40.25%；CFI处理下的单株结薯个数稍高于其他两种处理，但各处理之间并不存在显著性差异(p<0.05)；AFI处理下单株大薯结薯个数、单株大薯均产、单株中薯结薯个数及单株中薯均产显著(p<0.05)高于FFI和CFI。CFI处理下的单株薯重、单株中薯重及单株商品率显著(p<0.05)高于FFI；不同灌水方式下的单株商品薯(大薯和中薯)的个数、单株商品薯率也存在显著性(p<0.05)差异：其中，AFI处理下的单株商品率为85.03%，比CFI处理高了29.9%，CFI比FFI处理高了36.87%。说明不同沟灌方式直接影响马铃薯的经济性状。

表4 不同沟灌方式对马铃薯经济性状的比较Tab.4 Comparison of economic traits of potato by different ditch irrigation methods

2.1.3 不同沟灌方式对马铃薯鲜薯及商品薯产量的影响

AFI、CFI及FFI处理下马铃薯鲜薯折算公顷产量为21 221、19 216、15 132 kg/hm2，AFI较CFI处理增产2 005 kg/hm2，增幅为10.43%，CFI比FFI增产4 084 kg/hm2，增幅达26.99%(表5)。研究还发现，不同灌溉方式对其商品薯产量的贡献为：AFI>CFI>FFI，AFI的商品薯率为85.11%，显著高于CFI和FFI处理。

表5 不同灌溉方式对马铃薯鲜薯及商品薯产量的影响Tab.5 Effects of different irrigation methods on potato fresh potato and commercial potato yield

2.2 不同沟灌方式对马铃薯品质的影响

不同沟灌方式对马铃薯品质的影响如表6所示，CFI处理下的马铃薯水分显著(p<0.05)高于AFI和FFI；AFI处理马铃薯粗淀粉含量为14.44%，比CFI增加了1.61%，具有显著性(p<0.05)差异，较FFI相比，不存在显著性(p<0.05)差异；AFI蛋白质含量为2.64 g/100 g，较CFI和FFI分别增加了0.49、0.35 g/100 g，显著(p<0.05)高于其他两种处理；维生素C，还原糖在不同处理下含量仍然存在显著(p<0.05)性差异：其中AFI处理要明显高于FFI处理，与CFI处理比较，维生素C及还原糖含量均无显著(p<0.05)性差异。

表6 不同沟灌方式对马铃薯品质的影响Tab.6 Effects of different ditch irrigation methods on potato quality

2.3 不同沟灌方式下马铃薯产量及品质的综合评价

本研究采用隶属函数法对 3种灌水方式下马铃薯的10个产量与品质相关指标进行了综合评价。结果显示，不同沟灌方式下马铃薯产量及品质优劣顺序为：AFI >CFI>FFI。说明交替隔沟灌溉模式更有利于马铃薯产量的提高和品质的改善(见表7)。

表7 不同沟灌方式马铃薯平均隶属函数值结果Tab.7 Results of potato average membership function values in different ditch irrigation modes

注：X1～X10依次表示为鲜薯产量、商品薯产量、水分、蛋白质、粗淀粉、维生素C、还原糖、茎粗、株高、叶面积 。

3 讨 论

马铃薯生长前期，植株增长速率较快，但未见显著水平，在马铃薯生长中后期，交替隔沟灌下其株高、茎粗和叶面积的增长速率都显著高于常规灌溉和固定隔沟灌溉，这可能源于交替隔沟灌溉处理使马铃薯根部在整个生长期存在干湿交替的过程，进而增强了根部的抗旱强度[20]，提高了根部的吸收能力。说明了交替隔沟灌溉在相同灌水量的情况下，相比常规沟灌和固定隔沟灌溉，更能促进植株生长，且能达到有效节水灌溉的目的，这与杜斌[21]、汪顺生[22]等的研究结果相类似。

综合分析单株薯重、单株大中薯重及个数、鲜薯产量及商品薯产量表明，交替隔沟灌溉处理下的鲜薯产量和商品薯产量最高，均显著高于其他两个处理；同时，固定隔沟灌溉下的商品薯产量最低，这与宿飞飞[20]的研究结果相类似。原因可能是交替隔沟灌溉更加有利于马铃薯根系对水分和养分的吸收，通过有效水分调亏使得养分有利于向茎块分配，进而达到有效节水、提高产量的目的；常规灌溉使得根系土壤长期处于湿润状态，降低了土壤的通透性，抑制了根部的均匀生长，减少了根部与土壤的接触面积，造成水分及土壤养分的浪费；固定隔沟灌溉由于非灌水沟在整个生育期都处于严重亏水状态，使得根部向灌水侧生长，造成根部分布不均匀，影响根部对营养元素的吸收。

试验中发现，3种灌水方式下马铃薯的10个产量与品质相关指标进行了综合评价，反映出不同灌水方式下马铃薯产量、品质、茎粗、株高及叶面积的差异。以隶属函数法对各个生理指标进行了综合评价，结果表明，3种沟灌方式下马铃薯产量及品质优劣顺序为：AFI>CFI>FFI。

4 结 语

交替隔沟灌溉技术可以保证马铃薯根区一侧处于相对湿润状态、而另一侧处于相对干燥的状态。两侧交替灌溉时减少了水分向深层运动,有利于根系有效地吸收；干湿交替能促进根系补偿效应的发挥,使马铃薯根系更具吸水能力。

在马铃薯整个生育期内，随着生育进程的推进，马铃薯株高、茎粗及叶面积都不断增加，在3种灌溉处理下马铃薯生长前期其株高、茎粗、叶面积的增长速率均无显著性差异。但在生长中后期，交替隔沟灌溉处理下的马铃薯株高、茎粗及叶面积的增长速率显著高于常规沟灌和固定隔沟灌溉。

交替隔沟灌溉技术不但没有给马铃薯植株带来水分胁迫而且提高了生理活性，通过减少灌水用量，有效提高水分利用效率且刺激马铃薯植株旱生反应补偿效应，使其马铃薯鲜薯产量较常规沟灌及固定隔沟灌溉分别提高10.43%、26.99%。全生育期交替隔沟灌溉下，马铃薯蛋白质、淀粉含量显著高于常规沟灌与固定隔沟灌溉；交替隔沟灌溉下马铃薯维生素C含量略高于常规沟灌，但未见显著水平。但该处理下还原糖略低于常规灌溉，说明，交替隔沟灌可以减少还原糖在马铃薯块茎中的积累，进而改善块茎品质。

据此，交替隔沟灌溉技术具有较大的节水潜力，可以达到高节水、高产量、高品质的效果，在定西马铃薯大田试验下极具推广价值。

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