不同渗灌埋深下水氮模式对旱区马铃薯水氮分布及利用效率的影响

贾 帅，焦炳忠，高洪香

（1.宁夏职业技术学院（宁夏开放大学），银川 750021；2.宁夏水利科学研究院，银川 750021；3.宁夏水文水资源监测预警中心，银川 750004）

宁夏干旱半干旱地区气候特点，抑制了农业发展，不合理的灌溉方式，对水肥耦合效应影响较大，并且有效阻碍了灌溉水和肥料在生产潜力中发挥。通过选择适宜的灌溉方式和水肥耦合，可有效改善作物生长状况，促进作物增产增效，提高作物品质和水肥利用效率[1]。马铃薯的生长发育主要受水肥制约，水肥耦合效应有利于旱地作物增产增效[2]，不同水肥组合对作物光合特性、农艺性状和产量影响不同。当前，如何通过调节水氮配比来改善作物农艺性状，提高产量和水肥利用效率，达到节水、节肥、增产效果，是旱区农业生产重点研究的问题[3]。已有研究表明，灌溉和施肥适宜组合有利于提高作物进行光合特性和积累叶绿素含量[4,5]。滴灌条件下的水肥耦合，对作物产量、水分利用效率以及产量都有提高作用，得出高水高肥产量最佳[6,7]。因此，确定马铃薯合理的灌溉量和施氮量，对提高水氮利用率、实现优质高产以及降低土壤氮均有明显效果。

地下灌溉技术是一种高效节水灌溉方法，能有效地减少土壤表面的水分蒸发和肥料运移过程的损失[8]。有学者利用地下渗灌方式对马铃薯[2,9]和枣树[10]进行研究，得出适宜的灌水方式和施氮量组合有利于作物节水节肥；涌泉根灌灌水器不同埋深对土壤NH4

+-N 影响较大，随着埋深下移，NH4+-N 含量峰值越来越小[11]。但田间管网铺设方式影响作物对水肥吸收的利用，目前，对地下渗灌管网布设方式、水肥灌溉模式等方面的研究甚少[12]。为此，本研究通过设置不同渗灌埋深、灌溉量和施氮量，对旱区马铃薯农艺性状、产量及水氮利用效率进行分析，筛选出最佳组合模式。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于宁夏旱作高效农业工程中心试验基地。该区域属于中温带半干旱大陆性气候，蒸发量大，年平均降水量272.6 mm，多年平均日照3 024 h，年平均气温8.6 ℃。试验区土壤为沙壤土，0～60 cm 土层田间持水率和土壤容重分别为22.25%和1.32 g/cm3。土壤理化性质如表1所示。

1.2 试验设计

本试验设3个因素试验因素（渗灌埋深D、灌水量W 和施氮量N），每个因素3 个水平。地下渗灌管埋深分别为5、15、25 cm，灌溉定额依据当地灌溉经验值和前人研究理论值进行设计分别为1 050、1 500、1 950 m3/hm2，施氮量分别为120、180、240 kg/hm2。采用正交试验设计[12]，正交试验方案如表2所示。

试验小区采用单垄双行种植，垄宽80 cm，垄高25 cm，行距40 cm，株距40 cm。每个小区两垄，小区长40 cm，宽24 cm，各小区之间设1.5 m 宽隔离带，9 个处理，每个处理3次重复，共27 个小区。供试渗灌管道采用自主研发的全渗管道，内径φ20 mm，流量12 L/(m·h)。试验采用尿素提供N（46-0-0），底肥施入一定量的磷酸二铵（90 kg/hm2）和硫酸钾复合肥（135 kg/hm2），为马铃薯生长提供钾肥和磷肥。

试验作物采用“青薯168”马铃薯品种，全生育期150 d左右。于5月12日进行播种；6月5日马铃薯出苗；2019年10月7日收获；全生育期内降雨量为212.6 mm。

1.3 观测指标及方法

（1）作物生长指标。作物生长指标内容包括株高、茎粗、干物质积累量等，各生育时期取马铃薯地上部分鲜物质。

（2）叶片叶绿素相对含量（SPAD）。采用便携式叶绿素仪SPAD-502 测定，在苗期、块茎形成期和块茎膨大期每次灌水施肥后，选取上中下3片叶子进行测定。

（3）土壤含水率。采用传统土钻法对0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm 土层取样，用烘干法测其土壤含水率。

（4）产量Y。作物成熟后，按小区进行测产。

（5）作物耗水量。采用水量平衡法计算，计算公式为：

式中：ET为耗水量，mm；P为生育期内降雨量，mm；I为灌水量，mm；ΔW为生育期开始时土壤贮水量与生育期结束时土壤贮水量之差，mm；R为地表径流量，mm；D为耕层土壤水的渗漏量，mm。

（6）水分利用效率：

式中：Y为马铃薯产量，kg/hm2。

（7）氮肥偏生产力=施肥区产量/施氮量。

1.4 数据分析统计

试验数据均采用Excel2010 和SPSS17.0 软件进行统计及方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同渗灌埋深下水氮模式对马铃薯干物质积累量的影响

不同渗灌管埋深、灌水量和施氮量正交组合对马铃薯苗期、块茎形成期、块茎膨大期干物质积累量的影响如图1所示，可以看出，各处理下马铃薯干物质积累量的增量在苗期和块茎形成期最大，块茎膨大期干物质积累量的增量较少；T1 和T2 处理干物质积累量增量苗期高于块茎形成期，其他处理均为块茎形成期高于苗期。T6处理（渗灌管埋深15 cm、灌水量1 950 m3/hm2、施氮量120 kg/hm3）苗期、块茎形成期、块茎膨大期3 个生育时期干物质积累量最多，为158.42 g/株，与其他处理总累积量存在显著差异（P＜0.05）。T1、T2、T3处理渗灌管深均为5 cm，随着灌水量和施氮量的增加，干物质积累量也逐渐增加，3 个处理之间存在显著差异（P＜0.05）；在渗灌管埋深15 cm 下，灌水量越大，干物质积累量越大，T4处理和T5 处理之间无显著差异（P＞0.05），T5 处理比T4 处理干物质积累量多2.98 g/株；在渗灌管埋深25 cm 下，随着灌溉量的增加，马铃薯干物质积累量先降低后增加，T7 和T9 处理无显著差异（P＞0.05），与T8 处理存在显著差异（P＜0.05）。各处理马铃薯干物质积累量从多到少依次为T6＞T7＞T9＞T5＞T4＞T3＞T8＞T2＞T1。T1 处理在块茎膨大期增量最小为8.8 g/株，T6处理最大为18.84 g/株，较T2处理增加了10.04 g/株。

图1 不同水氮耦合效应对马铃薯干物质积累量的影响Fig.1 Effects of different water and nitrogen coupling effects on dry matter accumulation of potatoes

2.2 不同渗灌埋深下水氮模式对马铃薯叶片叶绿素相对含量的影响

渗灌管埋深下水氮耦合对马铃薯苗期、块茎形成期、块茎膨大期叶片叶绿素相对含量的变化如表3所示，可以看出，各处理随着马铃薯生育时期的变化，叶片叶绿素相对含量逐渐降低，T8处理从苗期到块茎膨大期降幅最大为13.71，T9处理降幅最小为9.93；从苗期到块茎形成期马铃薯叶片叶绿素相对含量降幅最大T7 处理为5.60，降幅最小为T4 处理为3.56。在渗灌管埋深一定的条件下，马铃薯叶片叶绿素相对含量随着灌水量增加相对增加；埋深为5 cm 时，T1 处理在苗期、块茎形成期、块茎膨大期生育时期马铃薯叶片叶绿素相对含量均最低，与T2、T3处理之间存在显著差异（P＜0.05）。灌水量为1 050 m3/hm2时，3 个生育时期内马铃薯叶片叶绿素相对含量随着渗灌管埋深的增加逐渐增加，埋深5 cm 与埋深15、25 cm 的处理组合存在显著差异，灌水量越大，马铃薯叶片叶绿素相对含量随着渗灌管埋深的增加先增大后降低，T6 处理在各生育时期叶片叶绿素相对含量最大，分别为53.68、49.62、42.74，与其他处理均存在显著差异（P＜0.05）。施氮量为120 kg/hm3时，叶片叶绿素相对含量随着渗灌管埋深的增加先增大后降低，随着灌水量的增加逐渐增大；施氮量为240 kg/hm3时，叶片叶绿素相对含量随着灌水量的增加逐渐降低，随着渗灌管埋深的增加逐渐增大。3个生育时期渗灌管埋深单因素对叶片叶绿素相对含量都有极显著差异（P＜0.01），灌水量单因素对叶片叶绿素相对含量无显著差异（P＞0.05），施氮量单因素对叶片叶绿素相对含量的影响无显著性差异（P＞0.05）。

表3 马铃薯各生育时期叶片叶绿素相对含量Tab.3 The relative content of chlorophyll and nitrogen content of potato leaves at each growth stage

2.3 不同渗灌埋深下水氮模式对土壤含水量的影响

各处理马铃薯全生育期土壤深度0～60 cm 内水分变化如图2所示，可以看出，马铃薯土壤水分变化主要在0～40 cm 内波动较大；随着渗灌管埋深的增加，最大含水率峰值从土层10 cm（埋深5 cm）到土层20 cm（埋深15 cm）再到土层30 cm（埋深25 cm）；不同埋深土层处的最大含水率随着埋深逐渐增大，埋深5 cm 处的峰值为21.75%，埋深15 cm 处的峰值为22.31%，埋深为25 cm 处的峰值为25.17%。相同渗灌管埋深下，随着灌溉量增加，土壤各土层的土壤含水率逐渐增加，埋深越深，相同土层的土壤含水率越高，主要是通过渗灌管道将灌溉水直接输送到土壤中，减少了地表滴灌导致水分通过蒸散发散失。不同施氮量在埋深为5 cm 时，与不同灌溉量对土层土壤含水率的影响类似，在埋深为15 和25 cm 时，施氮量对各土层土壤含水率的影响无明显规律。

图2 不同处理各生育时期土壤含水量分布Fig.2 The distribution of soil water content in different growth stages of different treatments

2.4 不同渗灌埋深下水氮模式对马铃薯产量及水氮利用效率的影响

不同渗灌埋深下水氮模式对马铃薯耗水量、产量及水氮利用效率的影响如表4所示，可以看出，各处理马铃薯的耗水量随着灌溉水量和渗灌管埋深的增加逐渐增多，灌溉量为1 950 m3/hm2下，T9 处理马铃薯的耗水量最高，为292.12 mm，比耗水量最小的T1 处理高70.7 mm。马铃薯商品薯率T6 处理最大为69.23%，T9处理次之为68.15%，T6处理与其他处理商品薯率之间均存在显著性差异（P＜0.05），不同渗灌管埋深对马铃薯商品薯率影响存在差异，整体表现为埋深为15 cm 的商品薯率较好；随着灌溉量增加马铃薯商品薯率逐渐增加，灌溉量与埋深的交互作用下，埋深为15 cm 和灌水量为1 950 m3/hm2组合商品薯率最好。

表4 马铃薯耗水量及水分利用效率Tab.4 Water consumption and jujube water use efficiency under coupling of water and fertilizer

随着灌溉量的增加马铃薯产量逐渐增加，T9 处理产量最高为28.60 t/hm2，与T6 处理无显著差异（P＞0.05），与其他处理均存在显著差异（P＜0.05）；T6 处理与T7 处理无显著差异（P＞0.05），并且马铃薯水分利用效率最高，与T9 和其他处理均存在显著差异（P＜0.05），T2处理水分利用效率最小，与T3处理无显著差异（P＞0.05），与其他处理均存在显著差异（P＜0.05）；T6处理氮肥偏生产力最大为237.08 kg/kg，与其他处理均存在显著差异（P＜0.05），氮肥片生产力随着施氮量的增加逐渐降低，随着产量的增加逐渐增加。渗灌管埋深单因素对马铃薯商品薯率、产量、水分利用效率都有极显著差异（P＜0.01）；灌水量单因素对马铃薯商品薯率和水分利用效率存在极显著差异（P＜0.01），施氮量单因素对氮肥偏生产力存在极显著差异（P＜0.01）。

2.5 不同渗灌埋深下水氮模式对马铃薯产量及水氮利用效率极差的影响

不同处理对马铃薯产量和水氮利用效率的极差如表5所示，可以看出，3 个因素影响产量极差分别为1.91（D）、2.24（W）、0.43（N），灌水量对应的极差最大，为2.24 t/hm2，说明灌水量对产量影响高于渗灌管埋深和施氮量；埋深仅次于灌水量对产量的影响，施氮量因素对产量影响最小。渗灌管埋深因素对水分利用效率影响最大，极差为0.71 kg/m3，其次为灌水量因素，施氮量因素对水分利用效率影响最小。施氮量因素对马铃薯氮肥偏生产力影响最大，极差为110.41 kg/kg，其次为渗灌管埋深因素，灌水量因素对氮肥偏生产力最小。

表5 不同处理马铃薯产量和水氮利用效率的极差分析Tab.5 Range analysis of potato yield and water and nitrogen use efficiency in different treatments

3 讨 论

地下渗灌管铺设方式，对土壤含水率空间分布存在差异。灌水器附近的土壤含水率变化较大，逐渐向四周扩散并减小[14]。地下灌溉埋深和压力是影响土壤水分空间分布的主要因素，有研究表明微润灌溉埋深、压力水头交互作用对湿润半径表现为H＞HD＞D[15]， 微孔渗灌埋深较浅时，土壤含水率分布主要集中在表层，主要是受到地表蒸发，水分通过土壤空隙向上扩散较快。适宜的渗管埋深有利于作物对水分和养分的吸收，促进作物根系生长[16]，本文研究表明渗管埋深15 cm有利于马铃薯产量和水分利用效率的提高，与任秋实[2,9]、王书吉[17]研究结果一致。有研究表明[9,10]，灌水量和施肥量的增加，对旱区作物的农艺性状有促进作用、对产量有提高作用；高灌水量下，马铃薯产量、干物质、茎粗等生理指标明显高于低水量，与本文得出结果一致。

在地下渗灌埋深适宜下，水肥耦合作用对作物的生长主要集中合理水施能促使作物根系效应，促进植物的根系生长发育，提高作物吸水能力，增强忍耐干旱能力，提高水肥利用效率。地下灌溉方式是将水分和养分输送到作物根系，促使水分和养分的吸收，达到高产高效，但这种灌溉方式在高水量下，会使根系密集区域水分集中，导致过量的水分和养分流失；过高的施氮量会导致作物对养分吸收过饱和，过量的养分留在土壤中。高水高肥可以提高作物产量，但水分利用效率和氮肥偏生产力都低[7,18,19]。

4 结 论

综合考虑马铃薯各项指标情况，选择地下渗灌管埋深为15 cm、灌溉定额为1 950 m3/hm2、施氮量为120 kg/hm3组合，马铃薯商品薯率最大为69.23%，马铃薯产量较高为28.45 t/hm2，水分利用效率最高为10.91 kg/m3，氮肥偏生产力最大为237.08 kg/kg，是宁夏干旱地区地下渗灌马铃薯生产中适宜的灌溉方式和水氮组合。