灌溉方式与垄作种植对旱地马铃薯水分利用效率及产量的影响

王慧杰,霍利光,李 盛,梁素明

(山西农业大学 农学院,山西 太原 030031)

马铃薯(SolanumtuberosumL.)发源于南美洲安第斯山脉,是世界上最重要的非谷类粮食作物,也是仅次于水稻、小麦、玉米的世界四大粮食作物之一[1]。我国已发展成世界第一大马铃薯生产国,作为“外来作物”的马铃薯在我国种植面积日益扩增,在我国扶贫攻坚和乡村振兴国家战略中发挥着不可替代的作用[2]。

我国幅员辽阔,却是世界上主要的干旱国家之一,干旱是世界上大多数马铃薯生产区域的重要限制因子之一。一些地区水资源缺乏、农艺节水与灌溉技术之间匹配不合理,导致马铃薯水分利用率低,从而造成马铃薯单产水平低并且不稳定,严重阻碍着马铃薯生产的发展[3-4]。为改善干旱缺水对马铃薯生长的不利影响,近年来,国内外专家学者就灌溉方式和耕作模式对马铃薯生产、产量及水分利用效应的影响进行了大量的研究[5-7],表明补充灌溉通过改变土壤水分情况,从而改变微生物数量和功能多样性[8];起垄覆膜可以显著改善土壤水分储存能力,使马铃薯根系发达,产量增加[8-9]。因此,实施旱作节水栽培和合理的灌溉管理,以满足马铃薯生长所需水分和养分、并获得较高的养分利用效率和产量显得极为重要[10]。提高旱作马铃薯产量的首要条件是尽可能满足马铃薯生长发育所需的水分,目前,国内外有关马铃薯水分利用的研究大多是在垄作覆膜条件下进行,微灌条件下不同垄作种植对马铃薯水分利用效率和产量的效应研究尚少。

本试验通过设置不同的垄面栽培和灌溉方式处理,研究不同灌溉方式下,凹型垄面集水种植方式对旱作马铃薯田水分利用效率及产量的影响,旨在为完善旱作马铃薯高产栽培技术及进一步提高马铃薯生产效能提供一定理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2019—2020年在山西省吕梁岚县大蛇头乡岚县福众薯业专业合作社基地进行(东经111°21′～111°50′,北纬38°05′～38°36′)。岚县地处吕梁山与芦芽山衔接处,三面青山环抱,该区气候冷凉,光照充足,雨热同期。该地区山地、丘陵占总面积的85%,平均海拔1 415 m,为温暖带季风型大陆性气候,年均气温6.9 ℃,年均降水量457 mm,年有效积温2 864 ℃,昼夜温差大,极端高温达39.3 ℃,极端低温达-33 ℃,无霜期120 d左右。试验地土壤类型为沙质土,肥力水平中等,试验地土壤理化性质见表1。

表1 试验地土壤基本理化性质

1.2 试验材料

供试马铃薯品种为并薯26号,由山西农业大学农学院提供,被山西省农业厅遴选为2020年山西省马铃薯主推品种之一。

1.3 试验设计

试验按灌溉和垄作种植方式进行设计,灌溉方式分水力驱动带状喷灌(G1,图1)和农用滴灌带滴灌(G2,图2)处理,根据《灌溉试验规范》[11],并结合当地作物实际生育进程,马铃薯灌溉期分为幼苗期、块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期4个灌溉阶段,每个生育期灌水定额为380 mm3/hm2。

1.马铃薯;2.喷头;3.喷头输送车。

1.马铃薯;2.滴灌带。

垄作种植方式分常规垄型种植(M1)、凹型垄面种植(M2)和露地平作种植(M3)。其中,M1.宽窄行起垄,垄高15 cm,垄底宽80 cm,垄沟宽40 cm,1垄种植2行马铃薯,行距20 cm,株距25 cm,肥料施于垄背正下方,肥料距该垄马铃薯植株约15 cm,在垄背打孔种植马铃薯;M2.播种时形成垄间间隔宽度50 cm,垄高5 cm,垄面宽60 cm,垄底宽70 cm,垄面做一微沟,成弧形,沟最深处深4 cm,将马铃薯播种于垄面沟底两侧,播种深度距地面5 cm,每垄播种2行,行距40 cm,株距20 cm(图3);M3(CK).平作不覆膜,常规对照种植,播种时等行距种植,行距50 cm,株距30 cm,现蕾前施肥培土成垄。每个小区面积为2.4 m×100.0 m,试验走道及小区间距50 cm,设置保护行,共设6个处理,3次重复,随机排列,种植密度为66 670 株/hm2。每年5月10日整地施肥,各处理均施金大地复合肥(山东金正大生态工程股份有限公司),总养分≥45.0%,N∶P2O5∶K2O为15∶18∶12,作为基肥随播种一次性施入,施入量为900 kg/hm2。5月20日播种,种薯全部为一级脱毒种薯,除起垄方式不同外,其他农艺措施(整地、施肥、品种、播种、田间管理等)均相同,并进行同等质量的田间操作,于10月3日统一收获[12]。

图3 凹型垄面栽培

1.4 测定指标及方法

1.4.1 生育期记载 试验期间观察记载出苗期、现蕾期、开花期、成熟期以及生育期[13]。

1.4.2 土壤样品采集 分别于播种前、出苗期、现蕾期、开花期、成熟期及收获后从2株马铃薯中间采集土样,分 0～20 cm,20～40 cm,40～60 cm,60～80 cm共4层,按试验要求分别保存土样,测定土壤含水量、土壤容重等指标。其中,土壤含水量采用烘干法计算[14],并将土壤含水量换算成土壤贮水量[15],即按(0～80 cm)土壤水层厚度毫米数进行计算;土壤容重采用环刀法计算[14]。

W=(W1-W2)/W2×100

①

ρ=G×100/(V×(100+W))

②

E=W×ρ×H×10

③

ETa=E1E2+P+U+I-R-F

④

WUE=Y/ETa

⑤

式中,W为土壤质量含水量(%),W1为土壤湿质量(g),W2为土壤干质量(g);ρ为土壤容重(g/cm3),G为环刀内湿样质量(g),V为环刀容积(cm3);E为0～80 cm土层土壤贮水量(mm),E1为播前0～80 cm土层土壤贮水量(mm),E2为收获后0～80 cm土层土壤贮水量(mm),H为土层厚度(cm);ETa为马铃薯全生育期实际耗水量(mm)[17-18],P为马铃薯生长期内降雨量(mm),I为马铃薯生育期内灌溉水量(mm),WUE为水分利用效率(kg/(hm2·mm))[19-20],Y为马铃薯鲜薯产量(kg/hm2)。由于本试验喷灌和滴灌条件下水分入渗是不饱和入渗,无地表径流产生,且该地地下水埋深大于2.5 m,故地表径流量R、地下水补给量U、深层渗透水量F的值均可视为0。

1.4.3 产量及产量构成 按收获的小区产量计算单位面积产量。每小区取20株考种,分析产量构成性状。根据文献[21-22]的分类方法,将单块质量100 g以上定为商品薯,100 g以下为小薯。3次重复的平均产量作为处理产量(大、中、小薯的评价标准为:质量在250 g以上为大薯,50～250 g为中薯,50 g以下为小薯)。

1.5 数据分析

试验采用 Excel 2010软件进行数据处理,采用SPSS 18.0处理软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 马铃薯生育期降雨量分析

2019—2020年马铃薯整个生育期(5—10月)内的总降雨量分别为362.4,372.4 mm,较多年平均降雨量401.4 mm分别减少了9.7%和7.2%,说明这2 a的降雨量低于多年平均值,属于旱年。其中,大部分降雨集中在7—8月(图4),2个月累计降雨量2019,2020年分别为216.1,287.1 mm,比累年7—8月的平均降雨量分别增加了7.7%和43.1%。7—8月为马铃薯块茎形成期和块茎增长期,此期为需水高峰期,水分供应充足才能确保薯块快速膨大发育,因此,这个时期降雨量增加可以保证马铃薯生长发育所需水分。2019年9月降雨量为85.9 mm,2020年9月份降雨量1.9 mm,此时期进入薯块淀粉和干物质积累期,水分过多容易造成马铃薯腐烂或减少贮藏时间。

图4 生育期降雨量

2.2 不同灌溉与垄作对马铃薯生长指标的影响

由表2可知,不同灌溉处理下3种栽培模式的马铃薯株高、茎粗、单株主茎数、叶面积指数及单株鲜生物量表现出较大差异,同一灌溉处理下,M1、M2处理较高,且与M3处理之间差异显著(株高、单株主茎数除外),可能是因为垄面栽培下马铃薯根区更易集聚水分,促进了马铃薯植株对水分和养分的吸收;尽管M1处理马铃薯地上部分生长较好,但是单株鲜生物量为1 094.8 g,却低于M2处理的1 117.5 g,减少了7.02%,可能是由于在同样的水量情况下,M2处理凹型垄面更易集聚雨水,根区水分状况更好,可以充分保证马铃薯的生长所需,使马铃薯地下块茎和地上营养器官长势较旺盛,致使单株鲜生物量最大。相同垄作处理下,不同灌溉处理马铃薯生育期表现也均不同。

表2 不同处理对马铃薯生育期的影响

2.3 不同灌溉与垄作对土壤含水量和水分利用效率的影响

由不同处理的土壤含水量结果可知(图5和表3),2种灌溉方式土壤含水量均随着土壤深度的增加呈逐渐上升趋势,各处理增幅因处理不同而不同,在土层深度为0～50 cm 时,M2处理的土壤含水量均显著高于M2处理,说明凹型垄面栽培可以显著提高土壤含水量;土层深度为0～20 cm 时,M2处理的土壤含水量与M1之间差异不显著,与M3处理之间差异显著;随着土壤深度的增加,M2处理的土壤含水量显著高于其他处理,这与不同生育期0～50 cm土层土壤含水量变化趋势一致,在播种期由于耕作措施和播种是同时进行,此时的土壤含水量基本一致,0～50 cm土壤含水量为26.14%～26.83%,显著不差异;现蕾期和开花期,土壤含水量变化趋势增大,3种处理之间达显著差异,M2处理最高,达56.81%,M3处理最低,为45.90%,比M2降低了10.91百分点;成熟期由于进入了淡雨季节,此时降雨量较少,马铃薯进入块茎膨大期和淀粉累计期,0～50 cm土层土壤含水量明显降低,但M2处理含水量仍为最高。说明,凹型垄面栽培的垄面弧形微沟更利于集聚雨水,从而提高土壤各土层的含水率。

图5 不同处理不同土层土壤含水量

表3 不同灌溉与垄作处理下0～50 cm土壤含水量的变化

从表4 可以看出,2种灌溉方式不同垄作处理马铃薯水分利用效率差异较大,2019,2020年生育期平均降雨量为162.8 mm,G1M2和G2M2处理组合的水分利用效率分别为29.07,27.84 kg/(hm2·mm),比G1M1和G2M1处理组合的水分利用效率分别增加了8.09%和9.09%,比G1M3和G2M3处理组合分别增加了23.28%和22.05%,G1M2和G2M2处理水分利用效率显著高于G1M1、G2M1、G1M3和G2M34种处理。在G1处理下,M1和M2处理水分利用效率、分别比M3增加了14.08%和23.28%;在G2处理下,M1和M2处理水分利用效率分别比M3增加了11.88%和22.05%。说明不同灌溉方式下,凹型垄面栽培处理均能显著提高马铃薯水分利用效率,更利于马铃薯产量的提高,这与表3的结果分析一致。

表4 不同灌溉与垄作处理对土壤水分利用效率的影响

2.4 不同灌溉与垄作对马铃薯产量及其性状的影响

由表5可知,不同灌溉方式与垄作种植对马铃薯产量及其构成要素表现均不同,相同灌溉条件下,M1和M2处理垄作种植马铃薯薯块产量显著高于M3处理;在G1处理下,M1和M2处理垄作种植薯块产量分别高于M3处理的13.58%,21.92%,商品薯率为M2处理最高,达87.21%;在G2处理下,M1和M2处理垄作种植薯块产量高于M3处理的11.50%,20.45%,商品薯率为M2处理最高,达85.42%。说明不同灌溉方式下,与对照M3处理相比,垄作栽培能显著增加马铃薯产量及商品薯率,但M2垄面栽培又高于M1常规栽培处理,这是因为凹型垄面能更好地吸收保持水分,保证马铃薯发育及膨大期的充分用水量,从而增加马铃薯产量和商品薯率。

表5 不同灌溉与垄作下马铃薯产量及其构成要素比较

3 结论与讨论

旱地马铃薯田进行土壤耕作和起垄处理的目的是建立马铃薯适宜生长的土壤环境条件,增强土壤蓄水保墒能力,充分利用灌溉水和降雨促进马铃薯增产[23-24]。本研究中,不同灌溉处理下,M1和M2垄作处理较M3平作处理,马铃薯产量和水分利用效率均有显著提高。这可能是由于灌溉水或者降雨通过垄面顶部汇集到垄面沟底,垄沟内的集聚水能更好地流入马铃薯薯块底部,保证马铃薯薯块生长期充足的水分及充足的生长空间,从而为马铃薯生长发育创造了一个相对稳定的农田生态环境,综合协调了影响马铃薯产量的各主要因子,使马铃薯具有良好的生长环境,从而提高了产量。孙梦媛等[24]研究表明,全膜垄作种植可改善土壤质量、提高作物产量和降雨利用率;要凯等[25]研究表明,沟垄覆膜栽培可显著提高马铃薯块茎的产量,其中全膜垄播增产幅度最高可达75%;张子义等[26]研究表明,微垄覆膜沟播处理条件下,马铃薯块茎产量、块茎淀粉含量显著高于对照;薛俊武等[14]研究表明,在黄土高原旱地采用覆膜垄作方式种植马铃薯可显著增加其产量和提高水分利用效率,而全覆单垄种植方式的经济效益更高。本研究中,垄作栽培模式下水分利用效率与马铃薯产量呈线性正相关,水分利用效率越高产量越高,这与前人[11,27]研究结果相似。

综上所述,在旱地马铃薯生产中,灌溉方式与垄作种植对旱地马铃薯田耗水特性、水分利用效率及产量均具有明显的调控作用。在G1处理下,M1和M2处理水分利用效率、产量分别比M3增加了14.08%,13.58和23.28%,21.92%;在G2处理下,M1和M2处理水分利用效率、产量分别比M3增加了11.88%,11.50%和22.05%,20.45%,且以凹型垄作+水力驱动带状喷灌处理组合产量最高。而在相同垄作处理下,水力驱动带状喷灌的水分利用效率和产量最高。综合考虑灌溉方式和垄作种植对旱地马铃薯水分利用效率和产量的调控效应,凹型垄作+水力驱动带状喷灌处理组合可作为适宜山西旱地马铃薯产量和水分利用效率同步提高的灌溉与耕作处理组合的高效栽培技术模式进行推广应用。