不同灌水量對馬鈴薯生長、耗水及產量品質的影響

耿浩杰，尹 娟,2,3，吳 嬌，劉宇朝

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程中心，銀川 750021；3.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，銀川 750021)

我國是馬鈴薯生產大國，據統計資料可知，2014年我國馬鈴薯種植面積高達約564.7 萬hm2，約占全世界馬鈴薯種植面積的29.6%，居于世界第一位[1]。與其他作物相比，馬鈴薯對水分非常敏感，在馬鈴薯生長過程中，必須有足夠的水分才能獲得較高的產量[2]。因此，研究馬鈴薯的耗水規律顯得極為重要。馬鈴薯耗水試驗研究大多集中在西北干旱的甘肅、內蒙古地區，但在寧夏，馬鈴薯耗水試驗研究并不多見。寧夏中部干旱區，多年平均降雨量不足300 mm，年平均蒸發量為2 000 mm以上，水分虧缺嚴重，加之當地水資源匱乏，干旱已成為該地區農業生產發展的重要限制因素[3]。本文通過田間試驗，研究了不同灌水量對馬鈴薯生長指標、耗水模系數、日耗水強度和水分利用效率的影響規律，旨在確定寧夏中部地區最優的馬鈴薯灌溉制度和合理的灌水技術，為制定適合于西北干旱區馬鈴薯灌溉制度提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗研究于2017年4-10月在寧夏中部干旱帶的典型區域同心縣開展。試驗田設在同心縣下馬關鎮五里墩村，地處寧夏中部干旱區的典型區域，海拔1 730 m，年平均降雨量不足300 mm，多集中在7-9月，屬大陸性干旱氣候，晝夜溫差大，日照時間長。試驗地土壤各項理化性質指標見表1。

表1 土壤理化性質

1.2 試驗設計

試驗對象為“克新1號”，種植模式為膜下滴灌，采用黑色薄膜覆蓋，覆膜寬和膜間露地分別為1.2 m和0.6 m。試驗采用隨機區組試驗設計。馬鈴薯灌溉定額設為3個處理：T1:25 L/株，總灌水量900 m3/hm2；T2:35 L/株，總灌水量1 260 m3/hm2；T3:45 L/株，總灌水量1 620 m3/hm2。每個處理還有3個重復，共9個試驗小區。每次灌水分為3次，幼苗期灌灌溉定額25%的水量，塊莖形成期灌灌溉定額25%的水量，塊莖增長期灌灌溉定額50%的水量。每個小區長5 m，寬3 m，種植40顆馬鈴薯植株，株行距為0.5 m×0.55 m，馬鈴薯植株位于滴頭處。選用以過磷酸鈣(P2O575 kg/hm2)、硫酸鉀(K2SO4165 kg/hm2)為基肥，尿素(純氮 225 kg/hm2)多次施加的方式施肥，分別在幼苗期施30%的尿素，塊莖形成期施30%的尿素，塊莖增長期施40%的尿素。

1.3 測定項目及方法

馬鈴薯生長指標:測定馬鈴薯不同生育期的株高、冠幅、莖粗。

作物耗水量根據農田水量平衡法計算，水量平衡法計算公式為：

ETc=I+P-ΔS-R-D

(1)

式中：ETc為實際作物騰發量，mm；I為灌水量，mm；P為降水量，mm；R為地表徑流量，mm；D為深層滲漏量，mm；ΔS為土體貯水量變化量，mm。

土壤含水率：使用TDR儀器測定土壤含水率。

降雨量的測定：生育期間降雨量采用雨量器法測定。

產量的測定：測定產量時，以小區為單位分別測定9個小區的馬鈴薯鮮質量。

水分利用效率計算公式為：

水分利用效率=產量/騰發量

(2)

式中：產量單位為kg/hm2，騰發量單位為mm。在本試驗中土壤儲水量及耗水量均以1 m土層含水量計算。

采用Excel2010和DPS軟件處理和分析數據。

2 結果與分析

2.1 不同灌水處理后馬鈴薯根區土層含水率變化規律

從圖1中可以看出，全生育期各處理馬鈴薯根系分布區(20～80 cm)土壤土層含水率變化規律基本相似，都呈現著平穩上升的趨勢。從20～40 cm土層來看，T1處理含水率為13.04%～18.98%，T2處理含水率為15.63%～20.81%，T3處理含水率為13.95%～19.25%，T2處理含水率較其他處理更大；從40～60 cm土層來看，T1處理含水率為11.34%～18.33%，T2處理含水率為14.19%～18.16%，T3處理含水率為12.70%～19.19%之間，三個處理含水率沒有明顯的差別；從60～80 cm土層來看，T1處理含水率為13.07%～18.74%，T2處理含水率為14.54%～18.87%，T3處理含水率為13.82%～20.30%，T3處理含水率較其他處理更大。馬鈴薯對土壤水分要求較高，因此要求全生育期馬鈴薯根區(20～80 cm)土壤水分充足，為馬鈴薯生長提供合適的濕度和溫度環境。根據秦軍紅等人的研究表明，馬鈴薯的主要耗水層在0～40 cm土層，且土壤體積含水率保持在20%左右可保證馬鈴薯較好生長，獲得較高產量；而土壤含水率低于15%時，馬鈴薯植株生長和產量均受到影響[4]。因此，本次試驗中，T2處理的馬鈴薯根區含水率最優。

圖1 全生育期20～40、40～60、60～80 cm土壤含水量變化圖

2.2 不同灌水量對馬鈴薯生長指標的影響

2.2.1 不同灌水處理后馬鈴薯的生長指標變化規律

從圖2可以看出不同灌溉處理下馬鈴薯株高、莖粗和冠幅都在塊莖增長期達到了最大值，并在淀粉積累期趨于平穩甚至出現了下降的現象。在株高方面，T2處理>T3處理>T1處理，T2處理在塊莖增長期達到最大值，為40.3 cm，比T1處理大12.7%，比T3處理大8.2%；在莖粗方面，T2處理>T1處理>T3處理，T2處理在塊莖增長期達到最大值，為14.4 mm，比T1處理大9.7%，比T3處理高10.4%；在冠幅方面，T2處理>T1處理>T3處理，T2處理在塊莖形成期達到最大值，為48.7 cm，比T1處理大13.3%，比T3處理高18.0%。三個生長指標都表現為T2處理為最優處理，馬鈴薯長勢最好。

圖2 不同灌溉處理條件下馬鈴薯株高、莖粗、冠幅動態變化圖

2.2.2 馬鈴薯根區含水率和馬鈴薯生長指標的相關分析

馬鈴薯根系主要分布在20～40 cm土層，部分根系可深入至60～80 cm土層。從圖1和圖2中可以看出T2處理在20～40 cm土層含水率較其他處理高，并且在株高、莖粗和冠幅這3個生長指標方面來看，它也是最優處理，所以T2灌溉處理下，馬鈴薯根區含水率有利于馬鈴薯植株的生長。T1處理因為灌溉定額過小的原因，下滲到20～40 cm土層的水分較少；T3處理雖然在灌溉定額上大于T2處理的灌溉定額，但是T3處理的水分因為重力的作用會繼續向40～80 cm土層下滲，造成深層滲漏和水資源浪費，甚至一些移動性較強的養分也會隨水分流失或者下滲到深層土壤，從而使馬鈴薯的主要根系土層內沒有足夠的水分和養分。如果在馬鈴薯的敏感期(塊莖增長期)提供不了適宜的水分，則會影響馬鈴薯的產量和品質。因此，過小或過大的灌溉定額都不利于馬鈴薯的生長。

2.3 不同灌水量對馬鈴薯耗水規律的影響

2.3.1 不同灌水處理下馬鈴薯的耗水模系數

耗水模系數k是指作物在某一生育階段耗水量占整個生育期總耗水量的比例。日耗水強度和生育階段長短是影響k的大小的2個主要因素。

從表2可知，馬鈴薯全生育階段耗水模系數呈現塊莖增長期>塊莖形成期>幼苗期>淀粉積累期的現象。幼苗期時，氣溫低，植物蒸騰作用較小，所以耗水量低；塊莖形成期時，主要是植物根系生長和枝葉生長，耗水量少；塊莖增長期，是馬鈴薯塊莖的主要生長階段，耗水量比較大，平均要占總耗水量的35%左右；淀粉積累期，馬鈴薯塊莖膨大結束，需水量較塊莖增長期少。各階段耗水量呈現出先增大再減小的趨勢。相同生育階段，呈現出的規律總體上是灌溉用水越大，耗水越大。T1處理馬鈴薯總耗水量最小，為207.7 mm，在塊莖增長期耗水模系數達到了41.8%，但到了淀粉積累期耗水模系數明顯降低，這是因為灌溉定額較小，淀粉積累期出現了水分虧欠的原因；T3灌溉定額大，馬鈴薯根區土壤水分能夠滿足馬鈴薯淀粉積累期的蓄水要求，所以T3處理的淀粉積累期的耗水量下降較少。從顯著性分析方面來看，T1處理的耗水量在各處理耗水量中極顯著，且明顯小于T2處理，說明灌水越少，對馬鈴薯的耗水量影響越大。

表2 馬鈴薯在不同灌水條件下各生育階段的耗水量和耗水模系數表

注：表中同行上標大寫字母不同表示差異極顯著(P<0.01)，小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

2.3.2 不同灌水量對馬鈴薯的日耗水強度的影響

從圖3可以看出，馬鈴薯日耗水強度總體上保持一個先增大后減小的趨勢[5]。幼苗期時，溫度低，馬鈴薯植株矮小且只有少量葉片，田間耗水主要以株間蒸發為主。塊莖形成期時，隨著溫度升高和植株的生長，日耗水強度也因為葉片的增加而升高，這時田間耗水轉變為以葉片蒸騰為主。塊莖增長期時，馬鈴薯塊莖快速膨大，株間蒸發和葉面蒸騰均達到最大值，日平均耗水強度達到3.4 mm/d，此期為馬鈴薯的關鍵耗水期。進入淀粉積累期，葉片也逐漸凋零，日耗水強度也逐漸下降。受土壤水分的影響，自塊莖形成期起，各測定時期處理間的耗水強度均存在較大差異。土壤水分最大的T3處理在塊莖形成期、塊莖增大期、淀粉積累期日耗水強度最高，分別為:2.84、3.45、1.78 mm/d，土壤水分最小的T1處理在各測定時期日耗水強度均最小，分別比最高的T3處理低43.5%、3.33%、44.6%。

圖3 不同灌溉處理馬鈴薯日耗水強度變化過程圖

2.3.3 不同灌水量對馬鈴薯的水分利用效率的影響

水分利用效率反映了作物耗水與干物質生產之間的關系，它是衡量節水與否的重要指標，馬鈴薯在全生育期水分利用效率可用式(2)計算。

表3 覆膜馬鈴薯生育期的耗水量、產量及水分利用效率表

注：表中同行上標大寫字母不同表示差異極顯著(P<0.01)，小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

從表3可以看出處理2的水分利用效率最高，產量最高，處理1的水分利用效率和產量次之，處理3的水分利用效率最差，產量最少。說明灌水量越大，水分利用效率不一定越大，產量不一定會增加。T2處理灌溉定額適中，水分利用效率最高，是最優處理。從顯著性分析結果來看，T3處理的水分利用效率在各處理水分利用效率中極顯著，且明顯小于T2處理，說明灌水越多，對馬鈴薯的水分利用效率影響越大。

2.4 不同灌水量對馬鈴薯產量的影響

由表4方差分析可知，T2處理的產量在各處理的產量中極顯著(P<0.01)。對試驗點不同灌水處理下的馬鈴薯進行測產，依據測產結果繪制產量分布圖(圖4)。從圖4可以看出，不同灌水處理下馬鈴薯產量不同，其中T1灌溉定額最小且產量為16.27 t/hm2，T2產量最高，為25.88 t/hm2，處理3產量最低，僅為11.71 t/hm2，且處理3的灌溉定額最大。說明灌溉定額在一定范圍內可以促進馬鈴薯產量的增加，但是當灌溉定額超過1 260 m3/hm2時，產量與灌溉定額呈負相關關系。

表4 馬鈴薯產量方差分析表

圖4 各灌水處理下馬鈴薯產量變化圖

2.5 不同灌水量對馬鈴薯品質的影響

除了馬鈴薯的產量、耗水和水分利用效率以外，馬鈴薯品質也是評價馬鈴薯灌水處理的一個重要指標。馬鈴薯品質指標主要包括還原糖、淀粉和干物質三種指標。

表5為馬鈴薯品質含量表，圖5為馬鈴薯品質指標圖。從還原糖含量上看，T1>T2>T3，且T1處理的還原糖含量極顯著地高于其他處理的還原糖含量，說明灌溉定額越小越有利于還原糖的積累；從淀粉含量上看，T2>T1>T3，且T3處理的淀粉含量極顯著地低于其他處理的淀粉含量，說明灌溉定額越大，并不一定有利于淀粉的積累，反而會對淀粉的積累起負效應；從干物質上看，T2>T1>T3，說明灌溉定額越大，也不利于干物質的積累。因此綜合來看，適宜的灌溉定額有利于馬鈴薯良好品質的形成，過大或過小的灌溉定額都會對馬鈴薯的品質造成負效應。在本次試驗中，T2處理灌溉定額適中，有利于馬鈴薯良好品質的形成，是最優處理。

表5 馬鈴薯品質含量表

注：表中同行上標大寫字母不同表示差異極顯著(P<0.01)，小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

圖5 馬鈴薯品質指標圖

3 結 論

(1)合理的馬鈴薯根區土壤含水率有利于馬鈴薯生長指標的生長，同時也能為馬鈴薯根系提供一個適合的濕度和溫度環境。本次試驗在T2處理下，即馬鈴薯根區土壤含水率為15.63%～20.81%時，馬鈴薯的生長指標最佳，所以T2處理是本次試驗的最優處理。

(2)馬鈴薯在全生育期需水較多，但不同生育階段耗水也不同。在寧夏中部地區，馬鈴薯幼苗期耗水量約占全生育期耗水量的20%左右；塊莖形成期耗水量約占全生育期耗水量的25%左右；塊莖增長期耗水量約占全生育期耗水量的35%左右；淀粉積累期耗水量約占全生育期耗水量的20%左右。從日耗水強度上看，馬鈴薯的耗水規律總體上是前期耗水強度小，中期逐漸變大，后期又減少的趨勢，這與劉戰東等人的研究結果一致[5]。

(3)合理的灌溉定額有利于提高馬鈴薯的水分利用效率、產量和品質。本次試驗在T2處理下，馬鈴薯的水分利用效率最高，產量最高，品質最好，所以T2處理是本次試驗的最優處理，即灌溉定額設為1 260 m3/hm2(35 L/株)，補水時期設為幼苗期、塊莖形成期和塊莖增長期，補水量分別占灌溉定額的25%、25%和50%。

4 討 論

根據李文證等人的研究表明，最優的寧夏中部地區馬鈴薯灌溉定額是1 036.27 m3/hm2(35 L/株)，補水時期為幼苗期、塊莖形成期和塊莖增長期，補水量分別占灌溉定額的25%、25%和50%[6]。但他們得出的結論是通過4因素10水平的均勻試驗設計，而建立的馬鈴薯干物質生產量與灌溉定額的回歸模型得出的，試驗結果與實際有所差距，試驗結果有待于進一步驗證。因此本次試驗在李文證等人的研究基礎上適當的增加種植密度，設置了T1:25 L/株，總灌水量900 m3/hm2；T2:35 L/株，總灌水量1 260 m3/hm2；T3:45 L/株，總灌水量1 620 m3/hm2三個灌水梯度，探究寧夏中部地區最佳的馬鈴薯灌溉定額。根據前面章節可知，當灌溉定額設為35 L/株，總灌水量1 260 m3/hm2時，產量最大，馬鈴薯植株長勢最好，這與李文證等人的研究成果一致。而黃彩霞等人則認為，只有馬鈴薯全生育期灌溉定額設為1 350～1 950 m3/hm2，馬鈴薯產量才能達到58 392～68 008 kg/hm2的水平[7]。同時，夏騰霄等人在內蒙古河套地區通過膜下滴灌馬鈴薯大田試驗探究得出，馬鈴薯全生育期灌溉定額設為1 650 m3/hm2時產量最高[8]。雖然黃彩霞和夏騰霄等人得出的最優灌溉定額和本次試驗有所差距，但是在單株灌水量上，黃彩霞等人得出的最優單株灌水量范圍為31～44 L/株，夏騰霄等人得出的最優單株灌水量為35 L/株，這與本次試驗結果相符，說明西北干旱地區馬鈴薯適宜單株灌水量為35 L/株左右。

根據寧夏中部干旱區的自然條件和氣候條件，綜合考慮以馬鈴薯優質、高產和節水為目標，選擇T2處理為最優灌水制度，即灌溉定額為1 260 m3/hm2(35 L/株)，補水時期設為幼苗期、塊莖形成期和塊莖增長期，補水量分別占灌溉定額的25%、25%和50%。試驗表明，這種灌水制度適合在寧夏中部地區推廣和使用。合理的灌溉制度有利于馬鈴薯的節水增產，而合理的施肥制度也有利于馬鈴薯的節水增產，而本次試驗對施肥制度研究不夠。對于如何確定合理的施肥制度有待于進一步試驗研究。