不同溝灌方式對馬鈴薯生長發(fā)育及品質(zhì)的影響

王騰飛，張 芮，張梅花，張永勝，藺寶軍，楊昌鈺，王春宏

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學水利水電工程學院，蘭州 730070；2.甘肅定西市水利科學研究所，甘肅 定西 743000)

農(nóng)業(yè)灌溉水是我國西北地區(qū)的主要用水,占西北總用水量的80%[1,2]，且北方灌區(qū)應用最為廣泛的田間灌溉方法仍為畦灌和溝灌[3]，但由于農(nóng)民節(jié)水意識薄弱，灌溉技術(shù)不成熟等造成灌溉水浪費嚴重。據(jù)此，康紹忠[4,5]等將節(jié)水灌溉技術(shù)原理與作物感知缺水的根源信號理論相結(jié)合提出的控制性交替灌溉技術(shù)。這種新型節(jié)水技術(shù)可以減少土壤水分的深層滲漏、作物棵間蒸發(fā)量及作物蒸騰耗水量，提高作物產(chǎn)量及灌水利用效率[6-9]。

交替隔溝灌溉技術(shù)在國內(nèi)研究頗多。其中，王雪梅[10]以番茄為研究對象，發(fā)現(xiàn)在同一灌水及同一施氮量的水平下，交替隔溝灌溉技術(shù)較固定隔溝灌溉更有利于提高番茄的可溶性糖含量，降低硝酸鹽的質(zhì)量分數(shù)，提高果實品質(zhì)；徐存東[11]運用 HYDRUS-3D模型對交替隔溝灌、常規(guī)溝灌及固定隔溝灌3種溝灌方式下土壤水鹽運移進行模擬，發(fā)現(xiàn)土壤0～20 cm層常規(guī)溝灌積鹽率為22%，固定隔溝灌為26%，交替隔溝灌為10%，交替隔溝灌對于控制鹽分的積累效果最好；馮靜霞[12]以甜椒為研究對象，分析了不同溝灌情況下甜椒的形態(tài)變化、水分利用效率、產(chǎn)量及構(gòu)成要素。但該技術(shù)對于定西馬鈴薯的生長及品質(zhì)影響研究結(jié)果甚少，且定西市是全國優(yōu)質(zhì)的馬鈴薯產(chǎn)區(qū)之一[13]，但該地區(qū)降雨量較少，水資源匱乏成為限制馬鈴薯生長發(fā)育的主要因素。引洮一期工程投入運行，為該地區(qū)部分經(jīng)濟作物補充灌溉奠定了重要基礎(chǔ)。但目前該區(qū)域馬鈴薯的補充灌溉還處于探索階段，對馬鈴薯交替隔溝灌溉技術(shù)研究較少。據(jù)此，開展不同溝灌方式對馬鈴薯生長和品質(zhì)的響應進行研究，以期為定西馬鈴薯優(yōu)質(zhì)優(yōu)產(chǎn)及水資源節(jié)約利用提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

田間試驗于2018年5-9月在甘肅省定西市灌溉試驗站西川試驗基地(37°52′N，102°50′E海拔1 958 m)進行。該試驗基地處于黃土高原西部丘陵區(qū)，屬半干旱區(qū)，光能較多，年日照時間為2 500 h，年均氣溫6.3 ℃，極端最高和最低氣溫分別為34.3 ℃(7月)和-27.1 ℃(1月)。該區(qū)域為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，多年年均降雨量400 mm，潛在蒸散發(fā)量1 500 mm。空氣相對濕度65.8%，太陽輻射592 kJ/(cm2·a),無霜期141 d。試驗地土壤平均孔隙率為55%，體積比田間持水量為24%,土壤容重平均值為1.5 g/cm3。試驗田地勢平坦，地力均勻一致。土壤基本理化性質(zhì)和生育期氣溫及降雨量如表1和圖1所示。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 The basic physical and chemical properties of soil

圖1 試驗地各月份氣溫及降雨量Fig.1 Temperature and rainfall in each month at the test site

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)3種灌水方式：常規(guī)溝灌(CFI)為對照，即CFI處理的灌水溝都進行灌水；交替隔溝灌溉(AFI)，AFI處理下的相鄰灌水溝交替灌水，同一灌水溝在前后兩次灌水中循環(huán)濕潤和干燥；固定隔溝灌溉(FFI)，在馬鈴薯生長周期內(nèi)，始終只給FFI處理相鄰兩條灌水溝的一條溝進行灌水。3種灌水模式隨機區(qū)組排列，重復3次，小區(qū)面積為10 m×12 m，種植密度為6.75 萬株/hm2左右。根據(jù)《灌溉試驗規(guī)范》，并結(jié)合當?shù)刈魑飳嶋H生育進程，馬鈴薯生育期劃分為：幼苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉積累期4個生育階段(表2)；每個小區(qū)安裝閥門和水表控制灌水，灌水定額為375 m3/hm2。灌水量和灌水時間由土壤含水率確定，用水表量取，灌水后各處理土壤含水率達到田間持水率100%，計劃濕潤層為1 m。3種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，當其下降到水分控制下限時即進行灌水。

表2 不同處理土壤水分控制方案 %

1.3 試驗材料與田間管理

播種前(2018年5月8日)進行耕地、劃分小區(qū)。根據(jù)當?shù)厥┓式?jīng)驗，播前施基肥為史丹利復合肥830 kg/hm2(N-P2O5-K205為18∶12∶10，總養(yǎng)分≥40%)，將肥料撒于土壤表面，并翻入土壤，施肥深度25 cm。采用人工起壟，溝斷面為梯形，上口寬為40 cm，溝深20 cm，灌水溝的長度為10 m，溝底坡度為0.4%，壟寬60 cm。每壟種植兩行馬鈴薯，壟栽行距為40 cm，株距30 cm。采用厚0.008 mm，寬90 cm的普通黑色農(nóng)膜。2018年5月15日點播，以馬鈴薯大西洋脫毒原種為供試作物，播種方式為人工覆膜穴播，其種植深度為15 cm。為確保試驗準確，在試驗地四周各設(shè)置1 m保護行，灌水溝兩頭筑田埂防止灌水流出。試驗田采用人工除草，禁止踩踏壟和壟上覆蓋材料，除草時間為2018年6月15日、7月12日、8月10日。

1.4 樣品采集與測定

(1)土壤含水率測定。每隔10 d測定一次，雨前雨后及每個生育期轉(zhuǎn)折點加測。含水率測定時，沿溝長方向在灌水濕潤溝、壟上及未灌干溝布設(shè)3條測線，在每條測線的上、中、下游各選1個代表點，分別取土層0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm的土樣，采用烘干法測定每個土層的含水率且取6個土層含水率的平均值作為該測點的含水率。

(2)葉面積測定。單株馬鈴薯葉面積測定時，在每個小區(qū)中隨機選取連續(xù)5個植株,將整株馬鈴薯的葉片全部摘下，將葉片表面擦拭干凈，用打孔器打出已知面積的葉片，共記100次，稱其已知葉片面積的重量(g)，可以計算出單位面積的葉片重量n(g/cm2)，再稱其整株馬鈴薯的葉片重N(包括打孔器所打出已知面積的葉片及打孔時造成的碎葉片的重量)，即葉片面積(cm2)=N/n,5株的平均值為單株馬鈴薯的葉面積。

(3)株高和莖粗的測定。在每個重復中隨機選定5株長勢均勻的馬鈴薯，并為其編號為1-5。在馬鈴薯生長的4個生育期內(nèi)，分別用卷尺測量編號1-5馬鈴薯的株高值，用游標卡尺(精度為0.01)測量其莖粗值。

(4)產(chǎn)量測定。馬鈴薯成熟時，各處理單獨收獲。在每個重復中隨機選取5株馬鈴薯，統(tǒng)計其3個重復的單株結(jié)薯個數(shù)、單株薯重、大薯(塊莖重量大于150 g)、中薯(塊莖重量介于50～150 g之間)、小薯(塊莖重量小于50 g)及商品薯(大薯+中薯)的個數(shù)和重量，各處理的實際產(chǎn)量取3個重復小區(qū)的平均值。

(5)品質(zhì)測定。品質(zhì)所測指標有水分、蛋白質(zhì)、粗淀粉、維生素C、還原糖。采用方法分別為直接干燥法[14]、凱氏定氮法[15]、旋光法[16]、熒光法[17]、直接滴定法[18]。其中凱氏定氮法所用儀器為海能K9840半自動定氮儀，旋光法采用SGW-1自動旋光儀，熒光法采用島津RF-540熒光分光光度計。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 24.0統(tǒng)計分析軟件分析實驗數(shù)據(jù)；Duncan’s 新復極差法分析顯著性；采用 Microsoft Excel 2010 進行數(shù)據(jù)處理；采用隸屬函數(shù)法分別計算3種灌水模式下馬鈴薯各項指標的隸屬值，并將各指標的隸屬值進行累加，求取平均值，綜合評價各處理的表現(xiàn)[19]。計算公式如下：

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

(1)

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

(2)

式中：S(ij)指i處理j指標的原始數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)化后的隸屬函數(shù)值；Xij指i處理j指標的原始測定值；Xmin、Xmax為所有處理中j指標的最小值和最大值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溝灌方式對馬鈴薯生長的影響

2.1.1 不同溝灌方式對馬鈴薯株高、莖粗和葉面積增長速率的影響

不同溝灌方式對馬鈴薯株高、莖粗和葉面積增長速率的影響如表3所示，在馬鈴薯生長前期莖粗、株高及葉面積的增長速率較快，各處理差異不大，不存在顯著性(p<0.05)差異；馬鈴薯在出苗35 d后，AFI處理的植株增長速率與其他兩個處理間具有顯著性(p<0.05)差異：AFI處理下的莖粗、株高和葉面積的增長速率分別為0.18 mm/d、0.77 cm/d、247.67 cm2/d，較CFI分別增加了20%、20.3%、5.01%，較FFI分別增加了38.5%、453%、10.6%；在出苗50 d時，3種灌水處理下的莖粗、株高和葉面積的增長速率都明顯減小，且AFI處理下的3個生長指標的增長速率仍顯著(p<0.05)高于其他兩個處理，為 0.16 mm/d、0.23 cm/d、102.20 cm2/d ；出苗70 d時，3種灌水處理的馬鈴薯生長指標的增長速率差異(p<0.05)顯著，其規(guī)律表現(xiàn)為：AFI>CFI>FFI。

表3 不同溝灌方式對馬鈴薯株高、莖粗和葉面積增長速率的影響Tab.3 Effects of different ditch irrigation methods on the growth rate of potato strains, stem roughness and leaf area

注：上標不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)，下同。

2.1.2 不同溝灌方式對馬鈴薯經(jīng)濟性狀的比較

不同溝灌方式對馬鈴薯經(jīng)濟性狀的比較如表4所示，3種處理下馬鈴薯的單株薯重差異性(p<0.05)顯著，表現(xiàn)為：AFI>CFI>FFI。其中，AFI處理下的馬鈴薯單株重為790.33 g，相比CFI和FFI分別增長了10.44%、40.25%；CFI處理下的單株結(jié)薯個數(shù)稍高于其他兩種處理，但各處理之間并不存在顯著性差異(p<0.05)；AFI處理下單株大薯結(jié)薯個數(shù)、單株大薯均產(chǎn)、單株中薯結(jié)薯個數(shù)及單株中薯均產(chǎn)顯著(p<0.05)高于FFI和CFI。CFI處理下的單株薯重、單株中薯重及單株商品率顯著(p<0.05)高于FFI；不同灌水方式下的單株商品薯(大薯和中薯)的個數(shù)、單株商品薯率也存在顯著性(p<0.05)差異：其中，AFI處理下的單株商品率為85.03%，比CFI處理高了29.9%，CFI比FFI處理高了36.87%。說明不同溝灌方式直接影響馬鈴薯的經(jīng)濟性狀。

表4 不同溝灌方式對馬鈴薯經(jīng)濟性狀的比較Tab.4 Comparison of economic traits of potato by different ditch irrigation methods

2.1.3 不同溝灌方式對馬鈴薯鮮薯及商品薯產(chǎn)量的影響

AFI、CFI及FFI處理下馬鈴薯鮮薯折算公頃產(chǎn)量為21 221、19 216、15 132 kg/hm2，AFI較CFI處理增產(chǎn)2 005 kg/hm2，增幅為10.43%，CFI比FFI增產(chǎn)4 084 kg/hm2，增幅達26.99%(表5)。研究還發(fā)現(xiàn)，不同灌溉方式對其商品薯產(chǎn)量的貢獻為：AFI>CFI>FFI，AFI的商品薯率為85.11%，顯著高于CFI和FFI處理。

表5 不同灌溉方式對馬鈴薯鮮薯及商品薯產(chǎn)量的影響Tab.5 Effects of different irrigation methods on potato fresh potato and commercial potato yield

2.2 不同溝灌方式對馬鈴薯品質(zhì)的影響

不同溝灌方式對馬鈴薯品質(zhì)的影響如表6所示，CFI處理下的馬鈴薯水分顯著(p<0.05)高于AFI和FFI；AFI處理馬鈴薯粗淀粉含量為14.44%，比CFI增加了1.61%，具有顯著性(p<0.05)差異，較FFI相比，不存在顯著性(p<0.05)差異；AFI蛋白質(zhì)含量為2.64 g/100 g，較CFI和FFI分別增加了0.49、0.35 g/100 g，顯著(p<0.05)高于其他兩種處理；維生素C，還原糖在不同處理下含量仍然存在顯著(p<0.05)性差異：其中AFI處理要明顯高于FFI處理，與CFI處理比較，維生素C及還原糖含量均無顯著(p<0.05)性差異。

表6 不同溝灌方式對馬鈴薯品質(zhì)的影響Tab.6 Effects of different ditch irrigation methods on potato quality

2.3 不同溝灌方式下馬鈴薯產(chǎn)量及品質(zhì)的綜合評價

本研究采用隸屬函數(shù)法對 3種灌水方式下馬鈴薯的10個產(chǎn)量與品質(zhì)相關(guān)指標進行了綜合評價。結(jié)果顯示，不同溝灌方式下馬鈴薯產(chǎn)量及品質(zhì)優(yōu)劣順序為：AFI >CFI>FFI。說明交替隔溝灌溉模式更有利于馬鈴薯產(chǎn)量的提高和品質(zhì)的改善(見表7)。

表7 不同溝灌方式馬鈴薯平均隸屬函數(shù)值結(jié)果Tab.7 Results of potato average membership function values in different ditch irrigation modes

注：X1～X10依次表示為鮮薯產(chǎn)量、商品薯產(chǎn)量、水分、蛋白質(zhì)、粗淀粉、維生素C、還原糖、莖粗、株高、葉面積 。

3 討 論

馬鈴薯生長前期，植株增長速率較快，但未見顯著水平，在馬鈴薯生長中后期，交替隔溝灌下其株高、莖粗和葉面積的增長速率都顯著高于常規(guī)灌溉和固定隔溝灌溉，這可能源于交替隔溝灌溉處理使馬鈴薯根部在整個生長期存在干濕交替的過程，進而增強了根部的抗旱強度[20]，提高了根部的吸收能力。說明了交替隔溝灌溉在相同灌水量的情況下，相比常規(guī)溝灌和固定隔溝灌溉，更能促進植株生長，且能達到有效節(jié)水灌溉的目的，這與杜斌[21]、汪順生[22]等的研究結(jié)果相類似。

綜合分析單株薯重、單株大中薯重及個數(shù)、鮮薯產(chǎn)量及商品薯產(chǎn)量表明，交替隔溝灌溉處理下的鮮薯產(chǎn)量和商品薯產(chǎn)量最高，均顯著高于其他兩個處理；同時，固定隔溝灌溉下的商品薯產(chǎn)量最低，這與宿飛飛[20]的研究結(jié)果相類似。原因可能是交替隔溝灌溉更加有利于馬鈴薯根系對水分和養(yǎng)分的吸收，通過有效水分調(diào)虧使得養(yǎng)分有利于向莖塊分配，進而達到有效節(jié)水、提高產(chǎn)量的目的；常規(guī)灌溉使得根系土壤長期處于濕潤狀態(tài)，降低了土壤的通透性，抑制了根部的均勻生長，減少了根部與土壤的接觸面積，造成水分及土壤養(yǎng)分的浪費；固定隔溝灌溉由于非灌水溝在整個生育期都處于嚴重虧水狀態(tài)，使得根部向灌水側(cè)生長，造成根部分布不均勻，影響根部對營養(yǎng)元素的吸收。

試驗中發(fā)現(xiàn)，3種灌水方式下馬鈴薯的10個產(chǎn)量與品質(zhì)相關(guān)指標進行了綜合評價，反映出不同灌水方式下馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)、莖粗、株高及葉面積的差異。以隸屬函數(shù)法對各個生理指標進行了綜合評價，結(jié)果表明，3種溝灌方式下馬鈴薯產(chǎn)量及品質(zhì)優(yōu)劣順序為：AFI>CFI>FFI。

4 結(jié) 語

交替隔溝灌溉技術(shù)可以保證馬鈴薯根區(qū)一側(cè)處于相對濕潤狀態(tài)、而另一側(cè)處于相對干燥的狀態(tài)。兩側(cè)交替灌溉時減少了水分向深層運動,有利于根系有效地吸收；干濕交替能促進根系補償效應的發(fā)揮,使馬鈴薯根系更具吸水能力。

在馬鈴薯整個生育期內(nèi)，隨著生育進程的推進，馬鈴薯株高、莖粗及葉面積都不斷增加，在3種灌溉處理下馬鈴薯生長前期其株高、莖粗、葉面積的增長速率均無顯著性差異。但在生長中后期，交替隔溝灌溉處理下的馬鈴薯株高、莖粗及葉面積的增長速率顯著高于常規(guī)溝灌和固定隔溝灌溉。

交替隔溝灌溉技術(shù)不但沒有給馬鈴薯植株帶來水分脅迫而且提高了生理活性，通過減少灌水用量，有效提高水分利用效率且刺激馬鈴薯植株旱生反應補償效應，使其馬鈴薯鮮薯產(chǎn)量較常規(guī)溝灌及固定隔溝灌溉分別提高10.43%、26.99%。全生育期交替隔溝灌溉下，馬鈴薯蛋白質(zhì)、淀粉含量顯著高于常規(guī)溝灌與固定隔溝灌溉；交替隔溝灌溉下馬鈴薯維生素C含量略高于常規(guī)溝灌，但未見顯著水平。但該處理下還原糖略低于常規(guī)灌溉，說明，交替隔溝灌可以減少還原糖在馬鈴薯塊莖中的積累，進而改善塊莖品質(zhì)。

據(jù)此，交替隔溝灌溉技術(shù)具有較大的節(jié)水潛力，可以達到高節(jié)水、高產(chǎn)量、高品質(zhì)的效果，在定西馬鈴薯大田試驗下極具推廣價值。

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