寧夏中部干旱帶不同灌水量對馬鈴薯生長、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

金建新，何進(jìn)勤，黃建成，桂林國

(寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，寧夏 銀川 750002)

【研究意義】寧夏地處西北內(nèi)陸，獨(dú)特的自然條件和氣候特點(diǎn)，為馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了十分有利的條件，2017年全區(qū)種植面積達(dá)到18.67萬hm2[1]。壟作栽培作為馬鈴薯傳統(tǒng)種植方式，由于其不僅光能利用效率高，通風(fēng)效果良好，而且大大提高土地利用效率的特點(diǎn)而得以推廣應(yīng)用。隨著高效節(jié)水技術(shù)的普及，近年來壟作栽培和覆膜滴灌技術(shù)相結(jié)合，極大促進(jìn)了土壤水肥利用效率[2]。【前人研究進(jìn)展】近年，研究人員針對馬鈴薯水資源高效利用進(jìn)行分析，得出適宜的虧缺灌溉，可抑制馬鈴薯地上部分的徒長，促進(jìn)光合同化物向塊莖轉(zhuǎn)移[3]，且有利于改善馬鈴薯水分利用狀況，提高產(chǎn)量和水分利用效率[4]，但針對馬鈴薯的水分敏感期卻結(jié)論各異，如認(rèn)為馬鈴薯匍匐莖和塊莖形成期對水分的虧缺最敏感，缺水會導(dǎo)致產(chǎn)量的顯著降低[5-6]，也有認(rèn)為塊莖膨大期和成熟期是水分虧缺最敏感時期，在該生育期15 d不灌水，部分品種減產(chǎn)幅度可以達(dá)到40 %以上[7-8]。【本研究切入點(diǎn)】可見，馬鈴薯需水關(guān)鍵期需要定額研究仍沒有較為一致的結(jié)論，同時，其與立地條件、氣候因素、灌水方式等因素均有較大關(guān)系，在不同地區(qū)得到的結(jié)論差異較大[9-11]。馬鈴薯作為寧夏中部干旱帶主要種植作物，針對其需水關(guān)鍵期需要定額研究較少，同時，由于研究區(qū)降雨稀少，且年內(nèi)分布不均，無法保障馬鈴薯需水關(guān)鍵期的供水。【擬解決的關(guān)鍵問題】因此，開展不同灌水定額條件下馬鈴薯生長、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，明確馬鈴薯不同生育期對灌水量的敏感程度，提出科學(xué)合理的節(jié)水灌溉制度，為寧夏中部干旱帶馬鈴薯灌溉提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)在寧夏鹽池縣馮記溝鄉(xiāng)試驗(yàn)基地展開，位于寧夏中部地區(qū)，東經(jīng)107°43′33″，北緯37°57′57″，典型的大陸性季風(fēng)氣候，氣溫冬冷夏熱，平均氣溫22.4 ℃，晴天多，降雨少，光能豐富，日照充足溫差大，冬夏兩季氣候迥異，平均溫差28 ℃左右，秋冬交節(jié)之際，晝夜溫差可達(dá)20 ℃，多年平均降雨量為254.8 mm，蒸發(fā)量 2100 mm，日照時數(shù)2286 h，大于10 ℃的有效積溫為3145 ℃，無霜期198 d，海拔1352 m，試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)為沙壤土，耕層平均容重1.42 g/cm3，田間持水量為21.8 %，耕層土壤堿解氮為92 mg/kg，有效磷含量13.8 mg/kg，速效鉀含量125.4 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量百分?jǐn)?shù)為2.5 %。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)品種選擇寧薯16號，根據(jù)馬鈴薯生長發(fā)育規(guī)律，把馬鈴薯整個生育期分為出苗期、現(xiàn)蕾期、初花期、盛花期和淀粉積累期5個生育階段。本試驗(yàn)以灌溉定額為變量的單因素試驗(yàn)，設(shè)置3000、3750、4500、5250、6000 m3/hm25個梯度灌溉量處理，共計(jì)5個處理，如表1所示。每個處理3個重復(fù)，共計(jì)15個小區(qū)，采用滴灌進(jìn)行供水，隨機(jī)區(qū)組排列。從馬鈴薯出苗期開始進(jìn)行灌水量梯度處理，用水表嚴(yán)格計(jì)量灌水量，每個小區(qū)長20 m，寬3 m，于4月23日前后開始穴播，種薯用量750 kg/hm2，壟作滴灌種植，采用一壟雙行一帶布置，行距50 cm，株距33 cm。全生育期N、P2O5、K2O總用量分別為375、225、225 kg/hm2，施肥處理中將75 kg純氮(尿素163 kg/667m2)、120 kg磷肥(P2O5量，折合成重磷酸鈣約為240 kg/667m2)在播種前基施，剩余氮和磷，以及全部鉀肥利用滴灌系統(tǒng)隨水追施，施肥在苗期、塊莖形成期、塊莖增長期和淀粉積累期分別施肥1、2、2和1次。

1.3 測試指標(biāo)及方法

(1)株高。在馬鈴薯每個特征生育期測定1次，用卷尺從地表量至生長點(diǎn)，在每個小區(qū)隨機(jī)標(biāo)記10株，取平均值。

(2)地上及根系生物量。測定時間同株高，每個小區(qū)隨機(jī)選擇5株馬鈴薯，挖至地下60 cm處，洗掉土壤，除去塊莖，按照根系和地上部分別測定其鮮重。

(3)產(chǎn)量。在馬鈴薯成熟后期每個小區(qū)隨機(jī)選擇10株測定其產(chǎn)量，按照不同質(zhì)量進(jìn)行分級，計(jì)算商品薯率，各重復(fù)取平均值。

(4)品質(zhì)。在每個小區(qū)隨機(jī)選取大中小3級馬鈴薯塊莖，采用Lowry法、還原糖測定儀法、分光光度計(jì)法分別測定馬鈴薯塊莖中蛋白質(zhì)、淀粉、還原糖的含量，各重復(fù)取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

用Excel2012進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖，各重復(fù)取平均值作為分析值，用DPSv17.10軟件進(jìn)行顯著性分析。

表1 試驗(yàn)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 灌水量對馬鈴薯株高的影響

從圖1可以看出，灌水量對馬鈴薯株高具有較大的影響，基本表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，在6月29日測定的株高中處理1平均株高最小，為45.6 cm，處理5最大，為56.8 cm，分別較處理1、處理2、處理3和處理4大24.5 %、7.9 %、6.8 %和8.8 %，各處理之間達(dá)到顯著水平(P<0.05)，說明水分能促進(jìn)馬鈴薯株高的生長，但從整個生育期來看，處理5在7月17日和8月1日測得的株高值均比處理2、處理3和處理4低，如在8月1日，處理5分別低12.1 %、7.5 %和13.3 %，出現(xiàn)了早衰的現(xiàn)象，這可能是由于早期過多的水分供應(yīng)，導(dǎo)致馬鈴薯根系分布較淺，無法吸收土壤深層土壤水分所致。而處理4在后期株高一直表現(xiàn)為優(yōu)勢，方差分析表明，與其他處理差異顯著，在7月17日和8月1日處理4較處理1分別大14.7 %和20.1 %，說明灌水量在一定范圍內(nèi)可以有效促進(jìn)馬鈴薯株高生長，而過多的水分供應(yīng)不僅不能增加株高的生長，反而在后期造成馬鈴薯早衰，減少后期光合同化物的積累。

圖1 各處理馬鈴薯株高變化(大寫英文字母表示在1 %水平的差異,小寫字母表示在5 %水平的差異)Fig.1 Changes in plant height of each treated potato(The capital letter shows the difference in 1 % level, and the litter letter shows the difference in 5 % level)

2.2 灌水量對馬鈴薯生物量的影響

馬鈴薯生物量是反應(yīng)其對環(huán)境因素適應(yīng)的一個綜合指標(biāo)，由地上部分和地下根系部分構(gòu)成，由圖2可以看出，不同灌水量對馬鈴薯地上和地下部分生物量具有較大的影響，在6月12日馬鈴薯現(xiàn)蕾期，灌水量對其地上部分生物量的影響不顯著，但對馬鈴薯根系生物量的影響較大，除處理1外，其他處理基本表現(xiàn)為灌水量越小其地下部分生物量越大，特別是處理2，較處理3、處理4和處理5分別大53.3 %、56.7 %和66.7 %，可見在馬鈴薯早期低定額灌水能有效促進(jìn)根系生長，這種調(diào)節(jié)有利于后期土壤水分不足時，馬鈴薯根系吸收更深土壤水分，能提高其抗旱減災(zāi)能力。在6月29日所測得的結(jié)果表明，地下部分和現(xiàn)蕾期具有類似的規(guī)律，表現(xiàn)為處理1和處理2顯著大于其他3個處理，但是地上部分生物量隨著灌水量的增大則表現(xiàn)為增大的趨勢，處理5較處理1、處理2、處理3和處理4分別大97.4 %、87.5 %、10.3 %和4.2 %，說明在馬鈴薯開花期水分能顯著促進(jìn)其地上生物量的積累。

圖2 不同時間馬鈴薯生物量Fig.2 Potato biomass in different time

表2 不同處理?xiàng)l件下馬鈴薯產(chǎn)量、商品薯率及WUE

在圖2-c和圖2-d中，地上部和地下部生物量都表現(xiàn)為隨著灌水量的增加而增加，在8月1日地上部生物量中處理5和處理4無顯著性差異(P>0.05)，處理4較處理1、處理2和處理3分別大65.5 %、41.4 %和17.3 %，但在圖5中處理4地上和地下部分干物質(zhì)均達(dá)到最大值，分別較處理5大8.7 %和7.4 %，這和前面株高的結(jié)果一致，說明馬鈴薯在后期受到一定程度的水分脅迫，導(dǎo)致根系生長相對較弱的處理5受水分脅迫影響較大，地下部生物量和地上部具有類似的規(guī)律，處理4均達(dá)到最大值，其次是處理5和處理2，在圖1～5(8月20日)中較其分別小7.4 %、25.9 %、44.4 %、55.6 %。說明在一定范圍內(nèi)，增加灌水量有利于提高馬鈴薯生物量的積累，但是當(dāng)灌水量超出一定的限度時，其生物量出現(xiàn)報(bào)酬遞減的現(xiàn)象，因此，在制定灌溉制度時，在生長早期適當(dāng)減少灌水量，在其關(guān)鍵需水期保證充足的供水量，可顯著提高水資源的利用效率和馬鈴薯的生產(chǎn)效率。

圖3 馬鈴薯主食化品種邊際產(chǎn)量Fig.3 Marginal yield of potato stapled varieties

2.3 灌水量對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

產(chǎn)量是反應(yīng)馬鈴薯對農(nóng)業(yè)資源利用效率及對農(nóng)田小氣候適應(yīng)性的重要指標(biāo)，馬鈴薯主食化專用品種較常規(guī)品種對養(yǎng)分和水肥的消耗量也表現(xiàn)出較大的差異，對農(nóng)田環(huán)境的要求更為嚴(yán)格。

由表2可見，水分對馬鈴薯主食化品種的產(chǎn)量影響較大，隨著灌溉定額的增加其產(chǎn)量整體表現(xiàn)為增大的趨勢，產(chǎn)量最小為處理1，僅為2261.6 kg/667m2，其次為處理2、5、3 3個處理，分別較產(chǎn)量最高的處理4低31.04 %、18.6 %、1.7 %和3.0 %，說明在一定范圍內(nèi)，增加灌水量有助于提高馬鈴薯的產(chǎn)量，但是當(dāng)灌水量超過一定量后，其產(chǎn)量增加平緩，甚至出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。商品薯率也是處理4最高，達(dá)到80.41 %，其次為處理3，最小值為處理1，說明低定額灌溉，阻礙了馬鈴薯主食化品種馬鈴薯的膨大，影響了其商品薯的形成。WUE處理1最大，為11.81 kg/m3，較處理2、3、4、5分別高5.6 %、5.0 %、17.2 %和29.7 %，其中處理2和處理3經(jīng)方差分析，無顯著性差異，從WUE看，灌水量最小的處理1最大，但是其產(chǎn)量較低，其次為處理3和處理2，同樣處理2其產(chǎn)量也較低，僅為最大值的81.4 %。

圖4 單位灌水量WUE增加值Fig.4 Increased value of unit irrigation amount WUE

由圖3～4可以看出，當(dāng)灌溉定額超過4500 m3/hm2時，隨著灌溉水量的增加，馬鈴薯主食化品種寧薯16的邊際產(chǎn)量降低，表現(xiàn)為灌水量報(bào)酬遞減趨勢，當(dāng)灌水量大于5460 m3/hm2時，隨著灌水量的增加，馬鈴薯產(chǎn)量表現(xiàn)為下降趨勢，這可能是由于過多的水分投入抑制了根系活性，植株表現(xiàn)為生理性缺水，造成馬鈴薯沒有充分膨大。從灌溉定額為3750 m3/hm2開始，隨著灌水量的增加，單位水量的水分利用效率WUE的增加值表現(xiàn)為先增大再減小后增大的趨勢，說明灌溉定額為3750 m3/hm2時，馬鈴薯WUE處于較高值，其后隨著灌水量的增加其WUE逐漸減小，當(dāng)灌水量大于4200 m3/hm2時，WUE開始隨著灌水量的增加開始增加，當(dāng)超過4680 m3/hm2時，WUE又開始呈現(xiàn)出減小趨勢，說明水分利用效率WUE表現(xiàn)為先減小再增大后減少的趨勢。

2.4 灌水量對馬鈴薯品質(zhì)的影響

由表3可以看出，灌水對馬鈴薯淀粉、蛋白質(zhì)、多糖的影響較大。處理3淀粉含量最大，為15.3 g/100g，其次為處理4和處理5，兩者之間沒有顯著性差異，淀粉含量最小為處理1，僅為7.09 g/100g，較最大值小53.7 %，除處理4和處理5之間無顯著性差異外，其余各處理間均具有顯著性性差異(P<0.01)，且具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。蛋白質(zhì)含量各處理間均存在顯著性差異，蛋白質(zhì)含量最高的為處理2，其次為處理1、處理4、處理5、處理3，最大值分別較其大0.95 %、8.7 %、10.6 %和12.2 %。多糖處理4和處理1無顯著性差異，其余各處理均存在顯著性差異，其多糖含量最大的為處理3，其次為處理2，前者較后者大20.8 %，其次為處理1和處理4，處理5多糖含量最小，僅為0.44 g/100g。可見，灌水對馬鈴薯主食化品種寧薯16號品質(zhì)指標(biāo)具有較大的影響，整體來看隨著灌水量的增加，各指標(biāo)表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，因此，制定適宜的灌溉制度可顯著提高寧薯16號的可加工性能，增加其主食化品質(zhì)，對馬鈴薯主食化品種的推廣和應(yīng)用提供支撐。

表3 不同處理馬鈴薯品質(zhì)指標(biāo)

3 討 論

(1)灌溉對馬鈴薯生長和產(chǎn)量、品質(zhì)都具有重要的影響，在馬鈴薯需水關(guān)鍵期水分脅迫后，會對其生長產(chǎn)生重要的影響，在薯塊膨大期水分虧缺對馬鈴薯株高影響最大，所產(chǎn)生的抑制作用在淀粉積累期達(dá)到最大[12]，適宜灌水量可以促進(jìn)馬鈴薯株高的生長，總灌水量為1260和1620 m3/hm2的處理在塊莖增長期馬鈴薯株高均達(dá)到最大值，但是前者較后者大8.2 %[13]，在灌水次數(shù)相同，不同灌水定額條件下也有類似的規(guī)律，如灌水量為48 m3/hm2的處理株高顯著大于96 m3/hm2的處理[14]，這與本文所得到的結(jié)論一致，本試驗(yàn)在8月1日測定的結(jié)果中，處理5較處理4株高大14.94 %。但侯翔皓[15]發(fā)現(xiàn)馬鈴薯株高在其生長前期和后期對水分的響應(yīng)效應(yīng)有較大差異，在苗期和塊莖形成期，株高和灌水量有較好的正相關(guān)關(guān)系，但在塊莖增長期、淀粉積累期和成熟期，株高隨著灌水量的增加表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢。在本試驗(yàn)中，前期灌水量較大的處理株高一直表現(xiàn)為生長優(yōu)勢，如在6月19日處理5株高顯著大于其他處理，但在之后生長過程中，處理5的生長優(yōu)勢消失，處理4株高達(dá)到最大，說明適宜的灌溉定額和生育期分配對馬鈴薯株高具有重要影響，在大田生產(chǎn)中既要促進(jìn)馬鈴薯株高以提高光合效率，也要防止其徒長消耗光合同化物。

(2)較大的地上部分可以增加受光面積，提高光合效率，而較長的作物根系可以促進(jìn)作物吸收深層土壤水分，提高水分利用效率，也可以防止作物后期倒伏等發(fā)生。水分對馬鈴薯地下和地上部分的相對生長影響較大。本研究表明在馬鈴薯7月1日初花期之前較小的灌水量能促進(jìn)馬鈴薯根系生長，在現(xiàn)蕾期灌水量最小的處理(灌溉定額為3000 m3/hm2)較最大的處理(灌溉定額為6000 m3/hm2)根系生物量大66.7 %，但是地上部的生物量與灌水量成正相關(guān)，最大灌水量處理較最小灌水量處理大97.4 %。8月1日盛花期之后，大定額灌水處理地上生物量和根系生物量顯著高于小定額處理，但當(dāng)灌水量超出一定的限度時，其生物量出現(xiàn)報(bào)酬遞減的現(xiàn)象，如在8月20日，處理4較處理5的地上生物量大7.4 %。目前大多數(shù)學(xué)者在灌溉條件下對馬鈴薯生物量變化的影響研究均集中在干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運(yùn)方面，劉振[16]研究發(fā)現(xiàn)在隴中半干旱地區(qū)補(bǔ)灌后提高了馬鈴薯干物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)率，有助于提高產(chǎn)量。曹正鵬[17]發(fā)現(xiàn)青薯9號和大西洋兩品種在水分虧缺下，隨著虧缺程度的增加兩品種生物量的增量和絕對值均降低，各品種之間存在一定差異。李晶[18]發(fā)現(xiàn)不同時期水分虧缺對馬鈴薯干物質(zhì)積累的影響不同，在馬鈴薯塊莖形成期水分虧缺則會嚴(yán)重影響馬鈴薯干物質(zhì)的積累。說明在馬鈴薯需水關(guān)鍵期保證水分供應(yīng)能促進(jìn)馬鈴薯生物產(chǎn)量的形成，早期一定程度的水分虧缺在后期復(fù)水后會有一定的補(bǔ)償效應(yīng)，應(yīng)根據(jù)馬鈴薯生長情況適時灌溉，可以促進(jìn)馬鈴薯生物量積累和轉(zhuǎn)運(yùn)速率，進(jìn)而形成塊莖產(chǎn)量。

(3)耿浩杰[19]等人提出在寧夏中部干旱帶覆膜滴灌馬鈴薯適宜的灌溉定額為1260 m3/hm2，杜嘉[20]提出河西綠洲區(qū)膜下滴灌馬鈴薯全生育期灌溉定額為2250 m3/hm2時，產(chǎn)量達(dá)到43.86 t/hm2。該量與本文提出的差異較大，主要是因?yàn)楸驹囼?yàn)在壟作未覆膜的條件開展，并且在馬鈴薯生育期內(nèi)只有一次有效降雨量，導(dǎo)致耗水量較大。整體來看本次試驗(yàn)中馬鈴薯品質(zhì)隨著灌水量的增加，各指標(biāo)表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，灌溉定額小于4500 m3/hm2時，淀粉、蛋白質(zhì)和多糖等指標(biāo)的含量較大。馬微[21]在膜下滴灌條件下發(fā)現(xiàn)總灌溉定額在630 m3/hm2內(nèi)，灌水次數(shù)一致灌溉定額不同時，灌溉定額越大，馬鈴薯塊莖的淀粉、還原糖和干物質(zhì)含量越大。耿浩杰[19]等人發(fā)現(xiàn)灌溉定額越小越有利于馬鈴薯還原糖的積累，而淀粉在一定灌水量范圍內(nèi)表現(xiàn)為先增加后減小，與本文結(jié)果一致。總之，灌水量和農(nóng)藝措施互作下對馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)具有較大的影響，應(yīng)根據(jù)區(qū)域水資源特征和氣候條件合理制定馬鈴薯灌溉制度，進(jìn)而達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的目的。

4 結(jié) 論

通過對寧薯16號的生長、生理、產(chǎn)量及對水分利用效率等的研究，發(fā)現(xiàn)灌水量顯著影響其薯塊膨大和產(chǎn)量形成，并且在一定范圍之內(nèi)，兩者之間呈正相關(guān)關(guān)系，其主食化品質(zhì)隨著灌水量的增加表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，綜合以上各因素，處理3雖然產(chǎn)量和商品薯率均較處理4低，但其較處理4僅分別小1.8 %和6.8 %，而且其水分利用效率最高，實(shí)現(xiàn)水資源高效利用的目的，在寧夏中北部干旱地區(qū)推薦處理3(灌水量為4500 m3/hm2)可作為馬鈴薯主食化專用品種寧薯16號的灌溉定額。