不同滲灌埋深下水氮模式對旱區馬鈴薯水氮分布及利用效率的影響

賈 帥，焦炳忠，高洪香

（1.寧夏職業技術學院（寧夏開放大學），銀川 750021；2.寧夏水利科學研究院，銀川 750021；3.寧夏水文水資源監測預警中心，銀川 750004）

寧夏干旱半干旱地區氣候特點，抑制了農業發展，不合理的灌溉方式，對水肥耦合效應影響較大，并且有效阻礙了灌溉水和肥料在生產潛力中發揮。通過選擇適宜的灌溉方式和水肥耦合，可有效改善作物生長狀況，促進作物增產增效，提高作物品質和水肥利用效率[1]。馬鈴薯的生長發育主要受水肥制約，水肥耦合效應有利于旱地作物增產增效[2]，不同水肥組合對作物光合特性、農藝性狀和產量影響不同。當前，如何通過調節水氮配比來改善作物農藝性狀，提高產量和水肥利用效率，達到節水、節肥、增產效果，是旱區農業生產重點研究的問題[3]。已有研究表明，灌溉和施肥適宜組合有利于提高作物進行光合特性和積累葉綠素含量[4,5]。滴灌條件下的水肥耦合，對作物產量、水分利用效率以及產量都有提高作用，得出高水高肥產量最佳[6,7]。因此，確定馬鈴薯合理的灌溉量和施氮量，對提高水氮利用率、實現優質高產以及降低土壤氮均有明顯效果。

地下灌溉技術是一種高效節水灌溉方法，能有效地減少土壤表面的水分蒸發和肥料運移過程的損失[8]。有學者利用地下滲灌方式對馬鈴薯[2,9]和棗樹[10]進行研究，得出適宜的灌水方式和施氮量組合有利于作物節水節肥；涌泉根灌灌水器不同埋深對土壤NH4

+-N 影響較大，隨著埋深下移，NH4+-N 含量峰值越來越小[11]。但田間管網鋪設方式影響作物對水肥吸收的利用，目前，對地下滲灌管網布設方式、水肥灌溉模式等方面的研究甚少[12]。為此，本研究通過設置不同滲灌埋深、灌溉量和施氮量，對旱區馬鈴薯農藝性狀、產量及水氮利用效率進行分析，篩選出最佳組合模式。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于寧夏旱作高效農業工程中心試驗基地。該區域屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，蒸發量大，年平均降水量272.6 mm，多年平均日照3 024 h，年平均氣溫8.6 ℃。試驗區土壤為沙壤土，0～60 cm 土層田間持水率和土壤容重分別為22.25%和1.32 g/cm3。土壤理化性質如表1所示。

1.2 試驗設計

本試驗設3個因素試驗因素（滲灌埋深D、灌水量W 和施氮量N），每個因素3 個水平。地下滲灌管埋深分別為5、15、25 cm，灌溉定額依據當地灌溉經驗值和前人研究理論值進行設計分別為1 050、1 500、1 950 m3/hm2，施氮量分別為120、180、240 kg/hm2。采用正交試驗設計[12]，正交試驗方案如表2所示。

試驗小區采用單壟雙行種植，壟寬80 cm，壟高25 cm，行距40 cm，株距40 cm。每個小區兩壟，小區長40 cm，寬24 cm，各小區之間設1.5 m 寬隔離帶，9 個處理，每個處理3次重復，共27 個小區。供試滲灌管道采用自主研發的全滲管道，內徑φ20 mm，流量12 L/(m·h)。試驗采用尿素提供N（46-0-0），底肥施入一定量的磷酸二銨（90 kg/hm2）和硫酸鉀復合肥（135 kg/hm2），為馬鈴薯生長提供鉀肥和磷肥。

試驗作物采用“青薯168”馬鈴薯品種，全生育期150 d左右。于5月12日進行播種；6月5日馬鈴薯出苗；2019年10月7日收獲；全生育期內降雨量為212.6 mm。

1.3 觀測指標及方法

（1）作物生長指標。作物生長指標內容包括株高、莖粗、干物質積累量等，各生育時期取馬鈴薯地上部分鮮物質。

（2）葉片葉綠素相對含量（SPAD）。采用便攜式葉綠素儀SPAD-502 測定，在苗期、塊莖形成期和塊莖膨大期每次灌水施肥后，選取上中下3片葉子進行測定。

（3）土壤含水率。采用傳統土鉆法對0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm 土層取樣，用烘干法測其土壤含水率。

（4）產量Y。作物成熟后，按小區進行測產。

（5）作物耗水量。采用水量平衡法計算，計算公式為：

式中：ET為耗水量，mm；P為生育期內降雨量，mm；I為灌水量，mm；ΔW為生育期開始時土壤貯水量與生育期結束時土壤貯水量之差，mm；R為地表徑流量，mm；D為耕層土壤水的滲漏量，mm。

（6）水分利用效率：

式中：Y為馬鈴薯產量，kg/hm2。

（7）氮肥偏生產力=施肥區產量/施氮量。

1.4 數據分析統計

試驗數據均采用Excel2010 和SPSS17.0 軟件進行統計及方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同滲灌埋深下水氮模式對馬鈴薯干物質積累量的影響

不同滲灌管埋深、灌水量和施氮量正交組合對馬鈴薯苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期干物質積累量的影響如圖1所示，可以看出，各處理下馬鈴薯干物質積累量的增量在苗期和塊莖形成期最大，塊莖膨大期干物質積累量的增量較少；T1 和T2 處理干物質積累量增量苗期高于塊莖形成期，其他處理均為塊莖形成期高于苗期。T6處理（滲灌管埋深15 cm、灌水量1 950 m3/hm2、施氮量120 kg/hm3）苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期3 個生育時期干物質積累量最多，為158.42 g/株，與其他處理總累積量存在顯著差異（P＜0.05）。T1、T2、T3處理滲灌管深均為5 cm，隨著灌水量和施氮量的增加，干物質積累量也逐漸增加，3 個處理之間存在顯著差異（P＜0.05）；在滲灌管埋深15 cm 下，灌水量越大，干物質積累量越大，T4處理和T5 處理之間無顯著差異（P＞0.05），T5 處理比T4 處理干物質積累量多2.98 g/株；在滲灌管埋深25 cm 下，隨著灌溉量的增加，馬鈴薯干物質積累量先降低后增加，T7 和T9 處理無顯著差異（P＞0.05），與T8 處理存在顯著差異（P＜0.05）。各處理馬鈴薯干物質積累量從多到少依次為T6＞T7＞T9＞T5＞T4＞T3＞T8＞T2＞T1。T1 處理在塊莖膨大期增量最小為8.8 g/株，T6處理最大為18.84 g/株，較T2處理增加了10.04 g/株。

圖1 不同水氮耦合效應對馬鈴薯干物質積累量的影響Fig.1 Effects of different water and nitrogen coupling effects on dry matter accumulation of potatoes

2.2 不同滲灌埋深下水氮模式對馬鈴薯葉片葉綠素相對含量的影響

滲灌管埋深下水氮耦合對馬鈴薯苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期葉片葉綠素相對含量的變化如表3所示，可以看出，各處理隨著馬鈴薯生育時期的變化，葉片葉綠素相對含量逐漸降低，T8處理從苗期到塊莖膨大期降幅最大為13.71，T9處理降幅最小為9.93；從苗期到塊莖形成期馬鈴薯葉片葉綠素相對含量降幅最大T7 處理為5.60，降幅最小為T4 處理為3.56。在滲灌管埋深一定的條件下，馬鈴薯葉片葉綠素相對含量隨著灌水量增加相對增加；埋深為5 cm 時，T1 處理在苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期生育時期馬鈴薯葉片葉綠素相對含量均最低，與T2、T3處理之間存在顯著差異（P＜0.05）。灌水量為1 050 m3/hm2時，3 個生育時期內馬鈴薯葉片葉綠素相對含量隨著滲灌管埋深的增加逐漸增加，埋深5 cm 與埋深15、25 cm 的處理組合存在顯著差異，灌水量越大，馬鈴薯葉片葉綠素相對含量隨著滲灌管埋深的增加先增大后降低，T6 處理在各生育時期葉片葉綠素相對含量最大，分別為53.68、49.62、42.74，與其他處理均存在顯著差異（P＜0.05）。施氮量為120 kg/hm3時，葉片葉綠素相對含量隨著滲灌管埋深的增加先增大后降低，隨著灌水量的增加逐漸增大；施氮量為240 kg/hm3時，葉片葉綠素相對含量隨著灌水量的增加逐漸降低，隨著滲灌管埋深的增加逐漸增大。3個生育時期滲灌管埋深單因素對葉片葉綠素相對含量都有極顯著差異（P＜0.01），灌水量單因素對葉片葉綠素相對含量無顯著差異（P＞0.05），施氮量單因素對葉片葉綠素相對含量的影響無顯著性差異（P＞0.05）。

表3 馬鈴薯各生育時期葉片葉綠素相對含量Tab.3 The relative content of chlorophyll and nitrogen content of potato leaves at each growth stage

2.3 不同滲灌埋深下水氮模式對土壤含水量的影響

各處理馬鈴薯全生育期土壤深度0～60 cm 內水分變化如圖2所示，可以看出，馬鈴薯土壤水分變化主要在0～40 cm 內波動較大；隨著滲灌管埋深的增加，最大含水率峰值從土層10 cm（埋深5 cm）到土層20 cm（埋深15 cm）再到土層30 cm（埋深25 cm）；不同埋深土層處的最大含水率隨著埋深逐漸增大，埋深5 cm 處的峰值為21.75%，埋深15 cm 處的峰值為22.31%，埋深為25 cm 處的峰值為25.17%。相同滲灌管埋深下，隨著灌溉量增加，土壤各土層的土壤含水率逐漸增加，埋深越深，相同土層的土壤含水率越高，主要是通過滲灌管道將灌溉水直接輸送到土壤中，減少了地表滴灌導致水分通過蒸散發散失。不同施氮量在埋深為5 cm 時，與不同灌溉量對土層土壤含水率的影響類似，在埋深為15 和25 cm 時，施氮量對各土層土壤含水率的影響無明顯規律。

圖2 不同處理各生育時期土壤含水量分布Fig.2 The distribution of soil water content in different growth stages of different treatments

2.4 不同滲灌埋深下水氮模式對馬鈴薯產量及水氮利用效率的影響

不同滲灌埋深下水氮模式對馬鈴薯耗水量、產量及水氮利用效率的影響如表4所示，可以看出，各處理馬鈴薯的耗水量隨著灌溉水量和滲灌管埋深的增加逐漸增多，灌溉量為1 950 m3/hm2下，T9 處理馬鈴薯的耗水量最高，為292.12 mm，比耗水量最小的T1 處理高70.7 mm。馬鈴薯商品薯率T6 處理最大為69.23%，T9處理次之為68.15%，T6處理與其他處理商品薯率之間均存在顯著性差異（P＜0.05），不同滲灌管埋深對馬鈴薯商品薯率影響存在差異，整體表現為埋深為15 cm 的商品薯率較好；隨著灌溉量增加馬鈴薯商品薯率逐漸增加，灌溉量與埋深的交互作用下，埋深為15 cm 和灌水量為1 950 m3/hm2組合商品薯率最好。

表4 馬鈴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

隨著灌溉量的增加馬鈴薯產量逐漸增加，T9 處理產量最高為28.60 t/hm2，與T6 處理無顯著差異（P＞0.05），與其他處理均存在顯著差異（P＜0.05）；T6 處理與T7 處理無顯著差異（P＞0.05），并且馬鈴薯水分利用效率最高，與T9 和其他處理均存在顯著差異（P＜0.05），T2處理水分利用效率最小，與T3處理無顯著差異（P＞0.05），與其他處理均存在顯著差異（P＜0.05）；T6處理氮肥偏生產力最大為237.08 kg/kg，與其他處理均存在顯著差異（P＜0.05），氮肥片生產力隨著施氮量的增加逐漸降低，隨著產量的增加逐漸增加。滲灌管埋深單因素對馬鈴薯商品薯率、產量、水分利用效率都有極顯著差異（P＜0.01）；灌水量單因素對馬鈴薯商品薯率和水分利用效率存在極顯著差異（P＜0.01），施氮量單因素對氮肥偏生產力存在極顯著差異（P＜0.01）。

2.5 不同滲灌埋深下水氮模式對馬鈴薯產量及水氮利用效率極差的影響

不同處理對馬鈴薯產量和水氮利用效率的極差如表5所示，可以看出，3 個因素影響產量極差分別為1.91（D）、2.24（W）、0.43（N），灌水量對應的極差最大，為2.24 t/hm2，說明灌水量對產量影響高于滲灌管埋深和施氮量；埋深僅次于灌水量對產量的影響，施氮量因素對產量影響最小。滲灌管埋深因素對水分利用效率影響最大，極差為0.71 kg/m3，其次為灌水量因素，施氮量因素對水分利用效率影響最小。施氮量因素對馬鈴薯氮肥偏生產力影響最大，極差為110.41 kg/kg，其次為滲灌管埋深因素，灌水量因素對氮肥偏生產力最小。

表5 不同處理馬鈴薯產量和水氮利用效率的極差分析Tab.5 Range analysis of potato yield and water and nitrogen use efficiency in different treatments

3 討 論

地下滲灌管鋪設方式，對土壤含水率空間分布存在差異。灌水器附近的土壤含水率變化較大，逐漸向四周擴散并減小[14]。地下灌溉埋深和壓力是影響土壤水分空間分布的主要因素，有研究表明微潤灌溉埋深、壓力水頭交互作用對濕潤半徑表現為H＞HD＞D[15]， 微孔滲灌埋深較淺時，土壤含水率分布主要集中在表層，主要是受到地表蒸發，水分通過土壤空隙向上擴散較快。適宜的滲管埋深有利于作物對水分和養分的吸收，促進作物根系生長[16]，本文研究表明滲管埋深15 cm有利于馬鈴薯產量和水分利用效率的提高，與任秋實[2,9]、王書吉[17]研究結果一致。有研究表明[9,10]，灌水量和施肥量的增加，對旱區作物的農藝性狀有促進作用、對產量有提高作用；高灌水量下，馬鈴薯產量、干物質、莖粗等生理指標明顯高于低水量，與本文得出結果一致。

在地下滲灌埋深適宜下，水肥耦合作用對作物的生長主要集中合理水施能促使作物根系效應，促進植物的根系生長發育，提高作物吸水能力，增強忍耐干旱能力，提高水肥利用效率。地下灌溉方式是將水分和養分輸送到作物根系，促使水分和養分的吸收，達到高產高效，但這種灌溉方式在高水量下，會使根系密集區域水分集中，導致過量的水分和養分流失；過高的施氮量會導致作物對養分吸收過飽和，過量的養分留在土壤中。高水高肥可以提高作物產量，但水分利用效率和氮肥偏生產力都低[7,18,19]。

4 結 論

綜合考慮馬鈴薯各項指標情況，選擇地下滲灌管埋深為15 cm、灌溉定額為1 950 m3/hm2、施氮量為120 kg/hm3組合，馬鈴薯商品薯率最大為69.23%，馬鈴薯產量較高為28.45 t/hm2，水分利用效率最高為10.91 kg/m3，氮肥偏生產力最大為237.08 kg/kg，是寧夏干旱地區地下滲灌馬鈴薯生產中適宜的灌溉方式和水氮組合。