半干旱區膜下滴灌量與滴灌次數對馬鈴薯生長及水分利用效率影響

賈莉， 陳娟， 雍山玉*， 李效文， 梁偉琴

（1.定西市農業技術推廣站，甘肅 定西 743000； 2.甘肅省農業科學院經濟作物與啤酒原料研究所，蘭州 730070； 3.定西市安定區農業技術推廣服務中心，甘肅 定西 743000）

甘肅中部屬半干旱區，日照充足，降雨量少，蒸發量大，水資源匱乏，水是限制當地農業生產的決定性因素[1]。隨著馬鈴薯主糧化的啟動與產業化發展，馬鈴薯已成為甘肅中部地區糧兼經特色優勢作物，因其適應性廣、耐旱抗逆性強及經濟效益高備受農民歡迎[2]。近幾年，氣候變暖及季節性極端干旱事件頻發，特別是在馬鈴薯生長最需水的入夏有效降水持續偏少，嚴重影響馬鈴薯的正常生長及產量和品質。

膜下滴灌是覆膜與灌溉相結合的一種節水灌溉方式，可使水分直接到達作物根部，實現局部灌溉，極大地減少了無效徑流與滲透，節水、控水效果突出[3]。目前，膜下滴灌節水技術在灌水條件便利的設施蔬菜、葡萄、棉花等經濟作物上得到了大面積應用[4-5]。而在較為偏遠的甘肅旱作區，受供水與旱作區灌水條件的限制，應用較少。近幾年，隨著引水工程的實施，偏遠鄉村部分地區也能逐步實現有限的農業用水，因此利用有限的農用灌水合理補水是提高馬鈴薯產量的有效途徑。由于膜下滴灌技術在黃土地區應用時間有限，技術不夠成熟，對于灌水量、灌溉時期等技術應用存在諸多問題。

本試驗通過對馬鈴薯膜下滴灌的灌水量及灌水時期進行比較，研究其對馬鈴薯生長、產量、耗水量、水分利用率及經濟效益的影響，確定馬鈴薯節水、高產的最佳灌水量與灌溉時期，為黃土丘陵溝壑區馬鈴薯的大面積推廣和實際應用提供理論與技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于甘肅省定西市安定區鳳翔鎮安家坡村，屬溫帶大陸性半干旱氣候。海拔高度2000 m，多年平均氣溫6.4 ℃，無霜期多年平均140 d，近30年平均降雨量392 mm。試驗區土質為黃綿土，土壤干容重1.42 g·cm-3，土壤有機碳14.52 g·kg-1，速效氮55.03 mg·kg-1，速效磷11.98 mg·kg-1，速效鉀116.22 mg·kg-1，pH 8.67。2021年馬鈴薯生育期內有效降水338.7 mm。

1.2 試驗設計和方法

以‘冀張薯12號’品種的一級種薯為供試材料，底肥選用復合肥（氮∶磷∶鉀=18∶12∶15，N+P2O5+K2O≥45%）一次性施入，施入量1100 kg·hm-2。于4月26日播種，10月2日收獲。采用黑色地膜（寬度90 cm，厚度0.012 mm）壟面種植，壟面修整成“M”形微溝，壟面集雨，膜兩側按照“∴”形種植。壟面寬70 cm，壟溝深40 cm，行距60 cm，株距38 cm，種植密度47870株·hm-2。采用耐特菲姆壓力補償式滴灌，滴頭間距40 cm。滴灌帶布置在膜內1/2行距處，滴頭流量2.5 L·h-1，工作壓力0.1 MPa。結合生產實際，設定旱作區灌水量與有限灌水次數2個因素，其中滴灌量分別為600 (W1)、1200 (W2)和1800 m3·hm-2(W3)；灌水次數分別為2(F1)、3(F2)和4次(F3)，以覆膜無灌水處理作為對照（CK），共計10個處理，每個處理重復3次，采用隨機區組排列，每小區面積59.4 m2（6.6 m×9.0 m）。灌水量由水表控制，具體灌水方案見表1。

表1 馬鈴薯滴灌試驗因素組合設計Table 1 Irrigation system in the study area

1.3 測定項目與方法

1.3.1 株高 于馬鈴薯苗期（6月8日）、塊莖形成期（7月1日）、塊莖膨大期（7月28日）、淀粉累積期（8月25日）和成熟期隨機選取10株植株測定株高。

1.3.2 SPAD值 在馬鈴薯苗期、塊莖膨大期及淀粉累積期隨機選取10株植株頂葉下方完全展開的第3片葉，使用便攜式葉綠素測定儀（SPAD-502 PLUS）測定葉片的SPAD值。

1.3.3 葉面積指數 各小區隨機選取10 株馬鈴薯植株，用鋼卷尺測量所有葉片的葉長和葉寬，并計算整株總葉面積和葉面積指數[6]，計算公式如下。

1.3.4 干物質和產量 在馬鈴薯苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期、淀粉累積期、成熟期，每個小區隨機選取10株，將植株樣裝入試驗袋帶回實驗室，105 ℃恒溫箱殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，分別測定根、莖、葉的干物質量。馬鈴薯產量每個小區實打實收。

1.3.5 土壤含水量 于播前和馬鈴薯收獲期選用土鉆分別取20、40、60、80和 100 cm 深度的土樣，裝入自封袋帶回實驗室，用烘箱烘干，計算土壤含水量，并根據土壤容重與含水量計算貯水量，進一步計算馬鈴薯生育期耗水量和水分利用效率，公式如下。

式中，W為土壤貯水量（mm）；h為土層深度（cm）；a為土壤容重（g·cm-3）；b為土壤含水量（%）[7]。

式中，WUE為水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）；Y為馬鈴薯塊莖產量（kg·hm-2）；ET 為馬鈴薯生育期耗水量（mm）[8]。

1.4 統計分析

采用Excel 2007和SPSS 21.0軟件對數據進行整理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同滴灌量與灌水次數對馬鈴薯株高的影響

灌水能夠促進馬鈴薯生長。隨著馬鈴薯生育進程的推進，馬鈴薯株高呈先增后減的單峰曲線型變化，以馬鈴薯塊莖膨大期的株高最高（表2）。在馬鈴薯苗期，灌水處理對株高無顯著影響；在馬鈴薯塊莖形成期、塊莖形成期、淀粉累積期，株高隨滴灌量與滴灌次數的增加而增加。在馬鈴薯塊莖形成期、塊莖膨大期、淀粉累積期，灌水處理的株高較CK分別增加1.45%～40.29%、16.25%～40.69%、12.37%～37.12%。當灌水量相同時，均以4次灌水（F3）處理下的株高最高，CK處理下株高最低。其中，在塊莖形成期，2次灌水處理由于苗期未灌水其株高與CK差異不顯著，而灌水3和4次處理的株高顯著高于CK；在塊莖膨大期、淀粉累積期和成熟期，灌水處理的株高均顯著高于CK。由此說明，塊莖形成期以前灌水能夠促進植株快速生長；相比較于灌水次數，滴灌量對株高的影響更為明顯。在淀粉累積期，相同灌水條件下F3較F2與F1分別增加3.92%～8.52%、7.88%～18.82%。在相同灌溉次數下，W3處理較W2在塊莖形成期、塊莖膨大期期、淀粉累積期株高分別增加-0.38%～13.39%、1.97%～7.65%、1.50%～8.70%；W3處理較W1在塊莖形成期、塊莖膨大期期、淀粉累積期株高分別增加-0.61%～20.64%、6.75%～15.43%、5.40%～17.86%。隨著滴灌量的增加株高的增幅逐漸降低。在馬鈴薯塊莖膨大期、淀粉累積期和成熟期均為4次灌水處理（F3）下株高最高。由此表明，灌水能夠促進馬鈴薯生長，隨著滴灌量的增加株高增加幅度降低，適宜的灌水時期與灌水次數能夠增加株高，延緩植株萎縮。

表2 不同處理下馬鈴薯的株高Table 2 Plant height of potato under different treatments（cm）

2.2 不同滴灌量與灌水次數對馬鈴薯葉面積指數的影響

馬鈴薯葉面積指數隨著生育期的推進呈先增后減的單峰曲線，其中苗期至塊莖形成期葉面積指數增長較為緩慢；塊莖形成期至塊莖膨大期增長速度加快；淀粉累積期葉面積指數最高；成熟期葉面積指數降低（表3）。在苗期，灌水處理對葉面積指數影響較小，各處理間差異不顯著；在塊莖形成期，灌水量與灌水次數對葉面積指數影響顯著，灌水處理的葉面積指數較CK增加7.14%～97.32%；在塊莖膨大期，馬鈴薯葉面積隨著滴灌量與灌水次數的增加而增加，灌水處理較CK增加10.57%～52.03%；在淀粉累積期和成熟期，灌水處理的葉面積指數均顯著高于CK。當灌水次數相同時，灌水量增至W2后，進一步增加灌水量，葉面積指數并沒有顯著增加；當灌水量相同時，增加灌輸次數有利于增加馬鈴薯葉面積指數。

表3 不同處理下馬鈴薯的葉面積指數Table 3 Leaf area index of potato under different treatments

2.3 不同滴灌量與灌水次數對馬鈴薯葉片SPAD值的影響

隨著生育期的推進，馬鈴薯葉片SPAD值呈先增后減的變化趨勢，其中塊莖膨大期的葉片SPAD值最大（圖 1）。在苗期，滴灌量與灌水次數對葉片SPAD值影響不顯著。在塊莖膨大期和淀粉累積期，灌水處理的葉片SPAD值均顯著高于CK，其中塊莖膨大期灌水處理的SPAD值較CK顯著增加2.71%～15.19%，以W2F3、W3F3處理的SPAD值最高；淀粉累積期灌水處理的葉片SPAD值較CK增加3.37%～16.23%，且葉片SPAD值隨著滴灌量和灌水次數的增加顯著增加（W3＞W2＞W1，F3＞F2＞F1）。

圖1 不同處理下馬鈴薯的葉片SPAD值Fig. 1 SPAD value of potato leaf under different treatments

2.4 不同滴灌量與灌水次數對馬鈴薯干物質累積量的影響

隨著馬鈴薯生育進程的推進，根、莖、葉干物質累積量均呈先增后減的單峰變化趨勢，其中葉的干物質累積量在塊莖形成期最大；根、莖的干物質累積量在淀粉累積期最大；在馬鈴薯成熟期根、莖、葉的干物質累積量均下降（表4）。

表4 不同處理下馬鈴薯的干物質積累量（g·株-1）Table 4 Dry matter accumulation of potato under different treatments（g·plant-1）

苗期至成熟期，根干物質累積量隨著滴灌量與滴灌次數的增加呈下降趨勢，其中以CK的根干物質累積量最大；W3F3處理的根干物質累積量最小。由此表明，灌水對馬鈴薯根系生長有抑制作用。

在苗期，灌水對莖、葉干物質累積量無顯著影響。在塊莖形成期，灌水顯著提高莖、葉干物質累積量，與CK相比，莖、葉干物質累積量分別增加0.86%～47.86%、2.75%～68.88%。在塊莖膨大期，莖、葉干物質累積量迅速增大，較CK分別增加25.52%～67.80%、32.34%～74.43%，其中以W3F3處理最大；且灌水量對干物質累積量的影響顯著大于灌水次數。在淀粉累積期，灌水處理的莖、葉干物質累積量較CK分別增加39.90%～101.51%、35.11%～93.33%。在成熟期，灌水處理的莖、葉干物質累積量較CK分別增加21.98%～58.80%、24.41%～91.48%。由此表明，灌水能促進馬鈴薯地上部分干物質累積。在相同灌水次數下，當灌水量增至W2后，進一步增加灌水量，莖、葉的干物質累積量并沒有顯著增加；在相同灌水量下，增加灌水次數有利于莖、葉中干物質累積量的提高（表4）。

2.5 不同滴灌量與灌水次數對馬鈴薯產量及水分利用效率的影響

灌水處理的馬鈴薯耗水量、產量及水分利用效率均顯著高于CK（表5）。隨著滴灌量與灌水次數的增加馬鈴薯的耗水量、產量逐漸增大（W3＞W2＞W1，F3＞F2＞F1），較CK分別增加10.99%～41.08%、20.30%～84.03%，其中以W3F3處理的耗水量與產量最高。灌水處理的水分利用效率較CK顯著增加10.72%～49.63%，其中以W2F3處理的水分利用效率最高。相同灌水次數下，當灌水量增至W2后繼續增加灌水量馬鈴薯產量未顯著增加，且水分利用效率顯著降低。因此，適宜的灌水量與灌水次數能夠顯著提高馬鈴薯水分利用效率與產量。

表5 不同處理下馬鈴薯的產量及水分利用效率Table 5 Yield and water use efficiency of potato under different treatments

2.6 不同滴灌量與灌水次數對馬鈴薯經濟收益的影響

灌水處理能顯著提高馬鈴薯商品產量與商品率，其中在相同灌水量下，商品率隨著灌水次數的增加顯著提高（表6）。生產資料中地膜投入1200 元·hm-2，肥料投入3150 元·hm-2，種子投入4140 元·hm-2，灌水（引洮水）價格6.5 元·m-3。勞動投入無滴灌4560 元·hm-2，滴灌勞動投入增加1190 元·hm-2。各處理的純收益為8594.46～24203.88 元·hm-2，其中W2F3、W3F3處理最高，分別為47234.88、47968.82 元·hm-2；W1F1處理最低。相同灌水量下，純收益隨著灌水次數的增加顯著增大；相同灌水次數下，隨著灌水量的增大純收益呈先增后減趨勢，因此以W2灌水量水平下的F3處理（W2F3）純收益最高。

表6 不同灌水次數與灌溉量下的馬鈴薯經濟收益Table 6 Economic benefits of potato under different frequency and rate of irrigation

3 討論

水資源匱乏是制約西北地區農業發展的重要因素，也是限制作物生長的決定性因素，推進旱作區節水控水、提升用水效率對提高糧食單產與品質有重要意義，有助于農業生產的健康發展[9]。馬鈴薯作為我國西北旱作區的主要糧菜兼用作物，采用膜下滴灌栽培實現了水分在作物根部的精準輸送，降低了無效損耗，實現了增溫保墑、節水節肥的作用[10]。相比覆膜無灌溉（CK），膜下滴灌灌水對根的生長有抑制作用，不同灌水量與灌水時間組合對馬鈴薯株高、葉面積指數、地上部分干物質累積量、葉片SPAD值均有顯著促進作用。隨著馬鈴薯生育期的推進，干物質累積量呈單峰曲線變化，在苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期與淀粉累積期缺少灌水對于馬鈴薯生長影響非常顯著，因此這4個時期為馬鈴薯需水關鍵期。在關鍵生育期增加灌水量能夠提高葉面積指數與SPAD值，因此灌水具有緩解葉片衰老的作用。灌水量與灌水次數的增加均對馬鈴薯生長起促進作用，其中灌水量的影響大于灌水次數；但當灌水量增至1200 m3·hm-2，繼續增加灌水量株高、葉面積指數及干物質累積量等生長指標的增加幅度降低。相同灌溉定額下，隨著灌水次數的增加,馬鈴薯的株高、葉面積指數、干物質累積量均有所增加，這與尹娟等[11]的研究結果類似。這是由于相同灌溉量下，隨灌水次數的增加，一方面使馬鈴薯植株在需水時期能及時得到補償；另一方面能減小土壤含水量的劇烈變化帶來的不利影響，從而有利于馬鈴薯生長。僅縮短灌溉周期，而灌溉量達不到馬鈴薯生長需求，也會影響植株的正常生長發育。夏騰霄等[12]在內蒙古利用膜下滴灌研究不同灌水量對馬鈴薯生長發育的影響發現，隨著灌水量的增加，馬鈴薯的株高、莖粗、地上部干物質量、塊莖產量均呈先增加后減小趨勢，當灌水量為1650 m3·hm-2時產量最高。吳嬌等[13]在寧夏研究不同灌水量對馬鈴薯產量的影響發現，灌水能夠促進馬鈴薯生長，當灌水量為1260 m3·hm-2馬鈴薯產量最高。李燕山等[14]研究表明，膜下滴灌能加快馬鈴薯生長，其產量隨灌水量的增加逐漸增大，當滴灌量為1950 m3·hm-2時產量最高。造成不同區域最佳灌水量差異的主要原因可能是由于不同區域的溫度、降雨量、地理環境、土壤質地、作物品種、種植密度以及灌水次數等存在差異。

膜下滴灌能夠顯著提高水分利用效率及經濟收益。與覆膜無灌水相比，灌水既提高了馬鈴薯的干物質累積量與產量，同時又提高了水分利用效率，其中以1200 m3·hm-2灌水定額分4次灌溉（W2F3處理）時的水分利用效率最高。由此表明，適量的灌水量及增加關鍵生育期灌水有利于提高馬鈴薯水分利用效率，以此達到節水、高產、高效的目的。研究表明，一定范圍內，作物產量與灌水量呈正相關關系，即灌水在提高產量的同時能夠顯著提高水分利用效率[15]。隨著灌水量的提高經濟投入逐漸增大，經濟純收益開始降低。本研究發現，當灌水量為1200 m3·hm-2時經濟效益最高，其中以W2F3處理的純收益最高。適宜的灌水定額與灌水時期有利于促進馬鈴薯生長，提高葉片SPAD值，增加植株干物質累積量與產量，提高水分利用效率，增加經濟收益。

本文研究了膜下滴灌條件下不同灌水量及灌水次數對馬鈴薯生長指標、產量、水分利用效率、經濟效益等的影響，通過系統分析與綜合評價提出灌水定額為1200 m3·hm-2，分別在苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉積累期分4次進行灌水為適宜半干旱黃土丘陵區的馬鈴薯膜下滴灌高產節水灌溉模式。