王 斌，段喜明，孟 翀

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西 太谷 030801；2.山西省中心灌溉試驗(yàn)站，山西 文水 032100）

馬鈴薯是繼玉米、小麥、水稻之后被確定為第4 種主要糧食作物。全世界已有150 多個(gè)國(guó)家將馬鈴薯作為重要農(nóng)作物種植生產(chǎn)，總種植面積達(dá)到2 155 萬(wàn) hm2[1]。2015年，農(nóng)業(yè)部正式提出“馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略”，大大推動(dòng)了我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展[2]。山西省氣候生態(tài)條件獨(dú)特，生產(chǎn)的馬鈴薯淀粉含量高、薯塊大、商品性好，是全國(guó)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)之一，但山西有機(jī)馬鈴薯種植也存在產(chǎn)量低的問題[3]。山西省水資源嚴(yán)重短缺，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)度大，灌溉水利用效率極低，該地區(qū)馬鈴薯單產(chǎn)水平與世界先進(jìn)水平相比仍有較大差距。探求如何在高產(chǎn)、高效、節(jié)水有機(jī)農(nóng)業(yè)上走出一條新路，對(duì)發(fā)展高效低耗的生態(tài)型現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)有機(jī)馬鈴薯的節(jié)水、高效、高產(chǎn)種植模式研究很少，尤其是在干旱、半干旱地區(qū)，許多關(guān)于馬鈴薯節(jié)水高效灌溉制度的研究，一般為一年一季的秋土豆，產(chǎn)量為2.7 萬(wàn)～3.3 萬(wàn)kg/hm2，需水量為300 mm 左右。山西省文水縣當(dāng)?shù)剞r(nóng)民還處于傳統(tǒng)種植階段，馬鈴薯產(chǎn)量低、品質(zhì)差[4]。截至目前，有關(guān)溝灌、分根交替灌溉、膜下滴灌等不同灌溉模式對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響研究，主要集中在內(nèi)蒙古干旱區(qū)及河套灌區(qū)[5]、黑龍江干旱半干旱地區(qū)[6]、中原二季作區(qū)[7]、寧夏中部干旱風(fēng)沙區(qū)[8]、甘肅河西走廊地區(qū)[9]，而有關(guān)山西省內(nèi)不同灌溉模式對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響研究較少。

本試驗(yàn)將重點(diǎn)研究不同灌溉模式對(duì)有機(jī)馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育的影響，分析不同灌溉模式對(duì)土壤水熱條件的效應(yīng)，以及對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的影響，對(duì)改進(jìn)旱作區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)高效灌溉體系有一定的指導(dǎo)作用。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)田位于山西省中心灌溉試驗(yàn)站，地處呂梁市文水縣劉胡蘭鎮(zhèn)（東經(jīng) 112°12′，北緯 37°17′），海拔750 m。該地區(qū)所屬氣候類型為溫帶大陸性半干旱類型，多年平均氣溫9.5 ℃，降雨量450 mm 左右，年平均蒸發(fā)量1 563.3 mm，年累積日照時(shí)間2 303.1 h，無(wú)霜期180 d。灌溉水源為井水，灌溉條件良好。土壤 0～30，30～90，90～150 cm 分別為中壤土、重壤土、細(xì)砂土。0～100 cm 土壤平均容重 1.49 g/cm3，田間持水率為26.9%，地下水礦化度為787 mg/L，pH值為8.12；0～50 cm 土層有機(jī)質(zhì)含量0.85%，速效磷含量0.31%。

1.2 試驗(yàn)材料

供試馬鈴薯種子品種為荷蘭七號(hào)，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所提供。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組排列，共設(shè)計(jì)3 種灌溉模式，分別為溝灌、分根交替灌溉、膜下滴灌。每種灌溉模式設(shè)3 次重復(fù)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)為22.2 m×3 m。試驗(yàn)田四周設(shè)有5 m 的保護(hù)區(qū)。為了避免各個(gè)處理相互間的影響，每個(gè)處理之間設(shè)有0.5 m 保護(hù)帶。

2017—2018年試驗(yàn)期間，試驗(yàn)田播種前期一次性施農(nóng)家肥（牛糞）2.25 萬(wàn) kg/hm2、黑礬 750 kg/hm2、油渣 1 500 kg/hm2。馬鈴薯播種為機(jī)播，2017，2018年種植密度分別為5.7 萬(wàn)，4.8 萬(wàn)株/hm2，行距為寬行距60 cm、窄行距45 cm、株距為35 cm。試驗(yàn)田中耕除草3～5 次。用軟管輸水，用水表測(cè)灌水量，全生育期灌水4次（表1）。

表1 不同灌溉方式的灌溉量 mm

2017年馬鈴薯全生育期為109 d（3月25日至7月11日），全生育期總降雨量為60.1 mm，屬于枯水年。2018年馬鈴薯全生育期為111 d（4月8日至7月27日），全生育期總降雨量為248.7 mm，屬于平水年，其中成熟期降雨較多（表2），地下水位保持在2.48～4.35 m。

表2 馬鈴薯全生育期降雨量 mm

1.4 測(cè)量指標(biāo)及方法

試驗(yàn)測(cè)量指標(biāo)包含土壤含水量、單株葉面積、地溫、產(chǎn)量，具體測(cè)量方法如下。

1.4.1 土壤含水量 土壤含水量采用取土烘干法測(cè)定。每個(gè)小區(qū)在壟上隨機(jī)選取3 個(gè)點(diǎn)，測(cè)定深度為100 cm，每20 cm 一層，求其平均值獲得0～100 cm的平均含水量。每旬測(cè)定一次，分別在各旬的第一天，即 1，11，21日測(cè)定。當(dāng)降雨量大于 30 mm 時(shí)，降雨后加測(cè)一次，且灌水前后各加測(cè)一次。灌水量依據(jù)灌水定額公式進(jìn)行計(jì)算。

式中，M 為灌水量（mm）；γ 為土壤容重（g/cm3）；H 為計(jì)劃濕潤(rùn)層深度（m）；θw為土壤目標(biāo)含水率（田間持水量與設(shè)計(jì)相對(duì)含水率上限的乘積）；θ 為計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤平均含水率。

依據(jù)水量平衡方程計(jì)算馬鈴薯耗水量。

式中，（ETa）i為第i 生育時(shí)期馬鈴薯實(shí)際耗水量（mm）；Wi為馬鈴薯可利用的計(jì)劃濕潤(rùn)層第i 生育時(shí)期的總有效水量（mm）；Wi＋1為馬鈴薯可利用計(jì)劃濕潤(rùn)層第i＋1 生育時(shí)期的總有效水量（mm）；D為深層滲漏量（mm）；P 為有效降水量（mm）；K 為地下水補(bǔ)給量（mm）。

根據(jù)當(dāng)?shù)氐叵滤毁Y料顯示，地下水位在5.5 m左右，地下水位較低，因此，本試驗(yàn)不需要考慮地下水補(bǔ)給量和深層滲漏量的影響，即D＝0 mm，K＝0 mm。

1.4.2 單株葉面積 單株葉面積測(cè)定采用系數(shù)法，實(shí)際葉面積采用紙樣稱重法進(jìn)行[10-11]。每個(gè)處理隨機(jī)取3 株樣本，用網(wǎng)格法測(cè)量樣本葉面積來(lái)預(yù)估試驗(yàn)田馬鈴薯葉面積。

其中，k 為葉面積校正系數(shù)，馬鈴薯取0.76。

1.4.3 地溫 地溫采用水銀溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)定，每天8：00 測(cè)定一次。每個(gè)小區(qū)選取3 個(gè)點(diǎn)，測(cè)定深度為20 cm，每5 cm 深測(cè)定一次，最后用加權(quán)平均法計(jì)算整個(gè)土層平均地溫。

1.4.4 產(chǎn)量指標(biāo) 收獲時(shí)每個(gè)處理隨機(jī)選取30 株樣本，用浩展ACS-30 電子秤稱質(zhì)量測(cè)定薯塊質(zhì)量，通過單株樣本薯塊質(zhì)量，計(jì)算每個(gè)處理小區(qū)產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉模式對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育的影響

由表3可知，在2017年馬鈴薯全生育期內(nèi)，馬鈴薯葉面積隨著生育期推進(jìn)的變化趨勢(shì)大致為：分枝期開始生長(zhǎng)，開花期有較明顯增長(zhǎng)，薯塊結(jié)塊期生長(zhǎng)迅速且增幅較大，成熟期葉片開始枯萎脫落。在分枝期和開花期，分根交替灌溉的葉面積指數(shù)大，但與其他2 種灌溉模式無(wú)顯著差異。在薯塊結(jié)塊期和成熟期，3 種灌溉模式間都有顯著差異，且膜下滴灌葉面積指數(shù)最大。葉面積指數(shù)在后2 個(gè)生育期都比較大，說(shuō)明馬鈴薯在開花期至薯塊結(jié)塊期，生長(zhǎng)較快；在成熟期，馬鈴薯主要進(jìn)行地下塊莖淀粉的積累，地上部分葉片生長(zhǎng)達(dá)到高峰后開始枯萎。

表3 馬鈴薯不同灌溉模式下葉面積指數(shù)變化（2017年）

本研究表明，在馬鈴薯全生育期內(nèi)，膜下滴灌能顯著提高馬鈴薯生長(zhǎng)速率，增強(qiáng)作物的光合能力，其原因是膜下滴灌形成適宜的土壤水、肥、氣、熱環(huán)境，可使馬鈴薯植株長(zhǎng)勢(shì)穩(wěn)健，葉片生理機(jī)能優(yōu)化，凈光合速率增強(qiáng)，氣孔導(dǎo)度增大[12]。

2.2 不同灌溉模式對(duì)地溫的影響

地溫能夠直接影響馬鈴薯根系的發(fā)生和正常功能的發(fā)揮。據(jù)相關(guān)研究表明，在馬鈴薯全生育期內(nèi)，地膜覆蓋具有明顯的增溫效應(yīng)；就地表溫度全天變化狀況看，地溫在全天的變化幅度均以5 cm土層最為活躍，并隨土層深度增加其變化幅度明顯減弱[13]。由圖1可知，在不同深度下，地溫的變化有所差異，且在馬鈴薯生育前期，膜下滴灌的地溫最高，更適合馬鈴薯的生長(zhǎng)。3 種灌溉模式下，土壤5，10，15 cm 深度處地溫差異較大，在地表0，20 cm變化差異較小。據(jù)相關(guān)研究表明，水具有比熱容大、導(dǎo)熱性強(qiáng)的特點(diǎn)，在馬鈴薯灌溉及生長(zhǎng)發(fā)育過程中因水分蒸發(fā)及滲漏會(huì)散失一部分熱量，因此，可以通過改變土壤含水量來(lái)調(diào)節(jié)土壤溫度[11]。CHEN 等[14]在番茄覆膜試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，覆膜下的表層土壤溫度比未覆膜處理高10～20 ℃，能有效抑制有害細(xì)菌生長(zhǎng)，并能顯著提升表層土壤中礦物質(zhì)和可溶性有機(jī)物含量。PAYERO 等[15]的玉米滴灌試驗(yàn)表明，不同的灌水量能顯著影響玉米各部分干物質(zhì)分配積累、水分利用效率與最終產(chǎn)量。

2.3 不同灌溉模式對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響

從表4可以看出，2017，2018年3 種灌溉模式下，馬鈴薯產(chǎn)量差異不顯著。2017年，膜下滴灌馬鈴薯產(chǎn)量最低，為4.14 萬(wàn)kg/hm2，相比溝灌和分根交替灌溉分別降低4.2%，0.7%，但差異不顯著，樣本薯塊質(zhì)量和單株質(zhì)量的差異也不顯著；2018年，溝灌產(chǎn)量最高，為4.82 萬(wàn)kg/hm2，分根交替灌溉的產(chǎn)量最低，為4.63 萬(wàn)kg/hm2，但3 種灌溉模式下馬鈴薯樣本薯塊質(zhì)量、單株質(zhì)量和產(chǎn)量差異性均不顯著。

表4 不同灌溉模式對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量性狀的影響

2.4 不同灌溉模式對(duì)馬鈴薯水分利用效率的影響

由表5可知，2017，2018年馬鈴薯全生育期內(nèi)，膜下滴灌的水分利用效率最高，分別比溝灌、分根交替灌溉高55.37%，38.53%和36.84%，31.80%。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究顯示，膜下滴灌的馬鈴薯水分利用效率較常規(guī)灌溉高出7.5%～62.4%，這與本試驗(yàn)結(jié)果基本一致[4-5，16]。2017年，馬鈴薯全生育期耗水量變化呈現(xiàn)薯塊結(jié)塊期耗水量減少，膨大期耗水量增多，成熟期耗水量再減少的趨勢(shì)。2018年馬鈴薯全生育期內(nèi)，由于成熟期降雨量較大，為176.9 mm，因此，對(duì)成熟期耗水量產(chǎn)生了一定的影響，總體來(lái)看，本試驗(yàn)結(jié)果與王俊國(guó)[17]、劉戰(zhàn)東等[18]研究認(rèn)為馬鈴薯生育前期耗水量小、中期增大、后期耗水量又減小的研究結(jié)果基本一致。在整個(gè)生育期內(nèi)，2017年馬鈴薯在薯塊成熟期耗水量最少，2018年馬鈴薯在開花期耗水量最少，這2 a 3 種灌溉模式下的馬鈴薯產(chǎn)量差異性不顯著，說(shuō)明在開花期和薯塊成熟期，灌水量少對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量影響不大。

表5 不同灌溉模式對(duì)馬鈴薯全生育期耗水量的影響

2.5 不同灌溉模式對(duì)馬鈴薯經(jīng)濟(jì)效益的影響分析

從表6可以看出，3 種灌溉模式下的純收益差異不顯著。2017年，由于前期滴灌要進(jìn)行滴灌管鋪設(shè)，在農(nóng)資投入上開始會(huì)比溝灌和分根交替灌溉多，但在馬鈴薯全生育期內(nèi)膜下滴灌灌溉投入分別比溝灌和分根交替灌溉少16.67%，5.26%，且滴灌帶可回收利用。2018年，農(nóng)資投入上差異不大，且相對(duì)2017年農(nóng)資投入較少。根據(jù)相關(guān)調(diào)查研究，滴灌帶以舊換新，每米可獲得0.075～0.08 元差價(jià)補(bǔ)貼，每公頃地可節(jié)約成本600 多元[19-20]，因此，膜下滴灌在馬鈴薯整個(gè)生育期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益與溝灌、分根交替灌溉差異不顯著。

表6 不同灌溉模式下馬鈴薯的經(jīng)濟(jì)效益分析

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，膜下滴灌模式下馬鈴薯植株葉面積大于溝灌、分根交替灌溉處理，更有利于馬鈴薯的生長(zhǎng)。膜下滴灌模式下，馬鈴薯水分利用效率高于溝灌和分根交替灌溉，節(jié)水效果明顯。馬鈴薯在膜下滴灌模式下與溝灌和分根交替灌溉經(jīng)濟(jì)效益差異不大，但能有效減少勞動(dòng)力，減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)。