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(xué)水利水電工程學(xué)院，蘭州 730070；2.甘肅定西市水利科學(xué)研究所，甘肅 定西 743000)

農(nóng)業(yè)灌溉水是我國(guó)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(yīng)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(shí)薄弱，灌溉技術(shù)不成熟等造成灌溉水浪費(fèi)嚴(yán)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(hào)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(guó)內(nèi)研究頗多。其中，王雪梅[10]以番茄為研究對(duì)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?jǐn)?shù)，提高果實(shí)品質(zhì)；徐存東[11]運(yùn)用 HYDRUS-3D模型對(duì)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(yùn)移進(jìn)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(duì)于控制鹽分的積累效果最好；馮靜霞[12]以甜椒為研究對(duì)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(duì)于定西馬鈴薯的生長(zhǎng)及品質(zhì)影響研究結(jié)果甚少，且定西市是全國(guó)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(zhǎng)發(fā)育的主要因素。引洮一期工程投入運(yùn)行，為該地區(qū)部分經(jīng)濟(jì)作物補(bǔ)充灌溉奠定了重要基礎(chǔ)。但目前該區(qū)域馬鈴薯的補(bǔ)充灌溉還處于探索階段，對(duì)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(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)和品質(zhì)的響應(yīng)進(jìn)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(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)于2018年5-9月在甘肅省定西市灌溉試驗(yàn)站西川試驗(yàn)基地(37°52′N，102°50′E海拔1 958 m)進(jìn)行。該試驗(yàn)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(shí)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?yàn)榈湫偷挠牮B(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(duì)濕度65.8%，太陽(yáng)輻射592 kJ/(cm2·a),無(wú)霜期141 d。試驗(yàn)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(yàn)田地勢(shì)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(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)3種灌水方式：常規(guī)溝灌(CFI)為對(duì)照，即CFI處理的灌水溝都進(jìn)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(rùn)和干燥；固定隔溝灌溉(FFI)，在馬鈴薯生長(zhǎng)周期內(nèi)，始終只給FFI處理相鄰兩條灌水溝的一條溝進(jìn)行灌水。3種灌水模式隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次，小區(qū)面積為10 m×12 m，種植密度為6.75 萬(wàn)株/hm2左右。根據(jù)《灌溉試驗(yàn)規(guī)范》，并結(jié)合當(dāng)?shù)刈魑飳?shí)際生育進(jìn)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(gè)生育階段(表2)；每個(gè)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(shí)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(dá)到田間持水率100%，計(jì)劃濕潤(rùn)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(dāng)其下降到水分控制下限時(shí)即進(jìn)行灌水。

表2 不同處理土壤水分控制方案 %

1.3 試驗(yàn)材料與田間管理

播種前(2018年5月8日)進(jìn)行耕地、劃分小區(qū)。根據(jù)當(dāng)?shù)厥┓式?jīng)驗(yàn)，播前施基肥為史丹利復(fù)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(zhǎng)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(diǎn)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(yàn)準(zhǔn)確，在試驗(yàn)地四周各設(shè)置1 m保護(hù)行，灌水溝兩頭筑田埂防止灌水流出。試驗(yàn)田采用人工除草，禁止踩踏壟和壟上覆蓋材料，除草時(shí)間為2018年6月15日、7月12日、8月10日。

1.4 樣品采集與測(cè)定

(1)土壤含水率測(cè)定。每隔10 d測(cè)定一次，雨前雨后及每個(gè)生育期轉(zhuǎn)折點(diǎn)加測(cè)。含水率測(cè)定時(shí)，沿溝長(zhǎng)方向在灌水濕潤(rùn)溝、壟上及未灌干溝布設(shè)3條測(cè)線，在每條測(cè)線的上、中、下游各選1個(gè)代表點(diǎn)，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(cè)定每個(gè)土層的含水率且取6個(gè)土層含水率的平均值作為該測(cè)點(diǎn)的含水率。

(2)葉面積測(cè)定。單株馬鈴薯葉面積測(cè)定時(shí)，在每個(gè)小區(qū)中隨機(jī)選取連續(xù)5個(gè)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(jì)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(shí)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(cè)定。在每個(gè)重復(fù)中隨機(jī)選定5株長(zhǎng)勢(shì)均勻的馬鈴薯，并為其編號(hào)為1-5。在馬鈴薯生長(zhǎng)的4個(gè)生育期內(nèi)，分別用卷尺測(cè)量編號(hào)1-5馬鈴薯的株高值，用游標(biāo)卡尺(精度為0.01)測(cè)量其莖粗值。

(4)產(chǎn)量測(cè)定。馬鈴薯成熟時(shí)，各處理單獨(dú)收獲。在每個(gè)重復(fù)中隨機(jī)選取5株馬鈴薯，統(tǒng)計(jì)其3個(gè)重復(fù)的單株結(jié)薯個(gè)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(gè)數(shù)和重量，各處理的實(shí)際產(chǎn)量取3個(gè)重復(fù)小區(qū)的平均值。

(5)品質(zhì)測(cè)定。品質(zhì)所測(cè)指標(biāo)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(dòng)定氮儀，旋光法采用SGW-1自動(dòng)旋光儀，熒光法采用島津RF-540熒光分光光度計(jì)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 24.0統(tǒng)計(jì)分析軟件分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；Duncan’s 新復(fù)極差法分析顯著性；采用 Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；采用隸屬函數(shù)法分別計(jì)算3種灌水模式下馬鈴薯各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬值，并將各指標(biāo)的隸屬值進(jìn)行累加，求取平均值，綜合評(píng)價(jià)各處理的表現(xiàn)[19]。計(jì)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(biāo)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(biāo)的原始測(cè)定值；Xmin、Xmax為所有處理中j指標(biāo)的最小值和最大值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溝灌方式對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)的影響

2.1.1 不同溝灌方式對(duì)馬鈴薯株高、莖粗和葉面積增長(zhǎng)速率的影響

不同溝灌方式對(duì)馬鈴薯株高、莖粗和葉面積增長(zhǎng)速率的影響如表3所示，在馬鈴薯生長(zhǎng)前期莖粗、株高及葉面積的增長(zhǎng)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(zhǎng)速率與其他兩個(gè)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(zhǎng)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(shí)，3種灌水處理下的莖粗、株高和葉面積的增長(zhǎng)速率都明顯減小，且AFI處理下的3個(gè)生長(zhǎng)指標(biāo)的增長(zhǎng)速率仍顯著(p<0.05)高于其他兩個(gè)處理，為 0.16 mm/d、0.23 cm/d、102.20 cm2/d ；出苗70 d時(shí)，3種灌水處理的馬鈴薯生長(zhǎng)指標(biāo)的增長(zhǎng)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(duì)馬鈴薯株高、莖粗和葉面積增長(zhǎng)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(biāo)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(duì)馬鈴薯經(jīng)濟(jì)性狀的比較

不同溝灌方式對(duì)馬鈴薯經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)了10.44%、40.25%；CFI處理下的單株結(jié)薯個(gè)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(gè)數(shù)、單株大薯均產(chǎn)、單株中薯結(jié)薯個(gè)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(gè)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(shuō)明不同溝灌方式直接影響馬鈴薯的經(jīng)濟(jì)性狀。

表4 不同溝灌方式對(duì)馬鈴薯經(jīng)濟(jì)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(duì)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(dá)26.99%(表5)。研究還發(fā)現(xiàn)，不同灌溉方式對(duì)其商品薯產(chǎn)量的貢獻(xiàn)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(duì)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(duì)馬鈴薯品質(zhì)的影響

不同溝灌方式對(duì)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(wú)顯著(p<0.05)性差異。

表6 不同溝灌方式對(duì)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(píng)價(jià)

本研究采用隸屬函數(shù)法對(duì) 3種灌水方式下馬鈴薯的10個(gè)產(chǎn)量與品質(zhì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。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?yàn)椋篈FI >CFI>FFI。說(shuō)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(zhǎng)前期，植株增長(zhǎng)速率較快，但未見顯著水平，在馬鈴薯生長(zhǎng)中后期，交替隔溝灌下其株高、莖粗和葉面積的增長(zhǎng)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(gè)生長(zhǎng)期存在干濕交替的過程，進(jìn)而增強(qiáng)了根部的抗旱強(qiáng)度[20]，提高了根部的吸收能力。說(shuō)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(jìn)植株生長(zhǎng)，且能達(dá)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(gè)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(gè)處理；同時(shí)，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(duì)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(jìn)而達(dá)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(zhǎng)期處于濕潤(rùn)狀態(tài)，降低了土壤的通透性，抑制了根部的均勻生長(zhǎng)，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(fèi)；固定隔溝灌溉由于非灌水溝在整個(gè)生育期都處于嚴(yán)重虧水狀態(tài)，使得根部向灌水側(cè)生長(zhǎng)，造成根部分布不均勻，影響根部對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，3種灌水方式下馬鈴薯的10個(gè)產(chǎn)量與品質(zhì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，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(duì)各個(gè)生理指標(biāo)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，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?yàn)椋篈FI>CFI>FFI。

4 結(jié) 語(yǔ)

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(duì)濕潤(rùn)狀態(tài)、而另一側(cè)處于相對(duì)干燥的狀態(tài)。兩側(cè)交替灌溉時(shí)減少了水分向深層運(yùn)動(dòng),有利于根系有效地吸收；干濕交替能促進(jìn)根系補(bǔ)償效應(yīng)的發(fā)揮,使馬鈴薯根系更具吸水能力。

在馬鈴薯整個(gè)生育期內(nèi)，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，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(zhǎng)前期其株高、莖粗、葉面積的增長(zhǎng)速率均無(wú)顯著性差異。但在生長(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)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(yīng)補(bǔ)償效應(yīng)，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(shuō)明，交替隔溝灌可以減少還原糖在馬鈴薯塊莖中的積累，進(jìn)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(dá)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(yàn)下極具推廣價(jià)值。

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