寧夏揚黃灌區馬鈴薯水分生產函數試驗研究

任秋實，孫兆軍,2,，王 力，焦炳忠，韓 磊

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.寧夏大學資源環境學院，銀川 750021；3. 教育部中阿旱區特色資源與環境治理國際合作聯合實驗室，銀川 750021；4.寧夏(中阿)旱區資源評價與環境調控重點實驗室，銀川 750021)

馬鈴薯適應性強，產量高，經濟效益好，是世界上僅次于水稻、玉米和小麥的第四大糧食作物[1]。寧夏同心光照充足、晝夜溫差大，是馬鈴薯適宜生長的地區。該地區灌溉用水主要來自黃河，屬于寧夏揚黃灌區，由于地勢不均勻、輪灌組時間安排順序等原因，馬鈴薯關鍵需水期不能適時灌溉，導致馬鈴薯產量降低。 將有限的水資源在馬鈴薯生育期內進行科學合理的分配以獲得最佳經濟效益，關鍵在于得到馬鈴薯水分生產函數，此函數能夠反映作物產量隨水量變化的規律，是進行指導灌溉管理和灌溉經濟效益分析的基本依據[2]。建立水分生產函數及優化灌溉制度可以更合理的優化分配農業水資源。國內外學者對此進行了大量的研究。Imtiyaz等[3]發現在不同累計蒸發量條件下，不同作物的產量和水分利用效率也不相同。王永平等[4]分析了寧夏賀蘭山東麓滴灌條件下釀酒葡萄生育期耗水規律并初步建立了該區域水分生產函數模型。程衛國等[5]對水稻4 個生育期階段分別做受旱處理，選定5 種常用的水分生產函數模型作為研究對象，最終選定Jensen模型為最適宜吉林省水稻生長的水分生產函數模型，并以此建立了水分敏感指數與水稻插秧后天數之間的關系模型。前人關于馬鈴薯灌溉指標的研究，大多著重于不同灌溉施肥方式對馬鈴薯產量和品質的影響，但關于需水關鍵期調虧灌溉對馬鈴薯產量的影響的研究報道較少[6]。為此，本試驗針對寧夏揚黃灌區氣候條件，對馬鈴薯各生育期階段進行調虧灌溉，分析不同生育期階段的耗水規律，選定5 種常用水分生產函數模型作為研究對象，建立適宜的水分生產函數模型，為寧夏揚黃灌區馬鈴薯灌溉制度的優化提供基礎依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于2017 年5-9 月在寧夏同心縣王團鎮科技示范園區進行。該地區屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，全年干旱少雨，蒸發量大，年平均降水量272.6 mm，多年平均日照3 024 h，無霜期120～218 d，年平均氣溫8.6 ℃[7]。試驗前，測試試驗區土壤理化性質，試驗區土壤為沙壤土，0～60 cm土層田間持水率(FC)和土壤容重分別為22.85%和1.33 g/cm3，具體如表1所示。

表1 試供土壤的主要理化性質Tab.1 Main physical and chemical properties of tested soils

1.2 試驗設計

試驗馬鈴薯供試品種為“克新一號”，2017 年5 月18 日播種，當年9 月23 日收獲。本試驗灌溉方式為膜下滴灌，當土壤含水量達到控制下限時，開始灌水，達到目標上限停止灌水。本試驗共設置6 個水分虧缺處理(TK1～TK6)和1 個充分灌溉對照(CK),分別在馬鈴薯的塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉積累期設置了輕度水分虧缺處理(50%～60%FC)和中度水分虧缺處理(40%～50%FC)，同時設置了充分灌溉(CK)、塊莖形成期輕度水分虧缺(TK1)、塊莖膨大期輕度水分虧缺(TK2)、淀粉積累期輕度水分虧缺(TK3)、塊莖形成期中度水分虧缺(TK4)、塊莖膨大期中度水分虧缺(TK5)和淀粉積累期中度水分虧缺(TK6)共7 個處理，每個處理重復3 次，處理之間設2 m保護行。試驗設計如表2所示。

表2 試驗設計方案Tab.2 Experimental design

注：表中數字為土壤含水率占田間持水量百分比的上下限。

本試驗實行單壟雙行種植，壟中間鋪設一條滴灌帶，控制兩行馬鈴薯，試驗小區有效面積為28 m2(7 m×4 m)。對試驗地進行人工深翻20～25 cm，共施磷酸二銨、尿素和硫酸鉀復合肥225 kg(2 976.2 kg/hm2)。

1.3 觀測指標及方法

(1)各小區灌水量：試驗小區劃分結束后，布設灌水主管道以及連接滴管帶，每個小區設各自的閥門和水表，通過水表定額灌溉，灌水前后，準確記錄各小區水表的讀數。

(2)土壤含水率：采用傳統土鉆法在馬鈴薯各生育時期前后分別在各試驗小區取3 個點，分別對0～20、20～40、40～60 cm土層取樣，用烘干法測其土壤含水率。

(3)作物耗水量：采用水量平衡法計算，計算公式為：

ET=P+I+ΔSWS-R-D

(1)

式中：ET為耗水量，mm；P為植物生育期降雨量，mm；I為灌溉量，mm；ΔSWS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。本試驗條件下，R和D可忽略不計[8]。

(4)產量：作物成熟后，按小區進行測產，折合成每公頃產量。

1.4 水分生產函數模型的建立

1.4.1 模型的選用

根據馬鈴薯水分生產函數研究現狀，選用5 種常用模型對寧夏旱區馬鈴薯水分生產函數進行分析，所采用的模型有： Jensen模型、Minhas模型、Stewart模型、Blank模型、Singh模型[5,9]。

Jensen模型：

(2)

Minhas模型：

(3)

Stewart模型：

(4)

Blank模型：

(5)

Singh模型：

(6)

式中：Ya為各處理條件下的實際產量，t/hm2；Ym為正常灌溉下的產量，t/hm2；ETa為各處理條件的實際蒸發蒸騰量，mm；ETm為正常灌溉處理下的實際蒸發蒸騰量，mm；i為生育階段編號；n為模型的階段總數；m為處理數；λ及A、B、C為作物產量對缺水的敏感指數及敏感系數。

1.4.2 參數求解

以Jensen模型為例，對模型公式兩邊取對數，可得到形如Y=λ1X1+λ2X2+…+λnXn的方程組，采用最小二乘法原理和多元回歸分析求得各模型參數。

1.5 數據分析統計

試驗數據采用SPSS17.0軟件進行多重分析(LSD)和多元回歸分析。

2 結果與分析

2.1 不同灌水處理對馬鈴薯耗水量的影響

通過記錄并分析馬鈴薯生育期氣象資料，統計可知，馬鈴薯全生育期有效降雨量為202.1 mm，其中苗期有效降雨33.6 mm，塊莖形成期有效降雨31.1 mm，塊莖膨大期有效降雨34.8 mm，淀粉積累期有效降雨102.6 mm。

利用水量平衡原理計算不同虧缺灌溉處理馬鈴薯的各生育期階段耗水量和全生育期總耗水量，土壤計劃濕潤層厚度取60 cm，代入降雨量、灌水量等資料，得到馬鈴薯實際耗水量，馬鈴薯各生育期灌水量見圖1，計算結果見表3。

圖1 膜下滴灌馬鈴薯灌水量Fig.1 Irrigation amount of potato under drip irrigation and plastic film mulching treatment

從表3可以看出，馬鈴薯進入塊莖形成期后，耗水量開始增大，至塊莖膨大期達到最大，到淀粉積累期時，耗水量有所減少。馬鈴薯各生育階段CK(適水灌溉)總耗水量為433.7 mm。總耗水量最小的處理是TK5處理，即塊莖膨大期中度虧缺灌水，與CK相比有顯著差異，總耗水量為359.3 mm。TK2、TK4和TK5處理全生育期總耗水量分別較CK顯著降低9%、8%和17%。總耗水量最大的處理是TK3處理，即淀粉積累期輕度水分虧缺，總耗水為425.7 mm。為保證馬鈴薯的成活率，在苗期未做處理，故苗期各處理耗水量與適水灌溉處理之間無顯著差異。塊莖形成期，TK1和TK4處理較CK耗水量差異顯著，分別較CK低12%和26%。塊莖膨大期，TK2和TK5處理與CK耗水量之間存在顯著差異，分別比CK減少27%和38%。淀粉積累期，TK3和TK6處理分別比CK耗水量顯著降低11%和20%。

表3 膜下滴灌條件下馬鈴薯耗水量 mm

2.2 不同灌水處理對馬鈴薯產量的影響

各灌水處理下馬鈴薯產量如圖2所示。從圖2看出，TK2、TK4、TK5與CK相比有顯著差異，說明塊莖膨大期輕度水分虧缺和中度水分虧缺及塊莖形成期中度水分虧缺處理產量比充分灌溉處理產量明顯減少。由輕度水分虧缺處理(TK1、TK2、TK3)和充分灌溉處理(CK)可以看出，輕度水分虧缺處理下，TK2較CK處理產量存在顯著差異，TK2處理馬鈴薯減產最多，減產14%；TK3較CK處理產量無顯著差異，馬鈴薯減產最少，減產4%。由中度水分虧缺處理(TK4、TK5、TK6)和充分灌溉處理(CK)可以看出，中度水分虧缺處理下，TK4、TK5相對CK有顯著差異，分別減產27%和17%，說明馬鈴薯塊莖形成期和塊莖膨大期中度水分虧缺會造成明顯減產。對比塊莖膨大期水分虧缺處理(TK2、TK5)和充分灌溉處理(CK)，3個處理兩兩之間存在顯著性差異，TK5相對于TK2處理產量減少15%，TK2相對于CK處理減產14%，說明對塊莖膨大期進行不同程度的水分虧缺處理會造成明顯減產。對比塊莖形成期水分虧缺處理(TK1、TK4)和充分灌溉處理(CK)，TK1和CK、TK1和TK4之間均不存在顯著性差異，但TK4與CK之間存在顯著性差異，TK4相對于TK1處理產量減少11%，說明對塊莖形成期進行不同程度水分虧缺處理時，中度水分虧缺處理會造成明顯減產。對比淀粉積累期水分虧缺處理(TK3、TK6)和充分灌溉處理(CK)，3個處理之間差異均不顯著，TK6相對于TK3處理產量僅減少6%，說明淀粉積累期水分虧缺處理對產量的影響較小。故馬鈴薯塊莖膨大期是最關鍵生育期，若該階段缺水，會造成產量降低。馬鈴薯生育期按關鍵性由高到低為：塊莖膨大期>塊莖形成期>淀粉積累期。

圖2 膜下滴灌條件下馬鈴薯產量Fig.2 Potato yield under treatments of drip irrigation and plastic film mulching

2.3 水分生產函數敏感指數分析

根據2017年實測資料，按照選取的模型求解及參數驗證，可得到5 種模型的敏感指數值。計算結果如表4所示。

表4 各模型敏感指數Tab.4 Sensitivity index of each model

Jensen模型、Minhas模型、Stewart模型和Singh模型公式中水分敏感指數越高，缺水后Ya/Ym值越低，對缺水越敏感，即該敏感指數對應的生育階段因缺水導致的產量降低越嚴重；Blank模型公式中Bi越高，缺水后Ya/Ym值越高，對缺水越不敏感，即缺水對產量的影響越輕微[5]。

由表4可知，Jensen模型中的λ值按大小排序為：塊莖膨大期>塊莖形成期>苗期>淀粉積累期，說明馬鈴薯在塊莖膨大期對水分虧缺最為敏感，該時期缺水會導致馬鈴薯產量嚴重降低，而對苗期、塊莖形成期進行輕度缺水處理或對淀粉積累進行一定程度的缺水處理對產量的影響相對較小。另外，在該模型各階段λ值排序與馬鈴薯的生育期關鍵性排序是一致的，因此，Jensen模型比較適用于模擬寧夏揚黃灌區馬鈴薯的需水情況。

Minhas模型和Stewart模型公式中的參數值按大小排序：塊莖膨大期>淀粉積累期>塊莖形成期>苗期，說明馬鈴薯在塊莖膨大期對缺水最敏感，其次是淀粉積累期，塊莖形成期和苗期對缺水相對不敏感，與馬鈴薯的水分生理特性以及灌溉的實際經驗和生育期關鍵性排序不符，故此兩種模型不適用于模擬寧夏同心縣馬鈴薯的需水情況。

Singh模型公式中的參數從高到低排序：塊莖形成期>淀粉積累期>塊莖膨大期>苗期，表明塊莖形成期對水分虧缺最敏感，淀粉積累期和塊莖膨大期次之，與馬鈴薯的生理特性完全不符。苗期參數為負值，表示苗期缺水能夠促進馬鈴薯產量的增加。所以Singh不適合作為寧夏揚黃灌區馬鈴薯水分生產函數模型。

Blank模型公式中Bi值由低到高排列順序為：塊莖形成期<苗期<塊莖膨大期<淀粉積累期，表示馬鈴薯在塊莖形成期缺水減產最大，苗期次之，且苗期與塊莖形成期的水分敏感指數相差不大，說明這兩個階段對缺水的敏感性基本相同，這與馬鈴薯的需水特性是矛盾的。另外，Blank模型加法模型只能反映某一階段缺水對產量的影響，沒有考慮某一階段缺水對之后其他階段的影響，與作物生長特性不符。故Blank模型不適合做寧夏揚黃灌區馬鈴薯水分生產函數模型。

3 結 論

本試驗通過對寧夏揚黃灌區馬鈴薯不同生育階段進行不同水分虧缺處理，建立寧夏揚黃灌區馬鈴薯水分生產函數模型，同時對馬鈴薯耗水量和產量進行分析。試驗研究發現馬鈴薯生育期耗水量呈現先增大后減小的單峰曲線，塊莖膨大期耗水量達到峰值，約占全生育期耗水量的30%～40%。這與武朝寶等[10]的馬鈴薯需水量和灌溉制度試驗研究相符。王瑞萍等[11]研究不同生育階段水分虧缺對河套蜜瓜產量和品質的影響，發現水分脅迫對作物具有減產的效果，水分脅迫越嚴重，作物減產越明顯，這與本試驗結論基本一致。馬鈴薯塊莖膨大期中度虧缺處理產量最低，說明作物的果實膨大期是作物生長發育的關鍵時期，這與沈暉等[12]關于壓砂地甜瓜水分生產函數試驗研究得出的結論基本相符。

不同區域的氣候條件、土壤條件等因素會對作物水分生產函數產生影響，因此本試驗結果適用與寧夏揚黃灌區馬鈴薯調虧灌溉，尤其對寧夏同心縣王團鎮馬鈴薯灌溉制度的優化具有重要意義。但是，試驗僅以“克新一號”馬鈴薯作為試驗材料，對其他品種的馬鈴薯是否在耗水特征等指標上仍然表現出類似的結果，還有待拓展探究。試驗僅進行一年，當氣候條件、土壤條件、種植結構發生變化時，馬鈴薯的水分生產函數是否表現出同一規律，仍需在生產實踐中進一步去驗證。

馬鈴薯塊莖膨大期耗水量最大，塊莖形成期次之，淀粉積累期耗水量最小。馬鈴薯塊莖形成期中度調虧處理和塊莖膨大期輕度、中度調虧處理會造成馬鈴薯不同程度的減產，塊莖形成期輕度調虧處理及淀粉積累期輕度、中度調虧處理對馬鈴薯產量無顯著影響。馬鈴薯生育期按關鍵性排序：塊莖膨大期>塊莖形成期>淀粉積累期。對5種常用的作物水分生產函數進行建模分析比較，Jensen模型馬鈴薯水分敏感指數大小排列順序與其生育期關鍵性排序基本吻合，更適用于模擬寧夏揚黃灌區馬鈴薯的需水情況。寧夏揚黃灌區馬鈴薯Jensen水分生產函數模型如下式所示。

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