不同補充灌溉方式對降雨利用率及馬鈴薯農田蒸散特征的影響

張 永 勝

(定西市水利科學研究所，甘肅 定西 743000)

因光、雨、熱資源與馬鈴薯塊莖膨大期相吻合，耕地資源充裕肥沃且富含鉀素等特有地理氣候條件和土壤環境綜合因素，定西市具有種植高淀粉型和優質商品型、脫毒種薯等不同類型馬鈴薯的天然條件[1,2]。近年來，隨著農業節水型社會的建設和發展，膜下滴管、溝灌等節水灌溉技術在馬鈴薯種植中得到了推廣應用，但由于缺乏對馬鈴薯灌溉技術的系統研究，灌溉在馬鈴薯產業發展中的作用發揮還不夠，特別是灌溉技術與種植方式不吻合，灌溉水量與馬鈴薯生育期需水關鍵期不符合等問題，造成了田間水利用率、水分利用效率低等問題。本研究針對以上問題，重點探討膜下滴管、溝灌、畦灌等不同灌溉方式對土壤水分、農田耗水特征的影響，探討不同灌溉方式對降雨的利用率和馬鈴薯的水分利用效率的影響，旨在為定西市有限灌溉水資源高效利用和促進馬鈴薯產業進一步發展提供科學依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區狀況

試驗安排在定西市灌溉試驗站西川試驗基地，距定西市區2 km，海拔1 958 m，屬中溫帶干旱、半干旱區。年平均日照2 500 h，年均氣溫6.3 ℃，極端最高溫34.3 ℃，極端最低氣溫零下27.1 ℃，無霜期141 d，正常年降水量400 mm左右，多集中在秋季，蒸發量高達1 500 mm。土壤以黃棉土為主，有機質含量在1%～1.5%。

1.2 灌水設施田間布置

試驗設膜下滴灌、畦灌、壟作溝灌3個灌溉處理。畦灌采用小畦灌溉方式，畦塊長10 m，寬4 m，行距0.4 m、0.6 m，株距0.3 m；溝灌采用人工起壟，溝斷面為三角形，上口寬0.4 m，溝深0. 2 m，灌水溝長10 m，壟寬0.6 m，壟上種植2行馬鈴薯, 行距0.4 m、0.6 m，株距0.3 m；滴灌在播種前安裝滴灌主管、支管、 控制閥等設備，覆膜前每2行馬鈴薯中間鋪設1根滴灌帶, 行距為0.4 m、0.6 m，株距0.3 m。所有灌溉處理馬鈴薯種植密度為4 500 株/畝左右。

1.3 馬鈴薯生育期劃分

試驗用馬鈴薯材料為大西洋脫毒原種，該品種馬鈴薯有長勢強、產量高、耐儲藏運輸、適宜西北干旱地區種植等特點。按照《灌溉試驗規范》，并結合當地作物實際生育進程，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個生育階段。所有試驗小區馬鈴薯于2018年5月15日點播，6月4日出苗率達到90%以上，進入幼苗期(19 d)，6月23日進入塊莖形成期(19 d)，7月12日進入塊莖膨大期(30 d)，8月12日進入淀粉積累期(49 d)，9月28日采收，整個生育期117 d。

1.3 主要測試項目及方法

馬鈴薯耐旱性較強，在南方地區，馬鈴薯相對土壤含水率 50%～60%已屬充足供水，70%供水稍過量[3]。該試驗基地地處干旱的西北黃土高原區，田間持水率0.24%。結合當地農業生產實踐，相對土壤含水率 60%～75%為充足供水。3種灌溉方式控制生育期內土壤含水量的下限水平，具體辦法是每隔5天用土鉆取樣烘干法測定土壤水分，當土壤水分含量下降到控制下限時灌水(表1)。該試驗基地土壤容重平均值1.5 g/cm3，生育期內控制土壤水分含量的上限為18%、下限為14.4%。土壤濕潤比：畦灌為1、溝灌為0.8、滴灌為0.6，計劃濕潤層深度：畦灌為1 m、溝灌為1 m、滴灌為0.6 m，凈灌水定額：畦灌為54 mm、溝灌為37.5 mm、滴灌19.5 mm。

表1 土壤水分控制方案

2 結果與分析

2.1 不同灌溉方式土壤水分變化動態

圖1為不同灌溉方式馬鈴薯全生育期內土壤水分變化情況。3種灌溉方式馬鈴薯生育期內土壤含水率變化趨勢基本相同，表現為灌水或降雨前后上升與下降的交替出現。在播種至出苗期，土壤水分主要以棵間蒸發為主，膜下滴灌受覆膜影響，在生育期初土壤的初始含水量較高。而溝灌的灌水溝和畦灌農田裸露，棵間蒸發量大，造成苗前期土壤水分含量低，膜下滴灌具有明顯的保水性。在塊莖形成和膨大期，滴灌處理土壤水分含量峰值較溝灌高，而谷值明顯較畦灌高，能使土壤處于較濕潤的狀態，且變化幅度小，能使土壤長期處于相對事宜的水分狀態。畦灌方式，雖然灌溉水量大，但由于農田裸露，棵間蒸發量等原因，在作物需水關鍵時期土壤水分不足，并影響了后期產量形成。

圖1 不同灌溉方式馬鈴薯全生育期內土壤水分變化情況

2.2 不同灌溉方式對農田貯存降水量的影響

考慮降雨后一部分雨水在沒有滲入土壤之前形成地表徑流，從地面流失。另一部分雨水滲入土壤。滲入土壤的水量中，部分因重力作用滲漏到計劃層以下，部分轉化為土壤水分。為便于計算，將農田水量的平衡方程：

ET=(TY+ES)=P+I+G+ΔW-S-D

(1)

優化為：

ET=(TY+ES)=I+ΔW+WS

(2)

其中：

WS=P-S-D=1 000γsh(β1-β2)

(3)

式中：ET為農田蒸散量，mm；TY為作物蒸騰量，mm；ES為棵間蒸發量，mm；P為降雨量，mm；I為灌溉水量，mm；G為地下水補給水量，mm(該試驗區地下水埋深大于50 m，不考慮)；ΔW為土壤含水量變化量，mm；S為地表徑流損失水量，mm；D為深層滲漏水量，mm；WS為農田貯存降水量，mm，可通過計算降水前后計劃濕潤層土壤水分含量得到；γs為計劃濕潤層土壤干容重，t/m3，取1.5 t/m3；h為土壤計劃濕潤層深度，m；β1、β2為降雨前后土壤含水量(重量百分比)。

2018年馬鈴薯生育期內有效降雨7次，總降雨量249.6 mm。生育期內平均降水利用率溝灌66.45%，較畦灌61.98%高4.47%，較滴灌33.48%高32.97%(見圖2，表1)。主要原因是：膜下滴灌馬鈴薯種植方式為平作全膜覆蓋，降雨后部分水分可通過根孔入滲到土壤，形成土壤水，部分降雨量通過地表徑流或停留在膜上形成自由水面而蒸發，未形成土壤水，視為無效的農田水量。從生育期來看，滴灌、畦灌方式降水利用率趨勢線平緩，畦灌降水利用率隨生育期而逐漸增大，在生育期末高于溝灌。分析原因，蒸發是影響畦灌方式降水利用率主要因素。生育期前期，馬鈴薯葉面積小、氣溫高、蒸發量大，且降水后相比溝灌濕潤的農田面積更多，水分未形成土壤水易直接蒸發。在后期，受葉面積指數增大，生育期末氣溫低，蒸發量小等因素影響，降雨利用率不斷提高。

圖2 不同灌溉方式對農田有效貯存降水量的影響

表2 不同灌溉方式農田貯存降水量

2.3 不同灌溉方式對農田蒸散特征的影響

馬鈴薯農田蒸散在全生育期的變化，可通過日均耗水量在全生育期的變化來分析[4]。除畦灌在塊莖形成期外，其他處理在整個生育期日耗水強度有相同的變化趨勢，在苗期時最低，苗期到塊莖膨大期時變大，淀粉積累期時又減小，這與馬鈴薯生長發育對水分的需求規律相吻合。畦灌在塊莖形成期隨著葉面積指數增大棵間蒸發量減小，并導致日耗水強度明顯降低。2018年馬鈴薯生育期內農田蒸散畦灌最高，達283.71 mm，較溝灌257.68 mm高26.03 mm，較滴灌122.38 mm高161.33 mm。在不同的生育期，滴灌條件下日耗水強度為溝灌的1/2，為畦灌的1/3以下，具有顯著的節水性(見表3，圖3)。

表3 不同灌溉方式馬鈴薯各生育階段農田蒸散特征

圖3 不同灌溉方式馬鈴薯各生育階段日耗水強度變化

2.4 不同灌溉方式對馬鈴薯水分利用效率的影響

表4列出了不同灌溉方式在全生育期內的田間蒸散量、產量及水分利用效率。在同一土壤水分水平下，溝灌方式的產量高于滴灌的產量，畦灌方式下，馬鈴薯的產量下降顯著。從水分利用效率來看，滴灌比溝灌處理的水分利用效率高出87.69%。畦灌方式由于棵間蒸發量大，灌溉方式使土壤板結、通氣性差，進而影響根系對水分和養分的吸收，影響作物地下和地上部分的生長，影響產量形成，并最終影響作物的水分利用效率，是不可取的灌溉方式。

表4 不同灌溉方式的水分利用效率

3 結 語

(1)在同一土壤水分水平下，溝灌處理的產量高于滴灌，畦灌處理馬鈴薯產量下降顯著。從水分利用效率來看，滴灌比溝灌的水分利用效率高出87.69%。畦灌由于棵間蒸發量大，其灌溉方式使土壤板結、通氣性差，影響產量形成，是不可取的灌溉方式，在水資源緊缺的區域，要避免馬鈴薯大田漫灌的灌溉方式。

(2)馬鈴薯生育期內降水利用率溝灌66.45%，較畦灌高4.47%，較滴灌高32.97%。同時，溝灌的灌溉方式受水分入滲方式和土壤淺層干旱脅迫的影響，能使根系扎根較深，能增加根系的保水和吸水能力，有利于后期抗旱和營養物質的吸收。因此，在馬鈴薯大田試驗中，應盡量采取溝灌的補灌方式，一方面可增加馬鈴薯產量，另一方面可提高對降雨的利用率。

(3)從整個生育期來看，滴灌條件下日耗水強度為溝灌的1/2，為畦灌的1/3以下，具有顯著的節水性。因此，在水資源緊缺或在設施馬鈴薯育種產業發展中具有重要的推廣應用價值。同時，應該積極探索馬鈴薯壟上膜下滴灌等灌溉技術的研究，并設置雨水入滲溝，進一步提高雨水的利用率。