不同灌水時期組合對膜下滴灌馬鈴薯產(chǎn)量及水分利用效率的影響

李 穎,張 勝,郝云鳳,馬軍成,王春梅,韓海軍,高 磊,高嘉勃

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2.巴彥淖爾市農(nóng)牧業(yè)科學院,內(nèi)蒙古 陜壩 015000；3.巴彥淖爾市農(nóng)牧業(yè)技術(shù)推廣中心,內(nèi)蒙古 臨河 015000；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)杭錦后旗氣象局,內(nèi)蒙古 陜壩 015000)

我國是馬鈴薯生產(chǎn)大國, 據(jù)統(tǒng)計, 2014年我國馬鈴薯種植面積達到564.7 萬hm2, 居于世界首位[1]。隨著農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化、馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的啟動和馬鈴薯加工工藝的快速發(fā)展,西北地區(qū)馬鈴薯已成為一種低投入高產(chǎn)出的糧食兼經(jīng)濟作物[2]。馬鈴薯對土壤水分的吸收利用率較低,屬淺根系作物,被認為是干旱敏感的作物[3]。近年來, 氣候暖干化嚴重,馬鈴薯最適宜區(qū)和適宜區(qū)減小35%和3%[4],馬鈴薯種植遭受干旱影響頻繁發(fā)生。水分供應不足和不合理利用成為限制馬鈴薯產(chǎn)量提升的主要因素,嚴重影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)[5-8]。因此,控制馬鈴薯生長發(fā)育期間的水分環(huán)境是馬鈴薯高產(chǎn)栽培的關(guān)鍵因素。

采用地面常規(guī)灌溉方式馬鈴薯需水量大, 采用膜下滴灌節(jié)水效果非常顯著[9]。膜下滴灌馬鈴薯技術(shù)不僅具備覆膜增溫保墑作用,還具備滴灌防滲的特點[10-11]。膜下滴灌可以減少棵間蒸發(fā)、提高灌溉用水效率、增加農(nóng)作物的產(chǎn)量,是旱作農(nóng)業(yè)的重大突破[12]。該技術(shù)有效地解決了馬鈴薯栽培過程中的灌水和施肥難題,是發(fā)展現(xiàn)代可持續(xù)農(nóng)業(yè)的必然選擇[13]。虧缺灌溉是基于作物生理特性的灌溉模式, 在不完全滿足作物需水的基礎(chǔ)上保持產(chǎn)量不減少甚至增產(chǎn), 可充分挖掘作物對水分高效利用的潛力[14],且在提高馬鈴薯塊莖產(chǎn)量和改善塊莖品質(zhì)上有著較為明顯的作用[15]。秦軍紅等[16]研究認為, 膜下滴灌馬鈴薯全生育期耗水量呈現(xiàn)出生育前期少、中期多、后期減少的近似拋物線的趨勢。各生育時期占全生育期總耗水量分別為：幼苗期10%～15%、塊莖形成期23%～28%、塊莖增長期45%～50%、淀粉積累期10%[17],馬鈴薯在塊莖膨大期和成熟期, 對水分虧缺最敏感[18]。苗期適度的水分虧缺并不會降低馬鈴薯的產(chǎn)量, 而且還會顯著地提高水分利用效率,促進馬鈴薯產(chǎn)量增加[19-20]。膜下滴灌技術(shù)結(jié)合虧缺灌溉能實現(xiàn)馬鈴薯節(jié)水、高產(chǎn)。

目前,膜下滴灌調(diào)虧技術(shù)主要用在蔬菜、水果等作物上[21-24],在馬鈴薯膜下滴灌調(diào)虧技術(shù)方面的研究較少,其相關(guān)理論體系也不夠完善。本研究通過在總灌水量及灌水次數(shù)相同的情況下,比較不同灌水時間組合處理對膜下滴灌馬鈴薯生長發(fā)育、產(chǎn)量形成和水分利用效率等方面的影響差異,確定膜下滴灌馬鈴薯灌水方案以實現(xiàn)農(nóng)田水分精確管理,為提高馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用效率提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015年在巴彥淖爾市農(nóng)牧科學院杭錦后旗園子渠試驗站進行。該站地處中溫帶大陸性季風氣候,全年日照時間為3 225 h；年大于10 ℃的有效積溫3 032 ℃,年均降水量為80～200 mm,無霜期136 d。供試土壤為壤土,pH值8.6,有機質(zhì)含量14.8 g/kg,全氮0.8 g/kg,有效磷50.6 mg/kg,速效鉀120.0 mg/kg,全鹽量0.6 g/kg。

1.2 試驗材料

試驗供試馬鈴薯品種為紫花白,供試地膜為厚度0.008 mm、寬度90.000 cm的聚乙烯吹塑農(nóng)用地膜。試驗在總灌水量為1 725 m3/hm2、灌水次數(shù)均為7次的情況下,以不灌水處理為對照(CK),分別設置4個不同灌水時期組合,用B1、B2、B3、B4表示。試驗采用隨機區(qū)組排列,3次重復,小區(qū)面積92 m2。試驗于播種時統(tǒng)一底施N 75 kg/hm2,P2O5150 kg/hm2,K2O 210 kg/hm2。于馬鈴薯塊莖形成初期(現(xiàn)蕾后)至塊莖增長初期(初花期)分2次按4∶6比例隨灌水追施N 135 kg/hm2。其他田間管理措施與一般大田相同。播種時間為 2015年4 月27日,出苗時間為5月20日。試驗灌水時期及單次灌水量組合見表1。

表1 試驗處理Tab.1 Experiment treatment m3/hm2

1.3 測定方法及指標

試驗于馬鈴薯出苗后13 d(苗期)、26 d(塊莖形成初期)、41 d(塊莖形成末期)、52 d(塊莖增長初期)、65 d(塊莖增長末期)、79 d(淀粉積累初期)、94 d(淀粉積累末期)共取樣7次。

1.3.1 植株葉面積指數(shù)的測定 首先在各小區(qū)取樣植株的全部葉片中選取一定面積大小的葉片30片,用標準面積的打孔器在其上面打孔2～3次,測定打孔器所取下的圓葉總鮮質(zhì)量,然后用上述同樣方法將圓葉烘干后測定干質(zhì)量,最后用打孔所取圓葉的總面積、總干質(zhì)量和小區(qū)所有葉片的總干質(zhì)量,換算出小區(qū)取樣植株的總?cè)~面積,最后按取樣株數(shù)算出各小區(qū)單株葉面積。葉面積指數(shù)的計算公式LAI=綠葉總面積/占地面積。

1.3.2 干物質(zhì)累積量的測定 出苗后13 d每小區(qū)取樣5株,以后每小區(qū)取樣3株,帶回實驗室洗凈、晾干植株表面水分后,分葉及葉柄、莖、塊莖3部分測定各器官鮮質(zhì)量,然后從混勻后的各器官中取100 g鮮樣在105 ℃殺青30 min,然后于80 ℃下烘干至恒質(zhì)量,測定干質(zhì)量。

1.3.3 產(chǎn)量與品質(zhì)測定 各小區(qū)除去邊行、每小區(qū)取中間膜的馬鈴薯測產(chǎn)；商品薯率=商品薯數(shù)/取樣總塊莖數(shù)×100%；淀粉含量測定：先將塊莖洗凈,晾干,從中稱出5～10 kg塊莖樣品(A),將上述樣品浸入17 ℃的水中稱質(zhì)量(B),按公式求出比重,查美爾凱爾表,得出淀粉含量；塊莖比重=塊莖在空氣中質(zhì)量(A)/A-B(同一塊莖浸入水中后的質(zhì)量)。

1.3.4 抗逆生理指標含量的取樣及測定方法 在馬鈴薯生育的前中期,取有代表性植株倒數(shù)第3片葉20片,置于裝有碎冰的冰袋中帶回實驗室放在冰箱中冷凍待測。全生育期共取樣4次。丙二醛(MDA)酶測定：硫代巴比妥酸(TBA)法；脯氨酸 (Pro)測定：茚三酮法。

1.3.5 水分利用效率的測定方法 采用農(nóng)田水分平衡方程計算不同處理的耗水狀況。水分利用效率 (WUE)=Y(kg/hm2)/ET(mm)；ET=P+I+ΔSWS-R-D,其中Y為塊莖產(chǎn)量，ET為作物總耗水量,P為馬鈴薯生長季節(jié)的降雨量,I為灌溉量,ΔSWS為播種時的土壤貯水量與收獲時土壤的貯水量之差,R為地表徑流量,D為耕層土壤水的滲漏量。在本試驗條件下,R、D都可以忽略不計。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel軟件整理數(shù)據(jù),用SAS進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水時期組合對膜下滴灌馬鈴薯葉面積指數(shù)的影響

由圖1可見,隨著生育時期的推進,各處理馬鈴薯葉面積指數(shù)逐步增加,均在出苗后65 d達到最大值,之后,葉片衰老,葉面積指數(shù)下降,總體呈現(xiàn)單峰曲線變化。在出苗后65 d時,B1的葉面積指數(shù)為4.29,比其他灌水處理高0.74～0.84,差異顯著(P<0.05)。出苗65 d之后,各灌水時期組合處理間差異不顯著,總體表現(xiàn)為B1(4.29)>B2(3.55)>B4>B3>CK。在馬鈴薯苗期,各處理葉面積指數(shù)均無顯著差異,表明苗期植株生長對水分需求較低,而進入塊莖形成期后,CK處理的葉面積指數(shù)均最低,并顯著低于其他各處理,這表明干旱會明顯抑制植株地上部的生長。

不同小寫字母表示同一時期處理間差異顯著(P<0.05)。圖2-4同。Different small letter shows the significant difference among treatments under the same period(P<0.05).The same as Fig.2-4.

2.2 不同灌水時期組合對膜下滴灌馬鈴薯干物質(zhì)累積量的影響

由表2可知,隨著生育時期的推進,馬鈴薯葉及葉柄、莖的干物質(zhì)累積量不斷增加,在出苗后65～79 d達到最大值,之后地上部干物質(zhì)量趨于穩(wěn)定,在出苗后94 d略有減少,整體表現(xiàn)出“S”形曲線變化。不灌水處理(CK)下,從塊莖形成末期開始,馬鈴薯葉及葉柄、莖的干物質(zhì)積累量在各時期保持平穩(wěn)狀態(tài),變化較小,低于其他各處理。

在出苗后13 d,各灌水處理葉及葉柄干物質(zhì)累積量均小于CK；在出苗后26 d,各灌水處理葉及葉柄干物質(zhì)累積量均大于CK；在出苗后52 d，B1處理高于其他各處理,并在出苗后65 d達到最大值,極顯著高于CK、B2、B3,表現(xiàn)為B1>B4>B3>B2>CK,在出苗后79，94 d,各處理仍以B1處理最高,與其他灌水處理無極顯著差異,但均極顯著高于CK。

表2 不同灌水時期組合對膜下滴灌馬鈴薯干物質(zhì)累積量的影響Tab.2 Effects of different combinations of irrigation under irrigation during the dry matter accumulation amount of potato g/株

注：同列不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)。表3同。

Note：The different capital letters in the same column indicate extremely significant difference(P<0.01).The same as Tab.3.

各處理莖干物質(zhì)累積量在出苗后13～26 d無極顯著差異；在出苗后41 d,各灌水處理無極顯著差異,但均極顯著高于CK；在出苗后65 d,莖干物質(zhì)累積量達最大值,以B1處理最高,極顯著高于其他各處理,表現(xiàn)為B1>B3>B4>B2>CK,之后,各灌水處理莖干物質(zhì)累積量均有下降,在出苗后79，94 d,各處理仍以B1處理最高,且極顯著高于其他各處理。其中B3、B4在出苗后52 d葉、莖干質(zhì)量有所下降,可能是由于塊莖形成末期未灌水,短時間內(nèi)水分供應不足。

馬鈴薯塊莖干物質(zhì)累積量在整個生育期都呈遞增趨勢,在出苗后26 d,CK高于其他各灌水處理,出苗后41 d,CK則低于各灌水處理,在出苗后65～79 d,各灌水處理無極顯著差異,極顯著大于CK,在收獲期(出苗后94 d)達到最大值,最終表現(xiàn)為B1>B2>B4>B3>CK,B1極顯著高于其他各處理,B4與B3差異不顯著,各灌水處理極均極顯著高于CK。

2.3 不同灌水時期組合對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

由表3可以看出,各處理塊莖產(chǎn)量以B1處理(53 246 kg/hm2)最高,表現(xiàn)為B1>B2>B3>B4>CK,各灌水處理塊莖產(chǎn)量較CK依次增加了26 058, 21 725,21 189,16 508 kg/hm2,差異極顯著,B1處理較其他3個灌水處理依次增加了4 333,4 869,9 550 kg/hm2,B1與B4差異顯著,與其他灌水處理差異未達到顯著性水平。馬鈴薯單位面積結(jié)薯數(shù)以B1處理(26.3個/m2)最高,表現(xiàn)為B1>B2>B3>B4>CK,各灌水處理之間無顯著差異,但與CK差異極顯著,說明總灌水量及灌水次數(shù)相同的情況下,不同灌水時間組合對馬鈴薯單位面積結(jié)薯數(shù)影響較小。各處理商品薯率表現(xiàn)為B1>B4>B3>B2>CK,B1處理商品薯率最高,為89.6%,各灌水處理間差異不顯著,但與CK差異均達到極顯著水平。

表3 不同灌水時期組合對馬鈴薯產(chǎn)量因子的影響Tab.3 Effects of different combinations of irrigation periods on potato yield factors

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。表4同。

Note：The different small letters in the same column indicate significant difference(P<0.05). The same as Tab.4.

2.4 不同灌水時期組合對膜下滴灌馬鈴薯水分利用效率的影響

由表4可知,膜下滴灌馬鈴薯不同灌水時期組合處理作物耗水量以B2處理為最高,達357.4 mm,比CK、B1、B3、B4處理分別高131.2,31.6,34.7,24.8 mm,表現(xiàn)為B2>B4>B1>B3>CK,B2與B4處理無顯著差異,但顯著高于CK、B1、B3,作物耗水量以CK處理為最低。各灌水時期組合處理植株水分利用效率在120.2～163.4 kg/(hm2·mm),以B1處理最高,CK處理最低,表現(xiàn)為B1>B3>B2>B4>CK,B1處理顯著高于其他處理,B1、B2、B3處理間差異顯著,且均顯著高于CK處理,B4與B2和CK處理差異不顯著。

表4 不同灌水時期組合對膜下滴灌馬鈴薯水分利用效率的影響Tab.4 Effects of different combinations of irrigation under irrigation during the potato water use efficiency

2.5 不同灌水時期組合對馬鈴薯淀粉含量的影響

由圖2可知,CK處理淀粉含量最高,為15.22%,較其他處理顯著提高了1.28～1.71百分點,各灌水處理間差異不顯著。淀粉含量大小順序各處理表現(xiàn)為CK(15.22%)>B3(13.94%)>B1(13.66%)=B2(13.66%)>B4(13.51%),B4處理淀粉含量最低可能是由于后期灌水較多。

2.6 不同灌水時期組合對馬鈴薯葉片Pro、MDA含量的影響

脯氨酸(Pro)是植株細胞內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),在一定程度上反映了植株的抗性。如圖3所示,隨著生育時期的推進,各灌水處理Pro含量均低于CK。出苗后40 d，各灌水時期組合處理無顯著差異；出苗后70 d,各處理Pro含量大小順序表現(xiàn)為CK>B2>B3>B1>B4；出苗后80 d,各處理Pro含量總體表現(xiàn)為CK>B3>B2>B4>B1。

由圖4可知,隨著植株的生長發(fā)育,葉片丙二醛(MDA)含量呈遞增趨勢,CK處理在各時期均顯著高于其他灌水處理,出苗后40～80 d,各灌水處理間差異不顯著,出苗后80 d時,MDA含量大小順序表現(xiàn)為CK(50.43 nmol/g)>B3(40.27 nmol/g)>B4(39.70 nmol/g)>B2(39.47 nmol/g)>B1(38.83 nmol/g)。

圖2 不同灌水時期組合對膜下滴灌馬鈴薯淀粉含量的影響Fig.2 Combination of different irrigation period the effects of drip irrigation under film potato starch content

圖3 不同灌水時期組合對馬鈴薯葉片Pro含量的影響Fig.3 Combination of different irrigation period effects on potato leaf Pro content

圖4 不同灌水時期組合對馬鈴薯葉片MDA含量的影響Fig.4 Irrigation time getting different combinations on potato MDA content in leaves

3 結(jié)論與討論

本研究在總灌水量相同的情況下,比較不同灌水時間組合處理對膜下滴灌馬鈴薯生長發(fā)育、產(chǎn)量形成和水分利用效率等方面的影響差異。葉面積指數(shù)隨著生育時期的推進呈單峰曲線變化,并在出苗后65 d即塊莖增長末期達到最大值,以B1處理最高,之后有小幅度的降低,此結(jié)果與秦軍紅等[16]研究相似,在馬鈴薯苗期,各處理葉面積指數(shù)均無顯著差異,表明苗期植株生長對水分需求較低。葉及葉柄、莖的干物質(zhì)累積量在整個生育期表現(xiàn)出“S”形曲線變化,在出苗后65～79 d達到最大值,且以B1處理最高,在出苗后94 d略有減少,而馬鈴薯塊莖干物質(zhì)累積量表現(xiàn)為持續(xù)增長,在出苗后94 d達到最大值,這與夏騰霄等[10]研究相似。在不同灌水時期組合中,以B1處理產(chǎn)量最高,說明苗期水分虧缺對馬鈴薯產(chǎn)量并不影響,此結(jié)果與烏蘭等[19]保持一致,本試驗中總灌水量及灌水次數(shù)相同的情況下,不同灌水時間組合對馬鈴薯單位面積結(jié)薯數(shù)影響較小,商品薯率最高為B1處理,各灌水處理間差異不顯著,但極顯著高于CK。水分利用效率表現(xiàn)為B1>B3>B2>B4>CK,B1處理顯著高于其他處理；作物耗水量以B2處理最高,CK處理最低。馬鈴薯各灌水處理間淀粉含量無顯著性差異,均顯著低于CK。隨馬鈴薯生育時期的推進,Pro含量至出苗后70 d趨于穩(wěn)定,在出苗后80 d,各處理Pro含量大小順序表現(xiàn)為CK>B3>B2>B4>B1；葉片MDA含量呈遞增趨勢,出苗后80 d有大幅度增加,各處理MDA含量大小順序表現(xiàn)為CK>B3>B4>B2>B1。

本試驗條件下,膜下滴灌馬鈴薯在總灌水量為1 725 m3/hm2時,葉面積指數(shù)、葉及葉柄和莖的干物質(zhì)累積量以B1處理最高,并在出苗65 d后達到最大值；在馬鈴薯出苗后94 d B1處理塊莖干物質(zhì)累積量極顯著高于其他各處理；B1處理塊莖產(chǎn)量、商品薯率最高,達到53 246 kg/hm2,89.6%,水分利用效率為163.4 kg/(hm2·mm),顯著高于其他處理；不同灌水時期組合處理對馬鈴薯淀粉含量無顯著影響。綜合以上分析,在追求較高的產(chǎn)量和水分利用效率的情況下,不同灌水時期組合以B1處理最優(yōu)。