馬鈴薯節水技術研究進展及發展趨勢

詹保成梁熠郭文忠李銀坤李亮

(1.寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750000；2.北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097)

引言

馬鈴薯是我國第4大糧食作物，對保障我國糧食安全具有十分重要的作用。目前,我國馬鈴薯種植面積以及總產量居世界第1，我國馬鈴薯的主要種植區位于東北、內蒙、華北和云貴等氣候較涼的地區。馬鈴薯對土壤的適應范圍較廣，但最適合其生長的土壤是輕質土壤，馬鈴薯根系入土較淺、結構較松散，對土壤水分較敏感，在整個生育階段，特別是塊莖生長期，對水分的需求較大，需要充足的水分供給才能保證其正常生長，因此研究馬鈴薯整個生育期內的需水規律尤為重要。然而，隨著全球水資源的日益緊缺，農業灌溉用水在一定程度上受到了限制，迫切需要新的節水灌溉技術來提高馬鈴薯的水分利用效率，以期達到節水高產的目的。

由于我國淡水資源南北分布、東西分布不平衡，并且存在明顯的季節性差異，給我國農業生產帶來很大的制約因素，特別是我國西北內陸地區，淡水資源極為稀缺，是影響西北地區農業生產的限制因素。因此，探尋高效的節水灌溉技術，對于保證農業生產具有十分重要的作用。植物不同生長階段對水分的需求是不同的，探尋植物生長對水分的需求規律，探尋糧食等作物最高產量下的最優灌溉技術，對于解決水資源緊缺與糧食安全的矛盾十分關鍵。相對于傳統的漫灌技術，近些年滴灌、覆膜滴灌等技術在農業生產中得到了廣泛的應用，在節約了淡水資源的同時，也實現了對作物的精準化灌溉。

1 馬鈴薯需水規律研究

1.1 馬鈴薯不同生長階段的需水規律

水分是植物生長所必需的，植物主要通過根系吸收土壤中的水分，從而為地上部分的生長提供充足的水分。另外，植物根系對于氮磷鉀等營養元素的吸收也是以溶液的形式吸收，因此水分在一定程度上也影響營養元素的吸收利用效率。不同植物對于水分的需求不同，因此針對不同植物不同生長階段對于水分需求規律的研究，是實現精準、節水灌溉的關鍵。節水灌溉的一個關鍵技術就是在植物需要水分的時候給予植物充足的水分，因此為了實現馬鈴薯的節水灌溉，研究馬鈴薯生長階段對于水分的需求規律十分重要。

植物不同生長階段對于水分的需求不完全相同，并且不同生長階段對于水分的敏感程度也不同，一般在植物生長的苗期和生殖生長階段，植物對于水分較為敏感，此時水分缺乏，可能嚴重影響植物的生長。馬鈴薯的生長階段主要分為發芽期、苗期、莖塊形成期、莖塊膨大期和淀粉積累[1]。有研究表明，馬鈴薯在不同的生長階段對于水分的需求不同，其中，莖塊膨大期(50%)>莖塊形成期(25%)>苗期(10%)=發芽期(10%)>淀粉積累期(5%)[2]。目前，農業上主要以灌溉方式為作物生長補充必要的水分，但是不同區域氣候、降水量并不完全相同，因此不同區域馬鈴薯的灌溉制度也不完全相同。田英等對遼寧地區馬鈴薯生長階段的需水規律進行研究，結果表明，遼寧地區馬鈴薯苗期的需水量為整個生長周期需水量的10%～15%，莖塊形成期的需水量為23%～28%，莖塊膨大期的需水量為45%～50%，淀粉積累期的需水量為10%；并且對不同生長時期土壤含水率進行研究，結果表明，苗期土壤最佳持水量為65%，莖塊形成期土壤最佳持水量為75%，莖塊膨大期土壤最佳持水量為80%，淀粉積累期的土壤最佳持水量為60%～65%[3]。武朝寶等對山西臨縣地區馬鈴薯不同生長階段的需水規律進行研究，結果表明，發芽期的需水量為8%～16.6%，苗期的需水量為17.5%～19.8%，莖塊形成期的需水量為13.5%～16.6%，莖塊膨大期的需水量為25.7%～36.0%，淀粉積累期的需水量為18.6%～24.8%；并對不同時期的土壤持水量進行研究，生育期前期土壤持水量為60%～70%，生育后期土壤持水量為70%～80%[4]。陳秋帆等對云南地區春作馬鈴薯的需水規律進行研究，結果表明，云南地區馬鈴薯苗期的需水量為整個生長周期需水量的10.6%，莖塊形成期的需水量為23.3%，莖塊膨大期的需水量為58.0%，淀粉積累期的需水量為8.14%[5]。雖然不同地區氣候等條件不同，但是馬鈴薯不同生長階段對水分的需要量卻呈現一定的規律性，即在馬鈴薯生長的前期需水量較少，隨著馬鈴薯進入莖塊形成期，需水量顯著增大，并且在莖塊膨大期，需水量為整個生長期的最高峰，后期馬鈴薯對水分的需求量又開始逐漸降低。

1.2 節水灌溉對馬鈴薯生長的影響

節水灌溉是指在植物需要水分的時期為植物提供其生長需要的水量，并降低水分因為地表徑流、蒸發等引起的水分損失，從而使得水分的利用效率最高。滴灌是目前較為精準的灌溉方式，與傳統的漫灌方式不同，滴灌通過輸水管道直接把水精準輸送到植物根系，從而減少地表徑流和蒸發損耗，提高水分的利用效率[6]。而且滴灌能夠減少水分在土壤的下滲，能夠根據植物不同生長階段的根系分布，計算水分的入滲深度，從而精準地計算其滴灌量和滴灌速率，使水分精準到達植物根系區域。目前關于滴灌的研究很多，其中有研究表明,滴灌量和滴灌頻率是影響馬鈴薯生長的關鍵因素，并且滴灌頻率和滴灌量對不同生長階段的影響也不相同[7,8]。

江俊燕等對陜北地區灌溉量和灌溉周期對馬鈴薯生長的影響研究發現，灌溉周期和灌溉量對馬鈴薯的植株生長和產量具有不同的影響，灌溉量一定的情況下，灌溉周期越短，產量越高；而灌溉量越大、灌溉周期越長，植株生長越快。即通過少量多次的灌溉方式可以實現馬鈴薯的高產[9]。康躍虎等關于華北地區灌溉頻次對于馬鈴薯生長的影響研究發現，在灌溉量一定的條件下，灌溉頻次在2～8d1次的范圍內，馬鈴薯的產量隨著灌溉頻次的增加顯著增加，并且對于水分的利用效率逐漸增高[10]。尹娟等關于寧夏地區灌溉量和灌溉次數對馬鈴薯生長的研究發現，灌溉量在0～300m3·hm-2時，灌溉次數在1～3次，馬鈴薯的株高、莖粗和產量隨著灌溉次數和灌溉量的增加而顯著增高[11]。

2 節水灌溉技術

2.1 控制性根區交替灌溉(APRI)

控制性根區交替灌溉(APRI)是一種使作物部分根系土壤保持濕潤狀態，而其它部分根系保持干燥狀態的一種節水灌溉技術[12]。目前在很多作物中廣泛應用，APRI在保證作物正常光合作用的前提下，減少水分的損耗，提高水分的利用效率[13]。另外研究發現，APRI還能調節作物營養生長與生殖生長的平衡，促進根系的吸水能力，從而綜合提高水分的利用效率。同時，利用APRI技術能夠顯著提高馬鈴薯對氮素等營養元素的吸收利用效率[14]。黃仲冬等對APRI灌溉方式對馬鈴薯生長發育的影響進行研究，結果表明，與正常的滴灌方式相比，APRI灌溉方式水分灌溉量降低了25.8%，蒸騰速率和氣孔導度降低了約15%，水分利用效率提高了27.5%，而馬鈴薯光合速率和產量基本沒有變化[15]。李平等研究也表明，滴灌或者溝灌條件下，與充分灌溉相比，APRI灌溉技術均對馬鈴薯的產量無明顯影響；溝灌條件下，APRI灌溉技術水分利用效率約提高45%；滴灌條件下，APRI灌溉技術水分利用效率約提高21%；另外，研究還發現，APRI灌溉技術顯著提高氮肥的利用效率，降低土壤，特別是30～60cm土層中氮肥的殘留量[16]。宿飛飛等對APRI灌溉技術對于馬鈴薯葉片超微結構和生理生化指標的影響進行研究，結果發現，APRI灌溉技術顯著降低馬鈴薯葉片中的氣孔的密度，并且在干旱條件下能夠提前關閉氣孔，同時馬鈴薯體內的抗氧化酶POD、SOD等含量顯著提高，抗旱能力顯著提高[17]。胡超等研究表明，APRI灌溉技術能夠顯著提高馬鈴薯的品質，其中還原糖含量較低的馬鈴薯的油炸品質較高，與傳統的灌溉方式相比，APRI灌溉方式馬鈴薯中還原糖的含量約降低20%；莖塊中淀粉、粗蛋白和可滴定酸的含量是衡量馬鈴薯品質的重要指標，其含量越高，意味著馬鈴薯的品質較高，與傳統的灌溉方式相比，APRI灌溉方式的馬鈴薯莖塊中的淀粉含量約提高了1%，粗蛋白含量約提高了2%，可滴定酸含量約提高了4%[18]。

雖然控制性根區交替灌溉(APRI)在作物中的研究較多，很多研究也表明，APRI能夠顯著提高作物對水分的利用效率，能夠提高作物的抗旱能力，促進作物根系的生長發育。但是目前在馬鈴薯中的研究成果還有待深入，如，如何確定最佳進行APRI灌溉的時期等。目前多數的研究均在馬鈴薯莖塊形成期和莖塊膨大期進行APRI灌溉，但是對于其它生育期的研究較少。另外，對于APRI灌溉的灌溉水量和灌溉頻率也需要根據不同區域不同土質、降水等氣候條件進行確定。

2.2 調虧灌溉技術

調虧灌溉技術(RDI)是指在植物的生長發育過程中，通過主動為植物生長創造適度的缺水條件，從而對植物的生長發育進行調節的灌溉方式。調虧灌溉技術的理論基礎主要有根冠通信理論、生長冗余理論、水分虧缺生長補償效應以及作物有限水量最優分配理論[19]。根冠通信理論即植物根系受到水分虧缺時，水分虧缺信號會同時傳遞到地上部分，進而引起地上部分光合作用、呼吸作用等生理反應發生相應的變化[20]。生長冗余理論是指通過控制植物營養生長適當生長，調整營養生長與生殖生長的關系，從而使作物產量達到最大值[21]。水分虧缺補償理論是指水分發生一定的虧缺，會促進作物產量增加、品質改良[22]。作物有限水量最優分配理論是指通過合理的分配灌溉時期，從而使作物的產量及收益達到最大值[23]。目前很多研究表明，玉米、果樹上運用調虧灌溉理論進行灌溉，能夠顯著提高水分的利用效率[24,25]。

近些年，對于調虧灌溉理論在馬鈴薯中的研究也有很多。其中，薛道信等研究了不同生長時期水分虧缺對于馬鈴薯生長、產量以及品質的影響，結果表明，在苗期進行水分虧缺對于馬鈴薯植株生長影響顯著；在馬鈴薯莖塊形成初期輕度缺水，對馬鈴薯產量無顯著影響，但是水分利用效率則顯著提高[26]。劉錦洋等研究表明，水分虧缺對于馬鈴薯莖塊膨大期的影響最大，其次是淀粉積累期，再則是莖塊形成期；與充分灌溉相比，適度的水分虧缺，馬鈴薯的產量約降低了7.16%，但是水分利用效率和灌溉水分利用效率卻提高了7.35%和13.18%，而且與品質相關的淀粉、氨基酸、蛋白質以及維生素C含量均顯著提高[27]。李炫臻研究了在馬鈴薯莖塊形成期、莖塊膨大期、淀粉積累期3個時期進行輕度水分、中度水分虧缺以及水分虧缺后復水處理對于馬鈴薯生長的影響，結果表明，馬鈴薯莖塊形成期水分虧缺對于馬鈴薯產量的影響最小，并且能夠顯著提高水分利用效率，而其它時期水分虧缺則會嚴重降低馬鈴薯的產量[28]。

目前水分虧缺主要是以土壤含水量進行評價，一般情況下，認為土壤含水量在為田間持水量的55%～65%為輕度水分虧缺，而土壤含水量為田間持水量的45%～55%為中度水分虧缺，土壤含水量低于田間持水量的45%為重度水分虧缺，重度水分虧缺會嚴重影響馬鈴薯的生長發育以及降低馬鈴薯的產量[29-33]。

3 節水模式——膜下滴灌

膜下滴灌技術是將覆膜與滴灌技術相結合的灌溉方式。覆膜可以改變土壤的水熱條件，使土壤中水熱得到重新分布，覆膜土壤溫度一般會得到一定程度的升高，從而抑制部分蟲害和雜草的生長。近些年，對于膜下滴灌技術的研究和應用有很多，滴灌能夠有效減少水分的地表徑流，能夠精準地為植物根系補充水分；薄膜能夠減少土壤水分的蒸發，從而提高水分的高效利用[34]。

夏皖豫等對覆膜滴灌條件下土壤肥力進行研究，結果表明，與傳統的灌溉方式相比，膜下滴灌通過提高土壤中脲酶、堿性磷酸酶、轉化酶以及纖維素酶的活性，從而提高了土壤中有機質以及堿解氮和速效鉀等的含量，最終使馬鈴薯的產量約提高了107%[35]。孔偉程等關于覆膜對土壤水熱以及馬鈴薯生長的影響進行研究，結果表明，覆膜主要影響馬鈴薯苗期0～30cm土層的溫度，覆膜也主要影響苗期馬鈴薯的株高和莖粗，馬鈴薯生長后期由于植株對于太陽光的遮擋，導致覆膜的影響減弱；并且由于覆膜能夠減少土壤蟲害，因此能夠顯著提高馬鈴薯的商品率[36]。李夢露等就覆膜灌溉方式對馬鈴薯生長階段的影響進行研究，結果表明，與傳統灌溉方式相比，水分利用率約提高了65.0%，日平均溫度約提高了9.01%，馬鈴薯產量提高了1.09倍，與馬鈴薯品質相關的淀粉含量、維生素C含量以及干物質含量均顯著提高，與馬鈴薯抗逆性相關的可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白、還原糖等含量顯著下降[37]。李穎等研究相同灌溉總量條件下，不同灌溉時期不同灌溉量對馬鈴薯產量的影響，研究結果表明，在總灌水量為1725m3·hm-2條件下，不同灌溉處理對于馬鈴薯的產量沒有顯著影響，但是對于馬鈴薯中淀粉含量和脯氨酸含量影響較為顯著[38]。劉中良等研究膜下滴灌量對于馬鈴薯產量和品質的影響，結果表明，不同的灌溉量對植株高度、產量、品質以及商品率等的影響存在差異[39]。井濤等對膜下滴灌方式下馬鈴薯對于氮肥吸收規律進行研究，結果表明，膜下滴灌方式下馬鈴薯對于氮肥的吸收規律呈現“慢-快-慢”的規律[40]。梁瀟等對膜下滴灌條件下馬鈴薯對于氮肥的利用效率進行研究，結果表明，與傳統的灌溉方式相比，膜下滴灌顯著提高了氮肥的利用效率[41]。

膜下滴灌技術目前在我國農業上得到廣泛的應用，覆膜能夠顯著提高土壤溫度，從而提高作物的有效積溫，有利于作物早種，提高土地利用效率，同時覆膜也能夠有效減少土壤病蟲害的發生以及防止雜草等生長。將覆膜技術與滴灌技術相結合，可以減少病蟲害，改善土壤水文條件，從而提高作物產量。但是，目前也有研究表明，膜的顏色可能對于土壤水文條件有所不同，其中透明的薄膜和黑色的薄膜對于土壤水分運移的影響具有一定的差別。

4 總結與展望

在實際生產過程中，馬鈴薯的種植需要考慮其綜合經濟效益。馬鈴薯的總產量、馬鈴薯的商品率、品質、水分利用效率等多因素共同決定馬鈴薯種植的綜合經濟效益，因此在馬鈴薯節水灌溉研究中也需要綜合考慮這些因素，從而使節水灌溉技術更好地得到應用。

隨著各個學科和各個領域高新技術的不斷發展，馬鈴薯種植節水技術也在不斷發生革新，各種新型實用技術逐漸進入到馬鈴薯種植節水技術領域范疇。總體來說，今后的農業節水技術的發展會更明顯地體現出學科交叉及多技術融合滲透的基本特點。當前最常用到的一些節水技術，總體來說學科交叉并不突出，相應的研究也在進行中。今后產生的一些新型節水技術中，會有更多生物學、作物學、土壤學、材料學、水利工程學、信息技術學等學科相互融合。這種學科間的融合交叉會讓很多具體問題解決起來更輕松，節水技術的綜合效能也會更高。