不同滲灌埋深下水氮模式對(duì)旱區(qū)馬鈴薯水氮分布及利用效率的影響

賈 帥，焦炳忠，高洪香

（1.寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院（寧夏開(kāi)放大學(xué)），銀川 750021；2.寧夏水利科學(xué)研究院，銀川 750021；3.寧夏水文水資源監(jiān)測(cè)預(yù)警中心，銀川 750004）

寧夏干旱半干旱地區(qū)氣候特點(diǎn)，抑制了農(nóng)業(yè)發(fā)展，不合理的灌溉方式，對(duì)水肥耦合效應(yīng)影響較大，并且有效阻礙了灌溉水和肥料在生產(chǎn)潛力中發(fā)揮。通過(guò)選擇適宜的灌溉方式和水肥耦合，可有效改善作物生長(zhǎng)狀況，促進(jìn)作物增產(chǎn)增效，提高作物品質(zhì)和水肥利用效率[1]。馬鈴薯的生長(zhǎng)發(fā)育主要受水肥制約，水肥耦合效應(yīng)有利于旱地作物增產(chǎn)增效[2]，不同水肥組合對(duì)作物光合特性、農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量影響不同。當(dāng)前，如何通過(guò)調(diào)節(jié)水氮配比來(lái)改善作物農(nóng)藝性狀，提高產(chǎn)量和水肥利用效率，達(dá)到節(jié)水、節(jié)肥、增產(chǎn)效果，是旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重點(diǎn)研究的問(wèn)題[3]。已有研究表明，灌溉和施肥適宜組合有利于提高作物進(jìn)行光合特性和積累葉綠素含量[4,5]。滴灌條件下的水肥耦合，對(duì)作物產(chǎn)量、水分利用效率以及產(chǎn)量都有提高作用，得出高水高肥產(chǎn)量最佳[6,7]。因此，確定馬鈴薯合理的灌溉量和施氮量，對(duì)提高水氮利用率、實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)以及降低土壤氮均有明顯效果。

地下灌溉技術(shù)是一種高效節(jié)水灌溉方法，能有效地減少土壤表面的水分蒸發(fā)和肥料運(yùn)移過(guò)程的損失[8]。有學(xué)者利用地下滲灌方式對(duì)馬鈴薯[2,9]和棗樹(shù)[10]進(jìn)行研究，得出適宜的灌水方式和施氮量組合有利于作物節(jié)水節(jié)肥；涌泉根灌灌水器不同埋深對(duì)土壤NH4

+-N 影響較大，隨著埋深下移，NH4+-N 含量峰值越來(lái)越小[11]。但田間管網(wǎng)鋪設(shè)方式影響作物對(duì)水肥吸收的利用，目前，對(duì)地下滲灌管網(wǎng)布設(shè)方式、水肥灌溉模式等方面的研究甚少[12]。為此，本研究通過(guò)設(shè)置不同滲灌埋深、灌溉量和施氮量，對(duì)旱區(qū)馬鈴薯農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量及水氮利用效率進(jìn)行分析，篩選出最佳組合模式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于寧夏旱作高效農(nóng)業(yè)工程中心試驗(yàn)基地。該區(qū)域?qū)儆谥袦貛О敫珊荡箨懶詺夂颍舭l(fā)量大，年平均降水量272.6 mm，多年平均日照3 024 h，年平均氣溫8.6 ℃。試驗(yàn)區(qū)土壤為沙壤土，0～60 cm 土層田間持水率和土壤容重分別為22.25%和1.32 g/cm3。土壤理化性質(zhì)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)3個(gè)因素試驗(yàn)因素（滲灌埋深D、灌水量W 和施氮量N），每個(gè)因素3 個(gè)水平。地下滲灌管埋深分別為5、15、25 cm，灌溉定額依據(jù)當(dāng)?shù)毓喔冉?jīng)驗(yàn)值和前人研究理論值進(jìn)行設(shè)計(jì)分別為1 050、1 500、1 950 m3/hm2，施氮量分別為120、180、240 kg/hm2。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)[12]，正交試驗(yàn)方案如表2所示。

試驗(yàn)小區(qū)采用單壟雙行種植，壟寬80 cm，壟高25 cm，行距40 cm，株距40 cm。每個(gè)小區(qū)兩壟，小區(qū)長(zhǎng)40 cm，寬24 cm，各小區(qū)之間設(shè)1.5 m 寬隔離帶，9 個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共27 個(gè)小區(qū)。供試滲灌管道采用自主研發(fā)的全滲管道，內(nèi)徑φ20 mm，流量12 L/(m·h)。試驗(yàn)采用尿素提供N（46-0-0），底肥施入一定量的磷酸二銨（90 kg/hm2）和硫酸鉀復(fù)合肥（135 kg/hm2），為馬鈴薯生長(zhǎng)提供鉀肥和磷肥。

試驗(yàn)作物采用“青薯168”馬鈴薯品種，全生育期150 d左右。于5月12日進(jìn)行播種；6月5日馬鈴薯出苗；2019年10月7日收獲；全生育期內(nèi)降雨量為212.6 mm。

1.3 觀測(cè)指標(biāo)及方法

（1）作物生長(zhǎng)指標(biāo)。作物生長(zhǎng)指標(biāo)內(nèi)容包括株高、莖粗、干物質(zhì)積累量等，各生育時(shí)期取馬鈴薯地上部分鮮物質(zhì)。

（2）葉片葉綠素相對(duì)含量（SPAD）。采用便攜式葉綠素儀SPAD-502 測(cè)定，在苗期、塊莖形成期和塊莖膨大期每次灌水施肥后，選取上中下3片葉子進(jìn)行測(cè)定。

（3）土壤含水率。采用傳統(tǒng)土鉆法對(duì)0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm 土層取樣，用烘干法測(cè)其土壤含水率。

（4）產(chǎn)量Y。作物成熟后，按小區(qū)進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。

（5）作物耗水量。采用水量平衡法計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：ET為耗水量，mm；P為生育期內(nèi)降雨量，mm；I為灌水量，mm；ΔW為生育期開(kāi)始時(shí)土壤貯水量與生育期結(jié)束時(shí)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。

（6）水分利用效率：

式中：Y為馬鈴薯產(chǎn)量，kg/hm2。

（7）氮肥偏生產(chǎn)力=施肥區(qū)產(chǎn)量/施氮量。

1.4 數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Excel2010 和SPSS17.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同滲灌埋深下水氮模式對(duì)馬鈴薯干物質(zhì)積累量的影響

不同滲灌管埋深、灌水量和施氮量正交組合對(duì)馬鈴薯苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期干物質(zhì)積累量的影響如圖1所示，可以看出，各處理下馬鈴薯干物質(zhì)積累量的增量在苗期和塊莖形成期最大，塊莖膨大期干物質(zhì)積累量的增量較少；T1 和T2 處理干物質(zhì)積累量增量苗期高于塊莖形成期，其他處理均為塊莖形成期高于苗期。T6處理（滲灌管埋深15 cm、灌水量1 950 m3/hm2、施氮量120 kg/hm3）苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期3 個(gè)生育時(shí)期干物質(zhì)積累量最多，為158.42 g/株，與其他處理總累積量存在顯著差異（P＜0.05）。T1、T2、T3處理滲灌管深均為5 cm，隨著灌水量和施氮量的增加，干物質(zhì)積累量也逐漸增加，3 個(gè)處理之間存在顯著差異（P＜0.05）；在滲灌管埋深15 cm 下，灌水量越大，干物質(zhì)積累量越大，T4處理和T5 處理之間無(wú)顯著差異（P＞0.05），T5 處理比T4 處理干物質(zhì)積累量多2.98 g/株；在滲灌管埋深25 cm 下，隨著灌溉量的增加，馬鈴薯干物質(zhì)積累量先降低后增加，T7 和T9 處理無(wú)顯著差異（P＞0.05），與T8 處理存在顯著差異（P＜0.05）。各處理馬鈴薯干物質(zhì)積累量從多到少依次為T(mén)6＞T7＞T9＞T5＞T4＞T3＞T8＞T2＞T1。T1 處理在塊莖膨大期增量最小為8.8 g/株，T6處理最大為18.84 g/株，較T2處理增加了10.04 g/株。

圖1 不同水氮耦合效應(yīng)對(duì)馬鈴薯干物質(zhì)積累量的影響Fig.1 Effects of different water and nitrogen coupling effects on dry matter accumulation of potatoes

2.2 不同滲灌埋深下水氮模式對(duì)馬鈴薯葉片葉綠素相對(duì)含量的影響

滲灌管埋深下水氮耦合對(duì)馬鈴薯苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期葉片葉綠素相對(duì)含量的變化如表3所示，可以看出，各處理隨著馬鈴薯生育時(shí)期的變化，葉片葉綠素相對(duì)含量逐漸降低，T8處理從苗期到塊莖膨大期降幅最大為13.71，T9處理降幅最小為9.93；從苗期到塊莖形成期馬鈴薯葉片葉綠素相對(duì)含量降幅最大T7 處理為5.60，降幅最小為T(mén)4 處理為3.56。在滲灌管埋深一定的條件下，馬鈴薯葉片葉綠素相對(duì)含量隨著灌水量增加相對(duì)增加；埋深為5 cm 時(shí)，T1 處理在苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期生育時(shí)期馬鈴薯葉片葉綠素相對(duì)含量均最低，與T2、T3處理之間存在顯著差異（P＜0.05）。灌水量為1 050 m3/hm2時(shí)，3 個(gè)生育時(shí)期內(nèi)馬鈴薯葉片葉綠素相對(duì)含量隨著滲灌管埋深的增加逐漸增加，埋深5 cm 與埋深15、25 cm 的處理組合存在顯著差異，灌水量越大，馬鈴薯葉片葉綠素相對(duì)含量隨著滲灌管埋深的增加先增大后降低，T6 處理在各生育時(shí)期葉片葉綠素相對(duì)含量最大，分別為53.68、49.62、42.74，與其他處理均存在顯著差異（P＜0.05）。施氮量為120 kg/hm3時(shí)，葉片葉綠素相對(duì)含量隨著滲灌管埋深的增加先增大后降低，隨著灌水量的增加逐漸增大；施氮量為240 kg/hm3時(shí)，葉片葉綠素相對(duì)含量隨著灌水量的增加逐漸降低，隨著滲灌管埋深的增加逐漸增大。3個(gè)生育時(shí)期滲灌管埋深單因素對(duì)葉片葉綠素相對(duì)含量都有極顯著差異（P＜0.01），灌水量單因素對(duì)葉片葉綠素相對(duì)含量無(wú)顯著差異（P＞0.05），施氮量單因素對(duì)葉片葉綠素相對(duì)含量的影響無(wú)顯著性差異（P＞0.05）。

表3 馬鈴薯各生育時(shí)期葉片葉綠素相對(duì)含量Tab.3 The relative content of chlorophyll and nitrogen content of potato leaves at each growth stage

2.3 不同滲灌埋深下水氮模式對(duì)土壤含水量的影響

各處理馬鈴薯全生育期土壤深度0～60 cm 內(nèi)水分變化如圖2所示，可以看出，馬鈴薯土壤水分變化主要在0～40 cm 內(nèi)波動(dòng)較大；隨著滲灌管埋深的增加，最大含水率峰值從土層10 cm（埋深5 cm）到土層20 cm（埋深15 cm）再到土層30 cm（埋深25 cm）；不同埋深土層處的最大含水率隨著埋深逐漸增大，埋深5 cm 處的峰值為21.75%，埋深15 cm 處的峰值為22.31%，埋深為25 cm 處的峰值為25.17%。相同滲灌管埋深下，隨著灌溉量增加，土壤各土層的土壤含水率逐漸增加，埋深越深，相同土層的土壤含水率越高，主要是通過(guò)滲灌管道將灌溉水直接輸送到土壤中，減少了地表滴灌導(dǎo)致水分通過(guò)蒸散發(fā)散失。不同施氮量在埋深為5 cm 時(shí)，與不同灌溉量對(duì)土層土壤含水率的影響類(lèi)似，在埋深為15 和25 cm 時(shí)，施氮量對(duì)各土層土壤含水率的影響無(wú)明顯規(guī)律。

圖2 不同處理各生育時(shí)期土壤含水量分布Fig.2 The distribution of soil water content in different growth stages of different treatments

2.4 不同滲灌埋深下水氮模式對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量及水氮利用效率的影響

不同滲灌埋深下水氮模式對(duì)馬鈴薯耗水量、產(chǎn)量及水氮利用效率的影響如表4所示，可以看出，各處理馬鈴薯的耗水量隨著灌溉水量和滲灌管埋深的增加逐漸增多，灌溉量為1 950 m3/hm2下，T9 處理馬鈴薯的耗水量最高，為292.12 mm，比耗水量最小的T1 處理高70.7 mm。馬鈴薯商品薯率T6 處理最大為69.23%，T9處理次之為68.15%，T6處理與其他處理商品薯率之間均存在顯著性差異（P＜0.05），不同滲灌管埋深對(duì)馬鈴薯商品薯率影響存在差異，整體表現(xiàn)為埋深為15 cm 的商品薯率較好；隨著灌溉量增加馬鈴薯商品薯率逐漸增加，灌溉量與埋深的交互作用下，埋深為15 cm 和灌水量為1 950 m3/hm2組合商品薯率最好。

表4 馬鈴薯耗水量及水分利用效率Tab.4 Water consumption and jujube water use efficiency under coupling of water and fertilizer

隨著灌溉量的增加馬鈴薯產(chǎn)量逐漸增加，T9 處理產(chǎn)量最高為28.60 t/hm2，與T6 處理無(wú)顯著差異（P＞0.05），與其他處理均存在顯著差異（P＜0.05）；T6 處理與T7 處理無(wú)顯著差異（P＞0.05），并且馬鈴薯水分利用效率最高，與T9 和其他處理均存在顯著差異（P＜0.05），T2處理水分利用效率最小，與T3處理無(wú)顯著差異（P＞0.05），與其他處理均存在顯著差異（P＜0.05）；T6處理氮肥偏生產(chǎn)力最大為237.08 kg/kg，與其他處理均存在顯著差異（P＜0.05），氮肥片生產(chǎn)力隨著施氮量的增加逐漸降低，隨著產(chǎn)量的增加逐漸增加。滲灌管埋深單因素對(duì)馬鈴薯商品薯率、產(chǎn)量、水分利用效率都有極顯著差異（P＜0.01）；灌水量單因素對(duì)馬鈴薯商品薯率和水分利用效率存在極顯著差異（P＜0.01），施氮量單因素對(duì)氮肥偏生產(chǎn)力存在極顯著差異（P＜0.01）。

2.5 不同滲灌埋深下水氮模式對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量及水氮利用效率極差的影響

不同處理對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量和水氮利用效率的極差如表5所示，可以看出，3 個(gè)因素影響產(chǎn)量極差分別為1.91（D）、2.24（W）、0.43（N），灌水量對(duì)應(yīng)的極差最大，為2.24 t/hm2，說(shuō)明灌水量對(duì)產(chǎn)量影響高于滲灌管埋深和施氮量；埋深僅次于灌水量對(duì)產(chǎn)量的影響，施氮量因素對(duì)產(chǎn)量影響最小。滲灌管埋深因素對(duì)水分利用效率影響最大，極差為0.71 kg/m3，其次為灌水量因素，施氮量因素對(duì)水分利用效率影響最小。施氮量因素對(duì)馬鈴薯氮肥偏生產(chǎn)力影響最大，極差為110.41 kg/kg，其次為滲灌管埋深因素，灌水量因素對(duì)氮肥偏生產(chǎn)力最小。

表5 不同處理馬鈴薯產(chǎn)量和水氮利用效率的極差分析Tab.5 Range analysis of potato yield and water and nitrogen use efficiency in different treatments

3 討 論

地下滲灌管鋪設(shè)方式，對(duì)土壤含水率空間分布存在差異。灌水器附近的土壤含水率變化較大，逐漸向四周擴(kuò)散并減小[14]。地下灌溉埋深和壓力是影響土壤水分空間分布的主要因素，有研究表明微潤(rùn)灌溉埋深、壓力水頭交互作用對(duì)濕潤(rùn)半徑表現(xiàn)為H＞HD＞D[15]， 微孔滲灌埋深較淺時(shí)，土壤含水率分布主要集中在表層，主要是受到地表蒸發(fā)，水分通過(guò)土壤空隙向上擴(kuò)散較快。適宜的滲管埋深有利于作物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)[16]，本文研究表明滲管埋深15 cm有利于馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的提高，與任秋實(shí)[2,9]、王書(shū)吉[17]研究結(jié)果一致。有研究表明[9,10]，灌水量和施肥量的增加，對(duì)旱區(qū)作物的農(nóng)藝性狀有促進(jìn)作用、對(duì)產(chǎn)量有提高作用；高灌水量下，馬鈴薯產(chǎn)量、干物質(zhì)、莖粗等生理指標(biāo)明顯高于低水量，與本文得出結(jié)果一致。

在地下滲灌埋深適宜下，水肥耦合作用對(duì)作物的生長(zhǎng)主要集中合理水施能促使作物根系效應(yīng)，促進(jìn)植物的根系生長(zhǎng)發(fā)育，提高作物吸水能力，增強(qiáng)忍耐干旱能力，提高水肥利用效率。地下灌溉方式是將水分和養(yǎng)分輸送到作物根系，促使水分和養(yǎng)分的吸收，達(dá)到高產(chǎn)高效，但這種灌溉方式在高水量下，會(huì)使根系密集區(qū)域水分集中，導(dǎo)致過(guò)量的水分和養(yǎng)分流失；過(guò)高的施氮量會(huì)導(dǎo)致作物對(duì)養(yǎng)分吸收過(guò)飽和，過(guò)量的養(yǎng)分留在土壤中。高水高肥可以提高作物產(chǎn)量，但水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力都低[7,18,19]。

4 結(jié) 論

綜合考慮馬鈴薯各項(xiàng)指標(biāo)情況，選擇地下滲灌管埋深為15 cm、灌溉定額為1 950 m3/hm2、施氮量為120 kg/hm3組合，馬鈴薯商品薯率最大為69.23%，馬鈴薯產(chǎn)量較高為28.45 t/hm2，水分利用效率最高為10.91 kg/m3，氮肥偏生產(chǎn)力最大為237.08 kg/kg，是寧夏干旱地區(qū)地下滲灌馬鈴薯生產(chǎn)中適宜的灌溉方式和水氮組合。