灌溉方式與壟作種植對旱地馬鈴薯水分利用效率及產量的影響

王慧杰,霍利光,李 盛,梁素明

(山西農業大學 農學院,山西 太原 030031)

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)發源于南美洲安第斯山脈,是世界上最重要的非谷類糧食作物,也是僅次于水稻、小麥、玉米的世界四大糧食作物之一[1]。我國已發展成世界第一大馬鈴薯生產國,作為“外來作物”的馬鈴薯在我國種植面積日益擴增,在我國扶貧攻堅和鄉村振興國家戰略中發揮著不可替代的作用[2]。

我國幅員遼闊,卻是世界上主要的干旱國家之一,干旱是世界上大多數馬鈴薯生產區域的重要限制因子之一。一些地區水資源缺乏、農藝節水與灌溉技術之間匹配不合理,導致馬鈴薯水分利用率低,從而造成馬鈴薯單產水平低并且不穩定,嚴重阻礙著馬鈴薯生產的發展[3-4]。為改善干旱缺水對馬鈴薯生長的不利影響,近年來,國內外專家學者就灌溉方式和耕作模式對馬鈴薯生產、產量及水分利用效應的影響進行了大量的研究[5-7],表明補充灌溉通過改變土壤水分情況,從而改變微生物數量和功能多樣性[8];起壟覆膜可以顯著改善土壤水分儲存能力,使馬鈴薯根系發達,產量增加[8-9]。因此,實施旱作節水栽培和合理的灌溉管理,以滿足馬鈴薯生長所需水分和養分、并獲得較高的養分利用效率和產量顯得極為重要[10]。提高旱作馬鈴薯產量的首要條件是盡可能滿足馬鈴薯生長發育所需的水分,目前,國內外有關馬鈴薯水分利用的研究大多是在壟作覆膜條件下進行,微灌條件下不同壟作種植對馬鈴薯水分利用效率和產量的效應研究尚少。

本試驗通過設置不同的壟面栽培和灌溉方式處理,研究不同灌溉方式下,凹型壟面集水種植方式對旱作馬鈴薯田水分利用效率及產量的影響,旨在為完善旱作馬鈴薯高產栽培技術及進一步提高馬鈴薯生產效能提供一定理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗于2019—2020年在山西省呂梁嵐縣大蛇頭鄉嵐縣福眾薯業專業合作社基地進行(東經111°21′～111°50′,北緯38°05′～38°36′)。嵐縣地處呂梁山與蘆芽山銜接處,三面青山環抱,該區氣候冷涼,光照充足,雨熱同期。該地區山地、丘陵占總面積的85%,平均海拔1 415 m,為溫暖帶季風型大陸性氣候,年均氣溫6.9 ℃,年均降水量457 mm,年有效積溫2 864 ℃,晝夜溫差大,極端高溫達39.3 ℃,極端低溫達-33 ℃,無霜期120 d左右。試驗地土壤類型為沙質土,肥力水平中等,試驗地土壤理化性質見表1。

表1 試驗地土壤基本理化性質

1.2 試驗材料

供試馬鈴薯品種為并薯26號,由山西農業大學農學院提供,被山西省農業廳遴選為2020年山西省馬鈴薯主推品種之一。

1.3 試驗設計

試驗按灌溉和壟作種植方式進行設計,灌溉方式分水力驅動帶狀噴灌(G1,圖1)和農用滴灌帶滴灌(G2,圖2)處理,根據《灌溉試驗規范》[11],并結合當地作物實際生育進程,馬鈴薯灌溉期分為幼苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉積累期4個灌溉階段,每個生育期灌水定額為380 mm3/hm2。

1.馬鈴薯;2.噴頭;3.噴頭輸送車。

1.馬鈴薯;2.滴灌帶。

壟作種植方式分常規壟型種植(M1)、凹型壟面種植(M2)和露地平作種植(M3)。其中,M1.寬窄行起壟,壟高15 cm,壟底寬80 cm,壟溝寬40 cm,1壟種植2行馬鈴薯,行距20 cm,株距25 cm,肥料施于壟背正下方,肥料距該壟馬鈴薯植株約15 cm,在壟背打孔種植馬鈴薯;M2.播種時形成壟間間隔寬度50 cm,壟高5 cm,壟面寬60 cm,壟底寬70 cm,壟面做一微溝,成弧形,溝最深處深4 cm,將馬鈴薯播種于壟面溝底兩側,播種深度距地面5 cm,每壟播種2行,行距40 cm,株距20 cm(圖3);M3(CK).平作不覆膜,常規對照種植,播種時等行距種植,行距50 cm,株距30 cm,現蕾前施肥培土成壟。每個小區面積為2.4 m×100.0 m,試驗走道及小區間距50 cm,設置保護行,共設6個處理,3次重復,隨機排列,種植密度為66 670 株/hm2。每年5月10日整地施肥,各處理均施金大地復合肥(山東金正大生態工程股份有限公司),總養分≥45.0%,N∶P2O5∶K2O為15∶18∶12,作為基肥隨播種一次性施入,施入量為900 kg/hm2。5月20日播種,種薯全部為一級脫毒種薯,除起壟方式不同外,其他農藝措施(整地、施肥、品種、播種、田間管理等)均相同,并進行同等質量的田間操作,于10月3日統一收獲[12]。

圖3 凹型壟面栽培

1.4 測定指標及方法

1.4.1 生育期記載 試驗期間觀察記載出苗期、現蕾期、開花期、成熟期以及生育期[13]。

1.4.2 土壤樣品采集 分別于播種前、出苗期、現蕾期、開花期、成熟期及收獲后從2株馬鈴薯中間采集土樣,分 0～20 cm,20～40 cm,40～60 cm,60～80 cm共4層,按試驗要求分別保存土樣,測定土壤含水量、土壤容重等指標。其中,土壤含水量采用烘干法計算[14],并將土壤含水量換算成土壤貯水量[15],即按(0～80 cm)土壤水層厚度毫米數進行計算;土壤容重采用環刀法計算[14]。

W=(W1-W2)/W2×100

①

ρ=G×100/(V×(100+W))

②

E=W×ρ×H×10

③

ETa=E1E2+P+U+I-R-F

④

WUE=Y/ETa

⑤

式中,W為土壤質量含水量(%),W1為土壤濕質量(g),W2為土壤干質量(g);ρ為土壤容重(g/cm3),G為環刀內濕樣質量(g),V為環刀容積(cm3);E為0～80 cm土層土壤貯水量(mm),E1為播前0～80 cm土層土壤貯水量(mm),E2為收獲后0～80 cm土層土壤貯水量(mm),H為土層厚度(cm);ETa為馬鈴薯全生育期實際耗水量(mm)[17-18],P為馬鈴薯生長期內降雨量(mm),I為馬鈴薯生育期內灌溉水量(mm),WUE為水分利用效率(kg/(hm2·mm))[19-20],Y為馬鈴薯鮮薯產量(kg/hm2)。由于本試驗噴灌和滴灌條件下水分入滲是不飽和入滲,無地表徑流產生,且該地地下水埋深大于2.5 m,故地表徑流量R、地下水補給量U、深層滲透水量F的值均可視為0。

1.4.3 產量及產量構成 按收獲的小區產量計算單位面積產量。每小區取20株考種,分析產量構成性狀。根據文獻[21-22]的分類方法,將單塊質量100 g以上定為商品薯,100 g以下為小薯。3次重復的平均產量作為處理產量(大、中、小薯的評價標準為:質量在250 g以上為大薯,50～250 g為中薯,50 g以下為小薯)。

1.5 數據分析

試驗采用 Excel 2010軟件進行數據處理,采用SPSS 18.0處理軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯生育期降雨量分析

2019—2020年馬鈴薯整個生育期(5—10月)內的總降雨量分別為362.4,372.4 mm,較多年平均降雨量401.4 mm分別減少了9.7%和7.2%,說明這2 a的降雨量低于多年平均值,屬于旱年。其中,大部分降雨集中在7—8月(圖4),2個月累計降雨量2019,2020年分別為216.1,287.1 mm,比累年7—8月的平均降雨量分別增加了7.7%和43.1%。7—8月為馬鈴薯塊莖形成期和塊莖增長期,此期為需水高峰期,水分供應充足才能確保薯塊快速膨大發育,因此,這個時期降雨量增加可以保證馬鈴薯生長發育所需水分。2019年9月降雨量為85.9 mm,2020年9月份降雨量1.9 mm,此時期進入薯塊淀粉和干物質積累期,水分過多容易造成馬鈴薯腐爛或減少貯藏時間。

圖4 生育期降雨量

2.2 不同灌溉與壟作對馬鈴薯生長指標的影響

由表2可知,不同灌溉處理下3種栽培模式的馬鈴薯株高、莖粗、單株主莖數、葉面積指數及單株鮮生物量表現出較大差異,同一灌溉處理下,M1、M2處理較高,且與M3處理之間差異顯著(株高、單株主莖數除外),可能是因為壟面栽培下馬鈴薯根區更易集聚水分,促進了馬鈴薯植株對水分和養分的吸收;盡管M1處理馬鈴薯地上部分生長較好,但是單株鮮生物量為1 094.8 g,卻低于M2處理的1 117.5 g,減少了7.02%,可能是由于在同樣的水量情況下,M2處理凹型壟面更易集聚雨水,根區水分狀況更好,可以充分保證馬鈴薯的生長所需,使馬鈴薯地下塊莖和地上營養器官長勢較旺盛,致使單株鮮生物量最大。相同壟作處理下,不同灌溉處理馬鈴薯生育期表現也均不同。

表2 不同處理對馬鈴薯生育期的影響

2.3 不同灌溉與壟作對土壤含水量和水分利用效率的影響

由不同處理的土壤含水量結果可知(圖5和表3),2種灌溉方式土壤含水量均隨著土壤深度的增加呈逐漸上升趨勢,各處理增幅因處理不同而不同,在土層深度為0～50 cm 時,M2處理的土壤含水量均顯著高于M2處理,說明凹型壟面栽培可以顯著提高土壤含水量;土層深度為0～20 cm 時,M2處理的土壤含水量與M1之間差異不顯著,與M3處理之間差異顯著;隨著土壤深度的增加,M2處理的土壤含水量顯著高于其他處理,這與不同生育期0～50 cm土層土壤含水量變化趨勢一致,在播種期由于耕作措施和播種是同時進行,此時的土壤含水量基本一致,0～50 cm土壤含水量為26.14%～26.83%,顯著不差異;現蕾期和開花期,土壤含水量變化趨勢增大,3種處理之間達顯著差異,M2處理最高,達56.81%,M3處理最低,為45.90%,比M2降低了10.91百分點;成熟期由于進入了淡雨季節,此時降雨量較少,馬鈴薯進入塊莖膨大期和淀粉累計期,0～50 cm土層土壤含水量明顯降低,但M2處理含水量仍為最高。說明,凹型壟面栽培的壟面弧形微溝更利于集聚雨水,從而提高土壤各土層的含水率。

圖5 不同處理不同土層土壤含水量

表3 不同灌溉與壟作處理下0～50 cm土壤含水量的變化

從表4 可以看出,2種灌溉方式不同壟作處理馬鈴薯水分利用效率差異較大,2019,2020年生育期平均降雨量為162.8 mm,G1M2和G2M2處理組合的水分利用效率分別為29.07,27.84 kg/(hm2·mm),比G1M1和G2M1處理組合的水分利用效率分別增加了8.09%和9.09%,比G1M3和G2M3處理組合分別增加了23.28%和22.05%,G1M2和G2M2處理水分利用效率顯著高于G1M1、G2M1、G1M3和G2M34種處理。在G1處理下,M1和M2處理水分利用效率、分別比M3增加了14.08%和23.28%;在G2處理下,M1和M2處理水分利用效率分別比M3增加了11.88%和22.05%。說明不同灌溉方式下,凹型壟面栽培處理均能顯著提高馬鈴薯水分利用效率,更利于馬鈴薯產量的提高,這與表3的結果分析一致。

表4 不同灌溉與壟作處理對土壤水分利用效率的影響

2.4 不同灌溉與壟作對馬鈴薯產量及其性狀的影響

由表5可知,不同灌溉方式與壟作種植對馬鈴薯產量及其構成要素表現均不同,相同灌溉條件下,M1和M2處理壟作種植馬鈴薯薯塊產量顯著高于M3處理;在G1處理下,M1和M2處理壟作種植薯塊產量分別高于M3處理的13.58%,21.92%,商品薯率為M2處理最高,達87.21%;在G2處理下,M1和M2處理壟作種植薯塊產量高于M3處理的11.50%,20.45%,商品薯率為M2處理最高,達85.42%。說明不同灌溉方式下,與對照M3處理相比,壟作栽培能顯著增加馬鈴薯產量及商品薯率,但M2壟面栽培又高于M1常規栽培處理,這是因為凹型壟面能更好地吸收保持水分,保證馬鈴薯發育及膨大期的充分用水量,從而增加馬鈴薯產量和商品薯率。

表5 不同灌溉與壟作下馬鈴薯產量及其構成要素比較

3 結論與討論

旱地馬鈴薯田進行土壤耕作和起壟處理的目的是建立馬鈴薯適宜生長的土壤環境條件,增強土壤蓄水保墑能力,充分利用灌溉水和降雨促進馬鈴薯增產[23-24]。本研究中,不同灌溉處理下,M1和M2壟作處理較M3平作處理,馬鈴薯產量和水分利用效率均有顯著提高。這可能是由于灌溉水或者降雨通過壟面頂部匯集到壟面溝底,壟溝內的集聚水能更好地流入馬鈴薯薯塊底部,保證馬鈴薯薯塊生長期充足的水分及充足的生長空間,從而為馬鈴薯生長發育創造了一個相對穩定的農田生態環境,綜合協調了影響馬鈴薯產量的各主要因子,使馬鈴薯具有良好的生長環境,從而提高了產量。孫夢媛等[24]研究表明,全膜壟作種植可改善土壤質量、提高作物產量和降雨利用率;要凱等[25]研究表明,溝壟覆膜栽培可顯著提高馬鈴薯塊莖的產量,其中全膜壟播增產幅度最高可達75%;張子義等[26]研究表明,微壟覆膜溝播處理條件下,馬鈴薯塊莖產量、塊莖淀粉含量顯著高于對照;薛俊武等[14]研究表明,在黃土高原旱地采用覆膜壟作方式種植馬鈴薯可顯著增加其產量和提高水分利用效率,而全覆單壟種植方式的經濟效益更高。本研究中,壟作栽培模式下水分利用效率與馬鈴薯產量呈線性正相關,水分利用效率越高產量越高,這與前人[11,27]研究結果相似。

綜上所述,在旱地馬鈴薯生產中,灌溉方式與壟作種植對旱地馬鈴薯田耗水特性、水分利用效率及產量均具有明顯的調控作用。在G1處理下,M1和M2處理水分利用效率、產量分別比M3增加了14.08%,13.58和23.28%,21.92%;在G2處理下,M1和M2處理水分利用效率、產量分別比M3增加了11.88%,11.50%和22.05%,20.45%,且以凹型壟作+水力驅動帶狀噴灌處理組合產量最高。而在相同壟作處理下,水力驅動帶狀噴灌的水分利用效率和產量最高。綜合考慮灌溉方式和壟作種植對旱地馬鈴薯水分利用效率和產量的調控效應,凹型壟作+水力驅動帶狀噴灌處理組合可作為適宜山西旱地馬鈴薯產量和水分利用效率同步提高的灌溉與耕作處理組合的高效栽培技術模式進行推廣應用。