內(nèi)蒙古馬鈴薯生產(chǎn)體系中水分管理的問題及對(duì)策

陳玉珍，溫淑慧，王永明，賈立國，樊明壽

(1.呼和浩特民族學(xué)院環(huán)境工程系，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019； 3.烏海市園林局，內(nèi)蒙古 烏海 016000；4. 烏海市北辰園林綠化有限公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000

內(nèi)蒙古是我國馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)，由于地處我國北部，光照充足、晝夜溫差大，且當(dāng)?shù)赝寥蕾|(zhì)地疏松，非常適宜馬鈴薯的生長，有其他省區(qū)不可比擬的優(yōu)勢，在全國馬鈴薯生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位，近10年來種植面積逐年增加，2010年已超過66.67萬hm2。隨著“馬鈴薯主糧化”國家戰(zhàn)略的提出，內(nèi)蒙古將在國家糧食安全方面發(fā)揮愈加重要的作用。但是當(dāng)?shù)伛R鈴薯的單產(chǎn)水平卻低于全國平均水平，究其原因，水分不足和不合理利用是其主要的限制因素。因此，針對(duì)產(chǎn)區(qū)是否具有灌溉條件而采取針對(duì)性的措施提高馬鈴薯水分利用效率，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)與水分高效利用是內(nèi)蒙古馬鈴薯生產(chǎn)亟待解決的重大問題。

1 馬鈴薯水分需求

水分是馬鈴薯植株體內(nèi)含量最高的組分，植株有機(jī)體的含水量為70%～90%，塊莖的含水量為75%～80%。馬鈴薯的蒸騰系數(shù)為400～600，即每形成1 kg干物質(zhì)需要消耗水400～600 kg，每形成1 kg鮮塊莖需要耗水100～150 kg[1]。在田間生產(chǎn)條件下，供水量達(dá)到350～500 mm才能滿足馬鈴薯整個(gè)生長季對(duì)水分的需求，供水量每增加1 mm產(chǎn)量就會(huì)增加100 kg/hm2，但因氣候、土壤和品種遺傳特性的不同而有所差異。

馬鈴薯不同時(shí)期對(duì)水分的需求程度不同，芽條生長期的耗水量為1.5～2.8 mm/d, 該時(shí)期缺水會(huì)導(dǎo)致種薯腐爛，萌發(fā)后幼莖伸長過程中死亡，幼莖頂端膨大形成“夢生薯”等現(xiàn)象[2,3]。 隨著生育時(shí)期的推進(jìn)對(duì)水分的需求逐漸增加，日耗水量從幼苗期的1.7～3.1 mm，塊莖形成期的2.8～5.6 mm到塊莖膨大期達(dá)到4.8～5.9 mm，淀粉積累期時(shí)下降為3.5～4.9 mm，可見塊莖膨大期是馬鈴薯需水量最大的時(shí)期[2]。

2 旱作馬鈴薯水分管理

內(nèi)蒙古干旱少雨，當(dāng)?shù)氐鸟R鈴薯主要以雨養(yǎng)(旱地播種)為主，播種面積占馬鈴薯總面積的70%，具有灌溉條件的面積占30%，其中大水漫灌水澆地占5%，滴灌占15%，噴灌占10%[4]。 陰山丘陵地區(qū)的烏蘭察布市，呼和浩特市和包頭市是內(nèi)蒙古馬鈴薯的主產(chǎn)區(qū)，其中烏蘭察布市是全國馬鈴薯種植面積最大的地級(jí)市，常年種植面積在26.67萬hm2以上，占全區(qū)馬鈴薯播種面積40%。但是該地區(qū)的年降水量一般在400 mm以下，是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)[5]。另外，該地區(qū)還存在無效蒸發(fā)量大，無效降雨頻率高，有限的降雨得不到有效利用等問題，水分不足加上栽培技術(shù)落后，進(jìn)一步導(dǎo)致內(nèi)蒙古雨養(yǎng)馬鈴薯水分利用率降低。20世紀(jì)80年代以來，提出了雨水工程匯集技術(shù)，在提高降水利用效率方面起到了一定作用。然而，現(xiàn)有水資源的增產(chǎn)潛力遠(yuǎn)沒有充分發(fā)揮。針對(duì)雨養(yǎng)馬鈴薯水分利用方面存在的問題，應(yīng)該開展以“集、蓄、保、用”為指導(dǎo)方針的雨養(yǎng)馬鈴薯水分高效利用技術(shù)的研發(fā)與推廣。

所謂的“集”就是增加馬鈴薯田對(duì)雨水的收集能力，采取的主要措施是改進(jìn)栽培模式。溝壟集雨是雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)一種重要雨水收集栽培技術(shù)，通過對(duì)地表進(jìn)行起微小壟狀突起，利用集雨壟面將降雨匯集至溝側(cè)，之后水分向溝中聚集，被聚集的降水慢慢向溝中土壤滲入，進(jìn)而使種在溝中的作物得到生長所需水分[6,7]。通過在壟上覆膜增加雨水的匯集能力而形成的壟膜溝播技術(shù)在許多作物上都取得了良好的效果，且對(duì)集雨效果、不同壟溝寬比例及產(chǎn)量效應(yīng)等做了深入研究[8-13]。在馬鈴薯上研究結(jié)果表明，以全膜雙壟在M型大壟壟上種植和全膜雙壟在大壟壟側(cè)種植兩種模式的集雨效果較好，馬鈴薯塊莖產(chǎn)量較露地寬窄行起壟覆膜方式分別增產(chǎn)64.94%和52.20%[14]。Qin等比較了不同壟溝覆膜栽培方式下馬鈴薯田集雨與產(chǎn)量效果，結(jié)果顯示在甘肅地區(qū)全膜覆蓋增產(chǎn)36.3%～86.8%，水分利用效率提高65.8%～83.9%[15]。課題組在多年研究的基礎(chǔ)上，提出了適合內(nèi)蒙古馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)土壤特性的微壟覆膜溝播模式，即起壟高不超過10 cm的微壟，壟上覆膜以期實(shí)現(xiàn)既能匯集雨水，又不致使根系和塊莖生長環(huán)境變差的目的，研究結(jié)果顯示該模式具有顯著的集雨效果[16,17]。

所謂“蓄”就是增加土壤對(duì)水分的容納能力，主要通過施加有機(jī)肥改善土壤結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。早在1998年Haynes和Naidu就對(duì)有機(jī)肥添加對(duì)土壤物理性狀的影響做過綜述，指出有機(jī)肥可以增加土壤孔隙的數(shù)量和體積，從而增加土壤的孔隙度和蓄水能力[18]。Miller等在加拿大半干旱地區(qū)的研究表明，通過在土壤中添加牛糞(折合17 g/kg有機(jī)碳)可以顯著的提高土壤水分導(dǎo)度和蓄水能力[19]，Blair等在德國和英國分別添加 20和14 g/kg有機(jī)碳得出了同樣的結(jié)論[20]。國內(nèi)在有機(jī)肥對(duì)土壤蓄水能力方面的研究很早就有報(bào)道，梁銀麗的研究指出有機(jī)膠體的吸水能力是黏土礦物的5～10倍，土壤有機(jī)質(zhì)含量從10 g/kg提高到15 g/kg可以減少40%的蒸發(fā)量。土壤蓄水能力大小取決于土壤孔隙度的數(shù)量、大小和比例，而有機(jī)質(zhì)可以直接影響土壤的容重和孔隙度，顯著增加土壤蓄水潛力[21]。

所謂“?！本褪前淹寥乐幸延械乃直４嬖谕寥缼熘?，生產(chǎn)中的主要措施包括覆蓋栽培和保水劑的使用。根據(jù)覆蓋所采用材料的不同分為地膜覆蓋，石礫覆蓋，有機(jī)物覆蓋和生態(tài)墊覆蓋等，這些覆蓋方式均證明具有抑制土壤水分蒸發(fā)和保墑的作用，可以明顯的提高土壤含水率[22,23]。其中地膜覆蓋在馬鈴薯生產(chǎn)上應(yīng)用的最為廣泛，研究也相對(duì)較為深入。秦舒浩等比較了不同覆膜方式下0～50 cm土層馬鈴薯全生育期的土壤水分的動(dòng)態(tài)變化，結(jié)果顯示不同覆膜方式下的土壤貯水量均顯著高于露地平作[24]。王穎慧在內(nèi)蒙古雨養(yǎng)馬鈴薯上的研究表明，平作覆膜不僅可以增產(chǎn)約1 000 kg/hm2，而且全生育期比露地平作多保水10 mm[25]。保水劑是一種具有超高吸水和保水能力的高分子聚合物(SAP),它能夠吸收超過本身重量成百上千倍的純水，而且所吸持的水分85%以上可以被作物利用，因此許多科學(xué)家在干旱半干旱地區(qū)開展了保水劑的研發(fā)和應(yīng)用研究。干旱脅迫下使用保水劑可以使馬鈴薯的產(chǎn)量和水分效率分別提高15.4%和56.8%[26]。李倩等在內(nèi)蒙古雨養(yǎng)馬鈴薯區(qū)的研究表明，秸稈覆蓋、覆膜和保水劑的使用均可以起到保水和緩減干旱的作用，相比而言秸稈覆蓋的保水效果最好[27]。

所謂“用”就是把土壤中的水分最大程度的貢獻(xiàn)給作物形成產(chǎn)量，主要的農(nóng)藝措施包括合理密植，水肥耦合等。建立高光效低耗水的群體結(jié)構(gòu)是作物節(jié)水高產(chǎn)栽培的核心內(nèi)容，干旱會(huì)限制新葉的形成和加速葉片的衰老速度，從而影響馬鈴薯冠層結(jié)構(gòu)的構(gòu)建[28,29]。干旱條件下，合理的馬鈴薯群體結(jié)構(gòu)有利于植株對(duì)光能、水分和養(yǎng)分利用效率的提高，促進(jìn)個(gè)體健壯發(fā)育而獲得高產(chǎn)。另外，旱作條件下合理的施肥可以擴(kuò)大根系的延伸范圍，增強(qiáng)根系綜合活力，而且在干旱條件下，施肥能夠提高土壤水勢而增加土壤水分的有效性，使土壤中部分“無效水”有效化，作物可以從土壤中吸收到更多的水分[30,31]。大量的研究表明，雨養(yǎng)條件下隨著降雨量的增加肥料的生產(chǎn)效率提高，而隨著施肥量的增加水分利用效率亦相應(yīng)提高，水肥之間存在著“以肥調(diào)水，以水促肥”的耦合效應(yīng)，在雨養(yǎng)馬鈴薯上合理施肥可以實(shí)現(xiàn)高效用水的目的。

3 灌溉馬鈴薯水分管理

隨著生產(chǎn)模式的不斷轉(zhuǎn)變，內(nèi)蒙古具有灌溉條件的耕地面積呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，1992年全區(qū)有灌溉條件的耕地為155.13萬hm2，2007年時(shí)總的灌溉面積達(dá)到351.12萬hm2，到2009年以噴灌和膜下滴灌為主的設(shè)施馬鈴薯面積就達(dá)7萬hm2[32]。而增加的灌溉面積的水源主要是來自于深井地下水，但是內(nèi)蒙古地下水的儲(chǔ)量并不豐富，如果不合理的進(jìn)行利用，必然會(huì)導(dǎo)致地下水枯竭等嚴(yán)重的環(huán)境問題，甚至還會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的社會(huì)問題。因此，在具有灌溉條件的地區(qū)開展針對(duì)馬鈴薯生育特性的節(jié)水管理技術(shù)意義重大。不同于雨養(yǎng)馬鈴薯所采取的對(duì)策，灌溉馬鈴薯主要是通過“3R”策略(Right mode，Right timing和Right rate)，即基于正確的灌溉模式，正確的灌溉時(shí)間和正確的灌溉量對(duì)灌溉水進(jìn)行有效的管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)水分的高效利用。

首先要選擇合適的灌溉模式(Right mode),常見的灌溉模式有漫灌，噴灌和滴灌。許多研究均表明，滴灌與其他兩種模式相比節(jié)水效果最好[33,34]。其中，覆膜和滴灌結(jié)合形成的膜下滴灌效果更佳，秦永林等通過在陰山北麓不同灌溉模式進(jìn)行系統(tǒng)比較研究發(fā)現(xiàn)，膜下滴灌的馬鈴薯產(chǎn)量分別比漫灌、噴灌和露地滴灌增加35.7%、26.0%和12.9%, 水分利用效率分別增加200.2%、91.8%和23.7%，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量和水分效率的協(xié)同提高，該模式目前已經(jīng)在當(dāng)?shù)卮竺娣e推廣應(yīng)用[35]。非充分灌溉技術(shù)是基于作物生理特性而創(chuàng)立的節(jié)水灌溉技術(shù)，即在作物需水非敏感期進(jìn)行灌水量控制，將節(jié)省下來的水用于更大面積上作物需水敏感期的灌溉供應(yīng)[36]。本課題組的研究表明，苗期進(jìn)行非充分灌溉可以顯著的提高馬鈴薯的產(chǎn)量和水分利用效率[36,38]。另外，分根交替灌溉作物一種節(jié)水灌溉模式在許多作物上取得了成功，可以在不顯著減少作物產(chǎn)量(甚至增產(chǎn))的條件下顯著的提高水分利用效率[39,40]。Liu等的研究表明通過分根交替灌溉馬鈴薯的產(chǎn)量提高10%，水分利用效率提高37%，實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的協(xié)同提高[41,42]。謝開云等在甘肅與內(nèi)蒙古兩個(gè)半干旱馬鈴薯種植區(qū)的研究也顯示，通過分根交替灌溉可以節(jié)約一半的灌水量，但是塊莖的產(chǎn)量與充分灌溉相比并沒有降低[43]。

其次，合適灌溉時(shí)期(right timing)的選擇是灌溉馬鈴薯水分高效利用另一重要策略。灌溉時(shí)期的選擇首先要遵循馬鈴薯對(duì)水分的需求規(guī)律，研究表明馬鈴薯苗期需水量占全生育期10%～15%，塊莖形成期耗水量占全生育期的23%～28%以上，塊莖膨大期耗水量占全生育期的45%～50%以上，淀粉積累期則不需要過多的水分，該時(shí)期耗水量約占全生育期的10%[44]。但是并不是各個(gè)時(shí)期都有必要充分滿足其水分的需求，如上所述，苗期適度的水分虧缺并不會(huì)降低馬鈴薯的產(chǎn)量，而且還會(huì)顯著的提高水分利用效率[38]。塊莖形成期(地上部為開花時(shí)期)是馬鈴薯對(duì)水分的敏感期，塊莖形成期和膨大期對(duì)馬鈴薯塊莖形成而言均是對(duì)水分需求的關(guān)鍵時(shí)期，這些時(shí)期如果水分供應(yīng)不足就會(huì)顯著的降低馬鈴薯塊莖的產(chǎn)量，因此要盡可能滿足其對(duì)水分的需求[36,44,45]。

最佳灌溉量(Right rate)對(duì)馬鈴薯水分管理至關(guān)重要，但同時(shí)也是生產(chǎn)中最難以控制的指標(biāo)。因?yàn)槠洳粌H因馬鈴薯發(fā)育時(shí)期和品種不同而有差異，而且受到生長狀況，氣候和土壤類型等多種因素影響。Ahmadi等通過比較粗砂土、砂壤土和壤砂土在不同灌溉模式下對(duì)產(chǎn)量和水分利用的影響，發(fā)現(xiàn)在充分灌溉條件下壤砂土培養(yǎng)可以獲得最高的塊莖產(chǎn)量[46]。不同灌溉方式下的灌溉量也有較大的差異，有研究表明可以用-25 kPa水勢處理下的騰發(fā)量作為滴灌馬鈴薯的參照騰發(fā)量，據(jù)此可用20 cm蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量作為灌溉計(jì)劃的參考量，而不同模式下該指標(biāo)值也有所差異[47]。另外，可以通過控制土壤含水量下限的方法指導(dǎo)灌溉量，馬鈴薯最適的土壤水分下限為苗期65%，塊莖形成期75%，塊莖膨大期80%，淀粉積累期60%～65%[37]。本課題組在試驗(yàn)條件下通過控制土壤水分下限的方法來確定灌溉量達(dá)到了很好的效果，但是該方法在生產(chǎn)上應(yīng)用又存在操作繁瑣和實(shí)時(shí)性差的問題。

高光譜診斷技術(shù)憑借其快速、有效和非破壞性等優(yōu)勢，有望成為馬鈴薯水分實(shí)時(shí)監(jiān)測和推薦灌水量的主推技術(shù)。在玉米上的研究發(fā)現(xiàn)，植株對(duì)紅光的吸收程度可以較好地反映植株體內(nèi)的水分狀態(tài)，水分含量高時(shí)冠層的反射率低[48]。在小麥上的研究顯示，在741～930 nm(近紅外線) 的光譜范圍內(nèi), 隨著缺水程度增加植株冠層的反射率逐漸減小，而在可見光波段內(nèi)的光譜反射率隨著缺水程度增加而增大。國外學(xué)者很早就開始相關(guān)的研究，Carter 等研究發(fā)現(xiàn)在950～970 nm(近紅外波段)的吸收峰可以用來監(jiān)測植物水分含量[49]。Dobrowski 等發(fā)現(xiàn)690和740 nm處的冠層光譜能夠反映植株的水分脅迫狀態(tài)[50]。大量研究結(jié)果表明, 970、1 450、1 940和2 500 nm是對(duì)水分敏感的主要光譜波長[51,52]。但是，高光譜水分診斷技術(shù)主要集中在小麥、玉米和水稻等作物上，在馬鈴薯上的研究還未見報(bào)道，開展相關(guān)的研究是馬鈴薯水分優(yōu)化管理的發(fā)展方向。

4 展 望

本文綜述了馬鈴薯水分高效利用的主要方法和措施，以及它們?cè)趦?nèi)蒙古馬鈴薯生產(chǎn)的研發(fā)進(jìn)展。雖然過去幾十年針對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂颉⒌匦蔚孛埠屯寥捞匦缘葪l件，在馬鈴薯水分高效利用方面取得了很多進(jìn)展，但是仍然有很多問題需要進(jìn)一步研究。

(1)基于“集、蓄、保、用”的雨養(yǎng)馬鈴薯雖然取得了一定的進(jìn)展，但是馬鈴薯在產(chǎn)量和水分利用效率方面的潛力還遠(yuǎn)沒有被挖掘。一方面要對(duì)已有的技術(shù)進(jìn)行有機(jī)整合形成綜合的增產(chǎn)和高效用水模式，同時(shí)要針對(duì)“集、蓄、保、用”單項(xiàng)技術(shù)及其理論進(jìn)行創(chuàng)新，充分挖掘當(dāng)?shù)伛R鈴薯的降雨生產(chǎn)潛力。

(2)對(duì)于當(dāng)?shù)毓喔锐R鈴薯而言，絕大多數(shù)種植戶和企業(yè)在灌溉方面都具有很大的盲目性，基于馬鈴薯生育規(guī)律的灌溉理論和技術(shù)還不完善。因此，一方面要對(duì)已有的技術(shù)進(jìn)行集成和示范，減少生產(chǎn)中灌溉用水的盲目性，提高水分利用效率，減少無效耗水。另一方面，加強(qiáng)對(duì)灌溉理論和技術(shù)的集成創(chuàng)新，在發(fā)展技術(shù)的同時(shí)需考慮環(huán)境友好和可持續(xù)性，為進(jìn)一步提高馬鈴薯的水分利用效率奠定基礎(chǔ)。

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