滴灌下不同灌水處理對(duì)馬鈴薯水氮運(yùn)移及產(chǎn)量的影響

吳 嬌，尹 娟,2,3，耿浩杰，劉宇朝

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程中心，銀川 750021；3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021)

0 引 言

馬鈴薯是茄科茄一年生塊莖的草本植物，又名土豆，是糧菜兼用作物，原產(chǎn)地為南美洲安第斯山。其優(yōu)點(diǎn)有抗旱性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、產(chǎn)量高、耐瘠薄等，被世界各地廣泛的種植，成為世界四大糧食作物之一[1-4]。我國(guó)是馬鈴薯生產(chǎn)大國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)資料可知，我國(guó)馬鈴薯種植面積高達(dá)約600 萬(wàn)hm2左右，居于世界第一。西部干旱半干旱地區(qū)是我國(guó)馬鈴薯主要種植地區(qū)。寧夏中部是典型的干旱地區(qū)，種植馬鈴薯約有300多年的歷史，種植面積達(dá)1.86 億hm2，馬鈴薯是寧夏第一大農(nóng)作物[5,6]。膜下滴灌具有節(jié)水、節(jié)肥、高效增產(chǎn)以及防止病害等優(yōu)點(diǎn)[7]。膜下滴灌是地膜覆蓋與滴灌相結(jié)合，將作物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的肥料均勻的、準(zhǔn)確的施在作物根系附近[8]。本文通過(guò)大田試驗(yàn)，研究不同灌溉定額及灌后天數(shù)不同深度土壤中硝態(tài)氮和水分的運(yùn)移特性以及不同灌水量對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響規(guī)律。以期為寧夏中部干旱地區(qū)制定合理的水肥管理措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

2017年5月在寧夏回族自治區(qū)吳忠市同心縣下馬關(guān)鎮(zhèn)進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)區(qū)屬于寧夏中部干旱地區(qū)，海拔1 730 m，位于東經(jīng)105°54′24″，北緯36°58′48″，平均年降雨量為300 mm左右，大多集中在7、8、9三個(gè)月，11月下旬結(jié)凍，3月上旬解凍，是大陸性干旱氣候，其特征是干旱少雨，日照長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，蒸發(fā)量大，四季分明，夏秋短，春冬長(zhǎng)。土壤類(lèi)型為沙壤土，密度為1.41 g/cm3，前茬歇地，肥力中上等，且播種前土壤的理化性質(zhì)見(jiàn)表1。由于大風(fēng)、沙暴、霜凍、冰雹等自然災(zāi)害性天氣出現(xiàn)頻率比較高，因此對(duì)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)有很大的影響。

表1 土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

馬鈴薯供試品種為克新1號(hào)。試驗(yàn)地各小區(qū)面積均為3 m×5 m，四周設(shè)保護(hù)行，小區(qū)間保護(hù)行為1.0 m寬，外圍保護(hù)行為1.0～4.5 m寬。株行距為0.55 m×0.60 m，每株面積為0.33 m2，每60株為一個(gè)小區(qū)。水分控制為滴灌，在每壟上安裝一條旁壁式滴灌帶。采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)方法，以灌溉定額和氮肥施量為試驗(yàn)因素，過(guò)磷酸鈣和硫酸鉀分別施用165、75 kg/hm2，全部基施。根據(jù)馬鈴薯需水要求，本試驗(yàn)分別在苗期(5月1日)、現(xiàn)蕾期(6月25日)、開(kāi)花初期(7月25日)灌水，全生育期共灌水3次。試驗(yàn)共3個(gè)處理，每處理設(shè)三次重復(fù)。該試驗(yàn)水平和因素設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)水平和因素設(shè)計(jì)表

1.3 取樣測(cè)定指標(biāo)及方法

沿垂直于滴灌帶方向取土，土深為1 m，每隔10 cm觀測(cè)和灌水后1、3、5、7 d觀測(cè)。將土樣分成兩份，一份用于測(cè)定土壤含水率，一份用于測(cè)定硝態(tài)氮含量。

(1)土壤含水率用烘干法。土壤含水率(%)=(原土重-烘干土重)/烘干土重×100%。

(2)土壤硝態(tài)氮含量利用紫外分光光度計(jì)測(cè)定。

(3)測(cè)產(chǎn)時(shí)挖出的植株必須是完整的。每個(gè)小區(qū)為一個(gè)測(cè)產(chǎn)單元，共三十個(gè)單元，每個(gè)單元隨機(jī)取樣3株馬鈴薯，共90株馬鈴薯。先測(cè)出單株薯重，記錄數(shù)據(jù)，再分為小薯(塊莖重量小于50 g)、中薯(塊莖重量介于50 g到150 g)、大薯(塊莖重量大于150 g)，記錄每類(lèi)薯的個(gè)數(shù)和重量。

2 結(jié)果與分析

以第二次灌水為例，分析不同灌溉定額對(duì)馬鈴薯根區(qū)土壤含水率、硝態(tài)氮的影響規(guī)律以及不同灌溉定額對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響。

2.1 不同灌水處理下馬鈴薯根區(qū)土壤含水率變化規(guī)律

圖1表示不同灌后天數(shù)下各個(gè)處理馬鈴薯根區(qū)土壤含水率變化過(guò)程。

處理1不同深度土壤的初始含水率值在5%～10%之間，處理2的在5%～12%之間，處理3的在5%～13%之間，各個(gè)處理不同深度土壤的初始含水率均不一致，其原因是各個(gè)處理試驗(yàn)區(qū)域存在差異性。灌水1 d后，處理1 0～40 cm土層土壤含水率不斷降低，降幅為26.2%，50～100 cm土層土壤含水率以2%的幅度上下波動(dòng)，其原因是馬鈴薯根系主要分布在20～40 cm土層，吸收了該土層附近的水分，對(duì)50 cm以下的土層含水率影響小。處理2 0～40 cm土層土壤含水率先增加后減少，50～100 cm土層土壤含水率不斷降低，降幅為50.1%，其原因是表層土壤(0～20 cm)含水率隨著灌溉定額的增加而增加，而馬鈴薯根系主要分布在20～40 cm土層，吸收了該土層附近的水分，因而含水率降低，馬鈴薯次要根系分布在60～80 cm土層，吸收該土層附近的水分，因此50～100 cm土壤含水率不斷降低。處理3 0～20 cm土層土壤含水率降低，降幅為5%，20～40 cm土層土壤含水率不斷增加，增幅為18.1%，50～100 cm土層土壤含水率不斷降低，降幅為24%，其原因是處理3為高灌溉定額，不僅滿足了馬鈴薯根部對(duì)水分的需求，還有多余的水分，因此在20～40 cm土層土壤含水率增加，0～20 cm土層土壤含水率由于蒸發(fā)而降低，50～100 cm土層土壤含水率減少的原因是馬鈴薯次要根系吸收了該土層附近的水分，灌溉定額越大，降幅越小。

圖1 不同灌后天數(shù)根區(qū)土壤含水率分布圖

灌水3 d后，處理1 0～40 cm土層土壤含水率以2%的幅度上下波動(dòng)，50～100 cm土層土壤含水率不斷降低，降幅為39.3%，其原因是灌溉定額較小，不能滿足馬鈴薯根部對(duì)水分的需求，因此0～40 cm土壤含水率變化幅度不大，50～100 cm土層土壤含水率降低是由于土壤中的水分不斷下滲。處理2土壤越深，含水率越小，其原因是隨著時(shí)間推移，土壤中的水分不斷下滲、蒸發(fā)或被馬鈴薯根部吸收利用，使含水率降低，處理3 0～30 cm土層土壤含水率變化不大，30～40 cm土層土壤含水率增加，50～100 cm土層土壤含水率不斷降低，其原因是隨著時(shí)間推移不同深度土壤水分不斷下滲；灌水5 d后，處理1不同深度土壤含水率不斷降低，降幅為42.6%，處理2不同深度土壤含水率也呈下降趨勢(shì)，降幅為37.3%，處理3不同深度土壤呈先增大后減少的趨勢(shì)，其原因是隨著灌溉定額的增加，馬鈴薯根區(qū)需要的水分不斷滿足，因此含水率降低的幅度不斷降低，處理3為高灌溉定額，在馬鈴薯根部有多余的水分存在；灌水7 d后，處理1和處理2不同深度土壤含水率呈下降趨勢(shì)，降幅分別為34.9%和46.0%，處理3不同深度土壤含水率呈上升的趨勢(shì)，其原因是處理1為低灌溉定額，入滲一定時(shí)間后，入滲率趨于一穩(wěn)定值，處理2因隨著入滲時(shí)間的推移，入滲速率逐漸降低，處理3由于灌溉定額最大，地表形成了積水，從無(wú)壓入滲變成有壓入滲，入滲速率增大。

灌水7 d后，處理1不同深度土壤含水率比初始值高0.73%～5.56%，處理2不同深度土壤含水率比初始值高0.79%～4.47%，處理3不同深度土壤含水率比初始值高2.34%～4.69%，由此看出處理2在灌水結(jié)束再分布7 d后不同深度含水率與初始含水率相差幅度最小，因此處理2為最優(yōu)處理。

2.2 不同灌水處理下馬鈴薯根區(qū)土壤硝態(tài)氮運(yùn)移規(guī)律

圖2表示不同灌水處理下馬鈴薯根區(qū)土壤硝態(tài)氮變化過(guò)程。

各灌水處理下馬鈴薯根區(qū)土壤硝態(tài)氮變化規(guī)律均為：隨著灌溉定額的增加，0～20 cm土層硝態(tài)氮的含量不斷增加，30～50 cm土層硝態(tài)氮的含量不斷減少，60～100 cm土層硝態(tài)氮含量在0.2 mg/kg的基礎(chǔ)上以0～0.11 mg/kg上下浮動(dòng)，其原因是灌水量的不斷增加促進(jìn)表層土壤的硝態(tài)氮向下層移動(dòng)，因此0～20 cm土壤硝態(tài)氮含量不斷增加，馬鈴薯根區(qū)主要分布在30～40 cm，吸收了該土層附近的養(yǎng)分，而對(duì)60～100 cm土層影響小。

圖2 不同處理下馬鈴薯根區(qū)土壤硝態(tài)氮分布圖

處理1，灌水1 d后不同深度土壤硝態(tài)氮含量最低，均值為0.3 mg/kg，隨著灌水后天數(shù)的增加，不同深度土壤硝態(tài)氮含量不斷增加，灌水3 d后不同深度土層硝態(tài)氮的含量比灌水1 d后高0.1 mg/kg左右，總體呈兩頭高中間低的分布特征，灌水5 d后不同深度土壤硝態(tài)氮的含量比灌水3 d后高0.3 mg/kg左右，灌水7 d后0～40 cm土壤硝態(tài)氮含量達(dá)到峰值，為0.83 mg/kg，其原因是土壤中水分少且蒸發(fā)強(qiáng)度大，蒸騰拉力使下層土壤中的硝態(tài)氮上升；處理2，灌水1 d后，0～20 cm土壤硝態(tài)氮含量呈上升趨勢(shì)，增幅為53.1%，20～40 cm土壤硝態(tài)氮含量呈下降趨勢(shì)，降幅為57.1%，50 cm以下土層硝態(tài)氮含量在0.18 mg/kg左右，其原因是灌水量越大，促進(jìn)了硝態(tài)氮向下層運(yùn)移，因此硝態(tài)氮含量先增加，馬鈴薯根區(qū)吸收了大量的硝態(tài)氮，因此又呈下降趨勢(shì)，隨著灌水后天數(shù)的增加，不同深度土層硝態(tài)氮含量不斷減少，但在灌水5 d后0～40 cm土壤硝態(tài)氮含量達(dá)到峰值，為0.67 mg/kg，其原因是灌水5 d后馬鈴薯根區(qū)有多余的硝態(tài)氮積累，隨著時(shí)間的推移，不斷淋移下滲，因此灌水7 d后不同深度土層硝態(tài)氮的含量又出現(xiàn)減少的現(xiàn)象。處理3規(guī)律與處理2一致。

灌水7 d后，處理1和處理3在20～40 cm土層硝態(tài)氮的含量達(dá)到峰值，分別為0.66和0.30 mg/kg，出現(xiàn)了硝態(tài)氮累積現(xiàn)象，50～70 cm土層硝態(tài)氮的含量低于初始值，分別比初始值0.39和0.28 mg/kg低0.18和0.06 mg/kg，不利于馬鈴薯次要根區(qū)對(duì)養(yǎng)分的吸收。

2.3 不同灌溉定額對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響

由表3方差分析可知，不同灌溉定額對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響極顯著(P<0.01)。對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)不同灌水處理下的馬鈴薯進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，依據(jù)測(cè)產(chǎn)結(jié)果繪制產(chǎn)量分布圖(圖3)。從圖3得出不同灌水處理下馬鈴薯產(chǎn)量不同，其中處理1灌溉定額最小且產(chǎn)量為16.27 t/hm2，處理2產(chǎn)量最高，為25.88 t/hm2，處理3產(chǎn)量最低，僅為11.71 t/hm2，且處理3的灌溉定額最大。說(shuō)明灌溉定額在一定范圍內(nèi)可以促進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)量的增加，但是當(dāng)灌溉定額超過(guò)1 260 m3/hm2時(shí)，產(chǎn)量與灌溉定額呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表3 馬鈴薯產(chǎn)量方差分析表

圖3 各灌水處理下馬鈴薯產(chǎn)量變化圖

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

(1)不同深度土壤含水率隨著灌溉定額的增加而增加，且隨著灌水后天數(shù)的推移，各個(gè)處理含水率不斷降低。灌水1 d后，各個(gè)處理表層(0～20 cm)土壤含水率隨著灌溉定額的增加而增大， 30～40 cm土層土壤含水率不斷降低，50～100 cm土層土壤含水率不斷降低的幅度隨著灌溉定額的增加而降低；灌水3 d后，處理1灌溉定額小，不能滿足馬鈴薯根部對(duì)水分的需求，0～40 cm土層土壤含水率變化幅度不大，50～100 cm土層土壤含水率降低是由于土壤中的水分不斷下滲，處理2的灌溉定額滿足馬鈴薯根部對(duì)水分的需求，土壤越深，含水率越小，處理3為高灌溉定額，根部附近土層會(huì)有多余的水分，50～100 cm土層土壤含水率由于土壤水分不斷下滲而不斷降低；灌水5 d后，處理1和處理2不同深度土壤含水率不斷降低，處理3不同深度土壤呈先增大后減少的趨勢(shì)；灌水7 d后，處理1和處理2不同深度土壤含水率不斷降低，處理3不同深度土壤含水率呈上升的趨勢(shì)。

處理1不同深度土壤含水率比初始值高0.73%～5.56%，處理2不同深度土壤含水率比初始值高0.79%～4.47%，處理3不同深度土壤含水率比初始值高2.34%～4.69%，由此看出處理2在灌水結(jié)束再分布7 d后不同深度含水率與初始含水率相差幅度最小，因此處理2為最優(yōu)處理。

(2)30～50 cm土層硝態(tài)氮的含量明顯低于0～20 cm土層的，低0.16～0.96 mg/kg，60～100 cm土層硝態(tài)氮的含量在初始值的基礎(chǔ)上以0～0.11 mg/kg上下浮動(dòng)。處理1受灌水后天數(shù)的影響，不同深度土層硝態(tài)氮的含量總體呈兩頭高中間低的分布特征；處理2和3不同深度土層硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)先減少再增加后減少的分布規(guī)律。由于處理1和3在50～70 cm土層硝態(tài)氮的含量低于初始值，不利于馬鈴薯次要根區(qū)對(duì)養(yǎng)分的吸收，因此處理2為最優(yōu)處理。

(3)灌溉定額在一定范圍內(nèi)可以促進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)量的增加，但是當(dāng)灌溉定額超過(guò)1 260 m3/hm2時(shí)，產(chǎn)量與灌溉定額呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。不同灌水處理下馬鈴薯產(chǎn)量以處理2最優(yōu)，產(chǎn)量高達(dá)為25.88 t/hm2。

本試驗(yàn)條件下，灌水條件為處理2時(shí)，馬鈴薯產(chǎn)量最高，不同深度土層含水率和硝態(tài)氮含量均為馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)水分和養(yǎng)分的最優(yōu)需求。

3.2 討 論

研究得出：不同深度土層土壤含水率隨著灌溉定額的增加而增加，0～40 cm土層土壤含水率變化波動(dòng)較大，50～100 cm土層土壤含水率呈下降趨勢(shì)，與夏騰霄[2]文中馬鈴薯各生育期不同深度土層土壤含水率總體呈現(xiàn)的規(guī)律相似。0～60 cm土層硝態(tài)氮含量呈下降趨勢(shì)，60 cm以下土層硝態(tài)氮含量趨于穩(wěn)定值，隨著灌溉定額的增加，硝態(tài)氮向下運(yùn)移的越明顯，這一結(jié)論與李穎[3]文中呈現(xiàn)的規(guī)律基本一致。

然而文中只探討了不同灌溉定額對(duì)土壤含水率、硝態(tài)氮垂直方向的運(yùn)移規(guī)律以及不同灌溉定額對(duì)產(chǎn)量的影響，沒(méi)有考慮水平方向?qū)ν寥篮始跋鯌B(tài)氮的影響，之后的研究會(huì)從Hydrus軟件出發(fā)，結(jié)合數(shù)學(xué)方法對(duì)土壤含水率和硝態(tài)氮進(jìn)行垂直方向與水平方向進(jìn)行模擬研究。