灌溉方式與壟作種植對旱地馬鈴薯水分利用效率及產(chǎn)量的影響

王慧杰,霍利光,李 盛,梁素明

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,山西 太原 030031)

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)發(fā)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(fā)展成世界第一大馬鈴薯生產(chǎn)國,作為“外來作物”的馬鈴薯在我國種植面積日益擴(kuò)增,在我國扶貧攻堅(jiān)和鄉(xiāng)村振興國家戰(zhàn)略中發(fā)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(shù)馬鈴薯生產(chǎn)區(qū)域的重要限制因子之一。一些地區(qū)水資源缺乏、農(nóng)藝節(jié)水與灌溉技術(shù)之間匹配不合理,導(dǎo)致馬鈴薯水分利用率低,從而造成馬鈴薯單產(chǎn)水平低并且不穩(wěn)定,嚴(yán)重阻礙著馬鈴薯生產(chǎn)的發(fā)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(nèi)外專家學(xué)者就灌溉方式和耕作模式對馬鈴薯生產(chǎn)、產(chǎn)量及水分利用效應(yīng)的影響進(jìn)行了大量的研究[5-7],表明補(bǔ)充灌溉通過改變土壤水分情況,從而改變微生物數(shù)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(fā)達(dá),產(chǎn)量增加[8-9]。因此,實(shí)施旱作節(jié)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(yǎng)分、并獲得較高的養(yǎng)分利用效率和產(chǎn)量顯得極為重要[10]。提高旱作馬鈴薯產(chǎn)量的首要條件是盡可能滿足馬鈴薯生長發(fā)育所需的水分,目前,國內(nèi)外有關(guān)馬鈴薯水分利用的研究大多是在壟作覆膜條件下進(jìn)行,微灌條件下不同壟作種植對馬鈴薯水分利用效率和產(chǎn)量的效應(yīng)研究尚少。

本試驗(yàn)通過設(shè)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(chǎn)量的影響,旨在為完善旱作馬鈴薯高產(chǎn)栽培技術(shù)及進(jìn)一步提高馬鈴薯生產(chǎn)效能提供一定理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2019—2020年在山西省呂梁嵐縣大蛇頭鄉(xiāng)嵐縣福眾薯業(yè)專業(yè)合作社基地進(jìn)行(東經(jīng)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(huán)抱,該區(qū)氣候冷涼,光照充足,雨熱同期。該地區(qū)山地、丘陵占總面積的85%,平均海拔1 415 m,為溫暖帶季風(fēng)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(dá)39.3 ℃,極端低溫達(dá)-33 ℃,無霜期120 d左右。試驗(yàn)地土壤類型為沙質(zhì)土,肥力水平中等,試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)材料

供試馬鈴薯品種為并薯26號,由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供,被山西省農(nóng)業(yè)廳遴選為2020年山西省馬鈴薯主推品種之一。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)按灌溉和壟作種植方式進(jìn)行設(shè)計(jì),灌溉方式分水力驅(qū)動(dòng)帶狀噴灌(G1,圖1)和農(nóng)用滴灌帶滴灌(G2,圖2)處理,根據(jù)《灌溉試驗(yàn)規(guī)范》[11],并結(jié)合當(dāng)?shù)刈魑飳?shí)際生育進(jìn)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(gè)灌溉階段,每個(gè)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(guī)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(shí)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(cè),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(guī)對照種植,播種時(shí)等行距種植,行距50 cm,株距30 cm,現(xiàn)蕾前施肥培土成壟。每個(gè)小區(qū)面積為2.4 m×100.0 m,試驗(yàn)走道及小區(qū)間距50 cm,設(shè)置保護(hù)行,共設(shè)6個(gè)處理,3次重復(fù),隨機(jī)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(fù)合肥(山東金正大生態(tài)工程股份有限公司),總養(yǎng)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(nóng)藝措施(整地、施肥、品種、播種、田間管理等)均相同,并進(jìn)行同等質(zhì)量的田間操作,于10月3日統(tǒng)一收獲[12]。

圖3 凹型壟面栽培

1.4 測定指標(biāo)及方法

1.4.1 生育期記載 試驗(yàn)期間觀察記載出苗期、現(xiàn)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(xiàn)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(yàn)要求分別保存土樣,測定土壤含水量、土壤容重等指標(biāo)。其中,土壤含水量采用烘干法計(jì)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(shù)進(jìn)行計(jì)算;土壤容重采用環(huán)刀法計(jì)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(zhì)量含水量(%),W1為土壤濕質(zhì)量(g),W2為土壤干質(zhì)量(g);ρ為土壤容重(g/cm3),G為環(huán)刀內(nèi)濕樣質(zhì)量(g),V為環(huán)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(shí)際耗水量(mm)[17-18],P為馬鈴薯生長期內(nèi)降雨量(mm),I為馬鈴薯生育期內(nèi)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(chǎn)量(kg/hm2)。由于本試驗(yàn)噴灌和滴灌條件下水分入滲是不飽和入滲,無地表徑流產(chǎn)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(bǔ)給量U、深層滲透水量F的值均可視為0。

1.4.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成 按收獲的小區(qū)產(chǎn)量計(jì)算單位面積產(chǎn)量。每小區(qū)取20株考種,分析產(chǎn)量構(gòu)成性狀。根據(jù)文獻(xiàn)[21-22]的分類方法,將單塊質(zhì)量100 g以上定為商品薯,100 g以下為小薯。3次重復(fù)的平均產(chǎn)量作為處理產(chǎn)量(大、中、小薯的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為:質(zhì)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(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)采用 Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用SPSS 18.0處理軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)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(gè)生育期(5—10月)內(nèi)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(gè)月累計(jì)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(yīng)充足才能確保薯塊快速膨大發(fā)育,因此,這個(gè)時(shí)期降雨量增加可以保證馬鈴薯生長發(fā)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(shí)期進(jìn)入薯塊淀粉和干物質(zhì)積累期,水分過多容易造成馬鈴薯腐爛或減少貯藏時(shí)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(biāo)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(shù)、葉面積指數(shù)及單株鮮生物量表現(xiàn)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(shù)除外),可能是因?yàn)閴琶嬖耘嘞埋R鈴薯根區(qū)更易集聚水分,促進(jìn)了馬鈴薯植株對水分和養(yǎng)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(qū)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(yǎng)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(xiàn)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(jié)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(shí),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(shí),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(shí)進(jìn)行,此時(shí)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(xiàn)蕾期和開花期,土壤含水量變化趨勢增大,3種處理之間達(dá)顯著差異,M2處理最高,達(dá)56.81%,M3處理最低,為45.90%,比M2降低了10.91百分點(diǎn);成熟期由于進(jìn)入了淡雨季節(jié),此時(shí)降雨量較少,馬鈴薯進(jìn)入塊莖膨大期和淀粉累計(jì)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(chǎn)量的提高,這與表3的結(jié)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(chǎn)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(chǎn)量及其構(gòu)成要素表現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)量分別高于M3處理的13.58%,21.92%,商品薯率為M2處理最高,達(dá)87.21%;在G2處理下,M1和M2處理壟作種植薯塊產(chǎn)量高于M3處理的11.50%,20.45%,商品薯率為M2處理最高,達(dá)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(chǎn)量及商品薯率,但M2壟面栽培又高于M1常規(guī)栽培處理,這是因?yàn)榘夹蛪琶婺芨玫匚毡３炙?保證馬鈴薯發(fā)育及膨大期的充分用水量,從而增加馬鈴薯產(chǎn)量和商品薯率。

表5 不同灌溉與壟作下馬鈴薯產(chǎn)量及其構(gòu)成要素比較

3 結(jié)論與討論

旱地馬鈴薯田進(jìn)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(huán)境條件,增強(qiáng)土壤蓄水保墑能力,充分利用灌溉水和降雨促進(jìn)馬鈴薯增產(chǎn)[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(chǎn)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(nèi)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(fā)育創(chuàng)造了一個(gè)相對穩(wěn)定的農(nóng)田生態(tài)環(huán)境,綜合協(xié)調(diào)了影響馬鈴薯產(chǎn)量的各主要因子,使馬鈴薯具有良好的生長環(huán)境,從而提高了產(chǎn)量。孫夢媛等[24]研究表明,全膜壟作種植可改善土壤質(zhì)量、提高作物產(chǎn)量和降雨利用率;要?jiǎng)P等[25]研究表明,溝壟覆膜栽培可顯著提高馬鈴薯塊莖的產(chǎn)量,其中全膜壟播增產(chǎn)幅度最高可達(dá)75%;張子義等[26]研究表明,微壟覆膜溝播處理?xiàng)l件下,馬鈴薯塊莖產(chǎn)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(chǎn)量和提高水分利用效率,而全覆單壟種植方式的經(jīng)濟(jì)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(chǎn)量呈線性正相關(guān),水分利用效率越高產(chǎn)量越高,這與前人[11,27]研究結(jié)果相似。

綜上所述,在旱地馬鈴薯生產(chǎn)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(chǎn)量均具有明顯的調(diào)控作用。在G1處理下,M1和M2處理水分利用效率、產(chǎn)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(chǎn)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(qū)動(dòng)帶狀噴灌處理組合產(chǎn)量最高。而在相同壟作處理下,水力驅(qū)動(dòng)帶狀噴灌的水分利用效率和產(chǎn)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(chǎn)量的調(diào)控效應(yīng),凹型壟作+水力驅(qū)動(dòng)帶狀噴灌處理組合可作為適宜山西旱地馬鈴薯產(chǎn)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(shù)模式進(jìn)行推廣應(yīng)用。