我国是马铃薯生产大国, 据统计, 2014年我国马铃薯种植面积达到564.7 万hm2, 居于世界首位[1]。随着农作物种植结构的不断优化、马铃薯主粮化战略的启动和马铃薯加工工艺的快速发展,西北地区马铃薯已成为一种低投入高产出的粮食兼经济作物[2]。马铃薯对土壤水分的吸收利用率较低,属浅根系作物,被认为是干旱敏感的作物[3]。近年来, 气候暖干化严重,马铃薯最适宜区和适宜区减小35%和3%[4],马铃薯种植遭受干旱影响频繁发生。水分供应不足和不合理利用成为限制马铃薯产量提升的主要因素,严重影响作物产量和品质[5-8]。因此,控制马铃薯生长发育期间的水分环境是马铃薯高产栽培的关键因素。

采用地面常规灌溉方式马铃薯需水量大, 采用膜下滴灌节水效果非常显著[9]。膜下滴灌马铃薯技术不仅具备覆膜增温保墒作用,还具备滴灌防渗的特点[10-11]。膜下滴灌可以减少棵间蒸发、提高灌溉用水效率、增加农作物的产量,是旱作农业的重大突破[12]。该技术有效地解决了马铃薯栽培过程中的灌水和施肥难题,是发展现代可持续农业的必然选择[13]。亏缺灌溉是基于作物生理特性的灌溉模式, 在不完全满足作物需水的基础上保持产量不减少甚至增产, 可充分挖掘作物对水分高效利用的潜力[14],且在提高马铃薯块茎产量和改善块茎品质上有着较为明显的作用[15]。秦军红等[16]研究认为, 膜下滴灌马铃薯全生育期耗水量呈现出生育前期少、中期多、后期减少的近似抛物线的趋势。各生育时期占全生育期总耗水量分别为：幼苗期10%～15%、块茎形成期23%～28%、块茎增长期45%～50%、淀粉积累期10%[17],马铃薯在块茎膨大期和成熟期, 对水分亏缺最敏感[18]。苗期适度的水分亏缺并不会降低马铃薯的产量, 而且还会显著地提高水分利用效率,促进马铃薯产量增加[19-20]。膜下滴灌技术结合亏缺灌溉能实现马铃薯节水、高产。

目前,膜下滴灌调亏技术主要用在蔬菜、水果等作物上[21-24],在马铃薯膜下滴灌调亏技术方面的研究较少,其相关理论体系也不够完善。本研究通过在总灌水量及灌水次数相同的情况下,比较不同灌水时间组合处理对膜下滴灌马铃薯生长发育、产量形成和水分利用效率等方面的影响差异,确定膜下滴灌马铃薯灌水方案以实现农田水分精确管理,为提高马铃薯产量、品质及水分利用效率提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2015年在巴彦淖尔市农牧科学院杭锦后旗园子渠试验站进行。该站地处中温带大陆性季风气候,全年日照时间为3 225 h；年大于10 ℃的有效积温3 032 ℃,年均降水量为80～200 mm,无霜期136 d。供试土壤为壤土,pH值8.6,有机质含量14.8 g/kg,全氮0.8 g/kg,有效磷50.6 mg/kg,速效钾120.0 mg/kg,全盐量0.6 g/kg。

1.2 试验材料

试验供试马铃薯品种为紫花白,供试地膜为厚度0.008 mm、宽度90.000 cm的聚乙烯吹塑农用地膜。试验在总灌水量为1 725 m3/hm2、灌水次数均为7次的情况下,以不灌水处理为对照(CK),分别设置4个不同灌水时期组合,用B1、B2、B3、B4表示。试验采用随机区组排列,3次重复,小区面积92 m2。试验于播种时统一底施N 75 kg/hm2,P2O5 150 kg/hm2,K2O 210 kg/hm2。于马铃薯块茎形成初期(现蕾后)至块茎增长初期(初花期)分2次按4∶6比例随灌水追施N 135 kg/hm2。其他田间管理措施与一般大田相同。播种时间为 2015年4 月27日,出苗时间为5月20日。试验灌水时期及单次灌水量组合见表1。

1.3 测定方法及指标

试验于马铃薯出苗后13 d(苗期)、26 d(块茎形成初期)、41 d(块茎形成末期)、52 d(块茎增长初期)、65 d(块茎增长末期)、79 d(淀粉积累初期)、94 d(淀粉积累末期)共取样7次。

1.3.1 植株叶面积指数的测定 首先在各小区取样植株的全部叶片中选取一定面积大小的叶片30片,用标准面积的打孔器在其上面打孔2～3次,测定打孔器所取下的圆叶总鲜质量,然后用上述同样方法将圆叶烘干后测定干质量,最后用打孔所取圆叶的总面积、总干质量和小区所有叶片的总干质量,换算出小区取样植株的总叶面积,最后按取样株数算出各小区单株叶面积。叶面积指数的计算公式LAI=绿叶总面积/占地面积。

1.3.2 干物质累积量的测定 出苗后13 d每小区取样5株,以后每小区取样3株,带回实验室洗净、晾干植株表面水分后,分叶及叶柄、茎、块茎3部分测定各器官鲜质量,然后从混匀后的各器官中取100 g鲜样在105 ℃杀青30 min,然后于80 ℃下烘干至恒质量,测定干质量。

1.3.3 产量与品质测定 各小区除去边行、每小区取中间膜的马铃薯测产；商品薯率=商品薯数/取样总块茎数×100%；淀粉含量测定：先将块茎洗净,晾干,从中称出5～10 kg块茎样品(A),将上述样品浸入17 ℃的水中称质量(B),按公式求出比重,查美尔凯尔表,得出淀粉含量；块茎比重=块茎在空气中质量(A)/A-B(同一块茎浸入水中后的质量)。

1.3.4 抗逆生理指标含量的取样及测定方法 在马铃薯生育的前中期,取有代表性植株倒数第3片叶20片,置于装有碎冰的冰袋中带回实验室放在冰箱中冷冻待测。全生育期共取样4次。丙二醛(MDA)酶测定：硫代巴比妥酸(TBA)法；脯氨酸 (Pro)测定：茚三酮法。

1.3.5 水分利用效率的测定方法 采用农田水分平衡方程计算不同处理的耗水状况。水分利用效率 (WUE)=Y(kg/hm2)/ET(mm)；ET=P+I+ΔSWS-R-D,其中Y为块茎产量，ET为作物总耗水量,P为马铃薯生长季节的降雨量,I为灌溉量,ΔSWS为播种时的土壤贮水量与收获时土壤的贮水量之差,R为地表径流量,D为耕层土壤水的渗漏量。在本试验条件下,R、D都可以忽略不计。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel软件整理数据,用SAS进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌水时期组合对膜下滴灌马铃薯叶面积指数的影响

由图1可见,随着生育时期的推进,各处理马铃薯叶面积指数逐步增加,均在出苗后65 d达到最大值,之后,叶片衰老,叶面积指数下降,总体呈现单峰曲线变化。在出苗后65 d时,B1的叶面积指数为4.29,比其他灌水处理高0.74～0.84,差异显著(P<0.05)。出苗65 d之后,各灌水时期组合处理间差异不显著,总体表现为B1(4.29)>B2(3.55)>B4>B3>CK。在马铃薯苗期,各处理叶面积指数均无显著差异,表明苗期植株生长对水分需求较低,而进入块茎形成期后,CK处理的叶面积指数均最低,并显著低于其他各处理,这表明干旱会明显抑制植株地上部的生长。

2.2 不同灌水时期组合对膜下滴灌马铃薯干物质累积量的影响

由表2可知,随着生育时期的推进,马铃薯叶及叶柄、茎的干物质累积量不断增加,在出苗后65～79 d达到最大值,之后地上部干物质量趋于稳定,在出苗后94 d略有减少,整体表现出“S”形曲线变化。不灌水处理(CK)下,从块茎形成末期开始,马铃薯叶及叶柄、茎的干物质积累量在各时期保持平稳状态,变化较小,低于其他各处理。

在出苗后13 d,各灌水处理叶及叶柄干物质累积量均小于CK；在出苗后26 d,各灌水处理叶及叶柄干物质累积量均大于CK；在出苗后52 d，B1处理高于其他各处理,并在出苗后65 d达到最大值,极显著高于CK、B2、B3,表现为B1>B4>B3>B2>CK,在出苗后79，94 d,各处理仍以B1处理最高,与其他灌水处理无极显著差异,但均极显著高于CK。

注：同列不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)。表3同。

Note：The different capital letters in the same column indicate extremely significant difference(P<0.01).The same as Tab.3.

各处理茎干物质累积量在出苗后13～26 d无极显著差异；在出苗后41 d,各灌水处理无极显著差异,但均极显著高于CK；在出苗后65 d,茎干物质累积量达最大值,以B1处理最高,极显著高于其他各处理,表现为B1>B3>B4>B2>CK,之后,各灌水处理茎干物质累积量均有下降,在出苗后79，94 d,各处理仍以B1处理最高,且极显著高于其他各处理。其中B3、B4在出苗后52 d叶、茎干质量有所下降,可能是由于块茎形成末期未灌水,短时间内水分供应不足。

马铃薯块茎干物质累积量在整个生育期都呈递增趋势,在出苗后26 d,CK高于其他各灌水处理,出苗后41 d,CK则低于各灌水处理,在出苗后65～79 d,各灌水处理无极显著差异,极显著大于CK,在收获期(出苗后94 d)达到最大值,最终表现为B1>B2>B4>B3>CK,B1极显著高于其他各处理,B4与B3差异不显著,各灌水处理极均极显著高于CK。

2.3 不同灌水时期组合对马铃薯产量的影响

由表3可以看出,各处理块茎产量以B1处理(53 246 kg/hm2)最高,表现为B1>B2>B3>B4>CK,各灌水处理块茎产量较CK依次增加了26 058, 21 725,21 189,16 508 kg/hm2,差异极显著,B1处理较其他3个灌水处理依次增加了4 333,4 869,9 550 kg/hm2,B1与B4差异显著,与其他灌水处理差异未达到显著性水平。马铃薯单位面积结薯数以B1处理(26.3个/m2)最高,表现为B1>B2>B3>B4>CK,各灌水处理之间无显著差异,但与CK差异极显著,说明总灌水量及灌水次数相同的情况下,不同灌水时间组合对马铃薯单位面积结薯数影响较小。各处理商品薯率表现为B1>B4>B3>B2>CK,B1处理商品薯率最高,为89.6%,各灌水处理间差异不显著,但与CK差异均达到极显著水平。

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。表4同。

Note：The different small letters in the same column indicate significant difference(P<0.05). The same as Tab.4.

2.4 不同灌水时期组合对膜下滴灌马铃薯水分利用效率的影响

由表4可知,膜下滴灌马铃薯不同灌水时期组合处理作物耗水量以B2处理为最高,达357.4 mm,比CK、B1、B3、B4处理分别高131.2,31.6,34.7,24.8 mm,表现为B2>B4>B1>B3>CK,B2与B4处理无显著差异,但显著高于CK、B1、B3,作物耗水量以CK处理为最低。各灌水时期组合处理植株水分利用效率在120.2～163.4 kg/(hm2·mm),以B1处理最高,CK处理最低,表现为B1>B3>B2>B4>CK,B1处理显著高于其他处理,B1、B2、B3处理间差异显著,且均显著高于CK处理,B4与B2和CK处理差异不显著。

2.5 不同灌水时期组合对马铃薯淀粉含量的影响

由图2可知,CK处理淀粉含量最高,为15.22%,较其他处理显著提高了1.28～1.71百分点,各灌水处理间差异不显著。淀粉含量大小顺序各处理表现为CK(15.22%)>B3(13.94%)>B1(13.66%)=B2(13.66%)>B4(13.51%),B4处理淀粉含量最低可能是由于后期灌水较多。

2.6 不同灌水时期组合对马铃薯叶片Pro、MDA含量的影响

脯氨酸(Pro)是植株细胞内渗透调节物质,在一定程度上反映了植株的抗性。如图3所示,随着生育时期的推进,各灌水处理Pro含量均低于CK。出苗后40 d，各灌水时期组合处理无显著差异；出苗后70 d,各处理Pro含量大小顺序表现为CK>B2>B3>B1>B4；出苗后80 d,各处理Pro含量总体表现为CK>B3>B2>B4>B1。

由图4可知,随着植株的生长发育,叶片丙二醛(MDA)含量呈递增趋势,CK处理在各时期均显著高于其他灌水处理,出苗后40～80 d,各灌水处理间差异不显著,出苗后80 d时,MDA含量大小顺序表现为CK(50.43 nmol/g)>B3(40.27 nmol/g)>B4(39.70 nmol/g)>B2(39.47 nmol/g)>B1(38.83 nmol/g)。

3 结论与讨论

本研究在总灌水量相同的情况下,比较不同灌水时间组合处理对膜下滴灌马铃薯生长发育、产量形成和水分利用效率等方面的影响差异。叶面积指数随着生育时期的推进呈单峰曲线变化,并在出苗后65 d即块茎增长末期达到最大值,以B1处理最高,之后有小幅度的降低,此结果与秦军红等[16]研究相似,在马铃薯苗期,各处理叶面积指数均无显著差异,表明苗期植株生长对水分需求较低。叶及叶柄、茎的干物质累积量在整个生育期表现出“S”形曲线变化,在出苗后65～79 d达到最大值,且以B1处理最高,在出苗后94 d略有减少,而马铃薯块茎干物质累积量表现为持续增长,在出苗后94 d达到最大值,这与夏腾霄等[10]研究相似。在不同灌水时期组合中,以B1处理产量最高,说明苗期水分亏缺对马铃薯产量并不影响,此结果与乌兰等[19]保持一致,本试验中总灌水量及灌水次数相同的情况下,不同灌水时间组合对马铃薯单位面积结薯数影响较小,商品薯率最高为B1处理,各灌水处理间差异不显著,但极显著高于CK。水分利用效率表现为B1>B3>B2>B4>CK,B1处理显著高于其他处理；作物耗水量以B2处理最高,CK处理最低。马铃薯各灌水处理间淀粉含量无显著性差异,均显著低于CK。随马铃薯生育时期的推进,Pro含量至出苗后70 d趋于稳定,在出苗后80 d,各处理Pro含量大小顺序表现为CK>B3>B2>B4>B1；叶片MDA含量呈递增趋势,出苗后80 d有大幅度增加,各处理MDA含量大小顺序表现为CK>B3>B4>B2>B1。

本试验条件下,膜下滴灌马铃薯在总灌水量为1 725 m3/hm2时,叶面积指数、叶及叶柄和茎的干物质累积量以B1处理最高,并在出苗65 d后达到最大值；在马铃薯出苗后94 d B1处理块茎干物质累积量极显著高于其他各处理；B1处理块茎产量、商品薯率最高,达到53 246 kg/hm2,89.6%,水分利用效率为163.4 kg/(hm2·mm),显著高于其他处理；不同灌水时期组合处理对马铃薯淀粉含量无显著影响。综合以上分析,在追求较高的产量和水分利用效率的情况下,不同灌水时期组合以B1处理最优。

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Effect of Different Combinations of Irrigation Stage on Potato Yield and Water Use Efficiency under Film Drip Irrigation

LI Ying1,3,ZHANG Sheng1,HAO Yunfeng2,MA Juncheng 3,WANG Chunmei 3,HAN Haijun3,GAO Lei3,GAO Jiabo4

(1.Agricultural College of Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010019,China; 2.Bayannur Academy of Agricultural and Animal Sciences,Shanba 015000,China; 3.Bayannur Agriculture and Animal Husbandry Technology Promotion Center, Linhe 015000,China; 4.Meteorological Bureau of Hanggin Rear Banner, Inner Mongolia Autonomous Region,Shanba 015000,China)

Abstract： In this study, we set a series of different irrigation combinations. We systematically studied the effects of different irrigation time combinations on potato growth, yield formation and water use efficiency under drip irrigation. The total irrigation volume was 1 725 m3/ha, and the number of irrigation times was 7 times, the non-irrigation treatment was used as a control (CK), and four different irrigation periods are set respectively,B1 (irrigation 300 m3/ha on June 15th,irrigation 225 m3/ha on June 25th, irrigation 300 m3/ha on July 5th, irrigation 300 m3/ha on July 15th, irrigation 225 m3/ha on July 25th, irrigation 225 m3/ha on August 4th, irrigation 150 m3/ha on August 14th), B2 (irrigation 150 m3/ha on June 5th, irrigation 300 m3/ha on June 15th, irrigation 225 m3/ha on June 25th, irrigation 300 m3/ha on July 5th, irrigation 300 m3/ha on July 15th, irrigation 225m3/ha on July 25th, irrigation 225 m3/ha on August 4th), B3 (irrigation 150 m3/ha on June 5th,irrigation 300 m3/ha on June 15th, irrigation 300 m3/ha on July 5th, irrigation 300 m3/ha on July 15th, irrigation 225m3/ha on July 25th, irrigation 225 m3/ha on August 4th,irrigation 225 m3/ha on August 14th), B4 (irrigation 300 m3/ha on June 15th, irrigation 300 m3/ha on July 5th, irrigation 300 m3/ha on July 15th, irrigation 225 m3/ha on July 25th,irrigation 225 m3/ha on August 4th,irrigation 225 m3/ha on August 14th,irrigation 150 m3/ha on August 24th).The results showed that with the potato growth stage developed, the leaf area index, dry matter accumulation of leaves and petioles and stems were highest in B1 treatment, and all reached the maximum value at 65 days after emergence; the dry matter accumulation amount of tubers reached the maximum value during the harvest period, B1 treatment was extremely significantly higher than other treatments.The tuber yield and commercial potato rate of B1 treatment were the highest, reaching 53 246 kg/ha, 89.6%, which was not significantly different from other treatments, but the water use efficiency was significantly higher than other treatments.The starch content was highest in CK, and there was no significant difference between irrigation treatments. The Pro content and MDA content were the lowest in B1 treatment, significantly lower than CK. In summary, the B1 irrigation period treatment combination can be used as a suitable irrigation time combination for potato production under drip irrigation.

Key words: Potato; Drip irrigation under film; Irrigation combination; Yield; Water use efficiency

中图分类号：S152.7

文献标识码：A

文章编号：1000-7091(2020)03-0160-08

doi:10.7668/hbnxb.201750791

收稿日期：2019-12-07

基金项目：国家自然科学基金项目(31360305)；内蒙古自然科学基金项目(2015MS0353)

作者简介：李 颖(1991-),女,内蒙古乌海人,硕士,主要从事农业技术推广研究。

通讯作者：张 胜(1961-),男,内蒙古清水河人,教授,博士,博士生导师,主要从事作物栽培生理及技术研究。