任冬雪，張立峰,2，劉玉華,2，劉可心

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河北 保定 071000;2.農(nóng)業(yè)部張北農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站，河北 張家口 076450)

0 引 言

水分是影響作物生長發(fā)育的關(guān)鍵因子，降水、灌溉、蒸發(fā)和蒸騰等共同影響著農(nóng)田土壤水分平衡[1,2]。冀西北高寒半干旱區(qū)，農(nóng)田生產(chǎn)水資源匱乏，春季干旱多風(fēng)高額蒸發(fā)、夏秋降水極不穩(wěn)定，導(dǎo)致作物出苗保苗難，產(chǎn)量水平低[3-5]。因此明確區(qū)域土壤水分時空運(yùn)動特征以及不同供水情景下的作物耗水效果，是采取和創(chuàng)新農(nóng)藝措施保蓄農(nóng)田土壤水分，提高作物水分利用效率的關(guān)鍵[6-11]。在雨養(yǎng)旱作地區(qū)，通常采用覆膜和滴灌等方式提高作物的水分利用效率。覆膜具有集雨、抑制無效蒸發(fā)，增加土壤蓄水和水分回流能力的效應(yīng)。馬鈴薯覆膜后耗水量雖較露地高1.3%～57.74%[12,13]，但水分利用效率提高12.04%～135.36%[12,14,15]。覆膜改善了小麥的產(chǎn)量結(jié)構(gòu)[16,17]，穗數(shù)、穗粒數(shù)較露地分別增加20.4%、35.1%，產(chǎn)量提高60.5%，水分利用效率相應(yīng)提高34.3%-51.9%[18]；然而覆膜對作物生育前期的過度促進(jìn)效應(yīng)，導(dǎo)致雨養(yǎng)春小麥減產(chǎn)49.6%[19]。滴灌作為一種新型灌溉方式，具有節(jié)約灌水量、提高作物產(chǎn)量與改善品質(zhì)的作用[20]。滴灌能明顯提高灌溉效率，減小土壤蒸發(fā)量，降低農(nóng)田局域空氣濕度的效果[1,2,7,8,21-25]。與漫灌相比，采用滴灌方式灌溉，灌水量每公頃減少2 476 m3，節(jié)水54.2%，馬鈴薯產(chǎn)量增加43.06%，水分利用效率提高42.5%[21]。覆膜能顯著地提高0～100 cm土層的土壤貯水量，結(jié)合補(bǔ)灌能提高0～200 cm土層的貯水量[22]；覆膜結(jié)合補(bǔ)灌能顯著改善谷子群體結(jié)構(gòu)，谷子產(chǎn)量較露地提高10.1%～18.6%，水分利用效率提高10.7%～19.4%[7,8]。王亞軍等[25]研究表明，當(dāng)補(bǔ)灌量為45 mm時，既可提高西瓜的水分利用效率又不降低西瓜的含糖量；當(dāng)補(bǔ)灌量大于67.5 mm時，土壤貯水利用率明顯降低且隨灌水量增加，灌水經(jīng)濟(jì)效益降低。冀西北地區(qū)水資源匱乏，滴灌已然成為區(qū)域規(guī)?；喔锐R鈴薯生產(chǎn)的高效替代方式，但對覆膜及補(bǔ)水灌溉條件下農(nóng)田水分運(yùn)動規(guī)律和利用率研究較少，不同情境下馬鈴薯田適宜的灌溉量依然缺乏。本文設(shè)置地面滴灌和膜下滴灌兩種灌溉方式，在馬鈴薯的不同生育期進(jìn)行補(bǔ)水灌溉，通過對土壤水分及馬鈴薯產(chǎn)量等性狀的測定與分析，明確不同情境下土壤水分時空變化特征，為雨養(yǎng)區(qū)馬鈴薯田水分高效利用技術(shù)的改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)于2018年在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)張北實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)站位于張家口市張北縣(114°42′E，41°09′N)，海拔1 420 m，年均降水量382.5 mm，年均溫3.9 ℃，無霜期135 d，不小于10 ℃積溫2 426.3 ℃。馬鈴薯供試品種為“226”，試驗(yàn)地土壤類型為草甸栗鈣土，其理化性質(zhì)見表1。2018年馬鈴薯生育期內(nèi)降水量279.3 mm，與常年同期降水量276 mm基本持平，降水分布見圖1。

表1 供試土壤0～20 cm土層理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of soil 0～20 cm

圖1 馬鈴薯田生育期內(nèi)土壤貯水量、降水量及馬鈴薯生物量動態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of soil water storage, precipitation and potato biomass during the growth period of potato field

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)田各處理均為起壟栽培，壟寬80 cm，壟高15 cm，壟間距50 cm。設(shè)露地(T1)、覆膜(T2)、膜下補(bǔ)灌22.5 mm(T3)、膜下補(bǔ)灌45 mm(T4)和露地補(bǔ)灌45 mm(T5)五個處理，以露地(T1)為對照。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，共設(shè)18個小區(qū)。試驗(yàn)小區(qū)面積20×5.2=104 m2，馬鈴薯種植密度為30 785 株/hm2。每個小區(qū)施入750 kg/hm2撒可富復(fù)合肥(N-P-K=15-15-15)作為基肥，隨機(jī)械播種一次性施入。T3～T5灌溉量及灌溉時期見表2。馬鈴薯5月1日播種，9月13日收獲。

表2 各處理的灌溉量及灌溉時期 mm

1.3 測定項(xiàng)目

1.3.1 產(chǎn)量的測定

收獲時，每個處理按小區(qū)實(shí)測產(chǎn)量(鮮重)。

1.3.2 土壤水分含量測定

利用烘干法測定土壤水分含量。

在馬鈴薯生育期內(nèi)每隔15 d用土鉆在小區(qū)內(nèi)取0～80 cm土層土樣，每10 cm一層；取土后及時稱取濕土重，放入105 ℃烘箱中烘干， 24 h后稱取干重，計(jì)算土壤含水量。

式中：m1為濕土樣及鋁盒重量，g；m2為烘干后土樣及鋁盒重量，g；m3為烘干后空鋁盒重量，g。

土壤貯水量W(mm)=hi×pi×bi×10

式中：h為土層深度，cm；p為土壤容重，g/cm3；b為土壤含水量，%；i=10，20，…，80。

耗水量ET(mm)=W1-W2+P+I

式中：W1、W2分別為馬鈴薯播種期、收獲期土壤貯水量，mm；P為生育期降水量，mm；I為灌水量，mm。

WUE=Y/ET

式中：WUE為水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y為馬鈴薯產(chǎn)量，kg/hm2；ET為土壤耗水量，mm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft office2013、 SPSS18.0及SigmaPlot12.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆膜與補(bǔ)灌的馬鈴薯田0～80 cm土層貯水量時序變化特征

各處理馬鈴薯田0～80 cm土層貯水量時序變化明顯受生育期內(nèi)降水、補(bǔ)灌與覆膜影響(圖1)。T1～T5處理收獲時(9月13日)土壤貯水量較播種時(5月1日)分別增加24.15、33.69、45.01、73.73和68.65 mm。分析表明，補(bǔ)灌使馬鈴薯田0～80 cm土層土壤貯水量提高了11.32～44.5 mm；覆膜使土壤貯水量提高了7.08～9.54 mm，覆膜處理土壤貯水增加量高于露地。

圖1 馬鈴薯田生育期內(nèi)土壤貯水量、降水量及馬鈴薯生物量動態(tài)變化Fig. 1 dynamic changes of soil water storage, precipitation and potato biomass during the growth period of potato field

5月1日-6月20日降水量39.8 mm，馬鈴薯處于播種-出苗-幼苗生長階段，較少的降水與出苗耗水使得土壤貯水量呈下降趨勢。T1、T2、T3、T5處理較播期分別下降26.7、8.48、1.93、4.10 mm，T4增加了3.23 mm。覆膜處理的阻隔水分蒸發(fā)效應(yīng)，減少了土壤耗水，并使得T2處理的生產(chǎn)量較T1增加了30.85%。在降水不足的半干旱地區(qū)，覆膜能有效地保存土壤底墑水，是實(shí)現(xiàn)作物春播正常出苗與保證苗壯的重要措施。

6月21日-7月20日降水108.8 mm，此階段馬鈴薯處于莖葉生長與塊莖形成期，較為集中的降水加之T3～T5處理滴灌22.5 mm，各處理的土壤貯水量均大幅度增加，幾近生育期的峰值，T1～T5較播期分別增加59.37、55.58、66.28、89.00、77.21 mm。補(bǔ)灌使T3、T4貯水量較T2增加了15.56、35.05 mm，T5較T1貯水量減少2.64 mm。圖1表明，該階段各處理的馬鈴薯生產(chǎn)量差異不顯著，相對充足的供水轉(zhuǎn)化為土壤貯水，為后期生產(chǎn)量的快速增長奠定了基礎(chǔ)。

7月21日-8月20日降水76.3 mm，馬鈴薯處于塊莖膨大期，高額的耗水使土壤貯水量呈下降趨勢，T1、T2、T3處理較7月21日分別下降52.78、24.49、45.50 mm，T4、T5在滴灌22.5 mm時，土壤貯水量分別較7月21日下降19.15、12.76 mm。7月21日-8月5日，T1～T3處理的土壤貯水量下降迅速，至8月5日土壤貯水量與播期大致相同，T4、T5處理由于補(bǔ)灌，貯水量降幅較小。圖1表明，至7月21日T3處理的生物量分別是T1、T2、T4、T5的1.44倍、1.29倍、1.13倍、1.35倍，T3處理較強(qiáng)的耗水能力對維持較快的生產(chǎn)量積累起到了重要作用。

8月21日-9月13日的馬鈴薯成熟階段降雨54.4 mm，植株逐漸衰老枯死，田間蒸散量減少，在降水補(bǔ)給下各處理貯水量又呈增加趨勢。

2.2 覆膜與補(bǔ)灌的馬鈴薯田0～80 cm土層含水量垂直變化特征

馬鈴薯田生育期0～80 cm土壤含水量垂直變化如圖2。從圖2可以看出，不同處理間均表現(xiàn)為0～40 cm土層土壤含水量在整個生育期內(nèi)變幅較大，是馬鈴薯田供水的主要土層。補(bǔ)灌前(5月1日-6月20日)干旱少雨，各處理土體呈失水狀態(tài)[圖2(a)、(b)]。與5月1日相比，6月20日T1、T5兩個露地處理0～70、0～50 cm土層含水量下降30.58、13.77 mm，T2～T4三個覆膜處理0～40、0～40、0～30 cm土層含水量下降18.69、18.55、7.00 mm，覆膜較露地處理土體失水層明顯變淺。隨著第一次補(bǔ)灌與雨季較為頻繁的降水，土壤貯水急劇增加[圖2(c)]，至7月20日各處理0～80 cm土層含水量均呈上升趨勢。此期T2處理0～80 cm土壤含水量均低于T1處理，T3、T4處理0～60 cm土壤含水量低于T5處理，說明覆膜較露地不僅提升了整個土體的供水量，而且40～60 cm的深層供水更為明顯。第二次補(bǔ)灌后至8月5日[圖2(d)]，馬鈴薯處于塊莖膨大期，耗水量急劇增加，T4、T5處理由于補(bǔ)灌使0～40 cm含水量降幅小于其他處理；T1～T3處理0～40 cm土層土壤含水量迅速下降，且T2、T3處理0～30 cm土層水分接近土壤凋萎含水量。8月5日-9月13日[圖2(e)、(f)]，馬鈴薯處于成熟階段，在降水補(bǔ)給下T1～T3處理0～40 cm土層土壤含水量略有增加，40 cm以下土層含水量與T4、T5處理0～80 cm土層含水量變化量較小。

2.3 覆膜與補(bǔ)灌對馬鈴薯各生育時段耗水量與生產(chǎn)量的影響

圖2 馬鈴薯田生育期內(nèi)0～80 cm土層土壤含水量垂直動態(tài)變化Fig. 2 Vertical dynamic changes of soil water content in 0～80 cm soil layer during the growth period of potato field

由表3可看出，覆膜與補(bǔ)灌對各生育時段馬鈴薯田的耗水與水分利用效果的影響不同。5月1日-6月20日的馬鈴薯播種到苗期階段，各處理耗水量在41.20～66.50 mm間，差異不明顯，馬鈴薯生產(chǎn)量以T1最低，為262.39 kg/hm2，與T4處理差異顯著，與其他處理差異不顯著。

6月20日-7月20日為馬鈴薯塊莖形成階段，各處理生產(chǎn)量與耗水量明顯增加。此階段T3、T4生產(chǎn)量分別為2 433.01和2 057.85 kg/hm2，較T1提高49.02%和26.04%，相應(yīng)耗水量為110.93和89.42 mm，較T1處理耗水量50.03 mm差異顯著。結(jié)果表明，膜下滴灌方式促進(jìn)了該階段馬鈴薯生產(chǎn)量，進(jìn)而提高了田間耗水量。分析表明，該期T5的生產(chǎn)量較T1提高了5.80%，但耗水量卻達(dá)T1的1.50倍，說明此期采用露地滴灌供水，大部分水用于土體蒸發(fā)，對于馬鈴薯增產(chǎn)效果較小。7月20日-8月20日為塊莖膨大期，各處理生產(chǎn)量增速最快，水分利用效率(WUE)達(dá)全生育期最高值。此期T3～T5處理生產(chǎn)量分別達(dá)6 768.20 、6 805.83和5 778.85 kg/hm2，顯著高于T1處理達(dá)88.82%～122.38%；同期耗水量卻只有T1處理的68.22%～82.79%，相應(yīng)WUE達(dá)68.58～98.02 kg/(hm2·mm)，為T1的2.28～3.26倍。表3表明，該階段T2處理的生產(chǎn)量較T1增加了48.76%，耗水量只有T1的72.20%，WUE是T1的2.06倍。T4和T5在滴灌相同水量的條件下，T4的階段生產(chǎn)量較T5增加17.77%，耗水量為T5的82.40%，WUE是T5的1.43倍。結(jié)果表明，覆膜與補(bǔ)灌顯著提高了馬鈴薯對田間水分的利用效果，而覆膜處理更為明顯。

表3 馬鈴薯各生育時段生產(chǎn)量(干重)、耗水量及水分利用效率Tab.3 Production (dry weight), water consumption and water use efficiency of potatoes during each growth period

注： 同行不同小寫字母表示處理間差異達(dá)到顯著水平(p<0.05)。

8月20日至9月13日馬鈴薯處于成熟階段，各處理的階段生產(chǎn)量在815.12 ～2 349.32 kg/hm2間，彼此差異不顯著；T3耗水量顯著少于T2、T4、T5處理，這與該處理前期耗水較多以及后期沒有灌溉等有關(guān)。

2.4 覆膜與補(bǔ)灌下馬鈴薯產(chǎn)量及水分利用效率

馬鈴薯各處理產(chǎn)量、耗水量及水分利用效率見表4。各處理產(chǎn)量從高到低依次為T3、T4、T5、T2、T1。分析表明，旱作下覆膜較露地增產(chǎn)76.44%，補(bǔ)灌較旱作增產(chǎn)52.16%；膜下補(bǔ)灌較露地旱作增產(chǎn)92.89%～123.47%。監(jiān)測表明各處理耗水量在245.62～256.78 mm間，雖有處理補(bǔ)水灌溉，但處理間差異不顯著；相應(yīng)5個處理間水分利用效率相差很大，變化在36.78～81.65 kg/(hm2·mm)之間。統(tǒng)計(jì)表明，露地栽培的T1與T5處理WUE分別為36.78和55.84 kg/(hm2·mm)，顯著低于覆膜處理；覆膜處理中，T3的WUE最高，為T2、T4的1.21和1.13倍，并差異顯著。表4表明，覆膜較露地處理的降水生產(chǎn)效率提高了76.45%；覆膜與露地的灌溉水利用效率則較旱作的降水利用效率提高了2.31與2.24倍。

表4 馬鈴薯各處理的產(chǎn)量、耗水量及水分利用效率Tab.4 Yield, water consumption and water use efficiency of potato treatments

分析5個處理的馬鈴薯經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量與水分利用效率的關(guān)系如圖3。統(tǒng)計(jì)表明，本試驗(yàn)中馬鈴薯產(chǎn)量(Y)和水分利用效率(X)間呈極顯著的線性相關(guān)，其回歸方程為Y= 0.003 9X+0.200 2(R2=0.994 7)，說明產(chǎn)量隨著水分利用效率的增加呈線性增長趨勢。因此提高水分利用效率的技術(shù)創(chuàng)新，成為促進(jìn)冀西北寒旱區(qū)馬鈴薯增產(chǎn)與區(qū)域水土資源高效利用的核心。

圖3 馬鈴薯產(chǎn)量與水分利用效率的關(guān)系Fig. 3 relationship between potato yield and water use efficiency

3 討 論

農(nóng)田土壤水分時空動態(tài)是SPAC系統(tǒng)中水分運(yùn)動的重要表征[26,27]。吳程[1]等研究塔里木平原荒漠綠洲區(qū)沙土棉田的土壤水分空間動態(tài)表明，棉田可分為水分活躍層(0～20 cm)、次活躍層(20～60 cm)和穩(wěn)定層(60～120 cm)等層次。李巧珍[28]等對甘肅砂田土壤水分監(jiān)測表明，冬小麥田0～160 cm土層土壤含水量垂直變化呈反“S”型曲線，表層0～40 cm為水分活躍區(qū)，40～100 cm為作物吸水區(qū)，100～140 cm為水分穩(wěn)定區(qū)。楊震等[29]研究表明，寧南旱區(qū)溝壟集雨與補(bǔ)灌對提高0～40 cm土層的土壤貯水量效果最明顯，而補(bǔ)灌的水分正處于馬鈴薯根系的主要吸水層，故覆膜補(bǔ)灌處理的產(chǎn)量及水分利用效率較對照高92.89%-123.47%和98.23%-123.79%。本研究得出，冀西北寒旱區(qū)草甸栗鈣土馬鈴薯田的主要供水層在0～40 cm，40～80 cm土層為水分相對穩(wěn)定區(qū)。這與本研究結(jié)果基本一致。秦舒浩等[30]對半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)集雨補(bǔ)灌馬鈴薯田土壤水分監(jiān)測研究表明，馬鈴薯的主要吸水層在0～80 cm土層。由此可見，試驗(yàn)區(qū)土壤類型、降水與補(bǔ)水?dāng)?shù)量等會影響馬鈴薯的主要吸水層次。

農(nóng)田耗水量與水分利用效率是影響半干旱區(qū)作物產(chǎn)量的主要方面[31,32]。研究表明，作物產(chǎn)量與耗水量通常呈線性或二次項(xiàng)性正相關(guān)關(guān)系[33-36]，相應(yīng)農(nóng)田供水量成為作物產(chǎn)量的基本限制。在一定供水量下，土體水分蒸耗方式與作物耗水能力決定著水分的利用效率，地膜覆蓋[10,18,37,38]、適期節(jié)灌[1,2,7,8,22,25]的水分調(diào)控及以縮行增密[11,39-41]、育苗移栽[10,42]等促進(jìn)耗水措施，成為農(nóng)田技術(shù)運(yùn)用的重要方面。本研究得出，冀西北寒旱區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)處理間耗水量差異不顯著，其產(chǎn)量主要取決于水分利用效率，地膜覆蓋與適期滴灌有效促進(jìn)了馬鈴薯的前期生長，奠定了馬鈴薯生育中期的較高耗水能力，由此呈現(xiàn)出馬鈴薯產(chǎn)量與水分利用效率間的線性正相關(guān)特征。這與寒旱區(qū)地膜覆蓋有效提高了地溫[19,43]、關(guān)鍵期補(bǔ)灌[30,44]促進(jìn)了作物前期生育有關(guān)。而非宜期灌溉則會產(chǎn)生“奢侈耗水”致使水分利用低效[12]。本試驗(yàn)的T4處理于7月份降水較多境況下補(bǔ)灌，造成了土壤貯水量增高，馬鈴薯貪青晚熟而致低產(chǎn)。

4 結(jié) 語

冀西北寒旱區(qū)草甸栗鈣土馬鈴薯田的主要供水層為0～40 cm土層，塊莖膨大期為農(nóng)田耗水關(guān)鍵期。覆膜和補(bǔ)灌均可顯著提高馬鈴薯的產(chǎn)量和水分利用效率。旱作下覆膜較露地可使馬鈴薯增產(chǎn)76.44%，水分利用效率提高83.33%；膜下滴灌補(bǔ)水22.5 mm時可增產(chǎn)123.47%，水分利用效率提高122.00%；露地補(bǔ)灌45 mm可增產(chǎn)52.17%，水分利用效率提高51.82%。覆膜和補(bǔ)灌并未顯著加農(nóng)田耗水量，但顯著地提高馬鈴薯的產(chǎn)量和水分利用效率。