膜下滴灌馬鈴薯對水肥調(diào)控響應(yīng)研究進(jìn)展

蘇丹丹， 于守超， 張恒嘉

（1.聊城大學(xué)農(nóng)學(xué)與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東 聊城 252059； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

馬鈴薯因產(chǎn)量高、富含營養(yǎng)、糧菜兼用及加工用途廣泛等特點(diǎn)，已成為第4 大糧食作物，并逐步發(fā)展為保障糧食安全的重要糧農(nóng)作物。近年來，為緩解糧食危機(jī)，馬鈴薯在作物生產(chǎn)中的地位顯著提升，聯(lián)合國將2008 年定為“國際馬鈴薯年”，使其成為繼小麥之后第2 個(gè)以作物命名的年份，說明馬鈴薯在保障糧食安全方面發(fā)揮著重大作用[1]。為提高馬鈴薯在主糧化產(chǎn)品中的份額，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出“推進(jìn)馬鈴薯主糧化”戰(zhàn)略，確保馬鈴薯在國家糧食安全方面的重要作用[2]。

馬鈴薯對水肥有著較強(qiáng)的敏感性[3]?！坝惺諢o收在于水，收多收少在于肥”，這兩句農(nóng)諺精準(zhǔn)地反映了水肥調(diào)控對農(nóng)業(yè)的不可或缺性。水分和肥料作為影響馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)的兩大重要因子，在水資源日益緊張和農(nóng)業(yè)化肥施用過量的今天，馬鈴薯水肥高效利用成為許多研究人員重點(diǎn)關(guān)注方向。馬鈴薯膜下滴灌技術(shù)可通過合理配施水肥用量，達(dá)到水肥一體化調(diào)控與水肥充分利用，在馬鈴薯高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的同時(shí)，提高馬鈴薯根層土壤酶活性，維持土壤肥力。基于此，本研究在膜下滴灌水肥一體化條件下，馬鈴薯對不同水肥條件的響應(yīng)進(jìn)行簡要綜述，以期為實(shí)現(xiàn)馬鈴薯增產(chǎn)增效、化肥減施、環(huán)境保護(hù)與農(nóng)業(yè)精量化發(fā)展提供參考。

1 膜下滴灌技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

膜下滴灌作為滴灌與覆膜種植技術(shù)的融合，集兩者優(yōu)點(diǎn)于一體，是目前實(shí)現(xiàn)水肥一體化調(diào)控的新型節(jié)水技術(shù)[4]。膜下滴灌具有顯著的增溫保墑效果，有助于生育前期使小麥提前出苗和提高有效穗數(shù)，生育后期增加積溫，縮短生育期，使其提早成熟，較傳統(tǒng)畦灌產(chǎn)量提高20.80%，同時(shí)顯著提高小麥各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)和水分利用效率[5]。膜下滴灌較傳統(tǒng)施肥可顯著提高玉米產(chǎn)量，膜下滴灌較不覆膜、不滴灌有效增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高速效鉀、土壤脲酶活性和馬鈴薯產(chǎn)量[6-7]。綜上所述，膜下滴灌具有增溫保墑、節(jié)水控肥、增產(chǎn)增效、提高作物品質(zhì)、增加土壤酶活性和土壤養(yǎng)分循環(huán)能力諸多優(yōu)點(diǎn)。此外，膜下滴灌還可實(shí)現(xiàn)水肥一體化調(diào)控，顯著節(jié)省勞動力，現(xiàn)已在馬鈴薯種植上推廣應(yīng)用。馬鈴薯作為淺根作物，對水分變化十分敏感，并且需水肥量較大，采用膜下滴灌技術(shù)有利于馬鈴薯實(shí)現(xiàn)水肥調(diào)控，以有效提高馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)及水肥利用效率，并降低養(yǎng)分淋失到有效根區(qū)以下的風(fēng)險(xiǎn)[8]。

2 水肥調(diào)控對馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

水和肥作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的兩個(gè)重要因素，傳統(tǒng)“大水大肥”的種植模式不僅灌溉施肥過量，對水肥造成嚴(yán)重浪費(fèi)，導(dǎo)致環(huán)境污染和土壤肥力退化，還會對馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)等產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，唯有水肥用量適宜才有利于馬鈴薯實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和可持續(xù)發(fā)展。

2.1 水肥調(diào)控對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

馬鈴薯產(chǎn)量構(gòu)成要素主要包括商品率、單株塊莖質(zhì)量、單株塊莖數(shù)和馬鈴薯塊莖產(chǎn)量。不同水肥單因素對馬鈴薯產(chǎn)量影響依次為灌水量>施氮量>施磷量>施鉀量，其中氮鉀交互作用表現(xiàn)為抗頡作用，水氮交互作用對馬鈴薯產(chǎn)量表現(xiàn)為協(xié)同作用，并且適宜增加氮肥追施量有利于提高馬鈴薯產(chǎn)量[9-11]。施肥量適宜條件下馬鈴薯產(chǎn)量隨灌水量增加而提高；灌水量適宜條件下，馬鈴薯塊莖產(chǎn)量隨施肥量增加呈先增大后減小趨勢[12]。此外，不同灌水量條件下，馬鈴薯產(chǎn)量、商品率、單株塊莖數(shù)和塊莖質(zhì)量，均隨灌水量增加而提高[13]。綜上所述，馬鈴薯對水分需求量較大，過量施肥不利于塊莖對養(yǎng)分的吸收，因而對馬鈴薯施加適宜水肥和氮肥基追比，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)條件下馬鈴薯的增產(chǎn)、化肥減施和環(huán)境保護(hù)。

2.2 水肥調(diào)控對馬鈴薯品質(zhì)的影響

馬鈴薯綜合品質(zhì)的關(guān)鍵參評指標(biāo)主要有淀粉、維生素C 和還原糖。馬鈴薯塊莖淀粉含量隨灌水量或施肥量增加均呈“單峰”曲線變化[14]。水肥單因素對淀粉含量影響程度依次為施氮量>施磷量>施鉀量>灌水量，并且除施鉀外均有利淀粉含量增加，而水肥雙因素組合對淀粉含量的影響程度依次為水氮<水磷<水鉀，其中水鉀組合對馬鈴薯塊莖淀粉含量表現(xiàn)為協(xié)同效應(yīng)，水磷和水氮表現(xiàn)為抗頡效應(yīng)[15]。馬鈴薯塊莖含豐富的維生素C，施用適量氮肥可為維生素C 合成提供大量原材料，并有利于提高塊莖維生素C 含量；在一定灌水條件下，除低水中氮處理外馬鈴薯塊莖維生素C 含量均隨施氮量增加小幅提高[16]。作為影響馬鈴薯塊莖加工品質(zhì)的重要因素，還原性糖含量對不同水肥響應(yīng)存在差異。虧缺灌溉條件下馬鈴薯塊莖還原性糖隨施肥量增加降低；而充分灌溉條件下中肥處理還原性糖含量最低，單次灌水頻率為4 和10 d 時(shí)還原性糖含量顯著高于8 d，而當(dāng)灌水頻率和施肥量一定時(shí)充分灌溉條件下還原性糖顯著低于虧缺灌溉[17]。故水肥調(diào)控對馬鈴薯品質(zhì)有顯著的影響，唯有通過施加適宜的水肥量和灌水頻率才能使馬鈴薯兼顧優(yōu)質(zhì)與高產(chǎn)。

3 水肥調(diào)控對馬鈴薯水肥利用的影響

水肥間存在耦合關(guān)系，適宜的水肥施用量不僅能起到水肥協(xié)同效應(yīng)，還能提高馬鈴薯產(chǎn)量和水肥利用率，達(dá)到馬鈴薯節(jié)水控肥的可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展。一般而言，馬鈴薯產(chǎn)量隨水肥投入量增加而提高，但水肥利用效率卻隨水肥投入量增加而降低，即很難實(shí)現(xiàn)馬鈴薯高產(chǎn)與水肥高效利用同步。因而水肥管理中在考慮水肥合理配施的同時(shí)，還需兼顧水肥高效利用與馬鈴薯高產(chǎn)的“雙贏”。

3.1 水肥調(diào)控對馬鈴薯水分利用效率的影響

馬鈴薯水分利用效率指每消耗單位質(zhì)量水馬鈴薯產(chǎn)出的塊莖鮮質(zhì)量，作為衡量馬鈴薯產(chǎn)量與耗水量關(guān)系的指標(biāo)，水肥調(diào)控均對其有顯著影響[17]。在一定施肥或灌溉水平下馬鈴薯水分利用效率隨灌水量或施肥量增加均呈先增后減趨勢[14]。水氮單因素分析結(jié)果表明，在一定的水氮條件下馬鈴薯水分利用效率隨水肥施用量增加而提高，而達(dá)到某一閾值后，隨水肥施用量增加而降低[18]。有研究表明，施鉀量亦對馬鈴薯水分利用效率有顯著影響，灌水量一定時(shí)隨施鉀量增加呈先增后減趨勢，在施鉀量340 kg/hm2達(dá)峰值；施鉀量一定時(shí)，隨灌水量增加降低[19-20]。因此，在水肥閾值范圍內(nèi)增施水肥對馬鈴薯水分利用效率產(chǎn)生正效應(yīng)，超出水肥閾值后增加灌水量和施肥量將對馬鈴薯水分利用效率產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，為提高馬鈴薯水分利用效率，在水肥管理中灌水和施肥量均需適量。

3.2 水肥調(diào)控對馬鈴薯肥料利用的影響

馬鈴薯肥料偏生產(chǎn)力指每消耗單位質(zhì)量氮磷鉀肥所生產(chǎn)的塊莖鮮質(zhì)量，是衡量馬鈴薯對肥料利用率高低，最簡單、最直接的重要指標(biāo)。有研究表明，馬鈴薯肥料利用率受施肥量影響最大，其次是灌水量，受品種影響最小[21]。馬鈴薯肥料偏生產(chǎn)力在一定灌水量下隨施肥量增加減小，在一定施肥量下隨灌水量增加先增后減，在同一施肥模式下隨灌溉量增加而增大[14,22]。馬鈴薯氮肥偏生產(chǎn)力指每投入單位質(zhì)量氮肥馬鈴薯產(chǎn)出的塊莖鮮質(zhì)量，是衡量馬鈴薯對氮肥利用率高低的重要指標(biāo)之一。灌溉量一定條件下氮肥生產(chǎn)率隨施氮量增加而降低，施肥量一定條件下隨灌溉量增加而提高[23-24]。研究表明，僅在低施氮量水平下，氮肥生產(chǎn)力表現(xiàn)出隨灌水量增加而提高的變化趨勢，其他施氮條件下氮肥生產(chǎn)力提高與灌水量增加變化趨勢不明顯[25-26]。綜合分析可知，馬鈴薯肥料偏生產(chǎn)力和氮肥偏生產(chǎn)力受水肥和水氮施用量的顯著影響，在尋求合理的馬鈴薯肥料偏生產(chǎn)力和氮肥偏生產(chǎn)力時(shí)，應(yīng)施加適宜施肥量且充分考慮灌水量影響。

4 水肥調(diào)控對土壤酶活性的影響

土壤酶作為一種高活性生物催化劑，可為各種生化過程提供動力，土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化強(qiáng)弱與其活性有密切聯(lián)系，是維持土壤肥力的潛在指標(biāo)和評價(jià)土壤養(yǎng)分有效性的敏感指標(biāo)[27-28]。為滿足馬鈴薯生育期內(nèi)對養(yǎng)分的需求，需要通過適宜的水肥調(diào)控以增強(qiáng)土壤脲酶和堿性磷酸酶，供給馬鈴薯更多可溶性養(yǎng)分，從而保證生育期內(nèi)馬鈴薯塊莖所需能量積累[29]。

4.1 水肥調(diào)控對土壤脲酶活性的影響

土壤脲酶具有高度專一性，可催化尿素水解，其活性大小直接影響氮肥對土壤氮素的供應(yīng)[29]。馬鈴薯全生育期土壤脲酶活性先增后減呈單峰變化趨勢；在低灌溉水平下隨施氮量增加而降低，而其他灌溉水平下則隨施氮量增加呈單峰變化趨勢；施氮量一定時(shí)脲酶活性隨灌水量增加亦表現(xiàn)單峰變化趨勢[11]。不同土層脲酶活性與土層深度變化關(guān)系密切，并且與土層深度增加成反比[16]。不同農(nóng)藝措施對土壤脲酶活性影響為膜下滴灌>滴灌種植>覆膜種植[8]。綜合考慮不同水肥調(diào)控和農(nóng)藝措施的影響，采用膜下滴灌條件下較高灌水量和較低施氮量的水氮組合，有利于提高馬鈴薯根際活動層內(nèi)土壤脲酶活性。

4.2 水肥調(diào)控對土壤堿性磷酸酶活性的影響

土壤堿性磷酸酶能催化土壤有機(jī)磷礦化，其活性高低直接影響馬鈴薯對磷肥的吸收利用[8]。馬鈴薯土壤堿性磷酸酶活性隨生育期推進(jìn)呈先增后減趨勢，并且滴灌水肥一體化模式下馬鈴薯土壤磷酸酶活性最高，不同農(nóng)藝措施對其影響為膜下滴灌>覆膜不滴灌、滴灌不覆膜>不滴灌不覆膜[8,30]。此外，土壤堿性磷酸酶活性隨土層深度減小而增強(qiáng)，不同水肥施用時(shí)期也對馬鈴薯磷酸酶活性產(chǎn)生影響，在馬鈴薯定植28 d 時(shí)施用水肥土壤磷酸酶活性將顯著增強(qiáng)[31-32]。因而，可采用膜下滴灌水肥一體化技術(shù)并在馬鈴薯定值28 d 施用適量水肥，以提高馬鈴薯根際土壤堿性磷酸酶活性。

5 結(jié)束語

綜述了不同水肥調(diào)控和農(nóng)藝措施對馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)、水肥利用及馬鈴薯根際土壤酶活性的影響，結(jié)果表明，在膜下滴灌條件下，適宜水肥施用量、氮肥基追比及單次灌水頻率均對馬鈴薯高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效和提高土壤酶活性有顯著影響。此外，今后需培育高水肥利用率的馬鈴薯新品種，以期達(dá)到馬鈴薯品種改良和水肥利用效率提高，同時(shí)要繼續(xù)開展水肥調(diào)控對馬鈴薯高產(chǎn)高效影響研究，按照農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的原則加快水肥一體化技術(shù)推廣，確定馬鈴薯合理的水肥施用量，最終實(shí)現(xiàn)馬鈴薯增產(chǎn)增效、化肥減施、環(huán)境保護(hù)與農(nóng)業(yè)精量化發(fā)展。