滴灌下不同灌水处理对马铃薯水氮运移及产量的影响

吴 娇，尹 娟,2,3，耿浩杰，刘宇朝

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程中心，银川 750021；3.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021)

0 引 言

马铃薯是茄科茄一年生块茎的草本植物，又名土豆，是粮菜兼用作物，原产地为南美洲安第斯山。其优点有抗旱性强、适应性广、产量高、耐瘠薄等，被世界各地广泛的种植，成为世界四大粮食作物之一[1-4]。我国是马铃薯生产大国，据统计资料可知，我国马铃薯种植面积高达约600 万hm2左右，居于世界第一。西部干旱半干旱地区是我国马铃薯主要种植地区。宁夏中部是典型的干旱地区，种植马铃薯约有300多年的历史，种植面积达1.86 亿hm2，马铃薯是宁夏第一大农作物[5,6]。膜下滴灌具有节水、节肥、高效增产以及防止病害等优点[7]。膜下滴灌是地膜覆盖与滴灌相结合，将作物生长发育所需要的肥料均匀的、准确的施在作物根系附近[8]。本文通过大田试验，研究不同灌溉定额及灌后天数不同深度土壤中硝态氮和水分的运移特性以及不同灌水量对马铃薯产量的影响规律。以期为宁夏中部干旱地区制定合理的水肥管理措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

2017年5月在宁夏回族自治区吴忠市同心县下马关镇进行试验研究。试验区属于宁夏中部干旱地区，海拔1 730 m，位于东经105°54′24″，北纬36°58′48″，平均年降雨量为300 mm左右，大多集中在7、8、9三个月，11月下旬结冻，3月上旬解冻，是大陆性干旱气候，其特征是干旱少雨，日照长，太阳辐射强，蒸发量大，四季分明，夏秋短，春冬长。土壤类型为沙壤土，密度为1.41 g/cm3，前茬歇地，肥力中上等，且播种前土壤的理化性质见表1。由于大风、沙暴、霜冻、冰雹等自然灾害性天气出现频率比较高，因此对农业的生产有很大的影响。

表1 土壤理化性质

1.2 试验设计

马铃薯供试品种为克新1号。试验地各小区面积均为3 m×5 m，四周设保护行，小区间保护行为1.0 m宽，外围保护行为1.0～4.5 m宽。株行距为0.55 m×0.60 m，每株面积为0.33 m2，每60株为一个小区。水分控制为滴灌，在每垄上安装一条旁壁式滴灌带。采用随机区组试验方法，以灌溉定额和氮肥施量为试验因素，过磷酸钙和硫酸钾分别施用165、75 kg/hm2，全部基施。根据马铃薯需水要求，本试验分别在苗期(5月1日)、现蕾期(6月25日)、开花初期(7月25日)灌水，全生育期共灌水3次。试验共3个处理，每处理设三次重复。该试验水平和因素设计见表2。

表2 试验水平和因素设计表

1.3 取样测定指标及方法

沿垂直于滴灌带方向取土，土深为1 m，每隔10 cm观测和灌水后1、3、5、7 d观测。将土样分成两份，一份用于测定土壤含水率，一份用于测定硝态氮含量。

(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)土壤硝态氮含量利用紫外分光光度计测定。

(3)测产时挖出的植株必须是完整的。每个小区为一个测产单元，共三十个单元，每个单元随机取样3株马铃薯，共90株马铃薯。先测出单株薯重，记录数据，再分为小薯(块茎重量小于50 g)、中薯(块茎重量介于50 g到150 g)、大薯(块茎重量大于150 g)，记录每类薯的个数和重量。

2 结果与分析

以第二次灌水为例，分析不同灌溉定额对马铃薯根区土壤含水率、硝态氮的影响规律以及不同灌溉定额对马铃薯产量的影响。

2.1 不同灌水处理下马铃薯根区土壤含水率变化规律

图1表示不同灌后天数下各个处理马铃薯根区土壤含水率变化过程。

处理1不同深度土壤的初始含水率值在5%～10%之间，处理2的在5%～12%之间，处理3的在5%～13%之间，各个处理不同深度土壤的初始含水率均不一致，其原因是各个处理试验区域存在差异性。灌水1 d后，处理1 0～40 cm土层土壤含水率不断降低，降幅为26.2%，50～100 cm土层土壤含水率以2%的幅度上下波动，其原因是马铃薯根系主要分布在20～40 cm土层，吸收了该土层附近的水分，对50 cm以下的土层含水率影响小。处理2 0～40 cm土层土壤含水率先增加后减少，50～100 cm土层土壤含水率不断降低，降幅为50.1%，其原因是表层土壤(0～20 cm)含水率随着灌溉定额的增加而增加，而马铃薯根系主要分布在20～40 cm土层，吸收了该土层附近的水分，因而含水率降低，马铃薯次要根系分布在60～80 cm土层，吸收该土层附近的水分，因此50～100 cm土壤含水率不断降低。处理3 0～20 cm土层土壤含水率降低，降幅为5%，20～40 cm土层土壤含水率不断增加，增幅为18.1%，50～100 cm土层土壤含水率不断降低，降幅为24%，其原因是处理3为高灌溉定额，不仅满足了马铃薯根部对水分的需求，还有多余的水分，因此在20～40 cm土层土壤含水率增加，0～20 cm土层土壤含水率由于蒸发而降低，50～100 cm土层土壤含水率减少的原因是马铃薯次要根系吸收了该土层附近的水分，灌溉定额越大，降幅越小。

图1 不同灌后天数根区土壤含水率分布图

灌水3 d后，处理1 0～40 cm土层土壤含水率以2%的幅度上下波动，50～100 cm土层土壤含水率不断降低，降幅为39.3%，其原因是灌溉定额较小，不能满足马铃薯根部对水分的需求，因此0～40 cm土壤含水率变化幅度不大，50～100 cm土层土壤含水率降低是由于土壤中的水分不断下渗。处理2土壤越深，含水率越小，其原因是随着时间推移，土壤中的水分不断下渗、蒸发或被马铃薯根部吸收利用，使含水率降低，处理3 0～30 cm土层土壤含水率变化不大，30～40 cm土层土壤含水率增加，50～100 cm土层土壤含水率不断降低，其原因是随着时间推移不同深度土壤水分不断下渗；灌水5 d后，处理1不同深度土壤含水率不断降低，降幅为42.6%，处理2不同深度土壤含水率也呈下降趋势，降幅为37.3%，处理3不同深度土壤呈先增大后减少的趋势，其原因是随着灌溉定额的增加，马铃薯根区需要的水分不断满足，因此含水率降低的幅度不断降低，处理3为高灌溉定额，在马铃薯根部有多余的水分存在；灌水7 d后，处理1和处理2不同深度土壤含水率呈下降趋势，降幅分别为34.9%和46.0%，处理3不同深度土壤含水率呈上升的趋势，其原因是处理1为低灌溉定额，入渗一定时间后，入渗率趋于一稳定值，处理2因随着入渗时间的推移，入渗速率逐渐降低，处理3由于灌溉定额最大，地表形成了积水，从无压入渗变成有压入渗，入渗速率增大。

灌水7 d后，处理1不同深度土壤含水率比初始值高0.73%～5.56%，处理2不同深度土壤含水率比初始值高0.79%～4.47%，处理3不同深度土壤含水率比初始值高2.34%～4.69%，由此看出处理2在灌水结束再分布7 d后不同深度含水率与初始含水率相差幅度最小，因此处理2为最优处理。

2.2 不同灌水处理下马铃薯根区土壤硝态氮运移规律

图2表示不同灌水处理下马铃薯根区土壤硝态氮变化过程。

各灌水处理下马铃薯根区土壤硝态氮变化规律均为：随着灌溉定额的增加，0～20 cm土层硝态氮的含量不断增加，30～50 cm土层硝态氮的含量不断减少，60～100 cm土层硝态氮含量在0.2 mg/kg的基础上以0～0.11 mg/kg上下浮动，其原因是灌水量的不断增加促进表层土壤的硝态氮向下层移动，因此0～20 cm土壤硝态氮含量不断增加，马铃薯根区主要分布在30～40 cm，吸收了该土层附近的养分，而对60～100 cm土层影响小。

图2 不同处理下马铃薯根区土壤硝态氮分布图

处理1，灌水1 d后不同深度土壤硝态氮含量最低，均值为0.3 mg/kg，随着灌水后天数的增加，不同深度土壤硝态氮含量不断增加，灌水3 d后不同深度土层硝态氮的含量比灌水1 d后高0.1 mg/kg左右，总体呈两头高中间低的分布特征，灌水5 d后不同深度土壤硝态氮的含量比灌水3 d后高0.3 mg/kg左右，灌水7 d后0～40 cm土壤硝态氮含量达到峰值，为0.83 mg/kg，其原因是土壤中水分少且蒸发强度大，蒸腾拉力使下层土壤中的硝态氮上升；处理2，灌水1 d后，0～20 cm土壤硝态氮含量呈上升趋势，增幅为53.1%，20～40 cm土壤硝态氮含量呈下降趋势，降幅为57.1%，50 cm以下土层硝态氮含量在0.18 mg/kg左右，其原因是灌水量越大，促进了硝态氮向下层运移，因此硝态氮含量先增加，马铃薯根区吸收了大量的硝态氮，因此又呈下降趋势，随着灌水后天数的增加，不同深度土层硝态氮含量不断减少，但在灌水5 d后0～40 cm土壤硝态氮含量达到峰值，为0.67 mg/kg，其原因是灌水5 d后马铃薯根区有多余的硝态氮积累，随着时间的推移，不断淋移下渗，因此灌水7 d后不同深度土层硝态氮的含量又出现减少的现象。处理3规律与处理2一致。

灌水7 d后，处理1和处理3在20～40 cm土层硝态氮的含量达到峰值，分别为0.66和0.30 mg/kg，出现了硝态氮累积现象，50～70 cm土层硝态氮的含量低于初始值，分别比初始值0.39和0.28 mg/kg低0.18和0.06 mg/kg，不利于马铃薯次要根区对养分的吸收。

2.3 不同灌溉定额对马铃薯产量的影响

由表3方差分析可知，不同灌溉定额对马铃薯产量的影响极显著(P<0.01)。对试验点不同灌水处理下的马铃薯进行测产，依据测产结果绘制产量分布图(图3)。从图3得出不同灌水处理下马铃薯产量不同，其中处理1灌溉定额最小且产量为16.27 t/hm2，处理2产量最高，为25.88 t/hm2，处理3产量最低，仅为11.71 t/hm2，且处理3的灌溉定额最大。说明灌溉定额在一定范围内可以促进马铃薯产量的增加，但是当灌溉定额超过1 260 m3/hm2时，产量与灌溉定额呈负相关关系。

表3 马铃薯产量方差分析表

图3 各灌水处理下马铃薯产量变化图

3 结论与讨论

3.1 结 论

(1)不同深度土壤含水率随着灌溉定额的增加而增加，且随着灌水后天数的推移，各个处理含水率不断降低。灌水1 d后，各个处理表层(0～20 cm)土壤含水率随着灌溉定额的增加而增大， 30～40 cm土层土壤含水率不断降低，50～100 cm土层土壤含水率不断降低的幅度随着灌溉定额的增加而降低；灌水3 d后，处理1灌溉定额小，不能满足马铃薯根部对水分的需求，0～40 cm土层土壤含水率变化幅度不大，50～100 cm土层土壤含水率降低是由于土壤中的水分不断下渗，处理2的灌溉定额满足马铃薯根部对水分的需求，土壤越深，含水率越小，处理3为高灌溉定额，根部附近土层会有多余的水分，50～100 cm土层土壤含水率由于土壤水分不断下渗而不断降低；灌水5 d后，处理1和处理2不同深度土壤含水率不断降低，处理3不同深度土壤呈先增大后减少的趋势；灌水7 d后，处理1和处理2不同深度土壤含水率不断降低，处理3不同深度土壤含水率呈上升的趋势。

处理1不同深度土壤含水率比初始值高0.73%～5.56%，处理2不同深度土壤含水率比初始值高0.79%～4.47%，处理3不同深度土壤含水率比初始值高2.34%～4.69%，由此看出处理2在灌水结束再分布7 d后不同深度含水率与初始含水率相差幅度最小，因此处理2为最优处理。

(2)30～50 cm土层硝态氮的含量明显低于0～20 cm土层的，低0.16～0.96 mg/kg，60～100 cm土层硝态氮的含量在初始值的基础上以0～0.11 mg/kg上下浮动。处理1受灌水后天数的影响，不同深度土层硝态氮的含量总体呈两头高中间低的分布特征；处理2和3不同深度土层硝态氮含量呈现先减少再增加后减少的分布规律。由于处理1和3在50～70 cm土层硝态氮的含量低于初始值，不利于马铃薯次要根区对养分的吸收，因此处理2为最优处理。

(3)灌溉定额在一定范围内可以促进马铃薯产量的增加，但是当灌溉定额超过1 260 m3/hm2时，产量与灌溉定额呈负相关关系。不同灌水处理下马铃薯产量以处理2最优，产量高达为25.88 t/hm2。

本试验条件下，灌水条件为处理2时，马铃薯产量最高，不同深度土层含水率和硝态氮含量均为马铃薯生长发育对水分和养分的最优需求。

3.2 讨 论

研究得出：不同深度土层土壤含水率随着灌溉定额的增加而增加，0～40 cm土层土壤含水率变化波动较大，50～100 cm土层土壤含水率呈下降趋势，与夏腾霄[2]文中马铃薯各生育期不同深度土层土壤含水率总体呈现的规律相似。0～60 cm土层硝态氮含量呈下降趋势，60 cm以下土层硝态氮含量趋于稳定值，随着灌溉定额的增加，硝态氮向下运移的越明显，这一结论与李颖[3]文中呈现的规律基本一致。

然而文中只探讨了不同灌溉定额对土壤含水率、硝态氮垂直方向的运移规律以及不同灌溉定额对产量的影响，没有考虑水平方向对土壤含水率及硝态氮的影响，之后的研究会从Hydrus软件出发，结合数学方法对土壤含水率和硝态氮进行垂直方向与水平方向进行模拟研究。