不同滴灌制度对棉花/马铃薯模式中马铃薯产量和WUE的影响
引用本文
王丽霞, 陈源泉, 李超, 师江涛, 陶志强, 聂紫瑾, 张建省, 隋鹏. 不同滴灌制度对棉花/马铃薯模式中马铃薯产量和WUE的影响. 作物学报, 2013, 39(10): 1864-1870
[WANG Li-Xia, CHEN Yuan-Quan, LI Chao, SHI Jiang-Tao, TAO Zhi-Qiang, NIE Zi-Jin, ZHANG Jian-Sheng, SUI Peng. Effects of Different Drip Irrigation Systems on Yield and Water Use Efficiency of Potato in Intercropping System of Cotton and Potato. Acta Agronomica Sinica, 2013, 39(10): 1864-1870]
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[WANG Li-Xia, CHEN Yuan-Quan, LI Chao, SHI Jiang-Tao, TAO Zhi-Qiang, NIE Zi-Jin, ZHANG Jian-Sheng, SUI Peng. Effects of Different Drip Irrigation Systems on Yield and Water Use Efficiency of Potato in Intercropping System of Cotton and Potato. Acta Agronomica Sinica, 2013, 39(10): 1864-1870]
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不同滴灌制度对棉花/马铃薯模式中马铃薯产量和WUE的影响
摘要
为了探索华北地区棉花与马铃薯套作模式下节水高效的灌溉制度, 2011—2012年, 连续两年研究了不同滴灌定额(75、90、105和120 mm)对棉花/马铃薯模式中马铃薯产量及水分利用效率的影响。结果表明, 马铃薯的产量与滴灌定额呈正比, 且与块茎形成期和块茎膨大期的降雨、灌溉定额显著相关, 2011年和2012年其相关系数分别为
关键词:
滴灌; 马铃薯; 产量; 水分利用效率
Effects of Different Drip Irrigation Systems on Yield and Water Use Efficiency of Potato in Intercropping System of Cotton and Potato
Abstract
In order to explore the efficient water-saving irrigation system for the intercropping mode of cotton and potato, the research on potato with drip irrigation in intercropping system was conducted in 2011 and 2012, and the influences of different drip irrigation norms (75 mm / 90 mm / 105 mm / 120 mm) on the potato yield and water use efficiency were analyzed. The results showed that the potato yield was proportional to the drip irrigation norm and significantly correlated with the precipitation and irrigation quota at tuber initiation stage and tuber growth stage, with the correlation coefficient of 0.960 and 0.998 respectively in 2011 and 2012. The potato yield did not show significant differences between different treatments in 2011. The treatment with 120 mm irrigation exhibited the highest yield of 24 921.2 kg ha-1in 2012. It was 15.2% higher than that of the treatment irrigated 75 mm, with significant difference between them. The water consumption increased with the irrigation quota increasing, showing significant differences among different treatments. But the water use efficiency showed no significant differences. The research preliminarily indicated that increasing drip irrigation norm in potato and adjusting the irrigation structure rationally are beneficial to improving yield and water use efficiency.
Keyword:
Drip irrigation; Potato; Yield; Water use efficiency
传统棉花单作经济效益低, 对水、光、热等自然资源利用效率不高, 例如, 棉花对光能的利用效率只有1.5%。发展棉花间套作是增加棉田经济效益、提高自然资源利用效率[1,2]的可行途径。孙成钰等[3]研究表明棉花套作马铃薯模式的经济效益和水分经济效益分别比棉花单作提高29.8%和26.8%。然而, 苗期适宜的干旱有利于棉花根系下扎, 提高产量[4,5], 供水过多会造成棉花徒长形成高脚苗, 导致生长后期倒伏。棉薯套作模式中, 棉花苗期对应着马铃薯的块茎形成期和膨大期, 因此, 若选用漫灌方式灌溉马铃薯, 很可能对棉花的生长产生负影响。滴灌作为一种局部灌溉方式, 可能会解决棉花和马铃薯的供、需水矛盾问题。
华北平原水资源短缺现象日益严重, 长期超采地下水造成一系列水环境问题。其中, 河北沧州是中国水资源短缺较严重、生态环境较脆弱的地区之一, 农业灌溉用水约占沧州市总用水量的63%[6], 由于长期抽取地下水灌溉, 导致地下水位下降、河流干枯、陆地景观多样性被破坏等严重后果, 发展节水农业刻不容缓。棉薯套作模式由于增加了马铃薯的水分消耗, 周年需水量较棉花单作显著增加。根据已有文献, 马铃薯的耗水量为360~400 mm[7,8,9], 棉薯套作模式下马铃薯若采用漫灌, 将与该区域水资源严重短缺的现状相矛盾。在该地区发展棉花和马铃薯套作, 需有相应的节水技术支持。滴灌作为一种最精确、水分利用效率最高的灌溉技术, 是解决这一问题的重要手段。
国内外众多学者[10,11,12,13]对马铃薯的滴灌制度进行了大量研究。2001年和2002年, 王凤新等[14]在河北地区研究滴灌频率对马铃薯生长的影响表明, 灌溉频率越高, 块茎生长越快, 马铃薯的产量和商品薯的产量越大, 水分利用效率越高。一天一次的灌溉频率最优, 2001年和2002年八天一灌的处理比一天一灌的处理在产量上分别减少了33.4%和29.1%。2008年, 韩文锋等[15]在黑龙江省农垦总局齐齐哈尔分局克山农场试验地进行了不同滴灌量对马铃薯产量和品质影响的试验, 结果表明300 m3 hm-2的滴灌处理能显著提高马铃薯产量。买自珍等[13]通过马铃薯膜下滴灌试验证明, 随滴灌量增加, 马铃薯的产量、大薯率、耗水量和水分利用效率均增加。
目前, 套作模式下马铃薯滴灌制度的研究鲜见报道。华北地区的降雨足以满足棉花生育期内水分需求, 棉花的灌溉制度在此不做深入探讨。本试验比较研究了不同滴灌制度对棉薯套作模式下马铃薯的产量、耗水以及水分利用效率的影响, 以期建立、优化该地区棉花和马铃薯套作模式下节水高效的灌溉制度。
1 材料与方法
1.1 试验地介绍
中国农业大学吴桥实验站(37°41′N, 116°37′E)地处华北平原黑龙港流域中部, 属于暖温带季风气候, 多年平均降水量530 mm, 全年降水的50%~80%集中在6~8月, 马铃薯生育期平均降水为125 mm, 年蒸发量1700 mm, 日照时数2 340 h, >10℃积温4665℃。试验地0~100 cm土层内是粉壤土, 土壤容重为1.37 g cm-3, 100 cm以下土壤以胶泥为主, 只有少量壤土。0~40 cm土壤含有机质7.89 g kg-1、全氮0.53 g kg-1、碱解氮23.20 mg kg-1、有效磷25.55 mg kg-1、速效钾204.07 mg kg-1。
1.2 试验设计
2011年3月14日播种马铃薯, 6月27日收获, 4月23日播种棉花; 2012年, 马铃薯的生育期为3月12日至6月24日, 4月21日播种棉花。马铃薯品种荷兰15, 早熟高产, 株型直立, 株高60 cm左右。
根据马铃薯的需水量、生育期的降雨、滴灌的节水作用、套作模式作物的设置确定滴灌定额。2011和2012年分别设4个处理。2011年, 滴灌定额为75 mm和105 mm, 每个滴灌定额分别设置2个不同的灌溉次数处理。2012年, 4个处理的滴灌定额不同(表1)。马铃薯采用垄作, 滴灌带铺设在每条垄的2行马铃薯之间。棉花只垄间漫灌一次播种水。马铃薯的播种水为沟灌, 块茎形成期和膨大期均采用垄上滴灌。
每个处理设3个重复, 小区长7.8 m, 宽7.5 m。种植带幅是150 cm。马铃薯的垄底宽40 cm, 一垄双行交错种植, 同行株距30 cm; 垄间两行棉花, 行距40 cm, 株距27 cm。马铃薯整个生育期只施一次基肥(尿素300 kg hm-2, 二铵150 kg hm-2, 硫酸钾560 kg hm-2)。棉花不施基肥, 在现蕾初期(史丹利复合肥600 kg hm-2)和花铃初期(尿素187.5 kg hm-2, 二铵
37.5 kg hm-2)各追施一次。
1.3 测定指标与方法
1.3.1 作物产量 在收获期, 采用小区实收的方法测定马铃薯和棉花的产量。
1.3.2 土壤水分含量 以烘干法和中子仪法测定土壤水分含量, 每20 cm为一层, 测定范围为0~200 cm。0~40 cm采用土钻法, 取样点在中子管附近20 cm处, 利用环刀法测定不同土层的土壤容重, 将土壤质量含水量折算为体积含水量。用中子仪(CNC-100, 产地中国)测定40~200 cm土层的含水量, 中子管埋在小区中自西向东第2条垄上。棉花行间也设置了中子管, 便于比较棉花、马铃薯行间的土壤水分含量。
 | 表1 2011和2012年马铃薯生育期的滴灌制度 Table 1 Drip irrigation system of Potato growth period in 2011 and 2012 (mm) |
土壤体积含水量=土壤质量含水量×土壤容重, 其中, 体积含水量单位为cm3 cm-3, 质量含水量单位为g g-1, 土壤容重单位是g cm-3, 测定时间在作物播前、收后, 灌水前一天和灌水后第二天, 降雨前后加测。
1.3.3 马铃薯耗水量计算 耗水量 ET= P+ I+ W前- W后- D- R, 其中, 单位均为mm; P为降雨量, I为灌溉量, D为地表径流量, R为上移或下渗量。由于试验所在地地下水埋深为9 m左右, 上移或下渗量较小, 且未见地表径流的发生, 所以D和R可以忽略不计, 公式变为 ET= P+ I+ W前- W后。
1.3.4 马铃薯水分利用效率 马铃薯的水分利用效率 WUE= Y/ ET, 其中, WUE的单位为kg hm-2 mm-1, Y为马铃薯产量(kg hm-2), ET为马铃薯耗水量(mm)。
1.4 统计分析
用Microsoft Excel 2010整理计算试验数据, 用SPSS17.0进行显著性差异检验, α= 0. 05。
2 结果与分析
2.1 马铃薯生育期的降雨、灌溉对马铃薯产量的影响
2.1.1 降雨、灌溉定额对马铃薯产量的影响 2011年, 马铃薯生育期的灌溉定额分别为75 mm和105 mm, 降雨量达79.8 mm (图1和图2)。不同处理马铃薯生育期的降雨、灌溉定额分别为184.8 mm和154.8 mm, 只相差30 mm, 不同处理的马铃薯产量差异不显著(表2)。滴灌量105 mm分6次灌溉的处理产量最高, 仅比滴灌量75 mm分4次灌溉的处理增加9.8%。
2012年, 灌溉定额为75~120 mm, 每15 mm为一个梯度, 降雨量比2011年略有提高, 达到96.3 mm。不同处理马铃薯生育期的降雨、灌溉定额为171.3~216.3 mm, 最大相差45 mm, 滴灌120 mm处理的马铃薯产量高于75 mm处理15.2%, 差异显著; 其他处理之间降雨、灌溉定额分别相差30 mm、15 mm, 马铃薯产量差异不显著。马铃薯产量与滴灌定额呈正比, 这说明在一定范围内增加滴灌定额可以提高马铃薯的产量。
 | 图1 2011和2012年马铃薯生育期降雨情况Fig. 1 Rainfall condition of potato growth period in 2011 and 2012 |
2.1.2 降雨、灌溉时间结构对马铃薯产量的影响
2011年, 77.0 mm的降雨发生在马铃薯生长前期, 占了马铃薯生育期降雨量的96.5%, 块茎形成期和膨大期的降雨量仅达2.8 mm, 马铃薯产量的提高只能依靠灌溉, 2011年马铃薯的灌溉定额分布与降雨分布情况类似, 2个灌溉定额处理芽条生长期和苗期灌溉定额分别占了总灌溉定额的57.1%和60.0%, 块茎形成期和膨大期灌溉定额分别为45 mm和30 mm, 远不能满足马铃薯生长对水分的需求。2011年, 不同灌溉定额处理后期降雨、灌溉定额相差15 mm, 差异较小, 相同灌溉定额不同灌溉次数处理的后期降雨、灌溉定额相同, 因此, 不同处理之间的马铃薯产量差异均不显著。
 | 图2 2011和2012年马铃薯生育期降雨、灌溉定额Fig. 2 Precipitation and irrigation quota of potato growth period in 2011 and 2012 |
| 表2 2011和2012年不同处理的马铃薯产量 Table 2 Potato yield of difforent treatments in 2011 and 2012 |
2012年, 块茎形成期和膨大期的降雨量有32.9 mm, 占整个生育期降雨量的34.2%。不同滴灌处理在块茎形成期和膨大期的灌溉定额为30~75 mm。2012年, 不同处理后期降雨、灌溉定额虽只占到全生育期的36.8%~49.9%, 但在数量上有了大幅度提高, 达到62.9~107.9 mm, 是2011年不同处理后期降雨、灌溉定额的两倍多。2012年不同处理的马铃薯产量普遍高于2011年。2011年滴灌105 mm灌溉5次处理和2012年滴灌90 mm处理降雨、灌溉定额相差1.5 mm, 但后处理比前处理在块茎形成期和膨大期的降雨、灌溉定额高30.1 mm, 2012年滴灌90 mm处理比2011年滴灌105 mm灌溉5次处理的马铃薯产量提高57.8%。2012年, 滴灌75 mm处理后期降雨和灌溉量为62.9 mm, 为滴灌120 mm处理的58.3%, 2个处理的马铃薯产量差异显著, 其他处理间降雨、灌溉定额差值不足以引起马铃薯产量的差异。这说明在灌溉定额相同的情况下, 适当增加马铃薯块茎形成期、膨大期的灌溉比例对马铃薯产量的提高有重要意义。
2.1.3 马铃薯产量与降雨、灌溉定额的相关性分析
由表3可知, 2011年, 马铃薯产量与3个时期的降雨、灌溉定额相关性均显著。2012年, 后期降雨、灌溉定额与全生育期降雨、灌溉定额极显著相关, 马铃薯产量与后期和全生育期的降雨、灌溉定额均极显著相关。两年马铃薯产量和产量与降雨、灌溉定额的关系表明, 应该根据降雨情况合理定制、分配灌溉定额, 增加马铃薯块茎形成期和膨大期的灌溉定额, 达到节水高产的目的。
2.2 不同滴灌制度对马铃薯水分利用效率的影响
2.2.1 不同滴灌制度对马铃薯耗水的影响 马铃薯单作期的降雨、灌溉均按马铃薯消耗计算。灌溉棉花播种前, 垄间、垄上的土壤水分含量相差很小, 因此4月16日的30 mm灌溉量可按照棉花和马铃薯分别利用50%计算。两种作物共生期间, 垄上的土壤含水量低于垄间, 尤其是马铃薯进入块茎形成期后, 需水量增加, 垄上土壤含水量大幅度下降, 与垄间的土壤水分含量差加大。土壤初始含水量越小, 土壤的吸水能力越强, 入渗率越大[16], 水分含量差可能导致垄间水分向马铃薯行间移动, 但绝不会发生垄上水分向垄间移动的现象, 又因为马铃薯需水量较高而棉花处于苗期需水量不大, 所以共生期的灌溉、降雨都可以按照马铃薯消耗来计算。
| 表3 马铃薯产量与降雨、灌溉定额的相关性 Table 3 Correlation of potato yield with precipitation and irrigation quota |
2012年马铃薯生育期的耗水见表4。马铃薯单作期, 不同处理马铃薯的耗水量无明显差异。不同处理降雨、灌溉定额相同, 垄间、垄上土壤贮水消耗量无差异。共生期, 滴灌75 mm和滴灌90 mm处理的马铃薯耗水量显著低于滴灌120 mm和滴灌105 mm处理。土壤含水量直接影响根系分布, 土壤湿度越大, 根系分布越浅[17]。而根系分布对土壤贮水消耗起决定性作用。滴灌120 mm和滴灌105 mm处理灌溉定额大, 土壤水分含量较高, 根系吸收土壤贮水也较多。滴灌75 mm处理灌溉定额是最低的, 土壤水分含量较低, 有助于马铃薯根系下扎利用深层水分, 其消耗土壤贮水量是最高的。滴灌90 mm处理灌溉定额适中, 土壤贮水消耗量最低。全生育期, 从生育期看, 不同处理马铃薯的耗水差异主要由共生期决定; 从耗水结构看, 马铃薯耗水差异是由土壤贮水消耗、灌溉定额造成的。马铃薯耗水量随滴灌定额的增加而增加, 滴灌75 mm和滴灌90 mm处理的马铃薯耗水量显著低于滴灌120 mm和滴灌105 mm处理。
| 表4 2012年不同处理的马铃薯耗水量 Table 4 Water consumption of potato under different treatments in 2012 (mm) |
2.2.2 不同滴灌制度对马铃薯水分利用效率的影响
由图3看出, 滴灌90 mm处理的马铃薯水分利用效率最高, 为112.9 kg hm-2 mm-1, 比滴灌105 mm处理高8.6%, 但差异不显著。不同滴灌处理的马铃薯产量和耗水量均随滴灌定额的增加而增加, 水分利用效率等于马铃薯产量除以耗水量, 这样就导致不同处理的马铃薯水分利用效率差异不显著。这表明在该试验灌溉定额范围内, 马铃薯产量还未达到所谓的“最高点”或“折点”, 即在马铃薯水分消耗量增加的同时, 马铃薯产量也在按照相似的幅度提高。若继续增加灌溉量, 马铃薯耗水量的增加可能会进一步提高马铃薯产量。
3 讨论
滴灌马铃薯全生育期需水量为180 mm, 芽条生长期和苗期需水量占15%, 块茎形成期和膨大期分别占25%和50%, 淀粉积累期需水量较少, 只占
10%[8,9,18]。在马铃薯块茎形成初期及前期充分灌水可以增加单株马铃薯的块茎数量[19]; 在块茎形成后期, 灌溉有利于块茎膨大[20]。在块茎膨大期和成熟期, 马铃薯对水分亏缺反映最为敏感[21]。作物水分耦合度是指作物生育期内降雨、灌溉对作物需水的满足程度, 也可以称作满足度, 满足度越大越有利于作物生长。2011年和2012年, 马铃薯苗期降雨、灌溉对马铃薯需水的满足度为1。2011年降雨、灌溉定额对马铃薯块茎形成期和块茎膨大期的需水满足度仅为0.21和0.31, 不利于马铃薯产量的提高。2012年随不同处理块茎形成期和膨大期降雨、灌溉定额的增加, 马铃薯的需水满足度达到0.41~0.71, 所以2012年不同处理的马铃薯产量显著高于2011年, 且后期降雨、灌溉定额对马铃薯需水满足度为0.71的处理马铃薯产量显著高于满足度为0.41的 处理。
 | 图3 不同处理的马铃薯水分利用效率Fig. 3 Water use efficiency of potato |
本研究不同滴灌定额处理的马铃薯产量、水分利用效率均与灌溉定额呈正比, 这与其他作物滴灌制度的研究结论一致。郭琛等[22]的研究结果表明灌溉次数相同时, 杂交棉的产量和水分利用效率随灌溉量的增加而升高。但产量和水分利用效率并不总是随灌溉量的增加而增加。刘一龙等[23]研究了不同滴灌定额(450、600和750 m3 hm-2)及不同灌溉次数(3、4和5次)对玉米产量及水分利用效率的影响, 结果表明灌溉定额750 m3 hm-2、灌溉5次的灌溉制度与灌溉定额600 m3 hm-2、灌溉4次的灌溉处理产量和水分利用效率差异不显著。刘梅先等[24]通过2年试验比较研究新疆地区棉花在不同滴灌量和滴灌频率下的产量和水分利用效率表明, 少量滴灌(300 mm)可以显著提高水分利用效率, 但是减产严重, 过量滴灌(450 mm)水分利用效率最低也不能显著提高产量, 375 mm滴灌量为产量和水分利用效率的最佳结合点。本试验灌溉定额还束缚在产量、水分利用效率均与灌溉量呈正比的范围内, 若增加灌溉量, 产量和水分利用效率可能会进一步提高。
4 结论
不同滴灌处理的马铃薯产量和耗水量均随灌溉定额的增加而增加。马铃薯块茎形成期和膨大期是产量形成的关键时期, 该时期的降雨、灌溉定额与马铃薯产量显著相关。适当增加滴灌定额、合理调整灌溉时间结构, 减少苗期灌溉量, 增加块茎形成期和块茎膨大期的灌溉量, 既可以提高马铃薯的 产量, 又可以降低水资源的浪费, 达到节水高产的目的。
The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。
参考文献
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