灌水定额和施钾量对膜下滴灌马铃薯产量及水肥利用效率的影响

2022-09-22王凤新赵健宇房祥国

中国农业大学学报 2022年10期

李淼王凤新* 赵健宇李斌费娜房祥国

(1.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；2.日照市岚山区农业农村局，山东日照，276807；3.日照市岚山区农业技术服务中心，山东日照，276827)

马铃薯是我国的第四大粮食作物，种植面积和产量均居世界首位，但是我国马铃薯的单产水平和品质远不及欧美发达国家[1]。水肥是影响马铃薯产量与品质的2个重要因素，近年来，国内外就灌溉施肥技术对马铃薯生长、产量及水肥利用效率的影响进行了大量研究[2-4]。马铃薯根系较浅，活跃层主要集中在垄顶下方0～40 cm土层深度[5]，因此非常适合采用滴灌这种可以实现水肥精准控制的灌溉方式，以提高水肥利用效率并降低养分淋失到有效根区以下的风险。在灌水下限一定的条件下，灌水定额会影响土壤湿润范围。湿润范围过小会影响根系的生长，限制作物对水分和养分的吸收[6]；而湿润范围过大也会导致根系土壤缺氧，影响土壤通气性，同时引发深层渗漏，造成水分和养分的流失[7]。灌水定额也会影响灌水频率，高频灌溉能加速土壤气体更新，有助于为根系呼吸提供足够的氧气[8]。已有研究表明，少量多次的高频滴灌是促进马铃薯块茎生长和提高水分利用效率的一种有效手段，当滴头正下方20 cm处的土壤基质势达到-25 kPa时，可以作为马铃薯滴灌条件下的灌水控制下限，马铃薯全生育期灌水定额为5～10 mm时，马铃薯产量和水分利用效率均达到了极高的数值[9]。但是，该研究中的灌水定额全生育期固定，而随着根系生长和块茎膨大，马铃薯吸水能力逐渐增强，块茎膨大期至成熟期适度增加灌水定额至20 mm可能有利于进一步提高马铃薯产量和水分利用效率。

马铃薯水肥管理中普遍存在着灌溉施肥过多以及重氮轻钾的问题，不仅降低了水肥利用效率，甚至引发环境污染和土壤退化等问题[10-13]。马铃薯是喜钾型作物，合理配施钾肥能够促进其根系生长、增强根系活力，增加叶绿素含量，促进叶片光合产物的合成，从而提高产量[14-15]。作为一种高产、高淀粉作物，马铃薯在块茎生长的较短时期内需要大量的钾素供应[16]，钾供应不足被认为是限制块茎产量和质量的重要因素[17]。合理的施钾量能促进马铃薯在块茎形成初期干物质积累速率的提高，有利于马铃薯产量的提高，而过高的施钾量会延迟最大速率出现的时间，影响后期产量的形成[18]。实现肥料高效利用的基本前提是清楚马铃薯的养分需求量。研究发现，每生产1 000 kg马铃薯块茎需要K2O 4.0～6.0 kg，酸性土壤下需要的K2O量会有所减少[19-20]。马铃薯对钾素的吸收具有明显的阶段性特点，随生育期的推进大多呈“S型”变化，也有研究[21-23]表明呈单峰曲线，吸收最多的时期为块茎膨大期。滴灌条件下，适量增施钾肥能够增加马铃薯钾素累积量[24]。马铃薯块茎产量在一定水平的施钾量下达到峰值，并且不会随着钾供应的增加而进一步增加，但是植株钾素累积吸收量随着施钾量的增加而增加，可见马铃薯存在奢侈吸钾的特点[25]。一般认为，钾肥很容易随着土壤水淋溶到根区以外。因此，在滴灌条件下应该采用少量多次的水肥一体化技术来提高钾肥的利用效率。但是，国内外在研究钾肥利用效率时，极少考虑到灌水定额的变化对马铃薯根系吸钾范围及钾肥运移的影响。

本研究旨在进一步确定马铃薯适宜的高效滴灌灌溉制度及在该灌溉制度下的吸钾规律及适宜的施钾量，为进一步提高马铃薯的产量和水肥利用效率提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021年03—06月在山东省日照市岚山区中国农业大学特色马铃薯优质高产试验示范基地进行。试验区位于东经118°59′，北纬35°25′，海拔高度约131 m；地处温带，是典型的暖温带湿润季风区大陆性气候，年平均气温12.7 ℃，年平均降水量874 mm，年平均日照时数2 533 h，年平均无霜期223 d。试验区土壤质地为砂壤土，0～80 cm深度土层内土壤平均容重1.61 g/cm3，平均田间持水量(体积分数)33.44%，春季地下水埋深为1.8～2.0 m。0～40 cm土层范围内土壤基本理化性质如下：铵态氮质量分数为5.65 mg/kg，硝态氮8.16 mg/kg，有效磷22.84 mg/kg，速效钾54.84 mg/kg，总钾4.81 g/kg，pH6.3，有机质8.92 g/kg。

1.2 试验设计及处理

试验在施用等量氮、磷(N：270 kg/hm2，P2O5：150 kg/hm2)基础上，设置灌水定额、施钾量2个因素。

灌水定额设置3个水平：W1(5 mm)、W2(10 mm)、W3(块茎膨大期前5 mm，膨大期开始后20 mm)；施钾量设置4个水平：K1(K2O：180 kg/hm2)、K2(K2O：260 kg/hm2)、K3(K2O：340 kg/hm2)、K4(K2O：420 kg/hm2)。试验共12个处理，每个处理3次重复，共36个小区，随机布置。

试验采用机器起垄、人工种植的高垄种植模式，一垄单行，每个小区8垄，垄长6 m，垄宽为0.8 m，垄高0.3 m，小区面积为38.4 m2，株距约为25 cm，种植深度15 cm，采用黑膜覆盖，膜的宽度为0.9 m，厚度0.01 mm。

供试马铃薯品种为“荷兰十五号”，种薯质量15～20 g，2021年3月9日定植，6月26日收获。田间灌水采用膜下滴灌方式，1条滴灌带控制1行作物，滴灌带布置在垄中央，滴头流量2.0 L/h，滴头间距30 cm，操作压力0.1 MPa。通过表头式负压计指导灌水，选2个重复在距滴头正下方土壤深度为20 cm处垂直埋设负压计，灌水下限设定为土壤基质势达到-25 kPa，苗期各处理统一灌水20 mm，块茎形成期开始，按照灌水下限指导灌水，直至收获前10 d停止灌水。灌溉试验小区的灌水量由灌水定额乘以小区面积计算并通过水表控制，每个小区装有独立的水表和阀门。供试化学肥料为尿素(含N 46%)、磷酸二铵(含P2O546%)、硫酸钾(含K2O 52%)。其中30%氮肥、40%钾肥以及全部磷肥作为底肥一次性均匀施入，5月7日追施24%氮肥及30%钾肥，5月28日追施24%氮肥及30%钾肥，6月5日追施22%氮肥[26]，所有追肥均通过施肥器随灌水施入田间。

1.3 测定项目及方法

1)土壤水分测定。在马铃薯苗期、块茎形成期、块茎膨大期、和成熟期每个小区用烘干法测定滴头正下方0～80 cm土层土壤含水量，每20 cm为一层。

2)马铃薯植株养分测定。测定W2处理下4个钾肥处理和K4处理下3个灌水处理，共6个处理的植株钾素累积量。在马铃薯块茎形成期、块茎膨大期、和成熟期采集植株样品，每个小区随机选取有代表性的植株10株，洗净表面泥土，风干。将部分植株的茎叶和块茎分别称重，放入105 ℃鼓风干燥箱中杀青30 min左右，85 ℃下烘干，称重，粉碎过0.25 mm筛。样品经H2SO4—H2O2消煮，用火焰光度计测定植株全K[27]。

3)产量的测定。收获时，每个小区取中间3垄然后测量马铃薯产量、块茎数量、单株薯重及商品薯率，其中，商品薯是指质量大于75 g的马铃薯块茎。

4)作物全生育期耗水量计算。本试验中，马铃薯生育后期出现2次大的降雨，分别在6月14日和6月15日，降雨量为137 mm，占整个生育期降雨量的55%，因此2次大的降雨导致一部分地表径流和深层渗漏，而在2次降雨前，马铃薯生育期内降水量较少，且单次降雨量较小，对马铃薯生长影响较小，马铃薯生长所需水分基本靠灌溉。2次大的降雨之前，可用水量平衡方程计算其耗水量，6月份2次大的降雨后耗水量计算用前一生育期日耗水量乘以天数进行估算，马铃薯全生育期耗水量由2部分加和得到，水量平衡方程为：

ET=I-ΔW+P-D-R

式中：ET(Evapotranspiration)为作物腾发量即耗水量，mm；P为降雨量，mm；I为全生育期灌水量，mm；R为地表径流量，mm；D为深层渗漏量，mm。在2次大的降雨之前，由于单次降水量和滴灌定额较小，R和D都忽略不计。ΔW为0～80 mm土层播种前后土体贮水量的变化，mm，计算公式为：

式中：i为土壤层数号；n为土壤总层数；γi为第i层土壤干容重，g/m3；Hi为第i层土壤厚度，cm；Wi,1为第i层土壤苗期始的土壤质量含水率；Wi,2为第i层土壤成熟期末的土壤质量含水率。

5)水分利用效率(Water use efficiency，WUE)。计算公式为：

WUE=Y/ET

式中：WUE为水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y为单位面积薯块产量，kg/hm2；ET为全生育期实际耗水量，mm。

6)钾肥偏生产力(Partial factor productivity from applied K，PFPK)。计算公式[28]为：

PFPK=Y/K

式中：PFPK为钾肥偏生产力，kg/kg；Y为马铃薯单位面积产量，kg/hm2，K为施钾量，kg/hm2。

7)钾素吸收效率(K nutrient uptake efficiency，KUPE)。计算公式[28]为：

KUPE=植株总钾素吸收量/钾养分投入

8)钾素利用效率(K nutrient use efficiency，KUE)。钾素利用效率计算公式[28]为：

KUE=产量/植株总钾素吸收量

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016进行数据整理、制图和分析，SPSS 25.0统计分析软件进行方差分析，多重比较采用LSD法(P<0.05为显著性水平)。

2 结果与分析

2.1 不同灌水定额和施钾量对马铃薯耗水量的影响

2021年03—06月生育期内总降雨量250.2 mm，累积灌水量和降雨量见图1。不同水肥模式下马铃薯耗水量及显著性分析见图2和表1。增施钾肥有增加作物耗水量的趋势(除W3K2外)，但施钾对耗水量的影响未达到显著水平。而从马铃薯全生育期内的耗水量看，W3处理马铃薯耗水量显著高于W1和W2处理耗水量，这是由于在后期的灌溉中，单次灌水量的增加使得总灌水量变大，导致耗水量的增加，W3处理的耗水量最大，平均值为337.5 mm，比W1和W2处理下的平均耗水量分别提高23.66%和16.05%。

W1、W2分别表示灌水定额为5、10 mm，W3表示块茎膨大期前5 mm，膨大期开始后20 mm；K1、K2、K3、K4分别表示施钾量为180、260、340、420 kg/hm2。下图表同。W1 and W2 respectively indicate that the irrigation quota is 5，10 mm, and W3 indicate that the irrigation quota is 5 mm before tuber bulking, 20 mm after tuber bulking. K1, K2, K3 and K4 indicate that potassium rates are 180, 260, 340 and 420 kg/hm2, respectively. The same in the following Figures and Tables.

竖直线表示标准偏差，不同小写字母表示处理间差异显著。下图和表同。The vertical lines indicate the standard deviation. Different lowercase letters indicate significant differences between treatments. The same below.

表1 灌溉和施肥对马铃薯生长及水肥利用效率的显著性分析Table 1 Significance analysis of irrigation and fertilization on potato growth and water use efficiency

2.2 不同灌水定额和施钾量对马铃薯钾素(全K)累积的影响

不同灌水定额和施钾量对地上部和块茎钾素累积的影响见图3和图4。在块茎形成期、块茎膨大期和成熟期，马铃薯各器官钾素积累量依次为地上>块茎，块茎>地上，块茎>地上。地上部和块茎钾素积累量均随着生育期的推进逐渐增加。成熟期时，块茎中的钾素积累量占植株钾素积累量的51.71%～65.26%，最大值为1 770.0 mg/株。相同的灌水定额下，增加施钾量能够不同程度的提高地上部和块茎钾素积累量，其中地上部钾素积累量在K2或K3处理下达到最大值，块茎钾素积累量在K4处理下达到最大值(除W2K4外)。在块茎膨大期和成熟期，W2K2和W2K3处理地上部钾素积累量显著高于W2K1处理33.72%、29.13%和29.03%、31.63%。相同的施钾量下，在块茎形成期，W1和W3处理下地上部和块茎钾素积累量均大于W2处理；在块茎膨大期和成熟期，增大灌水定额，马铃薯地上部和块茎钾素积累量逐渐增加，其中块茎膨大期时W3K4处理马铃薯地上部和块茎钾素积累量比W1K4分别提高30.75%和34.39%，达到了显著水平。

NS表示处理间无显著差异。下图同。NS indicates no significant difference between treatments in the figure. The same below.

图4 灌水定额(a)和施钾量(b)对马铃薯块茎钾素积累的影响Fig.4 Effects of irrigation quota (a) and potassium rate (b) on potassium accumulation in tuber of potato

2.3 不同灌水定额和施钾量对马铃薯产量及构成要素的影响

不同灌水定额和施钾量对马铃薯产量及其构成要素的影响见表2：灌水对马铃薯商品薯率有显著影响(P<0.05)，施钾量对马铃薯产量有显著影响(P<0.05)，其中W3K3处理商品薯率和产量均达到了最大值，分别为94.0%和34 910.7 kg/hm2，W3K2处理单株产量达到了最大值791.3 g/株。

表2 灌水定额和施钾量对马铃薯产量及构成要素的影响Table 2 Effects of irrigation quota and potassium rate on yield and its components of potato

W3处理平均商品薯率显著高于W1处理，最大值为94.0%，比W1处理最大值提高7.08%。W3处理平均产量显著高于W2处理，最大值为34 910.7 kg/hm2，比W2处理最大值提高10.42%。在W1处理下，K1、K2、K3与K4处理之间产量差异显著，其中K3处理较K4处理产量显著增加20.48%。在W2和W3处理下，各施钾处理各项指标均无显著差异。相同的灌水定额下，马铃薯的产量均在K3处理达到最大值，3个灌水水平下，K3处理平均产量为32 983.2 kg/hm2，比K1、K2、K4处理分别提高9.53%、5.88%、13.06%。

K3处理平均产量显著高于K1和K4处理，最大值为34 910.7 kg/hm2，比K1和K4处理最大值分别提高11.94%和11.40%。K2处理平均块茎数量显著高于K4处理，最大值为5.4个/株，比K4处理最大值提高10.82%。在K1、K2处理下，各灌水处理各项指标差异均不显著。在K3处理下，W3处理商品薯率比W1显著提高9.30%。在K4处理下，W3处理产量显著高于W1处理，增幅为16.46%。相同的施钾量下，W1和W3处理马铃薯产量均高于W2处理，4个施钾水平下，W3处理平均产量为32 294.0 kg/hm2，比W1、W2处理分别提高5.84%、8.58%。

2.4 不同灌水定额和施钾量对水肥利用效率的影响

不同灌水定额和施钾量对水肥利用效率的影响见表3：马铃薯水分利用效率受灌水影响显著(P<0.05)，钾肥偏生产力受施钾量影响极显著(P<0.01)。W1处理平均水分利用效率比W3处理提高17.43%，达到了显著性水平，K3处理平均水分利用效率比K4处理提高15.90%，差异显著。相同的灌水定额下，马铃薯水分利用效率均在K3处理达到最大值。相同的施钾量下，水分利用效率随着总灌水量的增加而减小。相同的灌水定额下，K1处理钾肥偏生产力最大。相同的施钾量下，W2处理钾肥偏生产力最小(除W1K4外)。W3处理平均钾肥偏生产力高于W1和W2处理，并与W2处理有显著性差异。不同施钾处理间钾肥偏生产力差异显著，K1处理获得最大值。在W2灌水定额下，钾素吸收效率随着施钾量的增加而减小，K1处理钾素吸收效率最大，与其他处理差异显著；钾素利用效率在K3处理达到最大值，但与其他处理没有显著性差异，尽管比K4处理提高了34.02%。在K4施钾量下，W3处理钾素利用效率最大，较W1和W2处理提高17.74%和19.48%，钾素吸收效率基本一致，接近40%。

表3 灌水定额和施钾量对水肥利用效率的影响Table 3 Effects of irrigation quota and potassium rate on the use efficiency of water and potassium

3 讨论

3.1 不同灌水定额和施钾量对马铃薯钾素积累的影响

灌水定额的大小会影响土壤湿润体的形状以及土壤水分分布情况，进而影响土壤的通气性。而通气性的时空变化也会影响根系的结构和活性[6,29]，进而影响植物的生长、光合作用、呼吸作用等过程，阻碍植物对养分的吸收和积累，影响最终产量的形成[30-31]。缺钾或钾肥用量过多均会引起养分失衡，不利于植株对养分的吸收[32-33]。钾素与作物的生长发育关系密切，对茎叶中碳水化合物的运输有良好的促进作用[14]。白志强等[34]的研究发现施钾量控制在适当范围内，对马铃薯各器官养分吸收均产生积极的影响。本试验结果表明，整个生育期内地上部和块茎钾素积累量均呈“慢—快—慢”的上升趋势，吸收最多的时期均在块茎膨大期，适量增施钾肥能够增加马铃薯地上部和块茎的钾素积累量，这与已有的研究结果基本一致[18,34-35]。在块茎膨大期开始后增大灌水定额至20 mm更有利于马铃薯钾素积累，膨大期前把灌水定额从5 mm提高到10 mm就会降低马铃薯对钾素的吸收。这可能是因为马铃薯生长前期根系较浅，当灌水定额大于5 mm时，土壤湿润范围大于马铃薯根系生长范围，不仅影响根区土壤通气性，还会造成土壤养分运移到马铃薯根区以外，降低马铃薯对钾素的吸收和积累[36]。

3.2 不同灌水定额和施钾量对马铃薯产量及水肥利用效率的影响

乔丽仿[37]研究表明，在同一试验站的马铃薯产量为42.7～56.9 t/hm2。本试验中马铃薯产量普遍不高，可能与本试验区与之相比土壤含氮量较低，施氮量不能满足作物生长需要有关。氮肥不足不仅会影响植株对钾的吸收，还会导致作物生长受阻，干物质量减少，进而影响马铃薯产量[38-40]。本试验结果表明，相同的灌水定额下，增加施钾量能够增加马铃薯产量，但钾肥施用量过多，马铃薯产量和水分利用效率又开始下降，均在K3处理达到最大值。说明土壤水分充足的条件下，适宜的施钾量可以促进块茎膨大，增加马铃薯产量，施钾量不足或者过多都会导致马铃薯不同程度的减产，这与殷文等[41]、赵欢等[18]的结论相似。相同的施钾量下(除W1K4外)，W1和W3处理下马铃薯的产量和钾肥偏生产力均大于W2处理，可能是因为试验区土壤基础肥力较低，速效钾含量较少，W2处理下块茎膨大期前灌水定额较大，植物根系较小，使得钾素运移到植物根区以外，加剧了钾素亏缺，不利于马铃薯块茎的膨大和干物质积累，进而影响马铃薯产量，表明在块茎膨大期前滴灌灌水定额应小于10 mm，少量多次灌溉更有利于马铃薯产量的增长。相同的灌水定额下，马铃薯水分利用效率随着施钾量的增加先增加后减小，均在K3处理下达到最大值。相同的施钾量下，水分利用效率最大值出现在W1处理，最小值出现在W3处理，说明增大灌水定额会降低水分利用效率，W1处理的平均水分利用效率最高，比W3处理显著提高17.43%，与W2处理无显著差异，这与张富仓等[42]的研究结论一致。侯翔皓等[28]研究表明，钾素利用效率为250～473 kg/kg，钾素吸收效率为36%～64%。本研究中钾素吸收效率与其基本一致，但钾素利用效率偏低，这是因为马铃薯产量偏低造成的。施钾量不超过340 kg/hm2时增施钾肥、块茎膨大期开始后增大灌水定额至20 mm均能够提高钾素利用效率。随着施钾量的增加，钾素吸收效率显著降低，但增大灌水定额并不会显著降低钾素吸收效率，三种灌水定额下，钾素吸收效率均基本接近40%，可见本试验中钾肥吸收效率不高，这可能是因为试验中氮肥施用量过少，导致氮钾配施比例失衡，氮肥施用不足影响了钾素的吸收。相同的灌水定额下，马铃薯钾肥偏生产力随着施钾量的增加而减小，适量增施钾肥虽然能够提高马铃薯的产量，但产量的增加速率低于肥料的增加速率，导致K1处理下的钾肥偏生产力最高，这与冯志文等[4]、Wang等[43]的研究结果一致。