马铃薯节水技术研究进展及发展趋势

詹保成梁熠郭文忠李银坤李亮

(1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750000；2.北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097)

引言

马铃薯是我国第4大粮食作物，对保障我国粮食安全具有十分重要的作用。目前,我国马铃薯种植面积以及总产量居世界第1，我国马铃薯的主要种植区位于东北、内蒙、华北和云贵等气候较凉的地区。马铃薯对土壤的适应范围较广，但最适合其生长的土壤是轻质土壤，马铃薯根系入土较浅、结构较松散，对土壤水分较敏感，在整个生育阶段，特别是块茎生长期，对水分的需求较大，需要充足的水分供给才能保证其正常生长，因此研究马铃薯整个生育期内的需水规律尤为重要。然而，随着全球水资源的日益紧缺，农业灌溉用水在一定程度上受到了限制，迫切需要新的节水灌溉技术来提高马铃薯的水分利用效率，以期达到节水高产的目的。

由于我国淡水资源南北分布、东西分布不平衡，并且存在明显的季节性差异，给我国农业生产带来很大的制约因素，特别是我国西北内陆地区，淡水资源极为稀缺，是影响西北地区农业生产的限制因素。因此，探寻高效的节水灌溉技术，对于保证农业生产具有十分重要的作用。植物不同生长阶段对水分的需求是不同的，探寻植物生长对水分的需求规律，探寻粮食等作物最高产量下的最优灌溉技术，对于解决水资源紧缺与粮食安全的矛盾十分关键。相对于传统的漫灌技术，近些年滴灌、覆膜滴灌等技术在农业生产中得到了广泛的应用，在节约了淡水资源的同时，也实现了对作物的精准化灌溉。

1 马铃薯需水规律研究

1.1 马铃薯不同生长阶段的需水规律

水分是植物生长所必需的，植物主要通过根系吸收土壤中的水分，从而为地上部分的生长提供充足的水分。另外，植物根系对于氮磷钾等营养元素的吸收也是以溶液的形式吸收，因此水分在一定程度上也影响营养元素的吸收利用效率。不同植物对于水分的需求不同，因此针对不同植物不同生长阶段对于水分需求规律的研究，是实现精准、节水灌溉的关键。节水灌溉的一个关键技术就是在植物需要水分的时候给予植物充足的水分，因此为了实现马铃薯的节水灌溉，研究马铃薯生长阶段对于水分的需求规律十分重要。

植物不同生长阶段对于水分的需求不完全相同，并且不同生长阶段对于水分的敏感程度也不同，一般在植物生长的苗期和生殖生长阶段，植物对于水分较为敏感，此时水分缺乏，可能严重影响植物的生长。马铃薯的生长阶段主要分为发芽期、苗期、茎块形成期、茎块膨大期和淀粉积累[1]。有研究表明，马铃薯在不同的生长阶段对于水分的需求不同，其中，茎块膨大期(50%)>茎块形成期(25%)>苗期(10%)=发芽期(10%)>淀粉积累期(5%)[2]。目前，农业上主要以灌溉方式为作物生长补充必要的水分，但是不同区域气候、降水量并不完全相同，因此不同区域马铃薯的灌溉制度也不完全相同。田英等对辽宁地区马铃薯生长阶段的需水规律进行研究，结果表明，辽宁地区马铃薯苗期的需水量为整个生长周期需水量的10%～15%，茎块形成期的需水量为23%～28%，茎块膨大期的需水量为45%～50%，淀粉积累期的需水量为10%；并且对不同生长时期土壤含水率进行研究，结果表明，苗期土壤最佳持水量为65%，茎块形成期土壤最佳持水量为75%，茎块膨大期土壤最佳持水量为80%，淀粉积累期的土壤最佳持水量为60%～65%[3]。武朝宝等对山西临县地区马铃薯不同生长阶段的需水规律进行研究，结果表明，发芽期的需水量为8%～16.6%，苗期的需水量为17.5%～19.8%，茎块形成期的需水量为13.5%～16.6%，茎块膨大期的需水量为25.7%～36.0%，淀粉积累期的需水量为18.6%～24.8%；并对不同时期的土壤持水量进行研究，生育期前期土壤持水量为60%～70%，生育后期土壤持水量为70%～80%[4]。陈秋帆等对云南地区春作马铃薯的需水规律进行研究，结果表明，云南地区马铃薯苗期的需水量为整个生长周期需水量的10.6%，茎块形成期的需水量为23.3%，茎块膨大期的需水量为58.0%，淀粉积累期的需水量为8.14%[5]。虽然不同地区气候等条件不同，但是马铃薯不同生长阶段对水分的需要量却呈现一定的规律性，即在马铃薯生长的前期需水量较少，随着马铃薯进入茎块形成期，需水量显著增大，并且在茎块膨大期，需水量为整个生长期的最高峰，后期马铃薯对水分的需求量又开始逐渐降低。

1.2 节水灌溉对马铃薯生长的影响

节水灌溉是指在植物需要水分的时期为植物提供其生长需要的水量，并降低水分因为地表径流、蒸发等引起的水分损失，从而使得水分的利用效率最高。滴灌是目前较为精准的灌溉方式，与传统的漫灌方式不同，滴灌通过输水管道直接把水精准输送到植物根系，从而减少地表径流和蒸发损耗，提高水分的利用效率[6]。而且滴灌能够减少水分在土壤的下渗，能够根据植物不同生长阶段的根系分布，计算水分的入渗深度，从而精准地计算其滴灌量和滴灌速率，使水分精准到达植物根系区域。目前关于滴灌的研究很多，其中有研究表明,滴灌量和滴灌频率是影响马铃薯生长的关键因素，并且滴灌频率和滴灌量对不同生长阶段的影响也不相同[7,8]。

江俊燕等对陕北地区灌溉量和灌溉周期对马铃薯生长的影响研究发现，灌溉周期和灌溉量对马铃薯的植株生长和产量具有不同的影响，灌溉量一定的情况下，灌溉周期越短，产量越高；而灌溉量越大、灌溉周期越长，植株生长越快。即通过少量多次的灌溉方式可以实现马铃薯的高产[9]。康跃虎等关于华北地区灌溉频次对于马铃薯生长的影响研究发现，在灌溉量一定的条件下，灌溉频次在2～8d1次的范围内，马铃薯的产量随着灌溉频次的增加显著增加，并且对于水分的利用效率逐渐增高[10]。尹娟等关于宁夏地区灌溉量和灌溉次数对马铃薯生长的研究发现，灌溉量在0～300m3·hm-2时，灌溉次数在1～3次，马铃薯的株高、茎粗和产量随着灌溉次数和灌溉量的增加而显著增高[11]。

2 节水灌溉技术

2.1 控制性根区交替灌溉(APRI)

控制性根区交替灌溉(APRI)是一种使作物部分根系土壤保持湿润状态，而其它部分根系保持干燥状态的一种节水灌溉技术[12]。目前在很多作物中广泛应用，APRI在保证作物正常光合作用的前提下，减少水分的损耗，提高水分的利用效率[13]。另外研究发现，APRI还能调节作物营养生长与生殖生长的平衡，促进根系的吸水能力，从而综合提高水分的利用效率。同时，利用APRI技术能够显著提高马铃薯对氮素等营养元素的吸收利用效率[14]。黄仲冬等对APRI灌溉方式对马铃薯生长发育的影响进行研究，结果表明，与正常的滴灌方式相比，APRI灌溉方式水分灌溉量降低了25.8%，蒸腾速率和气孔导度降低了约15%，水分利用效率提高了27.5%，而马铃薯光合速率和产量基本没有变化[15]。李平等研究也表明，滴灌或者沟灌条件下，与充分灌溉相比，APRI灌溉技术均对马铃薯的产量无明显影响；沟灌条件下，APRI灌溉技术水分利用效率约提高45%；滴灌条件下，APRI灌溉技术水分利用效率约提高21%；另外，研究还发现，APRI灌溉技术显著提高氮肥的利用效率，降低土壤，特别是30～60cm土层中氮肥的残留量[16]。宿飞飞等对APRI灌溉技术对于马铃薯叶片超微结构和生理生化指标的影响进行研究，结果发现，APRI灌溉技术显著降低马铃薯叶片中的气孔的密度，并且在干旱条件下能够提前关闭气孔，同时马铃薯体内的抗氧化酶POD、SOD等含量显著提高，抗旱能力显著提高[17]。胡超等研究表明，APRI灌溉技术能够显著提高马铃薯的品质，其中还原糖含量较低的马铃薯的油炸品质较高，与传统的灌溉方式相比，APRI灌溉方式马铃薯中还原糖的含量约降低20%；茎块中淀粉、粗蛋白和可滴定酸的含量是衡量马铃薯品质的重要指标，其含量越高，意味着马铃薯的品质较高，与传统的灌溉方式相比，APRI灌溉方式的马铃薯茎块中的淀粉含量约提高了1%，粗蛋白含量约提高了2%，可滴定酸含量约提高了4%[18]。

虽然控制性根区交替灌溉(APRI)在作物中的研究较多，很多研究也表明，APRI能够显著提高作物对水分的利用效率，能够提高作物的抗旱能力，促进作物根系的生长发育。但是目前在马铃薯中的研究成果还有待深入，如，如何确定最佳进行APRI灌溉的时期等。目前多数的研究均在马铃薯茎块形成期和茎块膨大期进行APRI灌溉，但是对于其它生育期的研究较少。另外，对于APRI灌溉的灌溉水量和灌溉频率也需要根据不同区域不同土质、降水等气候条件进行确定。

2.2 调亏灌溉技术

调亏灌溉技术(RDI)是指在植物的生长发育过程中，通过主动为植物生长创造适度的缺水条件，从而对植物的生长发育进行调节的灌溉方式。调亏灌溉技术的理论基础主要有根冠通信理论、生长冗余理论、水分亏缺生长补偿效应以及作物有限水量最优分配理论[19]。根冠通信理论即植物根系受到水分亏缺时，水分亏缺信号会同时传递到地上部分，进而引起地上部分光合作用、呼吸作用等生理反应发生相应的变化[20]。生长冗余理论是指通过控制植物营养生长适当生长，调整营养生长与生殖生长的关系，从而使作物产量达到最大值[21]。水分亏缺补偿理论是指水分发生一定的亏缺，会促进作物产量增加、品质改良[22]。作物有限水量最优分配理论是指通过合理的分配灌溉时期，从而使作物的产量及收益达到最大值[23]。目前很多研究表明，玉米、果树上运用调亏灌溉理论进行灌溉，能够显著提高水分的利用效率[24,25]。

近些年，对于调亏灌溉理论在马铃薯中的研究也有很多。其中，薛道信等研究了不同生长时期水分亏缺对于马铃薯生长、产量以及品质的影响，结果表明，在苗期进行水分亏缺对于马铃薯植株生长影响显著；在马铃薯茎块形成初期轻度缺水，对马铃薯产量无显著影响，但是水分利用效率则显著提高[26]。刘锦洋等研究表明，水分亏缺对于马铃薯茎块膨大期的影响最大，其次是淀粉积累期，再则是茎块形成期；与充分灌溉相比，适度的水分亏缺，马铃薯的产量约降低了7.16%，但是水分利用效率和灌溉水分利用效率却提高了7.35%和13.18%，而且与品质相关的淀粉、氨基酸、蛋白质以及维生素C含量均显著提高[27]。李炫臻研究了在马铃薯茎块形成期、茎块膨大期、淀粉积累期3个时期进行轻度水分、中度水分亏缺以及水分亏缺后复水处理对于马铃薯生长的影响，结果表明，马铃薯茎块形成期水分亏缺对于马铃薯产量的影响最小，并且能够显著提高水分利用效率，而其它时期水分亏缺则会严重降低马铃薯的产量[28]。

目前水分亏缺主要是以土壤含水量进行评价，一般情况下，认为土壤含水量在为田间持水量的55%～65%为轻度水分亏缺，而土壤含水量为田间持水量的45%～55%为中度水分亏缺，土壤含水量低于田间持水量的45%为重度水分亏缺，重度水分亏缺会严重影响马铃薯的生长发育以及降低马铃薯的产量[29-33]。

3 节水模式——膜下滴灌

膜下滴灌技术是将覆膜与滴灌技术相结合的灌溉方式。覆膜可以改变土壤的水热条件，使土壤中水热得到重新分布，覆膜土壤温度一般会得到一定程度的升高，从而抑制部分虫害和杂草的生长。近些年，对于膜下滴灌技术的研究和应用有很多，滴灌能够有效减少水分的地表径流，能够精准地为植物根系补充水分；薄膜能够减少土壤水分的蒸发，从而提高水分的高效利用[34]。

夏皖豫等对覆膜滴灌条件下土壤肥力进行研究，结果表明，与传统的灌溉方式相比，膜下滴灌通过提高土壤中脲酶、碱性磷酸酶、转化酶以及纤维素酶的活性，从而提高了土壤中有机质以及碱解氮和速效钾等的含量，最终使马铃薯的产量约提高了107%[35]。孔伟程等关于覆膜对土壤水热以及马铃薯生长的影响进行研究，结果表明，覆膜主要影响马铃薯苗期0～30cm土层的温度，覆膜也主要影响苗期马铃薯的株高和茎粗，马铃薯生长后期由于植株对于太阳光的遮挡，导致覆膜的影响减弱；并且由于覆膜能够减少土壤虫害，因此能够显著提高马铃薯的商品率[36]。李梦露等就覆膜灌溉方式对马铃薯生长阶段的影响进行研究，结果表明，与传统灌溉方式相比，水分利用率约提高了65.0%，日平均温度约提高了9.01%，马铃薯产量提高了1.09倍，与马铃薯品质相关的淀粉含量、维生素C含量以及干物质含量均显著提高，与马铃薯抗逆性相关的可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白、还原糖等含量显著下降[37]。李颖等研究相同灌溉总量条件下，不同灌溉时期不同灌溉量对马铃薯产量的影响，研究结果表明，在总灌水量为1725m3·hm-2条件下，不同灌溉处理对于马铃薯的产量没有显著影响，但是对于马铃薯中淀粉含量和脯氨酸含量影响较为显著[38]。刘中良等研究膜下滴灌量对于马铃薯产量和品质的影响，结果表明，不同的灌溉量对植株高度、产量、品质以及商品率等的影响存在差异[39]。井涛等对膜下滴灌方式下马铃薯对于氮肥吸收规律进行研究，结果表明，膜下滴灌方式下马铃薯对于氮肥的吸收规律呈现“慢-快-慢”的规律[40]。梁潇等对膜下滴灌条件下马铃薯对于氮肥的利用效率进行研究，结果表明，与传统的灌溉方式相比，膜下滴灌显著提高了氮肥的利用效率[41]。

膜下滴灌技术目前在我国农业上得到广泛的应用，覆膜能够显著提高土壤温度，从而提高作物的有效积温，有利于作物早种，提高土地利用效率，同时覆膜也能够有效减少土壤病虫害的发生以及防止杂草等生长。将覆膜技术与滴灌技术相结合，可以减少病虫害，改善土壤水文条件，从而提高作物产量。但是，目前也有研究表明，膜的颜色可能对于土壤水文条件有所不同，其中透明的薄膜和黑色的薄膜对于土壤水分运移的影响具有一定的差别。

4 总结与展望

在实际生产过程中，马铃薯的种植需要考虑其综合经济效益。马铃薯的总产量、马铃薯的商品率、品质、水分利用效率等多因素共同决定马铃薯种植的综合经济效益，因此在马铃薯节水灌溉研究中也需要综合考虑这些因素，从而使节水灌溉技术更好地得到应用。

随着各个学科和各个领域高新技术的不断发展，马铃薯种植节水技术也在不断发生革新，各种新型实用技术逐渐进入到马铃薯种植节水技术领域范畴。总体来说，今后的农业节水技术的发展会更明显地体现出学科交叉及多技术融合渗透的基本特点。当前最常用到的一些节水技术，总体来说学科交叉并不突出，相应的研究也在进行中。今后产生的一些新型节水技术中，会有更多生物学、作物学、土壤学、材料学、水利工程学、信息技术学等学科相互融合。这种学科间的融合交叉会让很多具体问题解决起来更轻松，节水技术的综合效能也会更高。