马铃薯对水分的响应及膜下滴灌技术增产机制的研究
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摘要
内蒙古自治区是我国马铃薯主产区之一，常年马铃薯播种面积居全国第一，但单产水平较低，主要是因为种植马铃薯地区多属干旱半干旱区，生育期缺水是制约马铃薯产量增加的最大限制因素。膜下滴灌作物一种新型的节水灌溉技术，近几年来被广泛应用于北方马铃薯生产上，但由于应用时间较短，在应用过程中存在的问题还较多，使其优势没有得到充分发挥。因此，研究马铃薯对水分的响应和膜下滴灌马铃薯生长发育规律、各生育期耗水特性、养分吸收规律、水分利用效率及灌溉频率，对制定马铃薯合理灌溉技术，提高马铃薯产量、缓解用水与供水不足的矛盾、提高水分利用效率具有重要的现实意义。主要研究结果如下：
1.马铃薯萌芽出苗期间，母薯干物质率与土壤相对含水量呈极显著负相关（R=-0.882），地上部分鲜重、总茎长、根长、根数量和干重均与土壤相对含水量呈显著或极显著正相关。土壤相对含水量在82%-91%范围时，马铃薯出苗速度较快，出苗时间为19-23d，出苗率为100%，植株鲜重及总茎长、根鲜重和长度、根条数均较高；大于91%时，出苗时间较短，但由于种薯腐烂，出苗率仅为30%；小于82%时，出苗时间为26-67d不等，且出苗后生长速率较慢。
2.马铃薯块茎形成前土壤相对含水量在85%-91%范围内，株高、茎粗、叶片数均较高，根系鲜重和活力最大，净光合速率最大，叶和块茎的干物质积累量也较大，干物质向块茎中的分配比例多，逆境生理指标脯氨酸、丙二醛含量和SOD活性均较低，叶片相对含水量较高，块茎形成较早；播种后20d控水，整体上表现为植株生长较差，25d和30d时差异不显著。茎叶的干物质积累量平均值以30d时显著大于20d和25d时，块茎干物质积累量三个控水时间差异不显著。
3.土壤相对含水量在85%-91%范围内时，块茎形成较其他土壤相对含水量下早5d左右。从整体上看，块茎形成前，各激素含量及ABA与各激素含量的比值均表现为小于85%的低水分大于高水的；块茎形成时，IAA含量、ABA含量、ZR含量在CK-91%处理及ABA与各激素含量比值的变化随土壤相对含水量的增加与块茎形成前相似，GA含量则相反，除91%处理的ABA/GA比值外，ABA与各激素的比值较块茎形成前均有所增加；块茎形成后，各激素含量随土壤相对含水量的增加不具有明显规律，但ABA与各激素的比值整体上表现为在CK和54%的较高，66%-78%时有所下降，之后又升高的趋势。
4.产量、水分利用效率与土壤相对含水量的回归关系均符合二次曲线模型。盆栽试验产量和水分利用效率最大值均出现在土壤相对含水量为91%时，均与78%处理的差异不显著，但与其他处理存在显著或极显著的差异。大田试验产量在土壤相对含水量为85%-100%时达最大，水分利用效率却在土壤相对含水量为70%-85%时最大。控水早晚对产量的影响不显著，但对水分利用效率的影响表现为控水时间越晚，水分利用效率越高。
5.膜下滴灌马铃薯全生育期各层土壤含水量均高于覆膜不滴灌的，生育期0-40cm平均土壤含水量为20%左右，主要耗水层为0-40cm，覆膜不滴灌的平均土壤含水量低于15%，主要耗水层为0-60cm。膜下滴灌马铃薯生长发育快，平均株高、茎粗和叶面积比覆膜不滴灌的分别增加了47.66%、17.86%和113.38%，平均茎、叶和块茎的干物质积累量比覆膜不滴灌的显著增加了165.71%、112.21%和287.04%。
6.生育期间膜下滴灌与覆膜不滴灌马铃薯各器官N、P、K含量差异不显著，茎叶N、P、K累积吸收量平均值膜下滴灌马铃薯大于覆膜不滴灌的；各器官N、P、K素吸收速率的平均值膜下滴灌显著大于覆膜不滴灌的。
7.膜下滴灌马铃薯阶段耗水量和耗水强度以块茎膨大期最大，其次是块茎形成期、苗期、淀粉积累期；除淀粉积累期外，全生育期耗水量和平均耗水强度及各生育时期阶段耗水量和耗水强度膜下滴灌的均极显著高于覆膜不滴灌的，产量达到3760.4kg·667m~(-2)，显著高于覆膜不滴灌的，水分利用效率为11.36kg·mm~(-1)，与覆膜不滴灌的差异不显著。
8.灌溉周期8d的土壤湿润深度为0-40cm，与马铃薯根系主要分布层吻合，平均株高、干物质积累量、淀粉含量和水分利用效率分别为40.8cm、578.87kg·667m~(-2)、13.9%、11.2kg·mm~(-1)，较4d和12d灌一次的分别增加了3.1%和4.1%、8.9%和10.1%、37.2%和9.3%、26.3%和33.3%；4d灌一次的产量较高，较8d和12d灌一次的分别增加了12.1%和15.4%，且与12d灌一次的差异达显著水平。
9.各灌溉方式下，马铃薯生育期平均土壤含水量随着单次灌溉量和总灌溉量的增加而增大，产量也随之增加，而水分利用效率却呈单峰曲线变化。两年的试验结果均显示，膜下滴灌的土壤含水量较高，产量也较高，2010年产量和水分利用效率分别为3395.9kg·667m~(-2)和16.89kg·mm~(-1)，与露地滴灌的差异均不显著，但比沟灌显著增加了41.3%和69.1%；2011年产量和水分利用效率分别为2175.8kg·667m~(-2)和8.23kg·mm~(-1)，产量与沟灌的差异不显著，但显著大于露地滴灌、隔沟灌和不灌溉处理，水分利用效率最大，比沟灌的增加了6.8%。
The unit yield of Inner Mongolia, which was the main producing region of potato inChina, was dramatically low. The shortage of water during the growth period was themain factor limting the yield in the producing region of potato in Inner Mongolia whichwas mostly in arid and semi-arid. Drip irrigation under mulch, as one of the newwater-saving irrigation techniques, was widely applied in potato production in InnerMongolia. However, the advantages of drip irrigation under mulch was canceled out byover-irrigation or non-timing irrigation during the past years. Field experiment wasconducted to evaluate the potato response to water and the rules of growth and nutrientuptake, water consumption characteristics, water use efficiency of potato drip irrigationunder mulch and irrigation techniques. The main results were as follows:
There was a significantly negative linear relationship between soil water content andthe rate of seed tuber dry matter and positive linear relationship with plant fresh weightplant root length, root number, root dry matter and, stem height respectively. When thesoil water content ranged from82%to91%, plants showed a rapid emergence, and ithappened19-23days after planting and the emergence rate was100%, also the plant rootfresh weight, the root total length, the number of root, the fresh weight of per plant andthe stem height showed greater growth value than other treatments. When the soil watercontent was higher than91%, it stimulated potato plant emergence earlier but theemergence rate just had30%due to much soil water induced much more rot seed tubers.When the soil water content was lower than75%, plant emergence later, and it happened26-67days after planting plant and growth rate slower.
It was benefit for plant growth when the soil water content ranged from85%to91%,plant height, stem diameter, leaf number were higher, root fresh weight and root activityand photosynthesis were highest, plant dry matter accumulation and tuber dry mattercontent were triggered. In this soil condition, the leaf Pro content and MDA content keeplower than other treatment plants, as so as SOD activity. Higher soil water condition hadhigher plant leaf water content, and its benefit for plant physiological metabolism, sogood for tuberization. Water controlling happened after20DAS (days after sowing) had adisadvantage on plant growth, there was no significant difference between25DAS and 30DAS, above-ground dry matter accumulation was significant higher under30DASwater controlling than20DAS or25DAS, and fund no difference of tuber dry matteraccumulation.
When the soil water content ranged from85%to91%, the timing of tuberizationwas advanced around5days. In general, the content of IAA、ZR、GA、ABA and thevalues of ABA/IAA, ABA/ZR, ABA/GA of soil water content below85%were higherthan that above85%before tuberization. At tuberization stage, changes of the content ofIAA、ABA and changes of the values of ABA/IAA, ABA/ZR, ABA/GA with the soilwater content increasing and the content of ZR of soil water content ranging from CK to91%were similar to that before, the values of ABA/IAA, ABA/ZR, ABA/GA increasedexcept the values of ABA/GA when soil water content is91%, while changes of thecontent of GA was contrary to that before. After tuberization, with soil water contentincreasing, the values of ABA/IAA, ABA/ZR, ABA/GA just decreased when the soilwater content ranged from66%to78%.
The relationship of soil water content and tuber yield, soil water content and wateruse efficiency were in accordance with quadratic model, and the peak values of the yieldand WUE(water use efficiency) were1590.3kg·667m~(-2)and7.98kg·mm~(-1)presentedwhen the soil water content were91%in the pot experiment, and had significantdifference with treatments except78%soil water content. In the field experiment, tuberyield got the highest value when soil water content ranged from85%to100%, and wateruse efficiency was highest from70%to85%. Date of water controlling had no effect ontuber yield, but affected water use efficiency, later date water controlling and higherwater use efficiency.
Soil water content of each soil layer was higher in drip irrigation under mulch thanunder mulch without dip irrigation during the growth stages. The average soil watercontent was20%and0-40cm depth was the layer of main water consumption in dripirrigation under mulch and below15%and0-60cm in mulch without dip irrigation.Compared with mulch without dip irrigation, plants growth well and the plant height,stem diameter, leaf area were increased by47.66%,17.86%,113.38%,165.71%,112.21%and287.04%in drip irrigation under mulch.
To compare mulch without drip irrigation, the content of N, P, K in various organs ofdrip irrigation under mulch were no obvious difference. The average absorption amountof N, P, K in stem and leaf of drip irrigation under mulch were higher, and the averageabsorption rate of N, P, K in various organs of drip irrigation under mulch were significant higher.
The stage of top water consumption amount and water consumption intensity wastuber bulking stage, and followed by tuberization stage, sprout stage and starchaccumulation stage. Compared with mulch without drip irrigation, drip irrigation undermulch was extremely significant on water consumption amount and the average waterconsumption intensity of each plant growth stages and the whole plant growth periodrespectively. Tuber yield was3706.4kg·667m~(-2), significantly higher in drip irrigationunder mulch than much without drip irrigation. The WUE of potato drip irrigation undermulch was11.36kg·mm~(-1), which was higher than that without drip irrigation, but thedifferences were not significant.
Irrigated every8days benefited for potato plant growth, this can be contributed tocongenial soil water content at0-40cm depth for soil layer of high root concentrationdistributing, and the average plants heights, dry matter accumulation, tuber starch contentand water use efficiency was40.8cm,578.87kg·667m~(-2),13.9%,11.2kg·mm~(-1)respectively, which was higher by3.1%,4.1%,8.9%and10.1%than irrigated every4days and by37.2%,9.3%,26.3%and33.3%than irrigated every12days, respectively.The peak tuber yield was obtained from plants irrigated every4days, and the tuber yieldwas2359.9kg·667m~(-2), which was higher by12.1%and15.4%when compared withyield from plants irrigated every8days and12days, respectively. Tuber yield of irrigatedevery4days was significantly higher that of irrigated every8days.
The bigger per irrigation amount and total irrigation amount the higher soil watercontent and yield, while the water use efficiency presented a single peak curve with theincreasing of irrigation amount. Two years experiments showed that the yield and WUEof drip irrigation under mulch were3395.92kg·667m~(-2)and16.89kg·mm~(-1)in2010,whichwere significantly increased by41.3%and69.1%than furrow irrigation methods. Theyield and WUE of drip irrigation under mulch were2175.79kg·667m~(-2)and8.23kg·mm~(-1)in2011，the former was no significant difference, but the latter was increased by6.8%as comparing with furrow irrigation methods.
1.马铃薯萌芽出苗期间，母薯干物质率与土壤相对含水量呈极显著负相关（R=-0.882），地上部分鲜重、总茎长、根长、根数量和干重均与土壤相对含水量呈显著或极显著正相关。土壤相对含水量在82%-91%范围时，马铃薯出苗速度较快，出苗时间为19-23d，出苗率为100%，植株鲜重及总茎长、根鲜重和长度、根条数均较高；大于91%时，出苗时间较短，但由于种薯腐烂，出苗率仅为30%；小于82%时，出苗时间为26-67d不等，且出苗后生长速率较慢。
2.马铃薯块茎形成前土壤相对含水量在85%-91%范围内，株高、茎粗、叶片数均较高，根系鲜重和活力最大，净光合速率最大，叶和块茎的干物质积累量也较大，干物质向块茎中的分配比例多，逆境生理指标脯氨酸、丙二醛含量和SOD活性均较低，叶片相对含水量较高，块茎形成较早；播种后20d控水，整体上表现为植株生长较差，25d和30d时差异不显著。茎叶的干物质积累量平均值以30d时显著大于20d和25d时，块茎干物质积累量三个控水时间差异不显著。
3.土壤相对含水量在85%-91%范围内时，块茎形成较其他土壤相对含水量下早5d左右。从整体上看，块茎形成前，各激素含量及ABA与各激素含量的比值均表现为小于85%的低水分大于高水的；块茎形成时，IAA含量、ABA含量、ZR含量在CK-91%处理及ABA与各激素含量比值的变化随土壤相对含水量的增加与块茎形成前相似，GA含量则相反，除91%处理的ABA/GA比值外，ABA与各激素的比值较块茎形成前均有所增加；块茎形成后，各激素含量随土壤相对含水量的增加不具有明显规律，但ABA与各激素的比值整体上表现为在CK和54%的较高，66%-78%时有所下降，之后又升高的趋势。
4.产量、水分利用效率与土壤相对含水量的回归关系均符合二次曲线模型。盆栽试验产量和水分利用效率最大值均出现在土壤相对含水量为91%时，均与78%处理的差异不显著，但与其他处理存在显著或极显著的差异。大田试验产量在土壤相对含水量为85%-100%时达最大，水分利用效率却在土壤相对含水量为70%-85%时最大。控水早晚对产量的影响不显著，但对水分利用效率的影响表现为控水时间越晚，水分利用效率越高。
5.膜下滴灌马铃薯全生育期各层土壤含水量均高于覆膜不滴灌的，生育期0-40cm平均土壤含水量为20%左右，主要耗水层为0-40cm，覆膜不滴灌的平均土壤含水量低于15%，主要耗水层为0-60cm。膜下滴灌马铃薯生长发育快，平均株高、茎粗和叶面积比覆膜不滴灌的分别增加了47.66%、17.86%和113.38%，平均茎、叶和块茎的干物质积累量比覆膜不滴灌的显著增加了165.71%、112.21%和287.04%。
6.生育期间膜下滴灌与覆膜不滴灌马铃薯各器官N、P、K含量差异不显著，茎叶N、P、K累积吸收量平均值膜下滴灌马铃薯大于覆膜不滴灌的；各器官N、P、K素吸收速率的平均值膜下滴灌显著大于覆膜不滴灌的。
7.膜下滴灌马铃薯阶段耗水量和耗水强度以块茎膨大期最大，其次是块茎形成期、苗期、淀粉积累期；除淀粉积累期外，全生育期耗水量和平均耗水强度及各生育时期阶段耗水量和耗水强度膜下滴灌的均极显著高于覆膜不滴灌的，产量达到3760.4kg·667m~(-2)，显著高于覆膜不滴灌的，水分利用效率为11.36kg·mm~(-1)，与覆膜不滴灌的差异不显著。
8.灌溉周期8d的土壤湿润深度为0-40cm，与马铃薯根系主要分布层吻合，平均株高、干物质积累量、淀粉含量和水分利用效率分别为40.8cm、578.87kg·667m~(-2)、13.9%、11.2kg·mm~(-1)，较4d和12d灌一次的分别增加了3.1%和4.1%、8.9%和10.1%、37.2%和9.3%、26.3%和33.3%；4d灌一次的产量较高，较8d和12d灌一次的分别增加了12.1%和15.4%，且与12d灌一次的差异达显著水平。
9.各灌溉方式下，马铃薯生育期平均土壤含水量随着单次灌溉量和总灌溉量的增加而增大，产量也随之增加，而水分利用效率却呈单峰曲线变化。两年的试验结果均显示，膜下滴灌的土壤含水量较高，产量也较高，2010年产量和水分利用效率分别为3395.9kg·667m~(-2)和16.89kg·mm~(-1)，与露地滴灌的差异均不显著，但比沟灌显著增加了41.3%和69.1%；2011年产量和水分利用效率分别为2175.8kg·667m~(-2)和8.23kg·mm~(-1)，产量与沟灌的差异不显著，但显著大于露地滴灌、隔沟灌和不灌溉处理，水分利用效率最大，比沟灌的增加了6.8%。
The unit yield of Inner Mongolia, which was the main producing region of potato inChina, was dramatically low. The shortage of water during the growth period was themain factor limting the yield in the producing region of potato in Inner Mongolia whichwas mostly in arid and semi-arid. Drip irrigation under mulch, as one of the newwater-saving irrigation techniques, was widely applied in potato production in InnerMongolia. However, the advantages of drip irrigation under mulch was canceled out byover-irrigation or non-timing irrigation during the past years. Field experiment wasconducted to evaluate the potato response to water and the rules of growth and nutrientuptake, water consumption characteristics, water use efficiency of potato drip irrigationunder mulch and irrigation techniques. The main results were as follows:
There was a significantly negative linear relationship between soil water content andthe rate of seed tuber dry matter and positive linear relationship with plant fresh weightplant root length, root number, root dry matter and, stem height respectively. When thesoil water content ranged from82%to91%, plants showed a rapid emergence, and ithappened19-23days after planting and the emergence rate was100%, also the plant rootfresh weight, the root total length, the number of root, the fresh weight of per plant andthe stem height showed greater growth value than other treatments. When the soil watercontent was higher than91%, it stimulated potato plant emergence earlier but theemergence rate just had30%due to much soil water induced much more rot seed tubers.When the soil water content was lower than75%, plant emergence later, and it happened26-67days after planting plant and growth rate slower.
It was benefit for plant growth when the soil water content ranged from85%to91%,plant height, stem diameter, leaf number were higher, root fresh weight and root activityand photosynthesis were highest, plant dry matter accumulation and tuber dry mattercontent were triggered. In this soil condition, the leaf Pro content and MDA content keeplower than other treatment plants, as so as SOD activity. Higher soil water condition hadhigher plant leaf water content, and its benefit for plant physiological metabolism, sogood for tuberization. Water controlling happened after20DAS (days after sowing) had adisadvantage on plant growth, there was no significant difference between25DAS and 30DAS, above-ground dry matter accumulation was significant higher under30DASwater controlling than20DAS or25DAS, and fund no difference of tuber dry matteraccumulation.
When the soil water content ranged from85%to91%, the timing of tuberizationwas advanced around5days. In general, the content of IAA、ZR、GA、ABA and thevalues of ABA/IAA, ABA/ZR, ABA/GA of soil water content below85%were higherthan that above85%before tuberization. At tuberization stage, changes of the content ofIAA、ABA and changes of the values of ABA/IAA, ABA/ZR, ABA/GA with the soilwater content increasing and the content of ZR of soil water content ranging from CK to91%were similar to that before, the values of ABA/IAA, ABA/ZR, ABA/GA increasedexcept the values of ABA/GA when soil water content is91%, while changes of thecontent of GA was contrary to that before. After tuberization, with soil water contentincreasing, the values of ABA/IAA, ABA/ZR, ABA/GA just decreased when the soilwater content ranged from66%to78%.
The relationship of soil water content and tuber yield, soil water content and wateruse efficiency were in accordance with quadratic model, and the peak values of the yieldand WUE(water use efficiency) were1590.3kg·667m~(-2)and7.98kg·mm~(-1)presentedwhen the soil water content were91%in the pot experiment, and had significantdifference with treatments except78%soil water content. In the field experiment, tuberyield got the highest value when soil water content ranged from85%to100%, and wateruse efficiency was highest from70%to85%. Date of water controlling had no effect ontuber yield, but affected water use efficiency, later date water controlling and higherwater use efficiency.
Soil water content of each soil layer was higher in drip irrigation under mulch thanunder mulch without dip irrigation during the growth stages. The average soil watercontent was20%and0-40cm depth was the layer of main water consumption in dripirrigation under mulch and below15%and0-60cm in mulch without dip irrigation.Compared with mulch without dip irrigation, plants growth well and the plant height,stem diameter, leaf area were increased by47.66%,17.86%,113.38%,165.71%,112.21%and287.04%in drip irrigation under mulch.
To compare mulch without drip irrigation, the content of N, P, K in various organs ofdrip irrigation under mulch were no obvious difference. The average absorption amountof N, P, K in stem and leaf of drip irrigation under mulch were higher, and the averageabsorption rate of N, P, K in various organs of drip irrigation under mulch were significant higher.
The stage of top water consumption amount and water consumption intensity wastuber bulking stage, and followed by tuberization stage, sprout stage and starchaccumulation stage. Compared with mulch without drip irrigation, drip irrigation undermulch was extremely significant on water consumption amount and the average waterconsumption intensity of each plant growth stages and the whole plant growth periodrespectively. Tuber yield was3706.4kg·667m~(-2), significantly higher in drip irrigationunder mulch than much without drip irrigation. The WUE of potato drip irrigation undermulch was11.36kg·mm~(-1), which was higher than that without drip irrigation, but thedifferences were not significant.
Irrigated every8days benefited for potato plant growth, this can be contributed tocongenial soil water content at0-40cm depth for soil layer of high root concentrationdistributing, and the average plants heights, dry matter accumulation, tuber starch contentand water use efficiency was40.8cm,578.87kg·667m~(-2),13.9%,11.2kg·mm~(-1)respectively, which was higher by3.1%,4.1%,8.9%and10.1%than irrigated every4days and by37.2%,9.3%,26.3%and33.3%than irrigated every12days, respectively.The peak tuber yield was obtained from plants irrigated every4days, and the tuber yieldwas2359.9kg·667m~(-2), which was higher by12.1%and15.4%when compared withyield from plants irrigated every8days and12days, respectively. Tuber yield of irrigatedevery4days was significantly higher that of irrigated every8days.
The bigger per irrigation amount and total irrigation amount the higher soil watercontent and yield, while the water use efficiency presented a single peak curve with theincreasing of irrigation amount. Two years experiments showed that the yield and WUEof drip irrigation under mulch were3395.92kg·667m~(-2)and16.89kg·mm~(-1)in2010,whichwere significantly increased by41.3%and69.1%than furrow irrigation methods. Theyield and WUE of drip irrigation under mulch were2175.79kg·667m~(-2)and8.23kg·mm~(-1)in2011，the former was no significant difference, but the latter was increased by6.8%as comparing with furrow irrigation methods.
引文
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