马铃薯是世界上产量仅次于玉米、小麦和水稻的第四大重要粮食作物^[1]。中国是马铃薯生产大国，其生产面积和总产量均居世界首位^[2]。中国马铃薯产量为9023万t，占世界马铃薯总产量的24.53%^[3]，但单位面积产量低于美国、荷兰等马铃薯生产大国^[4]。因此，挖掘马铃薯单产潜力尚有较大的空间。

水资源短缺是中国农业生产面临的最大挑战，尤其西北地区水资源短缺形势更加趋紧。膜下滴灌技术是一种将地膜栽培与滴灌技术有机结合的新型节水技术，具有节水增产、提高水肥利用率等优点^[5]，在西北地区得以广泛应用。

水分和氮素是影响作物生长的2个主要因素，适宜的水氮供应是马铃薯持续高产的基础。由于科学水肥管理技术推广限制，我国马铃薯生产中普遍存在水氮管理不合理现象^[6]。中国农田不合理施氮面积占播种面积的30%^[7-8]，过量施氮是造成马铃薯产量和品质下降的主要原因。研究^[9]表明，马铃薯产量随灌水量的增加呈先增后减的趋势，随施氮量的增加呈减小趋势。相对于传统灌溉和施肥方法，适当的水氮调控可以提高作物产量，改善品质，提高水氮利用效率^[10]。Yang等^[11]研究发现，灌水量为2100 m³/hm²且施氮量为110 kg/hm²时马铃薯具有最高的产量、品质和经济效益；酒歌等^[12]研究发现，在施氮量240 kg/hm²、灌水量为1600 m³/hm²的情况下，甘薯的产量和水氮利用效率最高；唐锐等^[13]研究表明，小麦产量随灌溉和施氮水平的提高呈先升后降趋势，过量灌溉和施氮反而降低产量、水氮利用效率和土壤理化指标。刘秀花等^[14]研究发现，施用过量的肥料会导致土壤中的氮累积，而过度灌溉或降雨则会导致这些氮被大量冲入深层土壤，降低氮肥利用效率。可见，水氮调控效应因作物种类、环境等而异。

甘肃省皋兰县位于甘肃中部，属于中温带大陆性季风气候，马铃薯由于耐旱性强，一直以来是该区替代部分需水量大作物的理想选择。近年来，兰州通过建设高标准农田，推行规模化、集约化种植，滴灌水肥一体化技术逐步推广应用已是必然趋势。然而，现有滴灌水肥一体化技术在实际应用中存在盲目性大、精量灌溉施肥理论不完善和水肥耦合效应不明确等问题。因此，本研究以马铃薯品种希森6号为研究对象，通过设置不同灌水和施肥水平二因素试验，研究水氮调控对马铃薯土壤水分变化及产量的影响，旨在平衡作物对水分需求和水供给之间的关系，保障马铃薯生产的可持续和经济性，为西北旱地最大限度地提高马铃薯生产潜力和生产效益提供技术指导。

试验于2023年4-9月在甘肃省皋兰县（103°86′ E，36°40′ N，海拔1757.7 m）兰州灌溉试验站进行。该地区属于温带半干旱气候，年均气温10.1 ℃，日最高气温37.2 ℃，日最低气温-11.8 ℃，降水主要集中在6-8月（图1）；年均降水量约为170.6 mm，日均相对湿度50.9。马铃薯全生育期总日照时数为904.4 h，平均日照时数7.01 h，无霜期144 d。试验所属地土壤类型主要以灰钙土为主，pH 8.6，土壤容重1.43 g/cm³。

试验采用双因素随机区组设计，以灌水量和施氮量为因子，各设3个水平，共9个处理加1个对照处理，每个处理3个重复，共30个小区。灌水水平为高水[W1，土壤含水率为田间持水量（FC）的65%~75%]、中水（W2，55%~65% FC）和低水（W3，45%~55% FC），施氮水平为高氮（N1，施氮量240 kg/hm²）、中氮（N2，施氮量180 kg/hm²）和低氮（N3，施氮量120 kg/hm²），以高水不施肥为对照（CK）。试验采用“一膜一垄，一垄两行”的种植方式。各小区垄长10 m，垄宽80 cm，垄高20 cm，沟宽40 cm，行距40 cm，株距30 cm。各小区面积均为36 m²；滴灌带管径16 mm，滴头间距30 cm、流量2 L/h。

播前在各小区一次性施入270 kg/hm²的K₂O（济南鑫盈化工有限公司生产的氯化钾，K₂O≥62%）和150 kg/hm²的P₂O₅（湖北丰乐生态肥业有限公司生产的过磷酸钙，P₂O₅≥16%）作为基肥，120 kg/hm²的N（青州市天企源化肥有限公司生产的尿素，总氮≥46%）按总量的40%施入。其余氮肥通过文丘里施肥器于块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期分别各追施20%。具体试验设计方案见表1。

在马铃薯全生育期内，采用直径为5 cm的土钻从马铃薯种植行中间取土，取土深度120 cm，分为0~10、10~20、20~40、40~60、60~80、80~100和100~120 cm共7个梯度，将所取鲜土分梯度装入铝盒称重后，置于105 ℃烘箱中烘干至恒重后，计算土壤含水率（SW，%）= (W₁-W₂)/(W₂-W₃)×100，式中，W1为土壤鲜样和铝盒的总质量（g），W2为烘干土样和铝盒的总质量（g），W3为空铝盒的质量（g）。

采用水量平衡法计算耗水量（ET，mm）=∑i=1nγiHiWi1-Wi2+M+P，式中，i为土层编号；γ_i为第i层的土壤容重；H_i为第i层的土层厚度（cm）；W_i1、W_i2分别为第i层土壤在作物生育期内某时段始末的土壤含水率（%）；M为时段内灌水量；P为该时段内降水量。

耗水模系数（CP）=ET_i/ET，式中，ET_i为第i个生育时期的耗水量（mm）；ET为马铃薯生育期内总耗水量（mm）。

耗水强度（CD，mm/d）=ET_i/d，式中，d为第i个生育阶段生育期天数（d）。

水分利用效率[WUE，kg/(hm²∙mm)]=Y/ET，式中，Y为马铃薯块茎产量（kg/hm²）；ET为马铃薯全生育期单位面积耗水量（mm）。

马铃薯成熟后，各小区单独收获，采用精度为0.01 g的电子秤进行实地测产，并将单位换算成kg/hm²，3个重复实际产量的均值为各处理的实际产量。测产之前，各小区随机单独收获15株马铃薯，洗净晾干后，测量并记录各小区单株马铃薯结薯数及单薯质量。按鲜薯块茎质量对各小区考种数进行商品等级分类，大于150 g为大薯，75~150 g为中薯，小于75 g为小薯，75 g以上为商品薯率。

采用SPSS 20.0软件和Excel 2021分析、处理数据，采用Origin 2021绘图。

图2为马铃薯全生育期0~120 cm土壤水分变化情况。整体上马铃薯苗期0~80 cm土层土壤含水率随灌水量的增加呈增大趋势；块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期0~100 cm土层土壤含水率随灌水量的增加呈增大趋势，土壤含水率在1.87%~ 16.79%。从马铃薯不同土层深度来看，各土层处理间整体明显，其中10~80 cm处波动幅度较大，块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期在80~120 cm土壤含水率最大；在0~20 cm处马铃薯土壤含水率最小，土壤含水率受作物生长习性和植株之间蒸发的影响。从马铃薯不同生育时期来看，苗期在不同灌溉条件下土层平均土壤含水率均小于CK的土壤含水率；从块茎形成期来看，在不同灌溉水平下，块茎膨大期和淀粉积累期0~120 cm土层平均土壤含水率分别呈W1>W2>CK>W3和W1>CK>W2>W3的趋势，所有处理中0~120 cm土层平均土壤含水率均以W1N2处理最高。

由图3可知，不同水氮调控对马铃薯各生育期耗水量有显著影响（P<0.05）。在W1、W2、W3水平下，处理间耗水总量差异受调亏水平和施氮量共同影响，即W1和W3水平下均表现出高氮处理的耗水总量显著高于低氮，W2水平耗水量处理间差异与W1和W3水平下恰好相反。W1平均水平下较CK显著提高8.23%，W2和W3平均水平下各处理较CK表现为降低效应，分别降低6.28%和49.90%。在N1水平下，随滴灌水分调亏程度加重，马铃薯全生育期耗水量降低。整体来看，马铃薯各处理总耗水量以W1N1处理最高，为426.68 mm，W1N2处理次之，为422.89 mm，W3N3处理最低，为245.29 mm，W1N1处理较CK显著提高9.25%，较其他处理显著提高0.90%~73.95%。

由图4可见，马铃薯耗水量随生育时期推进呈先升后降的趋势，在块茎膨大期阶段耗水量最大，较苗期提高37.35%，较块茎形成期提高16.34%，较淀粉积累期提高10.60%，具体表现为块茎膨大期>淀粉积累期>块茎形成期>苗期。马铃薯各生育时期耗水量变化相似，以块茎膨大期为例。在W1水平下，耗水量随施氮量的增加呈增加趋势，与N1相比，N3、CK耗水量分别显著降低6.23%、9.91%，N2耗水量降低2.59%，差异不显著；马铃薯耗水量随灌水量增加而增加，耗水量整体表现为W1>W2>W3，其中N1水平下，与W1相比，W2、W3的耗水量分别显著降低17.39%、48.57%；马铃薯块茎膨大期内，W1N1处理耗水量最大，为127.82 mm，较CK显著提高9.91%。

由表2可见，马铃薯日耗水强度随生育时期的推进表现为增大后减小的趋势。总体上，马铃薯耗水强度范围在1.14~4.73 mm/d，分时期来看，块茎膨大期日耗水强度变化最大，淀粉积累期次之，苗期最小。块茎膨大期内，同一施氮梯度下，日耗水强度随灌水量的增加而增加，具体表现为W1>W2>W3，在W1水平下，N1较N3马铃薯日耗水强度显著提高6.05%，W2水平下，N1较N2和N3分别显著提高8.32%、6.61%，W3水平下，各施氮量对日耗水强度影响差异不明显。在N1水平下，W1较W2、W3日耗水强度分别显著提高14.69%、32.66%；N2水平下，W1较W2、W3日耗水强度分别显著提高19.28%、32.39%；N3水平下，W1较W2、W3日耗水强度分别显著提高15.13%、29.93%。马铃薯块茎膨大期内，W1N1处理日耗水强度最大，为4.73 mm/d，W3N2处理最小，为3.12 mm/d，W1N1处理较CK显著提高9.87%，较W1N2处理提高2.60%，差异不显著（P>0.05），较其他处理显著提高6.22%~51.60%。

马铃薯耗水模系数的变化趋势同日耗水强度相似，范围在15.18%~34.40%，具体表现为块茎膨大期>淀粉积累期>块茎形成期>苗期。块茎膨大期内，在N1水平下，耗水模系数整体表现为W3>W1>W2，W1水平耗水模系数较W2水平增加2.80%，较W3水平显著降低7.27%；在W2水平下，N1较N3显著提高10.80%，W1、W3水平下，不同施氮量对耗水模系数影响差异不显著。可见，水分调亏是影响耗水模系数变化的主要因素。

由表3可见，不同水氮调控对马铃薯产量及其要素和WUE影响显著（P<0.05）。在W1和W3调亏水平下，马铃薯产量随施氮梯度的增加呈先升后降趋势，产量整体表现为N2>N1>N3，其中W1水平下，与N2相比，N1、N3和CK马铃薯产量分别显著降低10.83%、23.07%和42.17%；相同施氮量下产量随灌水量的增加而增加，具体表现为W1>W2>W3，其中N1水平下，与W1相比，W2、W3产量分别显著降低9.17%、103.72%。马铃薯产量以W1N2处理最高，为53 826.35 kg/hm²，且较CK显著提高42.17%。W1N2处理的大薯率、商品薯率分别较CK显著提高61.85%和23.88%。

W1和W3调亏水平下（除W2外），WUE随施氮量增加呈先升后降趋势；N2和N3梯度下，WUE随水分亏缺程度的减小而增大。马铃薯WUE以W1N2处理最高，为12.73 kg/(hm²·mm)，较CK显著增加31.24%。

由图5可见，水氮调控下马铃薯耗水特征与产量等系列指标存在相关关系。马铃薯产量、大薯率、商品薯率及WUE与不同生育期耗水特征均呈极显著或显著正相关性；马铃薯小薯率与各生育时期阶段耗水量、耗水强度均呈极显著负相关；马铃薯产量与WUE呈极显著正相关（r=0.93^**）。可见，调节水氮配比可以在马铃薯关键生长阶段优化水肥利用，从而增加产量，改善商品薯率和WUE，最终达到减少用水、减少施肥、提高品质和产量以及提升经济效益的目标。

土壤水分是影响作物生长的重要因子，土壤含水率的变化直接影响作物对氮肥的吸收和转运^[15]。马铃薯土壤含水率变化受降水、灌水量及其他环境因素等的影响，但其在不同生育阶段的变化趋势基本一致^[16]。王艳哲等^[17]研究表明，冬小麦0~60 cm土层土壤含水率达到60% FC时根冠比处于稳定状态，且不会随灌水量的增加而增加。张洁等^[18]研究发现，玉米在0~60 cm耕作层土壤含水率随灌水量增加变化明显；随着生育期的推进，在拔节期至灌浆期，土壤含水量均呈下降趋势。本研究结果表明，增加灌水量能显著提高各土层土壤含水量。苗期和块茎形成期，不同灌水条件下土壤含水率差异不显著；块茎膨大期和淀粉积累期0~120 cm土层平均土壤含水率均以W1N2最高，较CK分别显著提高5.47%和4.18%，与上述研究结果相似。究其原因，随着生育时期的推进，马铃薯地上和地下部分需水量发生变化，使各土层土壤含水率随植株根系生长而变化加剧，进而影响作物产量。

地膜覆盖能有效抑制土壤水分蒸发，滴灌技术将水肥精准输送至作物根部，进而提高了水肥利用效率，达到了节水减施增产的目的^[19]。邵志远等^[20]研究发现，当施氮量增加时，燕麦的产量和耗水量也随之提升。当施氮量达到140 kg/hm²时，燕麦植株能够更好地吸收和利用水分。全生育期内，燕麦耗水量在抽穗期达到最大，其耗水量占全生育期耗水量的24.4%~26.9%。刘青等^[21]研究发现，随着生育时期的推进，马铃薯全生育期内耗水量主要表现为先升后降的单峰曲线态势，其中生育初期耗水占比最小，生育中期耗水比例达到最大。李晶等^[22]研究表明，土壤水分调亏对膜下滴灌马铃薯各生育阶段土壤水分、耗水规律及马铃薯群体性能均有一定影响，因此，可通过不同生育阶段土壤水分调控来促进马铃薯群体生长以获得较高产量。本研究发现，水氮调控下马铃薯阶段耗水量、日耗水强度和耗水模系数随生育期的推进均表现为先升后降的趋势，各指标均在块茎膨大期达到峰值，分别为84.28~127.82 mm、3.12~4.73 mm/d和27.70%~ 34.40%。同一水分调亏水平下，马铃薯阶段耗水量和日耗水强度均随施氮量的增加而增加，施氮梯度一致时各指标均随灌水量的增加而显著增加。不同水氮调控处理间，W1N1处理耗水量和日耗水强度均达到最大，W1N2处理次之，W3N3处理最小。这与上述研究结果相似。分析原因，一是适量的氮肥可促进作物对水分的吸收，提高马铃薯植株生长速率，二是灌水量的增加使土壤含水率增大，导致蒸发量增加，最终表现为耗水量的增加，三是块茎膨大期马铃薯植株快速生长，气温较高，光照强度大，加剧其植株蒸腾和棵间蒸发，进而导致马铃薯耗水指标均达到最高。

膜下滴灌水氮调控技术能有效调节土壤水热环境、提高水肥利用效率且促进生长发育，进而实现马铃薯提质增产和提高经济效益的目的^[23-24]。相关研究^[25]表明，马铃薯产量及商品率均随着施氮量和灌水量的增加呈现抛物线趋势变化，在施氮量225 kg/hm²、灌水量900 m³/hm²时达到最大，分别为35 299.9 kg/hm²和77.9%。翟中民等^[26]研究表明，棉花产量随着灌水量增加而增大；在灌溉水量和土壤含盐量相同的条件下，随着施氮量增加，棉花产量先提高后降低；在灌溉定额和施氮量相同的条件下，棉花产量随着土壤含盐量增加呈先增大后减小的趋势。张钊等^[27]研究发现，滴灌春小麦株高随灌水量的增加而增加，有效穗数、穗粒数、千粒质量、产量及WUE随灌水量增加呈先升后降的趋势，于灌水量420 mm时达到峰值。史田斌等^[28]研究发现，苗期马铃薯块茎膨大期干旱胁迫对地上部分影响较小，但使其干物质、结薯数和产量显著降低。本研究表明，水氮调控对马铃薯产量及其要素均有显著影响（P<0.05）。W1和W3水平下，马铃薯产量随施氮梯度的增加呈先升后降趋势；同一施氮梯度下，产量随灌水量的增加而增加。不同水氮调控处理间，W1N2处理产量、大薯率及商品薯率均达到最大，分别为53 826.35 kg/hm²、60.50%和82.42%，较CK分别显著提高42.17%、61.85%和23.89%。这与上述研究结果相似。这是因为高水高氮条件促进了马铃薯株高、茎粗等生长指标增长，抑制了其块茎膨大，进而导致产量降低。说明适当的灌水和施肥量能够提高马铃薯产量，一是生育期内适度的水氮胁迫有利于植株根系扩展下扎，进而提高对水分和养分的吸收，以促进植株合理生长；二是适度水氮调亏能使营养物质得以合理分配，避免植株对其过度消耗。

此外，本研究还发现，水氮调控对马铃薯WUE有显著影响。W1和W3水平下，WUE随施氮量增加呈先升后降趋势；N2和N3梯度下，WUE随水分亏缺程度的减小而增大。不同水氮调控处理间，W1N2处理WUE达到最高，W3N3处理最低。这与前人研究结果相似。研究^[29]表明，马铃薯产量、WUE与耗水量、耗水模系数均呈正相关，当灌水量达到一定阈值后，持续灌水会导致马铃薯增产效果减弱甚至减产。李志贤等^[30]研究表明，过量施氮会抑制作物对水分和养分的吸收，从而导致水肥利用效率显著降低。综合来看，适当的水氮调控能够提高马铃薯产量和水氮利用效率，实现资源利用最优化。

不同水氮调控下，马铃薯土壤含水率随灌水量和土层深度的增加呈增加趋势。W1N1处理总耗水量、阶段耗水量和日耗水强度均达到最高，W1N2处理次之，W1N1较CK处理分别显著提高9.25%、9.91%和9.87%，适当的水氮调控可显著降低马铃薯关键生育时期的耗水量及耗水特征，调整其耗水结构。

适当的水氮调控能促进马铃薯提质增产，提高WUE。不同水氮调控下，W1N2处理的产量、商品薯率及WUE均最高，较CK处理分别显著提高42.17%、23.88%和31.24%。

综上所述，考虑马铃薯提质增产、节水保墒、提高WUE等因素，得出W1N2处理为该地区较为适宜的水氮调控种植模式。