不同覆盖种植模式对马铃薯土壤温度、水分及产量的影响

王友生，王多尧

(1.甘肃省定西市农业技术推广站， 甘肃 定西 743000； 2.甘肃省交通科学研究院有限公司， 甘肃 兰州 730050)

我国提出力推马铃薯主粮化战略，马铃薯也将成为稻米、小麦、玉米之外的第四大主粮作物，预计到2020年，50%以上的马铃薯将作为主粮消费，马铃薯产业将成为推动区域发展的脱贫致富产业。甘肃中部作为我国马铃薯的主产区，种植面积已达67万hm2以上，总产量超过1 100万t，占全国总产量的14%，居全国之首[1]。素有“中国马铃薯之乡”的甘肃省定西市既是马铃薯优质主产区，又是全国马铃薯三大生产基地之一，通过当地政府和群众的十多年努力，定西市马铃薯播种面积已多年稳定在20万hm2以上，总产达500万t左右；但定西市年降水量仅300～500 mm，且多集中于7—9月，而年蒸发量高达1 500～1 800 mm[2]，导致自然降水的利用效率较低，严重限制了马铃薯产量的进一步提高。如何高效利用降雨资源，成为定西市马铃薯生产的重要课题。近年来在政府引导下，定西市马铃薯种植的科技投入力度也逐年加大，通过积极推广马铃薯地膜覆盖集雨技术，为农民增产增收又开辟了新的致富路。地膜覆盖能充分接纳雨水，强化雨水的田间保蓄，减少土壤水分蒸发[3-4]；发挥土壤水库的调配作用，将无效降雨化为有效降雨[5]；而马铃薯地膜覆盖栽培更具有增温、集雨、保墒的效果，显著地改善了土壤的水热状况和田间小气候，促进了产量的提高[6-8]。但在当地马铃薯大田栽培应用中，覆盖材料、覆膜方式和垄型等方面的突出问题亟待解决。本研究根据当前的生产实际，对目前旱作区马铃薯不同种植模式进行对比试验，从各处理生育期的土壤含水量和温度、产量及经济效益等方面进行研究分析，以期筛选出最适合甘肃中部旱作区马铃薯高产栽培模式，为该技术在马铃薯栽培中的应用推广提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验设在甘肃省定西市安定区内官镇董家湾村旱作梯田地(N35°27′～35°40′；E103°23′～106°40′)，平均海拔2 328.2 m。该区域属典型的半干旱雨养农业区，年平均降水量400～500 mm，且年分布不均，年平均气温5.2℃，无霜期135 d，农作物属于一年一熟。试验地土壤类型为黄绵土，前茬作物玉米，土壤质地疏松、肥力中等。0～20 cm耕层有机质10.44 g·kg-1，全氮0.76 g·kg-1，全磷0.53 g·kg-1，全钾7.8 g·kg-1，速效氮68 mg·kg-1，速效磷22.1 mg·kg-1，速效钾189 mg·kg-1，pH7.8。

1.2 供试材料

马铃薯指示品种为甘肃农业科学院粮食作物研究所选育的陇薯6号，陇薯6号原种由定西市爱兰薯业有限公司提供；供试地膜为天水天宝塑业有限责任公司生产的“天宝牌”厚0.013 mm，宽度120 cm和宽度80 cm的黑色地膜；尿素(含N46%，甘肃刘化集团有限责任公司生产)，磷酸氢二铵(含P2O546%，含N18%，云南三环中化美盛化肥有限公司生产)，硫酸钾镁肥(含K2O 24%，安徽辉隆农资集团股份有限公司生产)。

1.3 试验设计

试验采取随机区组设计排列，共设6个处理，3个重复。6个处理分别为：处理1：全地面覆盖双垄垄作侧播(按株距35 cm，行距50 cm“品”字形垄侧穴播)；处理2：全地面覆盖垄上微沟穴播(大垄宽75 cm、垄沟宽45 cm，在大垄面中间再开一条10 cm深的集雨沟，使垄面成为‘M’型，同时微沟内每隔50 cm打一渗水孔)；处理3：秸秆带状覆盖种植(分秸秆覆盖带和种植带，两带等宽、相间排列，两带宽度各55 cm左右，每种植带平作穴播2行)；处理4：半膜垄作(垄宽60 cm，垄高15 cm，选用80 cm宽黑色地膜覆盖垄面，按株距35 cm，行距50 cm“品”字形垄侧穴播)；处理5：露地平地穴播(对照CK)(按株距35 cm，行距50 cm左右“品”字形穴播)。小区面积44 m2(5.5 m×8 m)，宽行距70 cm，窄行距40 cm，株距35 cm，种植密度51 974 株·hm-2，小区间距40 cm，设置保护行。试验于2015年4月25日播种，9月25日收获。试验期间调查记载各处理马铃薯生育期的土壤温度和水分状况，成熟期每小区取样20株考种，并按小区单收实测产量。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤温度 采用曲管地温计分别在幼苗期、块茎形成期、块茎增长期、淀粉积累期、成熟收获期测定马铃薯生长期的土壤温度。在8∶00，14∶00，19∶00时测定各处理马铃薯种植行中间的10、20、30 cm土层地温，取平均值作为当天的土壤温度，每处理3个重复。

1.4.2 土壤水分 采用土钻烘干法在幼苗期、块茎形成期、块茎增长期、淀粉积累期、成熟收获期测定马铃薯生长期的土壤水分。具体是在两株马铃薯中间按三点方法用土钻取地表下100 cm内的土壤，每20 cm为一层，共5层；取样后在室内采用烘干法，土样在105℃～110℃烘箱中烘7～8 h至恒重后称重，每处理3个重复。

土壤含水量(%)=(湿土重-烘干土重)/烘干土重×100

1.4.3 产量及产量性状 产量按小区单收计产。每小区按照5点取样法取20株考种计算鲜薯产量。单位面积鲜薯产量(kg·hm-2)=小区鲜薯差量(kg)/小区面积(m2)×10 000，每处理测定3次重复；单位面积纯收益(元·hm-2)=单位面积产量收入(元·hm-2)-单位面积总投入(元·hm-2)。

1.5 统计分析

试验用Microsoft Excel进行数据处理，用SPSS16.0软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式对马铃薯不同生育期耕层土壤温度的影响

土壤温度是土壤热状况的综合表现，直接影响着土壤中生物活动过程，如种子发芽、幼苗出土及生长、根系发育以及微生物的活动等[9]。不同处理马铃薯在不同生育期土壤温度随深度变化见表1。马铃薯整个生育期各处理测定的0～30 cm土壤平均温度值高低顺序为处理2>处理1>处理4>处理5>处理3，处理2和处理1增温效果最为明显，与CK相比较平均土壤温度增加2.5℃和2.2℃，其次是处理4与CK相比增温0.9℃，而处理3使土壤温度降低，较CK降低1.0℃，这是由于秸秆覆盖在土壤表面后形成一道物隔离层，能拦截和吸收太阳直射和地面有效辐射，阻碍了土壤与大气间的水热交换[10]。

表1 不同处理下马铃薯生育期不同土层平均土壤温度/℃

注：表中同一列不同小写字母表示差异达0.05显著水平。下同。

Note: Different small letters in the same column mean significant difference atP<0.05. The same as below.

整个生育期，各处理对土壤温度的影响效果随土层的加深而逐渐减弱。在马铃薯幼苗期，不同处理对土壤温度的影响效果显著，处理1和处理2不同土层温度均显著高于CK(P<0.05)，平均土壤温度分别较CK增高2.0℃和2.2℃；处理4在0～10 cm处土壤温度与CK差异显著(P<0.05)，在10～30 cm处土壤温度与CK无显著差异；处理3在0～10 cm处较CK增高1.1℃，在10～30 cm处与CK无差异。随着生育期的推进，马铃薯叶面积指数逐渐增大致使到达地面的太阳辐射减少，各覆盖处理对土壤温度的影响效果逐渐减弱。生长中期(块茎膨大期～块茎增长期)，处理1和处理2在0～10 cm处土壤温度与CK差异显著(P<0.05)，10～30 cm处土壤温度与CK无显著差异，处理4不同土层温度与CK差异不显著(P>0.05)，处理3不同土层温度较CK降低2.1℃。后期(淀粉积累期～成熟期)，处理1和处理2不同土层温度均显著高于CK(P<0.05)，处理4在0～10 cm处土壤温度与CK差异显著(P<0.05)，在10～30 cm处土壤温度与CK差异不显著，在马铃薯生长后期处理3在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm处平均土壤温度较CK降低0.7℃、0.6℃和0.2℃。

2.2 不同种植模式对马铃薯不同生育期土壤水分的影响

对马铃薯各生育时期0～100 cm土壤含水量测定结果表明，地膜秸秆覆盖后，各处理在不同生育期平均土壤含水量均比露地有所提高，平均土壤含水量高低顺序依次为处理1>处理2>处理3>处理4>处理5(图1f)。黑膜全地面覆盖双垄垄作侧播(处理1)和垄上微沟穴播(处理2)地表100%覆盖，阻断了土壤水分的无效蒸发，自然降水也通过集水面聚集在播种沟内，所以在各生育期土壤含水量最高，保墒效果最为明显，如处理1和处理2在出苗期土壤含水量比露地分别高2.6%和2.2%，在块茎形成期土壤含水量比露地分别高2.1%和2.5%；其次为秸秆带状覆盖种植(处理3)，整个生育期平均土壤含水量与CK相比提高了1.0%；处理4半膜覆盖平均土壤含水量较CK提高0.87%，这就说明地膜全覆盖的两种种植模式具有较好的集雨保墒能力。

图1(a～e)分别为马铃薯出苗期、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期和成熟期0～100 cm土壤含水量的垂直变化情况，由图可知覆盖耕作对马铃薯不同生育期土壤含水量的影响随着土壤深度的增加而减弱。在出苗期各处理土壤含水量由于受前期降雨较多的影响而普遍较高，但由于地面裸露面积较大，加之幼苗耗水量不大，覆盖后处理1、处理2和处理3在0～60 cm处土壤含水量明显高于露地，土壤含水量较CK增幅在1.5%～4.6%之间，在60～100 cm处土壤含水量与CK差距减小；处理4在0～60 cm处土壤含水量也高于露地，增幅在0.6%～1.7%之间，但却低于处理1、处理2和处理3的土壤含水量；在60～100 cm处各处理土壤含水量与CK差距减小(图1a)。由于马铃薯块茎形成期生长消耗了土壤水分, 使土壤含水量有所下降，0～80 cm各土层土壤含水量均低于播前。处理1、处理2和处理3、处理4在0～80 cm处土壤含水量较CK增幅在1.5%～3.9%之间；在80～100 cm处各处理与CK无明显差异(图1b)。在马铃薯块茎膨大期和淀粉积累期，由于全市气温持续偏高、干旱少雨，浅层墒情较前期更差；马铃薯块茎膨大期处理1、处理2和处理3在40～60 cm处土壤含水量高于处理4和对照，0～20 cm和80～100 cm处各处理土壤含水量差异不大(图1c)。淀粉积累期40 cm处各处理土壤含水量略高于CK，其它土层差异不明显(图1d)。到成熟期各处理间土壤含水量变化趋势相同，表现为浅层墒情较差，各处理0～40 cm处土壤含水量低于60～100 cm处；这是由于7—9月份以来，持续高温干旱，加上作物生长过程需水量大，导致浅层土壤严重失墒。另外，各处理之间0～100 cm土层土壤含水量差异不明显(图1e)。

图1马铃薯生育期各处理不同土层土壤水分动态变化

Fig.1 Dynamic of water in different soil layers with different treatment during potato growth stages

2.3 不同种植模式对马铃薯产量及经济效益的影响

从表2可知，各覆盖处理的马铃薯鲜薯产量较对照显著增加，产量高低排列顺序为处理1>处理2>处理3>处理4>处理5。处理1产量为28 757.9 kg·hm-2，居第一位，与CK相比产量提高了7 226.3 kg·hm-2，增产幅度达到33.6%；处理2产量为27 680.7 kg·hm-2，较CK提高了6 149.1 kg·hm-2，增产幅度为28.6%，居第二位；处理3产量仅次于地膜覆盖处理，为26 528.3 kg·hm-2，较CK提高了4 996.7 kg·hm-2，增产幅度为23.2%。对产量进行方差分析可知，区组间未达到显著水平，F区组=1.063，P区组=0.424(>0.05)；处理间达到显著水平，F处理=3.927，P处理=0.036(<0.05)。用Duncan法进行多重比较分析表明，地膜全覆盖(处理1和处理2)鲜薯产量最高，处理1产量略高于处理2，但差异不显著；两处理与CK之间差异显著；其次是秸秆覆盖(处理3)，与CK之间差异显著；地膜半覆盖(处理4)与CK之间差异不显著。

按照市场价格计算投入产出，由于覆盖材料的不同各处理间投入成本存在差异，因定西市大面积推广全膜双垄沟播玉米导致秸秆剩余量大，所以本文中玉米秸秆也不记成本。由表2可知，各处理投入成本的依次为全膜(处理1和处理2)>半膜(处理4)>秸秆(处理3)=露地(CK)。处理1纯收益为24 730.98 元·hm-2，较CK提高了7 201.56 元·hm-2，居第一位；处理3纯收益为23 525.46 元·hm-2，较CK提高了5 996.04 元·hm-2，因秸秆不计成本位居第二；处理2纯收益为23 438.34 元·hm-2，较CK提高了5 908.92 元·hm-2。处理4纯收益最低，较CK仅提高了1 015.38 元·hm-2。

3 讨 论

在干旱半干旱地区，作物增产主要依赖于生育期的土壤温度、有效降水、土壤的蓄水和土壤蒸发[11]。对“十年九旱”的定西地区来说，保持土壤水分、减少土壤无效蒸发显得尤为重要，这样可以为作物后期生长提供充足的水分。保护性耕作对土壤含水量影响很大，尤其是在干旱年份，由于气候干燥蒸发强烈，导致土壤含水率急剧下降，因此在干旱半干旱地区主要采用覆盖处理来贮存降雨，以供作物后期的生长需求[12]。大量研究表明，地膜覆盖可以有效减少土壤水分蒸发、提高作物产量和水分[3,13]，黑膜覆盖还可以有效抑制一年生杂草和减少青头薯发生[14]；也有研究证明，秸秆覆盖具有明显的纳雨保墒效果[15-16]。本研究通过田间试验，观察记录了马铃薯生育期不同覆盖材料及方式对土壤含水量、土壤温度及产量的影响，结果表明黑膜全覆盖和秸秆覆盖能较好地保持土壤水分，降低农田蒸发，尤其在作物生长前期，覆盖处理含水量明显高于对照，在生育后期由于受马铃薯冠层覆盖的影响而导致差异减小，这与张立功[3]、汤瑛芳[13]等研究结论一致；覆盖措施对土壤温度的影响效果因覆盖材料的不同而不同[17]，本文得出地膜覆盖处理能有效提高耕层土壤温度，而秸秆覆盖阻碍了土壤与大气间的水热交换导致土壤温度降低，这与李荣等[10]在不同沟垄覆盖模式在春玉米上得出的结论一致，但秸秆覆盖是否会延长马铃薯生育期有待于进一步研究；我们通过试验也得出在整个生育期各处理对土壤温度的影响效果随土层的加深而逐渐减弱[8]；全膜覆盖技术与对照相比有明显提高马铃薯产量和经济效益的作用，这与很多学者得出的结论一致[18-20]。虽然本文得出结论秸秆覆盖马铃薯生产技术产量仅次于全膜覆盖技术，但本研究未做秸秆覆盖方式及覆盖量对马铃薯水文效应及产量的影响的研究，需要在以后的大田试验中做进一步探讨，这对提升旱作区土壤有机质、培肥地力、保护耕地质量有着非常重要的现实意义。

表2 不同处理间马铃薯产量及经济效益差异

注：投入包括种子、化肥、地膜(其中种子价格按1.5 元·kg-1，肥料价格磷酸氢二铵2.6 元·kg-1，尿素1.5 元·kg-1，硫酸钾镁1.7 元·kg-1；地膜价格按14 元·kg-1)。2015年马铃薯售价为1.2 元·kg-1。

Note: Inputs include seeds, fertilizers, and mulching film(seed 1.5 yuan·kg-1, ammonium phosphate 2.6 yuan·kg-1, diaminomethanal 1.5 yuan·kg-1, potassium magnesium sulfate 1.7 yuan·kg-1, mulching film 14 yuan·kg-1). Potato rice was 1.2 yuan·kg-1in 2015.

4 结 论

1) 马铃薯整个生育期土壤平均温度全地面覆盖双垄垄作侧播和垄上微沟穴播较CK增加2.2℃和2.5℃，半膜垄作较CK增温0.9℃，而秸秆带状覆盖较CK降低了1.0℃。不同覆盖对土壤温度的影响效果随土层的加深而逐渐减弱。

2) 覆膜垄沟集雨和秸秆带状覆盖能明显改善土壤水分状况，在马铃薯生长前期集雨保墒效果尤为明显。马铃薯整个生育期0～100 cm土壤平均含水量全地面覆盖双垄垄作侧播和垄上微沟穴播较CK提高1.7%和1.5%，半膜垄作较CK提高0.87%，秸秆带状覆盖较CK提高了1.0%。各处理马铃薯土壤含水量垂直变化随着土壤深度的增加而减弱。

3) 覆盖耕作有利于作物产量和纯收益提高，全地面覆盖双垄垄作侧播、全地面覆盖垄上微沟穴播、秸秆带状覆盖、半膜垄作马铃薯产量分别较CK增加33.6%、28.6%、23.2%和7.2%。全地面覆盖双垄垄作侧播和秸秆带状覆盖马铃薯纯收益较CK分别增加7 201.56 元·hm-2和5 996.04 元·hm-2。

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