滴灌条件下覆膜热效益及其对马铃薯生长的影响

张友良 王凤新 聂 唯 冯绍元

(1.扬州大学水利科学与工程学院， 扬州 225009； 2.中国农业大学中国农业水问题研究中心， 北京 100083；3.新津县水务局， 成都 611430)

0 引言

覆膜广泛应用于种植棉花[1]、玉米[2-4]、马铃薯[5-6]等作物，它可以改变辐射的传输过程[7-9]、提高土壤温度[10-12]、减少土壤蒸发[13-14]、改善根系养分吸收[15]等。膜下滴灌是滴灌与覆膜的有机结合，采用该技术可以调控田间地上、地下水热环境，进而利于作物出苗[16]、促进作物生长[17]、提高产量和水分利用效率[18-19]。

马铃薯是世界第四大粮食作物[20]，相较于水稻、玉米和小麦，马铃薯可以利用相同的水分生产出更多的膳食能量[21]，并且马铃薯是促进健康的抗氧化剂的来源，具有很好的营养价值[22]。但是，马铃薯根系浅，对水热环境反应较为敏感[23-25]。调控田间水热环境是马铃薯生产中需要解决的难题。膜下滴灌是调控马铃薯田间水热环境较好的选择，相关研究已证明，膜下滴灌可以提高马铃薯产量和水分利用效率、改善马铃薯品质[6,11,26-27]。

薄膜光学性质是影响覆膜热效益的关键因素，不同薄膜产生的热效益不同，对作物生长的影响也不同[28-29]。已有研究表明，黑色薄膜的太阳辐射吸收率大于透明薄膜，其冠层净辐射大于透明薄膜[28，30]；透明薄膜的太阳辐射透射率大于黑色薄膜，因而更有利于加热土壤，透明薄膜覆盖的土壤温度和土壤热通量大于黑色薄膜[29]。但也有研究发现，黑色薄膜覆盖的土壤温度和土壤热通量高于透明薄膜[31]，这可能因为不同研究薄膜与土壤之间的间隙不同，间隙小时有利于热量向土壤传输，使得黑色薄膜覆盖下的土壤温度和土壤热通量较大[7,32]。不同薄膜覆盖对作物的影响也不相同，有研究表明，黑色薄膜覆盖比透明薄膜覆盖更有利于产量提高[33-34]，但也有研究认为，透明薄膜对提高产量优于黑色薄膜[35]，这主要因为不同地区、不同气候条件下的薄膜覆盖热效应不同[29]。因此，有必要进一步研究不同地区透明薄膜和黑色薄膜在膜下滴灌条件下产生的热效应及其对马铃薯生长的影响。本文研究透明薄膜和黑色薄膜在甘肃和山东地区的覆盖热效应及其对马铃薯生长的影响，以期为这两个地区膜下滴灌马铃薯种植提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

2015年4—8月，在甘肃省武威市凉州区中国农业大学石羊河实验站(北纬37°52′，东经102°51′，海拔1 581 m)进行田间试验。该试验区属于典型温带大陆性气候，其光热资源丰富，利于农作物生长，其年日照时数大于3 000 h，大于0℃积温超过3 550℃，多年平均气温为8℃，无霜期大于150 d。但试验区水资源紧缺，蒸发量大且降雨稀少，多年平均A类蒸发皿水面蒸发量接近2 000 mm，年降雨量为164 mm。土壤质地主要为砂壤土，0～100 cm深度土壤平均干容重为1.53 g/cm3。

2017年3—7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(北纬35°25′，东经118°59′，海拔131 m)进行田间试验。该试验区属于暖温带湿润季风气候，其年均日照时数为2 533 h，多年平均气温为13.2℃，无霜期213 d，多年平均降雨量为897 mm。土壤质地主要为砂壤土，0～60 cm深度土壤平均干容重为1.50 g/cm3。

1.2 试验设计

试验设置3种薄膜覆盖处理：透明薄膜(CF)、不覆膜(NF)和黑色薄膜(BF)。每个处理设3个重复，共9个小区，小区为完全随机布置。灌溉方式均为地表滴灌，滴灌系统采用支管加辅管，每个小区由压力表、闸阀和水表控制滴灌系统的工作压力和灌水量。滴灌带滴头流量为1.38 L/h，流量变异系数为1.99%，滴灌带间距为20 cm，壁厚0.4 mm，直径16 mm。滴灌系统安装完成后，覆盖薄膜，薄膜厚度为0.008 mm。薄膜覆盖为全覆盖，垄沟位置覆盖2～5 cm厚的土，用于固定薄膜。垄沟两端设置小埂，防止径流流出小区外。

灌水开始时间由负压计控制。每个处理的两个小区安装有负压计，测量滴灌带正下方20 cm土壤深度处的土壤基质势，当负压计读数平均值达到-25 kPa时开始灌溉，灌水定额计算式为

m=h(θa-θb)p/η

(1)

式中m——灌水定额，mm

h——计划湿润层深度，取500 mm

θa——灌水后土壤含水率(田间持水率)，2015年为0.27 cm3/cm3，2017年为0.26 cm3/cm3

θb——灌水前土壤含水率(田间持水率的70%)，cm3/cm3

p——滴灌湿润比，2015年为55%，2017年为50%

η——滴灌系统灌溉水利用系数，取0.97

1.3 试验材料

2015年马铃薯品种为克新1号，采用起垄种植，每个小区7垄，垄宽0.8 m，垄高0.2 m，小区长6 m，宽5.6 m，面积33.6 m2。将马铃薯种薯(原种脱毒)切块种植，株距为0.3 m。马铃薯种植时间为4月15日，收获时间为8月20日，生育期划分见表1。施肥量为氮肥(N)185 kg/hm2、磷肥(P2O5)231 kg/hm2、钾肥(K2O)117 kg/hm2。

2017年马铃薯品种为荷兰十五号，采用起垄种植，一垄双行，每个小区8垄，垄宽0.9 m，垄高0.2 m，宽行行距0.6 m，窄行行距0.3 m，小区长6.4 m，宽7.2 m，面积46.08 m2。将马铃薯种薯(原种脱毒)切块种植，株距为0.4 m。马铃薯种植时间为3月14日，收获时间为7月9日，生育期划分见表1。施肥量为氮肥(N)147 kg/hm2、磷肥(P2O5)82 kg/hm2、钾肥(K2O)385 kg/hm2。

表1 2015年和2017年马铃薯生育期划分Tab.1 Division of potato growth stage in 2015 and 2017

1.4 测定项目与方法

气象数据：利用标准气象站监测太阳总辐射、压强、风速、大气温度、相对湿度、降雨等，气象站安装高度为距地面2 m。

冠层净辐射和土壤热通量：分别于每个处理的一个小区安装净辐射计(NR Lite2型，Kipp&Zonen，荷兰)，监测冠层上方的净辐射，安装高度为距垄顶1 m。分别于每个处理的一个小区，在距垄顶5 cm土壤深度位置安装土壤热通量板(HFP01型，Hukseflux，荷兰)，监测土壤热通量。将净辐射计和土壤热通量板连接于数据采集器(CR1000型，Campbell Scientific Inc.，美国)，采集数据间隔为10 s，计算并存储每10 min的数据。

土壤温度：分别于每个处理的一个小区，利用土壤水分温度传感器(FDS120型，北京联创思源测控技术有限公司生产)监测距垄顶10、20、30、50 cm深度处的土壤温度，每个小区的传感器连接到数据采集器(SMC6108型，北京联创思源测控技术有限公司生产)，采集数据间隔为10 s，计算并存储每10 min的数据。

耗水量：利用水量平衡法计算马铃薯耗水量，其计算公式为

ETc=I+P-ΔS-R-D

(2)

式中ETc——马铃薯耗水量，mm

I——灌水量，mmP——降雨量，mm

ΔS——土壤储水量变化量，mm

R——地表径流量，mm

D——根区以下土壤深层渗漏量，mm

其中土壤储水量变化量ΔS采用烘干法测量，在马铃薯种植前和收获后，分别在每个小区的垄顶、垄侧、垄沟利用土钻取土，取土深度为：0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm、70～90 cm，将土样装入铝盒称量，然后用烘箱在105℃烘干至恒定质量并称量，即可得土壤质量含水率，将其乘以土壤干容重即得土壤体积含水率。因该地区降雨量小且灌溉方式为滴灌，灌水量小，忽略地表径流量和土壤深层渗漏量。

株高：马铃薯植株高度是指地上茎基部到生长点的距离。在每个小区标记10株马铃薯测量其株高，用钢卷尺每7d测一次，在马铃薯生长旺盛期加测，直至马铃薯叶片开始衰老倒伏。

产量与块茎分级：收获时取每个小区的中间3垄马铃薯测量产量。每个小区2015年取10株、2017年取30株马铃薯的块茎进行块茎分级。

1.5 数据处理

对不同处理的植株株高、块茎个数、块茎质量、耗水量、产量进行方差分析，其处理的显著性差异由F检验确定，处理间显著性差异由新复极差法(Duncan 多重比较法)确定。采用统计软件SPSS(version 20 for Windows，SPSS Inc.,美国)进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 覆膜对净辐射的影响

不同薄膜覆盖处理马铃薯各生育期净辐射典型天日变化如图1所示，总体上，覆膜对净辐射的影响白天大于夜晚，生育前期大于生育后期。2015年和2017年的试验都表明，BF处理的净辐射大于CF和NF处理。CF处理的净辐射在2015年的芽条生长期、苗期、块茎形成期小于NF处理，生育期后期差异不大，而在2017年除成熟期外，其他生育期高于NF处理。2015年各处理各典型天在12:40—14:50达到净辐射最大值，各处理达到最大值的时间差异不大，在芽条生长期、苗期、块茎形成期、块茎增长期和成熟期BF处理的最大净辐射比NF处理分别高12%、12%、1%、6%、7%，比CF处理分别高26%、18%、8%、5%、5%；在芽条生长期、苗期和块茎形成期CF处理比NF处理分别低11%、5%、6%。2017年各处理各典型天在12:00—12:50达到净辐射最大值，各处理达到最大值的时间差异不大，在芽条生长期、苗期、块茎形成期、块茎增长期和成熟期BF处理的最大净辐射比NF处理分别高22%、15%、6%、3%、3%，比CF处理分别高11%、9%、4%、1%、5%；在芽条生长期、苗期、块茎形成期、块茎增长期CF处理比NF处理分别高10%、5%、1%、2%，而成熟期CF处理比NF处理稍低(2%)。

图1 不同薄膜覆盖处理马铃薯各生育期净辐射典型天日变化曲线Fig.1 Typical diurnal variations of net radiation of different mulching treatments in different potato growth stages

2.2 覆膜对土壤热通量的影响

不同薄膜覆盖处理马铃薯各生育期10 cm深度处土壤热通量典型天日变化如图2所示，总体上，在生育前期(芽条生长期和苗期)各处理10 cm深度处白天的土壤热通量CF处理最大，晚上则最低，随着冠层生长，生育中期各处理土壤热通量差异减小，随着冠层衰老，成熟期各处理的土壤热通量差异逐渐增大。在生育前期，10 cm深度处土壤热通量最大值2015年CF处理比BF和NF处理分别高66%和129%，2017年则为57%和91%；土壤热通量最小值2015年CF处理比BF和NF处理分别低57%和68%，2017年土壤热通量差异较小。BF处理的土壤热通量在生育期白天总体上大于NF处理，但晚上差异较小。

图2 不同薄膜覆盖处理马铃薯各生育期10 cm深度处土壤热通量典型天日变化曲线Fig.2 Typical diurnal variation of soil heat flux at 10 cm soil depth of different mulching treatments in different potato growth stages

2.3 覆膜对土壤温度的影响

2015年和2017年不同薄膜覆盖处理马铃薯各生育期不同深度处土壤温度典型天日变化如图3、4所示，各处理不同生育期和不同深度的土壤温度变化趋势一致，在生育前期(芽条生长期和苗期)10～30 cm深度土壤温度日变化随气温而变化，但在50 cm深度土壤温度几乎不随气温波动，随着冠层生长在生育期中期10～30 cm深度土壤温度日变化随气温变化减小，而在成熟期随着冠层衰老，10～30 cm深度土壤温度日变化随气温变化逐渐增大。

图3 2015年甘肃地区不同薄膜覆盖处理马铃薯各生育期不同深度处土壤温度典型天日变化曲线Fig.3 Typical diurnal variations of soil temperature at different depths of different mulching treatments in 2015 in different potato growth stages

图4 2017年山东地区不同薄膜覆盖处理马铃薯各生育期不同深度处土壤温度典型天日变化曲线Fig.4 Typical diurnal variations of soil temperature at different soil depths of different mulching treatments in 2017 in different potato growth stages

总体上，各处理土壤温度随冠层生长而差异减小，随冠层衰老而差异增加。CF处理的土壤温度高于BF和NF处理，生育前期差异最大，生育中期差异减小，在生育中期CF处理的土壤温度甚至比BF和NF处理稍低。2015年，芽条生长期和苗期CF处理10～50 cm土壤深度处的日最大温度比BF处理高29%，比NF处理分别高31%和29%，BF处理芽条生长期比NF处理高2%而苗期相同；两生育期CF处理10～50 cm土壤深度处的日最低土壤温度比BF处理分别高13%和15%，比NF处理分别高16%和22%，BF处理比NF处理分别高3%和7%。2017年各处理土壤温度间的差异小于2015年。2017年，芽条生长期和苗期CF处理10～50 cm土壤深度处的日最大温度比BF处理分别高22%和4%，比NF处理分别高21%和9%，BF处理比NF处理分别低1%和高5%；两生育期CF处理10～50 cm土壤深度处的日最低土壤温度比BF处理分别高15%和3%，比NF处理分别高19%和4%，BF处理比NF处理分别高5%和2%。

2.4 覆膜对块茎分级的影响

不同薄膜覆盖处理马铃薯块茎分级如图5(图中不同小写字母表示处理间差异显著，P<0.05)所示，总体上，CF处理的大块茎(M≥300 g，M为块茎质量)质量和个数都大于BF和NF处理，BF处理的中等块茎(300 g>M≥100 g)质量和个数都大于CF和NF处理，NF处理的小块茎(M<100 g)质量和个数大于BF和CF处理，只有2015年覆膜处理大块茎个数与不覆膜处理之间存在显著性差异。例如，2015年BF和CF处理大块茎质量(个数)比NF处理分别大60%(67%)和78%(73%)，而2017年BF处理的大块茎质量(个数)比NF处理小12%(10%)，CF处理比NF处理大9%(10%)。

图5 不同薄膜覆盖处理马铃薯块茎分级(个数和质量)Fig.5 Potato tuber grade (number and mass) of different mulching treatments

2.5 覆膜对耗水量、产量及水分利用效率的影响

不同薄膜覆盖处理马铃薯全生育期耗水量、产量和水分利用效率如表2、3所示，2015年和2017年不同处理的耗水量、产量和水分利用效率规律不一致。2015年覆膜处理的灌水量和耗水量少于不覆膜处理，而2017年结果则相反，其中2015年CF和BF处理的耗水量比NF处理分别少13%和6%，而2017年CF和BF处理的耗水量比NF处理分别多5%和4%。2015年BF处理的耗水量显著高于CF处理。2015年CF和BF处理的马铃薯产量比NF处理分别多32%和33%，且存在显著性差异，而2017年各处理的产量没有显著性差异，CF和BF处理的产量比NF处理分别少4.08%和4.02%。2015年CF和BF处理马铃薯水分利用效率显著高于NF处理(分别高51%和42%)，而2017年各处理间没有显著性差异。

3 讨论

3.1 覆膜对净辐射、土壤热通量及土壤温度的影响

覆膜通过影响水热在土壤-作物-大气系统的传输而影响净辐射、土壤热通量及土壤温度的时空分布。不同薄膜材料由于其光学性质不同而影响水热传输，进而影响净辐射、土壤热通量和土壤温度[17,30-31]。生育前期影响净辐射、土壤热通量和土壤温度的因素主要是薄膜光学性质[36]。本研究中随着冠层生长，裸露的薄膜面积减少，覆膜的热效应减小，而生育后期随着冠层衰老，裸露的薄膜面积增大，覆膜的热效应逐渐增大。因此，生育前期(芽条生长期和苗期)不同处理净辐射、土壤热通量和土壤温度的差异大，生育中期(块茎形成期和块茎增长期)差异减小，成熟期差异逐渐增大。

黑色薄膜由于其辐射吸收率大于透明薄膜和不覆膜，导致黑色薄膜处理的净辐射大于透明薄膜和不覆膜处理[28,31]。透明薄膜处理由于其辐射反射率大于裸土，其净辐射低于不覆膜[17]。本研究BF处理的净辐射高于CF和NF处理，尤其是在马铃薯芽条生长期和苗期。但是CF处理的净辐射在2015年低于NF处理，这与FAN等[17]的研究结果一致。但是2017年CF处理的净辐射高于NF处理，这主要是因为NF处理的净辐射受土壤质地及土壤含水率的影响，从而导致不同地区CF处理和NF处理净辐射的差异不同。透明薄膜相较于黑色薄膜其辐射透射率大，白天CF处理的土壤热通量和土壤温度高于BF处理，而BONACHELA等[31]的研究结果表明，CF处理的土壤热通量和土壤温度低于BF处理，这主要是由于薄膜与土壤之间的空隙影响薄膜与土壤之间的热传输导致的[7]。覆膜相较于不覆膜可以减少蒸发潜热，从而提高土壤温度[7,37]。本研究表明覆膜可以提高土壤热通量和土壤温度，并且CF的增温效果优于BF，2015年甘肃地区的增温效果优于2017年山东地区。

3.2 覆膜对马铃薯块茎分级、产量、耗水量及水分利用效率的影响

覆膜能增温保墒[38-39]，促进作物生长，增加产量、改善品质和提高水分利用效率[35,40-41]。但在不同地区覆膜的热效应及其对作物的影响也不一样[29]。2015年，甘肃地区BF和CF处理的大块茎(M≥300 g)高于NF处理，但是2017年山东地区CF和BF处理与NF处理相差不多，甚至少于NF处理。这主要是由于在甘肃地区覆膜热效应比山东地区明显。2015年不覆膜处理的耗水多于BF和CF处理，但2017年则是不覆膜处理的耗水少于覆膜处理，WANG等[5]研究发现，不同地区覆膜处理与不覆膜处理耗水存在差异，这主要是因为在甘肃地区降雨少蒸发量大导致不覆膜处理的耗水增加。2015年BF和CF处理的马铃薯产量和水分利用效率显著高于NF处理，这与YANG等[42]的研究结果一致。BF处理和CF处理的马铃薯产量和水分利用效率则没有显著性差异，这与赵爱琴等[43]基于Meta-analysis的不同覆膜颜色对马铃薯产量影响的研究一致。但是2017年覆膜处理与不覆膜处理的产量和水分利用效率都没有显著性差异。这表明覆膜在甘肃地区可以显著提高马铃薯产量和水分利用效率，且透明薄膜可以减少马铃薯耗水；在山东地区覆膜对于马铃薯产量和水分利用效率的影响不显著，这可能是由于山东地区相对甘肃地区更暖和，马铃薯生长受温度胁迫影响较小，因而覆膜的热效应不显著。

表2 不同薄膜覆盖处理马铃薯全生育期耗水量Tab.2 Evapotranspiration during whole potato growth stage of different mulching treatments mm

表3 不同薄膜覆盖处理马铃薯产量和水分利用效率Tab.3 Potato yield and water use efficiency of different mulching treatments

4 结论

(1)BF处理的净辐射大于NF和CF处理，CF处理的净辐射可能高于、也可能低于NF处理。2015年BF处理在芽条生长期和苗期的净辐射最大值均比NF处理高12%，2017年则分别高22%和15%。

(2)各处理土壤热通量和土壤温度的差异在马铃薯芽条生长期和苗期最大，在块茎形成期和块茎增长期减小，在成熟期又逐渐增大。2015年，CF处理10 cm深度处的土壤热通量最大值比BF处理和NF处理分别高66%和129%，2017年则分别为57%和91%。CF处理的土壤温度高于BF和NF处理，但在块茎形成期和块茎增长期CF处理的土壤温度稍低于BF和NF处理，2017年山东地区各处理土壤温度间的差异小于2015年甘肃地区。

(3)2015年甘肃地区覆膜可以显著提高马铃薯产量和水分利用效率，CF处理的耗水显著低于BF处理，但2017年山东地区覆膜对提高马铃薯产量和水分利用效率没有显著影响。甘肃地区覆膜的热效应和对提高马铃薯产量和水分利用效率的影响显著优于山东地区，建议甘肃地区采用透明薄膜覆盖马铃薯种植方式。