旧膜及秸秆覆盖对西北旱地马铃薯产量及土壤水热的影响

李 辉，常 磊，韩凡香，程宏波，柴守玺，李博文，兰雪梅

(1.兰州城市学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学农学院/甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州 730070；3.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃 兰州 730070；4.甘肃省农业技术推广总站，甘肃 兰州 730020)

干旱缺水是西北雨养农业区作物产量低而不稳的主要原因。为了提高该区域有限降水资源的利用效率和作物产量，广大科研工作者提出了地膜覆盖及秸秆覆盖等旱作栽培技术[1-3]，大大提高了农田作物产量。地膜覆盖因其抗旱保墒及增产效果显著，在干旱半干旱地区被大面积应用。有研究表明地膜覆盖在提高作物产量的同时产生了大量的农田地膜残留[4]，地膜残留严重影响农田土壤环境及农业可持续发展[5-6]。因此如何减少地膜应用被广大科研工作者关注。闫雅非等[7]在内蒙古临河地区利用旧膜二茬种植向日葵的研究表明，旧膜直播较露地常规种植提高全生育期5 cm土层>10℃的有效积温176.08℃，提高水分利用效率14.57%～20.21%；吴兵等[8]在甘肃定西利用旧膜二茬种植胡麻的研究表明，旧膜直播较露地常规种植提高产量88.84%，同时水分利用效率是露地常规种植的1.97倍；鲁清林等[9]在甘肃天水冬小麦上的研究表明，旧膜直播较露地常规种植显著提高产量，提高水分利用效率1.6个百分点。秸秆覆盖因其具有抗旱保墒、提高土壤有机质及作物产量而在旱作区应用，但其秸秆全覆盖在部分寒旱区应用时具有积温不足导致作物减产的现象[10-11]，目前在甘肃省还处于应用探索阶段。为了缓解秸秆全覆盖种植积温不足对作物造成的影响，甘肃农业大学柴守玺教授团队创建了玉米秸秆带状覆盖栽培技术[3]，于2014年在马铃薯[12-13]上应用，发现能够提高马铃薯产量及水分利用效率10.5%～34.2%及8.9%～29.8%。

马铃薯是甘肃省的三大作物之一，目前种植面积约68万hm2[14]，但单产低于世界平均水平，主要是干旱缺水及高温胁迫造成产量低而不稳[15]。如何提高有限降水资源的高效利用、改善土壤结构、降低伏旱阶段的高温干旱胁迫，是该区域提高马铃薯产量亟待解决的关键科学问题。

本文结合甘肃省地膜使用量逐年增加(2013年全省地膜使用总量152 025 t[16])、残膜污染越来越严重(年残留总量44 574 t[16])、全膜双垄沟播玉米种植面积大(目前种植面积约67万hm2)的现状。针对地膜二茬利用的增温保墒及秸秆带状覆盖种植的优缺点，以地膜减量化利用和促进农业可持续发展为目的，在甘肃省通渭县甘肃农业大学试验基地进行马铃薯大田试验，探究旧膜直播、秸秆带状覆盖及不同耕作方式对马铃薯土壤水热特征的影响及增产机制，为完善该区域马铃薯种植技术提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015年4—10月在甘肃省通渭县平襄镇甘肃农业大学试验基地进行。该区地处北纬35°11′，东经105°19′，海拔高度1 760 m，属中温带半干旱气候，作物一年1熟，为典型半干旱雨养农业区，2015年日照时数2 230 h，全年无霜期158 d，年蒸发量1 500 mm，年均气温8.0℃，年降水量为377.7 mm，降雨季节分布不均，主要集中在5-9月。试验区土壤为黄绵土，0～30 cm土层土壤平均容重为1.25 g·cm-3，前茬为全膜双垄沟播玉米种植地。试验期间月降雨量及月平均气温如图1所示。降雨量及气温数据由通渭县气象站提供。

图1 2015年研究区降水分布及平均气温变化Fig.1 Distribution of rainfall and average air temperature in study areas in 2015

1.2 试验设计

供试品种为陇薯7号，由甘肃一航薯业科技有限责任公司提供。新覆膜采用当地常用的普通地膜，宽120 cm，厚0.01 mm。

试验设旧膜直播(T1)、秸秆带状覆盖种植带不旋耕(T2)、秸秆带状覆盖种植带旋耕(T3)、新覆膜(T4)和露地平作(对照，CK)5个处理，各处理重复3次，共15个小区，每小区面积72 m2(10 m×7.2 m)，小区随机区组排列。T1：双垄沟旧膜接茬种马铃薯，旧膜为白膜，大垄上种两行；T2：揭去双垄沟旧膜，大、小垄不旋耕，小垄上利用根茬镶嵌秸秆，大垄上种两行；T3：揭去双垄沟旧膜，用旋耕机将大垄旋耕，小垄揭膜不旋耕，小垄上利用根茬镶嵌秸秆，大垄上种两行；T4：垄宽70 cm，高15 cm，垄沟宽40 cm，用地膜覆盖垄面，垄沟内留5 cm膜间隙做渗水带；每垄播种2行。T2、T3处理均采用玉米整秆带状覆盖，每公顷的覆盖量约为1 hm2旱地玉米秸秆量，马铃薯收获后将经过分解腐化的秸秆采用旋耕机打碎还田。CK:平作不覆盖，等行距种植，行距60 cm。各处理播种时株距29 cm，行距60 cm，按“品”字型人工穴播种植。

播种前7d旋耕整地，将当地常用肥料磷酸二胺及尿素按纯氮(N)165 kg·hm-2、纯磷(P2O5)120 kg·hm-2整地前一次性均匀施入(后期不追肥)。各处理除T1、T4需及时放苗外，其他生产管理方式与当地农民生产习惯一致。试验田4月23日播种，10月2日收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤温度 采用武强县红星仪表厂生产的HY-1型地温计，出苗后各小区分5、10、15、20、25 cm 5个土层每隔15 d左右测定一次，地温计埋入各小区种植带中间，全生育期均在固定地方读取地温。每次测定时均选在干燥晴天进行，分别在早晨(5∶50-6∶50)、中午(12∶30-13∶30)和傍晚(17∶30-18∶30)分三次测定，日均温取早、中、晚三次测定的平均值。

1.3.2 土壤含水率 分别在播种前1 d、苗期、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期和收获期，按0～20、20～40、40～60、60～90、90～120、120～150、150～180、180～200 cm共8个土层，从每小区马铃薯种植行间取样，采用烘干法测定土层土壤含水率。

土壤含水率(%)=(土壤鲜质量(g)-土壤干质量(g))/土壤干质量(g)×100%

1.3.3 土壤贮水量及农田耗水量 土壤贮水量计算公式为：

W=h×ρ×ω×10

式中,W为土壤贮水量(mm)；h为土层深度(cm)；ρ为土壤容重(g·cm-3)；ω为土壤含水率(%)。

生育期农田耗水量计算公式为：

ET=(W1-W2)+P

式中，ET为马铃薯生育期耗水量(mm)，包括植株蒸腾量和植株间地表蒸发量；W1为播种前土壤贮水量(mm)；W2为收获后土壤贮水量(mm)；P为作物生育期≥5 mm的有效降雨量。

1.3.4 产量及水分利用效率 在收获期，每小区随机选取15株进行考种，依据重量分为3个等级[17]：大(>100 g)、中(50～100 g)和小(<50 g)，分别调查每个等级的数量并称重，计算商品薯率。

商品薯率(%)=(单薯50 g以上的产量(kg)/马铃薯总产(kg))×100%

收获时按小区测实产，取3次重复的平均值折算每公顷产量。产量水分利用效率计算公式为：

WUE=Y/ET

式中,WUE为水分利用效率(kg·mm-1·hm-2)；Y为马铃薯产量(kg·hm-2)。

1.3.5 马铃薯生长指标 在马铃薯关键生育时期(块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期、收获期)，每重复随机选取5株测定作物单株结薯个数、单株产量及茎叶干重。茎叶干重为地上茎、叶的总和，称完鲜重后放进105℃的烘箱中杀青30 min，再经85℃恒温烘干24 h后得到。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 20.0软件进行数据整理与统计分析，方差分析使用最小显著差异法(LSD)(P<0.05)，用Microsoft Excel 2007作图。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖及耕作方式对马铃薯生育期土壤温度的影响

2.1.1 不同处理对全生育期0～25 cm土层土壤平均温度的影响 不同处理全生育期0～25 cm土层平均土壤温度变化如图2，由图2可知，0～25 cm土层全生育期土壤平均温度处理间差异显著(P<0.05)，表明覆盖及耕作对土壤温度有显著影响。与CK相比，地膜覆盖较CK提高了土壤温度，秸秆带状覆盖较CK降低了土壤温度，以新覆膜(T4)增温最显著，较CK高0.62℃，秸秆带状覆盖种植带旋耕(T3)降温最显著，较CK低0.50℃。秸秆覆盖条件下局部旋耕(T3)明显较不旋耕(T2)降低了全生育期土壤温度。新覆膜(T4)明显较旧膜直播(T1)提高了全生育期土壤温度。

注：不同字母表示在P<0.05水平下差异显著，下同。 Note: Different letter represent significant difference at P<0.05. The same below.图2 不同处理全生育期0～25 cm土层平均土壤温度Fig.2 Average soil temperature in 0～25 cm layer during whole growth period under different treatments

2.1.2 不同处理0～25 cm土层土壤平均温度随生育时期的变化 0～25 cm土层土壤平均温度随生育进程的变化见图3。由图3可知，各处理0～25 cm土层土壤温度随生育进程的推进总体呈下降-上升-下降的趋势。处理间0～25 cm土层土壤平均温度新覆膜(T4)大多数时期高于旧膜直播(T1)、秸秆带状覆盖(T2、T3)及CK；旧膜直播(T1)在块茎膨大期前明显高于秸秆带状覆盖种植带不旋耕(T2)、秸秆带状覆盖种植带旋耕(T3)及CK，在块茎膨大期后明显低于两种秸秆覆盖方式(T2、T3)及CK；两种秸秆覆盖方式(T2、T3)大多数生育时期均低于CK，秸秆带状覆盖下种植带旋耕(T3)显著低于不旋耕(T2)。处理间差异，淀粉积累期(8月24日)差异最大，相差2.63℃(T4与CK)。各处理与CK的差异，T1、T4在淀粉积累期(8月24日)最大，分别较CK高1.82℃、2.63℃，T2、T3在苗期(6月13日)最大，分别较CK低0.64℃，1.67℃。

由统计分析可知，不同生育时期间T1、T2、T3、T4、CK的变异系数分别为10.18%、10.81%、9.79%、10.81%、12.25%。表明各覆盖处理较CK能够平抑全生育期土壤温度变化；覆盖处理间，秸秆带状覆盖种植带旋耕(T3)较秸秆带状覆盖种植带不旋耕(T2)及新旧膜覆盖(T1、T4)能够平抑全生育期土壤温度变化，秸秆带状覆盖种植带不旋耕(T2)与新覆膜(T4)对全生育期土壤温度的抑制效应基本一致。

图3 不同处理0～25 cm土层土壤平均温度随生育时期的变化Fig.3 The change of average soil temperature in 0～25 cm layer with the growth periodunder different treatments

2.1.3 不同处理各生育期0～25 cm土层土壤温度的时空变化 不同生育时期0～25 cm土层土壤温度随土层深度的变化见图4。由图4可知，不同处理各生育时期土层间温度有显著性差异(P<0.05)。处理间差异，收获期20 cm土层差异最大，相差2.68 ℃(T2与CK)，淀粉积累期20 cm土层差异次之，相差2.78 ℃(T2与CK)；块茎形成期5 cm土层差异最小，相差1.15 ℃(T3与T4)。土层间差异，T3苗期差异最大，相差4.27 ℃(5 cm与20 cm)，T2苗期次之，相差4.73 ℃(5 cm与25 cm)；T4收获期差异最小，相差0.7 ℃(20 cm与25 cm)。

整个观测期内，与CK相比，不同处理的增温点次比(各时期各土层总增温点次与总测定点次的比值)旧膜直播(T1)为45.7%，秸秆带状覆盖种植带不旋耕(T2)为40.0%，秸秆带状覆盖种植带旋耕(T3)为25.71%，新覆膜(T4)为62.86%。由此可见，各覆盖处理均具有增温降温的双重效应，其中新覆膜(T4)全生育期主要表现为增温效应，以淀粉积累期5 cm土层的增温幅度最大，达4.38 ℃；T1、T2、T3主要表现为降温效应，其中降温幅度旧膜直播(T1)以块茎形成期10 cm土层最大，达2.19 ℃，秸秆带状覆盖种植带不旋耕(T2)以苗期25 cm土层最大，达2.16℃，秸秆带状覆盖种植带旋耕(T3)以苗期20 cm土层最大，达2.29℃。

2.2 不同覆盖及耕作方式对马铃薯生育期土壤水分的影响

2.2.1 不同处理对全生育期0～200 cm土层土壤平均含水率的影响 全生育期0～200 cm土层土壤平均含水率差异见图5。由图5可知，各处理全生育期内0～200 cm土层土壤含水率差异显著(P<0.05)，全生育期内以新覆膜(T4)最高，较CK高0.66个百分点，秸秆带状覆盖不旋耕(T2)最低，较CK低0.38个百分点。覆盖方式之间的差异，秸秆带状覆盖种植带旋耕(T3)显著大于秸秆带状覆盖种植带不旋耕(T2)，新覆膜(T4)显著大于旧膜直播(T1)，秸秆带状覆盖种植带旋耕(T3)与新覆膜(T4)之间差异不显著，但显著大于旧膜直播(T1)。表明秸秆带状覆盖种植带旋耕在马铃薯全生育期的蓄水保墒作用与新覆膜相近，明显大于旧膜覆盖及秸秆带状覆盖种植带不旋耕。

图4 不同处理下0～25 cm土层土壤温度的动态变化Fig.4 Dynamic changes of soil temperature in 0～25 cm soil layer under different treatments

图5 不同处理全生育期0～200 cm土层土壤 平均含水率的变化Fig.5 Mean soil water in 0～200 cm layer during whole growth period under different treatments

图6 不同处理0～200 cm土层土壤平均 含水率随生育时期的变化Fig.6 The change of average soil water in 0～200 cm layer with the growth period under different treatments

2.2.2 不同处理0～200 cm土层土壤平均含水率随生育时期的变化 由图6可知，各处理0～200 cm土层土壤含水率随生育进程的推进总体均呈先升后降的趋势。处理间0～200 cm土层平均含水率T3、T4大多数时期高于T1、T2及CK，T1、T2大多数时期低于CK。处理间差异，淀粉积累期(8月25日)差异最大，相差1.88个百分点(T1与T4)；块茎膨大期(8月10日)差异最小，相差0.88个百分点。各处理与CK的差异，T1在淀粉积累期(8月25日)最大，较CK低1.14个百分点，T2在收获期(9月20日)最大，较CK低0.77个百分点，T3在块茎形成期(7月24日)最大，较CK高0.87个百分点，T4在苗期(6月8日)最大，较CK高2.31个百分点。

由统计分析可知，T1、T2、T3、T4及CK不同生育时期间的变异系数分别为18.94%，16.12%，15.59%，18.22%，14.77%。表明各覆盖处理较CK加剧了生育时期间土壤水分变化，秸秆带状覆盖种植带不旋耕(T2)及秸秆带状覆盖种植带旋耕(T3)较旧膜直播(T1)及新覆膜(T4)缓和了不同生育时期间土壤水分变化。

2.2.3 不同处理下各生育期0～200 cm土层土壤含水率的时空变化 由图7可知，不同处理各生育时期不同土层间土壤含水率有显著性差异(P<0.05)。处理间差异，苗期5 cm土层差异最大，相差7.33个百分点(T3与T4)，淀粉积累期5 cm土层差异次之，相差4.36个百分点(T2与T4)。土层间差异，以T2淀粉积累期差异最大，相差11.16个百分点(20 cm与200 cm)，收获期次之，相差8.66个百分点(20 cm与200 cm)。

与CK相比，T1、T2、T3及T4观测期内的增墒点次比(各时期各土层总增墒点次与总测定点次的比值)分别为32.5%、37.5%、67.5%、70.0%。由此可见，各覆盖处理均具有增墒降墒的双重效应，其中旧膜直播(T1)及秸秆带状覆盖种植带不旋耕(T2)主要表现为降墒效应，T1以淀粉积累期120 cm土层的降墒幅度最大，达2.65个百分点，T2以收获期5 cm土层的降墒幅度最大，达3.64个百分点；秸秆带状覆盖种植带旋耕(T3)及新覆膜(T4)主要表现为增墒效应，T3以淀粉积累期180 cm土层的增墒幅度最大，达3.0个百分点，T4以苗期150 cm土层的增墒幅度最大，达3.87个百分点。

2.3 不同覆盖和耕作方式对马铃薯产量及水分利用效率的影响

不同处理下马铃薯产量及水分利用效率差异见表1。由表1可知，各处理间作物产量、商品薯率及水分利用效率存在显著性差异(P<0.05)，耗水量处理间无显著性差异。T1、T2、T3、T4较CK显著提高产量(14.24%～56.33%)、商品薯率(1.21%～22.60%)及水分利用效率(8.28%～55.39%)(P<0.05)，以T4最好，T3次之。覆盖处理间，产量、商品薯率及水分利用效率新覆膜高于旧膜及秸秆带状覆盖，旧膜与秸秆带状覆盖间差异不显著。秸秆带状覆盖条件下，局部耕作与不耕作产量及水分利用效率无显著差异，但商品薯率有显著差异，局部耕作较不耕作显著提高了商品薯率。

2.4 不同覆盖和耕作方式对马铃薯生长指标的影响

不同处理下单株结薯数、单株薯干重及茎叶干重的变化如表2。由表2可知，各处理对单株薯干重、单株结薯数及茎叶干重的影响差异显著(P<0.05)。覆盖处理在块茎形成期至淀粉积累期较CK提高了单株结薯数50.0%～1500.0%、单株薯干重118.0%～720.0%(P<0.05)，以T4最好；在块茎膨大期较CK降低了茎叶干重21.3%～49.4%，以T4降幅最大；在收获期，较CK提高了单株薯干重2.53%～19.13%，以T4增幅最大，T3次之。由变异系数可知，各处理对块茎形成期单株薯干重的影响最大，变异系数为71.6%，对收获期单株结薯数的影响最小，变异系数为6.9%。

图7 不同处理下0～200 cm土层土壤含水率的动态变化Fig.7 Dynamic changes of soil water content in soil layer of 0～200 cm under different treatments

2.5 马铃薯产量及生长指标间的相关分析

不同处理下产量、生长指标及产量构成指标之间的相关分析如表3。由表3可知，收获期实测产量与块茎形成期及收获期的单株薯干重高度正相关(r=0.744～0.846)，与块茎膨大期的单株茎叶干重高度负相关(r=-0.652)，块茎形成期的单株薯干重与块茎形成期的单株结薯数高度正相关(r=0.748)。表明马铃薯产量的增加主要通过提高块茎形成期单株结薯数及单株薯干重来实现。

3 讨论与结论

大量研究表明，覆盖方式能够改善农田土壤水热环境，促进作物生长，提高产量。本试验研究表明，旧膜覆盖、秸秆带状覆盖局部耕作及不耕作、新覆膜均较CK提高产量、商品薯率及水分利用效率(P<0.05)，这与汤瑛芳等[1]、王红丽等[2]的研究结论基本一致。其中覆盖处理的产量及水分利用效率以新覆膜(T4)最高，秸秆带状覆盖局部耕作(T3)次之，均高于旧膜直播(T1)，这与吴兵等[8]在胡麻上的研究结论一致。覆盖处理较CK增产主要原因是提高了块茎形成期至淀粉积累期的单株结薯数(50.0%～1500.0%)及单株薯干重(118.0%～720.0%)，降低了块茎膨大期的茎叶干重(21.28%～49.44%)。

表1 不同处理对马铃薯产量及水分利用效率的影响

注：不同字母表示在P<0.05水平下差异显著，下同。

Note:Different letter represent significant difference atP<0.05.The same blow.

表2 不同处理对马铃薯生长及产量构成指标的影响

注：jss为单株结薯数，sgz为单株薯干重，jygz为单株茎叶干重，下同。

Note: jss— potato number per plant, sgz— potato dry weight of per plant, jygz— stem and leaf dry weight of per plant. The same below.

表3 马铃薯产量、生长指标及产量构成指标之间的相关分析

注：*表示相关性达到5%水平；**表示相关性达到1%水平。

Note: *,** represent significant correlation at 5% and 1% level respectively.

与CK相比，全生育期各覆盖处理均具有增温降温、增墒降墒的双重效应，这与纪晓玲等[18]在陕西横山县马铃薯上的研究结论一致。本试验研究表明全生育期旧膜直播(T1)、秸秆带状覆盖局部不耕作(T2)主要表现为降温、降墒效应，尤其是降低了块茎形成期0～25 cm土层土壤温度(图3)及块茎形成期至收获期0～200 cm土层的土壤含水率(图6)，虽然降温有利于马铃薯块茎的形成，为块茎形成创造了条件，但因后期缺水，制约了马铃薯块茎膨大，影响产量；秸秆带状覆盖局部耕作(T3)主要表现为降温、增墒效应，同时还能较其余覆盖处理平抑生育时期间土壤温度及水分的变化，这与蔡太义等[19]、李博文等[20]研究结论一致；T3的降温、增墒效应有利于马铃薯块茎的形成及膨大，提高单株结薯数及单株产量，这与韩凡香等[12]的研究结论一致。新覆膜(T4)主要表现为增温、增墒效应，尤其是增加了苗期0～25 cm土层土壤温度，降低块茎形成期0～25 cm土层土壤温度，有利于促进幼苗早期生长及马铃薯块茎的形成，提高产量。这可能是该试验条件下，引起处理间产量差异的原因。

结合本试验研究，从生产成本、生态环保及产量等方面考虑，虽然旧膜直播(T1)较CK提高了产量及水分利用效率，但明显低于秸秆带状覆盖处理(T2、T3)及新覆膜(T4)。秸秆带状覆盖种植带旋耕(T3)较旧膜直播(T1)及新覆膜(T4)能够减少地膜使用量，改善土壤结构、提高土壤有机质，增加马铃薯产量，有利于农业可持续发展；同时秸秆覆盖种植技术能够解决秸秆闲置堆放及焚烧带来的环境污染，有利于秸秆综合利用，与国家绿色生态农业发展的要求一致。虽然本试验中秸秆带状覆盖种植带旋耕(T3)的产量低于新覆膜(T4)，但蓄水保墒效应二者基本一致，同时T3较其余覆盖处理具有较好的降温增墒效应，有利于促进马铃薯块茎的形成及膨大。

本研究是以陇薯7号为供试品种，在甘肃省中部雨养农业区进行了一年的田间试验，主要测定马铃薯生育期的土壤水分、温度、生长指标及产量，对试验数据进行整理分析得出上述结论，缺乏对多个品种以及不同覆盖处理对植株生理生态指标的相关研究，以后还需对其进行多年多品种的连续试验研究，进一步探明旧膜覆盖、新膜覆盖、秸秆带状覆盖局部耕作与不耕作的增产机制。