不同栽培方式对马铃薯土壤水分状况和产量的影响

范士杰，王蒂，张俊莲，白江平，宋吉轩，马智黠

（1.甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室 甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州730070；2.贵州省马铃薯研究所，贵州 贵阳550006；3.贵州省威宁县农业局，贵州 威宁553100）

＊土壤水分是影响作物生长发育与土壤肥力变化的重要因素，研究耕作栽培措施中的土壤水分效应，对于揭示耕作方式对作物生长发育的影响、土壤肥力特征的内在原因及耕作技术的改进具有重要意义［1－5］。前人研究表明地膜具有透光率高、不透气、质轻耐用等特征以及显著的增温、保水和增产促早熟作用［6－11］；绿肥是理想的固氮植物，具有保水增肥和防止水土流失的作用［10－14］。马铃薯（Solanumtuberosum）是我国西南高寒山区的主栽农作物，其中贵州省威宁县马铃薯的常年种植面积就超过11.07万hm2，是名符其实的中国南方马铃薯之乡［12］。该县虽属亚热带湿润季风气候，但降水多集中在6－9月；春季降水稀少，且地表蒸发强烈，土壤含水量低，因此，马铃薯出苗期至开花期一般为该地区的低温干旱阶段，严重影响马铃薯出苗率和苗期的生长发育水平［13－18］。春季土壤水分状况成为制约该地区马铃薯生长和产量形成的主要因子，采用适宜的栽培方式是解决这一问题的关键所在。

本研究将地膜与绿肥2种元素融合在一起，在马铃薯作物的生育时期内，研究了不同耕作方式0～21 cm农田耕作层土壤水分的变化特征以及对马铃薯生长动态和产量的影响，并利用国际马铃薯中心（CIP）提供的FLINT1模型对马铃薯不同栽培方式的水分状况进行了分析，以期揭示栽培技术对马铃薯生长过程中水分的影响，针对我国西南高寒山区春播马铃薯近年来频繁出现的季节性干旱，为建立合理耕作制度提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2009年3月17日和2010年3月18日在贵州省威宁县小海镇进行，8月27日收获。该镇距威宁县城12 km，位于东经104°15′、北纬27°06′，平均海拔2 200 m，年均气温10～12℃，年均降水量962.3 mm，无霜期208 d，年均日照时数1 800 h，夏季平均气温23.2℃，属亚热带湿润季风气候。马铃薯为当地的主要作物之一，一年一熟。试验土壤为黄壤，土壤肥力中上等。试验地气象数据由贵州省威宁县气象局提供。

1.2 试验设计

试验设4个处理：1）绿肥聚垄地膜覆盖栽培方式（GMPM）：绿肥收割后随即整地播种，绿肥放在马铃薯播薯后的沟中和种薯的上方，起垄后盖地膜；2）绿肥聚垄栽培方式（GM）：绿肥放在马铃薯播薯后的沟中和种薯的上方，起垄后不盖地膜；3）地膜覆盖栽培方式（PM）：不用绿肥，播种起垄后盖地膜；4）对照（CK）采用普通翻耕栽培方式，不用绿肥，播种起垄后不盖地膜。试验采用完全随机区组排列，4次重复，每小区5行，面积为21 m2，单垄栽培，垄距60 cm，株距28 cm，每小区播125株。绿肥小区绿肥使用量按75 kg，绿肥中含水率为65%。地膜为普通农膜，膜厚0.015 mm，宽90 cm。马铃薯供试品种为黔芋1号，施肥水平各处理相同。

绿肥品种为紫云英，每666.67 m2用种5 kg。绿肥的播种时间为安排试验年份的上一年的9月上旬播种，在安排试验种植的当年整地时（一般为3月中旬）将绿肥收割，待划好试验小区开沟播种施肥后，再将绿肥放在播薯后的沟中和种薯的上方，随即起垄盖土，俗称“绿肥聚垄”。由于整地到播种的时间较短，绿肥仍多为活体植物，对播种后的土壤有补充水分的作用。种植绿肥也有改良和培肥土壤的作用。

1.3 测定项目和方法

土壤水分：采用取土烘干法。根据烘干法测定农田耕层土壤水分的取样梯度（7 cm），按0～7、7～14和14～21 cm梯度从播种后每5 d的14：00取样测定1次。在生育的主要时期（齐苗期、盛花期、封行期、成熟期）取样测定0～100 cm土层土壤储水量，0～100 cm土层土壤储水量为0～20，20～40，……，80～100 cm（梯度为20 cm）土层土壤含水量之和。土壤体积质量的取样用环刀法。

各生育期生物量及产量：自马铃薯播种后，分别在齐苗期、盛花期、封行期和成熟期采取植株样，取样标准为1 m样段，计算生物量。收获时以每小区产量记产，折合成每hm2产量。

式中，w为土壤水分总贮存量（mm）；ρ为地段实测土壤体积质量（g／cm3）；h为土层厚度（cm）；ω为土壤质量含水率（%）。

式中，ET为作物生育期内的总耗水量（mm）；P为作物生育期内的降水量（mm）；Δw为土壤水分在一段时间内的变化量（mm）；I为灌溉水量（mm）；Dr为地表径流（mm）；Gc为深层入渗量（mm）。由于西南山区没有灌溉设施，故灌溉水量为0；试验地地势平坦，土壤深厚肥沃，蓄水保水能力强，地下水位在50 m以下，故试验地的地表径流和深层入渗量很小，可以忽略不计［19－20］。

式中，Ya为单位面积的经济产量（kg／hm2）。

式中，FLINT1（fraction of light intercepted）：植被有效辐射；MGC（maximum fraction achieved by the canopy cover）：最大冠层受光面；N（planting density，plant／m2）：植株密度；Fo（initial fraction of light interception）：初始植被有效辐射；Ro（rate of relative increase of light interception）：相对接受辐射增加速率；t（cumulated growth degree day）：生长度天。

植被有效辐射（FLINT1）的计算公式由国际马铃薯中心（CIP，www.cipotato.org）提供［21，22］。估算土壤水分胁迫的萎蔫系数（WP，wilting point）、水分关键水平（CL，critical level）、蒸腾蒸发量（ETP，evapotranspiration）等马铃薯生长参数来自国际马铃薯中心（CIP）在世界各地不同类型土壤多年多点的统计数据。该试验选用的估算作物水分胁迫的有关参数为肥力中上等的黄壤类型的数据。

如果实际的土壤水分含量（SWC）大于水分关键水平，实际蒸腾量（Ta）就等于初始蒸发量（T0，T0＝FLINT1×ETP）；如果土壤水分含量小于萎蔫系数，Ta就等于0；如果土壤水分含量小于水分关键水平，大于萎蔫系数，Ta＝T0×（萎蔫系数－土壤水分含量）／（萎蔫系数－水分关键水平）。

作物水分胁迫系数（cws）计算：如果［1－实际蒸腾量（Ta）／初始蒸腾量（T0）］－0.2小于0，该指数等于0；如果大于0，指数为实际计算值。

由上式可知，cws＝0表示作物处在无水分胁迫状态，cws＝1.0表示作物受的水分胁迫最大。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel和SPSS 18.0进行数据处理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同栽培方式对土壤水分状况的影响

马铃薯生育期内田间土壤平均含水率随时间的变化表明（图1），土壤平均含水率季节变化明显。在5月中旬前，绿肥割收后，随即聚垄埋入土中，再利用地膜的保水作用，在一段时间内土壤中水分含量较高。绿肥聚垄地膜覆盖栽培方式、绿肥聚垄栽培方式和地膜覆盖栽培方式田间耕层土壤平均含水率分别高出对照12.93%，6.30%和10.88%；在5月中旬后，绿肥聚垄地膜覆盖栽培方式和地膜覆盖栽培方式田间耕层土壤平均含水率分别低于对照6.35%和6.40%，绿肥聚垄栽培方式田间耕层土壤平均含水率仅高出对照1.17%，变化不大。

绿肥聚垄地膜覆盖栽培方式、地膜覆盖栽培方式和对照比较（表1），在3月下旬－5月中旬，有提高耕层土壤含水率的作用，在5月中旬－8月下旬，有降低耕层土壤含水率的作用，并且均达显著差异水平（P＜0.05）。地膜覆盖栽培方式和对照比较，除在3月下旬－5月中旬土壤深度0～7 cm外，均有提高各耕层土壤含水率的作用。

图1 不同栽培方式下0～21 cm土壤平均含水率随时间变化动态Fig.1 Dynamics of average soil moisture content at 0－21 cm layer under various tillage treatments

表1 不同栽培方式下不同时段不同土壤深度的土壤含水率Table 1 Soil water content at different depths with different periods under various tillage treatments %

2.2 不同栽培方式对不同生育期马铃薯生长动态的影响

2.2.1 对不同生育期马铃薯干物质积累的影响 干物质生产是作物产量形成的基础。图2显示了生育期内主要阶段马铃薯干物质增加的量。不同栽培方式对马铃薯干物质积累量大小为：绿肥聚垄地膜覆盖栽培方式＞绿肥聚垄栽培方式＞普通翻耕栽培方式＞地膜覆盖栽培方式。绿肥聚垄地膜覆盖栽培方式和绿肥聚垄栽培方式在马铃薯生育期内的主要阶段，干物质的量分别比对照增加了17.8%和1.4%，地膜覆盖栽培方式干物质的量比对照减少了21.2%。绿肥聚垄地膜覆盖栽培方式在生育期内的主要阶段，马铃薯干物质积累的量与对照相比均达显著差异水平（P＜0.05）。

不同栽培方式在生育期内的主要阶段马铃薯干物质的量增加基本规律是：盛花期＞封行期＞齐苗期＞成熟期。其在各生育阶段干物质增加的量所占比例分别为：7.6～35.2%%，30.6% ～40.7%，22.2% ～35.5%，8.2%～16.2%，其中，绿肥聚垄地膜覆盖栽培方式、绿肥聚垄栽培方式、地膜覆盖栽培方式和对照在盛花期干物质增加的量所占比例分别为31.4%，34.7%，40.7%和30.6%，在封行期干物质增加的量所占比例分别为35.2%，25.3%，7.6%和31.0%，这说明绿肥聚垄栽培方式和地膜覆盖栽培方式，在封行期马铃薯的干物质积累受到了影响，并且达到了显著差异水平（P＜0.05）。

图2 不同栽培方式马铃薯干物质积累动态变化Fig.2 Effect of tillage strategies on the dynamic variation of plant dry－matter accumulation

图3 不同栽培方式马铃薯耗水量的动态变化Fig.3 Effect of tillage strategies on the dynamic variation of plant water consumption

2.2.2 对马铃薯耗水及耗水特征的影响 作物耗水量反映了作物对土壤水分的吸收利用状况。在各生长阶段，封行期－成熟期的作物耗水量最高（图3）。不同的栽培方式进行比较，对照耗水量在每个生育阶段均最高，除成熟期外，与其他的栽培方式相比，其耗水量均达显著差异水平（P＜0.05）。有地膜处理的栽培方式与没有地膜处理的栽培方式相比，有地膜处理的栽培方式马铃薯的耗水量低。

没有地膜处理的2种栽培方式进行比较，其耗水量为对照＞绿肥聚垄栽培方式，在齐苗期、盛花期和封行期，其耗水量均达显著差异水平（P＜0.05）；有地膜处理的2种栽培方式进行比较，除齐苗期外，其耗水量为绿肥聚垄地膜覆盖栽培方式＞地膜覆盖栽培方式，在封行期和成熟期，其耗水量均达显著差异水平（P＜0.05）；有绿肥处理的2种栽培方式进行比较，其耗水量为绿肥聚垄栽培方式＞绿肥聚垄地膜覆盖栽培方式，其耗水量仅在齐苗期达显著差异水平（P＜0.05）。

对马铃薯的耗水量与对应的降水量进行比较显示（图3）：各处理在齐苗期土壤的耗水量大于该时段降水量，而在其他生长阶段土壤的耗水量均低于该时段降水量，这说明在齐苗期，栽培设施的使用和栽培技术的研究，应考虑向土壤补充水分或减少土壤水分的蒸发，而在马铃薯其他生长阶段，栽培设施的使用和栽培技术的研究，应考虑提高土壤的水分利用率。

2.3 不同栽培方式对马铃薯块茎产量和田间耕层土壤水分利用的影响

2.3.1 对马铃薯块茎产量的影响 不同栽培方式下马铃薯的块茎产量具有明显的差异（表2）。绿肥聚垄栽培方式与对照间马铃薯的块茎产量差异不显著，而绿肥聚垄地膜覆盖栽培方式、地膜覆盖栽培方式与对照间的差异显著。绿肥聚垄地膜覆盖栽培方式与绿肥聚垄栽培方式、地膜覆盖栽培方式、对照间的产量差异均极显著。绿肥聚垄地膜覆盖栽培方式马铃薯的块茎产量高出对照25.6%（P＜0.01），地膜覆盖栽培方式马铃薯的块茎产量比对照减产15.8%（P＜0.05）。绿肥聚垄地膜覆盖栽培方式马铃薯的块茎商品薯率较高。

表2 不同栽培方式下马铃薯产量和水分比较Table 2 Effects of different tillage strategies on water use efficiency

2.3.2 对水分利用的影响 不同处理的土壤水分利用效率高低顺序为（表2）：普通栽培方式、绿肥栽培方式、地膜绿肥栽培方式和地膜栽培方式，平均依次为69.38，65.84，47.92和33.75 kg／（hm2·mm）。地膜栽培方式、地膜绿肥栽培方式和绿肥栽培方式与对照相比分别降低了35.63%，21.46%和3.54%。

2.4 基于FLINT1模型对马铃薯产量的预测和不同栽培方式的水分胁迫分析

2.4.1 基于FLINT1模型对马铃薯产量的预测 用国际马铃薯中心（CIP）提供的FLINT1模型对本试验进行马铃薯产量预测，马铃薯产量预测过程的主要技术指标和计算结果见表3，其预测产量结果为32 134.09 kg／hm2。

2.4.2 对不同栽培方式下0～21 cm土壤水分胁迫分析 利用由国际马铃薯中心提供的FLINT1模型对马铃薯的土壤水分胁迫分析结果表明（图4），不同栽培方式在0～21 cm耕层土壤对马铃薯水分胁迫系数影响存在明显的差异。

不同栽培方式在5月中旬马铃薯的生长均受到水分胁迫（图4），除绿肥聚垄栽培方式外，其余3种栽培方式的马铃薯生长均受到了较严重的水分胁迫，以地膜栽培方式最为严重。有地膜处理的栽培方式，马铃薯生长受到水分胁迫出现的频率最多，水分胁迫系数值最大。同一栽培方式在5月中旬－8月下旬进行比较，有地膜处理的2种栽培方式（地膜绿肥栽培方式和地膜栽培方式）在5月中旬－7月上旬，马铃薯生长均受到了一定的水分胁迫，其中，5月中旬受到的水分胁迫最为严重。5月中旬－7月上旬是马铃薯生长的关键时期（开花期和封行期），这个时间段马铃薯生长受到水分胁迫，对马铃薯的产量影响较大。

表3 基于FLINT1模型对马铃薯产量的预测Table 3 Prediction of tuber yield based on the FLINT1 model

图4 0～21 cm不同栽培方式马铃薯水分胁迫系数随时间变化动态Fig.4 Dynamic of potato water stress coefficient at 0－21 cm in different tillage types校正后的萎蔫系数（WP）为12.2%，水分关键水平（CL）为25.2%。Calibrated wilting point（WP）is 12.2%，critical level（CL）of water is 25.2%.

3月下旬－5月上旬，由于马铃薯处在出苗期，马铃薯的地上植株接受太阳的有效辐射受到了限制，因此，不能较好的计算植被有效辐射率，也就无法计算马铃薯的水分胁迫系数，但可以分析水分关键水平（CL）和土壤水分胁迫的萎蔫系数来从宏观上了解马铃薯受水分胁迫的情况。本试验普通栽培方式0～21 cm耕层土壤，平均水分含量均低于水分关键水平25.2%，有时甚至接近萎蔫系数12.2%，基本上可以推断普通栽培方式下马铃薯的生长受到了一定的土壤水分胁迫。在3月下旬－5月上旬0～21 cm耕层土壤，不同栽培方式受干旱威胁的程度是：普通栽培方式＞绿肥栽培方式＞地膜栽培方式＞地膜绿肥栽培方式。

3 讨论

3.1 马铃薯产量的预测和土壤水分胁迫

作者2010年8月在甘肃兰州参加了一个由国际马铃薯中心驻北京办事处和甘肃农业大学联合举办的马铃薯模型与模拟高级培训班，会上国际马铃薯中心总部的Roberto Quiroz博士介绍了FLINT1马铃薯产量预测和水分胁迫计算模型并进行了模拟［21，22］，还提供了国际马铃薯中心在世界各地不同类型土壤多年多点的统计数据，以及整理的预测马铃薯产量和计算水分胁迫的供参考的有关参数 。该模型与Jackson等［23］提出的模拟和预测模型［24－28］相比具有修正和改进参数简便，可操作性强，既可以从宏观上对马铃薯的产量进行预测，也可以对试验的具体结果进行分析的特点。

在统计试验产量时发现，地膜栽培方式的产量最低，这一现象不是很好解释，就试着用国际马铃薯中心提供的FLINT1马铃薯产量预测和水分胁迫计算模型对该试验进行了水分胁迫分析，结果发现，普通栽培方式0～21 cm土壤根系层，在3月下旬－5月上旬，马铃薯的生长可能受到了土壤水分胁迫；地膜绿肥栽培方式和地膜栽培方式0～21 cm土壤根系层，在5月上旬－8月下旬，马铃薯生长受到水分胁迫。这样就较好地解释本试验不同栽培方式的产量与0～21 cm土壤水分含量之间的联系。

用FLINT1马铃薯产量预测和水分胁迫计算模型对该试验进行了产量预测和水分胁迫分析在国内尚属首次，期待与同行对FLINT1马铃薯产量预测和水分胁迫计算模型作进一步的探讨。

3.2 春播马铃薯地膜覆盖时间

虽然地膜覆盖栽培具有提高土壤温度，保持土壤水分，改善土壤性状，提高土壤养分供应状况和肥料利用率，减轻杂草和病虫危害等作用［29－30］。但在本试验中，地膜覆盖对水分而言，既有正效应又有负效应。

本试验表明，地膜覆盖栽培在我国西南高寒山区，特别是在有前期干旱的地区，可使土壤的旱情明显好转，有效降低生育前期干旱胁迫的危害，促进马铃薯早长快发，但是在马铃薯生长的中后期却阻碍了自然降水进入垄体，导致马铃薯在旺长期发生水分亏缺，影响正常生长。分析造成这种现象的原因是由于马铃薯种植采用的是垄作方式。虽然在中国西南高寒山区，春播马铃薯生长的中、后期自然降水量较多，但地膜覆盖栽培方式由于垄面上盖有地膜，因而不能充分的接受自然降水，这就造成地膜栽培方式和地膜绿肥栽培方式在马铃薯生育中、后期0～21 cm土壤含水率处在较低水平状态，而对照和绿肥栽培方式由于厢面上可以接受自然降水，表现出较高的土壤含水率。因此，在我国西南高寒山区采用地膜覆盖栽培方式种植的春播马铃薯，地膜是否需要全程覆盖就是一个非常值得探讨的问题。

本试验认为，地膜覆盖可结合当地的气候和降水特点，采取5月上旬前覆膜，5月上旬后期撤膜的栽培技术措施将更利于马铃薯的生长和产量的形成。

4 结论

马铃薯不同耕作方式0～21 cm土壤水分动态变化分析表明，在5月中旬前，地膜绿肥栽培方式、绿肥栽培方式和地膜栽培方式与对照相比田间土壤含水量平均提高了12.93%，6.30%和10.88%；在5月中旬后，地膜绿肥栽培方式和地膜栽培方式与对照相比田间土壤含水量平均降低了6.35%和6.40%。

绿肥聚垄地膜覆盖栽培方式、地膜覆盖栽培方式和对照比较，在3月下旬－5月中旬，有提高耕层土壤含水率的作用，在5月中旬－8月下旬，有降低耕层土壤含水率的作用，且均达显著水平。地膜覆盖栽培方式和对照比较，除在3月下旬－5月中旬土壤深度0～7 cm外，均有提高各耕层土壤含水率的作用。绿肥聚垄地膜覆盖栽培方式在马铃薯生育期内的主要阶段干物质的量比对照增加了17.8%。马铃薯的耗水量得出各处理在齐苗期，应向土壤补充水分。

绿肥聚垄地膜覆盖栽培方式与对照间马铃薯块茎产量的提高达极显著差异水平，地膜覆盖栽培方式马铃薯的块茎产量比对照减产达极显著差异水平。FLINT1模型对马铃薯的土壤水分胁迫分析表明，地膜绿肥栽培方式和地膜栽培方式对马铃薯生长中后期在0～21 cm存在一定的水分胁迫现象。

本试验认为，地膜覆盖栽培应结合当地的马铃薯生产的实际趋利避害，充分利用好地膜的作用，可采取前期覆膜中后期撤膜相应的配套技术措施。

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