不同沟垄覆盖下土壤水热效应对旱作马铃薯生长及产量的影响

2020-12-04陈超李荣李芬杨文伟侯贤清

排灌机械工程学报 2020年11期

陈超，李荣，李芬，杨文伟，侯贤清

(宁夏大学农学院，宁夏银川 750021)

宁夏南部山区，气温冷凉，昼夜温差大，是马铃薯适宜种植的旱作农业区，宁夏90%以上的马铃薯种植面积集中在该区，已成为宁夏第一大优势作物[1].然而，春播时期降雨较少、土壤低温不利于马铃薯出苗，而在作物生育中后期土壤温度过高影响作物生长，从而造成马铃薯产量低而不稳.因此，采取合理的集雨保墒增温措施来解决因低温造成马铃薯出苗率低导致产量下降等问题，是提高宁南旱区马铃薯产量的重要技术.

沟垄覆盖系统可有效收集和利用雨水，改善土壤温度、提升土壤水分有效性以及提高作物产量等方面均有显著效果，在干旱半干旱农业生产区已得到广泛应用[2-3].WANG等[4]研究发现，地膜和秸秆覆盖可以提升土壤水分有效性，提高冬小麦产量.李荣等[5]研究报道，垄覆二元覆盖能改善旱作土壤水热环境，提高马铃薯水分利用效率和产量，以垄覆地膜沟覆秸秆处理效果显著.然而，沟垄覆盖技术主要应用于西北方旱作区，集中在玉米和马铃薯等[6].虽然普通地膜覆盖可显著增产，对土壤具有较强的保水增温能力，但地膜在土壤环境中很难降解.如果长期使用，大量残留地膜会造成土壤结构恶化、水肥保持力下降，使土壤质量严重退化.近年来，可降解覆盖材料(可降解地膜、麻纤维膜、液态膜)的使用，提高旱农区降雨利用效率，成为替代普通地膜，解决残膜污染的一种有效措施[7].

目前，大多数研究主要关注在沟垄二元覆盖下普通地膜的保墒增温效果方面，但对可降解覆盖材料对土壤保墒增温效果及对作物生长的影响研究甚少.因此，针对宁南旱区春季降雨少、温度低等特点，采用垄上覆盖普通地膜，沟内覆盖塑料地膜、降解地膜(生物降解膜、麻纤维地膜、液态地膜)、秸秆和沟不覆膜等材料，以平作为对照，研究不同沟垄覆盖模式下土壤水温效应对旱作马铃薯生长及产量的影响，以期为沟垄覆盖模式的聚水调温效应和旱作马铃薯高产栽培提供理论参考和技术支撑.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年5—10月在西北农林科技大学宁夏旱农基地进行，该基地位于黄土高原西北边缘，平均海拔1 800 m，年均降水量450 mm，年均蒸发量为1 050 mm，年均气温为6.8～8.1 ℃.试验期间月降水量P分布如图1所示，2016年总降水量345 mm，降水量分布不均，主要在7月份.其中马铃薯生育期(5—10月)降水量260 mm.试验地土壤质地为粉质壤土(砂粒14%、粉粒26%、黏粒60%)，供试播前耕层0～40 cm土壤有机质质量比为7.5 g/kg，碱解氮58.6 mg/kg，速效磷8.4 mg/kg，速效钾90.5 mg/kg，土壤肥力中等偏下.

图1 2016年试验地月降水量分布

1.2 试验设计

试验设垄上覆盖塑料地膜，沟内分别覆盖塑料地膜(DM)、玉米秸秆(JG)、生物降解膜(SM)、麻纤维地膜(MM)、液体地膜(YM)和不覆盖(BM)，以平作(CK)为对照，共7个处理，3次重复，随机区组设计.小区面积为9×4=36 m2.

试验开始前 30 d整地起垄，沟垄比为 40 cm∶60 cm，垄高 30 cm，垄面整平、呈拱型.沟垄覆盖与平作处理均施入同等基肥：尿素(WN≥46%)291 kg/hm2，磷酸二铵(WN≥18%，WP2O5≥46%)195 kg/hm2，硫酸钾(WK2O≥50%)180 kg/hm2，沟垄覆盖各处理肥料施在沟内，翻入土壤后进行覆盖，马铃薯沟内膜垄两侧种植.供试塑料地膜为聚乙烯白色地膜(膜厚 0.008 mm，宽 0.8 m)，生物降解膜由生物材料和聚合物构成(膜厚 0.008 mm，宽 0.8 m)；麻纤维地膜主要以麻类纤维为原料合成(膜厚 0.22～0.31 mm, 宽 0.8 m)；液态地膜主要是以腐植酸类物质为原料合成，以公司推荐产品/水体积为 1∶5 进行稀释后，以使用量450 L/hm2将其喷施于沟内.玉米秸秆以 9 000 kg/hm2的覆盖量切成 15 cm长覆于沟内.马铃薯供试品种为陇薯3号，宽窄行种植，宽行60 cm，窄行40 cm，株距40 cm；种植密度5万株/hm2，人工穴播，种薯播深为5 cm.试验地为旱作无灌水措施，定期进行人工除草.

1.3 测定项目及方法

1) 土壤温度：采用曲管地温计插在作物种植行，从播种后30 d，每隔20 d测定马铃薯种植行5，10，15，20和25 cm层土壤温度日变化(08:00—20:00)，每2 h记录1次读数，选择晴天连续测定2 d，并取平均值作为该生育时期的数值.

2) 土壤质量含水量：采用土钻取土烘干法测定马铃薯播后30 d、播后50 d、播后70 d、播后90 d和播后110 d作物种植行间 0～200 cm 层土壤质量含水量，每 20 cm 层测定 1 次，3 次重复.

3) 土壤蓄水量：其计算公式为

W=10hab，

(1)

式中：h为土层深度，cm；a为土壤容重(0～200 cm层平均土壤容重为1.36 g/cm3)；b为土壤质量含水量，%.

4) 马铃薯生长：从马铃薯播后30 d，每隔20 d随机选择5株马铃薯测定其株高、主茎粗.

马铃薯产量性状：在收获期，实行马铃薯小区测产，分别记录大(>150 g)、中(75～150 g)、小薯(<75 g)个数和质量，并计算其商品薯率.

1.4 数据处理

用Origin 8.0作图，采用DPS 7.05进行数据分析，Duncan新复极差法进行差异显著性比较.

2 结果与分析

2.1 沟垄覆盖下土壤温度

试验期间不同覆盖模式对马铃薯各生育阶段土壤温度T的影响不同，如图2所示.根据全生育期分析，不同覆盖模式下各土层温度在块茎形成前期均表现为逐渐升高的趋势，而块茎形成后期不同覆盖模式下各土层温度呈下降的变化规律.总体上，马铃薯全生育期处理DM，SM，MM和YM对土壤温度均表现增温效应，而处理JG和BM表现为降温效应.各处理0～25 cm土平均土壤温度大小依次为DM(MM)，SM，YM，CK，JG，BM.整个生育期，处理DM和MM耕层平均土壤温度均显著高于CK1.1℃，而处理SM和YM与CK差异不具有统计学意义；而处理JG，BM耕层土壤温度分别较CK降低0.3，0.4℃.7种覆盖模式下各生育时期土壤温度变化特征表现不一致.在播后30～90 d，处理DM,SM,MM和YM表现增温效应，但在播后110 d表现为降温效应；处理JG和BM在播后30～70和110 d表现为降温效应，但在播后90 d表现为增温效应.

图2 不同沟垄覆盖下马铃薯生育期0～25 cm层土壤温度

不同覆盖模式下整个生育期不同土层平均土壤温度T的变化规律不同(见表1).5 cm层，各处理增温效果不显著；10 cm层，处理DM，MM，SM和YM分别较CK显著提高2.6，2.4，1.9 和1.9 ℃，而处理JG和BM与CK相比有增温效果但差异不具有统计学意义；15 cm层，处理MM较CK显著提高1.4 ℃，处理DM，SM和YM较CK增温效果不显著，处理JG和BM较CK有降温效果，但差异不具有统计学意义；20 cm层，处理DM，SM和MM较CK增温效果不显著，处理JG，YM和BM较CK有降温效果，但差异不具有统计学意义；25 cm层，处理JG和BM土壤温度均较CK显著降低1.2 ℃，DM，SM，MM和YM增温效果不显著.可见，0～25 cm层平均土壤温度，处理DM，MM和SM分别较CK显著提高1.1，1.1 和0.7 ℃，而处理JG，BM较CK有一定的降温效果但差异不具有统计学意义.

表1 马铃薯生育期不同土层土壤平均温度

2.2 沟垄覆盖下土壤蓄水量

图3为马铃薯生育期不同处理0～200 cm层土壤蓄水量W的变化.

图3 不同处理下马铃薯生育期 0～200 cm层土壤蓄水量

马铃薯播后30 d和50 d，马铃薯植株较小，耗水量较低，降水稀少，各处理土壤水分有所较低.沟垄二元覆盖各处理平均土壤蓄水量较对照处理明显增加，其中处理JG和YM保水效果最佳，较CK分别提高18.5%和9.6%，其他处理与CK差异不具有统计学意义.马铃薯播后70 d，气温升高，土壤水分蒸发增多，耗水增加，加之降水偏少，各处理0～200 cm层土壤蓄水量降至最低，而处理JG土壤蓄水量较CK显著提高10.1%，马铃薯播后90 d和110 d，降水量有所增加，各处理土壤蓄水量均有所恢复，处理JG和YM分别较CK显著提高16.9%和9.1%，其他处理与CK差异不具有统计学意义.可见，沟垄二元覆盖在马铃薯生育期对土壤水分保墒效果不同，处理JM对土壤水分的保蓄效果最佳，其次为处理YM.

2.3 沟垄覆盖下马铃薯生长

图4为马铃薯生育期植株株高和茎粗的变化，其中h，z分别为玉米的株高、茎粗.从图4a可以看出，在马铃薯播后30 d(苗期)，处理JM，SM，MM，YM和BM分别较CK显著降低68.1%，22.4%，31.0%，25.9%和39.7%.播后50 d(现蕾期)，处理JG较CK显著提高52.3%.播后70 d(块茎形成期)，各处理与对照差异不具有统计学意义.播后90 d(块茎膨大期)，处理BM较CK显著提高24.7%，而处理MM较CK显著降低22.0%.播后110 d(收获期)，处理JG和BM分别较CK显著提高41.3%和30.0%，而处理DM，SM，MM和YM与CK差异不具有统计学意义.

各处理马铃薯植株茎粗的变化趋势与株高有所差别(见图4b).在马铃薯播后30～50 d(生育前期)增长迅速，在播后70～110 d(中后期)增长缓慢.马铃薯播后30 d，各处理与对照差异不具有统计学意义；播后50 d，处理SM和BM分别较CK显著提高49.2%和33.3%；播后70 d，分别较CK显著提高35.0%和53.8%.播后90 d，各处理与CK 差异不具有统计学意义；播后110 d，处理DM，JG，MM，YM和BM分别较CK显著提高33.0%，75.5%，36.8%，58.5%和38.7%.

图4 不同沟垄覆盖模式下马铃薯生长

2.4 沟垄覆盖下马铃薯产量性状

不同沟垄覆盖模式对马铃薯块茎产量和商品薯率有显著影响(见表2)，其中nb，yb，nm，ym，ns，ys，Y和C分别为大薯薯数、大薯产量、中薯薯数、中薯产量、小薯薯数、小薯产量、总产量和商品薯率.大薯产量各处理均较CK显著增加，以处理YM，MM，DM和JG最为显著，分别较CK显著提高123.9%，121.1%，119.4%和110.4%；中薯产量以处理JG最为显著，较CK显著提高38.30%，而YM，MM和BM较CK产量显著降低，分别降低28.3%，32.5%和32.8%；总产量以处理JG和DM最为显著，分别较CK显著提高47.8%和44.8%，处理MM，YM和SM次之，分别较CK显著提高18.1%，17.0%和12.2%，而处理BM较CK差异不具有统计学意义.商品薯率处理JG，SM分别较CK显著提高11.7%，8.8%，而处理YM，BM略高于CK，但差异不具有统计学意义.

表2 不同沟垄覆盖模式下马铃薯产量性状

3 讨论

3.1 沟垄覆盖调控土壤水热环境

由于不同覆盖材料的导热率不同，对作物生育阶段耕层土壤温度的影响亦不同[8].霍轶珍等[9]发现，覆盖可显著影响土壤温度，地膜覆盖、液态地膜和秸秆覆盖在马铃薯生育前中期耕层土壤的增温显著，而液态地膜在生育期后期能够起到降温作用.研究发现，在马铃薯生长的前期，覆盖麻地膜和塑料地膜其土壤增温显著高于裸地，而覆盖秸秆较不覆盖降温效果显著.这是由于秸秆覆盖阻止太阳辐射直接到达地面，使温度变化平缓，而地膜能使光照直接到达地面，有吸收热量的功能[10].王朝云等[11]研究发现，麻纤维地膜具有良好的保温效果，与试验中处理MM的增温效果一致.高旭华等[12]研究表明，生物降解膜对提高土壤温度效果不明显，这与研究结果相似：处理SM下土壤温度与CK无明显差异.李云光等[13]研究发现，液态地膜能显著提高土壤温度，而研究发现，处理YM较CK增温效果不显著，主要因为液态膜常温下不溶于水，易受环境影响，成膜性差[14].李富春等[15]研究表明，生物降解膜对耕层土壤温度有增温效果，但秸秆覆盖具有降温效果，这与研究中SM和JG处理的增温效果一致.沟垄集雨栽培模式更有利于收集雨水，增强雨水入渗，减少地表蒸发，从而提高土壤蓄水量和降水利用效率[16-17].胡广荣等[18]研究发现，液体地膜和生物降解地膜覆盖随作物生育期的延长而逐渐降解，其调节水热的能力也随之降低，这与文中研究结论不太一致，可能是试验所用液体地膜和生物降解地膜的材料和降解程度不同有关.研究还发现，垄覆地膜沟覆秸秆对马铃薯生育期土壤保墒效果最佳，主要由于秸秆覆盖能抑制地表蒸发，增加降水入渗，对改善马铃薯生育期土壤水分效果明显[19].

3.2 沟垄覆盖影响马铃薯生长及产量

黄凯等[20]研究表明，秸秆覆盖促进马铃薯茎叶生长，提高马铃薯产量，本研究也发现沟内覆盖秸秆能调控作物生育期土壤的水热状况，进而促进马铃薯生长.申丽霞等[21]和李荣等[22]研究表明，覆盖生物降解地膜的玉米株高略低于覆盖地膜，但显著高于裸地.覆盖麻地膜在生育期前期具有明显的增温效果，显著提高作物的株高，这些关于可降解膜的研究结果与文中覆盖生物降解膜和麻纤维地膜研究结果一致.肖继兵等[23]研究报道，沟垄覆盖种植能集蓄降水和对土壤具有增温作用，进而增加作物产量.文中研究也表明，马铃薯总产量以垄覆地膜沟覆秸秆和垄覆地膜沟覆地膜处理最为显著，均较平作显著增产，分析其主要原因：秸秆覆盖在马铃薯整个生育期保墒效果最佳，同时垄覆地膜增温效果显著，能更好地改善土壤水热显著，进而提高作物产量[24].研究还发现，可降解膜覆盖使马铃薯块茎产量低于秸秆覆盖和地膜覆盖，但较平作不覆盖显著增加，其可能原因是：覆盖可降解地膜能改善土壤水温环境，但在作物生长后期可降解地膜有一定程度的降解，其保墒效果与秸秆覆盖相比有所降低，其增温效果亦低于地膜.