宁夏固原地区马铃薯种植粉垄耕作试验研究

王 乾， 杨术明， 杨树川， 唐 博， 马伏龙， 王昱潭

（宁夏大学 机械工程学院，宁夏 银川 750021）

马铃薯是一种适应性强、产量高、营养丰富的经济作物，在世界各地均有栽培，中国的马铃薯产量以及种植面积近年来均位于世界前列[1]。中国种植的马铃薯已经成为继玉米、水稻和小麦之后的第四大粮食作物，由于马铃薯具有耐旱耐高寒性，其主产区集中在我国西北和西南地区，其中西北地区主要包括陕西北部、宁夏、甘肃和青海[2]。宁夏中部干旱带和南部山区地形地貌复杂、沟壑纵横，海拔较高，气候冷凉，土壤富含钾素、病毒传媒少，天然隔离条件好，其所产马铃薯品质优、口感好，是马铃薯种植的最佳区域，常年种植面积约13.33 万hm2[3]。如今马铃薯产业已经成为宁夏重要的优势特色产业之一，也是固原地区脱贫致富的主要支柱产业之一[4]。然而，由于气象灾害的影响以及生产技术水平低、田间管理模式粗放，宁夏马铃薯单产水平低，产量逐年下降[5-6]。土壤质量的好坏关系着农产品产量和质量，通过土壤耕作可调理和遏制土壤耕层退化、改善土壤环境，实现农作物增产[7]。不仅如此，土壤耕作是农业生产过程中基础且关键的环节，是播种的前提和保证，其目的在于改善耕地土壤结构，优化农作物生长环境[8]。随着农业机械化的快速发展，如今人工耕作已被机械化耕作所取代[9]。机械化耕作是利用农机装备进行翻耕、细碎和平整土壤，具有工作效率高、作业质量好的优点[10]。并且，利用机械耕作能够有效打破犁底层，恢复土壤结构，增加土壤蓄水保墒能力，消减杂草和病虫害[11]。但是，传统的土壤耕作机械仍有一定缺点和不足，本试验的目的在于探究粉垄耕作对马铃薯品质和产量的影响，从而为提升宁夏马铃薯产业发展水平提供有益参考。

1 土壤耕作机械概述

1.1 传统土壤耕作机械

目前，我国传统土壤耕作机械已得到普及，按耕作方式不同，主要分为犁耕式和旋耕式两种耕作机械，以适应不同地区、不同地形的作业要求。

1.1.1 犁耕式 犁耕式土壤耕作机械，按作业机具的不同，可分为铧式犁、圆盘犁以及铧式犁的派生，包括双向犁和高速犁等。铧式犁在农业上是使用最早且最常见的耕作机械，由犁铧、犁壁、犁侧板和犁柱组成，在拖拉机的牵引下犁铧插入土壤，切土后犁壁再碎土并翻转土壤，进而完成作业[12]。圆盘犁是一种以凹面圆盘为工作部件的耕作机械，作业时圆盘转动切土，进而使土壤在离心力作用下翻转出去，形成一道犁沟，具有良好的防堵性，但翻耕质量不高[10]。双向犁由多个铧式犁和翻转机构组成，作业时先翻转左侧土壤，后翻转机构带动犁梁转动，再翻转右侧土壤，一次完成两侧作业，但翻转过程中存在死点，会导致机架变形，需要相应的越中机构。高速犁是一种在耕速超过7 km/h 的条件下设计的耕作机械，在大功率拖拉机的牵引下高效完成作业，但会过分粉碎土壤，一般只适用于沙壤土，且作业后的犁沟宽度较大[13]。

1.1.2 旋耕式 旋耕式土壤耕作机械是以旋耕刀片为工作部件耕作土壤，按刀轴排布形式的不同，可分为横轴式旋耕机和纵轴式旋耕机。横轴式旋耕机也称卧式旋耕机，主要由万向节总成、变速箱、传动箱、旋耕刀轴、罩壳托板等组成，轴上刀片沿螺旋线安装，作业时刀轴转向与拖拉机前进方向一致，刀轴旋转带动刀片向后切削土壤，土壤依靠惯性抛洒到后方托板和罩壳上，进而再次细碎土壤，完成土壤耕作[14]。纵轴式旋耕机又称立式旋耕机，主要由万向节、减速器、刀盘和旋耕刀等组成，旋耕刀正逆旋成组安装在刀盘上，作业时一方面动力输出轴经万向节将动力传递给减速器，减速器驱动刀盘转动带动旋耕刀旋转；另一方面旋耕刀在拖拉机的牵引下向前运动，因而形成余摆线运动切削土壤，使旋耕刀的受力状况得到改善[15]。

但是，单一的犁耕式土壤耕作机械作业后，土壤的松碎程度和平整度还无法满足农作物播种和种植作业条件，仍需旋耕机二次耕作，降低了机具作业效率；而连续多年使用旋耕式土壤耕作机械也会引起土壤板结，犁底层变厚，耕层变浅，进而使得土壤保墒蓄水能力降低，土壤养分流失[16]。

1.2 粉垄耕作机械

鉴于传统土壤耕作机械的不足，广西农业科学院韦本辉团队着手研发了一种新型土壤耕作机械——粉垄耕作机，旨在一次性完成深耕深松整地作业，激活犁底层且不乱土层，扩建土壤养分、水分、氧气等“三库”容量，增强土壤保水保肥能力，减少病害和杂草，促进作物根系深扎生长，从而实现作物增产提质[17]。由广西农科院和五丰机械有限公司合作研发的粉垄耕作机械，根据行走方式的不同，有自走式和牵引式2 种粉垄机，其耕作深度可自由调节30～50 cm，以适应不同作物、不同地区种植作业的要求。整机主要由液压传动系统、立式螺旋钻头部件和机架等组成，作业时由动力输出经液压系统带动液压马达旋转，驱动多根垂直安装的立式螺旋钻头高速旋转入土至预定耕深后，如图1 所示，钻头上的螺旋刀刃和旋耕刀旋转粉碎土壤，一次性完成深耕深松整地作业[18-19]。

图1 粉垄机关键作业部件

已有研究表明，较传统土壤耕作机械耕作方式，粉垄耕作能有效增加作物产量和提高作物品质。据报道，采用粉垄耕作后，河南焦作市冬小麦产量增加、穗粒数增加、旗叶光合性能显著增强[20]，广西北流市的水稻年产量增加、稻米整精米率提高、蛋白质含量提高[21]，黑龙江巴彦县的玉米湿粒和干粒产量增加[22]，广西来宾市的甘蔗产量增加、含糖量提高[23]。因此，有必要在宁夏固原地区开展马铃薯粉垄耕作试验研究，为引进推广粉垄耕作技术提供试验依据。

2 试验

2.1 试验区概况

在宁夏固原3 个核心示范村于2018—2019 年共实施粉垄耕作19.4 hm2。试验地分别位于西吉县新营乡白城村（北纬 36°9′7″，东经 105°34′56″）、原州区张易镇毛庄村（北纬 35°48′3″，东经 106°9′31″）和海原县关庄乡高台村（北纬36°36'23"，东经105°35'22"）。属于典型大陆性气候，海拔在2 200 m 左右，年均降水量400 mm 左右，无霜期130 d 左右，年均气温5.3~7.0 ℃，≥10 ℃有效积温2 000~2 300 ℃。试验地土壤类型为黑垆土，土壤质地为沙粉土，10~30 cm 土层土壤含水率为20%~40%，土壤硬度为0.47~0.66 MPa。

2.2 试验方法

采用粉垄耕作方式，耕作深度30~50 cm。2018年粉垄6.87 hm2（去年粉垄），2019 年粉垄12.53 hm2（当年粉垄），以传统旋耕耕作方式（耕作深度15 cm）为对照，如图2 所示。试验机型为广西五丰公司生产的自走式粉垄机，如图3 所示。马铃薯种植模式为起垄、施肥、播种、覆膜。单行种植行距65 cm、株距30 cm，播种密度49 500 穴/hm2；双行种植行距55 cm、株距40 cm，播种密度45 000 穴/hm2。试验品种为青薯9 号、冀张薯12 号原种，用种量1 800 kg/hm2，种植深度 15~20 cm。

图2 马铃薯粉垄与对照示意图

图3 自走式粉垄机

观测计算单株结薯数、单株薯质量、商品薯率和烂薯率，统计马铃薯增产情况。具体方法：在每个示范村随机抽取10 块示范田进行测产, 每块田内取1个样方,采用梅花点五点取样法；在每个样方连续采挖5 株马铃薯，称其单株薯质量，然后记录样方株数、单株结薯数、单株薯质量、商品薯、烂薯病薯以及青头薯；按理论产量（kg/hm2）=株数（株/hm2）×单株薯质量（kg/株），实测产量（kg/hm2）=理论产量（kg/hm2）×85%进行计算，烂薯、病薯以及青头薯不计入产量。

3 结果与分析

3.1 粉垄耕作对马铃薯品质的影响

2019 年9 月20—25 日在西吉县新营乡白城村马铃薯种植示范点对马铃薯品质进行调查、测定，经统计学处理，结果如表1 所示。平均单株结薯数大小依次为2019 年粉垄地块、传统耕作地块、2018 年粉垄地块，2019 年粉垄地块平均单株结薯数较传统耕作地块提高了4.67%；平均单株薯质量大小依次为2019 年粉垄地块、2018 年粉垄地块、传统耕作地块，2019 年粉垄地块和2018 年粉垄地块平均单株薯质量较传统耕作地块分别提高29.52%和11.00%；平均商品薯率大小依次为传统耕作地块、2019 年粉垄地块、2018 年粉垄地块；平均烂薯率大小依次为传统耕作地块、2019 年粉垄地块、2018 年粉垄地块，2019 年粉垄地块和2018 年粉垄地块平均烂薯率较传统耕作地块分别减少0.10%和2.46%。

3.2 粉垄耕作对马铃薯产量的影响

2018—2019 年马铃薯粉垄实施面积及实施效果如表2 所示。 西吉县新营乡白城村两年的粉垄实施面积总共为11.54 hm2，2018 年粉垄产量和2019年粉垄产量较传统耕作产量分别增加24.84%和22.91%；原州区张易镇毛庄村两年的粉垄实施面积总共为4.18 hm2，2018 年粉垄产量和2019 年粉垄产量较传统耕作产量分别增加27.30%和10.53%；海原县关庄乡高台村两年的粉垄实施面积总共为3.68 hm2，2018 年粉垄产量和2019 年粉垄产量较传统耕作产量分别增加35.49%和5.60%。

表1 马铃薯品质测量结果

表2 2018—2019 年马铃薯粉垄实施面积及效果

4 讨论

本次试验中，2018 年粉垄地块（去年粉垄）和2019 年粉垄地块（当年粉垄）平均单株结薯数较传统耕作地块变化不大，但粉垄地块的平均单株薯质量较传统耕作地块明显增加，且当年粉垄地块较去年粉垄地块增幅更高，马铃薯的实际品质得到了提升。粉垄地块的商品薯率小于传统耕作地块，但粉垄后商品薯率在逐年增加，以后有望超过传统耕作地块。粉垄地块的马铃薯烂薯率小于传统耕作地块，其中去年粉垄地块最低，当年因雨水较多，烂薯率增加。

各示范点粉垄耕作两年的马铃薯产量较传统耕作均有增加，说明粉垄耕作确实能提高马铃薯产量；最高增产35.49%，去年粉垄地块平均增产28.32%，当年粉垄地块平均增产12.90%，增产效果明显；当年因雨水较多，增产效果有所降低。

5 结论

1）与传统旋耕相比，粉垄耕作能够一次性完成深耕深松整地作业，激活犁底层且不乱土层，提高耕整地作业效率。

2）粉垄耕作后，马铃薯单株薯质量增加，商品薯率减小但有逐年增加趋势，烂薯率减小，马铃薯品质提升。

3）粉垄耕作可增加马铃薯产量且增产效果显著。

4）粉垄耕作可提升马铃薯品质和产量，在宁夏马铃薯种植上有一定的推广价值。