秸稈帶狀溝覆壟播對旱地馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的影響

陳玉章 田慧慧 李亞偉 柴雨葳 李 瑞 程宏波 常 磊 柴守璽,*

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秸稈帶狀溝覆壟播對旱地馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的影響

陳玉章1,2田慧慧1李亞偉1柴雨葳1李 瑞1程宏波3常 磊1柴守璽1,*

1甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院 / 甘肅省干旱生境作物學重點實驗室, 甘肅蘭州 730070;2畢節(jié)市農(nóng)業(yè)科學研究所, 貴州畢節(jié) 551700;3甘肅農(nóng)業(yè)大學生命科學與技術(shù)學院 / 甘肅省干旱生境作物學重點實驗室, 甘肅蘭州 730070

為探明西北半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)馬鈴薯(L)生產(chǎn)中溝壟不同覆蓋種植方式的增產(chǎn)效果和水分利用特點, 在2016年和2017年設(shè)置了大田試驗, 包括秸稈帶狀溝覆寬壟種植、秸稈帶狀溝覆微壟種植、全覆膜溝壟種植和露地平作4個處理。結(jié)果表明, 在干旱年份(2016年), 溝壟覆蓋種植可顯著降低馬鈴薯全生育期耗水量6.1%~13.2%, 平均提高塊莖形成期1.2~1.8 m土層含水量7.6%, 全覆膜溝壟作可顯著提高淀粉積累期0~0.2 m土壤含水量30.3%。在平水年份(2017年), 除全覆膜溝壟種植顯著降低馬鈴薯全生育期耗水量22.2%外, 其余處理與露地平作無顯著差異; 溝壟覆蓋種植0~2 m土壤含水量在馬鈴薯塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉積累期分別平均比露地平作高8.7%、13.0%和13.1%。與露地平作相比, 2個生長季溝壟覆蓋種植可使馬鈴薯全生育期0~2 m土壤平均貯水量提高5.4%~15.5%, 單株生物量增加12.8%~147.4%, 成熟期株高增加21.1~39.7 cm, 進而馬鈴薯增產(chǎn)51.6%~88.2%, 水分利用效率提高68.2%~111.7%。以玉米秸稈帶狀溝覆微壟種植增產(chǎn)增效最顯著, 2年平均產(chǎn)量、水分利用效率和純經(jīng)濟收益分別較露地平作提高87.8%、97.5%和254.2%。因此, 玉米秸稈帶狀溝覆微壟種植能顯著提高馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率。此外, 與全覆膜溝壟種植相比, 秸稈帶狀溝覆微壟種植具有操作簡單、無污染、投入產(chǎn)出比高等優(yōu)點, 適宜在西北半干旱區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)中應(yīng)用。

溝壟作; 覆膜; 秸稈帶狀溝覆; 旱作馬鈴薯; 產(chǎn)量; 水分利用效率

水分不足是干旱半干旱地區(qū)作物生長發(fā)育最主要的限制因子, 提高水分利用效率是該區(qū)作物增產(chǎn)的關(guān)鍵[1]。西北黃土高原旱作區(qū)是中國馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)之一, 該區(qū)占全國馬鈴薯總播種面積的36%[2], 年降水量200~700 mm, 且60%以上集中在5月至9月[3], 與該區(qū)馬鈴薯生長需水期高度吻合。但該區(qū)土壤蒸發(fā)強烈, 微效、無效降水次數(shù)多, 且時空分布極為不均, 導致馬鈴薯生長遭受嚴重的季節(jié)性干旱脅迫, 限制了該區(qū)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展?？梢? 在土壤水分易失、多變的條件下, 如何充分利用有限的自然降水, 降低土壤水分蒸發(fā), 提高土壤貯水是該區(qū)旱作節(jié)水保墑技術(shù)的重點。

全覆膜溝壟種植技術(shù)是該區(qū)廣泛使用的一種田間高效集水技術(shù), 該技術(shù)是在田間修筑交替的溝壟, 壟面覆蓋地膜, 壟上或溝內(nèi)種植作物[4-5]。該技術(shù)可顯著提高作物產(chǎn)量和水分利用效率, 已在中國北方旱區(qū)及世界其他相似地區(qū)廣泛使用[1,6-8]。研究表明, 在溝壟覆蓋種植系統(tǒng)中, 黑膜較白膜覆蓋能降低土壤溫度, 抑制雜草[9-11], 降低綠薯比例, 提高馬鈴薯塊莖維生素C、淀粉比重及粗蛋白含量等內(nèi)在品質(zhì)[12], 黑膜覆蓋較露地種植顯著提高土壤含水量3.2個百分點, 增產(chǎn)13.6%~64.5%, 提高水分利用效率24.1%~69.5%[13]。全覆膜溝壟種植能使馬鈴薯塊莖生長期(7月至9月)的高溫雨季土壤溫度和濕度顯著增加, 進而誘發(fā)馬鈴薯主要病害晚疫病大面積爆發(fā)[14-15]。全覆膜溝壟種植在大幅提高糧食產(chǎn)量的同時, 也生產(chǎn)了大量的作物秸稈, 特別是玉米秸稈, 僅甘肅省溝壟覆蓋種植玉米面積就高達87余萬公頃, 秸稈資源化利用問題也受到社會各界的廣泛關(guān)注[16-17]。此外, 地膜使用量的增加引起了嚴重的環(huán)境問題[18-20], 這與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中“清潔生產(chǎn)”等理念不符。為克服西北半干旱區(qū)地膜污染和馬鈴薯關(guān)鍵生育期高溫高濕生境的危害, 充分利用玉米秸稈資源, 本研究團隊經(jīng)過近十年的試驗探索, 創(chuàng)建了玉米秸稈帶狀覆蓋種植新技術(shù), 該技術(shù)是利用玉米秸稈整稈局部覆蓋, 分秸稈覆蓋帶和作物種植帶(無覆蓋), 兩帶相間排列[21-22]。之前的研究表明, 秸稈帶狀覆蓋平作可使馬鈴薯增產(chǎn)10.5%~ 34.2%, 水分利用效率提高8.9%~29.8%, 且在干旱年份顯著高于溝壟黑膜覆蓋[23], 秸稈帶狀溝覆壟播與秸稈帶狀平作種植在產(chǎn)量上無顯著差異[24], 但秸稈帶狀溝覆種植更適宜于機械作業(yè), 可大大降低勞動強度。因此, 本研究在之前研究的基礎(chǔ)上設(shè)置了3種覆蓋處理, 以傳統(tǒng)無覆蓋平作種植為對照, 系統(tǒng)研究了不同溝壟覆蓋種植方式下馬鈴薯的增產(chǎn)效應(yīng)及其水分利用效率特點, 旨在探索這種方法在生產(chǎn)中的意義, 為合理地應(yīng)用于生產(chǎn)提供技術(shù)支撐與理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

甘肅省定西市通渭縣平襄鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學試驗基地(35°11′N、105°19′E)處中溫帶半干旱區(qū), 為典型半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。海拔1750 m, 年均氣溫7.2℃, 年日照時數(shù)2100~2430 h, 無霜期151 d。常年平均(1975—2015年)降水量390.7 mm, 60%以上集中在6月至9月, 年降水相對變率24%, 年蒸發(fā)量1500 mm, 表現(xiàn)出缺水、多變、易失的特點, 但降水格局基本與馬鈴薯生長季吻合。試驗區(qū)土壤為黃綿土, 0~2 m土層平均容重為1.25 g cm–3, 每0.2 m土層土壤容重變化±0.012 g cm–3, 土壤凋萎系數(shù)7.3%, 飽和含水率24.8%。0~0.2 m耕作層土壤含有機質(zhì)11.72 g kg–1、全氮0.79 g kg–1、速效磷11.63 mg kg–1、速效鉀122.7 mg kg–1、pH 8.5 (2.5∶1.0)。

從圖1可見, 2016年試驗區(qū)馬鈴薯生長季總降水和有效降水(≥5 mm)分別為213.3 mm和147.8 mm, 總降水比常年同期(1975—2015年平均)降水335.7 mm低36.5%, 且馬鈴薯塊莖膨大期的7月中旬至8月中旬基本無降水補充, 馬鈴薯生長遭遇嚴重干旱, 屬干旱年份。2017年試驗區(qū)馬鈴薯生長季總降水和有效降水分別為314.7 mm和249.4 mm, 總降水比常年同期降水低6.3%, 屬平水年份, 8月份之前單次降水量均較大, 且時間分布較均勻, 8月份之后有效降水次數(shù)也較多, 有利于馬鈴薯生長。

1.2 試驗設(shè)計及過程

設(shè)4個處理, 分別為秸稈帶狀溝覆寬壟種植(RFWN)、秸稈帶狀溝覆微壟種植(RFN)、全覆膜溝壟種植(RFB)和露地平作(CK)(圖2), 每處理3次重復, 完全隨機區(qū)組排列。每小區(qū)面積288 m2(長40.0 m × 寬7.2 m), 每小區(qū)穴播12行, 總1597株(5.55萬株hm–2), 播深0.15 m, 株距0.3 m, 穴播后穴孔立即覆土, 相鄰兩行馬鈴薯植株呈“品”字型排列, 各處理行距見圖2。RFWN和RFN處理用玉米秸稈整稈溝內(nèi)覆蓋, 以不見裸地為宜, 玉米秸稈用量為9000 kg hm–2, 約等于當?shù)赜衩捉斩拞挝幻娣e生產(chǎn)量, 馬鈴薯收獲后將經(jīng)過自然腐解的秸稈通過旋耕機打碎就地還田。RFB處理所用黑色地膜幅寬1.2 m, 厚度0.01 mm, 在播種時由穴播機器沿大壟邊緣垂直方向自動切出溝內(nèi)滲水縫。

圖1 2016年和2017年試驗區(qū)馬鈴薯生長季降水分布

圖2 馬鈴薯田間種植示意圖

RFWN: 秸稈帶狀溝覆寬壟種植; RFN: 秸稈帶狀溝覆微壟種植; RFB: 全覆膜溝壟作; CK: 傳統(tǒng)平作無覆蓋。

RFWN: alternating narrow furrows and wide ridges with corn straw strips mulching on furrows and planting in the wide ridges; RFN: alternating micro-ridge-furrows with corn straw strips mulching on furrows and planting in the ridges; RFB: alternating small and large ridges full mulching with black plastic film and planting in the large ridges; CK: traditional-flat planting without mulching.

試驗地前茬均種植春玉米, 2個生長季試驗前均深翻1次(耕深0.3 m), 旋耕2次(耕深0.2 m)。各小區(qū)施純氮150 kg hm–2、純P2O590 kg hm–2, 全部做基肥在深翻整地前一次性施入, 馬鈴薯各生育時期均不再追肥。第1生長季(2016年)施肥整地、覆膜、覆稈時間為2016年4月20日, 馬鈴薯播種和收獲時間分別為2016年4月24日和2016年9月22日; 第2生長季(2017年)施肥整地、覆膜、覆稈時間為2016年9月25日(前茬春玉米收獲后1 d), 冬閑、次年春播, 供試品種為青薯9號, 播種和收獲時間分別為2017年4月20日和2017年10月4日。從馬鈴薯現(xiàn)蕾開始, 采用惡霉靈和甲霜靈300倍水溶液每隔7 d霧噴1次, 2種藥劑交替使用, 防治馬鈴薯主要病害晚疫病。在馬鈴薯播種后, 用有效成分33%的二甲戊靈乳油與水按體積比1∶360混合均勻后霧噴于各處理土表, 封閉殺除雜草幼苗, 后期雜草由人工拔出。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤含水率 用土鉆法取0~2 m土樣, 按0~0.2、0.2~0.4、0.4~0.6、0.6~0.9、0.9~1.2、1.2~1.5、1.5~1.8和1.8~2.0 m共8個土層, 分別于馬鈴薯播種前1 d、出苗期、分枝期、塊莖形成期、塊莖膨大期、淀粉積累期和收獲期在各小區(qū)相鄰行的壟上株間用烘干法測定土壤含水量。各土層含水量的加權(quán)平均值為0~2 m土層土壤平均含水量。

式中, WAMC為0~2 m土壤含水量加權(quán)平均值, GWC為土壤質(zhì)量含水率(%),為土層數(shù)(= 1, 2, …, 8),為土層厚度(= 0.2 m或0.3 m)。

1.3.2 馬鈴薯植株生長指標 在馬鈴薯主要生育期(苗期、分枝期、塊莖形成期、塊莖膨大期和收獲期)隨機取每重復5株, 用烘干法測定馬鈴薯植株地上(莖和葉)、地下部分生物量(塊莖和根)。先在105℃下殺青30 min, 后調(diào)至85℃烘至恒重。在馬鈴薯成熟期測定最終株高, 每小區(qū)隨機測定5株。

1.3.3 土壤貯水量及農(nóng)田耗水量

式中,為土壤貯水量(mm),為土層深度(cm),為土壤容重(g cm–3), GWC為土壤質(zhì)量含水率(%); 10為cm轉(zhuǎn)化為mm的換算系數(shù)。

本試驗區(qū)土層深厚、土壤質(zhì)地均一, 地下水位較深, 不會產(chǎn)生深層滲漏和地下水補給。以下公式適用于計算馬鈴薯生育期農(nóng)田耗水量(ET, mm)。

式中,(mm)為生育期降水量,D(mm)為播種前與收獲后土壤貯水量之差。

1.3.4 產(chǎn)量及水分利用效率 馬鈴薯成熟后, 隨機選取每重復各處理15株考種, 依據(jù)薯重分成大薯(>150 g)、中薯(75~150 g)和小薯(< 75 g), 分別調(diào)查每個等級的馬鈴薯個數(shù)并稱重, 據(jù)此計算商品薯率。商品薯率(%) = (單薯75 g以上產(chǎn)量/總產(chǎn))×100%。馬鈴薯成熟后, 按小區(qū)收獲計產(chǎn), 折算公頃產(chǎn)量。

水分利用效率WUE (kg hm–2mm–1) =/ET

式中,為馬鈴薯塊莖產(chǎn)量(kg hm?2), ET為農(nóng)田耗水量(mm)。

1.3.5 經(jīng)濟效益 成熟期按小區(qū)收獲計產(chǎn)。按當?shù)厥袌鰞r, 馬鈴薯商品薯1.5元kg–1, 非商品薯0.7元kg–1, 總經(jīng)濟收益等于商品薯與非商品薯的經(jīng)濟收益之和。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013整理數(shù)據(jù)和作圖, SPSS 20.0統(tǒng)計分析, 使用最小顯著差異法進行方差分析(<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 溝壟覆蓋種植對0~2 m土壤貯水量的影響

溝壟覆蓋種植馬鈴薯播種至成熟期土壤水分狀況總體高于露地平作(CK)(圖3)。2016年和2017年播種至成熟期, 0~2 m平均貯水量, 溝壟覆蓋處理平均比CK高6.2%和13.3%, 以RFB處理貯水量增加最明顯, RFWN和RFN處理貯水量增加無顯著差異。但不同生育期各處理對土壤貯水量的影響存在明顯差異。在干旱年份(2016年), 各處理土壤貯水量在出苗期達最大值, 以后逐漸降低, 在塊莖膨大期達到最低值, 其原因是馬鈴薯播種至出苗階段降水較多(階段降水量67.2 mm), 而該階段馬鈴薯植株較小, 土壤水分損失主要以土壤蒸發(fā)為主, 各處理土壤水分有所增加。分枝期至淀粉積累期, 植株各項生長指標開始增大, 生長中心從地上部分逐漸轉(zhuǎn)移至地下部分, 耗水量增加, 土壤貯水量降低, 同時在該階段氣溫逐漸升高, 且以微效降水為主(圖2), 植株蒸騰與土壤蒸發(fā)強烈是塊莖膨大期與淀粉積累期各處理0~2 m土層土壤貯水量差異不顯著的主要原因。與CK相比, 在干旱年份(2016年), 溝壟覆蓋處理能明顯提高馬鈴薯苗期和分枝期0~2 m土層土壤貯水量。在苗期和分枝期, 溝壟覆蓋處理0~2 m土壤貯水量分別平均比CK高11.6%和6.9%。在塊莖形成期, 除RFN處理0~2 m土壤貯水量比CK顯著高11.4%外, RFWN和RFB處理與CK無顯著差異。在成熟期, 溝壟覆蓋處理0~2 m土層土壤貯水平均較CK高9.0%, 增幅以RFB最大, RFWN最小, 主要原因是該生育時期馬鈴薯植株已基本衰老, 土壤貯水量的差異主要由不同覆蓋方式對降水的蓄積效果引起。此外, 在干旱年份(2016年), 馬鈴薯苗期全覆膜溝壟作處理的土壤貯水量顯著高于秸稈帶狀覆蓋, 主要原因是苗期馬鈴薯植株較小, 土壤水分散失以土壤蒸發(fā)為主, 而全覆膜溝壟作是全封閉式覆蓋, 可完全阻止土壤水分蒸發(fā), 而秸稈帶狀溝覆是半封閉式覆蓋, 其土壤蒸發(fā)明顯大于全覆膜溝壟作。在平水年份(2017年), 各處理經(jīng)過冬閑期蓄水保墑, 播種期溝壟覆蓋處理土壤貯水量顯著高于CK, 同時在馬鈴薯生長季內(nèi), 降水分布均勻, 有效降水次數(shù)多(圖2), 各處理不同生育期土壤貯水量均在塊莖形成期達最低值, 在淀粉積累期達最高值, 主要原因是2017年7月中旬塊莖形成階段雨量較小(階段降雨僅0.3 mm), 而馬鈴薯塊莖形成期是耗水盛期, 耗水量較大。淀粉積累期雨量較大(階段降雨80.8 mm), 但淀粉積累期植株已開始衰老, 植株蒸騰耗水減弱, 各處理土壤貯水有所增加。與CK相比, 在平水年份(2017年), 溝壟覆蓋種植普遍能顯著提高馬鈴薯各生育時期土壤貯水量, 3個覆蓋處理在不同生育期0~2 m土層土壤貯水量平均比CK高8.0%~ 29.2%, 其中RFWN、RFN、RFB處理分別比CK高5.4%~31.4%、6.7%~11.9%和9.3%~46.8%。2個生長季, 溝壟覆蓋處理的增墑效果總體表現(xiàn)為生長后期(淀粉積累至成熟期)>生長中期(分枝至塊莖膨大期)>生長前期(播種至出苗期)。

圖3 不同處理馬鈴薯各生育時期的土壤貯水量動態(tài)

SW: 播種期; SD: 苗期; BR: 分枝期; TI: 塊莖形成期; TB: 塊莖膨大期; SA: 淀粉積累期; MT: 成熟期。處理代號見圖2。誤差線表示平均值的標準誤(= 3)。標明不同小寫字母的柱值表示各處理的平均值(= 3)在< 0.05水平上差異顯著。

SW: sowing; SD: seedling; BR: branching; TI: tuber initiation; TB: tuber bulking; SA: starch accumulation; MT: maturity. Treatments are as these described in Fig. 2. Error bars indicate the standard error for each date point (= 3). Mean value (= 3) columns at each growth stage indicated with different lowercase letters are significant by different at< 0.05.

比較各處理0~2 m土層土壤貯水量在各生育時期間的差異。在干旱年份(2016年), 各處理0~2 m土層土壤貯水量差異在苗期最大, 塊莖膨大期最小。2016年馬鈴薯苗期和塊莖膨大期處理間極差分別為55.7 mm (RFB與CK間)和8.1 mm (CK與RFWN間), 處理間變異系數(shù)分別為6.1%和1.5%, 其余各生育時期處理間極差和變異系數(shù)分別為10.6~33.8 mm和1.8%~4.9%。在平水年份(2017年), 各處理0~2 m土層土壤貯水量差異在成熟期最大, 塊莖形成期最小。2017年馬鈴薯成熟期和塊莖形成期處理間極差分別為120.8 mm (RFB與CK間)和28.5 mm (RFN與CK間), 處理間變異系數(shù)分別為17.4%和4.5%。其余各生育時期處理間極差和變異系數(shù)分別為34.9~50.4 mm和4.6%~6.3%。

比較各處理0~2 m土層土壤貯水量生育時期間的變異系數(shù), 干旱年份(2016年)為RFB (17.0%) > RFWN (15.4%) > RFN (14.4%) > CK (12.7%), 平水年份為RFN (12.0%) > CK (10.8%) > RFWN (9.6%) > RFB (9.3%)。可見, 在干旱年份, 覆蓋處理加劇了土壤貯水波動, 供水穩(wěn)定性不如露地平作, 在平水年份, 除RFN加劇了土壤貯水波動以外, RFWN和RFB均降低了土壤貯水波動, 供水穩(wěn)定性好于露地平作和全覆膜溝壟作。

兩年試驗結(jié)果表明, 在馬鈴薯生長前期和后期土壤貯水量的變化主要受降水和土壤蒸發(fā)的影響; 分枝期至淀粉積累期, 馬鈴薯各項生長指標迅速增加, 作物耗水增加, 生長速率加快, 用于作物生產(chǎn)性蒸騰耗水較多, 同時由于冠層的蔭蔽效果, 土壤蒸發(fā)減弱。因此, 在該階段若無大量有效降水補充(2016年), 溝壟覆蓋處理與露地平作土壤貯水量差異不顯著; 反之(2017年), 溝壟覆蓋處理土壤貯水量普遍顯著高于露地平作。

2.2 溝壟覆蓋種植對馬鈴薯關(guān)鍵生育時期0~2 m土層水分分布的影響

溝壟覆蓋種植對馬鈴薯塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉積累期0~2 m土層剖面水分有顯著影響(圖4)。在干旱年份(2016年), 溝壟覆蓋種植在塊莖形成期的1.2~1.8 m土層平均含水量比CK高7.6%, RFB處理在淀粉積累期的0~0.2 m土層土壤含水量比CK高30.3%; 而在其余各時期各土層, 溝壟覆蓋處理的土壤含水量與CK無顯著差異。降水極少和馬鈴薯生長高耗水是干旱年份各處理0~2 m土壤含水量在馬鈴薯塊莖形成期至淀粉積累期大多數(shù)土層差異不顯著的主要原因。在平水年份(2017年), 溝壟覆蓋種植0~2 m土壤含水量在馬鈴薯塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉積累期分別平均比CK高8.7%、13.0%和13.1%。在塊莖形成期, 由于降水極少(僅0.3 mm), 溝壟覆蓋處理0~0.9 m土壤含水量略高于CK, 而0.9~2.0 m土壤含水量平均比CK高12.7%。在塊莖膨大期, 由于有較大降水補充(階段降水49.9 mm), 溝壟覆蓋處理在0~0.9 m的增墑效果大于0.9~2.0 m。在淀粉積累期, 由于有大量降水(階段降水80.8 mm)補充, RFN和RFB處理在0~0.2 m土壤含水量平均較CK高9.5%; 溝壟覆蓋處理在0.6~1.8 m土壤含水量平均較CK高19.7%, 而0.2~0.6 m和1.8~2.0 m土壤含水量各處理間差異不顯著?？梢? 在極度干旱和作物高耗水條件下, 3個溝壟覆蓋種植與露地平作種植相比, 無明顯保墑效果。

圖4 不同處理對馬鈴薯關(guān)鍵生育期水分垂直分布的影響

處理代號見圖2。PWC: 永久凋萎系數(shù); FWHC: 田間飽和持水量。誤差線表示平均值的標準誤(= 3)。

Treatments are as these described in Fig. 2. PWC: permanent wilting coefficient; FWHC: field water holding capacity. Error bars indicate the standard error for each date point (= 3).

2.3 溝壟覆蓋種植對馬鈴薯干物質(zhì)積累的影響

與CK相比, 2年溝壟覆蓋種植在各生育時期均可明顯增加馬鈴薯單株干物質(zhì)(圖5)。2年溝壟覆蓋種植馬鈴薯從苗期至成熟期單株干物質(zhì)較CK增加12.8%~147.4%。其中RFB處理馬鈴薯苗期至塊莖形成期單株干物質(zhì)始終處于最大值, 平均較CK高92.4%~116.9%, 以分枝期增加幅度最大; 而在塊莖膨大期和成熟期, RFN處理馬鈴薯單株干物質(zhì)始終處于最大值, 分別平均較CK高92.1%和89.9%; RFWN處理在各生育期的單株干物質(zhì)增加幅度始終處于最低值, 在各生育時期分別平均較CK增加34.1%~74.8%, 以塊莖形成期增幅最大。相關(guān)分析表明(表1), 馬鈴薯塊莖產(chǎn)量與苗期干物質(zhì)相關(guān)不顯著(= 0.566), 隨著生育期推進, 相關(guān)性影響逐漸增大(= 0.629*~0.980**)。

圖5 不同處理對馬鈴薯單株干物質(zhì)積累的影響

處理代號見圖2。誤差線表示平均值的標準誤(= 3)。同一生育時期標明不同小寫字母的柱值表示各處理的平均值(= 3)在< 0.05水平上差異顯著。

Treatments are as these described in Fig. 2. Error bars indicate the standard error for each date point (= 3). Mean value (= 3) columns at each growth stage indicated with different lowercase letters are significant by different at< 0.05.

表1 各生育時期馬鈴薯單株干物質(zhì)與產(chǎn)量間的相關(guān)性

*和**分別表示在< 0.05和< 0.01上顯著相關(guān)。

*and**indicate significance of correlation at< 0.05 and< 0.01, respectively.

2.4 溝壟覆蓋種植對馬鈴薯農(nóng)田耗水量、株高、產(chǎn)量及水分利用效率的影響

由圖6-A可見, 在干旱年份(2016年), 溝壟覆蓋種植顯著降低了農(nóng)田耗水量, 平均較CK低10.3%, 降低幅度以RFB最大(13.2%), RFWN最小(6.1%), 而平水年份(2017年), 除RFB的農(nóng)田耗水量比CK顯著低22.2%外, RFWN和RFN處理與CK差異不顯著。3種溝壟覆蓋方式間比較可見, 玉米秸稈帶狀溝覆壟播種植的農(nóng)田耗水量普遍高于全覆膜溝壟作, 2個生長季平均較全覆膜溝壟種植高16.6%。

溝壟覆蓋種植可顯著增加馬鈴薯成熟期株高、塊莖產(chǎn)量和水分利用效率(圖6-B~D)。溝壟覆蓋種植較CK增產(chǎn)57.9%~86.5% (2016年)和51.6%~88.2% (2017年), 提高水分利用效率68.2%~111.7% (2016年)和83.4%~95.0% (2017年), 增加成熟期株高21.1~30.4 cm (2016年)和30.0~39.7 cm (2017年)。RFN處理的塊莖產(chǎn)量、水分利用效率和成熟期株高始終處于最高或較高值。相關(guān)分析表明(表2), 產(chǎn)量與株高(= 0.990**)和水分利用效率(= 0.927**)均呈極顯著正相關(guān), 與耗水量(=-0.324)相關(guān)不顯著。

圖6 不同處理對馬鈴薯耗水量、成熟期株高、產(chǎn)量和水分利用效率的影響

處理代號見圖2。誤差線表示平均值的標準誤(= 3)。同一生長季標明不同小寫字母的柱值表示各處理的平均值(= 3)在< 0.05水平上差異顯著。

Treatments are as these described in Fig. 2. Error bars indicate the standard error for each date point (= 3). Mean value (= 3) columns within each growing season indicated with by different lowercase letters are significant by different at< 0.05.

表2 馬鈴薯主要農(nóng)藝性狀、水分利用效率與產(chǎn)量間的相關(guān)性

*和**分別表示在< 0.05和< 0.01上顯著相關(guān)。

*and**indicate significance of correlation at< 0.05 and< 0.01, respectively.

2.5 不同溝壟覆蓋種植對馬鈴薯產(chǎn)量性狀的影響

收獲時對各處理馬鈴薯塊莖數(shù)及各級薯重(15株樣品)測定統(tǒng)計如表3, 可見溝壟覆蓋各處理對馬鈴薯產(chǎn)量性狀有顯著影響。溝壟覆蓋種植明顯提高馬鈴薯單株薯重、單株結(jié)薯數(shù)、商品薯率和大薯率, 2年分別平均比CK高78.7%、23.8%、20.5%和305.8%。其中RFN處理的馬鈴薯單株結(jié)薯數(shù)、單株薯重、商品薯率和大薯率均處于最高(<0.05)或較高值(>0.05)。在干旱年份(2016年), 與CK相比, 溝壟覆蓋處理馬鈴薯中薯率平均顯著(<0.05)降低63.5%, 小薯率平均顯著(<0.05)提高3.2%。在平水年份(2017年), 除RFN處理顯著提高中薯率13.5%以外, 其余處理與CK差異不顯著。與CK相比, 2017年2個秸稈帶狀溝壟作種植平均顯著降低小薯率41.4%, 而全覆膜溝壟作小薯率與CK無顯著差異。

相關(guān)分析表明(表2), 馬鈴薯產(chǎn)量與單株薯重(= 0.999**)、單株結(jié)薯數(shù)(= 0.954**)及大薯率(= 0.889**)均呈極顯著正相關(guān), 與小薯率(=-0.732**)呈極顯著負相關(guān), 與中薯率(=-0.554)相關(guān)不顯著?？梢? 溝壟覆蓋種植馬鈴薯增產(chǎn)主要是通過提高馬鈴薯單株結(jié)薯數(shù)、單株薯重和大薯率, 降低小薯率來實現(xiàn)。

2.6 溝壟覆蓋種植對經(jīng)濟效益的影響

溝壟覆蓋種植的經(jīng)濟效益明顯高于露地平作(表4), 干旱年份(2016年), RFWN、RFN和RFB分別比CK增加80.7%、166.5%和125.8%; 平水年份(2017年)比CK依次增加295.2%、342.0%和116.1%。同時溝壟覆蓋種植明顯提高了投入產(chǎn)出比, 干旱年份(2016年) RFWN、RFN和RFB分別比CK高43.8%、83.5%和63.2%; 平水年份(2017年)比CK依次高99.4%、115.9%和26.8%。2年各處理的純收益和投入產(chǎn)出比均以RFN處理最高。

3 討論

3.1 溝壟覆蓋種植對土壤水分的影響

溝壟覆蓋種植能有效蓄集雨水, 增加降水入滲, 從而顯著影響旱作農(nóng)田土壤水分環(huán)境[4], 但不同材料覆蓋對土壤水分的影響機制不同。全覆膜溝壟作由于覆膜直接阻斷了土壤水分垂直蒸發(fā)和亂流, 迫使膜下水分橫向運移, 顯著降低土壤水分無效蒸發(fā)和熱量散失[10,25]; 同時覆膜后光滑的壟面具有較強的集雨效果, 可明顯增加微效或無效降水的入滲[26]。秸稈帶狀覆蓋明顯增加了地表粗糙度, 降低了地表裸露面積, 阻止陽光直接照射地表而降低土壤溫度, 從而抑制土壤蒸發(fā), 同時可降低地表徑流[27], 增加降水入滲, 進而改善土壤水分狀況[28-29]。全覆膜溝壟作可有效改善馬鈴薯前期、中期土壤水分狀況[30], 秸稈帶狀覆蓋溝壟作可顯著提高馬鈴薯塊莖生長期土壤貯水[23]。本研究中, 全覆膜溝壟作與玉米秸稈帶狀溝覆壟播均可有效改善馬鈴薯播種至分枝期土壤水分狀況, 但在馬鈴薯塊莖生長期不同降水年型土壤水分狀況差異較大。主要原因是馬鈴薯塊莖生長期(塊莖形成期至淀粉積累期)是馬鈴薯耗水盛期, 在嚴重干旱情況下, 各處理間土壤水分無顯著差異, 這表明在季節(jié)性極端干旱和作物耗水盛期并存條件下, 全覆膜溝壟作和秸稈帶狀溝覆壟播均無明顯保水效果, 這與李榮等[30]在液態(tài)地膜覆蓋上的研究結(jié)果相似。在平水年份, 溝壟覆蓋種植能有效改善馬鈴薯塊莖生長期土壤水分, 全覆膜溝壟種植除分枝期和成熟期增墑幅度顯著高于玉米秸稈帶狀溝覆壟播種植以外, 其余生育期二者的增墑效果無顯著差異, 這表明在平水年份全覆膜溝壟種植與玉米秸稈帶狀溝覆壟播在多數(shù)生育時期都有相似的穩(wěn)定供水能力, 這與本團隊之前的研究結(jié)果一致[23]。此外, 本研究結(jié)果還表明, 秸稈帶狀溝覆寬壟種植在多數(shù)生育時期土壤水分狀況均不如秸稈帶狀溝覆微壟種植, 這可能與地表覆蓋度有關(guān), 前者覆蓋度為41.7%, 后者為50%, 地表裸露面積越小, 土壤水分狀況越好, 這與Qin等[12]在地膜覆蓋上的研究結(jié)果相似。

在干旱年份, 全覆膜溝壟作及秸稈帶狀溝覆壟播平均顯著降低田間耗水量10.3%和提高產(chǎn)量76.0%, 提高水分利用效率96.8%, 可見在干旱年份, 溝壟覆蓋種植主要通過增加作物產(chǎn)量降低農(nóng)田耗水量來提高馬鈴薯水分利用效率。在平水年份, 僅全覆膜溝壟作耗水量比露地平作顯著降低22.0%, 而兩種秸稈帶狀覆蓋農(nóng)田耗水量與露地平作差異不顯著, 但其產(chǎn)量顯著高于露地平作和全覆膜溝壟種植, 平均較露地平作增產(chǎn)82.6%, 較全覆膜溝壟種植增產(chǎn)20.4%, 可見在平水年份秸稈帶狀溝覆壟播通過大幅提高產(chǎn)量, 小幅增加耗水量來提高馬鈴薯水分利用效率, 這與謝軍紅等[30]在全覆膜溝壟種植玉米上的研究結(jié)論一致。此外馬鈴薯的耗水量還受品種熟性、產(chǎn)量水平、栽培措施和氣候因子的影響[1,12,24-25,30]。本研究中, 馬鈴薯耗水量受降水量的影響較大, 生育期降水多, 耗水量相應(yīng)增加, 全覆膜溝壟作由于完全阻止了土壤水分蒸發(fā), 2個生長季耗水量均低于露地平作和秸稈帶狀溝覆壟播, 且在平水年份差異均達顯著水平(<0.05), 這與本研究團隊之前的研究結(jié)論一致[23-24]。

表4 不同處理的經(jīng)濟效益分析

處理代號見圖2。Treatments are as these described in Fig. 2.

3.2 溝壟覆蓋種植對產(chǎn)量和水分利用效率的影響

馬鈴薯的產(chǎn)品器官是塊莖。Haverkort等[31]研究表明, 在理想條件下馬鈴薯塊莖產(chǎn)量可達160 Mg hm–2, 在實際生產(chǎn)中也有超過120 Mg hm–2的情況, 受環(huán)境因素和投入成本的制約, 實際產(chǎn)量一般為理論產(chǎn)量的10%~75%。Monneveux等[32]和Renault 等[33]研究證實, 在雨養(yǎng)條件下, 馬鈴薯單位面積塊莖產(chǎn)量顯著高于其他主要作物, 馬鈴薯每消耗1 m3水能生產(chǎn)23520 kJ能量的食物, 遠高于玉米(16200 kJ)、小麥(9660 kJ)和水稻(8400 kJ)。主要歸因于馬鈴薯塊莖是無性器官, 同時也是地上莖、地下莖和匍匐莖的同源器官, 在出苗后大約20~25 d匍匐莖尖端膨大形成塊莖, 其本質(zhì)上隸屬于營養(yǎng)生長, 地上莖在形態(tài)初步建成后其葉片光合產(chǎn)物即可直接轉(zhuǎn)運至塊莖儲藏而大幅增加光合產(chǎn)物同化率, 可見馬鈴薯塊莖庫容潛力大, 具有無限生長的生理基礎(chǔ)。

在半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū), 水分是限制馬鈴薯產(chǎn)量增加的主要非生物因子[34]。溝壟覆蓋種植技術(shù)是當前西北黃土高原半干旱區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)中廣泛使用的蓄水保墑增產(chǎn)技術(shù)[4]。研究表明[20,23-24,35-36], 在溝壟種植系統(tǒng)中采用全覆膜和秸稈溝覆壟播種植方式均可改善土壤水分狀況而促進作物生長發(fā)育, 最終顯著提高產(chǎn)量、水分利用效率和純經(jīng)濟收益。李輝等[24]研究表明, 黑膜大壟種植、秸稈帶狀平作與壟作均可顯著增加馬鈴薯株高、單株生物量和單株薯產(chǎn)量。本研究得到相似結(jié)論, 2個生長季3種溝壟覆蓋種植方式平均提高馬鈴薯單株生物量76.3%、單株結(jié)薯數(shù)23.8%, 增加成熟期株高28.6 cm, 最終產(chǎn)量和水分利用效率分別平均增加74.2%和93.8%, 均以秸稈帶狀溝覆微壟種植提高幅度最大, 2年塊莖平均產(chǎn)量和水分利用效率分別較露地平作提高87.8%和97.5%。這表明無論是干旱還是平水年份, 秸稈帶狀溝覆微壟種植均有穩(wěn)定的增產(chǎn)效果和較高的水分利用效率。本研究在馬鈴薯上發(fā)現(xiàn), 秸稈帶狀溝覆壟播種植單株生物量在塊莖形成期之前普遍低于全覆膜溝壟作, 而后期單株生物量增加速度較快, 這可能與不同覆蓋方式下溫度變化有關(guān), 有研究表明, 秸稈覆蓋具有降溫效應(yīng), 抑制作物生長, 使玉米等喜溫作物嚴重減產(chǎn)[37]。地膜覆蓋具有增溫效應(yīng), 促進前期發(fā)育, 提高出苗率[1]。但在馬鈴薯生育中后期, 若無降水補充, 覆膜后前期生長的過度耗水, 會造成土壤干旱化程度加深, 有減產(chǎn)風險, 這與謝軍紅等[35]在玉米上的研究結(jié)果一致; 秸稈帶狀溝覆壟播種植由于前期低溫抑制了作物生長, 同時也降低了土壤水分消耗, 中后期氣溫升高后可促進馬鈴薯快速生長, 但本研究尚未涉及不同覆蓋后土壤溫度變化對馬鈴薯生長的影響, 需繼續(xù)深入研究。本研究中, 秸稈帶狀溝覆微壟種植無論是干旱年份還是平水年年份均較其他處理提高了生育后期生物量、增加了株高, 最終顯著提高產(chǎn)量, 這表明秸稈帶狀溝覆微壟種植具有穩(wěn)定而較高的增產(chǎn)效果。

從實際生產(chǎn)角度來講, 在以小農(nóng)戶為主導的甘肅省中部馬鈴薯主產(chǎn)區(qū), 秸稈帶狀溝覆微壟種植技術(shù)依靠現(xiàn)有小型機械即可完成開溝起壟, 采用人工覆蓋秸稈的方式相比人工覆蓋地膜的繁瑣和多人合作的操作更為簡單、方便、快捷, 可大大降低勞動強度, 已獲得廣大小農(nóng)戶的廣泛認可。同時秸稈帶狀覆蓋種植技術(shù)充分利用了廢棄和閑置的秸稈資源, 避免秸稈焚燒引起的環(huán)境污染, 較地膜覆蓋顯著降低投入成本和勞動強度(表4), 與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中“清潔生產(chǎn)”的理念一致[16], 是旱作農(nóng)區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有利技術(shù)。本研究表明, 玉米秸稈帶狀溝覆壟播種植技術(shù)的增墑效應(yīng)在干旱年份與全覆膜溝壟作無顯著差異, 而平水年份顯著低于全覆膜溝壟作, 主要是全覆膜溝壟作在成熟期有較大降水補充時顯著提高了土壤貯水120.8 mm, 導致全生育期土壤平均貯水量顯著提高。秸稈帶狀溝覆微壟種植馬鈴薯產(chǎn)量在干旱年份與全覆膜溝壟種植無顯著差異, 在平水年份顯著高于全覆膜溝壟作, 同時秸稈帶狀溝覆微壟種植由于其穩(wěn)定的供水性能, 有利于塊莖生長, 2個生長季顯著提高了大薯率, 從而顯著提高了商品薯率, 最終明顯提高了純經(jīng)濟收益(表4)。因此, 秸稈帶狀溝覆微壟種植相比全覆膜溝壟種植是一種低成本、操作方便、省力省工的清潔生產(chǎn)技術(shù), 可在西北干旱區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)上廣泛使用。

4 結(jié)論

在干旱年份, 溝壟覆蓋種植能有效改善馬鈴薯播種至分枝期農(nóng)田土壤水分狀況, 但在馬鈴薯塊莖生長期(塊莖形成期至淀粉積累期), 溝壟覆蓋種植馬鈴薯土壤水分狀況無明顯改善, 但馬鈴薯全生育期農(nóng)田耗水量顯著低于露地平作。在平水年份, 溝壟覆蓋種植能有效改善馬鈴薯各生育時期土壤水分狀況, 馬鈴薯全生育期耗水量除全覆膜溝壟種植顯著低于露地平作外, 2個秸稈帶狀溝覆壟播種植耗水量與露地平作無顯著差異。溝壟覆蓋種植能促進馬鈴薯中后期生長發(fā)育, 從而顯著提高馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率。與其他種植方式相比, 2年秸稈帶狀溝覆微壟種植馬鈴薯成熟期單株結(jié)薯數(shù)、株高、生物量、薯重、水分利用效率及產(chǎn)量水平均最高(<0.05)或較高(>0.05)。2年秸稈帶狀溝覆微壟種植馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率分別平均比露地平作高87.8%和97.5%。此外, 秸稈帶狀溝覆微壟種植較全覆膜溝壟種植具有操作簡單、成本低、收益高和無污染等特點。因此認為, 秸稈帶狀溝覆微壟種植是本試驗條件下馬鈴薯生產(chǎn)的最優(yōu)栽培模式, 適宜在西北半干旱秸稈資源豐富地區(qū)推廣應(yīng)用。

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Effects of straw strip mulching on furrows and planting in ridges on water use efficiency and tuber yield in dryland potato

CHEN Yu-Zhang1,2, TIAN Hui-Hui1, LI Ya-Wei1, CHAI Yu-Wei1, LI Rui1, CHENG Hong-Bo3, CHANG Lei1, and CHAI Shou-Xi1,*

1College of Agronomy, Gansu Agricultural University / Gansu Provincial Key Laboratory of Aridland Crop, Lanzhou 730070, Gansu, China;2Bijie Institute of Agricultural Sciences, Bijie 551700, Guizhou, China;3College of Life Science and Technology, Gansu Agricultural University / Gansu Provincial Key Laboratory of Aridland Crop, Lanzhou 730070, Gansu, China

Field experiments were conducted to study the effects of different mulching materials and ridge-furrow widths on potato (L.) growth, tuber yield, soil moisture and water use efficiency in a semiarid rain-fed ecosystem in northwest China in 2016 and 2017. Four treatments were performed: (1) alternating narrow furrows and wide ridges with corn straw strip mulching only on narrow furrows and planting in the wide ridges (RFWN); (2) alternating micro-ridge-furrows with corn straw strip mulching only on furrows and planting in the ridges (RFN); (3) alternating small and large ridges full mulching with black plastic film and planting in the large ridges (RFB), and (4) traditional-flat planting without mulching (CK). Compared with CK, mulching treatments significantly decreased total evapotranspiration by 6.1%-13.2%, increased average soil water content (1.2-1.8 m depth) by 7.6% at tuber initiation stage, and RFB treatment significantly increased soil water content (0-0.2 m) by 30.3% at starch accumulation stage in the dry year of 2016. In the normal precipitation year of 2017, the total evapotranspiration in RFB was 22.2% lower than that in CK, and there was no significant difference in total evapotranspiration observed among the RFWN, RFN and CK treatments. The average soil water content (0-2 m depth) in mulching treatments was 8.7%, 13.0%, and 13.1% higher than that in CK, respectively, at tuber initiation, tuber bulking and starch accumulation stage in 2017. Compared with CK, mulching treatments significantly increased soil water storage (0-2 m), weight of dry matter per plant and final plant height by 5.4%-15.5%, 12.8%-147.4%, and 21.1-39.7 cm, respectively, and thus enhanced tuber yield and water use efficiency by 51.6%-88.2% and 68.2%-111.7% in both years, respectively. The tuber yield, water use efficiency and net income for RFN treatment was the highest increasing on average by 87.8%, 97.5%, and 254.2%, respectively, in both years. In addition, RFN had the advantages of simple operation, the environmentally friendly and the highest input/output ratio compared with the treatment of plastic film mulching. Hence, RFN is the best cultivation model for dryland potato.

ridges-furrows culture; plastic film mulching; straw strip mulching only on furrows; dryland potato; tuber yield; water use efficiency

2018-07-14;

2019-01-12;

2019-02-01.

10.3724/SP.J.1006.2019.84097

柴守璽, E-mail: sxchai@126.com

E-mail: jadayz@163.com

本研究由甘肅省農(nóng)牧廳專項(072-034035)和國家自然科學基金項目(31760373)資助。

This study was supported by the Special Research Project of Agriculture and Animal Husbandry Department of Gansu Province (072-034035) and the National Natural Science Foundation of China (31760373).

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190131.1645.006.html