秋耕覆蓋對土壤水熱肥與馬鈴薯生長的影響分析

侯賢清 李 榮

(寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 銀川 750021)

0 引言

寧夏南部(簡稱“寧南”)半干旱區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依賴天然降水，年降水量300～450 mm，年降水變率大，季節(jié)分配不均，其中60%～70%集中在7—9月，且無效、微效降水日數(shù)多，有效降水利用效率低，水分供應(yīng)不足是制約作物生長的主要因素[1]。旱作農(nóng)業(yè)區(qū)常年進行土壤頻繁翻耕，破壞了土壤團粒結(jié)構(gòu)，作物秸稈全部移走或就地焚燒致使土壤裸露，水熱資源和養(yǎng)分損失嚴(yán)重，加劇了土壤質(zhì)量的下降和生態(tài)環(huán)境的惡化[2]。以少(深松)、免耕為代表的保護性耕作措施通過增加地表覆蓋能有效增強夏秋降水就地入滲、休閑期土壤水分貯蓄，實現(xiàn)了有限降水資源的跨季、跨年利用，同時調(diào)控土壤中的水、肥、氣、熱對作物生長的協(xié)同作用，從而提高作物產(chǎn)量，保護性耕作是解決長期連續(xù)翻耕、旋耕弊病的有效措施[3]。

耕作覆蓋措施可通過耕作蓄水、覆蓋保墑技術(shù)的綜合應(yīng)用，以最大程度降低地表水分蒸發(fā)，優(yōu)化土壤水、熱及養(yǎng)分環(huán)境與作物生長的協(xié)同作用，從而達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的目的[4-5]。耕作方式對土壤溫度的影響主要通過對土壤孔隙度和水分的影響實現(xiàn)，覆蓋措施下土壤水分由不同覆蓋物的保水效果和保溫性質(zhì)共同決定[6]，耕作結(jié)合覆蓋措施會通過影響土壤水分及溫度狀況進而影響土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與含量水平[7]。目前，耕作結(jié)合覆蓋措施在改善土壤水熱環(huán)境方面，已有許多學(xué)者進行了研究。汪可欣等[8]研究表明，覆蓋與壓實結(jié)合耕作方式可調(diào)控播種至出苗期表層土壤溫度，覆蓋降溫效果明顯，壓實處理具有一定增溫作用，淺松壓實覆蓋在改善根區(qū)土壤環(huán)境方面具有一定優(yōu)勢。武淑娜等[9]認(rèn)為，傳統(tǒng)耕作結(jié)合地膜覆蓋在作物生長前期增溫保墑、后期降溫抑蒸，有利于改善土壤水熱環(huán)境，符合大豆生長發(fā)育對環(huán)境的需求。YANG等[10]研究表明，將耕作方式與覆蓋措施相結(jié)合，對改善土壤水熱環(huán)境及作物生長均有積極的作用。然而，在研究耕作覆蓋模式對旱地土壤水、熱和養(yǎng)分環(huán)境與作物生長影響的同時，必須考慮二者的交互效應(yīng)，以確定最有效的耕作覆蓋措施，適應(yīng)旱作區(qū)作物生育期多變的氣候和環(huán)境條件[3]。

馬鈴薯是寧南半干旱區(qū)重要的糧食作物。在馬鈴薯播種期，春旱突出、土壤低溫及含水率、肥力不足，嚴(yán)重影響了馬鈴薯的前期生長[1]。在馬鈴薯生育中后期，常處于伏旱階段，高溫脅迫對馬鈴薯生殖生長極為不利[11]。前茬作物收獲后在休閑期進行耕作結(jié)合覆蓋措施，通過耕作蓄水、覆蓋保墑保溫的協(xié)調(diào)互作，實現(xiàn)休閑期秋雨深蓄、跨季節(jié)利用，以協(xié)調(diào)土壤中的水、肥、氣、熱[7,12]。前人多注重于單一的耕作方式或覆蓋措施對休閑期覆蓋和生育期覆蓋進行研究，將耕作方式與覆蓋措施及休閑期和生育期覆蓋相結(jié)合的系統(tǒng)研究較少。本研究以“秋雨春用、春墑秋?！睘槟繕?biāo)，在秋作物收獲后將耕作方式和覆蓋措施集成在同一馬鈴薯栽培模式中，探討耕作方式、覆蓋措施及二者交互作用對土壤水分、溫度、養(yǎng)分及馬鈴薯生長的影響，同步優(yōu)化農(nóng)田水、熱、肥特性，提高馬鈴薯生長的水熱、養(yǎng)分需求與農(nóng)藝調(diào)控效應(yīng)間的吻合度，以期明確適合寧南半干旱區(qū)土壤蓄墑?wù){(diào)溫保肥和穩(wěn)產(chǎn)高效的耕作覆蓋措施，為該區(qū)馬鈴薯的可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2013—2016年在寧夏回族自治區(qū)彭陽縣城陽鄉(xiāng)長城塬旱作農(nóng)業(yè)試驗站實施，研究區(qū)位于寧南旱區(qū)(106°48′E，35°51′N)，海拔1 800 m，年平均降水量430.5 mm，60%～70%降水發(fā)生在7—9月。年平均氣溫8.1℃，無霜期155 d，屬于典型的溫帶半干旱大陸性氣候。該區(qū)光熱資源豐富、晝夜溫差大、氣候冷涼，是馬鈴薯栽培適宜的生態(tài)區(qū)。2013—2014年、2014—2015年和2015—2016年降水總量分別為396.3、463.2、369.0 mm，其中休閑期(10月—次年4月)降水量分別為112.9、131.5、120.6 mm，馬鈴薯生長期(5—9月)降水量分別為283.4、331.7、248.4 mm。根據(jù)40年平均降水量(430.5 mm)和生長期平均降水量(337.8 mm)數(shù)據(jù)，2013—2014年為相對干旱年份，2014—2015年正常年份，2015—2016年為干旱年份。試驗田為旱塬地，土壤質(zhì)地為黃綿土，播種前0～40 cm層土壤有機質(zhì)質(zhì)量比為7.5 g/kg，速效氮、磷、鉀質(zhì)量比分別為58.6、8.4、150.0 mg/kg，屬于低等肥力水平。

1.2 試驗設(shè)計與田間管理

試驗采用雙因素裂區(qū)設(shè)計，設(shè)耕作方式和覆蓋措施兩個因素，主處理為耕作方式，分別為免耕(NT)、深松(ST)、翻耕(PT)3種耕作方式；副處理為覆蓋措施，分別為玉米秸稈覆蓋(SM)、塑料地膜覆蓋(FM)、不覆蓋(NM)3種覆蓋措施，以耕作方式和覆蓋措施設(shè)置交叉處理，共9個處理組合，3次重復(fù)，27個小區(qū)，小區(qū)面積36 m2(4 m×9 m)，隨機區(qū)組排列。

2013年10月初，秋作收獲后清除殘茬及雜草進行耕作處理，然后結(jié)合覆蓋措施。免耕處理：秋作收獲后進行表土處理，結(jié)合覆蓋措施進行休閑，次年4月底穴播馬鈴薯，依次重復(fù)3年。深松處理：秋作收獲后采用可調(diào)冀鏟式深松機，進行間隔深松，耕作深度30～35 cm，間隔40 cm，然后結(jié)合覆蓋措施進行休閑，次年4月底穴播馬鈴薯，依次重復(fù)3年。翻耕處理：秋作收獲后采用鏵式犁耕翻，耕作深度15～20 cm，耕后耙耱各1次，然后結(jié)合覆蓋措施進行休閑，次年4月底穴播馬鈴薯，依次重復(fù)3年。

試驗地前茬作物為春玉米，一直采用傳統(tǒng)翻耕，馬鈴薯品種為隴薯3號，采用平作栽培方式，寬窄行種植(寬行60 cm，窄行40 cm)，株距40 cm，全薯作種，穴播后覆土5 cm，種植密度5萬株/hm2。玉米秸稈采用全生育期整稈覆蓋，覆蓋量9 000 kg/hm2，覆蓋厚度5～8 cm；地膜為白色聚乙烯薄膜(寬0.8 m，厚0.008 mm)。試驗期間無灌溉，苗期、現(xiàn)蕾期中耕培土2次，結(jié)合秋耕實行秋施肥，施腐熟農(nóng)家肥(牛糞)30 t/hm2，尿素150 kg/hm2，磷酸二銨150 kg/hm2，硫酸鉀150 kg/hm2，試驗期間人工除草。馬鈴薯分別于2014年4月28日、2015年5月2日和2016年5月4日播種，于2014年10月3日、2015年9月23日和2016年10月2日收獲。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1土壤含水率

在馬鈴薯播種期、現(xiàn)蕾期、塊莖形成期、塊莖膨大期和收獲期作物種植行，采用土鉆取土干燥法測定0～200 cm層土壤含水率，每20 cm為一層，3次重復(fù)。土壤貯水量計算式為

W=10hγa

式中W——土壤貯水量，mm

h——土層深度，cm

γ——土壤容重，g/cm3

a——土壤質(zhì)量含水率，%

1.3.2土壤溫度

在馬鈴薯播種期、現(xiàn)蕾期、塊莖形成期、塊莖膨大期和收獲期，選擇晴天采用曲管溫度計測定08:00—18:00土壤5、10、15、20、25 cm層溫度，每2 h記錄1次讀數(shù)；連續(xù)3 d并取其均值為代表值，平均值作為每個生育時期的土壤溫度。

1.3.3土壤養(yǎng)分含量

2013年試驗處理前及2016年作物收獲后，在種植行內(nèi)用土鉆按5點采樣法分別采集各試驗區(qū)0～20 cm和20～40 cm層混合土樣500 g，裝入自封袋中帶回實驗室風(fēng)干、磨細(xì)，過1 mm和0.25 mm篩用于測定土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量。土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定；土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定；土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定；有效磷含量采用鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用火焰光度法測定。

1.3.4馬鈴薯生長指標(biāo)

在馬鈴薯關(guān)鍵生育期(現(xiàn)蕾期、塊莖形成期、塊莖膨大期)，每重復(fù)區(qū)隨機選取5株測定與作物生長發(fā)育密切相關(guān)的株高、莖粗及地上部生物量。植株株高采用生理株高衡量，為地上莖基部到生長點的距離；主莖粗為近基部最粗處直徑。植株地上部生物量包括地上部莖、葉生物量的總和。干物質(zhì)量在105℃殺青30 min，80℃干燥至質(zhì)量恒定后稱量。

1.3.5馬鈴薯產(chǎn)量

在馬鈴薯收獲期，分小區(qū)進行測產(chǎn)，根據(jù)馬鈴薯商品薯分級標(biāo)準(zhǔn)分別記錄大(單薯質(zhì)量大于150 g)、中(單薯質(zhì)量75～150 g)、小薯(單薯質(zhì)量小于75 g)質(zhì)量，折算產(chǎn)量，并計算其商品薯率。商品薯率為單薯75 g以上的產(chǎn)量占馬鈴薯總產(chǎn)量百分比。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 18.0進行裂區(qū)設(shè)計方差分析，最小顯著差異法(LSD)進行多重比較，Excel 2003繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 秋耕覆蓋對馬鈴薯生育期土壤水分的影響

3年研究期間，耕作方式、覆蓋措施及其交互作用對馬鈴薯播種期0～200 cm層土壤貯水量均有顯著影響，這與休閑期降水量有關(guān)(表1)。2014年不同耕作覆蓋措施下土壤貯水量均較試驗處理前(0～200 cm層基礎(chǔ)貯水量均為450.4 mm)有不同程度的增加。同一覆蓋措施下耕作方式對土壤貯水量的影響不顯著，而同一耕作方式下覆蓋措施可顯著增加土壤貯水量。FM、SM處理土壤蓄水量較NM處理顯著增加7.8%和5.8%。在所有處理組合中，ST×FM處理下土壤貯水量最高，NT×FM處理次之，分別較PT×NM處理顯著提高9.3%和7.6%。2015年和2016年，耕作方式、覆蓋措施及二者交互作用均能顯著影響播種期土壤貯水量。SM和FM處理土壤貯水量分別較NM處理顯著提高16.5%和10.6%。在所有的處理組合中，ST×SM處理平均土壤貯水量最高，NT×SM處理次之，而PT×NM處理最低，分別較PT×NM處理顯著提高19.4%和18.7%?？梢?，耕作方式、覆蓋措施及二者交互作用對馬鈴薯播種期土壤貯水量影響顯著，以NT×SM、ST×SM處理保水效果最佳，其3年平均土壤貯水量分別較PT×NM處理顯著提高14.4%和14.7%。

秋耕覆蓋措施可顯著影響馬鈴薯關(guān)鍵生育期(現(xiàn)蕾期、塊莖形成期和塊莖膨大期)0～200 cm層土壤貯水量，耕作方式對土壤貯水量影響顯著，覆蓋措施、耕作與覆蓋交互作用對土壤貯水量影響極顯著(表1)。馬鈴薯現(xiàn)蕾期，3種耕作方式中ST處理平均土壤貯水量最高，其次為NT處理，PT處理最低。在所有處理組合中，ST×SM處理下平均土壤貯水量最高，而PT×NM處理最低，平均較PT×NM處理顯著提高19.0%。2014年，同一耕作方式下不同覆蓋措施，SM、FM處理土壤貯水量分別顯著高于NM處理22.6%和11.4%。2015年，與NM處理相比，免耕方式下SM、FM處理平均土壤貯水量分別顯著提高13.9%和9.1%，深松方式下分別顯著提高12.0%和7.7%，翻耕方式下分別顯著提高15.0%和12.8%。2016年，F(xiàn)M、SM處理平均土壤貯水量分別較NM顯著提高11.0%和9.4%。塊莖形成期(7月中旬)，作物耗水量增加，各處理下0～200 cm層土壤貯水量急劇下降。3年研究期間，同一耕作方式下SM、FM處理平均土壤貯水量均顯著高于NM。而3種耕作方式中土壤平均貯水量由大到小依次為ST、NT、PT，ST與PT處理間差異顯著。在所有處理組合中，ST×SM處理平均土壤貯水量最高，而PT×NM處理最低，平均較PT×NM顯著提高24.5%。8月中旬—9月初，馬鈴薯進入塊莖膨大期，耗水大幅度增加，且蒸發(fā)強烈，使0～200 cm層土壤貯水量降至最低，3年研究期間，同一耕作方式下SM、FM處理馬鈴薯關(guān)鍵生育期平均土壤貯水量分別顯著高于NM處理17.0%和11.6%，而同一覆蓋措施下ST處理平均土壤貯水量最高，PT處理最低，但處理間差異均不顯著。在所有處理組合中，ST×SM處理平均土壤貯水量較PT×NM處理顯著提高20.7%。

馬鈴薯收獲期0～200 cm層土壤貯水量受覆蓋措施和生育后期降水量的影響較大(表1)。3年研究期間，耕作方式對土壤貯水量的影響不顯著，而覆蓋措施影響極顯著。同一覆蓋措施下不同耕作方式平均土壤貯水量由大到小均表現(xiàn)為ST、PT、NT，而處理間無顯著差異。在同一耕作方式下不同覆蓋措施平均土壤貯水量由大到小依次為FM、SM、NM，與NM處理相比，F(xiàn)M、SM處理分別顯著增加6.4%和4.0%。耕作與覆蓋交互作用對收獲期土壤貯水量影響顯著，在9個處理組合中，ST×SM處理平均土壤貯水量最高，NT×SM處理次之，而PT×NM處理最低，其平均土壤貯水量分別較PT×NM處理顯著提高8.5%和8.0%。

表1 秋耕覆蓋措施下馬鈴薯生育期0～200 cm層土壤貯水量Tab.1 Soil water storage (0～200 cm) in potato growth stage under autumn tillage with mulching practices mm

2.2 秋耕覆蓋對馬鈴薯生育期0～25 cm耕層土壤溫度的影響

各耕作覆蓋處理耕層土壤溫度的季節(jié)或年際動態(tài)均相似，均受生育期氣溫和降水的影響(表2)。

表2 秋耕覆蓋措施下馬鈴薯生育期0～25 cm層土壤溫度Tab.2 Soil temperature (0～25 cm) during potato growth stage under autumn tillage with mulching practices ℃

3年研究期間，耕作方式、覆蓋措施及其交互作用對耕層土壤溫度的影響程度隨生育期的推進而降低。同一覆蓋措施下，ST處理在馬鈴薯生長前期具有明顯的增溫效應(yīng)，后期表現(xiàn)出一定的降溫效應(yīng)，PT處理耕層土壤溫度前期較低、后期較高，而NT處理介于二者之間；同一耕作方式下，F(xiàn)M處理平均土壤溫度始終最高，而SM處理最低。在馬鈴薯播種期，耕作方式、覆蓋措施對耕層土壤溫度的影響極顯著，而耕作與覆蓋交互作用影響顯著。3種耕作方式中，平均耕層土壤溫度以ST處理最高(15.4℃)，均顯著高于NT、PT處理，而NT與PT處理無顯著差異。同一耕作方式下平均耕層土壤溫度，與NM處理相比，F(xiàn)M處理顯著提高3.6℃，而SM處理顯著降低1.4℃。在所有的處理組合中，ST×FM處理平均耕層土壤溫度最高(18.6℃)，而NT×SM處理最低(12.3℃)。在馬鈴薯生長前期(現(xiàn)蕾期)，耕作方式對耕層土壤溫度無顯著影響，而覆蓋措施對耕層土壤溫度影響極顯著(表2)。在同一耕作方式下，與NM處理相比，F(xiàn)M處理平均土壤溫度顯著增加2.6℃，但SM處理顯著降低3.1℃。耕作與覆蓋對耕層土壤溫度的交互作用在2014年和2016年影響顯著，而在2015年影響極顯著。3年研究期間，耕層土壤溫度FM處理顯著高于NM，而SM處理顯著降低。在所有處理組合中，NT×FM處理平均耕層土壤溫度最高(26.3℃)，PT×SM處理最低(19.7℃)。

隨植物冠層的生長，到馬鈴薯生長中期(塊莖形成期)地表遮蔽，耕層土壤溫度各處理間差異逐漸減小(表2)。研究期間3種耕作方式下，與NM處理相比，F(xiàn)M處理平均耕層土壤溫度顯著提高2.5℃，而SM處理顯著降低2.2℃。在2014年和2016年，覆蓋措施、耕作與覆蓋交互作用對耕層土壤溫度有顯著影響，而耕作方式無顯著影響。在2015年，耕作方式、覆蓋措施及其交互作用對耕層土壤溫度均有顯著影響。在生育中后期(塊莖膨大期)，耕作方式下各覆蓋處理耕層土壤溫度差異有所減小，但均達(dá)到極顯著水平(表2)，F(xiàn)M處理較NM處理提高2.1℃，而SM處理降低1.8℃。2014年，耕作方式、覆蓋措施及其二者交互作用對耕層土壤溫度有顯著影響，而在2015年和2016年耕作方式、耕作與覆蓋交互作用均無顯著影響。3年研究期間，PT×FM處理平均耕層土壤溫度最高(21.4℃)，而NT×SM處理最低(16.2℃)。生長后期(收獲期)，耕作方式對耕層土壤溫度有顯著影響，ST處理耕層土壤溫度顯著高于NT、PT處理，而覆蓋措施及耕作與覆蓋交互作用均無顯著影響。在所有處理組合中，ST×FM處理平均耕層土壤溫度最高(15.2℃)，而NT×SM處理最低(14.0℃)。

2.3 秋耕覆蓋對0～40 cm層土壤養(yǎng)分的影響

經(jīng)過3年不同耕作覆蓋處理后，土壤肥力狀況得到不同程度的改善。隨著試驗?zāi)晗薜脑黾樱?016年收獲期各耕作覆蓋處理0～40 cm層各土壤養(yǎng)分指標(biāo)均明顯高于2013年試驗處理前(表3)。耕作方式對土壤有機質(zhì)、全氮含量影響顯著，而覆蓋措施及耕作與覆蓋交互作用影響均呈極顯著水平。同一覆蓋措施下，土壤有機質(zhì)含量由大到小依次為NT、ST、PT，而土壤全氮含量由大到小依次為ST、NT、PT。同一耕作方式下，SM、FM處理土壤平均有機質(zhì)和全氮含量均顯著高于NM處理，SM、FM處理土壤有機質(zhì)含量較NT處理分別提高17.9%和6.3%，土壤全氮含量分別提高23.7%和10.4%。在所有處理組合中，耕層土壤有機質(zhì)和全氮含量均以NT×SM處理最高，而PT×NM處理最低，NT×SM處理平均土壤有機質(zhì)和全氮含量分別較PT×NM處理顯著提高38.3%和23.6%。

耕作方式對土壤堿解氮和速效鉀含量影響極顯著，對土壤有效磷含量影響顯著，而覆蓋措施及耕作與覆蓋交互作用對土壤速效養(yǎng)分各指標(biāo)影響均極顯著。這表明土壤速效養(yǎng)分含量受覆蓋措施和耕作方式影響較大，秋耕覆蓋使土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量均顯著增加。同一覆蓋措施下，土壤堿解氮和速效鉀含量由大到小均表現(xiàn)為ST、NT、PT，而土壤有效磷含量由大到小表現(xiàn)為NT、ST、PT。同一耕作方式下，SM、FM處理土壤速效養(yǎng)分各指標(biāo)均顯著高于NM處理，SM、FM處理土壤堿解氮含量較NT處理分別提高19.2%和13.6%，土壤有效磷含量分別提高19.8%和13.6%，土壤速效鉀含量分別提高21.2%和15.3%。在所有處理組合中，土壤堿解氮和速效鉀含量均為ST×SM處理最高，NT×SM處理土壤有效磷含量最高，而PT×NM處理土壤速效養(yǎng)分各指標(biāo)均最低，ST×SM處理平均土壤堿解氮和速效鉀含量分別較PT×NM處理顯著提高26.6%和27.3%，NT×SM處理土壤有效磷含量較PT×NM處理顯著提高26.2%。

表3 秋耕覆蓋措施下0～40 cm層土壤養(yǎng)分含量Tab.3 Soil nutrient content in 0～40 cm layer under autumn tillage with mulching practices

2.4 秋耕覆蓋對馬鈴薯生長的影響

由表4可知，各處理馬鈴薯關(guān)鍵生育期株高、莖粗的變化均先增加后降低，而馬鈴薯生物量逐漸增加，覆蓋措施對植株株高、莖粗和生物量均有極顯著影響。馬鈴薯現(xiàn)蕾期，2014年和2015年耕作方式對馬鈴薯植株株高、莖粗和生物量影響顯著，覆蓋措施對馬鈴薯生長影響極顯著，而耕作與覆蓋交互作用對馬鈴薯生長影響不顯著。2016年耕作方式、覆蓋措施對馬鈴薯生長指標(biāo)影響極顯著，耕作與覆蓋交互作用對馬鈴薯生長的影響顯著。在所有處理組合中，PT×NM處理下馬鈴薯株高、莖粗和生物量最低，而ST×FM處理對作物生長的促進作用最佳。在塊莖形成期和膨大期，秋耕覆蓋措施對作物植株生長的影響與該生育階段的降雨量有關(guān)。2014年，耕作方式、耕作與覆蓋交互作用對馬鈴薯株高、莖粗的影響均不顯著，而覆蓋措施對馬鈴薯生長的影響極顯著。2015年和2016年，耕作方式、覆蓋措施及其二者交互作用對馬鈴薯株高、莖粗均存在極顯著影響。而3年耕作方式、覆蓋措施及其交互作用對馬鈴薯生物量影響均極顯著。同一耕作方式下馬鈴薯株高、莖粗和生物量均表現(xiàn)為SM和FM相近且大于NM，而同一覆蓋措施下馬鈴薯生長指標(biāo)均表現(xiàn)為ST和NT相近且大于PT。在2014年所有處理組合中，NT×SM處理下馬鈴薯株高、莖粗和生物量均最高，而PT×NM處理最低。而在2015和2016年，ST×SM處理下馬鈴薯株高、莖粗和生物量均最高，而PT×NM處理最低。這表明，免耕、深松結(jié)合秸稈覆蓋措施(NT×SM和ST×SM)能改善馬鈴薯生長前期土壤水熱環(huán)境，有效促進馬鈴薯生育中后期的生長，顯著提高馬鈴薯的地上部生物量。

表4 秋耕覆蓋對馬鈴薯生長指標(biāo)的影響Tab.4 Effects of autumn tillage with mulching on growth indexes of potato

2.5 秋耕覆蓋對馬鈴薯產(chǎn)量性狀的影響及經(jīng)濟效益分析

作物產(chǎn)量不僅與耕作方式和覆蓋措施有關(guān)，還與年降水量及其分布有關(guān)。3年研究期間，秋耕覆蓋措施對馬鈴薯總產(chǎn)量影響有顯著差異，各處理馬鈴薯產(chǎn)量2014年最高，2015年次之，2016年最低(表5)。在所有處理組合中，ST×SM、NT×SM處理3年平均馬鈴薯產(chǎn)量較PT×NM處理顯著提高49.4%和38.3%。2014年，同一耕作方式下覆蓋措施對馬鈴薯總產(chǎn)量無顯著影響，但覆蓋措施、耕作與覆蓋的交互作用對馬鈴薯總產(chǎn)量影響極顯著。在所有處理組合中，NT×SM處理馬鈴薯總產(chǎn)量最高，較PT×NM處理顯著提高51.8%。2015年和2016年，耕作方式、覆蓋措施及其二者交互作用對馬鈴薯總產(chǎn)量有極顯著影響。同一耕作方式下FM和SM處理馬鈴薯平均總產(chǎn)量最高，而NM處理最低。3種耕作方式中，ST處理馬鈴薯平均總產(chǎn)量最高，其次是NT和PT處理。在所有處理組合中，ST×SM處理的馬鈴薯平均總產(chǎn)量最高，較PT×NM處理顯著提高56.2%。

表5 秋耕覆蓋下馬鈴薯產(chǎn)量性狀與經(jīng)濟效益Tab.5 Yield characters and economic benefit of potato under autumn tillage with mulching

耕作方式、覆蓋措施及其二者交互作用均可改善馬鈴薯大薯、中薯和小薯產(chǎn)量，從而顯著提高其商品薯率(表5)。2014年，耕作方式對馬鈴薯大薯產(chǎn)量無顯著影響，而覆蓋措施、耕作與覆蓋交互作用影響極顯著。耕作方式、覆蓋措施及其交互作用對馬鈴薯中薯和小薯產(chǎn)量的影響均呈極顯著水平。2015年，耕作方式對馬鈴薯小薯產(chǎn)量無顯著影響，而覆蓋措施、耕作與覆蓋交互作用影響極顯著。2016年，覆蓋措施對馬鈴薯小薯產(chǎn)量無顯著影響，而耕作方式、耕作與覆蓋交互作用影響極顯著。2015年和2016年，耕作方式、覆蓋措施及其二者交互作用對馬鈴薯大薯和中薯產(chǎn)量影響極顯著。同一耕作方式下大薯、中薯產(chǎn)量由高到低均表現(xiàn)為SM、FM、NM，而小薯產(chǎn)量表現(xiàn)為NM、FM、SM；同一覆蓋措施下馬鈴薯大薯產(chǎn)量由高到低表現(xiàn)為ST、PT、NT，而中薯產(chǎn)量表現(xiàn)為ST、NT、PT，小薯產(chǎn)量表現(xiàn)為PT、NT、ST。在所有處理組合中，大薯平均產(chǎn)量以ST×SM處理最高，中薯平均產(chǎn)量以NT×SM處理最高，小薯平均產(chǎn)量以PT×NM處理最高。ST×SM處理大薯平均產(chǎn)量較PT×NM處理顯著增加84.5%，NT×SM處理中薯平均產(chǎn)量較PT×NM處理顯著增加50.4%。3年試驗期間，耕作方式、覆蓋措施及其交互作用對馬鈴薯商品薯率影響均極顯著。2014年ST×SM處理的商品薯率最高，而2015年和2016年ST×FM處理平均商品薯率最高，其次為ST×SM處理。可見，ST×FM、ST×SM處理對提高馬鈴薯商品薯率效果較優(yōu)，分別較PT×NM處理顯著提高18.4%和16.2%。

由表5可知，因不同耕作覆蓋措施下投入成本存在差異，投入包括種子費、肥料費、人工費及機械耕作費及覆蓋材料費(其中3年平均馬鈴薯種子費為5 760元/hm2；肥料費為1 200元/hm2；人工費為1 200元/hm2；機械耕作費為750元/hm2；地膜為1 050元/hm2，秸稈為750元/hm2；3年馬鈴薯價格分別為0.70、0.85、1.2元/kg)。各處理總投入由高到低依次為ST×FM處理(等于ST×FM處理，9 960元/hm2)、ST×SM處理(等于PT×SM處理，9 660元/hm2)、NT×FM處理(9 210元/hm2)、NT×SM處理(等于ST×SM處理和PT×NM處理，8 910元/hm2)、NT×NM處理(8 160元/hm2)。2014年耕作方式對馬鈴薯純收益有顯著影響，而覆蓋措施、耕作與覆蓋交互作用對馬鈴薯純收益影響極顯著。2015年和2016年耕作方式、覆蓋措施及其二者交互作用對馬鈴薯純收益均有極顯著影響。在所有處理組合中，2014年NT×SM處理的凈收入最高，ST×SM處理次之，而NT×NM處理最低；2015年和2016年，ST×SM處理平均純收益最高，而NT×NM處理最低。綜合3年經(jīng)濟效益分析發(fā)現(xiàn)，ST×SM、NT×SM處理平均純收益較NT×NM處理分別顯著提高129.1%和103.3%。

3 討論

3.1 秋耕覆蓋對馬鈴薯生育期土壤水分的影響

寧南旱作區(qū)秋作物收獲后土壤墑情較好，其次年作物生育期土壤蓄水保墑效果與其耕作方式和覆蓋措施有密切關(guān)系[12]。劉爽等[13]認(rèn)為，休閑期免耕覆蓋和深松覆蓋可增加土壤的蓄水和保水能力，使旱地小麥播前底墑顯著提高。WANG等[14]研究報道，休閑期免耕/深松輪耕結(jié)合覆蓋措施比傳統(tǒng)耕作不覆蓋可維持春玉米播種期0～200 cm層較高的土壤貯水量。本研究結(jié)果表明，3年馬鈴薯播種期，耕作方式、覆蓋措施及其交互作用對提高馬鈴薯播種期土壤蓄水保墑能力效果顯著，以深松秸稈覆蓋處理最高，而翻耕不覆蓋處理土壤貯水量最低，分析其原因：耕作覆蓋措施對作物播種期土壤水分的影響主要依賴于休閑期降雨量和耕作措施[12]，保護性耕作在作物播種前未進行耕作因而減少對土壤的擾動[15]，同時秋季深松耕結(jié)合秸稈覆蓋措施可增加休閑期降水入滲，在春季干旱多風(fēng)天氣下有效降低土壤蒸發(fā)[16]，而傳統(tǒng)耕作頻繁擾動土壤，使土壤水分蒸發(fā)強烈[17]。陳夢楠等[18]研究發(fā)現(xiàn)，休閑期深翻后覆蓋對小麥田0～300 cm層土壤蓄水量的影響從播種至開花期均達(dá)顯著水平，且欠水年更有利于蓄水保墑。付國占等[19]研究認(rèn)為，同一耕作方式下殘茬覆蓋處理在玉米各個時期耕層土壤含水率均高于不覆蓋處理，生長前期差異較小，中期差異最大，后期差異減小。同一覆蓋條件下耕作方式間耕層土壤含水率差異較小，均以深松覆蓋處理最高。本研究結(jié)果表明，秋耕覆蓋措施可顯著改善馬鈴薯關(guān)鍵生育期0～200 cm層土壤貯水量。耕作方式對土壤貯水量影響顯著，覆蓋措施、耕作與覆蓋交互作用影響極顯著，尤其以深松秸稈覆蓋處理改善效果最佳，這是因為休閑期深松可打破犁底層，能夠增加土壤水分入滲，同時秸稈覆蓋可減少土壤水分蒸發(fā)損失，提高深層土壤貯水量，從而促進作物中后期對深層水分的利用[20]。本研究還發(fā)現(xiàn)，耕作方式對馬鈴薯收獲期土壤水分狀況影響較小，而覆蓋措施、耕作與覆蓋交互作用影響顯著，這與YANG等[10]研究結(jié)果相似，其主要原因是耕作措施儲存的土壤水分在作物生育中后期一定程度上被作物消耗[21]，而休閑期覆蓋能顯著增加休閑期降水的蓄積，從而維持生育中后期較高的土壤水分[22]。

3.2 秋耕覆蓋對馬鈴薯生育期土壤溫度的影響

楊雪等[23]研究結(jié)果表明，耕作方式對耕層土壤溫度無顯著影響，而深旋松耕結(jié)合地膜覆蓋在春玉米生長前期低溫時有較好的保溫效應(yīng)，0～25 cm層土壤溫度顯著高于所有耕作不覆蓋處理。趙天武等[24]研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)耕作相比，免耕秸稈覆蓋可降低結(jié)薯期0～25 cm層土壤溫度，降低高溫對馬鈴薯塊莖生長的不利影響。本研究結(jié)果表明，在馬鈴薯播種期，耕作方式、覆蓋措施及其交互作用對0～25 cm耕層土壤溫度影響顯著，但隨生育期的推進其影響程度減小。不同耕作方式中，深松處理在馬鈴薯生長前期具有明顯的增溫效應(yīng)，后期表現(xiàn)出一定的降溫效應(yīng)，翻耕處理耕層土壤溫度前期較低、后期較高，而免耕處理介于二者之間；不同覆蓋措施中地膜覆蓋的保溫效應(yīng)對馬鈴薯生育前期生長有促進作用，但后期高溫不利于塊莖的形成；然而秸稈覆蓋在作物整個生育期具有穩(wěn)溫和降溫效應(yīng)。在所有處理組合中，深松地膜覆蓋處理平均耕層土壤溫度最高，而免耕秸稈覆蓋處理最低。這與HOU等[12]、趙天武等[24]研究結(jié)論“與傳統(tǒng)耕作相比，免耕秸稈覆蓋可降低馬鈴薯關(guān)鍵生育期0～25 cm各土層土壤溫度，降低高溫對馬鈴薯生長的不利影響”一致，究其原因：①免耕條件下作物生長較弱，秸稈覆蓋能阻擋太陽直射，且秸稈表面又吸收大量的熱能[11]。②免耕秸稈覆蓋可改善耕層土壤熱量條件，在增溫階段土壤溫度增幅較小，在降溫階段降幅較大，從而實現(xiàn)穩(wěn)溫和降溫效應(yīng)[25]。

3.3 秋耕覆蓋對土壤養(yǎng)分的影響

不同農(nóng)田耕作覆蓋措施可通過調(diào)節(jié)土壤理化性狀和結(jié)構(gòu)，影響土壤水分含量以及土壤的熱量狀況，進而影響土壤有機質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化與養(yǎng)分含量[7]。晉凡生等[26]報道，免耕覆蓋使土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷等土壤養(yǎng)分均有不同幅度增加，大大改善土壤的生態(tài)環(huán)境。李友軍等[27]研究表明，深松覆蓋秸稈能使土壤有機質(zhì)和氮、磷、鉀含量明顯高于傳統(tǒng)耕作，特別是對上層土壤全氮及堿解氮和深層土壤的有效磷及速效鉀的影響更為明顯。高茂盛等[28]研究發(fā)現(xiàn)，耕作與秸稈覆蓋相結(jié)合可顯著提高0～40 cm層有機質(zhì)含量，使土壤速效養(yǎng)分含量明顯增加，各處理以翻耕秸稈覆蓋及免耕秸稈覆蓋土壤養(yǎng)分含量最高。本研究結(jié)果表明，經(jīng)過3年耕作覆蓋處理后，土壤肥力狀況得到明顯改善。耕作方式對土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷含量影響顯著，對土壤堿解氮和速效鉀含量影響極顯著，而覆蓋措施、耕作與覆蓋交互作用對土壤有機質(zhì)、全氮及速效養(yǎng)分各指標(biāo)影響均極顯著。這表明耕作與覆蓋交互作用可使土壤肥力狀況得到顯著改善，其中以免耕覆蓋秸稈處理效果最佳，深松覆蓋秸稈處理次之，而翻耕不覆蓋處理效果最差。分析其可能原因主要有3方面：①免耕因減少土壤擾動，使深層土壤接觸空氣的機會減少，土壤有機質(zhì)的氧化和礦化減弱，土壤水分蒸發(fā)也減少，而覆蓋于地表的秸稈等有機物料的降解也使土壤養(yǎng)分含量增加[29]。②深松能夠改善土壤的通透性，促進土壤中有機物的腐殖化過程，使土壤有機質(zhì)含量提高，而秸稈中含有大量有機物質(zhì)，覆蓋后可顯著增加土壤有機質(zhì)含量，提高土壤養(yǎng)分含量[3]。③翻耕頻繁擾動土壤加速了土壤有機質(zhì)的分解，而地表土壤非但無秸稈的輸入，有機質(zhì)的持續(xù)礦化及淋失降低了土壤有機質(zhì)含量及養(yǎng)分水平[30]。

3.4 秋耕覆蓋對馬鈴薯生長及產(chǎn)量的影響

在馬鈴薯關(guān)鍵生長期，適宜的土壤水熱條件更有利于馬鈴薯生長發(fā)育，最終影響產(chǎn)量的形成[31]。已有研究證明，免耕秸稈覆蓋可顯著改善土壤水分條件，但由于地表大量秸稈覆蓋，導(dǎo)致早春地溫較低使作物前期生長緩慢，低溫導(dǎo)致減產(chǎn)[32]；在高溫季節(jié)，單一的地膜覆蓋往往造成作物根區(qū)極端高溫，導(dǎo)致作物發(fā)生早衰現(xiàn)象，從而影響產(chǎn)量[33]。趙天武等[24]研究表明，免耕覆蓋能明顯改善0～80 cm層土壤貯水量，降低馬鈴薯結(jié)薯層土壤溫度，從而有利于塊莖的生長。李榮等[16]研究發(fā)現(xiàn)，深松結(jié)合不同地表覆蓋方式對馬鈴薯生長有顯著促進作用。作物生育前期以深松地膜覆蓋處理效果最佳，中后期以深松秸稈覆蓋處理促進作用明顯。本研究結(jié)果表明，耕作方式對馬鈴薯生長的影響程度較小，而覆蓋措施、耕作與覆蓋交互作用對馬鈴薯生長影響極顯著。免耕秸稈覆蓋、深松秸稈覆蓋措施均能改善馬鈴薯生長前期土壤水熱環(huán)境，有效促進生育中后期的生長。這是因為深松耕在作物生長前期具有明顯的增溫效應(yīng)，后期表現(xiàn)出一定的降溫效應(yīng)，而翻耕處理土壤溫度在作物生長前期較低后期較高，這不利于馬鈴薯生長發(fā)育[21]，同時秸稈覆蓋措施下馬鈴薯生長關(guān)鍵期根際土壤水熱條件較好，實現(xiàn)了水熱環(huán)境對馬鈴薯生長的協(xié)同作用，這有利于中后期生長和塊莖的形成[31,34]。

PERVAIZ等[35]認(rèn)為，耕作方式對玉米產(chǎn)量無顯著影響，而覆蓋措施、耕作與覆蓋交互作用對玉米產(chǎn)量影響顯著。GUPTA等[36]發(fā)現(xiàn)，耕作方式、耕作與覆蓋交互作用對前2年小麥產(chǎn)量影響顯著，但第3年免耕秸稈覆蓋下小麥產(chǎn)量均低于傳統(tǒng)耕作。黃明等[37]研究表明，免耕覆蓋能改善小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素(有效穗數(shù)和千粒質(zhì)量)，從而提高小麥產(chǎn)量。郭書亞等[38]認(rèn)為，深松覆蓋可通過改善玉米穗行數(shù)、行粒數(shù)、千粒質(zhì)量來提高玉米籽粒產(chǎn)量。在本研究中，耕作方式、覆蓋措施及其二者交互作用均可改善馬鈴薯產(chǎn)量構(gòu)成，從而極顯著提高馬鈴薯總產(chǎn)量和商品薯率，尤其以深松秸稈覆蓋處理最為顯著。究其原因：秋季深松能積蓄更多秋雨實現(xiàn)秋雨春用[16,39]，同時秸稈覆蓋下較好的水分條件在一定程度上彌補低溫對馬鈴薯生育前期生長的影響，且能降低中后期高溫脅迫對塊莖生長的不利，從而顯著提高馬鈴薯產(chǎn)量和商品薯率[11,24]。然而，旱作馬鈴薯產(chǎn)量受降雨年型的影響波動較大，在極端年型也存在減產(chǎn)現(xiàn)象，鑒于本研究期間僅為平水年和欠水年，而豐水年秋耕覆蓋對馬鈴薯生長及產(chǎn)量影響還有待進一步深入研究。保護性耕作措施(免耕、深松及少耕結(jié)合覆蓋)在提高資源利用率和糧食增產(chǎn)增收方面均具有明顯優(yōu)勢[2，40]。王育紅等[41]研究表明，在豫西旱坡地實施保護性耕作措施具有明顯的節(jié)本增效效果，深松覆蓋和免耕覆蓋分別節(jié)本412元/hm2和562元/hm2，凈增效益888元/hm2和763元/hm2。本研究發(fā)現(xiàn)，免耕或深松結(jié)合秸稈覆蓋措施下馬鈴薯純收益最高，免耕、深松結(jié)合地膜覆蓋次之，但從馬鈴薯增產(chǎn)增效和環(huán)境保護角度考慮，免耕、深松結(jié)合秸稈覆蓋措施能在寧南旱作區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)中具有一定的推廣應(yīng)用價值，這是因為保護性耕作結(jié)合秸稈覆蓋在實現(xiàn)增產(chǎn)增效的同時也有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，但保護性耕作結(jié)合地膜覆蓋措施在實現(xiàn)增產(chǎn)增效的同時，其廢舊殘膜易造成環(huán)境污染，這嚴(yán)重限制馬鈴薯的可持續(xù)生產(chǎn)。

4 結(jié)束語

秋耕覆蓋措施可顯著改善馬鈴薯生育期土壤水、熱和養(yǎng)分狀況，優(yōu)化耕層水、熱和養(yǎng)分環(huán)境對馬鈴薯生長的協(xié)同作用，從而有利于塊莖產(chǎn)量的提高，其中以免耕、深松結(jié)合秸稈覆蓋處理最為顯著。耕作方式、覆蓋措施及其二者交互作用均能顯著影響馬鈴薯生育前期、中期的土壤溫度環(huán)境，而對后期影響較小。經(jīng)過3年秋耕覆蓋后，耕作與覆蓋交互作用可使土壤養(yǎng)分狀況明顯改善，其中以免耕、深松結(jié)合秸稈覆蓋處理效果最佳，而翻耕不覆蓋處理效果最差。3種耕作方式下，秸稈覆蓋較地膜覆蓋處理在改善馬鈴薯關(guān)鍵生育期土壤水熱環(huán)境、促進中后期馬鈴薯生殖生長和提高馬鈴薯產(chǎn)量方面效果更為顯著。在所有耕作覆蓋處理組合中，免耕秸稈覆蓋和深松秸稈覆蓋處理下馬鈴薯總產(chǎn)量和凈收益最高，深松秸稈覆蓋和深松地膜覆蓋處理對提高商品薯率效果較好。因此，綜合考慮經(jīng)濟、環(huán)境效益等因素，秋季免耕秸稈覆蓋或深松秸稈覆蓋措施在調(diào)控土壤水、熱和養(yǎng)分環(huán)境，提高馬鈴薯總產(chǎn)量等方面具有顯著優(yōu)勢，在寧南半干旱區(qū)有推廣應(yīng)用前景。