不同覆蓋方式對(duì)旱作馬鈴薯生長(zhǎng)及土壤水熱特征的影響

普雪可，吳春花，勉有明，苗芳芳，侯賢清，李榮

（寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750021）

0 引言

【研究意義】降水不足是制約中國(guó)西北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力提高的主要因素之一，尤其在西北黃土高原半干旱雨養(yǎng)區(qū)，多以無(wú)效或微效降水為主，幾乎不能蓄存于土壤中被作物利用[1]。馬鈴薯對(duì)土壤水分虧缺和溫度變化狀況較為敏感，特別是生育前期春寒和春旱并發(fā)，嚴(yán)重影響馬鈴薯植株出苗，同時(shí)生育中后期經(jīng)常處于伏旱階段，不利于馬鈴薯塊莖的形成和膨大，從而導(dǎo)致其塊莖產(chǎn)量低而不穩(wěn)[2]。因此，如何采取有效的集雨覆蓋栽培措施來(lái)緩解馬鈴薯生育期干旱和高溫的雙重脅迫，從而提高作物產(chǎn)量是旱作馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)[3]。【前人研究進(jìn)展】提高旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的關(guān)鍵在于最大限度地利用無(wú)效或微效降水[4-5]，而溝壟集雨覆蓋技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)雨水收集利用的有效途徑之一。溝壟集雨覆蓋技術(shù)通過(guò)壟上覆膜，溝內(nèi)覆蓋不同材料來(lái)改變微地形來(lái)實(shí)現(xiàn)微降水在空間上的疊加[6-8]，將有限的降水盡量保留和集中到溝內(nèi)種植區(qū)，增加土壤含水率，具有增溫、保墑和集雨的作用，從而達(dá)到提高降水資源的高效利用和作物產(chǎn)量的目的[9-10]，已在黃土高原旱作區(qū)廣泛應(yīng)用于玉米[11]、小麥[12]、馬鈴薯[13]等多種農(nóng)作物。溝壟集雨覆蓋技術(shù)因種植模式、覆蓋措施、技術(shù)組合方式等不同，其表現(xiàn)類(lèi)型亦不同[14]。劉正輝[15]根據(jù)不同覆蓋方式將溝壟集雨覆蓋技術(shù)分為溝壟一元半覆蓋（如“膜蓋壟、不蓋溝”）、溝壟一元全覆蓋（如“膜蓋壟、膜蓋溝”）和溝壟二元覆蓋（如“膜蓋壟、秸稈蓋溝”）。溝壟一元半覆蓋方式的蓄水效果可通過(guò)壟上覆膜來(lái)抑制壟下土壤水分蒸發(fā)，減少農(nóng)田總蒸發(fā)面積，但雨量疊加使溝內(nèi)可蒸發(fā)的水量激增，致使農(nóng)田局部蒸發(fā)強(qiáng)度加大，因此該覆蓋方式在利用自然降水、提高作物水分利用率方面受到一定的限制[14]。而溝壟一元全覆蓋是通過(guò)溝內(nèi)覆蓋，來(lái)彌補(bǔ)溝壟一元半覆蓋的缺陷，進(jìn)一步減少土壤無(wú)效蒸發(fā)，提高水分利用效率，而當(dāng)春季氣溫較低時(shí)，溝壟一元全覆蓋方式可有效提高作物生長(zhǎng)前期的表土溫度[8]。但也有相關(guān)研究表明，溝壟一元全覆蓋可導(dǎo)致夏季膜內(nèi)土壤溫度較高，使作物易遭受高溫脅迫[16-17]，從而造成減產(chǎn)。隨著溝壟二元覆蓋技術(shù)的引入，將壟上覆膜和溝覆秸稈相結(jié)合，能有效降低溝壟一元全覆蓋和一元半覆蓋帶來(lái)的土壤水溫負(fù)效應(yīng)，溝覆秸稈表現(xiàn)出“高溫時(shí)降溫、低溫時(shí)增溫”的效應(yīng)，能緩沖不同土層土壤溫度的變異性，可有效降低高溫期作物根際土壤溫度[18]，同時(shí)秸稈覆蓋能減少無(wú)效耗水，使作物水分利用效率得到提高[19]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】以往對(duì)溝壟集雨覆蓋技術(shù)的研究主要集中于單一土壤水熱變化對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響方面，而在西北黃土高原雨養(yǎng)區(qū)不同溝壟覆蓋方式下，生育期內(nèi)土壤水熱變異特征對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)及塊莖產(chǎn)量形成影響方面的研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】在寧夏南部旱作區(qū)連續(xù)2 年進(jìn)行不同覆蓋方式大田試驗(yàn)，研究其不同覆蓋方式下土壤水熱垂直變異特征對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)和塊莖產(chǎn)量形成的影響，以期為該區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)栽培模式的選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

于2015—2016 年在寧夏彭陽(yáng)縣長(zhǎng)城塬村（106°45′N(xiāo), 35°79′E）進(jìn)行2 年大田試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)處于寧夏東南部邊緣，靠近六盤(pán)山東麓，平均海拔1 800 m，年際蒸發(fā)量1 050 mm，年均降水量450 mm，年均溫7.5℃，無(wú)霜期為165 d，屬于典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年內(nèi)降水分布極為不均，年際變化較大，且主要集中在7—9 月，占年總降水量的60%。試驗(yàn)期內(nèi)月降雨量與氣溫分布如圖 1 所示，2015 和2016 年總降雨量分別463.2 mm 和369.0 mm，馬鈴薯生育期（5—10 月）降雨量分別為331.7 mm 和248.4 mm。試驗(yàn)地土壤類(lèi)型為黃綿土，耕層（0— 40 cm）土壤理化性質(zhì)分別為土壤容重1.45 g·cm-3，有機(jī)質(zhì)11.8 g·kg-1，速效氮58.3 mg·kg-1，速效磷7.5 mg·kg-1，速效鉀99.1 mg·kg-1，土壤偏堿性（pH 8.4），土壤肥力屬低等水平。

圖1 馬鈴薯生育期降水和氣溫月分布Fig. 1 Monthly distribution of precipitation and air temperature during the potato growing season

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)置3 種覆蓋方式，溝壟一元全覆蓋（溝壟地膜全覆蓋，DD）、溝壟一元半覆蓋（壟覆地膜溝不覆蓋，DB）、溝壟二元覆蓋（壟覆地膜溝覆秸稈，DJ），以傳統(tǒng)平作不覆蓋為對(duì)照（CK），共4 個(gè)處理；采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3 次重復(fù)，小區(qū)面積36 m2（9 m×4 m）。

在馬鈴薯播種前30 d，完成試驗(yàn)地溝壟的修筑。溝寬60 cm，壟寬40 cm，壟高20 cm，馬鈴薯種于溝內(nèi)兩側(cè)。各處理統(tǒng)一施肥水平為農(nóng)家肥（牛糞）30 t·hm-2、純N 188.96 kg·hm-2、P2O589.7 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2，施于種植溝中，與土壤充分混合后覆蓋。分別于2015 年5 月2 日播種，10 月1 日收獲；2016年5 月12 日播種，10 月5 日收獲。

覆蓋材料為地膜為聚乙烯白色薄膜（0.8 m 寬，0.008 mm 厚）；玉米秸稈切成15 cm，以9 000 kg·hm-2的覆蓋量進(jìn)行覆蓋；供試馬鈴薯品種為中晚熟品種隴薯3 號(hào)，寬窄行種植（60 cm：40 cm），株距40 cm，種植密度49 995 株/hm2，試驗(yàn)期內(nèi)無(wú)灌水，定期進(jìn)行人工除草。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

試驗(yàn)期間氣象數(shù)據(jù)（月氣溫、降雨量等）由試驗(yàn)基地氣象站獲取。

1.3.1 土壤水分 在馬鈴薯播種后30 d 開(kāi)始，每間隔 20 d，即馬鈴薯苗期（30 DAS）、現(xiàn)蕾期（50 DAS）、塊莖形成期（70 DAS）、塊莖膨大期（90 DAS）和成熟期（110 DAS），利用土鉆取土，烘干法測(cè)定0— 200 cm 土層土壤質(zhì)量含水量，每20 cm 土層測(cè)定1 次。 1.3.2 土壤溫度 在種植株間放置曲管地溫計(jì)，從播種后30 d，每隔20 d 測(cè)定08：00—20：00 土壤5、10、15、20 和25 cm 土層處的溫度，每2 h 記錄1 次讀數(shù)；在各生育時(shí)期連續(xù)監(jiān)測(cè)2 d（晴天）并取其均值為代表值。不同土層深度與對(duì)應(yīng)土層溫度變化符合指數(shù)函數(shù)形式，將其擬合成指數(shù)函數(shù)形式[20]。

式中，a、b為常數(shù)。

1.3.3 馬鈴薯出苗時(shí)期及出苗率 在馬鈴薯苗期，記錄各處理區(qū)出苗天數(shù)（出苗天數(shù)為出苗率達(dá)到80%所需要的天數(shù)）。同時(shí)統(tǒng)計(jì)最終出苗率，并計(jì)算其公頃株數(shù)（出苗率×公頃種植密度）。

1.3.4 馬鈴薯地上部及塊莖生物量 分別于馬鈴薯播種后30、50、70、90、110 d，各處理取代表性植株5 株，測(cè)定單株薯數(shù)及單薯重，并按地上部和塊莖鮮樣分別在105℃下殺青30 min，75℃下烘干至恒重。分別利用Logistic 生長(zhǎng)模型[21]，以時(shí)間為變量，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行擬合，計(jì)算快速生長(zhǎng)期相關(guān)特征值，方程式為：

式中，Y為馬鈴薯某一時(shí)期生物量觀(guān)測(cè)值，t·hm-2；Km為馬鈴薯生物量的理論最大值，t·hm-2；t 為播種后天數(shù)，d；a、b為方程特定擬合參數(shù)。

將Logistic 方程分別進(jìn)行一階和二階求導(dǎo)，得到馬鈴薯生物量快速生長(zhǎng)期盛期起始時(shí)間T1，d；快速生長(zhǎng)盛期終止時(shí)間T2，d；最大累積速率Vmax，t·hm-2·d-1

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用SPSS 21.0 進(jìn)行單因素方差分析，利用最小顯著性差異法（LSD）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)；利用非線(xiàn)性回歸分析進(jìn)行生長(zhǎng)擬合，曲線(xiàn)估算對(duì)各土層溫度進(jìn)行擬合；利用主成分分析對(duì)相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；Origin9.1 繪制圖表。

2 結(jié)果

2.1 不同覆蓋方式對(duì)土壤水分的影響

2.1.1 0—200 cm 土層土壤含水量垂直變化特征生育期0—200 cm 土層土壤含水量垂直變化受不同覆蓋方式和階段降水量的影響較大，尤其在降雨年份較少的2016 年。不同覆蓋方式能顯著提高土壤的保墑能力，DJ 處理土壤水分變化在0—180 cm 土層保持相對(duì)穩(wěn)定，而DB 處理與CK 無(wú)顯著差異（圖2）。

圖2 不同處理下馬鈴薯生育期0—200 cm 層土壤含水量垂直變化Fig. 2 Vertical change of soil water content at 0-200 cm soil layers during the potato growing period under different treatments

生育前期（30—50 DAS），0—40 cm 土層土壤含水量高于其他各土層，DJ 和DD 處理較DB 處理和CK 表現(xiàn)出良好的保墑效果。與CK 相比，DJ、DD 處理在2015 年分別顯著增加10.8%和7.5%，2016 年分別顯著增加15.3%和8.7%，而DB 處理與CK 差異不顯著。

生育中期（70—90 DAS）為作物生長(zhǎng)臨界期，0—200 cm 土層土壤含水量均受到不同覆蓋模式的強(qiáng)烈影響，各處理間差異較大。2015 年各土層含水量均隨土層加深呈先增加后下降再增加的趨勢(shì)，且在140—180 cm 土層土壤含水量最高。DJ 與DD 處理0—200 cm 土層土壤含水量均顯著高于DB 處理與CK，與CK 相比，塊莖形成期（70 DAS）平均含水量分別顯著增加17.6%和11.8%，塊莖膨大期（90 DAS）分別顯著增加12.7%和7.8%。2016 年各處理0—200 cm 各層土壤含水量均呈下降趨勢(shì)，其中DJ、DD 處理均高于CK，2 年塊莖形成期分別增加25.8%和11.9%，塊莖膨大期分別顯著增加34.1%和16.9%。

生育后期（110 DAS），2015 年各處理0—200 cm土層土壤含水量均先降低后有所增加，但差異性減小，2016 年各處理不同土層土壤含水量均變化不大，在11%—14%之間。2 年各處理0—200 cm 土層平均土壤含水量表現(xiàn)為DJ＞DD＞DB＞CK，DJ 處理均高于DD、DB 處理和CK。

2.1.2 土壤水分變異特征 覆蓋能有效減弱土壤水分變異性，且隨土層加深土壤水分空間變異愈趨于穩(wěn)定（圖3）。2015 和2016 年各覆蓋模式土壤水分變異系數(shù)在空間剖面上表現(xiàn)為中層（40—120 cm）＞上層（0—40 cm）＞下層（120—200 cm），以中上層（0—120 cm）波動(dòng)性最大；不同覆蓋處理土壤水分變異系數(shù)均小于CK，2 年CK、DB、DD、DJ 處理0—200 cm土層平均土壤水分變異系數(shù)分別為18.1%、17.0%、15.7%和14.1%，DJ 與DD 處理土壤水分穩(wěn)定性高于DB 處理與CK，其中以DJ 處理表現(xiàn)最佳。

2.2 不同覆蓋方式對(duì)土壤溫度的影響

2.2.1 不同生育期土壤溫度變化特征 由圖4 可知，不同覆蓋方式能顯著提高耕層（0—25 cm）平均土壤溫度，DD 處理在生育前期（30—50 DAS）保溫效果較好，而DJ 處理在馬鈴薯生育期降溫效應(yīng)顯著。各處理耕層土壤溫度隨土層的加深而逐漸降低，5—10 cm土層，2015 年以DD 處理保溫效果最佳，DB 處理次之，DJ 處理較CK 降溫效應(yīng)最顯著，DD 和DB 處理分別較CK 增溫2.2℃和1.8℃，而DJ 處理顯著降溫1.1℃；2016 年溫度表現(xiàn)為DD＞DB＞CK＞DJ，DD處理保溫效果最佳，DJ 處理降溫效應(yīng)顯著；15—25 cm土層，2 年均以DD 處理保溫效果最佳，DJ 處理表現(xiàn)出良好的降溫效應(yīng)。

隨生育期的推進(jìn)，各覆蓋處理下土壤溫度差異性逐漸減小，且波動(dòng)性主要集中于生育前期（30—50 DAS），這與降雨、氣溫因素和覆蓋模式有關(guān)。生育前期（30—50 DAS），2015 年處理間土壤溫度差異性主要集中在苗期（50 DAS），其中DD 處理保溫效果最好，與CK 相比，DD 處理顯著增溫2.7℃，DJ 處理顯著降溫2.6℃；2016 年處理間土溫差異性最大時(shí)期在蕾期（70 DAS），這與2015 年有所不同，主要是由于年際間氣溫差異所致；與CK 相比，DD 處理顯著增溫1.6℃，DJ 處理降溫1.2℃。生育中后期（70—110 DAS），處理間差異減小，其中DD處理保溫效應(yīng)減弱，DJ 處理降溫效果顯著，而DB 處理與CK 無(wú)顯著差異。各處理生育期0—25 cm 土層平均土壤溫度中，DD 處理較CK 顯著增溫1.1℃，而DJ 處理顯著降溫1.2℃。

圖4 不同處理馬鈴薯生育期0—25 cm 土層土壤溫度動(dòng)態(tài)變化Fig. 4 Dynamic change of soil temperature at the 0-25 cm soil layer under different treatments during the potato growth period

2.2.2 0—25 cm 土層土壤溫度變化特征 不同覆蓋方

式下馬鈴薯生育期各層土壤溫度變化特征如表1 所示，2年馬鈴薯生育期5 cm 土層土壤溫度波動(dòng)最大，其中DD處理較CK 平均增溫1.3℃，而DJ 處理降溫1.4℃。與CK 相比，DD 處理在5—15 cm 土層表現(xiàn)出良好的保溫效果，而DJ 處理在0—20 cm 土層現(xiàn)出顯著的“降溫效應(yīng)”，但在25 cm 土層表現(xiàn)出一定的增溫效應(yīng)，但不顯著。 通過(guò)分析不同覆蓋方式下馬鈴薯生育期不同土層土壤溫度的空間變異特征，進(jìn)而明確不同覆蓋方式對(duì)土壤溫度穩(wěn)定性的影響（表1）。各處理隨土層的加深土壤溫度逐漸降低，處理間差異變小，其判定系數(shù)均高于CK，而變異系數(shù)均低于CK?？梢?jiàn)，溝壟覆蓋能夠抑制各層土壤溫度的波動(dòng)，使其穩(wěn)定性加強(qiáng)，且隨土層的加深，不同土層溫度呈現(xiàn)指數(shù)變化規(guī)律。判定系數(shù)是對(duì)土壤深度和溫度擬合優(yōu)度的度量，可用來(lái)解釋土層深度變化與溫度之間的擬合程度。通過(guò)對(duì)各處理馬鈴薯整個(gè)生育期不同土層土壤溫度進(jìn)行指數(shù)函數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)，DD、DJ 和DB 處理表現(xiàn)出較高的判定系數(shù)（R2=0.92、0.83、0.86），而CK 的判定系數(shù)則表現(xiàn)較小（R2=0.55），這表明不同溝壟覆蓋下不同土層與溫度擬合度較強(qiáng)，變異性較小，而平作模式下不同土層與溫度擬合度不強(qiáng)，表現(xiàn)出較大的變異性，這是由于平作不覆蓋加速了地表輻射熱量吸收交換，其土壤保溫性能的穩(wěn)定性均低于各覆蓋處理。

表1 不同處理土壤溫度擬合特征和變異系數(shù)Table 1 Fitting characteristic and coefficient of variation in the soil temperatures under different treatments

2.3 不同覆蓋方式下對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)的影響

2.3.1 出苗率和出苗天數(shù) 由圖5 可知，不同溝壟覆蓋方式均能提高馬鈴薯出苗率，2 年各處理作物出苗率大小次序均表現(xiàn)為DJ＞DD＞DB＞CK。2015 和2016 年DD 處理出苗率分別較CK 顯著提高13.4%和16.9%，DJ 處理分別顯著提高24.1%和25.6%；DB 處理2015 年出苗率與CK 無(wú)顯著差異，2016 年顯著提高8.9%。不同覆蓋方式下馬鈴薯出苗天數(shù)存在明顯不同，DD 處理2015 年和2016 年出苗天數(shù)較CK 分別提前3 d 和5 d，而DJ 處理分別推遲4 d 和3 d，DB與CK 處理出苗天數(shù)相同。

圖5 不同處理對(duì)馬鈴薯出苗率和出苗天數(shù)的影響Fig. 5 Effects of different treatments on seedling rate and seedling days of potato

2.3.2 地上生物量累積動(dòng)態(tài) 以時(shí)間為變量，利用Logistic 生長(zhǎng)模型對(duì)不同處理下馬鈴薯地上部生物量進(jìn)行擬合，不同覆蓋方式在一定程度上延長(zhǎng)馬鈴薯植株的快速生長(zhǎng)期，提高其生長(zhǎng)速率（表2）。通過(guò)快速生長(zhǎng)期相關(guān)特征值發(fā)現(xiàn)，該生長(zhǎng)模型擬合度良好 （R2＞0.9，P＜0.01）。2015 年馬鈴薯地上部生物量累積快速生長(zhǎng)期起始于54—57 DAS，快速生長(zhǎng)持續(xù)期為37—46 DAS，快速生長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)為72—80 DAS，最大生長(zhǎng)速率為0.15—0.21 t·hm-2·d-1，其中DJ 和DD 處理最大生長(zhǎng)速率較CK 分別顯著提高40%和26.7%，最大生長(zhǎng)率的持續(xù)期分別延長(zhǎng)8 d 和6 d。2016 年馬鈴薯地上部生物量快速生長(zhǎng)期起始于43—53 DAS，快速生長(zhǎng)時(shí)期持續(xù)時(shí)間為40—45 DAS，快速生長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)為63—75 DAS，快速生長(zhǎng)期內(nèi)的最大生長(zhǎng)速率在0.11—0.21 t·hm-2·d-1，DJ 和DD 處理最大生長(zhǎng)速率分別較CK 顯著提高90.9%和81%，最大生長(zhǎng)率持續(xù)期分別延長(zhǎng)12 d 和5 d。2 年馬鈴薯生育期DJ 和DD 處理快速生長(zhǎng)特征值均高于DB 處理和CK，其中DJ 處理最大生長(zhǎng)速率最高、快速生長(zhǎng)持續(xù)期最長(zhǎng)，而DB處理與CK 無(wú)顯著差異。

表2 不同處理下馬鈴薯地上部生物量動(dòng)態(tài)累積模型參數(shù)特征值Table 2 Parameter eigenvalues of biomass accumulation model of potato above-ground biomass under different treatments

表3 不同處理下馬鈴薯塊莖動(dòng)態(tài)累積模型參數(shù)特征值Table 3 Parameter eigenvalues of potato tuber dynamic accumulation model under different treatments

2.3.3 塊莖生物量累積動(dòng)態(tài) 不同覆蓋方式能延長(zhǎng)塊莖快速生長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)也提高其生長(zhǎng)速率（表3）。通過(guò)Logistic 生長(zhǎng)模型模擬可知，理論值與實(shí)測(cè)值擬合度良好（R2＞0.9，P＜0.01）。2015 年馬鈴薯塊莖生物量累積快速生長(zhǎng)期起始于65—75 DAS，快速生長(zhǎng)持續(xù)期為45—49 DAS，快速生長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)為87—99 DAS，最大生長(zhǎng)速率為0.13—0.18 t·hm-2·d-1，其中DJ 和DD 處理最大生長(zhǎng)速率較CK 分別顯著提高38.5%和30.8%，最大生長(zhǎng)率的持續(xù)期分別延長(zhǎng)12.1 d和6.8 d。2016 年馬鈴薯塊莖生物量累積快速生長(zhǎng)期起始于51—61 DAS，快速生長(zhǎng)持續(xù)期為62—72 DAS，快速生長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)為85—98 DAS，快速生長(zhǎng)期內(nèi)的最大生長(zhǎng)速率在0.12—0.17 t·hm-2·d-1，DJ 和DD 處理最大生長(zhǎng)速率分別較CK 顯著提高41.7%和33.3%，最大生長(zhǎng)率持續(xù)期較CK 分別延長(zhǎng)12.5 d 和9.6 d。2 年生育期DJ 和DD 處理馬鈴薯塊莖最大生長(zhǎng)速率和快速生長(zhǎng)持續(xù)期均顯著高于DB 處理和CK。2 年馬鈴薯地下塊莖與地上部生物量累積規(guī)律相似，但也存在一定區(qū)別，其中馬鈴薯塊莖生物量積累最大速率出現(xiàn)的時(shí)間（ΔT）較地上部生物量累積延遲15—23 d，塊莖生物量快速積累期的初始期T1和末期T2晚于地上部生物量8—22 d 和15—23 d，塊莖生物量積累的Vmax小于地上部生物量累積。

2.4 馬鈴薯生長(zhǎng)及塊莖形成對(duì)土壤水溫環(huán)境的響應(yīng)

將土壤水分、土壤溫度、出苗率、地上生物量、公頃株數(shù)、單株薯數(shù)、單薯重、地下塊莖生物量等因素指標(biāo)通過(guò)主成分分析法[22]，提煉出較少且彼此獨(dú)立的新變量，并且將其組合成相互獨(dú)立的少量幾個(gè)能反映馬鈴薯塊莖產(chǎn)量形成貢獻(xiàn)的重要因子，最后通過(guò)綜合得分值來(lái)篩選出適應(yīng)當(dāng)?shù)氐鸟R鈴薯栽培模式（表4）。根據(jù)特征值選取得到X1、X2 2 個(gè)主成分，X1第一主成分貢獻(xiàn)率為86.93%，X2 第二主成分貢獻(xiàn)率為11.06%，第一、二主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為97.99%；可見(jiàn)，X1、X2 2 個(gè)主成分在很大程度上能代表土壤及作物生長(zhǎng)各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)馬鈴薯塊莖產(chǎn)量形成的影響。

表4 主成分特征值及貢獻(xiàn)率Table 4 Principal component eigenvalue and contribution rate

由因子載荷分布圖可知（圖6），第一主成分中的公頃株數(shù)、單薯重、水分、出苗率、地上生物量和地下塊莖生物量均為正值，對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量均存在正效應(yīng)，促進(jìn)塊莖產(chǎn)量的形成；而土壤溫度和單株薯數(shù)在第二主成分上表現(xiàn)出較高的載荷值；由不同覆蓋模式的主成分綜合得分可知，不同覆蓋方式均優(yōu)于平作模式，各覆蓋處理對(duì)塊莖產(chǎn)量形成的影響表現(xiàn)為DJ＞DD＞DB＞CK，以DJ 處理表現(xiàn)最佳。

圖6 PC1 和PC2 相關(guān)因子載荷分布和主成分得分Fig. 6 PC1 and PC2 related factor load distribution and principal component score

3 討論

3.1 溝壟覆蓋方式對(duì)土壤水溫環(huán)境的影響

在黃土高原半干旱區(qū)，不同覆蓋方式對(duì)土壤水分 的影響因土壤類(lèi)型、氣候條件和覆蓋材料的不同而存在差異[9]。李榮等[14]研究發(fā)現(xiàn)，壟覆地膜溝覆秸稈處理顯著提高玉米生長(zhǎng)前期水分，LIANG 等[23]研究報(bào)道，溝壟地膜覆蓋有效提高馬鈴薯生育期內(nèi)耕層土壤水分。本研究結(jié)果表明，各覆蓋模式0—200 cm 土層土壤含水量在全生育期均高于對(duì)照，尤其秸稈覆蓋在生育關(guān)鍵期（70—90 DAS）保水效果顯著[24]。這是由于秸稈覆蓋可改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，增加地表粗糙度和降雨入滲，使蓄積土壤水分和抑制棵間蒸發(fā)的能力較強(qiáng)[25-27]。覆蓋措施可增加土壤剖面水分分布的穩(wěn)定性[28]，降低土層水分空間變異性[29]。張杰等[29]研究報(bào)道，土壤水分變異系數(shù)受不同覆蓋集雨方式的影響，隨土層深度的增加而呈波動(dòng)性變化。本研究結(jié)果也表明，不同覆蓋方式下中上層土壤水分變異系數(shù)（0—120 cm）最大，而下層（120—200 cm）變化相對(duì)穩(wěn)定，各處理間土壤水分整體變異性表現(xiàn)為CK＞DD＞DJ，這是由于根系從深層提水[30]，水分的滲漏以及作物非生理蒸發(fā)，使不同覆蓋方式下土壤水分變化相對(duì)較大，導(dǎo)致中上層水分變異性增強(qiáng)。然而溝壟覆蓋方式能有效收集降雨，對(duì)不同土層水分進(jìn)行補(bǔ)充[8]，且能起到保墑效果[24]，降低其非生理水分散失，使土壤水分的垂直變化減弱，水分變異性較小[8,28]。

不同覆蓋方式對(duì)土壤溫度的影響效果不同[31]。相關(guān)研究表明，全地膜覆蓋可有效提高生育前期耕層溫度[2]，壟覆地膜溝覆秸稈在生育期內(nèi)具有顯著降溫效應(yīng)[14]。本研究發(fā)現(xiàn)，在馬鈴薯生長(zhǎng)前期，DD處理較CK 增溫效果顯著，而DJ 處理在整個(gè)生育期降溫效果顯著，但DB 處理與CK 差異不顯著，這是由于生育前期植株較小，地膜覆蓋接受光輻射表面積較大增溫顯著[32]；然而秸稈覆蓋可遮擋太陽(yáng)直射，有較高的反射率和較低的熱傳導(dǎo)性[33]，其降溫效果顯著。相關(guān)研究表明，覆蓋措施可降低土壤溫度變幅，對(duì)溫度具有平抑效應(yīng)[34]，本研究表明不同覆蓋方式下各土層溫度的判定系數(shù)均高于對(duì)照，而變異系數(shù)均低于對(duì)照，不同覆蓋方式下，DJ 和DD處理與CK 相比能明顯減緩0—25 cm 層土壤溫度的變異。分析其原因：（1）DJ 處理下秸稈覆蓋本身的熱傳導(dǎo)較慢，能改善土壤通透性和水分狀況，這起到一定的調(diào)溫效應(yīng)[24]，同時(shí)覆蓋可抑制熱量向大氣散失[35-36]，平抑土壤溫度的劇烈變化，從而減小耕層土壤溫度的變異性。（2）DD 處理下地膜覆蓋各層中熱量由地表向下層傳遞具有滯后效應(yīng)，能延遲土壤溫度的下降[37]，膜內(nèi)下層土壤溫度變化減小，使其各土層溫度表現(xiàn)出增溫效應(yīng)，同時(shí)覆蓋降低了土層溫差，減小其溫度變異性，維持各土層溫度的穩(wěn)定[25]。

3.2 溝壟覆蓋水溫效應(yīng)對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)的影響

不同溝壟覆蓋方式可調(diào)控土壤溫度和降低土壤水分蒸發(fā)，改善土壤的水熱條件[34]，從而促進(jìn)作物的生長(zhǎng)[2,9,14]。ZHAO 等[2]研究表明，溝壟地膜全覆蓋出苗率提高9.3%—14.4%，出苗提前8.1—11.7 d；趙天武等[38]研究認(rèn)為，壟覆地膜溝覆秸稈處理顯著提高出苗率。本研究結(jié)果表明，不同溝壟覆蓋處理下馬鈴薯出苗率均高于對(duì)照，DD 處理出苗期較CK 顯著提前，而DJ 處理出苗期較CK 顯著推遲，DB 處理與CK 無(wú)顯著差異。DJ 處理的“低溫效應(yīng)”雖推遲馬鈴薯的出苗時(shí)期，但出苗率卻高于其他處理。一方面由于DJ處理下馬鈴薯苗期土壤溫度（7.9—14.5℃）在所需溫度（5—25℃）范圍內(nèi)[39]，此時(shí)土壤溫度并未成為影響其出苗的主要限制因素；另一方面，DJ 處理較好的保水效應(yīng)能彌補(bǔ)其低溫對(duì)作物出苗期推遲的影響[23]。DD 處理由于前期增溫效果顯著，有利于縮短出苗天數(shù)[2]，但DD 保墑性能低于溝內(nèi)秸稈覆蓋[14]，出苗率表現(xiàn)低于DJ 處理。

馬鈴薯對(duì)水分和溫度較為敏感[40-41]，適宜的土壤水溫環(huán)境利于馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和塊莖產(chǎn)量形成，過(guò)高或過(guò)低的土壤溫度和土壤水分均易導(dǎo)致生長(zhǎng)發(fā)育受阻[42]，尤其在生育中后期低溫環(huán)境利于馬鈴薯塊莖形成及膨大[43]。這與銀敏華等[44]、馮浩等[45]研究不同覆蓋措施可改善土壤的水溫環(huán)境，提高作物植株的干物質(zhì)累積量相似。本研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，不同覆蓋方式可提高土壤水分和保持相對(duì)穩(wěn)定的土壤溫度，降低其變異系數(shù)，從而促進(jìn)馬鈴薯地上部和地下生物量的積累。這是由于溝壟覆蓋方式能提高作物各生育期內(nèi)土壤含水量，不至于在生長(zhǎng)期內(nèi)水分過(guò)度虧缺導(dǎo)致土壤水分波動(dòng)較大[46]，降低其變異性[28]，而適宜的水分則會(huì)延長(zhǎng)了作物生長(zhǎng)時(shí)期，提高地上部光合效率[46]，增加其干物質(zhì)累積，進(jìn)而提高馬鈴薯單薯重[2]。本研究還發(fā)現(xiàn)，DJ 處理土壤溫度雖低于CK，但馬鈴薯地上部生物量卻高于其他處理，一方面由于DJ處理的保水性較好；另一方面馬鈴薯種于壟膜兩側(cè)，壟膜的增溫效應(yīng)能有效彌補(bǔ)秸稈覆蓋下的低溫效應(yīng)，從而影響作物生長(zhǎng)[47]。同時(shí)溝內(nèi)覆蓋秸稈能保持相對(duì)穩(wěn)定的土壤溫度，降低土壤溫度變異性[45]，表現(xiàn)出顯著的降溫效應(yīng)有利于馬鈴薯塊莖干物質(zhì)的形成和積累[48-49]。然而DD 處理雖能調(diào)節(jié)土壤水溫環(huán)境，但生長(zhǎng)后期膜內(nèi)土壤溫度過(guò)高則易降低營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)光合酶活性，破壞葉綠體結(jié)構(gòu)并引起氣孔關(guān)閉，影響作物光合作用，使地上部營(yíng)養(yǎng)向塊莖中轉(zhuǎn)移受 阻，導(dǎo)致塊莖生物量下降[43]。

LIANG 等[23]研究結(jié)果表明，不同覆蓋方式下土壤水分對(duì)作物產(chǎn)量的提高占主導(dǎo)因素。本研究通過(guò)主成分分析也發(fā)現(xiàn)，除馬鈴薯生物量和產(chǎn)量構(gòu)成因素（單株薯數(shù)、公頃株數(shù)）外，土壤水分對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)的影響高于土壤溫度，是限制馬鈴薯高產(chǎn)的重要因子，這是由于不同覆蓋方式能提高馬鈴薯出苗率，從而增加，土壤水分狀況的改善和水溫環(huán)境的穩(wěn)定有利于提高馬鈴薯地上生物量，促進(jìn)地上部生物量由向地下部塊莖轉(zhuǎn)移及累積，這為馬鈴薯高產(chǎn)提供了保障[2,23]。

2018 年正式實(shí)施農(nóng)用地膜國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，地膜厚度不低于0.01 mm，而本研究于2015—2016年試驗(yàn)期內(nèi)采用地膜厚度為0.008 mm，地膜厚度變化對(duì)土壤水熱特征產(chǎn)生一定影響進(jìn)而作用于作物生長(zhǎng)，有待于后期進(jìn)一步研究。另外，不同覆蓋方式對(duì)旱作農(nóng)田土壤水溫環(huán)境的影響較為復(fù)雜，不僅受研究區(qū)域氣候環(huán)境、土壤質(zhì)地的影響，還與作物冠層和田間管理措施緊密相關(guān)[45]。本研究?jī)H針對(duì)不同覆蓋方式生育期各土層土壤水溫變化及空間變異對(duì)作物生長(zhǎng)的影響特征進(jìn)行分析，然而不同覆蓋方式在影響土壤水熱條件和馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育的同時(shí)，也會(huì)對(duì)土壤微生物、酶活性、碳氮循環(huán)等產(chǎn)生重要影響。因此，今后應(yīng)側(cè)重不同覆蓋方式對(duì)土壤微生態(tài)環(huán)境影響做進(jìn)一步深入研究，明確其與馬鈴薯生長(zhǎng)的響應(yīng)機(jī)制。

4 結(jié)論

（1）不同覆蓋方式在各生育期均顯著提高土壤含水量，在生育關(guān)鍵期（70—90 DAS），DJ 處理（壟覆地膜+溝覆秸稈）土壤保水效果最佳，尤其增強(qiáng)深層（140–180 cm）土壤水分的保蓄能力。DJ 處理各層土壤水分變異系數(shù)最小，穩(wěn)定性較強(qiáng)。

（2）不同覆蓋方式下生育期內(nèi)DD 處理（壟覆地膜+溝覆地膜）生育前期（播后30—50 d）保溫效果最佳，而DJ 處理整個(gè)生育期降溫效應(yīng)顯著；DJ 處理對(duì)0—25 cm 土層土壤具有增溫和降溫的雙重效應(yīng)，且各土層溫度變異系數(shù)最小，穩(wěn)定性較強(qiáng)。

（3）不同覆蓋方式均能提高馬鈴薯出苗率，DD處理出苗天數(shù)平均較CK（平作不覆蓋）提前4.5 d，而DJ 處理推遲3.5 d，延長(zhǎng)了馬鈴薯快速生長(zhǎng)期，顯著提高其生物量累積速率，其中DJ 處理表現(xiàn)最為顯著。

（4）通過(guò)主成分分析發(fā)現(xiàn)，除馬鈴薯生物量和產(chǎn)量構(gòu)成因素（單株薯數(shù)、公頃株數(shù)）外，土壤水分對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)的影響高于土壤溫度，是限制馬鈴薯高產(chǎn)的重要因子，DJ 處理能顯著改善生育期土壤水分狀況，維持穩(wěn)定的土壤水溫環(huán)境，促進(jìn)馬鈴薯的生長(zhǎng)和塊莖產(chǎn)量的提高。