不同溝壟覆蓋下土壤水熱效應(yīng)對(duì)旱作馬鈴薯生長及產(chǎn)量的影響

陳超，李榮，李芬，楊文偉，侯賢清

(寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

寧夏南部山區(qū)，氣溫冷涼，晝夜溫差大，是馬鈴薯適宜種植的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，寧夏90%以上的馬鈴薯種植面積集中在該區(qū)，已成為寧夏第一大優(yōu)勢(shì)作物[1].然而，春播時(shí)期降雨較少、土壤低溫不利于馬鈴薯出苗，而在作物生育中后期土壤溫度過高影響作物生長，從而造成馬鈴薯產(chǎn)量低而不穩(wěn).因此，采取合理的集雨保墑增溫措施來解決因低溫造成馬鈴薯出苗率低導(dǎo)致產(chǎn)量下降等問題，是提高寧南旱區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量的重要技術(shù).

溝壟覆蓋系統(tǒng)可有效收集和利用雨水，改善土壤溫度、提升土壤水分有效性以及提高作物產(chǎn)量等方面均有顯著效果，在干旱半干旱農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)已得到廣泛應(yīng)用[2-3].WANG等[4]研究發(fā)現(xiàn)，地膜和秸稈覆蓋可以提升土壤水分有效性，提高冬小麥產(chǎn)量.李榮等[5]研究報(bào)道，壟覆二元覆蓋能改善旱作土壤水熱環(huán)境，提高馬鈴薯水分利用效率和產(chǎn)量，以壟覆地膜溝覆秸稈處理效果顯著.然而，溝壟覆蓋技術(shù)主要應(yīng)用于西北方旱作區(qū)，集中在玉米和馬鈴薯等[6].雖然普通地膜覆蓋可顯著增產(chǎn)，對(duì)土壤具有較強(qiáng)的保水增溫能力，但地膜在土壤環(huán)境中很難降解.如果長期使用，大量殘留地膜會(huì)造成土壤結(jié)構(gòu)惡化、水肥保持力下降，使土壤質(zhì)量嚴(yán)重退化.近年來，可降解覆蓋材料(可降解地膜、麻纖維膜、液態(tài)膜)的使用，提高旱農(nóng)區(qū)降雨利用效率，成為替代普通地膜，解決殘膜污染的一種有效措施[7].

目前，大多數(shù)研究主要關(guān)注在溝壟二元覆蓋下普通地膜的保墑增溫效果方面，但對(duì)可降解覆蓋材料對(duì)土壤保墑增溫效果及對(duì)作物生長的影響研究甚少.因此，針對(duì)寧南旱區(qū)春季降雨少、溫度低等特點(diǎn)，采用壟上覆蓋普通地膜，溝內(nèi)覆蓋塑料地膜、降解地膜(生物降解膜、麻纖維地膜、液態(tài)地膜)、秸稈和溝不覆膜等材料，以平作為對(duì)照，研究不同溝壟覆蓋模式下土壤水溫效應(yīng)對(duì)旱作馬鈴薯生長及產(chǎn)量的影響，以期為溝壟覆蓋模式的聚水調(diào)溫效應(yīng)和旱作馬鈴薯高產(chǎn)栽培提供理論參考和技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016年5—10月在西北農(nóng)林科技大學(xué)寧夏旱農(nóng)基地進(jìn)行，該基地位于黃土高原西北邊緣，平均海拔1 800 m，年均降水量450 mm，年均蒸發(fā)量為1 050 mm，年均氣溫為6.8～8.1 ℃.試驗(yàn)期間月降水量P分布如圖1所示，2016年總降水量345 mm，降水量分布不均，主要在7月份.其中馬鈴薯生育期(5—10月)降水量260 mm.試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為粉質(zhì)壤土(砂粒14%、粉粒26%、黏粒60%)，供試播前耕層0～40 cm土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比為7.5 g/kg，堿解氮58.6 mg/kg，速效磷8.4 mg/kg，速效鉀90.5 mg/kg，土壤肥力中等偏下.

圖1 2016年試驗(yàn)地月降水量分布

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)壟上覆蓋塑料地膜，溝內(nèi)分別覆蓋塑料地膜(DM)、玉米秸稈(JG)、生物降解膜(SM)、麻纖維地膜(MM)、液體地膜(YM)和不覆蓋(BM)，以平作(CK)為對(duì)照，共7個(gè)處理，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì).小區(qū)面積為9×4=36 m2.

試驗(yàn)開始前 30 d整地起壟，溝壟比為 40 cm∶60 cm，壟高 30 cm，壟面整平、呈拱型.溝壟覆蓋與平作處理均施入同等基肥：尿素(WN≥46%)291 kg/hm2，磷酸二銨(WN≥18%，WP2O5≥46%)195 kg/hm2，硫酸鉀(WK2O≥50%)180 kg/hm2，溝壟覆蓋各處理肥料施在溝內(nèi)，翻入土壤后進(jìn)行覆蓋，馬鈴薯溝內(nèi)膜壟兩側(cè)種植.供試塑料地膜為聚乙烯白色地膜(膜厚 0.008 mm，寬 0.8 m)，生物降解膜由生物材料和聚合物構(gòu)成(膜厚 0.008 mm，寬 0.8 m)；麻纖維地膜主要以麻類纖維為原料合成(膜厚 0.22～0.31 mm, 寬 0.8 m)；液態(tài)地膜主要是以腐植酸類物質(zhì)為原料合成，以公司推薦產(chǎn)品/水體積為 1∶5 進(jìn)行稀釋后，以使用量450 L/hm2將其噴施于溝內(nèi).玉米秸稈以 9 000 kg/hm2的覆蓋量切成 15 cm長覆于溝內(nèi).馬鈴薯供試品種為隴薯3號(hào)，寬窄行種植，寬行60 cm，窄行40 cm，株距40 cm；種植密度5萬株/hm2，人工穴播，種薯播深為5 cm.試驗(yàn)地為旱作無灌水措施，定期進(jìn)行人工除草.

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1) 土壤溫度：采用曲管地溫計(jì)插在作物種植行，從播種后30 d，每隔20 d測(cè)定馬鈴薯種植行5，10，15，20和25 cm層土壤溫度日變化(08:00—20:00)，每2 h記錄1次讀數(shù)，選擇晴天連續(xù)測(cè)定2 d，并取平均值作為該生育時(shí)期的數(shù)值.

2) 土壤質(zhì)量含水量：采用土鉆取土烘干法測(cè)定馬鈴薯播后30 d、播后50 d、播后70 d、播后90 d和播后110 d作物種植行間 0～200 cm 層土壤質(zhì)量含水量，每 20 cm 層測(cè)定 1 次，3 次重復(fù).

3) 土壤蓄水量：其計(jì)算公式為

W=10hab，

(1)

式中：h為土層深度，cm；a為土壤容重(0～200 cm層平均土壤容重為1.36 g/cm3)；b為土壤質(zhì)量含水量，%.

4) 馬鈴薯生長：從馬鈴薯播后30 d，每隔20 d隨機(jī)選擇5株馬鈴薯測(cè)定其株高、主莖粗.

馬鈴薯產(chǎn)量性狀：在收獲期，實(shí)行馬鈴薯小區(qū)測(cè)產(chǎn)，分別記錄大(>150 g)、中(75～150 g)、小薯(<75 g)個(gè)數(shù)和質(zhì)量，并計(jì)算其商品薯率.

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Origin 8.0作圖，采用DPS 7.05進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性比較.

2 結(jié)果與分析

2.1 溝壟覆蓋下土壤溫度

試驗(yàn)期間不同覆蓋模式對(duì)馬鈴薯各生育階段土壤溫度T的影響不同，如圖2所示.根據(jù)全生育期分析，不同覆蓋模式下各土層溫度在塊莖形成前期均表現(xiàn)為逐漸升高的趨勢(shì)，而塊莖形成后期不同覆蓋模式下各土層溫度呈下降的變化規(guī)律.總體上，馬鈴薯全生育期處理DM，SM，MM和YM對(duì)土壤溫度均表現(xiàn)增溫效應(yīng)，而處理JG和BM表現(xiàn)為降溫效應(yīng).各處理0～25 cm土平均土壤溫度大小依次為DM(MM)，SM，YM，CK，JG，BM.整個(gè)生育期，處理DM和MM耕層平均土壤溫度均顯著高于CK1.1℃，而處理SM和YM與CK差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；而處理JG，BM耕層土壤溫度分別較CK降低0.3，0.4℃.7種覆蓋模式下各生育時(shí)期土壤溫度變化特征表現(xiàn)不一致.在播后30～90 d，處理DM,SM,MM和YM表現(xiàn)增溫效應(yīng)，但在播后110 d表現(xiàn)為降溫效應(yīng)；處理JG和BM在播后30～70和110 d表現(xiàn)為降溫效應(yīng)，但在播后90 d表現(xiàn)為增溫效應(yīng).

圖2 不同溝壟覆蓋下馬鈴薯生育期0～25 cm層土壤溫度

不同覆蓋模式下整個(gè)生育期不同土層平均土壤溫度T的變化規(guī)律不同(見表1).5 cm層，各處理增溫效果不顯著；10 cm層，處理DM，MM，SM和YM分別較CK顯著提高2.6，2.4，1.9 和1.9 ℃，而處理JG和BM與CK相比有增溫效果但差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；15 cm層，處理MM較CK顯著提高1.4 ℃，處理DM，SM和YM較CK增溫效果不顯著，處理JG和BM較CK有降溫效果，但差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；20 cm層，處理DM，SM和MM較CK增溫效果不顯著，處理JG，YM和BM較CK有降溫效果，但差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；25 cm層，處理JG和BM土壤溫度均較CK顯著降低1.2 ℃，DM，SM，MM和YM增溫效果不顯著.可見，0～25 cm層平均土壤溫度，處理DM，MM和SM分別較CK顯著提高1.1，1.1 和0.7 ℃，而處理JG，BM較CK有一定的降溫效果但差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

表1 馬鈴薯生育期不同土層土壤平均溫度

2.2 溝壟覆蓋下土壤蓄水量

圖3為馬鈴薯生育期不同處理0～200 cm層土壤蓄水量W的變化.

圖3 不同處理下馬鈴薯生育期 0～200 cm層土壤蓄水量

馬鈴薯播后30 d和50 d，馬鈴薯植株較小，耗水量較低，降水稀少，各處理土壤水分有所較低.溝壟二元覆蓋各處理平均土壤蓄水量較對(duì)照處理明顯增加，其中處理JG和YM保水效果最佳，較CK分別提高18.5%和9.6%，其他處理與CK差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.馬鈴薯播后70 d，氣溫升高，土壤水分蒸發(fā)增多，耗水增加，加之降水偏少，各處理0～200 cm層土壤蓄水量降至最低，而處理JG土壤蓄水量較CK顯著提高10.1%，馬鈴薯播后90 d和110 d，降水量有所增加，各處理土壤蓄水量均有所恢復(fù)，處理JG和YM分別較CK顯著提高16.9%和9.1%，其他處理與CK差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.可見，溝壟二元覆蓋在馬鈴薯生育期對(duì)土壤水分保墑效果不同，處理JM對(duì)土壤水分的保蓄效果最佳，其次為處理YM.

2.3 溝壟覆蓋下馬鈴薯生長

圖4為馬鈴薯生育期植株株高和莖粗的變化，其中h，z分別為玉米的株高、莖粗.從圖4a可以看出，在馬鈴薯播后30 d(苗期)，處理JM，SM，MM，YM和BM分別較CK顯著降低68.1%，22.4%，31.0%，25.9%和39.7%.播后50 d(現(xiàn)蕾期)，處理JG較CK顯著提高52.3%.播后70 d(塊莖形成期)，各處理與對(duì)照差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.播后90 d(塊莖膨大期)，處理BM較CK顯著提高24.7%，而處理MM較CK顯著降低22.0%.播后110 d(收獲期)，處理JG和BM分別較CK顯著提高41.3%和30.0%，而處理DM，SM，MM和YM與CK差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

各處理馬鈴薯植株莖粗的變化趨勢(shì)與株高有所差別(見圖4b).在馬鈴薯播后30～50 d(生育前期)增長迅速，在播后70～110 d(中后期)增長緩慢.馬鈴薯播后30 d，各處理與對(duì)照差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；播后50 d，處理SM和BM分別較CK顯著提高49.2%和33.3%；播后70 d，分別較CK顯著提高35.0%和53.8%.播后90 d，各處理與CK 差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；播后110 d，處理DM，JG，MM，YM和BM分別較CK顯著提高33.0%，75.5%，36.8%，58.5%和38.7%.

圖4 不同溝壟覆蓋模式下馬鈴薯生長

2.4 溝壟覆蓋下馬鈴薯產(chǎn)量性狀

不同溝壟覆蓋模式對(duì)馬鈴薯塊莖產(chǎn)量和商品薯率有顯著影響(見表2)，其中nb，yb，nm，ym，ns，ys，Y和C分別為大薯薯數(shù)、大薯產(chǎn)量、中薯薯數(shù)、中薯產(chǎn)量、小薯薯數(shù)、小薯產(chǎn)量、總產(chǎn)量和商品薯率.大薯產(chǎn)量各處理均較CK顯著增加，以處理YM，MM，DM和JG最為顯著，分別較CK顯著提高123.9%，121.1%，119.4%和110.4%；中薯產(chǎn)量以處理JG最為顯著，較CK顯著提高38.30%，而YM，MM和BM較CK產(chǎn)量顯著降低，分別降低28.3%，32.5%和32.8%；總產(chǎn)量以處理JG和DM最為顯著，分別較CK顯著提高47.8%和44.8%，處理MM，YM和SM次之，分別較CK顯著提高18.1%，17.0%和12.2%，而處理BM較CK差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.商品薯率處理JG，SM分別較CK顯著提高11.7%，8.8%，而處理YM，BM略高于CK，但差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

表2 不同溝壟覆蓋模式下馬鈴薯產(chǎn)量性狀

3 討 論

3.1 溝壟覆蓋調(diào)控土壤水熱環(huán)境

由于不同覆蓋材料的導(dǎo)熱率不同，對(duì)作物生育階段耕層土壤溫度的影響亦不同[8].霍軼珍等[9]發(fā)現(xiàn)，覆蓋可顯著影響土壤溫度，地膜覆蓋、液態(tài)地膜和秸稈覆蓋在馬鈴薯生育前中期耕層土壤的增溫顯著，而液態(tài)地膜在生育期后期能夠起到降溫作用.研究發(fā)現(xiàn)，在馬鈴薯生長的前期，覆蓋麻地膜和塑料地膜其土壤增溫顯著高于裸地，而覆蓋秸稈較不覆蓋降溫效果顯著.這是由于秸稈覆蓋阻止太陽輻射直接到達(dá)地面，使溫度變化平緩，而地膜能使光照直接到達(dá)地面，有吸收熱量的功能[10].王朝云等[11]研究發(fā)現(xiàn)，麻纖維地膜具有良好的保溫效果，與試驗(yàn)中處理MM的增溫效果一致.高旭華等[12]研究表明，生物降解膜對(duì)提高土壤溫度效果不明顯，這與研究結(jié)果相似：處理SM下土壤溫度與CK無明顯差異.李云光等[13]研究發(fā)現(xiàn)，液態(tài)地膜能顯著提高土壤溫度，而研究發(fā)現(xiàn)，處理YM較CK增溫效果不顯著，主要因?yàn)橐簯B(tài)膜常溫下不溶于水，易受環(huán)境影響，成膜性差[14].李富春等[15]研究表明，生物降解膜對(duì)耕層土壤溫度有增溫效果，但秸稈覆蓋具有降溫效果，這與研究中SM和JG處理的增溫效果一致.溝壟集雨栽培模式更有利于收集雨水，增強(qiáng)雨水入滲，減少地表蒸發(fā)，從而提高土壤蓄水量和降水利用效率[16-17].胡廣榮等[18]研究發(fā)現(xiàn)，液體地膜和生物降解地膜覆蓋隨作物生育期的延長而逐漸降解，其調(diào)節(jié)水熱的能力也隨之降低，這與文中研究結(jié)論不太一致，可能是試驗(yàn)所用液體地膜和生物降解地膜的材料和降解程度不同有關(guān).研究還發(fā)現(xiàn)，壟覆地膜溝覆秸稈對(duì)馬鈴薯生育期土壤保墑效果最佳，主要由于秸稈覆蓋能抑制地表蒸發(fā)，增加降水入滲，對(duì)改善馬鈴薯生育期土壤水分效果明顯[19].

3.2 溝壟覆蓋影響馬鈴薯生長及產(chǎn)量

黃凱等[20]研究表明，秸稈覆蓋促進(jìn)馬鈴薯莖葉生長，提高馬鈴薯產(chǎn)量，本研究也發(fā)現(xiàn)溝內(nèi)覆蓋秸稈能調(diào)控作物生育期土壤的水熱狀況，進(jìn)而促進(jìn)馬鈴薯生長.申麗霞等[21]和李榮等[22]研究表明，覆蓋生物降解地膜的玉米株高略低于覆蓋地膜，但顯著高于裸地.覆蓋麻地膜在生育期前期具有明顯的增溫效果，顯著提高作物的株高，這些關(guān)于可降解膜的研究結(jié)果與文中覆蓋生物降解膜和麻纖維地膜研究結(jié)果一致.肖繼兵等[23]研究報(bào)道，溝壟覆蓋種植能集蓄降水和對(duì)土壤具有增溫作用，進(jìn)而增加作物產(chǎn)量.文中研究也表明，馬鈴薯總產(chǎn)量以壟覆地膜溝覆秸稈和壟覆地膜溝覆地膜處理最為顯著，均較平作顯著增產(chǎn)，分析其主要原因：秸稈覆蓋在馬鈴薯整個(gè)生育期保墑效果最佳，同時(shí)壟覆地膜增溫效果顯著，能更好地改善土壤水熱顯著，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[24].研究還發(fā)現(xiàn)，可降解膜覆蓋使馬鈴薯塊莖產(chǎn)量低于秸稈覆蓋和地膜覆蓋，但較平作不覆蓋顯著增加，其可能原因是：覆蓋可降解地膜能改善土壤水溫環(huán)境，但在作物生長后期可降解地膜有一定程度的降解，其保墑效果與秸稈覆蓋相比有所降低，其增溫效果亦低于地膜.

4 結(jié) 論

1) 壟覆地膜溝覆地膜和溝覆麻地膜較平作能顯著提高馬鈴薯生育期土壤溫度，而馬鈴薯生育中后期壟覆地膜溝覆秸稈具有顯著的降溫效果.

2) 不同溝壟覆蓋能有效改善馬鈴薯生育期土壤水分狀況，其中壟覆地膜溝覆秸稈處理土壤保水效果最佳.

3) 壟覆地膜溝覆秸稈處理馬鈴薯生育期株高和莖粗均顯著高于平作，且壟覆地膜溝覆秸稈和壟覆地膜溝覆地膜處理增產(chǎn)效果最佳，分別較平作顯著增產(chǎn)47.8%和44.8%.可見，壟覆地膜溝覆秸稈種植模式對(duì)土壤具有調(diào)溫保墑效應(yīng)，馬鈴薯增產(chǎn)顯著.