半干旱雨養(yǎng)區(qū)秸稈帶狀覆蓋種植對土壤水分及馬鈴薯產(chǎn)量的影響*

韓凡香常　磊柴守璽**楊長剛程宏波楊德龍李　輝李博文李守蕾宋亞麗蘭雪梅

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院 蘭州 730070; 2. 甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 蘭州730070; 3. 蘭州城市學(xué)院 蘭州 730070)

半干旱雨養(yǎng)區(qū)秸稈帶狀覆蓋種植對土壤水分及馬鈴薯產(chǎn)量的影響*

韓凡香1常磊2柴守璽2**楊長剛2程宏波1楊德龍1李輝3李博文2李守蕾2宋亞麗2蘭雪梅2

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院 蘭州 730070; 2. 甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 蘭州730070; 3. 蘭州城市學(xué)院 蘭州 730070)

水分不足是限制半干旱雨養(yǎng)作物生長的主要因素, 地表覆蓋能夠改善土壤的微環(huán)境, 從而顯著提高作物的產(chǎn)量和水分利用效率。為明確西北半干旱雨養(yǎng)區(qū)不同保墑措施下旱地馬鈴薯的土壤水分特征及其對產(chǎn)量的影響, 于2014—2015年設(shè)置了玉米秸稈帶狀覆蓋種植(T1)、半膜大壟(T2)、全膜雙壟(T3)和露地平作(對照, CK) 4種栽培模式, 研究了玉米秸稈帶狀覆蓋、地膜覆蓋種植對馬鈴薯產(chǎn)量、土壤水分變化及其利用效率的影響。結(jié)果表明: 不同覆蓋方式能有效改善馬鈴薯生育期0～200 cm土層土壤水分狀況, 地膜覆蓋對馬鈴薯生育前期土壤水分保蓄效果較好, 秸稈帶狀覆蓋對生育中后期土壤水分狀況的改善效果明顯。與對照(CK)相比, 3種覆蓋處理均提高了土壤含水量, 其中T1處理效果最好, 較CK提高2.8％～7.8％, 尤其在伏旱階段的塊莖形成期, 0～200 cm土層土壤含水量高于地膜覆蓋處理。與CK相比, T1處理馬鈴薯產(chǎn)量提高10.5％～34.2％, 水分利用效率(WUE)提高8.9％～29.8％, 達(dá)108.9～134.0 kg·hm–2·mm–1, 商品薯率提高14.7％～38.8％, 達(dá)82.3％～92.2％。馬鈴薯產(chǎn)量與生育期耗水量(r=0.836**)呈顯著正相關(guān)。T1的產(chǎn)量和商品薯率均顯著高于T2和T3(P<0.05)?？梢? 玉米秸稈帶狀覆蓋具有顯著的納雨保墑作用, 促進(jìn)馬鈴薯的生長發(fā)育, 增產(chǎn)效果顯著。其推廣應(yīng)用可有效提高該區(qū)降水資源的利用效率, 實(shí)現(xiàn)馬鈴薯穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn), 可作為西北雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)旱地馬鈴薯生產(chǎn)的高效栽培新模式。

玉米秸稈 帶狀覆蓋 地膜覆蓋 土壤水分 產(chǎn)量 水分利用效率 半干旱雨養(yǎng)區(qū) 馬鈴薯

水分匱乏和土壤貧瘠是西北黃土高原半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的主要問題。降低棵間無效的蒸發(fā),提高土壤的蓄水、自然降水入滲效率以及作物水分利用效率是旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切需要, 同時(shí)加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)也是社會(huì)各界十分關(guān)注的重大科學(xué)問題。

馬鈴薯(Solanum tuberosum)是西北黃土高原半干旱區(qū)主要栽培作物和特色作物之一。目前生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的覆蓋技術(shù)主要包括地膜覆蓋和秸稈覆蓋, 具有較好的保溫保濕功能, 能有效調(diào)節(jié)土壤微環(huán)境[1]。Zhang等[2]對國內(nèi)地膜覆蓋試驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)超過60％的試驗(yàn)認(rèn)為其可使作物普遍增產(chǎn)20％以上, 對保障我國糧食安全作出了重大貢獻(xiàn); 但也有約8％的試驗(yàn)認(rèn)為其造成了作物減產(chǎn)。地膜殘留污染也成為影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重大問題, 受到許多學(xué)者的普遍關(guān)注[3-5]。而秸稈覆蓋可以調(diào)節(jié)地溫、抑蒸保墑, 改善土壤結(jié)構(gòu), 從而提高作物產(chǎn)量[6-8]; 并隨著覆蓋秸稈的腐爛還田, 0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、有效氮和有效磷含量均明顯提高[9-10]; 同時(shí), 能顯著提高土壤有機(jī)碳含量[11-12]。近年來, 各馬鈴薯產(chǎn)區(qū)相繼開展了壟覆膜溝覆草種植、全膜覆蓋壟溝種植、全膜覆蓋壟上微溝種植、秸稈帶狀覆蓋種植等栽培技術(shù)的研究與示范[13-18],可提高馬鈴薯的降水利用效率和產(chǎn)量。Chandra等[19]研究得出在干旱少雨的年份里采用秸稈覆蓋措施,能顯著增加馬鈴薯產(chǎn)量。李倩等[20]報(bào)道, 覆蓋最有效地降低了土壤干旱, 能顯著提高馬鈴薯產(chǎn)量和商品薯率。侯慧芝等[13]研究表明, 在干旱半干旱區(qū)全膜覆蓋壟上微溝種植能顯著提高馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率。

馬鈴薯是喜涼作物, 在半干旱區(qū)馬鈴薯在地膜覆蓋種植條件下, 季節(jié)性干旱脅迫和高濕脅迫并存,制約馬鈴薯產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。同時(shí), 甘肅省全膜雙壟溝玉米年種植面積達(dá)87多萬hm2, 生產(chǎn)了大量的玉米秸稈, 秸稈的資源化利用問題受到越來越多的關(guān)注[21-23]。為此, 本研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了玉米秸稈帶狀覆蓋馬鈴薯栽培技術(shù), 該方法是利用秸稈局部覆蓋、抗旱保墑的作物種植新技術(shù), 分秸稈覆蓋帶和種植帶, 兩帶相間排列。本文根據(jù)西北黃土高原半干旱區(qū)多年干旱少雨、降雨量時(shí)空分布不均、田間蒸發(fā)量大、農(nóng)田生產(chǎn)低而不穩(wěn)的特點(diǎn), 以傳統(tǒng)種植不覆蓋為對照, 測定不同覆蓋方式下馬鈴薯生育前期的水分含量分布及其產(chǎn)量, 計(jì)算耗水量和水分利用效率, 系統(tǒng)地比較分析了玉米秸稈帶狀覆蓋和地膜覆蓋對馬鈴薯土壤水分時(shí)空變化規(guī)律及產(chǎn)量的影響, 以進(jìn)一步明確和完善秸稈帶狀覆蓋栽培技術(shù)增產(chǎn)的機(jī)理, 為馬鈴薯秸稈帶狀覆蓋高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2014—2015年在甘肅省通渭縣平襄鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行。該地海拔1 750 m, 年均氣溫 7.2 ℃, 年日照時(shí)數(shù) 2 100～2 430 h, 無霜期120～170 d, 屬中溫帶半干旱氣候。作物一年1熟, 為典型旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。多年平均降水量為390.7 mm,且主要集中于 7—9月(占年降水量的 60％～65％), 2014年通渭縣降水量總量為367.3 mm, 其中馬鈴薯生育期降水量為 271.7 mm, 占全年降水量的74.0％。2015年通渭縣降水量總量為377.7 mm, 其中馬鈴薯生育期降水量為281.2 mm, 占全年降水量的74.5％。年蒸發(fā)量達(dá)1 500 mm, 極易發(fā)生春旱。試驗(yàn)區(qū)土壤為黃綿土, 0～30 cm土層平均容重為1.25 g·cm-3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理, 分別為: 玉米秸稈帶狀覆蓋(T1)、半膜大壟(T2)、全膜雙壟(T3)和不覆蓋露地平作(對照, CK), 小區(qū)面積80 m2(16 m×5 m), 3次重復(fù), 隨機(jī)區(qū)組排列。T1: 播前7 d分秸稈覆蓋帶和種植帶各60 cm, 相間排列。秸稈覆蓋帶采用玉米整稈覆蓋, 覆蓋量約52 500株·hm-2, 折合秸稈量約9 000.0 kg·hm-2, 約等于1 hm2旱地玉米秸稈量; 每種植帶播種2行, 穴距約33 cm的“品”字型穴播馬鈴薯。第1茬收獲后田間繼續(xù)保留覆蓋的秸稈, 第2茬覆蓋帶和種植帶互換, 繼續(xù)接茬種植馬鈴薯, 避免原位置連作, 第2茬馬鈴薯收獲后, 將已經(jīng)腐解程度較高的玉米稈旋耕打碎還田。T2: 壟寬70 cm, 高15 cm, 壟溝寬50 cm。用90 cm寬的黑色地膜覆蓋壟面, 壟溝不覆蓋。按每壟播種2行, 行距50 cm, 株距33 cm的“品”字型壟面穴播馬鈴薯。T3: 大壟寬70 cm, 高20 cm, 小壟寬40 cm, 高15 cm, 留10 cm滲水帶, 用120 cm寬的黑色地膜全地面覆蓋, 按每幅播種2 行, 行距40 cm, 株距33 cm的“品”字型大壟兩側(cè)穴播馬鈴薯。CK: 平作不覆膜, 常規(guī)對照種植大田。播種時(shí)等行距種植, 行距60 cm, 株距33 cm。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤含水量的測定

在馬鈴薯播種前1 d、苗期、塊莖形成期、塊莖增長期、淀粉積累期和收獲期, 用土鉆法從馬鈴薯種植行間取土樣, 按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～90 cm、90～120 cm、120～150 cm、150～180 cm 和180～200 cm 8個(gè)土層, 用烘干法測定土壤含水量。

1.3.2 土壤貯水量的計(jì)算

式中: W為土壤貯水量(mm), h為土層深度(cm), ρ為土壤容重(g·cm–3), ω為土壤含水量(％)。

1.3.3 農(nóng)田耗水量的計(jì)算

式中: ET為作物生育期耗水量(mm), P為作物生育期≥5 mm有效降雨量, W1、W2分別為播前和收獲時(shí)的土壤貯水量(mm)。

1.3.4 水分利用效率的計(jì)算

式中: WUE為水分利用效率(kg·mm–1·hm–2), Y為馬鈴薯產(chǎn)量(kg·hm–2), ET為農(nóng)田耗水量(mm)。

1.3.5 產(chǎn)量測定

馬鈴薯完全成熟后, 每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取15株進(jìn)行室內(nèi)拷種, 并且依據(jù)重量分為3個(gè)等級: 大(>150 g)、中(75～150 g)和小(<75 g), 分別調(diào)查每個(gè)等級的個(gè)數(shù)并稱重, 進(jìn)行產(chǎn)量構(gòu)成分析。調(diào)查單株結(jié)薯數(shù)和單株結(jié)薯重, 計(jì)算商品薯率, 商品薯率(％)=(單薯75 g以上的產(chǎn)量/馬鈴薯總產(chǎn))×100％; 收獲時(shí)按小區(qū)測實(shí)產(chǎn), 取3次重復(fù)的平均值折算每公頃產(chǎn)量。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析, 并用Sigmaplot 12.5軟件進(jìn)行作圖, 差異顯著性采用LSD 法進(jìn)行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋處理對馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的影響

2.1.1 對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

不同覆蓋處理對馬鈴薯產(chǎn)量有顯著影響。與對照相比, 玉米秸稈帶狀覆蓋能明顯提高馬鈴薯產(chǎn)量、商品薯率, 提高中大薯個(gè)數(shù)比例(表1)。2014年, T1處理馬鈴薯產(chǎn)量和商品薯率顯著高于CK處理(P<0.05), 產(chǎn)量和商品薯率分別比CK提高10.5％和38.8％; T3處理產(chǎn)量較CK增產(chǎn)1.1％, 商品薯率較CK提高9.1％; 但T2處理產(chǎn)量則低于CK處理, 降低了2.1％, 而商品薯率較CK提高7.6％, 產(chǎn)量和商品薯率T2、T3處理與CK差異不顯著(P>0.05)。2015年, T1、T2、T3和CK的馬鈴薯產(chǎn)量顯著高于2014年并與降水量密切相關(guān)(表1)。T1、T2和T3處理馬鈴薯產(chǎn)量顯著高于CK(P<0.05), 分別比CK增產(chǎn)34.2％、28.3％、29.8％, 商品薯率分別比CK提高14.7％、4.9％和6.5％, 但T2和T3處理二者間無顯著差異(P>0.05)。大薯率T1處理2年均顯著高于CK處理(P<0.05), 中薯率和小薯率不同處理間存在顯著差異?？梢? 兩年馬鈴薯的增產(chǎn)效果以秸稈帶狀覆蓋處理最為顯著, 分別較對照增產(chǎn)10.5％和34.2％, 商品薯率分別比對照提高38.8％和14.7％; 與地膜相比, 2a秸稈帶狀覆蓋處理較地膜覆蓋增產(chǎn)3.4％～12.9％

2.1.2 對馬鈴薯耗水特征及水分利用效率的影響

不同覆蓋方式對水分利用效率的影響不同, 秸稈帶狀覆蓋能夠改善土壤水分狀況, 與地膜覆蓋相比, 秸稈帶狀覆蓋具有顯著的納雨保墑作用, 降低作物的耗水量, 顯著提高作物的水分利用效率。兩年均表現(xiàn)為秸稈帶狀覆蓋處理(T1)水分利用效率最高, T3處理次之, T2處理最低(表2)。2014年覆蓋處理耗水量高于CK, 除T2處理外三者間差異不顯著, 作物耗水量的大小順序?yàn)? T2>T3>T1>CK。T1處理的水分利用效率顯著高于T2、T3和CK(P<0.05), 而T2和T3、CK和T3處理間水分利用效率差異不顯著(P>0.05), T1處理的水分利用效率較CK提高8.9％; 由于2014年降水較少, 地膜耗水較多, T2和T3處理水分利用效率較CK分別降低8.2％和2.9％。2015年不同處理間作物耗水量差異不顯著(P>0.05), 作物耗水量的大小順序?yàn)? T2>T1>T3>CK。T1、T2和T3處理的水分利用效率分別較CK提高29.8％、19.5％和25.8％, 與CK相比均呈顯著性差異(P<0.05), 但覆蓋處理間三者差異不顯著(P>0.05)。可見, 秸稈帶狀覆蓋是西北干旱雨養(yǎng)區(qū)提高水分利用效率、有效蓄水保墑的有效途徑。

表1　不同覆蓋處理對馬鈴薯產(chǎn)量性狀的影響Table 1 Yield components of potato under different mulching treatments

表2　不同覆蓋處理馬鈴薯的耗水量和水分利用效率Table 2 Evapotranspiration and water use efficiency of potato under different mulching treatments

2.2 不同覆蓋處理下0～200 cm土壤貯水量動(dòng)態(tài)變化

2年試驗(yàn)中, 覆蓋能顯著提高土壤貯水量, 不同生育階段不同處理間存在顯著差異(P<0.05)(圖1)。2014和2015年各生育階段土壤貯水量的變化趨勢不盡一致, 但總體趨勢為: 播種期>幼苗期>塊莖增長期>淀粉積累期>成熟期(塊莖形成期除外)。2014年表現(xiàn)為“高-低-高-低-高”的變化趨, 2015年表現(xiàn)為“低-高-低-低-低”的變化趨勢, 這與生育期降水量和馬鈴薯不同階段的耗水量有關(guān)。2014年和2015年覆蓋處理全生育期0～200 cm土層平均貯水量比CK增加11.3 mm和28.2 mm。

2014年, 玉米秸稈帶狀覆蓋處理在不同生育階段能顯著提高0～200 cm土壤貯水量(圖1A)。馬鈴薯播種到苗期, 由于前期降水量偏少, 地膜溫度較高,作物蒸騰耗水量較大, 覆膜處理的土壤貯水量比CK 低2.2％, 而T1處理生長較慢, 土壤貯水量較CK增加4.1％。苗期到塊莖膨大期, 土壤貯水量以玉米秸稈帶狀覆蓋的最高, 比露地CK增加5.0％, 半膜大壟(T2)與CK接近, T3處理土壤墑情略低于露地。淀粉積累期, 由于T3處理馬鈴薯衰老較快, 作物耗水量降低, 0～200 cm土壤貯水量最高, T1次之, 分別比CK增加5.4％和1.3％。馬鈴薯收獲期, 由于降水的補(bǔ)充, 各處理土壤水分狀況恢復(fù)明顯, 但處理間存在顯著差異。

2015年經(jīng)過冬閑期蓄水保墑, 播種期覆蓋處理明顯好于露地(圖1B)。由于前期降水豐沛, 馬鈴薯苗期到塊莖形成期, 覆蓋處理0～200 cm土壤墑情明顯好于CK, 以T2處理的土壤平均土壤貯水量最高、T3處理次之, T1處理最低。7月中旬, 馬鈴薯進(jìn)入需水關(guān)鍵期(塊莖形成期), 降水較多, 各處理土壤含水量明顯增加。隨氣溫升高, 地上部分生長迅速, 群體增大, 農(nóng)田蒸散主要以作物蒸騰為主, 到塊莖膨大期,干旱少雨, 不同處理間土壤貯水量存在顯著差異(P<0.05)。由于玉米秸稈帶狀覆蓋有明顯的保墑和降溫效應(yīng), 塊莖膨大期T1處理的貯水量最高, 比CK處理顯著增加13.1％。馬鈴薯生長后期持續(xù)干旱, 造成地膜覆蓋馬鈴薯早衰, 干物質(zhì)積累時(shí)間減少, 蒸騰性生產(chǎn)耗水減少, 到成熟期, 覆蓋處理的土壤貯水量明顯不如CK?？傮w上, 土壤水分動(dòng)態(tài)與降水動(dòng)態(tài)相符, 降水量多的時(shí)期土壤貯水量高, 反之亦然?？梢? 玉米秸稈帶狀覆蓋對馬鈴薯中后期土壤水分的改善作用最好。

圖1　2014年(A)和2015年(B)不同覆蓋處理馬鈴薯各生育階段0～200 cm土層土壤儲(chǔ)水量Fig. 1 Water storage capacity in the 0-200 cm soil layer during various growth stages of potato under different mulching treatments in 2014 (A) and 2015 (B)a: 播前; b: 苗期; c: 塊莖形成期; d: 塊莖增長期; e: 淀粉積累期; f: 收獲期. 誤差線代表LSD(P≤0.05), 下同。a: before sowing; b: seedling stage; c: tuber growth stage; d: tuber expending stage; e: starch accumulation stage; f: harvest stage. Error bars are the LSD at P ≤ 0.05. The same below.

2.3 不同覆蓋處理下不同土層和生育時(shí)期土壤水分變化

秸稈覆蓋和地膜覆蓋能改善馬鈴薯不同時(shí)期、不同土層土壤剖面水分的變化, 但這與不同年份降水多少及格局密切相關(guān), 不同年份變化規(guī)律存在差異(圖2)。不同深度的土壤含水量隨根系消耗、土面蒸發(fā)和降水補(bǔ)給的變化而變化, 從塊莖形成期開始,上層土壤含水量由于易受降水、蒸散、作物生長的影響, 變化幅度大, 而中下層土壤則相對變化小。但在成熟期, 各處理含水量0～20 cm土層明顯高于20～ 40 cm土層, 這與測定前遇到降水有關(guān)。不同處理下土壤水分垂直變化有所不同。播種到塊莖形成期,馬鈴薯生長慢, 耗水少, 對照地表裸露, 水分蒸發(fā)較大, 0～200 cm土層覆蓋處理的含水量明顯好于CK。2014年T1和T2處理0～90 cm土層含水量較CK 高6.4％, 苗期120 cm以下土層平均低于CK; 2015 年, 覆蓋處理0～200 cm土層含水量普遍比CK高,這與漫長的冬季覆蓋保墑以及該時(shí)期的降水量較多有關(guān)。

在塊莖膨大期, 馬鈴薯生長迅速, 群體大, 對水分的消耗量加大, 0～90 cm土層覆蓋處理含水量低于CK, 而120 cm土層覆蓋處理明顯好于CK。2014 年, T2、T3處理0～90 cm土層含水量低于CK, 比CK 低3.5％～6.7％, 而秸稈覆蓋(T1)具有保墑降溫效應(yīng),馬鈴薯蒸騰較小, 0～90 cm土層土壤含水量明顯好于CK, T1處理比CK高11.4％。但在120 cm土層覆蓋處理的含水量明顯好于CK。2015年降水量較多, 馬鈴薯生長過旺, 群體大, 覆膜處理尤為明顯, 耗水多,覆膜處理0～90 cm土層含水量比CK低4.3％, 而秸稈覆蓋T1處理0～90 cm土層波動(dòng)變化, 0～40 cm含水量低于CK, 60～90 cm含水量明顯高于CK, 0～90 cm土層含水量平均比CK高3.1％。

淀粉積累期, 0～200 cm土層含水量不同處理差異不明顯, 2個(gè)降水年型0～200 cm土層含水量變化趨勢與CK接近, 除0～20 cm和40～60 cm土層含水量差異顯著外, 其余土層各不同處理間差異不顯著。0～90 cm土層覆蓋處理的土壤含水量比CK高2.2％～ 5.1％, 而覆膜處理又高于秸稈覆蓋處理, 這與秸稈覆蓋淀粉積累時(shí)間長、植物耗水多有關(guān)。90 cm土層土壤含水量2年的結(jié)果不一致, 2014年覆蓋處理與CK持平, 而2015年覆蓋處理較CK高6.8％, 這主要與2015年馬鈴薯生育期降水量多有關(guān)。

成熟期, 0～200 cm土層含水量不同處理差異明顯, 2014年成熟降水, 補(bǔ)充了0～60 cm土層的土壤含水量, 不同處理差異較小。而2015年馬鈴薯生育后期無有效降水, 加上植株群體差異大, 造成不同土層不同處理間差異明顯, 0～200 cm土層的含水量覆蓋處理明顯高于CK, 比CK高11.9％。

綜合2年的試驗(yàn)結(jié)果, 覆蓋能顯著改善馬鈴薯生育期0～200 cm土壤墑情, 除塊莖膨大期外, 覆蓋處理始終普遍高于CK; 處理間0～200 cm土層墑情的差異以塊莖形成期、塊莖形成期、塊莖膨大期差異較大, 以淀粉積累期差異較小。

圖2　2014年和2015年旱地馬鈴薯不同栽培模式不同生育期的土壤水分垂直變化Fig. 2 Vertical changes of soil water content at different growth stages of potato under different mulching treatments in 2014 and 2015A: 播前; B: 苗期; C: 塊莖形成期; D: 塊莖增長期; E: 淀粉積累期; F: 收獲期。A: before sowing; B: seedling stage; C: tuber growth stage; D: tuber expending stage; E: starch accumulation stage; F: harvest stage.

2.4 不同覆蓋處理下0～200 cm各土層土壤貯水消耗量

覆蓋能夠改善土壤的水分狀況, 進(jìn)而影響馬鈴薯的生長狀況, 作物各土層的耗水也隨之改變(表3)。0～200 cm土層土壤貯水消耗量覆膜大于秸稈覆蓋, 兩年覆膜和秸稈覆蓋平均分別較CK多耗水16.9～17.9 mm和4.5～11.3 mm; 土壤貯水消耗大部分集中在0～120 cm土層, 0～120 cm土壤貯水消耗比例2014年表現(xiàn)為: T1(80.0％)>CK(72.7％)>T3(65.4％)> T2(56.9％), 2015年為CK(122.5％)>T1(107.7％)>T3 (87.0％)>T2(77.8％)?？梢? 覆蓋能明顯提高土壤深層用水比例和深層的用水量。

表3　2014年和2015年旱地馬鈴薯不同覆蓋處理不同土層的土壤貯水消耗量Table 3 Consumption of storage water in different soil layers under different mulching treatments in 2014 and 2015 mm

相關(guān)分析表明, 馬鈴薯產(chǎn)量與水分利用效率(r=0.801*)、生育期耗水量(r=0.836**)均呈顯著正相關(guān), 而耗水量與水分利用效率相關(guān)不顯著(r=0.352)。

3 討論與結(jié)論

秸稈覆蓋能抑制土壤水分蒸發(fā), 改善了作物生長的水環(huán)境, 促進(jìn)作物對土壤水分的有效利用, 進(jìn)而提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[7,14,18,24-26]。秸稈覆蓋在馬鈴薯上的效應(yīng)效果更為明顯, 有利于馬鈴薯產(chǎn)量和商品薯率的提高[27]。段義忠等[28]研究發(fā)現(xiàn),秸稈覆蓋與綠肥覆蓋能有效地防止地表徑流, 蓄水、保水以及保肥能力較強(qiáng)。侯賢清等[29]在寧南山區(qū)研究表明, 免耕條件下不同覆蓋方式能有效改善馬鈴薯生育期0～200 cm土層土壤水分狀況, 免耕覆蓋地膜對作物生長前期土壤水分保蓄效果較好, 免耕覆蓋秸稈對作物生長中后期土壤水分狀況的改善作用最佳。免耕覆秸稈處理的馬鈴薯產(chǎn)量和商品薯率最高, 較翻耕不覆蓋增產(chǎn)24.1％。本試驗(yàn)結(jié)果表明,玉米秸稈帶狀覆蓋模式下馬鈴薯的商品率、大薯率不同程度地提高, 小薯率明顯下降, 從而顯著提高了馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率, 產(chǎn)量和水分利用效率增幅分別為10.5％～34.2％和8.9％～29.8％。玉米秸稈帶狀覆蓋能改善土壤水分狀況, 減少無效消耗,尤其能顯著提高馬鈴薯中后期的土壤含水量, 促進(jìn)馬鈴薯根系對土壤水分的吸收利用, 促進(jìn)了地上部分和地下部分生長, 延緩馬鈴薯植株的衰老, 進(jìn)而提高了水分利用效率。這與高世銘等[18]和許靜等[16]的研究結(jié)論基本一致。

前人[30-31]研究證明: 溫度對馬鈴薯生長有明顯影響, 低溫下結(jié)薯較早, 高溫結(jié)薯延遲, 塊莖形成期則以土溫16～18 ℃對塊莖的形成和增長最為有利,當(dāng)土溫超過25 ℃時(shí)塊莖幾乎停止生長, 土溫達(dá)到29 ℃以上時(shí)莖葉生長也嚴(yán)重受阻。本研究發(fā)現(xiàn), 0～ 200 cm土壤貯水消耗量覆膜大于秸稈覆蓋, 在季節(jié)性干旱年份, 全膜雙壟溝的馬鈴薯出現(xiàn)減產(chǎn)現(xiàn)象,可能是覆膜改變了土壤溫度所致, 馬鈴薯前期溫度較高, 地上部分生長旺盛, 蒸騰耗水較多, 后期降水量減少, 導(dǎo)致馬鈴薯在中后期(膨大期到收獲期)發(fā)生水分虧缺[17], 影響了塊莖的膨大。而作物秸稈帶狀覆蓋采用“種的地方不覆、覆的地方不種”的栽培模式, 在馬鈴薯關(guān)鍵生育期, 具有降溫保墑雙重效應(yīng), 對作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量的形成有顯著促進(jìn)效應(yīng)[27,32], 這與李靜靜等[7]的研究結(jié)果一致。本文通過兩年試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn), 玉米秸稈帶狀覆蓋技術(shù)解決了傳統(tǒng)秸稈覆蓋技術(shù)前期降溫效應(yīng), 同時(shí)兼顧了蓄水保墑效應(yīng), 尤其干旱年份, 對馬鈴薯增產(chǎn)和水分利用效率提高效果明顯, 玉米秸稈帶狀覆蓋為半干旱雨養(yǎng)區(qū)馬鈴薯適宜的抗旱節(jié)水高產(chǎn)模式。

References

[1] 林葉春, 曾昭海, 唐海明, 等. 雙季稻田馬鈴薯不同覆蓋栽培對土壤酶活性的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2011, 19(1): 13–18Lin Y C, Zeng Z H, Tang H M, et al. Soil enzyme activity in spring potato fields under different mulching practices in double rice cropping area[J]. Chinese Journal of Eco- Agriculture, 2011, 19(1): 13–18

[2] Zhang S L, Sadras V, Chen X P, et al. Water use efficiency of dryland wheat in the loess plateau in response to soil and crop management[J]. Field Crops Research, 2013, 151: 9–18

[3] 李青軍, 危常州, 雷詠雯, 等. 白色污染對棉花根系生長發(fā)育的影響[J]. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué), 2008, 45(5): 769–775 Li Q J, Wei C Z, Lei Y W, et al. Influence of white pollution on root growth of cotton[J]. Xinjiang Agricultural Sciences, 2008, 45(5): 769–775

[4] 何文清, 嚴(yán)昌榮, 劉爽, 等. 典型棉區(qū)地膜應(yīng)用及污染現(xiàn)狀的研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 28(8): 1618–1622 He W Q, Yan C R, Liu S, et al. The use of plastic mulch film in typical cotton planting regions and the associated environmental pollution[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2009, 28(8): 1618–1622

[5] 嚴(yán)昌榮, 劉恩科, 舒帆, 等. 我國地膜覆蓋和殘留污染特點(diǎn)與防控技術(shù)[J]. 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 31(2): 95–102 Yan C R, Liu E K, Shu F, et al. Review of agricultural plastic mulching and its residual pollution and prevention measures in China[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2014, 31(2): 95–102

[6] Govaerts B, Sayre K D, Deckers J. Stable high yields with zero tillage and permanent bed planting?[J]. Field Crops Research, 2005, 94(1): 33–42

[7] 李靜靜, 李從鋒, 李連祿, 等. 苗帶深松條件下秸稈覆蓋對春玉米土壤水溫及產(chǎn)量的影響[J]. 作物學(xué)報(bào), 2014, 40(10): 1787–1796 Li J J, Li C F, Li L L, et al. Effect of straw mulching on soil temperature, soil moisture and spring maize yield under seedling strip subsoiling[J]. Acta Agronomica Sinica, 2014, 40(10): 1787–1796

[8] Wang Q J, Lu C Y, Li H W, et al. The effects of no-tillage with subsoiling on soil properties and maize yield: 12-year experiment on alkaline soils of northeast China[J]. Soil and Tillage Research, 2014, 137: 43–49

[9] Du Z L, Ren T S, Hu C S. Tillage and residue removal effects on soil carbon and nitrogen storage in the north China Plain[J]. Soil Science Society of America Journal, 2010, 74(1): 196–202

[10] 王海霞, 孫紅霞, 韓清芳, 等. 免耕條件下秸稈覆蓋對旱地小麥田土壤團(tuán)聚體的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 23(4): 1025–1030 Wang H X, Sun H X, Han Q F, et al. Effects of straw mulching on the soil aggregates in dryland wheat field under no-tillage[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(4): 1025–1030

[11] 卜玉山, 邵海林, 王建程, 等. 秸稈與地膜覆蓋春玉米和春小麥耕層土壤碳氮?jiǎng)討B(tài)[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2010, 18(2): 322–326 Bu Y S, Shao H L, Wang J C, et al. Dynamics of soil carbon and nitrogen in plowed layer of spring corn and spring wheat fields mulched with straw and plastic film[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2010, 18(2): 322–326

[12] Blanco-Canqui H, Lal R, Post W M, et al. Changes in longterm no-till corn growth and yield under different rates of stover mulch[J]. Agronomy Journal, 2006, 98(4): 1128–1136

[13] 侯慧芝, 王娟, 張緒成, 等. 半干旱區(qū)全膜覆蓋壟上微溝種植對土壤水熱及馬鈴薯產(chǎn)量的影響[J]. 作物學(xué)報(bào), 2015, 41(10): 1582–1590 Hou H Z, Wang J, Zhang X C, et al. Effects of mini-ditch planting with plastic mulching in ridges on soil water content, temperature and potato yield in rain-fed semiarid region[J]. Acta Agronomica Sinica, 2015, 41(10): 1582–1590

[14] 范士杰, 王蒂, 張俊蓮, 等. 不同栽培方式對馬鈴薯土壤水分狀況和產(chǎn)量的影響[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2012, 21(2): 271–279 Fan S J, Wang D, Zhang J L, et al. Effects of tillage strategies on the topsoil water content and the yield of potato[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2012, 21(2): 271–279

[15] 張緒成, 于顯楓, 王紅麗, 等. 半干旱區(qū)減氮增鉀、有機(jī)肥替代對全膜覆蓋壟溝種植馬鈴薯水肥利用和生物量積累的調(diào)控[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2016, 49(5): 852–864 Zhang X C, Yu X F, Wang H L, et al. Regulations of reduced chemical nitrogen, potassium fertilizer application and organic manure substitution on potato water-fertilizer utilization and biomass assimilation under whole field plastics mulching and ridge-furrow planting system on semi-arid area[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(5): 852–864

[16] 許靜, 唐曉紅, 陳松柏, 等. 秸稈覆蓋對坡耕地土壤性狀和馬鈴薯產(chǎn)量的影響[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2006, 22(6): 333–336 Xu J, Tang X H, Chen S B, et al. Effects of straw mulch on soil properties and tomato productivity on slope land[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2006, 22(6): 333–336

[17] 秦舒浩, 張俊蓮, 王蒂, 等. 覆膜與溝壟種植模式對旱作馬鈴薯產(chǎn)量形成及水分運(yùn)移的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 22(2): 389–394 Qin S H, Zhang J L, Wang D, et al. Effects of different film mulch and ridge-furrow cropping patterns on yield formation and water translocation of rainfed potato[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2011, 22(2): 389–394

[18] 高世銘, 張緒成, 王亞宏. 旱地不同覆蓋溝壟種植方式對馬鈴薯土壤水分和產(chǎn)量的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2010, 24(1): 249–251 Gao S M, Zhang X C, Wang Y H. Influence of different mulching and furrow-ridge planting methods on soil moisture and yield of potato on dryland[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2010, 24(1): 249–251

[19] Chandra S, Singh R D, Bhatnagar V K, et al. Effect of mulch and irrigation on tuber size, canopy temperature, water use and yield of potato (Solonum tuberosum)[J]. Indian Journal of Agronomy, 2002, 47(3): 443–448

[20] 李倩, 劉景輝, 張磊, 等. 適當(dāng)保水劑施用和覆蓋促進(jìn)旱作馬鈴薯生長發(fā)育和產(chǎn)量提高[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2013, 29(7): 83–90 Li Q, Liu J H, Zhang L, et al. Using water-retaining agent and mulch to improve growth and yield of potato under dry farming[J]. Transactions of the CSAE, 2013, 29(7): 83–90

[21] 包建財(cái), 郁繼華, 馮致, 等. 西部七省區(qū)作物秸稈資源分布及利用現(xiàn)狀[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 25(1): 181–187Bao J C, Yu J H, Feng Z, et al. Situation of distribution and utilization of crop straw resources in seven western provinces, China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(1): 181–187

[22] 王如芳, 張吉旺, 董樹亭, 等. 我國玉米主產(chǎn)區(qū)秸稈資源利用現(xiàn)狀及其效果[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 22(6): 1504–1510 Wang R F, Zhang J W, Dong S T, et al. Present situation of maize straw resource utilization and its effect in main maize production regions of China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2011, 22(6): 1504–1510

[23] 韋茂貴, 王曉玉, 謝光輝. 中國各省大田作物田間秸稈資源量及其時(shí)間分布[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 17(6): 32–44 Wei M G, Wang X Y, Xie G H. Field residue of field crops and its temporal distribution among thirty-one provinces of China[J]. Journal of China Agricultural University, 2012, 17(6): 32–44

[24] 蔡太義, 賈志寬, 黃耀威, 等. 中國旱作農(nóng)區(qū)不同量秸稈覆蓋綜合效應(yīng)研究進(jìn)展Ⅰ. 不同量秸稈覆蓋的農(nóng)田生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2011, 29(5): 63–68 Cai T Y, Jia Z K, Huang Y W, et al. Research progress of comprehensive effect under different rates straw mulch on the rainfed farming areas, China Ⅰ. Effect of different rates of straw mulch on farmland eco-environment[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2011, 29(5): 63–68

[25] 王敏, 王海霞, 韓清芳, 等. 不同材料覆蓋的土壤水溫效應(yīng)及對玉米生長的影響[J]. 作物學(xué)報(bào), 2011, 37(7): 1249–1258 Wang M, Wang H X, Han Q F, et al. Effects of different mulching materials on soil water, temperature, and corn growth[J]. Acta Agronomica Sinica, 2011, 37(7): 1249–1258

[26] 吳曉麗, 湯永祿, 李朝蘇, 等. 秋季玉米秸稈覆蓋對丘陵旱地小麥生理特性及水分利用效率的影響[J]. 作物學(xué)報(bào), 2015, 41(6): 929–937 Wu X L, Tang Y L, Li C S, et al. Effects of autumn straw mulching on physiological characteristics and water use efficiency in winter wheat grown in hilly drought region[J]. Acta Agronomica Sinica, 2015, 41(6): 929–937

[27] 李榮, 侯賢清. 深松條件下不同地表覆蓋對馬鈴薯產(chǎn)量及水分利用效率的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(20): 115–123 Li R, Hou X Q. Effects of different ground surface mulch under subsoiling on potato yield and water use efficiency[J]. Transactions of the CSAE, 2015, 31(20): 115–123

[28] 段義忠, 亢福仁. 不同覆蓋材料對旱地馬鈴薯土壤水熱狀況及其水分利用效率的影響[J]. 水土保持通報(bào), 2014, 34(5): 55–59 Duan Y Z, Kang F R. Influences of different mulching treatments on soil temperature, water content, and water use efficiency of dryland planted with potato[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2014, 34(5): 55–59

[29] 侯賢清, 李榮. 免耕覆蓋對寧南山區(qū)土壤物理性狀及馬鈴薯產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(19): 112–119 Hou X Q, Li R. Effects of mulching with no-tillage on soil physical properties and potato yield in mountain area of southern Ningxia[J]. Transactions of the CSAE, 2015, 31(19): 112–119

[30] 韓秀峰, 梁春波, 石瑛, 等. 大壟栽培條件下的土壤環(huán)境與馬鈴薯產(chǎn)量[J]. 中國馬鈴薯, 2006, 20(3): 135–139 Han X F, Liang C B, Shi Y, et al. Effects of big ridge on soil environments and potato yield[J]. Chinese Potato Journal, 2006, 20(3): 135–139

[31] 謝世清. 溫度對馬鈴薯塊莖形成膨大的影響[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1992, 7(4): 244–249 Xie S Q. Effect of temperature on the tuber initiation and bulking of potato[J]. Journal of Yunnan Agricultural University, 1992, 7(4): 244–249

[32] Sharma A R, Singh R, Dhyani S K, et al. Moisture conservation and nitrogen recycling through legume mulching in rainfed maize (Zea mays)-wheat (Triticum aestivum) cropping system[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2010, 87(2): 187–197

Effect of straw strip covering on ridges on soil water content and potato yield under rain-fed semiarid conditions*

HAN Fanxiang1, CHANG Lei2, CHAI Shouxi2**, YANG Changgang2, CHENG Hongbo1, YANG Delong1, LI Hui3, LI Bowen2, LI Shoulei2, SONG Yali2, LAN Xuemei2
(1. College of Life Science and Technology, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2. Gansu Provincial Key Laboratory of Aridland Crop Science / College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 3. Lanzhou City College, Lanzhou 730070, China)

Water deficiency is the main factor limiting crop growth in semiarid regions under rain-fed agriculture. Mulching can improve soil micro-environment and thus significantly increase crop yield and water use efficiency. In order to evaluate the effects of different strategies of soil-moisture conservation on soil water content and potato yield in semiarid regions under rain-fed agriculture in Northwest China, four mulching modes — maize-straw strip covering on no-planted ridge (T1), plasticfilm mulching on planted ridge only (T2), plastic film mulching on both planted ridge and no-planted furrow (T3) and flat field planting without mulching (CK) — were set in potato cultivation in 2014–2015. Potato yield and water use efficiency (WUE), and soil water content were investigated. The results showed that mulching greatly improved soil water storage at the 0-200 cm soil layer during potato growth stage. Plastic film mulching had positive effects on soil water storage at the early stage of potato growth, while straw mulching significantly improved soil water storage at the later growth stage. The optimal water storage increasing effect was under T1, which increased soil water content by 2.8％–7.8％. Especially during the tuber formation in summer drought period, soil water content in the 0-200 cm soil layer under T1 was significantly higher than under both T2 and T3. In contrast to CK, T1 increased potato yield by 10.5％–34.2％ and WUE by 8.9％–29.8％ (with WUE of 108.9–134.0 kg·hm–2·mm–1), and increased commodity potato rate by 14.7％–38.8％ which reached to 82.3％–92.2％. There was significant positive correlation (r = 0.836) between potato productivity and soil water consumption during the potato growth period. There were significant differences (P < 0.05) in the yield and commodity rate of potato under T1 condition, which were significantly different from those under T2 and T3. This indicated that maize-straw strip covering maintained higher soil moisture and improved plant growth and yield formation. Its application improved the efficiently of rainfall utilization to realize stable and high yields of potato. Maize-straw strip covering was a new cultivation pattern which increased crop productivity and economic benefit of potato in semiarid rain-fed regions of Northwest China.

Maize straw; Strip covering; Plastic film mulching; Soil moisture; Yield; Water use efficiency; Semiarid area; Potato

Dec. 28, 2015; accepted Mar. 28, 2016

S532; S318

A

1671-3990(2016)07-0874-09

10.13930/j.cnki.cjea.151371

* 公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201303104)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金(CARS-3-2-49)資助

** 通訊作者: 柴守璽, 主要從事作物生態(tài)生理的研究。E-mail: sxchai@126.com

韓凡香, 主要從事作物生態(tài)生理的研究。E-mail: 18293105059@163.com

2015-12-28 接受日期: 2016-03-28

* This study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest (201303104) and the Special Fund for the Industrial Technology System Construction of Modern Agriculture (CARS-3-2-49).

** Corresponding author, E-mail: sxchai@126.com