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    不同覆蓋種植模式對(duì)馬鈴薯土壤溫度、水分及產(chǎn)量的影響

    2018-01-31 00:52:10王友生王多堯
    關(guān)鍵詞:土壤溫度土壤水分生育期

    王友生,王多堯

    (1.甘肅省定西市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站, 甘肅 定西 743000; 2.甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司, 甘肅 蘭州 730050)

    我國(guó)提出力推馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略,馬鈴薯也將成為稻米、小麥、玉米之外的第四大主糧作物,預(yù)計(jì)到2020年,50%以上的馬鈴薯將作為主糧消費(fèi),馬鈴薯產(chǎn)業(yè)將成為推動(dòng)區(qū)域發(fā)展的脫貧致富產(chǎn)業(yè)。甘肅中部作為我國(guó)馬鈴薯的主產(chǎn)區(qū),種植面積已達(dá)67萬(wàn)hm2以上,總產(chǎn)量超過(guò)1 100萬(wàn)t,占全國(guó)總產(chǎn)量的14%,居全國(guó)之首[1]。素有“中國(guó)馬鈴薯之鄉(xiāng)”的甘肅省定西市既是馬鈴薯優(yōu)質(zhì)主產(chǎn)區(qū),又是全國(guó)馬鈴薯三大生產(chǎn)基地之一,通過(guò)當(dāng)?shù)卣腿罕姷氖嗄昱?,定西市馬鈴薯播種面積已多年穩(wěn)定在20萬(wàn)hm2以上,總產(chǎn)達(dá)500萬(wàn)t左右;但定西市年降水量?jī)H300~500 mm,且多集中于7—9月,而年蒸發(fā)量高達(dá)1 500~1 800 mm[2],導(dǎo)致自然降水的利用效率較低,嚴(yán)重限制了馬鈴薯產(chǎn)量的進(jìn)一步提高。如何高效利用降雨資源,成為定西市馬鈴薯生產(chǎn)的重要課題。近年來(lái)在政府引導(dǎo)下,定西市馬鈴薯種植的科技投入力度也逐年加大,通過(guò)積極推廣馬鈴薯地膜覆蓋集雨技術(shù),為農(nóng)民增產(chǎn)增收又開(kāi)辟了新的致富路。地膜覆蓋能充分接納雨水,強(qiáng)化雨水的田間保蓄,減少土壤水分蒸發(fā)[3-4];發(fā)揮土壤水庫(kù)的調(diào)配作用,將無(wú)效降雨化為有效降雨[5];而馬鈴薯地膜覆蓋栽培更具有增溫、集雨、保墑的效果,顯著地改善了土壤的水熱狀況和田間小氣候,促進(jìn)了產(chǎn)量的提高[6-8]。但在當(dāng)?shù)伛R鈴薯大田栽培應(yīng)用中,覆蓋材料、覆膜方式和壟型等方面的突出問(wèn)題亟待解決。本研究根據(jù)當(dāng)前的生產(chǎn)實(shí)際,對(duì)目前旱作區(qū)馬鈴薯不同種植模式進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),從各處理生育期的土壤含水量和溫度、產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益等方面進(jìn)行研究分析,以期篩選出最適合甘肅中部旱作區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)栽培模式,為該技術(shù)在馬鈴薯栽培中的應(yīng)用推廣提供一定的理論依據(jù)。

    1 材料與方法

    1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

    試驗(yàn)設(shè)在甘肅省定西市安定區(qū)內(nèi)官鎮(zhèn)董家灣村旱作梯田地(N35°27′~35°40′;E103°23′~106°40′),平均海拔2 328.2 m。該區(qū)域?qū)俚湫偷陌敫珊涤牮B(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū),年平均降水量400~500 mm,且年分布不均,年平均氣溫5.2℃,無(wú)霜期135 d,農(nóng)作物屬于一年一熟。試驗(yàn)地土壤類型為黃綿土,前茬作物玉米,土壤質(zhì)地疏松、肥力中等。0~20 cm耕層有機(jī)質(zhì)10.44 g·kg-1,全氮0.76 g·kg-1,全磷0.53 g·kg-1,全鉀7.8 g·kg-1,速效氮68 mg·kg-1,速效磷22.1 mg·kg-1,速效鉀189 mg·kg-1,pH7.8。

    1.2 供試材料

    馬鈴薯指示品種為甘肅農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所選育的隴薯6號(hào),隴薯6號(hào)原種由定西市愛(ài)蘭薯業(yè)有限公司提供;供試地膜為天水天寶塑業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“天寶牌”厚0.013 mm,寬度120 cm和寬度80 cm的黑色地膜;尿素(含N46%,甘肅劉化集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)),磷酸氫二銨(含P2O546%,含N18%,云南三環(huán)中化美盛化肥有限公司生產(chǎn)),硫酸鉀鎂肥(含K2O 24%,安徽輝隆農(nóng)資集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn))。

    1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    試驗(yàn)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)排列,共設(shè)6個(gè)處理,3個(gè)重復(fù)。6個(gè)處理分別為:處理1:全地面覆蓋雙壟壟作側(cè)播(按株距35 cm,行距50 cm“品”字形壟側(cè)穴播);處理2:全地面覆蓋壟上微溝穴播(大壟寬75 cm、壟溝寬45 cm,在大壟面中間再開(kāi)一條10 cm深的集雨溝,使壟面成為‘M’型,同時(shí)微溝內(nèi)每隔50 cm打一滲水孔);處理3:秸稈帶狀覆蓋種植(分秸稈覆蓋帶和種植帶,兩帶等寬、相間排列,兩帶寬度各55 cm左右,每種植帶平作穴播2行);處理4:半膜壟作(壟寬60 cm,壟高15 cm,選用80 cm寬黑色地膜覆蓋壟面,按株距35 cm,行距50 cm“品”字形壟側(cè)穴播);處理5:露地平地穴播(對(duì)照CK)(按株距35 cm,行距50 cm左右“品”字形穴播)。小區(qū)面積44 m2(5.5 m×8 m),寬行距70 cm,窄行距40 cm,株距35 cm,種植密度51 974 株·hm-2,小區(qū)間距40 cm,設(shè)置保護(hù)行。試驗(yàn)于2015年4月25日播種,9月25日收獲。試驗(yàn)期間調(diào)查記載各處理馬鈴薯生育期的土壤溫度和水分狀況,成熟期每小區(qū)取樣20株考種,并按小區(qū)單收實(shí)測(cè)產(chǎn)量。

    1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

    1.4.1 土壤溫度 采用曲管地溫計(jì)分別在幼苗期、塊莖形成期、塊莖增長(zhǎng)期、淀粉積累期、成熟收獲期測(cè)定馬鈴薯生長(zhǎng)期的土壤溫度。在8∶00,14∶00,19∶00時(shí)測(cè)定各處理馬鈴薯種植行中間的10、20、30 cm土層地溫,取平均值作為當(dāng)天的土壤溫度,每處理3個(gè)重復(fù)。

    1.4.2 土壤水分 采用土鉆烘干法在幼苗期、塊莖形成期、塊莖增長(zhǎng)期、淀粉積累期、成熟收獲期測(cè)定馬鈴薯生長(zhǎng)期的土壤水分。具體是在兩株馬鈴薯中間按三點(diǎn)方法用土鉆取地表下100 cm內(nèi)的土壤,每20 cm為一層,共5層;取樣后在室內(nèi)采用烘干法,土樣在105℃~110℃烘箱中烘7~8 h至恒重后稱重,每處理3個(gè)重復(fù)。

    土壤含水量(%)=(濕土重-烘干土重)/烘干土重×100

    1.4.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀 產(chǎn)量按小區(qū)單收計(jì)產(chǎn)。每小區(qū)按照5點(diǎn)取樣法取20株考種計(jì)算鮮薯產(chǎn)量。單位面積鮮薯產(chǎn)量(kg·hm-2)=小區(qū)鮮薯差量(kg)/小區(qū)面積(m2)×10 000,每處理測(cè)定3次重復(fù);單位面積純收益(元·hm-2)=單位面積產(chǎn)量收入(元·hm-2)-單位面積總投入(元·hm-2)。

    1.5 統(tǒng)計(jì)分析

    試驗(yàn)用Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,用SPSS16.0軟件進(jìn)行方差分析。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 不同種植模式對(duì)馬鈴薯不同生育期耕層土壤溫度的影響

    土壤溫度是土壤熱狀況的綜合表現(xiàn),直接影響著土壤中生物活動(dòng)過(guò)程,如種子發(fā)芽、幼苗出土及生長(zhǎng)、根系發(fā)育以及微生物的活動(dòng)等[9]。不同處理馬鈴薯在不同生育期土壤溫度隨深度變化見(jiàn)表1。馬鈴薯整個(gè)生育期各處理測(cè)定的0~30 cm土壤平均溫度值高低順序?yàn)樘幚?>處理1>處理4>處理5>處理3,處理2和處理1增溫效果最為明顯,與CK相比較平均土壤溫度增加2.5℃和2.2℃,其次是處理4與CK相比增溫0.9℃,而處理3使土壤溫度降低,較CK降低1.0℃,這是由于秸稈覆蓋在土壤表面后形成一道物隔離層,能攔截和吸收太陽(yáng)直射和地面有效輻射,阻礙了土壤與大氣間的水熱交換[10]。

    表1 不同處理下馬鈴薯生育期不同土層平均土壤溫度/℃

    注:表中同一列不同小寫(xiě)字母表示差異達(dá)0.05顯著水平。下同。

    Note: Different small letters in the same column mean significant difference atP<0.05. The same as below.

    整個(gè)生育期,各處理對(duì)土壤溫度的影響效果隨土層的加深而逐漸減弱。在馬鈴薯幼苗期,不同處理對(duì)土壤溫度的影響效果顯著,處理1和處理2不同土層溫度均顯著高于CK(P<0.05),平均土壤溫度分別較CK增高2.0℃和2.2℃;處理4在0~10 cm處土壤溫度與CK差異顯著(P<0.05),在10~30 cm處土壤溫度與CK無(wú)顯著差異;處理3在0~10 cm處較CK增高1.1℃,在10~30 cm處與CK無(wú)差異。隨著生育期的推進(jìn),馬鈴薯葉面積指數(shù)逐漸增大致使到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射減少,各覆蓋處理對(duì)土壤溫度的影響效果逐漸減弱。生長(zhǎng)中期(塊莖膨大期~塊莖增長(zhǎng)期),處理1和處理2在0~10 cm處土壤溫度與CK差異顯著(P<0.05),10~30 cm處土壤溫度與CK無(wú)顯著差異,處理4不同土層溫度與CK差異不顯著(P>0.05),處理3不同土層溫度較CK降低2.1℃。后期(淀粉積累期~成熟期),處理1和處理2不同土層溫度均顯著高于CK(P<0.05),處理4在0~10 cm處土壤溫度與CK差異顯著(P<0.05),在10~30 cm處土壤溫度與CK差異不顯著,在馬鈴薯生長(zhǎng)后期處理3在0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm處平均土壤溫度較CK降低0.7℃、0.6℃和0.2℃。

    2.2 不同種植模式對(duì)馬鈴薯不同生育期土壤水分的影響

    對(duì)馬鈴薯各生育時(shí)期0~100 cm土壤含水量測(cè)定結(jié)果表明,地膜秸稈覆蓋后,各處理在不同生育期平均土壤含水量均比露地有所提高,平均土壤含水量高低順序依次為處理1>處理2>處理3>處理4>處理5(圖1f)。黑膜全地面覆蓋雙壟壟作側(cè)播(處理1)和壟上微溝穴播(處理2)地表100%覆蓋,阻斷了土壤水分的無(wú)效蒸發(fā),自然降水也通過(guò)集水面聚集在播種溝內(nèi),所以在各生育期土壤含水量最高,保墑效果最為明顯,如處理1和處理2在出苗期土壤含水量比露地分別高2.6%和2.2%,在塊莖形成期土壤含水量比露地分別高2.1%和2.5%;其次為秸稈帶狀覆蓋種植(處理3),整個(gè)生育期平均土壤含水量與CK相比提高了1.0%;處理4半膜覆蓋平均土壤含水量較CK提高0.87%,這就說(shuō)明地膜全覆蓋的兩種種植模式具有較好的集雨保墑能力。

    圖1(a~e)分別為馬鈴薯出苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期、淀粉積累期和成熟期0~100 cm土壤含水量的垂直變化情況,由圖可知覆蓋耕作對(duì)馬鈴薯不同生育期土壤含水量的影響隨著土壤深度的增加而減弱。在出苗期各處理土壤含水量由于受前期降雨較多的影響而普遍較高,但由于地面裸露面積較大,加之幼苗耗水量不大,覆蓋后處理1、處理2和處理3在0~60 cm處土壤含水量明顯高于露地,土壤含水量較CK增幅在1.5%~4.6%之間,在60~100 cm處土壤含水量與CK差距減??;處理4在0~60 cm處土壤含水量也高于露地,增幅在0.6%~1.7%之間,但卻低于處理1、處理2和處理3的土壤含水量;在60~100 cm處各處理土壤含水量與CK差距減小(圖1a)。由于馬鈴薯塊莖形成期生長(zhǎng)消耗了土壤水分, 使土壤含水量有所下降,0~80 cm各土層土壤含水量均低于播前。處理1、處理2和處理3、處理4在0~80 cm處土壤含水量較CK增幅在1.5%~3.9%之間;在80~100 cm處各處理與CK無(wú)明顯差異(圖1b)。在馬鈴薯塊莖膨大期和淀粉積累期,由于全市氣溫持續(xù)偏高、干旱少雨,淺層墑情較前期更差;馬鈴薯塊莖膨大期處理1、處理2和處理3在40~60 cm處土壤含水量高于處理4和對(duì)照,0~20 cm和80~100 cm處各處理土壤含水量差異不大(圖1c)。淀粉積累期40 cm處各處理土壤含水量略高于CK,其它土層差異不明顯(圖1d)。到成熟期各處理間土壤含水量變化趨勢(shì)相同,表現(xiàn)為淺層墑情較差,各處理0~40 cm處土壤含水量低于60~100 cm處;這是由于7—9月份以來(lái),持續(xù)高溫干旱,加上作物生長(zhǎng)過(guò)程需水量大,導(dǎo)致淺層土壤嚴(yán)重失墑。另外,各處理之間0~100 cm土層土壤含水量差異不明顯(圖1e)。

    圖1馬鈴薯生育期各處理不同土層土壤水分動(dòng)態(tài)變化

    Fig.1 Dynamic of water in different soil layers with different treatment during potato growth stages

    2.3 不同種植模式對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益的影響

    從表2可知,各覆蓋處理的馬鈴薯鮮薯產(chǎn)量較對(duì)照顯著增加,產(chǎn)量高低排列順序?yàn)樘幚?>處理2>處理3>處理4>處理5。處理1產(chǎn)量為28 757.9 kg·hm-2,居第一位,與CK相比產(chǎn)量提高了7 226.3 kg·hm-2,增產(chǎn)幅度達(dá)到33.6%;處理2產(chǎn)量為27 680.7 kg·hm-2,較CK提高了6 149.1 kg·hm-2,增產(chǎn)幅度為28.6%,居第二位;處理3產(chǎn)量?jī)H次于地膜覆蓋處理,為26 528.3 kg·hm-2,較CK提高了4 996.7 kg·hm-2,增產(chǎn)幅度為23.2%。對(duì)產(chǎn)量進(jìn)行方差分析可知,區(qū)組間未達(dá)到顯著水平,F(xiàn)區(qū)組=1.063,P區(qū)組=0.424(>0.05);處理間達(dá)到顯著水平,F(xiàn)處理=3.927,P處理=0.036(<0.05)。用Duncan法進(jìn)行多重比較分析表明,地膜全覆蓋(處理1和處理2)鮮薯產(chǎn)量最高,處理1產(chǎn)量略高于處理2,但差異不顯著;兩處理與CK之間差異顯著;其次是秸稈覆蓋(處理3),與CK之間差異顯著;地膜半覆蓋(處理4)與CK之間差異不顯著。

    按照市場(chǎng)價(jià)格計(jì)算投入產(chǎn)出,由于覆蓋材料的不同各處理間投入成本存在差異,因定西市大面積推廣全膜雙壟溝播玉米導(dǎo)致秸稈剩余量大,所以本文中玉米秸稈也不記成本。由表2可知,各處理投入成本的依次為全膜(處理1和處理2)>半膜(處理4)>秸稈(處理3)=露地(CK)。處理1純收益為24 730.98 元·hm-2,較CK提高了7 201.56 元·hm-2,居第一位;處理3純收益為23 525.46 元·hm-2,較CK提高了5 996.04 元·hm-2,因秸稈不計(jì)成本位居第二;處理2純收益為23 438.34 元·hm-2,較CK提高了5 908.92 元·hm-2。處理4純收益最低,較CK僅提高了1 015.38 元·hm-2。

    3 討 論

    在干旱半干旱地區(qū),作物增產(chǎn)主要依賴于生育期的土壤溫度、有效降水、土壤的蓄水和土壤蒸發(fā)[11]。對(duì)“十年九旱”的定西地區(qū)來(lái)說(shuō),保持土壤水分、減少土壤無(wú)效蒸發(fā)顯得尤為重要,這樣可以為作物后期生長(zhǎng)提供充足的水分。保護(hù)性耕作對(duì)土壤含水量影響很大,尤其是在干旱年份,由于氣候干燥蒸發(fā)強(qiáng)烈,導(dǎo)致土壤含水率急劇下降,因此在干旱半干旱地區(qū)主要采用覆蓋處理來(lái)貯存降雨,以供作物后期的生長(zhǎng)需求[12]。大量研究表明,地膜覆蓋可以有效減少土壤水分蒸發(fā)、提高作物產(chǎn)量和水分[3,13],黑膜覆蓋還可以有效抑制一年生雜草和減少青頭薯發(fā)生[14];也有研究證明,秸稈覆蓋具有明顯的納雨保墑效果[15-16]。本研究通過(guò)田間試驗(yàn),觀察記錄了馬鈴薯生育期不同覆蓋材料及方式對(duì)土壤含水量、土壤溫度及產(chǎn)量的影響,結(jié)果表明黑膜全覆蓋和秸稈覆蓋能較好地保持土壤水分,降低農(nóng)田蒸發(fā),尤其在作物生長(zhǎng)前期,覆蓋處理含水量明顯高于對(duì)照,在生育后期由于受馬鈴薯冠層覆蓋的影響而導(dǎo)致差異減小,這與張立功[3]、湯瑛芳[13]等研究結(jié)論一致;覆蓋措施對(duì)土壤溫度的影響效果因覆蓋材料的不同而不同[17],本文得出地膜覆蓋處理能有效提高耕層土壤溫度,而秸稈覆蓋阻礙了土壤與大氣間的水熱交換導(dǎo)致土壤溫度降低,這與李榮等[10]在不同溝壟覆蓋模式在春玉米上得出的結(jié)論一致,但秸稈覆蓋是否會(huì)延長(zhǎng)馬鈴薯生育期有待于進(jìn)一步研究;我們通過(guò)試驗(yàn)也得出在整個(gè)生育期各處理對(duì)土壤溫度的影響效果隨土層的加深而逐漸減弱[8];全膜覆蓋技術(shù)與對(duì)照相比有明顯提高馬鈴薯產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的作用,這與很多學(xué)者得出的結(jié)論一致[18-20]。雖然本文得出結(jié)論秸稈覆蓋馬鈴薯生產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)量?jī)H次于全膜覆蓋技術(shù),但本研究未做秸稈覆蓋方式及覆蓋量對(duì)馬鈴薯水文效應(yīng)及產(chǎn)量的影響的研究,需要在以后的大田試驗(yàn)中做進(jìn)一步探討,這對(duì)提升旱作區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、培肥地力、保護(hù)耕地質(zhì)量有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

    表2 不同處理間馬鈴薯產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益差異

    注:投入包括種子、化肥、地膜(其中種子價(jià)格按1.5 元·kg-1,肥料價(jià)格磷酸氫二銨2.6 元·kg-1,尿素1.5 元·kg-1,硫酸鉀鎂1.7 元·kg-1;地膜價(jià)格按14 元·kg-1)。2015年馬鈴薯售價(jià)為1.2 元·kg-1。

    Note: Inputs include seeds, fertilizers, and mulching film(seed 1.5 yuan·kg-1, ammonium phosphate 2.6 yuan·kg-1, diaminomethanal 1.5 yuan·kg-1, potassium magnesium sulfate 1.7 yuan·kg-1, mulching film 14 yuan·kg-1). Potato rice was 1.2 yuan·kg-1in 2015.

    4 結(jié) 論

    1) 馬鈴薯整個(gè)生育期土壤平均溫度全地面覆蓋雙壟壟作側(cè)播和壟上微溝穴播較CK增加2.2℃和2.5℃,半膜壟作較CK增溫0.9℃,而秸稈帶狀覆蓋較CK降低了1.0℃。不同覆蓋對(duì)土壤溫度的影響效果隨土層的加深而逐漸減弱。

    2) 覆膜壟溝集雨和秸稈帶狀覆蓋能明顯改善土壤水分狀況,在馬鈴薯生長(zhǎng)前期集雨保墑效果尤為明顯。馬鈴薯整個(gè)生育期0~100 cm土壤平均含水量全地面覆蓋雙壟壟作側(cè)播和壟上微溝穴播較CK提高1.7%和1.5%,半膜壟作較CK提高0.87%,秸稈帶狀覆蓋較CK提高了1.0%。各處理馬鈴薯土壤含水量垂直變化隨著土壤深度的增加而減弱。

    3) 覆蓋耕作有利于作物產(chǎn)量和純收益提高,全地面覆蓋雙壟壟作側(cè)播、全地面覆蓋壟上微溝穴播、秸稈帶狀覆蓋、半膜壟作馬鈴薯產(chǎn)量分別較CK增加33.6%、28.6%、23.2%和7.2%。全地面覆蓋雙壟壟作側(cè)播和秸稈帶狀覆蓋馬鈴薯純收益較CK分別增加7 201.56 元·hm-2和5 996.04 元·hm-2。

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