覆膜與生物炭對青藏高原馬鈴薯水分利用效率和產(chǎn)量的影響

李正鵬，宋明丹,2，韓 梅，蔣福禎，葉廣繼

覆膜與生物炭對青藏高原馬鈴薯水分利用效率和產(chǎn)量的影響

李正鵬1，宋明丹1,2※，韓 梅1，蔣福禎1，葉廣繼1

（1. 青海大學農(nóng)林科學院，西寧 810016； 2.國家農(nóng)業(yè)環(huán)境西寧觀測實驗站，西寧 810016）

生物炭具有比表面積大，吸附力強等特點，該研究嘗試在地膜覆蓋基礎(chǔ)上引入生物炭技術(shù)，利用生物炭的保水保肥效應以及固碳培肥效果，解決地膜覆膜帶來的土壤地力下降及后期減產(chǎn)問題。2019年通過設(shè)置施炭（B）、覆膜（M）、施炭+覆膜（M+B）和對照（CK）共4個處理的大田試驗，探究覆膜和生物炭對青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)馬鈴薯生長、耗水特征和產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明：塊莖膨大期和淀粉積累期是植株干物質(zhì)量增加的主要時期，覆膜在塊莖膨大期即有顯著的促進效果，生物炭僅在淀粉積累后期和成熟期促進效果顯著。施炭和覆膜均能顯著提高收獲期植株總干物質(zhì)量，施炭比覆膜的根冠比顯著提高。馬鈴薯苗期耗水量最高，在塊莖膨大期以前日均耗水量在3 mm/d以上。覆膜顯著增加了作物總耗水量和土壤儲水消耗量，總耗水量比對照多出35 mm，施炭和覆膜均顯著提高了水分利用效率。施炭和覆膜均能顯著提高馬鈴薯塊莖產(chǎn)量（<0.05），覆膜顯著增加了大薯的數(shù)量和產(chǎn)量。無論施炭與否，覆膜均顯著增產(chǎn)，而施炭僅在不覆膜下顯著增產(chǎn)，覆膜增產(chǎn)效應是施炭的2.2倍。覆膜能顯著提高馬鈴薯凈收益，但施炭降低了凈收益，主要是由于生物炭的成本較高。該研究為青藏高原東部農(nóng)區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)栽培提供科學依據(jù)。

膜；生物炭；馬鈴薯；產(chǎn)量；水分利用效率；凈收益；青藏高原

0 引 言

在西北干旱半干旱農(nóng)業(yè)區(qū)，水分是限制作物產(chǎn)量提高的主要因素之一。地處青藏高原和黃土高原過渡地帶的青藏高原東部農(nóng)業(yè)區(qū)，是青海省主要的農(nóng)耕區(qū)，其耕地面積占全省總耕地面積的70%左右，是西北高原干旱地區(qū)的代表，具有高海拔、寒冷、降水少、蒸發(fā)量大的氣候特點，干旱缺水嚴重制約著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。

馬鈴薯是青藏高原東部農(nóng)業(yè)區(qū)的主要糧食作物之一，種植面積約9萬hm2，是青海省的第三大農(nóng)作物，已成為當?shù)剞r(nóng)民增收和發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟的特色產(chǎn)業(yè)[2]。該區(qū)以雨養(yǎng)旱地為主，馬鈴薯對生育期降水量變化非常敏感[3]。地膜覆蓋技術(shù)能夠顯著降低土壤的無效蒸發(fā)，改善土壤水熱條件，促進作物的生長和產(chǎn)量提升，提高水分資源利用效率[4-5]，在西北地區(qū)得到了廣泛的推廣。然而，有研究指出長期使用地膜，會加快土壤有機質(zhì)的分解，降低土壤微生物多樣性，土壤斥水性增強，極大地破壞土壤的生態(tài)環(huán)境[6]。

青藏高原東部農(nóng)業(yè)區(qū)土壤肥力狀況基本處于中等偏下水平，由于長期不合理施肥，導致土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，土壤瘠薄，耕層淺，是限制該區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展又一主要限制因素[7]。生物炭是在低氧或缺氧條件下，將農(nóng)林廢棄物、禽畜糞便等有機物質(zhì)經(jīng)過高溫熱解而形成的產(chǎn)物，具有容重小、比表面積大、吸附能力強和穩(wěn)定性強等特點[8]。大量研究表明生物炭能改善土壤理化性質(zhì)，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，但其應用效果受土壤特性、作物種類和生物炭特性等的影響而存在較大變異[9-10]。本研究嘗試在地膜覆蓋基礎(chǔ)上引入生物炭技術(shù)，利用生物炭的保水保肥效應以及固碳培肥效果，解決地膜覆膜帶來的土壤地力下降及后期養(yǎng)分管理困難等問題。通過開展覆膜、施炭兩因素隨機區(qū)組試驗，分析馬鈴薯干物質(zhì)量分配、水分利用、產(chǎn)量構(gòu)成和投入產(chǎn)出4個方面，探究覆膜和施炭在青藏高原東部農(nóng)業(yè)區(qū)馬鈴薯的應用效果，為該地區(qū)生物炭推廣應用和馬鈴薯高產(chǎn)栽培提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地及試驗設(shè)計

田間試驗位于青海省西寧市城北區(qū)莫家泉灣村，青海大學農(nóng)林科學院試驗地（101°45′E，36°43′N，海拔2 314 m），屬于暖涼溫半干旱區(qū)（高原大陸性氣候），平均海拔在3 000 m以下，年平均氣溫為6.1 ℃，年均降水量為413.6 mm，年平均蒸發(fā)量為1 180.9 mm，作物生長季天數(shù)在180～240 d，屬于一年一熟區(qū)[11]。試驗地土壤為栗鈣土，質(zhì)地為黏質(zhì)壤土，試驗前0～20 cm耕層土壤有機質(zhì)為18.23 g/kg、全氮為1.29 g/kg、堿解氮為79.0 mg/kg、速效磷為10.9 mg/kg、速效鉀為107.7 mg/kg、pH值為8.4。

供試馬鈴薯品種為青海省農(nóng)林科學院培育的“青薯9號”，于2019年4月23號播種。試驗所用生物炭購于遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，是玉米秸稈在500℃低氧條件生產(chǎn)的。所用地膜購于青海農(nóng)牧生產(chǎn)資料股份有限公司，膜厚0.01 mm，膜寬80 cm，黑色。本試驗共4個處理，分別為不施炭不覆膜的對照（CK）、施炭（B）、覆膜（M）、覆膜+施炭（M+B），每個處理重復4次，共16個小區(qū)。小區(qū)長7 m、寬3 m、面積21 m2，采用隨機區(qū)組設(shè)計。播前一次性施氮肥 150 kg/hm2，磷肥90 kg/hm2，生物炭的施用量為20 t/hm2，在田間均勻撒施后用微耕機翻耕，人工起壟、覆全膜。采用溝壟種植，其中壟高20 cm，壟寬30 cm，溝寬30 cm，單壟單行，株距40 cm。整個生育期不灌水，其他管理措施同當?shù)剞r(nóng)民栽培習慣，2019年9月28日收獲。馬鈴薯生長階段降水356 mm，該年度的氣象條件如圖1所示。

圖1 2019年馬鈴薯生長期間的氣象因子變化

1.2 測定項目與方法

1.2.1 植株干物質(zhì)量及產(chǎn)量測定

馬鈴薯植株分別于苗期（播后62 天）、塊莖形成期（播后75天）、塊莖膨大期（播后112天）、淀粉積累期（播后144天）和成熟期（播后158天）共采樣5次。每小區(qū)隨機采集健壯和長勢相同的無病害馬鈴薯植株3株，整株挖出，清洗干凈，于105℃下殺青0.5 h，75 ℃烘干至恒質(zhì)量。

于收獲期，在每個小區(qū)中心位置隨機選取長勢均勻一致的無病害馬鈴薯10株，參考《馬鈴薯商品薯分級與檢驗規(guī)程》（國標GBT 31784-2015），將塊莖按大薯（>150 g）、中薯（75～150 g）和小薯（<75 g）進行分級，記錄每個等級下的馬鈴薯個數(shù)和質(zhì)量。商品薯率（%）＝大中薯塊莖質(zhì)量/塊莖總質(zhì)量×100%。

1.2.2 作物耗水量和水分利用效率

在馬鈴薯播種前和收獲后，以及植株采樣前在每個小區(qū)中間用直徑5 cm的土鉆采集0～100 cm的土樣測定土壤含水率，0～40 cm土層每10 cm為1層，40 cm以下每20 cm為1層。土壤含水率測定采用烘干法，在105 ℃下烘干至恒質(zhì)量。土壤體積含水率的計算參考文獻[12]。

馬鈴薯階段耗水量采用水量平衡法計算：

式中ET為生育階段作物耗水量，mm；P為階段的降水量，mm；為灌溉量，mm；ΔSWS為階段開始和結(jié)束時1 m土層土壤貯水量之差，mm；為地表徑流，為滲漏量，為地下水補給量，所有量的單位均為mm。在本試驗區(qū)土壤及降水條件下，、和可忽略不計。

關(guān)于作物階段耗水模系數(shù)、耗水強度、農(nóng)田總耗水量的計算參考文獻[13]。計算公式如下：

式中CP為階段的耗水模系數(shù)，%；ET為各階段作物耗水量，mm；CD為階段的耗水強度，mm/d；d為階段持續(xù)天數(shù)；ET為農(nóng)田總耗水量，mm；為生育階段個數(shù)，本研究中為5。

農(nóng)田耗水比例、水分利用效率和降水利用效率的計算參考文獻[14]。

降水的耗水比例計算公式如下：

式中P為降水占總耗水的比例，%；∑P為各階段的降水量之和，mm。

土壤儲水消耗的耗水比例計算如下：

式中ΔSWS為土壤儲水消耗占總耗水量的比例，%；∑ΔSWS為各階段土壤儲水消耗量之和，mm。

水分利用效率計算公式如下：

式中WUE為水分利用效率，kg/(hm2·mm)；為馬鈴薯產(chǎn)量，kg/hm2。

降水利用效率計算公式如下：

式中PUE為降水利用效率，kg/(hm2·mm)；∑P為各階段的降水量之和，mm。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究中的方差分析（Analysis of Variance, ANOVA）和多重比較均在SPSS 20.0軟件中完成，多重比較采用 Duncan’s新復極差法檢測。所有計算和繪圖均在EXCEL2010軟件中完成。因素的主效應和簡單效應計算參考《植物營養(yǎng)研究方法》[15]。施炭在不覆膜（CK）、覆膜（M）下的簡單效應計算為：B?CK和(M+B)?M，施炭的（B）主效應計算：((B?CK)+((M+B) ?M))/2。覆膜在不施炭、施炭下的簡單效應計算分別為：M?CK和(M+B)?B，覆膜的主效應計算：((M?CK)+((M+B)?B))/2。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯干物質(zhì)量積累

整體來看，馬鈴薯植株總干物質(zhì)量先緩慢增加后呈線性增加，最后增加平緩或下降：馬鈴薯塊莖形成期（62～75 d）積累了總干物質(zhì)量的9.8%～24.0%，塊莖膨大期（75～112 d）積累了總干物質(zhì)量的35.3%～52.4%，淀粉積累期（112～144 d）積累了總干物質(zhì)量的16.4%～46.3%，塊莖膨大期和淀粉積累期是植株干物質(zhì)量增加的主要時期（圖2）。

注：I～VI分別代表發(fā)芽期、苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期、淀粉積累期、成熟期；*，**分別代表在處理間0.05和0.01水平上顯著；CK、B、M、M+B分別代表對照、僅施炭、僅覆膜、覆膜加炭處理，下同。

在馬鈴薯生長早期（塊莖形成期）和后期（淀粉積累末期和成熟期），不同處理對植株總干物質(zhì)量的影響極顯著（<0.01）。75 d時（塊莖形成末期），覆膜對植株干物質(zhì)量的影響極顯著（<0.01），而施炭對其影響不顯著（>0.05），覆膜和對照處理的植株干物質(zhì)量分別為87和179 g/株，覆膜提高了植株干物質(zhì)量105%。在馬鈴薯的塊莖膨大期，覆膜和施炭均對其生長無顯著差異（>0.05）。在馬鈴薯進入淀粉積累期后，覆膜和施炭均對其有顯著影響（<0.05）。在播種144 d時，CK、B、M和M+B的植株總干物質(zhì)量分別為372、518、654和725 g/株，B、M和M+B分別提高干物質(zhì)量39%，76%和95%。覆膜處理在作物生長早期（塊莖形成期）即有顯著的促進效果，生物炭處理僅在作物生長后期（淀粉積累期末期和成熟期）促進效果顯著（<0.05）。

2.2 收獲期馬鈴薯干物質(zhì)量分配

覆膜和施炭均能顯著提高馬鈴薯植株總干物質(zhì)量（<0.05），B、M和M+B處理的植株總干物質(zhì)量分別比CK高32.8%、40.9%和44.8%。施炭和覆膜的主效應分別為3.2和4.6 t/hm2，覆膜條件下植株總干物質(zhì)量是施炭的1.4倍。覆膜在不施炭和施炭條件下的簡單效應分別為7.0和2.1 t/hm2，無論施炭與否，覆膜均顯著增加植株總干物質(zhì)量（<0.05）；施炭在不覆膜和覆膜條件下的簡單效應分別為5.6和0.7 t/hm2，僅在不覆膜條件下顯著增加植株總干物質(zhì)量（<0.05）。

成熟期各處理的植株器官占總干物質(zhì)量的比例均表現(xiàn)為：塊莖（70.3%～76.2%）＞莖（16.0%～21.3%）＞葉（5.7%～6.8%）＞根（1.4%~1.8%）（表1）。與CK相比，覆膜和施炭顯著提高了塊莖的干物質(zhì)量（<0.05）。施炭和不施炭的平均根干物質(zhì)量分別為0.41和0.31 t/hm2，無論覆膜與否，施炭均能顯著提高根干物質(zhì)量（<0.05），但覆膜對根干物質(zhì)量無顯著影響（>0.05）。覆膜和施炭均對葉干物質(zhì)量無顯著影響（>0.05）。

表1 不同處理對收獲期馬鈴薯干物質(zhì)量分配的影響

注：同一列中不同小寫字母表示在0.05水平有顯著差異，下同。

Note: Different letters within a column indicate significant differences at 0.05 level, and the same as below.

在施炭的基礎(chǔ)上，覆膜顯著降低了植株根冠比，M+B比B處理的根冠比降低了33.0%（<0.05）；而在覆膜的基礎(chǔ)上，施炭與否對植株根冠比影響不大。此外，施炭的根冠比顯著大于覆膜處理（<0.05），各處理的根冠比與對照均無顯著差異，各處理間收獲指數(shù)差異不顯著（>0.05）。

2.3 馬鈴薯不同生長階段耗水特征

馬鈴薯不同生長階段耗水量差別較大，本研究中苗期耗水量最高，占了總耗水量的40%左右，其次是塊莖膨大期，占了總耗水量的26%左右（表2）。成熟期和塊莖形成期的耗水量最少，分別占了總耗水量的5%和9%左右。馬鈴薯耗水強度在塊莖膨大期以前均維持較高水平，日均耗水量在3 mm/d以上，之后逐漸降低，成熟期耗水強度為0.8～1.7 mm/d。

苗期和成熟期，B處理下的耗水量、耗水模系數(shù)和耗水強度均最低（表2），這可能是由于植株生長早期和后期，植株蒸騰量較小，農(nóng)田耗水主要是土壤蒸發(fā)，而生物炭的持水能力使土壤蒸發(fā)減少，從而降低了農(nóng)田耗水量。在淀粉積累期，B、M和M+B處理下的耗水量、耗水模系數(shù)和耗水強度均顯著高于對照處理（<0.05），這可能是該階段B、M和M+B處理下的干物質(zhì)量積累量較大，導致蒸騰耗水較多。

表2 不同處理對馬鈴薯階段耗水量、耗水模系數(shù)和耗水強度的影響

2.4 農(nóng)田耗水量和水分利用效率

雨養(yǎng)條件下，降水和土壤儲水量是作物耗水量的兩大來源。2019年馬鈴薯整個生長期降水量356 mm，是作物總耗水量的主要來源，占作物總耗水量的77.0%～80.8%；土壤貯水消耗量為85～121 mm，僅提供作物總耗水量的19.2%～25.1%（表3）。覆膜顯著增加了作物總耗水量和土壤貯水消耗（<0.05），比CK多耗水35 mm。

2019年馬鈴薯各處理WUE為138～204 kg/(hm2·mm)，B、M和M+B處理的WUE分別比CK顯著提高了28.3%、38.4%和47.8%（<0.05，表3）。施炭和覆膜的主效應分別為26和40 kg/(hm2·mm)。覆膜的WUE是施炭的1.4倍。各處理PUE為170～265 kg/(hm2·mm)，B、M和M+B處理的PUE分別比CK顯著提高了28.8%、50%和55.9%（<0.05）（表3），施炭和覆膜的主效應分別為29.5和65.5 kg/(hm2·mm)。覆膜的PUE是施炭的1.5倍（<0.05）。

表3 不同處理對馬鈴薯耗水特性和水分利用效率的影響

2.5 馬鈴薯產(chǎn)量及其構(gòu)成

施炭和覆膜均能顯著提高馬鈴薯塊莖產(chǎn)量（<0.05），和CK相比（總產(chǎn)量60.59 t/hm2），B、M和M+B處理的增產(chǎn)率分別為28.0%、49.2%和56.0%（表4）。從主效應和簡單效應來看：施炭和覆膜的主效應分別為10.6和23.4 t/hm2，覆膜的主效應是施炭的2.2倍；覆膜在不施炭和施炭條件下的簡單效應分別為29.8和17.0 t/hm2，無論施炭與否，均顯著增產(chǎn)（<0.05）；施炭在不覆膜和覆膜條件下的簡單效應分別為17.0和4.2 t/hm2，僅在不覆膜條件下顯著增產(chǎn)（<0.05），而在覆膜條件下，M和M+B無顯著差異（>0.05）。

和CK相比，覆膜明顯增加了大薯的數(shù)量和產(chǎn)量，而對中、小薯的數(shù)量和產(chǎn)量均無顯著影響（表4）。從主效應和簡單效應來看：對于大薯數(shù)量，施炭和覆膜的主效應分別為1.1和5.3 萬個/hm2；對大薯產(chǎn)量，施炭和覆膜的主效應分別為8.4和24.1 t/hm2，僅覆膜對大薯數(shù)量和產(chǎn)量的影響達顯著水平（<0.05）。相關(guān)分析結(jié)果顯示，塊莖產(chǎn)量和大薯的數(shù)量、產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)（=0.48和0.60，<0.01），而與總薯數(shù)和中小薯的相關(guān)性不顯著（>0.05）。各處理的商品薯率差異不顯著（=0.42）。

表4 不同處理對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

2.6 馬鈴薯的投入產(chǎn)出分析

本研究中種薯用量為1 800 kg/hm2，價格為3元/kg，尿素用量為250 kg/hm2，單價為2.1元/kg，磷酸二銨用量為196 kg/hm2，單價為3.2元/kg。地膜投入為1 500元/hm2[16]，生物炭用量為20 t/hm2，單價為2 000元/t[17]。覆膜和施炭雖然都能顯著提高產(chǎn)量，但在投入產(chǎn)出方面存在明顯不同（表5）。B、M和M+B的總收益分別比對照高24.6%、52.0%和57.3%，在不覆膜和覆膜條件下施炭的總收益分別為對照的1.25和1.57倍。但B、M和M+B的總投入分別比對照高418.8%、15.7%和434.5%，施炭的總投入是對照的5倍多。從凈收益來看，M處理的凈收益是對照的1.57倍，而B處理僅為對照的74%，即施炭大幅度降低了凈收益。這主要是由于地膜和生物炭的價格差異導致的，地膜投入為1 500元/hm2，而生物炭投入為40 000元/hm2，是地膜的26.6倍。

表5 覆膜和施炭下馬鈴薯的投入、產(chǎn)出和凈收益

3 討 論

3.1 覆膜和施炭對植株干物質(zhì)量和分配的影響

干物質(zhì)量的積累和分配是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，大量研究表明覆膜在顯著提高地上生物量的同時，也會促進植株根系的生長。在水分和養(yǎng)分受限的條件下，植株對根系的同化物分配會增加，以獲得更多的資源，提高產(chǎn)量[18]。覆膜下水熱條件得到改善，有效養(yǎng)分含量增加，植株的同化產(chǎn)物更多的分配到地上部分，從而降低根冠比[19-20]。胥生榮等[21]的研究表明覆膜能顯著降低枸杞的根冠比，秋覆膜和春覆膜分別是裸地對照的87%和90%。覆膜使土壤水熱條件得到改善, 植株生長速率加快，但根系生長速率相對地上部分緩慢，根冠比減小。趙琳等[22]比較了不同栽培模式下冬小麥根冠比的變化，結(jié)果表明溝壟種植下根冠比最大，地膜覆蓋模式下根冠比最低，施氮對植株地上部分的影響大于對根系的影響。Wang等[20]的研究也表明覆膜條件下土壤養(yǎng)分有效性增加，植株的根冠比降低。

生物炭具有改善土壤結(jié)構(gòu)，保水保肥，促進作物生長的作用。Xiang等[23]匯總分析了136篇文章中的數(shù)據(jù)來評估添加生物炭對植株根系生長的影響，結(jié)果表明施炭能顯著提高根系生物量32%左右，但對根冠比影響不大。大量研究表明施炭可以顯著促進植株根系的生長，尤其是根長和根體積明顯增加[24]，這可能是由于：1）添加生物炭降低了土壤容重，從而減小了根系生長的機械阻力；2）添加生物炭增加了土壤持水能力，土壤含水率增加，土壤機械阻力降低。

本研究中覆膜和施炭均有提高地上部干物質(zhì)量和根系干物質(zhì)量的趨勢，對于地上干物質(zhì)量而言，覆膜效果更明顯，對于根系干物質(zhì)量而言，施炭效果更明顯。從而導致覆膜下的根冠比的降低，施炭下的根冠比的增加，覆膜和施炭處理的根冠比差異顯著，覆膜下施炭處理的根冠比與對照無顯著差異。

3.2 覆膜和施炭對作物水分利用的影響

覆膜能有效改善土壤水熱狀況，促進作物生長，提高產(chǎn)量和WUE[25]。覆膜后，地膜與土壤表面形成一個穩(wěn)定的氣層，能有效抑制水汽交換，減少土壤蒸發(fā)，增加作物蒸騰；同時該氣層能夠抑制夜間長波輻射，減弱土壤和大氣間的顯熱和潛熱交換，提高土壤溫度[26]。文冶強等[27]在甘肅省石羊河流域的春小麥試驗中發(fā)現(xiàn)覆膜能夠有效改善農(nóng)田的耗水結(jié)構(gòu)，減少土壤的無效蒸發(fā)，覆膜處理減少了27%的無效耗水。前人研究表明添加生物炭能夠降低土壤容重，改善土壤水分和養(yǎng)分狀況，促進作物生長[28]。Xiao等[29]的研究表明施炭顯著提高了土壤的持水能力，顯著提高了玉米產(chǎn)量。由于生物炭自身的多孔性，加入土壤后顯著提高了土壤的孔隙度，同時生物炭能夠吸持中微孔隙中的水分，使土壤接納更多的降水并保持在根區(qū)。

提高WUE是旱地農(nóng)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵。覆膜通過降低土壤的無效蒸發(fā)，提高植物蒸騰量，促進產(chǎn)量提高。Qin等[30]的研究表明溝壟種植下的全覆膜與對照相比，農(nóng)田蒸發(fā)蒸騰量沒有顯著增加，但產(chǎn)量提高了86.8%，WUE提高了83.9%。Zhao等[31]比較了覆膜與傳統(tǒng)平作下的土壤耗水量、產(chǎn)量和WUE的差異，結(jié)果表明全覆膜的農(nóng)田耗水量比對照高18.7%，產(chǎn)量比對照高57.4～78.2%，WUE比對照高56.8～70.3%。Xiao等[29]的研究表明施炭在較濕潤年份能顯著提高玉米產(chǎn)量，對農(nóng)田耗水量無影響，WUE提高了9.4%～12.3%。本研究中覆膜條件下的農(nóng)田耗水量僅比對照高7.9%，但產(chǎn)量卻高出49.2%，從而使WUE顯著提高了38.4%；生物炭條件下農(nóng)田耗水量與對照相當，產(chǎn)量提高了28%，從而WUE提高了38.4%。覆膜條件下施炭結(jié)合了兩者優(yōu)點，農(nóng)田耗水量、產(chǎn)量和WUE均與覆膜處理無顯著差異，需要進一步驗證。

3.3 覆膜和施炭對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

Zhang等[32]對比了覆膜和不覆膜條件下的光熱條件和馬鈴薯的生長狀況，結(jié)果表明覆膜處理獲得的太陽輻射量要明顯大于不覆膜處理，而熱通量則相反，覆膜顯著增大了馬鈴薯的株高和大薯的質(zhì)量。Qin等[30]對比分析了6種溝壟和覆膜方式，結(jié)果表明溝壟全覆種植下馬鈴薯的產(chǎn)量、WUE、地上部生物量和相對生長速率均較高，其中大薯和中薯的比例明顯增加，單株結(jié)薯數(shù)和結(jié)薯質(zhì)量也顯著提高。Jia等[33]的研究表明覆膜可以顯著增加馬鈴薯的產(chǎn)量，尤其是增加了大薯（>300 g）所占的比例。趙愛琴等[25]綜合分析了中國馬鈴薯地膜覆蓋試驗，結(jié)果表明地膜在年降水量<500 mm 和年均溫<10 ℃的區(qū)域增產(chǎn)效應最明顯，相對增產(chǎn)率在40%左右。本研究區(qū)年降水量為400 mm，年均氣溫為7 ℃，晝夜溫差大，覆膜增產(chǎn)率達49%。

生物炭能顯著增加作物產(chǎn)量，尤其在干旱和土壤結(jié)構(gòu)差的土壤上，但其增產(chǎn)效益因土壤、作物和生物炭本身的性質(zhì)存在很大的變異[34]。王賀東等[35]比較了不同生物炭添加量對馬鈴薯產(chǎn)量和土壤的影響，結(jié)果表明生物炭施用量為20 t/hm2時顯著提高了馬鈴薯總產(chǎn)量和商品薯率，增產(chǎn)率41.08%。Liu等[17]的研究結(jié)果表明當土壤的C/N<9.0時，生物炭的增產(chǎn)效果最大，生物炭添加使馬鈴薯產(chǎn)量平均增加19%。Jin等[36]通過5 a的油菜-紅薯輪作試驗表明，施炭能顯著提高紅薯和油菜的產(chǎn)量，對結(jié)實在地下的作物影響更大。Jay等[37]的研究表明生物炭提高了土壤pH值和K、Mg等養(yǎng)分含量，但是對于大麥、草莓和馬鈴薯的產(chǎn)量影響較小。Crane-Droesch等[38]通過總結(jié)前人研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的施用效果受土壤肥力的影響，當陽離子交換能力（Cation Exchangeable Capacity，CEC）<15 cmol/kg、SOC<15 g/kg時，其增產(chǎn)效果較好。本研究中耕層0～20 cm土壤的CEC為11 cmol/kg，SOC為10.6 g/kg，施炭顯著提高了馬鈴薯產(chǎn)量，比對照高28%。

4 結(jié) 論

本研究主要探究了在青藏高原東部農(nóng)業(yè)區(qū)覆膜和施生物炭對馬鈴薯生長的影響，分析了植株干物質(zhì)量積累和分配、水分利用、產(chǎn)量構(gòu)成和經(jīng)濟效益等，所得結(jié)論如下：

1）塊莖膨大期和淀粉積累期是植株干物質(zhì)量增加的主要時期。覆膜在作物生長早期（塊莖膨大期）即有顯著的促進效果，生物炭僅在作物生長后期（淀粉積累末期和成熟期）促進效果顯著。

2）覆膜和施炭均能顯著提高馬鈴薯植株收獲期干物質(zhì)量，覆膜下的植株總干物質(zhì)量是施炭下的1.4倍。施炭能顯著提高根干物質(zhì)量，但覆膜對根干物質(zhì)量無顯著影響。

3）馬鈴薯苗期耗水量最高，其次是塊莖膨大期。馬鈴薯耗水強度在塊莖膨大期以前日均耗水量在3 mm/d以上。苗期和成熟期，施炭處理下的耗水量、耗水模系數(shù)和耗水強度均最低。

4）覆膜顯著增加了作物總耗水量和土壤貯水量消耗，比對照多耗水35 mm，施炭對其無顯著影響。施炭和覆膜均顯著提高了水分利用效率，施炭、覆膜、施炭+覆膜分別比對照提高28.3%、38.4%和47.8%。

5）施炭和覆膜均能顯著提高馬鈴薯塊莖產(chǎn)量，覆膜的主效應是施炭的2.2倍。覆膜處理顯著增加了大薯的數(shù)量和產(chǎn)量，施炭和覆膜對中、小薯的數(shù)量和產(chǎn)量均無顯著影響。

6）覆膜下的凈收益是對照的5倍多，而施炭下的凈收益僅為對照的74%，生物炭的投入是地膜的26.6倍，價格昂貴是限制其大面積應用的主要因素。從增產(chǎn)、提高水分利用效率來看，覆膜仍然是青藏高原馬鈴薯生產(chǎn)的最好選擇。

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Effects of film mulching and biochar interaction on yield and water use efficiency of potato in the eastern agricultural area of Qinghai-Tibetan Plateau

Li Zhengpeng1, Song Mingdan1,2※, Han Mei1, Jiang Fuzhen1, Ye Guangji1

(1.810016;2.810016)

Plastic film mulching has been widely used as an agricultural technology in arid and semiarid regions of northwest China. It is beneficial to soil and micro-environment. Furthermore, it prompts crop growth and water use efficiency. However, continuous plastic mulching may accelerate the decay of soil organic matter, decrease soil microbial diversity, increase soil water repellency and thus destroy the soil ecological environment. Biochar can improve soil physicochemical properties and crop yield and quality, which has been demonstrated by many studies. But its effect varies greatly with soil properties, crop types and biochar characteristics. With biochar’s large specific surface area and strong adsorption capacity, this study attempted to add biochar into soils with plastic film mulching to solve the problem of soil fertility decline and yield reduction caused by plastic film mulching. A field experiment was conducted to explore the interaction of film mulching and biochar application on yield and water use efficiency of potato in the Eastern Agricultural Area of Qinghai-Tibetan Plateau. In 2019, four treatments was designed: biochar application (B), film mulching (M), biochar application and film mulching (M+B) and control (CK). The results showed that plant dry matter accumulation mainly occurred in the tuber bulking and starch accumulation stages. Plant dry matter was improved significantly at early stages by film mulching whereas at late growth stages by the biochar application. Plant dry matters at harvest were increased significantly by both biochar and film mulching, and dry matter under film mulching treatment was 1.4 times as much as that under biochar treatment. Biochar increased root biomass significantly while film mulching had no significant effect on root biomass. Moreover, root to shoot ratio affected by biochar was significantly higher than that by film mulching. Potato consumed most water at the seedling stages, followed by tuber bulking stage, and the water consumption prior to the tuber bulking stage was over 3 mm/d. Water consumption, water consumption proportion, and water consumption intensity at both seedling and maturity stages were all the lowest under biochar treatment. Total water consumption and soil water consumption were significantly improved by film mulching, which was 35 mm higher than the CK, while total water consumption in biochar treatment had no significant difference with control. Both biochar application and film mulching increased water use efficiency (WUE). The WUE values in the B, M and M+B treatments were improved by 28.3%, 38.4% and 47.8% compared to CK, respectively. Both biochar application and film mulching increased potato tuber yield, and film mulching increased the number and yield of big tubers significantly. However, both biochar and film mulching had no significant effect on the number and yield of middle and small tubers. The main effect of film mulching on improving potato yield with and without biochar application, was 2.2 times as much as that of biochar application. The net income of potato production was improved significantly by film mulching but decreased by biochar application mainly due to the high prices of biochar. The study showed that the film mulching was still a good way to increase potato yield and water use efficiency in the Eastern Agricultural Area of Qinghai-Tibetan Plateau.

film; biochars; potato; yield; water use efficiency; net income; Qinghai-Tibetan Plateau

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Li Zhengpeng, Song Mingdan, Han Mei, et al. Effects of film mulching and biochar interaction on yield and water use efficiency of potato in the eastern agricultural area of Qinghai-Tibetan Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(15): 142-149. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.018 http://www.tcsae.org

2020-02-29

2020-06-10

青海省科技廳青年基金項目（2018-ZJ-961Q）；青海省農(nóng)林科學院基本科研業(yè)務費專項項目（2017-NKY-05）

李正鵬，助理研究員，主要研究方向為農(nóng)業(yè)資源高效利用。Email：lipengzheng131@163.com

宋明丹，助理研究員，主要研究方向為農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境。Email：hi0045@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.018

S512.1; S184

A

1002-6819(2020)-15-0142-08