立式深旋耕作和覆膜對種植黨參土壤物理性狀及耗水特性的影響

侯慧芝，張緒成，馬一凡，方彥杰，王紅麗，于顯楓，張國平，雷康寧

(甘肅省農業(yè)科學院 旱地農業(yè)研究所/甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

黨參(Codonopsispilosula)是甘肅省的道地中藥材，種植面積和產量均位于全國前列，但目前栽培多采用傳統(tǒng)的露地方法，優(yōu)質參少，產值低[1]。地膜覆蓋具有顯著的增溫、保水、保肥等功效，能夠顯著提高旱地作物產量和經濟效益[2]。西北半干旱區(qū)，由于特殊的地形、氣候以及長期淺旋耕造成的犁底層變淺影響，作物根系下扎受到限制[3]，嚴重影響了黨參、馬鈴薯等塊根塊莖類作物的商品屬性。

耕作措施可改變土壤狀況，影響土壤容重、孔隙度、緊實度、持水率等物理性狀[3-6]，這些物理性狀的改變也將驅動土壤的化學和生物性狀的變化，最終改變土壤的功能尤其是水肥供應能力[7-8]。大量研究表明深松耕作可打破犁底層，改善土壤緊實度，提高土壤蓄水能力，進而提高作物水分利用效率，增加作物產量[6,9]。立式深旋耕作技術是由甘肅省農業(yè)科學院旱地農業(yè)研究所和定西三石農業(yè)科技公司研究人員在借鑒廣西粉壟技術的基礎上研發(fā)的一種土壤耕作方法，由一個或多個螺旋鉆頭垂直粉碎土壤，同時具備深松、旋耕和翻耕等耕作方法的優(yōu)點[10-13]，并且不改變土壤垂直層次的分布，耕深可達40 cm以上，能打破犁底層，降低容重，改善土壤通透性和疏松程度，增強土壤水分蓄存能力[14-15]，促進作物根系對深層土壤水分的吸收利用，達到抗旱增產的目的[16-18]。另外，地膜覆蓋可抑制土壤表面的無效蒸發(fā)，優(yōu)化土壤水分環(huán)境，抵御干旱對作物生長的脅迫[10-11]。但目前就地膜覆蓋和立式深旋耕作對西北旱地黨參土壤物理性狀和耗水特性的影響尚缺乏系統(tǒng)研究。本研究分析立式深旋耕作和覆膜對黨參土壤容重等土壤物理特性，以及階段耗水量、產量、水分利用效率的影響，為明確西北旱地黨參增產機理提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

本研究于2017年在甘肅省農業(yè)科學院定西試驗站(農業(yè)農村部西北黃土高原地區(qū)作物栽培科學觀測實驗站/國家土壤質量安定觀測實驗站)進行。該站位于甘肅省定西市安定區(qū)團結鎮(zhèn)唐家堡村(104°36′E，35°35′N)，海拔1 970 m，年均溫6.2 ℃，≥10 ℃積溫2 075.1 ℃，屬中溫帶半干旱氣候。作物一年一熟，為典型旱地雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)。年均降雨量為415 mm，其中，6-9月降水占全年降水的68%以上。試驗區(qū)0～30 cm土層土壤容重平均為1.25 g·cm-3，凋萎系數(shù)為7.2%，田間持水量為21.28%。

根據(jù)甘肅省農業(yè)科學院定西試驗站氣象資料統(tǒng)計，試驗區(qū)2017年為平水年，全年降水量為418.4 mm，黨參生育期降水量為371.7 mm，季節(jié)分配不均；全年平均氣溫為7.2 ℃，與多年平均溫度基本持平。

圖1 2017 年試驗區(qū)降水(P)和日平均氣溫(T)變化Fig.1 Precipitation (P) and average air temperature (T) changes of experimental area in 2017

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區(qū)組設計，設置4個處理(表1)，3次重復。供試材料為一年生當?shù)卦灾舶讞l黨參，品種為渭黨1號(CodonopsisPilosulaweidang-1)，由定西市農業(yè)科學研究院(原甘肅省定西市旱作農業(yè)科研推廣中心)選育。試驗小區(qū)面積為120 m2(20 m×6 m)，施肥量為純N 150 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 6.0 kg·hm-2，VTM處理和VT處理的肥料混合均勻后通過施肥箱在立式深旋耕作的同時施入耕作帶，傳統(tǒng)旋耕處理為均勻撒于地表后旋耕。為了和立式深旋耕作統(tǒng)一，所有處理帶寬均為100 cm，其中耕作帶寬60 cm，免耕帶寬40 cm。黨參采用開溝移栽方法，早春栽植在耕作帶，溝深30 cm，株距6～8 cm，行距20 cm，栽苗密度為37.5萬～52.5萬株·hm-2。種植3行后，及時耙平及鎮(zhèn)壓地面。VTM處理和RTM處理邊移栽邊覆膜，每個耕作帶移栽3行，免耕帶不覆膜。選70 cm寬的黑色地膜，用細土將膜邊封嚴并壓實。黨參出苗后，及時破膜放苗，并用細土將破口封嚴。2017年4月2日種植，10月29日采收。

表1 試驗處理Table 1 Experimental treatments

1.3 測定指標及方法

取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm土層的土壤，參照土壤理化分析的方法[11,19]，測定土壤容重、土壤飽和含水量、毛管含水量、土壤總孔隙度和毛管孔隙度等指標。

耗水模系數(shù)=ETi/ET[20]

式中：ETi為各生育階段黨參的耗水量；ET為黨參整個生育期總耗水量；

耗水速率CWR=ETi/d

式中：ETi為各生育階段黨參耗水量；d為生育階段天數(shù)。

作物生長速率CR=(W1-W2)/d[21]

式中：W1為生育階段開始期的地上部干物質量；W2為生育階段結束期的地上部干物質量；d為該生育期的間隔天數(shù)。

耗水效率VCWR=CR/CWR

式中：CR為作物生長速率；CWR為耗水速率。

水分利用效率WUE=塊莖產量/ET

式中：黨參產量由小區(qū)實際收獲產量換算得出；ET為蒸散量，即ET=播前土壤貯水量-收獲后土壤貯水量+降水量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用DPS v3.01專業(yè)版統(tǒng)計分析軟件處理數(shù)據(jù)，Excel 2003作圖，Tukey法檢驗處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 立式深旋耕作對土壤物理性狀的影響

不同處理對0～40 cm土壤容重有顯著影響(圖2)。無論覆膜與否，立式深旋耕作均顯著降低0～40 cm土壤容重。各土層(0～10 cm,10～20 cm,20～30 mm,30～40 cm)VTM的土壤容重較RTM和RT分別顯著降低9.6%和10.7%、8.8%和9.3%、8.7%和9.7%、9.4%和9.7%；VT較RTM和RT分別顯著降低8.2%和9.3%，7.7%和8.2%，7.1%和8.1%，9.1%和9.4%(P<0.05)。0～40 cm各土層，VTM和VT、RTM和RT之間差異不顯著，說明耕作方式對土壤容重有顯著影響，而覆膜對土壤容重影響不顯著。

注：不同小字母代表處理間差異顯著(α=0.05)。下同。Note：Different lowercase letters indicate significant differences between treatments(α=0.05).The same is as below.圖2 不同處理對土壤容重的影響Fig.2 Effects of different treatments on soil bulk densities

立式深旋耕作顯著提高0～40 cm土壤總孔隙度(圖3)。0～10 cm,10～20 cm,20～30 cm,30～40 cm土層VTM的土壤總孔隙度較RTM和RT分別顯著提高10.4%和12.9%、10.1%和12.8%、11.2%和12.4%、9.8%和13.4%；VT較RTM和RT分別顯著提高10.4%和12.9%、9.0%和11.8%、10.9%和12.1%、6.3%和9.8%(P<0.05)。

立式深旋耕作顯著提高0～40 cm土壤毛管孔隙度(圖3)。各土層VTM的土壤毛管孔隙度較RTM和RT分別顯著增加13.5%和15.1%、13.2%和17.7%、13.8%和14.9%、9.5%和13.7%；VT較RTM和RT分別顯著增加11.2%和12.8%、11.2%和15.6%、12.1%和13.2%、7.5%和11.7%(P<0.05)。

0～40 cm各土層，VTM和VT、RTM和RT之間的土壤總孔隙度和土壤毛管孔隙度差異不顯著，說明耕作方式對土壤總孔隙度和土壤毛管孔隙度有顯著影響，而覆膜對土壤總孔隙度和土壤毛管孔隙度則影響不顯著(圖3)。

圖3 不同處理對土壤總孔隙度和毛管含孔隙度的影響Fig.3 Effects of different treatments on total soil porosities and soil capillary porosities

無論覆膜與否，立式深旋耕作顯著提高0～40 cm土壤飽和含水量(圖4)。各土層VTM處理的土壤飽和含水量較RTM和RT處理分別顯著增加22.1%和26.4%、20.7%和24.4%、21.9%和24.4%、21.2%和25.6%；VT處理較RTM和RT處理分別顯著提高20.3%和24.5%、18.1%和21.7%、19.4%和21.9%、16.9%和21.2%(P<0.05)。

與土壤飽和含水量變化趨勢一樣，立式深旋耕作顯著提高0～40 cm土壤毛管含水量。各土層VTM處理的土壤毛管含水量較RTM和RT分別顯著增加25.5%和28.9%、24.2%和29.8%、24.6%和27.3%、20.8%和25.9%；VT處理較RTM和RT處理分別顯著增加21.2%和24.4%、20.5%和25.9%、20.7%和23.2%、18.3%和23.3%(P<0.05)。

0～40 cm各土層，VTM和VT、RTM和RT之間的飽和含水量和毛管含水量差異不顯著，說明耕作方式對土壤飽和含水量和毛管含水量有顯著影響，而覆膜對土壤飽和含水量和毛管含水量則影響不顯著(圖4)。

圖4 不同處理對土壤飽和含水量和毛管含水量的影響Fig.4 Effects of different treatments on soil saturation moisture contents and capillary moisture contents

2.2 立式深旋耕作對黨參階段耗水量、耗水模系數(shù)和耗水速率的影響

不同處理對黨參階段耗水量有顯著影響，且不同生育階段的影響有區(qū)別(圖5)。播前到苗期、苗期到拉蔓期，VT的耗水量分別較VTM和RTM高10.1 mm和14.2 mm、5.1 mm和6.5 mm(P<0.05)；RT分別較VTM和RTM高8.7 mm和12.8 mm、3.8 mm和5.2 mm(P<0.05)。拉蔓到花期，RTM分別較VTM、VT和RT分別高7.3 mm、12.3 mm和18.4 mm(P<0.05)；VTM分別較VT和RT高5.0 mm和11.1 mm；VT較RT高6.1 mm(P<0.05)?；ㄆ诘浇Y果期，由于VTM植株生長旺盛，消耗水分較多，其0～300 cm耗水量分別較RTM、VT和RT高6.4 mm、14.1 mm和22.9 mm(P<0.05)；RTM分別較VT和RT高7.7 mm和16.5 mm(P<0.05)；VT較RT高8.8 mm(P<0.05)。結果到塊根增長期，VTM、VT和RTM分別較RT高8.1 mm、7.2 mm和8.1 mm(P<0.05)。塊根增長到成熟期，VTM分別較VT、RTM和RT高9.2 mm、8.2 mm和6.9 mm(P<0.05)。成熟期到收獲期，RT分別較VTM、VT和RTM顯著增加2.4 mm、0.8 mm和4.6 mm，VTM分別較VT和RTM高1.6 mm和2.4 mm(P<0.05)。

注：BS-SE代表播前-苗期； SE-BR代表苗期-拉蔓期； BR-FL代表拉蔓-花期； FL-FR代表花期-結果期； FR-EX代表結果-塊根增長期； EX-MA代表塊根增長-成熟期； MA-AH代表成熟-收獲后。下同。Note:BS-SE:Before seeding-Seedling stage; SE-BR:Seedling-Branching stage; BR-FL:Branching-Flowering stage;FL-FR:Flowering-Fruiting stage; FR-EX:Fruiting-Tuber expanding stage; EX-MA:Tuber expanding stage-Maturing stage; MA-AH:Maturing-After harvest.The same is as below.圖5 不同處理對黨參階段耗水量、耗水模系數(shù)和耗水速率的影響Fig.5 Effects of different treatments on periodical water consumption,water consumption modulus coefficients and water consumption intensities of Codonopsis pilosula

階段耗水模系數(shù)是階段耗水量占整個生育期耗水量的百分比。各處理花期到結果期耗水模系數(shù)最高，占整個生育期的30.4%～34.1%；結果到塊根增長期、拉蔓到花期、塊根增長到成熟期，各處理耗水模系數(shù)分別為19.7%～21.0%、13.3%～18.3%、10.5%～12.7%；其余生育階段耗水模系數(shù)均在10%以下(圖5)。播前到苗期、苗期到拉蔓期，VT耗水模系數(shù)分別較VTM和RTM增加48.0%和69.2%、27.8%和30.3%；RT分別較VTM和RTM提高50.7%和72.3%、29.5%和32.0%(P<0.05)。拉蔓到花期，RTM分別較VTM、VT和RT高19.6%、26.4%和37.1%；VTM分別較VT和RT高5.7%和14.6%(P<0.05)；VT較RT高8.5%(P<0.05)。花期到結果期，VTM分別較VT和RT高8.8%和12.2%；RTM分別較VT和RT高7.6%和11.0%；VT較RT高5.6%(P<0.05)。結果到塊根增長期，VTM、VT和RTM分別較RT高2.0%、5.6%和6.8%(P<0.05)。塊根增長到成熟期，VTM分別較VT和RTM和RT高21.5%、18.1%和7.1%(P<0.05)。成熟到收獲期，RT分別較VTM、VT和RTM高32.1%、44.5%和56.9%，VTM分別較VT和RTM高9.4%和18.8%(P<0.05)。

各處理耗水速率的變化規(guī)律與耗水模系數(shù)類似。播前到苗期、苗期到拉蔓期，VT耗水速率分別較VTM和RTM高41.2%和69.1%、21.9%和30.2%；RT分別較VTM和RTM高35.4%和62.1%、16.3%和24.2%(P<0.05)。拉蔓到花期，RTM分別較VTM、VT和RT高14.2%、26.5%和45.7%；VTM分別較VT和RT高10.7%和27.6%；VT較RT高15.2%(P<0.05)。花期到結果期，VTM分別較RTM、VT和RT高5.9%、14.0%和24.9%；RTM分別較VT和RT高7.6%和18.0%；VT較RT高12.2%(P<0.05)。結果到塊根增長期，VTM、VT和RTM分別較RT高13.6%、12.2%和13.6%(P<0.05)。塊根增長到成熟期，VTM分別較VT和RTM和RT高27.3%、23.7%和19.3%(P<0.05)。成熟到收獲期，RT分別較VTM、VT和RTM高18.6%、36.0%和47.5%，VTM分別較VT和RTM高14.7%和24.4%(圖5)。

2.3 立式深旋耕作對黨參生長速率、耗水效率、產量和水分利用效率的影響

VTM顯著提高黨參苗期到結果期生長速率(表2)。苗期到拉蔓期、拉蔓到花期、花期到結果期，VTM黨參的生長速率分別較VT、RTM和RT顯著增加21.6%、29.6%和72.0%、39.5%、39.0%和95.2%、33.1%、38.9%和133%；VT和RTM分別較RT顯著增加41.4%和32.7%、39.9%和40.4%、75.1%和67.7%(P<0.05)。結果到塊根增長期，各處理的生長速率均達到最大，但差異并未達到顯著水平。塊根增長到成熟期，因為各處理地上莖葉干枯均有掉落，所以生長速率為負值，且均差異不顯著。

各處理耗水效率的變化規(guī)律和生長速率類似，即VTM顯著提高黨參苗期到結果期耗水效率(表2)。苗期到拉蔓期、拉蔓到花期、花期到結果期，VTM黨參的耗水效率分別較VT、RTM和RT顯著提高48.2%、21.4%和100.0%，26.0%、58.7%和52.9%，16.7%、31.2%和86.5%；VT和RTM分別較RT顯著提高34.9%和64.8%、26.0%和21.4%、59.8%和42.2%(P<0.05)。結果到塊根增長期，各處理的耗水效率均達到最大，RT黨參的耗水效率分別較VTM、VT和RTM顯著提高9.3%、8.8%和14.4%；VTM和VT分別較RTM顯著提高4.7%和5.2%(P<0.05)。塊根增長到成熟期，因為各處理地上莖葉干枯均有掉落，所以耗水效率為負值，VT、RTM和RT分別較VTM顯著提高28.1%、30.0%和28.5%(P<0.05)。

表2 不同處理對黨參生長速率和耗水效率的影響Table 2 Effects of different treatments on crop growth rates and water consumption rates of Codonopsis pilosula

VTM黨參的產量分別較VT、RTM和RT顯著增加31.8%、34.4%和59.8%；VT和RTM分別較RT顯著增加21.3%和18.9%(P<0.05，表3)。VTM黨參的耗水量分別較VT、RTM和RT提高4.8%、4.7%和11.3%，其中，VTM和RT差異顯著(P<0.05)；VT和RTM的耗水量分別較RT顯著提高6.2%和6.3%(P<0.05)。VTM黨參的水分利用效率(WUE)分別較VT、RTM和RT顯著增加25.7%、28.3%和43.5%；VT和RTM分別較RT顯著增加14.1%和11.8%(P<0.05)。

表3 不同處理對黨參產量、耗水量和水分利用效率的影響Table 3 Effects of different treatments on yields,evapotranspiration and water use efficiencies of Codonopsis pilosula

3 討論

耕層變淺、容重增加等土壤結構性問題已成為制約我國作物高產高效的主要因素[9]。改進耕作方法打破土壤犁底層，降低土壤容重，提高土壤孔隙度，促進土壤水氣交換，可顯著改善土壤水分條件和促進作物生長，是解決這一問題的主要途徑[5-9]。立式深旋耕作同時具備旋耕和深松的優(yōu)勢，可打破犁底層，并降低土壤容重、改善土壤通透性和疏松程度[10-13]，這為黨參、馬鈴薯等塊根塊莖類作物的地下生長創(chuàng)造了有利的土壤和水分條件。本試驗結果表明，與傳統(tǒng)旋耕相比，立式深旋耕作無論覆膜與否均顯著降低0～40 cm土層土壤容重，提高0～40 cm土層土壤總孔隙度和毛管孔隙度，這與馬鈴薯上的研究結果一致[10]。降低土壤容重，提高孔隙度和毛管孔隙度有助于提高土壤供水能力，這對提高作物的水分吸收利用能力、降低干旱脅迫有重要意義[22]。本試驗中，立式深旋40 cm覆膜(VTM)較傳統(tǒng)旋耕15 cm覆膜(RTM)顯著提高了土壤飽和含水量、毛管含水量，立式深旋40 cm無覆膜(VT)與傳統(tǒng)旋耕15 cm無覆膜(RT)相比有相似結果，證明立式深旋耕作不僅具有疏松土壤、提高通透性的作用，而且能夠有效打破土壤的犁底層，改善水分特性，提高供水能力。另外，立式深旋40 cm覆膜(VTM)和立式深旋40 cm無覆膜(VT)，傳統(tǒng)旋耕15 cm覆膜(RTM)和傳統(tǒng)旋耕15 cm無覆膜(RT)的土壤容重、土壤飽和含水量、毛管含水量、土壤總孔隙度和土壤毛管孔隙度等均差異不顯著，說明短期地膜覆蓋對土壤物理性狀和水分特性無顯著影響。所以，立式深旋耕作能顯著改善土壤耕層物理性狀和水分特性，這對提高黨參抗旱力進而增加產量有積極作用。

優(yōu)化的土壤物理性狀和水分特性可提高土壤供水能力[23-25]，進而顯著影響作物的耗水特征[26]。本試驗結果表明，立式深旋和覆膜可提高黨參拉蔓到塊根增長期0～300 cm土層土壤耗水量、耗水模系數(shù)和耗水速率，提高苗期到結果期黨參生長速率和耗水效率。作物耗水特性一方面與土壤供水能力有關，另外受作物生長狀況的直接影響[22]。本試驗中，立式深旋40 cm覆膜(VTM)和立式深旋40 cm無覆膜(VT)的生長速率分別顯著高于傳統(tǒng)旋耕15 cm覆膜(RTM)和傳統(tǒng)旋耕15 cm無覆膜(RT)，表明立式深旋耕作條件下黨參的冠層發(fā)育明顯優(yōu)于傳統(tǒng)耕作，而且能夠促進根系發(fā)育，使黨參的水分利用能力顯著增強[17-18，22]。因此，由于立式深旋耕作優(yōu)化了土壤水分特性并促進黨參對水分的吸收利用，顯著促進了黨參的生長，使黨參產量和水分利用效率無論覆膜與否均顯著高于普通旋耕處理。地膜覆蓋由于改善了土壤水熱狀況[2-3]，促進黨參生長，所以傳統(tǒng)旋耕覆膜(RTM)的產量和WUE較傳統(tǒng)旋耕不覆膜(RT)提高14.1%、11.8%。因此，立式深旋耕作結合覆膜措施能夠優(yōu)化耕層結構，提高土壤供水能力，促進黨參耗水，進而提高產量和WUE，實現(xiàn)抗旱增產的目標。

4 結論

立式深旋耕作可降低0～40 cm土層土壤容重，提高土壤飽和含水量、毛管含水量、總孔隙度和毛管孔隙度。立式深旋耕作配合覆膜可提高黨參拉蔓到塊根增長期0～300 cm土層土壤耗水、耗水模系數(shù)和耗水速率，提高黨參苗期到結果期生長速率和耗水效率，使黨參塊根產量和水分利用效率提高59.8%和43.5%，是適宜于西北旱地黨參種植的耕作技術。