秸稈帶狀覆蓋對(duì)西北雨養(yǎng)區(qū)馬鈴薯農(nóng)田土壤溫度及產(chǎn)量的影響

楊志楠 黃金文 韓凡香 李亞偉 馬建濤柴守璽 程宏波 楊德龍 常 磊

（1甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，730070，甘肅蘭州；2蘭州城市學(xué)院地理與環(huán)境工程學(xué)院，730070，甘肅蘭州；3甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，730070，甘肅蘭州）

西北干旱及半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)是中國(guó)糧食的主要產(chǎn)區(qū)之一，該區(qū)干旱少雨，降水少且時(shí)空分布不均，生產(chǎn)中存在春季旱寒并存、伏期高溫少雨和干旱頻發(fā)等問(wèn)題[1-2]，因此探索適宜該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的種植技術(shù)成為了主要的研究方向。覆蓋栽培具有儲(chǔ)水保墑、調(diào)節(jié)土溫、減少土壤蒸發(fā)、降低土壤鹽漬化和減少土壤侵蝕等優(yōu)點(diǎn)[3-7]，近年來(lái)已廣泛應(yīng)用于旱作農(nóng)業(yè)中。常用的覆蓋材料包括地膜（塑料地膜、生物降解膜及滲水地膜等）、砂石和農(nóng)作物秸稈等。

馬鈴薯是西北雨養(yǎng)區(qū)重要的糧食作物，該區(qū)普遍以露地種植和地膜覆蓋為主，秸稈覆蓋較少。研究[8-10]認(rèn)為，露地種植受土壤水分的限制，其產(chǎn)量效益較低，覆蓋直接作用于土壤溫度和水分，對(duì)土壤水熱和產(chǎn)量影響顯著。地膜覆蓋能顯著提高土壤溫度，改善水分利用率，增產(chǎn)幅度大，產(chǎn)量效益高[11-13]，但在馬鈴薯生長(zhǎng)中后期會(huì)出現(xiàn)高溫和高濕脅迫，加劇蒸騰作用，嚴(yán)重影響塊莖的生長(zhǎng)，造成減產(chǎn)[14]，而且連續(xù)多年的地膜種植造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，不利于綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展[15-16]。秸稈覆蓋有顯著的降溫、提高土壤水分含量和水分利用效率的作用，能減少土壤溫度波動(dòng)，避免了高溫和高濕脅迫，表現(xiàn)出較高的增產(chǎn)效益[17-21]。秸稈帶狀覆蓋作為一種新的覆蓋方式，具有儲(chǔ)水保墑和調(diào)節(jié)土溫的作用，已有研究[22-24]表明，其在小麥和馬鈴薯上增產(chǎn)效果顯著。目前，對(duì)于秸稈帶狀覆蓋下土壤水熱變化研究較多，但是針對(duì)在不同覆蓋時(shí)期覆蓋馬鈴薯大田對(duì)溫度梯度傳導(dǎo)影響的研究較少。本研究以馬鈴薯為研究對(duì)象，設(shè)置秸稈覆蓋和地膜覆蓋2個(gè)覆蓋方式，以及春秋2個(gè)覆蓋時(shí)期，以露地種植為對(duì)照，研究不同覆蓋方式對(duì)馬鈴薯農(nóng)田溫度、溫度梯度傳遞及產(chǎn)量的影響，為西北半干旱雨養(yǎng)區(qū)馬鈴薯的可持續(xù)發(fā)展提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年4月-2019年10月在甘肅省通渭縣甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地（105°19′ E，35°11′ N，海拔1750m）進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)位于西北典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，屬中溫帶半干旱氣候，年日照時(shí)數(shù) 2100～2430h，無(wú)霜期120～170d，年均氣溫7.2℃，年蒸發(fā)量1500mm。多年平均降水量390.7mm，且降雨季節(jié)分布不均，主要集中在7-9月，2018年馬鈴薯生育期內(nèi)有效降水量（≥5mm）364.8mm（圖1a），2019年生育期內(nèi)有效降水量（≥5mm）423.9mm（圖1b），與多年平均降水量（390.7mm）相比，2年均屬于豐水年份。試驗(yàn)區(qū)土壤為黃綿土，0～30cm土層平均容重1.25g/cm3。

圖1 2018-2019年試驗(yàn)點(diǎn)馬鈴薯全生育期降水分布Fig.1 Distribution of precipitation during the whole growth of potato at the experiment site in 2018 and 2019

1.2 試驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)材料 供試馬鈴薯品種為隴薯7號(hào)（甘肅一航薯業(yè)科技有限責(zé)任公司提供）；黑色地膜為當(dāng)?shù)仄胀ǖ啬?，?120cm，厚 0.01mm；秸稈為玉米整稈。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)覆蓋時(shí)期（秋季覆蓋、春季覆蓋）和2種覆蓋材料（地膜覆蓋、秸稈帶狀覆蓋），以露地?zé)o覆蓋作對(duì)照，共5個(gè)處理，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，具體試驗(yàn)處理措施如表1。在前茬玉米收獲后進(jìn)行試驗(yàn)布置，秋季整地前全部肥料做基肥一次性施入，施純氮 105kg/hm2，P2O5105kg/hm2，不施鉀肥，生育期內(nèi)無(wú)追肥。各處理密度和播種深度保持一致，密度52 500株/hm2，用穴播器播種，播種深度 15cm，2行植株錯(cuò)開呈三角形。各處理除地膜覆蓋需及時(shí)放苗外，其他生產(chǎn)管理方式同大田，馬鈴薯生育期不培土。2018年4月14日播種，9月16日收獲，2019年4月16日播種，10月1日收獲。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experiment design

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 溫度 大氣溫度和土壤溫度監(jiān)測(cè)均采用iButton溫度記錄儀（Dallas半導(dǎo)體公司），大氣溫度置于1m處百葉箱內(nèi)，土壤溫度置于種植帶和覆蓋帶，分5cm、15cm和25cm處3個(gè)土層，大氣和土壤溫度記錄時(shí)間間隔均設(shè)置為1h。

1.3.2 溫度傳導(dǎo)

（1）式中GradT為土壤溫度梯度（℃/m），其物理意義表示單位垂直距離內(nèi)的溫度變化和垂直方向的熱量傳輸強(qiáng)度，熱量傳導(dǎo)方向與溫度梯度相反。T和Z分別表示2層間的溫度差（℃）和深度差（m），其中2層間溫度差為ΔT1=T15-T5，ΔT2=T25-T15，而深度差 ΔZ1=ΔZ2=0.1m。T5、T15和T25分別表示5、15和25cm土層日間地溫值。

（2）式中GradTh為土壤橫向溫度梯度（℃/m），其物理意義表示單位水平距離內(nèi)溫度變化和水平方向的熱量傳輸強(qiáng)度，熱量傳導(dǎo)方向與溫度梯度相反。Th和Zh分別表示2層間的溫度差（℃）和長(zhǎng)度差（m），其中2層間溫度差為：ΔTh=T種植帶-T覆蓋帶，而長(zhǎng)度差ΔZh=0.6m。

1.3.3 產(chǎn)量及相關(guān)指標(biāo) 馬鈴薯收獲時(shí)，每小區(qū)選擇2行，人工挖20株，進(jìn)行室內(nèi)考種。按商品薯分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（單薯重＞150g為大薯，75≤單薯重≤150g為中薯，單薯重＜75g為小薯），計(jì)算各級(jí)薯率和商品薯率。收獲時(shí)產(chǎn)量按3次重復(fù)小區(qū)實(shí)際鮮薯產(chǎn)量的平均值折算。商品薯率（%）=單薯鮮重≥75g的產(chǎn)量/馬鈴薯鮮薯總產(chǎn)量×100。

1.4 數(shù)據(jù)整理與分析

使用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，LSD法進(jìn)行多重比較，Excel 2010和SigmaPlot 22.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋方式對(duì)馬鈴薯耕層土壤溫度的影響

2.1.1 全生育期0～25cm土壤平均溫度 覆蓋對(duì)馬鈴薯耕層（0～25cm）土壤平均溫度存在顯著影響，秸稈帶狀覆蓋表現(xiàn)為降溫效應(yīng)，降溫幅度JQ處理大于JC處理；地膜覆蓋表現(xiàn)為增溫效應(yīng)。與CK處理相比，地膜覆蓋2018和2019年分別平均增溫 0.3℃和 0.7℃，其中 2018年 MQ處理增溫0.4℃，MC處理增溫0.2℃，2019年MQ處理增溫0.4℃，MC處理0.9℃；秸稈帶狀覆蓋2年分別平均降溫0.6℃和0.9℃，其中2018年JQ處理降溫0.9℃，JC處理降溫0.3℃，2019年JQ處理降溫0.9℃，JC處理降溫0.8℃（圖2）。

圖2 不同處理全生育期0～25cm土層土壤平均溫度Fig.2 Average soil temperature of 0-25cm depth in whole growth period under different treatments

由圖3可知，各處理土壤日均溫波動(dòng)也存在顯著差異，土壤日平均溫度的差異隨生育時(shí)期推進(jìn)呈先升后降的趨勢(shì)，秸稈帶狀覆蓋明顯抑制土壤溫度波動(dòng)。秸稈帶狀覆蓋全生育期存在顯著的降溫效應(yīng)，但在2018年播種后73～122d和2019年播種后125～155d內(nèi)表現(xiàn)出不連續(xù)且微弱的增溫效應(yīng)，JQ和JC處理降溫效應(yīng)存在差異，降溫幅度JQ處理大于JC；地膜覆蓋在2018年存在增溫和降溫雙重效應(yīng)，前期增溫，后期降溫，全生育期增溫效應(yīng)大于降溫效應(yīng)，2019年除播種后87～95d外均表現(xiàn)增溫效應(yīng)，且2年MQ處理增溫效應(yīng)大于MC處理。

圖3 不同處理馬鈴薯全生育期0～25cm土層土壤平均溫度動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic variation of soil average temperature in 0-25 cm soil layer during the potato whole growth period under different treatments

2.1.2 馬鈴薯關(guān)鍵生育期0～25cm土層的溫度日變化 不同覆蓋方式對(duì)溫度日變化影響明顯（圖4）。2個(gè)生長(zhǎng)季馬鈴薯關(guān)鍵生育期（盛花期，2018年7月20日，2019年7月25日）溫度日變化均呈先下降后上升的趨勢(shì)，且隨著土層加深溫度波動(dòng)較小，對(duì)大氣溫度的響應(yīng)均表現(xiàn)出明顯的滯后效應(yīng)，且隨土層的加深滯后效應(yīng)越明顯，2個(gè)生長(zhǎng)季最高溫5、15和25cm的時(shí)滯時(shí)間分別為2、5和8h，最低溫5、15和25cm的時(shí)滯時(shí)間分別為3、5和8h。與CK相比，秸稈帶狀覆蓋整體表現(xiàn)降溫效應(yīng)，2年間年降溫3.6℃～4.6℃，其中JQ處理降溫4.8℃～5.6℃，JC處理降溫2.5℃～3.3℃，但在低溫時(shí)間段表現(xiàn)出一定的增溫效應(yīng)，2018年在 5:00-10:00增溫1.9℃～2.0℃，2019 年 5:00-9:00增溫 0.8℃～1.0℃。地膜覆蓋整體表現(xiàn)明顯的增溫效應(yīng)，但凌晨表現(xiàn)出略微的降溫效應(yīng)，2年間增溫5.3℃～6.5℃，其中MQ處理增溫4.3℃～7.8℃，MC處理增溫4.9℃～5.1℃?？梢姡斩拵罡采w日均溫表現(xiàn)降溫與增溫的雙重效應(yīng)，且JQ處理降溫效應(yīng)優(yōu)于JC處理，地膜覆蓋日均溫表現(xiàn)增溫效應(yīng)，且MQ處理優(yōu)于MC處理。

圖4 馬鈴薯盛花期耕層土壤溫度和大氣溫度的日變化Fig.4 Diurnal variation of soil temperature and atmospheric temperature in surface layer during flowering of potato

不同覆蓋方式對(duì)土壤溫度日較差有顯著影響。與CK相比，地膜覆蓋能提高日較差，2018年5cm溫度日較差提高2.0℃～2.3℃，2019年提高1.6℃～1.7℃；15cm土層2018年和2019年分別提高0.6℃～0.7℃和0.5℃～0.6℃；25cm土層溫度日較差提高不超過(guò)0.1℃。秸稈帶狀覆蓋降低日較差，2018年5cm溫度日較差降低1.4℃～1.5℃，2019年降低0.7℃～0.8℃；15cm土層2018年和2019年分別降低0.3℃～0.5℃和0.4℃；25cm土層溫度日較差降低不超過(guò)0.05℃。可見，覆蓋能顯著影響土壤表層的溫度日較差，對(duì)深層土壤溫度影響不明顯。

2.1.3 0～25cm土層土壤溫度的梯度傳導(dǎo) 土壤溫度梯度是衡量熱量在土壤中的垂直傳輸方向和強(qiáng)度的物理量，能反映單位土層深度內(nèi)土壤溫度階梯式遞減或遞增的變化，且土壤熱量傳輸方向與土壤溫度梯度方向相反，即熱量傳輸方向指向地下時(shí)土壤溫度梯度為負(fù)值，相反，當(dāng)熱量傳輸方向指向地表時(shí)，土壤溫度梯度為正值。此外，土壤溫度梯度的絕對(duì)值越大，表示熱量傳輸?shù)膹?qiáng)度越大，相反，熱量傳輸?shù)膹?qiáng)度越小。

各生育時(shí)期選取日間溫度最低點(diǎn)（7:00）和日間溫度最高點(diǎn)（17:00）計(jì)算溫度梯度傳遞（圖5和圖6）。在日間溫度最低點(diǎn)（7:00）土壤溫度梯度多為正值，說(shuō)明熱量由深層土壤傳向表層土壤。不同覆蓋的溫度梯度均降低，可見覆蓋處理在日低溫時(shí)段能有效抑制地下熱量向大氣散失。與CK處理相比，不同覆蓋材料間差異顯著（P＜0.05），全生育期，2018和 2019年秸稈覆蓋溫度梯度降低 7.3～7.8℃/m，地膜覆蓋降低3.4～6.3℃/m。2018年秸稈覆蓋從苗期到成熟期比地膜覆蓋溫度梯度分別降低11.1、1.0、2.5、0.8和1.4℃/m，除塊莖膨大期外均達(dá)到顯著水平；2019年分別降低5.9、4.0、3.6、3.9和1.5℃/m，除成熟期外均達(dá)到顯著水平。

圖5 不同處理對(duì)最低點(diǎn)（7:00）土壤溫度梯度的影響Fig.5 The effects of different treatments on the soil temperature gradient at the lowest point (7:00)

圖6 不同處理對(duì)最高點(diǎn)（17:00）土壤溫度梯度的影響Fig.6 The effects of different treatments on the soil temperature gradient at the highest point (17:00)

不同覆蓋時(shí)期間土壤溫度梯度差異也顯著，2018和2019年秋覆蓋溫度梯度降低6.6～7.1℃/m，春覆蓋溫度梯度降低4.0～8.2℃/m，除2018年苗期外，2年秋覆蓋降低溫度梯度的效應(yīng)均比春覆蓋好。2個(gè)生長(zhǎng)季土壤溫度梯度隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)從苗期到塊莖膨大期的趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)先降后升再降，苗期最大，現(xiàn)蕾期最小。但2018年在成熟期溫度梯度減小，2019年在成熟期溫度梯度增大。綜上可知，日低溫段對(duì)地?zé)嵘⑹У囊种菩?yīng)表現(xiàn)為秸稈覆蓋優(yōu)于地膜覆蓋，秋覆蓋優(yōu)于春覆蓋。

日間溫度最高點(diǎn)（17:00）土壤溫度梯度多為負(fù)值，表明表層土壤在日間經(jīng)過(guò)太陽(yáng)輻射吸收熱量后溫度增加，然后熱量由表層向深層土壤傳導(dǎo)。與CK處理相比，2018和2019年秸稈帶狀覆蓋溫度梯度分別降低0.22和0.35個(gè)百分點(diǎn)，地膜覆蓋溫度梯度分別降低0.18和0.28個(gè)百分點(diǎn)；年際間相比，2018和 2019年秋覆蓋溫度梯度分別降低 0.21和0.31個(gè)百分點(diǎn)，春覆蓋溫度梯度分別降低 0.18和0.28個(gè)百分點(diǎn)。日最高溫對(duì)熱量吸收的阻礙作用秸稈覆蓋優(yōu)于地膜覆蓋，秋覆蓋優(yōu)于春覆蓋。熱量傳遞強(qiáng)度趨勢(shì)與日間溫度最低點(diǎn)（7:00）相似?？梢姡采w具有“雙抑制效應(yīng)”，即在低溫時(shí)段抑制了土壤熱量向大氣散失，高溫時(shí)段抑制了地表對(duì)太陽(yáng)輻射熱量的吸收，且秸稈覆蓋優(yōu)于地膜覆蓋，秋覆蓋優(yōu)于春覆蓋。

2.1.4 關(guān)鍵生育時(shí)期秸稈帶狀覆蓋熱量的橫向傳導(dǎo)（種植帶與覆蓋帶） 在水平方向上，熱量的傳輸可以反映熱量的傳輸方向和傳輸強(qiáng)度，熱量傳輸方向由覆蓋帶向種植帶為負(fù)值，由種植帶向覆蓋帶傳輸時(shí)為正值。熱量的橫向傳輸在不同深度土層間差異明顯（圖7）。不論春覆蓋還是秋覆蓋，熱量的橫向傳導(dǎo)均為 5cm＞15cm＞25cm，隨著土層的加深，種植帶與覆蓋帶間的溫度傳遞逐漸減小且趨于穩(wěn)定。不同覆蓋時(shí)期相比，2018年春秋覆蓋各土層日均值均為負(fù)，即熱量都是由覆蓋帶向種植帶傳遞，數(shù)值越小，向種植帶傳遞的熱量越多；3個(gè)土層JQ處理比JC處理分別少1.8、3.3和7.6℃/m，除5cm土層1:00-10:00外，其余各土層時(shí)間段JC處理溫度梯度均大于JQ處理。2019年春秋覆蓋5和15cm為正值，25cm為負(fù)值，整體上為正值，即熱量由種植帶向覆蓋帶傳遞，數(shù)值越大傳遞的熱量越多，覆蓋帶的阻礙作用越小，在5和15cm JQ處理比JC處理少傳遞0.4和0.2℃/m，25cm無(wú)差異。上述結(jié)果表明，秋覆蓋對(duì)熱量的橫向散發(fā)有更大的阻礙作用，保證了種植帶上熱量的截留，更加有效地阻礙種植帶上熱量的橫向散失。

圖7 秸稈覆蓋處理橫向溫度梯度日變化Fig.7 Diurnal variation of transverse temperature gradient of straw mulch treatments

2.2 不同覆蓋處理對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響

覆蓋能顯著提高馬鈴薯產(chǎn)量（表2）。與CK處理相比，2個(gè)生長(zhǎng)季秸稈帶狀覆蓋平均增產(chǎn)14.68%，JQ處理增產(chǎn)幅度大于JC處理，但無(wú)顯著差異；地膜覆蓋平均增產(chǎn)25.3%，但MQ處理增產(chǎn)幅度大于MC處理，秋覆膜與春覆膜處理間差異顯著性年際間表現(xiàn)不一致。

表2 馬鈴薯產(chǎn)量及相關(guān)性狀Table 2 Potato yield and yield factors

與CK處理相比，2年地膜覆蓋和秸稈覆蓋分別顯著提高單薯重31.0%和6.3%，但春、秋覆蓋間無(wú)顯著差異，商品薯率分別提高0.08和0.16個(gè)百分點(diǎn)。產(chǎn)量與單薯重（0.773**、0.719**）呈高度正相關(guān)（相關(guān)表略）。單薯重的處理間變異系數(shù)（9.4%～16.9%）大于單株結(jié)薯數(shù)（5.9%～10.0%），處理間結(jié)薯數(shù)差異較小。可見，覆蓋增產(chǎn)的主要原因在于提高了馬鈴薯單薯重。

3 討論

3.1 覆蓋對(duì)土壤溫度的影響

土壤溫度作為作物生長(zhǎng)的重要環(huán)境因素之一，地面覆蓋對(duì)光輻射吸收轉(zhuǎn)化和熱量傳導(dǎo)均有影響，改變了土壤的熱流狀況。目前覆蓋對(duì)土壤溫度影響的觀點(diǎn)總結(jié)為秸稈覆蓋降溫，地膜覆蓋增溫，但也有不同觀點(diǎn)[17,25-28]?；糨W珍等[29]研究認(rèn)為，普通地膜覆蓋和秸稈覆蓋能顯著提高馬鈴薯生育前中期溫度5.95℃和1.55℃，生育后期地膜和秸稈覆蓋的地溫依然顯著高于裸地不覆蓋。但本研究發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋顯著提高土壤日均溫度0.3℃～0.7℃，馬鈴薯生育前期土壤溫度增加較無(wú)覆蓋種植方式明顯，但生育后期2018年表現(xiàn)微弱的降溫效應(yīng)，即在2018年地膜覆蓋表現(xiàn)了增溫與降溫的雙重效應(yīng)；秸稈覆蓋 2年顯著降低了土壤溫度 0.6℃～0.9℃，秸稈覆蓋馬鈴薯生育前中期的降溫效應(yīng)顯著，且秋覆蓋降溫效應(yīng)優(yōu)于春覆蓋，而且2個(gè)生長(zhǎng)季生育后期秸稈覆蓋均表現(xiàn)出微弱且不連續(xù)的增溫效應(yīng)，這與霍軼珍等[29]的研究結(jié)果不同。地膜覆蓋顯著增加 5和15cm土層溫度日較差1.8℃～2.0℃和0.5℃～0.6℃，秸稈覆蓋顯著降低5和15cm土層溫度日較差1.0℃～1.2℃和 0.3℃～0.4℃，2種覆蓋方式均對(duì)深層土壤（25cm）無(wú)明顯影響，說(shuō)明覆蓋對(duì)日較差的影響隨著土層的加深而減弱，這與以往研究[29]結(jié)論類似。土壤溫度變化隨氣溫變化存在明顯的滯后現(xiàn)象，隨土層加深，滯后效應(yīng)越明顯[29]，但本研究發(fā)現(xiàn)淺層土壤（5cm）對(duì)大氣溫度最高溫和最低溫的響應(yīng)時(shí)間不一致（2、3h），而15和25cm土層對(duì)大氣最高溫和最低溫的響應(yīng)時(shí)間一致（5、8h）。在溫度日變化中地膜覆蓋表現(xiàn)出顯著的增溫效應(yīng)，且MQ處理增溫效應(yīng)優(yōu)于MC處理。秸稈覆蓋在日變化中表現(xiàn)降溫與增溫的雙重效應(yīng)，即在日低溫時(shí)段增溫，高溫時(shí)段降溫，且JQ處理雙重效應(yīng)優(yōu)于JC處理，這是因?yàn)橛衩捉斩捠菬岬牟涣紝?dǎo)體，所以在高溫時(shí)段將大量的太陽(yáng)輻射熱量存儲(chǔ)在秸稈內(nèi)部，起到了降低地溫的效果，在低溫時(shí)段阻礙了地溫的散失，起到了保溫作用。

3.2 覆蓋對(duì)溫度梯度的影響

土壤溫度梯度是衡量熱量在土壤中的垂直傳輸方向和強(qiáng)度的物理量，能反映單位土層深度內(nèi)土壤溫度階梯式遞減或遞增的變化，溫度梯度變化對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育影響深遠(yuǎn)[30-33]。本研究發(fā)現(xiàn)，在日間溫度最低點(diǎn)（7:00）覆蓋能顯著抑制地?zé)岬纳⑹В?個(gè)生長(zhǎng)季秸稈覆蓋溫度梯度降低7.3～7.8℃/m，地膜覆蓋降低3.4～6.3℃/m，秋覆蓋溫度梯度降低6.6～7.1℃/m，春覆蓋溫度梯度降低4.0～8.2℃/m；在日間溫度最高點(diǎn)（17:00）覆蓋能顯著抑制地表對(duì)太陽(yáng)輻射熱量的吸收，2個(gè)生長(zhǎng)季秸稈覆蓋溫度梯度分別降低0.22和0.35個(gè)百分點(diǎn)，地膜覆蓋溫度梯度分別降低0.18和0.28個(gè)百分點(diǎn)。秋覆蓋溫度梯度分別降低0.21和0.31個(gè)百分點(diǎn)，春覆蓋溫度梯度分別降低0.18和0.28個(gè)百分點(diǎn)。覆蓋處理無(wú)論是在低溫段對(duì)地?zé)嵘⑹У囊种谱饔茫€是高溫段對(duì)地表吸熱的抑制作用，均表現(xiàn)為秸稈覆蓋＞地膜覆蓋，秋覆蓋＞春覆蓋。說(shuō)明覆蓋對(duì)于土壤溫度梯度變化具有緩沖作用，且秸稈覆蓋顯著優(yōu)于地膜覆蓋，這是因?yàn)?種覆蓋材料的導(dǎo)熱性不同[34]，由于地膜透光性和密封性保持了土壤溫度，但材料本身導(dǎo)熱性較好，不能有效地將熱量截留在地膜層上，所以在一定程度上緩沖了熱量的傳遞，但緩沖效果一般；而秸稈自身導(dǎo)熱性差，加之秸稈之間存在一定的縫隙，覆蓋層能截留更多的熱量，所以其緩沖效果好，甚至土壤溫度過(guò)低時(shí)能將自身截留的熱量傳遞到土層中，表現(xiàn)出在低溫時(shí)段的增溫效應(yīng)，這與馬稚桐等[31]構(gòu)建的水汽熱耦合模型得出日尺度剖面溫度的變化規(guī)律類似。2年間土壤溫度梯度隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)從苗期到塊莖膨大期的趨勢(shì)基本一致，均表現(xiàn)“先降后升再降”，在苗期出現(xiàn)最大值，但在2018年成熟期溫度梯度減小，2019年成熟期溫度梯度增大。出現(xiàn)這種變化的原因是隨著生育時(shí)期的推進(jìn)地上部分生長(zhǎng)旺盛，地上部分本身對(duì)太陽(yáng)輻射有一定的緩沖作用，所以其他時(shí)期溫度梯度均比苗期小，而盛花期處于一年中溫度最高的時(shí)期，覆蓋無(wú)法有效抑制劇烈的溫度波動(dòng)，所以盛花期溫度梯度又上升，2018年馬鈴薯成熟期溫度梯度下降是因?yàn)楫?dāng)年該時(shí)期陰天較多，大氣溫度波動(dòng)較小導(dǎo)致土壤溫度傳遞也變小，2019年馬鈴薯成熟期天氣晴朗，加之馬鈴薯地上部分在成熟期開始枯萎，所以其溫度梯度又增高。本研究還發(fā)現(xiàn)，同一年際間溫度梯度在高溫段和低溫段隨生育進(jìn)程的變化趨勢(shì)相同。

在秸稈覆蓋熱量的橫向傳遞中，2018年熱量總體上由覆蓋帶向種植帶轉(zhuǎn)移，3個(gè)土層中秋覆蓋比春覆蓋分別少1.7、3.3和7.6℃/m，說(shuō)明秋覆蓋的覆蓋帶向種植帶傳遞的熱量在各土層均比春覆蓋少，即秋覆蓋更能有效抑制熱量橫向傳導(dǎo)，且這種抑制效應(yīng)隨著土層加深遞增；2019年熱量總體上由種植帶向覆蓋帶轉(zhuǎn)移，秋覆蓋較春覆蓋在5和15cm土層明顯抑制了熱量的傳遞，說(shuō)明秋覆蓋對(duì)熱量的橫向散發(fā)有更大的阻礙作用，保證了種植帶上熱量的截留，更加有利于馬鈴薯生長(zhǎng)。但2年溫度傳遞的方向不一致，可能與試驗(yàn)田所在位置、坡向和坡度等有關(guān)，具體原因尚不清楚。

3.3 覆蓋對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響

大多數(shù)研究[10,17,22]發(fā)現(xiàn)，覆蓋可增加作物產(chǎn)量，但增產(chǎn)效應(yīng)隨區(qū)域環(huán)境、氣候條件、覆蓋方式、作物種類及膜類型的不同存在較大差異。蘇建云等[35]發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋顯著提高了馬鈴薯的產(chǎn)量和產(chǎn)值，本研究中地膜覆蓋均較CK顯著增產(chǎn)，2年分別增產(chǎn)32.57%和17.97%，且地膜秋覆蓋增產(chǎn)率比春覆蓋提高0.03和0.18個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明地膜覆蓋的增產(chǎn)效應(yīng)高于秸稈覆蓋，秋覆蓋高于春覆蓋。秸稈覆蓋對(duì)作物產(chǎn)量的影響也隨作物種類、區(qū)域環(huán)境、覆蓋方式的不同存在較大差異，在小麥、玉米和甘蔗種植中秸稈覆蓋均表現(xiàn)出顯著的增產(chǎn)效應(yīng)[36]，本研究發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋2年分別較CK顯著增產(chǎn)15.62%和13.75%，這與前人研究結(jié)果類似。但也有研究[37-38]表明，地膜覆蓋和秸稈覆蓋有減產(chǎn)效應(yīng)，本研究中均未有體現(xiàn)，可能與氣候、海拔和降雨等差異有關(guān)。覆蓋種植能顯著增加馬鈴薯產(chǎn)量的主要原因是增加了單薯鮮重，這與馬建濤等[39]研究結(jié)果相符。

4 結(jié)論

不同覆蓋方式均可顯著影響0～25cm土層土壤溫度。其中，2個(gè)生長(zhǎng)季秸稈帶狀覆蓋顯著降低0～25cm土層土壤溫度0.6℃～0.9℃，降溫幅度秋覆蓋大于春覆蓋，地膜覆蓋提高土壤溫度0.3℃～0.7℃。而且地表覆蓋存在增溫和降溫的雙重效應(yīng)，降溫效應(yīng)秸稈帶狀覆蓋大于地膜覆蓋，而增溫效應(yīng)地膜覆蓋大于秸稈帶狀覆蓋。地溫日變化隨氣溫的變化存在明顯的滯后效應(yīng)。覆蓋具有“雙抑制效應(yīng)”，在低溫時(shí)段抑制了土壤熱量向大氣的散失，高溫時(shí)段抑制了地表對(duì)太陽(yáng)輻射熱量的吸收，且秸稈覆蓋優(yōu)于地膜覆蓋，秋覆蓋優(yōu)于春覆蓋。在日間溫度最低點(diǎn)（7:00），覆蓋能顯著抑制地?zé)岬纳⑹В?個(gè)生長(zhǎng)季秸稈覆蓋溫度梯度降低 7.3～7.8℃/m，地膜覆蓋降低3.4～6.3℃/m，在日間溫度最高點(diǎn)（17:00）覆蓋能顯著抑制地表對(duì)太陽(yáng)輻射熱量的吸收，2個(gè)生長(zhǎng)季秸稈覆蓋溫度梯度分別降低0.22和0.35個(gè)百分點(diǎn)，地膜覆蓋溫度梯度分別降低0.18和0.28個(gè)百分點(diǎn)。覆蓋處理無(wú)論是在低溫段對(duì)地?zé)嵘⑹У囊种谱饔?，還是高溫段對(duì)地表吸熱的抑制作用均表現(xiàn)為秸稈覆蓋＞地膜覆蓋，秋覆蓋＞春覆蓋。覆蓋處理均可提高馬鈴薯產(chǎn)量，其中秸稈帶狀覆蓋增產(chǎn)14.7%，地膜覆蓋增產(chǎn)25.3%，單薯重的差異是引起處理間產(chǎn)量差異的主要因素。