免耕或深松結(jié)合秸稈覆蓋提升土壤碳氮水含量和馬鈴薯產(chǎn)量的協(xié)同效應(yīng)

張 龍，李 簡(jiǎn)，趙富貴，李 丹，侯賢清，李 榮

（寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

馬鈴薯為世界四大糧食作物之一[1]。我國(guó)西北黃土丘陵旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，年降水有限，且大多以無(wú)效、微效降水為主，制約著馬鈴薯的生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高[2]。此外，該區(qū)常年采用傳統(tǒng)鏵犁對(duì)土壤進(jìn)行頻繁耕作、耙耱，嚴(yán)重破壞了0—15 cm土層的土壤結(jié)構(gòu)和團(tuán)聚體穩(wěn)定性，致使土壤有機(jī)質(zhì)分解，養(yǎng)分流失，保水能力變差，耕地質(zhì)量整體降低[3–4]。因此，亟需研究適宜的耕作和培肥措施來(lái)增加土壤肥力，提高作物生育期的水肥供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)旱地作物增產(chǎn)增收。

少耕和免耕在一定程度上可以增碳、保水，改善土壤通透性[5–6]，深松可打破犁底層，降低土壤容重，有利于雨水下滲，促進(jìn)根系下扎，提高深層土壤養(yǎng)分的有效性[7]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期免耕會(huì)導(dǎo)致土壤緊實(shí)，不利于作物根系生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高，連年深松降低土壤水分的蓄存[4]。旱地土壤實(shí)施秸稈地表覆蓋不僅能夠提高耕層土壤碳、氮含量，還可改善田間水分狀況，促進(jìn)作物生長(zhǎng)和增產(chǎn)[8–9]。研究表明，耕作結(jié)合秸稈覆蓋能減輕土壤干燥程度，增加土壤蓄水量[10]，協(xié)調(diào)農(nóng)田土壤水、熱及養(yǎng)分環(huán)境，促進(jìn)馬鈴薯生育中后期生長(zhǎng)[11]。殷文等[12]試驗(yàn)結(jié)果表明，免耕覆蓋秸稈能夠促進(jìn)作物生物量累積，進(jìn)而提高玉米產(chǎn)量。宋霄君等[13]研究表明，深松結(jié)合秸稈覆蓋提高土壤表層(0—20 cm)碳氮含量的效果優(yōu)于免耕覆蓋。本研究連續(xù)3年開(kāi)展大田定位試驗(yàn)，比較了不同耕作方式結(jié)合秸稈覆蓋下旱地土壤有機(jī)碳、全氮及蓄水量，調(diào)查了馬鈴薯的生長(zhǎng)和產(chǎn)量，為西北黃土丘陵旱作馬鈴薯高產(chǎn)栽培和可持續(xù)發(fā)展提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

田間試驗(yàn)于2014—2016年在寧夏固原市彭陽(yáng)縣城陽(yáng)鄉(xiāng)長(zhǎng)城塬旱作農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站實(shí)施。研究區(qū)位于寧夏南部山區(qū)，為西北黃土丘陵區(qū)(E106°52′，N36°15′)，平均海拔 1800 m，年平均降水量 431 mm 左右，且時(shí)空分布不均，7—9月占全年降雨量60%以上，屬典型雨養(yǎng)區(qū)。年均氣溫8.1℃，無(wú)霜期120～160天。2014、2015和2016年降水總量分別為396.3、463.2、369.0 mm，馬鈴薯生育期 (5—9月)降水量分別為283.4、331.7、248.4 mm。本研究采用國(guó)內(nèi)較常用的降水年型劃分標(biāo)準(zhǔn)[14]劃分試驗(yàn)?zāi)杲邓?lèi)型。豐水年：，干旱年：式中：為試驗(yàn)當(dāng)年降雨量(mm)，為多年平均降雨量(mm)， δ為多年降雨量的均方差。根據(jù)寧夏彭陽(yáng)縣40年(1977—2016 年)平均降水量(430.5 mm)和均方差 (99.4 mm)數(shù)據(jù)，豐水年降雨量>472.3 mm ，干旱年降雨量<406.7 mm。將試驗(yàn)?zāi)攴萁邓晷瓦M(jìn)行劃分，2014和2016年為干旱年份，2015年為平水年份。試驗(yàn)田為旱塬地，地勢(shì)平坦，土壤為黃綿土。播種前0—40 cm土層土壤有機(jī)碳、全氮含量分別為4.36、0.60 g/kg，速效氮、磷、鉀含量分別為58.6、8.4、150 mg/kg，屬低等肥力水平。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置6個(gè)處理，分別為免耕秸稈覆蓋(NS)、免耕不覆蓋(NN)、深松秸稈覆蓋(SS)、深松不覆蓋(SN)、傳統(tǒng)耕作秸稈覆蓋(CS)、傳統(tǒng)耕作不覆蓋(CN)，隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)，18個(gè)小區(qū)，各小區(qū)長(zhǎng)寬分別為4 和9 m。試驗(yàn)處理及耕作管理如表1，秸稈為玉米秸稈。

表1 試驗(yàn)處理具體實(shí)施方法Table 1 Practices for each experimental treatment

試驗(yàn)地2013年前為春玉米，已采用傳統(tǒng)耕作方式多年。供試馬鈴薯品種為隴薯3號(hào)，平作栽培方式，寬窄行種植(寬行60 cm，窄行40 cm，株距40 cm)，種植密度5萬(wàn)株/hm2，穴播后少量覆土。試驗(yàn)期間無(wú)水澆灌，人工除草。施肥處理結(jié)合秋耕實(shí)行施肥，施肥量為農(nóng)家肥(腐熟牛糞) 30 t/hm2，尿素(N≥46%) 150 kg/hm2，磷酸二銨 (N≥18%，P2O5≥46%) 150 kg/hm2，硫酸鉀 (K2O≥50%) 150 kg/hm2。馬鈴薯分別于2014年4月28日、2015年5月2日和2016年5月4日播種，于2014年10月3日、2015年9月23日和2016年10月2日收獲。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 土壤有機(jī)碳和全氮含量測(cè)定 2013年試驗(yàn)田處理前和2016年10月馬鈴薯收獲后采集0—20、20—40 cm土層土樣，裝入自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、磨細(xì)，過(guò)0.25 mm篩，分別采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法、凱氏定氮法[15]測(cè)定有機(jī)碳和全氮含量。

1.3.2 土壤水分測(cè)定 在馬鈴薯播種、現(xiàn)蕾(播后60 天)、塊莖形成 (播后 90 天)及塊莖膨大期 (播后120 天)，利用土鉆采取0—200 cm土層鮮土樣，每20 cm為1層，烘干法測(cè)定土壤質(zhì)量含水量，重復(fù)3次。

土壤蓄水量[15]公式：

式中：W為土壤蓄水量(mm)；10為換算系數(shù)(cm換算為mm)；h為土層深度(cm)；a是土壤容重(g/cm3)；b是土壤含水率(%)。

1.3.3 馬鈴薯塊莖生長(zhǎng)特征模擬預(yù)測(cè) 在馬鈴薯播種后30、60、90、120、150 天定期取植株樣5株，測(cè)定馬鈴薯地上部生物量，利用Logistic方程[12]計(jì)算并擬合馬鈴薯生長(zhǎng)期相關(guān)特征值，方程式為：

式中：Y為馬鈴薯某一時(shí)期生物量觀(guān)測(cè)值(t/hm2)；Km為馬鈴薯生物量理論最大值(t/hm2)；t為播種后天數(shù)(d)；a、b為方程特定擬合參數(shù)。

將Logistic方程進(jìn)行一、二階求導(dǎo)，得到馬鈴薯生物量快速增長(zhǎng)期起始時(shí)間T1(d)；快速增長(zhǎng)期終止時(shí)間 T2(d)；最大累積速率 Vmax[t/(hm2·d)]；a、b、Km同上，具體公式如下：

1.3.4 馬鈴薯產(chǎn)量測(cè)定 于馬鈴薯收獲期測(cè)定各小區(qū)產(chǎn)量，重復(fù)3次，最后折算成單位面積產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析與繪圖

利用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和計(jì)算，利用DPS 2005軟件進(jìn)行多重比較，運(yùn)用SPSS 21.0進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析和方差分析；采用Origin 2021繪制圖表，應(yīng)用Curve Expert模擬Logistic方程參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作結(jié)合秸稈覆蓋對(duì)土壤有機(jī)碳和全氮含量的影響

連續(xù)3年不同耕作和秸稈覆蓋處理2016年收獲期0—40 cm土層有機(jī)碳和全氮含量測(cè)定結(jié)果(圖1)表明，各處理0—40 cm土層有機(jī)碳(除NN和CN處理20—40 cm土層)和全氮含量較試驗(yàn)開(kāi)始前均有所增加，且0—20 cm土層有機(jī)碳和全氮含量增幅明顯高于20—40 cm土層。耕作結(jié)合秸稈覆蓋處理下0—20 cm土層有機(jī)碳和全氮含量均以SS處理最高，分別較CN處理顯著增加29.9%和24.7%，在20—40 cm土層以NS處理最高，較CN處理分別顯著增加52.4%和27.4%。

圖1 不同處理0—20 cm和20—40 cm土層土壤有機(jī)碳及全氮含量Fig. 1 Total soil organic carbon and total nitrogen in 0–20 cm and 20–40 cm soil layers under different treatments

0—20 cm土層，在相同耕作管理措施下，NS、SS和CS處理總有機(jī)碳和全氮含量均顯著高于秸稈不覆蓋處理，土壤有機(jī)碳含量分別提高18.1%、22.2%和25.6%，全氮含量分別顯著提高16.7%、26.3%和21.0%。20—40 cm土層，NS、SS和CS處理土壤有機(jī)碳含量分別比同種耕作措施下不覆蓋處理顯著提高30.0%、7.2%和43.4%，全氮含量分別顯著提高19.7%、5.6%和22.6%。無(wú)秸稈覆蓋時(shí)0—20 cm土層土壤有機(jī)碳和全氮含量以NN處理最高，20—40 cm土層以SN處理最高。

2.2 耕作結(jié)合秸稈覆蓋對(duì)土壤蓄水量的影響

連續(xù)3年不同耕作結(jié)合秸稈覆蓋可顯著提高馬鈴薯播種期和關(guān)鍵生育期(現(xiàn)蕾期、塊莖形成和塊莖膨大期)土壤蓄水量(表2)。播種期，在相同耕作管理措施下，2014年(干旱年) NS、SS和CS處理土壤蓄水量分別比秸稈不覆蓋處理顯著提高6.4%、4.8%和6.3%，2015年(平水年)分別顯著提高7.7%、9.3%和9.0%，2016年(干旱年)分別顯著提高25.1%、31.1%和24.2%。無(wú)秸稈覆蓋時(shí)2014年土壤蓄水量以SN處理最高，2015和2016年均以NN處理最高。綜合所有處理，2014年土壤蓄水量以NS處理效果最佳，較CN處理顯著增加6.4%，2015和2016年土壤蓄水量均以SS處理效果最佳，較CN處理分別顯著增加11.4%和29.6%。

表2 不同處理馬鈴薯播種期及關(guān)鍵生育期0—200 cm土層蓄水量(mm)Table 2 Soil water storage (0–200 cm) in sowing and key growth period of potato under different treatments

馬鈴薯進(jìn)入關(guān)鍵需水階段，各處理0—200 cm土層蓄水量急劇下降。在相同耕作管理措施下，2014年NS、SS和CS處理各生育期土壤蓄水量分別比秸稈不覆蓋處理平均顯著提高14.6%、18.0%和15.9%，2015年分別平均顯著提高14.9%、10.4%和11.8%，2016年分別平均顯著提高22.4%、23.9%和21.65%。無(wú)秸稈覆蓋時(shí)，干旱年和平水年關(guān)鍵生育期土壤蓄水量均以SN處理最高。綜合所有處理，2014年各生育期土壤蓄水量以SS處理效果最好，平均較CN處理顯著增加21.6%；2015年各生育期土壤蓄水量以NS處理效果最好，平均較CN處理顯著增加17.2%；2016年現(xiàn)蕾期以NS處理土壤蓄水量效果最好，較CN處理顯著增加26.4%，塊莖形成期和膨大期以SS處理效果最好，平均較CN處理顯著增加28.3%，馬鈴薯關(guān)鍵生育期SS處理較CN處理土壤蓄水量增加26.0%?？梢?jiàn)，不同耕作結(jié)合地表秸稈覆蓋具有很好的保水效果。

2.3 耕作結(jié)合秸稈覆蓋對(duì)馬鈴薯地上部生物量累積動(dòng)態(tài)的影響

以天數(shù)為變量，利用Logistic自然生長(zhǎng)方程對(duì)馬鈴薯地上生物量進(jìn)行參數(shù)模擬和定量分析，結(jié)果(表3)發(fā)現(xiàn)，不同耕作結(jié)合秸稈覆蓋處理下馬鈴薯地上部生物量隨生育進(jìn)程的Logistic模型擬合優(yōu)度(R2>0.9)良好。馬鈴薯地上部生物量累積快速增長(zhǎng)期3年均以SS處理起始最早，較CN處理分別提前2.4 、10.0和6.5 天?？焖僭鲩L(zhǎng)持續(xù)期在2015年(平水年)以NS處理最長(zhǎng)，較CN處理延長(zhǎng)9.8天，2014年(干旱年)和2016年(干旱年)均以SS處理最長(zhǎng)，較CN處理分別延長(zhǎng)3.3和8.1天。最大累積速率在2014年以NS處理最高，較CN處理提高45.2%，2015和2016年均以SS處理最高，較CN處理分別提高15.3%和45.3%。

表3 不同處理下馬鈴薯地上部生物量動(dòng)態(tài)累積模型參數(shù)特征值Table 3 Parameters and eigenvalues of above-ground biomass accumulation model of potato under different treatments

與同種耕作措施下秸稈不覆蓋處理相比，2014年NS、SS和CS處理快速增長(zhǎng)持續(xù)期分別延長(zhǎng)5.1、5.0 和1.5 天，最大累積速率分別提高6.1%、8.3%和36.9%；2015年NS和CS處理快速增長(zhǎng)持續(xù)期分別延長(zhǎng)7.6 和7.9 天，SS處理最大累積速率提高23.0%；2016年NS、SS和CS處理快速增長(zhǎng)持續(xù)期分別延長(zhǎng)1.6、6.2和2.8 天；最大累積速率分別提高35.3%、44.3%和25.2%。無(wú)秸稈覆蓋時(shí)，馬鈴薯地上部生物量3年快速增長(zhǎng)累積持續(xù)期均以SN處理最長(zhǎng)?？焖僭鲩L(zhǎng)期內(nèi)的最大累積速率在2014和2015年以NN處理最高，2016年以SN處理最大。

2.4 耕作結(jié)合秸稈覆蓋對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響

連續(xù)3年不同耕作和秸稈覆蓋處理馬鈴薯產(chǎn)量測(cè)定結(jié)果(圖2)顯示，各處理下馬鈴薯產(chǎn)量以2014年(干旱年)最高，2015年(平水年)次之，2016年(干旱年)最低。在所有處理中，2014年馬鈴薯產(chǎn)量以NS處理最高，較CN處理顯著提高51.8%，2015和2016年均以SS處理最高，分別較CN處理顯著提高36.7%和87.5% 。

圖2 不同處理下馬鈴薯產(chǎn)量Fig. 2 Potato yield under different treatments

在相同耕作管理措施下，2014年NS、SS和CS處理馬鈴薯產(chǎn)量分別比秸稈不覆蓋處理顯著提高58.7%、43.2%和36.6%，2015年分別顯著提高14.1%、27.3%和10.8%，2016年分別顯著提高49.0%、49.2%和19.6%。無(wú)秸稈覆蓋時(shí)馬鈴薯產(chǎn)量3年均以SN處理最高。

2.5 耕作結(jié)合秸稈覆蓋下馬鈴薯生長(zhǎng)與產(chǎn)量對(duì)土壤碳、氮、水含量的響應(yīng)

表4結(jié)果表明，耕作方式、秸稈覆蓋措施及兩者交互作用對(duì)土壤有機(jī)碳均有極顯著影響(P<0.01)，秸稈覆蓋對(duì)土壤全氮影響極顯著(P<0.01)。降水年份、耕作方式、秸稈覆蓋措施、年份與秸稈覆蓋交互作用對(duì)馬鈴薯關(guān)鍵生育期土壤蓄水量和地上部生物量均有極顯著影響(P<0.01)，耕作與秸稈覆蓋措施交互作用、降水年份與耕作、覆蓋三者交互的效應(yīng)也達(dá)到顯著水平(P<0.05)。年份、耕作方式、秸稈覆蓋以及其兩兩之間或三者之間的交互作用對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。

表4 試驗(yàn)?zāi)攴荨⒏鞣椒ê徒斩捀采w對(duì)土壤肥力和馬鈴薯產(chǎn)量的效應(yīng)分析Table 4 ANOVA on the effects of experimental year, tillage method, and straw mulching on soil fertility and potato yield

相關(guān)性分析結(jié)果(表5)表明，馬鈴薯產(chǎn)量與土壤有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)性，與土壤全氮、馬鈴薯播種和關(guān)鍵生育期(現(xiàn)蕾、塊莖形成和塊莖膨大期)土壤蓄水量以及生物量均呈極顯著正相關(guān)。此外還發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳、全氮以及蓄水量之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。結(jié)合方差分析和相關(guān)性分析結(jié)果得知，耕作結(jié)合秸稈覆蓋措施能夠?qū)崿F(xiàn)土壤碳、氮、水之間的協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)而促進(jìn)馬鈴薯地上部生物量累積和塊莖產(chǎn)量的提高。

表5 土壤有機(jī)碳、全氮、蓄水量和生物量與馬鈴薯產(chǎn)量的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis of soil organic carbon, total nitrogen, water storage, and potato biomass and yield

3 討論

3.1 耕作結(jié)合秸稈覆蓋對(duì)土壤有機(jī)碳和全氮含量的影響

與傳統(tǒng)耕作相比，少耕和免耕結(jié)合秸稈覆蓋措施可提高土壤耕層有機(jī)碳的積累，進(jìn)而促進(jìn)作物增產(chǎn)和養(yǎng)分的高效利用[16]。本試驗(yàn)中，3個(gè)耕作方式下，秸稈覆蓋處理的有機(jī)碳和全氮含量均高于不覆蓋處理，其中0—20 cm土層以深松覆蓋秸稈處理最高，20—40 cm土層以免耕覆蓋秸稈處理最高。這主要因?yàn)楦采w秸稈進(jìn)入土壤后，增加了微生物數(shù)量和活性，促進(jìn)了秸稈的降解和對(duì)氮素的固持[17]。深松能夠破除犁底層，促進(jìn)作物根系向深層分布，提高作物對(duì)深層土壤養(yǎng)分的吸收利用[7]；而免耕土壤容重較大，作物根系生長(zhǎng)受阻，減少了對(duì)深層土壤養(yǎng)分的吸收[18]。此外，深松改善了土壤亞表層(20—35 cm)通氣條件，加速了該層的土壤有機(jī)質(zhì)礦化[19]，而免耕措施下土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，下層(20—40 cm)微團(tuán)聚體和黏粒結(jié)合的有機(jī)碳穩(wěn)定性高于上層(0—20 cm)，不易被微生物分解利用[20–21]。與試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)相比，3個(gè)耕作措施結(jié)合秸稈覆蓋處理的0—20 cm土層有機(jī)碳和全氮含量增幅明顯高于20—40 cm土層，這是因?yàn)榻斩捳捀采w，沒(méi)有進(jìn)行加工粉碎處理翻入土壤，從而暴露于土壤表面致使分解速率下降[22]。此外，無(wú)秸稈覆蓋時(shí)深松處理的20—40 cm土層有機(jī)碳含量均高于免耕和傳統(tǒng)耕作，而免耕和傳統(tǒng)耕作下的有機(jī)碳含量較試驗(yàn)處理前均有所下降，以傳統(tǒng)耕作方式降幅最大，這與王碧勝等[22]的研究結(jié)果相似。究其原因，在無(wú)秸稈投入條件下，免耕處理導(dǎo)致土壤容重增加，阻止了根系在深層的分布，進(jìn)而使地上凋落物或秸稈還田下的外源有機(jī)殘?jiān)e累在表層，導(dǎo)致耕層碳氮等養(yǎng)分出現(xiàn)分層化，而傳統(tǒng)耕作對(duì)土壤翻動(dòng)頻繁，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，加快了地表有機(jī)物質(zhì)的礦化流失[23]。

3.2 耕作結(jié)合秸稈覆蓋對(duì)土壤水分的影響

有研究報(bào)道，休閑期免耕/深松輪耕結(jié)合覆蓋措施較傳統(tǒng)耕作不覆蓋可提高春玉米播種期0—200 cm土層土壤貯水量[24]。鄧妍等[25]研究發(fā)現(xiàn)，夏閑期翻耕覆蓋可顯著提高作物播前土壤蓄水量，以豐水年效果最佳。本研究結(jié)果(表2)表明，不同耕作覆蓋秸稈對(duì)馬鈴薯播種期0—200 cm土層蓄水量均有不同程度的提高，2014年(干旱年)以免耕覆蓋秸稈處理土壤蓄水量最高，2015年(平水年)和2016年(干旱年)均以深松覆蓋秸稈處理最高，而傳統(tǒng)耕作無(wú)秸稈覆蓋處理土壤蓄水量最低，究其原因：1)耕作覆蓋措施對(duì)作物播種期土壤水分的影響主要依賴(lài)于休閑期降雨量和耕作措施[26]，且保護(hù)性耕作在作物播前未進(jìn)行耕作因而減少了土壤擾動(dòng)[27]；2)秋季作物收獲后進(jìn)行深松結(jié)合秸稈覆蓋能增加休閑期降水入滲，及時(shí)補(bǔ)充土壤水分，緩解干旱年水分匱乏[28]，免耕結(jié)合秸稈覆蓋可降低春季土壤水分蒸發(fā)損失[29]，而傳統(tǒng)耕作方式擾動(dòng)土壤頻繁，使土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)烈[11]。

李榮等[29]研究表明，深松覆蓋秸稈對(duì)馬鈴薯生育中后期土壤蓄水量有顯著的提升效果。劉繼龍等[30]研究認(rèn)為，免耕和傳統(tǒng)耕作結(jié)合秸稈覆蓋可顯著提高玉米生育后期土壤蓄水量，尤其以免耕覆蓋秸稈處理對(duì)水分影響最為顯著。本研究結(jié)果(表2)表明，深松結(jié)合秸稈覆蓋能提高干旱年份(2014年和2016年)馬鈴薯塊莖形成期和膨大期土壤蓄水量，而免耕覆蓋秸稈措施可增加平水年份(2015年)馬鈴薯關(guān)鍵生育期土壤蓄水量，這是由于在干旱年份，深松結(jié)合秸稈覆蓋不僅可降低作物生育前期土壤水分蒸發(fā)，還能促進(jìn)生育后期降雨入滲[29]；在平水年份，免耕結(jié)合秸稈覆蓋在抑制水分散失的同時(shí)，還能減弱與地表水分的交換，使深層水分上移，進(jìn)而提高土壤的蓄水量[31]。

3.3 耕作結(jié)合秸稈覆蓋對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響

Logistic方程能準(zhǔn)確反映作物地上生物量累積動(dòng)態(tài)狀況，而作物地上部生物量積累速率與耕作方式[32]、覆蓋措施[33]關(guān)系密切。普雪可等[33]研究表明，溝壟耕作結(jié)合秸稈覆蓋較傳統(tǒng)耕作能夠提高作物地上部生物量累積速率和理論最大值，并延長(zhǎng)快速累積持續(xù)時(shí)間。本研究通過(guò)Logistic對(duì)馬鈴薯地上部生物量動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)模擬發(fā)現(xiàn)(表3)，秸稈覆蓋處理的地上部生物量累積理論最大值均高于不覆蓋處理，與傳統(tǒng)耕作相比，不同耕作結(jié)合秸稈覆蓋能夠顯著提高馬鈴薯地上部生物量快速增長(zhǎng)期內(nèi)的最大累積速率，使其提前進(jìn)入快速累積期，并延長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間。這是因?yàn)楦鞲采w措施可為馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育提供較好的土壤水熱環(huán)境，而傳統(tǒng)耕作方式下植株易受干旱和高溫脅迫，限制馬鈴薯生物量累積[34]。

在干旱地區(qū)，深松和免耕結(jié)合秸稈覆蓋可改善土壤肥力，提高作物產(chǎn)量[35]。李榮等[29]研究表明，深松秸稈覆蓋與傳統(tǒng)耕作相比可提高作物產(chǎn)量。本研究結(jié)果(圖2)表明，耕作措施、秸稈覆蓋及其兩者交互均能顯著提高馬鈴薯產(chǎn)量，免耕結(jié)合秸稈覆蓋處理在2014年(干旱年)增產(chǎn)效果最好，而在2015年(平水年)和2016年(干旱年)以深松結(jié)合秸稈覆蓋處理增產(chǎn)效果好，分析其原因：一，秋季深松能積蓄更多的秋季雨水，實(shí)現(xiàn)秋雨春用[29,35]，同時(shí)秸稈覆蓋下較好的水分條件在一定程度上彌補(bǔ)低溫對(duì)馬鈴薯生育前期生長(zhǎng)的影響，且能降低中后期高溫脅迫對(duì)塊莖生長(zhǎng)的不利影響，從而顯著提高馬鈴薯產(chǎn)量[36–37]。二，可能與試驗(yàn)期間免耕秸稈覆蓋和深松覆蓋秸稈處理年際間土壤水分蓄存有關(guān)。本研究還發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋下不同耕作處理的馬鈴薯產(chǎn)量隨種植年份延長(zhǎng)都表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，這可能與試驗(yàn)期間馬鈴薯連作種植有關(guān)，一方面主要是因?yàn)樽魑镞B作引起了土壤養(yǎng)分失衡和微生物菌群結(jié)構(gòu)失調(diào)[38]，另一方面連作致使土壤性質(zhì)惡化，形成了特定土壤環(huán)境和根際條件，影響土壤微生物活動(dòng)，造成有益微生物量減少[39]，再加上地表秸稈覆蓋后田間水熱環(huán)境改善，為病蟲(chóng)的生存提供了有利環(huán)境，從而影響馬鈴薯的正常生命活動(dòng)，導(dǎo)致連作使其產(chǎn)量下降。

3.4 耕作結(jié)合秸稈覆蓋下土壤碳氮水協(xié)同效應(yīng)對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響

在秸稈覆蓋或還田條件下進(jìn)行保護(hù)性耕作可改善土壤環(huán)境質(zhì)量，增強(qiáng)水肥耦合效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)土壤碳氮水協(xié)同效應(yīng)的總體提升，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[40–41]。通過(guò)方差和相關(guān)性分析結(jié)果(表4、表5)發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳、全氮和蓄水量之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤碳、氮、水含量與馬鈴薯產(chǎn)量之間存在顯著正相關(guān)，而耕作覆蓋秸稈措施可通過(guò)提高土壤耕層碳氮含量和馬鈴薯生育期土壤蓄水量，進(jìn)而促進(jìn)馬鈴薯地上部生物量累積和塊莖產(chǎn)量的提高。究其可能有3方面的原因：1)深松能有效阻止連年翻耕帶來(lái)的弊端，破除犁底層，提高土壤保水能力，促進(jìn)秸稈腐解，增加表層和耕層養(yǎng)分的累積，從而達(dá)到以水調(diào)肥增肥的效果[40]；2)秸稈還田處理使得土壤碳加速循環(huán)，同時(shí)又保持土壤碳素的凈增，從而使得較多有機(jī)質(zhì)礦化分解，產(chǎn)生過(guò)多的氮素供作物生長(zhǎng)[42]；3)免耕和深松在秸稈材料投入時(shí)，可綜合提升土壤碳、氮、水含量，土壤水分和養(yǎng)分充足，從而提高作物產(chǎn)量[41]。然而3年研究期間，不同降雨年型下耕作結(jié)合秸稈覆蓋對(duì)旱作土壤碳、氮、水含量、生物量以及馬鈴薯產(chǎn)量均有顯著影響，但馬鈴薯增產(chǎn)效果還與土壤溫度、微生物活動(dòng)及作物階段耗水狀況等因素有關(guān)，且馬鈴薯產(chǎn)量年際間波動(dòng)極大，只涉及兩個(gè)干旱年和一個(gè)平水年，缺乏豐水年，因此，還需進(jìn)一步通過(guò)長(zhǎng)年限研究，才能準(zhǔn)確評(píng)析耕作結(jié)合秸稈覆蓋下馬鈴薯增產(chǎn)機(jī)制。本研究還發(fā)現(xiàn)，在秸稈覆蓋條件下，免耕在第一年提高馬鈴薯產(chǎn)量的效果最佳，但連年免耕的增產(chǎn)效果不如深松甚至傳統(tǒng)耕作。因此，免耕與深松交替進(jìn)行，結(jié)合秸稈覆蓋可能是寧南旱作區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)較為適宜的耕作覆蓋措施，然而這仍需在不同降水年型、土壤肥力、馬鈴薯與玉米輪作等條件下進(jìn)行長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，以驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

4 結(jié)論

不論何種耕作措施，秸稈覆蓋可極顯著提高0—40 cm土層土壤有機(jī)碳、全氮含量和0—200 cm土層水分含量，保證馬鈴薯穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。在秸稈覆蓋條件下，連續(xù)深松能夠顯著提升0—20 cm土層土壤碳、氮含量，提早馬鈴薯生物量快速累積期，并在干旱年可延長(zhǎng)馬鈴薯生物量快速增長(zhǎng)的持續(xù)期和最大累積速率；免耕在第一年提高馬鈴薯產(chǎn)量的效果最佳，但連續(xù)免耕的增產(chǎn)效果不如連續(xù)深松甚至傳統(tǒng)耕作。因此，綜合考慮土壤碳氮水與作物產(chǎn)量的協(xié)同效應(yīng)，建議免耕、深松配合秸稈覆蓋措施在寧南山區(qū)馬鈴薯栽培中進(jìn)行推廣應(yīng)用。