中國馬鈴薯地膜覆蓋增產(chǎn)效應(yīng)及其影響因素的Meta分析

徐菊禎，張夢(mèng)璐，何文清，隋鵬，陳源泉，崔吉曉

中國馬鈴薯地膜覆蓋增產(chǎn)效應(yīng)及其影響因素的Meta分析

徐菊禎1,2，張夢(mèng)璐1,2，何文清1,3，隋鵬2，陳源泉2，崔吉曉1,3

1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)膜污染防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，北京 100193；3中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院西部農(nóng)業(yè)研究中心，新疆昌吉 831100

【目的】地膜覆蓋具有增溫、保墑和抑制雜草等多方面作用，是一種緩解馬鈴薯生產(chǎn)限制的高效且簡(jiǎn)便的技術(shù)措施?；谌珖鴶?shù)據(jù)，量化地膜對(duì)馬鈴薯的產(chǎn)量和水分利用效率的影響，進(jìn)一步分析其中的影響因素，為馬鈴薯可持續(xù)生產(chǎn)提供參考?！痉椒ā炕?981—2021年在Web of Science和知網(wǎng)公開發(fā)表的291篇關(guān)于中國馬鈴薯地膜覆蓋的大田試驗(yàn)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，包括北方一作區(qū)、西南混作區(qū)、南方冬作區(qū)、中原二作區(qū)共4個(gè)區(qū)域，利用Meta分析方法量化地膜對(duì)馬鈴薯的產(chǎn)量與水分利用效率的影響，并從不同區(qū)域、不同自然條件（年均降水、土壤容重、土壤有機(jī)質(zhì)含量）、不同栽培管理措施（鉀肥施用量、種植密度、地膜顏色、栽培方式）角度出發(fā)，研究地膜覆蓋對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的影響?！窘Y(jié)果】與不覆蓋相比，地膜覆蓋使馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率分別提高24.9%和28.3%；不同區(qū)域地膜增產(chǎn)與提升水分利用效率的效果不同，依次為：北方一作區(qū)（27.2%）、西南混作區(qū)（18.1%）、南方冬作區(qū)（23.6%）、中原二作區(qū)（10.1%）。而水分利用效率只在北方一作區(qū)表現(xiàn)明顯，提高29.1%。在不同區(qū)域，地膜提高產(chǎn)量與水分利用效率受自然條件與栽培管理措施影響。不同自然條件下，不同區(qū)域地膜提高產(chǎn)量的響應(yīng)不同。種植密度與栽培方式在各區(qū)域的響應(yīng)一致，即低密度種植與壟作條件下，地膜增產(chǎn)效應(yīng)最好。在北方一作區(qū)，地膜在低等降水量，較低的土壤有機(jī)質(zhì)含量與低等土壤容重以及低施肥水平，中等種植密度，黑色與壟作條件下，提高水分利用效率的效果最好?！窘Y(jié)論】地膜覆蓋在我國具有良好的應(yīng)用效果，可以提高馬鈴薯的產(chǎn)量，不同區(qū)域的增產(chǎn)效果依次為：北方一作區(qū)、南方冬作區(qū)、西南混作區(qū)、中原二作區(qū)，水分利用效率僅在北方一作區(qū)有所改善。在降水少、土壤較貧瘠、土壤疏松的自然條件下，以及較低水平的施肥量、較低種植密度、黑色與壟作的栽培管理措施下，地膜更能發(fā)揮其增產(chǎn)作用。在北方一作區(qū)，地膜使馬鈴薯增產(chǎn)與保水達(dá)到最佳效果所需的條件相似。

地膜覆蓋；馬鈴薯；產(chǎn)量；水分利用效率；Meta分析

0 引言

【研究意義】馬鈴薯作為繼小麥、玉米和水稻之后的世界第四大糧食作物，每消耗1 m3水分，可生產(chǎn)5 600 kCal能量，遠(yuǎn)高于小麥（2 300 kCal）、玉米（3 860 kCal）和水稻（2 000 kCal）[1]，被稱為“地下蘋果”和“第二面包”[2-3]。加之其可糧飼菜兼用[4]，在保障糧食安全和提高國民經(jīng)濟(jì)方面都發(fā)揮了重要作用。近年來，中國又推出“馬鈴薯主糧化”政策，以促進(jìn)馬鈴薯生產(chǎn)。然而，馬鈴薯的生產(chǎn)仍然受到自然環(huán)境的制約和脅迫，在生長(zhǎng)早期容易受到寒冷、干旱的影響[5]，在生長(zhǎng)中后期，又可能受到伏旱的脅迫[6]，這些因素都將嚴(yán)重影響馬鈴薯的生長(zhǎng)發(fā)育。地膜覆蓋是提高馬鈴薯產(chǎn)量最簡(jiǎn)便、有效的技術(shù)手段之一。分析全國范圍內(nèi)地膜覆蓋馬鈴薯的增產(chǎn)效應(yīng)和主要影響因素，對(duì)于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】馬鈴薯適應(yīng)范圍廣，產(chǎn)量高，遇到的限制因素復(fù)雜。水是西北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要限制因子，地膜覆蓋增產(chǎn)更顯著。西南區(qū)氣候濕潤(rùn)涼爽，是馬鈴薯的適宜種植區(qū)，因此，西南區(qū)增產(chǎn)較低[7-8]。運(yùn)用DNDC模型發(fā)現(xiàn)[9]，雨養(yǎng)馬鈴薯使用地膜在東北、西北、西南地區(qū)表現(xiàn)較好。施肥量、種植密度、地膜的顏色與覆蓋方式等配套的農(nóng)業(yè)管理措施也會(huì)影響馬鈴薯地膜覆蓋效應(yīng)的發(fā)揮。施肥是農(nóng)業(yè)重要管理措施，對(duì)地膜發(fā)揮作用也具有影響[10-11]。此外，地膜在玉米種植密度增加后增產(chǎn)不明顯，可能是因?yàn)榉N植密度的增加反而增加了植物之間的脅迫[12]。白色與黑色為常用膜色，通過影響土壤溫度與微環(huán)境來影響作物的生長(zhǎng)[13]。起壟覆膜是節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要技術(shù)之一，研究表明，壟作覆膜更具增溫保墑作用，從而發(fā)揮更大的增產(chǎn)增效作用[14-15]。因此，進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化馬鈴薯地膜覆蓋的生產(chǎn)管理方式，提供更適宜和有彈性的選擇，對(duì)于應(yīng)對(duì)馬鈴薯種植過程中的低溫和農(nóng)業(yè)水資源短缺問題，挖掘馬鈴薯的增產(chǎn)增效潛力至關(guān)重要?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，更多的研究基于大田試驗(yàn)，缺乏關(guān)于馬鈴薯地膜覆蓋效應(yīng)的綜合性、區(qū)域性評(píng)價(jià)。我國幅員遼闊，受多樣性氣候、地形和土壤條件影響，使馬鈴薯地膜覆蓋實(shí)現(xiàn)的效果與難易程度也存在差異?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究運(yùn)用Meta分析方法研究馬鈴薯地膜覆蓋保水增產(chǎn)效應(yīng)，以及不同區(qū)域、不同自然條件和不同管理措施對(duì)馬鈴薯地膜覆蓋增產(chǎn)效應(yīng)的影響，提出合理的管理措施，為充分發(fā)揮地膜覆蓋的作用和優(yōu)化馬鈴薯生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集方法

利用Meta分析方法研究地膜覆蓋對(duì)馬鈴薯的影響。分別以“地膜/農(nóng)膜&馬鈴薯”和“plastic film mulching/film mulching & potato”為主題，進(jìn)行中、英文文獻(xiàn)檢索，搜集1981—2021年國內(nèi)外公開發(fā)表的關(guān)于中國的地膜覆蓋對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率影響的田間試驗(yàn)研究論文。中文文獻(xiàn)主要來源于中國知網(wǎng)（CNKI），英文文獻(xiàn)主要來源于Web of Science（WOS）。為了進(jìn)一步剔除不符合標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)，獲得更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，設(shè)置如下篩選標(biāo)準(zhǔn)：1）試驗(yàn)地點(diǎn)必須是中國室外大田，并且在文中詳細(xì)寫明試驗(yàn)地點(diǎn)或經(jīng)緯度；2）試驗(yàn)中必須同時(shí)包括覆膜和不覆膜2種處理，并且除了是否覆膜外，其他管理措施、取樣與測(cè)定的時(shí)間及方法等均保持一致；3）馬鈴薯產(chǎn)量數(shù)據(jù)的重復(fù)數(shù)、均值及標(biāo)準(zhǔn)差可以直接獲取或通過計(jì)算得到。最終納入分析的文獻(xiàn)共291篇。除此以外，還收集了種植密度、施肥量、試驗(yàn)地土壤和氣候條件等數(shù)據(jù)。對(duì)于以圖片形式呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)，則利用Get Data Graph Digitizer軟件進(jìn)行讀取。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

對(duì)于只提供了標(biāo)準(zhǔn)誤的數(shù)據(jù)，其標(biāo)準(zhǔn)差通過以下公式計(jì)算：

SD=×

式中，代表標(biāo)準(zhǔn)差；代表標(biāo)準(zhǔn)誤；代表重復(fù)數(shù)。

對(duì)于沒提供標(biāo)準(zhǔn)差和標(biāo)準(zhǔn)誤的文獻(xiàn)，則根據(jù)已有值估算整體值占平均值的比例，作為變異系數(shù)。缺失的值可以通過以下公式計(jì)算[16]：

SD=c×X

式中，SD代表缺失的值，X代表值缺失產(chǎn)量的均值。

1.3 數(shù)據(jù)分類方法

不同區(qū)域、自然條件和栽培管理?xiàng)l件下的馬鈴薯地膜覆蓋效應(yīng)也存在較大差異，為進(jìn)一步探明不同因素對(duì)馬鈴薯地膜覆蓋效應(yīng)的影響，將獲得的數(shù)據(jù)馬鈴薯生產(chǎn)格局進(jìn)行劃分為4個(gè)區(qū)域[17]（圖1），分別為：（1）北方一作區(qū)（northern single farming area，NSFA）：吉林、黑龍江、遼寧、內(nèi)蒙古、甘肅、青海、寧夏、新疆、河北、山西、陜西；（2）西南混作區(qū)（southwest mixed farming area，SWMFA）：重慶、四川、云南、貴州、西藏、湖北、湖南；（3）南方冬作區(qū)（south winter farming area，SWFA）：廣東、廣西、福建、海南；（4）中原二作區(qū)（central plains second farming area，CPSFA）：山東、浙江、河南、安徽、江西、江蘇、北京、天津、上海。同時(shí)，對(duì)自然條件和管理?xiàng)l件進(jìn)行劃分（表1）。最終從291篇文章中得到973個(gè)產(chǎn)量數(shù)據(jù)對(duì)和259個(gè)水分利用效率數(shù)據(jù)對(duì)。由于水分利用效率的數(shù)據(jù)對(duì)集中在北方一作區(qū)（249對(duì)），因此，在水分利用效率的區(qū)域研究中僅考慮北方一作區(qū)。

表1 不同自然條件和管理?xiàng)l件的梯度劃分

鉀肥施用量是指純K2O施用量 The application amount potassium refers to the application amount of pure K2O

1.4 Meta分析過程

利用隨機(jī)效應(yīng)模型進(jìn)行馬鈴薯地膜覆蓋效應(yīng)的分析，選擇響應(yīng)比（）的自然對(duì)數(shù)作為效應(yīng)值（）[18]：

=ln=ln(X/X)=lnX-lnX

式中，X代表地膜覆蓋處理下的產(chǎn)量或WUE均值；X代表不覆蓋處理下的產(chǎn)量或WUE均值。

利用95%置信區(qū)間來判斷產(chǎn)量效應(yīng)的差異顯著性，若置信區(qū)間包含0值，則差異不顯著；若置信區(qū)間均在0值右側(cè)，則為顯著正效應(yīng)；若置信區(qū)間均在0值左側(cè)，則為顯著負(fù)效應(yīng)；在同一因素下，當(dāng)任意2個(gè)梯度的置信區(qū)間不重合時(shí)，則認(rèn)為這兩個(gè)梯度的效應(yīng)差異顯著[19]。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

利用NoteExpress和EndNote進(jìn)行中英文文獻(xiàn)管理；利用Microsoft Office 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)庫建立和一些基礎(chǔ)計(jì)算；利用R語言中的metafor包進(jìn)行Meta分析；利用GraphPad Prism作圖。

2 結(jié)果

2.1 數(shù)據(jù)總覽

通過對(duì)產(chǎn)量和水分利用效率的效應(yīng)值頻數(shù)分布進(jìn)行正態(tài)擬合，結(jié)果表明，產(chǎn)量（2=0.99，＜0.001）和水分利用效率（2=0.78，＜0.01）效應(yīng)值的頻數(shù)分布均符合正態(tài)分布（圖1），說明納入本研究的數(shù)據(jù)是均勻的[20]。

2.2 不同區(qū)域的馬鈴薯地膜效應(yīng)

在我國，地膜覆蓋在馬鈴薯種植上表現(xiàn)出較好的增產(chǎn)增效作用（圖2），分別使其產(chǎn)量和水分利用效率顯著提高24.9%（置信區(qū)間23.3%—26.5%）和28.3%（置信區(qū)間25.4%—31.1%）。

圖1 馬鈴薯地膜覆蓋效應(yīng)值與正態(tài)分布

誤差線代表95%置信區(qū)間；區(qū)域后面括號(hào)中的數(shù)字表示用于比較的數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)量；NSFA：北方一作區(qū)；SWMFA：西南混作區(qū)；SWFA：南方冬作區(qū)；CPSFA：中原二作區(qū)。下同

從產(chǎn)量來看（圖2-a），地膜覆蓋對(duì)馬鈴薯的增產(chǎn)作用在北方一作區(qū)表現(xiàn)最佳，達(dá)到27.2%（置信區(qū)間25.5%—29%），其次是南方冬作區(qū)（23.6%，置信區(qū)間18.1%—29.1%）、西南混作區(qū)（18.1%，置信區(qū)間13.5%—22.7%）、中原二作區(qū)（10.1%，置信區(qū)間3.8%—16.3%）。從水分利用效率來看（圖2-b），只有北方一作區(qū)的水分利用效率被顯著提高29.1%（置信區(qū)間26.2%—32.0%），數(shù)據(jù)量的差異也反映出北方一作區(qū)的研究者更加關(guān)注水分利用效率這一指標(biāo)，說明水分是該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)境因子。

2.3 不同自然條件與栽培管理措施對(duì)馬鈴薯地膜增產(chǎn)效應(yīng)的影響

馬鈴薯地膜覆蓋效應(yīng)受不同自然條件的影響，在不同區(qū)域的表現(xiàn)也不同（圖3）。從總體數(shù)據(jù)來看，地膜的增產(chǎn)效應(yīng)隨著降水量的減少而增加，在低施肥量條件下，地膜提高產(chǎn)量。然而，從不同區(qū)域來看，降水量對(duì)地膜的增產(chǎn)效應(yīng)的響應(yīng)不同。在北方一作區(qū)，地膜覆蓋的效應(yīng)隨著降水量的增大而增大，尤其當(dāng)年均降水量＞600 mm時(shí)，增產(chǎn)作用更明顯，為29.5%（置信區(qū)間26.9%—32.0%）。在南方冬作區(qū)，地膜的增產(chǎn)效應(yīng)僅在＞600 mm表現(xiàn)良好。在中原二作區(qū)，當(dāng)降水量在200—400 mm，地膜表現(xiàn)為減產(chǎn)作用，減少55%（置信區(qū)間-88.2%—21.9%），而在＞600 mm，地膜使用能夠顯著提高馬鈴薯的產(chǎn)量12.3%（置信區(qū)間5.6%—19.1%）。因理化性質(zhì)和基礎(chǔ)肥力的不同，地膜覆蓋會(huì)對(duì)馬鈴薯產(chǎn)生差異化的影響（圖3-b—c）。總體來看，土壤有機(jī)質(zhì)低，中等含量與低土壤容重更有利于地膜發(fā)揮增產(chǎn)作用。在不同區(qū)域?qū)Φ啬さ挠绊懖灰恢?。具體來看，在北方一作區(qū)，有機(jī)質(zhì)含量在低等水平與中等水平條件下，地膜對(duì)產(chǎn)量的效果差異不大，但比有機(jī)質(zhì)含量在高等水平條件下表現(xiàn)更好（產(chǎn)量為26.0%，置信區(qū)間19.4%—32.5%），分別為28.6%（置信區(qū)間24.3%—32.9%）和29.1%（置信區(qū)間25.7%—32.5%）。在西南混作區(qū)，地膜僅在有機(jī)質(zhì)含量中等水平條件下提高產(chǎn)量，為44.6%（置信區(qū)間30.5%—58.6%）。在南方冬作區(qū)，在土壤有機(jī)質(zhì)含量中等和高等水平時(shí)，地膜提高產(chǎn)量的作用相近且高于低水平（產(chǎn)量為11.3%，置信區(qū)間6.9%—15.7%），分別為15.6%（置信區(qū)間12.1%—19.0%）和16.9%（置信區(qū)間10.7%—23.1%）。在中原二作區(qū)，僅在高水平條件下，地膜具有增產(chǎn)作用，提高20.4%（置信區(qū)間4.3%—36.4%）。

NW：全國。*：此梯度下沒有數(shù)據(jù)對(duì)。下同

2.4 不同栽培管理措施對(duì)馬鈴薯地膜增產(chǎn)效應(yīng)的影響

不同的栽培管理措施對(duì)馬鈴薯的增產(chǎn)作用不同，不同區(qū)域的響應(yīng)也不同（圖4-a）。鉀元素是馬鈴薯生長(zhǎng)中需求量最大的養(yǎng)分元素?？傮w來看，鉀肥施用對(duì)地膜的增產(chǎn)效應(yīng)具有促進(jìn)作用，地膜的增產(chǎn)效果隨著鉀肥施肥量的減少而增加。在北方一作區(qū)，3種水平的鉀肥施用均能提高產(chǎn)量，但隨著施肥量的增加，增產(chǎn)效用下降。在低水平的鉀肥施用條件下，產(chǎn)量提高29.0%（置信區(qū)間26.1%—31.9%）。在西南混作區(qū)和南方冬作區(qū)，鉀肥施用對(duì)地膜提高產(chǎn)量的情況相同，不同施肥水平均能提高產(chǎn)量，但表現(xiàn)最佳的為中等水平，分別為26.1%（置信區(qū)間12.5%—39.7%）和17.5%（置信區(qū)間9.2%—25.9%）。在中原二作區(qū)，地膜僅在低水平的鉀肥施用條件下提高產(chǎn)量，為30.8%（置信區(qū)間14.7%—46.9%）。

圖4 不同管理?xiàng)l件對(duì)馬鈴薯地膜覆蓋產(chǎn)量效應(yīng)的影響

不同的種植密度對(duì)地膜發(fā)揮作用具有影響（圖4-b）。在低、中水平種植密度條件下，地膜增產(chǎn)效果最好且差異不大，分別為27.3%（置信區(qū)間22.4%—32.2%）和27.7%（置信區(qū)間25.5%—30.0%）。在北方一作區(qū)，不同水平的種植密度均對(duì)地膜提高產(chǎn)量具有積極作用，且在中等水平地膜提高產(chǎn)量最高，為29.1%（置信區(qū)間27.0%—31.3%）。在西南混作區(qū)，南方冬作區(qū)和中原二作區(qū)，地膜提高產(chǎn)量均在低水平種植密度條件下表現(xiàn)最好，分別為23.0%（置信區(qū)間8.0%—37.0%）、59.5%（置信區(qū)間22.9%—96.2%）和31.3%（置信區(qū)間7.1%—55.4%）。

黑色地膜與白色地膜是常用的2種地膜顏色，不同顏色地膜的使用，效果也不同（圖4-c）。黑色地膜在地膜增產(chǎn)上應(yīng)用最好，產(chǎn)量提高27.5%（置信區(qū)間24.9%—30.2%）。在北方一作區(qū)，黑色地膜（產(chǎn)量為28.2%，置信區(qū)間25.6%—30.9%）增產(chǎn)效果比白色（產(chǎn)量為25.4%，置信區(qū)間22.0%—28.8%）更佳，而在西南混作區(qū)則與之相反，白色地膜與黑色地膜分別提高產(chǎn)量16.1%（置信區(qū)間11.8%—20.4%）和15.0%（置信區(qū)間10.9%—19.1%）。在南方冬作區(qū)與中原二作區(qū)，僅黑色地膜提高馬鈴薯產(chǎn)量，分別為35.3%（置信區(qū)間21.0%—49.7%）和23.0%（置信區(qū)間5.3%—40.6%）。

壟作是常用的栽培措施，壟作條件下會(huì)影響地膜的增產(chǎn)（圖4-d）。地膜在壟作與平作條件下均能提高產(chǎn)量，且壟作條件下增產(chǎn)效果更好，為26.2%（置信區(qū)間24.5%—27.9%）。在北方一作區(qū)，壟作與平作條件下，地膜均能提高產(chǎn)量，分別為29.4%（置信區(qū)間27.5%—31.3%）和18.3%（置信區(qū)間13.7%— 22.8%）。而在西南混作區(qū)、南方冬作區(qū)和中原二作區(qū)，地膜僅在壟作條件下提高產(chǎn)量，分別為12.1%（置信區(qū)間7.4%—16.8%）、15.8%（置信區(qū)間11.7%— 19.8%）和9.9%（置信區(qū)間4.5%—15.3%）。

2.5 不同自然條件與栽培管理措施對(duì)馬鈴薯地膜保水效應(yīng)的影響

由于WUE的數(shù)據(jù)主要來源于北方一作區(qū)，因此，僅對(duì)此區(qū)域的WUE展開分析。不同自然與栽培管理措施對(duì)地膜的保水效應(yīng)影響不同（圖5）。在200—400 mm降水條件下，地膜提高WUE的作用更高，為35.9%（置信區(qū)間32.1%—39.7%）。在容重＜1.3 g·cm-3的土壤中，地膜提高WUE 26.1%（置信區(qū)間20.2%— 31.9%）。不同水平的鉀肥施用條件下，地膜均能提高WUE，在中等條件下表現(xiàn)最好，提高34.5%（置信區(qū)間28.0%—40.9%）。低于中等水平的種植密度條件下，地膜均能提高WUE，且在中等水平條件下作用最佳，為34.6%（置信區(qū)間30.7%—38.5%）。在壟作條件下，地膜提高WUE的效果最好，為33.3%（置信區(qū)間30.0%—36.6%）。

3 討論

3.1 地膜覆蓋對(duì)馬鈴薯的增產(chǎn)效應(yīng)及影響因素分析

地膜是馬鈴薯生產(chǎn)的重要生產(chǎn)技術(shù)，本研究得出地膜使其產(chǎn)量提高24.9%。目前，已有文獻(xiàn)對(duì)地膜提高產(chǎn)量的原因進(jìn)行報(bào)道。地膜提高馬鈴薯產(chǎn)量的原因主要概括為增溫[21]、保墑[22-24]和控草[25]。地膜改善土壤水熱條件，促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)從而促進(jìn)土壤養(yǎng)分吸收[26-27]。另有研究者發(fā)現(xiàn)，地膜能夠提高凈光合速率，促進(jìn)植物光合作用[28]?；诖?，地膜促進(jìn)馬鈴薯對(duì)資源充分利用，從而提高產(chǎn)量。

本研究表明，北方一作區(qū)是地膜增產(chǎn)效果最好的區(qū)域，其次是南方冬作區(qū)。地膜對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量受地區(qū)氣候條件影響[13]。北方一作區(qū)和西南混作區(qū)是馬鈴薯主要生產(chǎn)區(qū)域[17]。在東北與西北地區(qū)，由于氣溫較低生長(zhǎng)期較短且缺少水分，從而限制產(chǎn)量。研究表明，相較于不覆蓋，地膜使用能使土壤溫度和含水量分別提高5.1%和9.3%[29]。地膜通過提高土壤溫度能夠使馬鈴薯物候期提前，并延長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，從而提高產(chǎn)量[30-31]。因此，地膜覆蓋對(duì)北方一作區(qū)的產(chǎn)量提升更具潛力?？梢姡霎a(chǎn)作用在較為寒冷和干旱的條件下，地膜覆蓋能發(fā)揮更高的應(yīng)用價(jià)值，這與地膜覆蓋的增溫、保墑作用密不可分。

自然條件是影響馬鈴薯地膜覆蓋效應(yīng)的重要因素。從各區(qū)域來看，地膜在高降水量條件下增產(chǎn)效果最好，與全國的結(jié)果相反，可能是因?yàn)檫M(jìn)行分區(qū)域研究后，除了北方一作區(qū)，其他區(qū)域降水量主要在＞600 mm。馬鈴薯是塊莖類作物，疏松土壤有利于其塊莖膨大，能夠增加產(chǎn)量[32]，但容重較低的土壤排水性強(qiáng)，而地膜覆蓋因?yàn)榫哂休^好的保水性能，能夠起到增產(chǎn)的作用，因此，能在疏松的土壤中取得更好的應(yīng)用效果。地膜覆蓋可以減少根區(qū)的養(yǎng)分淋失[33]和促進(jìn)養(yǎng)分元素礦化[34]，這將增加土壤養(yǎng)分的可用性[35]。

圖5 不同自然條件與管理?xiàng)l件對(duì)馬鈴薯地膜覆蓋保水效應(yīng)的影響

確定合適的施肥量是保證作物正常生長(zhǎng)和獲得高產(chǎn)的重要前提。地膜覆蓋可以提高土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化，為馬鈴薯生長(zhǎng)提供適宜的土壤養(yǎng)分條件。綜合各區(qū)域的情況來看，在低與中施肥量水平下，地膜覆蓋對(duì)馬鈴薯的綜合應(yīng)用效果最好。與以往的研究結(jié)果相似，對(duì)玉米和小麥的相關(guān)研究也表明，中、低施肥水平下地膜覆蓋的應(yīng)用效果最好[36]。在地膜覆蓋下，溫暖濕潤(rùn)的微環(huán)境為適當(dāng)增加種植密度和增加產(chǎn)量創(chuàng)造了條件[37]，但種植密度不能無限增加，過高的密度將增加作物群體對(duì)空間和資源的競(jìng)爭(zhēng)[36]，不利于高產(chǎn)高效。在本研究中，低等種植密度下，地膜覆蓋的綜合增產(chǎn)增效作用發(fā)揮到最大。壟作還可以增加農(nóng)田的通風(fēng)和透光率，從而為馬鈴薯塊莖積累干物質(zhì)提供更合適的環(huán)境條件。在北方一作區(qū)、南方冬作區(qū)、中原二作區(qū)，馬鈴薯種植中更適合黑色地膜，一是與黑、白膜的增溫效應(yīng)不同有關(guān)[38-39]，白膜可以接收更多的光能和熱量[40-41]，因此對(duì)土壤有很強(qiáng)的增溫作用，但過高的地面溫度會(huì)加速根系老化，對(duì)馬鈴薯產(chǎn)生不利影響；二是與白膜相比，黑膜可以延緩馬鈴薯塊莖的老化，塊莖膨大期的適宜低溫和黑暗的環(huán)境刺激均有利于產(chǎn)量的提高[42]。

3.2 地膜覆蓋對(duì)馬鈴薯的保水效應(yīng)及影響因素分析

地膜具有良好的保水效果，本研究表明地膜提高WUE 28.3%。但從不同的種植區(qū)域來看，WUE提高的地區(qū)僅在北方一作區(qū)，可能是因?yàn)檠芯繑?shù)據(jù)主要集中在北方一作區(qū)?；诖?，本研究分析了在北方一作區(qū)，不同自然條件與栽培管理措施對(duì)地膜保水效應(yīng)的影響。地膜覆蓋可以減少地表蒸散量從而提高WUE[43]。而對(duì)于提高WUE，地膜在降水量少的地方能發(fā)揮最大作用。在干旱地區(qū)，地膜具有良好的蓄水作用，起到良好的保水作用[44]。施肥管理是改善WUE的重要驅(qū)動(dòng)因素[45]，本研究表明施鉀肥能夠提高WUE，且在低施肥條件下，更能發(fā)揮保水作用。在中等的種植密度條件下，地膜提高WUE效果最好，可能是因?yàn)槊芏仍黾涌梢越档驼趄v作用從而提高水分利用，但密度增加過高，會(huì)導(dǎo)致根系對(duì)水分競(jìng)爭(zhēng)加劇，從而影響水分利用[46]。黑膜更有利于WUE，該結(jié)果與前人研究結(jié)果一致，可能是因?yàn)楹谀じ芤种齐s草生長(zhǎng)，從而降低雜草對(duì)水的競(jìng)爭(zhēng)，從而提高WUE[47-48]。此外，壟作更有利于發(fā)揮地膜提高WUE作用，可能因?yàn)閴抛鞅绕阶骶哂懈鼜?qiáng)的雨水收集和保濕效果[23, 49]，增加了農(nóng)田土壤的蓄水量[50]，尤其是在我國西北地區(qū)，降水是農(nóng)業(yè)用水的主要來源，壟作可以增加小型降雨量的收集[51]，從而使更多的雨水進(jìn)入土壤，緩解干旱。

4 結(jié)論

地膜覆蓋在我國馬鈴薯種植方面具有較好的應(yīng)用效果，與不覆蓋相比，地膜提高馬鈴薯產(chǎn)量24.9%，水分利用效率提高28.3%。不同區(qū)域地膜覆蓋的效果存在差異，對(duì)于產(chǎn)量而言，產(chǎn)量提高最高的區(qū)域?yàn)楸狈揭蛔鲄^(qū)，最低的區(qū)域?yàn)橹性鲄^(qū)。對(duì)于WUE而言，水分利用效率僅在北方一作區(qū)有顯著提高。

不同的自然條件對(duì)地膜增產(chǎn)效應(yīng)具有不同影響。對(duì)于不同區(qū)域而言，在北方一作區(qū)，在降水量高，土壤有機(jī)質(zhì)較低，土壤容重較高的條件下，地膜增產(chǎn)作用最好；在西南混作區(qū)，則為土壤有機(jī)質(zhì)中等條件；在南方冬作區(qū)與中原二作區(qū)，則為降水量高，土壤有機(jī)質(zhì)高等條件。在降水量低，有機(jī)質(zhì)含量低，土壤容重高的條件下，地膜提高WUE效果最好。

不同的管理措施對(duì)地膜增產(chǎn)效應(yīng)也具有不同影響。對(duì)于不同區(qū)域而言，在北方一作區(qū)與中原二作區(qū)，地膜在低水平鉀肥施用時(shí)表現(xiàn)最佳，在西南混作區(qū)與南方冬作區(qū)，則為中等水平鉀肥施用。白色地膜僅在西南混作區(qū)增產(chǎn)效果最好。地膜在低水平種植密度以及壟作條件下，在4個(gè)區(qū)域中均能達(dá)到良好的增產(chǎn)效果。在中等鉀肥施用量、中等種植密度、黑色地膜、壟作條件下，地膜在北方一作區(qū)提高WUE效果最佳。

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Yield-increasing effects under plastic film mulching of potato in China based on meta-analysis

Xu Juzhen1,2, Zhang Menglu1,2, He Wenqing1,3, SUI Peng2, CHEN Yuanquan2, CUI Jixiao1,3

1Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agricultural Film Pollution Prevention and Control, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081;2College of Agronomy and Biotechnology, China Agriculture University, Beijing 100193;3Western Agricultural Research Center, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Changji 831100, Xinjiang

【Objective】Plastic mulching film (PMF) has various effects, including improving soil temperature, moisture retention, and weed inhibition. It is an efficient and simple technical measure to alleviate the limitations of potato production. Based on publication data, this study quantified the effect of PMF on potato yield and water use efficiency (WUE), and further analyzed the influencing factors to provide a reference for sustainable potato production. 【Method】Based on a meta-analysis of 291 field experiments on PMF of potato production in China from 1981 to 2021, published in Web of Science and CNKI databases, including four regions, Northern single farming area (NSFA), Southwest mixed farming area (SWMFA), South winter farming area (SWFA), and Central plains second farming area (CPSFA). Meta-analysis was used to quantify the effects of PMF on potato yield and WUE. The study examined the effects of PFM on potato yield and WUE from various perspective, including the regions, natural conditions (average annual precipitation, soil bulk density, and soil organic matter content), and different management conditions (potassium fertilizer application rate, planting density, mulching color, and mulching method). 【Result】Compared with no mulching, PMF increased potato yield and WUE by 24.9% and 28.3% respectively. The effects of PMF on yield and WUE varied among different regions: NSFA (27.2%), SWFA (23.6%), SWMFA (18.1%) and CPSFA (10.1%). However, WUE was only significantly improved in the NSFA (29.1%). The response of yield and WUE to PMF varied among different regions and was influenced by natural conditions and management conditions. The response of yield to PMF varied among different regions under different natural condition. Planting density and mulching method had consistent effect in all regions, with the best yield increase achieved with low planting density and ridge. In the NSFA, PMF significantly improved WUE under low average annual precipitation, relatively low soil organic matter content, low soil bulk density and fertilizer application rate, medium planting density, black mulching color, and ridge. 【Conclusion】PMF had been widely used in China and the results showed it increased potato yield. The yield increase varied among different regions and was in the following order: NSFA, SWFA, SWMFA, and CPSFA. PMF only improved WUE in the NSFA. PMF performed better on yield increase under natural condition of low average annual precipitation, poor soil fertility, and loose soil, as well as under management conditions of relatively low fertilization level, relatively low planting density, black mulching, and ridge. In the NSFA, the conditions required for achieving optimal yield increase and WUE increase using PFM were comparable.

plastic film mulching; potato; yield; WUE; meta-analysis

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.15.005

2022-11-13；

2023-05-09

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFD1700700）

徐菊禎，E-mail：xujuzhen0068@163.com。張夢(mèng)璐，E-mail：zhml1997@163.com。徐菊禎和張夢(mèng)璐為同等貢獻(xiàn)作者。通信作者崔吉曉，E-mail：cuijixiao@caas.cn

（責(zé)任編輯 楊鑫浩，李莉）