耕作覆蓋對寧南旱區(qū)土壤團粒結(jié)構(gòu)及馬鈴薯水分利用效率的影響

苗芳芳，勉有明，普雪可，吳春花，周永瑾，侯賢清

耕作覆蓋對寧南旱區(qū)土壤團粒結(jié)構(gòu)及馬鈴薯水分利用效率的影響

苗芳芳，勉有明，普雪可，吳春花，周永瑾，侯賢清

寧夏大學農(nóng)學院，銀川 750021

【】探討耕作覆蓋對旱作土壤團粒結(jié)構(gòu)、馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的影響。于2013—2016年進行連續(xù)3個作物生長季定位試驗，通過設置3種耕作方式（深松、免耕、翻耕）和3種覆蓋措施（秸稈覆蓋、地膜覆蓋和不覆蓋），研究耕作結(jié)合覆蓋對土壤團聚體數(shù)量、土壤蓄水量及馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的影響。耕作方式、覆蓋措施及二者交互作用可顯著增加0—40 cm土層＞0.25 mm土壤團聚體含量，深松覆蓋秸稈處理0—20 cm土層＞0.25 mm土壤團聚體含量在欠水年（2016）和相對欠水年（2014）分別較翻耕不覆蓋顯著提高14.2%、16.9%，而免耕覆蓋秸稈處理在平水年（2015）較翻耕不覆蓋顯著提高8.5%；20—40 cm土層＞0.25 mm土壤團聚體含量在欠水年以深松覆蓋秸稈、相對欠水年深松覆蓋地膜和平水年免耕覆蓋秸稈處理最高，分別較翻耕不覆蓋顯著提高18.2%、21.5%、18.7%。耕作方式、覆蓋措施及二者交互作用對0—200 cm土層蓄水量影響顯著，深松覆蓋秸稈處理休閑期土壤蓄水量分別在相對欠水年、欠水年和平水年較翻耕不覆蓋處理顯著提高29.6%、9.3%、11.4%；其關鍵生育時期平均土壤蓄水量分別在欠水年和相對欠水年較翻耕不覆蓋顯著增加21.9%、28.9%，而免耕覆蓋秸稈處理在平水年較翻耕不覆蓋處理顯著增加17.1%。在相對欠水年，耕作方式對馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率無顯著影響，而覆蓋措施及耕作與覆蓋交互作用對其有顯著影響，以免耕覆蓋秸稈處理最佳，分別較翻耕不覆蓋處理顯著提高51.8%和50.5%；在平水年和欠水年，耕作方式、覆蓋措施及其二者交互對馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率有極顯著影響，產(chǎn)量、水分利用效率均以深松覆蓋秸稈處理效果最佳，平均較翻耕不覆蓋處理顯著提高56.9%和44.8%。耕作結(jié)合覆蓋措施可改善耕層土壤團粒結(jié)構(gòu)，顯著增強休閑期和生育期土壤蓄水保墑能力，從而顯著提高馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率，在平水年和欠水年采用深松結(jié)合秸稈覆蓋、相對欠水年采用免耕結(jié)合秸稈覆蓋模式可實現(xiàn)寧南旱作馬鈴薯增產(chǎn)。

耕作覆蓋；土壤團聚體；土壤水分；馬鈴薯產(chǎn)量；水分利用效率

0 引言

【研究意義】寧夏南部旱作區(qū)（簡稱“寧南旱區(qū)”），氣候冷涼，晝夜溫差大，是馬鈴薯主要栽培區(qū)域。然而降水不足、時空分布不均，是限制旱作馬鈴薯生長的主要因素。馬鈴薯種植大多采用傳統(tǒng)翻耕，嚴重破壞土壤團粒結(jié)構(gòu)，造成地表徑流和水土流失，致使產(chǎn)量大大降低[1-2]。合理的保護性耕作措施對改善土壤結(jié)構(gòu)，充分利用有限的天然降水和提高作物產(chǎn)量具有重要作用[3-6]。因此，針對寧南旱區(qū)的氣候特征和馬鈴薯種植現(xiàn)狀，采用合理的耕作覆蓋措施，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤蓄水保墑性能，提高馬鈴薯產(chǎn)量尤為重要?！厩叭搜芯窟M展】寧南旱區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量與土壤水分含量關系密切，而土壤保水能力是影響其含水量的關鍵因素之一，但單一耕作方式使土壤蓄保能力不佳[2,7]。相關研究表明，深松可促進土壤水分入滲，同時長期免耕條件下土壤受到耕作擾動較小，這兩種耕作措施均有利于土壤水分的高效利用，從而能顯著提高作物產(chǎn)量[8-9]。農(nóng)田土壤水分環(huán)境可通過覆蓋措施來改善，而秸稈和地膜覆蓋對土壤水分均能起到保墑的效果，對作物生長和增產(chǎn)作用顯著，使旱區(qū)降水利用率有所提高[10-11]。保護性耕作結(jié)合覆蓋對改善土壤結(jié)構(gòu)，增強土壤水分的蓄保能力，促進作物生長和產(chǎn)量的形成均有顯著效果[12-13]。HOU等[14]研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)耕作方式相比，深松、免耕覆蓋措施下土壤含水量提高6.5%—7.8%，使馬鈴薯增產(chǎn)效果顯著。李念念等[15]等研究結(jié)果表明，不同耕作覆蓋措施可改善土壤環(huán)境，有利于產(chǎn)量的形成及水分利用效率的提高。【本研究切入點】前人研究多單方面注重于耕作方式或覆蓋措施對土壤蓄水保墑及作物產(chǎn)量的影響，而二者結(jié)合在不同降雨年型下休閑期和生育期對土壤團粒結(jié)構(gòu)、馬鈴薯產(chǎn)量及水分高效利用方面的研究并不多見?！緮M解決的關鍵問題】本研究在秋作物收獲后進行不同耕作方式結(jié)合覆蓋措施試驗，以蓄存秋閑期降雨供作物生育期利用為目的，探究不同降雨年型下秋耕覆蓋對土壤團聚體、貯水量及馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的影響，以篩選出改善旱作土壤結(jié)構(gòu)和馬鈴薯水分高效利用的適宜耕作覆蓋模式，為旱作區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)和水分高效利用提供理論依據(jù)和技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2013—2016年在寧夏彭陽縣城陽鄉(xiāng)長城塬旱作農(nóng)業(yè)試驗站（海拔1 800 m，106°45′E，35°29′N）進行。該區(qū)位于寧夏南部半干旱區(qū)，降水主要集中在7—9月，年均降雨量431 mm，年均蒸發(fā)量2 200 mm，年均氣溫8.1℃，無霜期155 d。圖1為試驗期間月降水量及階段降水量。根據(jù)40年（1977—2016年）平均降水量（431 mm）及生育期（4—9月）降水量（338 mm）可知，2013—2014年為相對欠水年；2014—2015年為平水年；2015—2016年為欠水年[16]。試驗地為旱平地，試驗前（2013年10月初）0—200 cm土層蓄水量為450.4 mm，0—40 cm土層有機質(zhì)含量7.5 g·kg-1，土壤速效氮、有效磷和速效鉀含量分別為58.6 mg·kg-1、8.4 mg·kg-1、150.0 mg·kg-1，土壤肥力屬低等水平。

1.2 試驗設計

設計3個生長季定位試驗，采用雙因素裂區(qū)設計，主因素為耕作方式：免耕（NT）、深松（ST）和翻耕（CT）；副因素為覆蓋措施：秸稈覆蓋（JM）、地膜覆蓋（DM）和不覆蓋（BM），共9個處理，具體設計如表1。在30 m×4 m條帶上設置9 m×4 m耕作方式處理區(qū)，并將3種覆蓋方式隨機區(qū)組分配到各耕作方式下，3次重復，27個小區(qū)。每小區(qū)間設置1 m長保護行，以防止水分徑流。

圖1 試驗期間月降水量及階段降水量

表1 馬鈴薯秋耕覆蓋試驗設計

耕作處理如下：（1）免耕，分別在2013、2014和2015年10月秋作物收獲后進行表土處理，結(jié)合覆蓋措施后進入冬春休閑，第二年4月底穴播馬鈴薯；（2）深松，在秋作物收獲后采用冀鏟式深松機（中國農(nóng)業(yè)大學研制）進行間隔深松（間隔40 cm），深松深度30—35 cm，結(jié)合覆蓋措施后進入冬春休閑，第二年4月底穴播馬鈴薯；（3）翻耕，在秋作物收獲后采用鏵式犁拖拉機進行土壤翻耕，翻耕深度15—20 cm，耕后耙耱各1次，第二年4月底穴播馬鈴薯。

試驗前茬作物為春玉米，采用傳統(tǒng)翻耕不覆蓋措施，供試馬鈴薯品種為隴薯3號，平作栽培，寬窄行種植（寬行60 cm，窄行40 cm），株距40 cm，種植密度5萬株/hm2，穴播后蓋土，實行秋耕施肥（農(nóng)家肥（牛糞）30 t·hm-2、N 69 kg·hm-2、P2O569 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2）。試驗期間無灌水，人工除草。

1.3 測定項目及方法

土壤團聚體含量：在馬鈴薯收獲期分別采集0—20、20—40 cm土層的原狀土，自然風干，干篩法測定＞0.25 mm粒徑土壤團聚體總質(zhì)量0.25。

土壤團聚體總質(zhì)量[2]計算公式為：0.25=Σ（1）

式中，0.25為土壤團聚體總質(zhì)量（g）；W為不同孔徑下的土壤質(zhì)量（g）。

土壤水分：在耕作覆蓋處理前（休閑初期）、馬鈴薯播種（休閑末期播后0 d）、現(xiàn)蕾（播后60 d）、塊莖形成（播后90 d）、塊莖膨大（播后120 d）、收獲（播后150 d，次年休閑末期），采用土鉆取土烘干法測定0—200 cm土層土壤質(zhì)量含水量（%），每20 cm土層取一土樣。

土壤蓄水量[10]：=10（2）

式中，為土壤蓄水量（mm）；10為換算系數(shù)（cm換算為mm）；為土層深度（cm）；是土壤容重（g·cm-3）；是土壤質(zhì)量含水量（%）。

水分利用效率[17]：a（3）

式中，為水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）；為作物產(chǎn)量（kg·hm-2）；a為作物耗水量[17]（mm，a=1-2+：12分別為作物播種期和收獲期0—200 cm土層蓄水量（mm），為生育期降雨量（mm））。

馬鈴薯產(chǎn)量：收獲期測定各處理區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量，分別記錄大（單薯質(zhì)量≥150 g）、中（75≤單薯質(zhì)量＜150 g）、小薯（單薯質(zhì)量＜75 g）個數(shù)及質(zhì)量，并計算其商品薯率[2]。商品薯率（%）=單薯75 g以上的產(chǎn)量/馬鈴薯總產(chǎn)量×100%。

1.4 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)采用DPS 2005軟件進行雙因素裂區(qū)分析，通過最小顯著差異法（LSD）進行多重比較分析（＜0.05），利用Excel 2003和Origin 2017 Pro繪制圖表。

2 結(jié)果

2.1 耕作覆蓋對土壤團聚體數(shù)量的影響

覆蓋措施及耕作與覆蓋交互對耕層土壤團聚體影響極顯著，而耕作方式對耕層土壤團聚體影響顯著（表2）。0—20 cm土層0.25 mm數(shù)量ST+JM處理顯著增加，且在欠水年表現(xiàn)最為顯著。20—40 cm土層團聚體數(shù)量受覆蓋措施影響極顯著，平水年NT+JM對處理0.25 mm數(shù)量有顯著改善，而欠水年以ST+JM處理更佳。2014年（相對欠水年），0.25 mm數(shù)量在0—20 cm土層以ST+JM處理最佳，20—40 cm土層以ST+DM處理最佳，分別較CT+BM處理顯著增加16.9%、21.5%；2015年（平水年）0.25 mm數(shù)量在0—20和20—40 cm土層均以NT+JM處理最佳，分別較CT+BM處理顯著增加8.5%、18.7%；2016年（欠水年）0.25 mm數(shù)量在0—20和20—40 cm土層均以ST+JM處理最佳，分別較CT+BM處理顯著增加14.2%、18.2%?？梢?，深松或免耕結(jié)合秸稈覆蓋可不同程度增加0—40 cm土層＞0.25 mm土壤團聚體數(shù)量，增強土壤團粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.2 耕作覆蓋對休閑期土壤水分的影響

經(jīng)過3年休閑期，ST+JM處理可增加土壤蓄水量，尤其在欠水年（2015—2016）效果最為顯著（圖2）。試驗前（2013年10月初）0—200 cm層土壤蓄水量為450.4 mm，經(jīng)過秋閑期耕作覆蓋處理后，2013—2014年休閑末期（2014年4月）（圖2-a），各處理土壤蓄水量有顯著增加。2013—2014年和2014—2015年休閑末期（2015年4月）（圖2-c），覆蓋措施對0—200 cm層土壤蓄水量影響極顯著，而耕作方式、耕作與覆蓋交互影響不顯著，在所有處理組合中，兩年分別以ST+DM處理和ST+JM處理土壤蓄水量最佳，分別較CT+BM處理顯著提高9.3%、11.4%。2015—2016年休閑末期（2016年4月）（圖2-e），耕作、覆蓋及二者交互作用對土壤蓄水量影響極顯著，二者交互以ST+JM處理土壤蓄水量最佳，較CT+BM處理顯著增加29.6%。

2.3 耕作覆蓋對馬鈴薯關鍵生育時期土壤水分的影響

耕作方式對各關鍵生育時期0—200 cm土層蓄水量影響顯著，而覆蓋措施、耕作與覆蓋交互作用對其影響極顯著（表3）。深松結(jié)合秸稈覆蓋可增加2014（相對欠水年）、2016年（欠水年）馬鈴薯現(xiàn)蕾期、塊莖形成期和膨大期土壤蓄水量，而免耕結(jié)合秸稈覆蓋則有利于2015年（平水年）馬鈴薯關鍵生育時期土壤蓄水量的提高。2014年，各生育時期土壤蓄水量均以ST+JM處理最佳，平均較CT+BM處理顯著提高21.9%。2015年各生育時期土壤蓄水量以NT+JM處理最佳，平均較CT+BM處理顯著增加17.1%。2016年現(xiàn)蕾期土壤蓄水量以NT+JM處理最佳，較CT+BM處理顯著提高21.7%，塊莖形成、塊莖膨大期以ST+JM處理最佳，平均較CT+BM處理顯著提高28.3%。

表2 不同處理下0—40 cm土層＞0.25 mm粒徑土壤團聚體數(shù)量（DR0.25mm, %）

BT：處理前；NT：免耕；ST：深松；CT翻耕；BM：不覆蓋；JM：秸稈覆蓋；DM地膜覆蓋。T表示耕作；M表示覆蓋；T×M表示耕作與覆蓋的交互作用。不同小寫字母表示同一主因素處理下各副因素間差異達顯著水平（＜0.05）。*表示差異顯著（＜0.05），**表示差異極顯著（＜0.01），ns表示差異不顯著（＞0.05）。下同

BT: before treating; NT: no-tillage; ST: subsoiling; CT: ploughing; BM: no mulch; JM: straw mulching; DM: polythene mulch. T: tillage; M: mulch; T×M: interaction effects between tillage with mulch. Values followed by different letters within the secondary factors under the same primary factor treatment has reached a significant level at＜0.05. * indicates significance (＜0.05), ** indicates extremely significant (＜0.01), ns indicates no significance (＞0.05). The same as below

表3 耕作覆蓋措施下馬鈴薯關鍵生育時期土壤蓄水量

(a)：2013—2014年休閑末期土壤蓄水量；(b)：2014—2015年休閑初期土壤蓄水量，(c)：2014—2015年休閑末期土壤蓄水量，(d)：2015—2016年休閑初期土壤蓄水量，(e)：2015—2016年休閑末期土壤蓄水量。同時期不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。*表示差異顯著（P＜0.05），**表示差異極顯著（P＜0.01），ns表示差異不顯著（P＞0.05）。下同

2.4 耕作覆蓋對馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的影響

馬鈴薯產(chǎn)量以2014年（相對欠水年）最高，2015年（平水年）次之，2016年（欠水年）最低（表4）。耕作方式對馬鈴薯產(chǎn)量影響顯著，3年均以ST處理增產(chǎn)效果最佳，同一耕作方式下2014年以JM處理增產(chǎn)效果顯著，2015和2016年以DM處理更佳；在各處理組合中，2014年馬鈴薯產(chǎn)量以NT+JM處理最高，較CT+BM處理顯著提高51.8%，2015、2016年以ST+JM處理馬鈴薯產(chǎn)量最高，平均較CT+BM處理顯著增產(chǎn)56.2%。可見，深松結(jié)合秸稈或地膜覆蓋均對提高馬鈴薯產(chǎn)量效果顯著。

研究期間，覆蓋措施、耕作方式與覆蓋措施的交互作用能顯著提高馬鈴薯水分利用效率（WUE）。耕作方式均以ST對提高WUE效果最佳；覆蓋措施在2014、2015年以JM處理最佳，2016年以DM處理效果顯著，在各處理組合中，2014年以NT+JM處理水分利用效率最高，較CT+BM處理提高50.5%，2015和2016年以ST+JM處理影響效果顯著，平均較CT+BM處理提高44.8%。

表4 耕作覆蓋對馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的影響

3 討論

3.1 耕作覆蓋對土壤結(jié)構(gòu)的影響

耕作覆蓋措施可影響土壤孔隙狀況，顯著改善土壤團粒結(jié)構(gòu)。與連續(xù)翻耕相比，免耕、深松、免耕/深松處理均可增加0—10 cm土層＞0.25 mm大團聚體含量[17]。侯賢清等[18]研究發(fā)現(xiàn)，與翻耕不覆蓋相比，免耕結(jié)合地膜覆蓋或免耕結(jié)合秸稈覆蓋在平水年可使0—20 cm土層＞5 mm團聚體含量顯著增加，使20—40 cm土層2—5 mm團聚體的含量顯著增加。本研究結(jié)果表明，耕作覆蓋措施可增加0—40 cm土層＞0.25 mm團聚體數(shù)量，以深松覆蓋秸稈措施在0—20 cm土層效果最佳，尤其在欠水年和相對欠水年表現(xiàn)顯著。這主要是因為深松結(jié)合秸稈覆蓋可降低土壤擾動，改善土壤孔隙狀況[2]，尤其在欠水年可增加降水入滲與保蓄，改善土壤水分狀況，從而有利于土壤中團聚體的形成與穩(wěn)定[19]。本研究還發(fā)現(xiàn)，平水年以免耕覆蓋秸稈措施下＞0.25 mm土壤團聚體數(shù)量最多，翻耕不覆蓋模式下耕層土壤大團聚體數(shù)量明顯減少，這與侯賢清等[18]研究結(jié)果一致，其主要原因是免耕可減少對土壤的擾動和機械壓實，尤其在降水相對充足的平水年型，免耕處理更有利于土壤大顆粒團聚體的形成[18]，同時免耕覆蓋秸稈可有效調(diào)控土壤水熱狀況，進而維持土壤團粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而傳統(tǒng)翻耕方式增加對土壤的擾動，導致土壤團聚體穩(wěn)定膠結(jié)劑減少，進而影響大顆粒團聚體的形成[20]。

3.2 耕作覆蓋對土壤水分的影響

有研究表明，休閑期深翻結(jié)合地膜覆蓋可顯著提高小麥土壤蓄水量[21]，而免耕結(jié)合秸稈覆蓋可有效提高土壤水分，但免耕不覆蓋易導致地表板結(jié)[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，深松結(jié)合不同覆蓋措施可提高休閑期0—200 cm土層蓄水量。這主要與休閑期降水、耕作覆蓋措施有關，保護性耕作能減少對土壤的擾動，有效降低土壤水分蒸發(fā)，同時結(jié)合秸稈覆蓋可蓄存休閑期降水，增加休閑末期土壤蓄水量，而傳統(tǒng)耕作破壞了土壤結(jié)構(gòu)，使土壤保水性能下降[23]。鄧妍等[24]研究發(fā)現(xiàn)，夏閑期進行翻耕覆蓋可顯著提高播前土壤蓄水量，且在小麥生育期蓄水效果有明顯改善，尤其在豐水年最佳。本研究結(jié)果表明，深松結(jié)合不同覆蓋措施均可提高休閑期土壤蓄水量，以深松覆蓋秸稈處理在欠水年、平水年和深松覆蓋地膜處理在相對欠水年效果最佳。這是主要由于深松能顯著改善土壤結(jié)構(gòu)，增強土壤通透性，尤其在欠水年可提高接納降水的能力[25]，而秸稈覆蓋能進一步降低地表徑流，增加降雨入滲，抑制水分的無效散失，因此深松結(jié)合秸稈覆蓋可提高降雨入滲性能增強土壤蓄水保墑能力[2]；然而深松結(jié)合地膜覆蓋可保持較好的土壤底墑，降低水分無效蒸發(fā)，尤其在相對欠水年蓄水效果尤為顯著[26-27]。

劉繼龍等[28]研究表明，免耕秸稈覆蓋和傳統(tǒng)耕作秸稈覆蓋均對玉米生育后期土壤蓄水量提高作用顯著，而免耕秸稈覆蓋對土壤水分特性的影響則極顯著。趙小蓉等[29]研究認為，小麥分蘗高峰期免耕覆蓋處理的土壤含水量較翻耕覆蓋處理高12.7%—41.0%。本研究結(jié)果表明，在欠水年和相對欠水年，深松結(jié)合秸稈覆蓋對改善馬鈴薯塊莖形成期、塊莖膨大期土壤蓄水量效果顯著；欠水年馬鈴薯現(xiàn)蕾期、平水年各關鍵生育期免耕結(jié)合秸稈覆蓋處理下土壤蓄水量有明顯增加。這是由于耕作覆蓋措施可有效蓄存休閑期降水，尤其在欠水年和相對欠水年生育前期降雨較少的條件下，深松結(jié)合秸稈覆蓋能降低土壤水分蒸發(fā)[2]，增加生育后期降雨入滲，有效蓄存生育期階段降水，進而提高土壤蓄水量[1]；而平水年免耕不僅能減少土壤水分散失，還降低馬鈴薯生育前期對土壤水分的消耗，同時秸稈覆蓋能減少土壤與地表的水分交換，形成水分內(nèi)循環(huán)，減少水分蒸發(fā)散失，使深層土壤水分上移，進而提高土壤貯水量[30]。

3.3 耕作覆蓋對馬鈴薯產(chǎn)量及水分利用效率的影響

合理的耕作方式和覆蓋措施組合不僅改善土壤結(jié)構(gòu)，同時有利于蓄水保墑，增加作物耗水能力最終提高作物產(chǎn)量[31]。陳夢楠等[32]研究發(fā)現(xiàn)，休閑期覆蓋下小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均顯著提高，尤其在欠水年增加效果顯著。本研究結(jié)果表明，在欠水年和相對欠水年深松覆蓋秸稈處理增產(chǎn)效果最佳。分析增產(chǎn)的主要原因：深松覆蓋秸稈處理在欠水年能顯著改善土壤團粒結(jié)構(gòu)，增加降雨入滲、降低無效水散失，從而緩解水分匱乏狀況，且休閑期深松結(jié)合秸稈覆蓋措施能增加作物播前土壤底墑，彌補欠水年馬鈴薯生育期土壤水分不足對塊莖生長的不利，從而有利于馬鈴薯產(chǎn)量的形成[2,33]。本研究還發(fā)現(xiàn)，耕作覆蓋處理對欠水年土壤水分狀況改善效果最佳，分析原因可能與欠休閑期耕作覆蓋處理下土壤水分狀況及馬鈴薯生育期降水分布有關，還有待進一步研究。

楊清山等[34]研究發(fā)現(xiàn)，深松結(jié)合覆蓋措施有利于提高水分利用效率，可使水分利用效率提高15%—23%，且在降水少的年份效果明顯。本研究發(fā)現(xiàn)，所有處理組合中，在2014年（相對欠水年）以免耕結(jié)合秸稈覆蓋提高水分利用效率效果最佳，2015（平水年）、2016年（欠水年）以深松結(jié)合秸稈覆蓋措施水分利用效率最高。究其原因：（1）在全年降水較少的年份（2014年），免耕覆蓋秸稈可減少土壤水分散失，對提高作物水分利用效率有顯著作用[18]。（2）在關鍵生育期降水較少、分布不均的年份（2015、2016年），深松可有效加深耕層而不翻轉(zhuǎn)土壤，降低土壤水分散失，改善土壤滲透性，增強土壤蓄水性能，同時結(jié)合秸稈覆蓋有利于蓄存休閑期降水及水分的緩慢釋放，降低農(nóng)田耗水和表層水分蒸發(fā)，從而提高水分利用效率[24]。耕作覆蓋措施下馬鈴薯增產(chǎn)和水分高效利用的機制還與對作物階段耗水的調(diào)控有關，而本研究中馬鈴薯生育期階段耗水情況尚未涉及，這有待進一步研究，且本研究3年定位試驗結(jié)果僅涵蓋一個平水年和兩個欠水年，缺乏豐水年型，尚不能全面分析不同降水年型下秋耕覆蓋對土壤結(jié)構(gòu)、馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的影響機制，因此有必要繼續(xù)進行長期定位試驗研究，其研究結(jié)果以更好地指導旱作區(qū)馬鈴薯農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

4 結(jié)論

4.1 耕作方式、覆蓋措施及二者交互作用對0—40 cm土層團粒結(jié)構(gòu)影響顯著，欠水年和相對欠水年以深松覆蓋秸稈（ST+JM）處理提高耕層＞0.25 mm土壤團聚體數(shù)量效果最佳，平水年以免耕覆蓋秸稈（NT+JM）處理效果最佳，分別較翻耕不覆蓋（CT+BM）處理顯著增加16.2%、16.2%、13.6%。

4.2 耕作方式結(jié)合覆蓋措施可改善休閑期和馬鈴薯生育期土壤水分狀況。在相對欠水年，休閑期和生育期土壤蓄水量分別以深松覆蓋地膜（ST+DM）、深松覆蓋秸稈（ST+JM）處理效果顯著，平均較翻耕不覆蓋（CT+BM）處理顯著增加9.3%、22.4%；平水年休閑期和生育期土壤蓄水量分別以深松覆蓋秸稈（ST+JM）、免耕覆蓋秸稈（NT+JM）處理效果最佳，平均較翻耕不覆蓋（CT+BM）處理顯著增加11.4%、22.4%；欠水年以深松覆蓋秸稈（ST+JM）處理最高，休閑期和生育期土壤蓄水量平均較翻耕不覆蓋（CT+BM）處理顯著增加26.5%。

4.3 耕作覆蓋措施對提高馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率有顯著效果，相對欠水年以免耕覆蓋秸稈（NT+JM）處理效果最佳，與翻耕不覆蓋（CT+BM）處理相比分別顯著增加51.8%和50.5%，平水年和欠水年以深松覆蓋秸稈（ST+JM）處理最好，平均較翻耕不覆蓋（CT+BM）處理顯著增加56.2%和44.8%。

4.4 通過3年研究發(fā)現(xiàn)，秋作物收獲后耕作結(jié)合覆蓋措施可顯著改善土壤團粒結(jié)構(gòu)，增強土壤蓄水保墑能力，從而有利于馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的提高，其中在欠水年和相對欠水年以深松結(jié)合秸稈覆蓋、平水年以免耕結(jié)合秸稈覆蓋處理最為顯著，可在寧南旱區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)中應用推廣。

[1] 侯賢清, 湯京, 余龍龍, 趙鳳萍, 王全旺, 虎恩娟, 魏科潤. 秋耕覆蓋對馬鈴薯生長及水分利用效率的影響. 排灌機械工程學報, 2016, 34(2): 165-172.

HOU X Q, TANG J, YU L L, ZHAO F P, WANG Q W, HU E J, WEI K R. Effect of autumn mulching tillage on growth and water use efficiency of potato. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2016, 34(2): 165-172. (in Chinese)

[2] 李榮, 侯賢清. 深松條件下不同地表覆蓋對馬鈴薯產(chǎn)量及水分利用效率的影響. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2015, 31(20): 115-123.

LI R, HOU X Q. Effects of different ground surface mulch under subsoiling on potato yield and water use efficiency. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(20): 115-123. (in Chinese).

[3] HOU X Q, LI R, JIA Z K, HAN Q F, WANG W, YANG B P. Effects of rotational tillage practices on soil properties, winter wheat yields and water-use efficiency in semi-arid areas of north-west China. Field Crops Research, 2012, 129: 7-13.

[4] RASMUSSEN P E, CAMARA K M, PAYNE W A. Long-term effects of tillage, nitrogen and rainfall on winter wheat yields in the pacific northwest. Agronomy Journal, 2003, 48(2): 22-24

[5] 孫國峰, 陳阜, 肖小平, 伍芬琳, 張海林. 輪耕對土壤物理性狀及水稻產(chǎn)量影響的初步研究. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2007(12): 109-113.

SUN G F, CHEN F, XIAO X P, WU F L, ZHANG H L. Preliminary study on effects of rotational tillage on soil physical properties and rice yield. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2007, 23(12): 109-113. (in Chinese)

[6] 司賢宗, 張翔, 毛家偉, 李亮, 李國平, 余輝. 耕作方式與秸稈覆蓋對土壤理化性狀及花生產(chǎn)量的影響. 中國農(nóng)學通報, 2017, 33(5): 61-65.

SI X Z, ZHANG X, MAO J W, LI L, LI G P, YU H. Effect of tillage method and straw mulching on soil physicochemical properties and peanut yield. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2017, 33(5): 61-65 (in Chinese)

[7] 劉璐. 秸稈覆蓋與耕作方式對黑土區(qū)土壤水熱及玉米產(chǎn)量形成的影響研究[D]. 哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學, 2019.

LIU L. Effects of straw mulching and tillage measures on soil water and temperature and maize yield formation in black soil region[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2019. (in Chinese)

[8] 李洋陽, 劉思宇, 單春艷, 姬亞芹. 保護性耕作綜合效益評價體系構(gòu)建及實例分析. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2015, 31(15): 48-54.

LI Y Y, LIU S Y, SHAN C Y, JI Y Q. Framework for comprehensive benefit assessment on conservation tillage and its application. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(15): 48-54. (in Chinese)

[9] SU L, WANG S l, ZHANG Y J, LI J, WANG X L, WANG R, LYU W, CHEN N N, WANG Q. Conservation agriculture based on crop rotation and tillage in the semi-arid Loess Plateau, China: Effects on crop yield and soil water use. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2018, 251: 67-77.

[10] 蔡太義, 賈志寬, 黃耀威, 黃會娟, 孟蕾, 楊寶平, 李涵. 不同秸稈覆蓋量對春玉米田蓄水保墑及節(jié)水效益的影響. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2011, 27(S1): 238-243.

CAI T Y, JIA Z K, HUANG Y W, HUANG H J, MENG L, YANG B P, LI H. Effects of different straw mulch rates on soil water conservation and water-saving benefits in spring maize field. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2011, 27(S1): 238-243. (in Chinese)

[11] 楊海迪, 海江波, 賈志寬, 韓清芳, 張保軍, 任世春. 不同地膜周年覆蓋對冬小麥土壤水分及利用效率的影響. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2011, 29(2): 27-34.

YANG H D, HAI J B, JIA Z K, HAN Q F, ZHANG B J, REN S C. Effect of different plastic- film mulching in the whole growth period on soil moisture and water use efficiency of winter wheat. Agricultural Research in the Arid Areas, 2011, 29(2): 27-34. (in Chinese)

[12] 杜新艷, 楊路華, 脫云飛, 高惠嫣, 張振偉. 秸稈覆蓋對夏玉米農(nóng)田水分狀況、土壤溫度及生長發(fā)育的影響. 南水北調(diào)與水利科技, 2006(2): 24-26.

DU X Y, YANG L H, TUO Y F, GAO H Y, ZHANG Z W. Moisture condition, soil temperature and growth condition in maize field mulched. South-to-North Water Transfers and Water Science and Technology, 2006, 4(2): 24-26. (in Chinese)

[13] 李俊紅, 姚宇卿, 呂軍杰, 張潔, 丁志強, 于新峰. 雙深松覆蓋對丘陵旱區(qū)土壤水分和作物產(chǎn)量的影響. 河南農(nóng)業(yè)科學, 2013, 42(11): 17-20.

LI J H, YAO Y Q, Lü J J, ZHANG J, DING Z Q, YU X F. Effect of double-subsoiling cover on soil water and crop yield in hilly arid area. Journal of Henan Agricultural Sciences, 2013, 42(11): 17-20. (in Chinese)

[14] HOU X Q, LI.R.Potato tuber yields in semi-arid environments are increased by tillage and mulching practices. Agronomy Journal, 2018, 110(6): 2641-2651.

[15] 李念念, 孫敏, 高志強, 張娟, 張慧芋, 梁艷妃, 楊清山, 楊珍平, 鄧妍. 極端年型旱地麥田深松和覆蓋播種水分消耗與植株氮素吸收、利用關系的研究. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2018, 51(18): 3455-3469.

LI N N, SUN M, GAO Z Q, ZHANG J, ZHANG H Y, LIANG Y F, YANG Q S, YANG Z P, DENG Y. A study on the relationship between water consumption and nitrogen absorption, utilization under sub-soiling during the fallow period plus mulched-sowing in humid and dry years of dryland wheat. Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(18): 3455-3469. (in Chinese)

[16] 陶林威, 馬洪, 葛芬莉. 陜西省降水特性分析. 陜西氣象, 2000(5): 6-9.

TAO L W, MA H, GE F L. Analysis on the characteristics of precipitation in Shaanxi province. Shaanxi Meteorology, 2000(5): 6-9. (in Chinese)

[17] 張霞, 張育林, 劉丹, 杜昊輝, 李軍, 王旭東. 種植方式和耕作措施對土壤結(jié)構(gòu)與水分利用效率的影響. 農(nóng)業(yè)機械學報, 2019, 50(3): 250-261.

ZHANG X, ZHANG Y L, LIU D, DU H H, LI J, WANG X D. Effects of planting methods and tillage systems on soil structure and water use efficiency. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(3): 250-261. (in Chinese)

[18] 侯賢清, 李榮. 免耕覆蓋對寧南山區(qū)土壤物理性狀及馬鈴薯產(chǎn)量的影響. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2015, 31(19): 112-119.

HOU X Q, LI R. Effects of mulching with no-tillage on soil physical properties and potato yield in mountain area of southern Ningxia. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(19): 112-119. (in Chinese)

[19] 謝軍紅, 李玲玲, 張仁陟, 柴強, 羅珠珠, 蔡立群. 一膜兩年覆蓋條件下耕作方法對旱作玉米產(chǎn)量及土壤物理性狀的影響. 水土保持學報, 2016, 30(3):184-189, 195.

XIE J H, LI L L, ZHANG R Z, CHAI Q, LUO Z Z, CAI L Q. Effect of tillage system on rain-fed maize yield and soil physical characteristics for one film used two years. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(3): 184-189, 195. (in Chinese)

[20] 李愛宗, 張仁陟, 王晶. 耕作方式對黃綿土水穩(wěn)定性團聚體形成的影響. 土壤通報, 2008, 39(3): 480-484.

LI A Z, ZHANG R Z, WANG J. Effect of tillage methods on the formation of water-stable, aggregates in loess soil. Chinese Journal of Soil Science, 2008, 39(3): 480-484. (in Chinese)

[21] 溫斐斐, 孫敏, 鄧聯(lián)峰, 趙維峰, 高志強. 旱地小麥休閑期深翻覆蓋對土壤水分及其利用效率的影響. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2013, 21(11): 1358-1364.

WEN F F, SUN M, DENG L F, ZHAO W F, GAO Z Q. Effect of deep-plow and mulching during fallow period on soil water and wheat water use efficiency in dryland. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(11): 1358-1364. (in Chinese)

[22] 王麗學, 李振鵬, 劉四平, 杜俊鵬. 不同耕作和覆蓋方式對玉米長勢及光合特性的影響.玉米科學, 2016, 24(2): 142-146.

WANG L X, LI Z P, LIU S P, DU J P. Effects of different tillage and mulching methods on the growth and photosynthetic characteristics of maize. Journal of Maize Sciences, 2016, 24(2): 142-146. (in Chinese)

[23] 王紅麗, 張緒成, 于顯楓, 馬一凡, 侯慧芝. 黑色地膜覆蓋的土壤水熱效應及其對馬鈴薯產(chǎn)量的影響. 生態(tài)學報, 2016, 36(16): 5215-5226.

WANG H L, ZHANG X C, YU X F, MA Y F, HOU H Z. Effect of using black plastic film as mulch on soil temperature and moisture and potato yield. Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(16): 5215-5226. (in Chinese)

[24] 鄧妍, 高志強, 孫敏, 趙維峰, 趙紅梅, 李青. 夏閑期深翻覆蓋對旱地麥田土壤水分及產(chǎn)量的影響. 應用生態(tài)學報, 2014, 25(1): 132-138.

DENG Y, GAO Z Q, SUN M, ZHAO W F, ZHAO H M, LI Q. Effects of deep plowing and mulch in fallow period on soil water and yield of wheat in dryland. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(1): 132-138. (in Chinese)

[25] 孫敏, 葛曉敏, 高志強, 任愛霞, 鄧妍, 趙維峰, 趙紅梅. 不同降水年型休閑期耕作蓄水與旱地小麥籽粒蛋白質(zhì)形成的關系. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2014, 47(9): 1692-1704.

SUN M, GE X M, GAO Z Q, REN A X, DENG Y, ZHAO W F, ZHAO H M. Relationship between water storage conservation in fallow period and grains protein formation in dryland wheat in different precipitation years. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(9): 1692-1704. (in Chinese)

[26] 齊智娟, 馮浩, 張體彬, 周立峰. 覆膜耕作方式對河套灌區(qū)土壤水熱效應及玉米產(chǎn)量的影響. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2016, 32(20): 108-113.

QI Z J, FENG H, ZHANG T B, ZHOU L F. Effects of mulch and tillage methods on soil water and temperature as well as corn yield in Hetao irrigation district. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(20): 108-113. (in Chinese)

[27] 楊陽. 黃土高原雨養(yǎng)冬小麥水氮利用及土壤氨揮發(fā)對保護性耕作的響應[D]. 楊凌: 西北農(nóng)林科技大學, 2015.

YANG Y. Effects of conservation tillage on water and nitrogen use in rainfed winter wheat and soil ammonia volatilization in Loess Plateau[D]. Yangling: Northwest A & F University, 2015. (in Chinese)

[28] 劉繼龍, 李佳文, 周延, 付強, 張玲玲, 劉璐. 秸稈覆蓋與耕作方式對土壤水分特性的影響. 農(nóng)業(yè)機械學報, 2019, 50(7): 333-339.

LIU J L, LI J W, ZHOU Y, FU Q, ZHANG L L, LIU L. Effects of straw mulching and tillage on soil water characteristics. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(7): 333-339. (in Chinese)

[29] 趙小蓉, 趙燮京, 陳先藻. 保護性耕作對土壤水分和小麥產(chǎn)量的影響. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2009, 25(S1): 6-10.

ZHAO X R, ZHAO X J, CHEN X Z. Effects of conservation tillage on soil moisture and wheat yield. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2009, 25(S1): 6-10. (in Chinese)

[30] 薛志偉. 耕作方式與秸稈還田對冬小麥-夏玉米耗水特性的影響[D]. 鄭州: 河南農(nóng)業(yè)大學, 2014.

XUE Z W. Effects of tillage and straw returning on water consumption characteristics in a winter wheat and summer maize rotation system[D]. Zhengzhou: Henan Agricultural University, 2014. (in Chinese)

[31] 黃明, 吳金芝, 李友軍, 王賀正, 付國占, 陳明燦, 李學來, 馬俊利. 耕作方式和秸稈覆蓋對旱地麥豆輪作下小麥籽粒產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量和土壤硝態(tài)氮殘留的影響. 草業(yè)學報, 2018, 27(9): 34-44.

HUANG M, WU J Z, LI Y J, WANG H Z, FU G Z, CHEN M C, LI X L, MA J L. Effects of tillage method and straw mulching on grain yield and protein content in wheat and soil nitrate residue under a winter wheat and summer soybean crop rotation in drylands. Acta Prataculturae Sinica, 2018, 27(9): 34-44. (in Chinese)

[32] 陳夢楠, 孫敏, 高志強, 任愛霞, 楊珍平, 郝興宇. 旱地麥田休閑期覆蓋對土壤水分積耗的影響及與產(chǎn)量的關系. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2016, 49(13): 2572-2582.

CHEN M N, SUN M, GAO Z Q, REN A X, YANG Z P, HAO X Y. Effects of mulching during fallow period on soil water storage and consumption and its relationship with wheat yield of dryland. Scientia Agricultura Sinica, 2016,49(13): 2572-2582. (in Chinese)

[33] HOU X Q, LI R. Interactive effects of autumn tillage with mulching on soil temperature, productivity and water use efficiency of rainfed potato in loess plateau of China. Agricultural Water Management, 2019, 224: 105747.

[34] 楊清山, 孫敏, 高志強, 張慧芋, 張娟, 梁艷妃, 李念念. 黃土高原休閑期深松后覆蓋播種對旱地小麥產(chǎn)量的影響. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2019, 37(2): 158-166.

YANG Q S, SUN M, GAO Z Q, ZHANG H Y, ZHANG J, LIANG Y F, LI N N. Effect of sowing-mulching following subsoiling in fallow period on wheat yield in arid area on the Loess Plateau. Agricultural Research in the Arid Areas, 2019, 37(2): 158-166. (in Chinese)

Effects of Tillage with Mulching on Soil Aggregate Structure and Water Use Efficiency of Potato in Dry-Farming Area of Southern Ningxia

MIAO FangFang, MIAN YouMing, PU XueKe, WU ChunHua, ZHOU YongJin, HOU XianQing

School of Agriculture Ningxia University, Yinchuan 750021

【】The purpose of this study was to investigate the effects of tillage with mulching on soil aggregate structure and water use efficiency of potato in southern Ningxia where is a typical semiarid rain-fed area.【】A four years term field experiment of three growing season was carried out from 2013 to 2016, and three tillage methods (subsoiling, no tillage and ploughing) with three mulching measures (straw mulching, film mulching and no mulching) were set up to study the effects of different tillage methods combined with mulching measures on soil aggregate quantity, soil water storage capacity, potato yield and water use efficiency. 【】Tillage methods, mulching measures and their interaction could significantly increase the ＞0.25 mm aggregate size fraction in 0-40 cm layer. In 0-20 cm layer, compared with ploughing tillage without mulching treatment, subsoiling with straw mulching treatment significantly increased the ＞0.25 mm aggregate size fraction by 14.2% and 16.9% in dry year (2016) and deficit year (2014), respectively, while no tillage with straw mulching treatment was significantly increased by 8.5% in the normal year (2015). In 20-40 cm soil layer, subsoiling with straw mulch in dry year, subsoiling with film mulch in deficit year, and no tillage with straw mulch in normal year had the best effects in the ＞0.25 mm aggregate size fraction, which were significantly increased by 18.2%, 21.5% and 18.7%, respectively, compared with ploughing tillage without mulching. The tillage methods, mulching measures, and their interactions had significant effects on the soil water storage (0-200 cm). Compared with ploughing without mulching treatment, subsoiling with straw mulching treatment significantly increased the mean soil water storage in fallow period by 29.6%, 9.3%, and 11.4%, respectively. Compared with ploughing tillage without mulching, subsoiling with straw mulching treatment in dry year and deficit year significantly increased the mean soil water storage in key growth period by 21.9% and 28.3%, respectively, while no tillage with straw mulching treatment in normal year significantly increased the mean soil water storage in key growth period by 17.1%. In deficit year, the mulching methods and the interaction of tillage with mulching had significant effects on the yield and water use efficiency of potato, while no significances were found among the tillage methods. Compared with the ploughing without mulching, no tillage with straw mulch significantly increased the potato yield and water use efficiency by 51.8% and 50.5%, respectively. In normal year and dry year, the tillage methods, mulching measures and their interactions had highly significant effects on the potato yield and water use efficiency, and treatment of subsoiling with straw mulch had the best effect. The yield and water use efficiency of subsoiling with straw mulching treatment was 56.19% and 44.84% higher than that of ploughing tillage without mulching, respectively. 【】Tillage combined with mulching could improve soil aggregate structure, significantly enhance soil water storage and moisture conservation capacity in fallow and growth periods, and significantly improve potato yield and water use efficiency. Subsoiling combined with straw mulch in normal and dry years, and no tillage combined with straw mulch in deficit years could achieve continuous yield increase of potato in southern Ningxia.

tillage with mulching; soil aggregate; soil water; potato yield; water use efficiency

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.11.010

2020-07-30；

2020-09-19

國家自然科學基金（31301280）

苗芳芳，E-mail：18795298737@163.com。通信作者侯賢清，E-mail：houxianqing1981@126.com

（責任編輯 李云霞）