秸秆带状覆盖种植马铃薯农田土壤温度及其气温响应特征

Soil temperature characteristics and its response to air temperature in potato fields with straw strip mulching

摘要

目的 为探明西北半干旱雨养区秸秆带状覆盖马铃薯田地温变化特征。 方法 于2014~2015年在西北半干旱雨养区，设秸秆带状覆盖（SM）、地膜大垄（PMP）、全膜双垄沟（PMF）和露地平作（CK）4个处理。 结果 不同处理在各生育时期、各土层土壤温度存在显著差异，各层次土壤温度日变化随气温呈正弦函数变化，土壤温度随气温的变化滞后2 h左右；无论平水年，还是丰水年，秸秆覆盖马铃薯各生育时期均出现降温效应，地膜覆盖则表现为增温效应，与CK相比，秸秆覆盖全生育期0~25 cm土层土壤温度平均降低0.8~1.4 ℃，PMP、PMF分别提高1.6~2.3 ℃、1.0~1.1 ℃；秸秆覆盖可延长苗期-成熟生育天数，较CK延长6~7 d，较覆膜延长8 d；同时，秸秆覆盖降低日振幅，土壤温差较CK降低1.9 ℃，增加马铃薯膨大~成熟期土壤有效积温。 结论 秸秆带状覆盖有效调控地温变化，有利于马铃薯生长。

Abstract

Objective The effects of straw strip mulching and film mulching on dryland soil temperature and its response to air temperature were examined from 2014 to 2015 in the rainfed semi-arid regions of China. Method Field experiments were conducted with four treatments： alternating strips mulched with maize （Zea mays L.） straw and bare plots with no ridges （SM）； alternating large ridges and small furrows with only the ridges mulched with black polyethylene film （PMP）； alternating narrows and wide ridges both mulched by black polyethylene film （PMF），and traditional bare land planting without mulching （CK）. Result The results indicated that soil temperature significantly varied across different growth stages and soil layers in all treatments.The daily change of soil temperature at each layer showed a sinusoidal function with temperature，with a delay of about 2 hours. In both normal and wet years，straw mulching had a cooling effect in all growth stages of potatoes，while plastic film mulching had a warming effect.Compared with CK，SM significantly decreased soil temperature by 0.8~1.4 ℃，while PMP and PMF significantly improved soil temperature by 1.6~2.3 ℃ and 1.0~1.1 ℃，respectively. Straw mulching prolonged seedling growth days，which was 6~7 days longer than CK and 8 days longer than film mulching. The straw strip mulching significantly reduced daily temperature variations during the entire growth stages，with a soil temperature difference decrease of 1.9 ℃ compared to CK.The SM treatment significantly increased effective accumulated temperature from tuber bulking to maturity. Conclusion In conclusion，straw strip mulching can effectively control ground temperature changes，promoting potato growth.

Graphical abstract

关键词

秸秆带状覆盖 / 地膜覆盖 / 土壤温度 / 温差 / 马铃薯

Key words

straw strip mulching / film mulching / soil temperature / temperature difference / potato

作物秸秆是农业生产的副产物，也是一种重要的有机肥源^［1］。据统计，发达国家秸秆还田率高，达66~76%，而我国秸秆还田较低，大约只有25%。秸秆覆盖还田有利用提高土壤肥力，改善土壤结构，增加土壤碳贮量，还能提高速效养分供应能力^［2］，可替代15％的氮肥投入^［3］，进而实现作物增产。因此，秸秆覆盖还田是解决土壤可持续生产能力的有效途径。

土壤温度是影响作物生长发育、矿质元素吸收利用、土壤酶活性、微生物的数量与活性及农田温室气体排放等的重要因素^［4，5］。土壤温度对气温的响应受气候、海拔、纬度、土壤类型、植被、地表覆盖、太阳辐射等储多因素影响^［6］。地表覆盖对农田土壤温度的调节作用在已受到广泛关注^［7］，但因研究气候、土壤类型、土壤含水量、覆盖措施等因素影响研究不尽一致，秸秆地表覆盖能够降低土壤温度^［8，9］、增加某生育期土壤温度^［10-12］以及对土壤温度无影响^［13］。已研究证实，秸秆覆盖随气温变化具有明显的缓冲作用，低温时段具有增温效应，高温时段具有降温效应。秸秆覆盖能有效调控土壤水分、抑制土壤蒸发^［14］、减少昼夜温差波动，有利于作物生长发育和冬季作物安全越冬，但有时因返青期降温明显延迟作物返青^［15］；也有研究表明，秸秆覆盖有利于缓解高温胁迫促进作物生长发育^［16］。Olasantan等^［17］研究表明，秸秆覆盖可降低白天土壤温度，抑制了土壤温度的波动。Cook等^［18］研究发现，稻秆覆盖显著降低表层土壤温度，且随覆盖量增加，土壤温度降低，不同稻秆覆盖量处理平均降温2~2.8 ℃。Li等^［7］也研究表明，秸秆覆盖使0~25 cm土层土壤0.9~1.9 ℃，降低最高土壤温度来降低土壤温度的日变化幅度。Cadavid等^［19］ 研究表明，与不覆盖相比，秸秆覆盖降低了在5 cm处土壤温度，中午土壤约降低温度为10 ℃。Ram等^［20］也研究表明，秸秆覆盖能降低小麦生育期最高温度2.0~3.3 ℃，增加0~15 cm土层土壤有机碳的含量，提高水分利用效率和小麦产量。

西北半干旱雨养区，降水少且分布不均、地表蒸发量大、农田生产低而不稳。本研究在西北雨养条件下，以不覆盖露地为对照，利用曲管温度计+电子记录仪相结合，系统比较分析秸秆带状覆盖和地膜覆盖马铃薯农田土壤温度变化及其对气温响应特性，探索秸秆带状覆盖马铃薯农田土壤温度效应规律，为旱地马铃薯可持续生产和环境友好型覆盖种植技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于甘肃省通渭县甘肃农业大学试验基地（N 35°11′，E 105°19′），海拔1 750 m，气候类型属于属中温带半干旱气候，年均气温7.2 ℃、无霜期120~170 d、年日照时数200~2 430 h，多年平均降水量为390.7 mm，且主要集中夏秋季，年蒸发量达1 500 mm，为典型旱地雨养农业区，一年一熟制。马铃薯生育期月降水量和月平均气温如图1，2014年（平水年）、2015年（丰水年）马铃薯生育期降水量分别为271.7、281.2 mm。土壤类型是黄绵土，0~30 cm土层平均容重为1.25 g/cm³。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，设玉米秸秆带状覆盖（SM）、地膜大垄（PMP）、全膜双垄沟（PMF）和不覆盖露地平作（对照，CK）4个处理，小区面积80 m²（16 m×5 m），3次重复。

SM：播前7 d分秸秆覆盖带和种植带各60 cm，相间排列。采用玉米整秆覆盖，折合秸秆量约9 000.0 kg/hm²，每种植带播种2行。PMP：采用大垄模式，垄宽70 cm，高15 cm，垄沟宽50 cm。垄面采用90 cm宽的黑色地膜覆盖，垄面按行距50 cm播种2行马铃薯。PMF：采用双垄沟模式，大垄宽70 cm，高20 cm，小垄宽40 cm，高15 cm，留10 cm渗水带，用120 cm宽的黑色地膜全地面覆盖，大垄播种2行；CK：露地不覆膜，行距60 cm。

各处理株距均为33 cm，采用“品”字型穴播，地膜均为0.008 mm厚度的普通黑色农用地膜，供试马铃薯品种为青薯9号，各处理密度均为52 500株/hm²。在马铃薯生育期间防晚疫病2次。各处理播前均施氮肥120 kg/hm²，磷肥120 kg/hm²，供试氮肥为尿素（含N46%），磷肥为磷酸二铵（含P₂O₅ 46%），其它管理同大田。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤温度人工监测

在生育时期各小区分5个土层（5、10、15、20、25 cm），将曲管温度计置于作物种植带植株间定期测定各土层的温度，均在晴天进行测定，分早晨（6∶00~8∶00）、中午（12∶00~14∶00）和傍晚（17∶00~18∶30）3次测定，计算早、中、晚3次平均值为日平均温度。

1.3.2 土壤温度自动监测

对马铃薯第2个生长季增加采用iButton纽扣温度记录仪（Dallas半导体公司）连续监测土壤（分5、15、25 cm土层）的昼夜温度变化，放置位置同曲管温度计，记录时间间隔设置为1 h。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 20.0软件进行数据处理和分析，并用Sigmaplot 12.5软件进行作图，差异显著性采用LSD法（α=0.05）进行比较。

2 结果与分析

2.1 全生育期0~25 cm土体平均温度状况

不同覆盖方式显著影响0~25 cm土层土壤温度，秸秆带状覆盖存在明显降温效应，地膜覆盖具有明显的增温效应（图2）。与CK相比，秸秆带状覆盖平均降温1.4 ℃（平水年）、0.8 ℃（丰水年）；PMF显著增温1.0 ℃（平水年）、1.1 ℃（丰水年），PMP显著增温2.3 ℃（平水年）、1.6 ℃（丰水年）。

2.2 土壤温度时空动态差异

与CK相比，无论平水年，还是丰水年，秸秆覆盖马铃薯各生育时期均出现降温效应，地膜覆盖则表现为增温效应（图2）。分时期比，前期差异大于后期差异，2个生长季最大极差均出现在块茎膨大期的SM与PMP之间（CV 8.7%、8.9%），平水年（5.1 ℃）大于丰水年（3.7 ℃）；最小极差出现在成熟期的PMP与SM之间（CV 7.3%、5.8%），也是平水年（1.6 ℃）大于丰水年（1.4 ℃）。比较各时期0~25 cm土壤平均温度，覆膜平均与对照CK的差值各时期依次为：平水年，块茎形成期（2.0 ℃）>淀粉积累期（1.8 ℃）>块茎膨大期（1.7 ℃）>苗期（1.6 ℃）>成熟期（1.1 ℃）；丰水年，块茎膨大期（2.7 ℃）>苗期（1.4 ℃）>成熟期（1.2 ℃）>块茎形成期（1.1 ℃）>淀粉积累期（0.5 ℃）。而秸秆覆盖与对照CK的差值各时期依次为：平水年，成熟期（-0.1 ℃）>苗期（-1.3 ℃）>块茎形成期（-1.4 ℃）>淀粉积累期（-1.7 ℃）>块茎膨大期（-2.6 ℃）；丰水年，成熟期（-0.2 ℃）>块茎膨大期（-0.5 ℃）>块茎形成期（-0.7 ℃）>淀粉积累期（-0.9 ℃）>苗期（-1.6 ℃）。可见，地表覆盖可平抑马铃薯各生育时期土壤温度波动。

分土层比（图3），秸秆覆盖处理不同土层均出现的降温效应，地膜覆盖则表现为增温效应，随着土层的加深，土壤温度呈减弱趋势。平水年差异最大在10 cm处（CV：8.8%，极差为4.2 ℃）；丰水年则在15cm处（CV：6.4%，极差为2.4 ℃）。

分时期、分土层比（图4），平水年，块茎膨大期5 cm土层的SM与PMP之间（相差6.2 ℃）差异最大；丰水年，苗期5 cm土层的SM与PMP间差异最大（相差4.0 ℃）。土层间最大差异，平水年出现在苗期SM处理5 cm与25 cm土层（相差6.3 ℃）；丰水年，则出现在苗期PMF和PMP处理5 cm与25 cm土层（相差5.7 ℃）。

2.3 土壤有效积温的差异

地表覆盖可影响马铃薯的生育进程，秸秆覆盖可延长马铃薯生育期。与CK、覆膜相比，秸秆覆盖可延长苗期-成熟生育天数，较CK延长6~7 d，较覆膜延长8 d，同时延长形成-淀粉积累期（图5）。可见，秸秆覆盖延长了马铃薯营养生长阶段和后期的生殖生长的时间，有利于地上部分叶面积增大，光合能力增强，为后期块茎膨大积累了足够的干物质，促进马铃薯块茎膨大和淀粉积累，提高单薯质量和大薯率，增加薯块产量。

与CK比，2个生长季，SM、PMF、PMP分别比CK显著高-106.9 ℃、291.6 ℃、10.2 ℃（平水年），24.8 ℃、218.6 ℃、149.7 ℃（丰水年），覆膜可提高全生育期土壤有效积温，2个生长季PMP与CK存在显著差异、丰水年PMF与CK存在显著差异。生育期比较，覆膜一般增加马铃薯各生育阶段土壤有效积温（除PMF在平水年形成~膨大期降低土壤积温外），一般与CK有显著差异；SM处理降低苗期~膨大期（平水年）、苗期~形成期（丰水年）土壤积温，无论平水年、还是丰水年，SM处理增加马铃薯膨大~成熟期土壤积温，且与覆膜（PMF和PMP）和CK存在显著差异，平均较CK增加36.8 ℃（平水年）、32.2 ℃（丰水年），有利于马铃薯块茎形成以及促进薯块膨大，从而提高马铃薯产量。

2.4 土壤日均温变化特征

为了进一步研究不同覆盖措施对马铃薯土壤温度的影响，第2生长季（2015年）补充自动温度记录仪记录昼夜土壤温度变化（图6），各土层土壤温度的变化与大气温度变化趋势一致，与CK相比，秸秆覆盖处理各生育时期均表现为降温效应，且降温幅度前期大于后期，且随着土层深度加深，呈增强趋势，同时可平抑土壤温度的剧烈波动；而地膜覆盖则表现为明显的增温效应，且随着土层深度加深，增温效应逐渐减弱趋势。

日均温-CK差值来看，5 cm土层变化最为剧烈，15 cm土层次之，25 cm土层变化相对较小。与CK相比，5、15、25 cm土层全生育期平均温度，SM分别显著降低0.5、0.4、1.0 ℃，PMP分别提高1.2、1.7、0.9 ℃，PMF分别提高1.2、1.6、0.9 ℃，这也另一方面验证了人工监测的可靠性。

2.5 土壤温度日变化

总体表现为：表层土壤日变化波动明显，深层土壤波动较为平缓。全生育平均日变化来看，5 cm处土壤温度秸秆覆盖夜间高于CK，白天低于CK，地膜覆盖在10∶00~17∶00低于CK，其于时段明显高于CK；15 cm和25 cm土层，秸秆覆盖昼夜土壤温度低于CK，地膜覆盖则高于CK。

分时期比较，苗期，5 cm土层土壤温度分别于8∶00和16∶00左右达到最低和最高（图7），其中SM、PMP、PMF和CK最高温度分别较气温低5.6、2.1、4.0、2.9 ℃，而土壤最低温度分别较气温高3.5、5.4、6.2、3.8 ℃，秸秆覆盖昼夜土壤温度总是低于其它处理。马铃薯形成到膨大期土壤温度变化与出苗期相似，随着气温升高，作物覆盖迅速生长，覆盖度快速上升，秸秆覆盖白天温度低于地膜和露地，夜间温度高于露地。15 cm和25 cm土层土壤温度日变化相似，随着生育进展推进，差异逐渐缩小，前中期，覆秆昼夜温度总低于CK，覆膜普遍高于CK。可见，秸秆覆盖在高温季节具有明显的降温缓冲作用，且日变化趋于缓和，有效缓解高温对马铃薯块茎膨大的影响。

2.6 土壤温度日较差

地表覆盖平抑土壤温度的剧烈波动，秸秆覆盖平抑效果好于地膜覆盖，覆盖处理明显降低了日振幅，覆秆降低土壤最高温更为明显。各处理0~25 cm土层土壤的平均日较差依次为：CK（5.6 ℃）>PMP（4.2 ℃）>PMF（3.8 ℃）>SM（3.7 ℃）。土层比，5cm土层，与CK相比，平均日较差依次为：CK（11.4 ℃）>PMP（7.6 ℃）>SM（6.8 ℃）>PMF（6.6 ℃）（图8）；15 cm土层，覆膜提高了最低和最高温度，秸秆覆盖提高了最高温度、降低了最低温度，日平均温差大小顺序依次为：CK（3.9 ℃）>PMP（3.5 ℃）>PMF（3.5 ℃）>SM（2.9 ℃）；25 cm土层，依次为CK（1.6 ℃）>PMP（1.5 ℃）>PMF（1.3 ℃）>SM（1.3 ℃）。

3 讨论

地面覆盖对光辐射吸收转化和热量传导均有影响，有效改变了土壤的热流状况^［21］，创造有利于作物生长发育的土壤微环境。大量研究表明：地膜覆盖能明显增加土壤的温度^［7］，而秸秆覆盖地表后形成一道隔离层，对太阳辐射和地面辐射有吸收和拦截作用，阻碍了大气与土壤的水热交换^［22］，大部分认为秸秆覆盖能降低地温^［23］，也有部分得出相反的结论^［24］。马铃薯最适温度一般在15~18 ℃之间，最适温度有利用马铃薯膨大和提高产量^［25］。本研究发现，秸秆覆盖明显降低0~25 cm土壤温度0.8~1.4 ℃，地膜覆盖增加1.0~2.3 ℃，这与Lu等^［23］、Li等^［7］、邓浩亮^［26］等研究结论一致。

地表覆盖显著影响土壤温度日变化，大多数认为“秸秆覆盖在低温时有增温效应，高温时有降温效应”的观点，并能平抑地温在季节间和昼夜间的剧烈变化^［27］。有研究表明，秸秆覆盖能明显降低下午2∶00土壤温度2~4 ℃^［13］，另一研究表明^［19］，秸秆覆盖与不覆盖比，5 cm土层中午时段能明显降低10 ℃。马铃薯是喜凉作物，适当降低耕层地温，有利于马铃薯薯块膨大^［29-30］。本研究表明，5 cm处土壤温度秸秆覆盖夜间高于CK，白天低于CK，地膜覆盖在10∶00~17∶00低于CK，其于时段明显高于CK；15 cm和25 cm土层，秸秆覆盖昼夜土壤温度低于CK，地膜覆盖则高于CK。同时5、15、25 cm土层日振幅秸秆覆盖较CK分别降低4.5、1.0、0.3 ℃这与陈继康^［28］研究结论类似，有利于马铃薯膨大。

4 结论

秸秆覆盖秸秆带状覆盖有效调控地温变化，可延长马铃薯苗期-成熟生育天数，尤其延长薯块形成-淀粉积累期天数，延长了薯块膨大、淀粉积累持续期，生育期推迟，但有利于提高马铃薯产量。

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基金资助

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兰州城市学院博士科研启动基金项目(LZCU-BS2019-14)