西北旱地马铃薯田土壤水分和产量对覆盖材料及不同种植行的响应

Effect of mulching materials and planting rows on soil moisture and yield of dryland potato field in Northwest China

摘要

目的 解决西北地区干旱频发，农业水资源短缺造成马铃薯产量低而不稳的问题。 方法 在陇中半干旱区设置大田试验，研究不同覆盖材料（地膜覆盖、秸秆带状覆盖）和秸秆覆盖带宽及种植带行数（覆盖带∶种植带60 cm∶60 cm、60 cm∶90 cm）对马铃薯田土壤水分动态变化和产量的影响。 结果 两个生长季，覆盖均能显著提高马铃薯全生育期0~200 cm土壤含水量。生育时期内，SM₁（秸秆覆盖2行）、SM₂（秸秆覆盖3行）和PM（地膜覆盖）处理均以块茎膨大期增墒幅度最大。不同土层间，地膜覆盖明显较CK（露地平作）提高0~90 cm土层土壤水分，而秸秆带状覆盖在块茎形成期以前主要提高0~90 cm土层的含水量，在块茎形成期之后以提高90~200 cm的土层含水量为主。与CK相比，SM₁、SM₂和PM处理均显著提高马铃薯产量16.0%~19.5%、10.0%~11.6%和27.1%~34.0%，水分利用效率提高10.7%~16.4%、10.1%~10.2%和21.4%~24.0%。两个生长季，覆盖显著增加了马铃薯单薯质量16.7%~17.5%，且单薯质量与产量极显著相关（r=0.83 **）。 结论 秸秆带状覆盖和地膜覆盖均是半干旱雨养区良好的保墒增产的栽培技术，在秸秆资源丰富的地区，秸秆带状覆盖2行种植模式（SM₁）是更适合当地绿色生产的覆盖种植模式。

Abstract

Objective The objective of this study was to solve the problem of low and unstable potato yield caused by frequent drought and shortage of agricultural water resources in Northwest China. Method In this study，we conducted a field experiment in the semi-arid area of central Gansu Province to investigate the effects of different mulching materials （plastic film mulching，straw mulching），straw strip mulching bandwidth，and row number of planting zone （mulching zone： planting zone 60 cm∶60 cm，60 cm∶ 90 cm） on soil water dynamics and potato yield. Result Our results show that mulching significantly increased soil water content from 0 to 2 meters during the entire potato growth period in both growing seasons.During the growth period，the SM₁ （straw mulching 2 rows），SM₂ （straw mulching 3 rows），and PM （plastic film mulching） treatments increased soil moisture the most in the tuber expansion stage.Plastic film mulching significantly increased soil moisture content in the 0~90 cm soil layer compared with the flat-planting without mulching （CK），while straw strip mulching mainly increased soil moisture content in the 0~90 cm soil layer before the tuber formation stage and in the 90~200 cm soil layer after the tuber formation stage.Compared with CK，SM₁，SM₂，and PM treatments significantly increased potato yield by 16.0%~19.5%，10.0%~11.6%，27.1%~34.0% and water use efficiency by 10.7%~16.4%，10.1%~10.2%，21.4%~24.0%，respectively.In both growing seasons，mulching also significantly increased the single tuber weight by 16.7%~17.5%，and the single tuber weight was significantly correlated with the yield （r=0.83**）. Conclusion Our study suggests that straw strip mulching and plastic film mulching are both effective cultivation techniques for preserving soil moisture and increasing potato yield in semi-arid rainfed areas.In areas with abundant straw resources，straw strip mulching with two rows （SM₁） is more suitable for local green production.

Graphical abstract

关键词

马铃薯 / 秸秆带状覆盖 / 种植行 / 土壤水分 / 产量

Key words

potato / straw strip mulching / planting rows / soil moisture / yield

黄土高原是我国重要的旱作农业生产区，干旱和降水分布不均是限制该地区作物产量和水分利用效率低的关键因素^{［1- 2］}。因此，如何利用栽培措施蓄住自然降水、降低土壤蒸发、提高土壤水分利用效率变得尤为重要^［3］，也是解决该地区“旱”与“薄”的有效栽培措施之一。

目前，大部分旱农区覆盖材料主要以地膜为主，其良好的抑蒸保墒和协调土壤水分分配的作用，显著提高了土壤水分^［4-5］，并增加小麦、马铃薯、玉米等作物产量^［6-8］。但随着地膜覆盖用量的逐年增加，其残膜回收难度大、土壤通透性降低等弊端逐渐暴露^［9］，与当前农业可持续发展理念相悖。为解决覆盖保墒以及地膜残留的问题^［10］，许多学者将覆盖栽培研究重心转移到秸秆覆盖种植上^［11-12］。研究表明，秸秆覆盖在地表形成的物理阻隔层能有效抑制土壤水分的散失^［13］、减少地表径流，使雨水下渗至耕作层，明显提高全生育期土壤水分^［14-15］，促进作物营养生长及生殖生长，进而提高作物产量^［16-17］。

秸秆带状覆盖技术已在冬小麦、马铃薯等作物上推广应用，增产效果明显，使旱地作物全生育期土壤水分较露地增加39.1%~88.1%，产量增加41.3%~69.1%^［18］。有研究发现，在覆盖条件下，不同覆盖带宽和种植行数会影响作物产量和水分利用效率^［19-20］。然而关于马铃薯田土壤水分和产量对秸秆带状覆盖带宽和不同种植行的响应的研究相对较少。为此，本研究以露地无覆盖为对照，设置秸秆带状覆盖（不同带宽和种植行数）和地膜覆盖处理，研究了不同覆盖材料及不同种植行对马铃薯农田水分及产量形成的影响，旨在探究不同覆盖带覆在马铃薯上的抗旱增产效果，为秸秆带状覆盖栽培技术的推广应用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018~2019年在甘肃农业大学旱作农业通渭县试验基地进行。该区域海拔1 750 m，年均气温7.2 ℃，年日照时数2 100~2 430 h，无霜期120~70 d，作物一年一熟，为典型的旱作雨养农业区。多年平均降水量为390.7 mm（65%降雨集中在6~9月）。2018、2019年生育期有效降水量（≥5 mm）分别为364.8、423.8 mm，分别占年总降雨量的83.1%和95.8%，两年试验前茬作物均为小麦，土壤为黄绵土，0~30 cm土层平均容重为1.25 g/cm³，土壤有机碳含量为5.52 g/kg，氮含量为0.65 g/kg，有效磷含量为10.63 mg/kg，可用钾含量为107.1 mg/kg，pH为8.5。

1.2 试验设计

试验设4个处理，分别为：秸秆带状覆盖2行（SM₁）、秸秆带状覆盖3行（SM₂）、黑膜覆盖（PM，地膜选用幅宽1.2 m，厚0.01 mm的黑色地膜）、不覆盖露地平作（CK），3次重复，随机区组排列，小区面积90 m²（18 m×5 m），各处理具体如下。

SM₁：覆盖带与种植带交替布置，覆盖带∶种植带=60 cm∶60 cm，秋季覆盖，人工将玉米整秆铺于覆盖带上，秸秆覆盖量约9 000 kg/hm²，每种植带呈正三角形穴播2行马铃薯，株距32 cm，行距60 cm。

SM₂：覆盖带与种植带交替布置，覆盖带∶种植带=60 cm∶90 cm，秋季覆盖，人工将玉米整秆铺于覆盖带上，秸秆覆盖量约9 000 kg/hm²，每种植带呈正三角形穴播3行马铃薯，株距38 cm，行距26 cm。

PM：全膜覆盖，大垄宽约100 cm，垄高10 cm，秋季覆盖，垄沟宽约20 cm，株距32 cm，行距60 cm，垄宽120 cm。

CK：传统不覆盖平作，播种时等行距呈三角形穴播，株距32 cm，行距60 cm。

供试马铃薯品种为陇薯7号，覆盖秸秆和地膜均在上一年秋末进行，结合秋季种地纯氮150 kg/hm²、P₂O₅ 120 kg/hm²一次性做基肥施入后覆膜、覆秆，全生育期内不追肥、不中耕，人工除草，生育期内化学防晚疫病2~3次。其他管理同常规大田，4月下旬播种，10月初收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤含水量的测定

马铃薯播种前1天、苗期、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期和成熟期，用土钻从种植行间取土样，按0~20、20~40、40~60、60~90、90~120、120~150、150~180和180~200 cm共8个土层，用烘干法测定土壤含水量。

土壤质量含水量（%）=\frac{\mathrm{土壤}\mathrm{鲜质}\mathrm{量烘}-\mathrm{干土}\mathrm{地质}\mathrm{量}}{\mathrm{烘干}\mathrm{土质}\mathrm{量}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}

1.3.2 土壤贮水量

土壤贮水量计算公式为：

W=h×ρ×ω×10（1）

式中：W为土壤贮水量（mm）；h为土层深度（cm）；ρ为土壤容重（g/cm³）；ω为土壤质量含水量（%）。

1.3.3 农田耗水量的计算

农田耗水量计算公式为：

ET=P+（W₁-W₂）（2）

式中：ET是马铃薯生长季内耗水量（mm）；P是有效降雨量（P≥5 mm）；W₁是播前土壤贮水量（mm）；W₂是收获时土壤贮水量（mm）。

1.3.4 产量测定

马铃薯成熟后，每个小区随机选取15株进行室内考种，依据薯块质量分为3个等级：大薯（>150 g）、中薯（75~150 g）和小薯（<75 g），分别调查每个等级的个数并称质量，进行产量构成分析。调查单株结薯数和单株结薯质量，计算商品薯率。

商品薯率（%）=\frac{\mathrm{单薯}\mathrm{75}g\mathrm{以上}\mathrm{的产}\mathrm{量}}{\mathrm{马铃}\mathrm{薯总}\mathrm{产}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}

收获时按小区测实产，取3次重复的平均值折算每公顷产量。

1.3.5 水分利用效率的计算

水分利用效率计算公式为：

WUE=Y/ET（3）

式中：WUE为水分利用效率（kg/（hm²·mm））；Y为马铃薯鲜薯产量（kg/hm²）。

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2019和SPSS 20.0软件进行数据统计分析，处理间差异显著性采用LSD法进行差异显著性检验，显著性水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 覆盖对全生育期0~200 cm土层贮水量的影响

覆盖能显著改善全生育期0~200 cm土层土壤水分状况（图2），总体上地膜覆盖增墒效果大于秸秆带状覆盖，秸秆带状覆盖2行种植大于3行。3个覆盖处理SM₁、SM₂和PM贮水量分别比CK显著增加33.7、30.2和43.1 mm。2018生长季，覆盖处理SM₁、SM₂和PM分别较CK增加0~2 m贮水量5.8%、4.4%和6.9%，覆盖处理间无显著差异（P>0.05）；2019生长季，SM₁、SM₂和PM土壤贮水量分别较CK显著增加11.4%、11.1%和15.1%，地膜覆盖与秸秆带状覆盖差异显著（P<0.05）。

2.2 覆盖对不同生育时期0~200 cm土层贮水量的影响

两个生长季，覆盖处理全生育期整体水分状况好于CK（图3），年际间变化规律不一。2018年和2019年全生育期0~200 cm土层贮水量，覆盖处理平均较CK增加5.7%和12.5%。两个生长季，不同生育阶段覆盖处理对土壤贮水量的影响不同，地膜覆盖在生育前期的增墒效应最好，而在生育后期秸秆带状覆盖增墒效果优于地膜覆盖。

2018生长季，马铃薯播种期到块茎形成期，该阶段降雨少、作物蒸腾耗水量较大，覆盖处理土壤贮水量呈下降趋势，块茎形成期降至最低，该生育阶段SM₁、SM₂和PM土壤贮水量分别较CK增加6.8%、4.4%和12.7%。随着降雨的增多，块茎膨大期土壤贮水量有所回升，覆盖处理土壤贮水量平均较CK增加1.8%，各处理间差异不显著（P>0.05）。淀粉积累期，秸秆带状覆盖SM₁、SM₂处理较CK增加土壤贮水量9.3%、6.7%，而PM较CK低1.8%。成熟期，覆盖处理平均较CK增加5.4%，处理间无显著差异（P>0.05）。

2019生长季，覆盖处理提高了全生育期土壤贮水量，平均较CK增加12.5%，增墒幅度：PM（14.8%）>SM₂（12.5%）>SM₁（11.1%）。与CK相比，淀粉积累期覆盖处理增墒最大，SM₁、SM₂和PM显著增加土壤水分15.7%、21.4%和17.8%，苗期增墒最低。3种覆盖处理PM的土壤贮水量最高，SM₁次之，SM₂最低。

比较各处理间0~200 cm土壤贮水量变异系数，2018年，SM₁、SM₂、PM及CK变异系数分别为11.5%、12.7%、11.5%及13.8%，2019年为5.7%、5.1%、7.8%和9.4%。由此可知，覆盖均能平抑全生育期土壤水分的波动，且在降雨较多的年份，秸秆带状覆盖平抑效果好于地膜覆盖。

2.3 覆盖对全生育期不同土层土壤平均含水量的影响

覆盖较CK显著提高了0~200 cm土层土壤含水量，且年际间差异明显（图4）。2018生长季，各处理土壤平均含水量下层（90~200 cm）大于上层（0~90 cm），而2019生长季则表现为上层大于下层。

覆盖对各土层基本表现为增墒效应，但因覆盖材料以及种植行的不同增墒效果存在差异。2018生长季，与CK相比，覆盖处理平均提高全土层土壤含水量5.4%，上层和下层覆盖处理平均较CK增加3.7%和10.5%。具体来看，上层土壤含水量SM₁、SM₂和PM较CK增加3.8%、1.2%和5.8%，下层土壤含水量比CK增加7.2%、6.6%和8.0%；秸秆带状覆盖处理间，SM₁处理0~200 cm土壤平均含水量及增墒幅度均大于SM₂。

2019生长季，覆盖较CK显著提高全土层土壤含水量12.2%，上层和下层分别较CK显著增加12.4%和12.0%（P<0.05）。其中，SM₁、SM₂和PM处理上层土壤平均含水量比CK高11.6%、10.3%和15.3%，下层比CK高10.6%、11.4%和13.9%。秸秆带状覆盖处理间，上层土壤含水量表现为SM₁（17.5%）高于SM₂（17.3%），而下层土壤含水量为SM₁（17.2%）低于SM₂（17.3%）。2018生长季，各处理变异系数大小为：SM₂（5.2%）>SM₁（3.6%）>PM（3.3%）>CK（2.9%），2019生长季依次为：SM₂（3.4%）>SM₁（3.1%）>PM（2.6%）>CK（1.1%），可见，与CK相比，覆盖处理增加了土层间水分的波动，供水稳定性较差。

2.4 覆盖对不同生育时期不同土层土壤含水量的影响

受年际间降雨量不同的影响，各处理土壤水分时空动态变化规律存在差异，且不同覆盖方式在不同时期表现出增墒和降墒的双重效应（图5）。2018生长季，与CK相比，各时期各覆盖处理的增墒效应明显大于降墒效应（除地膜覆盖在淀粉积累期为降墒）。在块茎形成期，覆盖处理增墒幅度最大，较CK增加8.6%。具体来看，SM₁处理在各时期各土层平均较CK增加了土壤含水量1.0%~10.0%，其中，在成熟期200 cm土层增墒幅度最大（29.8%），在块茎形成期增墒幅度最小（0.3%）。SM₂处理在各时期各土层较CK增加土壤含水量0.8%~6.2%，在淀粉积累期90 cm土层增墒幅度最大（24.5%），在块茎膨大期40 cm土层增墒幅度最小（1.1%）。PM处理在淀粉积累期较CK降低土壤含水量1.6%，在其余各时期则增加土壤含水量（2.0%~14.5%），其中在块茎形成期60 cm土层增墒幅度最高（36.0%），在块茎膨大期150 cm土层与CK含水量一致。

2019生长季，覆盖表现出了良好的增墒效应，在块茎膨大期增墒幅度最大，0~200 cm土壤含水量较CK平均增加11.1%。具体来看，SM₁处理在各时期各土层平均较CK增加土壤含水量6.2%~15.5%，其中在块茎膨大期180 cm土层土壤含水量增墒幅度最大（35.6%），在成熟期180 cm土层增墒幅度最小（1.2%）。SM₂处理在各时期各土层平均较CK增加土壤含水量4.9%~14.1%，其中在块茎膨大期180 cm土层增墒幅度最大（37.8%），在成熟期40 cm土层增墒幅度最小（1.1%）。PM处理在各时期各土层平均较CK增加土壤含水量9.1%~18.7%，其中在块茎膨大期，20 cm土层土壤含水量增墒幅度最大（47.7%），150 cm土层增墒幅度最小（0.6%）。

两年试验可知，马铃薯生育后期（淀粉积累期~成熟期），地膜覆盖主要增加对中上层土壤水分的消耗利用，而对深层土壤水分利用较少；秸秆带状覆盖在马铃薯生长后期增墒效果与地膜覆盖相似，且在关键生育时期（块茎膨大期）增墒效果好于地膜覆盖。

2.5 覆盖对马铃薯产量和水分利用效率的影响

覆盖显著提高了马铃薯块茎产量（表1），两个生长季增产幅度表现为PM>SM₁>SM₂，且年际间差异明显。2018和2019生长季，覆盖分别比CK显著（P<0.05）增产20.5%和18.9%。2018生长季，各处理单株结薯数无显著差异；与CK相比，SM₁和PM处理单薯质量显著增加13.7%和36.2%（P<0.05），SM₂处理单薯质量无显著差异；2019生长季，单株结薯数SM₁较CK显著增加7.7%，PM较CK显著减少9.6%，SM₂与CK无显著差异。SM₁、SM₂和PM的单薯质量显著较CK增加13.8%、10.2%和26.1%。两个生长季单薯质量的增加明显提高了马铃薯商品薯率，秸秆带状覆盖和地膜覆盖的商品薯率分别较CK增加7.6%和10.9%，且SM₁商品薯率均大于SM₂处理。

两个生长季，覆盖明显较CK提高了水分利用效率，SM₁、SM₂、PM水分利用效率分别提高10.7%~16.4%、10.1%~10.2%及21.4%~24.0%。相关分析表明，马铃薯块茎产量与单薯质量（0.744 **~0.832 **）、水分利用效率（0.909 **~0.961 **）呈极显著正相关，与单株结薯数呈负相关（-0.454~-0.162）。可见，两个生长季，覆盖处理均通过促进单薯质量增加来提高产量。

3 讨论

3.1 覆盖对土壤水分含量变化的影响

地表覆盖能抑制土壤蒸发，改善农田土壤水分状况，协调土壤蓄水与作物生长用水间的矛盾，促进作物生长^［21-22］。本研究结果表明，秸秆带状覆盖和地膜覆盖均能抑制土壤水分的外蒸，显著提高全生育时期0~200 cm土壤水分含量，与CK相比，秸秆覆盖增墒5.1%~11.2%，地膜覆盖增墒6.9%~15.1%。覆盖处理间，PM增墒最显著，比秸秆覆盖增墒1.7%~3.5%。这与马建涛等^［23］、蔡太义等^［24］、刘战东等^［25］的研究结果相似。另外，不同种植行在土层间土壤含水量的影响也不同。本试验中，秸秆2行种植土壤含水量明显比3行高，可见种植行的增加会加剧土壤水分的消耗，降低土壤含水量，同时在3行种植模式下，由于行距缩小致使群体叶层密集，遮阴率高，冠层对降雨的拦截作用突出，雨水不能直接作用于根际土壤，使得垂直于植株根际截面的土壤水分含量减少。本研究中，在马铃薯生育前期，秸秆带状覆盖土壤含水量较地膜覆盖低，而在生育后期，秸秆带状覆盖高于地膜覆盖，且秸秆带状覆盖加剧了土壤水分的波动，这与李辉等^［26］的研究结果不一致。其主要原因有：在马铃薯生育前期，降雨少，温度低，作物耗水少，覆盖于地表的塑料薄膜形成了一个屏障，有效阻隔了土壤水分的蒸散，从而提高了土壤水分含量；在生育后期，降雨增多，地膜覆盖抑制水分蒸发的同时也减少了雨水的入渗，而秸秆带状覆盖为半封闭式的结构，有利于降水下渗至深层土壤，从而提高土壤蓄水量；同时秸秆带状覆盖透水透气性强于地膜，增加了大气与土壤间水汽交换频率，因此加剧了土层间水分的波动。

3.2 覆盖对产量及产量构成因素的影响

在半干旱雨养农业区，水分是限制马铃薯产量的主要因素^［27］。覆盖能明显改善农田水热环境，促进作物生长，显著增加作物产量并提高水分利用效率^［28-30］。大量研究表明，秸秆覆盖和地膜覆盖马铃薯产量较露地种植提高33.9%~92.5%和51.6%~88.2%，水分利用效率提高41.4%~112.6%和50.0%~68.2%^［31-34］，这与本试验结果一致。两个生长季，覆盖种植平均提高马铃薯单薯质量17.0%、提高水分利用效率15.5%，产量增加19.7%，均以地膜覆盖增加幅度最大。也有研究表明，适宜的行距配置和种植密度能够改善作物群体冠层结构，提高光能、水分和养分利用效率，并提高作物产量^［35-36］，但不同种类作物对行距配置的响应不同^［37-38］。在玉米上研究表明，随种植密度的增加，产量呈“先增加后降低”的趋势^［40］，而在小麦不同种植行试验中表明^［39］，种植行越多，籽粒产量越低。本试验中，秸秆覆盖2行种植较3行单薯质量平均增加6.8%，产量增加6.5%，其原因可能是：3行种植模式较2行种植行距缩小，结构紧凑，导致植株对养分竞争加大，叶片相互遮挡，减少作物受光面积，导致光合作用下降，从而降低水分、养分的转化和积累速率，影响作物生长发育，进而使马铃薯结薯数减少，单薯质量降低，最终导致产量降低。

4 结论

两年生长季，秸秆带状覆盖和地膜覆盖能显著改善土壤水分状况，并提高深层土壤水分利用，促进马铃薯生长，显著提高马铃薯产量和水分利用效率，增产原因均是提高了单薯质量。与露地平作相比，地膜覆盖增墒、增产幅度大于秸秆带状覆盖，但在关键生育时期秸秆覆盖增墒效果优于地膜覆盖。秸秆带状覆盖处理间，2行种植模式水分保蓄、增产效果优于3行。因此，秸秆带状覆盖两行种植是更适合秸秆资源丰富地区使用的抗旱保墒、绿色生产的可持续覆盖种植模式。

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基金资助

国家自然科学基金项目(31960239)

国家自然科学基金项目(31760373)

甘肃省高等学校产业支撑计划项目(2022CYZC-48)

国家重点研发计划(2021YFD1900700)